什么是细胞外基质？

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什么是细胞外基质？
原文地址：https://www.zhihu.com/question/454630861

同花顺

我们每天都在唠叨年龄增长胶原蛋白会流失，但准确和全面点来讲，其实是细胞外基质的流失！
今天站在皮肤衰老角度，和大家科普一下细胞外基质（ECM）在皮肤老化过程中的具体变化有哪些：
·真、表皮层变薄：随着年龄的增长，皮肤的真、表皮层逐渐变薄，这主要是由于胶原蛋白和弹性蛋白的降解以及新合成速度的减慢。这种变薄导致皮肤失去原有的弹性和强度。
·胶原蛋白的结构变化：I型胶原蛋白是皮肤中最为丰富的结构蛋白，在老化过程中其组织和结构发生变化，整体强度降低。胶原纤维在老化皮肤中显示出高比例的降解和碎片化，且由真皮成纤维细胞补充的速度逐渐减慢。此外，胶原蛋白类型IV作为基底层膜（BM）的主要成分，其结构也受到影响，也导致皮肤-表皮接合处（DEJ）的扁平化。
·弹性纤维的结构变化：弹性纤维从细长单股变为珠状，并失去向表皮延伸的终末纤维。这种变化影响了皮肤的弹性和恢复能力。
·亲水性ECM生物分子的变化：非硫酸化糖胺聚糖（GAG）和透明质酸的含量可能减少，而蛋白聚糖如decorin和versican的多糖链分子量减小。这些变化影响了皮肤的保湿能力和机械完整性。
·ECM调控模式的变化：研究发现，在衰老过程中，ECM蛋白的调控模式发生了变化，识别出随年龄增加而上调或减少的ECM蛋白。这些变化反映了皮肤在应对外界环境和内部生理变化时的适应性调整。
·光老化的影响：紫外线（UV）照射会加速ECM的降解，特别是胶原蛋白的降解，导致皮肤更容易受到炎症和自由基的侵害。光老化过程中基质分解金属蛋白酶MMPS的作用也显著增加。
因此，皮肤老化过程中ECM的变化包括真皮层变薄、胶原蛋白和弹性蛋白的降解与碎片化、亲水性生物分子含量减少以及ECM成分和调控模式的变化，而通过了解化妆品原料的机理，并使用对应增厚真表皮、防止多种蛋白的流逝、改善光老化等的原料，有助于延缓衰老。

同花顺

如果你没听说过什么是细胞外基质（ECM），但是一定听说过胶原纤维或者弹性纤维吧？他们就是ECM中的成员；对专业人士来说， 近年来ECM无论是在研究领域还是在应用领域中的突破性进展，都非常值得我们去重新认识它。
一. 什么是细胞外基质（ECM）？

ECM = ExtraCellular Matrix。细胞外基质（ECM）指的是组织中细胞以外的（非细胞的）部分。它常常包括一个错综复杂的３D网状结构和充填这个网状结构的无形胶状结构。
以往认为ECM只是一个简单的组织细胞支持结构。近年来的发现完全推翻了这个古老的看法。ECM不仅仅是组织细胞的支持结构，它还是组织细胞生存的微环境，它跟组织细胞的生存、再生、修复、免疫都有着极其密切的关系。这些发现为再生医学及抗老化奠定了基础。现代科学还发现，即便是ECM物理性能（比如说硬度增加）的改变都可能导致某些疾病，甚至癌症。ECM是动态的，不断变化的。尽管对ECM中的每个组分及其之间的协调机制还有待于深挖，但是至少现在我们知道它具有以下几个重要功能：

• 为组织细胞提供结构性支持和生存微环境
  
• 参与细胞间的信息传递
  
• 调节干细胞行为和免疫反应
  
• 储藏和调控生长因子及其他生物活性分子
  
• 参与和调控组织细胞的机械性和生理生化行为，包括细胞的生长、分化、凋亡、修复、再生等。
  
• 将不同的组织隔离开
  

ECM存在于我们身体中全部的组织中：上皮组织、肌肉组织、结缔组织和神经组织。不同组织由于功能各异，它们的ECM物理特性及组分也各有异，比如说血液跟骨它们的ECM之间的差别。然而，在细胞调控方面，如：细胞黏附、细胞与细胞间的信息沟通以及对细胞分化的影响等方面，它们ECM的作用都是极其相似的。我们大家都熟悉的血浆就是血液的ECM；而真皮作为结缔组织，它的非细胞的部分也就是真皮的ECM了。以真皮为例，我们来看看ECM都包括哪些重要的成员及他们的生理机能都有哪些。
二. ECM中的重要成员都有哪些？

