细胞生物学的主题知识梳理

1、细胞生物学 的主题知识 梳理 第九章第九章 细胞骨架细胞骨架(Cytoskeleton)(Cytoskeleton) 细胞骨架是指存在于真核细胞中的细胞骨架是指存在于真核细胞中的 蛋白纤维网架体系。蛋白纤维网架体系。 包括：微丝、微管和中间丝。包括：微丝、微管和中间丝。 细胞生物学 的主题知识 梳理 细胞生物学 的主题知识 梳理 细胞生物学 的主题知识 梳理 作为支架作为支架(scaffold) (scaffold) 在细胞内形成一个框架在细胞内形成一个框架(framework)(framework)结构结构 为细胞内的物质和细胞器的运输运动提为细胞内的物质和细胞器的运输运动提 供机械支持供机

2、械支持 为细胞的位置移动提供动力为细胞的位置移动提供动力 为信使为信使RNARNA提供锚定位点，促进提供锚定位点，促进 mRNA mRNA 翻译成多肽翻译成多肽 是细胞分裂的机器是细胞分裂的机器 参与信号转导参与信号转导 细胞生物学 的主题知识 梳理 第一节第一节 微丝与细胞运动微丝与细胞运动 第二节第二节 微管及其功能微管及其功能 第三节第三节 中间丝中间丝 细胞生物学 的主题知识 梳理 一、微丝的组成及其组装一、微丝的组成及其组装 又称肌动蛋白纤维又称肌动蛋白纤维(actin filament), (actin filament), 是指真核细胞中由肌动蛋白是指真核细胞中由肌动蛋白(act

3、in)(actin)组成、直径为组成、直径为7nm7nm的骨架的骨架 纤维纤维。 细胞生物学 的主题知识 梳理 （一）结构与成分（一）结构与成分 肌动蛋白肌动蛋白(actin)(actin)是微丝的结构成分是微丝的结构成分, ,外观外观 呈哑铃状呈哑铃状, , 这种这种actinactin又叫又叫G-actinG-actin，将，将G-G- actinactin形成的微丝又称为形成的微丝又称为F-actinF-actin。 细胞生物学 的主题知识 梳理 M i c r o f i l a m e n t s a r e a p p r o x i m a t e l y 8 n m i n d

4、iameter and composed of globular subunits of the protein actin. 细胞生物学 的主题知识 梳理 （二）微丝的组装及动力学特征（二）微丝的组装及动力学特征 1 1、MFMF是由是由G-actinG-actin单体形成的多聚体，肌动单体形成的多聚体，肌动 蛋白单体具有极性蛋白单体具有极性, ,装配时呈头尾相接装配时呈头尾相接, , 故故 微丝具有极性。微丝具有极性。 细胞生物学 的主题知识 梳理 1 1、影响装配的因素影响装配的因素 离子的影响离子的影响 在含有在含有ATPATP和和CaCa2+ 2+, , 以及很低的以及很低的NaNa

5、+ +、K K+ + 等阳离子的溶液中等阳离子的溶液中, ,微丝趋向于解聚成微丝趋向于解聚成G-G-肌动蛋肌动蛋 白。白。 在在MgMg2+ 2+和高浓度 和高浓度K K+ +或或NaNa+ +的诱导下的诱导下, G-, G-肌动蛋白则装配成纤维状肌动蛋白。肌动蛋白则装配成纤维状肌动蛋白。 G-G-肌动蛋白临界浓度肌动蛋白临界浓度 细胞生物学 的主题知识 梳理 需要需要Arp2/3Arp2/3 细胞生物学 的主题知识 梳理 2 2、体外实验表明，、体外实验表明，MFMF 正极与负极都能生长，正极与负极都能生长， 生长快的一端为正极，生长快的一端为正极， 慢的一端为负极；去装慢的一端为负极；去装

