中山大学 细胞生物学 第七章 细胞骨架与细胞的运动 2011

1XiaoYong-qing肖永清Cellphoneiaoyq@中山大学中山医学院生物教研室细胞生物学2023/10/71本章内容主要内容微管重点微丝重点中间纤维重点细胞的运动略讲细胞骨架与疾病自学2023/10/72细胞骨架（cytoskeleton）是细胞质中的蛋白质纤维网络体系，对于细胞的形状、细胞的运动、运输、染色体的分离和细胞分裂等起重要作用。细胞核中也存在细胞骨架，称核骨架细胞骨架与细胞的运动

（Thecytoskeletonandcellmobility）MTMFIF2023/10/73(1)结构和支持肌动蛋白纤维中间纤维微管马达蛋白上皮细胞神经细胞马达蛋白中间纤维微管马达蛋白肌动蛋白纤维微管(2)细胞内运输(3)收缩和运动(4)空间组织分裂细胞细胞骨架与细胞的运动2023/10/74微管是由微管蛋白在微管结合蛋白帮助下组成的中空圆柱状结构。外径约25nm，内径约15nm细胞骨架与细胞的运动微管（microtubules）微管的结构Lumen50nmWebsitewithanimageofa3-Dreconstructionofthestructureofanintactmicrotubule,basedoncryo-EMandimageprocessing(bytheVisualizationGroupatLawrenceBerkeleyNationalLaboratory,K.Downing'sresearchgroup).2023/10/75微管由α-微管蛋白(tublin）、β-微管蛋白以非共价键结合形成的异二聚体亚基，是组成微管的基本单位α-微管蛋白、β-微管蛋白各有一个GTP结合位点α-tubulin上的GTP位于两个二聚体的交界处，结合稳定，既不水解也不发生交换β-tubulin上的GTP可为GTP或者GDP，也可交换，对微管的动态性有重要作用细胞骨架与细胞的运动微管（microtubules）αtubulinsβtubulins可交换GTPGTP≒GDP不可交换GTP2023/10/76微管蛋白α、β异源二聚体头尾交替排列细胞骨架与细胞的运动微管（microtubules）单管，24-26nm，15nm内径，一般由13根原纤维组成。单根微管一般不稳定微管解构αtubulinsβtubulins二联管三联管2023/10/77二联管（doublet）A管+B管A管13根原纤维，B管10根原纤维，即13+10，主要存在于在纤毛、鞭毛的轴丝，轴丝的微管呈9+2排列，即外周9个二联管，中央2个单管。结构比较稳定细胞骨架与细胞的运动微管（microtubules）DyneinarmsPlasmamembraneInnerdyneinarmOuterdyneinarmCentralsheathAtubuleBtubuleRadialspokeCentralmicrotubuleInterdoublet(nexin)bridge9+2array2023/10/78三联管（triplet）A管+B管+C管(13+10+10)，存在于中心粒、基体等处。结构比较稳定Triplet细胞骨架与细胞的运动微管（microtubules）AtubuleBtubuleCtubulePericentriolarmaterials,PCM2023/10/79微管结合蛋白（microtubuleassociatedproteins,MAP）与微管相结合的辅助蛋白，参与微管的装配。至少有一个结构域与微管侧面相连，另一个结构域突触在外MAP1、MAP2、tau，主要存在于神经元MAP4在神经元和非神经元细胞中均有，进化上保守磷酸化与否影响MAPs结合微管的活性细胞骨架与细胞的运动微管（microtubules）2023/10/710突触结构域的长度决定微管聚集成束时的间距MAP-2，有一个长的突出结构域。