第五章细胞骨架

第五章第五章 细胞骨架细胞骨架 细胞骨架 (cytoskeleton)是普遍存在于细胞中 由蛋白纤维组成的网架结构，真核细胞的细 胞骨架包括微管（ MT）、微丝（ MF）和中 间纤维 (IF)。 对细胞运动、细胞分裂、信息传递、能量转 换及维持细胞形态、固定细胞器等有关。 细 胞 骨 架 微管 微丝 中等纤维 线粒体 核糖体 内质网 光镜下细胞骨架：黄色荧光显示微管 光镜下显示细胞骨架： 红色显示微丝，绿色显示微管 第一节第一节 微丝微丝 一、微丝的组成和装配一、微丝的组成和装配 由由 肌动蛋白肌动蛋白 组成的实心纤维细丝。组成的实心纤维细丝。 6-7nm， 长短不一。在细胞中：微丝可成束、成网或长短不一。在细胞中：微丝可成束、成网或 纤维状分散分布。纤维状分散分布。 （一）肌动蛋白（一）肌动蛋白 球状肌动蛋白 (肌动蛋白单体 G-actin) 纤维状肌动蛋白 (肌动蛋白聚合体 F-actin) 微丝纤维的负染电镜照片 微丝纤维结构模型 电镜下显示微丝 肌动蛋白 -肌动蛋白 (肌细胞 ) -肌动蛋白 (非肌细胞 ) -肌动蛋白 (非肌细胞） 肌动蛋白在真核细胞进化上高度保守，肌动蛋白在真核细胞进化上高度保守， 含量最丰富。含量最丰富。 二、微丝的装配 1.微丝的装配过程 成核期、延长期、稳定期。 G-actin F-actin + - 踏 车 影响微丝组装的有关因素： 在含有 ATP和 Ca2+、低浓度的单价离子 (Na+、 K+等 ) 溶液中微丝趋向解聚 G-actin 。 37nm G-actinF-actin 2.微丝组装的 “踏车现象 ” 3.微丝的动态平衡 4.影响 肌动蛋白单体聚合与解聚的药物 细胞松弛素 B： 与微丝正极结合，抑制微丝聚合。 红海海绵素： 只与 G-actin结合，抑制微丝组装。 鬼笔环肽： 只与 F-actin结合，稳定微丝、抑制微 丝解体，破坏微丝的动态平衡。 （三）肌动蛋白结合蛋白 肌细胞： 原肌球蛋白 ， 结合于肌肉细肌丝 , 调节肌动蛋白与肌 球蛋白头部结合。 肌钙蛋白（ Tn） ， 含 3个亚基 Tn-C: 特异地与 Ca2+结合 ; Tn-T: 与原肌球蛋白 (Tm)有高度亲和 力 ; Tn-I: 抑制 myosin ATPase的活性。 非肌细胞： 单体结合蛋白 集束蛋白 凝胶蛋白 封帽蛋白和 切割蛋白 锚定蛋白 微丝结合蛋白 2.隔绝蛋白 3.封端蛋白 6.集束蛋白 连接蛋白 9.锚定蛋白 解聚蛋白 4.截断蛋白 三、微丝的生物学功能 （一）微丝与肌肉收缩 （二）细胞运动 （三）维持细胞形态 （四）参与细胞分裂 u 细肌丝：细肌丝： u 粗肌丝：肌球蛋白粗肌丝：肌球蛋白 u 细肌丝和粗肌丝间滑动的机理细肌丝和粗肌丝间滑动的机理 F-肌动蛋白 (F-actin) 原肌球蛋白 肌钙蛋白 接触 做功 分离 复原 （一）微丝与肌肉收缩 肌原纤维 肌纤维 肌束 肌纤维 肌束 肌原纤维 肌纤维 肌束 肌原纤维 肌纤维 肌束 肌小节 肌原纤维 肌纤维 肌束 肌小节 (收缩 )(松驰 ) 肌肉收缩的滑动模型肌肉收缩的滑动模型 1.结合：肌球蛋白头部与细肌结合：肌球蛋白头部与细肌 丝（肌动蛋白）结合，过程短丝（肌动蛋白）结合，过程短 暂；暂； ATP与肌球蛋白头部很快与肌球蛋白头部很快 结合。结合。 2.释放：肌球蛋白与与肌动蛋释放：肌球蛋白与与肌动蛋 白分开。白分开。 3.直立：直立： ATP水解，肌球蛋水解，肌球蛋 白头部水解。肌球蛋白沿细肌白头部水解。