6、 配时，负极比正极快。配时，负极比正极快。 由于由于G-actinG-actin在正极端在正极端 装配，负极去装配，从装配，负极去装配，从 而表现为而表现为踏车行为踏车行为。 细胞生物学 的主题知识 梳理 3 3、体内装配时，、体内装配时，MFMF呈现出呈现出动态不稳定性动态不稳定性，取决于，取决于F-F- actinactin结合的结合的ATPATP水解速度与游离的水解速度与游离的G-actinG-actin单体浓度之间单体浓度之间 的关系。的关系。 细胞生物学 的主题知识 梳理 4 4、MFMF动态变化与细胞生理功能变化相适应。在动态变化与细胞生理功能变化相适应。在 体内体内, , 有些微

7、丝是永久性的结构有些微丝是永久性的结构, , 有些微丝是有些微丝是 暂时性的暂时性的结构结构。 细胞生物学 的主题知识 梳理 （三）影响微丝组装的特异性药物（三）影响微丝组装的特异性药物 细胞松弛素细胞松弛素(cytochalasins)(cytochalasins)：可以切断微丝：可以切断微丝, ,并结合在微丝正极阻抑肌动蛋白聚合并结合在微丝正极阻抑肌动蛋白聚合, ,因而因而导致微丝解导致微丝解 聚聚。 鬼笔环肽鬼笔环肽(philloidin)(philloidin)：与微丝侧面结合：与微丝侧面结合, ,防止防止MFMF解聚。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

8、依赖于微丝与肌动蛋白单体库间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。这种动态平衡受的动态平衡。这种动态平衡受actinactin单体浓度和微丝结合蛋白的影响。单体浓度和微丝结合蛋白的影响。 细胞生物学 的主题知识 梳理 三、肌球蛋白：依赖于微丝的分子马达三、肌球蛋白：依赖于微丝的分子马达 分子马达：主要是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分子马达：主要是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 这三这三 类蛋白质超家族的成员。它们既能与微管或微丝结合，又能与一些细胞器或膜状小泡特类蛋白质超家族的成员。它们

9、既能与微管或微丝结合，又能与一些细胞器或膜状小泡特 异性地结合，并利用水解异性地结合，并利用水解ATPATP所产生的能量有规则地沿微管或微丝等细胞骨架纤维运输所所产生的能量有规则地沿微管或微丝等细胞骨架纤维运输所 携带携带“货物货物”。 细胞生物学 的主题知识 梳理 肌球蛋白的结构肌球蛋白的结构 由一个重链和几个轻链组成，并组成三个结构域由一个重链和几个轻链组成，并组成三个结构域 头部头部 含有与肌动蛋白、含有与肌动蛋白、ATPATP结合的位点，负责产生力。结合的位点，负责产生力。 颈部颈部 颈部通过同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。颈部通过同钙调素或类似钙调素的调节轻

10、链亚基的结合来调节头部的活性。 尾部尾部 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 细胞生物学 的主题知识 梳理 （一）（一）型肌球蛋白型肌球蛋白 肌球蛋白肌球蛋白:肌收缩、胞质分裂肌收缩、胞质分裂 细胞生物学 的主题知识 梳理 （二）非传统类型的肌球蛋白（二）非传统类型的肌球蛋白 肌球蛋白肌球蛋白:运输作用运输作用 肌球蛋白肌球蛋白:运输作用运输作用 细胞生物学 的主题知识 梳理 （一）肌纤维结构（一）肌纤维结构 1 1）肌球蛋白：头）肌球蛋白：头 部具有部具有ATPATP酶的活酶的活 性，能与肌动蛋白性，能与肌动蛋白 结合。结合。

