细胞生物学课件：细胞骨架(第十章微丝和中间丝)

第十章

纤丝（filament）

广泛存在于真核细胞中的一类丝状结构，对细胞具有多种重要功能。纤丝的种类：微丝，中间丝，粗丝（1）微丝：直径约8nm，由肌动蛋白组成，多在近细胞膜的下方；肌动蛋白丝（2）中间丝：直径10nm，成分种类多；（3）粗丝：直径15nm，仅存于肌肉细胞中，由肌球蛋白组成。肌球蛋白丝。主要内容：1、骨骼肌的结构及收缩机制2、平滑肌的收缩机制3、非肌细胞中的微丝4、中间丝一、骨骼肌的结构及收缩机制

由肌原纤维组成，肌原纤维包括粗肌丝和细肌丝。肌肉收缩的基本单位是肌小节（sarcomere）。肌小节是相邻两Z线间的单位。主要结构有：A带（暗带）：为粗肌丝所在。H区：A带中央色浅部分，此处只有粗肌丝。I带（明带）：只含细肌丝部分。Z线：细肌丝一端游离，一端附于Z线。骨骼肌，肌纤维多核细胞，由粗肌丝、细肌丝组成。肌原纤维肌节IndividualmusclefiberBundleofmusclefibersSinglemyofibrilMuscleTendons肌腱ThickfilamentsThinfilaments肌膜肌纤维SarcomereM线在M线处，粗肌丝发出M桥，与相邻的6条细肌丝相连肌节fiberfibrilefilament肌纤维肌原纤维肌丝（一）肌丝的分子结构粗肌丝肌球蛋白（myosin）

原肌球蛋白（Tm）细肌丝肌钙蛋白(Tn)肌动蛋白（actin）1、粗肌丝*成分：肌球蛋白(myosin)*杆状：长160nm，直径2nm*组成：六条多肽链头部(20nm)—4条轻链和2条重链的N末端尾部（150nm）—2条重链

肌球蛋白分子结构150nm粗肌丝结构图解约300个肌球蛋白分子排列而成1个粗肌丝粗肌丝中除了肌球蛋白外还有：C蛋白：沿肌球蛋白分子尾规则分布，把各肌球蛋白分子紧密连接。M线蛋白：把相邻的粗肌丝连起来。肌球蛋白分子的蛋白酶敏感性位点

肌球蛋白分子的多肽链上具有2个水解蛋白酶的敏感性位点。

胰蛋白酶可将其水解为重轻（大小）两段，重段包含头部，具ATP酶活性。

木瓜蛋白酶可将重段水解为两段F1、F2，F1具ATP酶活性。肌球蛋白的两个酶解部位相当于分子的两个“活动关节”，在肌肉收缩时发挥作用。胰蛋白酶降解部位木瓜蛋白酶降解部位2、细肌丝直径：6nm肌动蛋白

缺乏离子，球型单体，G–肌动蛋白中性盐溶液，长链双螺旋，F–肌动蛋白细肌丝中除肌动蛋白外还含有一些肌动蛋白结合蛋白：原肌球蛋白：由两条平行的多肽链形成的α螺旋结构，位于肌动蛋白丝的螺旋沟内。原肌球蛋白与肌动蛋白结合后可调节肌球蛋白头部与肌动蛋白的结合。肌钙蛋白钙结合亚基（TnC)：同两个钙离子结合，引起肌钙蛋白的构象改变。抑制亚基(TnI)：可抑制肌球蛋白头部的ATP酶活性，并抑制肌球蛋白头部与肌动蛋白的接触，使两者之间不形成横桥。原肌球蛋白结合亚基(TnT)：对原肌球蛋白具有高度亲和力。波纹蛋白：起稳定细肌丝的作用其他结合蛋白：如CapZ:与肌动蛋白丝的“+”极结合，起稳定肌动蛋白丝的作用；原调蛋白：与肌动蛋白丝的“-”极结合，起稳定肌动蛋白丝的作用；黏着斑蛋白：将肌动蛋白丝连到质膜上；a-辅肌动蛋白：介导肌动蛋白与纽蛋白的连接，将多个肌动蛋白丝的端点黏接在一起；结蛋白：连接相邻肌节。细肌丝中原肌球蛋白、肌钙蛋白、肌动蛋白的相互关系肌钙蛋白复合物原肌球蛋白肌动蛋白肌钙蛋白和原肌球蛋白分子在细肌丝上规则分布（二）肌肉收缩机制肌肉收缩时，肌纤维长度的改变是两类肌丝间相互滑动的结果滑动学说

