细胞骨架课件

滨州医学院细胞生物学教研室,第9章细胞骨架,滨州医学院细胞生物学教研室,细胞骨架,细胞骨架（cytoskeleton）:是指真核细胞中由蛋白质纤维交织而成的立体网架体系。它充满整个细胞质的空间，与外侧的细胞膜和内侧的核膜存在一定的结构联系，以保持细胞特有的形状，并与细胞运动有关。真核细胞中骨架蛋白含量为总量10%30%。细胞骨架进化上保守。,滨州医学院细胞生物学教研室,狭义的细胞骨架：指细胞质骨架，由微管、微丝和中间纤维组成。广义的细胞骨架：包括细胞质骨架、细胞核骨架和细胞外基质。,滨州医学院细胞生物学教研室,滨州医学院细胞生物学教研室,滨州医学院细胞生物学教研室,主要内容,第一节微丝(microfilament,MF)第二节微管（microtubules）一、中心粒二、纤毛和鞭毛及其运动第三节中间纤维（intermediatefilament,IF),滨州医学院细胞生物学教研室,第1节微丝microfilament,微丝，又称肌动蛋白纤维（actinfilament），是真核细胞中由肌动蛋白（actin）组成，直径59nm骨架纤维。一、微丝的成分和结构二、微丝结合蛋白及其功能三、微丝的组装和动态调节四、微丝的功能,滨州医学院细胞生物学教研室,一、微丝的成分和结构,微丝的基本单位：肌动蛋白（actin），相对分子量为43000。其立体结构由两个结构域（domain）组成，呈蛤蚌形。,滨州医学院细胞生物学教研室,肌动蛋白立体结构：,由两个结构域组成，两个结构域之间有ATP或ADP以及二价离子（Ca2+Mg2+或Sr2+）的结合位点。每一个结构域又由两个亚基组成，彼此可以运动，从而造成肌动蛋白分子构象的改变，仅存在于微丝的组装和解离过程中。,滨州医学院细胞生物学教研室,两个结构域,ADP,ATP,ADP,pi,ATP,滨州医学院细胞生物学教研室,肌动蛋白分子有极性,正端,负端,氨基端,羧基端,plusend,minusend,滨州医学院细胞生物学教研室,肌动蛋白分类,肌动蛋白,肌动蛋白,肌动蛋白,骨骼肌型,心肌型,血管平滑肌型,见于所有的肌肉细胞和非肌肉细胞的细胞质中,肠道平滑肌型,按其等电点不同,滨州医学院细胞生物学教研室,肌动蛋白存在方式,肌动蛋白在细胞中的存在方式有两种：球状肌动蛋白（globularactin,G-actin）是游离状态的球形单体分子纤维状肌动蛋白（filamentousactin,F-actin）存在于微丝中的肌动蛋白残基这两种形式的肌动蛋白在一定条件下可互相转换。,滨州医学院细胞生物学教研室,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4个亚单位，呈上、下及两侧排列。,滨州医学院细胞生物学教研室,二、微丝的组装和动态调节,(一)微丝的组装微丝解聚成G-actin：Ca2+、低浓度的Na+、K+G-actin组装成微丝：ATP、Mg2+、高浓度的Na+、K+1、成核期微丝组装的限速过程，又称延迟期。2、生长期微丝的延长阶段。踏车现象:微丝延长到一定长度，肌动蛋白掺入微丝的速度与其从微丝上解离的速度达到平衡，这种现象称为踏车现象。3、平衡期微丝的长度基本不变，仍进行着聚合与解聚活动。由于肌动蛋白具有极性，组装时呈头尾相接，故微丝也具有极性。微丝组装过程中，球形肌动蛋白在正端组装速度快，负端组装速度慢。,滨州医学院细胞生物学教研室,ATP,ATP帽,ADP,滨州医学院细胞生物学教研室,(二)微丝的组装的动态调节,ATP和微丝结合蛋白参与对微丝组装的调节，其中ATP是调节微丝组装的主要因素。动态调节：影响因素：肌动蛋白浓度、药物、离子环境等（细胞松弛素）,滨州医学院细胞生物学教研室,动态调节：在适宜的温度，存在ATP、K+、Mg2+离子的条件下，肌动蛋白单体可自组装为纤维。