医学专题-包括细胞质骨架微管微丝和中间纤维

细胞(xìbāo)骨架与细胞(xìbāo)的运动

Cytoskeletonand

Cellmovement第一页，共四十三页。细胞骨架是广泛存在于真核细胞中的蛋白(dànbái)纤维网架系统。包括细胞质骨架(微管、微丝和中间纤维)、细胞核骨架(核基质、核纤层和核孔复合物)。广义的细胞骨架：包括细胞质骨架、细胞核骨架、细胞膜骨架和细胞外基质。揭示细胞骨架体系在细胞结构与生命活动中的重要意义。细胞(xìbāo)骨架与细胞(xìbāo)的运动第二页，共四十三页。第三页，共四十三页。细胞骨架对于维持细胞的形态及内部结构的有序性，以及在细胞运动、物质运输、能量转换、信息传递和细胞分化等方面起重要作用。作为支架,为维持细胞的形态提供支持结构。在细胞内形成一个框架结构,为细胞内的各种细胞器提供附着位点。参与细胞器的运动和细胞内物质运输。参与细胞的运动促进(cùjìn)mRNA翻译成多肽参与细胞的信号传导第四页，共四十三页。细胞骨架的多功能性依赖于三类蛋白质纤维：微管、微丝、中间纤维。每一种纤维由各自的蛋白质亚单位形成，三类骨架成分既分散地存在于细胞中，又相互联系形成一个完整的骨架体系(tǐxì)。组成：微管microtubule20-30nm微丝microfilament5-6nm，肌动蛋白纤维actinfilament中间纤维intermediatefilament7-11nm第五页，共四十三页。MicrobubulesMicrofilamemtsIntermediatefilaments细胞(xìbāo)骨架体系是一个高度动态结构，可随着生理条件的改变不断进行组装和去组装，并受各种结合蛋白的调节以及细胞(xìbāo)内外各种因素的调控。第六页，共四十三页。一、微管--细胞质骨架系统的主要成分微管是存在于真核细胞中由微管蛋白组装成的长管状细胞器，于1963年首次在动物和植物细胞中发现并命名。1.微管直径为24～26nm，呈中空圆柱状结构，内径为14nm。2.微管管壁(ɡuǎnbì)由13条原纤维丝平行排列而成，每条原纤维由α微管蛋白和β微管蛋白形成的异二聚体长链组成。3.微管主要分布在核周，呈放射状分布。4.微管的基本单位是微管蛋白，以异二聚体形式存在。第七页，共四十三页。第八页，共四十三页。细胞内微管呈网状和束状分布,控制膜性细胞器的定位及胞内物质的运输，并能与其他蛋白共同组装(zǔzhuānɡ)成纺锤体、中心体、纤毛、鞭毛等结构，参与细胞形态的维持、细胞运动和细胞分裂等。第九页，共四十三页。微管(wēiɡuǎn)的基本结构单位构件—微管蛋白(tubulin)微管是以微管蛋白异源二聚体为基本构件构成的微管蛋白是球形分子,有两种类型:α微管蛋白(α-tubulin)和β微管蛋白(β-tubulin),这两种微管蛋白具有相似的三维结构,能够紧密(jǐnmì)地结合成二聚体,作为微管组装的亚基。

第十页，共四十三页。微管(wēiɡuǎn)的类型单管：大部分细胞质微管(wēiɡuǎn)是单管微管(wēiɡuǎn),它在低温、Ca2+

和秋水仙素作用下容易解聚,属于不稳定微管。二联管：常见于特化的细胞结构。二联管构成(gòuchéng)纤毛和鞭毛杆状部分,是运动类型的微管,它对低温、Ca2+和秋水仙素都比较稳定。三联管：见于中心粒和基体，对于低温、Ca2+和秋水仙素的作用是稳定的。第十一页，共四十三页。微管(wēiɡuǎn)结合蛋白微管中除含有微管蛋白外，还有一些结合在微管表面的辅助蛋白，称为微管结合蛋白（microtubule-associatedprotein,MAP）。参与微管的装配，将微管在胞质溶胶中进行交联；维持微管的稳定及与其他细胞器间的连接(liánjiē)；作为微管动力蛋白参与沿微管转运囊泡和颗粒物质。第十二页，共四十三页。MAPs的结构中具有两个结构域,一个是碱性的微管蛋白结合结构域,另一个是酸性的外伸的结构域。在电子显微镜下观察(guānchá),外伸的结构域像是从微管壁上伸出的纤维臂。从微管上伸出的臂能与膜、中间纤维及其它微管结合。第十三页，共四十三页。微管(wēiɡuǎn)的组装与去组装除了特化细胞的微管外，大多数细胞质微管都是不稳定的，能够很快地组装(assembly)和去组装(disassembly)，从而(cóngér)改变微管的结构与分布。低温、提高Ca2+浓度、用某些化学试剂(如秋水仙素)处理活细胞都会破坏细胞质微管的动态变化，这些化学试剂与微管蛋白亚基或同微管多聚体结合，阻止微管的组装或去组装。微管的装配过程：延迟期（成核期）、聚合期（延长期）、稳定期第十四页，共四十三页。微管组装的起始点∶微管组织中心

