第九章 细胞骨架-

27.04.2020,.,第九章细胞骨架,中国药科大学药理教研室胡梅,27.04.2020,.,细胞骨架,细胞骨架（cytoskeleton)是真核细胞中的蛋白纤维网架体系,27.04.2020,.,细胞骨架的主要功能：结构与支持作用胞内运输作用收缩与运动空间组织,27.04.2020,.,狭义的细胞骨架,微丝细胞质骨架微管中间丝,27.04.2020,.,形成细胞骨架的三种蛋白丝,27.04.2020,.,广义的细胞骨架,细胞核骨架细胞质骨架细胞膜骨架细胞外基质,27.04.2020,.,微管（microtubule,MT）,中空长管状细胞器结构外径为24nm内径15nm管壁由13根原纤丝合拢后构成,27.04.2020,.,微管蛋白是异二聚体：-微管蛋白（tubulin)-微管蛋白以脊椎动物的脑组织最多，占脑总可溶蛋白的10%20%哺乳类动物6种形式的-和-微管蛋白,27.04.2020,.,-微管蛋白-GTP不可交换位点（N位点）-微管蛋白组装微管GTPGDPGDP基质GTP可交换位点（E位点）,27.04.2020,.,Arrangementofprotofilamentsinsinglet,doublet,andtripletmicrotubules,TypicalCiliaandFlagellaCentriolesandBasalbodies,27.04.2020,.,微管的分布：,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。,27.04.2020,.,微管的装配,1.装配过程：-微管蛋白+-微管蛋白8nm的二聚体原纤维侧面扩展13根原纤维微管延长微管蛋白和微管达到平衡,27.04.2020,.,2.踏车现象,在一定条件下，微管一端发生装配使微管延长，而另一端发生去装配而使微管缩短，实际上是微管正极的装配速度快于微管负极的装配速度，大约快3倍，称踏车现象（treadmilling)。当一端组装的速度和另一端解聚的速度相同时，微管的长度保持稳定。-微管蛋白的负极组装较慢，-微管蛋白的正极组装较快。,27.04.2020,.,体外微管装配条件,微管蛋白浓度：低于临界浓度，不发生微管聚合；最适pH：6.9；离子：弃Ca+，需Mg+；温度：37装配，0解聚；GTP的供应。,27.04.2020,.,微管的动力学不稳定性不停地解聚和重聚合,27.04.2020,.,微管在体外的组装过程分为成核和延伸。微管聚合的过程有聚合启动潜伏期，随后微管聚合很快，直达到聚合的顶峰水平。潜伏期的出现是由于微管蛋白亚基较容易聚合增加到已形成的微管上，微管的延长相对容易，而开始组装一个新的微管需要微管成核过程，必须要有成核中心的启动，相对较难。聚合速度与游离微管蛋白的浓度成正比，聚合速度随时间的推移而下降。,27.04.2020,.,微管的动力学不稳定性（2）,细胞内微管的聚合在成核中心位点（微管组织中心，MTOC）启动，动物细胞的MTOC为中心体。MTOC决定了细胞微管的极性，微管的正端背向MTOC，负端指向MTOC；,中心粒电镜照片,27.04.2020,.,微管蛋白在中心体上的聚合,27.04.2020,.,微管的增长与缩短红色箭头：新的微管不断生成兰色箭头：旧的微管不断缩短,27.04.2020,.,微管的动力学不稳定性（3）,每条微管以恒定的速度从中心向外周生长一定时间后，突然快速回缩到中心体。它们可以缩回一部分再继续开始生长，或完全消失被另外的微管取代。微管长度的波动发生在数微米段落的微管上，并涉及数万个微管蛋白参与的聚合与解聚过程。在试管中的纯微管蛋白，也存在聚合与解聚交替出现的现象，微管的这一行为称为动力学不稳定性（dynamicinstability)。每条微管的动力学不稳定性与GTP水解有关。GTP水解可为微管蛋白的聚合/解聚反应提供所需的能量。