细胞生物学教学课件第9章 细胞骨架与细胞运动

第九章细胞骨架,Chapter9Cytoskeleton,1928年，Koltzoff：“在原生质中存在着一种具有一定结构的纤维状成分，每一个细胞就是一个由液体成分和硬性骨架组成的体系。细胞依靠这些骨架纤维保持着一定的外形。”,一个培养细胞的细胞骨架有备注遍布于整个细胞内的各种蛋白质性的丝状结构,锇酸和高锰酸钾,0戊二醛(glutaraldehyde),广义上，细胞骨架各级成分可概括如下:,细胞骨架,（狭义上）,第一节微管,第二节微丝,讲授提纲,第一节微管,一、微管的结构和化学组成,二、微管结合蛋白,四、微管的特异性药物,三、微管的特性,五、微管的功能,六、微管组成的细胞器,一、微管的结构和化学组成有备注,第一节微管,三种类型：单管二联管三联管,化学组成:,微管蛋白(tubulin),8095%,微管蛋白,13根原丝排列成微管,第一节微管,-和-微管蛋白有备注：,Pi或GTP结合部位N位点,42%序列同源性,在进化中极保守,50kDa；,同一基因祖先,第一节微管,-微管蛋白：,-微管蛋白：,1.离体条件下的装配：,微管自我装配的影响因素,微管蛋白的浓度,能量：GTP+Mg2+,游离Ca2+的浓度,pH值：6.9,温度：,第一节微管,二、微管的装配有备注,Ca2+微管解聚Ca2+促进微管装配,第一节微管,有极性,微管的结构和装配均具有极性在微管的装配和拆卸过程中,两端均要添加和拆除异二聚体，但+端的装卸速度大于-端,微管的踏车运动式装配图解,在一定条件下，微管的一端因发生装配而不断延长，而另一端因发生解聚而不断缩短踏车运动(treadmilling)有备注,第一节微管,2.细胞内装配,有微管组织中心（MTOC）的参与,可自我调节，多余的微管结合在合成的核糖体上，导致mRNA解体。时间和空间上高度有序。间期细胞平衡分裂期细胞：分离前期和末期,第一节微管,微管组织中心(microtubuleorganizingcenter,MTOC),在所有的动物细胞中,中心体(centrosome)是MTOC!微管的（）极指向MTOC，（+）极背向MTOC,最新的研究结果表明：中心粒周围的一些蛋白质性的成分或与之相当的物质,数百个-微管蛋白环，每一个环是一条微管形成的起点,-微管蛋白环：微管生成的真正诱导起点“晶种”,植物细胞中无中心粒，并不能证明无MTOC,中心粒的主要功能是组织形成微管,第一节微管,微管总是处于动态不稳定状态中，影响着细胞位移和细胞极性的形成。,3.动态不稳定性：,第一节微管,自我装配,微管的特性：,动态不稳定性,极性,第一节微管,三、微管结合蛋白(microtubule-associatedprotein,MAP),微管结合蛋白,MAP-2(271286kDa),MAP-4(200kDa),tau蛋白,MAP,动力蛋白(dynein),第一节微管,MAP-1(345kDa),(5种,5577kDa),(纤毛/鞭毛),MAP-1A,MAP-1B,MAP-1C,MAP-2A,MAP-2B,MAP-2C,(热敏感，神经轴突),(热稳定，树突),(热稳定，各种细胞),(热稳定),成熟轴突,生长轴突,胞质动力蛋白,微管结合蛋白的电镜图象及模式图解,微管,第一节微管,(1)调节微管装配：,MAP蛋白的功能:,(2)稳定微管：,MAP-2磷酸化后可抑制微管装配MAP-1和tau蛋白的作用是控制微管的延长,横连相邻微管一定方式排列稳定已装配好的微管结构,调节微管同其它微管、肌动蛋白、细胞器或膜结构的相互作用,(3)调节微管蛋白同其它蛋白间的相互作用：,纤毛和鞭毛中的动力蛋白构成动力蛋白臂(dyneinarms)，是细胞内的马达蛋白(motorprotein),(4)为纤毛与鞭毛的运动提供动力：,第一节微管,秋水仙素(colchicine)：,抑制微管组装,四、微管的特异性药物,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,紫杉酚(taxol),稳定微管的药物,促进微管装配,稳定已形成微管,Nocodazole重水,第一节微管,五、微管的功能,第一节微管,1.