细胞生物学-细胞骨架课件

第九章细胞骨架(Cytoskeleton),医学遗传学教研室孙业盈Tel:6913225E-mail:sunyy21cn,细胞骨架（Cytoskeleton）是真核细胞中的蛋白质纤维网架体系，它对于维持细胞的形状、细胞的运动、细胞内的物质运输、染色体的分离和细胞的分裂起着重要的作用。,狭义细胞骨架由以下组分构成微管（microtubule）微丝（microfilament）中间丝（intermediatefilament）,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,结构和支持,胞内运输,收缩运动,空间结构,第一节微管（Microtubules）,一微管结构与组成二装配三微管功能,一微管结构与组成,中空圆管状，外径24-26nm，内径15nm。管壁由13条原纤维包围而成。原纤维是由、两种微管蛋白首尾相接交替排列组成，所以微管有极性,（1）、微管蛋白由结构相似的和球蛋白构成二聚体。,两种亚基均可结合GTP，球蛋白结合的GTP从不发生水解或交换，是球蛋白的固有组成部分，球蛋白结合的GTP可发生水解，结合的GDP可交换为GTP,（2）微管球蛋白含量很低，可聚合成环状复合体，像模板一样参与微管蛋白的核化，帮助和球蛋白聚合为微管纤维。是组成微管组织中心的主要成分。微管组织中心是微管进行组装的区域，着丝粒、中心体均具有微管组织中心的功能。,微管结合蛋白(MicrotubuleAssociatedProtein,MAP),微管结合蛋白（microtubuleassociatedprotein,MAP）：是一类与微管密切相关，附着于微管多聚体上，参与微管的组装并增加微管稳定性的蛋白质。主要包括：MAP1、MAP2、tau、MAP-4等。,微管结合蛋白分子至少包含一个结合微管的结构域和一个向外突出的结构域。突出部位伸到微管外与其它细胞组分（如微管束、中间纤维、质膜）结合。,MAP的功能：使微管相互交联形成束状结构，也可使微管同其它细胞结构交联。通过与微管成核点的作用促进微管的聚合在细胞内沿微管转运囊泡和颗粒提高微管的稳定性,微管的类型,微管可装配成单管、二联管、三联管。大部分细胞质微管是单管微管，它在低温、Ca2+和秋水仙素作用下容易解聚，属于不稳定微管。二联管是构成纤毛和鞭毛的周围小管，是运动类型的微管，它对低温、Ca2+和秋水仙素都比较稳定。三联管见于中心粒和基体，它对低温、Ca2+和秋水仙素是稳定的。,微管组织中心(MTOC),概念：常见微管组织中心中心体(centrosome)基体(basalbody),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)。MTOC的主要作用是帮助大多数细胞质微管装配过程中的成核反应。,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),中心体(centrosome),中心体(centrosome)结构：包括中心粒和中心粒周围物质，在细胞间期位于细胞核附近，在有丝分裂期，位于纺缍体的两极。,基体(basalbody),位于鞭毛和纤毛根部的类似结构称为基体基体只含有一个中心粒而不是一对中心粒中心粒和基体均具有自我复制性质,二装配,（一）微管的体外装配过程（二）微管组装的影响因素（三）体内微管装配动态,（一）组装的过程,、微管蛋白连接成8nm的二聚体,二聚体再纵向组装成原纤维,原纤维经过侧面增加二聚体而扩展成弯曲片层,扩展至13根原纤维，即合拢形成一段微管,微管的极性,原纤维中重复的亚单位是异二聚体，所以所有的微管都有极性。,微管组装的机制,，即为头尾的方向，微管蛋白加上或释放主要发生于（+）极，微管的延长主要依靠在正极组装GTP-微管蛋白，然后GTP水解为GDP，GTP与微管蛋白分离。目前微管装配的动态模型认为：在微管组装过程中，微管正端具GTP帽（取决于微管蛋白的浓度），微管将继续组装，反之具GDP帽则解聚。,（二）微管组装的影响因素,1.