细胞骨架与细胞运输

1、第七章 细胞骨架（cytoskeleton）与细胞运动第一节 细胞骨架普通描述1928年Klotzoff提出1963年电镜标本用戊二醛在常温下固定等证实利用细胞骨架荧光抗体在共聚焦激光显微镜能够清楚地观察细胞骨架：是真核细胞中由蛋白质纤维组成网状细胞器，在细胞形态、运动和信号转导等方面中发挥主要作用。第1页狭义细胞骨架：微管、微丝、和中间纤维。广义细胞骨架：细胞质骨架、细胞核骨架、细胞膜骨架、细胞外基质等。第2页细胞核骨架核基质核纤层-核孔复合体体系染色体骨架细胞骨架细胞外基质胶原蛋白弹性蛋白氨基聚糖蛋白聚糖粘附分子 细胞质骨架微丝微管中等纤维细胞膜骨架皮层区、应力纤维等第3页细胞骨架特点：复

2、合网状、弥散性、整体性、变动性。细胞骨架意义：维持细胞形态 保持细胞有序性与细胞运动、细胞器运动与物质运输、能量、信息信号交换 细胞分裂、细胞分化相关。第4页第二节 微管（microtubules）一、形状：三、化学组成：二、类型：四、微管组装：五、微管功效第5页一、微管形状：为中空管状结构，内径15nm、外经25nm，管壁5 nm、管壁由13根原纤维组成。第6页电镜下微管（ Microtubules ）光镜下细胞骨架： 红色荧光显示微丝黄色显示微管兰色显示细胞核第7页微管在细胞内分布第8页微管特化结构：纤毛、鞭毛、基体、中心粒等。第9页二、微管类型：单体、二聚体、三聚体（13根纤维共用3根）

3、第10页立体图第11页图？第12页中心粒形态结构图第13页纤毛第14页.组成鞭毛微管有( )。A.单个微管 B.二联微管 C.三联微管 D片状微管 E右手螺旋微管第15页三、微管化学组成：微管蛋白和微管结合蛋白 微管蛋白：组成微管本体结构，是球状酸性蛋白，分、三种，通常和组成异二聚体，组成环形同聚体。第16页微管结合蛋白(microtubule-associated protein ,MAP)：组成微管附加结构，促进其形成和聚合。结构：碱性区域与微管结合,可加速成核作用；酸性区域与其它细胞骨架结合，促进微管多聚体或者与形成细胞骨架网状结构。例. MAP-1、MAP-2、tau、MAP-4。不一

4、样微管结合蛋白在细胞中有不一样分布区域，执行特殊功效。如：神经细胞中微管结合蛋白分布：tau只存在于轴突中，而MAP-2则在胞体和树突中。第17页四、微管组装：非稳态动力学模型(dynamic instability model)：描述：聚合与解离聚合元件为GTP三聚体，GTP与结合后使得结构变直而轻易相互聚合聚合后成GDP微管正极端与负极端微管组装三阶段： 成核期、聚合期、稳定时第18页组装过程：+ + GTPGTPGTP+GTP+GTP（头尾相连成GTP水解成GDPGDP+GDP+GDP 成片状管状。细胞外微管组装时成核：随机碰撞形， 第19页第20页第21页细胞内组装时成核：中心体、基体

5、形上 -TuRC)。微管蛋白环形复合体( tubulin ring complex， -TuRC) 功效：刺激微管关键阻止负极端微管蛋白解离，促使新生微管从释放。微管组织中心(MTOC) 第22页第23页中心体复制周期第24页影响组装原因：A生理条件： PH值（最适6.9）、温度（最适37、Mg2+使聚协力上升、Ca2+使聚协力下降、微管蛋白二聚体（临界浓度为l mg/ml)，GTP，压力等。药品：秋水仙素（colchicine）或秋水仙胺(colcemid)，长春花硷（catharanthine ）或新长春花硷(vincristine )， Noeodazole等，结合游离微管蛋白二聚体，使

6、之不能聚合成微管，促使微管解聚。但反应是可逆。紫杉醇（taxol）结合到组装后微管上，抑制其解聚。第25页五、微管功效支持功效 与动力蛋白组成运动单位微管详细功效（一）组成细胞网状支架：（二）保持细胞器形状和位置：（三）组成纤毛和鞭毛运动器官（四）组成中心粒、纺锤体（五）参加细胞内物质运转（六）参加细胞器移动。（七）参加细胞内信号传导第26页（一）微管组成细胞网状支架：微管最粗最刚性结构。例：血小板中央一圈微管使其呈圆盘形状，低温处理或秋水仙素处理后？第27页（二）微管保持细胞器形状和细胞器位置： 微管使内质网展开分布，使高尔基体位于细胞核附近等。当用秋水仙素处理后内质网坍塌，高尔基体分解成各

