第九章-细胞骨架——翟中和细胞生物学

第九章细胞骨架(Cytoskeleton),细胞骨架的概述细胞骨架的组成,第一节细胞骨架的概述,细胞骨架概念细胞骨架是指存在于真核细胞的细胞质中的蛋白纤维网架结构体系。有狭义和广义两种涵义,细胞骨架,狭义:,广义,细胞质骨架,微丝微管中间纤维,细胞核骨架细胞质骨架细胞膜骨架细胞外基质,细胞骨架主要功能的概述,作为动态的支架，提供结构支撑以决定细胞形状和抵抗细胞变形。作为在细胞内定位各种细胞器的内部框架。作为高速公路网指导物质与细胞器在细胞内的运动。作为产生力的装置，将细胞从一个地方移至到另一个地方。作为锚定mRNA并促进其翻译成多肽的位点。作为细胞分裂的必要组分。,第二节细胞骨架的组成,微丝(microfilament,MF)微管（microtubules,MT）中间纤维(intermediatefilament,IF),一、微丝(microfilament,MF),微丝的概念成分与形态结构微丝的组装及动力学特性影响微丝组装的特异性药物微丝结合蛋白微丝的功能,（一）微丝的概念,又称肌动蛋白丝(actinfilament)或纤维状肌动蛋白（F-actin）,是指真核细胞中由肌动蛋白单体组成的直径为7nm的骨架纤维。在细胞内与几乎所有形式的运动相关。,（二）成分与形态结构,成分肌动蛋白(actin)是微丝的主要结构成分。细胞内存在形式：肌动蛋白单体（球状肌动蛋白，G-actin）和由单体组装而成的纤维状肌动蛋白。形态结构肌动蛋白单体外观呈碟状结构，中央有一个裂口，裂口内部有ATP结合位点和Mg2+结合位点。(书P266页图9-3)近年来认为微丝是由一条肌动蛋白单体链形成的螺旋，每个肌动蛋白单体周围都有四个单体，呈上、下各一个，另外两个位于一侧排列。,(三）微丝的组装及动力学特性,微丝是由肌动蛋白单体形成的多聚体，肌动蛋白单体具有极性，组装时呈头尾相接，故微丝具有极性，既正极与负极之别。微丝的极性有裂口的一端负极无裂口的一端正极,影响组装/去组装的因素：溶液中所含肌动蛋白单体的状态（结合ATP或ADP）离子的种类及浓度等。溶液中Ca2+浓度适当，Na+、K+浓度很低：微丝趋向解聚成G-actin。溶液中含有ATP、Mg2+及Na+、K+浓度较高：G-actin趋向组装成F-actin。溶液中携带ATP的G-actin处于临界浓度时：组装与去组装达到平衡状态。第一阶段：成核反应形成至少2-3个肌动蛋白单体组成的寡聚体。第二阶段：纤维的延长肌动蛋白具有ATP酶活性，在微丝组装之前肌动蛋白单体必须与ATP结合。,微丝的组装过程,微丝的组装的动力学特性,体外实验表明，组装时，（肌动蛋白-ATP亚基）正极比负极快；去组装时，（肌动蛋白-ADP亚基）负极比正极快。由于肌动蛋白-ATP亚基在微丝正极不断添加而延长，而肌动蛋白-ADP亚基在微丝负极去组装而缩短，从而表现为踏车行为。,（四）影响微丝组装的特异性药物,细胞松弛素(cytochalasins)：可以切断微丝,并结合在微丝末端阻抑肌动蛋白聚合,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运动）鬼笔环肽(philloidin)：与微丝表面结合,不与肌动蛋白单体结合，抑制微丝解聚。（可使微丝保持稳定状态）影响微丝组装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之间的动态平衡。这种动态平衡受肌动蛋白单体浓度和微丝结合蛋白的影响。,（五）微丝结合蛋白,微丝网络肌动蛋白纤维：组装成不同的微丝网络结构，参与细胞内各种生命活动。