Mặc dù tế bào động vật không có thành tế bào, nhiều tế bào trong mô của sinh vật đa bào lại được bao bọc bởi chất nền ngoại bào, bao gồm các protein và polysaccharide được tiết ra. Chất nền ngoại bào lấp đầy khoảng trống giữa các tế bào và liên kết các tế bào và mô lại với nhau. Một ví dụ điển hình của chất nền ngoại bào là màng đáy mỏng, dạng tấm, nơi các lớp tế bào biểu mô nằm lên.
Ngoài việc hỗ trợ các lớp tế bào biểu mô, màng đáy còn bao quanh tế bào cơ, tế bào mỡ và dây thần kinh ngoại biên. Tuy nhiên, chất nền ngoại bào phong phú nhất trong mô liên kết. Ví dụ, mô liên kết lỏng lẻu bên dưới lớp tế bào biểu mô chủ yếu bao gồm chất nền ngoại bào, nơi các nguyên bào sợi được phân bố. Các loại mô liên kết khác, chẳng hạn như xương, gân và sụn, cũng chủ yếu bao gồm chất nền ngoại bào, vốn chịu trách nhiệm chính cho cấu trúc và chức năng của chúng.
Chất nền ngoại bào được cấu tạo từ các protein sợi dai nhúng trong chất nền nền polysaccharide dạng gel – một thiết kế về cơ bản tương tự như thành tế bào thực vật. Điều này nhấn mạnh điểm tương đồng đáng chú ý giữa cấu trúc hỗ trợ của tế bào vi khuẩn và tế bào thực vật, trong đó thành tế bào đóng vai trò quan trọng. Ngoài protein cấu trúc dạng sợi và polysaccharide, chất nền ngoại bào còn chứa protein kết dính liên kết các thành phần của chất nền với nhau và với các tế bào gắn liền. Sự khác biệt giữa các loại chất nền ngoại bào khác nhau là do sự biến đổi trên chủ đề chung này. Ví dụ, gân chứa tỷ lệ protein sợi cao, trong khi sụn chứa nồng độ polysaccharide cao, tạo thành một loại gel chịu nén chắc chắn. Trong xương, chất nền ngoại bào được làm cứng bằng cách lắng đọng các tinh thể canxi phosphate. Cấu trúc dạng tấm của màng đáy cũng là kết quả của việc sử dụng các thành phần chất nền khác với các thành phần được tìm thấy trong mô liên kết.
Protein cấu trúc chính của chất nền ngoại bào là collagen, là protein đơn phong phú nhất trong mô động vật. Collagen là một họ protein lớn, chứa ít nhất 19 thành viên khác nhau. Chúng được đặc trưng bởi sự hình thành các xoắn ba, trong đó ba chuỗi polypeptide được quấn chặt vào nhau trong một cấu trúc giống như sợi dây thừng.
Các vùng xoắn ba của collagen bao gồm các đoạn lặp lại của trình tự amino acid Gly-X-Y. Glycine (amino acid nhỏ nhất, với chuỗi bên chỉ bao gồm một hydro) là cần thiết ở mọi vị trí thứ ba để các chuỗi polypeptide có thể xếp lại với nhau đủ gần để tạo thành xoắn ba collagen. Proline thường được tìm thấy ở vị trí X và hydroxyproline ở vị trí Y; do cấu trúc vòng của chúng, các amino acid này ổn định cấu dạng xoắn của chuỗi polypeptide. Amino acid bất thường hydroxyproline được hình thành bên trong mạng lưới nội chất bằng cách sửa đổi các gốc proline đã được kết hợp vào chuỗi polypeptide collagen. Các gốc lysine trong collagen cũng thường được chuyển đổi thành hydroxylysine. Các nhóm hydroxyl của các amino acid đã sửa đổi này được cho là ổn định xoắn ba collagen bằng cách hình thành liên kết hydro giữa các chuỗi polypeptide. Những amino acid này hiếm khi được tìm thấy trong các protein khác, mặc dù hydroxyproline cũng phổ biến trong một số glycoprotein của thành tế bào thực vật.
Loại collagen phong phú nhất (collagen loại I) là một trong những collagen hình thành sợi, là thành phần cấu trúc cơ bản của mô liên kết. Các chuỗi polypeptide của các collagen này bao gồm khoảng một nghìn amino acid hoặc 330 đoạn lặp lại Gly-X-Y. Sau khi được tiết ra khỏi tế bào, các collagen này tập hợp thành các sợi collagen, trong đó các phân tử xoắn ba được liên kết trong các mảng so le đều đặn.