从结构上看，真皮中ECM主要由3大部分构成：结构性蛋白、链接/粘连性的蛋白、无形胶状结构。其中每一个组分都不是孤立的，而是它们共同形成了一个有执行力的ECM，完成以上我们提到的组织细胞所有的生物功能。
1）结构性蛋白：

指的是ECM中的纤维状蛋白结构，构成ECM的纤维网。

• 胶原纤维(collage fibers)：
  
  到目前为止，在人体中所发现的胶原纤维有28种。真皮中胶原纤维是以I、III型为主的。真皮中的胶原纤维占真皮干重的80% - 90%。在胶原纤维中，I型胶原纤维占90%左右。
  
  每条胶原纤维都是由３条多肽链拧成一股的蛋白纤维。不同肽链的组合，决定了胶原纤维的个性。比如说，I型胶原纤维是由2条α1和1条α2链组成的，因此它有强悍的抗变形能力的同时还具有一定的韧性。是支撑和保持皮肤张力的最主要结构性蛋白。
  
  日常生活中我们已经体验到胶原纤维强悍的抗变形能力和它的韧性。比如说我们平时使用的皮具，如皮鞋、皮包就是胶原纤维制成的。
  
• 弹性纤维(elastin fibers)：
  
  与胶原纤维相比较，弹性纤维比较纤细，它们相互连接形成一个个有弹力的纤维蛋白球。它的变形能力是胶原纤维1000倍，单一的弹性纤维可以被拉长至自身长度的8倍。因此弹性纤维能在外力的作用下很容易产生变形，又能够在外力解除后迅速恢复原状态。它能够承受不断重复的拉伸-回缩的运动。对皮肤来说，这个特征不仅仅赋予皮肤很好的弹性，还能有效的缓冲外来的冲击力，保护皮肤和内脏器官不受冲击力的伤害。
  
  弹性纤维的更新换代速度极其缓慢，而外在因素如紫外线、吸烟及其他不良因素而导致的弹性纤维的降解和的丢失，是皮肤松弛、粗大皱纹的主要原因之一。
  

2）黏着性/连接性蛋白：

指的是一系列有粘附性和连接性的蛋白，他们常呈球状，负责把ECM中的纤维状蛋白结构与细胞连接在一起、参与机械性信息传递、担任受体传递化学信息以及受体间的信息传递、调控生物分子活性，并为细胞移动提供方便。

• 整合蛋白(integrins)：
  
  在ECM中整合蛋白是一种非常重要的球状蛋白，担任多功能角色。比如说，作为“粘合剂”，整合蛋白把细胞的骨架结构跟ECM中的网状结构联系起来，形成ECM-整合蛋白-细胞骨架结构的结构关系。
  
  这种关系，不仅机械性的稳定了细胞，同时还能够让细胞感受到机械性信息和ECM物理特性的变化，以此来调控细胞的生物功能以及ECM的重建；再比如说它的受体角色，帮助接受和传递ECM跟细胞间沟通信息。
  
• 纤连蛋白(fibronectins)：
  
  有能力跟多种ECM成分相结合，如：整合蛋白、蛋白聚糖、胶原纤维以及细胞表面蛋白等，参与调控细胞行为，如：细胞增殖、分化、启动创伤修复。
  
• 层粘蛋白(laminins)：是基底膜的主要组分。
  
  层粘蛋白由 α、β、γ三条肽链相互链接形成的非对称性的十字结构与表皮基底细胞的板桥体紧密连接在一起，成为ECM网状立体结构的一部分，起到固定基底细胞的作用。
  
  层粘蛋白参与多种生理活动，包括组织存活、血管再生、表皮细胞再生以及组织的修复与愈合等。
  

3）无形胶状结构：

在ECM的无形胶状结构中含有大量蛋白聚糖、糖蛋白、氨基多糖、蛋白酶、生物活性分子、电解质以及水分等。提供信号传递、细胞迁移、以及储藏重要生物活性物质的场所。同时还赋予组织的柔软性和对外力缓冲能力。

• 蛋白聚糖类(proteoglycans)：
  
  蛋白聚糖分子是以一条蛋白链为核心，以氨基多糖（GAGs）为侧枝连接在一起巨大的分子结构。蛋白聚糖分子中，GAGs的重量占90%左右。真皮ECM中的蛋白聚糖大约有36种，由于蛋白聚糖的侧链，氨基多糖，带有高度极性（带负电，如），能够有效的吸引水分、并共同形成一种均质的胶样填充物占据着网状结构的空间。
  
