细胞与细胞是靠什么连在一起
细胞与细胞是靠什么连在一起
细胞与细胞间或细胞与细胞外基质的联结结构称为细胞连接（cell junction）.细胞连接的体积很小,只有在电镜下才能观察到.可分为三大类,即：封闭连接（occluding junction）、锚定连接（anchoring junction）和通讯连接（communicating junction）.
第一节 细胞连接
一、封闭连接
（一）紧密连接（tight junction）
又称封闭小带（zonula occludens）,存在于脊椎动物的上皮细胞间（图11-1）,长度约50-400nm,相邻细胞之间的质膜紧密结合,没有缝隙.在电镜下可以看到连接区域具有蛋白质形成的焊接线网络,焊接线也称嵴线（图11-2,3）,封闭了细胞与细胞之间的空隙.上皮细胞层对小分子的透性与嵴线的数量有关,有些紧密连接甚至连水分子都不能透过.
紧密连接的焊接线由跨膜细胞粘附分子构成,主要的跨膜蛋白为claudin和occludin,另外还有膜的外周蛋白ZO.
紧密连接的主要作用是封闭相邻细胞间的接缝,防止溶液中的分子沿细胞间隙渗入体内,从而保证了机体内环境的相对稳定；消化道上皮、膀胱上皮、脑毛细血管内皮以及睾丸支持细胞之间都存在紧密连接.后二者分别构成了脑血屏障和睾血屏障,能保护这些重要器官和组织免受异物侵害.在各种组织中紧密连接对一些小分子的密封程度有所不同,例如小肠上皮细胞的紧密连接对Na+的渗漏程度比膀胱上皮大1万倍.
图11-1紧密连接位于上皮细胞的上端
图11-2兔子上皮细胞的紧密连接（冰冻蚀刻）
图11-3 紧密连接的模式图
（二）间壁连接（septate junctions）
是存在于无脊椎动物上皮细胞的紧密连接（图11-4）.连接蛋白呈*状排列,形状非常规则,连接的细胞内骨架成分为肌动蛋白纤维.在果蝇中一种叫做discs-large的蛋白参与形成间壁连接,突变品种不仅不能形成间壁连接,还产生瘤突.
图11-4 间壁连接存在于无脊椎动物
二、锚定连接
（一）粘合带与粘合斑
粘合带（adhesion belt）呈带状环绕细胞,一般位于上皮细胞顶侧面的紧密连接下方（图11-5）.在粘合带处相邻细胞的间隙约15～20nm.
图11-5 粘合带位于紧密连接下方
间隙中的粘合分子为E-钙粘素（图11-6）.在质膜的内侧有几种附着蛋白与钙粘素结合在一起,这些附着蛋白包括：α-,β-,γ-连锁蛋白（catenin）、粘着斑蛋白（vinculin）、α-辅肌动蛋白（α-actinin）和片珠蛋白（plakoslobin）.
图11-6 粘合带结构模型
粘合带处的质膜下方有与质膜平行排列的肌动蛋白束,钙粘蛋白通过附着蛋白与肌动蛋白束相结合.于是,相邻细胞中的肌动蛋白丝束通过钙粘蛋白和附着蛋白编织成了一个广泛的网络,把相邻细胞联合在一起.
粘合斑（adhesion plaque）位于细胞与细胞外基质间,通过整合素（integrin）把细胞中的肌动蛋白束和基质连接起来.连接处的质膜呈盘状,称为粘合斑.
（二）桥粒与半桥粒
桥粒（desmosome）存在于承受强拉力的组织中,如皮肤、口腔、食管等处的复层鳞状上皮细胞之间和心肌中（图11-7）.相邻细胞间形成纽扣状结构,细胞膜之间的间隙约30nm,质膜下方有细胞质附着蛋白质,如片珠蛋白（plakoglobin）、桥粒斑蛋白（desmoplakin）等,形成一厚约15～20nm的致密斑.斑上有中间纤维相连,中间纤维的性质因细胞类型而异,如：在上皮细胞中为角蛋白丝（keratin filaments）,在心肌细胞中则为结蛋白丝（desmin filaments）.桥粒中间为钙粘素（desmoglein及desmocollin）.因此相邻细胞中的中间纤维通过细胞质斑和钙粘素构成了穿胞细胞骨架网络（图11-8）.
图11-7 桥粒位于粘合带下方
图11-8 桥粒的结构模型
半桥粒（hemidesmosome）在结构上类似桥粒,位于上皮细胞基面与基膜之间（图11-9）,它桥粒的不同之处在于：①只在质膜内侧形成桥粒斑结构,其另一侧为基膜；②穿膜连接蛋白为整合素（integrin）而不是钙粘素,整合素是细胞外基质的受体蛋白；③细胞内的附着蛋白为角蛋白（keratin）.