11、 四、肌肉细胞的收缩运动四、肌肉细胞的收缩运动 细胞生物学 的主题知识 梳理 2 2）原肌球蛋白：位于肌动蛋白的）原肌球蛋白：位于肌动蛋白的 螺旋沟内，结合于细肌丝，调节螺旋沟内，结合于细肌丝，调节 肌动蛋白与肌球蛋白头部的结合肌动蛋白与肌球蛋白头部的结合 。 细胞生物学 的主题知识 梳理 3 3）肌钙蛋白：含有三个亚基，）肌钙蛋白：含有三个亚基，C C特异与特异与CaCa2+ 2+结合， 结合，T T与原肌球蛋白有高度亲和力，与原肌球蛋白有高度亲和力，I I抑制肌球抑制肌球 蛋白蛋白ATPaseATPase的活性。的活性。 细胞生物学 的主题知识 梳理 4 4）其他蛋白）其他蛋白 定位在定位

12、在Z Z线，结合肌动蛋白纤维（线，结合肌动蛋白纤维（+ +）极，阻止肌动蛋白纤维（）极，阻止肌动蛋白纤维（+ +）极）极 解聚，保持肌动蛋白纤维稳定。解聚，保持肌动蛋白纤维稳定。 可横向连接微丝形成束。可横向连接微丝形成束。 介导微丝结合与质膜介导微丝结合与质膜 细胞生物学 的主题知识 梳理 具有弹性，连接具有弹性，连接Z Z盘肌球蛋白纤维，在肌肉收缩或舒张时将肌球蛋白纤维定盘肌球蛋白纤维，在肌肉收缩或舒张时将肌球蛋白纤维定 位在肌小节中央。位在肌小节中央。 从从Z Z盘伸出，与肌动蛋白伴型，参与调节肌动蛋白纤维的装配。盘伸出，与肌动蛋白伴型，参与调节肌动蛋白纤维的装配。 参与肌动蛋白纤维锚定

13、与质膜。参与肌动蛋白纤维锚定与质膜。 防止肌纤维退化。防止肌纤维退化。 细胞生物学 的主题知识 梳理 细胞生物学 的主题知识 梳理 横管系统：横管系统：T T 管管（肌膜内凹而成。肌膜（肌膜内凹而成。肌膜 APAP沿沿T T管传导）管传导）。 纵管系统：纵管系统： L L管（也称肌浆网。肌节两管（也称肌浆网。肌节两 端的端的L L管称终池，富含管称终池，富含Ca2+)Ca2+) 。 三联管：三联管：T T管管+ + 终池终池2 2 细胞生物学 的主题知识 梳理 肌小节：是肌细胞收缩的基本结构和功能单位。肌小节：是肌细胞收缩的基本结构和功能单位。=1/2=1/2明带暗带明带暗带1/21/2明带明

14、带 = 2= 2条条Z Z线间的区线间的区 域域 细胞生物学 的主题知识 梳理 （二）肌肉收缩的滑动模型（二）肌肉收缩的滑动模型 细胞生物学 的主题知识 梳理 按任意键 飞入横桥摆动动画 肌节缩短肌节缩短= =肌细胞收缩肌细胞收缩 牵拉细肌丝朝肌节中央滑行牵拉细肌丝朝肌节中央滑行 横桥摆动横桥摆动 横桥与结合位点结合，横桥与结合位点结合， 分解分解ATPATP释放能量释放能量 原肌球蛋白位移，原肌球蛋白位移， 暴露细肌丝上的结合位点暴露细肌丝上的结合位点 Ca2+Ca2+与肌钙蛋白结合与肌钙蛋白结合 肌钙蛋白的构型肌钙蛋白的构型 终池膜上的钙通道开放终池膜上的钙通道开放 终池内的终池内的Ca2

15、+Ca2+进入肌浆进入肌浆 细胞生物学 的主题知识 梳理 细胞生物学 的主题知识 梳理 运动神经冲动传至末梢运动神经冲动传至末梢 N N末梢对末梢对Ca2+Ca2+通透性增加通透性增加 Ca2+Ca2+内流入内流入N N末梢内末梢内 接头前膜内囊泡接头前膜内囊泡 向前膜移动、融合、破裂向前膜移动、融合、破裂 AChACh释放入接头间隙释放入接头间隙 AChACh与终板膜受体结合与终板膜受体结合 受体构型改变受体构型改变 终板膜对终板膜对Na+Na+、K+(K+(尤其尤其Na+)Na+) 的通透性增加的通透性增加 产生终板电位产生终板电位(EPP)(EPP) EPPEPP引起肌膜引起肌膜APAP