支持和维持细胞的形态,细胞的各种形态是由微管和其它细胞骨架成分来维持的,蝾螈红细胞膜下的微管束,秋水仙素处理：圆形,第一节微管,2.细胞内物质运输,神经细胞中的轴质运输,沿微管运送,第一节微管,神经细胞的轴质运输,微管,微管,膜泡,膜泡,细胞器的定向运送,分泌细胞中分泌颗粒的运输色素细胞的色素颗粒的运输,沿微管运动的囊泡的电镜照片,微管：仅提供轨道，指导运输方向,运输动力：马达蛋白(motorprotein)驱动蛋白胞质动力蛋白,第一节微管,柄部,扇形尾部,驱动蛋白EM图像,380kDa四聚体,2条重链(120kDa)2条轻链(64kDa),驱动蛋白(kinesin),马达区,第一节微管,胞质动力蛋白EM图像,1.2MDa蛋白集合体,2条重链(530kDa)3条中等链(74kDa)4条轻链(5560kDa),胞质动力蛋白(cytoplasmicdynein),第一节微管,第一节微管,2种马达蛋白分子驱动膜被物运输的对比图解,驱动蛋白和胞质动力蛋白介导的细胞内膜泡和细胞器运输,膜泡或细胞器等的运输也具有两个方向：,第一节微管,3.纺锤体与染色体运动,第一节微管,质膜下方微管排列方向与质膜外侧纤维素沉积方向图解,4.植物细胞壁形成,第一节微管,纤毛摆动的频率相当高：蛙喉上皮的纤毛可摆动1017次/sec,纤毛摆动,细胞本身不动,运送物质,麦浪式的规律摆动,第一节微管,5.纤毛和鞭毛运动,纤毛和鞭毛在来源和结构上基本相同,特例：某些原生动物和有的植物精子拥有几千根鞭毛,(1)结构,第一节微管,纤毛本体：质膜+轴丝(axoneme)基体：源于中心粒纤毛小根：固定纤毛/收缩,第一节微管,绿藻细胞鞭毛横切面的电镜图象(a)及其模式图解(b)(a)在横切面上,9+2型轴丝结构清晰可辨;(b)横切面的模式图解,第一节微管,(b),9+2类型,第一节微管,草履虫纤毛纵、横切面的EM图象,中心粒的横切面和立体结构有备注,三联体微管,立体结构模式图,第一节微管,二联丝微管中的微管蛋白则缺乏秋水仙素结合部位,(2)化学组成,第一节微管,(3)纤毛运动的机制,(B)相临外周二联丝的一端固定后，便可发生弯曲。动力蛋白只结合在外周二联丝的A亚丝上。,纤毛中二联丝,横向丝间连接,游离二联丝,(A)相临外周二联丝的一端不被固定时，只能发生垂直滑动；,第一节微管,如果不能合成动力蛋白，则纤毛或鞭毛不能摆动，因此精子失去了受精能力。,Kartagenerssyndrome：患慢性支气管炎和鼻窦炎，即是由于缺乏合成动力蛋白能力造成的。,第一节微管,第一节微管,一、微管的结构和化学组成微管蛋白,二、微管结合蛋白MAP,五、微管的功能,第二节纤丝,10nm/中间丝蛋白,15nm/肌球蛋白/肌肉细胞,纤丝,67nm/肌动蛋白/近质膜下方,第二节纤丝,粗肌丝(thickmyofilament),细肌丝(thinmyofilament),第二节纤丝,（二）骨骼肌的结构及收缩机制,（一）非肌细胞中的微丝,（三）中间纤维,小结,第二节纤丝,本节讲授提纲,（一）非肌细胞中的微丝,肌动蛋白丝：67nm，长度不定,第二节纤丝,质膜下方(外质),微绒毛,片足,微丝在各种真核细胞中的几种分布形式图解,应力纤维(stressfiber),1.