ATP-actin（结合ATP的肌动蛋白)对微丝纤维末端的亲和力高，ADP-actin对纤维末端的亲和力低，容易脱落。当溶液中ATP-actin浓度高时，微丝快速生长，在微丝纤维的两端形成ATP-actin“帽子”，这样的微丝有较高的稳定性。伴随着ATP水解，微丝结合的ATP就变成了ADP，当ADP-actin暴露出来后，微丝就开始去组装而变短。微丝具有极性，肌动蛋白单体加到（+）极的速度要比加到（-）极的速度快5-10倍。溶液中ATP-肌动蛋白的浓度也影响组装的速度。当处于临界浓度时，ATP-actin可能继续在（+）端添加、而在（-）端开始分离，表现出一种“踏车”现象。,滨州医学院细胞生物学教研室,踏车现象,滨州医学院细胞生物学教研室,ATP,ATP帽,ADP,滨州医学院细胞生物学教研室,“踏车”现象,滨州医学院细胞生物学教研室,踏车模型,滨州医学院细胞生物学教研室,三、微丝结合蛋白及其功能,（一）肌细胞中的微丝结合蛋白1、肌球蛋白（myosin）2、原肌球蛋白（tropomyosin）3、肌钙蛋白（troponin）（二）非肌细胞中的微丝结合蛋白（三）微丝特异性药物,滨州医学院细胞生物学教研室,1、肌球蛋白（myosin）,肌球蛋白：细胞中促进微丝移动的蛋白，至少13种。肌球蛋白（myosin）：相对分子质量约460000，由两条重链和两对轻链组成，形似黄豆芽。重链：含有一个很长的超螺旋尾部和两个球形头部的二聚体，尾部可使肌球蛋白聚合成双极粗丝。头部具有ATP酶活性和肌动蛋白结合位点，发生构象改变后可与微丝结合，水解ATP产生能量使肌肉收缩。轻链有两种：结合于重链的头部。功能：使重链头部发生构象变化，暴露出与肌动蛋白的结合位点，并使重链尾部伸直，方便双极粗肌丝的形成。,滨州医学院细胞生物学教研室,MyosinIIstructure,滨州医学院细胞生物学教研室,MyosinIIstructure,滨州医学院细胞生物学教研室,2、原肌球蛋白（tropomyosin）,原肌球蛋白：为两条多肽链相互盘绕成的螺旋纤维。许多原肌球蛋白纤维头尾连接形成长纤维，位于肌动蛋白螺旋沟内。一个原肌球蛋白的长度相当于7个球形肌球蛋白，可与7个肌球蛋白分子结合。作用：调节肌动蛋白与肌球蛋白结合。,滨州医学院细胞生物学教研室,3、肌钙蛋白（troponin）,肌钙蛋白（troponin）：由3个亚单位组成，结合在原肌球蛋白纤维上。作用：肌钙蛋白能特异地与Ca2+结合，并能调节肌球蛋白的ATP酶活性（抑制）。,滨州医学院细胞生物学教研室,滨州医学院细胞生物学教研室,非肌细胞中的微丝结合蛋白,作用1.核化蛋白2.单体隐蔽蛋白3.封端蛋白（end-blockingprotein）4.单体聚合蛋白5.微丝解聚蛋白6.交联蛋白7.纤维切断蛋白8.膜结合蛋白,滨州医学院细胞生物学教研室,（三）微丝特异性药物,1、细胞松弛素：切断微丝，结合微丝末端阻抑肌动蛋白聚合，破坏微丝三维网络2、鬼笔环肽：与微丝有强亲合作用，是肌动蛋白纤维稳定，抑制解聚，只与F肌动蛋白结合，不与G肌动蛋白结合。,滨州医学院细胞生物学教研室,四、微丝的功能,（一）微丝的细胞支架作用：微丝参与的细胞骨架的形成，维持细胞的形态（二）微丝参与细胞运动（三）微丝参与细胞分裂（四）微丝参与肌肉收缩（五）微丝参与细胞内物质运输（六）参与受精作用,滨州医学院细胞生物学教研室,（一）微丝的细胞支架作用,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，如哺乳动物红细胞膜骨架的作用。小肠上皮细胞微绒毛应力纤维,滨州医学院细胞生物学教研室,红细胞膜骨架,滨州医学院细胞生物学教研室,小肠上皮细胞微绒毛：其核心有2030个同向平行排列的微丝，绒毛蛋白和毛缘蛋白将微丝连接成微丝束，使微绒毛具有结构刚性而呈指状突起。