细胞骨架蛋白详解演示文稿

细胞骨架蛋白详解演示文稿当前1页，总共71页。（优选）细胞骨架蛋白当前2页，总共71页。微管、微丝和中间丝蛋白免疫荧光图片大鼠肾细胞系（PtK-1）；绿色荧光（蛋白质）：红色荧光（细胞核DNA）当前3页，总共71页。

广义的细胞骨架还包括

核骨架（nucleoskeleton）、核纤层（nuclearlamina）细胞外基质（extracellularmatrix）三者形成贯穿于细胞核、细胞质、细胞外的一体化网络结构。当前4页，总共71页。构成细胞骨架的主要蛋白质：肌动蛋白（肌动蛋白相关蛋白）微管蛋白（微管相关蛋白）中丝间蛋白（各种中间丝相关蛋白）本章主要介绍它们的分子特征，功能，纤丝的形成与解聚的调控。

当前5页，总共71页。细胞骨架的功能：

维持细胞一定的形状；参与动物细胞的运动（如巨噬细胞、白细胞通过阿米巴样的作用在组织中迁移与骨架的聚合和解聚相关。细胞分裂、收缩、细胞的纤毛活动都与细胞骨架有关。)细胞内部成分的转运（如神经轴突的生长，达500cm或更长。细胞分裂时，染色质向细胞的转移）当前6页，总共71页。细胞骨架的主要功能（来自G.Karp2002）当前7页，总共71页。第一节概论

一、细胞骨架的概念二、纤丝系统的功能三、相关蛋白的功能

当前8页，总共71页。一、细胞骨架的概念当细胞膜被非离子型表面活性剂破坏时，大部分胞质流失，这一部分称胞液（cytosol）。

细胞骨架（cytoskeleton）：细胞流失胞液后的不溶残余部分,仍保持细胞外形,具有决定细胞形态作用的纤维网络。细胞骨架相关蛋白：在肌动蛋白微丝、中间丝、微管纤丝纯化时被共同纯化的蛋白质，称为相关蛋白（associatedproteins）。当前9页，总共71页。二、纤丝系统的功能纤丝的功能有很多共同之处，如：

①形成网络决定细胞的形状；②加固细胞成分；

③纤维收缩（反平行纤丝滑行）如肌肉收缩；

④杆体收缩（平行纤丝滑行）,如纤毛和鞭毛活动；

⑤导向转运的轨道，如神经细胞中沿微管转运物质或颗粒；

⑥沿纤丝传导信息。

当前10页，总共71页。

三、相关蛋白的功能相关蛋白通过以下方式控制纤丝聚合：①与单体结合,防止单体聚合；②启动聚合过程；③当聚合达到一定长度后封闭纤丝的尾端（加帽）；④通过等量蛋白结合促进纤丝延长；⑤促进解聚，包括切短；⑥通过酶学作用修饰聚合体的亚单位；⑦结合在纤丝的周边而加固纤丝；⑧将纤丝交联成束或网络；⑨有时形成纤丝突起，与其他类型纤丝、膜系统相互作用，通过结构间的张力，形成交联桥，产生运动。当前11页，总共71页。

第二节

中间丝一、中间丝的结构二、组成中间丝的蛋白质及其分类三、中间丝相关蛋白四、中间丝的功能

当前12页，总共71页。一、中间丝的结构各种中间丝（IF）结构非常相似，直径10nm,处于微管和微丝之间，故名中间丝（或10nm纤丝）。几种中间纤维的模式图

当前13页，总共71页。中间丝巢蛋白(Nestin,一种中间丝蛋白，绿)神经胶质纤维酸性蛋白（GFAP,红）

当前14页，总共71页。

IF的蛋白质分子量和等电点不同，分成几类：

细胞角蛋白（cytokeratin）结蛋白（desmin）波形蛋白（vimentin）神经丝蛋白（neurofilamentprotein）胶质原纤维酸性蛋白（glialfibrillaryacidicprotein,GFAP）核纤层蛋白（lamin）等。有些细胞IF很多，如上皮细胞(皮肤抗磨擦和脱水)，有的细胞完全没有。当前15页，总共71页。IF蛋白的分子特征分子中有一个中间结构域，其中93%氨基酸可形成α螺旋，也称杆状结构域（roddomain），N端有Mr15kD头部，C端为Mr5-10kD尾部。