16、 肌膜肌膜APAP沿横管膜传至三联管沿横管膜传至三联管 终池膜上的钙通道开放终池膜上的钙通道开放 终池内终池内Ca2+Ca2+进入肌浆进入肌浆 Ca2+Ca2+与肌钙蛋白结合与肌钙蛋白结合 引起肌钙蛋白的构型改变引起肌钙蛋白的构型改变 原肌凝蛋白发生位移原肌凝蛋白发生位移 暴露出细肌丝上与横桥结合位点暴露出细肌丝上与横桥结合位点 横桥与结合位点结合横桥与结合位点结合 激活激活ATPATP酶作用酶作用, ,分解分解ATPATP 横桥摆动横桥摆动 牵拉细肌丝朝肌节中央滑行牵拉细肌丝朝肌节中央滑行 肌节缩短肌节缩短= =肌细胞收缩肌细胞收缩 细胞生物学 的主题知识 梳理 第二节第二节 微管及其功能微

17、管及其功能 一、微管的结构组成与极性一、微管的结构组成与极性 有有-微管蛋白和微管蛋白和-微管蛋白组成；微管蛋白组成； -微管蛋白和微管蛋白和-微管蛋白形成微管蛋白异二聚体是微微管蛋白形成微管蛋白异二聚体是微 管装配的基本单位，微管蛋白异二聚体含有鸟嘌呤核苷酸的两个结合位点，二价阳离子也能管装配的基本单位，微管蛋白异二聚体含有鸟嘌呤核苷酸的两个结合位点，二价阳离子也能 结合到微管蛋白异二聚体。微管蛋白异二聚体具有一个秋水仙碱结合位点，一个长春花碱结结合到微管蛋白异二聚体。微管蛋白异二聚体具有一个秋水仙碱结合位点，一个长春花碱结 合位点。合位点。 细胞生物学 的主题知识 梳理 微管呈中空状，其壁

18、有微管呈中空状，其壁有1313根根 原纤维排列构成，微管可装原纤维排列构成，微管可装 配成单管配成单管, ,二联管二联管( (纤毛和鞭纤毛和鞭 毛中毛中),),三联管三联管( (中心粒和基中心粒和基 体中体中) )。 细胞生物学 的主题知识 梳理 二、微管的组装和去组装二、微管的组装和去组装 （一）微管的体外组装与踏车行为（一）微管的体外组装与踏车行为 1 1）-微管蛋白和微管蛋白和-微管蛋白形成微管蛋白形成二聚体二聚体,二聚体先形成环状核心二聚体先形成环状核心(ring),(ring),经过侧面经过侧面 增加二聚体而扩展为螺旋带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二聚

19、体平行于长轴重复排列形成原纤维(protofilament)(protofilament)。当。当 螺旋带加宽至螺旋带加宽至1313根原纤维时根原纤维时, ,即合拢形成一段微管。即合拢形成一段微管。 2 2）所有的微管都有确定的极性）所有的微管都有确定的极性 细胞生物学 的主题知识 梳理 细胞生物学 的主题知识 梳理 踏车现象踏车现象(treadmilling)(treadmilling) 又称轮回现象又称轮回现象, , 是微管是微管 组装后处于动态平衡的一种组装后处于动态平衡的一种 现象。现象。 细胞生物学 的主题知识 梳理 （二）微管特异性药物（二）微管特异性药物 秋水仙素秋水仙素(col

