第8章细胞骨架与运动

1细胞骨架与细胞运动张文举上海大学生命学院2014.102细胞的支撑系统

—细胞骨架3细胞骨架系统细胞质中存在的三维网络结构系统；细胞具有运动性和维持一定形态的能力；细胞骨架是细胞运动的轨道，也是细胞形态维持和变化的支架。4组成与分布以蛋白质纤维为主要成分的网络结构；三种不同的蛋白纤丝构成：微管：核周围，放射状微丝：细胞质膜的内侧中间纤维：整个细胞中分布5细胞骨架的功能维持细胞的形态结构及内部结构的有序性；参与细胞运动，物质运输，能量转换，信息传递，细胞分裂等。6功能——“支架”作用在细胞内形成一个三维构架结构；为细胞内各种细胞器提供附着位点；细胞骨架是胞质溶胶的组织者，将细胞内的各种细胞器组成不同的体系和区域网络。7功能——为细胞器的运输及运动提供机械支撑为细胞内的物质和细胞器的运输与运动提供机械支撑；内质网到高尔基体的膜泡运输，吞噬泡向溶酶体的运输等通常是以细胞骨架作为轨道的；细胞分裂过程中染色体往两级移动以及神经细胞产生的神经递质小泡的运输都依赖于细胞骨架。8功能——为细胞运动提供力为细胞从一个位置向另一个位置提供力；单细胞的纤毛和鞭毛是细胞骨架构成的细胞的运动均为机械运动，需要燃料（ATP）和蛋白质的参与，将能量转换为动力。9其他功能为信使RNA提供锚定靶点，促进mRNA的翻译；参与信号转导，有些细胞骨架成分与细胞质膜的相关蛋白接触，传递信号作用；细胞分裂的机器，有丝分裂的主要事件（核分裂和胞质分裂），都与细胞骨架有关；10细胞骨架的特点高度动态的结构不是惰性结构，装配、去装配和再装配都很快且受到高度的调控基本功能是维持细胞的形态和使细胞具有运动的能力，包括机体的运动和细胞器的移动其他的作用都是在以上两个作用下拓展开的11微管（microtube,MT）一种中空的管状结构；长度变化不定，有的可达几厘米（神经元中的微管结构）；通常是直的；呈网状和束状排布是纺锤体，基体，中心粒，纤毛，鞭毛，轴突，神经管的组成部分12微管蛋白——微管的基本构件微管以微管蛋白（tubulin）异源二聚体为构件，二聚体头尾相接，螺旋盘绕而成；α和β微管蛋白同源蛋白（35-40%氨基酸序列相似性）两个GTP结合位点一个可水解，一个不可水解13微管的类型单体容易解聚，属于不稳定微管，大部分13根，也有11根或15根构成双联体两个单体融合，稳定微管构成纤毛和鞭毛的周围小管，是运动类型的微管三联体稳定微管见于中心粒和基体按照微管的稳定性分为长寿微管和动态的短寿微管14微管的装配动力学除了特化细胞的微管外，大部分微管都是不稳定的，能够快速的组装和去组装；一些影响微管组装的因素低温，提高Ca离子浓度，某些化学试剂（秋水仙素）15微管装配的起点——微管组织中心微管组织中心（MTOC）帮助大多数细胞质微管的装配过程中的成核反应，微管从MTOC开始生长；多数情况下MTOC是一种中心体；方向性，靠近MTOC生长慢，称为负端，远离MTOC的生长快，称为正端中心体不是唯一的MTOC，在纤毛和鞭毛中，基体是微管组织中心16中心体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旁基质中心粒成对存在呈L型排列（垂直）中空的短圆柱状结构由9组三联体微管组成，包埋在致密的基质中，串联形成一个齿轮状的环形结构；γ微管蛋白存在中心粒的另一种蛋白，在微管装配中起关键作用通过与β微管蛋白的相互作用帮助微管成核17微管的组装过程细胞内存在α和β微管蛋白亚基的库，是一个动态的平衡；细胞内的微管解聚和聚合在时间和空间上都受到严格的控制；体外实验表明，微管的形成分为成核和延长两个反应；成核反应是限速步骤。