杆状结构域具有7氨基酸重复序列，它们形成卷曲螺旋（coiledcoil），杆状结构域长度比较恒定（约310个氨基酸残基）。

两端为非螺旋区，尾部耐受胰凝乳蛋白酶的水解，头部有许多β折叠结构，可被胰凝乳蛋白酶水解。当前16页，总共71页。中间丝的结构中间丝结构装配和排列尚有争议。IF单体二聚体双极性四聚体（中间丝中为平行四聚体）原丝（双股结构）中间丝(八条原纤维)当前17页，总共71页。二、中间丝的蛋白质及其分类

据氨基酸序列、基因结构、组装特性及组织特异性表达模式Ⅰ型（酸性）角蛋白；Ⅱ型（中性和碱性）角蛋白；Ⅲ型，如波形蛋白、结蛋白、胶质纤维酸性蛋白及外周蛋白；Ⅳ型，包括神经丝蛋白和α-介连蛋白；Ⅴ型，包括核纤层蛋白A及其剪切体核纤层蛋白C，核纤层蛋白B1和B2；Ⅵ型，包括巢蛋白、微管卷曲蛋白和desmuslin。植物、真核微生物、非脊椎动物细胞也有IF，结构基本相似，了解还不多。当前18页，总共71页。（一）角蛋白（IF多肽Ⅰ型和Ⅱ型的异多聚体）

角蛋白家族是IF蛋白中存在最多的一类。据硫含量的多少（即二硫键）将角蛋白分为硬角蛋白和软角蛋白，占上皮细胞胞质蛋白的80%。角蛋白种类很多，皮肤细胞至少30种。角蛋白分子通常形成异多聚体，即由一个Ⅰ型（酸性的）二聚体和一个Ⅱ型（中性/碱性）二聚体组成异四聚体。

角蛋白有形成束的特性。最易观察到的是硬角蛋白，分布在毛发、甲、角和蹄等。这些组织的形成是由于整个细胞的固化，而不是简单的将硬角蛋白分泌到表面。

当前19页，总共71页。（二）同多聚体Ⅲ型IF在各种非表皮细胞内形成中间丝，其氨基酸同源性很高。包括以下几种：1.波形蛋白2.结蛋白3.胶质原纤维酸性蛋白（GFAP）4.外周蛋白（peripherin）当前20页，总共71页。1.

波形蛋白（vimentin）

间质细胞（如成纤维细胞）的主要结构蛋白，C端尾部特异地结合于细胞核外膜，N端头部结合细胞膜，故在细胞核和细胞膜之间形成联接。波形蛋白有蛋白激酶C和蛋白激酶A磷化位点，通过磷酸化与去磷酸化，可改变不溶的中间丝网络。波形蛋白/胆碱乙酰基转移酶当前21页，总共71页。2.

结蛋白

结蛋白（desmin）是肌细胞的主要IF蛋白，在平滑肌中含量特别丰富。在平滑肌细胞中，结蛋白中间丝形成一个相互连接的网络，连接胞质的致密体（densebodies，相当于横纹肌的Z-盘）和细胞膜的致密体斑块（denseplaques）。在横纹肌中，结蛋白靠近两个细胞的细胞膜连接，也存在于Z-盘。心肌结蛋白染色当前22页，总共71页。3.

胶质原纤维酸性蛋白（GFAP）

胶质细胞专一的中间丝，具有支持神经细胞的作用。GFAP可作为免疫标记。4.外周蛋白（peripherin）

存在于外周神经系统和某些中枢神经系统的神经细胞。它可与Ⅳ型IF多肽聚集，但在性质上更类似于结蛋白和波形蛋白。皮肤过度松弛症(遗传缺陷)胶原纤维不能正确地装配当前23页，总共71页。（三）神经丝蛋白

神经细胞的中间丝称为神经丝（neurofilaments,NFs），由神经丝蛋白组成。

神经丝蛋白:异多聚体，三种亚基：NF-轻链（NF-L）、NF-中间链（NF-M）和NF-重链（NF-H）。单一的NF-L可聚合成丝状体，而NF-M和NF-H不能聚合；分子中多个磷酸化位点，带多个负电荷。

C末端：富含谷氨酸；用蛋白酶处理后，残余的10nm纤丝与其他类型的中间丝差异很小。当前24页，总共71页。（四）核纤层蛋白

核膜内表面的一层网络状纤维蛋白质，称核纤层（nuclearlamina）脊椎动物细胞中有三种类型的核纤层蛋白(A,B,C),

A和C:是不同的剪接体；B:由另一基因编码,经翻译后修饰,在C端添加疏水的异丙基,以帮助核纤层蛋白B插入到核膜的内脂层。当前25页，总共71页。核纤层蛋白的功能：1.保持核的形态：是核被膜的支架。用高盐溶液、非离子去污剂和核酸酶去除核物质，剩余的核纤层仍能维持核的轮廓。使胞质骨架和核骨架形成网络结构。2.参与染色质和核的组装：核纤层在细胞分裂时呈周期性变化.间期核中：为染色质提供核周边锚定位点。前期结束时：核纤肽磷酸化，核膜解体。分裂末期：核纤肽去磷酸化、重新组装，介导核膜重建。当前26页，总共71页。四、中间丝的功能了解甚少，主要功能：加强细胞韧性、抗张力破坏。