7、种囊泡并分散在整个细胞质中。撤除秋水仙素后细胞器形状和分布重新恢复。微管内质网高尔基体中心体细胞核上图：内质网抗体染色下列图：微管抗体染色上图：高尔基抗体染色下列图：微管抗体染色第28页第29页（三）微管组成纤毛和鞭毛运动器官1.纤毛功效：锚定运动2.纤毛结构：中央部:“9+2” 顶端部：二联管逐步形成单管相互合并一起。基部：一对单管消失，成“9+0”中心粒结构第30页第31页3.纤毛运动机理：二联管A管向B管伸出二个动位蛋白，（轴丝动位蛋白），其头部有微管和ATP结合位点，经过水解ATP释放能量推进A管向B管二联管之间相互滑动，而实现纤毛和鞭毛摆动、扭动。第32页9个二联管之间速率不均等滑动

8、可纤毛和鞭毛弯曲，经过与联结蛋白(如放射辐蛋白、连接丝蛋白等)可完成纤毛和鞭毛各种运动第33页(四)微管参加中心粒、纺锤体形成1.中心粒和纺锤体组成: 中心体（centrosome）：中心粒(centriole)和中心粒旁物质(pericentrio1ar material); 纺锤体三种微管：动粒微管(kinetochore microtubule)极微管(polar microtubule) 星体微管(aster microtubule)第34页2染色体移动：细胞分裂时染色体运动方式是综合运动，包含了：微管组装和解聚运动、和动力蛋白沿轨道运动两种机制。第35页（五）微管参加细胞内物质运转膜

9、泡起源：细胞膜、内质网膜以及高尔基复合体。运动方式：由运输分子沿着微管和微丝等轨道运行。作用：物质运输，细胞膜运输第36页动力蛋白dynein例1：突触小泡运动负极正极驱动蛋白kinesin第37页例2.色素颗粒运动许多两栖类和鱼类生皮肤变色原因。在皮肤中含有色素细胞，色素颗粒在神经和激素控制下，数秒钟内快速分布到细胞各处，使皮肤颜色变深；又能快速回到细胞中心，使皮肤颜色变浅。第38页（六）微管参加细胞器移动。第39页（七）微管参加细胞内信号传导 例：微管参加hedgehog、JNK、Wnt、ERK蛋白激酶信号转导通路相关。信号分子可能是经过直接作用微管或经过马达蛋白调整细胞骨架极性和形状等来

10、进行信号传导。 第40页第三节 微丝（microfilament）一、形状：微丝又称肌动蛋白纤维(actin filament)，是实心丝状纤维，直径为7nm。常形成束状或网状，在细胞膜下皮层区中最多。第41页光镜下上皮细胞 红色显示微丝 第42页二、化学组成：肌动蛋白和微丝结合蛋白肌动蛋白（actin）占细胞总蛋白10, 肌动蛋白分子是由375个氨基酸组成单链，呈哑铃形，并紧密结合一分子ATP，一个肌动蛋白称 G-肌动蛋白，多个G-肌动蛋白排列组成多聚体称 F-肌动蛋白，肌动蛋白分子种类有6种。第43页微丝结合蛋白： 100各种，功效复杂。第44页第45页三、微丝组装：踏车模型(treadm

11、iling model)组装三阶段：成核期、生长久、平衡期。体外聚合：肌动蛋白单体三聚体延长平衡第46页细胞内聚合：细胞膜下肌动蛋白皮层区(actin cortex) 肌动相关蛋白(actin-related proteins， ARPs )成核，称为ARP23复合物(ARP complex) 生长，70。第47页第48页影响微丝组装原因：生理条件：G-蛋白浓度，ATP，Ca2+, Mg2+Na。药品：细胞松弛素B： 只与聚合中微丝正极端结合，抑制微丝聚合，不与聚合后微丝结合，如: 不抑制肌纤维中微丝。 鬼笔环肽：只与聚合后微丝结合，不与聚合中微丝或肌动蛋白单体结合。抑制微丝解体。第49页四、

