细胞生物学/细胞连接

细胞连接与细胞黏附 - 细胞连接 - 细胞黏附
人和多细胞动物体内除结缔组织和血液外，各种组织的细胞之间按一定排列方式，在相邻细胞表面一些特殊的蛋白质形成一些特殊结构把细胞连接在一起，以加强细胞间的机械联系和维持组织结构的完整性、协调性，有一些细胞通过细胞膜上的特殊蛋白与细胞外基质结合在一起，这种细胞表面与其他细胞或细胞外基质结合的特化区称为细胞连接。
细胞连接是维系细胞间相对稳定的特化连接结构，也是相邻细胞之间协同作用的重要结构基础。细胞连接有多种类型，根据其结构和功能特点可分为三大类，即封闭连接(occluding junction)、锚定连接(anchoring junction)和通讯连接(communicating junction)。

紧密连接

1、紧密连接的概念 人和脊椎动物体内的封闭连接只有一种，称为紧密连接(tight junction)。广泛分布于各种上皮细胞，如消化道上皮、膀胱上皮、睾丸曲细精管生精上皮的支持细胞基部和腺体的上皮细胞管腔面的顶端侧面区域；此外，脑毛细血管内皮细胞之间也存在紧密连接结构。透射电镜显示，在紧密连接处，两个相邻细胞质膜以断续的点状结构连在一起，点状接触部位细胞间隙消失，非点状接触处尚有10～15nm的细胞间隙。冰冻断裂复型技术显示，紧密连接区域是一种“焊接线”样的带状网络。焊接线又对嵴线，扫描电镜显示，两个相邻细胞膜上的暗线由成串排列的特殊穿膜蛋白质颗粒构成，这种在相邻细胞膜上形成的特征性结构称为封闭索(sealing strand), 封闭索相互交错成网状，呈带状环绕每个上皮细胞的顶部，将相邻细胞紧密连接在一起，封闭细胞间隙。
2、参与紧密连接的分子 现已证明有40余种蛋白质参与了紧密连接的形成与功能。这些蛋白质主要是穿膜蛋白和胞质外周蛋白(cytoplasmic peripheral protein)。从紧密连接皓线中至少确定了两类穿膜蛋白：一类称为闭合蛋白(occludin), 是一种表观分子量为65kD的4次穿膜蛋白；另一类称为密封蛋白(claudin), 也是一种4次穿膜的蛋白，表观分子量较小，为20～27kD的（至少24种此类蛋白得以鉴定），是形成崝线的主要成分。两类穿膜蛋白的C末端和N末端均伸向细胞质，C末端具有能与其他紧密连接蛋白结合的区域，通过与其他紧密连接蛋白的相互作用，参与紧密连接的形成。胞质外周蛋白有多种，包括PDZ蛋白、ZO家族、PATJ、PAR-3和PAR-6等，它们帮助穿膜蛋白与细胞骨架相连，还能将蛋白激酶、磷酸酶、小GTP酶和转录因子等调节蛋白聚集到紧密连接处发生作用。近年来发现，密封蛋白 claudin-1和闭合蛋白还是丙型肝炎病毒(hepatitis C viru, HCV)入侵细胞所必需的受体，提示紧密连接很可能和HCV入侵细胞的过程有关。
3、紧密连接的主要功能 紧密连接有以下两个功能。
(1) 封闭上皮细胞的间隙，形成一道与外界隔离的封闭带，保证组织内环境的稳定。防止细胞外物质无选择地通过细胞间隙进入组织，或组织中的物质回流入腔中。如小肠上皮细胞的紧密连接结构，对腔内大部分物质起着阻隔作用。脑毛细血管内皮以及睾丸支持细胞之间的紧密连接构成了血脑屏障(blood-brain barrier)和血睾屏障(blood-testis barrier), 保护这些重要器官和组织免受异物侵害。
(2) 形成上皮细胞质膜蛋白与膜脂分子侧向扩散的屏障，从而维持上皮细胞的极性。如小肠上皮细胞游离面质膜上含有大量吸收葡萄糖分子的协同运输载体，完成Na⁺驱动的葡萄糖同向转运；而基底面含有执行被动运输的葡萄糖转运载体，将葡萄糖转运到细胞外液，从而完成葡萄糖的吸收和转运功能。正是由于紧密连接限制了膜蛋白和膜脂分子的流动性，从而保证了小肠上皮细胞物质运转的方向性。紧密连接还具有将上皮细胞联合成整体的机械连接作用。
4、紧密连接与医学 有人发现在活动期的炎症性肠病，紧密连接的完整性被破坏，ZO-1和闭锁蛋白以及闭合蛋白-1和2 的表达均降低。低糖皮质激素治疗多发性硬化症，主要是通过保持闭合蛋白-l、5以及闭锁蛋白的表达水平，维待紧密连接的完整性，增强血脑屏障的功能来实现的。

