细胞环境(图4-1)包括内环境和外环境， 互作包括细胞与细胞、细胞与环境之间的相互作用。这些作用主要是通过细胞表面进行的， 包括细胞识别、细胞粘着、细胞连接、细胞通讯等。本章主要集中讨论细胞的表面结构、细胞外基质、细胞识别、细胞粘着和细胞连接等。
图4-1 细胞与环境的关系
4.1 细胞表面
■ 细胞表面(cell surface)
● 结构上:包括细胞被(cell coat)和细胞质膜。
● 功能上:是细胞质膜功能的扩展，它保护细胞，使细胞有一个相对稳定的内环境；负责细胞内外的物质交换和能量交换，并通过表面结构进行细胞识别、信息的接收和传递、细胞运动以及维护细胞的各种形态，并且与免疫、癌变都有十分密切的关系。
4.1.1 细胞被(cell coat) ■ 细胞被的结构与组成
细胞质膜通常是由覆盖在细胞表面的保护层保护着，这种保护层即是细胞被。由于这层结构的主要成份是糖，所以又称为糖萼(glycocalyx)，或多糖包被(图4-2)。
图4-2 细胞被
用钌红染色，电子显微镜观察到的淋巴细胞的细胞被
糖被通常含有两种主要的成份: 糖蛋白和蛋白聚糖(图4-3)。这些糖蛋白和蛋白聚糖都是在细胞内合成的，然后分泌出来并附着到细胞质膜上。
图4-3 糖被的结构和组成示意图
■ 细胞被的功能
● 保护作用: 如消化道、呼吸道、生殖腺等上皮细胞的外被有助于润滑、防止机械损伤， 同时又可保护上皮组织不受消化酶的作用和细菌的侵袭。植物和细菌的细胞壁不仅可以保护细胞质膜和细胞器， 同时还赋予细胞以特定的形状。革兰氏阳性菌的细胞壁是一种蛋白聚糖， 青霉素通过抑制它的合成从而抑制细菌的生长。
● 参与细胞与环境的相互作用， 参与细胞与环境的物质交换， 细胞增殖的接触抑制、细胞识别等。
4.1.2 植物的细胞外结构:细胞壁
植物没有骨骼系统，但却有相当强度的细胞壁维持着植物的形态。细胞壁保护细胞免遭渗透及机械损伤，还保护植物免受微生物，特别是真菌和细菌的侵染。
■ 细胞壁的化学组成与结构
● 纤维素(cellulose): 植物细胞壁的主要成分是多糖， 其中最主要的是纤维素，它赋予植物细胞的硬度和强度，同动物细胞细胞外基质中的胶原具有相似的作用。在细胞壁中，由50～60个纤维素分子形成一束，并且相互平行排列，形成长的、坚硬的微纤维(图4-4，4-5)。
图4-4 纤维素微纤维的结构
此电镜图所示的是绿藻细胞壁中单个纤维素微纤维的结构，每个微纤维的直径是25nm，由许多侧向排列的纤维素构成。
图4-5 纤维素分子与纤维素微纤维
(a) 纤维素分子，是由葡萄糖以β(1→4)连接形成的链状多聚体;(b)由很多的纤维素链组成纤维素微纤维。
● 半纤维素(hemicellulose)
半纤维素是由几种不同类型的单糖构成的异质多聚体(图4-6)，半纤维素木聚糖在木质组织中占总量的50%，它结合在纤维素微纤维的表面，并且相互连接，这些纤维构成了坚硬的细胞相互连接的网络。
图4-6 半纤维素的化学组成
(a) 组成半纤维素的5种单糖:β-D-葡萄糖(Glc)， β-D-半乳糖(Gal)， β-D岩藻糖(Fuc)， β-D-木糖(Xyl)， β-D-阿拉伯糖(Ara);(b)半纤维素可能的结构。
● 果胶(pectin)
果胶是由半乳糖醛酸和它的衍生物组成的多聚体(图4-7)。果胶在细胞壁中的作用主要是连接相邻细胞壁，并且形成细胞外基质，将纤维素包埋在水合胶中。
图4-7 果胶的化学组成和可能的结构
(a) 果胶主要是由半乳糖醛酸和鼠李糖构成的;(b) 果胶可能的结构排列 ● 木质素(lignin) 是由聚合的芳香醇构成的一类物质，木质素主要位于纤维素纤维之间，它的作用是抵抗压力。 ● 糖蛋白(glycoprotein) 也是植物细胞壁中的重要成分之一，总量占10%。最重要的一种糖蛋白叫伸展蛋白(extensin)，这种蛋白同其它的相关蛋白一起，与纤维素等形成交叉网络，产生一种加固蛋白质-多糖复合物的力。
植物细胞被的主要成分有哪些? 各起什么作用? 细胞壁的结构以及各主要成份间的相互关系示于图4-8。
图4-8 植物细胞壁中纤维素及其它几种主要成份间的关系
■ 初生细胞壁与次生细胞壁
植物有两种类型的细胞壁:初生细胞壁(primary cell wall)和次生细胞壁(secondary cell wall)，它们是在不同阶段分泌合成的(图4-9)。
植物的初生壁和次生壁是如何形成的?
