细胞生物学第四版(细胞骨架2)分析.ppt

第二节微管及其功能 一 微管的结构组成与极性二 微管的组装和去组装三 微管组织中心四 微管的动力学性质五 微管结合蛋白对微管网络结构的调节六 微管对细胞结构的组织作用七 细胞内依赖于微管的物质运输八 纤毛和鞭毛的结构与功能九 纺锤体与染色体运动 一 微管的结构组成与极性 微管 microtubule MT 一种内 外径分别为15 24nm的中空的管状细胞骨架纤维 由 微管蛋白形成的异二聚体组装而成 大部分微管在细胞质内形成暂时性的结构 微管的主要功能 微管参与细胞形态的发生和维持 细胞内物质运输 细胞分裂和细胞运动等过程 微管蛋白 tubulin 一个能聚合形成微管的球状细胞骨架蛋白家族 微管蛋白异二聚体是微管组装的基本单位 它们相互作用的界面上呈互补关系 微管蛋白上都有一个GTP结合位点 但 微管蛋白上结合的GTP不能被水解 称为不可交换位点 N位点 而 微管蛋白上结合的GTP可水解 直接参与微管组装 称为可交换位点 E位点 此外 微管蛋白上还有二价阳离子结合位点 一个秋水仙素结合位点 一个长春花碱结合位点 微管蛋白的C端均含有酸性氨基酸序列 因此微管表面带有较强的负电荷 有些微管蛋白亚基上特定的氨基酸残基可被乙酰化修饰 哺乳动物中至少有6个编码微管蛋白的基因 细菌和古细菌中的FtsZ蛋白与微管蛋白同源 原纤丝 protofilament 微管的横截面是由13个球形蛋白亚基构成的环状结构 微管的管壁是由 微管蛋白异二聚体纵向排列而成的13根原纤丝合拢而成 由于相邻的原纤丝之间在排列上存在1nm左右的交错 以至微管蛋白沿微管的圆周呈螺旋状排列 在微管合拢的位置微管蛋白构成的螺旋被终止 出现 微管蛋白和 微管蛋白之间的横向结合 并产生纵贯长轴的 接缝 每一根原纤丝的两端都是不对称的 它们在微管的某一端都是 微管蛋白 而在另一端都是 微管蛋白 从而使得整根微管在结构上呈极性状态 人们通常将微管组装较快的一端称为正极 拥有 微管蛋白 而另一端称为负极 细胞内微管通常以单管 细胞质微管和纺锤体微管 二联体微管 纤毛和鞭毛中的轴丝微管 或三联体微管 中心体或基体的微管 形式存在 马达蛋白利用水解ATP产生的能量携带所运输的 货物 沿微管运动 微管和微管蛋白 图10 19 请你仔细找一下微管的 接缝 二 微管的组装和去组装 一 微管的体外组装与踏车行为 二 作用于微管的特异性药物 一 微管的体外组装与踏车行为 微管的体外组装的过程 原纤丝装配 微管蛋白首先装配成原纤丝 侧面层装配 原纤丝侧向相互作用形成片层 微管延伸 由13根原纤丝合拢形成微管 微管蛋白从两端聚合 或解聚 使微管延长 或缩短 当达到临界浓度时 微管的长度将保持不变 微管的动态不稳定性依赖于微管末端 微管蛋白上GTP的有无 当体系中 微管蛋白浓度大于临界浓度时 微管末端新的微管蛋白加入的速度大于GTP水解的速度 末端的 微管蛋白上带有GTP 组装快于解聚 反之 则发生原纤丝弯曲 微管末端倾向于解聚 踏车行为 当微管一端组装的速度与另一端解聚 去组装 的速度相等时 微管的长度保持稳定 即所谓的 踏车行为 微管去稳定蛋白 stathmin 去磷酸化的stathmin结合一对 微管蛋白 降低 微管蛋白的有效浓度 促进解聚 磷酸化的stathmin则失去与微管蛋白结合的活性 提高 微管蛋白的有效浓度 促进组装 细胞可以通过调节局部stathmin的磷酸化状态来调控微管的组装与分布 实际上 微管的快速组装与去组装行为对于微管行使其功能极为重要 但有些微管与某些蛋白质或细胞结构结合而保持相对稳定 微管组装的过程与踏车行为 图10 20 微管的动态不稳定性依赖于微管末端 微管蛋白上GTP的有无 图10 21 二 作用于微管的特异性药物 秋水仙素 colchicine 低浓度的秋水仙素处理细胞 可立即破坏细胞内的微管或纺锤体的结构 秋水仙素在微管末端的结合影响该处的组装 