1、动作电位的产生:肌纤维上有神经分布，当神经冲动抵达神经末梢，导致神经细胞向外释放神经递质，此物质与肌膜上的受体结合引起肌膜极化，产生动作电位。动作电位引起横小管的电位变化，导致肌质网池膜的通透性改变横小管——肌原纤维肌膜——横小管——A/暗带I/明带——肌丝肌细胞表面的细胞膜凹陷伸入细胞内，成小管状，环绕在每条肌原纤维的明带和暗带交界部位的表面，起传导肌膜兴奋到肌纤维内部的作用。2、Ca2+的释放：大量钙离子释放到胞质中，达到引起肌肉收缩的必需浓度。3、原肌球蛋白移位：肌钙蛋白的钙结合亚基结合钙离子后，肌钙蛋白由疏松构象转变为紧密结合构象，肌钙蛋白的抑制亚基离开肌动蛋白，肌钙蛋白牵引着原肌球蛋白移向肌动蛋白双螺旋沟的深部，肌动蛋白上被原肌球蛋白占据的肌球蛋白结合部位暴露出来。

4、肌动球蛋白复合物形成：暴露出来的肌球蛋白结合部位与肌球蛋白分子的头部结合，形成肌动球蛋白复合物。①肌球蛋白结合ATP，引起头部与肌动蛋白纤维分离；②ATP水解，引起头部与肌动蛋白弱结合；

③Pi释放，头部与肌动蛋白强结合，头部向M线方向弯曲，引起细肌丝向M线移动；④ADP释放ATP结合上去，头部与肌动蛋白纤维分离。如此循环

5、Ca2+的回收：神经冲动传递过后，肌质网的透性降低，肌质网膜上存在钙泵，将钙离子回收到肌质网中，胞质中钙离子浓度降低，肌肉恢复到静息状态。二、平滑肌的收缩机制平滑肌中不含有肌钙蛋白，而含有在结构与功能上与肌钙蛋白极为相似的钙调蛋白（CaM）。磷酸化学说：平滑肌收缩是通过肌球蛋白的磷酸化与去磷酸化来调节。平滑肌收缩过程6步1、肌细胞兴奋，肌质[Ca2+]升高。2、形成Ca2+-钙调蛋白复合物，钙调蛋白分子发生构象变化。3、钙调蛋白（CaM）与无活性的脱辅基肌球蛋白轻链激酶（MLCK）相互作用，形成Ca2+.CaM.MLCK三合一复合物。4、具有活性的激酶催化肌球蛋白的2个20kDa的轻链(LC20)使其第19位的丝氨酸磷酸化。5、磷酸化反应引起肌球蛋白分子构象发生变化，从而引起肌球蛋白Mg2+-ATP酶为肌动蛋白所激活，增强了横桥循环速率。6、肌质网回收Ca2+。三、非肌细胞中的微丝

1、微丝的形态结构微丝（microfilament，MF），又称肌动蛋白纤维（actinfilament），是由两条线性排列的肌动蛋白链形成的螺旋，形状如双线捻成的绳子，直径约6-7nm。是纤丝中最细的一类，普遍存在于各种真核细胞中。2、微丝的化学组成：主要为肌动蛋白，6种：4种α-肌动蛋白

1种β-肌动蛋白1种r-肌动蛋白α分布于肌肉细胞；β和γ分布于肌细胞和非肌细胞。3、微丝的装配肌动蛋白单体外观呈哑铃形，称G-肌动蛋白。G-肌动蛋白首尾相连所装配成的丝状微丝为F-肌动蛋白，由于G-肌动蛋白具有极性，故F-肌动蛋白也具有极性。微丝由两条相互平行的F-肌动蛋白相互缠绕形成的右手螺旋。

微丝的装配需要种子的形成，即成核，发生在质膜，常常受外部信号调控。2-3个肌动蛋白分子聚集成一个核心（核化）；ATP-肌动蛋白分子向核心两端加合；微丝具有极性，ATP-肌动蛋白加到(+)极的速度要比加到(-)极的速度快5-10倍。溶液中ATP-肌动蛋白的浓度处于临界浓度时，ATP-肌动蛋白在(+)端添加，而ADP-肌动蛋白从(-)端分离，表现出“踏车”现象。影响微丝装配的因素：A游离肌动蛋白单体的浓度；B微丝交织成网的程度；C微丝结合蛋白的调节4、非肌肉细胞中微丝结合蛋白