图11-9 半桥粒连接上皮细胞基面和基膜
三、通讯连接
（一）间隙连接
间隙连接（gap junction） 存在于大多数动物组织.在连接处相邻细胞间有2～4nm的缝隙（图11-10）,而且连接区域比紧密连接大得多,最大直径可达0.3μm.在间隙与两层质膜中有大量蛋白质颗粒,是构成间隙连接的基本单位,称连接子（connexon）,由6个相同或相似的跨膜蛋白亚单位环绕而成,直径8nm,中心形成一个直径约1.5nm的孔道(图11-11).通过向细胞内注射分子量不同的染料,证明间隙连接的通道可以允许分子量小于1.5KD的分子通过.这表明细胞内的小分子,如无机盐离子、糖、氨基酸、核苷酸和维生素等有可能通过间隙连接的孔隙.
间隙连接的通透性是可调节的.在实验条件下,降低细胞PH值,或升高钙离子浓度均可降低间隙连接的通透性.当细胞破损时,大量钙离子进入,导致间隙连接关闭,以免正常细胞受到伤害.
图11-10 间隙连接电镜照片
图11-11 左,连接子电镜照片；右,间隙连接模型
间隙连接的功能包括：
1．参与细胞分化：胚胎发育的早期,细胞间通过间隙连接相互协调发育和分化.小分子物质即可在一定细胞群范围内,以分泌源为中心,建立起递变的扩散浓度梯度,以不同的分子浓度为处于梯度范围内的细胞提供”位置信息”（positional information）,从而诱导细胞按其在胚胎中所处的局部位置向着一定方向分化.
2．协调代谢：例如,在体外培养条件下,把不能利用外源次黄嘌呤合成核酸的突变型成纤维细胞和野生型成纤维细胞共同培养,则两种细胞都能吸收次黄嘌呤合成核酸.如果破坏细胞间的间隙连接,则突变型细胞不能吸收次黄嘌呤合成核酸.
3、构成电紧张突触：平滑肌、心肌、神经末梢间均存在的这种间隙连接,称为电紧张突触（electrotonic synapses）.电紧张突触无须依赖神经递质或信息物质即可将一些细胞的电兴奋活动传递到相邻的细胞.
（二）胞间连丝
胞间连丝（plasmodesmata）是植物细胞特有的通讯连接.是由穿过细胞壁的质膜围成的细胞质通道,直径约20～40nm.因此植物体细胞可看作是一个巨大的合胞体（syncytium）.通道中有一由膜围成的筒状结构,称为连丝小管（desmotubule）.连丝小管由光面内质网特化而成,管的两端与内质网相连.连丝小管与胞间连丝的质膜内衬之间,填充有一圈细胞质溶质（cytosol）.一些小分子可通过细胞质溶质环在相邻细胞间传递(图11-12).
图11-12 胞间连丝结构模型
胞间连丝在功能上与动物细胞间的间隙连接类似,它允许分子量小于800Da的分子通过,在相邻细胞间起通讯作用.但通过胞间连丝的分子运输也要受到调节.实验证明,在胞间连丝正常的情况下,有些低分子量的染料分子却不能通过.然而某些植物病毒能制造特殊的蛋白质,这种蛋白质同胞间连丝结合后,可使胞间连丝的有效孔径扩大,使病毒粒子得以通过胞间连丝在植物体内*播散和感染.
胞间连丝还对细胞分化起一定作用.在高等植物中,顶端分生组织的细胞分化与胞间连丝的分布有着相应的关系.随着细胞的生长和延长,侧壁上的胞间连丝逐渐减少,而横壁上的却仍保持很多.植物相邻细胞间的细胞核可经胞间连丝穿壁.
（三）化学突触
化学突触（synapse）是存在于可兴奋细胞间的一种连接方式,其作用是通过释放神经递质来传导兴奋.由突触前膜(presynaptic membrane)、突触后膜(postsynaptic membrane)和突触间隙(synaptic cleft)三部分组成（图11-13、14）.
图11-13 化学突触的结构（具有小囊泡的一侧为突触前膜）
突触前神经元的突起末梢膨大呈球形,称突触小体(synaptic knob).突触小体贴附在突触后神经元的胞体或突起的表面形成突触.突触小体的膜称突触前膜,与突触前膜相对的胞体膜或突起的膜称突触后膜,两膜之间称为突触间隙.间隙的宽度约20-30nm,内含有粘多糖和糖蛋白等物质.
突触小体内有许多囊泡,称突触小泡(synaptic vesicle),内含神经递质.当神经冲动传到突触前膜,突触小泡释放神经递质,为突触后膜的受体接受（配体门通道）,引起突触后膜离子通透性改变,膜去极化或超极化.