,27.04.2020,.,GTP水解作用如何控制微管的生长TO,27.04.2020,.,27.04.2020,.,选择性地稳定微管导致细胞产生极性,27.04.2020,.,选择性地稳定微管导致细胞产生极性（图解）,新形成的微管只有在两端均受到保护因而不能解聚时才是稳定的。在细胞中，微管的负端通常由启动微管生长的组织中心加以保护，而正端最初是游离的。A一个非极性细胞。从中心发出的微管，生长端指向各个方向，有的则缩回。B有的微管偶尔会在质膜特化区遇上能够与微管游离正端结合并使其稳定的蛋白质加帽蛋白（覆盖蛋白）C加帽蛋白捕获部分微管生长端，选择性稳定化。另外方向的微管不稳定，缩回。D细胞转变为高度极性化的形式。,27.04.2020,.,微管动力学不稳定性的意义,这种随机探索和选择性稳定的方针使得中心体及其他组织中心可以在胞内建立一个高度有序的微管系统来选择性地联络细胞内的不同部位。这一系统还用于确定一些细胞器相互之间的位置。,27.04.2020,.,思考题TO,动力学不稳定性造成微管迅速伸长或缩短，请设想一条单一的处于缩短状态的微管。A.如果它要停止缩短并进入伸长状态，它的末端必须发生什么变化？B.发生这一转换后微管蛋白的浓度有什么变化？C.如果溶液中只有GDP而没有GTP，将会发生什么情况？D.如果溶液中存在不能被水解的GTP类似物，将会发生什么情况？,27.04.2020,.,微管特异性药物,秋水仙素：用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结构。秋水仙素可以与微管蛋白基结合，而当结合有秋水仙素的微管蛋白亚基组装到微管末端后，其他的微管蛋白亚基就很难再与该处进行组装，但末端带有秋水仙素的微管对其去组装并没有影响，从而导致细胞内微管系统的解体。,27.04.2020,.,微管特异性药物（2）,紫杉醇：其作用与秋水仙素相反，当紫杉醇与微管结合后可以阻止微管的去组装，增强微管的稳定性，但不影响新的微管蛋白亚基再微管的末端进行组装。结果是微管不停地组装，而不会解聚，其结果同样使细胞周期的运行被终止。,27.04.2020,.,微管的功能,支架作用细胞内运输形成纺锤体纤毛与鞭毛的运动,27.04.2020,.,支架作用,以细胞核为中心向外放射状排列的微管纤维（红色）,27.04.2020,.,神经轴突中沿微管的转运,红色：摩托蛋白驱动的向外的物质运输；兰色：另一套蛋白所驱动的向内的物质运输，由轴突顶端摄入的物质和蛋白降解产物,27.04.2020,.,摩托蛋白驱动胞内转运,水解ATP产生能量摩托蛋白和其他细胞组分结合，转运货物驱动蛋白向正端移动（背离中心体）；动力蛋白则向负端移动（朝向中心体）。,27.04.2020,.,微管摩托蛋白（A）驱动蛋白和动力蛋白：由两个相同的重链加上几个较小的轻链组成的复合物。每个重链形成一个球形头部，与微管相互作用。（B）（C）动力蛋白和驱动蛋白的冰冻蚀刻电镜照片,27.04.2020,.,Kinesin,Dynein,27.04.2020,.,参与物质的运输,快速运输：速度为50400/，线粒体、突触小泡、前溶酶体小泡、内吞小泡等，与膜更新有关的蛋白质，都是通过此方式运输的。慢速运输：速度为028/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、神经丝蛋白等，都是通过此方式运输的。,神经元轴突的物质运输方式,快速运输：与微管有关慢速运输：机制不清,27.04.2020,.,快速运输的机制：微管在快速运输中充当“轨道”的作用。物质沿着单根微管进行双向运输。