细胞分子生物学11VIP

1、细胞分子生物学细胞分子生物学青岛科技大学化工学院青岛科技大学化工学院 刘全兰刘全兰the cytoskeleton成分成分3.3.中间纤维（中间纤维（intemediateintemediate filamentfilament）使细胞具有张力和抗剪切力。使细胞具有张力和抗剪切力。1.1.微丝（微丝（microfilamentmicrofilament）确定细胞表面特征，使细胞能够运动和收缩。2.2.微管（微管（microtubulemicrotubule）确定膜性细胞器的位置确定膜性细胞器的位置和作为膜泡运输的导轨。和作为膜泡运输的导轨。细胞质骨架细胞质骨架4.4.核基质核基质5.5.染色体

2、支架染色体支架6.6.核纤层核纤层细胞核骨架细胞核骨架肌动蛋白纤维肌动蛋白纤维中间纤维中间纤维微管微管马达蛋白马达蛋白马达蛋白马达蛋白上皮细胞上皮细胞中间纤维中间纤维微管微管神经细胞神经细胞马达蛋白马达蛋白分裂细胞分裂细胞微管微管肌动蛋白纤维肌动蛋白纤维结构和支撑结构和支撑细胞内运输细胞内运输收缩和运动收缩和运动空间组织结构空间组织结构肌动蛋白纤维肌动蛋白纤维（a a）（b b）（c c）细胞骨架的基本类型与主要功能示意图细胞骨架的基本类型与主要功能示意图 第一节第一节 细胞质骨架细胞质骨架 一一. 微丝微丝 二二. 微管微管 三三. 中间纤维中间纤维一、一、 微丝微丝 ( (microfil

3、ament , mf)microfilament , mf)又称肌动蛋白纤维（actin filament）或纤维形肌动蛋白（factin），是由球形肌动蛋白（g-actin）单体形成的多聚体，直径约7nm的骨架纤维 。传统模型：微丝是由两条肌动蛋白单链螺旋盘绕形成的纤维传统模型：微丝是由两条肌动蛋白单链螺旋盘绕形成的纤维新兴模型：微丝是由一条肌动蛋白单体链形成的螺旋，新兴模型：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每个肌动蛋白单体周围都有4 4个亚单位，呈上下及两侧排列个亚单位，呈上下及两侧排列(一一)、分子结构、分子结构1.1.肌动蛋白的分类肌动蛋白的分类： 肌动蛋

4、白：有肌动蛋白：有4 4种，分别为横纹肌、心肌、血管种，分别为横纹肌、心肌、血管平滑肌和肠道平滑肌所特有；平滑肌和肠道平滑肌所特有； 肌动蛋白和肌动蛋白和肌动蛋白：见于所有肌肉细胞和肌动蛋白：见于所有肌肉细胞和非肌肉细胞胞质中。非肌肉细胞胞质中。2.2.形状形状：actinactin单体外观呈哑铃形，称球形肌动蛋单体外观呈哑铃形，称球形肌动蛋白白g-acting-actin；多聚体称为纤维形肌动蛋白；多聚体称为纤维形肌动蛋白f-actinf-actin。3.3.变异变异：actinactin在进化上高度保守，酵母和兔子肌在进化上高度保守，酵母和兔子肌肉的肌动蛋白有肉的肌动蛋白有88%88%的同

5、源性。的同源性。条件：条件：atpatp、适宜的温度、存在、适宜的温度、存在caca2+2+、k k+ +和和mgmg2+2+离子。离子。 解聚：在含有解聚：在含有atpatp和和caca2+2+以及低浓度的以及低浓度的nana+ + 、k k+ +等阳离等阳离子溶液中，趋于解离成子溶液中，趋于解离成g-actiong-action。 聚合：在聚合：在mgmg2+2+和高浓度的和高浓度的nana+ + 、k k+ +溶液诱导下，溶液诱导下， g-g-actionaction装配为纤维状肌动蛋白，新的装配为纤维状肌动蛋白，新的g gactionaction加到加到微丝末端，使微丝延伸。微丝末端，