  这个填充物起到维护细胞的稳定和游走、营养供给、信号传递、储藏和调控多种生物活性物，包括储藏和调控生长因子的活性及其他生物活性分子。它的软硬度可以直接影响到组织细胞的生长、繁殖和分化行为。
  
• 透明质酸（GAG）:
  
  透明质酸也是GAG的一种，也是由不断重复的双糖构成的一个巨大单链分子。跟其他GAGs的不同在于它没有携带二硫键。但是它能够跟多个蛋白聚糖结合在一起形成一个巨大的蛋白聚糖的多聚体。能够有效的吸收冲击能，跟弹性纤维和胶原纤维共同缓冲/抵抗外来冲击力组织和身体的伤害。
  

三. 真皮ECM组分的来源及维稳

在皮肤组织中，成纤维细胞是生成真皮ECM中所有组分、维持ECM微环境稳定、参与ECM的更新和重建的主要细胞。成纤维细胞还通过分泌金属蛋白酶（MMPs）和组织金属蛋白酶抑制剂（TIMPs）来调控胶原纤维更新的速度。成纤维细胞的健康状况跟皮肤健康状况、创伤修复以及皮肤衰老有着密不可分的关系。
创伤修复的过程中，其他细胞也可以生产和释放生某些活性蛋白的能力，如：表皮细胞、巨噬细胞以及其他炎性细胞等。
总之，尽管科学还在进一步深挖ECM的秘密，但是我们已经发现了ECM对维持组织器官的健康，炎症/免疫反应、组织再生与修复以及衰老的至关重要性。并且这些发现已经被前沿再生医学用在复杂的创伤修复和其他衰老相关的问题中并取得了令人鼓舞的效果。
有任何护肤方面的疑问可以到我的微信公众号（Dr杰尼科学护肤）提问。Happy skin care！

Reference
1. Theextracellular matrix of the dermis: flexible structures with dynamic functions:Krieg, T. and Aumailley, M.(2011), The extracellular matrix of the dermis: flexible structures withdynamic functions. Experimental Dermatology, 20: 689-695.
2. MechanicalForces in the Skin: Roles in Tissue Architecture, Stability, and Function, Biggs LC, Kim CS, Miroshnikova YA,Wickström SA. Mechanical Forces in the Skin: Roles in Tissue Architecture,Stability, and Function. J Invest Dermatol. 2020 Feb;140(2):284-290. doi:10.1016/j.jid.2019.06.137. Epub 2019 Jul 18. PMID: 31326398.
3. The extracellular matrix: Structure,composition, age-related differences, tools for analysis and applications fortissue engineering, Kular JK, Basu S, Sharma RI. J Tissue Eng. 2014 Dec20;5:2041731414557112. doi: 10.1177/2041731414557112. PMID: 25610589; PMCID:PMC4883592.
4. Extracellularmatrix internalization links nutrient signaling to invasive migration, ElenaRainero, Int J Exp Pathol. 2018 Feb; 99(1): 4-9. 2018 Mar 24.
5. Integrinsin ECM, Martin Alexamder Schwartz, Cold Spring Harb Perspect Biol. 2010 Dec;2(12): a005066
6. Lamininheparin-binding peptides bind to several growth factors and enhance diabeticwound healing, Jun Ishihara, et. al. Nature Communications 9, Article Number:2163 (2018)
7. Extracellularmatrix: A dynamic microenvironment for stem cell niche, Francesca Gattazzo,Anna Urciuolo, and Paolo Bonaldo, Bichim Biophys Acta. 2014 Aug: 1840(8)2506-2519
8. Integrins and Extracellular Matrix in Mechanotransduction, Martin Alexander Schwartz, ColdSpring Harb Perspect Biol. 2010 Dec; 2(12): a005066
9.  Fibroblasts as a practicalalternative to mesenchymal stem cells, Thomas E. Ichim Pete O’Heeron &Santosh Kesari, Journal of Translational Medicine 16, Article Number: 212(2018)
10. Extracellular matrix and cellsignaling: the dynamic cooperation of intergrin, proteoglycan and growth factorreceptor, Soo-Hyun Kim, Jeremy Trunbull, and Scott Guimond, Journal ofEndocrinology, Volume 209: Issue 2, page 139-151, May 2011

