第九章 细胞的骨架体系.ppt

第十章细胞骨架,赖晓芳,第一节细胞骨架概述,细胞骨架：cytoskeleton，是指真核细胞中的蛋白纤维网架体系。1924年，在光学显微镜下发现了应力纤维1928年，Klotzoff提出了细胞骨架的原始概念1963年，采用戊二醛常温固定在细胞中发现微管60年代后期，开始了细胞骨架的认识细胞骨架的特点：弥散性、整体性、变动性狭义的细胞骨架：细胞质骨架（微丝、微管、中等纤维）广义的细胞骨架：细胞质骨架、细胞核骨架、细胞膜骨架、细胞外基质,细胞骨架,微管,微丝,中间纤维,细胞骨架的功能,作为动态支架，提供结构支撑，决定细胞形状，抵抗细胞变形作为细胞内一种框架结构，定位细胞器，从而决定细胞的极性作为细胞内的高速公路网，指导物质和细胞器在细胞内的运动作为细胞的产力装置，使细胞的迁移行为得以完成作为细胞有丝分裂装置的必需组分，参与细胞分裂的完成作为锚定mRNA并促进其翻译成多肽的位点作为信号转导的成分，参与信号转导,细胞骨架功能,细胞骨架的研究方法,荧光显微术-观察细胞骨架及骨架的动态变化将小分子荧光染料与细胞骨架结构的蛋白质亚基共价偶联目的蛋白与荧光蛋白基因构建到同一个表达载体上利用录像显微术和聚焦激光束的离体运动分析基因工程细胞的应用基因敲除,第二节微管,微管：microtubule，是存在于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，通过其亚单位的装配和去装配能改变其长度。微管在胞质中形成网络结构，作为运输路轨并起支撑作用。对低温、高压、秋水仙素等药物敏感。细胞内微管呈网状或束状分布，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、细胞分裂。,微管,一、微管的成分、结构及存在形式,由和两种微管蛋白亚基二聚体为基本单位装配而成微管壁一周有13个二聚体盘绕成,1、微管的成分和结构,微管是由13条原纤维构成的中空管状结构，直径2225nm。每一条原纤维由微管蛋白二聚体线性排列而成微管蛋白二聚体由结构相似的和球蛋白构成。球蛋白结合的GTP从不发生水解或交换。球蛋白也是一种G蛋白，结合的GTP可发生水解，结合的GDP可交换为GTP。,微管的结构和组成,秋水仙素或长春碱,2、微管的存在形式,微管可装配面单管、二联管（鞭毛、纤毛）、三联管（中心粒、基体）单管：singlet，可随细胞周期发生变化，在低温、Ca2+和秋水仙素作用下容易解聚，属于不稳定微管，如纺锤体二联管和三联管只存在于某些特定的细胞器中，对低温、Ca2+和秋水仙素不敏感，属于稳定微管,二、微管的装配,1、体外装配方式-分为3个时期：成核期、延长期、稳定期成核期-微管蛋白和-微管蛋白形成二聚体，二聚体先形成环状核心(ring)，经过侧面增加二聚体而扩展为片状螺旋带，二聚体平行于长轴重复排列形成原纤维(protofilament)。当螺旋带加宽至13根原纤维时，即合拢形成一段微管。延长期细胞内高浓度的游离微管蛋白使微管聚合速度习快于解聚速度，新的二聚体不断加到微管的端点使之延长。稳定期随着细胞质中游离微管蛋白浓度的下降，达到临界浓度时，微管的聚合与解聚速度达到平衡，微管长度相对恒定。,所有的微管都有确定的极性。（-）（+）细胞内由微管构成的亚细胞结构也是有极性的。微管的加上和释放主要发生在（+）极，延长主要依靠在（+）极装配GTP微管蛋白低温、高的钙浓度使装配平衡趋向于解聚，另外微管蛋白浓度、最适pH及能量也影响,2、体内装配方式,装配和去装配在时间和空间上是高度有序的，间期，相对平衡；分裂期，受细胞周期的控制，前期胞质微管去装配，再装配成纺锤体，末期逆向转变。,3、微管装配的动态调节机制,动态调节机制：踏车模型和非稳态动力学模型踏车模型：微管结构具有极性，（+）极的最外端是，（-）极的最外端是，二者添加异二聚体的能力不同。