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细胞分子生物学,青岛科技大学化工学院刘全兰,THECYTOSKELETON,第十一章细胞骨架,成分,3.中间纤维（intemediatefilament）使细胞具有张力和抗剪切力。,1.微丝（microfilament）确定细胞表面特征，使细胞能够运动和收缩。,2.微管（microtubule）确定膜性细胞器的位置和作为膜泡运输的导轨。,4.核基质5.染色体支架6.核纤层,（A）,（B）,（C）,细胞骨架的基本类型与主要功能示意图,第一节细胞质骨架,一.微丝二.微管三.中间纤维,一、微丝(microfilament,MF),又称肌动蛋白纤维（actinfilament）或纤维形肌动蛋白（Factin），是由球形肌动蛋白（G-actin）单体形成的多聚体，直径约7nm的骨架纤维。,传统模型：微丝是由两条肌动蛋白单链螺旋盘绕形成的纤维,新兴模型：微丝是由一条肌动蛋白单体链形成的螺旋，每个肌动蛋白单体周围都有4个亚单位，呈上下及两侧排列,(一)、分子结构,1.肌动蛋白的分类：肌动蛋白：有4种，分别为横纹肌、心肌、血管平滑肌和肠道平滑肌所特有；肌动蛋白和肌动蛋白：见于所有肌肉细胞和非肌肉细胞胞质中。2.形状：actin单体外观呈哑铃形，称球形肌动蛋白G-actin；多聚体称为纤维形肌动蛋白F-actin。3.变异：actin在进化上高度保守，酵母和兔子肌肉的肌动蛋白有88%的同源性。,条件：ATP、适宜的温度、存在Ca2+、K+和Mg2+离子。解聚：在含有ATP和Ca2+以及低浓度的Na+、K+等阳离子溶液中，趋于解离成G-action。聚合：在Mg2+和高浓度的Na+、K+溶液诱导下，G-action装配为纤维状肌动蛋白，新的Gaction加到微丝末端，使微丝延伸。,(二)、微丝的装配,过程：2-3个actin聚集成一个核心（核化）；ATP-actin分子向核心两端加合。微丝具有极性，ATP-actin加到(+)极的速度要比加到(-)极的速度快5-10倍。溶液中ATP-肌动蛋白的浓度处于临界浓度时，ATP-肌动蛋白在(+)端添加，而从(-)端分离，表现出“踏车”现象（Treadmilling)。,(二)、微丝的装配,“踏车”现象（Treadmilling),细胞中大多数微丝结构处于动态的组装和去组装过程中，并通过这种方式实现其功能。细胞松弛素（cytochalasin）可切断微丝纤维，并结合在微丝末端抑制肌动蛋白加合到微丝纤维上，特异性的抑制微丝功能。鬼笔环肽（phalloidin）与微丝能够特异性的结合，使微丝纤维稳定而抑制其解聚。荧光标记的鬼笔环肽可特异性的显示微丝。,（三）、微丝结合蛋白,1肌肉收缩系统中的有关蛋白：,肌球蛋白(myosin)：约占肌肉总蛋白50%，含有4条多肽链（2条重链，2条轻链），两股重链盘绕成双股螺旋。肌球蛋白头部具ATP酶活力，构成粗丝的横桥，是与肌动蛋白分子结合的位置。,肌球蛋白II,（三）、微丝结合蛋白,1肌肉收缩系统中的有关蛋白：,原肌球蛋白（tropomyosin，Tm）：在肌肉中占蛋白的5-10%，由两条平行的多肽链形成螺旋构型,位于肌动蛋白螺旋沟内。原肌球蛋白结合于细肌丝，调节肌动蛋白与肌球蛋白头部结合。