应力纤维：是一种较稳定的微丝束结构，广泛存在于各种细胞中，由许多平行排列的微丝构成。功能：维持细胞的扁平铺展和特异的形状，并赋予细胞韧性和强度。,滨州医学院细胞生物学教研室,滨州医学院细胞生物学教研室,滨州医学院细胞生物学教研室,应力纤维结构模型,滨州医学院细胞生物学教研室,培养的上皮细胞中的应力纤维（微丝红色、微管绿色）,滨州医学院细胞生物学教研室,微丝参与肌肉收缩,肌细胞的收缩是机体实现一切机械运动和各脏器生理功能的重要途径。横纹肌（亦称骨骼肌）细胞是由肌原纤维组成。肌肉的细微结构(以骨骼肌为例)1、肌节的结构2、肌肉收缩的机制：粗肌丝与细肌丝之间相互滑动的结果。肌肉收缩的滑动丝模型肌细胞收缩最明显的特征是肌球蛋白的S1头部与邻近的细肌丝结合并发生一系列构象变化。变化过程可分为：接合、释放、直立、力产生、重新接合。,滨州医学院细胞生物学教研室,肌肉的细微结构(以骨骼肌为例),滨州医学院细胞生物学教研室,1.肌节的结构,滨州医学院细胞生物学教研室,在肌节中：细肌丝的正端固着在Z线上，负端伸向粗肌丝之间，游离于H带外侧；粗肌丝位于A带。粗肌丝两端部分分别与细肌丝的负端部分在H带以外的A带中相互重叠。重叠区，粗肌丝伸出许多小突起，称横桥。6根细肌丝围绕在一根粗肌丝周围。,滨州医学院细胞生物学教研室,肌肉收缩的滑动丝模型,在肌肉收缩时，横桥可推动肌动蛋白丝（细肌丝）和肌球蛋白（粗肌丝）的滑行，A带的长度不变，I带和H带缩短，甚至消失。,滨州医学院细胞生物学教研室,肌细胞收缩最明显的特征是肌球蛋白的S1头部与邻近的细肌丝结合并发生一系列构象变化。变化过程可分为：接合、释放、直立、力产生、重新接合。,滨州医学院细胞生物学教研室,（三）微丝参与细胞分裂,在有丝分裂的末期，在细胞膜的中部凹缩形成收缩环。收缩环由大量平行排列但具有不同极性的微丝构成。收缩的动力：来自纤维束中肌动蛋白和肌球蛋白的相对滑动。,滨州医学院细胞生物学教研室,动物细胞的胞质收缩环,滨州医学院细胞生物学教研室,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。,滨州医学院细胞生物学教研室,（四）微丝参与细胞运动,细胞有多种运动方式，如胞质环流、变形运动、变皱膜运动以及细胞的吞噬活动等都与微丝有关。成纤维细胞爬行与微丝装配和解聚相关,滨州医学院细胞生物学教研室,成纤维细胞爬行与微丝装配和解聚相关,滨州医学院细胞生物学教研室,（五）微丝参与细胞内信号转导,微丝可作为某些信息传递的介质。,滨州医学院细胞生物学教研室,第2节微管,一、微管的化学组成二、微管的结构和种类三、微管的组装四、微管的功能,滨州医学院细胞生物学教研室,一、微管的化学组成,微管蛋白tubulin组成，它以二聚体存在，进化上高度保守。1、微管蛋白：分为-微管蛋白、-微管蛋白2、微管结合蛋白：是一类附着在微管结合多聚体上，参与微管的组装、增加微管稳定性的蛋白质。主要功能：调节微管的特异性，并将微管连接到特异性的细胞器上。主要包括：MAP-1、MAP-2、蛋白、MAP-4。前三者主存在神经元，MAP-4在神经元和非神经元中均有分布。,滨州医学院细胞生物学教研室,二、微管的结构和种类,1、微管的结构中空圆管状，外径24nm，内径15nm。管壁由13条原纤维包围而成。原纤维是由、两种微管蛋白首尾相接交替排列组成，所以微管有极性。2、微管的种类单管、二联管和三联管,滨州医学院细胞生物学教研室,单管：细胞质中二联管：鞭毛、纤毛内三联管：中心粒、基体,三种存在形式,滨州医学院细胞生物学教研室,滨州医学院细胞生物学教研室,滨州医学院细胞生物学教研室,三、微管的组装,（一）微管的体外组装1、微管组装的过程2、影响微管组装的因素3、微管组装的机制（二）微管的体内组装1、细胞内微管组装的特点2、体内微管组装的动态调节,滨州医学院细胞生物学教研室,1、组装的过程,微管蛋白连接成二聚体,二聚体在两端和侧面增加扩展成片状,扩展宽至13根原纤维，为一段微管,滨州医学院细胞生物学教研室,滨州医学院细胞生物学教研室,2、影响微管组装的因素,体外实验证明，微管蛋白浓度、温度、PH值、离子环境等可影响微管的组装。