初期，游离的微管蛋白二聚体浓度高，在（+）极的添加速度高于（-）极，微管趋于延长，随着游离的微管蛋白二聚体浓度的下降，（+）极的添加速度与（-）极的解聚速度达到平衡，微管长度相对恒定。非稳态动力学模型：动力学不稳定性产生的原因：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，形成GDP帽则解聚。,微管装配的非稳态动力学模型,三、微管结合蛋白（MAP）,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它细胞组分（如微管束、中间纤维、质膜）结合。主要功能：调节微管装配。增加微管稳定性和强度。作为细胞外信号的靶位点参与信号转导。,四、特异性药物,秋水仙素：colchicine，阻断微管蛋白装配成微管，可破坏纺锤体结构。在二聚体上有其结合位点，改变或封闭微管蛋白。与鬼臼素竞争长春花碱：作用同上，但结合位点不同。与美登木竞争紫杉酚：taxol，促进微管装配，并使已形成的微管稳定。但其稳定作用对细胞是有害的，使细胞停止于有丝分裂期。,五、微管组织中心,Microtubuleorganizingcenter，MTOC间期细胞-中心体（centrosome，动态微管）管蛋白：位于中心体周围的基质中，环形结构，结构稳定，为微管蛋白二聚体提供起始装配位点，所以又叫成核位点分裂细胞-有丝分裂纺锤体（动态微管）鞭毛（纤毛）-基体（永久性微管）基体与中心体一样可以自我复制,中心体,管蛋白及成核位点,基体,六、微管的功能,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,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马达蛋白（Motorprotein）有关。如神经轴突运输及鱼色素细胞色素颗粒的运输（皮肤颜色变化）。马达蛋白：需ATP提供能量作为动力驱动蛋白(kinesin):通常朝微管的正极方向运动胞质动力蛋白(cytoplasmicdynein)：朝微管的负极运动,驱动蛋白和胞质动力蛋白,驱动蛋白和胞质动力蛋白运输方式,神经元轴突的运输类型,神经元轴突的运输模式,色素颗粒运输,细胞器定位,染色体和纺锤体的运动,当细胞从间期进入分裂期，间期细胞胞质微管网架崩解，微管解聚为微管蛋白，经重组装配成纺锤体，介导染色体运动，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。染色体运动机制：动力平衡学说：与微管的装配与去装配有关滑行学说：与微管的相互滑动有关,染色体运动,星体微管,动粒微管,极微管,中心体,鞭毛和纤毛运动,许多细胞具有适应液态环境内运动的特性-能收缩的丝状附属物-鞭毛和纤毛鞭毛：长而少，鞭毛纲、精子纤毛：短而多，软体动物、棘皮动物、多细胞动物腔及内部管道的上皮细胞。如气管、生殖道,鞭毛和纤毛的结构,由基体和鞭杆两部分构成。鞭毛为二联体，其中的微管为9+2结构。二联微管A管由13条原纤维组成，B管由10条原纤维组成。基体为三联管，其中的微管为9+0结构。,鞭毛和纤毛的结构,动力蛋白臂：dyneinarm，ATP酶微管连接蛋白：nexin，双二联体微管间细丝连接放射辐条：radialspoke，A亚纤维与鞘连接中央鞘：innersheath,鞭毛和纤毛的运动机制,ADP+Pi释放变构、滑动,ATP,ATP水解角度复原,与B管结合,第三节微丝,一、微丝的成分和结构微丝：microfilament，MF，又称为肌动蛋白纤维（actinfilament），是指真核细胞中由肌动蛋白组成，直径为7nm的骨架纤维，每圈螺旋37nm。微丝是细胞中最主要的利用细胞化学能产生运动的机械-化学系统。,微丝的结构,根据等电点分为3类：分布于肌肉细胞；和分布于肌细胞和非肌细胞。