,肌钙蛋白（troponin，Tn）：含3个亚基，肌钙蛋白C（Tn-C）特异与Ca2+结合；肌钙蛋白T（Tn-T）与原肌球蛋白有高度亲和力；肌钙蛋白I（Tn-I）抑制肌球蛋白ATPase的活性。,肌球蛋白，肌动蛋白和肌钙蛋白（Tropomyosin,actinandtroponin）,2非肌肉细胞中的微丝结合蛋白：没有肌钙蛋白，但存有肌球蛋白、原肌球蛋白、辅肌动蛋白微丝结合蛋白：与微丝装配及其功能有密切关系,（三）、微丝结合蛋白,见p323,（四）、微丝性细胞骨架的功能,1.肌肉收缩2.微绒毛3.应力纤维4.溶胶层和阿米巴运动5.胞质分裂环,1.肌细胞的组成：由肌原纤维组成，肌原纤维包括粗肌丝和细肌丝，粗肌丝主要成分是肌球蛋白，细肌丝的主要成分是肌动蛋白、原肌球蛋白和肌钙蛋白。2.肌肉收缩：由肌动蛋白丝与肌球蛋白丝的相对滑动所致。3.肌肉收缩的基本单位：肌小节（sarcomere）。肌小节是相邻两Z线间的单位。主要结构有：A带（暗带）：为粗肌丝所在。H区：A带中央色浅部份，此处只有粗肌丝。I带（明带）：只含细肌丝部分。Z线：细肌丝一端游离，一端附于Z线。,功能I.肌肉收缩,肌小节,4.肌肉收缩的过程：动作电位的产生，肌肉细胞膜去极化；钙离子释放；原肌球蛋白位移；肌动蛋白丝与肌球蛋白丝的相对滑动。,功能I.肌肉收缩,动作电位的产生，肌肉细胞膜去极化；钙离子释放；原肌球蛋白位移；,肌动蛋白丝与肌球蛋白丝的相对滑动。,（1）肌球蛋白结合ATP，引起头部与肌动蛋白纤维分离；（2）ATP水解，引起头部与肌动蛋白弱结合；,(3)Pi释放，头部与肌动蛋白强结合，头部向M线方向弯曲，引起细肌丝向M线移动；(4)ADP释放ATP结合上去，头部与肌动蛋白纤维分离。如此循环,功能II形成微绒毛,1.代表：肠上皮细胞微绒毛的轴心微丝是非肌肉细胞中高度有序微丝束的代表。2.成分：不含肌球蛋白、原肌球蛋白和辅肌动蛋白；含有微丝结合蛋白等。3.功能：起维持微绒毛形状的作用，无收缩功能。,功能III形成应力纤维,1.代表：是真核细胞中广泛存在的微丝束结构。2.成分：含肌动蛋白、肌球蛋白、原肌球蛋白和辅肌动蛋白等。3.功能：结构类似肌原纤维，使细胞具有抗剪切力；在细胞形态发生、细胞分化和组织的形成等方面具有重要作用。,培养的上皮细胞中的应力纤维（微丝红色、微管绿色）,功能IV细胞的变形运动(溶胶层和阿米巴运动),1.溶胶层：细胞膜下的一层富含肌动蛋白纤维的区域。这些肌动蛋白纤维平行于质膜排列，并与膜连接，形成纤维网格。2.功能：为细胞提供强度和韧性，维持细胞形状。细胞的多种运动，如胞质环流、阿米巴运动、变皱膜运动及吞噬都与肌动蛋白的溶胶与凝胶及其相互转化有关。3.抑制剂：细胞松弛素,功能V形成胞质分裂环,1.定义：有丝分裂末期，两个即将分裂的子细胞之间产生的一个收缩环。2.成分：由大量平行排列的微丝组成，由分裂末期胞质中的肌动蛋白装配而成。收缩环是非肌肉细胞中具有收缩功能的微丝束的典型代表。3.功能：使两子细胞被分开。,二、微管(microtubule,MT),微管在胞质中形成网络结构，作为运输路轨并起支撑作用。微管是由微管蛋白组成的管状结构，对低温、高压和秋水仙素敏感。,上皮细胞中的微管（红色）和细胞核（黄色）,（一）、分子结构,1.形态：微管是由13条原纤维构成的中空管状结构，外径24nm，内径15nm。