18组装步骤α蛋白和β蛋白形成长度为8nm的αβ二聚体；形成短的原纤维；以原纤维为基础，侧面增加二聚体形成弯曲的片状结构；继续加宽至13根原纤维时，合拢形成微管的壁；形成结合有GTP的帽子结构成为（+）端，反之为（-）端，（+）端聚合速度较快。1920微管的极性极性：也就是“两端不同”的特性；微管极性的两层含义：装配的方向性；生长速度的快慢聚合和去聚合都是（+）端生长快，（-）端生长慢21影响微管组装的因素微管碎片能够加速组装，起“种子”的作用；微管的组装需要GTP的水解，是一个耗能的过程；其他因素包括：GTP浓度，压力，温度，pH，微管蛋白临界浓度，药物等22影响微管稳定性的药物抑制微管的装配和去装配等活动，成为研究微管的有力工具；秋水仙素与微管特异性结合，破坏微管的动态性质不同浓度效果不同，高浓度完全解聚，低浓度保持稳定紫杉醇促进微管聚合和稳定已聚合微管的药物；细胞接触微管后会使其停止在有丝分裂期，影响正常分裂。23微管装配动力学行为：

——动态不稳定性体外组装发现两个因素影响微管稳定性：游离微管蛋白的浓度游离浓度越高，促进微管生长；GTP水解成GDP的速度水解慢，适合微管的连续生长；水解快，微管解聚细胞内的微管处于动态不稳定现象24“踏车”现象微管在组装后处于动态平衡的一种状态；微管的两端都可以加上或释放αβ二聚体；在（+）端由于GTP帽的存在，结合上去比释放速度快；处于生长状态；在（-）端，由于GTP水解，释放出来的比结合的快；处于释放状态；“一边生长一边缩短”——轮回现象；一种动态的稳定过程25微管结合蛋白与微管特异性结合的蛋白，这类微管辅助蛋白称为微管结合蛋白（MAP），在微管中占10-15%；MAP的功能：促进微管的交联；改变一些微管的动力学性质。发动蛋白：在细胞内沿微管转运囊泡和颗粒26发动蛋白何为发动机？发动蛋白（分子发动机）：细胞内的一类蛋白质，运用ATP功能产生推动力，进行细胞内的物质运输或运动；——“背着包沿着公路行走的驴友”包括：肌球蛋白家族驱动蛋白家族动力蛋白家族运动的货物包括：小泡、线粒体、溶酶体、染色体以及其他细胞骨架纤维等以微管为运行轨道以肌动蛋白纤维为运行轨道27分子发动机的特点运输是单方向的；运输方式是逐步行进的（不像火车的轮子连续转动，而是类似与人类的走路）运用ATP作为能源；28驱动蛋白鱿鱼的轴质中分离的发动机蛋白；四聚体，包括两重链两轻链；球型头作为“电机”，扇形尾作为货物结合部位；驱动蛋白运输具有方向性，从微管的（-）端向（+）端参与ER的小泡运输和神经细胞的膜泡运输29细胞质动力蛋白巨大的蛋白，两个球形头部形成力；功能：有丝分裂中染色体运动力的来源；负责微管走向的发动机；担任小泡和各种膜结合细胞器的运输任务；细胞质动力蛋白在微管的移动方向上与驱动蛋白相反，从（+）端向（-）端运动30微管的功能支架作用；细胞内物质运输的轨道；作为纤毛和鞭毛运动元件；参与细胞的有丝分裂和减数分裂；参与细胞信号转导。31微管的功能1——支架作用微管具有一定的强度，能抗压和抗弯曲，提供一定的机械支持力；微管围绕细胞核呈放射状往外分布，帮助细胞形成极性，产生方向；微管可以维持细胞内部的组织和有序性。培养动物细胞中的微管32微管的功能2——物质运输的轨道微管与细胞内物质紧密联系在核周围分布密集，向胞质外伸展；线粒体周围布满微管；微管与高尔基体小泡紧密联系；核糖体可系在微管及微丝的交叉点上；33神经细胞的轴突运输轴突末端到细胞体的距离很长，神经元得给轴突部位提供大量的物质，包括蛋白质，膜，神经递质等等，这些需要轴突运输；轴突中充满了各种细胞骨架结构，包括微管束、中间纤维以及各种方式相连的微管等等；轴突中以微管为基础的运输包括两种：顺向运输逆向运输运输物质的速度也不一样:各种膜泡速度最快；骨架蛋白等速度最慢；像线粒体等细胞器处于两者之间34色素颗粒的运输很多鱼类与两栖类的鳞片和皮肤中含有特化的色素细胞；在神经核激素的作用下，色素颗粒可以迅速地分散到细胞各处，从而使颜色变深；这些色素分子都是沿着微管转运的。35小泡运输依赖于微管内膜系统的蛋白质转运（小泡运输）都是以微管作为轨道的；36真核细胞表面的纤毛和鞭毛是细胞表面的特化结构，具有运动功能；功能:帮助细胞锚定在固定位置；使细胞在液体介质中运动。鞭毛长而少，纤毛短而多。微管的功能3

