第10章 细胞骨架-3版-

上课了！,同学们好！,细胞生物学,生命科学与技术学院张晓军教授,第十章细胞骨架(Cytoskeleton),细胞骨架的概述细胞骨架的组成,第一节细胞骨架的概述,细胞骨架概念细胞骨架是指存在于真核细胞的细胞质中的蛋白纤维网架结构体系有狭义和广义两种涵义在细胞质基质中包括微丝、微管和中间纤维。在细胞核中存在核骨架-核纤层体系。核骨架、核纤层与中间纤维在结构上相互连接,贯穿于细胞核和细胞质的网架体系。,细胞骨架,狭义:,广义,细胞质骨架,微丝微管中间纤维,细胞核骨架细胞质骨架细胞膜骨架细胞外基质,细胞骨架主要功能的概述,作为动态的支架，提供结构支撑以决定细胞形状和抵抗细胞变形。作为在细胞内定位各种细胞器的内部框架。作为高速公路网指导物质与细胞器在细胞内的运动。作为产生力的装置，将细胞从一个地方移至到另一个地方。作为锚定mRNA并促进其翻译成多肽的位点。作为细胞分裂的必要组分。,第二节细胞骨架的组成,微管（microtubules,MT）微丝(microfilament,MF)中间纤维(intermediatefilament,IF),细胞核骨架,核基质(NuclearMatrix)染色体骨架核纤层(NuclearLamina),二、微丝(microfilament,MF),微丝的概念成分与形态结构微丝的装配微丝特异性药物微丝结合蛋白微丝的功能,（一）微丝的概念,又称肌动蛋白纤维(actinfilament),是指真核细胞中由肌动蛋白(actin)单体组成的直径为7nm的骨架纤维。在细胞内与几乎所有形式的运动相关。,（二）成分与形态结构,成分肌动蛋白(actin)是微丝的结构成分,外观呈哑铃状,这种actin又叫球形肌动蛋白（G-actin）。形态结构由球形肌动蛋白(G-actin),聚合形成的多聚体链，因此微丝又称为纤维形肌动蛋白（F-actin）近年来认为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四个亚基，呈上、下及两侧排列。,(三）微丝的组装及动力学特性,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。微丝的极性有裂口的一端是负端：缓慢增长端无裂口的一端是正端：快速增长端。,微丝的组装过程第一阶段：成核反应形成至少2-3个肌动蛋白单体组成的寡聚体。第二阶段：纤维的延长肌动蛋白单体与ATP结合,微丝组装的动力学特性,体外实验表明，组装时，（肌动蛋白-ATP亚基）正极比负极快；去组装时，（肌动蛋白-ADP亚基）负极比正极快。由于肌动蛋白-ATP亚基在微丝正端尤先添加，而肌动蛋白-ADP亚基在微丝负极尤先失去，从而表现为踏车行为。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,有些微丝是暂时性的结构。,（四）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,因而导致微丝解聚。鬼笔环肽(philloidin)：与微丝侧面结合,使微丝稳定抑制MF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单体浓度和微丝结合蛋白的影响。,（五）微丝结合蛋白,微丝网络微丝微丝结合蛋白微丝结合蛋白对肌动蛋白组装的调节可溶性肌动蛋白的存在状态微丝结合蛋白的种类及其存在状态,（五）微丝结合蛋白,微丝结合蛋白类型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proflin等。微丝结合蛋白微丝结合蛋白将微丝组织成以下三种主要形式,Parallelbundle:MF同向平行排列，主要发现于微绒毛与丝状伪足。Contractilebundle: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:MF相互交错排列，细胞皮层(cellcortex)中微丝排列形式。,（六）微丝的功能,维持细胞形态，赋予质膜机械强度参与肌肉的构建与收缩参与微绒毛的构建参与应力纤维的构建与细胞质运动和细胞移动有关参与动物细胞胞质分裂,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。,1.维持细胞形态，赋予质膜机械强度,细胞质运动胞质环流穿梭运动细胞移动变形运动变皱膜运动形态发生运动成纤维细胞爬行与微丝装配和解聚相关,与细胞质运动和细胞移动有关,成分轴心微丝束不含肌球蛋白、原肌球蛋白和辅肌动蛋白因而无收缩功能功能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。