使细胞器固定于细胞质，如角蛋白K14剔除小鼠线粒体成簇聚集。

缺少IF的成纤维细胞，细胞核形态失常。当前27页，总共71页。第三节肌动蛋白微丝系统

主要成分是肌动蛋白，肌动蛋白是含量最多的细胞骨架蛋白；物种间氨基酸高度保守，单体聚合成微丝后结构也几乎不变。但是不同单体产生的微丝在稳定性和与其他蛋白质（如肌球蛋白）相互作用方面有细微的差别。当前28页，总共71页。一、肌动蛋白单体

肌动蛋白是微丝的结构蛋白,由单体和多聚体两种形式存在，单体也称球状肌动蛋白(G-actin),

Mr:43kD，由两个结构域组成，结构域之间为短的柔性连接肽（ATP结合部位）。

单体可与其他分子作用,包括:肌球蛋白（myosin，）、原肌球蛋白(tropomyosin)、肌动蛋白抑制蛋白（profilin）和肌动蛋白蚕食蛋白（depactin）等。当前29页，总共71页。微丝纤维的负染电镜照片微丝纤维结构模型二、肌动蛋白微丝的聚合

肌动蛋白多聚体形成肌动蛋白丝,也称纤维状肌动蛋白(F-actin)。肌动蛋白纤维由两条线性排列的肌动蛋白链形成螺旋，状如双线捻成的绳子。当前30页，总共71页。肌动蛋白微丝的聚合过程肌动蛋白纤维装配过程:

成核、生长、动态平衡三个连续的过程。肌动蛋白单体有极性,装配呈头尾相接,故微丝(MF)有正极与负极。

体外实验：MF正极与负极都能生长，正极生长快，负极慢；

去装配时，负极比正极快。由于G-actin在正极端装配，负极去装配。

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。当前31页，总共71页。肌动蛋白丝的分支肌动蛋白可聚合成长纤维,同时形成分支结构。原子力显微镜(atomicforcemicroscope,AFM)图在生长、发育的信号调控中具有重要的调控作用.当前32页，总共71页。三、肌动蛋白相关蛋白

肌动蛋白+肌动蛋白相关蛋白（actin-associatedproteins,AAP）性质发生改变.已分离到许多AAP，多数细胞含有10多种APP，AAP与肌动蛋白的互作是竞争性的。当前33页，总共71页。（一）钙结合蛋白许多肌动蛋白相关蛋白（AAP）与肌动蛋白结合受Ca2+控制,分子中有专一的Ca2+结合部位。如小白蛋白（parvalvumin）,是一种钙结合蛋白,分子中具有EF手结构,在钙浓度为10-6mol/L时能与钙结合(胞内外Ca2+浓度相差1万倍左右),许多钙结合蛋白都有类似结构。当前34页，总共71页。（二）控制聚合的蛋白质这类蛋白质能够通过加帽（capping）、单体结合（monomer-sequestering）和解聚(depolymerization

)来控制肌动蛋白的聚合，有以下几类：当前35页，总共71页。1.加帽蛋白（cappingprotein）

可选择性阻断F-肌动蛋白微丝的一端.如倒刺端加帽蛋白会造成微丝缩短，而尖端加帽蛋白会造成微丝的延长。这种作用使细胞骨架重排，对那些高运动性细胞特别重要。

尖端加帽蛋白:β辅肌动蛋白（β-actinin）,Mr类似肌动蛋白。

倒刺端加帽蛋白:简称HAI，Mr约20kD，可能是Mr为150kD-200kD蛋白质的水解产物。当前36页，总共71页。

肌动蛋白丝两端生长用加帽蛋白封住负端,微丝继续快速加长,假如用加帽蛋白封住正端,F-肌动蛋白加长的速率非常慢，表明正端是生长端。当前37页，总共71页。2.F-肌动蛋白切割蛋白