微管蛋白浓度：微管低于一定浓度（临界浓度）时，不发生微管聚合，临界浓度随温度和其他聚合条件的变动而异。临界浓度：微管蛋白的浓度对微管的组装具有调节作用，当微管的组装和去组装速度相等时，溶液中的微管蛋白浓度称临界浓度（criticalconcentration,Cc）。此时微管长度不变。2.最适pH：pH=6.9。3.离子:Ca2+应尽可能除去，Mg2+为装配所必需。4.温度：37微管蛋白二聚体装配成微管，0微管解聚为二聚体。5.GTP供应。,微管特异性药物,秋水仙素(colchicine)结合到未聚合的微管蛋白二聚体上，阻断微管蛋白组装成微管，可破坏纺锤体结构。紫杉醇(taxol)能促进微管的装配,并使已形成的微管稳定。它只结合到聚合的微管上，不与未聚合的微管蛋白二聚体反应。,（三）体内微管装配动态,1体内微管装配动态变化细胞分裂前期和后期2细胞中存在一些非常稳定的微管结构，如纤毛，鞭毛等。,六、微管的功能,（一）微管构成细胞内网状支架，支持和维持细胞形态（二）微管参与细胞内物质运输（三）微管参与中心粒、鞭毛和纤毛的形成（四）微管参与细胞内细胞器的定位和分布（五）微管参与染色体运动，调节细胞分裂（六）参与细胞内信号传导,（一）微管的细胞支架作用,用秋水仙素处理细胞破坏微管,导致细胞变圆,说明微管对维持细胞的不对称形状是重要的。对于细胞突起部分,如纤毛、鞭毛、轴突的形成和维持,微管亦起关键作用。,（二）微管参与细胞内物质运输,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。Motorproteins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,（三）微管参与中心粒、鞭毛和纤毛的形成,1、中心粒（centrioles）2、纤毛（cilia）和鞭毛（flagella）,中心粒,纤毛和鞭毛,（四）微管参与细胞内细胞器的定位和分布,以高尔基体在细胞内的位置为例说明。一般高尔基体位于细胞的中央，刚好在细胞核的外侧，用秋水仙碱处理细胞后，高尔基体分散存在于四周，除去药物，微管组装，又恢复其在细胞内的正常位置。,（五）微管参与染色体运动，调节细胞分裂,第二节微丝,微丝（microfilament，MF）是由肌动蛋白(actin)组成的直径约7nm的骨架纤维，又称肌动蛋白纤维actinfilament。肌动蛋白纤维是由两条线性排列的肌动蛋白链形成的螺旋，状如双线捻成的绳子,一、微丝的结构二、微丝的结合蛋白三、微丝的组装四、微丝的功能,一、微丝的结构,（1）肌动蛋白（actin）*3个结合位点，4个亚单位组成ATP（ADP）肌动蛋白结合的结合蛋白质位点*极性结构正端（）负端（）,*存在形式游离球状肌动蛋白（G-actin)纤维状肌动蛋白(F-actin),根据等电点的不同可将高等动物细胞内的肌动蛋白分为3类：分布于各种肌肉细胞中和分布于肌细胞和非肌细胞中。,（2）微丝结构：由肌动蛋白单体聚合形成双螺旋,二、微丝结合蛋白,与肌动蛋白纤维结合，调节其性质和功能，影响微丝长度，稳定性和构形。,已知的的微丝结合蛋白有100多种，1核化蛋白：使游离actin核化，开始组装，Arp2单体隐蔽蛋白：阻止游离actin向纤维添加，thymosin3封端蛋白：使纤维稳定，CapZ4单体聚合蛋白：将结合的单体安装到纤维，profilin5微丝解聚蛋白：cofilin6交联蛋白：fimbrin7纤维切断蛋白：gelsolin8膜结合蛋白：vinculin,各种微丝结合蛋白,单体隔离蛋白,去聚合蛋白,膜结合蛋白,末端阻断蛋白,纤维切割蛋白,交联蛋白,三、微丝的组装,组装：条件：ATP盐浓度K+Mg+过程（三个阶段）：成核期微丝组装的限速过程生长期肌动蛋白在核心两端聚合正端快，负端慢平衡期聚合速度与解离速度达到平衡,动态调节：,踏车模型（treadmillingmodel）非稳态动力学模型(dynamicinstabilitymodel)ATP是调节的主要因素ATP-肌动蛋白对微丝末端亲和性高ADP-肌动蛋白对微丝末端亲和性低ATP-肌动蛋白浓度与聚合速度成正比,微丝的任何一端都可以以添加肌动蛋白单体的方式增长，不过由于极性，两端的速度不同，速度快的一端为正端，速度慢的一端为负端。