细胞生物学10-细胞骨架

第十章细胞骨架,细胞质骨架细胞核骨架,细胞骨架(cytoskeleton)是指真核细胞中的蛋白纤维网架体系广义的细胞骨架包括细胞核骨架、细胞质骨架、细胞膜骨架、细胞外基质狭义的细胞骨架指细胞质骨架，包括微丝、微管和中间纤维,细胞骨架,细胞质骨架细胞核骨架,微丝微管中间纤维核基质核纤层染色体支架,细胞质骨架,微丝微管中间纤维,一个培养细胞的细胞骨架遍布于整个细胞内的各种蛋白质性的丝状结构,微丝是比微管细的实心纤维状结构.,定义：又称为肌动蛋白纤维，是指真核细胞中由肌动蛋白组成，直径为7nm的骨架纤维。由哑铃形肌动蛋白单体形成的多聚体。具有支持和收缩作用。,微丝(microfilament,MF),微丝(microfilament,MF),微丝又称肌动蛋白纤维(actinfilament)，是指真核细胞中由肌动蛋白组成、直径为7nm的骨架纤维。球形肌动蛋白(globularactin,G-actin)是微丝的结构成分，外观呈哑铃状，由G-actin形成的多聚体(微丝)也称为纤维形肌动蛋白(fibrousactin,F-actin),微丝形态与组分,形态：是一类由蛋白纤维组成的实心纤维细丝。6-7nm，长短不一。在细胞中：微丝可成束、成网或纤维状分散分布化学成分：球状肌动蛋白(肌动蛋白单体G-actin)肌动蛋白),肌肉细胞中的微丝为永久性微丝。,非肌肉细胞中：,永久性微丝：肠上皮细胞微绒毛中的轴心微丝。,暂时性微丝：如胞质分裂环中的微丝。,动态结构的微丝：在多数非肌肉细胞中，微丝是一种动态结构，持续进行装配和解聚，与细胞形态维持及细胞运动有关。,永久性结构,暂时性结构,微绒毛,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，如肌肉中的细丝、肠上皮细胞微绒毛中的轴心微丝等；有些微丝是暂时性的结构，如胞质分裂环中的微丝,非肌细胞中的微丝,微丝装配,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，既正极与负极之别传统模型认为微丝是由两条肌动蛋白单链螺旋盘绕形成的纤维，近年来则认为是一条肌动蛋白单体链形成的螺旋,微丝装配,体外实验表明，MF正极与负极都能生长，生长时正极比负极快，去装配时，负极比正极快。踏车现象(treadmilling)一定条件下，球形肌动蛋白(G-actin)在正极端装配、负极去装配,6个球形肌动蛋白首先形成装配核心,G-actin,F-actin,+,-,踏车,微丝装配,微丝的装配,G-肌动蛋白,微丝装配,体内装配时，MF呈现出动态不稳定性，主要取决于纤维形肌动蛋白(F-actin)结合的ATP水解速度与游离的球形肌动蛋白(G-actin)单体浓度之间的关系，还有微丝横向连接成束或成网的程度,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，破坏微丝的三维网络，但不明显导致微丝解聚鬼笔环肽(philloidin)与微丝侧面结合，防止MF解聚,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,微丝微丝结合蛋白,单体隔离蛋白(monomer-sequensteringprotein)，与G-actin结合后抑制它们的聚合，维持高浓度的单体膜结合蛋白(membrane-bindingprotein)，非肌细胞质膜下方产生收缩的机器末端阻断蛋白(endblockingprotein)，通过与肌动蛋白纤维的一端或两端结合调节肌动蛋白纤维的长度,微丝微丝结合蛋白,交联蛋白(cross-linkingprotein),使肌动蛋白纤维形成网络结构纤维切割蛋白(filament-severingprotein)，同肌动蛋白纤维结合并将其一分为二，控制肌动蛋白纤维的长度，降低黏度肌动蛋白纤维去聚合蛋白(actinfilamentdepolymerizingprotein)，将肌动蛋白纤维快速去聚合形成G-actin发动机蛋白，如肌球蛋白,微丝微丝性细胞骨架的功能,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(溶胶)，维持细胞形状和赋予质膜机械强度(如红细胞膜骨架)，细胞的多种运动如胞质环流、阿米巴运动、变皱膜运动及吞噬等都与其有关，这些运动能为细胞松弛素所抑制,微丝微丝性细胞骨架的功能,肌动蛋白在微丝结合蛋白的协同下，形成独特的微丝性骨架结构，与细胞中许多重要的功能活动有关，如肌肉收缩、变形运动、胞质分裂等,细胞质运动以轮藻的胞质环流为例。