锚定连接

锚定连接是一类由细胞骨架纤维参与、存在于细胞间或细胞与细胞外基质之间的连接结构。其主要作用是形成能够抵抗机械张力的牢固黏合。锚定连接广泛分布于动物各种组织中，在上皮、心肌和子宫颈等需要承受机械力的组织中分布尤为丰富。其重要功能是参与组织器官形态和功能的维持、细胞的迁移运动以及发育和分化等多种过程。
根据参与连接的细胞骨架纤维类型不同，铀定连接可分为两大类：一类是肌动蛋白丝参与的锚定连接，称为黏着连接(adhering junction)，黏着连接又可分为两类：细胞与细胞之间的黏着连接称为黏着带(adhesion belt)；细胞与细胞外基质间的黏着连接称为黏着斑(focal adhesion)。另一类是中间纤维参与的锚定连接，称为桥粒连接(desmosome junction), 桥粒连接也分为两类：细胞与细胞之间的连接称为桥粒(desmosome)；细胞与细胞外基质间的连接称为半桥粒(hemidesmosome)。
铀定连接主要由两类蛋白构成：一类是细胞内锚定蛋白(intracellular ancho1 protein), 这类蛋白在细胞质面一端与特定的细胞骨架成分（肌动蛋白丝或中间纤维）相连，另一端与穿膜黏着蛋白连接；第二类蛋白统称穿膜黏着蛋白(transmembrane adhesion protein), 是一类细胞黏附分子，其胞内部分与胞内锚定蛋白相连，胞外部分与相邻细胞特异的穿膜黏着蛋白或细胞外基质蛋白相连。

