细胞生物学第八章细胞骨架与细胞运动

1 CHAPTER8 cellcytoskeletonandcellmotility 细胞骨架与细胞运动 细胞骨架 细胞除了含有各种细胞器外 在细胞质中还有一个三维的网络结构系统 细胞骨架 真核细胞中的细胞骨架 红色 肌动蛋白纤维 绿色 微管 蓝色 细胞核 洋葱内表皮细胞的细胞骨架 1963年 发现微管 当前细胞生物学研究中最活跃的领域之一 并且这种研究正方兴未艾 分子水平 蛋白纯化 基因表达 功能区域化 内膜系统位置区域化 细胞骨架 维持细胞的形态结构及内部结构的有序性 以及在细胞运动 物质运输 能量转换 信息传递和细胞分化等方面起重要作用 广义上 细胞骨架各级成分可概括如下 细胞质骨架 微丝 微管 纤维蛋白 细胞外基质 多糖 细胞核骨架 核纤层 核孔复合体体系 染色体骨架 细胞骨架 细胞膜骨架 原肌球蛋白 锚蛋白 血影蛋白 肌动蛋白 狭义上 中间纤维 细胞骨架 cytoskeleton 的组成和功能 组成和分布是细胞内以蛋白质纤维为主要成分的网络结构 主要由三类蛋白纤丝 filamemt 构成 即微管 微丝 肌动蛋白纤维 和中间纤维 微管 主要分布在核周围 并呈放射状向胞质四周扩散 微丝 主要分布在细胞质膜的内侧和细胞核膜的内侧 中间纤维 分布在整个细胞中 细胞骨架的组成 分布及功能 绕细胞核放射状 功能 确定膜性细胞器的位置 帮助染色体分离和作为膜泡运输的导轨 遍布 功能 增强细胞弹性 使细胞具有张力和抗剪切力 膜下垫圈 功能 确定细胞表面特征 使细胞能够运动和收缩 微丝 microfilament MF 微管 microtubule MT 中间纤维 intermediatefilament 细胞骨架的功能 作为支架 scaffold 没有骨架就没有立体的细胞 在细胞内形成一个框架 framework 结构 为细胞内的物质和细胞器的运输运动提供机械支持 为细胞的位置移动提供力 为mRNA提供锚定位点 促进mRNA翻译成多肽 是细胞分裂的机器 参与信号转导 第一节微管 一 微管的结构和类型 形态 中空管状结构 外径约为25nm 内径约为15nm 壁厚约为5nm 微管的长度变化不定 微管的结构 由微管蛋白异源二聚体为基本构件 螺旋盘绕形成微管的壁 二聚体头尾相接 形成细长的原纤维 protofilament 13条原纤维纵向排列组成微管的壁 为纵行微管的电镜图象 模式图解 微管横切面的电镜图 微管蛋白 tubulin 微管蛋白类型 和 微管蛋白形成长度为8nm的异二聚体 每一个微管蛋白二聚体有两个GTP结合位点 亚基GTP结合位点 亚基GTP结合点 可交换位点 exchangeablesite 可被水解 微管蛋白 微管组装的起点 微管蛋白 微管的类型 根据组成 根据稳定性 短寿的不稳定微管 如纺锤体 长寿的稳定微管 少数 如鞭毛 三种形式的微管 二 微管的组装 Microtubuleorganizingcenters MTOC 中心体 Centrosome 核旁 纺锤体组织中心 L型 基体 basalbody 纤毛和鞭毛的微管组织中心 都有中心粒 Centriole 21 微管的极性 首 尾排列方向性 极性 两端分别称为 端 plusend 和 端 minusend 16 微管蛋白先形成一个圆环 左 或形成钩环结构 右 可指导微管蛋白二聚体结合上去并进行微管的组装 17 微管蛋白的作用 起头 成核位点 中心体与基体中的中心粒 微管如何长出来的 微管从MTOC开始生长 组装受统一功能位点控制 植物细胞既无中心体 又无中心粒植物细胞的MTOC是细胞核外被表面的成膜体 微管组装过程 原纤维装配 MicrotubuleNucleation 片状结构的形成 微管的形成 GTP帽 GTPCap 起头 二聚体 原纤维 片层 13根原纤维合拢形成一段微管 延长 微管的装配 形成原纤维 侧向结合成片 影响微管装配的因素 造成微管不稳定性的因素很多 包括GTP 压力 温度 最适温度37 pH 最适pH 6 9 微管蛋白临界浓度 criticalconcentration 影响微管稳定性的药物 秋水仙素 colchicine 抑制微管组装 结合在微管蛋白异二聚体上 使微管不能继续添加微管蛋白 