但并不影响该处的去组装 紫杉醇 taxol 作用于秋水仙素相反 即不影响微管的组装 但阻止微管的去组装 一些影响细胞内微管组装与去组装的药物用于肿瘤的治疗微管组装与去组装的动态还与温度有关 通常以20 为限 但有些微管在低温下仍保持稳定 冷稳定性微管 三 微管组织中心 微管组织中心 microtubuleorganizingcenters MTOC 在活细胞中 能够起始微管成核组装并使之延伸的细胞结构 称为微管组织中心 如中心体 轴突 基体和其它特殊的部位 核膜外表面 细胞的两极 高尔基体的反面膜囊区和新断的微管 等 中心体 centrosome 由一对相互垂直的圆柱状 桶状 中心粒及周围无定形的电子致密的基质 PCM 组成 是微管组织中心 中心粒 centriole 由9组平行排列的等间距的三联体 A B和C 微管组成 A管为完全微管 B管和C管为不完全微管 微管蛋白对微管的起始组装有重要作用 微管直接起源于中心粒外围无定形致密周质区 PCM 成核模型认为 由13个 微管蛋白在中心体的PCM中呈螺旋状排列形成的开放的环状复合物 决定着微管原纤丝的数目和极性 当微管组装时 微管蛋白只与微管蛋白二聚体中的 微管蛋白结合 这样 朝外的一端就一定是 微管蛋白 即正极端 鞭毛和纤毛内部的微管起源于其基部的基体 基体在结构上与中心粒基本一致 但C管止于中途 中心体的微管成核作用 图10 22 中心体的结构及微管的成核 图10 23 四 微管的动力学性质 微管的稳定性与其所结合的细胞结构组分以及细胞的生理状态相关 当细胞处于正常的生长状态时 微管的组装和去组装并不是同步进行的 微管所表现的组装和去组装这种动力学不稳定性通常都发生在正极或中心体的远端 当微管的游离端与某些细胞结构结合后整根微管就会变得相对稳定 不同状态的微管其稳定性差异很大 如微管被乙酰化修饰而相对稳定 鞭毛或纤毛内部源于基体的微管 又如与微管结合蛋白结合的微管稳定性增强 生长中的轴突和树突内部的微管呈束状排列 微管束在生长锥部位稍显发散并伸展至片状伪足的中央区 外围区则是微丝 五 微管结合蛋白对微管网络结构的调节 微管结合蛋白 microtubuleassociatedprotein MAP 一类结合在微管表面的蛋白质 始终伴随微管的组装和去组装而存在 对微管的组织结构和功能具有调控作用 包括MAP1 MAP2 MAP3 MAP4和tau蛋白 MAP通常都是单基因编码 具有一个或数个带正电荷的微管结合域 MAP通过其一端带正电荷的微管结合域与带负电荷的微管表面结合 而另一端 常为N端 的结构域突出于微管表面与相邻的微管或其它细胞结构相连 对微管网络的结构和功能进行调控 突出于微管表面的N端结构域的长短决定微管束相邻微管间横桥的距离 MAP2和tau蛋白诱导产生的微管束的结构 图10 24 A 箭头所指为tau蛋白横桥B 示MAP2C 示tau蛋白D 示MAP2诱导微管间距 大 E 示tau蛋白诱导微管间距 小 六 微管对细胞结构的组织作用 包括蛋白质和mRNA在内的各种生物大分子 内质网和高尔基体等细胞器在细胞内通常都有特定的空间分布 而线粒体总是被运往细胞内能量需求较大的部位发挥作用 微管的极性与细胞内的物质运输密切相关 物质沿着微管定向转移为细胞内各种细胞器和生物大分子的不对称分布以及细胞的形态发生与维持都提供了可能 七 细胞内依赖于微管的物质运输 真核细胞内一些生物大分子的合成部位与行使功能的部位往往是不同的 因此 必然存在精细的物质转运系统和分选机制 在微管和一些模性细胞器之间常常会出现一些横桥样结构 许多细胞器或膜状小泡在细胞内沿着微管作定向运动 这种依赖于微管的膜泡运输是个需能的靶向过程 依赖于微管的马达蛋白主要有驱动蛋白和胞质动力蛋白 它们能将储存于ATP中的化学能转化成机械能 沿着微管运输 货物 一 驱动蛋白及其功能 二 细胞质动力蛋白及其功能 在轴突内部的微管和膜性细胞器之间有马达蛋白构成的横桥 