,3.微绒毛(microvillus),广泛存在于真核细胞成分肌动蛋白、肌球蛋白、原肌球蛋白和-辅肌动蛋白。作用介导细胞间或细胞与基质表面的粘着。（细胞贴壁与粘着斑的形成相关，在形成粘合斑的质膜下，微丝紧密平行排列成束，形成应力纤维,具有收缩功能。）,4.应力纤维（stressfiber）,时期在动物细胞和低等植物细胞有丝分裂的末期，发生的缢缩型胞质分裂。组成由大量反向平行排列的微丝组成的收缩环（contractilering)完成的，机制其收缩机制是肌动蛋白（actin)和肌球蛋白相(myosin)的相对滑动。,6.参与胞质分裂,2.肌肉收缩(musclecontraction),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。肌肉的细微结构(以骨骼肌为例)肌肉收缩的滑动模型由神经冲动诱发的肌肉收缩基本过程,肌肉的细微结构(以骨骼肌为例),肌原纤维（收缩单位）肌纤维肌纤维束肌肉,粗肌丝：肌球蛋白（主）细肌丝,肌动蛋白（主）原肌球蛋白肌钙蛋白,（辅）,肌小节的组成肌肉收缩系统中的有关蛋白,肌肉收缩系统中的有关蛋白,肌球蛋白(myosin)所有actin-dependentmotorproteins都属于该家族，其头部具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),由神经冲动诱发的肌肉收缩基本过程,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,一、微管（Microtubules）,微管结构与组成微管的类型微管的组装与去组装微管特异性药物微管结合蛋白(MAP)微管功能,（一）微管结构与组成,微管的组成成分微管蛋白：55KD450aa-微管蛋白：55KD550aa微管装配的基本单位微管蛋白异二聚体2个鸟嘌呤核苷酸结合位点微管蛋白有一个结合的GTP（N位点）该GTP不被水解，且不可交换-微管蛋白有一个结合的GTP（E位点）该GTP在组装成多聚体之后，被水解成GDP。,微管的形态结构微管是中空的管状结构，管壁由13根原纤维集合而成，原纤维又由含有微管蛋白和-微管蛋白的异二聚体组成。,（二）微管的类型,单管（singlet)细胞质微管，由13根原纤维集合而成二联管（doublet)纤毛和鞭毛周围微管，运动性微管。A管：13根原纤维B管：13根原纤维，有三条与A管共用三联管(triplet)中心粒和基体中A管：13根原纤维B管：13根原纤维，有三条与A管共用C管：13根原纤维，有三条与B管共用,(三）微管的组装与去组装,微管组织中心微管的极性微管的组装方式微管组装的动力学性质,微管的组装方式,微管的成核阶段微管的延伸阶段,-微管蛋白和-微管蛋白形成长度为8nm的异二聚体。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。以这段微管为核心，二聚体不断组装，使之延长，微管蛋白与微管达到动态平衡。,组装方式,微管装配的动力学不稳定性(dynamicinstability)是指在细胞内的同一区域中生长的微管与缩短的微管同时存在,而且一条特定的微管在生长项与缩短项之间交替切换的现象。（细胞骨架）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,无GTP帽则解聚。踏车现象,（四）微管特异性药物,秋水仙素(colchicine):阻断微管蛋白组装成微管，可破坏纺锤体结构。紫杉醇(taxol):能促进微管的装配,并使已形成的微管稳定。为行使正常的微管功能,微管动力学不稳定性(动态的装配和解聚）是其功能正常发挥的基础。,1、微管组织中心(MTOC),微管组织中心概念常见微管组织中心微管成核作用,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称为微管组织中心。