黏着连接是由肌动蛋白丝参与的锚定连接

1、黏着带
(1)黏着带的概念及分子组成特点：位于上皮细胞紧密连接的下方， 是相邻细胞之间形成的一个连续的带状结构。透射电镜显示，在黏着带处相邻细胞质膜之间的间隙约15～30nm, 间隙两侧的质膜通过伸出的穿膜黏着蛋白相互黏合。参与形成黏着带的穿膜黏着蛋白称为钙黏着蛋白(cadherin), 是一类Ca²⁺依赖性细胞黏附分子。钙黏着蛋白在质膜中形成同源二聚体，相邻细胞的钙黏着蛋白胞外结构形成胞间横桥相连，其胞内区域通过锚定蛋白与肌动蛋白丝相连；从而使细胞间的连接与胞内的微丝束网络连接在一起，细胞间牵拉的张力通过微丝束网络得以缓解。胞内锚定蛋白包括α、β、γ联蛋白（catenin）、黏着斑蛋白(vinculin)、斑珠蛋白(plakoglobin)和α-辅肌动蛋白(α-actinin)等，形成复杂的多分子复合体，起锚定肌动蛋白丝的作用。
(2)黏着带的功能：①黏着带在维持细胞形态和组织器官完整性方面具有重要作用，特别是为上皮细胞和心肌细胞提供了抵抗机械张力的牢固黏合。②发育中影响形态发生。由于微丝束具有收缩功能，在动物胚胎发育过程中黏着带可以使上皮细胞内陷形成管状或泡状原基，从而对形态发生起重要作用。
2、黏着斑 (1)黏着斑的概念及结构特点：位于上皮细胞基底部，是细胞通过局部黏附与细胞外基质之间形成的黏着连接。参与黏着斑连接的穿膜黏着蛋白是整联蛋白(integrin)(大多数为α5β1），其胞外区与细胞外基质（主要是纤连蛋白与胶原）成分相连，胞内部分通过铀定蛋白与肌动蛋白丝相连，从而介导细胞与细胞外基质的黏着。黏着斑部位的锚定蛋白有：踝蛋白(talin)、α-辅肌动蛋白、细丝蛋白(filamin)和纽蛋白等。由于整联蛋白是纤连蛋白的受体，因此，细胞通过整联蛋白与细胞外基质之间的连接是受体与配体之间的识别和结合。
(2)黏着斑的相关生物学功能：①参与肌细胞与肌健的连接。黏着斑在肌细胞与肌腱（主要是胶原）形成的连接中很常见。②体外培养细胞常通过黏着斑贴附在培养基质上，它的形成与解离对于细胞的铺展和迁移具重要意义。③黏着斑还参与细胞信号转导，整联蛋白的胞内部分与蛋白激酶，如黏着斑激酶(FAK)结合，当整联蛋白与胞外配体结合后可以激活这些激酶，引起连锁反应，促进与细胞生长和增殖相关基因的转录。

桥粒连接是由中间纤维参与的锚定连接

桥粒连接广泛分布于承受机械力的组织中，如皮肤、心肌、食管、膀胱、子宫和阴道等处的上皮细胞之间，为其提供机械支持力，维持组织完整性。根据其分布位置不同，可以分为桥粒和半桥粒两种。
1、桥粒
