细胞生物学第9章

细胞骨架的组成和分布,微管MICROTUBULES,中间纤维INTERMEDIATEFILAMENTS,微丝MICROFILAMENTS,第九章细胞骨架(cytoskeleton）,内容：,要求：,掌握细胞骨架的主要类型、结构和基本功能学习细胞骨架与细胞活动（如：细胞运动、肌肉收缩、细胞分裂等）的相互关系了解细胞骨架的研究方法掌握本章的名词术语,细胞骨架是指真核细胞中的蛋白质纤维网架体系.,细胞骨架系统-概述,细胞骨架体系的组成和分布细胞质骨架体系：微丝、微管、中间纤维核骨架-核纤层体系：纤维蛋白组成细胞膜骨架细胞外基质：由细胞分泌的蛋白质和多糖构成的网络结构。,基本功能：,作为支架作用，维持细胞形态在细胞内形成一个框架结构，为各种细胞器提供提供附着位点为细胞内物质和细胞器的运输运动提供机械支持和动力参与细胞运动参与信号转导,结构与支持作用,胞内运输作用,收缩和运动,空间组织,微丝（microfilament,MF）是由螺旋化的肌动蛋白纤维形成的直径约7nm-9nm的纤维。又称肌动蛋白纤维(actinfilament)。,第一节微丝与细胞运动,图-细胞中成束的肌动蛋白纤维（a）微绒毛；(b)细胞质中的张力纤维；（c）运动细胞前缘的鞘和指；(d)细胞分裂时的收缩环,9.1.1微丝的组成及其组装,肌动蛋白，43KDa,呈蝶状三维结构，三个结合位点:一个ATP结合位点，两个肌动蛋白结合蛋白的结合位点。,肌动蛋白单体称为球形肌动蛋白G-actin，至少存在、三种异构体，氨基酸序列高度保守性，具有极性。,微丝的形态结构,微丝纤维的负染电镜照片,肌动蛋白的两种存在形式,多聚体称为纤维形肌动蛋白F-actin,G-actin:,装配过程：成核(nucleation)延伸(elongation)稳定状态(steadystate),9.1.2微丝的装配动态,微丝的装配MicrofilamentAssembly,成核生长稳定状态,寡聚体,肌动蛋白的踏车现象,影响装配的因素G-肌动蛋白临界浓度：0.1umol/L离子浓度的影响：在ATP和Ca2+、Mg2+，高浓度K+或Na+的诱导下,G-肌动蛋白则装配成F-肌动蛋白。在Ca2+,低浓度Na+、K+等阳离子的溶液中,微丝趋向于解聚成G-肌动蛋白。,9.1.3影响微丝组装的特异性药物,细胞松弛素：真菌代谢产物。使微丝处于G-actin状态。切断微丝，阻止微丝装配。鬼笔环肽:由毒蕈产生的一种双环杆肽，使微丝处于F-actin状态，抑制解聚。荧光标记鬼笔环肽可显现细胞中的微丝。,9.1.4微丝结合蛋白,细胞中不同的微丝含有不同的微丝结合蛋白，形成独特的网络结构或执行特定的功能。如肌球蛋白、原肌球蛋白、肌钙蛋白等与肌肉收缩有关的蛋白。,单体隔离,封端（加帽）,交联,长纤维,膜结合,纤维切断,微丝结合蛋白,100多种,肌球蛋白(myosin)的结构：15种结构类型由1-2条重链和几个轻链组成，并组成三个结构域头部含有与肌动蛋白、ATP结合的位点，负责产生力。颈部颈部通过与钙调素或类似钙调素的调节轻链亚基的结合来调节头部的活性。尾部含有决定尾部是否同膜结合还是同其它的尾部结合的位点,依赖于微丝的分子马达:肌球蛋白,肌肉收缩有关的蛋白-,三类主要肌球蛋白的结构,单体蛋白,二聚体,这三种肌球蛋白间的主要差异在于同颈部结合的轻链的数量和类型。肌球蛋白和肌球蛋白的轻链是钙调素，而肌球蛋白含有两个不同的轻链，一个是必需轻链，另一个叫调节轻链。,500kDa,不同种类肌球蛋白的特殊功能由它们的尾部决定：肌球蛋白:运输作用、胞质收缩等肌球蛋白:运输作用肌球蛋白:肌收缩、胞质分裂,肌球蛋白的功能,myosin和的功能,参与肌丝滑动,膜泡运输,细胞形态维持,胞质收缩,原肌球蛋白（tropomyosin.Tm）,由两条平行的多肽链扭成螺旋，每个Tm的长度相当于7个肌动蛋白，呈长杆状。原肌球蛋白与肌动蛋白结合，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，调节肌动蛋白与肌球蛋白结合。,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的收缩。