(microtubuleorganizingcenters,MTOC)存在于细胞质中决定微管在生理状态或实验处理解聚后重新组装的结构叫微管组织中心。MTOC的主要作用是帮助大多数细胞质微管组装过程中的成核反应，微管从MTOC开始生长(shēngzhǎng)，这是细胞质微管组装的一个独特的性质，即细胞质微管的组装受统一的功能位点控制。MTOC包括中心体、动粒、纤毛和鞭毛的基体等。第十五页，共四十三页。MTOCs不仅为微管提供了生长的起点，而且还决定了微管的方向性。靠近MTOCs的一端由于生长慢而称之为负端(minusend),远离MTOCs一端的微管生长速度快,被称为正端(plusend),所以(+)端指向(zhǐxiànɡ)细胞质基质，常常靠近细胞质膜。阴影部分(bùfen)是MTOCs.,包含一对中心粒和一个中心体。图中标出了生长中微管的正端,靠近MTOCs部分是微管的负端。

第十六页，共四十三页。中心体(centrosome)是动物细胞中决定微管形成的一种细胞器,包括中心粒和中心粒周围基质(pericentriolarmatrix)。在细胞间期,位于细胞核的附近,在有丝分裂期,位于纺锤体的两极。中心粒(centrioles)是中心体的主要结构,成对存在,即一个中心体含有(hányǒu)一对中心粒，且互相垂直形成"L"形排列。圆柱的壁由9组间距均匀的三联管组成第十七页，共四十三页。每个中心粒都是由9个三联管组成,外面(wàimiàn)还有中心粒周围基质。微管从中心粒上开始形成间期：组织胞质微管形成(xíngchéng)分裂期：组织形成纺锤体微管组织(zǔzhī)中心（MTOC）第十八页，共四十三页。基体(jītǐ)：是纤毛和鞭毛的微管组织中心

基体与中心粒具同源性，结构、功能可以互换第十九页，共四十三页。第二十页，共四十三页。影响微管(wēiɡuǎn)组装与解聚的因素GTP浓度、微管(wēiɡuǎn)蛋白临界浓度、最适pH、Ca2+

浓度、温度、药物作用等秋水仙素和长春碱：微管蛋白异二聚体上有秋水仙素和长春碱结合的位点，与微管蛋白异二聚体结合之后，使微管蛋白异二聚体结构发生改变，从而阻止了微管的聚合，抑制了中期纺锤丝的形成，使细胞不能进入分裂(fēnliè)后期而获得大量中期染色体。紫杉醇：只结合于聚合的微管上，使微管在细胞内大量积累，影响细胞的正常分裂。第二十一页，共四十三页。微管参与(cānyù)细胞内物质运输通过马达蛋白(motorprotein)细胞内有一类蛋白质能够用ATP供能,产生推动力，介导细胞内物质沿细胞骨架运输，这种蛋白分子称为马达蛋白。第二十二页，共四十三页。至今所发现的马达蛋白可分为三个不同的家族∶肌球蛋白(myosins)家族、驱动蛋白(kinesins)家族、动力蛋白(dyneins)家族。其中驱动蛋白和动力蛋白是以微管作为运行的轨道，而肌球蛋白则是以肌动蛋白纤维(xiānwéi)作为运行的轨道。尚未发现以中间纤维(xiānwéi)为运行轨道的马达蛋白。第二十三页，共四十三页。二、微丝微丝（microfilament,MF）是普遍存在于真核细胞中由肌动蛋白（actin）组成的骨架纤维。微丝的结构单位:肌动蛋白目前已发现3种肌动蛋白异构体：αβγ，人有6种基因型α肌动蛋白：横纹肌型，心肌型，血管平滑肌型β肌动蛋白：细胞质型，存在(cúnzài)于非肌肉细胞质中γ肌动蛋白：细胞质型，肠平滑肌型