微丝结合蛋白：参与形成微丝纤维高级结构，对肌动蛋白纤维的动态组装有调节作用。微丝结合蛋白对肌动蛋白组装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,（五）微丝结合蛋白,微丝结合蛋白类型1、肌肉收缩系统中的有关蛋白肌球蛋白：约占肌肉总蛋白的一半，含4条多肽链（2条轻链、2条重链），两股重链盘绕成双股螺旋，长约140nm,直径2nm。功能：细胞骨架和膜细胞的相互作用，如膜泡运输等。原肌球蛋白：在肌肉中占总蛋白的5%10%，分子长度为40nm，由两条平行的多肽链形成螺旋构型。功能：原肌球蛋白结合于细肌丝，调节肌动蛋白与肌球蛋白头部的结合。,（五）微丝结合蛋白,微丝结合蛋白类型1、肌肉收缩系统中的有关蛋白肌钙蛋白（Tn）：含有3个亚基：Tn-C特异与Ca2+结合；Tn-T与原肌球蛋白有高度亲和力；Tn-I抑制肌球蛋白ATPase的活性。其他相关蛋白：CapZ将肌动蛋白纤维锚定于质膜的蛋白：辅肌动蛋白（actinin)纽蛋白(vinculin)肌联蛋白(connectin)肌小节中起结构作用的蛋白：伴肌动蛋白(nebulin肌营养不良蛋白(dystrophin),（五）微丝结合蛋白,微丝结合蛋白类型2、非肌肉细胞中的微丝结合蛋白非肌肉细胞中亦存在肌球蛋白、原肌球蛋白、辅肌动蛋白等，不存在肌钙蛋白。近年来在非肌肉细胞中分离鉴定了几十种微丝结合蛋白，与微丝组装及功能有密切关系。,（六）微丝的功能,维持细胞形态，赋予质膜机械强度肌肉收缩(musclecontraction)微绒毛(microvillus)应力纤维(stressfiber)细胞皮层胞质分裂环,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，维持细胞形状和赋予质膜机械强度。,1、维持细胞形态，赋予质膜机械强度,2、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)肌肉收缩系由肌动蛋白丝与肌球蛋白丝的相对滑动所致：肌球蛋白与肌动蛋白结合肌球蛋白头部朝肌球蛋白细丝弯曲肌球蛋白头部与ATP结合与肌动蛋白分开肌球蛋白释放恢复原来构型造成细丝与粗丝间的滑动（表现ATP水解和肌肉收缩）。,肌肉的细微结构(以骨骼肌为例),肌原纤维（收缩单位）,粗肌丝：肌球蛋白（主）细肌丝,肌动蛋白（主）原肌球蛋白肌钙蛋白,（辅）,小肠上皮细胞微绒毛的轴心微丝是非肌肉细胞中高度有序微丝束的代表，微丝呈同向平行排布。成分轴心微丝束不含肌球蛋白、原肌球蛋白和辅肌动蛋白因而无收缩功能。功能微绒毛中心的微丝束起维持微绒毛形状的作用。,3、微绒毛(microvillus),体外培养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的微丝紧密排列成束，这种微丝束称为应力纤维。是真核细胞内广泛存在的微丝束结构。成分微丝、肌球蛋白、原肌球蛋白、细丝蛋白和-辅肌动蛋白。作用、介导细胞间或细胞与基质表面的粘着。、微丝紧密平行排列成束，形成应力纤维,具有收缩功能。、可能在细胞形态发生、细胞分化和组织的形成等方面具有重要作用。,4、应力纤维（stressfiber）,细胞内大部分微丝都集中在紧贴细胞质膜的细胞质区域，并由微丝结合蛋白交联成凝胶状三维网络结构，该区域通常称为细胞皮层。细胞质运动胞质环流穿梭运动细胞移动变形运动变皱膜运动形态发生运动以上运动都与皮层内肌动蛋白的溶胶态或凝胶态转化相关。,5、细胞皮层,胞质分裂环:是有丝分裂末期在两个即将分裂的子细胞之间产生一个对细胞质起收缩作用的环。