细胞生物学第九章细胞骨架

第九章细胞骨架(Cytoskeleton),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,Microbubules,Microfilamemts,Intermediatefilaments,第九章细胞骨架,细胞骨架的发现细胞骨架的概念:真核细胞内由蛋白质组成的纤维状网架结构体系。细胞骨架的基本类型：1、微丝（microfilamentMF）2、微管（microtubuleMT）3、中间丝（intermediatefilamentIF）,第九章细胞骨架,细胞骨架的功能：（1）结构与支持作用（2）胞内物质运输（3）收缩和运动（4）空间组织细胞骨架的研究手段：荧光免疫,第一节微丝与细胞运动,微丝(microfilament,MF)微丝又称肌动蛋白纤维，指真核细胞中由肌动蛋白组成、直径7nm的骨架纤维。与微丝结合蛋白形成稳定的结构或动态结构，涉及众多功能。,微丝的存在形式：永久性结构与暂时性结构,一、微丝的组成及其组装,（一）结构与成分肌动蛋白(actin)是微丝的结构成分,以两种形式存在，即单体和多聚体。肌动蛋白单体（球状肌动蛋白G-actin）外观近似碟状，已发现4种肌动蛋白和一种肌动蛋白、一种肌动蛋白，进化上保守。肌动蛋白单体（G-actin）组成直径7nm双股螺旋微丝（F-actin)，具极性。,微丝,一、微丝的组成及其组装,（二）微丝的组装及动力学特征,肌动蛋白单体（G-actin）,ATP、Mg2+高浓度K+Na+,微丝（F-actin）,Ca2+和低K+Na+,微丝装配的过程：1、成核反应（Arp2/3复合物）2、纤维的延长3、稳定期,微丝的装配,一、微丝的组成及其组装,微丝装配的踏车现象：体外实验表明，溶液中ATP-肌动蛋白的浓度处于临界浓度时，ATP-肌动蛋白在(+)端添加，而从(-)端分离，表现出“踏车”现象。体内装配时，MF呈现出动态不稳定性，主要取决于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。,一、微丝的组成及其组装,（三）影响微丝组装的特异性药物细胞松弛素：切断微丝，结合在末端抑制微丝聚合。鬼笔环肽：与微丝侧面结合,抑制微丝解聚。荧光标记的鬼笔环肽可特异性的显示微丝。影响微丝装配动态性的药物对细胞都有毒害。,二、微丝网络动态结构的调节与细胞运动,（一）非肌肉细胞内微丝结合蛋白在大多数非肌肉细胞中，微丝是一种动态结构，持续进行组装与去组装，来维持细胞形态或进行细胞运动。体内肌动蛋白的组装在两个水平受到微丝结合蛋白的调节：1、可溶性肌动蛋白的存在状态。2、微丝结合蛋白的种类及存在状态。,微丝结合蛋白,已知的的微丝结合蛋白有100多种，分为以下类型：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。3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：使微丝去组装，cofilin6网络-形成蛋白蛋白：三维网络结构7纤维切断蛋白：将微丝切断，凝胶向溶胶转化8膜结合蛋白：vinculin,微丝结合蛋白功能,微丝的功能,维持细胞形态，赋予质膜机械强度细胞运动微绒毛(microvillus)应力纤维(stressfiber)参与胞质分裂肌肉收缩(musclecontraction),二、微丝网络动态结构的调节与细胞运动,（二）细胞皮层1、概念：微丝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，该区域称为细胞皮层。2、细胞皮层的功能：为质膜提供强度和韧性；皮层内肌动蛋白溶胶和凝胶的相互转变（胞质环流、阿米巴运动、变皱膜运动、吞噬活动、膜蛋白的定位）,胞质环流,二、微丝网络动态结构的调节与细胞运动,（三）应力纤维细胞质膜内侧与黏着斑相连的微丝束，反向平行排列。成分：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。具有收缩功能。在细胞形态发生、细胞分化、组织建成等方面有重要作用。