第10章细胞骨架.ppt

第10章细胞骨架,细胞为什么能维持一定的形态？,“人”有一定的形态是由于有骨骼系统作为支架。,细胞质：微管微丝中间纤维细胞核：核骨架,上皮细胞（红色：微丝；绿色：微管）,细胞骨架(cytoskeleton):是指真核细胞中由微管、微丝和中间纤维等蛋白质成分构成的一个复合的网架系统。,作用：维持细胞一定的形状网络各游离的细胞器与细胞的运动有关,细胞骨架的发现过程最初人们认为细胞质中无有形结构，但许多生命现象，如细胞运动、细胞形状的维持等，难以得到解释。1928年，人们提出了细胞骨架的原始概念。1954年，在电镜下首次看到了细胞中的微管，但在此时，电镜制片还只能用锇酸或高锰酸钾在低温条件下来固定，在这样的条件下细胞骨架常发生聚集现象，因而被破坏。1963年，采用戊二醛常温固定后，才广泛的地观察到种类细胞骨架的存在，并正式命名为一种细胞器。,细胞骨架由以下组分构成微丝（microfilament）微管（microtubule）中间纤维（intemediatefilament）广义的细胞骨架还包括核骨架（nucleoskeleton）核纤层（nuclearlamina）细胞外基质（extracellularmatrix）形成贯穿于细胞核、细胞质、细胞外的一体化网络结构。,微丝，又叫肌动蛋白纤维，是由肌动蛋白构成的两股螺旋形成的细丝，普遍存在于真核细胞中,微管，是由微管蛋白单体构成的基本组件形成的中空的管状结构。普遍存在于真核细胞中,中间纤维，又叫中间丝，粗细位于微丝和肌球蛋白粗丝之间，普遍存在于真核细胞中，是三种骨架系统中结构最为复杂的一种,本章主要内容,第一节微丝与细胞运动,微丝（microfilament,MF）球状肌动蛋白（G-actin）：肌动蛋白单体纤维状肌动蛋白（F-actin）：由多个单体组装而成。直径7nm存在于所有真核细胞中,NeuronalgrowthconephotosSchaefer,Kabir,andForscher,2002.OriginallypublishedinTheJournalofCellBiology,158:139-152.,一、微丝的组成及其组装,在电镜下观察，整根微丝在外观上是由2股纤维以右手螺旋同向盘绕而成，螺距为36nm。,微丝是一条直径约为7nm的扭链，由肌动蛋白单体组装而成。,（一）结构与成分,肌动蛋白（actin）球状G-actin纤维状F-actin裂缝/极性ATP/ADP结合位点二价阳离子（Mg2+或Ca2+）结合位点,肌动蛋白分子上的裂缝使得该蛋白本身在结构上具有不对称性，在整根微丝上每一个单体上的裂缝都朝向微丝的同一端，从而使微丝在结构上具有极性。具有裂缝的一端为负极，而相反一端为正极。,（一）结构与成分,微丝是由G-actin单体构成的螺旋状纤维，肌动蛋白单体具有极性，装配时头尾相接,故微丝也具有极性，结合ATP的一端为负极，另一端为正极。,在装配过程中，正极装配较负极快510倍。,（二）微丝的组装及其动力学特性,微丝的体外组装,一定的盐浓度（主要是Mg2+），一定的G-actin浓度，ATP，pH7.0。,1条件,G-actin,F-actin,2过程,临界浓度（Cc）：当纤维正极组装的速度与负极解聚的速度相同即纤维的长度保持不变时，组装体系中肌动蛋白单体的浓度称为临界浓度。,延长期(Elongationphase)正端快，为负端的10倍。,成核期(Nucleationphase)限速过程，又称延迟期。二聚体（不稳定）三聚体（核心形成）,平衡期(Equilibriumphase)聚合速度=解聚速度。,p195,踏车行为（treadmilling）,在体外组装过程中，微丝正极由于肌动蛋白亚基不断添加而延长，负极由于肌动蛋白亚基去组装而缩短的现象,由G-actin单体的临界浓度决定,正极的肌动蛋白聚合速率等于负极的解聚速率时，踏车现象出现,2.G-actin单体聚合成F-actin，F-actin组成肌动蛋白微丝,3.