时期在动物细胞和低等植物细胞有丝分裂的末期，发生的缢缩型胞质分裂。组成收缩环由大量反向平行排列，但由极性方向不同的微丝组成。机制其收缩机制是肌动蛋白丝和肌球蛋白之间的相对滑动。,6、胞质分裂环,二、微管（Microtubules，MT）,微管结构与组成微管的类型组装微管特异性药物微管结合蛋白(MAP)微管功能,微管：在真核细胞质中，由微管蛋白构成的，可形成纺锤体、中心体及细胞特化结构鞭毛和纤毛的结构。,（一）微管结构与组成,微管的组成成分：由微管蛋白亚基组装而成。微管蛋白：450aa-微管蛋白：455aa微管组装的基本单位微管蛋白异二聚体2个鸟嘌呤核苷酸结合位点微管蛋白有一个GTP结合位点（不可交换位点，N位点）结合在该位点的GTP不被水解，且不可交换。-微管蛋白有一个GTP结合位点（可交换位点，E位点）该GTP在组装成多聚体之后，被水解成GDP。去组装后，-微管蛋白上的GDP可以被细胞质基质中的GTP替换，再参与微管组装。,球状蛋白,微管的形态结构微管是中空的管状结构。电子显微镜微管横截面上有13个球形蛋白亚基。负染或原子力显微镜微管壁是由-微管蛋白二聚体纵向排列而成的原纤丝构成，13根原纤丝合拢后构成微管管壁。,微管的极性微管组装的基本结构单位是由-微管蛋白组成的二聚体，每一根原纤丝都是由二聚体有规律排列而成。原纤丝：某一端都是-微管蛋白，另一端都是-微管蛋白微管在结构上成极性状态。结构上的不对称导致微管组装时微管蛋白二聚体在两端聚合速度上的差异，组装较快的一端称为正极，另一端称为负极。,（二）微管的类型,单管（singlet)细胞质微管，由13根原纤丝集合而成。二联管（doublet)纤毛或鞭毛轴丝微管，运动性微管。A管：13根原纤丝B管：14根原纤丝，有三条与A管共用三联管(triplet)中心体或基体的微管A管：13根原纤维B管：14根原纤维，有三条与A管共用C管：14根原纤维，有三条与B管共用,(三）微管的组装,微管组织中心组装方式微管组装的动力学不稳定性,1、微管组织中心(MTOC),微管组织中心概念常见微管组织中心,在活细胞内，能够起始微管的成核作用，并使之延伸的细胞结构称为微管组织中心。(microtubuleorganizingcenter,MTOC),微管组织中心概念,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(动态微管)鞭毛纤毛细胞MTOC：基体(永久性结构)高等植物细胞MTOC：间期细胞核的周围,一些微管蛋白二聚体首先纵向聚合形成短的丝状结构，即成核反应。通过两端以及侧面增加二聚体而扩展成片状。当片状聚合物加宽至13根原纤丝时,即合拢形成一段微管。新的微管二聚体不断组装到这段微管两端，使之延长，微管蛋白与微管达到动态平衡。,组装方式(成核和延伸),微管组装的动力学不稳定性(dynamicinstability)是指在细胞内的同一区域中生长的微管与缩短的微管同时存在,而且一条特定的微管在生长项与缩短项之间交替切换的现象。动力学不稳定性产生的原因：微管末端具GTP帽(取决于携带GTP的-微管蛋白浓度),微管将稳定延伸;反之,无GTP帽则微管解聚。踏车现象：在同一根微管上常可发现其正极端因组装而延长，负极端因去组装而缩短，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，即踏车行为。,（四）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。