图11-14 化学突触的结构模型
表10-1各种连接的比较
封闭连接
紧密连接
上皮组织
间壁连接
只存在于无脊椎动物中
锚定连接
连接肌动蛋白
粘合带
上皮组织
粘合斑
上皮细胞基部
连接中间纤维
桥粒
心肌、表皮
半桥粒
上皮细胞基部
通讯连接
间隙连接
大多数动物组织中
化学突触
神经细胞间和神经—肌肉间
胞间连丝
植物细胞间
图11-15 几类细胞连接的比较
第二节 细胞粘附分子
细胞粘附分子（cell adhesion molecule,CAM）是参与细胞与细胞之间及细胞与细胞外基质之间相互作用的分子.可大致分为五类：钙粘素、选择素、免疫球蛋白超家族、整合素及透明质酸粘素.
细胞粘附分子都是跨膜糖蛋白,分子结构由三部分组成：①胞外区,肽链的N端部分,带有糖链,负责与配体的识别；②跨膜区,多为一次跨膜；③胞质区,肽链的C端部分,一般较小,或与质膜下的骨架成分直接相连,或与胞内的化学信号分子相连,以活化信号转导途径.
多数细胞粘附分子的作用依赖于二价阳离子,如Ca2＋,Mg2＋.细胞粘附分子的作用机制有三种模式（图11-16）：两相邻细胞表面的同种CAM分子间的相互识别与结合（亲同性粘附）；两相邻细胞表面的不同种CAM分子间的相互识别与结合（亲异性粘附）；两相邻细胞表面的相同CAM分子借细胞外的连接分子相互识别与结合.
图11-16 细胞粘附分子的作用方式
一、钙粘素
钙粘素（cadherin）属亲同性CAM,其作用依赖于Ca2＋.至今已鉴定出30种以上钙粘素（表10-2）,分布于不同的组织.
图11-17 钙粘素结构模型
钙粘素分子结构同源性很高,其胞外部分形成5个结构域,其中4个同源,均含Ca2＋结合部位（图11-17）.决定钙粘素结合特异性的部位在靠N末端的一个结构域中,只要变更其中2个氨基酸残基即可使结合特异性由E-钙粘素转变为P-钙粘素.钙粘素分子的胞质部分是最高度保守的区域,参与信号转导.
钙粘素通过不同的连接蛋白质与不同的细胞骨架成分相连,如E-钙粘素通过α-、β-、γ-连锁蛋白（catenin）以及粘着斑蛋白（vinculin）、锚蛋白、α辅肌动蛋白等与肌动蛋白纤维相连；桥粒中的desmoglein及desmocollin则通过桥粒致密斑与中间纤维相连.
表10-2 哺乳动物细胞表面的主要钙粘素分子
名称
主要分布组织
E-钙粘素
着床前的胚胎、上皮细胞（在带状粘合处特别集中）
P-钙粘素
胎盘滋养层细胞、心、肺、小肠
N-钙粘素
胚胎中胚层、神经外胚层、神经系统（脑、神经节）、心、肺
M-钙粘素
成肌细胞、骨骼肌细胞
R-粘素
视网膜神经细胞、神经胶质细胞
Ksp-钙粘素
肾
OB-钙粘素
成骨细胞
VB-钙粘素
脉管内皮细胞
desmoglein
桥粒
desmocollin
桥粒
钙粘素的作用主要有以下几个方面：
1．介导细胞连接,在成年脊椎动物,E-钙粘素是保持上皮细胞相互粘合的主要CAM,是粘合带的主要构成成分.桥粒中的钙粘素就是desmoglein及desmocollin.
2．参与细胞分化,钙粘素对于胚胎细胞的早期分化及成体组织（尤其是上皮及神经组织）的构筑有重要作用.在发育过程中通过调控钙粘素表达的种类与数量可决定胚胎细胞间的相互作用（粘合、分离、迁移、再粘合）,从而通过细胞的微环境,影响细胞的分化,参与器官形成过程.
3．抑制细胞迁移,很多种癌组织中细胞表面的E钙粘素减少或消失,以致癌细胞易从瘤块脱落,成为侵袭与转移的前提.因而有人将E钙粘素视为转移抑制分子.
二、选择素
选择素（selectin）属亲异性CAM,其作用依赖于Ca2＋.主要参与白细胞与脉管内皮细胞之间的识别与粘合.已知选择素有三种：L选择素、E选择素及P选择素（图11-18）.
图11-18 选择素结构模型
选择素的胞外区由三个结构域构成：N端的C型凝集素结构域,EGF样结构域、重复次数不同的补体结合蛋白结构域；通过凝集素结构域来识别糖蛋白及糖脂分子上的糖配体.