(1)桥粒的概念及结构特点：位于上皮细胞黏着带的下方，是相邻细胞间的一种斑点状的锚定连接结构，结构中含有桥粒斑(desmosomal plaque)。电镜下，桥粒连接处相邻细胞质膜之间的间隙约20～30nm, 质膜的胞质侧各有一致密的胞质斑(cytoplasmic plaque), 称为桥粒斑。其直径约0.5μm, 是由多种胞内锚定蛋白包括桥粒斑珠蛋白和桥粒斑蛋白(desmoplakin)构成的复合物，是中间纤维附着的部位，许多成束的中间纤维伸向桥粒斑，被更细的纤维系牢在胞质斑上，然后折返形成拌状结构。在不同类型细胞中附着的中间纤维也不同，如上皮细胞中主要是角蛋白丝(keratin filaments), 心肌细胞中则为结蛋白丝(desmin filaments)。桥粒质膜处的穿膜黏着蛋白为桥粒黏蛋白(desmoglein和)桥粒胶蛋白(desmocollin)，均属于钙黏着蛋白家族。其胞内部分与桥粒斑相连，胞外部分与相邻细胞的穿膜黏着蛋白相连，通过依赖Ca²⁺的黏附机制将两个相邻细胞连接在一起。相邻细胞中的中间纤维通过桥粒斑和穿膜黏着蛋白构成了贯穿整个组织的整体网架，增强了细胞抵抗外界压力与张力的机械强度。
(2)桥粒的功能及稳定性：桥粒是一种坚韧、牢固的细胞连接结构，对上皮细胞结构的维持非常重要。胰蛋白酶、胶原酶、透明质酸酶和Ca²⁺鳌合剂（如乙二胺四乙酸）等均能够破坏桥粒结构。
(3)桥粒与医学：一些皮肤病与桥粒结构的破坏有关。临床上一种自身免疫性疾病一天疱疮(pemphigus), 就是由于患者体内产生了抗桥粒穿膜黏着蛋白抗体，破坏了桥粒结构，导致上皮细胞桥粒连接丧失，组织液通过细胞间隙进入表皮，引起严重的皮肤水疤病，如不及时治疗，严重者可危及生命。良性家族性天疱疮(Hailey-Hailey病）跟桥粒斑组分的细胞内化、分子被破坏及桥粒数量减少密切相关。
2、半桥粒 (1)半桥粒的概念及结构特点：半桥粒是上皮细胞基底面与基膜之间的连接结构，因其结构仅为桥粒的一半而得名。形态上与桥粒类似，但功能与化学组成不同。半桥粒的胞质斑是由一种称为网蛋白(plectin) 胞内锚定蛋白组成，可与细胞内的中间纤维相连。半桥粒部位的穿膜黏着蛋白一种是整联蛋白（α6β4），另一种是穿膜蛋白BP180，通过一种特殊的层粘连蛋白（锚定纤维）与基膜相连，从而将细胞与基膜牢固地柳在一起。这些整联蛋白也从细胞外基质向胞内传导信号，影响着上皮细胞的形状和活性。
(2)半桥粒的功能：半桥粒主要功能是把上皮细胞与其下方的基膜连接在一起，防止机械力造成的上皮与其下方的组织剥离。
(3)半桥粒与医学．一种自身免疫性疾病——大泡性类天疱疮(Bullous pemphigoid)，由于患者体内产生的抗体破坏了半桥粒结构，导致表皮基底层细胞脱离基膜，组织液渗入表皮下空间，引起严重的表皮下水泡。层粘连蛋白和整联蛋白α6或β4基因的突变均可引起大疱性表皮松解症(epidermolysis bullosa), 其症状与大泡性类天庖疮相似。