紫杉醇(taxol)能促进微管的组装,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(动态的组装和解聚）是其功能正常发挥的基础。,微管结合蛋白(MicrotubuleAssociatedProtein,MAP),根据MAPs在电泳时所显现的条带的不同，一次命名为MAP1、MAP2、MAP3、MAP4、tau蛋白等。tau蛋白：见于神经轴突中，具有热稳定性。其功能是加速微管蛋白的聚合，形成18nm臂，横向连接相邻微管以稳定微管。MAP2：具热稳定性，见于神经元胞体和树突内，在微管间及微管与中间纤维间形成横桥，能使微管成束。,6、微管功能,维持细胞形状参与细胞内物质的运输鞭毛(flagella)运动和纤毛(cilia)运动参与纺锤体形成和染色体运动,维持细胞形状,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。对于动物细胞突起部分,如纤毛、鞭毛、神经细胞的轴突、太阳虫目原生生物的伪足的形成和维持,微管起关键作用。,细胞内物质的运输,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（MT）及其分子马达（MolecularMotor）有关。微管提供了运输的轨道分子马达提供了动力神经元轴突运输色素颗粒的运输,分子马达的类型及功能,分子马达既能与微管结合，又能与膜泡特异性结合。这些能利用水解ATP将化学能转变为机械能，有规则地沿微管运输货物的分子马达主要有驱动蛋白和胞质动力蛋白。驱动蛋白(kinesin):在鱿鱼神经元巨大轴突内发现。运动方式：运载膜性细胞器沿微管向轴突末梢移动。组成：两条重链和两条轻链组成。结构：长80nm的杆状结构，头部一端有两个呈球状的马达区域，直径约10nm，另一端是重链和轻链组成的扇形尾端，中间是重链组成的杆状区。球状的头部具有ATP结合部位和微管结合部位。（书P292页图9-25）运输方向：马达结构域在重链的N端或中部负极向正极马达结构域在重链的C端正极向负极,驱动蛋白马达结构域具有两个重要的功能位点，其一是ATP结合位点，其二是微管结合位点。关于驱动蛋白沿微管运动的分子模型有两种：步行模型：驱动蛋白的两个球状头部交替向前，每水解一个ATP分子，落在后面的那个马达结构域将移动两倍的距离，及16nm。而原来的那个头部则在下一个循环时再向前移动。“尺蠖”爬行模型：驱动蛋白两个头部中的一个始终向前，另一个永远在后，每步移动8nm。,驱动蛋白沿微管运动的分子机制,驱动蛋白沿微管运动的分子机制涉及两个马达结构域与ATP结合、水解ATP、释放ADP以及与自身构象变化相偶联等一系列过程。,驱动蛋白沿微管运动的分子机制,引发驱动蛋白分子沿微管持续向前移动的原因有两个：在每个驱动蛋白分子中两个马达结构域的化学-机械循环时互相协调的，因此在一个马达结构域还没有与微管结合之前，另一个马达结构域不会从微管上游离下来，从而保证了步行的连续性，即马达分子和所运送的“货物”或细胞器不会脱离微管。驱动蛋白分子能沿微管持续移动的原因是它的马达结构域在ATPase循环的大部分时间都与微管紧密结合。,驱动蛋白沿微管运动的分子机制,分子马达的类型及功能,胞质动力蛋白(cytoplasmicdynein)：纤毛和鞭毛内发现（轴丝动力蛋白）。是已知马达蛋白中最大、移动速度最快的成员。组成：2条或3条重链、多条轻链和一些多肽链组成。结构：重链约含4600个氨基酸残基，含有ATP结合部位和微管结合部位。