Những sợi này không hình thành bên trong tế bào, vì các collagen hình thành sợi được tổng hợp dưới dạng tiền chất hòa tan (procollagen) chứa các đoạn không xoắn ở cả hai đầu của chuỗi polypeptide. Procollagen được phân cắt thành collagen sau khi được tiết ra, do đó, sự lắp ráp collagen thành sợi chỉ diễn ra bên ngoài tế bào. Sự liên kết của các phân tử collagen trong sợi được tăng cường hơn nữa bằng sự hình thành các liên kết ngang cộng hóa trị giữa các chuỗi bên của các gốc lysine và hydroxylysine. Thông thường, các sợi tiếp tục liên kết với nhau để tạo thành các sợi collagen, có thể có đường kính vài micromet.
Một số loại collagen khác không hình thành sợi nhưng đóng vai trò riêng biệt trong các loại chất nền ngoại bào khác nhau. Ngoài các collagen hình thành sợi, mô liên kết còn chứa các collagen liên kết sợi, liên kết với bề mặt của sợi collagen và liên kết chúng với nhau và với các thành phần chất nền khác. Màng đáy được hình thành từ một loại collagen khác (collagen loại IV), là collagen hình thành mạng lưới.
Các đoạn lặp lại Gly-X-Y của các collagen này thường bị gián đoạn bởi các trình tự không xoắn ngắn. Do những gián đoạn này, các collagen hình thành mạng lưới linh hoạt hơn các collagen hình thành sợi. Do đó, chúng tập hợp thành các mạng lưới liên kết ngang hai chiều thay vì sợi. Một loại collagen khác hình thành các sợi neo, liên kết một số màng đáy với mô liên kết bên dưới.
Mô liên kết cũng chứa các sợi đàn hồi, đặc biệt phong phú trong các cơ quan thường xuyên kéo dài và sau đó trở lại hình dạng ban đầu của chúng. Ví dụ, phổi căng ra mỗi khi hít vào và trở lại hình dạng ban đầu với mỗi lần thở ra. Sợi đàn hồi chủ yếu bao gồm một protein gọi là elastin, được liên kết chéo thành một mạng lưới bằng các liên kết cộng hóa trị được hình thành giữa các chuỗi bên của các gốc lysine (tương tự như các liên kết được tìm thấy trong collagen). Mạng lưới các chuỗi elastin liên kết chéo này hoạt động giống như một sợi dây cao su, căng ra khi chịu lực kéo và sau đó bật trở lại khi lực kéo được giải phóng.
Các protein cấu trúc dạng sợi của chất nền ngoại bào được nhúng trong gel được hình thành từ các polysaccharide gọi là glycosaminoglycan, hoặc GAG, bao gồm các đơn vị lặp lại của disaccharide.
Một loại đường của disaccharide là N-acetylglucosamine hoặc N-acetylgalactosamine và loại thứ hai thường có tính axit (axit glucuronic hoặc axit iduronic). Ngoại trừ hyaluronan, các loại đường này được sửa đổi bằng cách thêm các nhóm sulfate. Do đó, GAG mang điện tích âm cao. Giống như pectin của thành tế bào thực vật, chúng liên kết các ion tích điện dương và giữ các phân tử nước để tạo thành gel ngậm nước, do đó cung cấp hỗ trợ cơ học cho chất nền ngoại bào.
Hyaluronan là GAG duy nhất tồn tại dưới dạng một chuỗi polysaccharide dài. Tất cả các GAG khác được liên kết với protein để tạo thành proteoglycan, có thể bao gồm tới 95% polysaccharide theo trọng lượng. Proteoglycan có thể chứa ít nhất một hoặc nhiều nhất hơn một trăm chuỗi GAG gắn vào các gốc serine của một protein lõi. Một loạt các protein lõi (từ 10 đến >500 kd) đã được xác định, do đó các proteoglycan là một nhóm đại phân tử đa dạng. Ngoài việc là thành phần của chất nền ngoại bào, một số proteoglycan là protein bề mặt tế bào có chức năng trong sự kết dính tế bào.
Một số proteoglycan tương tác với hyaluronan để tạo thành các phức hợp lớn trong chất nền ngoại bào. Một ví dụ được đặc trưng rõ là aggrecan, proteoglycan chính của sụn.