,微丝微丝性细胞骨架的功能,胞质分裂环：有丝分裂末期，两个即将分裂的子细胞之间产生收缩环。由大量平行排列的微丝组成，分裂末期胞质中的肌动蛋白能迅速装配成收缩环并进一步收缩(肌动蛋白与肌球蛋白的相对滑动)，使两个子细胞分开；胞质分裂后，收缩环迅速去装配肌肉收缩：肌肉可看作一种特别富含细胞骨架的效率非常高的能量转换器，它直接将化学能转变为机械能,微丝微丝性细胞骨架的功能,肠上皮细胞微绒毛(microvillus)的轴心微丝是非肌肉细胞中高度有序微丝束的代表，微丝束同向平行排布，下端终止于端网结构(terminalweb)，维持微绒毛形状，无收缩功能应力纤维(stressfiber)广泛存在于真核细胞，由大量平行排列的微丝组成成分为肌动蛋白、肌球蛋白、原肌球蛋白和-辅肌动蛋白介导细胞间或细胞与基质表面的粘着，可能在细胞形态发生、细胞分化和组织形成等方面具有重要作用,微丝肌肉收缩,骨骼肌的超微结构骨骼肌(skeletalmuscle)肌细胞(肌纤维,myofiber)肌原纤维(myofibrils)肌小节(sarcomere),微丝肌肉收缩,肌小节包括粗肌丝(thickfilament)即肌球蛋白(myosin)、细肌丝(thinfilament)即肌动蛋白，肌动蛋白的正极端锚定在Z线(Zdisk,纤维网状结构)上,微丝肌肉收缩,肌肉收缩系统中的有关微丝结合蛋白肌球蛋白(myosin)，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)和尾部链，多个Myosin尾部相互缠绕，形成粗肌丝,微丝肌肉收缩,肌肉收缩系统中的有关微丝结合蛋白原肌球蛋白(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，一个Tm分子的长度相当于7个肌动蛋白。Tm结合于细肌丝，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：Tn-C(Ca2+敏感性蛋白)能特异与Ca2+结合，Tn-T与原肌球蛋白结合；Tn-I抑制肌球蛋白ATPase活性。细肌丝中每隔40nm有一个Tn复合体结合到原肌球蛋白上,微丝肌肉收缩,神经冲动诱发的肌肉收缩的基本过程动作电位的产生，神经冲动经轴突传到神经肌肉接点运动终板，肌肉细胞膜去极化，经T小管传至肌质网Ca2+的释放，肌质网去极化后释放Ca2+至肌浆中，阈浓度为10-6mol/L原肌球蛋白位移，Ca2+与Tn-C结合，引起构象变化，Tn-C与Tn-I、Tn-T结合力增强，Tn-I与肌动蛋白结合力削弱而脱离；同时Tn-T使原肌球蛋白移动到肌动蛋白双螺旋沟的深处，消除肌动蛋白与肌球蛋白结合的障碍,微丝肌肉收缩,神经冲动诱发的肌肉收缩的基本过程肌动蛋白丝与肌球蛋白丝的相对滑动：A肌球蛋白头部与肌动蛋白结合，ATP结合位点闲置，结合ATP后头部构象变化，脱离肌动蛋白B头部的ATP酶水解ATP，头部弯曲C头部释放Pi，与肌动蛋白另一亚基结合D头部释放ADP，恢复原状，导致滑动Ca2+的回收，到达肌肉细胞的一系列冲动一经停止，肌质网就通过主动运输重吸收Ca2+，于是收缩周期停止,微丝肌肉收缩,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,肌动蛋白,微管形态、结构与组成,微管(microtubule)是由微管蛋白(tubulin)装配而成的长管状细胞器结构，平均外径24nm，内径15nm微管壁由13根原纤维(protofilament)排列构成，原纤维由微管蛋白和微管蛋白交替排列而成,微管形态、结构与组成,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)，在细胞中呈网状或束状分布，并能与其他蛋白共同装配成纺锤体、基粒、中心粒、鞭毛、纤毛、轴突、神经管等结构，参与细胞形态的维持、细胞运动和细胞分裂微管存在于所有真核细胞中(极少数例外，如红细胞)，而所有原核细胞中都没有微管,一.