当到达平衡期，肌动蛋白分子添加到肌动蛋白丝上的速度正好等于肌动蛋白分子从肌动蛋白上失去的速度，微丝的净长度没有改变，这种过程称为微丝的踏车行为(treadmilling)。,微丝特异性药物,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。鬼笔环肽(philloidin)：与微丝侧面结合,防止MF解聚。,构成细胞的支架细胞运动参与胞质分裂肌肉收缩(musclecontraction)参与信号传导,四、微丝的功能,微丝遍及胞质各处，集中分布于质膜下，和其结合蛋白形成网络结构，称之为细胞皮层，维持细胞形状和赋予质膜机械强度,是肠上皮细胞的指状突起，用以增加肠上皮细胞表面积，以利于营养的快速吸收。,微绒毛(microvillus),绒毛蛋白毛缘蛋白,肌球蛋白钙调蛋白,应力纤维（stressfiber）,也叫张力纤维，是真核细胞中广泛存在的由微丝束构成的较为稳定的纤维状结构，位于细胞内紧邻质膜下方内含肌动蛋白纤维和肌球蛋白纤维有收缩功能，但不产生运动维持细胞的扁平铺展和特异形状并赋予细胞韧性和强度,细胞的运动,分为四步：微丝纤维生长，使细胞表面突出，形成片足(lamellipodium)；在片足与基质接触的位置形成粘着斑；在myosin的作用下微丝纤维滑动，使细胞主体前移；解除细胞后方的粘和点。如此不断循环，细胞向前移动。阿米巴原虫、白细胞、成纤维细胞都能以这种方式运动。,movie,细胞运动成纤维细胞爬行与微丝装配和解聚相关,收缩环由大量反向平行排列的微丝组成，其收缩机制是肌动蛋白和肌球蛋白相对滑动。,肌肉收缩(musclecontraction),肌肉可看作一种特别富含细胞骨架的效力非常高的能量转换器，它直接将化学能转变为机械能。肌肉的细微结构(以骨骼肌为例)肌小节的组成肌肉收缩系统中的有关蛋白肌肉收缩的滑动模型,肌肉收缩系统中的有关蛋白,肌球蛋白(myosin)所有actin-dependentmotorproteins都属于该家族,头部具ATP酶活力,沿微丝从负极到正极进行运动。Myosin主要分布于肌细胞，有两个球形头部结构域(具有ATPase活性)和尾部,多个Myosin尾部相互缠绕，形成myosinfilament,即粗肌丝。原肌球蛋白(tropomyosin,Tm)由两条平行的多肽链形成-螺旋构型,位于肌动蛋白螺旋沟内,结合于细丝,调节肌动蛋白与肌球蛋白头部的结合。肌钙蛋白(Troponin,Tn)为复合物，包括三个亚基：TnC(Ca2+敏感性蛋白)能特异与Ca2+结合;TnT(与原肌球蛋白结合);TnI(抑制肌球蛋白ATPase活性),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；,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,第三节中间纤维（intermediatefilament,IF）,中间纤维（又称为中间丝)广泛存在于真核细胞中，是一类直径约10nm的管状纤维，由于其直径介于肌粗丝和细丝之间,故被命名为中间纤维。,一、中间纤维的类型二、中间纤维的结构三、中间纤维的装配四、中间纤维结合蛋白五、中间纤维的功能,一、中间纤维的类型,I型和II型角蛋白中间丝：以异源二聚体形式参与中间丝的组装，分布于上皮细胞内。III型中间丝：波形蛋白、结蛋白、胶质纤维酸性蛋白和外周蛋白。IV型中间丝：3种神经丝蛋白亚基和-介连蛋白。V型中间丝:核纤层蛋白VI型中间丝:神经干细胞蛋白。,二、中间纤维蛋白的结构,头部区氨基端尾部区羧基端杆状区310aa中心区（螺旋区）形成聚合体的关键部位,三中间纤维的组装,组装：两个单体形成双股超螺旋二聚体两个二聚体形成四聚体原纤丝两个四聚体交错排列原纤维八个原纤维互相缠绕中间