第二十四页，共四十三页。肌动蛋白的两种存在方式肌动蛋白以两种形式存在,即单体和多聚体。单体的肌动蛋白是由一条多肽链构成的球形分子,又称球状肌动蛋白(globularactin,G-actin),肌动蛋白的多聚体形成肌动蛋白丝,称为纤维状肌动蛋白(fibrosactin,F-actin)。在电子显微镜下,F-肌动蛋白呈双股螺旋状,直径为8nm,螺旋(luóxuán)间的距离为37nm。第二十五页，共四十三页。单体(dāntǐ)G-肌动蛋白和纤维状F-肌动蛋白的结构

第二十六页，共四十三页。微丝的组装过程三个基本过程：成核期：G-肌动蛋白慢慢地聚合形成短的、不稳定的寡聚体，该过程较慢。延长期（生长期）：G-肌动蛋白单体快速地从短纤维的两端添加上去。平衡期：之所以称为(chēnɡwéi)平衡期，是因为在这个时期，G-肌动蛋白同F-肌动蛋白纤维末端上的亚基进行交换，但不改变F-肌动蛋白纤维的量。第二十七页，共四十三页。第二十八页，共四十三页。影响微丝组装的因素G-肌动蛋白浓度、Mg2+浓度、K+浓度、ATP等细胞松驰素B：切断微丝并结合于微丝的末端，阻止新的单体加入(jiārù)，抑制其组装过程。常用于研究微丝的功能。鬼笔环肽：它同聚合的微丝结合后,抑制了微丝的解体,因而破坏了微丝的聚合和解聚的动态平衡。用荧光标记的鬼笔环肽对细胞进行染色可以在荧光显微镜下观察微丝在细胞中的分布。第二十九页，共四十三页。微丝结合蛋白(actin-bindingproteins)

纯化的肌动蛋白在体外能够聚合形成肌动蛋白纤维(xiānwéi)，但是这种纤维(xiānwéi)不具有相互作用的能力，电镜下呈杂乱无章的堆积状态，也不能行使某种功能,原因是缺少微丝结合蛋白。第三十页，共四十三页。单体隔离蛋白(dànbái)交联蛋白末端阻断蛋白纤维切割蛋白膜结合蛋白肌动蛋白纤维去聚合蛋白第三十一页，共四十三页。微丝的功能构成细胞(xìbāo)的支架，维持细胞(xìbāo)的形态细胞皮层：指细胞膜下由微丝和微丝结合蛋白相互作用形成的网状结构，为细胞提供了强度和韧性，维持细胞的形态。应力纤维：细胞中由大量平行的微丝束构成的纤维状结构。第三十二页，共四十三页。参与细胞的运动变形运动、胞质环流、细胞的内吞和外吐、细胞内物质的运输等参与细胞质的分裂胞质分裂通过收缩环来完成，由大量平行排列的微丝组成，动力：肌动蛋白和肌球蛋白的相对滑动(huádòng)；微丝的解聚参与受精作用参与肌肉收缩

第三十三页，共四十三页。三、中间纤维中间纤维是细胞的第三种骨架成分，由于这种纤维的平均直径介于微管和微丝之间,故称为(chēnɡwéi)中间纤维。由于其直径约为10nm,故又称10nm纤维。微管与微丝都是由球形蛋白装配起来的，而中间纤维则是由长的、杆状的蛋白装配的。中间纤维是一种坚韧的、耐久的蛋白质纤维。它相对较为稳定,既不受细胞松弛素影响也不受秋水仙素的影响。第三十四页，共四十三页。角蛋白结蛋白波形(bōxínɡ)纤维蛋白胶质纤维酸性蛋白神经纤丝蛋白第三十五页，共四十三页。中间纤维蛋白结构头部区—氨基端尾部区—羧基端杆状区—310aa中心区（螺旋区）形成聚合体的关键部位非螺旋区，高度可变第三十六页，共四十三页。中间(zhōngjiān)纤维的组装

*两个单体形成双股超螺旋—二聚体*两个二聚体反向平行形成四聚体—原纤丝*两个四聚体交错排列—原纤维