——纤毛和鞭毛37纤毛和鞭毛的结构轴丝：含有一个规则排列的由微管相互连接形成的骨架；结构外部由膜包被；“9+2”微管排列模式中央两根单个微管，9组二联管周围等距离排成一圈；二联管近中央的称为A管（13条），另一条为B管（10条）；A管对着相邻的B管伸出两条动力蛋白臂，是一种多亚基ATPase，能被Ca，Mg离子激活；38基体与纤毛轴丝每一纤毛的基部来源于表面的基体纤毛不同区域的截面结构不同39纤毛动力蛋白多头的发动机蛋白；一个大的球形结构域和小的球形结构域组成；基部同A管相连，头部与紧邻的B管相连；头部具有ATP的结合位点，能够水解ATP40纤毛与鞭毛的运动是一种简单的弯曲；是由轴丝微管动力臂引起微管的滑动所致；微管滑动模型动力蛋白头部与相邻的B微管接触，促进动力蛋白结合的ATP水解，释放ADP和Pi；ATP水解导致了A微管动力蛋白头部构象，使头部向二联管的（+）端移动，使相邻二联微管之间产生弯曲力；新的ATP结合后，促使动力蛋白头部与B微管的脱离；ATP水解后进入下一个循环纤毛和鞭毛的运动机制

——微管滑动模型41微丝（actin）也称肌动蛋白丝；由肌动蛋白组成，直径为7-9nm的纤维；由两股肌动蛋白丝以螺旋的形式组成的纤维，且是同方向的（肌动蛋白丝也是极性分子，具有（+）端和（-）端）42微丝比微管细，更具弹性，往往更短；但是数量更多，往往成束存在，强度远远增强；微丝首先发现与肌肉细胞中，具有收缩功能；微丝也广泛存在于非肌细胞中，在细胞周期的不同阶段或细胞流动时，也是一种动态的结构。微丝的形态与组成43微丝的结构单位——肌动蛋白肌动蛋白的两种形式：单体：球状肌动蛋白（G-肌动蛋白），由高度保守的基因编码，具有3个结合位点，其中一个是ATP结合位点，另两个结合蛋白；多聚体：纤维状肌动蛋白（F-肌动蛋白），双股螺旋状细胞中最丰富的蛋白质肌细胞中占总蛋白10%，非肌肉细胞中也占1-5%44微丝的装配在体外，将Mg，K，Na等离子加入到溶液中，可以诱导G肌动蛋白合成F-肌动蛋白；肌动蛋白可在单体和多聚体状态间转换，这是肌动蛋白最重要的特征；45ATP在装配中的作用肌动蛋白具有ATPase活性可和ATP（ADP），Mg2+结合；细胞中主要以ATP-G-肌动蛋白和ATP-F-肌动蛋白形式存在；如果没有ATP（ADP）与肌动蛋白结合，则很快变性。46肌动蛋白丝的装配分为三步进行成核：G-肌动蛋白慢慢聚合形成短的不稳定的寡聚体（3-4个亚基），形成“种子”；快速延长：G-肌动蛋白快速地向短纤维的两端加上去稳定期：F-肌动蛋白与G-肌动蛋白平衡单体的平衡浓度称为临界浓度（CC），高于该值，G-肌动蛋白倾向于聚合；低于该值，F-肌动蛋白倾向于解聚47肌动蛋白装配伴随ATP的水解G-肌动蛋白先结合ATP，再结合到F-肌动蛋白的两端，聚合过程伴随着ATP的水解；对于F-肌动蛋白丝的装配，ATP的水解不是必要的过程；含有ADP的F-肌动蛋白更加稳定；一些离子浓度能够影响肌动蛋白的聚合，如Mg2+，K+，Na+（高浓度诱导聚合）。