6、使微丝延伸。( (二二) )、微丝的装配、微丝的装配过程：过程：2-32-3个个actinactin聚集成一个核心（核化）；聚集成一个核心（核化）；atp-atp-actinactin分子向核心两端加合。微丝具分子向核心两端加合。微丝具有极性有极性，atp-atp-actinactin加到加到(+)(+)极的速度要比加到极的速度要比加到(-)(-)极的速度快极的速度快5-105-10倍。倍。 溶液中溶液中atp-atp-肌动蛋白的浓度处于临界浓度时，肌动蛋白的浓度处于临界浓度时，atp-atp-肌肌动蛋白在动蛋白在(+)(+)端添加，而从端添加，而从(-)(-)端分离，表现出端分离，表现出 “

7、踏踏车车”现象现象 （tread milling)。( (二二) )、微丝的装配、微丝的装配“踏车踏车”现象现象 （treadmilling)细胞中大多数微丝结构处于细胞中大多数微丝结构处于动态动态的组装和去组装过的组装和去组装过程中，并通过这种方式实现其功能。程中，并通过这种方式实现其功能。细胞松弛素细胞松弛素（cytochalasincytochalasin）可切断微丝纤维，并）可切断微丝纤维，并结合在微丝末端抑制肌动蛋白加合到微丝纤维上，特结合在微丝末端抑制肌动蛋白加合到微丝纤维上，特异性的抑制微丝功能。异性的抑制微丝功能。鬼笔环肽鬼笔环肽（phalloidinphalloidin）与微

8、丝能够特异性的结合，）与微丝能够特异性的结合，使微丝纤维稳定而抑制其解聚。荧光标记的鬼笔环肽使微丝纤维稳定而抑制其解聚。荧光标记的鬼笔环肽可特异性的显示微丝。可特异性的显示微丝。（三）、微丝结合蛋白（三）、微丝结合蛋白v1 1肌肉收缩系统中的有关蛋白：肌肉收缩系统中的有关蛋白：肌球蛋白肌球蛋白( (myosin)myosin)：约占肌肉总蛋白：约占肌肉总蛋白50%50%，含，含有有4 4条多肽链（条多肽链（2 2条重链，条重链，2 2条轻链），两股重链条轻链），两股重链盘绕成双股盘绕成双股螺旋。肌球蛋白头部具螺旋。肌球蛋白头部具atpatp酶活力，酶活力，构成粗丝的横桥，是与肌动蛋白分子结合的

9、位构成粗丝的横桥，是与肌动蛋白分子结合的位置。置。头部头部颈部颈部尾部尾部调节轻链调节轻链基本轻链基本轻链肌球蛋白肌球蛋白ii（三）、微丝结合蛋白（三）、微丝结合蛋白v1 1肌肉收缩系统中的有关蛋白：肌肉收缩系统中的有关蛋白：原肌球蛋白原肌球蛋白（tropomyosintropomyosin，tmtm）：在肌肉中占蛋白）：在肌肉中占蛋白的的5-10%5-10%，由两条平行的多肽链形成，由两条平行的多肽链形成螺旋构型螺旋构型, ,位于位于肌动蛋白螺旋沟内。原肌球蛋白结合于细肌丝，调节肌动蛋白螺旋沟内。原肌球蛋白结合于细肌丝，调节肌动蛋白与肌球蛋白头部结合。肌动蛋白与肌球蛋白头部结合。肌钙蛋白肌钙