微管的形态结构与化学组成,微管的形态结构：,5-9nm,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,微管横断面,细长中空的圆柱状结构。,横断面上看：,它是由13根原纤维纵向围绕而成,(一)微管的化学组成：,1.微管蛋白,微管蛋白(55KD450aa),微管蛋白(55KD550aa),异二聚体,2个鸟嘌呤核苷酸结合位点。,可与秋水仙素、长春花碱结合。,微管蛋白,微管蛋白,异二聚体,原纤维,微管,（13）,微管装配,鸟嘌呤核苷酸的2个结合位点,微管蛋白异二聚体,长春花碱、秋水仙素的结合位点,（二）微管种类,单管：13条原纤维组成，细胞质中大部分微管为单管。,二联管：两根微管组成，分为A管、B管，A管B管共用三根原纤维，主要构成鞭毛、纤毛。,三联管：由A、B、C三根微管组成，A与B、B与C各共用三根纤维，共含33根原纤维，主要构成中心粒。,二.微管的组装,1微管的体外组装,1972年Weisenberg小鼠分离微管蛋白体外组装,+,-,踏车,微管微管结合蛋白,微管结合蛋白(microtubuleassociatedprotein,MAP)-附着于微管多聚体上，参与微管的组装并增加微管的稳定性-MAP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他细胞组分如微管束、中间纤维、质膜等结合-MAP的主要功能：促进微管聚集成束；增加微管稳定性或强度；促进微管组装,微管特异性药物,微管特异性药物-秋水仙素(colchicine)，与微管蛋白结合后装配到微管末端，阻止其他微管蛋白的加入，阻断微管蛋白装配成微管，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.这种稳定对细胞是有害的，这使细胞周期停止于有丝分裂期。,微管功能,维持细胞形态，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,微管功能,细胞运输，微管起细胞内物质运输的路轨作用，与微管结合而起运输作用的马达蛋白有两大类：驱动蛋白(kinesin)和胞质动力蛋白(dynein)，两者均需ATP提供能量,微管功能(纤毛和鞭毛的运动),纤毛(cillum)和鞭毛(flagellum)并无绝对界限：少而长者称鞭毛，波浪式摆动；短而多者称纤毛，无规则运动纤毛和鞭毛都含有一个规则排列的由微管相互连接形成的骨架，即轴丝(axoneme)，92结构，相关蛋白结构：-微管蛋白二聚体-动力臂蛋白(dyneinarms)-微管连接蛋白(nexin)-放射辐条(radialspoke)-内鞘(centralsheath)运动机制滑动学说,微管功能(纤毛和鞭毛的运动),微管功能(纺锤体和染色体运动),细胞从间期进入分裂期时，细胞胞质微管网架崩解，微管解聚为微管蛋白，经重装配形成纺锤体，介导染色体的运动；分裂末期，纺锤体微管解聚为微管蛋白，经重装配形成胞质微管网,微管功能(纺锤体和染色体运动),纺锤体微管包括：动粒微管，连接动粒与两极的微管；极微管，从两极出发，在纺锤体中部交错重叠的微管；星体微管，组成星体的微管关于染色体运动分子机制的两种学说：动力平衡学说，认为染色体运动与微管的装配-去装配有关；滑行学说，认为染色体运动与微管间的相互滑动有关,微管功能(中心体和基体),中心体(centrosome)由一对相互垂直的中心粒(centrioles)及周围基质构成，位于鞭毛和纤毛根部的类似结构(单个)称为基体或基粒(basalbody)，均由三联体微管组成,微管功能(中心体和基体),中心体是主要的微管组织中心，纺锤体微管和胞质微管由中心体基质囊多个管蛋白(为微管蛋白二聚体提供起始装配位点)形成的环状核心放射出来,中心体(centrosome),草履虫中心粒的横切面和立体结构,星体,两个相互垂直的由9组三联管微管组成，中心粒外的细胞质区，其内无线粒体、高尔基体、核糖体，折光率高。,中心粒中心球,中心体星射线,动粒微管,极微管,星体微管,中心体,中心粒的功能：,确定动物细胞的分裂极，是动物细胞中主要的微管组织中心。