(microtubuleorganizingcenter,MTOC),微管组织中心概念,常见微管组织中心,间期细胞MTOC：中心体(动态微管)分裂细胞MTOC：有丝分裂纺锤体极(动态微管)鞭毛纤毛细胞MTOC：基体(永久性结构)高等植物细胞MTOC：间期细胞核的周围高尔基体的反面膜囊区域,2、微管的极性,MTOC确定微管的极性:（）极：靠近MTOC一端，即二聚体极（+）极：远离MTOC一端，即二聚体极,(五）微管结合蛋白(MicrotubuleAssociatedProteins,MAPs),微管结合蛋白,微管网络结构微管微管结合蛋白有助于提高微管的稳定性,（六）微管功能,维持细胞形状参与细胞内物质的运输细胞器的定位参与鞭毛和纤毛的构建与运动参与纺锤体形成和染色体运动参与基体与中心粒的构建,维持细胞形状,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。对于动物细胞突起部分,如纤毛、鞭毛、神经细胞的轴突、太阳虫目原生生物的伪足的形成和维持,微管起关键作用。在植物细胞中，微管通过影响细胞壁的形成在维持细胞形状方面起间接作用。皮层微管纤维素合成酶运动纤维素微纤丝与皮层微管平行细胞伸长,细胞内物质的运输,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（MT）及其马达蛋白（Motorprotein）有关。微管提供了运输的轨道Motorproteins提供了动力神经元轴突运输的类型及运输模式色素颗粒的运输,Motorproteins的类型,目前已鉴定的Motorproteins多达数十种。根据其结合的骨架纤维以及运动方向和携带的转运物不同而分为不同类型。胞质中微管马达蛋白分为两大类：驱动蛋白(kinesin):沿着微管向正极端运动胞质动力蛋白(cytoplasmicdynein)：沿着微管向负极运动胞质中微丝马达蛋白肌球蛋白（myosin):沿微丝朝向微丝的正极运动尚未发现利用中间丝作轨道的马达蛋白,Kinesin与Dynein的分子结构,Kinesin两条相同的重链和两条相同的轻链组成的四聚体。头部：球状与微管结合，水解ATP和产生能量的发动机颈部：决定运动方向杆部尾部：扇形，结合运载货物Dynein两条相同的重链和多种中等链和轻链组成。头部：球状与微管结合，水解ATP和产生能量的发动机,Kinesin与Dynein运动的分子机制“步行”模型（handoverhandmodel)机械循环与化学循环相偶联“尺蠖爬行”模型(inchwormcrawlmodel)Kinesin与Dynein的运输方式,神经元轴突运输的类型,轴突运输的类型,参与鞭毛(flagella)和纤毛(cilia)的构建与运动,微管缺乏动力学活性，是高度稳定的纤毛与鞭毛的结构9+2结构：9个二联管、两个中央微管。纤毛和鞭毛的运动形式纤毛运动机制滑动学说：相邻二联体间相互滑动所致。例如：男性不育症遗传性支气管炎,参与基体与中心粒的构建,中心粒(centrioles)与中心体(centrosome)中心粒(centrioles)结构中心体(centrosome)由一对相互垂直的中心粒及周围基质物质（PCM）构成。中心体复制周期管蛋白：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，所以又叫成核位点基体(basalbody)位于鞭毛和纤毛根部的类似结构称为基体（basalbody）共同点9+0结构：9个三联管、中央无微管中心粒和基体均具有自我复制性质,三、中间纤维,中间纤维的概念中间纤维的类型与分布中间纤维蛋白的结构特征中间纤维的组装中间纤维的功能,中间纤维的概念,10nm纤维,因其直径介于肌粗丝和细丝之间,故被命名为中间纤维。IF几乎分布于所有动物细胞，往往形成一个网络结构，特别是在需要承受机械压力的细胞中含量相当丰富。如上皮细胞中。除了胞质中，在内核膜下的核纤层也属于IF。,中间纤维的组装,IF装配与MF、MT装配相比，有以下几个特点：IF装配的单体是纤维状蛋白(MF,MT的单体呈球形)；反向平行的四聚体导致IF不具有极性；IF在体外装配时不需要核苷酸或结合蛋白的辅助，装配后，细胞中几乎不存在IF单体(但IF的存在形式也可以受到细胞调节，如核纤层的装配与解聚)。中间纤维装配过程,IF成分比MF,MT复杂，IF在形态上相似，而化学组成有明显的差别。不同组织来源的细胞表达不同类型的中间丝蛋白。可以分为6种主要类型,中间纤维分类与分布,角蛋白纤维：角蛋白存在于上皮细胞中波形纤维：波形纤维蛋白存在于中胚层来源的细胞中结蛋白纤维：结蛋白存在于肌细胞中神经元纤维：神经元纤维蛋白神经细胞中神经胶质纤维：胶质纤维酸性蛋白神经胶质细胞中核纤层：LaminA、B、C所有细胞核中,在人类基因组中至少包含67种不同的中间丝蛋白基因，组成了人类基因组中最大的基因家族之一。中间纤维蛋白的表达与分布具有严格的组织特异性。因此，中间纤维蛋白是区分细胞类型的身份证。