箭头所指 相连 图10 25 一 驱动蛋白及其功能 1 驱动蛋白的分子结构与功能驱动蛋白 kinesin 指能利用ATP水解所释放的能量驱动自身及所携带的 货物 如膜性细胞器 沿微管运动的一类马达蛋白 与细胞内物质运输相关 驱动蛋白的分子结构 在结构上与 型肌球蛋白相似 如驱动蛋白 1 由2条具有马达结构域的重链 KHC 和2条与重链的尾部结合的具有 货物 结合结构域的轻链 KLC 组成 驱动蛋白分子是一条长80nm的杆状结构 由头部 即重链的N端 具有2个球状的马达结构域 颈部 重链 杆状区 重链 和扇形尾端 即重链的C端和轻链构成 具有 货物 结合结构域 组成 驱动蛋白分子重链和轻链结构模式图 图10 26 驱动蛋白超家族蛋白 KIFs 成员 已经确定的有14个家族 1 14阿拉伯数字表示 其中的亚族用英文字母表示 和一个暂时未成组的 orphankinesin 大部分驱动蛋白可通过多肽链上一段卷曲螺旋相互作用而形成同源二聚体 有的可形成异三聚体或同源四聚体 驱动蛋白的行为与其马达结构域在多肽链中的位置有关 N 驱动蛋白 KIF1 12家族 马达结构域在N端 向正极端移动 M 驱动蛋白 KIF13家族 马达结构域在中部 结合在微管的正极端或负极端 使得微管处于不稳定状态 动粒微管两端的解聚 C 驱动蛋白 KIF14家族 马达结构域在C端 向负极移动 驱动蛋白的功能 驱动蛋白1 3家族成员主要与大分子复合物和膜性细胞器的运输相关 其它驱动蛋白家族成员主要在于调节微管的动态不稳定性和微管网络的结构 驱动蛋白家族成员的结构与功能 表10 1 细胞内依赖于微管的物质运输系统 图10 27 2 驱动蛋白沿着微管运动的机制驱动蛋白的马达结构域具有2个重要的功能位点 ATP结合位点和微管结合位点 驱动蛋白沿着微管运动的分子模型有2种 步行 handoverhand 模型 驱动蛋白的2个头部交替向前 每水解1个ATP分子 落在后面的那个马达结构域将向前移动2倍的步距 即16nm 而原来领先的那个头部则在下一个循环时再向前移动 尺蠖 inchworm 模型 驱动蛋白2个头部中的一个始终向前 另一个永远在后 每步移动8nm 一个微管蛋白长度8nm 驱动蛋白沿微管的步行模型 图10 28 L 前 马达结构域T 后 马达结构域L T ADP L ATP T ADP前移16nm T L ADP 引发驱动蛋白分子沿着微管持续向前移动的原因有2个 每个驱动蛋白分子的2个马达结构域的化学 机械循环是互相协调的 始终保证有1个马达结构域与微管结合着 即在一个马达结构域还没有与微管结合之前 另一个马达结构域不会脱离微管 从而保证了步行的连续性 即马达分子和所运的 货物 不会脱离微管 驱动蛋白的马达结构域在ATP酶循环的大部分时间里都与微管紧密结合 肌球蛋白不具备沿着微丝持续向前运动的能力 但却能提高其整体移动的速度 因为粗肌丝上大量规则排列的肌球蛋白头部与相同的微丝协同相互作用 二 细胞质动力蛋白及其功能 动力蛋白 dynein 超家族由2个家族组成 细胞质动力蛋白 cytoplasmicdynein 和轴丝动力蛋白 axonemaldynein 鞭毛或纤毛动力蛋白 动力蛋白的重链同样含有马达结构域 ATP结合部位和微管结合部位 通过水解ATP沿着微管运动 动力蛋白是马达蛋白中最大的移动速度最快的成员 胞质动力蛋白 cytoplasmicdynein CyDn 由多条肽链组成的巨型马达蛋白 利用ATP水解释放的能量将 货物 沿微管向负极端转运 CyDn与动力蛋白激活蛋白 dynactin 复合物密切相关 Dynactin调节动力蛋白活性和动力蛋白与其 货物 的结合能力 胞质动力蛋白只有2个重链家族成员 Dync1h1和Dync1h2 Dync1h1主要担负向微管负极端的胞质转运 Dync1h1可通过直接结合或动力蛋白亚基的选择性组装 包括多条中间链 中间轻链和轻链 