10、蛋白（troponintroponin，tntn）：含）：含3 3个亚基，肌钙蛋白个亚基，肌钙蛋白c c（tntn-c-c）特异与）特异与caca2+2+结合；肌钙蛋白结合；肌钙蛋白t t（tntn-t-t）与原肌）与原肌球蛋白有高度亲和力；肌钙蛋白球蛋白有高度亲和力；肌钙蛋白i i（tntn-i-i）抑制肌球蛋）抑制肌球蛋白白atpaseatpase的活性。的活性。 肌球蛋白，肌动蛋白和肌钙蛋白肌球蛋白，肌动蛋白和肌钙蛋白（tropomyosin, actin and troponin）肌动蛋白肌动蛋白原肌球蛋白原肌球蛋白caca2+2+结合位点结合位点肌钙蛋白复合体肌钙蛋白复合体肌球蛋白结

11、合位点肌球蛋白结合位点v2 2非肌肉细胞中的微丝结合蛋白非肌肉细胞中的微丝结合蛋白：没有肌钙蛋白，但存有肌球蛋白、原肌球蛋白、没有肌钙蛋白，但存有肌球蛋白、原肌球蛋白、辅肌动蛋白辅肌动蛋白微丝结合蛋白：与微丝装配及其功能有密切关系微丝结合蛋白：与微丝装配及其功能有密切关系（三）、微丝结合蛋白（三）、微丝结合蛋白蛋白蛋白相对分子质量相对分子质量/10/103 3功能功能110110k k蛋白蛋白110110肌球蛋白，从肌动蛋白纤维肌球蛋白，从肌动蛋白纤维侧向连接微绒毛细胞膜，在侧向连接微绒毛细胞膜，在运动细胞的前沿产生动力。运动细胞的前沿产生动力。辅肌动蛋白辅肌动蛋白200参与微丝与膜的结合，可

12、横参与微丝与膜的结合，可横向连接微丝形成束，在肌节向连接微丝形成束，在肌节中具结构作用中具结构作用。钙调蛋白低caca2+2+条件下与原肌球蛋白条件下与原肌球蛋白及肌动蛋白结合，阻止肌球及肌动蛋白结合，阻止肌球蛋白的结合。蛋白的结合。细丝蛋白细丝蛋白两个两个270270亚基亚基横向连接相邻微丝，形横向连接相邻微丝，形成三维网络结构成三维网络结构见见 p323（四）、（四）、微丝性细胞骨架的功能微丝性细胞骨架的功能1.1.肌肉收缩肌肉收缩2.2.微绒毛微绒毛3.3.应力纤维应力纤维4.4.溶胶层和阿米巴运动溶胶层和阿米巴运动5.5.胞质分裂环胞质分裂环v1.1.肌细胞的组成肌细胞的组成：由肌原纤

13、维组成，肌原纤维包括粗肌丝由肌原纤维组成，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。分是肌动蛋白、原肌球蛋白和肌钙蛋白。v2.2.肌肉收缩肌肉收缩：由肌动蛋白丝与肌球蛋白丝的相对滑动所致。由肌动蛋白丝与肌球蛋白丝的相对滑动所致。v3.3.肌肉收缩的基本单位：肌肉收缩的基本单位：肌小节（肌小节（sarcomeresarcomere）。肌小节是）。肌小节是相邻两相邻两z z线间的单位。主要结构有：线间的单位。主要结构有： a a带（暗带）：为粗肌丝所在。带（暗带）：为粗肌丝所在。 h h

14、区：区：a a带中央色浅部份，此处只有粗肌丝。带中央色浅部份，此处只有粗肌丝。 i i带（明带）：只含细肌丝部分。带（明带）：只含细肌丝部分。 z z线：细肌丝一端游离，一端附于线：细肌丝一端游离，一端附于z z线线 。功能功能i.i.肌肉收缩肌肉收缩肌小节肌小节v4.4.肌肉收缩的过程肌肉收缩的过程：动作电位的产生，肌肉细胞膜去极化；动作电位的产生，肌肉细胞膜去极化；钙离子释放；钙离子释放；原肌球蛋白位移；原肌球蛋白位移；肌动蛋白丝与肌球蛋白丝的相对滑动。肌动蛋白丝与肌球蛋白丝的相对滑动。 功能功能i.i.肌肉收缩肌肉收缩肌动蛋白肌动蛋白原肌球蛋白原肌球蛋白caca2+2+结合位点结合位点肌