Hơn một trăm chuỗi chondroitin sulfate được gắn vào một protein lõi khoảng 250 kd, tạo thành một proteoglycan khoảng 3000 kd. Nhiều phân tử aggrecan sau đó liên kết với các chuỗi hyaluronan, tạo thành các tập hợp lớn (>100.000 kd) bị mắc kẹt trong mạng lưới collagen. Proteoglycan cũng tương tác với cả collagen và các protein chất nền khác để tạo thành mạng lưới dạng gel, trong đó các protein cấu trúc dạng sợi của chất nền ngoại bào được nhúng vào. Ví dụ, perlecan (proteoglycan heparan sulfate chính của màng đáy) liên kết với cả collagen loại IV và protein kết dính laminin, sẽ được thảo luận sau.
Protein kết dính, loại thành phần thứ ba của chất nền ngoại bào, chịu trách nhiệm liên kết các thành phần của chất nền với nhau và với bề mặt của tế bào. Nguyên mẫu của các phân tử này là fibronectin, là protein kết dính chính của mô liên kết. Fibronectin là một glycoprotein dime bao gồm hai chuỗi polypeptide, mỗi chuỗi chứa gần 2500 amino acid.
Trong chất nền ngoại bào, fibronectin được liên kết chéo thêm thành sợi bằng các liên kết disulfide. Fibronectin có các vị trí liên kết cho cả collagen và GAG, do đó nó liên kết chéo các thành phần chất nền này. Một vị trí riêng biệt trên phân tử fibronectin được nhận biết bởi các thụ thể bề mặt tế bào và do đó chịu trách nhiệm cho sự gắn kết của tế bào vào chất nền ngoại bào.
Màng đáy chứa một protein kết dính riêng biệt gọi là laminin. Giống như collagen loại IV, laminin có thể tự lắp ráp thành các polyme dạng lưới.
Các mạng lưới laminin như vậy là thành phần cấu trúc chính của màng đáy được tổng hợp trong phôi rất sớm, không chứa collagen. Laminin cũng có các vị trí liên kết cho các thụ thể bề mặt tế bào, collagen loại IV và perlecan. Ngoài ra, laminin có liên quan chặt chẽ với một protein kết dính khác, được gọi là entactin hoặc nidogen, cũng liên kết với collagen loại IV. Do kết quả của nhiều tương tác này, laminin, entactin, collagen loại IV và perlecan tạo thành mạng lưới liên kết chéo trong màng đáy.
Các thụ thể bề mặt tế bào chính chịu trách nhiệm cho sự gắn kết của tế bào vào chất nền ngoại bào là integrin. Integrin là một họ protein xuyên màng bao gồm hai tiểu đơn vị, được chỉ định là α và β.
Hơn 20 integrin khác nhau, được hình thành từ sự kết hợp của 18 tiểu đơn vị α đã biết và 8 tiểu đơn vị β đã biết, đã được xác định. Integrin liên kết với các trình tự amino acid ngắn có trong nhiều thành phần của chất nền ngoại bào, bao gồm collagen, fibronectin và laminin. Vị trí liên kết integrin đầu tiên được mô tả đặc trưng là trình tự Arg-Gly-Asp, được nhận biết bởi một số thành viên của họ integrin. Tuy nhiên, các integrin khác liên kết với các trình tự peptide riêng biệt, bao gồm các trình tự nhận dạng trong collagen và laminin. Proteoglycan xuyên màng trên bề mặt của nhiều loại tế bào cũng liên kết với các thành phần của chất nền ngoại bào và điều chỉnh các tương tác tế bào-chất nền.
Ngoài việc gắn các tế bào vào chất nền ngoại bào, integrin còn đóng vai trò là neo cho khung xương tế bào.
Liên kết kết quả của khung xương tế bào với chất nền ngoại bào chịu trách nhiệm cho sự ổn định của các điểm nối tế bào-chất nền. Các tương tác riêng biệt giữa integrin và khung xương tế bào được tìm thấy ở hai loại điểm nối tế bào-chất nền, điểm kết dính cục bộ và hemidesmosome, đã được thảo luận trong Chương 11. Điểm kết dính cục bộ gắn một loạt các tế bào, bao gồm cả nguyên bào sợi, vào chất nền ngoại bào. Các vùng tế bào chất của tiểu đơn vị β của integrin tại các điểm nối tế bào-chất nền này neo khung xương tế bào actin bằng cách liên kết với các bó sợi actin. Hemidesmosome là các vị trí gắn kết tế bào biểu mô chuyên biệt, tại đó một integrin cụ thể (được chỉ định là α6β4) tương tác với các sợi trung gian thay vì actin. Integrin α6β4 liên kết với laminin, do đó hemidesmosome neo các tế bào biểu mô vào màng đáy.
