细胞生物学-第八章 细胞骨架

第八章 细胞骨架,Chapter 8 Cytoskeleton,Contents,细胞骨架的基本概念细胞骨架的类型,Definition of cytoskeleton,是真核细胞(eukaryotic cells)中的纤维状蛋白网络结构；包括三种不同类型的纤维：微管(microtubules)、微丝(microfilaments)和中间纤维(intermediate filaments)；是细胞内的动态结构；与细胞形态的维持、细胞内细胞器的空间定位、细胞内物质运输和细胞运动等有关。,狭义：细胞质骨架。广义：细胞质骨架、细胞核骨架、细胞膜骨架、细胞外基质。,细胞骨架的分布微管主要分布在核周围,并呈放射状向胞质四周扩散。肌动蛋白纤维主要分布在细胞质膜的内侧。中间纤维则分布在整个细胞中。,细胞骨架的基本概念细胞骨架的类型,three types of protein filaments that form the cytoskeleton,细胞骨架的类型,微管(microtubles) 微丝(microfilaments)中等纤维(intermediate filaments ) 三者比较微管组成的细胞器复习题,一、微 管（Microtubules）,微管的概念微管的形态结构和化学组成微管的类型微管的组装和极性微管的功能,微管（microtuble）:是由微管蛋白和微管结合蛋白组成的中空圆柱状结构，存在于细胞质，也是鞭毛、纤毛等运动器及其中心粒的组成部分，,对于维持细胞的形态结构，参与细胞运动、细胞内物质运输，信号传导，细胞分裂等有重要作用。,A fluorescently stained image of cultured epithelial cells showing the nucleus (yellow) and microtubules (red),电镜下的微管,微管的形态结构:,中空圆筒状，外径25nm，内径15nm。微管壁由13条原纤维(protofilaments) 构成。原纤维由tubulin , tubulin 二聚体首尾相接形成。,微管的化学组成(Composition of MT):,微管蛋白微管结合蛋白与微管结合的其它分子,微管蛋白:由tubulin , tubulin 两种类型的微管蛋白亚基组成。、微管蛋白亚基均为球形酸性蛋白。、微管蛋白在细胞质中的二聚体(heterodimer)形式存在，单体则很快被降解。,微管蛋白:微管蛋白二聚体有两个GTP结合位点。-微管蛋白结合一个GTP，不发生水解 -微管蛋白结合一个GTP, 发生水解，影响微管的组装,2、微管结合蛋白 (microtuble-associated protein, MAP)：,一类附着在微管蛋白多聚体上，参与微管的组装增加微管稳定性的蛋白质。种类 ：微管相关蛋白(MAP)，微管聚合蛋白(Tau)。功能：促进微管组装;增加微管稳定性;促进微管聚集成束。,微管蛋白上有GTP或GDP 、Mg2+和Ca2+、秋水仙素和长春碱等的结合位点。微管蛋白与GTP结合而被激活，引起构象改变，从而聚合成微管。,与微管结合的其它分子,微管的类型,单管（13）：细胞质中的主要存在形式，不稳定。二联管（A、B 23）：主要分布于纤毛和鞭毛，稳定。三联管（A、B、C 33）： 主要分布于中心粒和鞭毛、纤毛的基体中，稳定。,微管的组装和极性,一定的微管蛋白浓度。有GTP提供能量。pH环境:微酸性环境（PH=6.9）。 温度：37，若4则解聚。化学物质：Mg2+ 、 Ca2+浓度、秋水仙素和秋水仙胺、长春花碱和长春新碱、紫杉醇。压力。,Q-LINK,体外组装,影响因素,微管的组装和极性,微管蛋白,微管蛋白,异二聚体,原纤维,微管,（13）,微管的组装过程分为成核和延长两个反应，成核是微管组装的限速步骤。成核期：微管蛋白首先在聚合成短的二聚体，二聚体纵向聚合形成一个短的原纤维，接着原纤维在其侧面聚集增加并扩展成片状带，当片状带加宽至13根原纤维时，即合拢成微管。延长期：该期细胞内游离微管蛋白的浓度较高，因而使微管延长直至细胞中游离微管蛋白浓度下降。,+,-,微管的组装和极性,微管具有极性： 增长速度快的一端为+ 极；生长缓慢的一端为- 极。正极的最外端是微管蛋白；负极的最外端是 微管蛋白。,踏车模型：微管的两端都可以加上或释放二聚体。微管正极的装配速度快于负极的装配速度，结合上的二聚体不断向负极移动。,影响微管组装的药物秋水仙素可抑制微管的聚合，从而影响微管的形成。紫杉酚则可促进微管的组装并稳定已组装的微管。