15、钙蛋白复合体肌钙蛋白复合体肌球蛋白结合位点肌球蛋白结合位点动作电位动作电位的产生，肌的产生，肌肉细胞膜去肉细胞膜去极化；极化；钙离子释钙离子释放；放；原肌球蛋原肌球蛋白位移；白位移；肌球蛋白头部肌球蛋白头部肌动蛋白肌动蛋白肌球蛋白纤维肌球蛋白纤维肌球蛋白头部解离肌球蛋白头部解离（1）结合）结合atp（2）atp水解水解头部弯曲，结头部弯曲，结合新的肌动蛋合新的肌动蛋白亚单位白亚单位肌动蛋白丝与肌球蛋白丝肌动蛋白丝与肌球蛋白丝的相对滑动。的相对滑动。（1 1）肌球蛋白）肌球蛋白结合结合atpatp，引起头，引起头部与肌动蛋白纤部与肌动蛋白纤维分离；维分离；（2 2）atpatp水解，水解，引起头

16、部与肌动引起头部与肌动蛋白弱结合；蛋白弱结合；（2）atp水解水解头部弯曲，头部弯曲，结合新的肌结合新的肌动蛋白亚单动蛋白亚单位位（3）pi释放释放头部弯曲，头部弯曲，扭向纤维扭向纤维（4）adp释放释放 (3)pi(3)pi释放，头部释放，头部与肌动蛋白强结与肌动蛋白强结合，头部向合，头部向m m线方线方向弯曲，引起细向弯曲，引起细肌丝向肌丝向m m线移动；线移动； (4)adp(4)adp释放释放atpatp结结合上去，头部与合上去，头部与肌动蛋白纤维分肌动蛋白纤维分离。离。 如此循环如此循环 功能功能iiii形成微绒毛形成微绒毛v1.1.代表代表：肠上皮细胞微绒毛的轴心微丝是非肌肉细：肠

17、上皮细胞微绒毛的轴心微丝是非肌肉细胞中高度有序微丝束的代表。胞中高度有序微丝束的代表。v2.2.成分：不含肌球蛋白、原肌球蛋白和成分：不含肌球蛋白、原肌球蛋白和辅肌动蛋辅肌动蛋白；含有微丝结合蛋白等。白；含有微丝结合蛋白等。v3.3.功能：起维持微绒毛形状的作用，无收缩功能。功能：起维持微绒毛形状的作用，无收缩功能。功能功能iiiiii形成形成应力纤维应力纤维v1.1.代表代表：是真核细胞中广泛存在的微丝束结构。：是真核细胞中广泛存在的微丝束结构。v2.2.成分：含肌动蛋白、肌球蛋白、原肌球蛋白和成分：含肌动蛋白、肌球蛋白、原肌球蛋白和辅肌动蛋白等。辅肌动蛋白等。v3.3.功能：功能：结构类似

18、肌原纤维，使细胞具有抗剪切力；结构类似肌原纤维，使细胞具有抗剪切力；在细胞形态发生、细胞分化和组织的形成等方面具在细胞形态发生、细胞分化和组织的形成等方面具有重要作用。有重要作用。培养的上皮细胞中的应力纤维（微丝红色、微管绿色）培养的上皮细胞中的应力纤维（微丝红色、微管绿色）功能功能iviv细胞的变形运动 (溶胶层和阿米巴运动溶胶层和阿米巴运动)v1.1.溶胶层溶胶层：细胞膜下的一层富含肌动蛋白纤维的区域。：细胞膜下的一层富含肌动蛋白纤维的区域。这些肌动蛋白纤维平行于质膜排列，并与膜连接，形成这些肌动蛋白纤维平行于质膜排列，并与膜连接，形成纤维网格。纤维网格。v2.2.功能：功能：为细胞提供强