马达结构域位于重链C端，轴丝动力蛋白有3个马达结构域，胞质动力蛋白有2个马达结构域（负责将ATP储存的化学能转化成机械能，并介导沿微管的运动）。功能：与细胞内介导沿微管从正极端向负极端的膜泡运输以及有丝分裂纺锤体动态结构相关。,神经元轴突运输的类型,色素颗粒的运输,许多两栖类的皮肤和鱼类的鳞片中含有特化的色素细胞。研究发现色素颗粒实际上是沿微管而转运的。,鞭毛(flagella)运动和纤毛(cilia)运动,纤毛与鞭毛的结构是细胞质膜所包被的细长突起，内部是由微管构成的轴丝结构。“9+2”排列结构：9个二联体微管、2根中央鞘所包围的单体微管。外围二联体微管：A管(完全微管，由13个球形亚基环绕而成)B管（不完全微管，由10个亚基构成，另3个亚基与A管共用）中央微管：均为完全单体微管。纤毛或鞭毛的运动机制滑动学说：由轴丝动力蛋白所介导的相邻二联体微管间相互滑动所致。滑动学说过程图示,纤毛或鞭毛运动过程中相邻二联体微管的滑动模型,A管动力蛋白头部与B管的接触促使动力蛋白结合的ATP水解，产物释放，造成头部角度的改变。新的ATP结合使动力蛋白头部与B管脱离。ATP水解，其释放的能量使头部的角度复原。带有水解产物的动力蛋白头部与B管上另一位点结合，开始又一次循环。,纺锤体和染色体运动,间期进入有丝分裂期：间期细胞微管网络解聚为游离的-微管蛋白二聚体，再重组装形成纺锤体，介导染色体的运动。分裂末期：纺锤体微管解聚，又重组装形成胞质微管网络。,三中间纤维(intermediatefilament,IF),中间纤维的概念中间纤维的类型与分布中间纤维蛋白的结构特征中间纤维的组装中间纤维的功能,中间纤维的概念,20世纪60年代中期，在哺乳动物细胞中发现10nm绳索状纤维,因其直径介于肌粗丝和细丝之间,故被命名为中间纤维（又称中间丝）。中间纤维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。,中间纤维的类型与分布,中间纤维成分比微丝和微管复杂，中间纤维在形态上相似，而化学组成有明显的差别。不同组织来源的细胞表达不同类型的中间丝蛋白。根据中间纤维蛋白氨基酸序列、基因结构、组装特性以及在发育过程的组织特异性表达模式等，可以将中间纤维分为6种主要类型。,中间纤维分类与分布,在上皮细胞内以异源二聚体的形式参与中间丝组装,型中间丝：通常在各自的细胞内形成同源多聚体,型中间丝：在波形蛋白和巢蛋白表达一定时间后开始表达，进入细胞内存在的中间丝网络,型中间丝：蛋白B在所有细胞中均表达，蛋白A只在原肠胚形成后分化的细胞中表达,型中间丝,“孤儿”型中间丝,在人类基因组中至少包含67种不同的中间丝蛋白基因，组成了人类基因组中最大的基因家族之一。中间纤维蛋白的表达与分布具有严格的组织特异性。因此，中间纤维蛋白是区分细胞类型的身份证。,中间纤维蛋白的结构特征,中间纤维蛋白分子,非螺旋化区-螺旋区（310AA）,头部（N端）尾部（C端）,H亚区；同源区V亚区：可变区E亚区：末端区,螺旋1(22nm)螺旋2(22nm),1A亚区1B亚区,2A亚区2B亚区,L1：连接1A和1B,L12：连接1A和2B,L2：连接2A和2B,中间纤维的组装,中间纤维组装与微管和微丝组装相比，有以下几个特点：中间纤维组装的单体是纤维状蛋白；反向平行的四聚体导致中间纤维不具有极性；中间纤维在组装过程中不需要ATP或GTP的辅助。细胞内新的中间纤维蛋白可以通过交换的方式掺入到原来的纤维中去。中间纤维组装过程,中间纤维的组装过程,两个单体的杆状区以平行排列的方式形成双股螺旋的二聚体。两个二聚体以反向平行和半分子交错形式组装成四聚体。