12、微丝功效：a. 支持功效 b. 与动力蛋白组成运动单元微丝组成细胞网状支架微丝参加细胞变形运动微丝参加细胞分裂微丝参加肌肉收缩微丝组成细胞膜骨架主体微丝参加细胞连接第50页四、微丝功效：组成细胞网状支架维持细胞形态在细胞中，微丝不能单独发挥作用，而必须形成网络结构或束状结构才发挥作用。微丝能形成特化结构，如微绒毛(microvilli)和应力纤维(stress fiber)。第51页参加细胞变形运动肌动蛋白皮层片状伪足基质回缩非聚合态肌动蛋白移动端肌动蛋白聚合,使伪足向前延伸点接触第52页微丝参加细胞分裂第53页参加肌肉收缩A肌肉收缩装置 B肌肉收缩原理：C单个肌球蛋白运动。肌动蛋白和肌球蛋白

13、滑动产生肌肉收缩第54页第55页微丝组成细胞膜骨架主体第56页微丝参加细胞连接第57页第三节 中间丝（intermediate filaments）一、形态与分布：中间丝是中空纤维状，广泛存在于细胞质中，组成网状纤维主体。特点：直径10nm，结构稳定，普通无聚合与分解，不受细胞内离子浓度、去垢剂或秋水仙素、细胞松弛素等影响。组分有组织特异性。微管组织中心(MTOC) 微管组织中心(MTOC) 第58页21角蛋白(keratin )存在于上皮细胞 22波形蛋白(vimetin)分布于间质细胞23 结蛋白(desmin)存在于肌肉细胞24 胶质原纤维酸性蛋白存在于神经胶质细胞25神经丝蛋白，分布于

14、神经细胞组成中间纤维成份组织特异性：第59页第60页组成中等纤维蛋白分子结构相同：中间为保守区，是310Aa螺旋区，两端为非保守区，是无规则区。杆状-螺旋区头部氨基端尾部羧基端角蛋白波行纤维蛋白神经丝蛋白核纤层含重复区段第61页第62页二、中间丝组装：单丝双股螺旋四聚体许多四聚体首尾连接成原纤维八个原纤维围成中空中间丝。第63页二聚体四聚体原丝中间丝中间丝蛋白单体二、中间丝组装：单丝双股螺旋四聚体许多四聚体首尾连接成原纤维八个原纤维围成中空中间丝。第64页三、中间丝功效组成细胞网状支架：中间丝广泛存在于细胞质中，组成网状纤维主体，使整个细胞形成整体性结构，其耐剪切性最强，使细胞核、细胞器串联在

15、细胞质中。第65页参加细胞连接：使组织成为网状整体，锚定连接。第66页参加细胞运动。如：mRNA运动。第67页参加细胞信号传导参加细胞分化网蛋白中间丝微管抗网蛋白抗体金颗粒第68页组成细胞核骨架主要成份:核外膜外侧有中间丝与细胞质骨架相连，核内膜内侧有核纤层受体,它与核纤层B结合，再与细胞核基质核骨架相连,组成网状细胞核骨架。第69页四、三种细胞骨架比较：第70页第四节 细胞骨架与疾病1.男性不育ALZHEIMER DISEASE (AD) is the fourth leading cause of death in adults. The incidence of the disease

16、rises steeply with age. AD is twice as common in women than in men, although ex-president Ronald Reagan is a well known disease sufferer. Some of the most frequently observed symptoms of the disease include a progressive inability to remember facts and events and, later, to recognize friends and fam

17、ily.AD tends to run in families: currently, mutations in four genes, situated on chromosomes 1, 14, 19 and 21, are believed to play a role in the disease. The best-characterized of these are PS1 (or AD3) on chromosome 14 and PS2 (or AD4) on chromosome 1. The formation of lesions made of fragmented b

18、rain cells surrounded by amyloid-family proteins are characteristic of the disease. Interestingly, these lesions and their associated proteins are closely related to similar structures found in Downs Syndrome. Tangles of filaments largely made up of a protein associated with the cytoskeleton have al

19、so been observed in samples taken from Alzheimer brain tissue.第71页2.老年痴呆（Alzheimers)Currently, scientists are studying the interrelationship between the various gene loci (particularly the mutation on chromosome 21), and how environmental factors could effect a persons susceptibility to AD. Recently

20、, use of a mouse model of the disease identified an enzyme that may be responsible for the increase in amyloid production characteristic of AD. If a way to regulate this enzyme could be found, then AD may be slowed or halted in some people.第72页3.假肥大型肌营养不良（DMD）第73页3.假肥大型肌营养不良（DMD）病因第74页Spherocytosis