图4-9 植物细胞壁的层次结构
某些植物的细胞壁只有初生壁，有些既有初生壁，也有次生壁。 4.1.3 细菌的细胞表面:细胞壁
根据染色性能，细菌的细胞可分为两种类型∶革兰氏阳性(Gram-positive)菌和革兰氏阴性(Gram-negative)菌。染色的差异反映了结构和化学组成的不同， 因而这两种细菌的细胞壁的结构是不相同的。另外，革兰氏阳性菌只有一层膜结构，而革兰氏阴性具有两层膜结构(图4-10)。
图4-10 革兰氏阳性菌与革兰氏阴性细胞外被的比较
(a) 革兰氏阳性菌，只有一层膜结构;(b)革兰氏阴性菌，具有两层膜结构
■ 革兰氏阳性菌的细胞壁
● 胞壁质(murein):革兰氏阳性菌的细胞壁较厚，含有较多的胞壁质，或称为肽聚糖(peptidoglycan)。胞壁质的多糖组成主要是由N-乙酰葡萄糖胺和N-乙酰胞壁酸交替连接起来的。这些多糖链通过N-乙酰胞壁酸与短的肽桥结合，最后形成交联的三维网状结构(图4-11)，
图4-11 革兰氏阳性菌细胞壁中的胞壁质的结构。细胞壁由20～40层交联网
状肽聚糖构成。
不仅如此，革兰氏阳性菌细胞壁中胞壁质还具有骨架作用决定细胞的形态。 如何证明革兰氏阳性菌细胞壁中胞壁质还具有骨架作用决定细胞的形态? ● 磷壁酸(teichoic acis)
革兰氏阳性菌的细胞壁中除了胞壁质外，还有其他的一些成份，较多的是磷壁酸，它是由甘油或核糖醇(ribitol)衍生物连接在一起形成的长的、负电性的聚合体。这种分子常常与胞壁质骨架共价结合在一起，其功能是稳定质膜和调节某些酶的活性。
■ 革兰氏阴性菌的细胞壁
图4-12所示是大肠杆菌的细胞壁结构， 与革兰氏阳性菌相比有两个主要差别: ● 革兰氏阴性菌的胞壁质比较薄，并且扩展交联程度较低，这样革兰氏阴性菌细胞壁的硬度较差，并且使得这两类菌在染色反应上有所不同，由于革兰氏阴性菌胞壁酸含量少，染色后很容易被乙醇除去。
● 革兰氏阴性菌具有双层细胞质膜，一层位于胞壁质的外侧。外膜在化学组成上比较特别，它的内脂层是典型的磷脂层，但是外脂层几乎都是脂多糖， 使得外膜的渗透性很高。
图4-12 E.coli的细胞壁结构示意图
在外膜的内侧，有一层或几层肽聚糖构成的细胞壁。两层膜之间具有周质间隙蛋白，起物质运输作用。
■ 细菌细胞壁的合成及青霉素的抑制作用
细菌细胞壁的生长是将新的肽聚糖添加到原有的肽聚糖的内侧，该过程需要许多酶的参与，其中大多数都定位于质膜上。由于细胞壁对于细菌是至关重要的，所有参与合成的酶都是原核生物特有的。根据这一点，人们可以使用特殊的药物处理细菌的细胞，阻止细菌细胞壁的合成，从而达到临床治疗的作用，其中最典型的例子是青霉素的使用。
为什么青霉素对革兰氏阳性菌具有抑制作用?
■ 细菌的荚膜
荚膜(capsule)是细菌(包括革兰氏阳性和革兰氏阴性菌)在适当的环境条件下形成的细胞最外面的保护层(图4-13)，主要成份是多糖，也有少量的多肽。荚膜不是细菌的必需结构，但是它的形成能够更好地保护细菌，同时也提高了细菌的感染力，这对于人类和动物都是不利的。
4.2 细胞外基质(extracellular matrix，ECM)
植物细胞的表面结构是细胞壁，而动物细胞的表面结构是细胞外基质。
4.2.1 细胞外基质的基本组成和功能
细胞外基质是由细胞合成并分泌到胞外、分布在细胞表面或细胞之间的大分子， 主要是一些多糖和蛋白， 或蛋白聚糖。细胞外基质对于一些动物组织的细胞具有重要作用。
■ 组成和结构
细胞外基质的组成成分分为三大类:
● 蛋白聚糖(proteoglycan)， 是由糖胺聚糖(glycosaminoglycans)以共价的形式与线性多肽连接而成的多糖和蛋白复合物， 它们能够形成水性的胶状物;
● 结构蛋白，如胶原和弹性蛋白，它们赋予细胞外基质一定的强度和韧性。 ● 粘着蛋白(adhesive proteins):如纤粘连蛋白和层粘连蛋白，它们促使细胞同基质结合。其中以胶原和蛋白聚糖为基本骨架在细胞表面形成纤维网状复合物，并通过细胞质膜中的整联蛋白将细胞外与细胞内连成了一个整体(图4-13)。
图4-13 细胞外基质的组成和可能的结构
动物细胞的细胞外基质和植物细胞的细胞壁的共同特征是什么? 如果将植物细胞的细胞壁看成是动物细胞的细胞外基质，二者间有许多相似之处(表4-1)。