肌球蛋白沿细肌 丝移动丝移动 5nm。 4.产力：肌球蛋白头部与肌动产力：肌球蛋白头部与肌动 蛋白新位点结合，蛋白新位点结合， ADP释放；释放； 二者再次结合，细肌丝沿粗肌二者再次结合，细肌丝沿粗肌 丝向肌节中央移动丝向肌节中央移动 5nm。 A、白细胞和成纤维细胞定向运动； B、胚胎细胞、癌细胞向附近组织转移； C、吞噬细胞； D、跨膜运动； E、精子与卵子细胞融合时的顶体运动； F、红细胞与血小板的变形运动。 （二）细胞运动（二）细胞运动 （三）维持细胞形态（三）维持细胞形态 存在于细胞膜下微丝网中的微丝，与肌球蛋白存在于细胞膜下微丝网中的微丝，与肌球蛋白 、原肌球蛋白和辅肌蛋白协同作用，在两个附着、原肌球蛋白和辅肌蛋白协同作用，在两个附着 点之间进行等位收缩而不运动，收缩时产生的力为点之间进行等位收缩而不运动，收缩时产生的力为 细胞膜提供一定的强度和韧性，抵抗细胞内外的压细胞膜提供一定的强度和韧性，抵抗细胞内外的压 力，维持细胞的形状。力，维持细胞的形状。 如红细胞的双凹圆盘形。如红细胞的双凹圆盘形。 (原肌球蛋白 ) (微丝 ) (血型糖蛋白 ) (血影蛋白 ) (间距因子 ) (锚 定 蛋白 ) 收缩环：收缩环： 在分裂末期的细胞质中，肌在分裂末期的细胞质中，肌 动蛋白组装成大量平行排列的微丝，它们动蛋白组装成大量平行排列的微丝，它们 在分裂沟的质膜下方，卷曲形成的环状结在分裂沟的质膜下方，卷曲形成的环状结 构。构。 (四四 )参与细胞质分裂参与细胞质分裂 细胞外一个信息 膜受体 跨膜 膜下微 丝 核膜 核内骨架 DNA合成、转录 微丝与信息传递微丝与信息传递 第二节第二节 微管微管 一、微管的组成与形态 由微管蛋白装配而成的中空管状结构，内外 直径分别为 15nm-24nm。它是由 13根原纤 维纵向螺旋排列而成。 (基体 ) (间期细胞 ) (分裂期细胞 ) (有纤毛的细胞 ) 微管所处的位置 15nm 24-26nm 5-9nm 1 2 3 4 5 6 7 8910 11 12 13 微管横断面 微管蛋白 (55KD 450aa) 微管蛋白 (55KD 550aa) 异二聚体 2个鸟嘌呤核苷酸 结合位点。 可与秋水仙素、 长春花碱结合。 微 管 蛋 白 （一）微管蛋白 1 2 3 4 5 6 7 8910 11 12 13 单管 A B 二联管（纤毛和鞭毛） A B C 三联管（中心粒和基体） 异二聚体 微管蛋白 微管蛋白 聚合 首尾相连 原纤维 微管（ 13） 1 2 3 4 5 6 7 8910 11 12 13 微管横断面 （二）微管的形态 二联管（纤毛和鞭毛） 三联管（中心粒和基体） 单管 ： 13条原纤维组成，细胞质中大部分微管 为单管。 二联管：两根微管组成，分为 A管、 B管， A管 B 管共用三根原纤维，主要构成鞭毛、纤毛。 三联管 ： 由 A、 B、 C三根微管组成， A与 B、 B与 C 各共用三根纤维，共含 33根原纤维，主要构成 中心粒和基体。 二联管 三联管 二、 微管的装配 多以单管形式存在，是一种动态结构，可很快组装 与去组装。 + - 踏 车 （一）微管 装配过程 基体是纤毛和鞭毛的微管组织中心。 微管在生理状态及实验处理解聚后重新组装 的启动之处称为微管组织中心（ MTOC）。 中心体是动物细胞中主要的微管组织中心，由一 对相互垂直的中心粒和中心粒周围基质组成，位 于细胞核的附近。 （二）微管组织中心 （三）微管特异性药物 秋水仙素与微管蛋白二聚体结合，阻止微管的成核 反应。 