正极与负极都能生长，正极生长速度快，负极生长速度慢；由于G-actin在正极端装配，负极去装配，从而表现为踏车现象,1.条件：一定的盐浓度(主要是Mg2+)，一定的G-actin浓度，ATP，pH7.0,微丝的体外组装,2微丝的体内组装,2.有结合蛋白参与p195,3.具有动态不稳定性，并与细胞功能相适应,1.成核期：没有固定的中心，根据细胞需要,动物细胞中主要的肌动蛋白结合蛋白及功能,类型,功能,调节蛋白,1.原肌球蛋白与肌动蛋白相连，调节肌动蛋白与肌球蛋白的结合。,2.钙调蛋白与Ca2+结合，活化肌球蛋白轻链激酶,连接蛋白,1.-辅肌动蛋白参与微丝与质膜的结合,2.纽带蛋白肌动蛋白纤维端点与细胞膜之间结合的中介,交联蛋白,1.毛缘蛋白使纤维状多聚体肌动蛋白平行连接成束,2.细丝蛋白与F-actin结合，使之形成三维网状结构,3.血影蛋白与锚蛋白结合，并与肌动蛋白交联,4.锚定蛋白血影蛋白与膜上的带III蛋白相连的中介,间隔蛋白,抑制蛋白结合于G-actin单体，可逆性抑制微丝聚合,切断和封端蛋白,1.凝溶胶蛋白和绒毛蛋白低Ca2+促进微丝装配成核心，高Ca2+将微丝切成片段,2.封端蛋白结合于微丝(+)端，阻止G-actin加上或脱落,微丝组装的动态不稳定性,微丝的动态变化与细胞生理功能变化相适应,微绒毛应力纤维伪足收缩环,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,（三）影响微丝组装的特异性药物,细胞松弛素（cytochalasin）与微丝结合后将微丝切断，并结合在微丝末端阻抑肌动蛋白在该部位的聚合，但对微丝解聚没有明显影响破坏微丝网络结构，并阻止细胞的运动鬼笔环肽（phalloidin）与微丝表面有强亲和力，不与肌动蛋白单体结合阻止微丝的解聚，使其保持稳定状态,二、微丝的网络结构的调节与细胞运动,（一）非肌肉细胞内微丝的结合蛋白（二）细胞皮层（三）应力纤维（四）细胞伪足的形成与细胞迁移（五）微绒毛（六）胞质分裂环,（一）非肌肉细胞内微丝的结合蛋白,大多数非肌细胞的微丝是一种动态结构，它们持续地进行组装和去组装，这与细胞形态的持续变化和细胞运动有密切的关系。肌动蛋白结合蛋白（actinbindingprotein）：与肌动蛋白单体或肌动蛋白丝结合的蛋白，对微丝的组装、物理性质及其功能具有调控作用。体内肌动蛋白的组装在2个水平上受到微丝结合蛋白的调节：可溶性肌动蛋白的存在状态；微丝结合蛋白的种类及其存在状态。,1.肌动蛋白单体结合蛋白2.成核蛋白3.加帽蛋白4.交联蛋白5.割断及解聚蛋白,根据微丝结合蛋白作用方式的不同，可将其分成,肌动蛋白结合蛋白与微丝的组装,微丝的成核与加帽,交联蛋白与微丝的相互作用,细胞内微丝主要集中在紧贴细胞质膜的细胞质区域，并由微丝交联蛋白交联成凝胶态三维网络结构，该区域通常称为细胞皮层（cellcortex）。细胞皮层有助于维持细胞形状。皮层内一些微丝与质膜蛋白连接，从而限制膜蛋白的流动性。细胞的多种运动，如胞质环流、阿米巴运动、变皱膜运动、吞噬以及膜蛋白的定位等都与皮层内肌动蛋白的凝胶态-溶胶态转化相关。,（二）细胞皮层,（二）细胞皮层,应力纤维(Stressfiber)体外培养的细胞在基质表面铺展时，常在细胞质膜的特定区域与基质之间形成紧密黏附的黏着斑。在紧贴黏着斑的细胞质膜内侧有大量成束状排列的微丝，这种微丝束称为应力纤维（stressfiber）；应力纤维通过黏着斑与细胞外基质相连，可能在细胞形态发生、细胞分化和组织建成等方面发挥作用。,p199,（三）应力纤维,应力纤维中相邻的微丝呈反向平行排列并且呈现周期性带纹。