表4-1 动物细胞的细胞外基质与植物细胞壁的主要组成 生物 动物细胞 植物细胞 细胞外结构 细胞外基质 细胞壁 结构纤维 胶原 弹性蛋白 纤维素 水合基质成份 粘着分子 蛋白聚糖 半纤维素 果胶和伸展蛋白 纤粘连蛋白 层粘连蛋白 -- 能够分泌和形成细胞外基质的主要细胞类群是成纤维细胞(fibroblast)和少数其他特化组织的细胞。
各种不同组织的细胞分泌形成的细胞外基质在特性上有显著的差异(图4-14)。
图4-14 骨细胞、软骨组织和结缔组织细胞外基质的扫描电镜照片
左：骨细胞； 中：软骨组织； 右：结缔组织
■ 细胞外基质的主要功能
● 对细胞的形态和细胞活性的维持其重要作用； ● 帮助某些细胞完成特有的功能；
● 同一些生长因子和激素结合进行信号传导；
● 此外， 某些特殊的细胞外基质也是细胞分化所必需的。胚胎发育的最后阶段-形态建成(morphogenesis)也需要某些细胞外基质的成份。
细胞外基质具有哪些功能? 4.2.2 蛋白聚糖(proteoglycan，PG)与透明质酸
细胞外基质的物理性质主要受细胞外基质中蛋白聚糖所携带的多糖基团的影响，蛋白聚糖是由糖胺聚糖(glycosaminoglycans， GAG)以共价的形式同线性多肽连接而成的多糖和蛋白复合物。
■ 蛋白聚糖的结构
糖胺聚糖: 蛋白聚糖的主要成份是糖胺聚糖，是由重复二糖单位构成的无分支长链多糖(图4-15)。
图4-15 糖胺聚糖中常见的重复二糖单位
糖胺聚糖可在细胞外创造水合的、胶状的材料，形成了所谓的细胞外基质的基质(ground substance)。
蛋白聚糖 大多数氨基聚糖都是同蛋白质共价结合形成糖和蛋白质的复合物， 称为蛋白聚糖(图4-16)。
图4-16 蛋白聚糖的结构
透明质酸(hyaluronate)
透明质酸同糖胺聚糖和核心蛋白组成软骨组织的蛋白聚糖复合物，称为透明质酸-蛋白聚糖复合物。在这种复合物中，透明质酸作为一个长轴，将蛋白聚糖连接在一起，形成更大的更复杂的蛋白聚糖(图4-17)，使细胞外基质具有更大的抗压性。
图4-17 透明质酸在软骨组织细胞外基质的蛋白聚糖中的作用
透明质酸在细胞外基质中的存在方式和作用是什么? 蛋白聚糖在细胞外基质中的功能是什么? 单个的蛋白聚糖和透明质酸-蛋白聚糖复合物直接与胶原纤维连接形成动物细胞外的纤维-网络(fiber-network)结构(图4-18)，不同类型的胶原和不同类型的蛋白聚糖连接形成不同的纤维-网络，对于提高细胞外基质的连贯性起关键作用。
图4-18 透明质酸-蛋白聚糖与胶原纤维连接在细胞外基质中形成纤维网络 不同组织的细胞外基质中蛋白聚糖的分布不同，分子量也不尽相同(表4-2)。
表4-2 蛋白聚糖及分布
类型 核心蛋白相对分子质量 200,000～300,000(在软骨中) 硫酸软骨素 45,000(在骨中) 45,000和500,000(在皮肤中) 硫酸角质素 硫酸皮肤素 45,000 40,000～50,000 骨，角膜 腱，原纤维结缔组织， 皮肤和角膜中少量 基膜，角膜，神经组织 软骨，骨(少量)，腱，主动脉，平滑肌 软骨，骨，皮肤，基膜中少量 分布 硫酸乙酰肝素 30,000～200,000 透明质酸-蛋白聚糖复合物 十万到百万 4.2.3 胶原和弹性蛋白
胶原(collagen) 是细胞外最重要的水不溶性纤维蛋白， 是构成细胞外基质的骨架，在细胞外基质中形成半晶体的纤维，给细胞提供抗张力和弹性，并在细胞的迁移和发育中起作用。
■ 胶原的结构和种类
● 结构:胶原蛋白的基本结构单位是原胶原(tropocollagen)，原胶原肽链的一级结构具有(Gly-x-y)n重复序列， 其中x常为脯氨酸(Pro)， y常为羟脯氨酸(Hypro)或羟赖氨酸(Hylys)。原胶原是由三条α-肽链组成的纤维状蛋白质， 相互拧成三股螺旋状构型， 长300nm， 直径1.5nm(图4-19)。
图4-19 胶原的组织和结构
电镜照片所示的是鸡胚胎结缔组织的胶原纤维; 图解是胶原的分子结构。
■ 类型
已发现有多种类型的胶原，不同类型的胶原有不同的化学结构和不同的免疫性能， 是不同基因的表达产物。各类胶原都有两个共同的特点∶①都是由三条肽链组成；②各类胶原蛋白的氨基酸组成完全不同，这在其他蛋白质中从未发现过。表4-3是已鉴定的部分胶原纤维的结构特征和分布。
表4-3 胶原的类型、结构和分布