19、度和韧性，维持细胞形状为细胞提供强度和韧性，维持细胞形状。细胞。细胞的多种运动，如胞质环流、阿米巴运动、变皱膜运动及的多种运动，如胞质环流、阿米巴运动、变皱膜运动及吞噬都与肌动蛋白的溶胶与凝胶及其相互转化有关。吞噬都与肌动蛋白的溶胶与凝胶及其相互转化有关。v3.3.抑制剂：细胞松弛素抑制剂：细胞松弛素功能功能v v形成胞质分裂环胞质分裂环v1.1.定义定义：有丝分裂末期，两个即将分裂的子细胞之间产：有丝分裂末期，两个即将分裂的子细胞之间产生的一个收缩环。生的一个收缩环。v2.2.成分：由大量平行排列的微丝组成，由分裂末期胞质成分：由大量平行排列的微丝组成，由分裂末期胞质中的肌动蛋白装配而成。收

20、缩环是非肌肉细胞中具有收中的肌动蛋白装配而成。收缩环是非肌肉细胞中具有收缩功能的微丝束的典型代表。缩功能的微丝束的典型代表。v3.3.功能：功能：使两子细胞被分开使两子细胞被分开。二、二、 微管微管 (microtubule , mt)(microtubule , mt) 微管在胞质中形成网络结构，作为运输路轨并微管在胞质中形成网络结构，作为运输路轨并起支撑作用。微管是由微管蛋白组成的管状结起支撑作用。微管是由微管蛋白组成的管状结构，对低温、高压和秋水仙素敏感。构，对低温、高压和秋水仙素敏感。上皮细胞中的上皮细胞中的微管（红色）微管（红色）和细胞核（黄和细胞核（黄色）色）原纤维原纤维微管蛋白二

21、聚体微管蛋白二聚体（一）、分子结构（一）、分子结构1.1.形态：形态：微管是由微管是由1313条原纤维构成的中空管状结构，条原纤维构成的中空管状结构，外径外径24 nm24 nm，内径，内径15 15 nmnm。2.2.成分成分：每一条原纤维由微管蛋白二聚体线性排列：每一条原纤维由微管蛋白二聚体线性排列而成。而成。 微管蛋白二聚体由结构相似的微管蛋白二聚体由结构相似的和和球蛋白构成。球蛋白构成。3.3.装配：装配： 微管具有极性，微管具有极性，(+)(+)极生长速度快，极生长速度快，(-)(-)极生长速度慢。极生长速度慢。 (+)(+)极的最外端是极的最外端是球蛋白，球蛋白，(-)(-)极的最

22、外端是极的最外端是球蛋白。球蛋白。 微管和微丝一样具有踏车行为。微管和微丝一样具有踏车行为。 微管形成的有些结构是比较稳定，是由于微管结合蛋白的微管形成的有些结构是比较稳定，是由于微管结合蛋白的作用和酶修饰的原因。如轴突、纤毛、鞭毛。作用和酶修饰的原因。如轴突、纤毛、鞭毛。 大多数微管处于动态组装和去组装状态（如纺锤体）。大多数微管处于动态组装和去组装状态（如纺锤体）。 秋水仙素、长春花碱抑制微管装配。秋水仙素、长春花碱抑制微管装配。 紫杉酚和重水（紫杉酚和重水（d d2 2o)o)能促进微管的装配能促进微管的装配, , 并使已形成的微并使已形成的微管稳定。管稳定。微管两端具微管两端具有有gt