例如用于鉴别肿瘤细胞的组织来源。,中间纤维分类与分布,中间纤维蛋白的结构特征,中间纤维蛋白分子,非螺旋化区-螺旋区（310AA）,头部（N端）尾部（C端）,H亚区；同源区V亚区：可变区E亚区：末端区,螺旋1(22nm)螺旋2(22nm),1A亚区1B亚区,2A亚区2B亚区,L1：连接1A和1B,L12：连接1A和2B,L2：连接2A和2B,中间纤维的功能,增强细胞抗机械压力的能力角蛋白纤维参与桥粒的形成和维持结蛋白纤维是肌肉Z盘的重要结构组分，对于维持肌肉细胞的收缩装置起重要作用神经元纤维在神经细胞轴突运输中起作用参与传递细胞内机械的或分子的信息中间纤维与mRNA的运输有关,第二节细胞核骨架,核基质(NuclearMatrix)染色体骨架核纤层(NuclearLamina),核基质(NuclearMatrix),形态结构成分核骨架结合序列功能,形态结构,研究核骨架的分级抽提方法非离子去垢剂溶解膜结构系统,胞质中可溶性成分随之流失;再用Tween40和脱氧胆酸钠处理,胞质中的微管、微丝与一些蛋白结构被溶去,胞质中只有中间纤维网能完好存留;然后用核酸酶与0.25mol/L硫酸铵处理,染色质中DNA、RNA和组蛋白被抽提,最终核内呈现一个精细发达的核骨架网络,结合非树脂包埋-去包埋剂电镜制样方法,可清晰地显示核骨架-核纤层-中间纤维结构体系。,成分,核骨架不象胞质骨架那样由非常专一的蛋白成分组成,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。核骨架蛋白骨架结合蛋白其它,核骨架结合序列,DNA序列中的核骨架结合序列(matrixassociatedregion,MAR)这部分DNA与核骨架蛋白的结合不为高盐溶液抽提所破坏,在基因表达调控中有作用核骨架结合序列的基本特征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。,功能,核骨架与DNA复制核骨架与基因表达大量研究工作表明真核细胞中RNA的转录和加工均与核骨架有关。具有转录活性的基因是结合在核骨架上的;RNA聚合酶在核骨架上具有结合位点。核骨架与病毒复制核骨架与染色体构建,二、染色体骨架,染色体骨架/放射环模型染色体骨架的真实性银染法能选择性地显示染色体轴结构DNA酶和RNA酶处理或用0.4mol/LH2SO4处理去除组蛋白,对染色体轴没有影响,用胰蛋白酶消化则染色体轴破坏,说明染色体轴是非组蛋白性的。染色体骨架/放射环模型在分子水平上得到两个直接证据染色体骨架与染色体高级结构,三、核纤层(NuclearLamina),核纤层分布与形态结构成分核纤层蛋白(Lamin)核纤层蛋白的分子结构及其与中间纤维蛋白的关系核纤层蛋白在细胞分化中的表达核纤层在细胞周期中的变化功能,成分核纤层蛋白(Lamin),哺乳动物和鸟类细胞中有核纤层蛋白A核纤层蛋白B核纤层蛋白C,核纤层蛋白的分子结构及其与中间纤维蛋白的关系,核纤层与中间纤维之间的共同点两者均形成10nm纤维;两者均能抵抗高盐和非离子去垢剂的抽提;某些抗中间纤维蛋白的抗体能与核纤层发生交叉反应LaminA和LaminC的cDNA克隆推导出核纤层蛋白的氨基酸顺序与中间纤维蛋白高度保守的-螺旋区有很强的同源性,说明核纤层蛋白是中间纤维蛋白.,核纤层在细胞周期中的变化,A型核纤层蛋白在组装核纤层时通过蛋白水解失去C端(异戊二烯化,isoprenylation)。核膜崩解,核纤层解聚时,A型核纤层蛋白以可溶性单体形式弥散到胞质中。B型核纤层蛋白则永久法尼基化(farnesylated)，与核膜小泡保持结合状态,当核膜重现时,在染色体周围重装配,形成子细胞的核纤层。,功能,为核膜及染色质提供了结构支架,微丝结合蛋白功能,Spectrinspektrin血影蛋白,keratin角蛋白,myosin肌球蛋白,cleavagekli:vige劈开,分裂cleavagefurrow卵裂沟,myofibril肌原纤维,-肌动蛋白(肌细胞)肌动蛋白-肌动蛋白(非肌细胞)-肌动蛋白(非肌细胞,化学成分,monomer单体,肌肉收缩是由肌动蛋白丝与肌球蛋白丝相对滑动所致。,5-9nm,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,微管横断面,微管蛋白,微管蛋白,异二聚体,原纤维,微管,（13）,深绿：微管浅兰：内质网黄色：高尔基体,上图：内质网抗体染色下图：微管抗体染色,上图：高尔基抗体染色下图：微管抗体染色,Kinesin-dept.transpor