48微丝的动态性质极性结合ATP的一端称（+）端，另一端为（-）端；（+）端生长快5-10倍；极性是指行使功能时具有的方向性；发动机蛋白结合的方向性；“踏车”现象G-肌动蛋白聚合的速度等于解离的速度时，微丝的静长度不变；此时，装配与去装配正在进行动态平衡大多数动物细胞中，大约70%的肌动蛋白是游离的单体或者和其他蛋白结合成小的复合物，在游离态和聚合态之间存在着动态平衡；有些微丝是永久性结构而有些是暂时性结构49影响微丝的一些药物细胞松弛素B第一个用于细胞骨架研究的药物；真菌分泌的生物碱；同微丝的正端结合，引起F-肌动蛋白解聚；鬼笔环肽一种毒性蘑菇中的剧毒生物碱；只与聚合态的微丝结合，抑制其解聚，破坏了动态平衡；荧光标记的鬼笔环肽可以观察微丝在细胞中的分布50微丝结合蛋白单体隔离蛋白交联蛋白末端阻断蛋白纤维切割蛋白膜结合蛋白51通过蛋白质连接使细胞形成一个整体52Actin参与多种蛋白质的互作53肌肉的收缩

1）肌球蛋白一种ATPase，分子发动机，通过ATP的水解进行构象改变从而在肌动蛋白丝上“行走”，类似于驱动蛋白在微管上的行走；以微丝为运行轨道，一般都是沿（-）端往（+）端移动；最早是从哺乳动物的骨骼肌中分离得到54肌球蛋白的结构已鉴定了10多种肌球蛋白基因，以I和II型含量最丰富；由一个重链和几个轻链组成；三个功能结构域：头部：与肌动蛋白，ATP结合位点，负责产生力；序列最保守；α螺旋颈区：调节区；与钙调素等结合；尾部：结合区；决定其与膜结合还是其他的尾部结合，决定产生肌球二聚体还是肌球蛋白纤维结合的轻链不同决定了其受调节的方式不同55肌球蛋白的功能肌球蛋白ⅠⅡⅤ功能不同：Ⅱ为肌肉收缩和胞质分裂提供力；ⅠⅤ参与细胞骨架和膜之间的相互作用，如膜泡运输；肌球蛋白的尾部决定了其功能；Ⅱ通过杆状尾部聚合在一起；ⅠⅤ与膜结合56滑动模型肌球蛋白的头部随着和ATP的结合和水解不断产生构型的变化，从而引起在微丝上的移动；4个步骤构象改变的力构象改变的力肌动蛋白的运动机制57肌细胞：特化的肌收缩功能肌肉的收缩与松弛；ATP供给能量；脊椎动物中，氧化磷酸化产生的ATP有大概1/3供给了肌肉收缩；肌细胞一种特化的功能：肌收缩在肌肉细胞中，肌动蛋白和肌球蛋白形成一种复合物——肌球动蛋白58骨骼肌细胞的基本结构骨骼肌由一束肌细胞，或称肌纤维所组成；肌细胞是圆柱形的长细胞，含有多达100个核；肌细胞中有成明暗相间的带，明带称I带，暗带称A带；Z线将肌原纤维分成重复单位——肌节59肌原纤维的结构两种类型的长纤丝构成：粗肌丝：肌球蛋白是主要成分，具有双极性；头部具有ATPase活性，引起肌收缩；细肌丝：主要成分是肌动蛋白，细肌丝两端分别与两个不同的加帽蛋白结合Z线：纤维网状结构，起锚定肌动蛋白丝的（+）端的作用601950s观察到的现象：肌收缩过程中，肌节缩短，但A带并没有变化，只是I带的缩短；肌收缩的滑动丝模型:肌节的缩短是由于纤丝的相互滑动所致，肌丝滑进了A带之中导致重叠部分增加，减少了肌节的长度肌细胞的滑动丝模型A带61肌球蛋白和肌动蛋白之间的滑动机理旋转升降臂假说ATP水解放能诱导肌动蛋白头部发生构象改变，通过旋转使肌球蛋白的颈部伸展，肌动蛋白的头部会向中心部位快速弯曲，移动5-15nm；本质：将ATP中储藏的化学能转化为机械能力62肌收缩和神经兴奋的偶联神经信号通过Ca2+调节肌肉的收缩；神经冲动传递至骨骼肌细胞时引起细胞质膜电位的变化（去极化）；骨骼肌将该电信号转变为提高胞质中Ca2+；Ca2+与肌钙蛋白结合，释放肌动蛋白；肌球蛋白的头部和肌动蛋白接触，形成交联桥，水解ATP，产生肌肉收缩63肌动蛋白和肌球蛋白在非肌肉细胞中的作用参与多种细胞运动胞质分裂胞质环流吞噬作用细胞形态的变化膜泡运输细胞黏着与连接等64细胞内的运输小泡运输胞质环流植物中的围绕中央液泡的运动有肌动蛋白与肌球蛋白相互作用引起65细胞爬行靠细胞质的流动使细胞移动，这种方式实际上是在固体支持物上进行的；某些血细胞，胚胎细胞，成纤维细胞，癌细胞和培养细胞都有运动现象；66肌动蛋白和肌球蛋白II在胞质分裂中的作用肌动蛋白和肌球蛋白形成的纤维束，通过收缩环将细胞切割开；67肌动蛋白纤维对组织形态的改变68中间纤维（I