主要与微丝的装配及功能密切相关，按其功能分为三大类：横连蛋白:每个蛋白含有2个或多个微丝结合部位，因此可以将2条或多条纤维联系在一起形成纤维束。戴帽蛋白:能结合到肌动蛋白丝的一端，对肌动蛋白丝的长度和装卸具调节作用。单体稳定蛋白：能与G–肌动蛋白结合，抑制G–肌动蛋白装配成F-肌动蛋白,调节两者的动态平衡。5、肌动蛋白单体的结合蛋白在非肌肉细胞中，大约有50%的肌动蛋白以溶解状态存在而不聚集，因为存在肌动蛋白单体的结合蛋白。如：胸腺素结合到肌动蛋白单体上导致其不能水解ATP,不能结合到微丝的任一端。6、微丝的特异性药物细胞松弛素（cytochalasin）可切断微丝纤维，并结合在微丝末端抑制肌动蛋白加合到微丝纤维上，特异性的抑制微丝功能。鬼笔环肽（phalloidin）与微丝能够特异性的结合，使微丝纤维稳定而抑制其功能。鬼笔环肽只与F-肌动蛋白结合，而不G-肌动蛋白结合，因此荧光标记的鬼笔环肽可特异性的显示微丝在细胞内的分布。7、微丝的功能胞质凝胶层—紧靠质膜下方含有大量网络状的微丝的细胞质，该微丝网使质膜具有一定强度和韧度，对驱动细胞质环流、维持细胞外形和细胞运动具有特别重要的意义。A.维持细胞外形B.胞质环流:植物细胞中央液泡周围的原生质分为外质和内质。外质中静止排列有一些叶绿体，而内质为溶胶状态，含有许多颗粒随内胞质一起沿内外质之间的界面流动。C.变形运动：细胞的变形运动与外质中F-肌动蛋白的凝胶与溶胶状态之间的相互转变有关。D.形成微绒毛：由微丝形成的包有一层质膜的指状突起，微丝形成的微丝束构成了微绒毛的骨架。E.形成应力纤维：细胞内由微丝束构成的较为稳定的纤维状结构，在细胞连接中发挥重要作用。F.胞质分裂G.肌肉收缩H.参与信号转导：动物细胞中广泛存在着细胞外基质—质膜—细胞骨架连续体系。胞外信号可通过这个连续体向胞内传递信号，胞内信号也可通过这个连续体向胞外传递信号，这是微丝骨架参与传递信号的主要方式。维持细胞外形形成微绒毛黏着斑结构模式图Actinfilamentα-actininCappingproteinfibronetinFibronetinreceptor(integrin)vinculin辅肌动蛋白黏着斑蛋白桩蛋白踝蛋白形成应力纤维胞质分裂收缩环临时结构可收缩肌浆球蛋白四、中间丝

10nm中空管状丝，与维持细胞外形和各种细胞器的位置有关，不受细胞松弛素和秋水仙素的影响，化学性质上与微丝和微管不同。中间丝与微管、微丝的区别a.中间丝非常稳定，即使用含有去污剂和高盐的溶液提取，仍与细胞保持连接状态，而此时微管、微丝已降解为可溶性亚基。b.中间丝的大小介于微管、微丝之间，不具有极性。c.中间丝亚基不与核苷结合，亚基聚合形成中间丝也不依赖于GTP或ATP的水解，大多数中间丝的解聚和再聚合是由亚单位的磷酸化和去磷酸化调控。d.化学成分多样性，具有组织特异性。e.抗张力强。f.真菌和植物中不含中间丝。1、中间丝类型根据组织来源和免疫原性，分角蛋白丝；波形蛋白丝；结蛋白丝；神经丝；神经胶质丝；核纤层蛋白丝。头部尾部杆部杆状a螺旋区2、中间丝的结构中间丝蛋白来源于同一基因家族，具高度同源性，结构相似，分头部、杆部、尾部角蛋白丝波形蛋白丝核纤层蛋白丝神经纤维蛋白丝单体二体两个螺旋二聚体交错反向排列为四聚体两个四聚体彼此衔接成八聚体若干四聚体纽缠为中间丝3、中间丝的装配4、中间丝结合蛋白丝聚蛋白网蛋白：为细胞质溶质中含量最丰富的一类蛋白