,培养的上皮细胞中的应力纤维（微丝红，微管绿）,二、微丝网络动态结构的调节与细胞运动,（四）细胞伪足的形成与迁移运动细胞的迁移过程：1、细胞表面在运动方向的前端伸出突起（片状伪足与丝状伪足，肌动蛋白聚合、延伸）2、突起与细胞外基质附着3、细胞以附着点为支点向前移动4、后部附着点与基质脱离（微丝解聚）,二、微丝网络动态结构的调节与细胞运动,（五）微绒毛微丝位于微绒毛的轴心，平行排列，正极指向微绒毛的顶端，下端止于端网结构。与微丝结合蛋白一起维持微绒毛的结构。,二、微丝网络动态结构的调节与细胞运动,（六）、胞质分裂环：动物细胞有丝分裂末期，两个即将分裂的子细胞之间产生一个收缩环，收缩环由大量平行排列但极性方向不同的微丝组成，肌球蛋白沿微丝束滑动，收缩环收紧，两个子细胞分开。,胞质分裂环,三、肌球蛋白：依赖于微丝的分子马达,分子马达：主要指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。利用水解ATP的能量沿微管或微丝运输细胞器或膜泡。一）II型肌球蛋白(MyosinII）传统的肌球蛋白分子结构：由两条重链和四条轻链结合，头部具有ATP酶活性，能与微丝结合。在肌肉细胞中II型肌球蛋白组装成肌原纤维的粗丝，在非肌肉细胞中参与收缩环的形成和张力纤维的活动。,三、肌球蛋白：依赖于微丝的分子马达,二）非传统的肌球蛋白MyosinV结构类似myosinII，但重链有球形尾部。MyosinI由一个重链和两个轻链组成。MyosinI、II、V都存在于非肌细胞中，II型参与形成应力纤维和胞质收缩环，I、V型结合在膜上与膜泡运输有关。,四、肌细胞的收缩运动,（一）肌纤维的结构1、骨骼肌的结构肌纤维、肌原纤维、肌节、粗丝、细丝2、肌肉收缩中的有关蛋白II型肌球蛋白组成粗丝肌动蛋白、原肌球蛋白、肌钙蛋白组成细丝,四、肌细胞的收缩运动,原肌球蛋白（tropomyosin.Tm）：每个Tm的长度相当于7个肌动蛋白，呈长杆状。组成两条平行纤维，位于肌动蛋白双螺旋的沟中，主要作用是加强和稳定肌动蛋白丝，抑制肌动蛋白与肌球蛋白结合。肌钙蛋白（troponin,Tn）：含三个亚基，肌钙蛋白C特异地与钙结合，肌钙蛋白T与原肌球蛋白有高度亲和力，肌钙蛋白I抑制肌球蛋白的ATP酶活性，主要作用是调节肌肉收缩。,四、肌细胞的收缩运动,3、肌肉收缩的过程,动作电位产生,Ca2+的释放,原肌球蛋白位移,肌动蛋白丝与肌球蛋白丝的相对滑动,Ca2+的回收,肌肉收缩,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；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。,第二节微管及其功能,概念：微管是存在于所有真核细胞中由微管蛋白装配成的长管状细胞器结构，平均外径为24nm，内径15nm。存在形式：1、稳定结构，如纤毛、鞭毛、神经元突起内部。2、暂时性结构，如间期的胞质微管，分裂期的纺锤体微管。,Afluorescentlystainedimageofculturedepithelialcellsshowingthenucleus(yellow)andmicrotubules(red),培养的动物细胞微管,第二节微管及其功能,一、微管（microtuble,MT)的结构组成与极性（一）成分由微管蛋白和微管蛋白组成。二者形成异二聚体，是微管装配的基本单位。和微管蛋白上GTP结合位点（二）微管的极性首尾相连形成原纤丝，微管壁由13根原纤丝组成。微管具极性，正极（），负极（）,微管形成的结构有纺锤体（单微管）、纤毛和鞭毛（二联体微管）、中心粒和基粒（三联体微管）,二、微管的组装与去组装（一）微管的体外组装与踏车行为,二聚体,原纤丝,侧面层装配,微管延伸,成核,动力学不稳定性：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,微管两端具GDP帽则解聚体外微管装配过程中的踏车现象:在一定条件下，微管一端发生装配使微管延长，而另一端发生去装配而使微管缩短，这一现象称踏车现象。