高中生物竞赛课件第8章 细胞的骨架体系1(微管)

细胞生物学

第8章

细胞的骨架体系2细胞骨架概述1234微管微丝中间纤维本章主要内容第一节

细胞骨架概述=4细胞骨架(cytoskeleton)真核细胞内部的蛋白纤维网络结构。它对于维持细胞的形状、细胞的运动、细胞内的物质运输、染色体的分离和细胞的分裂起着重要的作用。是真核细胞区别于原核细胞的重要标志

微管（microtubule）微丝（microfilament）中间纤维（intemediatefilament）概述Thethreetypesofprotein6ACB直径5-8nm，成份为肌动蛋白，分布于细胞周边。直径10nm，呈长杆状，分布具有组织特异性，成分复杂。7广义的细胞骨架还包括：核骨架（nucleoskeleton）；核纤层（nuclearlamina）；细胞外基质（extracellularmatrix）；形成贯穿于细胞核、细胞质、细胞外的一体化网络结构。概述第二节微管9

◆主要成分：α-微管蛋白（α-tubulin），450个氨基酸残基

β-微管蛋白（β-tubulin），455个氨基酸残基

有35%~40%同源序列◆

以异二聚体形式存在，纵向排列形成细长的原纤维◆13根原纤维侧向排列形成微管

◆有1nm交错一、微管成分、结构和存在形式GTPGa2+,Mg2+,紫杉醇

10一、微管成分、结构和存在形式◆单管（singlet）：最主要的存在形式，分散或成束分布，走向与细胞的形态密切相关，对低温、Ca2+和秋水仙素作用敏感。随细胞周期变化。◆二联管（doublet）：由A、B两根单管组成，A管为完全微管，由13根原纤维组成，B管仅有10根原纤维，与A管共用3根原纤维。属于稳定微管。（纤毛、鞭毛）◆三联管（triplet）：A管为完全微管，B和C管仅有10根原纤维，分别与A管和B管共用3根原纤维（基体、中心粒）细胞特殊结构纤毛、鞭毛、基体、中心体、纺锤体11一、微管成分、结构和存在形式◆γ-微管蛋白，20世纪80年代发现广泛存在于真核细胞中，占微管蛋白总含量不足1％，

分子量约为50kDa，由455个左右的氨基酸残基组成。◆位于微管组织中心◆形成γ-微管蛋白环状复合物（γ-TuRC），促进微管核心形成，使微管的负端稳定。12一、微管成分、结构和存在形式αβ二聚体→原纤维→合拢成管◆微管具有极性（+）生长速度快：最外端是β-微管蛋白（-）生长速度慢：最外端是α-微管蛋白◆具有“踏车行为”（treadmilling）相邻的原纤维交错1nm排列微管蛋白分子螺旋排列形成微管13一、微管成分、结构和存在形式◆α-微管蛋白GTP结合位点，不可交换位点◆β-微管蛋白GTP结合位点，可交换位点,在微管蛋白二聚体组装成微管后水解为GDP,去组装后的β-微管蛋白上的GDP会被细胞质中的GTP所置换，再次参与微管的组装过程。◆结合Mg2+为微管的聚合所必需。◆结合Ca2+导致微管的解聚。Ga2+,Mg2+,紫杉醇

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。

紫杉酚能促进微管的装配,并使已形成的微管稳定14二、微管的装配

◆微管组织中心（microtubuleorganizingcenterMTOCs）是微管进行组装的区域；中心体和纤毛的基体、着丝粒、成膜体、基体均具有微管组织中心的功能。

◆所有微管组织中心都具有γ-微管蛋白，聚合成环状复合体，参与微管蛋白的核化，帮助α-和β-微管蛋白聚合为微管纤维。（1）体内装配15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(动态微管)