微丝的组成,哑铃形肌动蛋白(actin)(43kDa),肌动蛋白在进化上非常保守，由同一祖先基因进化而来,第二节纤丝,-肌动蛋白和-肌动蛋白:所有真核细胞,2.微丝的装配,第二节纤丝,离体条件下：结合ATP的G-肌动蛋白在含有Mg+、高浓度的Na+、K+的溶液里可以组装为F-肌动蛋白。存在“踏车现象”。,组装的阶段：成核反应：有Arp2/3蛋白复合物参与，肌动蛋白单体与Arp2和3等5种蛋白相互作用，形成起始复合物。纤维延长：肌动蛋白具有ATP酶活性，单体的组装首先与ATP结合，组装到微丝末端的肌动蛋白发挥其ATP酶活性，将结合的ATP水解为ADP。如果组装速度快于肌动蛋白水解ATP的速度时，微丝末端将形成肌动蛋白-ATP帽，微丝可以继续组装，否则，微丝末端结合的肌动蛋白-ADP时，微丝结构倾向于去组装。,在大多数非肌肉细胞中：一种动态结构组装和解聚维持细胞形态和细胞运动,第二节纤丝,微绒毛,永久性结构,暂时性结构,3.非肌肉细胞中的微丝结合蛋白,具有两个和多个actin结合位点，能同时结合多条微丝，将多条微丝横连成束或成网,根据其功能可分为以下三类:,能结合到微丝的一端，对微丝的长度和装卸具有调节作用,能与肌动蛋白单体结合,具有抑制G-肌动蛋白装配成F-肌动蛋白、进而调节G-肌动蛋白和F-肌动蛋白之间的动态平衡的作用,第二节纤丝,-辅肌动蛋白(-actinin)细丝蛋白(filamin)毛缘蛋白(fimbrin)血影蛋白(spectrin)粘着斑蛋白(vinculin)踝蛋白(talin)束捆蛋白(fascin)肌球蛋白(myosinI)肌球蛋白II(myosinII)张力蛋白(tensin),(1)横连蛋白:,第二节纤丝,毛缘蛋白,细丝蛋白,-辅肌动蛋白分子的EM图像,-辅肌动蛋白,血影蛋白,第二节纤丝,横连蛋白的功能图解,第二节纤丝,(2)戴帽蛋白:,第二节纤丝,促聚蛋白(profilin)胸腺素(thymosin)DNA聚合酶I(DNAPolI)钙调结合蛋白(caldesmon)等,(3)单体稳定蛋白(monomerstablizingprotein):,胸腺素,第二节纤丝,肌动蛋白结合蛋白的种类及其功能,第二节纤丝,肌动蛋白结合蛋白小结,原肌球蛋白,细丝蛋白,辅肌动蛋白,毛缘蛋白,凝溶胶蛋白,血影蛋白,胸腺素,肌球蛋白-I和II分子的一级结构及其三维结构图解,非肌细胞中的肌球蛋白(myosin)：,第二节纤丝,非肌肉细胞中肌球蛋白分子的组装机制肌球蛋白II分子的轻链被磷酸化后，便从无活性时的折叠状态伸展开来，从而自发地进行自我组装，形成双极性纤维,第二节纤丝,非肌肉细胞中肌球蛋白分子组成的双极性纤维的EM图像,肌球蛋白(myosinI),肌球蛋白II(myosinII),肌球蛋白-I和II分子与微丝之间的作用方式图解,非肌细胞中肌球蛋白与肌动蛋白分子的作用方式图解有备注,第二节纤丝,4.微丝的特异性药物,(2)鬼笔环肽(phalloidin),(1)细胞松弛素(cytochalasins),与微丝具有强烈的亲合作用,可紧密地结合在微丝上，因而能抑制微丝的解聚从而稳定微丝,通过切断微丝并结合在微丝的正端,抑制其组装，从而导致微丝解聚,第二节纤丝,（二）骨骼肌的结构及收缩机制,骨骼肌的结构,肌节的电镜图象及其模式图解,第二节纤丝,1.肌丝的分子结构,(1)粗肌丝,肌球蛋白(myosin)：占肌细胞总蛋白的50%,具有ATPase活性,第二节纤丝,每条粗肌丝：约由4000个肌球蛋白分子规则排列而成,粗肌丝的电镜图象及其模式图解(a)从扇贝肌肉中分离出的粗肌丝的电镜图象;(b)在粗肌丝中,肌球蛋白分子以其尾部相互聚集在一起，其头部向四周伸出,第二节纤丝,(2)细肌丝,肌动蛋白(actin)：47kDa,第二节纤丝,细肌丝中原肌球蛋白、肌钙蛋白与肌动蛋白的相互关系I,抑制亚基;C,钙结合亚基;T,原肌球蛋白结合亚基,由2条平行多肽链形成的-螺旋结构，长约40nm,细肌丝上也有一些肌动蛋白结合蛋白：,第二节纤丝,滑动学说：粗、细肌丝相互间滑动,2.