细胞外基质的主要组分
细胞外基质结构由凝胶样基质和纤维网组成，氨基聚糖（glycosaminoglycan，GAG）和蛋白聚（proteoglycan）糖形成凝胶状基质，纤维网络主要由胶原（collagen）、弹性蛋白（elastin）、纤黏连蛋白和层黏连蛋白组成。
（1）氨基聚糖和蛋白聚糖
氨基聚糖是由重复二糖单位构成的直链多糖，其二糖单位通常由氨基己糖（N-氨基葡萄糖或N-氨基半乳糖）和糖醛酸组成，但硫酸角质素中糖醛酸由半乳糖代替。氨基聚糖根据组成糖基、连接方式、硫酸化程度及位置的不同可以分为7种（表13-4）：透明质酸、硫酸软骨素（4-硫酸软骨素、6-硫酸软骨素）、硫酸角质素、硫酸皮肤素、硫酸乙酰肝素和肝素。
表13-4 7种氨基聚糖的糖基组成及主要组织分布
氨基聚糖一般由不超过300个单糖组成，最大相对分子量小于50 k Da。氨基聚糖链是刚性的，它们不会像多肽链那样折叠成密集的球形结构。此外，氨基聚糖具有很强的亲水性，因此硫酸氨基聚糖（GAG）倾向于形成扩展性构象。氨基聚糖这种构象占据了很大的空间，并且可以在非常低的温度下形成凝胶。
透明质酸是7种氨基聚糖中相对分子质量最大的，也是唯一不含硫酸基的氨基聚糖。透明质酸最多可由10万个单糖组成，在溶液中呈不规则的卷曲。如果将糖链分子拉直，长度可达20μm以上。透明质酸被认为是细胞外基质中氨基聚糖的原始形式，由葡萄糖醛酸和乙酰氨基葡萄糖二糖结构单位重复排列、聚合组成。
透明质酸广泛分布于各种动物组织的细胞外基质和体液中，其分子表面含有大量的羧基和亲水基团。COOH—基团可以与阳离子结合，增加离子浓度和渗透压，使大量水分子被吸收到基质中。亲水性基团可以结合大量水分子，形成黏性水化凝胶，占据较大的空间。透明质酸的这种物理化学特性使组织具有强大的抗压能力，并起到润滑剂的作用。在早期胚胎或创伤组织中合成丰富的透明质酸可促进细胞增殖，促进细胞迁移。然而，细胞增殖和迁移一旦结束，黏连开始发生，透明质酸就被活性的细胞外基质透明质酸酶降解。同时，细胞表面透明质酸受体减少，细胞就会进入分化状态。由此推断，透明质酸可能具有在防止细胞增殖到足够数量及迁移到既定位置之前过早发生分化的重要作用。
透明质酸与其他6种氨基聚糖一起参与细胞外基质中蛋白聚糖的组成。除了透明质酸和肝素外，其他氨基聚糖可与核心蛋白共价结合形成蛋白聚糖。蛋白多糖是由氨基多糖（透明质酸除外）与核心蛋白共价结合形成的高分子量复合物，它们是含糖量非常高（占总分子量的90%～95%）的糖蛋白。核心蛋白是一种单链多肽，1个核心蛋白分子可以连接1到100个相同或不同的糖胺聚糖形成蛋白聚糖单体。几种蛋白聚糖单体可以通过非共价键结合透明质酸形成蛋白聚糖多聚体。已知软骨中的蛋白聚糖复合物是较大的分子，其氨基聚糖是硫酸软骨素和硫酸角质素，每个复合体都有数百万的相对分子量，有几微米长，这些蛋白聚糖赋予软骨凝胶状的特性和抗变形能力。
蛋白聚糖的核心蛋白肽链在粗面内质网核糖体上合成，多糖侧链装配到核心蛋白上，是在高尔基复合体中进行的。蛋白聚糖具有多态性，可以包含不同氨基酸序列的核心蛋白以及不同长度和组成的各种多糖链。每一种蛋白聚糖都有其独特的结构，其功能由各自的核心蛋白和氨基多糖决定。蛋白聚糖不全是细胞外基质成分，也有质膜的整合成分，可与胶原、纤黏连蛋白及信号分子结合。胞内区肽段则与膜下细胞骨架和细胞皮层内的信号蛋白相互作用，介导细胞与细胞外基质的结合，并传递细胞内和细胞外的信息。