紫杉醇结合到聚合的微管上，阻止微管的解聚。 三 .微管相关蛋白 同微管相结合的辅助蛋白，它们不是构成微管壁的 基本构件，而是在微管蛋白组装成微管之后，结合 在微管的表面。 微管结合蛋白是微管系统结构和功能所必需的组分 ，它们与运动的产生、微管组装和去组装的调节、 微管和其他细胞组分之间的连接等密切相关。 四、微管的功能 （一）支架作用 （二）参与细胞内物质运输 （三）作为纤毛和鞭毛运动的元件 （四）参与纺锤体的形成与染色体的运动 u 用秋水仙素处理培养细胞，发现细胞丧失原有的形用秋水仙素处理培养细胞，发现细胞丧失原有的形 态而变圆。说明微管对维持细胞的不对称形状是重态而变圆。说明微管对维持细胞的不对称形状是重 要的。要的。 u 微管具有一定刚性，可自然取直，在保持细胞外形微管具有一定刚性，可自然取直，在保持细胞外形 方面起支撑作用。方面起支撑作用。 u 细胞突起部分，如伪足、鞭毛、纤毛、神经轴突的细胞突起部分，如伪足、鞭毛、纤毛、神经轴突的 形成和维持，都是微管在起关键作用。形成和维持，都是微管在起关键作用。 （一）支架作用 (二二 )参与物质的运输参与物质的运输 快速运输快速运输 ：速度为：速度为 50 400 /，线粒体、突触小，线粒体、突触小 泡、前溶酶体小泡、内吞小泡等，与膜更新有关的泡、前溶酶体小泡、内吞小泡等，与膜更新有关的 蛋白质，都是通过此方式运输的。蛋白质，都是通过此方式运输的。 慢速运输慢速运输 ：速度为：速度为 0 2 8 /运输量大，在游离运输量大，在游离 核糖体合成的结构蛋白质，如微管蛋白、肌动蛋白核糖体合成的结构蛋白质，如微管蛋白、肌动蛋白 、神经丝蛋白等，都是通过此方式运输的。、神经丝蛋白等，都是通过此方式运输的。 快速运输：与微管有关 慢速运输：机制不清 神经元轴突的物 质运输方式 快速运输的机制：快速运输的机制： u 微管在快速运输中充当微管在快速运输中充当 “ 轨道轨道 ” 的作用。的作用。 u 物质沿着单根微管进行双向运输。物质沿着单根微管进行双向运输。 u 不同方向的运输所需提供动力的蛋白质不同。一不同方向的运输所需提供动力的蛋白质不同。一 种是驱动蛋白，利用种是驱动蛋白，利用 ATP水解释放的能量向微管的水解释放的能量向微管的 (+)极运输；另一种是胞质动力蛋白，它利用极运输；另一种是胞质动力蛋白，它利用 ATP水水 解释放的能量向微管的解释放的能量向微管的 (-)极运输；极运输； (驱动蛋白 ) (向着远离神经细胞体的方向运输 ) （三）作为 纤毛和鞭毛 运动的元件 (动力蛋白产生微管滑动 ) (动力蛋白引起微管弯曲 ) 二联管间滑动的做功过程可分为四步：二联管间滑动的做功过程可分为四步： u 接触：动力蛋白臂头部携带上一次接触：动力蛋白臂头部携带上一次 ATP水解产物水解产物 ADP+P与相邻二联管的与相邻二联管的 B管接触；管接触； u 做功：有动力蛋白臂头部释放做功：有动力蛋白臂头部释放 ADP+P，引起头部与，引起头部与 二联管间角度改变，同时推动相邻二联管滑动；二联管间角度改变，同时推动相邻二联管滑动； u 分离：动力蛋白臂头部与新的分离：动力蛋白臂头部与新的 ATP结合，引起头部与结合，引起头部与 B管的分离；管的分离； u 复原：复原： ATP水解为水解为 ADP+P，动力蛋白臂角度复原。，动力蛋白臂角度复原。 u 二联管间滑动的力是动力蛋白臂水解二联管间滑动的力是动力蛋白臂水解 ATP产生的。产生的。 