细胞生物学-翟中和-第三版--第九章

细胞生物学,第九章细胞骨架(Cytoskeleton),细胞骨架是指存在于真核细胞中的蛋白纤维网架体系。包括：微丝、微管和中间丝。,细胞生物学,细胞生物学,细胞生物学,作为支架(scaffold)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动力为信使RNA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,细胞生物学,第一节微丝与细胞运动第二节微管及其功能第三节中间丝,细胞生物学,一、微丝的组成及其组装又称肌动蛋白纤维(actinfilament),是指真核细胞中由肌动蛋白(actin)组成、直径为7nm的骨架纤维。,细胞生物学,（一）结构与成分肌动蛋白(actin)是微丝的结构成分,外观呈哑铃状,这种actin又叫G-actin，将G-actin形成的微丝又称为F-actin。,细胞生物学,Microfilamentsareapproximately8nmindiameterandcomposedofglobularsubunitsoftheproteinactin.,细胞生物学,（二）微丝的组装及动力学特征1、MF是由G-actin单体形成的多聚体，肌动蛋白单体具有极性,装配时呈头尾相接,故微丝具有极性。,细胞生物学,1、影响装配的因素离子的影响在含有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。G-肌动蛋白临界浓度,细胞生物学,需要Arp2/3,细胞生物学,2、体外实验表明，MF正极与负极都能生长，生长快的一端为正极，慢的一端为负极；去装配时，负极比正极快。由于G-actin在正极端装配，负极去装配，从而表现为踏车行为。,细胞生物学,3、体内装配时，MF呈现出动态不稳定性，取决于F-actin结合的ATP水解速度与游离的G-actin单体浓度之间的关系。,细胞生物学,4、MF动态变化与细胞生理功能变化相适应。在体内,有些微丝是永久性的结构,有些微丝是暂时性的结构。,细胞生物学,（三）影响微丝组装的特异性药物细胞松弛素(cytochalasins)：可以切断微丝,并结合在微丝正极阻抑肌动蛋白聚合,因而导致微丝解聚。鬼笔环肽(philloidin)：与微丝侧面结合,防止MF解聚。影响微丝装配动态性的药物对细胞都有毒害，说明微丝功能的发挥依赖于微丝与肌动蛋白单体库间的动态平衡。这种动态平衡受actin单体浓度和微丝结合蛋白的影响。,细胞生物学,三、肌球蛋白：依赖于微丝的分子马达分子马达：主要是依赖于微管的驱动蛋白、动力蛋白和依赖于微丝的肌球蛋白这三类蛋白质超家族的成员。它们既能与微管或微丝结合，又能与一些细胞器或膜状小泡特异性地结合，并利用水解ATP所产生的能量有规则地沿微管或微丝等细胞骨架纤维运输所携带“货物”。,细胞生物学,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,细胞生物学,（一）型肌球蛋白肌球蛋白:肌收缩、胞质分裂,细胞生物学,（二）非传统类型的肌球蛋白肌球蛋白:运输作用肌球蛋白:运输作用,细胞生物学,（一）肌纤维结构1）肌球蛋白：头部具有ATP酶的活性，能与肌动蛋白结合。,四、肌肉细胞的收缩运动,细胞生物学,2）原肌球蛋白：位于肌动蛋白的螺旋沟内，结合于细肌丝，调节肌动蛋白与肌球蛋白头部的结合。,细胞生物学,3）肌钙蛋白：含有三个亚基，C特异与Ca2+结合，T与原肌球蛋白有高度亲和力，I抑制肌球蛋白ATPase的活性。,细胞生物学,4）其他蛋白CapZ：定位在Z线，结合肌动蛋白纤维（+）极，阻止肌动蛋白纤维（+）极解聚，保持肌动蛋白纤维稳定。A-辅肌动蛋白：可横向连接微丝形成束。纽蛋白：介导微丝结合与质膜,细胞生物学,肌联蛋白：具有弹性，连接Z盘肌球蛋白纤维，在肌肉收缩或舒张时将肌球蛋白纤维定位在肌小节中央。伴肌动蛋白：从Z盘伸出，与肌动蛋白伴型，参与调节肌动蛋白纤维的装配。