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ATP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ATP水解释放的能量向微管的(-)极运输；,27.04.2020,.,一种变构的摩托蛋白,27.04.2020,.,左：摩托蛋白沿着一条丝行走右：沿着微管转运货物的摩托蛋白（尾部决定运载货物的种类）,27.04.2020,.,纤毛或鞭毛中微管的排布,27.04.2020,.,GTP水解作用如何控制微管的生长（图解）,携带有GTP的微管蛋白二聚体（红色）相互之间比携带有GDP的微管蛋白二聚体（深绿色）相互之间结合得更为紧密。所以，带有GTP的新添加微管蛋白二聚体的微管倾向于增长。但时间一长，尤其当微管生长较慢时，这个“GTP帽”中的亚基会在新的携有GTP的亚基结合上来以前就水解它自己的GTP成为GDP。这样就失去GTP帽，携有GDP的亚基由于对微管聚合体的结合不很紧密而很快从游离端上释放出来，微管就开始不停地缩短。,27.04.2020,.,A.由于失去了GTP帽，末端的微管蛋白亚基都以结合GDP的形式存在，微管因而缩短。如果足够的带有GTP的亚基以够快的速度添加上去并遮盖微管末端上带有GDP的微管蛋白亚基，这时可产生一个新的GTP帽，微管可重新开始生长。B.当微管蛋白浓度较高时，GTP微管蛋白的添加速率会比较高，因而，缩短着的微管转为增长的频率也会随微管蛋白浓度的升高而增加。这种调节的结果使这个系统达到自身平衡：愈多微管缩短造成高浓度的游离微管蛋白，转为增长的微管也就增多。反过来，增长的微管多了，游离微管蛋白浓度下降，从而GTP微管蛋白添加速率也下降。某些部位GTP水解的速率会追上新的GTP微管蛋白的添加速度，造成GTP帽破坏，微管又开始进入缩短状态。,27.04.2020,.,C.如果只有GDP存在，微管会持续缩短，最终消失，因为结合有GDP的微管蛋白二聚体相互之间的亲和力十分低，不可能被稳定地添加到微管上去；D.如果有GTP存在但它不能被水解，那么微管将持续增长直到所有游离的微管蛋白亚基被用完为止。BACK,27.04.2020,.,二联管间滑动的力是动力蛋白臂水解ATP产生的。实验发现，如从裸露的轴索中选择性地抽提动力蛋白臂轴索的运动减弱直至动力蛋白臂全部被提取轴索的运动完全停止。这一过程可以逆转。如：临床发现一种男性不育症，是由于患者精子轴索中缺少动力蛋白臂。遗传性支气管炎，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，丧失了清除异物的能力。,27.04.2020,.,微丝（microfilament,MF),微丝又称肌动蛋白丝(actinfilament)或纤维状肌动蛋白(fibrousactin)，这种直径为7nm的细胞骨架纤维存在于所有真核细胞种。成分：肌动蛋白，存在于所有真核细胞中，至少已分离到6种肌动蛋白，4种为-肌动蛋白，分别为横纹肌、心肌、血管平滑肌和肠道平滑肌所特有，另两种为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。,27.04.2020,.,肌动蛋白,在大多数真核细胞种，肌动蛋白是含量丰富的蛋白质之一。在肌细胞中，肌动蛋白占细胞总蛋白的10%左右。即使非肌细胞，肌动蛋白也占细胞总蛋白量的1%5%。每一个肌动蛋白分子是一个375个氨基酸组成的单链多肽，与一分子ATP紧密相连。微丝更细和柔顺，单丝比微管往往短很多，在细胞内微丝不是呈单条独立行动，而是形成横向连接的聚合物或形成束，比单个微丝更强壮。,27.04.2020,.,BundlesNetworks,27.04.2020,.,27.04.2020,.,Micrographrevealingbundlesandnetworksofactinfilamentsinthecytosolofaspreadingplatelet,27.04.2020,.,27.04.2020,.,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。