过量表达，微管间保持有较宽的空间Tau，拥有较短的突出结构域，过量表达，形成包裹得更紧密一点的微管束细胞骨架与细胞的运动微管（microtubules）过量表达MAP2的细胞横切面电镜过量表达tau的细胞横切面电镜2023/10/711不同微管结合蛋白在细胞中有不同分布，执行特殊功能细胞骨架与细胞的运动微管（microtubules）MAPs在神经元的轴突和树突中的定位免疫荧光显微图片显示培养的海马神经元tau染色（绿色）和MAP2染色（橙色）注：该免疫荧光抗体只能检测到非磷酸化的tau，磷酸化的tau也可存在于树突2023/10/712微管的装配与动力学除了特化的细胞，大多数微管是不稳定的，可快速地组装和去组装，即微管组装的动态不稳定性（dynamicinstability）微管在体外(invitro)的组装组装条件微管蛋白浓度（1mg/ml临界浓度）、pH值（6.9）和温度（37℃）、有Mg2+无Ca2+、

GTP水解供能细胞骨架与细胞的运动微管（microtubules）2023/10/713GTP水解β微管蛋白-GTP（T-型）→β-微管蛋白-GDP（D-型）水解降低了微管中亚基和相邻亚基的亲和力，使之更容易从微管一端解离当游离亚基加到微管的速度比微管的亚基GTP水解的速度快时，微管末端就形成微管蛋白-GTP帽（GTPcap）细胞骨架与细胞的运动微管在体外的组装2023/10/714微管生长和解聚GTP结合在β微管蛋白上时，亚基之间结合比较牢固，产生直的原纤维，使其能和旁侧的另一原纤维形成强的有规律的作用，微管快速聚合GTP水解→GDP，引起微管蛋白发生微小的构象变化，从而使原纤维卷曲，弹开，从原纤维剥离。微管解聚的末端，可见环状、卷曲的微管蛋白寡聚体微管的组装和解聚是不断发生的细胞骨架与细胞的运动微管在体外的组装2023/10/715GTP帽含有GDP微管二聚体的较为不稳定的区域微管生长微管缩短微管生长或缩短的不同末端结构细胞骨架与细胞的运动微管在体外的组装2023/10/716微管具有极性原纤维是由α、β异二聚体组成在一定条件下，微管两端以不同的速率聚合，也表现出极性微管的一端快速生长，称正端(+)，在β亚基游离的那一端；另一端生长较慢称负端（-），在α亚基那一端细胞骨架与细胞的运动微管在体外的组装2023/10/717正端负端游离亚基构象聚合亚基构象微管在两端的装配速度不同，可能是由于亚基加入微管时发生了构象变化，这种构象变化影响亚基加入微管两端的速率细胞骨架与细胞的运动微管在体外的组装2023/10/718踏车运动微管两端的装配速度不同，在一定条件下，微管一端净添加GTP微管蛋白而不断生长；另一端净生成GDP微管蛋白而不断解聚，使纤维整体朝向某个方向运动。这种组装方式叫踏车运动（treadmilling）踏车运动不是微管的主要行为特点，而是肌动蛋白的主要行为特点细胞骨架与细胞的运动微管在体外的组装微管踏车运动2023/10/719体外微管的组装，有明显的几个时期成核期（nucleationphase）微管生长较慢，微管的一小部分起始合成，形成微管生长的模板延长期(elongationphase)微管生长速度大于解聚的速度，微管快速生长延长，直至微管蛋白浓度降低到一定程度。当微管解聚和生长的速度达到一个平衡，微管的长度没有显著变化是，就达到一个平衡期（equilibriumphase）肌动蛋白的组装也有这三个时期细胞骨架与细胞的运动微管在体外的组装2023/10/720细胞骨架与细胞的运动微管在体外的组装肌动蛋白生长曲线2023/10/721微管的在体内（invivo）的组装微管组织中心细胞内微管通常从一个特殊的位置成核，进行微管组装，这个位置叫做微管组织中心。(microtuble-organizingcenter,MTOC)，如中心体、基体等微管蛋白环形复合体（γtubulinringcomplex，γ-TuRC）在成核中起重要作用γ-tubulin（γ-微管蛋白），数量比α、β-微管蛋白少很多两种从酵母到人都很保守的蛋白，分别与γ-tubulin结合，10-13个。这样γ-tubulins再与另外几种蛋白形成一个环状复合体，即γ-TuRC含有成核的微管负端可见该环状结构，像帽子一样使负端稳定γ-TuRC被认为是产生13根原纤维微管的模板细胞骨架与细胞的运动微管（microtubules）2023/10/722细胞骨架与细胞的运动微管在体内的组装纯化的γ-TuRC以及来自纯化γ-TuRC成核的微管电镜由γ-TuRC起始的微管生长的成核反应模型γ-tubulinβ-tubulinα-tubulinAccessoryproteinsiny-tubulinringcomplex2023/10/723γ-tubulin主要存在于动物细胞的中心体、基体等真菌和植物细胞都没有中心体。但是这些细胞都有γ-tubulin并似乎用于微管的成核作用细胞骨架与细胞的运动微管在体内的组装电镜发现饰有马达蛋白头部的微管具有“3-starthelix”，即微管每螺旋一圈，上下相差3个tubulins（e.g.,βαβ）这就会导致微管有一个接合处（seam）于是，原纤维之间的侧向作用就不是α-α、β-β，而是α-β