,肌钙蛋白（troponin,Tn）,图-肌动蛋白、原肌球蛋白、肌钙蛋白相互作用关系,原肌球蛋白,肌动蛋白,肌钙蛋白,图-肌细胞的结构,肌小节,骨骼肌细胞的收缩单位是肌原纤维的肌节，由粗肌丝和细肌丝组成，粗肌丝的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、肌钙蛋白。,M,肌球蛋白运动的机理：滑动模型,-,9.1.5微丝在非肌细胞中作用,参与细胞的连接（黏着带与黏着斑），维持细胞的形态细胞内运输作用细胞质流动(cytoplasmicstreaming)细胞爬行(cellcrawling)单细胞爬行:amoeboidmotion多细胞的爬行细胞分裂过程中收缩环的形成吞噬泡的形成,Cytoplasmicstreaming,流动的细胞质,稳定的细胞质（周细胞质）,叶绿体,细胞壁,中央液泡,微丝与胞质环流,细胞运动过程中力产生的两种假说：1、通过微丝的去装配和装配，将质膜向前推进2、通过肌球蛋白和肌动蛋白相互滑动将细胞向前推进。,细胞运动中力产生的两种假说图示,细胞爬行,片状伪足,附着层,前缘扩展,肌动蛋白外质,前缘与附着层结合,细胞末端收缩前移,胞质溶胶,体内细胞的移动,9.2微管（microtuble）及其功能,微管是存在于所有真核细胞中的，由微管蛋白组装成的管状结构。,1)结构成分,微管13条原纤维构成的中空管状结构，平均外径24nm.每条原纤维基本成分是两种类型的微管蛋白亚基组成的异二聚体。-微管蛋白：450个氨基酸（-）GTP不水解-微管蛋白:455个氨基酸（+）GTP水解,微管纤维结构示意图,原纤维,24nm,15nm,微管蛋白分子模型,-,秋水仙素结合位点长春花结合位点,-,+,2）微管的类型,单管,二联管（纤毛）,三联管（中心粒）,A,B,A,B,C,微管的稳定性：稳定的长寿微管和动态的短寿微管,按结构分为：,（细胞质或纺锤体）,3）微管的组装与去组装,体外装配条件：,微管蛋白浓度（1mg/ml）最适PH-6.9离子-Mg2+,不含Ca2+温度-37/（0）GTP的供应低压/（高压）,（+）末端,（-）末端,GTP帽,GDP微管,游离微管蛋白二聚体,微管蛋白,微管蛋白,A.原纤维装配,B.侧面层装配,C.微管延伸,微管的装配过程,8nm,13根原纤维,动态性质：踏车现象细胞内微管的装配在时间和空间上受严格的控制。极性功能上具有方向性：,微管具有的特点:,4）微管的特异性药物,秋水仙素：生物碱，阻止微管的形成，并将细胞阻断在中期。,紫杉醇：红豆杉属植物中的次生代谢产物，促进微管的聚合和稳定已聚合的微管。,目前发现一些除草剂是植物细胞特有的与微管结合的药物。,培养细胞微管组装与去组装的诱导,5）微管组装的起始点：微管组织中心（microtubuleorganizingcenter,MTOC）,微管组织中心:是微管进行组装的起始和延伸的细胞结构。含有微管蛋白。,MTOC主要作用：参与微管装配过程中的成核反应,微管从MTOC开始生长。,中心体（含一对中心粒）-动物细胞,基体（含一个中心粒）-纤毛和鞭毛,成膜体-植物细胞核外膜，与微管的组装和去组装有关的结构。,中心体结构模型,外中心粒物质,9组3联管,间期位于细胞核附近；分裂期位于纺锤体的两极。,-,+,+,+,+,+,+,+,-,中心体电镜照片,MAP2,6）微管结合蛋白（MAP）,主要功能：促进微管聚集成束增加微管的稳定性促进微管的装配,两个主要类型：型，对热敏感，包括MAP1a,1b型，热稳定性高，包括MAP2a,b,c,MAP4和Tau蛋白,7）功能,维持细胞形态，给各种细胞器进行定位，起支架作用；,维持细胞形态,以细胞核为中心向外放射状排列的微管纤维（红色）,微管介导的物质运输,胞质动力蛋白,胞质驱动蛋白,纺锤体驱动蛋白,驱动蛋白Kinesin,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，动力蛋白dynein，需ATP提供能量。,驱动蛋白发现于1985年，是由两条轻链和两条重链构成的四聚体。向着微管（+）极运输。,微管马达蛋白（发动机蛋白）,动力蛋白发现于1963年。在细胞分裂中推动染色体的分离、驱动鞭毛的运动等。向着微管（-）极运输。