来与多种 货物 相连 以弥补成员 不足 Dync1h2主要在鞭毛内的反向转运中起作用 胞质动力蛋白的功能 CyDn与高尔基体 胞内体 溶酶体和其它一些膜泡的运输 动粒和有丝分裂纺锤体的定位 及细胞分裂后染色体的分离等事件密切相关 轴丝动力蛋白 轴丝动力蛋白的种类比较多 结构和组成也相当复杂 常分为内侧动力蛋白臂和外侧动力蛋白臂 不同类型的轴丝动力蛋白所含的重链 马达结构域 数量不同 1 3个马达结构域 细胞质动力蛋白结构示意图 图10 29 细胞质动力蛋白 A 和轴丝动力蛋白 B 分子的马达结构域 图10 30 八 纤毛和鞭毛的结构与功能 纤毛 cilia 和鞭毛 flagellae 是外由质膜包围内由微管和动力蛋白等构成的突出于细胞表面的高度特化的细胞结构 纤毛与鞭毛的结构相似 但比鞭毛短 除了作为运动装置外 纤毛还与细胞信号转导 细胞增殖与分化和组织与个体发育等过程密切相关 一 纤毛的结构与组装 二 纤毛或鞭毛的运动机制 三 纤毛的功能 一 纤毛的结构与组装 1 纤毛和鞭毛的结构轴丝 axoneme 指纤毛内部由微管及其附属蛋白组装而成的高度有序的结构 轴丝从位于细胞皮层 膜内侧 的基体发出 直达纤毛顶端 轴丝微管的主要有3种排列模式 9 2型 轴丝的外围是9组二联体微管 中间是2根由中央鞘所包围的中央微管 9 0型 轴丝中央缺乏中央微管 9 4型 极少 轴丝中央有4根单体微管 9 0型纤毛一般是不动纤毛 9 2型纤毛则大多为动纤毛 kinocilia 原生纤毛 缺乏运动能力的9 0型纤毛 是构成各种感受器的基础 如化学感受器和本体感受器 轴丝的结构 外围的9组二联管中A管为完全微管 B管为不完全微管 与A管共用3个亚基 2个中央微管均为完全单体微管 中央鞘和A管之间由放射辐条 radialspoke 相连 相邻的二联体之间通过连接蛋白 nexin 相连 有2个动力蛋白臂 dyeninarm 从二联体的A管伸出 分别位于轴丝的内侧和外侧 它们沿着相邻二联体的B管滑动 使纤毛或鞭毛产生局部弯曲 基体的结构 基体 basalbody 在结构上与中心粒类似 为9 0型排列 即基体外围含有9组三联体微管 A B和C管中只有A管为完全微管 没有中央微管 轴丝中的9组二联体微管是由基体中的A管和B管向外延伸而成的 轴丝微管的正极端都指向纤毛或鞭毛的顶端 基体及轴丝的结构 图10 31 A 四膜虫纤毛的横切面照片B 轴丝 1 和基体 2 的结构示意图 纤毛的组装 发生 纤毛是来自于细胞膜内侧的基体的极性细胞结构 基体的结构类似于中心粒 原生纤毛的形成和细胞周期是紧密相关的 即纤毛在G1或G0期开始形成 M期则解体 原生纤毛的形成分为4个阶段 见图10 32 纤毛或鞭毛的延伸和维持依赖于鞭毛内运输 IFT 鞭毛内运输 IFT IFT是位于二联体微管和纤毛膜之间的双向运输系统 IFT颗粒包含2部分 分别为复合物A 包含6种纤毛组分 和复合物B 包含10种纤毛组分 它们都是纤毛和鞭毛组装必需的 IFT颗粒由驱动蛋白2将纤毛组装所需的轴丝前体组分 复合物B 从基部运送到顶部进行组装 再由动力蛋白将回收物 复合物A和复合物B上的一些已经完成使命的蛋白质 带回胞体 原生纤毛的形成过程 图10 32 膜泡运输和鞭毛内运输 图10 33 二 纤毛或鞭毛的运动机制 纤毛或鞭毛的弯曲运动 纤毛或鞭毛的运动本质是由轴丝动力蛋白所介导的相邻二联体微管之间的相互滑动 其原因是从一个二联体微管的A管伸出的动力蛋白的马达结构域在相邻二联体的B管上 行走 导致二联体之间会产生滑动 然而 在完整的纤毛或鞭毛内部分布的许多辅助蛋白 将微管横向连成整体 相邻二联体微管之间的滑动受到 整体性 的阻碍 于是纤毛动力蛋白的行走所产生的动力便转化成纤毛的局部弯曲运动 纤毛或鞭毛的弯曲首先发生在其基部 因为这里的动力蛋白首先被活化 随着轴丝上的动力蛋白依次被特异性地活化或者失活 这种弯曲有规律地沿着轴丝向顶部传播 