,中心粒在细胞内具有自我复制的能力：G1期S期G2期分裂前期,两个中心粒略分开,每个中心粒一端附近出现前中心粒,前中心粒延长,前中心粒继续延长形成成熟的中心粒，与原来的垂直。,有丝分裂器的模式图解,5组成纺锤体并介导染色体的运动,中间纤维(intermediatefilament,IF)直径10nm左右，介于微丝(7nm)和微管(24nm)之间，中间纤维是最稳定的细胞骨架成分，围绕着细胞核分布，成束成网，并扩展到细胞质膜，与质膜相连结，主要起支撑作用按组织来源及免疫原性可分为5类，分布有严格的组织特异性角蛋白纤维：存在于上皮细胞中波形纤维：存在于间质细胞和中胚层来源的细胞中结蛋白纤维：存在于肌细胞中神经元纤维：存在于神经元中神经胶质纤维，存在于神经胶质细胞,中间纤维形态、结构与组成,中等纤维的基本组成单位中等纤维单体,中等纤维单体共同结构域,-螺旋杆状区,非螺旋区,：310个氨基酸残基组成。,头部（N-端）,尾部（C-端）,中间纤维形态、结构与组成,中间纤维蛋白分子由一个310个氨基酸残基形成的螺旋杆状区以及两端非螺旋化的球形头部(N端)、尾部(C端)构成，杆状区高度保守，头部和尾部的氨基酸序列在不同类型的中间纤维中变化较大,中间纤维装配,两条中间纤维多肽链形成超螺旋二聚体(dimer)两个二聚体反向(或顺向)平行以半交叠方式构成四聚体(tetramer)，可能是中间纤维解聚的最小亚单位四聚体首尾相连形成原纤维(protofilament)8根原纤维构成直径10nm圆柱状的纤维,中间纤维的功能至今仍不清楚，一般认为在细胞质中起支架作用，并与细胞核定位有关1.增强细胞抗机械压力的能力。2.中间纤维的支持作用对细胞核起固定作用，使核在细胞内占据一定的空间3.参与细胞内物质运输4.参与细胞器的定位纺锤体与染色体空间定向；子细胞中细胞器的定位5.参与信息传递,中间纤维功能,细胞核骨架,核基质染色体骨架核纤层,狭义的细胞核骨架(nucleoskeleton)仅指核基质(nuclearmatrix)，是指除核被膜、染色质、核纤层及核仁以外的核内网架体系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,核基质形态、结构与组成,核基质形态、结构与组成,核骨架蛋白与DNA的核骨架结合序列(matrinassociationregion,MAR)结合，又称为MAR结合蛋白，可区分MAR和非MARDNA，无严格的特异性，已鉴定的MAR结合蛋白如DNA拓扑异构酶(DNAtopoisomerase)、核基质蛋白(nuclearmatrin)、组蛋白H1等核骨架结合蛋白如转录因子、酶、受体、供体等,DNA序列中存在核骨架结合序列(MAR)，MAR一般位于DNA放射环或活性转录基因的两端，在基因表达调控中有作用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MAR的功能：通过与核骨架蛋白的结合，将DNA放射环锚定在核骨架上作为许多功能性基因调控蛋白的结合位点,核基质核骨架结合序列,核骨架与DNA复制，DNA聚合酶结合于核骨架上并因此被激活，DNA复制起点是MAR，核骨架是DNA复制的空间支架核骨架与基因表达，包括核骨架与基因转录活性的关系和核骨架与RNA加工修饰的关系。真核细胞中RNA的转录和加工均与核骨架有关，RNA聚合酶在核骨架上具有结合位点，RNA的合成在核骨架上进行，基因只有结合在核骨架上才能进行转录核骨架与病毒复制，作为外源基因的病毒DNA，复制、转录及加工均需依赖宿主细胞的核骨架核骨架与染色体构建，核骨架与染色体骨架的关系目前仍是不清楚的,核基质功能,染色体骨架的真实性近年来越来越多的工作支持染色体骨架是染色体中的真实结构，染色体的骨架-放射环模型在分子水平上得到实验证据染色体骨架的成分主要是非组蛋白，不含组蛋白染色体骨架与核骨架的关系,染色体骨架,核纤层(nuclearlamina)是细胞核内层核膜下的纤维蛋白片层或纤维网络，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,核纤层形态、结构与组成,核纤层纤维直径约10nm，间期细胞中纵横排列编织成厚度为30-100nm的球状或笼