肌肉收缩的机制,第二节纤丝,紧密结合在肌动蛋白上的肌球蛋白头部结合ATP后,与肌动蛋白的亲合力降低,从肌动蛋白丝上脱落下来;ATP水解成ADP和Pi,仍然结合在肌球蛋白头部;肌球蛋白头部释放出Pi,再与肌动丝紧密结合;肌球蛋白头部发生剧烈的构象变化,产生“有力鞭击”,同时肌球蛋白头部释放出ADP,使它又回复到下一次新循环的起点。,第二节纤丝,肌球蛋白分子利用ATP从细肌丝“-”端向“+”端的移动机制图解,5.微丝的功能,第二节纤丝,(1)维持细胞外形,微丝与细胞形状的维持图解,第二节纤丝,外质,(2)胞质环流(cyclosis),第二节纤丝,在巨型微藻中的原生质液流,(3)变形运动(amoeboidmovement),第二节纤丝,细胞沿基质表面的迁移是非常普遍的现象：神经嵴细胞的从神经管的迁移、炎症反应时中性粒细胞从血液向炎症组织的迁移等。,细胞的迁移过程：细胞表面在其运动方向的前端伸出突起；肌动蛋白聚合形成宽而平的片状伪足，波形运动的片状伪足前端伸出的纤细的突起为丝状伪足。伪足内部存在大量的微丝成分；细胞伸出的突起与基质之间形成新的锚定位点；细胞以附着点为支点向前移动；位于细胞后部的附着点与基质脱离，细胞的尾部向前。,细胞迁移的动力来自于肌动蛋白的组装和去组装,伪足部位的WASP蛋白家族激活Arp2/3复合物，导致肌动蛋白的聚合；在微丝纤维负端结合的抑制蛋白确保肌动蛋白单体在正端聚合，使伪足向向细胞质膜方向延伸；待微丝延伸一定长度后，Arp2/3复合物结合到微丝的侧面，在此启动新的微丝组装，形成分支；分支点为负极，正极端不断的向细胞质膜延伸。形成伪足。,(4)形成微绒毛(microvillus),小肠上皮细胞微绒毛的电镜照片,第二节纤丝,人皮肤成纤维细胞中应力纤维的免疫荧光照片及其结构模式图解,第二节纤丝,(5)形成应力纤维(stressfiber),粘着斑的细胞质膜内侧有大量的微丝紧密排列成束，这些微丝束成为应力纤维,应力纤维的作用主要表现在细胞形态发生、细胞分化和组织建成等方面。,细胞中的应力纤维通过点接触与其他细胞或基膜建立结构联系,点接触的分子结构图解,第二节纤丝,点接触(粘着斑)结构的模式图解,第二节纤丝,收缩环的模式图解,(6)胞质分裂(cytokinesis),肌动蛋白与肌球蛋白分子的相互作用使微丝之间发生相对滑动，使收缩环收缩,收缩环借助于-辅肌动蛋白等与其外的质膜相连，故其逐渐收缩，可形成分裂沟,使细胞一分为二,第二节纤丝,-GTPase：肌动蛋白骨架的关键性调控因子（与多种靶蛋白相互作用，决定基因表达和粘着等的协调控制）,（三）中间纤维,直径10nm的中空管状丝主要与维持细胞外形和各种细胞器的位置有关！,第二节纤丝,深度冰冻蚀刻技术显示的神经细胞内中间纤维,角蛋白丝波形蛋白丝（）结蛋白丝（）神经胶质蛋白丝（）神经蛋白丝（）核纤层蛋白丝（）,1.中间纤维的类型,第二节纤丝,中间纤维,组织来源免疫原性,酸性角蛋白（I）,碱性角蛋白（）,根据氨基酸顺序的同源性,各种中间纤维的类型、性质及其分布,第二节纤丝,2.中间纤维的结构有备注,中间纤维结构的模式图解4条多肽链构成四聚体,2个四聚体交错排列成八聚体的原纤维，8条原纤维紧密排列并卷成中空的中间纤维,第二节纤丝,中间纤维的多态性：8个四聚体或四个8聚体5-6个四聚体11-12个四聚体,中间纤维蛋白单体功能区的组成图解,同源区,末端区,可变区,中间纤维蛋白的大小主要取决于尾部的变化,第二节纤丝,核纤层蛋白,角蛋白,波形纤维蛋白,神经丝蛋白,中间纤维蛋白