继续前进

细胞外基质：通俗概念理解就是细胞外的非细胞物质，但是和细胞紧密相连，是支持细胞生理和病理状态的环境和关系网。打个不很恰当的比方如果细胞是人那么细胞外基质就是学校社会家庭这些笼统概念，大概念下可以按功能或其它条件细分，这些都塑造了人并且维持或改变人。同样细胞外基质包含很多内容比如细胞外分子和矿物质。矿物质比较好理解比如钙等等，然后不同的细胞外分子又分类：1. 纤维状蛋白(比如collegen胶原...) 2. 糖蛋白(比如laminin层黏连蛋白...) 3.蛋白多糖(比如hyaluronan 透明质酸...)等等.
个人理解记忆时把细胞外基质按功能分为1. 细胞代谢或交换或维持细胞生理状态 2. 维持细胞骨架 3. 信号传导 4. 细胞运动 等。
1. 细胞代谢或交换或维持细胞生理状态。比如一些通过膜通道进出或胞吞胞吐的分子等，着重研究这些物质对细胞功能的影响等。
2. 细胞骨架。比如三种filaments(intermediate filaments中间微丝，microtubules微管，actin filamnets肌动蛋白微丝 )等等。
3. 信号传导。比如integrin 调节机械或分子信号传递。
4. 细胞运动。与细胞骨架相关，可参考各种filaments.
半途转行学的是英文，如果与中文不对应请轻拍，欢迎有更好更方便记忆理解的答案让我学习膜拜一下。

长长的路

谢邀。
细胞外基质（ECM），由细胞分泌的蛋白质和多糖所构成，在结缔组织中含量最丰富，主要由成纤维细胞所分泌，占结缔组织的大部分胞外空间。根据其组成成分的功能进行划分，动物的细胞外基质成分主要有三种类型：结构蛋白、蛋白聚糖和粘连糖蛋白。胞外基质不仅为组织的构建提供了支撑框架，还对与其接触的细胞的存活、发育、迁移、增殖、形态及其他功能产生重要的调控作用。

长长的路

细胞外基质（ECM）是由细胞分泌并在组织中围绕在其周围。长期以来，它一直被认为是细胞的结构支持，因为它的特性决定了组织的特性（即骨骼相比于软骨、大脑）1。然而，它并非简单的为细胞被动地提供机械支持，却实际上是由多种生物活性分子组成的一种极其复杂的支架，而这些分子可被高度调节并对于确定其周围细胞的作用和命运至关重要4。更多内容到sigma试剂官网查看：www.sigmaaldrich.cn
细胞外基质类型
ECM具有两种基本形式：

• 基膜：细胞上皮层和基质层之间的ECM5
  
• 间质基质围绕细胞形成多孔3D晶格的ECM5
  

基膜：
基膜（BM）是在上皮和内皮之间形成的ECM薄层。它围绕着肌肉、脂肪和神经细胞。它可提供机械结构、分离不同的细胞类型以及用于细胞分化、迁移和存活的信号6。表1总结了基膜中的蛋白质及其特征性的细胞表面受体6。

BM结构被认为是由层粘连蛋白和胶原蛋白IV决定的。层粘连蛋白已被证明在体外可自组装成多边形晶格6。同样，胶原蛋白IV也可通过羧基末端NC1（非胶原酶）结构域之间的相互作用以及胶原蛋白三螺旋之间一些轻微的相互作用而在体外自我组装6。BM的其他蛋白成分被认为可被非共价的固定在层粘连蛋白和胶原蛋白IV形成的基质中6。
可购买到基膜的一种形式。它源自于Engelbreth-Holm-Swarm（EHS）小鼠肉瘤，一种富含ECM蛋白的肿瘤。它的主要成分是层粘连蛋白、胶原蛋白IV、硫酸乙酰肝素蛋白聚糖和nidogen/巢蛋白。除了这些蛋白质外，还存在有多种生长因子，包括bFGF、EGF、IGF-1、PDGF、NGF和TGF-ß1。这种相同的肿瘤是市售小鼠层粘连蛋白的主要来源。
ECM组成
ECM是蛋白质和糖胺聚糖（一类带负电荷的多糖）的一种复杂的混合物。它由三类物质组成：