,动力蛋白Dynein,突触末端,作为色素颗粒运输轨道,参与细胞的有丝分裂和减数分裂活动,纺锤体是一种微管构成的动态结构，其作用是在分裂细胞中牵引染色体到达分裂极。,结构,鞭杆,基体,由基体和鞭杆两部分构成；鞭杆中的微管为9+2结构；（9组二联管）基体的微管组成为9+0结构。（9组三联管）,作为鞭毛和纤毛的运动元件,图-鞭毛的结构,内鞘,鞭毛和纤毛的运动依靠动力蛋白水解ATP,使相邻的二联微管相互滑动。,A管向相邻B管伸出两条动力蛋白臂，并向鞭毛中央发出一条辐。,9.3中间丝（中间纤维）（intermediatefilaments,IF）,角蛋白纤维-上皮细胞波形纤维-间质细胞和中胚层来源的细胞神经元纤维-神经元细胞结蛋白纤维-肌细胞神经胶质纤维-神经胶质细胞,-直径为10nm的圆柱状纤维，界于微管、微丝之间。,1)组成成分：按其组织来源及免疫学性质为5类：,根据中间丝蛋白的氨基酸序列、基因结构等特性，将中间丝分为6种主要类型：,：角蛋白（酸性）：角蛋白（中性、碱性）：波形纤维、结蛋白、神经胶质纤维等：神经丝蛋白亚基、-介连蛋白等：核纤层蛋白等：巢蛋白、微管卷曲蛋白等,角蛋白纤维,波形纤维,神经元纤维,神经胶质纤维,几种中间纤维的模式图,2)结构,1A,1B,2A,2B,H2N,COO,L1,L12,L2,H2N,COO,杆部,螺旋1,螺旋2,E1V1H1,H2V2E2,H亚区：同源区V亚区：可变区E亚区：末端区,3）装配,两个单体，形成两股超螺旋二聚体（角蛋白为异二聚体）；两个二聚体反向平行组装成四聚体；四聚体长向连成原纤维；8根原纤维组成10nm柱状纤维。,4）中间纤维结合蛋白（IFAP）,-使中间纤维交联成束、成网，并把中间纤维交联到质膜或其他骨架成分上。,丝聚蛋白使角蛋白纤维交联成束。,锚蛋白把结蛋白纤维与质膜连在一起。,例如：,5)中间纤维的功能,中间纤维与细胞分化胚胎发育上皮组织分化,细胞的支架维持细胞的形态、参与细胞的连接,与细胞核膜的稳定有关,角蛋白纤维对维持上皮组织细胞间连接和组织结构完整极为重要。角蛋白基因突变致使角蛋白中间纤维不能正确组装，出现皮肤水疱症。,1991年通过转基因技术证明中间纤维为细胞形态提供了机械支撑。,细胞质骨架主要成分的比较,成分分子量纤维直径纤维结构极性单体蛋白库特异性药物结合蛋白结合核苷酸踏车行为动力结合蛋白,微管蛋白50kD24nm13根原丝组成的纤维有有秋水仙碱紫杉醇有GTP有动力蛋白驱动蛋白,肌动蛋白43kD7-9nm螺旋化纤维有有细胞松弛素鬼笔环肽有ATP有肌球蛋白,5类中间纤维蛋白40-200kD10nm多级螺旋纤维无无无有无无无,微管,微丝,中间纤维,9.4细胞核骨架,狭义的核骨架：核基质广义的核骨架：核基质、核纤层-核孔复合体,在真核细胞核内以蛋白质成分为主的网架结构体系-核骨架,核骨架形态结构,非离子去垢剂(TrtoonX-100)温和处理,保证质骨架,核骨架和染色质纤丝的完整性TWeen-40和脱氧胆酸钠处理,去除微丝,微管和一些蛋白质,中间纤维网络保持完整.核酸酶去除染色质中DNA,RNA,组蛋白。核骨架-核纤层-中间纤维网络结构,Penman细胞分级抽提方法：,1974年D.Coffey等首次用核酸酶、非离子去垢剂和高盐溶液处理细胞核,分离核骨架。,精细发达的核骨架纤维网络,核骨架的主要成分:,核骨架蛋白（非组蛋白）核骨架结合蛋白少量的RNA,DNA,核骨架蛋白：与富含AT的DNA序列结合蛋白，是MAR结合蛋白。无严格的DNA序列特异性，是非组蛋白性纤维蛋白,目前已鉴定10几种类型400多种。,MAR（matrinassociationregion）：是指富含AT的DNA序列，称核骨架结合序列。每个细胞中大约有10万个MAR。,核骨架结合蛋白：,转录因子，酶，受体，供体。,核骨架是细胞核内组分布局的结构支架，与DNA复制及表达、染色体的构建有关。,核骨架的功能：,1为DNA的复制提供支架-结合有DNA复制所需要的酶，DNA的自主复制序列（ARS）也是结合在核骨架上。,2是基因转录加工的场所-有RNA聚合酶的结合位点，RNA的合成是在核骨架上进行的；新合成的RNA也结合在核骨架上。,-一般认为核骨架与染色体骨架为同一类物质，30nm的染色质纤维就是结合在核骨架上，形成放射环状的结构，在分裂期进一步包装成