氨基聚糖和蛋白聚糖普遍存在于动物体内各种组织中，在结缔组织中含量最高，其功能主要有以下几个方面。①使组织具有弹性并能抵抗压力。氨基聚糖和蛋白聚糖可以构成高度水合的细胞外凝胶基质，使组织具有渗透压和膨胀压，并具有抗张力、反弹力和机械压力的缓冲作用，在维持组织形态和防止机械损伤方面发挥重要作用。软骨中大量的蛋白聚糖复合体使其具有良好的弹性和抗压能力。②有选择性地输送物质。由于糖基的高亲水性，可以构成高度水化的有孔胶状物，孔的大小和电荷密度可以调节分子和细胞的通透性，具有分子筛的作用，水、离子、各种营养小分子、代谢物、激素、维生素和细胞因子可选择性透过。肾小球基底膜中的硫酸软骨素蛋白聚糖对原尿的滤过作用就是此项功能的体现。③角膜中的蛋白聚糖具有透光的特性。角膜主要含有硫酸软骨素和硫酸角质素。由于角膜高度硫酸化，基质脱水变得致密，阻止血管的形成，使角膜柔软透明，同时角质化有保护作用。④氨基聚糖具有抗凝血作用。肝素、蛋白聚糖可与某些凝血因子结合，具有抗凝血作用。肝素蛋白聚糖通常以单体形式存在，由血管附近的肥大细胞分泌，储存在肥大细胞颗粒中，当受到刺激时，释放到血液中并与抗凝酶结合，抑制凝血因子，具有抗凝血作用。⑤细胞表面的蛋白聚糖有传递信息作用。在成纤维细胞和表皮细胞质膜内的黏结蛋白聚糖，其胞外区硫酸乙酰肝素蛋白聚糖可与多种细胞外基质、生长因子等信号分子结合，将细胞外信号传递到细胞内，引起细胞内的生物学效应。⑥氨基聚糖和蛋白聚糖与组织衰老有关。氨基聚糖和蛋白聚糖的种类和数量随年龄的变化而变化，与组织发育过程中的功能相对应。例如，在胚胎发育的早期阶段，透明质酸的产量特别高，可以促进细胞增殖、迁移和阻止细胞分化。透明质酸和硫酸软骨素是很好的保水物质，3个月大的胎儿的皮肤中这两种物质的含量比成年人的皮肤丰富20倍。随着年龄的增长，这两种物质的含量逐渐减少，其中一些逐渐被硫酸皮肤素所取代。关节软骨中的蛋白聚糖也随着年龄的增长而减少，硫酸软骨素逐渐被硫酸角质素所取代。随着个体年龄的增长，蛋白聚糖中糖类的比例降低，导致组织的饱水性和弹性降低。
（2）胶原与弹性蛋白
胶原是动物中分布最广泛、数量最丰富、种类最多样的纤维蛋白家族，存在于各种器官和组织中的胶原蛋白占人类蛋白质总量的30%以上。胶原蛋白和弹性蛋白赋予细胞外基质强度和韧性，可由成纤维细胞、软骨细胞、成骨细胞和某些上皮细胞合成分泌。
典型的胶原分子呈纤维状，是由3条α多肽链盘绕而成的三股螺旋结构，长300 nm，直径1.5 nm，称为原胶原。每条α肽链的氨基酸组成和排列独特，含有丰富的甘氨酸（Gly）和脯氨酸（Pro），其中甘氨酸含量占30%左右，脯氨酸及羟脯氨酸约占25%。α肽链中的氨基酸组成规律的Gly-X-Y三肽重复序列，通常X为脯氨酸，Y常为羟脯氨酸或羟赖氨酸。由于三肽重复序列中甘氨酸的相对分子质量最小，肽链卷曲成规律的α-螺旋结构，而肽链的羟基化和糖基化使肽链相互交联，最终形成稳定的3α-螺旋结构。
目前已经发现的胶原有20余种，由不同的结构基因编码，具有不同的化学结构及免疫学特性。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ和Ⅺ型胶原为有横纹的纤维型胶原。不同组织中胶原的含量和种类不同，目前了解最多且较为常见的几种胶原类型中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型胶原在组织中的含量最为丰富。皮肤组织以Ⅰ型胶原为主，Ⅲ型胶原次之。Ⅱ型胶原是软骨组织中的主要胶原成分，Ⅲ型胶原则是血管组织中最多的胶原成分，Ⅳ型胶原的分布仅局限于各种基膜中。肝脏中含量较高的胶原类型有Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅹ和Ⅶ等型。正常人肝脏的Ⅰ型与Ⅲ型胶原的比为1∶1，各占33%左右。肝纤维化和肝硬化时，肝脏胶原含量可增加数倍，且Ⅰ型与Ⅲ型胶原的比值可增加到3∶1左右。
根据胶原的结构和功能，可将其分为7类，如表13-5所示。
表13-5 胶原主要类型及其特性