类型 Ⅰ 亚单位 α1(Ⅰ)，α2(Ⅰ) 结构 纤维状 分布 皮肤、腱、骨等 Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ α1(Ⅱ) α1(Ⅲ) α1(Ⅳ)，α2(Ⅳ) α1(Ⅴ)，α2(Ⅴ)，α3(Ⅴ) α1(Ⅵ)，α2(Ⅵ)，α3(Ⅵ) α1(Ⅶ) α1(Ⅷ) α1(Ⅹ) α1(Ⅸ)，α2(Ⅸ)，α2(Ⅸ) α1(XI)，α2(XI)，α3(XI) α1(XII) α1(XIII) 纤维状 纤维状 非纤维状 纤维状 软骨、玻璃体液 皮肤、肌肉等 所有的基膜 大多数间隙组织 Ⅵ Ⅶ Ⅷ Ⅹ Ⅸ 纤维状 非纤维状 ? ? ? 大多数间隙组织 锚定原纤维 某些内皮细胞 肥大和盐质软骨 软骨 XI XII XIII 纤维状 ? ? ? 肥大和盐质软骨 皮肤、腱 表皮，基膜 胎儿皮肤和腱 XIV α1(XIV)
■ 脊椎动物胶原的合成与装配
胶原是由几千个不同的分子组成的高度组织化的结构，合成和装配十分复杂。 胶原蛋白是在膜结合核糖体上起始合成的，然后进入内质网，通过内质网和高尔基体的加工修饰和装配，最后分泌到细胞外基质中(图4-20)。
图4-20 脊椎动物中胶原的合成、装配与分泌
胶原的合成和分泌的过程怎样?何时成为水不溶性的? 装配过程中涉及的前体链、前胶原、胶原、胶原原纤维及胶原纤维的关系示于图4-21。
图4-21 胶原装配的主要步骤
由前体肽装配成前胶原时，是通过分子内的交联完成的。而由胶原装配成胶原原纤维(collagen fibril)则是通过分子间的交联(图4-22)。
图4-22 胶原纤维的分子间和分子内交联
在胶原装配过程中还涉及复杂的加工修饰作用。新生肽进入内质网后首先被信号肽酶切除信号肽，然后将某些脯氨酸和赖氨酸进行羟基化，并将半乳糖添加到羟脯氨酸上(图4-23)。
图4-23 胶原分子在ER和高尔基体中的修饰作用
■ 胶原的作用
● 为细胞外基质提供了一个水不溶性的框架，决定细胞外基质的机械性质。某一特定组织的性能通常与胶原分子的三维结构有关。
举例说明某一特定组织的性能通常与胶原分子的三维结构有关。
■ 如果编码胶原的基因发生突变，将导致胶原病。若影响到胶原纤维的正确装配，皮肤和其它各种结缔组织就会因此降低强度而变得非常的松弛(图4-24)。
图4-24 过度松弛皮肤症
这是1890年拍摄的\"弹性皮肤人\"的照片，是由于胶原装配不正确引起的遗传综合症。在某些个体中，由于胶原酶缺陷而引起，因为胶原酶缺陷，不能将前胶
原转变成胶原。
● 胶原是骨、腱和皮肤组织中的主要蛋白，这些组织的细胞外基质不仅胶原含量高， 而且刚性及抗张力大。
● 另外胶原具有促进细胞生长的作用，如肝细胞等在含有胶原的培养基上生长较快。在细胞分化中，胶原基质和提纯的胶原底物具有维持并诱导细胞分化的作用。许多实验证明， 某种细胞经过特异的粘连蛋白的介导，可以粘连到特定类型胶原上。许多上皮细胞和内皮细胞经层粘连蛋白的介导可与基膜中的Ⅳ型胶原粘连。
■ 弹性蛋白(elastin)
弹性蛋白是弹性纤维(elastic fibers)的主要成分。弹性纤维主要存在于韧带和脉管壁。弹性纤维与胶原纤维共同存在， 赋予组织以弹性和抗张能力(图4-25)。
图4-25 弹性纤维曲伸模型
4.2.4 细胞外基质中的粘着蛋白
细胞外基质中的第三类成分是粘着蛋白，之所以将这些蛋白称为粘着蛋白，是因为这些蛋白起着将细胞外基质与细胞联系起来的桥梁作用。
■ 纤维粘连蛋白(fibronectin， FN)
纤维粘连蛋白属非胶原糖蛋白的一种， 称为冷不溶球蛋白， 它是一种高相对分子质量的粘附性的糖蛋白， 广泛存在于动物界， 包括海绵、海胆及哺乳动物类。每个FN亚基上有与胶原、细胞表面受体、血纤蛋白和硫酸蛋白多糖高亲和结合的位点(图4-26)。
图4-26 纤粘连蛋白的结构
● RGD序列: FN中与 细胞结合的结构域中的Arg-Gly-Asp三肽序列。 ● FN的主要功能是什么? ① 介导细胞粘着
在FN的分子上既有与胶原结合的结构域，又有与细胞结合的结构域。这样，FN可以介导细胞外基质与细胞进行结合。
② 影响细胞的迁移
在正常组织里， 细胞是由多种多样的糖蛋白粘连起来， 并约束在一个固定的位置上，主要是靠FN来维持其稳定状态。
■ 层粘连蛋白(laminin， LN)
层粘连蛋白是基膜(basal lamina)的主要结构成分。 ● 结构