• 糖胺聚糖及其可抗压的蛋白聚糖
  
• 粘附性糖蛋白（层粘连蛋白、纤连蛋白、肌腱蛋白、巢蛋白）
  
• 提供抗拉强度的纤维蛋白（胶原蛋白、弹性蛋白）
  

糖胺聚糖（GAG）
GAG最初以ECM中的“空间填充物”而闻名。最近，它们已被证明是活跃的信号分子，可在多种细胞过程（包括细胞因子产生、白细胞募集和炎症反应）中的作用对于控制细胞命运至关重要7。
糖胺聚糖（GAG）是由两种基本糖类组成的线性多糖：一种氨基糖和一种糖醛酸2,3。氨基糖通常是N-乙酰基-D-葡糖胺（D-GlcNAc）或N-乙酰基-D-半乳糖胺（D-GalNAc）。糖醛酸是D-葡萄糖醛酸（D-GlcA）或L-艾杜糖醛酸（L-IdoA）7。这些基本成分可通过差向异构、硫酸化和脱乙酰化而进一步变化。碳水化合物链的顺序和其他化学修饰决定了它们的特异性和功能性7。
透明质酸是最简单的GAG，因为它并未被硫酸化、未发生差向异构化并且由未修饰的二糖重复序列组成。它通常不会与任何蛋白共价连接。其他的GAG有硫酸软骨素（CS）、硫酸皮肤素（DS）、硫酸角质素（KS）和硫酸乙酰肝素（HS）。这四种GAG通常会与蛋白共价相连以形成蛋白聚糖。软骨素和硫酸乙酰肝素已通过硫酸化进行了广泛的改性1,2,3。
蛋白聚糖
蛋白聚糖由一个核心蛋白以及一个或多个共价相连的GAG所组成的。它们是被存储在分泌颗粒中、插入至质膜或分泌到ECM中的8。表2列举了几种蛋白聚糖及其分子量、GAG链和组织定位。

糖蛋白
层粘连蛋白
目前存在有15种已知的异三聚体层粘连蛋白6。层粘连蛋白是由α、β和γ链组成的，其中为5 α、4 β和6 γ链2。它具有一个带有3个短臂以及1个长臂的交叉结构。该α链在C末端具有一个大的球形结构域，称为G结构域。该结构域由3个LG结构域（LG1-LG3）组成，它们通过一个接头区域与另外两个LG结构域（LG4-LG5）相连。整合素与LG1-3结合，而肌营养不良蛋白聚糖与LG4-LG5结合。硫酸乙酰肝素已被证明可与α1链的LG4结合6。层粘连蛋白是基底基质的组成部分；然而，层粘连蛋白异构体的存在会随组织而变化2。层粘连蛋白-1的形式在早期发育中最为突出，并由α1、β1和γ1链组成6。
纤连蛋白
纤连蛋白是一种具有~270 kDa分子量的二聚体。它以可溶形式存在于血液和体液以及ECM中的原纤维中。它可结合胶原蛋白、肝素、其他纤连蛋白和细胞表面整合素。纤连蛋白可通过精氨酸、甘氨酸和天冬氨酸（RGD）的三肽基序结合整合素2,3。
纤维蛋白
胶原蛋白
胶原蛋白是ECM的主要结构组成1。它们是皮肤和骨骼中最普遍存在的蛋白，占蛋白总量的25％2。胶原蛋白可为层粘连蛋白、蛋白聚糖和细胞表面受体的附着提供支架1。目前已在脊椎动物中鉴定出28种胶原蛋白（I–XXVIII）1。胶原蛋白是由多肽链的同源三聚体或异源三聚体所形成的三重螺旋蛋白，称为α链。α链包含一组Gly-X-Y的三氨基酸重复，其中X通常是脯氨酸，而Y是4-羟基脯氨酸（翻译后修饰的脯氨酸）1,2。
根据它们的超分子体系结构，这些类型可分为：

• 纤丝状（I、II、III、V、XI、XXIV和XXVII）– 最常见的胶原蛋白类型，占人体胶原蛋白的90％；它在骨骼、皮肤、肌腱、韧带和软骨中较为突出。纤维丝的直径为10-30 nm，而组装的胶原蛋白纤维直径为500-3000 nm。
  
• 纤维丝相连的（FACIT）（IX、XII、XIV、XVI、XIX、XX、XXI、XXII）– 这些胶原蛋白不会形成纤维丝。相反它们会附着在纤维丝形成的胶原蛋白上；他们被认为可以在基质内排列胶原纤维丝
  
• 珠状纤丝（VI）
  
• 网络形成（IV、VIII和X）– 这些可形成网状结构，例如在基膜中。它们还可与锚定纤维丝（VII型）相互作用，后者可将基膜连接到ECM中的胶原蛋白和层粘连蛋白。胶原蛋白IV会自我组装，并有助于基膜的形成。
  
• 跨膜胶原蛋白（XIII、XVII、XXIII、XXV）– 这些超结构在细胞粘附、分化、组织发育和结构完整性中具有功能性作用1。
  

弹性蛋白
弹性蛋白，正如名字所表示的，可为ECM提供弹性。它可以原弹性蛋白，一种72 kDa前体蛋白的形式生成，并从细胞中分泌出来。它在细胞外空间可与其他弹性蛋白分子交联形成薄片和纤维。弹性蛋白是动脉中存在的主要ECM蛋白，其构成了其干重的~50％2。
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