胶原蛋白的基本结构单位是由3条多肽链组成的三股右手超螺旋结构原胶原（tropocollagen）分子。在此基础上，不同的原胶原分子按阶梯式排列，通过侧向共价结合相互交联，聚合形成不同直径和长度的胶原原纤维（collagen fibril）。与大多数分泌蛋白的合成和修饰相似，胶原的合成和组装始于内质网，在高尔基复合体中修饰，最后在细胞外组装成胶原原纤维（图13-4）。
图13-4 胶原纤维形成过程中在细胞内和细胞外的变化示意图(https://www.daowen.com)
胶原合成时，首先在粗面内质网附着核糖体上合成前α链。前α链不仅含有内质网信号肽，而且在其N端和C端还各含有一段不含Gly-X-Y序列的前肽（prepeptide）。新合成的前α链进入内质网腔后，信号肽被切除，肽链中的脯氨酸和赖氨酸被羟基化成羟脯氨酸和羟赖氨酸，其中一些羟赖氨酸残基被部分糖基化修饰。随后3条前α链的C端前肽借二硫键形成链间交联，使3条前α链对齐排列，并从C端向N端聚合形成三股螺旋结构。这种带前肽的三股螺旋胶原分子被称为前胶原（procollagen），其两端的前肽部分保持非螺旋卷曲。然后前胶原分子进入高尔基复合体，经过进一步糖基化修饰被包装进分泌小泡，分泌到细胞外。
在正常情况下，胶原的更新率较慢，如骨胶原分子的半衰期可达10年，但在伤口修复或炎症反应的早期，胶原的转化率加快，并伴有胶原类型的转化。胶原分子可被胶原酶降解，胶原酶的激活和抑制在调节胶原的转化率中起着重要作用。创伤组织癌变组织中，胶原酶活性明显升高。胶原酶抑制剂可由结缔组织合成。激素可调节胶原酶的合成和降解，如糖皮质激素可诱导胶原酶的合成，雌二醇和孕酮可控制子宫胶原的降解。
胶原在不同的组织中发挥不同的功能。例如，哺乳动物皮肤中的胶原被编织成一张网，分布在皮下的结缔组织中，用来抗衡来自不同方向的张力；肌腱起着连接肌肉和骨骼的作用，肌腱中的胶原纤维沿肌腱长轴平行排列，与承受张力的方向一致，使肌腱具有较强的韧性；在角膜中，胶原形成了一种有序的胶合板状多层结构，使角膜既透明又有强度；Ⅲ型胶原形成包围着腺泡、骨骼和平滑肌细胞的微观纤维网；Ⅳ型胶原在各种上皮细胞的基膜上形成三维网状结构。胶原与细胞外基质的各种成分结合，将基质组织起来，与细胞表面受体结合连成组织和器官。
人体的一些组织和器官在发挥生理功能的过程中，不仅需要强度，还需要弹性。例如，皮肤、血管和肺组织在受到外力的拉动后可以迅速恢复，这就是弹性蛋白形成的弹性纤维网络赋予组织的特性。弹性蛋白是弹性纤维的主要成分，是一种高度疏水的非糖基化纤维蛋白，由两种短肽交替排列构成，一种短肽约含750个氨基酸残基，肽链中富含甘氨酸和脯氨酸，不发生糖基化修饰；另一种短肽为富含丙氨酸和赖氨酸残基的α螺旋，负责在相邻分子间形成交联。弹性蛋白在细胞中合成后，随即以可溶性前体原弹性蛋白（tropoelastin）的形式分泌到细胞外，通过赖氨酸残基之间相互交联，装配成弹性纤维网。由于弹性蛋白的无规则卷曲及高度交联，所以弹性纤维网可以像橡皮条一样伸长与回缩，其生产能力比同样截面的橡皮条高大约5倍，弹性纤维与胶原纤维相互交织，分别赋予组织弹性和抗张力弹性，蛋白的降解主要由弹性蛋白酶催化。弹性蛋白的氨基酸组成类似于胶原，也富含甘氨酸及脯氨酸，但很少含羟脯氨酸，不含羟赖氨酸，也没有胶原的Gly-X-Y序列，所以不形成规律的三股螺旋结构。
弹性蛋白被微原纤维外壳包围。微原纤维直径约为10 nm，由几种不同的糖蛋白组成，其中较大的是原纤维蛋白（fibrillin），它是保持弹性纤维完整性必需的成分。原纤维蛋白的基因突变会导致一种叫作马凡综合征的遗传性疾病。这种疾病涉及富含弹性纤维的组织，患者可能会出现骨骼和关节畸形，身体异常瘦长，严重的容易发生主动脉破裂。在发育中的弹性组织中，糖蛋白微原纤维常常先于弹性蛋白出现，可能是弹性蛋白附着的框架，对于弹性蛋白分子组装成弹性纤维具有组织作用。在老年人的组织中，弹性蛋白产生较少，降解较多，导致组织失去弹性。