钙结合蛋白，但无EF手结构，故不属钙调蛋白类。常见有胶溶蛋白（gelsolin），该蛋白既具有倒刺端加帽蛋白活性，又具有钙激活的微丝切割活性。

存在于细胞中，也可分泌入血（有一段分泌前导肽）。血中胶溶蛋白具有清除死亡细胞释放入血的F-肌动蛋白功能。当前38页，总共71页。肠绒毛蛋白（villin）：具Ca2+依赖性切割活性；片段化蛋白（fragmin）：参与肌动蛋白的切割调节；肌割蛋白（severin）：具加帽和切割活性；

胶溶蛋白及相关切割蛋白也有肌动蛋白聚合的成核作用。当将其加入G-肌动蛋白溶液时，G-肌动蛋白的聚合反应加强。当前39页，总共71页。3．肌动蛋白单体结合蛋白

能与G-肌动蛋白单体形成1:1复合物，阻止肌动蛋白聚合。如肌动蛋白抑制蛋白（profilin）是一种小分子碱性多肽（Mr12kD-15kD），首先从胸腺获得，血小板中含量最高；酵母中也发现一些大小和性质相似的蛋白质。体外实验发现，它能降低G-肌动蛋白单体聚合反应。敲除其基因的酵母不能成活(致死性)。当前40页，总共71页。4．F-肌动蛋白解聚蛋白小分子肌动蛋白，具有胶溶蛋白和肌动蛋白抑制蛋白的双重活性，能切割F-肌动蛋白并结合G-肌动蛋白单体，这些蛋白被称为肌动蛋白解聚因子。

如人类大脑分离的cofilin（磷蛋白，去磷酸化后易位到细胞核，Cofilin在细胞的运动中具有广泛而重要的作用

），肾脏分离的destrin，从星鱼卵细胞分离的肌动蛋白蚕食蛋白（depactin）和从星鱼分离的载肌动蛋白（actophorin）均属于这一类。当前41页，总共71页。（三）产生力的蛋白质（分子马达）主要为肌球蛋白类，可组成粗丝，具ATP酶活。

肌球蛋白超家族分18类，分为传统肌球蛋白和非传统肌球蛋白，只有肌球蛋白Ⅱ为传统肌球蛋白，其余为非传统肌球蛋白。

这类蛋白在肌肉中含量非常丰富，易聚合和解聚，故很容易纯化。常见：

肌球蛋白Ⅰ:（不加入粗丝），使膜性小囊泡沿着肌动蛋白束运动；从阿米巴中曾分离到两种不同的肌球蛋白，即肌球蛋白IA和肌球蛋白IB。肌球蛋白Ⅱ:(聚合并加入粗丝）,与肌肉收缩相关。当前42页，总共71页。（四）交联和促进成束的蛋白1、血影蛋白及相关蛋白

血影蛋白（spectrin）首先从红细胞获得，故得名。从脑获得的称胞影蛋白（fodrin）。红细胞膜骨架的主要成份，分子含a链和β链，Mr.均约为230kD。两个亚基反向平行排列,扭曲成麻花状，形成异二聚体,两个异二聚体头-头连接成200nm长的四聚体。再进一步形成“连接复合物”。

当前43页，总共71页。连接复合物的形成当前44页，总共71页。2.α辅肌动蛋白α辅肌动蛋白（α-actinin）是保持肌节（sarcomeres）的重要元件。该蛋白是肌动蛋白束的主要交联蛋白之一，使肌动蛋白束次序排列。在非肌细胞中则与F-肌动蛋白的作用大致相同。α辅肌动蛋白是由两条极性相反的同二聚体组成。当前45页，总共71页。3、凝胶因子

如肌动蛋白结合蛋白（ABP）和细丝蛋白（filamin）。都是双极同二聚体，长杆状分子，有相当的弯曲性，与肌动蛋白结合时对钙不敏感。当前46页，总共71页。4、肌肉收缩相关的蛋白质（1）肌动蛋白

肌动蛋白纤维由两条肌动蛋白链形成的螺旋，如双线捻成的绳子。肌动蛋白单体为球形分子，称球形肌动蛋白(G-actin)，其多聚体称纤维形肌动蛋白F-actin。当前47页，总共71页。（2）肌球蛋白（myosin）如前述，属于马达蛋白，利用ATP产能，最初发现于肌肉组织(myosinII)，后发现多种非肌细胞myosin。目前已发现18种类型。MyosinII是构成肌纤维的主要成分之一。由两条重链和两条轻链组成，并两个分子尾部相连，缔合形成粗丝双极性结构，球形的头部具有ATP酶活性当前48页，总共71页。肌球蛋白缔合形成粗丝双极性结构由2条轻链和2条重链组成的肌球蛋白分子当前49页，总共71页。肌小节模式图MlineM蛋白当前50页，总共71页。肌小节中粗丝在细丝间滑动模式当前51页，总共71页。（3）原肌球蛋白（tropomyosin）原肌球蛋白（tropomyosin.Tm）分子量64KD，由两条平行的多肽链扭成螺旋，每个Tm的长度相当于7个肌动蛋白，呈长杆状。