23、p帽，帽，将持续装配。将持续装配。微管两端具有微管两端具有gdp帽，则解帽，则解聚。聚。（二）、（二）、微管结合蛋白（微管结合蛋白（ microtubule associated proteins maps） mapmap分子至少包含一个结合微管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构域。突出部位伸到微管外与其它细胞组分（如微管束、中其它细胞组分（如微管束、中间纤维、质膜）结合。间纤维、质膜）结合。 主要功能：主要功能：促进微管组装。促进微管组装。增加微管稳定性。增加微管稳定性。促进微促进微管聚集成束管聚集成束。（三）、（三）、微

24、管组织中心微管组织中心（microtubule organizing center, mtocs） 是微管进行组装的区是微管进行组装的区域，都具有域，都具有微管球微管球蛋白蛋白 ，如：中心体、，如：中心体、鞭毛基体。鞭毛基体。 中心体由两个相互垂直的中心粒构成。周围是一些中心体由两个相互垂直的中心粒构成。周围是一些无定形物质，叫做外中心粒物质（无定形物质，叫做外中心粒物质（pcmpcm）。）。 中心粒由中心粒由9 9组组3 3联微管构成，具有召集联微管构成，具有召集pcmpcm的作用。的作用。 mtocmtoc处微管蛋白以环状的处微管蛋白以环状的球蛋白复合体为模板核球蛋白复合体为模板核化、先组

25、装出（化、先组装出（- -）极，然后开始生长。）极，然后开始生长。 提纯的微管，在微酸性环境，适宜的温度，存在提纯的微管，在微酸性环境，适宜的温度，存在gtpgtp、mgmg2+2+和去除和去除caca2+2+的条件下能自发的组装成的条件下能自发的组装成1111条条原纤维的微管。原纤维的微管。微管在细胞的定位 （四）、（四）、微管的功能微管的功能 1 1、支架作用、支架作用, ,维持细胞形态维持细胞形态 2 2、细胞内运输、细胞内运输 是胞内物质运输的路轨。是胞内物质运输的路轨。 涉及两大类马达蛋白：驱涉及两大类马达蛋白：驱动蛋白动蛋白kinesinkinesin，动力蛋，动力蛋白白dyeni

26、ndyenin，均需，均需atpatp供能。供能。 kinesinkinesin发现于发现于19851985年，年，是由两条轻链和两条重链是由两条轻链和两条重链构成的四聚体构成的四聚体 ，能向着，能向着微管（微管（+ +）极运输小泡）极运输小泡 。 3 3、鞭毛和纤毛的运动、鞭毛和纤毛的运动 纤毛与鞭毛是相似的两种细胞外长物，前者较短。 结构：由基体和鞭杆两部分构成。纤毛中的微管为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。a管向相邻b管伸出两条动力蛋白臂，并向纤毛中央发出一条辐。基体的微管组成为9+0。 鞭毛运动原理：动力蛋白臂的dynein水解atp作功，使相邻的二

27、联微管相互滑动。 4 4、形成纺锤体、形成纺锤体 在细胞分裂中牵引染色体到达分裂极。在细胞分裂中牵引染色体到达分裂极。三、三、中间纤维（中间纤维（intermediate filaments，if） 直径直径10nm10nm左右，介于微丝和微管之间，故名。左右，介于微丝和微管之间，故名。 ifif是最稳定的细胞骨架成分，主要起支撑作是最稳定的细胞骨架成分，主要起支撑作用。用。 ifif在细胞中围绕着细胞核分布，成束成网，在细胞中围绕着细胞核分布，成束成网，并扩展到细胞质膜，与质膜相连结。并扩展到细胞质膜，与质膜相连结。 分为分为5 5类：角蛋白、结蛋白、胶质原纤维酸性蛋白、波形类：角蛋白、结蛋白、胶质原纤维酸性蛋白、波形纤维蛋白、神经纤丝蛋白。纤维蛋白、神经纤丝蛋白。 具有组织特异性，不同类型细胞含有不同具有组织特异性，不同类型细胞含有不同ifif。 通常一种细胞含有一种中间纤维，少数含有通常