（3）非胶原糖蛋白
非胶原糖蛋白是细胞外基质中除胶原和弹性蛋白（纤维蛋白的两种主要类型）外的另一种重要的蛋白质成分。到目前为止，已经发现的有几十种。它们作为多功能大分子，通常具有多个结构域，可与多种细胞及细胞外基质成分结合，直接影响细胞的生存、增殖、分化、黏着、迁移等。目前对非胶原糖蛋白结构和功能了解最多的是纤黏连蛋白和层黏连蛋白。
纤黏连蛋白是发现于细胞外基质中最早的非胶原性糖蛋白之一，它是一种高分子量的非胶原糖蛋白，含糖量为4.5%～9.5%，含糖量因组织和分化状态的不同而不同。纤黏连蛋白有两种形式：一种是可溶性纤黏连蛋白，主要存在于血浆和各种体液中，由肝实质细胞分泌，一小部分产生于血管内皮细胞，称为血浆纤黏连蛋白；另一种是不溶性纤黏连蛋白，主要存在于细胞外基质（包括一些基底膜）和细胞表面，主要由间充质细胞分泌，称为细胞纤黏连蛋白。
各种纤黏连蛋白均有相似的亚单位（分子量为220～250 kDa）组成。血浆纤黏连蛋白是由两条相似的肽链形成的二聚体，两条肽链在C端借二硫键交联形成“V”字形（图13-5）。细胞纤黏连蛋白为二聚体交联后形成的多聚体。目前在人体中已经鉴定的纤黏连蛋白亚单位有20种以上，它们是由同一基因编码的产物转录后，由于拼接上的不同而形成的多种异型分子，具有不同的生物学功能。不同组织来源的纤黏连蛋白亚单位在结构上稍有区别，每条肽链约含2 450个氨基酸残基，构成线性排列的5～6个杆状功能区，各功能区之间的短肽连接部位可以折屈，并对蛋白酶敏感，因此可以通过胰蛋白酶的水解来分离这些功能区之间的短肽，研究各功能区的功能。现已证实，分离下来的不同杆状功能区含不同的大分子结合位点，可分别与不同生物大分子或细胞表面受体结合，如可以与Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ型胶原，肝素，凝血因子，纤维蛋白及细胞表面受体等结合。
图13-5 纤黏连蛋白二聚体的分子结构示意图
纤黏连蛋白在肽链中的某些特殊短肽序列，如Arg-Gly-Asp（RGD）三肽是细胞表面各种纤黏连蛋白受体识别并结合的最小结构单位。如果该结构区发生突变或缺失，则纤黏连蛋白与细胞的黏附活性会显著下降。一些含有RGD序列的短肽，可与纤黏连蛋白竞争结合细胞膜上的纤黏连蛋白受体，因此这种短肽序列具有抑制细胞同纤黏连蛋白结合的作用。但RGD序列并不是纤黏连蛋白所独有的，许多细胞外基质蛋白都含有这种序列。该序列可以被细胞表面受体中的整联蛋白所识别。因此，所谓的RGD序列就是指存在于纤黏连蛋白和某些细胞外基质蛋白肽链中的“精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸”三肽序列，可被细胞表面的一些整联蛋白识别并与之结合。
纤黏连蛋白主要的功能表现为可以介导细胞黏着，促进细胞的迁移与分化，它可以同时与细胞外基质中多种生物大分子结合，介导细胞与细胞外基质、细胞之间的相互黏着，调节细胞的形状和细胞骨架的聚合与解聚，促进细胞的铺展，加速细胞的增殖与分化。在黏着斑处，纤黏连蛋白受体通过纤黏连蛋白介导细胞外与胞外基质黏附。细胞可以通过黏着斑的形成与解离，影响细胞骨架的组装与去组装，调节细胞的迁移活动。在胚胎发育早期，细胞分泌大量的纤黏连蛋白，促进细胞迁移。例如，在神经管形成时，神经嵴细胞从神经管的背侧迁移到胚胎特定区域，分化成神经节、色素细胞等不同类型的细胞。如果注射纤黏连蛋白受体的抗体或含RGD序列的短肽，就阻断了细胞的迁移。血浆中的纤黏连蛋白还能促进血液凝固和创伤面的修复，血浆纤黏连蛋白能与血浆纤维蛋白结合，在伤口处吸引成纤维细胞、平滑肌细胞和内皮细胞向伤口迁移，形成肉芽组织，然后形成瘢痕。