,维持细胞的形态eg：体外培养神经元细胞：其轴突的伸长依赖微管，若用秋水仙素低温等方法处理细胞，则可见微管解聚，细胞变圆。eg：哺乳动物红细胞的凹圆盘状也是靠质膜周边许多环状微管束来维持的。,维持细胞器的空间定位,参与细胞内物质运输：微管在细胞内起到运输大分子颗粒的作用，小泡和蛋白颗粒的长距离运输常常是沿微管完成。,变色龙,构成纺锤体：染色体的动粒捕获纺锤体极伸出的微管，通过动粒一端的聚合延伸而推动染色体向纺锤体中部移动。,形成细胞特化结构：纤毛和鞭毛都是微管形成的细胞特化结构，通常将少而长的称鞭毛（flagellae），短而多的称纤毛（cilia）。,原 纤 维（protofilament),- 微管亚单位纵向单列重复排列形成,-所有二聚体的方向相同，因而微管表现极性,-微管蛋白朝向正极,微丝 (Microfilament),微丝的概念微丝的结构和化学组成微丝的组装微丝的功能,微丝（Microfilament，MF），又称肌动蛋白纤维（Actin filament），是指真核细胞中由肌动蛋白（ actin ）组成，呈双股螺旋状，直径为7nm的骨架纤维，主要分布在细胞质膜内侧。,微丝的结构和化学组成：,微丝的结构：两条肌动蛋白单链盘绕而成的双螺旋结构，直径约7nm，螺距为37nm。 微丝的化学组成：肌动蛋白（actin）:是微丝的基本单位。微丝结合蛋白(MF associated protein)。,肌动蛋白：,肌动蛋白在细胞中的存在方式：球状肌动蛋白（肌动蛋白单体，G-actin ），它有聚合成长纤维的能力。纤维状肌动蛋白（肌动蛋白聚合体，F-actin）。 G-actin与F-actin之间可以相互转换。,G-actin F- actin,肌动蛋白单体外观呈哑铃状。G-actin有三个结合位点: 一个ATP结合位点 两个肌动蛋白结合蛋白的结合位点。,肌动蛋白分子具有极性，有氨基和羧基的暴露一端为正端（plus end），另一端则为负端（minus end）。装配时呈头尾相连，故微丝也有极性。,微丝结合蛋白,微丝结合蛋白将肌动蛋白纤维组装形成不同的结构。微丝结合蛋白种类：单体隔离蛋白、加帽蛋白、交联蛋白、纤维割断蛋白、膜结合蛋白等。,微丝的组装的影响因素,肌动蛋白浓度ATP, Mg2+, Na+,K+微丝结合蛋白特异性药物：细胞松弛素B,装配过程:成核(nucleation)、延伸(elongation) 、稳定状态(steady state)。,微丝的组装的过程,成核期（Nucleation phase),肌动蛋白首先聚合形成寡聚体，形成装配核心，然后新的肌动蛋白在迅速加上去。二聚体（不稳定） 三聚体（核心形成）。,延伸期(elongation phase),一个球形肌动蛋白分子可结合1分子ATP，成为ATPactin，ATPactin对纤维状肌动蛋白的亲合性高。ATP肌动蛋白水解为ADPactin ，ADPactin对纤维状肌动蛋白末端亲合性低，容易脱落而使纤维变短。,延伸期(elongation phase),ATP-actin浓度高时，微丝两端都加 ATP-actin，正极-聚合快，负极-聚合慢。正极ATP-actin聚合的速度大于水解成ADP-actin的速度，形成ATP帽；负极-聚合慢，不形成ATP帽。微丝延长。,动态平衡（ steady state ）,ATP-actin浓度下降到一定的临界值，微丝正极和负极聚合速度都下降，但总体而言，正极聚合速度快于负极。表现为正极组装延长，负极解聚缩短，此时正极聚合速度等于负极解聚速度，微丝长度不变，这也称为踏车现象。,去组装微丝缩短,正极聚合速度小于水解速度，此时ATP-actin帽子不存在了，ADP-actin在正端暴露，正极也快速解聚，微丝缩短。,细胞松弛素B（ Cytochalasins B）：破坏微丝，结合在微丝末端阻抑肌动蛋白聚合。鬼笔环肽（Phalloidin）：抑制解聚，与微丝有强亲合力，使肌动蛋白纤维稳定。,影响微丝装配的药物,构成细胞的支架：细胞膜下由微丝和各种微丝结合蛋白组成的网状结构，为细胞膜提供强度和韧度，维持细胞的形态。,带状桥粒，微绒毛。,参与细胞运动（Cell migration ）：如胞质环流（cyclosis）、阿米巴运动，(amoiboidmotion）、变皱运动（ruffled membrane locomotion）等都与微丝有关。,当阿米巴附着在固体的表面移动时，在前进方向的一端伸出一个或数个大小不等的伪足，部分胞质先移进伪足，后面的原生质随之收缩前进。,见于体外培养的成纤维细胞，通过细胞表面变皱，形成若干波动式的褶皱和突起不断交替地与玻璃表面相接触。