临界浓度：微管蛋白的浓度对微管的组装具有调节作用，当微管的组装和去组装速度相等时，溶液中的微管蛋白浓度称临界浓度（criticalconcentration,Cc）。此时微管长度不变。,滨州医学院细胞生物学教研室,微管特异性药物,1.秋水仙碱和长春碱类生物碱（长春碱、长春新碱）：能与微管蛋白二聚体结合，阻止微管组装。2.紫杉酚和重水：可降低微管蛋白二聚体的临界浓度，因而能促进微管的组装并稳定已组装的微管。,滨州医学院细胞生物学教研室,3、微管组装的机制,目前人们普遍接受的模型是非稳态动力学模型。该模型认为：在微管组装过程中，微管蛋白的浓度和GTP的存在是最为重要的两个条件。结合有GTP的微管蛋白对微管末端的亲和性大，易聚合到微管的末端。动力学不稳定性,滨州医学院细胞生物学教研室,动力学不稳定性产生的原因,滨州医学院细胞生物学教研室,1、细胞内微管组装的特点,体内微管装配动态：间期，细胞质微管与微管蛋白亚单位库处于相对平衡状态；分裂前期，胞质微管网络中的微管去装配，游离的微管蛋白亚单位装配为纺锤体；末期，发生逆向转变。微管组织中心（MTOC）：微管在生理状态及实验处理解聚后重新装配的发生处。动物细胞的MTOC为中心体，MTOC决定微管极性，负极指向MTOC，正极背向MTOC。,滨州医学院细胞生物学教研室,2、体内微管组装的动态调节,微管在体内组装的动力学不稳定性可使新形成的胞质区域很快具有微管结构，并能使微管更有效的寻找三维空间，从而使微管找到细胞中特异的靶位点，即所谓的寻找-捕获模型（searchcaptruemodel）。如在细胞分裂早期，从中心粒发出的不稳定微管正端可在细胞质中找到染色体动粒上的结合位点，并捕获这些结合位点。,滨州医学院细胞生物学教研室,四、微管的功能,（一）微管的维持细胞形态作用（二）微管参与细胞内物质运输（三）微管维持细胞器的空间定位分布（四）微管构成纺锤体（,滨州医学院细胞生物学教研室,（一）微管的细胞支架作用,滨州医学院细胞生物学教研室,（二）微管参与细胞运动,滨州医学院细胞生物学教研室,滨州医学院细胞生物学教研室,滨州医学院细胞生物学教研室,纤毛运动方式可分为摆动式、钩式和漏斗式。鞭毛靠波浪式摆动推动细胞前进。运动机制：滑动学说。由于动力蛋白驱动二联管之间的相互滑动。,滨州医学院细胞生物学教研室,（三）微管参与细胞内物质运输,滨州医学院细胞生物学教研室,（四）微管参与细胞分裂,滨州医学院细胞生物学教研室,滨州医学院细胞生物学教研室,第三节中间纤维,在电镜下，中间纤维是一类直径约10nm的管状纤维，由于其直径介于微丝和微管之间，故名为中间纤维。一、中间纤维的蛋白类型二、中间纤维蛋白的形态结构和中间纤维结合蛋白三、中间纤维的组装中间纤维的动态调节四、中间纤维的功能,滨州医学院细胞生物学教研室,一、中间纤维蛋白的类型,由50多种纤维状蛋白组成，是一种空心纤维结构，直径介于微管和微丝之间。按组织来源和免疫原性可分为6类：酸性蛋白中性/碱性蛋白泼形蛋白神经丝蛋白核纤层蛋白巢蛋白中间纤维蛋白来源于同一基因家族，具有高度同源性。,滨州医学院细胞生物学教研室,二、中间纤维的形态结构,三个区域：头、杆状中心区域、尾。,滨州医学院细胞生物学教研室,三、中间纤维结合蛋白（IFAP）,是一类在结构和功能上与中间纤维有密切关系，但其本身不是中间纤维结构组成的蛋白。IFAP可能在中间纤维上或其两端与中间纤维紧密或松散结合，也可能作为中间纤维超分子结构的调节者