层黏连蛋白是胚胎发育过程中出现最早的细胞外基质成分，同时也是基膜的主要结构组分之一。层黏连蛋白与Ⅳ型胶原一起构成基膜，是一种含糖量很高（占15%～28%）的糖蛋白，具有50条左右N连接的糖链，是迄今所知最复杂的糖蛋白。层黏连蛋白分子量为820～850 kDa，是由一条重链（α链）和两条轻链（β链与γ链）借二硫键交联形成非对称的“十”字形分子构型。构成层黏连蛋白的三条不同多肽链，以其各自的N端序列形成了层黏连蛋白非对称“十”字形分子结构的三条短臂，每一短臂上都有相间排列的两个或三个球区和短杆区。层黏连蛋白“十”字形结构的长臂杆状区域，为三条组成肽链的近C端序列所共同构成。长臂末端则由位于三条肽链中间的一条α肽链C端序列的高度卷曲而形成一个较大的球状结构，这是与肝素结合的部位。目前已发现的层黏连蛋白分子结构亚单位有α1、α2、α3、β1、β2、β3、γ1和γ28种，分别由8个不同的结构基因编码，这些亚单位可以组合形成至少7种类型的层黏连蛋白。
层黏连蛋白是基膜的主要成分，在基膜的基本框架结构和组装中起着关键作用。层黏连蛋白分子也有被上皮细胞、内皮细胞、神经细胞、肌细胞及多种肿瘤细胞表面层黏连蛋白受体识别与结合的RGD三肽序列，使细胞黏附、固定、生长、铺展、保持一定形态。层黏连蛋白可以通过与细胞的相互作用，间接或直接控制细胞的黏附、迁移、分化、增殖或凋亡等活动以及基因表达。层黏连蛋白还能帮助神经元在体外存活，并在缺乏神经生长因子的情况下促进中枢和外周神经元轴突的生长。
基膜（basilar membrane）又称基底膜，是一种由细胞外基质特化而成的柔软、坚韧的网膜结构，厚度为40～120 nm，在不同的组织结构中以不同的形式存在（图13-6）。在肌肉和脂肪等组织中，基膜包围着细胞；在肺泡和肾小球中，基膜位于两层细胞之间。在各种上皮和内皮组织中，基膜是细胞底部的支撑点，并将细胞与结缔组织隔离开来。
图13-6 基膜的分子结构模型示意图
构成基膜的绝大多数细胞外基质组分都是由位于基膜上的细胞所分泌产生的，在基膜中主要有5种普遍存在的蛋白成分：①Ⅳ型胶原。非连续三股螺旋形结构的Ⅳ型胶原以及C端球状头部之间的非共价键结合及N端非球状尾部之间的共价交联，形成了构成基膜基本框架的二维网络结构。②层黏连蛋白。层黏连蛋白以其特有的非对称型十字结构，相互之间通过长臂、短臂臂端的相连装配成二维纤维网络结构，并通过内联蛋白与Ⅳ型胶原二维网络相连接。层黏连蛋白还可以与细胞膜整合蛋白相结合。③内联蛋白（endonexin）。分子呈哑铃状，在基膜的组装中具有重要作用，它不仅形成Ⅳ型胶原纤维网络与层黏连蛋白纤维网络之间的连桥，还可以协助细胞外基质中其他成分的结合。④渗透素（perlecan），是一种大的硫酸类肝素蛋白聚糖分子，可以与许多细胞外基质成分和细胞表面分子交联结合。⑤核心蛋白多糖（decorin），是一种主要存在于结缔组织中与胶原纤维相关的蛋白多糖，有多种生物活性，能调节和控制组织形态发生、细胞分化、运动、增殖及胶原纤维形成等过程，对防止组织和器官纤维化的发生具有重要意义。
基膜不仅对上皮组织起结构支撑作用，而且在上皮组织和结缔组织之间起结构连接作用，同时还具有调节分子通透性以及作为细胞运动的选择性通透屏障。例如，在表皮细胞层下的基膜可阻止结缔组织中的成纤维细胞进入表皮，而允许参与免疫作用的白细胞穿过基膜进入表皮内。基膜对分子的通透具有高度选择性，如肾小球基膜在原尿形成过程中，可以阻挡血液中细胞及蛋白质的透过，起选择性滤过作用。此外细胞的形态、极性、细胞代谢、质膜上蛋白质的分布、细胞存活、增殖、分化、迁移等许多生命活动现象均与基膜有密切联系。