,细胞运动过程中力产生的机制通过微丝的装配，将质膜向前推进 通过肌球蛋白和肌动蛋白相互作用,意义：胞质环流实现代谢物在细胞内的扩散。,为什么?,驱动胞质流动的动力来自微丝。,胞质流动的速度从细胞中央到细胞壁逐步增大。,参与细胞分裂 ：细胞有丝分裂末期，细胞膜中部产生收缩环（缢缩环）（contractile ring），其由大量平行排列的微丝组成（极性不同），收缩动力来自肌动蛋白和肌球蛋白的相对滑动。,参与肌肉收缩骨骼肌细胞的收缩单位是肌原纤维。肌原纤维由粗肌丝(thick myofilament)和细肌丝(thin myofilament)组成。粗肌丝的成分是肌球蛋白(myosin)，细肌丝的主要成分是肌动蛋白(G-actin)、原肌球蛋白(tropomyosin, Tm)、肌钙蛋白(troponin, Tn)。肌肉收缩由肌动蛋白丝与肌球蛋白丝的相对滑动所致。,接合(attachment):肌球蛋白头部与肌动蛋白丝紧密结合并且ATP很快与肌球蛋白结合。释放(release):ATP结合于肌球蛋白头部，从而诱导肌动蛋白结合位点上的肌球蛋白发生构象变化，使肌球蛋白头部对细肌丝的亲和力下降。,直立（cocked）:肌球蛋白头部的ATP结合位点关闭，启动明显的构象变化，ATP位移并水解，水解后的ADP和Pi仍结合在肌球蛋白上。力产生（force generation）:肌球蛋白头部微弱结合到细肌丝的一个新的结合位点上，相继释放无机Pi、 ADP ，肌球蛋白构象变化，又恢复原来的构象，结果肌球蛋白与肌动蛋白紧密结合，并产生机械力，拉动细肌丝相对于肌球蛋白的滑动。,参与细胞内物质运输,参与受精作用,三、中等纤维,中等纤维的概念中等纤维的分类中等纤维的基本结构中等纤维的组装中等纤维的功能,中间纤维是一种直径10nm的纤维状蛋白，直径介与微管与微丝之间，故得名中等纤维。,中间纤维在胞质中形成一网状支架，赋予细胞强大的机械强度，维持细胞的形态坚固和功能，对细胞的生命活动有重要意义。,中等纤维分类,是最复杂的一种细胞骨架纤维，约由至少50种纤维状蛋白组成。分为六大类，编码为。未归类蛋白。,L1连接区,L12连接区,L2连接区,8-14 8 16-17,头部（N-端）,尾部（C-端）,杆状 区,中等纤维的基本结构,-螺旋杆状区:,约310个氨基酸残基，序列保守。,高度可变，决定中等纤维大小和性质。,中等纤维的组装,各型IF的蛋白分子，先以平行且相互对齐的方式形成双股超螺旋二聚体(coiled-coil dimer)二聚体再以反向平行的方式组装成四聚体(tetromer)，决定了中等纤维无极性。四聚体是中等纤维的基本结构单位，首尾相接形成原丝。两根原丝相互缠绕，以半分子长度交错的原则形成原纤维(protofibril)，即八聚体，成为亚丝。四根亚丝相互缠围拢，形成中等纤维。 因此在中等纤维的横断面可见32个蛋白单体。,原丝,原丝,monomer,tetromer(protofilament),protofibril,中间纤维横断面,中间纤维结合蛋白(IF-associated protein，IFAP)：IFAP不属于中间纤维的组分，但在结构与功能上与中间纤维有密切关系，能够将中间纤维相互交联成网络状。,中等纤维的稳定性IF的化学组成非常稳定，可以抵抗极端温度、高盐和去垢剂的溶解作用。IF蛋白亚单位的磷酸化会对多聚体的组装和动态变化产生很大的影响。,维持细胞器的空间定位增强细胞的机械强度,参与桥粒与半桥粒的形成。中间纤维结构破坏，细胞连接破裂。,与细胞分化有关。与遗传信息的传递有关。,医学的应用中等纤维的分布具有组织特异性，且比较稳定。当组织发生恶性增生时，中等纤维并不发生改变。因此，可将其作为肿瘤细胞诊断和鉴别的工具。肌肉瘤: 结蛋白。非肌肉瘤：波形纤维蛋白。神经胶质瘤：神经胶质纤维酸性蛋白。,胞质骨架三种组分的比较,中心粒,中心体：是动物细胞中决定微管形成的一种细胞器，包括中心粒和中心球；在细胞分裂间期，位于细胞核的附近，在分裂期，位于细胞的两极。,微管组织中心（microtubule organizing center, MTOC）微管聚合从特异性的核心形成位点开始，主要是中心体、鞭毛和纤毛的基体等，提供了细胞内微管组装的核心，称为微管组织中心。MTOC处微管蛋白以环状的球蛋白复合体为模板核化，负端附着于MTOC上开始生长，延长或缩短发生在正端。,中心粒是中空的短圆柱状结构，成对存在且相互垂直排列。由九组三联管环列而成，倾斜排列。中心粒周围充满电子密度高的基质，含有 微管蛋白。,中心粒的形态结构,组装微管，形成鞭毛和纤毛，参与