21、is a disease of abnormal shaped red blood cell (RBC). RBCs from spherocytosis patients have altered membrane and cytoskeletal structure. Those RBCs do not survive as long as normal RBCs The size of many of these RBCs is quite small compared with normal RBCs. In hereditary spherocytosis, there is a l

22、ack of epctrin, a key RBC cytoskeletal protein. This produces membrane instability that forces the cell to smallest volume- a sphere. In the laboratory, this is shown by increased osmotic fragility. 4. 球形红细胞症第75页5.中等纤维与肿瘤诊疗特异性： 中间纤维单克隆抗体可作肿瘤判别诊疗有力工具。利用羊水穿刺检验可确诊胎儿一些畸型。总来说，细胞骨架三种结构在功效上不能完全分开，而是相互依存共同完

23、成细胞内 各种生理活动。 第76页第五节 细胞运动机理（补充） 细胞运动形式分类：细胞位移运动 细胞形态改变运动 细胞内部运动第77页细胞结构重新认识：细胞呈膜相网格形状：由生物膜分隔成许多空间细胞呈纤维网格形状：细胞器、大分子和超分子复合物等被相对固定在网络中如：微管与高尔基体小泡相连，核糖体在微管与微丝交叉点上，信使RNA翻译有锚点，线粒体周围有微管等。细胞器沿着网络轨道运动 第78页驱动蛋白 kinesins动位蛋白dyneins第79页运动三要素；运动支架、运动肌肉和能量细胞运动条件：细胞骨架：微管、微丝和中等纤维马达蛋白：肌球蛋白、驱动蛋白、动力蛋白能量:ATP运动组合体：肌球蛋与微

24、丝组合体 驱动蛋白和动力蛋白与微管组合体中等纤维马达蛋白等候发觉 细胞运动机制 第80页马达蛋白分类：肌球蛋白、驱动蛋白、动力蛋白动力蛋白与轨道组合：肌球蛋与微丝相关 驱动蛋白和动力蛋白与微管相关一、动力蛋白沿轨道运动机制细胞运动机制分类： 马达蛋白沿轨道运动机制 微管与微丝组装引发运动机制第81页（一）、动力蛋白分子结构引言: 发动机！发动机能将一个能量转变成机械能机器动力蛋白又称发动机蛋白(motor protein)，或分子发动机细胞中由动力蛋白将ATP化学能转为机械能拉动货物运动货物：各种小泡、线粒体、溶酶体、染色体和分子团块沿轨道在细胞内行走第82页动力蛋白携带膜泡沿微管移动卡通图：

25、第83页1肌球蛋白(myosin)分子结构：由一或二条重链和数条轻链组成。重链:头部：又称S1片段，由重链N端组成，含：肌动蛋白、ATP结合位点和水解ATP酶颈部：为高度螺旋区域，能够结合钙调素和轻链，受钙离子调整 尾部：是重链C端，含膜结合位点 和重链二聚体结合位点 第84页2驱动蛋白(kinesin) 分子结构：两条重链和两条轻链聚合而成重链：和肌球蛋白重链相同：包含 头部、颈部和尾部头部：一对大球型，含微管蛋白结合、ATP位点和水解ATP酶柄部，为高度螺旋区域尾部一对小球形头部是产生动力部位尾部能与膜或微管结合 轻链：与重链尾部结合第85页3. 动力蛋白（dynein）分类：鞭毛动力蛋白

26、、胞质动力蛋白鞭毛动位蛋白：大头上有小头，功效有鞭毛或纤毛运动第86页胞质动力蛋白：分子巨大，由910个多肽链组成它有两个大球形头部，是生成力部位；尾部有膜结合位点功效：有丝分裂中染色体运动动力膜泡向微管负端运输发动机第87页（二）动力蛋白介导细胞运动机制 动力蛋白（例肌球蛋白）运动：运动过程介绍：经过肌球蛋白与肌动蛋白结合是否，头部弯曲，水解ATP等实现运动。动特点：不连续性、方向性能量和力量：酶水解1分子ATP，肌球蛋白移动23个肌动蛋白亚基距离(1115nm)，同时产生3-4pN力量，引发膜泡运输或肌细胞中粗细肌丝滑动。第88页运动周期（使用1分子ATP）详细步骤初始状态：肌球蛋白与肌动蛋白紧密结合， 无ATP结合结合ATP后：肌球蛋白头部与肌动蛋白结合解离第89页ATP水解:ATP结合位点关闭，引发肌球蛋白头部变构弯曲变构肌球蛋白