这种“3-starthelix”也γ-TuRC模板相吻合2023/10/724中心体（centrosomes）中心粒(centrioles)：9组三联管围成的柱状结构1对中心粒相互垂直排列包埋在中心体基质纤维性的中心体基质（又称中心粒旁物质，pericentriolarmaterial，PCM）含有50拷贝以上的γ-TuRC间期，中心体复制有丝分裂开始后，两个子中心粒对分开挪到核相对的两边，形成纺锤体细胞骨架与细胞的运动微管在体外的组装2023/10/725细胞骨架与细胞的运动微管在体内的组装两对垂直排列的中心粒0.3μm中心粒旁物质中心粒中心粒横切500nmTriplet2023/10/726附着有微管的中心体微管从γ-TuRC生长，负端包埋在中心体中，正端游离在胞质细胞骨架与细胞的运动微管在体内的组装2023/10/727可调节微管聚合的药物紫杉醇（taxol），来自一种珍稀种类的紫杉树的树皮，结合并稳定微管，微管的网络聚合增强。现已能人工合成用于癌症治疗细胞骨架与细胞的运动微管（microtubules）ImmunoflurorescencemicrographshowingthemicrotubuleorganizationinaliverepithelialcellBeforeadditionoftaxolAftertaxoltreatment2023/10/728细胞骨架与细胞的运动微管（microtubules）紫杉醇作用微管的位点2023/10/729秋水仙素(colchicine),来自秋水仙，结合并稳定游离的微管蛋白，从而抑制或破坏纺锤体的形成，常用于中期染色体的制备浓度较高染色体的加倍浓度较低长春新碱(vincristine)、长春花碱(vinblastin)、诺可唑(nocodazole)等微管抑制剂细胞骨架与细胞的运动微管（microtubules）2023/10/730微管的功能构成细胞的网状支架，支持和维持细胞形态(如血小板)参与中心粒、纤毛和鞭毛的组成参与细胞内物质运输（马达蛋白帮助）细胞器的定位和分布参与染色体的运动(细胞核章节讲授)参与细胞内信号转导（如：色素细胞）

细胞骨架与细胞的运动微管（microtubules）2023/10/731纤毛和鞭毛的组成纤毛和鞭毛基本组成相同。纤毛短而多，鞭毛长而少都以微管为主要骨架，并多属于9+2型，细胞骨架与细胞的运动微管微管的功能Basalbody外周9组二联管，之间以微管连接蛋白相连A管上还有动力蛋白臂，其头部具ATP酶活性，为纤毛和鞭毛运动提供动力中央2条单管，外被中央鞘外周管与中央鞘之间以放射辐条相连纤毛和鞭毛的基体由三联管组成，与中心粒相似，中央无微管。基体属于MTOC2023/10/732动力蛋白臂质膜内面动力蛋白臂外部动力蛋白臂中央鞘A管B管放射辐条中央微管二联管间桥9+2array细胞骨架与细胞的运动微管微管的功能纤毛鞭毛的结构横切面2023/10/733纤毛中央微管中央鞘放射辐条二联管基体二联管Doublet，无中央微管三联管Triplet细胞骨架与细胞的运动微管微管的功能二联管，有中央微管纤毛结构纵切面2023/10/734参与细胞内物质运输（马达蛋白帮助）马达蛋白（motorproteins）是一种分子马达（molecularmotors），结合在极化的细胞骨架上，并利用重复循环的ATP水解得来的能量沿着骨架稳定地移动每种真核细胞中有几十种不同的马达蛋白共存。