秋水酰胺 colcemid 鬼臼素 podophyllotoxin 长春花碱 vinblastine 美登本氯丙榛1 苯胺基 8 磺酸萘 紫杉醇 taxol 稳定微管 促进微管装配 稳定已形成微管 诺考达唑 Nocodazole 重水 25 影响微管稳定的因素 秋水仙素 微管装配的动力学现象 踏车现象 treadmilling 又称轮回现象 是微管组装后处于动态稳定的一种现象 动态不稳定性 dynamicinstability 微管随反应体系中游离 二聚体的浓度变化而发生的生长状态和缩短状态的转变 踏车行为 长度不变 蛋白总是在换 动态不稳定性 一会长 一会短 微管结合蛋白 体外容易组装 但是没功能 因为没有 microtubule associatedproteinMAP MAP 是与微管结合的辅助蛋白 与微管共存 参与微管的装配 微管结合蛋白的电镜图象及模式图解 微管结合蛋白至少具有1个结合区和1个突出区 突出区的长度可界定微管在成束时彼此间的间距大小 MAP 2的过表达使微管成束时保持较宽的间距 而Tau的过表达则使微管在成束时彼此间非常紧密 微管结合区 促进装配区 MAPs的功能 使微管相互交联形成束状结构 促进微管的聚合 沿微管转运囊泡和颗粒物质 提高微管的稳定性 MAPs同微管的结合能够控制微管的长度 防止微管的解聚 微管的功能 支架作用 细胞内物质运输的轨道 触突运输 axonaltransport 鱼的色素细胞 fishpigmentcells 33 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 34 Dynein发现于1963年 因与鞭毛和纤毛的运动有关而得名 由两条相同的重链和一些种类繁多的轻链以及结合蛋白构成 10万 作用 1 在细胞分裂中推动染色体的分离 2 驱动鞭毛的运动 3 向着微管 极运输小泡 作为驱动蛋白与动力蛋白运输轨道 轴突中微管发动机运输的两种方式 作为色素颗粒运输轨道 微管介导的物质运输 鞭毛与纤毛 组成纤毛和鞭毛的轴丝 axoneme 轴丝的微管结构 9 2 外围 质膜包裹 外周 9组双联管 A管与B管 中央 中央鞘包裹一对微管 双联管的结构特点 A管 完全微管 内外动力臂 放射辐条 B管 不完全微管 轴丝微管组成与排列特点 9组三联管 基体 basalbody 9组双联管 近基体 9 2 轴丝 单管 纤毛顶部 二联管结构 纤毛动力蛋白 ciliarydynein 多头的动力蛋白 基部同A管相连 头部同相邻的B管相连 头部具有ATP结合位点 水解ATP 鞭毛与纤毛如何运动 纤毛动力蛋白 纤毛和鞭毛的运动机制微管滑动模型 sliding microtubulemodel 而非微管收缩的结果 有一种男性不育症是由于精子没有活力造成的 这种病人同时还患有慢性支气管炎 主要是因为是鞭毛和纤毛没有动力蛋白臂 不能排出侵入肺部的粒子 形成纺锤体在细胞分裂中牵引染色体到达分裂极 第二节微丝 microfilament MF 又称肌动蛋白纤维actinfilament 是由一条线性排列的肌动蛋白链形成的螺旋 形状如双线捻成的绳子 直径约8nm 结构比微管简单 一种成分 肌肉细胞中特化为收缩单位 细胞中成束的肌动蛋白纤维 a 微绒毛 b 细胞质中的收缩束 c 运动细胞前缘的鞘和指 d 细胞分裂时的收缩环 形态结构和装配 微丝的结构单位 肌动蛋白 两种存在方式 单体和多聚体 F actin 呈双股螺旋状 直径为8nm G actin 三个结合位点 很少单独存在 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 actin 375个氨基酸残基 43kD 6种4种 actin 骨骼肌 心肌 平滑肌 actin actin存在于所有细胞中 单体G 肌动蛋白和纤维状F 肌动蛋白的结构 两个小叶构成 两扇门 中间有豁口 cleft ATPase的活性部位 能够结合ATP和Mg2 离子 肌动蛋白纤维的装配 装配过程 成核 nucleation 延伸 elongation 稳定状态 steadystate 与微管很相似 差异 ATP GTP MicrofilamentAssembly 