actin单体外观呈哑铃形，称球形肌动蛋白G-actin；多聚体称为纤维形肌动蛋白F-actin。actin在进化上高度保守，酵母和兔子肌肉的肌动蛋白有88%的同源性。肌动蛋白要经过翻译后修饰，如N-端乙酰化或组氨酸残基的甲基化。,二、微丝装配,MF是由G-actin单体形成的多聚体，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。体外实验表明，MF正极与负极都能生长，生长快的一端为正极，慢的一端为负极；去装配时，负极比正极快。由于G-actin在正极端装配，负极去装配，从而表现为踏车行为。体内则由于末端被封端蛋白结合，阻止actin加上和脱落，无踏车。微丝的装配必需一定的盐浓度（主要是Mg2+），一定的G-actin浓度和ATP存在下才能进行。在Ca2+及低浓度的Na+、K+趋向于解聚，在Mg2+及高浓度的Na+、K+趋向于装配。,踏车行为,非稳态动力学模型：1984年，Carlier1个G-actin分子可结合1分子ATP，结合ATP的actin对纤维末端的亲和性高，当ATP-actin结合到末端后，actin构象改变，然后ATP水解为ADP+Pi。而ADP-actin对纤维末端的亲和性低，容易脱落，使纤维缩短。ATP-actin浓度与其聚合速度成正比，当ATP-actin高浓度时，ATP-actin在末端聚合速度快，由于ATP水解稍后发生，从而在纤维末端形成一连串的ATP-actin，称为ATP帽，而近中部为ADP-actin，当ATP-actin不断耗竭使浓度下降时,ATP-actin在末端的聚合速度就下降,而ATP水解为ADP+Pi的速度不变，结果使ATP帽不断缩小而消失，最后暴露出ADP-actin，由于ADP-actin对末端的亲和性小，结果ADP-actin不断解聚脱落，纤维缩短。ADP-actin中的ADP又被ATP置换重新形成ATP-actin参加聚合，一些缩短的纤维在其末端可重新形成ATP帽再延长。,非稳态动力学模型,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。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（肌肉中的细丝、微绒毛的轴心微丝）,有些微丝是暂时性的结构（胞质分裂环微丝、哺乳动物血小板微丝、无脊椎动物精子顶体中的微丝）。,微丝结构,三、微丝结合蛋白,微丝系统的主要成分是肌动蛋白纤维，肌动蛋白纤维要装配成不同的微丝网络结构（应力纤维、肌肉细丝、绒毛轴心），参与细胞生命活动，在很大程度上受微丝结合蛋白的调节。微丝结合蛋白种类、数量和活性状态的不同，可以导致肌动蛋白纤维各种各样的结构和功能方式。,actin单体结合蛋白,这些小分子蛋白与actin单体结合，阻止其添加到微丝末端，当细胞需要单体时才释放，主要用于actin装配的调节，如thymosin（血小板或嗜中性白细胞参与血管创伤、受精时的顶体反应）、proflin（细胞膜上参与细胞外刺激）等。,微丝结合蛋白,纽蛋白和-辅肌动蛋白：将微丝固着于细胞膜上，肌肉细胞及粘着带和粘着斑封端蛋白：特异结合身微丝的正端或负端的结合蛋白，抑制这一端上的微丝的聚合或解聚。截断蛋白：在一定条件下可把长的微丝切断的结合蛋白，绒毛蛋白、凝溶胶蛋白，高钙时打断微丝，低钙时重新连接微丝。,微丝结合蛋白,微丝结合蛋白,单体结合蛋白,解聚蛋白,微丝结合蛋白,截断蛋白,单体隐蔽蛋白,微丝结合蛋白,交联蛋白,微丝结合蛋白,纽蛋白和-辅肌动蛋白,微丝结合蛋白组织微丝形式,Parallelbundle:MF同向平行排列，主要发现于微绒毛与丝状伪足,MF反向平行排列，主要发现于应力纤维和有丝分裂收缩环,Gel-likenetwork:细胞皮层(cellcortex)中微丝排列形式，MF相互交错排列,四、微丝特异性药物,细胞松驰素：cytochalasins，可以切断微丝，并结合在微丝正末端阻抑肌动蛋白聚合，导致微丝解聚。