20、chicine) (colchicine) 阻断微管蛋白组装成微管，可破坏纺锤体结构。阻断微管蛋白组装成微管，可破坏纺锤体结构。 紫杉酚紫杉酚(taxol)(taxol)能促进微管的装配能促进微管的装配, ,并使已形成的微管稳定。并使已形成的微管稳定。 为行使正常的微管功能为行使正常的微管功能, ,微管动力学不稳定性是其功能正常发挥的基础。微管动力学不稳定性是其功能正常发挥的基础。 细胞生物学 的主题知识 梳理 三、微管组织中心三、微管组织中心(MTOC)(MTOC) 1 1、概念：微管在生理状态或实验处理解聚后重新装配的发生处称为微管组织中心、概念：微管在生理状态或实验处理解聚后重新装配的发

21、生处称为微管组织中心 (microtubule organizing center, MTOC)(microtubule organizing center, MTOC)。 细胞生物学 的主题知识 梳理 2 2、常见微管组织中心、常见微管组织中心 间期细胞间期细胞MTOCMTOC： 中心体中心体( (动态微管动态微管) ) 分裂细胞分裂细胞MTOCMTOC：有丝分裂纺锤体极有丝分裂纺锤体极( (动动 态微管态微管) ) 鞭毛纤毛细胞鞭毛纤毛细胞MTOCMTOC：基体基体( (永久性结构永久性结构) ) 细胞生物学 的主题知识 梳理 （一）中心体（一）中心体(centrosome)(centro

22、some) 1 1）中心体）中心体(centrosome)(centrosome)结构结构 细胞生物学 的主题知识 梳理 细胞生物学 的主题知识 梳理 细胞生物学 的主题知识 梳理 2 2）管蛋白：位于中心体周围的基质中，环形结构，结构稳定，为管蛋白：位于中心体周围的基质中，环形结构，结构稳定，为微管蛋白二聚体微管蛋白二聚体 提供起始装配位点，所以又叫成核位点提供起始装配位点，所以又叫成核位点 细胞生物学 的主题知识 梳理 （二（二 ）基体和其他微管组织中心）基体和其他微管组织中心 1 1、基体、基体(basal body)(basal body)：位于鞭毛和纤毛根部的类似结构称为基体（：位于

23、鞭毛和纤毛根部的类似结构称为基体（basal body basal body ） 2 2、中心粒和基体均具有自我复制性质。、中心粒和基体均具有自我复制性质。 细胞生物学 的主题知识 梳理 四、微管的动力学性质四、微管的动力学性质 微管装配的动力学不稳定性是指微管装配生微管装配的动力学不稳定性是指微管装配生 长与快速去装配的一个交替变换的现象长与快速去装配的一个交替变换的现象 细胞生物学 的主题知识 梳理 影响微管装配的因素影响微管装配的因素 造成微管不稳定性的因素很多，包括造成微管不稳定性的因素很多，包括 GTPGTP、压力、温度、压力、温度( (最适温度最适温度37)37)、pH(pH( 最

24、适最适pH=6.9)pH=6.9)、微管蛋白临界浓度、微管蛋白临界浓度 (critical concentration)(critical concentration)。 细胞生物学 的主题知识 梳理 动力学不稳定性产生的原因：微管两端具动力学不稳定性产生的原因：微管两端具GTPGTP帽帽( (取决于微管蛋白浓度取决于微管蛋白浓度),),微管将继续组装微管将继续组装, , 反之反之, ,无无GDPGDP帽则解聚。帽则解聚。 细胞生物学 的主题知识 梳理 五、微管结合蛋白对微管网络结构的调节五、微管结合蛋白对微管网络结构的调节 细胞生物学 的主题知识 梳理 MAPsMAPs的功能的功能 使微管相