影响装配的因素 G 肌动蛋白临界浓度 Cc 离子的影响 在含有ATP和Ca2 以及很低的Na K 等阳离子的溶液中 微丝趋向于解聚成G 肌动蛋白 在Mg2 和高浓度K 或Na 的诱导下 G 肌动蛋白则装配成纤维状肌动蛋白 微丝的动态性质 与微管相似 极性 踏车现象 treadmilling 微丝的动态平衡 作用于微丝的药物 细胞松弛素B cytochalasinsB 可以切断微丝 阻抑肌动蛋白聚合 使培养细胞变圆 鬼笔环肽 phalloidin 抑制微丝的解体 由于只特异与纤维性肌动蛋白结合的特性 荧光标记的鬼笔环肽可清晰地显示细胞中的微丝 微丝结合蛋白的类型 单体隔离蛋白 monomer sequesteringprotein 加帽蛋白 cappingprotein 交联蛋白 cross linkingprotein 纤维割断蛋白 filament severingprotein 膜结合蛋白 membrane bindingprotein Actin bindingproteins 微丝结合蛋白的作用方式 59 微丝的功能 1 肌肉收缩肌肉由肌原纤维组成 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 肌肉收缩的基本单位是肌小节 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 60 61 Sarcomere 微丝发动机蛋白 肌球蛋白 myosin 肌球蛋白的结构由一个重链和几个轻链组成 并组成三个结构域 头部含有与肌动蛋白 ATP结合的位点 负责产生力 颈部颈部通过同钙调素或类似钙调素的调节轻链亚基的结合来调节头部的活性 尾部含有决定尾部是否同膜结合还是同其它的尾部结合的位点 MF也是发动机蛋白的轨道 Structureofamyosinmolecular 发动机蛋白一定是ATP水解酶 64 原肌球蛋白 tropomyosin Tm 每个Tm的长度相当于7个肌动蛋白 呈长杆状 组成两条平行纤维 位于肌动蛋白双螺旋的沟中 主要作用是加强和稳定肌动蛋白丝 抑制肌动蛋白与肌球蛋白结合 肌钙蛋白 troponin Tn 含三个亚基 肌钙蛋白C特异地与钙结合 肌钙蛋白T与原肌球蛋白有高度亲和力 肌钙蛋白I抑制肌球蛋白的ATP酶活性 主要作用是调节肌肉收缩 65 Tropomyosin actinandtroponin 66 肌肉的收缩 肌球蛋白结合ATP 引起头部与肌动蛋白纤维分离 ATP水解 引起头部与肌动蛋白弱结合 67 Myosinmovement continued 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 ADP释放ATP结合上去 头部与肌动蛋白纤维分离 如此循环 Musclecontraction SlidingFilamentModel 70 2 胞质分裂3 将细胞锚定在胞外基质 4 细胞变形运动 溶胶 凝胶和 凝胶 溶胶 的相互转变是肌动蛋白纤维单体和聚合体的相互转变单体是可溶的 而纤维是较硬的 流动性自然差 72 5 形成应力纤维和微绒毛结构类似肌原纤维 使细胞具有抗剪切力 6 其他功能物质运输 胞质环流 信号转导等 培养的上皮细胞中的应力纤维 微丝红色 微管绿色 第三节中间纤维 真核细胞中第三种细胞骨架成分 这种纤维的平均直径介于微管和微丝之间 故称为中间纤维 它的直径为10nm 故又称10nm纤维 由长的 似杆状的蛋白装配而成 几十种成分装配成 不是motorproteins轨道 没有找到特异抑制药物知识少 中间丝蛋白单体功能区的组成图解 同源区 末端区 可变区 中间丝蛋白的大小主要取决于尾部的变化 核纤层蛋白 角蛋白 波形纤维蛋白 神经丝蛋白 中间纤维的类型高螺旋化蛋白的超家族 superfamily 根据氨基酸序列的相似性 可分为六种类型脊椎动物细胞中中间纤维蛋白的主要类型 中间纤维的组装 IF亚基单体 两单体组成二聚体 两个二聚体组成四聚体 两个四聚体组成八聚体 中间纤维结合蛋白 IFAPs 能够将中间纤维相互交联成束IFAPs也称张力丝IFAPs的一个可能作用是将中间纤维同微丝 微管交联起来形成大的细胞骨架