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。肌动蛋白要经过翻译后修饰，如N-端乙酰化或组氨酸残基的甲基化。,27.04.2020,.,Actinmonomerisdepictedaboveintwodisplaymodes.Asimplifiedcartoonisatright.ATPbinds,alongwithMg+,withinadeepcleftintheprotein.,27.04.2020,.,微丝的装配机制和微管相似,在有ATP条件下，肌动蛋白内加入K+、Na+，Mg2+，经过一个聚合启动潜伏期，随后进入快速聚合期，微丝增加长度。肌动蛋白聚合时速度与其蛋白浓度的立方成正比，说明自发聚合的纯肌动蛋白是一个肌动蛋白分子的三聚体。每条微丝延长时也和微管延长一样，与游离肌动蛋白分子浓度成正比，说明微丝每延长一次，增加一个肌动蛋白分子。,27.04.2020,.,微丝也具有踏车行为，微丝两端的聚合速度差别比微管更明显：微丝正端的聚合速度比负端快达10倍。若微丝正端不断增加肌动蛋白的速度和负端不断丢失肌动蛋白的速度一样，维持微丝的长度不变。肌动蛋白聚合的临界浓度是0.2mol(约8g/ml)，这比细胞内未聚合的肌动蛋白浓度低得多。,27.04.2020,.,微丝装配（2）,肌动蛋白聚合反应：与之相连的ATP末端磷酸根水解，留下水解后的ADP包裹在聚合体中。已知肌动蛋白三维结构像蛤形，其于两扇壳之间的缝隙中是结合ATP的位点。正如蛤一样两扇壳可开可关，当肌动蛋白聚合时，每增加一个肌动蛋白到微丝上，通过氨基酸之间的相互作用使扇壳关闭，推测该关闭动作触发ATP水解，留下ADP包裹在聚合体中。,27.04.2020,.,肌动蛋白结构，聚合与解聚,上：肌动蛋白分子间相互作用形成螺旋形聚合体下：ADP被肌动蛋白微丝捕捉,27.04.2020,.,微丝的动态变化需要ATP水解,两种核苷作用过程有差别：ATPADP的置换速度较慢。这种特性允许细胞经常保持细胞质内高浓度的与ADP结合的未聚合态肌动蛋白，它们在细胞内可进一步与其他蛋白结合而得到稳定，这样提供一种方式调节细胞内肌动蛋白的聚合。,27.04.2020,.,细胞内小分子蛋白质调节肌动蛋白的聚合,各种类型细胞内肌动蛋白单体标准浓度为50200mol(约8mg/ml），与低的纯肌动蛋白聚合临界浓度（低于1mol）相比高得惊人。在细胞内存在特殊的蛋白，可与肌动蛋白分子结合以抑制其聚合到微丝末端，这些特殊蛋白称为肌动蛋白单体结合蛋白。胸腺素特别小，分子量大约5000。对血小板和中性粒细胞的研究最多，其胞质内胸腺素的含量足以分隔全部单体肌动蛋白分子。,27.04.2020,.,27.04.2020,.,胸腺素抑制微丝聚合的机制,覆盖单体分子间的结合位点，从空间割断单体分子聚合；抑制ADPATP置换，将ADP陷落在肌动蛋白分子内，使肌动蛋白不能聚合。,27.04.2020,.,微丝特异性药物,细胞松弛素:与微丝的正端结合起抑制微丝聚合的作用。鬼笔环肽:与微丝侧基结合贯穿微丝的全长，起稳定微丝和抗解聚的作用。这两种药物都引起肌动蛋白骨架的巨大改变。正如微管稳定性药紫杉醇或解聚药秋水仙素对细胞的毒性一样，微丝稳定性药鬼笔环肽及解聚药细胞松弛素也能破坏微丝的功能。说明微丝的组装和去组装对功能至关重要。,27.04.2020,.,肌节和肌肉收缩的滑动模型,27.04.2020,.,中间丝（intermediatefilaments，IF）为直径10nm左右的纤维，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。,27.04.2020,.,27.04.2020,.,中间丝,27.04.2020,.,类型分为6类：包括角蛋白、结蛋白、胶质纤维酸性蛋白、波形纤维蛋白、神经纤