结构上呈现不对称的十字形， 由一条长臂和三条相似的短臂构成。β1和β2短臂上有两个球形域， α链上的短臂有三个球形结构域，其中有一个结构域同Ⅳ型胶原结合，第二个结构域同肝素结合，还有同细胞表面受体结合的结构域(图4-27)。
图4-27 层粘连蛋白的结构
层粘连蛋白由三条多肽链组成，其中一条是α链，另外两条分别是β1和β2，三个亚基通过短臂上的二硫键连接在一起。
● 功能LN分子中具有与Ⅳ型胶原、细胞表面、及其它的蛋白聚糖结合的位点。由于Ⅳ型胶原也存在于基膜中，所以LN的主要功能就是作为基膜的主要结构成分对基膜的组装起关键作用， 在细胞表面形成网络结构并将细胞固定在基膜上。
LN还有许多其他的作用，如在细胞发育过程中刺激细胞粘着、细胞运动。LN还能够刺激胚胎中神经轴的生长，并促进成年动物的神经损伤后重生长和再生。如同纤粘连蛋白，细胞外的LN能够影响细胞的生长、迁移和分化
4.2.5 细胞外基质与细胞的相互关系
■ 基膜(basal lamina，basement membrane)
基膜是一种复合的细胞外结构， 通常位于上皮和内皮的基底面，是细胞外基质的特异区， 将细胞层和其下的结缔组织分开(图4-28)。典型的基膜厚约50nm，有些基膜的厚度达200nm。
图4-28 人皮肤的扫描电镜照片显示基膜将表皮细胞与底层细胞分开 ● 形成基膜的组织和细胞: ① 肌细胞和脂肪细胞的表面;
② 上皮组织基底面的下方，如皮肤上皮的下表面，将上皮细胞与结缔组织分开;
③ 血管内皮细胞的下表面。此外，在施旺细胞(Schwann cells)的表面也覆盖有基膜。
● 结构: 基膜是由不同的蛋白纤维组成的网状结构，LN不仅是基膜的主要成分，也是基膜的组织者，而Ⅳ型胶原则是基膜的网状钢架(图4-29)。
● 功能: 基膜不仅对组织结构起支持作用，同时也是渗透性的障碍，调节分子和细胞的运动。
图4-29 基膜的分子结构模型
■ 整联蛋白(integrin)
整联蛋白属整合蛋白家族， 是细胞外基质受体蛋白。
● 结构 整联蛋白是一种跨膜的异质二聚体， 它由两个非共价结合的跨膜亚基， 即α和β亚基所组成。每个亚基的细胞外是球形的头部， 露出脂双分子层约20nm。头部可同细胞外基质蛋白结合， 而细胞内的尾部同肌动蛋白相连(图4-30)。
图4-30 整联蛋白的结构
■ 功能
整联蛋白作为跨膜接头在细胞外基质和细胞内肌动蛋白骨架之间起双向联络作用， 将细胞外基质同细胞内的骨架网络连成一个整体， 同时还具有将细胞外信号向细胞内传递的作用（图4-31）。
图4-31 整联蛋白的功能
● 整联蛋白的类型
目前已经鉴定的整联蛋白约有20种，但只鉴定到17种不同的α亚基和8种β亚基。由于整联蛋白是异质二聚体，从理论上推测应该有100种以上的α亚基和β亚基配对的整联蛋白，实际上只发现20种，提示这些亚基出现在细胞表面的位置可能具有特异性。整联蛋白同细胞外基质中粘着蛋白的识别与结合分为两种类型∶一类是同RGD区域结合，另一类则不需要RGD区域。
4.3 细胞识别与粘着
在多细胞生物中，单个细胞要组成精密的组织和器官，以及器官体系，首先必须具有相互识别的能力，然后通过粘着和结合将细胞组织起来(图4-32)。
图4-32 哺乳动物肠壁细胞的组织结构
4.3.1 细胞识别及识别反应
细胞识别(cell recognition)指细胞对同种或异种细胞、同源或异源细胞以及对自己和异己物质分子的认识和鉴别。
■ 细胞识别的研究
通过海绵实验和两栖类胚性细胞实验发现并证明了细胞具有识别能力。 ● 海绵实验
1907年H.V.Wilson通过实验研究两种不同颜色的海绵细胞的行为, 发现了细胞的识别。分别从黄色海绵和红色海绵中分离单细胞,然后将两种不同颜色的细胞类群混合在一起。但是,这两种类型的海绵细胞很快就各自分开聚集,红色海绵细胞聚集到一起,黄色海绵细胞也是如此,二者互不混淆。这是人类最早通过实验认识到细胞具有识别和选择性结合的能力。此后,在许多生物中都发现了细胞的识别和粘着,不仅是简单的多细胞生物,也包括复杂的有各种组织分化的多细胞生物中不同组织的细胞都具有这种能力和特性。
如何通过胚性细胞证明细胞的识别
■ 细胞识别与粘着的分子基础 ● 研究方法
为了研究细胞识别和粘着的分子基础，建立了一种抗体检测粘着分子的方法 (图4-33)。
抗体检测细胞识别和粘着的原理是什么? 如何判断实验结果?