25、互交联形成束状结构使微管相互交联形成束状结构; ; 促进微管的聚合促进微管的聚合; ; 作为分子发动机转运细胞物质的轨道作为分子发动机转运细胞物质的轨道; ; 提高微管的稳定性提高微管的稳定性; ; MAPsMAPs同微管的结合能够控制微管同微管的结合能够控制微管 的长度，防止微管的解聚。的长度，防止微管的解聚。 细胞生物学 的主题知识 梳理 微管结合蛋白的作用微管结合蛋白的作用 细胞生物学 的主题知识 梳理 六、微管对细胞结构的组织作用六、微管对细胞结构的组织作用 1、与细胞器的分布以及细胞的形态发生与维持有关。、与细胞器的分布以及细胞的形态发生与维持有关。 2、充当物质运输的轨道、充当物质

26、运输的轨道 细胞生物学 的主题知识 梳理 七、细胞内依赖微管的物质运输七、细胞内依赖微管的物质运输 真核细胞内部是高度区域化的体系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输过程。这种运输过程与细胞骨架体系中的微管及其Motor proteinMotor protein有关。有关。 细胞生物学 的主题知识 梳理 目前已鉴定的目前已鉴定的Motor proteinsMotor proteins多达数十种。根据其结合的骨架纤维以及运动方向和多达数十种。根据其结合的

27、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。胞质中微管携带的转运物不同而分为不同类型。胞质中微管motor proteinmotor protein分为两大类：分为两大类： 驱动蛋白驱动蛋白(kinesin):(kinesin):通常朝微管的正极方向运动，动力蛋白通常朝微管的正极方向运动，动力蛋白(cytoplasmic dynein)(cytoplasmic dynein) ：朝微管的负极运动。：朝微管的负极运动。 细胞生物学 的主题知识 梳理 （一）驱动蛋白及其功能（一）驱动蛋白及其功能 Kinesin S Structure 细胞生物学 的主题知识 梳理 kinesin is

28、 a tetramer constructed from two identical heavy chains and two kinesin is a tetramer constructed from two identical heavy chains and two identical light chains identical light chains A kinesin molecule has a pair of globular heads that bind a microtubule and A kinesin molecule has a pair of globula

29、r heads that bind a microtubule and act as ATP-hydrolyzlng, force-generating “engines. act as ATP-hydrolyzlng, force-generating “engines. a fan-shaped tail that binds cargo to be hauled a fan-shaped tail that binds cargo to be hauled Each head is connected to a neck, a rodlike stalkEach head is conn

30、ected to a neck, a rodlike stalk 细胞生物学 的主题知识 梳理 KinesinKinesin与与DyneinDynein的运输方式的运输方式 Kinesin-dept.transport: conyeys Mit(by KIF),Lys,MvER or periphery. Cytosolic dynein-dept transport: conyeys elements of ER,late endosome, Lyscell center 细胞生物学 的主题知识 梳理 （二）驱动蛋白沿微管运动的分子机制（二）驱动蛋白沿微管运动的分子机制 1、步行模型、步行模

31、型 2、尺蠖模型、尺蠖模型 细胞生物学 的主题知识 梳理 驱动蛋白功能特点驱动蛋白功能特点 Kinesin is a plus end-directed microtubular motor Each step is approximately 8 nm in length, which is also the spacing between tubulin dimers along a protofilament 移动的速度与移动的速度与ATPATP的浓度有关的浓度有关 速度高时速度高时, ,可达到每秒可达到每秒900nm900nm 细胞生物学 的主题知识 梳理 （三）胞质动力蛋白及其功能（

32、三）胞质动力蛋白及其功能 Cytoplasmic dynein is a huge protein :Cytoplasmic dynein is a huge protein : molecular mass of approximately 1.5 molecular mass of approximately 1.5 million daltons million daltons Composed of two identical heavy chains and a variety of intermediate and light Composed of two identical heavy chains and a variety of intermediate and light chains. chains. To move along a microtubule toward the polymers minus end To move along a microtubule toward the polymers minus end 功能功能 参与细胞分裂参与细胞分裂 运输小泡和各种膜