原肌球蛋白结合于肌动蛋白双螺旋的沟中。主要作用是加强和稳定肌动蛋白丝，抑制肌动蛋白与肌球蛋白结合

细丝：肌动蛋白、原肌球蛋白、肌钙蛋白当前52页，总共71页。

（4）肌钙蛋白（troponin）

肌钙蛋白（troponin,Tn），Mr.80KD，三个亚基：肌钙蛋白C（TnC）特异地与钙结合;肌钙蛋白T（TnT）与原肌球蛋白有高度亲和力，肌钙蛋白I（TnI）抑制肌球蛋白的ATP酶活性，细丝中每隔40nm就有一个肌钙蛋白复合体。当肌质内钙离子浓度升高时，Ca2＋便与TnC结合，构象改变，同时牵动TnI，使其与F-肌动蛋白脱离接触，使整个分子构象的变化，从而暴露肌动蛋白单体上的肌球蛋白结合位点。促使肌球蛋白与肌动蛋白相互作用形成横桥，引起肌肉引缩。当前53页，总共71页。当前54页，总共71页。肌肉收缩(摆动联桥模型，swingingcross-bridgemodel)

肌细胞膜兴奋传导到终池→终池Ca2+释放→肌浆Ca2+浓度增高→Ca2+与肌钙蛋白结合→原肌球蛋白变构→肌球蛋白横桥头与肌动蛋白结合→横桥头ATP酶激活分解ATP→横桥扭动→细丝向粗肌丝滑行→肌小节缩短。

当前55页，总共71页。5．钙调结合蛋白（caldesmon）Mr约120kD，长形分子单体，通过二硫键形成寡聚体。分子的两端可与F-肌动蛋白结合使其成束。其结合肌动蛋白的作用可被原肌球蛋白所增强。1个钙调结合蛋白可结合14个肌动蛋白单体。当前56页，总共71页。（五）连接细胞膜与F-肌动蛋白的蛋白质

如粘着斑蛋白（vinculin）、踝蛋白（talin）、锚蛋白（ankyrin）、膜联蛋白（annexins）、膜桥蛋白（ponticulin）等。可与F-肌动蛋白结合并将其连接到细胞膜。

当前57页，总共71页。四、肌动蛋白微丝的功能

①细胞结构与细胞运动。②细胞分裂，特别是后期，需肌动蛋白锚定于细胞膜。③近来发现，细胞骨架与细胞凋亡有关。Lanerolle和同事发现,HL-60细胞株凋亡时，F-肌动蛋白先短暂聚合，但后期即发生解聚，肌动蛋白微丝形态上发生剧烈的变化。当前58页，总共71页。细胞器的转运肌动蛋白纤维肌球蛋白含细胞器和囊泡的胞质流静态胞质中的叶绿体液泡当前59页，总共71页。第四节微管系统几乎所有真核细胞都含微管,大多数微管是单一圆筒状,少数微管呈双圆筒状（如鞭毛）,囊状体（busalbodies）和中心粒中的微管是三圆筒状。目前认为微管中（但不是全部）含有高度保守的微管蛋白。微管蛋白Mr在55kD左右,微管蛋白（小）,β微管蛋白（大）,形成二聚体。当前60页，总共71页。向细胞中央辐射的微管当前61页，总共71页。

一、微管的结构

多数天然微管由13条原丝组成，少数微管有7、9、12或15条原丝。纯化的微管蛋白在体外重新聚合，得到的微管大多数含13条原丝，但也会出现一定比例的14和15条原丝微管，表明在蛋白纯化时丢失了一些细胞成分，使原丝数目发生了变化。当前62页，总共71页。微管纤维微管是由13条原丝（protofilament）构成的中空管状结构。当前63页，总共71页。二、微管蛋白微管蛋白的α和β两种亚基均可结合GTP，但GTP是α亚基的固有组分，不发生水解或交换；β亚基的GTP可发生水解，结合的GDP可交换为GTP，可见β亚基也是一种G蛋白。当前64页，总共71页。三、微管相关蛋白微管相关蛋白（microtubuleassociatedproteins，MAPs）：至少含一个