肌营养不良蛋白：参与肌动蛋白纤维锚定与质膜。Dystrophin:防止肌纤维退化。,细胞生物学,细胞生物学,横管系统：T管（肌膜内凹而成。肌膜AP沿T管传导）。纵管系统：L管（也称肌浆网。肌节两端的L管称终池，富含Ca2+)。三联管：T管+终池2,细胞生物学,肌小节：是肌细胞收缩的基本结构和功能单位。=1/2明带暗带1/2明带=2条Z线间的区域,细胞生物学,（二）肌肉收缩的滑动模型,细胞生物学,按任意键飞入横桥摆动动画,肌节缩短=肌细胞收缩,牵拉细肌丝朝肌节中央滑行,横桥摆动,横桥与结合位点结合，分解ATP释放能量,原肌球蛋白位移，暴露细肌丝上的结合位点,Ca2+与肌钙蛋白结合肌钙蛋白的构型,终池膜上的钙通道开放终池内的Ca2+进入肌浆,细胞生物学,细胞生物学,运动神经冲动传至末梢N末梢对Ca2+通透性增加Ca2+内流入N末梢内接头前膜内囊泡向前膜移动、融合、破裂ACh释放入接头间隙ACh与终板膜受体结合受体构型改变终板膜对Na+、K+(尤其Na+)的通透性增加产生终板电位(EPP)EPP引起肌膜AP,肌膜AP沿横管膜传至三联管终池膜上的钙通道开放终池内Ca2+进入肌浆Ca2+与肌钙蛋白结合引起肌钙蛋白的构型改变原肌凝蛋白发生位移暴露出细肌丝上与横桥结合位点横桥与结合位点结合激活ATP酶作用,分解ATP横桥摆动牵拉细肌丝朝肌节中央滑行肌节缩短=肌细胞收缩,细胞生物学,第二节微管及其功能一、微管的结构组成与极性有-微管蛋白和-微管蛋白组成；-微管蛋白和-微管蛋白形成微管蛋白异二聚体是微管装配的基本单位，微管蛋白异二聚体含有鸟嘌呤核苷酸的两个结合位点，二价阳离子也能结合到微管蛋白异二聚体。微管蛋白异二聚体具有一个秋水仙碱结合位点，一个长春花碱结合位点。,细胞生物学,微管呈中空状，其壁有13根原纤维排列构成，微管可装配成单管,二联管(纤毛和鞭毛中),三联管(中心粒和基体中)。,细胞生物学,二、微管的组装和去组装（一）微管的体外组装与踏车行为1）-微管蛋白和-微管蛋白形成二聚体,二聚体先形成环状核心(ring),经过侧面增加二聚体而扩展为螺旋带,二聚体平行于长轴重复排列形成原纤维(protofilament)。当螺旋带加宽至13根原纤维时,即合拢形成一段微管。2）所有的微管都有确定的极性,细胞生物学,细胞生物学,踏车现象(treadmilling)又称轮回现象,是微管组装后处于动态平衡的一种现象。,细胞生物学,（二）微管特异性药物秋水仙素(colchicine)阻断微管蛋白组装成微管，可破坏纺锤体结构。紫杉酚(taxol)能促进微管的装配,并使已形成的微管稳定。为行使正常的微管功能,微管动力学不稳定性是其功能正常发挥的基础。,细胞生物学,三、微管组织中心(MTOC)1、概念：微管在生理状态或实验处理解聚后重新装配的发生处称为微管组织中心(microtubuleorganizingcenter,MTOC)。,细胞生物学,2、常见微管组织中心间期细胞MTOC：中心体(动态微管)分裂细胞MTOC：有丝分裂纺锤体极(动态微管)鞭毛纤毛细胞MTOC：基体(永久性结构),细胞生物学,（一）中心体(centrosome)1）中心体(centrosome)结构,细胞生物学,细胞生物学,细胞生物学,2）管蛋白：位于中心体周围的基质中，环形结构，结构稳定，为微管蛋白二聚体提供起始装配位点，所以又叫成核位点,细胞生物学,（二）基体和其他微管组织中心1、基体(basalbody)：位于鞭毛和纤毛根部的类似结构称为基体（basalbody）2、中心粒和基体均具有自我复制性质。,细胞生物学,四、微管的动力学性质微管装配的动力学不稳定性是指微管装配生长与快速去装配的一个交替变换的现象,细胞生物学,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)。,细胞生物学,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GDP帽则解聚。