图4-33 用抗体检测细胞识别和粘着分子
首先制备特异的抗体，然后分离鸡的视网膜细胞，再用不同的培育方法检测细胞粘着。(a)分离的且分散很好的鸡视网膜细胞;(b)加入抗体后阻止了细胞粘着;(c)
不加抗体，细胞发生粘着。
● 神经细胞粘着分子(neural cell adhesion molecule，N-CAM)
N-CAM是膜糖蛋白，至少以三种形式存在，但都是由同一基因编码。其中两种是跨膜蛋白，第三种共价结合在细胞质膜的外表面。无论是何种存在方式，N-CAM分子都有一部分伸出到细胞外表面。三种N-CAM露出在细胞外的部分，其结构都一样，都含有与细胞粘着相关的结合位点(图4-34)。
图4-34 成熟的N-CAM的三种形式
● 钙粘着蛋白(cadherin)
钙粘着蛋白也是细胞质膜中的细胞粘着分子，但是这种分子介导的细胞粘着受Ca2+的调节。钙粘着分子家族中比较熟知的属于膜整合糖蛋白的成员有:E-钙粘着蛋白(主要存在于表皮组织中)、N-钙粘着蛋白(存在神经组织中)、P-钙粘着蛋白(主要存在于胎盘)。
如何通过基因工程的方法证明钙粘着蛋白的确是介导细胞粘着的分子? ● 粘着蛋白中糖的作用
细胞的糖被可作为识别的标志，让其它与之相互作用的细胞识别，如嗜中性白细胞表面的糖被感染部位血管内皮细胞表面的凝集素识别，这种识别引起嗜中性白细胞同血管的粘着，然后穿过血管进入感染组织，消灭掉入侵的病菌(图4-35)。
图4-35 中性细胞表面糖在识别中的作用
● 凝集素(lectin)在细胞粘着中的作用
凝集素是动物细胞和植物细胞都能够合成和分泌的、能与糖结合的蛋白质，在细胞识别和粘着反应中起重要作用，主要是促进细胞间的粘着。凝集素具有一个以上同糖结合的位点，因此能够参与细胞的识别和粘着，将不同的细胞联系起来(图4-36)。
图4-36 凝集素的作用机制
■ 识别反应
细胞识别引起的细胞反应， 大致有三种类型:内吞、细胞粘着和信号反应。 4.3.2 细胞粘着(cell adhesion)的机制
■ 细胞粘着分子(cell adhesion molecule， CAM)的结构和类型
根据细胞粘着分子的作用方式可分为三个家族(图4-37):①免疫球蛋白超家族(immunoglobulins superfamily，IgSF);②钙粘着蛋白家族；③选择蛋白(selectins)家族等。后两种家族的细胞粘着分子是钙依赖性的，而免疫球蛋白超家族则是非钙依赖性的。
图4-37 主要的细胞粘着蛋白家族的结构
比较三种类型的细胞粘着分子在结构上的差异。
■ 细胞粘着方式
细胞间有两种类型四种不同方式的粘着(图4-38)。
图4-38 各种细胞粘着分子介导的细胞粘着
细胞有几种类型的粘着?它们之间有何不同? ● 钙粘着蛋白介导细胞粘着(图4-39)
图4-39 钙粘着蛋白介导的细胞粘着
■ 选择蛋白(selectins)介导的细胞粘着(图 4-40)
图4-40 三种类型的选择蛋白的结构及选择蛋白介导的细胞粘着
● 免疫球蛋白超家族与整联蛋白介导细胞粘着(图4-41)。
图4-41 免疫球蛋白超家族的细胞粘着分子
4.4 细胞连接(cell junction)
细胞连接是多细胞有机体中相邻细胞之间通过细胞质膜相互联系， 协同作用的重要基础（图4-42）。
图4-42 细胞的组织结构及相互作用
图示人的皮肤细胞上皮组织中各细胞间特殊的联系结构以及细胞外基质及基膜在组织形成中的作用。
4.4.1 细胞连接的概念和类型 ■ 概念: 描述性: 功能性:
■ 类型:动物细胞有三种类型的连接∶紧密连接(tight junction)、粘着连接(adhesion junction)、间隙连接(gap junction)。
上皮组织是机体的保护层，也是各种连接较为集中的部位(图4-43)，不同的连接以特殊的方式排列，上皮组织中的这些不同的连接方式合称为连接复合物(junction complex)。
图4-43 动物细胞中主要几种类型的细胞连接
4.4.2 紧密连接(tight junction)
紧密连接是M.G.Farquhar和G.E.Palade 在1963年发现的，有两种英文名称，同一个意思(tight junction ，zonula occludens)，又称为不通透连接(impermeable junction)。
■ 紧密连接的结构 ● 存在部位:
紧密连接通常位于上皮顶端两相邻细胞间(4-44)。