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，形成中间丝。,中间纤维的功能,中间纤维发挥功能具有时空特异性中间纤维提供细胞的机械强度作用中间纤维维持细胞和组织完整性的作用物质运输和信息传递作用在细胞质中与微管、微丝共同完成物质的运输，在细胞核内，与DNA的复制和转录有关。中间纤维与细胞分化及细胞生存有关,第三节细胞核骨架,细胞核骨架的概念核基质(NuclearMatrix)染色体骨架核纤层(NuclearLamina),细胞核骨架概念,细胞核骨架：存在于真核细胞核内的以蛋白成分为主的纤维网架体系。狭义：指核内基质，即细胞核内除核膜、核纤层、染色质、核仁和核孔复合体以外的以纤维蛋白成分为主的纤维网架体系；广义：包括核基质、核纤层和核孔复合体。,核基质(NuclearMatrix),形态结构成分核骨架结合序列功能,形态结构,研究核骨架的分级抽提方法非离子去垢剂溶解膜结构系统,胞质中可溶性成分随之流失;再用Tween-40（聚氧乙烯山梨糖醇酐单棕榈酸酯）和脱氧胆酸钠处理,胞质中的微管、微丝与一些蛋白结构被溶去,胞质中只有中间纤维网能完好存留;然后用核酸酶与0.25mol/L硫酸铵处理,染色质中DNA、RNA和组蛋白被抽提,最终核内呈现一个精细发达的核骨架网络,结合非树脂包埋-去包埋剂电镜制样方法,可清晰地显示核骨架-核纤层-中间纤维结构体系。,成分,核骨架不象胞质骨架那样由非常专一的蛋白成分组成,核骨架的成分比较复杂,主要成分是核骨架蛋白及核骨架结合蛋白,并含有少量RNA。核骨架蛋白骨架结合蛋白其它,核骨架结合序列,DNA序列中的核骨架结合序列(MAR)这部分DNA与核骨架蛋白的结合不为高盐溶液抽提所破坏,在基因表达调控中起作用。核骨架结合序列的基本特征,核骨架结合序列的基本特征,富含AT富含DNA解旋元件(DNAunwindingelements)富含反向重复序列(InvertedRepeats)含有转录因子结合位点,功能,核骨架与DNA复制核骨架是DNA复制的空间支架。核骨架与基因表达大量研究工作表明真核细胞中RNA的转录和加工均与核骨架有关。具有转录活性的基因是结合在核骨架上的，RNA聚合酶在核骨架上具有结合位点。核骨架与病毒复制核骨架与染色体构建,二、染色体骨架,染色体支架：指染色体中由非组蛋白构成的结构支架。染色体骨架的真实性银染法能选择性地显示染色体轴结构DNA酶和RNA酶处理或用0.4mol/LH2SO4处理去除组蛋白,对染色体轴没有影响,用胰蛋白酶消化则染色体轴破坏,说明染色体轴是非组蛋白性的。染色体骨架/放射环模型在分子水平上得到两个直接证据,三、核纤层(NuclearLamina),核纤层：是位于细胞核内层核膜下的纤维蛋白片层或纤维网络。核纤层与中间纤维、核骨架相互连接，形成贯穿于细胞核与细胞质的骨架结构体系。核纤层分布与形态结构：纤维纵横排列整齐，呈正交状编织成网络，整体观呈球状或笼状网络，切面观为片层结构。成分核纤层由核纤层蛋白(lamin)构成。核纤层蛋白的分子结构及其与中间纤维蛋白的关系核纤层在细胞周期中的变化,成分核纤层蛋白(Lamin),哺乳动物和鸟类细胞中有核纤层蛋白A、核纤层蛋白B、核纤层蛋白C核纤层蛋白在序列上有很高的同源性。近年来证实核纤层蛋白A与C是同一基因的不同加工产物，因此又将核纤层蛋白分为两类：A型核纤层蛋白：包括核纤层蛋白A和CB型核纤层蛋白,核纤层蛋白的分子结构及其与中间纤维蛋白的关系,核纤层与中间纤维之间的共同点1.两者均形成10nm纤维;2.两者均能抵抗高盐和非离子去垢剂的抽提;3.某些抗中间纤维蛋白的抗体能与