通讯连接

生物体大多数组织相邻细胞膜上存在特殊的连接方式，以实现细胞间电信号和化学信号的通讯联系，从而完成群体细胞间的合作和协调，这种连接形式称为通讯连接。通讯连接除了具有机械的细胞连接作用外，还可在细胞间形成代谢偶联或电偶联。在动物组织细胞间通讯主要由间隙连接(gap junction)介导。存在于神经元之间或神经元与效应细胞之间的化学突触(chemical synapse)也属于通讯连接。

间隙连接是动物组织中普遍存在的一种细胞连接方式

1、间隙连接的结构特点 相邻细胞间的连接子(connexon)相对接形成微小的通道，使细胞相连接起来的方式。除骨骼肌细胞及血细胞外，几乎所有的动物组织细胞都利用间隙连接来进行通讯联系。透射电镜显示，间隙连接部位相邻细胞膜之间有2～3nm的缝隙，因而间隙连接也称缝隙连接。间隙连接的基本结构单位是连接子(connexon)。每个连接子长7.5nm, 外径6nm，由6个相同或相似的穿膜连接蛋白——连接子蛋白(connexin, Cx)环绕而成，中央形成1.5～2nm的亲水性通道。相邻质膜上的两个连接子相对接而连在一起，通过中央通道使相邻细胞质连通。冷冻蚀刻技术显示，许多间隙连接单位往往集结在一起呈斑块状，不同细胞、不同区域内单位面积内的数显不等，可含有几个到数百个连接子。通过密度梯度离心技术可将质膜上的间隙连接区域的膜片分离出来。
目前已经从不同动物或不同组织中分离出20余种不同的连接子蛋白，它们属于同一类蛋白家族，尽管不同的连接子蛋白相对分子扯差异较大，但都具有4个保守的α-螺旋穿膜区。一个连接子可以由相同的连接子蛋白构成同源连接子，也可以由不同的连接子蛋白构成异源连接子。由不同连接子蛋白所构成的连接子，在通透性、导电率和可调性方面是不同的，它们的分布具有组织细胞特异性。如心肌细胞的连接子蛋白是Cx43，心脏电传导系统细胞的连接子蛋白是Cx40, 当这两种连接子蛋白形成间隙连接时，连接子之间便没有通透功能，从而保证了心脏器官不同类型细胞功能的相对独立。
2、间隙连接的生物学功能
(1)加强相邻细胞的机械连接：间隙连接中相邻细胞膜内连接子颗粒的相互融合，加强了相邻细胞的机械连接。
间隙连接的更重要的功能是介导细胞间通讯，细胞通讯(cell communication)是指一个细胞的信息通过化学递质或电信号传递给另一个细胞，协调相邻细胞间的功能活动。间隙连接的通讯方式有两种，即代谢耦联(metabolic coupling)和电耦联(electric coupling)。
(2)代谢耦联：是指小分子质量（小于lkD)代谢物和信号分子，在相邻细胞间通过间隙连接的传递。在相邻细胞间，通过连接子形成的亲水性通道，允许如无机离子、单糖、氨基酸、核苷酸、维生素、cAMP和IP₃等小分子物质从一个细胞迅速进入另一个细胞，从而使细胞可以共享这些重要的物质，协调细胞群体的功能活动，这种功能在胚胎发育早期特别重要。在血液循环建立以前，同一发育区的细胞通过代谢耦联使物质平均分配，以控制细胞的分化。当细胞分化时，细胞与其周即组织解耦联，但每个细胞群中的细胞仍相互耦联，以保持发育行为一致。
间隙连接的通透性是可调节的。在实验条件下，降低细胞pH，或升高钙离子浓度均可降低间隙连接的通透性。当细胞受损时，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。间隙连接的通透性还受胞外化学信号的调节，有助于细胞间的代谢耦联。如胰高血糖素作用于肝细胞时，使肝细胞内cAMP浓度增高，cAMP激活了依赖于cAMP的蛋白激酶，蛋白激酶又使间隙连接蛋白磷酸化，导致其构象发生改变，从而使间隙连接通透性增加，使cAMP可以迅速从一个细胞扩散到周围的肝细胞，最终使肝细胞共同对胰高血糖素的刺激作出应答反应。
(3)电耦联：也称离子耦联(ionic coupling), 其连接子是一种离子通道，带电的离子能通过间隙连接到达相邻细胞，使电信号从一个细胞传递到另一个细胞。在兴奋性组织的细胞之间，广泛存在电耦联现象。如电耦联使心肌细胞同步收缩和舒张，若这种连接破坏，电耦联消失，则心脏停止跳动；成年动物大多数平滑肌细胞仅有少数平滑肌受神经支配，其兴奋传导主要靠间隙连接，小肠平滑肌细胞通过电耦联，使收缩和蠕动同步化。
3、间隙连接与医学 胚胎发育中细胞间的偶联提供信号物质的通路，从而为某一特定细胞提供它的“位置信息”，并根据其位置影响其分化。肿瘤细胞之间间隙的连接明显减少或消失，间隙连接类似“肿瘤抑制因子”。

突触也是一种细胞通讯连接方式

神经元之间或神经元与效应细胞（如肌细胞）之间通过突触(synapse)完成神经冲动的传递。突触可分为电突触(electronic synapse)和化学突触两种基本类型。电突触是指细胞间形成间隙连接，电冲动可直接通过间隙连接从突触前向突触后传导, 速度快而准确。而化学突触的突触前和突触后细胞膜之间存在20nm宽的间隙，使电信号不能通过，因此信号传递时，要经过将电信号转变为化学信号，再将化学信号转变为电信号的过程。化学突触信号传递时，神经冲动传递到轴突末端，引起神经递质小泡释放神经递质，然后神经递质作用于突触后细胞，引起新的神经冲动。这种信号传递速度不及电突触。电突触对于某些无脊椎动物和鱼类快速准确地逃避反射具有十分重要的意义。