图4-44 肌组织毛细管的细胞间的紧密连接，箭头所指是两细胞质膜的融合处 (a)上皮细胞切片观察到的紧密连接;(b)扫描电子显微镜观察的上皮顶部细胞
周围的环状紧密连接。
● 结构: 相邻两细胞间的紧密连接是靠紧密蛋白(occludin)颗粒重复形成的一排排的索将两相邻细胞连接起来， 紧密蛋白颗粒象焊接线一样，将相邻细胞间连接起来，并封闭了细胞间的空隙(图4-45)
图4-45 紧密连接的模式结构
显示紧密蛋白在相邻两细胞的紧密连接中的排列方式，可见两个细胞的紧密连接处是融合在一起的。
■ 紧密连接的功能
从功能上看， 紧密连接除了连接细胞之外，还有两个作用：防止物质双向渗漏，并限制了膜蛋白在脂分子层的流动，维持细胞的极性，有利于物质的跨细胞转运(图4-46)。
图4-46 紧密连接在葡萄糖跨细胞转运中的作用
紧密连接除了连接细胞外还有什么作用?意义何在? 4.4.3 斑块连接 (plaque-bearing junction)
斑块连接是动物各组织中广泛存在的一种细胞连接方式，通过粘着蛋白、整联蛋白和细胞骨架体系以及细胞外基质的相互作用，将相邻两细胞连接在一起。根据跨膜蛋白是同肌动蛋白纤维相连还是同中间纤维相连，将斑块连接分为粘着连接( 粘着带、粘着斑)和桥粒(桥粒和半桥粒)两大类。
■ 粘着连接 (adherens junctions， zonula adherens)
在斑块连接中，如果连接作用涉及细胞质中的骨架部分是肌动蛋白的话，这种连接方式称为粘着连接。又分为粘着带和粘着斑。
● 粘着带 (adhesion belt)
粘着带连接位于上皮细胞紧密连接的下方， 靠钙粘着蛋白同肌动蛋白相互作用， 将两个细胞连接起来(图4-47)。
图4-47 粘着带连接的结构
参与粘着带连接的主要蛋白是钙粘着蛋白(cadherin)和肌动蛋白。细胞质斑中含有β-连环蛋白(β-catenin)、α-连环蛋白等(α-catenin)等，其中β-连环蛋白直接与钙粘着蛋白的细胞质端相连，然后通过另一个蛋白介导与肌动蛋白纤维相连。
● 粘着斑(adhesion plaque，focal adhesion) 粘着斑是细胞与细胞外基质进行连接(图4-48)。
图4-48 粘着斑连接
粘着带与粘着斑连接有什么不同?
■ 桥粒(desmosomes)
细胞通过中间纤维锚定到细胞骨架上的粘着连接方式就称为桥粒，分为两种情况:桥粒和半桥粒(hemidesmosomes)。
● 桥粒(desmosome) (完全桥粒)
又称为斑点粘着(maculae adherens)，主要出现在上皮组织，从形态上看，通过桥粒连接，两细胞间形成钮扣式的结构(图4-49)
图4-49 桥粒连接的电子显微镜照片 图中所示是两个皮肤细胞桥粒连接
从结构上看，桥粒连接也是通过钙粘着蛋白将两个相邻细胞结合起来。参与桥粒连接的钙粘着蛋白与粘着连接中的钙粘着蛋白在结构上有所不同，有两种类型的钙粘着蛋白，分别称为桥粒芯蛋白(desmoglein)和桥粒芯胶粘蛋白(desmocollin)。在细胞质膜的内表面有一致密的细胞质斑，作为锚定细胞骨架中间纤维的位点(图4-50)。
图4-50 桥粒连接的分子结构
● 半桥粒(hemidesmosomes)
在桥粒连接中如果跨膜糖蛋白的细胞外结构域不是与另一细胞的跨膜蛋白相连，而是与细胞外基质相连，形态上类似半个桥粒， 这种连接称为半桥粒。半桥粒主要位于上皮细胞的底面，作用是把上皮细胞与其下方的基膜连接在一起(图4-52)。
图4-51半桥粒连接的分子结构
■ 细胞粘着在细胞与环境互作中的作用 ● 类型:
前面介绍了由细胞粘着分子介导的四种不同的细胞粘着，又讨论了由细胞粘着分子介导的四种粘着连接(粘着带、粘着斑、桥粒和半桥粒)。如果不考虑同细胞内骨架的关系， 总共有六种不同形式的细胞粘着或粘着连接(图4-52)。
图4-52 通过细胞表面发生的六种不同的作用方式
● 细胞骨架在细胞连接中的作用
在细胞的粘着连接中， 细胞骨架的参与，使同一组织的细胞能够紧密的结合在一起。细胞中的中间纤维网络通过桥粒和半桥粒锚定在质膜上， 加固了上皮细胞之间及上皮细胞与其下方结缔组织之间的连接。骨架成份通过粘着带和粘着斑将相邻细胞的质膜或质膜与细胞外基质蛋白联系在一起，不仅增强了组织的机械强度(图4-53)，更重要的是形成了组织网络和组织整体。
图4-53 细胞骨架在细胞粘着中的重要性