,细胞生物学,五、微管结合蛋白对微管网络结构的调节,细胞生物学,MAPs的功能使微管相互交联形成束状结构;促进微管的聚合;作为分子发动机转运细胞物质的轨道;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。,细胞生物学,微管结合蛋白的作用,细胞生物学,六、微管对细胞结构的组织作用1、与细胞器的分布以及细胞的形态发生与维持有关。2、充当物质运输的轨道,细胞生物学,七、细胞内依赖微管的物质运输真核细胞内部是高度区域化的体系,细胞中合成的物质、一些细胞器等必须经过细胞内运输过程。这种运输过程与细胞骨架体系中的微管及其Motorprotein有关。,细胞生物学,目前已鉴定的Motorproteins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。胞质中微管motorprotein分为两大类：驱动蛋白(kinesin):通常朝微管的正极方向运动，动力蛋白(cytoplasmicdynein)：朝微管的负极运动。,细胞生物学,（一）驱动蛋白及其功能,KinesinStructure,细胞生物学,kinesinisatetramerconstructedfromtwoidenticalheavychainsandtwoidenticallightchainsAkinesinmoleculehasapairofglobularheadsthatbindamicrotubuleandactasATP-hydrolyzlng,force-generating“engines.afan-shapedtailthatbindscargotobehauledEachheadisconnectedtoaneck,arodlikestalk,细胞生物学,Kinesin与Dynein的运输方式,Kinesin-dept.transport:conyeysMit(byKIF),Lys,MvERorperiphery.Cytosolicdynein-depttransport:conyeyselementsofER,lateendosome,Lyscellcenter,细胞生物学,（二）驱动蛋白沿微管运动的分子机制1、步行模型2、尺蠖模型,细胞生物学,驱动蛋白功能特点Kinesinisaplusend-directedmicrotubularmotorEachstepisapproximately8nminlength,whichisalsothespacingbetweentubulindimersalongaprotofilament移动的速度与ATP的浓度有关速度高时,可达到每秒900nm,细胞生物学,（三）胞质动力蛋白及其功能Cytoplasmicdyneinisahugeprotein:molecularmassofapproximately1.5milliondaltonsComposedoftwoidenticalheavychainsandavarietyofintermediateandlightchains.Tomovealongamicrotubuletowardthepolymersminusend功能参与细胞分裂运输小泡和各种膜结合细胞器,细胞生物学,动力蛋白与小泡的结合,细胞生物学,八、鞭毛(flagella)运动和纤毛(cilia)运动（一）纤毛与鞭毛的结构,细胞生物学,鞭毛与纤毛的结构,细胞生物学,鞭毛二联管结构,细胞生物学,纤毛的基体结构,细胞生物学,（二）纤毛运动机制,细胞生物学,九、纺锤体与染色体运动,细胞生物学,第三节中间丝10nm纤维,因其直径介于肌粗丝和细丝之间,故被命名为中间纤维。IF几乎分布于所有动物细胞，往往形成一个网络结构，特别是在需要承受机械压力的细胞中含量相当丰富。如上皮细胞中。除了胞质中，在内核膜下的核纤层也属于IF。,细胞生物学,一、中间丝的主要类型和组成成分IF成分比MF,MT复杂，具有组织特异性。IF在形态上相似，而化学组成有明显的差别。中间纤维蛋白的表达具有严格的组织特异性,细胞生物学,（二）中间纤维的装配1、中间纤维装配过程,细胞生物