E选择素及P选择素所识别与结合的糖配体为唾液酸化及岩藻糖化的N乙酰氨基乳糖结构（sLeX及sLeA）.sLeA结构存在于髓系白细胞表面（其中包括L选择素）分子中.多种肿瘤细胞表面也存在sLeX及sLeA结构.
P选择素贮存于血小板的α颗粒及内皮细胞的Weibel-Palade小体.炎症时活化的内皮细胞表面首先出现P选择素,随后出现E选择素.它们对于召集白细胞到达炎症部位具有重要作用.
E选择素存在于活化的血管内皮细胞表面.炎症组织释放的白细胞介素I（IL-1）及肿瘤坏死因子（TNF）等细胞因子可活化脉管内皮细胞,刺激E选择素的合成.
L选择素广泛存在于各种白细胞的表面,参与炎症部位白细胞的出脉管过程.白细胞表面L选择素分子上的sLeA与活化的内皮细胞表面的P选择素及E选择素之间的识别与结合,可召集血液中快速流动的白细胞在炎症部位的脉管内皮上减速滚动（即通过粘附、分离、再粘附……,如此循环往复）,最后穿过血管进入炎症部位.
三、免疫球蛋白超家族
免疫球蛋白超家族（Ig-superfamily,Ig-SF）包括分子结构中含有免疫球蛋白（Ig）样结构域的所有分子,一般不依赖于Ca2＋.免疫球蛋白样结构域系指借二硫键维系的两组反向平行β折叠结构（图11-19）.
图11-19 Ig-SF的结构模型
除免疫球蛋白外,还包括T细胞受体,B细胞受体,MHC及细胞粘附分子（Ig-CAM）等.有的属于亲同性CAM,如各种神经细胞粘附分子（N-CAM）及血小板-内皮细胞粘附分子（Pe-CAM）；有的属于亲异性CAM,如细胞间粘附分子（I-CAM）及脉管细胞粘附分子（V-CAM）等.I-CAM及V-CAM的配体都是整合素.
N-CAM有20余种异型分子,它们在神经发育及神经细胞间相互作用上有重要作用.
I-CAM及V-CAM在活化的血管内皮细胞表达.炎症时,活化的内皮细胞表面的I-CAM可与白细胞表面的αLβ2及巨噬细胞表面的αMβ2相结合；V-CAM则可与白细胞的α4β1整合素相结合.它们继上述选择素介导的白细胞与内皮细胞的粘合作用之后使在内皮上滚动的白细胞固着于炎症部位的脉管内皮,并发生铺展,进而分泌水解酶而穿出脉管壁.
四、整合素
整合素（integrin）大多为亲异性细胞粘附分子,其作用依赖于Ca2＋.介导细胞与细胞间的相互作用及细胞与细胞外基质间的相互作用（图11-20）.几乎所有动植物细胞均表达整合素.
图11-20 整合素结构模型
整合素是由α （120~185kD）和β（90~110kD）两个亚单位形成的异二聚体.迄今已发现16种α亚单位和9种β亚单位.它们按不同的组合构成20余种整合素.
α亚单位的N端有结合二价阳离子的结构域,胞质区近膜处都有一个非常保守的KXGFFKR序列,与整合素活性的调节有关.
含β1亚单位的整合素主要介导细胞与细胞外基质成分之间的粘附.含β2亚单位的整合素主要存在于各种白细胞表面,介导细胞间的相互作用.β3亚单位的整合素主要存在于血小板表面,介导血小板的聚集,并参与血栓形成.除β4可与肌动蛋白及其相关蛋白质结合,α6β4整合素以层粘连蛋白为配体,参与形成半桥粒（图11-21）.
图11-21 半桥粒处的α6β4整合素
五、透明质酸粘素
透明质酸粘素（hyaladherin）包括可结合透明质酸糖链的一类分子,具有相似的氨基酸序列和空间构象.CD44族是其中的一个成员,分子量范围为85 KD~250KD,介导细胞与细胞间及细胞与细胞外基质间的相互作用,同样是由胞外,跨膜及胞质三个部分构成的糖蛋白,糖链为硫酸软骨素及硫酸乙酰肝素.CD44肽链的N端可结合透明质酸,故CD44也被视为透明质酸的受体.
CD44的功能包括： ①与透明质酸、纤粘连蛋白及胶原结合,介导细胞与细胞外基质之间的粘附；②参与细胞对透明质酸的摄取及降解；③参与淋巴细胞归巢；④参与T细胞的活化；⑤促进细胞迁移.
CD44在很多种肿瘤细胞的表达比相应正常组织为高,并与肿瘤细胞的成瘤性、侵袭性及淋巴结转移性有关.