4.4.4 通讯连接(communicating junction)
一种特殊的细胞连接方式， 存在于特化的具有细胞间通讯作用的细胞。它除了有机械的细胞连接作用之外， 还具有传递信息的功能。
■ 间隙连接(gap junction) ● 结构:
间隙连接是动物细胞中通过连接子(connexons)进行的连接， 在连接点处由连接子造成间隙，允许小分子的物质直接通过这种间隙从一个细胞流向另一个细胞(图4-54)。由于cAMP和Ca2+信号分子能够通过间隙连接从一个细胞进入到相邻细胞，故具有通讯作用。
图4-54 间隙连接的结构
(a) 间隙连接的结构。 (b) 连接子的二维结构。在通道的细胞质面有一个帽
形的门，能够开放或关闭，调节通道中物质的移动。
● 功能
除了连接作用外， 还能在细胞间形成电偶联(electrical coupling)和代谢偶联(matebolic coupling)。电偶联在神经冲动信息传递过程中起重要作用。代谢偶联可使小分子代谢物和信号分子通过由间隙连接形成的水性通道， 从一个细胞转移到另一个细胞。如cAMP和Ca2+通过间隙连接从一个细胞进入到相邻细胞， 因
能
此，只要有部分细胞接受信号分子的作用，可使整个细胞群发生反应。
如何通过实验证明间隙连接具有通讯作用? 间隙连接的作用如何受细胞质中Ca2+和H+浓度的调节?
■ 胞间连丝(plasmodesmata) ● 形态结构
在电子显微镜下见到的胞间连丝似乎是一个狭窄的、直径约30～60nm的圆柱形细胞质通道穿过相邻的细胞壁。胞间连丝中有连丝微管(desmotubule)通过，并认为它是由两个细胞的光面内质网衍生而来(图4-55，4-56)。
图4-55 胞间连丝的电子显微镜照片
图4-56 胞间连丝的模式图
● 功能
胞间连丝不仅使相邻细胞的细胞质膜、细胞质、内质网交融在一起。而且也是植物细胞间物质运输和传递刺激的重要渠道，它与动物细胞的间隙连接有许多相同之处。正常情况下它允许1000道尔顿以下的分子渗透，也能让离子自由通过。它的活性同样受Ca2+离子浓度的调节等，因此具有植物信号传导的作用。
4.4.4 通讯连接(communicating junction)
一种特殊的细胞连接方式， 存在于特化的具有细胞间通讯作用的细胞。它除了有机械的细胞连接作用之外， 还具有传递信息的功能。
■ 间隙连接(gap junction) ● 结构:
间隙连接是动物细胞中通过连接子(connexons)进行的连接， 在连接点处由连接子造成间隙，允许小分子的物质直接通过这种间隙从一个细胞流向另一个细胞
(图4-54)。由于cAMP和Ca2+信号分子能够通过间隙连接从一个细胞进入到相邻细胞，故具有通讯作用。
图4-54 间隙连接的结构
(a) 间隙连接的结构。 (b) 连接子的二维结构。在通道的细胞质面有一个帽
形的门，能够开放或关闭，调节通道中物质的移动。
● 功能
除了连接作用外， 还能在细胞间形成电偶联(electrical coupling)和代谢偶联(matebolic coupling)。电偶联在神经冲动信息传递过程中起重要作用。代谢偶联可使小分子代谢物和信号分子通过由间隙连接形成的水性通道， 从一个细胞转移到另一个细胞。如cAMP和Ca2+通过间隙连接从一个细胞进入到相邻细胞， 因
能
此，只要有部分细胞接受信号分子的作用，可使整个细胞群发生反应。
如何通过实验证明间隙连接具有通讯作用? 间隙连接的作用如何受细胞质中Ca2+和H+浓度的调节?
■ 胞间连丝(plasmodesmata)
● 形态结构
在电子显微镜下见到的胞间连丝似乎是一个狭窄的、直径约30～60nm的圆柱形细胞质通道穿过相邻的细胞壁。胞间连丝中有连丝微管(desmotubule)通过，并认为它是由两个细胞的光面内质网衍生而来(图4-55，4-56)。
图4-55 胞间连丝的电子显微镜照片
图4-56 胞间连丝的模式图
● 功能
胞间连丝不仅使相邻细胞的细胞质膜、细胞质、内质网交融在一起。而且也是植物细胞间物质运输和传递刺激的重要渠道，它与动物细胞的间隙连接有许多相同之处。正常情况下它允许1000道尔顿以下的分子渗透，也能让离子自由通过。它的活性同样受Ca2+离子浓度的调节等，因此具有植物信号传导的作用
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