内侧和外侧动力蛋白臂的作用 在纤毛或鞭毛的拍打过程中 内侧的动力蛋白臂主要与弯曲相关 决定弯曲波形的大小和形态 外侧的动力蛋白臂则增加拍力和拍频 动力蛋白的活化受中央微管和放射辐条的调控 纤毛或鞭毛的运动过程中相邻二联体微管的滑动模型 图10 34 三 纤毛的功能 原生动物纤毛的功能 原生动物定向运动 以便觅食或应答环境变化 动物细胞纤毛的功能 推动组织表面的液体定向流动 从而传输某些信号分子 影响靶细胞的定向分化与发育 作为理化感受器 接收和传递外界物理 液体的流动 或化学 视觉和嗅觉 信号刺激 参与一系列细胞或机体内信号调控过程 Hh和Wnt信号通路 影响细胞的生理状态或组织器官的发育 九 纺锤体与染色体运动 纺锤体微管 纺锤体微管包括动粒微管 极微管和星体微管 动粒微管连接染色体动粒与位于两极的中心体 极微管从两极发出 在纺锤体中部赤道区相互交错重叠 星体微管从中心体向周围呈辐射状分布 动粒 kinetochore 位于着丝粒外表面 由蛋白质形成的结构 是纺锤体微管的附着位点 有丝分裂过程中染色体的运动有赖于纺锤体微管的组装和去组装 动粒与动粒微管之间的滑动主要是靠结合在动粒部位的驱动蛋白13 作用于动粒微管的正极端并使其解聚 和细胞质动力蛋白 向动粒微管的负极端运动 沿微管的运动来完成 分布在极微管重叠区的驱动蛋白5为双极四聚体马达蛋白 当其各用2个马达结构域沿着极性相反的2条极微管向正极运动时 纺锤体两极间的距离便延长 马达蛋白介导的纺锤体的行为 图10 35 A 有丝分裂中期B 中期纺锤体结构C 动粒结微管与染色体之间的连接D 极微管之间的驱动蛋白相互作用 第三节中间丝 中间丝又称中间纤维 IF 是相对稳定的直径为10nm的绳索状结构 因其粗细介于肌细胞的粗肌丝和细肌丝之间而得此名 细胞质中间丝通常是围绕细胞核开始组装 并伸展到细胞边缘与细胞质膜上的细胞连接相连 通过细胞连接 中间丝将相邻的细胞连成一体 核膜内侧的特殊中间丝即核纤层以正交网络形式分布 通过位于内层核膜上的laminB受体与核膜相连 中间丝并不是所有真核细胞都必需的结构组分 一 中间丝的主要类型和组成成分二 中间丝的组装与表达三 中间丝与其他细胞结构的联系 HeLa细胞中间丝 图10 36 一 中间丝的主要类型和组成成分 中间丝 intermediatefilament IF 直径约10nm的致密绳索状的细胞骨架纤维 中间丝为细胞和组织提供了机械稳定性 中间丝蛋白的主要类型 中间丝是由中间丝蛋白组装而成的直径约为10nm的绳索状结构 主要类型有 见表10 2 中间丝蛋白的种类具有组织特异性 中间丝蛋白被认为是区分细胞类型的身份证 中间丝蛋白的二级结构特征 不同种类的中间丝蛋白有非常相似的二级结构 中间丝蛋白的类型和组织分布 表10 2 中间丝蛋白分子结构 中间丝蛋白的中部是由大约310个氨基酸组成的杆状区 两侧是高度多变的N端头部和C端尾部 由 螺旋组成的疏水性杆状区 48nm 是中间丝蛋白最保守的区域 该区域被一段 折叠片层结构 L12 分隔成螺旋1和螺旋2 各约22nm 螺旋1和螺旋2又分别被两段 折叠片层结构 L1和L2 分隔成A和B两个亚区 两个中间丝蛋白分子平行排列形成双股螺旋的二聚体 末端结构域参与中间丝的组装 中间丝的核心部分主要由中间丝蛋白的杆状区构成 中间丝蛋白的头部和尾部结构域参与中间丝的组装 较长的尾部结构域大多突出于中间丝的核心之外 中间丝22nm或48nm的纵向周期与末端区域形成的突出有关 由中间丝核心伸出的末端区可能和中间丝与细胞结构的相互作用及功能有关 不同类型的中间丝的末端结构域序列变化较大 长度相差甚远 通常折叠成球状结构 中间丝蛋白分子结构模式图 图10 37 二 中间丝的组装与表达 中间丝蛋白可自我组装成10nm的中间丝结构 中间丝蛋白单体 同型 异型 二聚体 由2个单体的杆状区以平行排列的方式形成双股螺旋 四聚体 由2个二聚体以反平行和半