2.成分：每一条原纤维由微管蛋白二聚体线性排列而成。微管蛋白二聚体由结构相似的和球蛋白构成。,3.装配：微管具有极性，(+)极生长速度快，(-)极生长速度慢。(+)极的最外端是球蛋白，(-)极的最外端是球蛋白。微管和微丝一样具有踏车行为。微管形成的有些结构是比较稳定，是由于微管结合蛋白的作用和酶修饰的原因。如轴突、纤毛、鞭毛。大多数微管处于动态组装和去组装状态（如纺锤体）。秋水仙素、长春花碱抑制微管装配。紫杉酚和重水（D2O)能促进微管的装配,并使已形成的微管稳定。,微管两端具有GTP帽，将持续装配。,微管两端具有GDP帽，则解聚。,（二）、微管结合蛋白（microtubuleassociatedproteinsMAPs）,MAP分子至少包含一个结合微管的结构域和一个向外突出的结构域。突出部位伸到微管外与其它细胞组分（如微管束、中间纤维、质膜）结合。主要功能：促进微管组装。增加微管稳定性。促进微管聚集成束。,（三）、微管组织中心（microtubuleorganizingcenter,MTOCs）,是微管进行组装的区域，都具有微管球蛋白，如：中心体、鞭毛基体。,中心体由两个相互垂直的中心粒构成。周围是一些无定形物质，叫做外中心粒物质（PCM）。中心粒由9组3联微管构成，具有召集PCM的作用。MTOC处微管蛋白以环状的球蛋白复合体为模板核化、先组装出（-）极，然后开始生长。提纯的微管，在微酸性环境，适宜的温度，存在GTP、Mg2+和去除Ca2+的条件下能自发的组装成11条原纤维的微管。,微管在细胞的定位,（四）、微管的功能,1、支架作用,维持细胞形态,2、细胞内运输是胞内物质运输的路轨。涉及两大类马达蛋白：驱动蛋白kinesin，动力蛋白dyenin，均需ATP供能。Kinesin发现于1985年，是由两条轻链和两条重链构成的四聚体，能向着微管（+）极运输小泡。,3、鞭毛和纤毛的运动纤毛与鞭毛是相似的两种细胞外长物，前者较短。结构：由基体和鞭杆两部分构成。纤毛中的微管为9+2结构。二联微管A管由13条原纤维组成，B管由10条原纤维组成。A管向相邻B管伸出两条动力蛋白臂，并向纤毛中央发出一条辐。基体的微管组成为9+0。鞭毛运动原理：动力蛋白臂的dynein水解ATP作功，使相邻的二联微管相互滑动。,4、形成纺锤体在细胞分裂中牵引染色体到达分裂极。,三、中间纤维（intermediatefilaments，IF）,直径10nm左右，介于微丝和微管之间，故名。IF是最稳定的细胞骨架成分，主要起支撑作用。IF在细胞中围绕着细胞核分布，成束成网，并扩展到细胞质膜，与质膜相连结。,分为5类：角蛋白、结蛋白、胶质原纤维酸性蛋白、波形纤维蛋白、神经纤丝蛋白。具有组织特异性，不同类型细胞含有不同IF。通常一种细胞含有一种中间纤维，少数含有2种以上。肿瘤细胞转移后仍保留源细胞的IF。,（一）、类型,(二)、结构与装配,1.结构由螺旋化杆状区，以及两端非螺旋化的球形头（N端）尾（C端）部构成。杆状区高度保守，由螺旋1和螺旋2构成，每个螺旋区还分为A、B两个亚区。,intemediatefilaments，IF,角蛋白纤维,波形纤维,神经元纤维,神经胶质纤维,过程：两个单体形成超螺旋二聚体（角蛋白为异二聚体）；两个二聚体反向平行组装成四聚体；