鞭毛纤毛MTOC：基体

(永久性结构)16TheOrientationofMicrotubulesinaCell

17微管组织中心生成微管的示意图19二、微管的装配（1）体外装配1972年Weisenberg实验室以小鼠脑组织匀浆为材料，完成微管体外装配：将脑的匀浆物置于37℃，添加Mg2+，GTP和EGTA(EGTA是Ca2+的螯合剂，抑制聚合作用)，组装。降低或提高反应温度就可以使微管去组装和重组装。在反应系统中添加微管碎片能够加速微管的组装。微管组装的基本条件是:αβ微管蛋白二聚体、GTP、Mg2+和合适的温度。GTP的作用:αβ微管蛋白二聚体与GTP结合之后，作为微管组装的构件,通过GTP水解使微管去组装,保持微管的动态性质。20成核期（nucleationphase）αβ-微管蛋白二聚体聚合成寡聚体（oligomer）结构，其两端和侧面不断添加微管蛋白二聚体而扩展成片状，当片状聚合物加宽至13根原纤维时，即合拢成一段微管。由于该期是微管聚合的开始，速度缓慢，是微管聚合的限速过程，因此也称为延迟期。延长期（elongationphase）高浓度的游离微管蛋白使微管聚合速度快于解聚速度，二聚体的不断添加使微管不断延长。稳定期（steadystatephase）微管组装与去组装速度相等，微管长度相对恒定。二、微管的装配（1）体外装配23◆影响微管的组装与去组装的因素微管蛋白浓度：临界浓度1mg／ml；最适pH：pH为6.9；离子：Mg2+为微管装配所必需，Ca2+可使微管解聚；温度：37℃微管蛋白二聚体装配成微管，温度低于4℃时微管解聚为二聚体；能量：微管的组装与去组装需要由GTP提供能量。24三、微管组装的动态调节机制微管踏车模型（treadmilingmodel）非稳态动力学模型（dynamicinstabilitymodel）。25微管装配的过程与“踏车行为”异二聚体浓度高时，延长异二聚体浓度低时，延长与缩短聚合与解聚平衡时，相对恒定26微管非稳态动力学模型微管末端具不稳定性：生长和萎缩GTP微管蛋白异二聚体浓度高，趋于延长。27◆微管结合蛋白（microtubuleassociatedproteins，MAPs）包含至少一个微管结合结构域和一个向外突出的结构域。包括MAP1,MAP2,MAP4和Tau蛋白等，◆突出部位伸到微管外与其它细胞组分（如微管束、中间纤维、质膜）结合。◆主要功能：①促进微管聚集成束；②增加微管稳定性或强度；③参与细胞信号转导。三、微管结合蛋白28四、微管特异性药物◆秋水仙素(colchicine)阻断微管装配；29◆

Ca2+、高压、低温直接破坏微管；◆

紫杉醇和重水能促进微管装配、增加其稳定性；30五、微管的功能（1）细胞形态的维持体外培养的动物细胞：柱状上皮细胞：植物细胞31（2）细胞内物质的运输◆由马达蛋白（motorprotein）完成，◆沿细胞骨架运输，◆ATP提供能量。◆3个家族：驱动蛋白（kinesin）动力蛋白（dynein）

肌球蛋白（Myosin）

32运输是单方向的：驱动蛋白通常只能引导沿微管的(－)极向(＋)极运输（背离中心体），动力蛋白则是驱动从(＋)极向(－)极的运输（朝向中心体）发现于1985年发现于19633436（3）纺锤体和染色体运动细胞从间期进入有丝分裂期时，微管网架崩解，微管解聚为微管蛋白，经重新装配形成纺锤体。后期牵引染色体到达细胞的两极。分裂末期，纺锤体微管解聚为微管蛋白，经重新装配形成微管网络。动粒微管极微管星体微管37（4）构成鞭毛、纤毛，参与细胞运动◆鞭毛与纤毛是真核细胞表面特化结构，具有运动功能。38◆结构：◆体部：9+2微管9组二联管在周围等距离排列成一圈，中央是两根单个微管◆正极：鞭毛/纤毛的顶端◆基部：9+0微管B中心粒（centriole）和基体（basalbody）组成：9组三联管9+042纤毛和鞭毛的运动机制①A管动力蛋白头部与相邻微管的B微管接触，促使ATP水解，并释放ADP和Pi；②改变了A微管动力蛋白头部的构象，促使头部朝向相邻二联管的正极滑动，使相邻二联微管之间产生弯曲力；③新的ATP结合，使动力蛋白头部与B微管脱离；ATP水解，其放出的能量使动力蛋白头部的角度复原；④带有水解产物的动力蛋白头部与相邻二联管的B微管上的另一位点结合，开始下一个循环。微管

单体：微管蛋白(二聚体)

组装：成核期—寡聚体(限速期）

聚合期—聚合﹥解聚

稳定期—聚合=解聚

结合蛋白：MAP1,MAP2,tau,MAP4

功能：维持细胞形态

参与细胞运动

纤毛

—二联管9+2

鞭毛

动力蛋白

连接蛋白