,Actinstressfibers(red)terminateinfocaladhesions(green).Nucleiareinblue,/content/196/1/4,星形胶质细胞内应力纤维和黏着斑的分布,（四）细胞伪足的形成与细胞迁移,以成纤维细胞为例，细胞在基质表面或相邻细胞表面的迁移过程通常包含以下几个相继发生的事件：细胞前端伸出突起；突起附着在基质表面；以附着点为支点前移；细胞后部的附着点与基质脱离使细胞尾部前移。片状伪足（lamellipodium）：指迁移（运动）的成纤维细胞的前缘，因微丝组装形成的宽而扁平的凸起。丝状伪足（filopodium）：片状伪足常呈波形运动，在其前端还有一些比较纤细的突起，称为丝状伪足。丝状伪足内的微丝是同向紧密排列的平行束。片状伪足和丝状伪足的形成依赖于肌动蛋白的聚合（组装），并由此产生推动细胞运动的力。,Cellcrawling,Figure16-91MolecularBiologyoftheCell(GarlandScience2008),细胞运动过程中力产生机制微丝装配将质膜向前推进肌球蛋白Myosin和肌动蛋白Actin相互作用,动物细胞边缘的伪足及其微丝的排列方式,非肌细胞前缘肌动蛋白的聚合和伪足的形成,WASP（Wiskott-Aldrichsyndromeprotein）：即Wiskott-Aldrich综合症蛋白，能激活Arp2/3复合物。1.信号转导；2.启动微丝的组装；3.微丝延伸；4.启动微丝侧支的组装；5.微丝不断延伸而形成伪足；6.微丝解聚,（五）微绒毛,p200,在小肠上皮细胞的游离面存在大量的微绒毛（microvilli），其轴心是一束平行排列的微丝，微丝束正极指向微绒毛的顶端，其下端终止于中间丝形成的端网结构。,微丝束对微绒毛的形态起支撑作用。由于微丝束内不含肌球蛋白、原肌球蛋白和-辅肌动蛋白，因而该微丝束无收缩功能。,由大量反向平行排列的微丝组成动力来源于肌球蛋白所介导的极性相反微丝间的滑动,（六）胞质分裂环,有丝分裂末期在2个即将分裂的子细胞之间的质膜内侧形成的一个起收缩作用的环形结构。,三肌球蛋白(myosin),目前已知的唯一沿肌动蛋白进行运动的马达蛋白,为细胞内组分的运动提供动力，使它们能够沿着肌动蛋白纤维和微管朝向两极运动。目前已鉴定的马达蛋白多达数十种。根据其结合的骨架纤维以及运动方向和携带的转运物不同而分为不同类型。,马达蛋白Motorproteins,p201,肌球蛋白：依赖于微丝的分子马达,马达蛋白(motorprotein)可以分为3类沿微丝运动的肌球蛋白（myosin）沿微管运动的驱动蛋白（kinesin）沿微管运动的动力蛋白（dynein）能量转换：利用水解ATP所提供能量有规则地沿微管或微丝等细胞骨架纤维运动,粗肌丝肌球蛋白(myosin),形态：由轻链和重链组成。豆芽状：两个椭圆形的头部，一根长杆状的尾头部：ATP酶活性位点,actin结合位点；尾部：由两条重链相互盘绕形成一个双股螺旋,型肌球蛋白分子（A）和粗肌丝的结构（B）示意图,肌球蛋白的结构,3个功能结构域马达结构域：负责将ATP水解所释放的化学能转变成机械能调控结构域：轻链的结合部位，发挥杠杆作用尾部结构域：选择性与所运输的“货物”结合,肌动蛋白（actin）提供动力原肌球蛋白（tropomyosin）肌钙蛋白（troponin）,细肌丝,调控,肌小节结构示意图,粗肌丝,细肌丝,明带暗带明带,肌原纤维的结构,由神经冲动诱发的肌肉收缩基本过程,动作电位的产生Ca2+的释放原肌球蛋白位移细肌丝（肌动蛋白丝）与（粗肌丝）肌球蛋白丝的相对滑动Ca2+的回收,P205,微丝,ThecouplingofATPhydrolysistomovementofmyosinalonganactinfilament.,肌肉收缩的滑动模型,P205图10-18,第二节微管及其功能,Microtubulesreorganizeduringthecellcycle,PhotocourtesyofLynneCassimeris,LehighUniversity.,微管：microtubule，MT,由微管蛋白（tubulin）装配而成呈中空的管状，在不同的细胞中具有相同的形态，呈网状或束状分布能与其它蛋白共同组装成纺锤体、鞭毛和纤毛、中心粒等结构是一种动态的结构，具有组装和去组装的功能,一、微管的结构组成与极性,基本结构单位：-微管蛋白二聚体,-微管蛋白p207,GTP结合位点不可交换位点：-微管蛋白可交换位点：-微管蛋白二价阳离子结合位点秋水仙素结合位点长春花碱结合位点,/GTP,微管的组装与极性,13根原纤丝；极性,图10-20,细胞内微管的3种类型,单管：细胞质微管或纺锤体微管二联管：纤毛或鞭毛中的轴丝微管三联管：中心体或基体的微管,不稳定：单管。管壁由13条原纤维包围而成，长短不一。微管外径为25nm，内径为15nm。,稳定：二、三联管。见于特化的细胞结构，如鞭毛、纤毛、中心粒、基体等。,13根原纤维23根原纤维33根原纤维,二、微管的组装和去组装,/cgi/content-nw/full/16/10/2546/FIG1,微管蛋白,微管蛋白,异二聚体,原纤丝,微管,（13）,（一）微管的体外组装与踏车行为,合拢,微管在体外的组装过程可以分为成核(nucleation)和延伸(elongation)两个阶段。,（一）微管的体外组装与踏车行为,微管的组装与携带GTP的/-微管蛋白二聚体的浓度有关,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”。,1、指微管装配生长与快速去装配的一个交替变换的现象2、动力学不稳定性产生的原因：微管两端具GTP帽(取决于微管蛋白浓度)，微管将继续组装，反之，无GTP帽则解聚。,微管的动力学不稳定性,微管的体内组装,2.有结合蛋白参与,3.具有动态不稳定性，并与细胞功能相适应,1.没有成核期，快速装配。有微管组织中心,4.特异性药物,（二）作用于微管的特异性药物,秋水仙素诺考达唑紫杉醇长春花（新）碱,紫杉醇阻止微管蛋白的解离,秋水仙素阻止微管聚合,长春碱促进微管降解,可作为化疗药物使用,诺考达唑导致微管结构的解体,微管组装与去组装的动态还与温度有关。通常以20为限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（MTOC）,MTOC：活细胞内起始微管的成核作用，并使之延伸的结构,中心体(动态微管)间期细胞MTOC,有丝分裂纺锤体极(动态微管)分裂细胞MTOC,基体(永久性结构)鞭毛、纤毛细胞MTOC,（一）中心体,（一）中心体p209,中心体含有一对彼此垂直的桶状中心粒无定形的中心粒外周物质（PCM)；9组三联体微管微管起源于中心粒外周物质区域,-微管蛋白环状复合物,（二）基体和其他微管组织中心,9组三联体微管构成具有自我复制的性质,位于鞭毛和纤毛根部的特殊结构,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不同状态的微管其稳定性差异很大在神经元分化过程中的作用,/content/158/5.cover-expansion,五、微管功能,1、维持细胞形态2、参与细胞内物质的运输3、参与细胞器的运动鞭毛(flagella)和纤毛(cilia)运动纺锤体与染色体运动4、细胞器定位,例如：体外培养的神经细胞，其轴突的伸长依赖于微管，用秋水仙素、低温等方法处理细胞，微管解聚，细胞变圆。微管对维持细胞的形状是重要的。