u 实验发现实验发现 ，如从裸露的轴索中选择性地抽提动力蛋，如从裸露的轴索中选择性地抽提动力蛋 白臂白臂 轴索的运动减弱轴索的运动减弱 直至动力蛋白臂全部被提直至动力蛋白臂全部被提 取取 轴索的运动完全停止。这一过程可以轴索的运动完全停止。这一过程可以 逆转逆转 。 如：如： 临床发现一种临床发现一种 男性不育症，男性不育症， 是由于患者精是由于患者精 子轴索中缺少动力蛋白臂子轴索中缺少动力蛋白臂 遗传性支气管炎遗传性支气管炎 ，其大原因是由于支气管纤毛，其大原因是由于支气管纤毛 轴索中缺乏动力蛋白臂不能运动，丧失了清除异物轴索中缺乏动力蛋白臂不能运动，丧失了清除异物 的能力。的能力。 （四）参与纺锤体的形成与染色体的运动 u直径介与微管与微丝之间，故得名中等纤 维（中间纤维 IF） 810nm 。 uIF结构稳定 :既不受秋水仙素也不受细胞松 弛素 B影响，并且也没有极性。分布具有严 格的组织特异性，临床上应用于鉴定肿瘤 细胞的组织来源。 第三节第三节 中等纤维中等纤维 一、中等纤维的组成与结构 （一）中等纤维蛋白 中间纤维是一类中空的纤维状结构。单根或成 束分布于细胞质中，常形成精细发达的纤维网络， 外与细胞膜有细胞外基质相连，内与核纤层有直接 的联系。中间纤维与微丝、微管及其他细胞器也有 着错综复杂的纤维联络。 中间纤维蛋白的类型和分布 类型 分子量 (kD) 细胞内分布 角蛋白纤维 40-68 上皮细胞 波形蛋白纤维 55 间充质细胞 结蛋白纤维 53 肌细胞 胶质纤维酸性蛋白 51 神经胶质细胞 神经丝 68 神经元 中间纤维的基本组成单位 中间纤维单体 中等纤维单体 共同结构域 -螺旋杆状区 非螺旋区 ： 310个氨基酸残基 组成的螺旋杆部 ( 这是一个 高度保守 的 二级结构 )。 头部（ N-端） 尾部（ C-端） （二）中等纤维的结构 (高度可变 ) 杆状 区 头部 （ N-端 ） 尾部 （ C-端） L1 连 接 区 L12 连 接 区 L2 连 接 区 8-14 8 16-17 N-端 C-端1A -螺旋 1B -螺旋 2A -螺旋 2B -螺旋 35 1 0 1 9 121 编码中等纤维蛋白质的基因为同一基因家族，它们之间 高度同源；表达具有严格组织特异性，临床上应用于鉴 定肿瘤细胞的组织来源。 单体 二聚体 超螺旋 COOH 单体NH2 COOH COOH 二聚体 NH2 NH2 COOH COOHNH 2 NH2 四聚体 NH2 NH2COOH COOH 四聚体 原纤维 八聚体 八聚体 亚丝 中等纤维 中等纤维 原纤维 二、中等纤维的装配 （一）支持作用：对细胞器及细胞核起固定作用，使核在细胞 内占据一定的空间。 （二）在细胞内的 物质运输： 如神经细胞中的神经蛋白纤维参 与神经轴突营养物质的运输。 （三） 信息传递：可能是一种信息分子，与 DNA的转录和复制有 关。 （四）在相邻细胞、细胞与基膜之间形成连接结构：桥粒中的 角蛋白丝 。 三、中间纤维的生物学功能 胞质骨架三种组分的比较 微丝 微管 中间纤维 组成 肌动蛋白 微管蛋白 杆状蛋白 结合核苷酸 ATP GTP 无 纤维直径 7nm 25nm 10nm 结构 双链螺旋 13根源纤丝组成空心管 状纤维 8个 4聚体或 4个 8 聚体组成的空心 管状纤维 极性 有 有 无 组织特异性 无 无 有 踏车形为 有 有 无 动力结合蛋白 肌球蛋白 动力蛋白，驱动蛋白 无 特异性药物 细胞松驰素 鬼笔环肽 秋水仙素，长春花碱， 紫杉酚 无 u 肿瘤细胞中细胞骨架的改变肿瘤细胞中细胞骨架的改变 肿瘤细胞中的微管数目急剧减少；微