细胞内微管组装与去组装在时间与空间上的动态变化：间期细胞与分裂期细胞内微管的显著变化。,（二）微管特异性药物秋水仙素阻断微管的装配，使细胞分裂停止在中期。紫杉酚、D2O促进微管的装配，稳定微管，但破坏了微管的平衡，使细胞停止在有丝分裂期。,三、微管组织中心（MTOC）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。如中心体、基体。（一）中心体由互相垂直的两个中心粒和周围无定形外围物质组成。每个中心粒由9组三联体微管组成。中心体的成核模型：13个微管蛋白螺旋状排列成开放的环状结构。微管从环上生长。（二）基体和其它微管组织中心,四、微管的动力学性质荧光标记观察发现处于有丝分裂不同阶段的细胞内微管网络的排列方式有很大差别。处于生长状态的细胞内微管也在不断的组装与去组装。通常发生在正极。稳定的微管：纤毛、鞭毛、神经元细胞轴突与树突中的微管。片状伪足中的微管。,五、微管结合蛋白（MAPS）对微管网络的调节MAP1、MAP2、MAP3、MAP4、tau等，与微管结合，具有稳定微管的作用。,六、微管的功能（一）微管对细胞结构的组织作用（二）细胞内依赖于微管的物质运输（三）纤毛和鞭毛的结构与功能（四）纺锤体和染色体运动,（一）微管对细胞结构的组织作用真核细胞内蛋白质、和mRNA等大分子的分布、以及内质网、高尔基体、线粒体的定位与空间分布与微管密切相关。尤其是神经元细胞和极化细胞。微管与细胞器的分布以及细胞的形态发生与维持密切相关。,（二）细胞内依赖于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。马达蛋白（Motorproteins）神经元轴突运输模式色素颗粒的运输,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。1、驱动蛋白及其功能（1）驱动蛋白的结构：由两条重链和两条轻链组成。头部是两个球状马达结构域，是ATP和微管结合部位。驱动蛋白介导物质沿微管的负极向正极移动。,（2）、驱动蛋白沿微管运动的分子机制：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，落在后面的马达结构域将移动两倍的部距即16nm的距离。而原来领先的球状头部在下一个循环时再向前移动。尺蠖模型；驱动蛋白两个头部中的一个始终在前，另一个永远在后，每步移动8nm距离。,2、胞质动力蛋白及其功能（1）动力蛋白结构：两条或三条重链，多条轻链和中间链。马达结构域位于重链C端。（2）功能：细胞内介导沿微管从正极向负极的膜泡运输。与有丝分裂纺锤体的定位及后期染色体的分离有关。,神经元内部的物质运输,神经元内部的物质运输,鱼色素细胞颗粒的运输,（三）纤毛和鞭毛的结构与功能1、纤毛和鞭毛的结构（92+2）型微管结构，即周围9组二联体微管，中间2根单微管。轴丝动力蛋白从A管伸出。2、纤毛或鞭毛的运动机制轴丝动力蛋白所介导的相邻二联体微管相对滑动所致。,纤毛与鞭毛的摆动,（四）构成纺锤体，参与染色体运动纺锤体微管分为动粒微管、极微管、星体微管。结合在动粒部位的驱动蛋白和动力蛋白沿微管的运动完成染色体的运动。,纺锤体微管,第三节、中间丝,中间丝（intermediatefilament,IF)是真核细胞内直径10nm的纤维。一、中间丝的主要类型和组成成分（一）分类按组织来源及免疫原性分为6类。中间丝的分布具组织特异性。,波形纤维,细胞核,培养的上皮细胞中的角蛋白纤维网络,第三节、中间丝,（二）成分中间纤维是一类来源于同一基因家族，具高度同源性的蛋白。其共同特征是中间有一段310个左右氨基酸残基的螺旋区，而且高度保守，长度4050nm。非螺旋化的头部和尾部差异很大。,二、中间纤维的组装与表达IF蛋白为纤维状蛋白，装配复杂。,2个亚基,二聚体,四聚体,32个分子的高级结构,装配特点：IF装配的单体是纤维状蛋白；反向平行的四聚体导致IF不具有极性；无动态蛋白库；装配与温度和蛋白浓度无关；不需要ATP、GTP或结合蛋白的辅助;无踏车现象;可在已存在的中间丝的多个位点加入