,1、维持细胞形态,细胞中的小泡和蛋白质颗粒经过长距离运输到达特定区域。,-神经元轴突运输-色素颗粒的运输,2、细胞内物质的运输,马达蛋白Motorproteins,根据其结合的骨架纤维以及运动方向和携带的转运物不同而分为不同类型。,驱动蛋白(kinesin)：通常朝微管的正极方向运动p213动力蛋白(dynein)：朝微管的负极运动p216肌球蛋白(myosin)：唯一沿微丝运动的,是细胞内一类以细胞骨架为轨道，利用ATP供能，产生推动力，进行细胞内的物质运输或细胞运动的蛋白质分子。,驱动蛋白的分子结构及其功能,2条重链：具有马达结构域2条轻链：与重链尾部结合、具有货物结合功能,驱动蛋白沿微管运动的分子机制,驱动蛋白的运动主要涉及发生在两个马达结构域上ATP的结合、水解和ADP释放以及与自身构象变化相偶联等机械化学循环过程,驱动蛋白沿微管运动的分子机制,细胞质动力蛋白及其功能,动力蛋白超家族细胞质动力蛋白轴丝动力蛋白重链含ATP结合部位和微管结合部位,神经元的轴突运输,Dyneins,kinesins,微管,色素颗粒的运输,细胞内依赖于微管的物质运输系统,3、参与细胞器的运动,鞭毛(flagella)和纤毛(cilia)运动纺锤体与染色体运动,鞭毛与纤毛是伸出细胞表面并能运动的特化结构。鞭毛与纤毛在来源和结构上基本相同少而长的叫鞭毛flagella多而短的叫纤毛cilia,鞭毛与纤毛的运动p217,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。,微管滑动学说p220图10-34,1.动力蛋白头部与相邻二联体上B微管结合，促进ATP(水解)ADP+Pi(释放)，同时动力蛋白头部构象变化角度改变，牵引相邻B微管向纤毛顶部滑动。,2.新的ATP结合于动力蛋白上，使头部与相邻的二联体B微管脱离。,3.结合的ATP水解，其释放的能量使头部的角度复原。,4.带有水解产物的头部与B微管的另一个位点结合，开始又一次循环。,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。,纤毛运动的滑动学说,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。,纺锤体与染色体运动,星体微管动粒微管极间微管,深绿：微管浅蓝：内质网黄色：高尔基体,4、细胞器的定位p212,第三节中间丝,直径10nm；粗细介于肌细胞的粗肌丝和细肌丝之间,直径8-10nm。介与微管与微丝之间，故得名中间纤维结构稳定：既不受秋水仙素也不受细胞松弛B素影响，并且也没有极性。植物细胞内未发现中间丝,中间纤维是由多种异源性纤维状蛋白组成，至少有67种，根据这些蛋白的细胞分布和组织来源，将它们分类,一、中间丝的主要类型和组成成分,中间纤维蛋白分类及分布,严格的组织时空特异性,中间丝蛋白分子结构模式图,高度保守的杆状区高度多变的头部和尾部参与中间丝的组装,两个中间丝蛋白分子平行排列形成双股螺旋的二聚体。,二、中间丝的组装与表达,IF没有极性；不需要ATP、GTP提供能量不表现为典型的踏车行为,两个二聚体以反向平行和半分子交错的形式组装成四聚体,四聚体首尾相连形成原纤维,8根原纤维构成圆柱状的10nm纤维,两个中间丝蛋白分子平行排列形成双股螺旋的二聚体,中间纤维装配特点,IF装配与MF,MT装配相比，有以下几个特点：IF装配的单体是纤维状蛋白(MF,MT的单体呈球形)；反向平行的四聚体是其组装的基本单位，并且导致IF不具有极性；不需要ATP、GTP提供能量。IF在体外装配时不需要核苷酸或结合蛋白的辅助。在体内装配后，细胞中几乎不存在IF单体(但IF的存在形式也可以受到细胞调节)。目前尚未发现沿IF运动的马达蛋白。不表现为典型的踏车行为。,三、中间丝与其他细胞结