鬼笔环肽：phalloidin，与F肌动蛋白结合，而不与G肌动蛋白结合，使肌动蛋白纤维稳定，抑制解聚。影响微丝装配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库间的动态平衡。这种动态平衡受actin单体浓度和微丝结蛋白的影响。,细胞松驰素使微丝解聚,五、微丝的功能,1、构成细胞的支架并维持细胞形态细胞皮层为质膜提供机械强度和韧性,应力纤维,广泛存在于真核细胞，与细胞对基质的附着、维持细胞扁平铺展的形状有关，使细胞具有抗剪切力成分：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。,培养的上皮细胞中的应力纤维（微丝红色、微管绿色）,应力纤维,小肠上皮细胞微绒毛,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。但不含肌球蛋白、原肌球蛋白，因而无收缩功能。,2、参与细胞运动,运动形式：胞质环流、阿米巴运动、变皱膜运动、细胞吞噬运动机理：肌动蛋白的溶胶与凝胶的相互转换。溶胶：细胞膜下一层富含肌动蛋白纤维的区域。条件：低pH及低浓度的钙离子，-辅肌动蛋白使肌动蛋白从粘绸的流体变成凝胶；当pH升高及高浓度钙离子，阻断蛋白插入到微丝的亚单位之间，截断微丝，溶胶化。需ATP,胞质环流,原因：由于一些成束的微丝分布在含有大量交织微丝网架的凝胶层表面，而内质溶胶中游离的或与一些颗粒结构相连接的肌球蛋白分子沿着微丝束产生滑动，从而带动整个胞质的环流。,成纤维细胞爬行：变皱膜运动,细胞变形运动,1、肌动蛋白聚合伸出伪足,2、伪足与基质间形成新的锚定位点,3、胞质溶胶向前流动,3、参与细胞的分裂,细胞分裂末期产生的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。细胞松驰素B,4、参与细胞内信息传递,5、参与细胞内物质的运输肌球蛋白作为分子马达，微丝作为轨道。,6、参与肌肉收缩,肌肉是动物体占体重百分比最大的组织，高等动物的骨骼肌、心肌、平滑肌总量达到体重的4050%。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。F=3.5KG/cm2有机体的一切机械运动及各脏器的重要生理功能，都要通过肌肉的收缩与松驰才能实现。如肢体的运动、心脏的跳动、肺的呼吸等。,肌肉的超微结构,肌肉由肌原纤维组成，肌原纤维包括粗肌丝和细肌丝，粗肌丝主要成分是肌球蛋白，细肌丝的主要成分是肌动蛋白、原肌球蛋白和肌钙蛋白。肌肉收缩的基本单位是肌小节（sarcomere）。肌小节是相邻两Z线间的单位。主要结构有：A带（暗带）：为粗肌丝所在。H区：A带中央色浅部份，此处只有粗肌丝。I带（明带）：只含细肌丝部分。Z线：细肌丝一端游离，一端附于Z线。,肌小节的组成,收缩系统的分子结构,肌球蛋白：myosin，约占肌肉总蛋白的一半，其头部具ATP酶活力,沿微丝从负极到正极进行运动。MyosinII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)肌动蛋白：肌动蛋白、原肌球蛋白、肌钙蛋白组成细肌丝CapZ：定位于肌细胞Z线，结合于肌动蛋白纤维（+）端，阻止解聚-辅肌动蛋白：横向连接微丝成束纽蛋白：介导微丝结合于细胞膜肌联蛋白：保持粗丝在收缩时位于肌节中央,肌球蛋白,肌钙蛋白及细肌丝结构,肌钙蛋白及细肌丝结构,肌肉收缩滑动模型,肌肉收缩过程图解,动作电位的产生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,第四