它们结合的纤维不同、移动的方向不同、携带的“货物”不同介导膜包被的细胞器的运输细胞骨架与细胞的运动微管微管的功能2023/10/735驱动蛋白(kinesins)首先在乌贼的巨轴突中发现朝向微管正端运动，携带神经细胞的细胞器从胞体到达轴突末梢马达结构域在重链N-端；中间域形成一个缠绕的二聚体；C-端结构域形成一个尾巴用来附着“货物”Kinesins也是一个大的超家族蛋白，马达结构域是家族成员的共同部分细胞骨架与细胞的运动微管的功能马达蛋白2023/10/736动力蛋白(dyneins)是一种朝向负端的微管马达是目前所知最大的、也是最快的分子马达2或3个重链（含有马达结构域）和一组数目可变化的轻链组成胞质动力蛋白（cytoplasmicdyneins）轴丝动力蛋白（axonemaldyneins）包括异二聚体和异三聚体，各自带有2个或者3个马达结构域头部，驱动纤毛或者鞭毛细胞骨架与细胞的运动微管的功能马达蛋白2023/10/737动力蛋白驱动蛋白和动力蛋白各有两个球状ATP头部和一个尾部头部结构专一方式结合微管，有ATP水解酶活性尾部决定了运载货物的种类细胞骨架与细胞的运动微管的功能马达蛋白2023/10/738驱动蛋白运输的ATP驱动细胞骨架与细胞的运动微管的功能马达蛋白2023/10/739细胞器的定位和分布细胞骨架与细胞的运动微管微管的功能正常细胞高尔基复合体（绿色）在核周围微管（橙色）解聚，高尔基复合体分散于整个胞质2023/10/740微管组装动画地址：/cooper5e/animation1203.html细胞骨架与细胞的运动微管微管的功能2023/10/741微丝（microfilament），又称肌动蛋白丝/纤维（actinfilament），是由肌动蛋白组成的细丝，直径约5-8nm普遍存在于真核细胞中，以束状、网状、散在等方式有序存在于细胞质的特定空间位置在肌肉细胞（稳定）在非肌肉细胞（不稳定）细胞骨架与细胞的运动微丝（microfilament，MF）2023/10/742肌动蛋白(actin)是组成肌动蛋白丝的基本单位是一个球形多肽链分子中心有一个ATP（或ADP）结合位点，肌动蛋白ATP有助于肌动蛋白纤维结构的稳定，反之，ADP则降低纤维结构的稳定性肌动蛋白头-尾结合形成具有极性的纤维ATP细胞骨架与细胞的运动微丝（microfilament，MF）2023/10/743肌动蛋白丝解构肌动蛋白原纤维(2个)肌动蛋白丝交联成网或成束细胞骨架与细胞的运动微丝（microfilament，MF）肌动蛋白头尾相接平行地以右手螺旋缠绕各种辅助蛋白作用下肌动蛋白分子正端负端37nm2023/10/744微丝结合蛋白将肌动蛋白纤维组织成各种不同的结构，调节其功能单体隔离蛋白(monomersequesteringproteins)胸腺素（thymosin）结合actin单体使之处于一种锁定状态，不能与肌动蛋白丝的正端或负端相连，也不能水解或者交换所附着的核苷酸抑制蛋白（profilin）锁定actin单体与肌动蛋白丝负端结合的一面；profilin-actin能够与纤维的正端结合，然后profilin脱落，纤维延长一个亚基抑制蛋白与胸腺素竞争结合单个的actin，它们的活性决定肌动蛋白趋于解聚还是聚合细胞骨架与细胞的运动微丝（microfilament，MF）2023/10/745细胞骨架与细胞的运动微丝微丝结合蛋白抑制蛋白与胸腺素的作用肌动蛋白-抑制蛋白复合物肌动蛋白-胸腺素复合物2023/10/746交联蛋白(crossing-linkproteins)改变肌动蛋白丝的三维结构成束蛋白（bundlingprotein）使纤维蛋白水平排列凝胶形成蛋白(gel-formingprotein)使纤维蛋白以较大角度相互结合，创造一个疏松的网络结构细胞骨架与细胞的运动微丝微丝结合蛋白2023/10/747细胞骨架与细胞的运动微丝微丝结合蛋白成束蛋白α-辅肌动蛋白丝束蛋白2023/10/748细胞骨架与细胞的运动微丝微丝结合蛋白微绒毛中的成束蛋白丝束蛋白绒毛蛋白2023/10/749细胞骨架与细胞的运动微丝微丝结合蛋白凝胶形成蛋白细丝蛋白二聚体filamindimer细丝蛋白-肌动蛋白丝形成片足的作用2023/10/750末端阻断蛋白(endblockingproteins)与肌动蛋白末端结合，相当于加了一个帽子。如果在正端加上帽子，纤维就会在负端解聚加帽能促使新的纤维生成，同时抑制已存在的微丝生长，使细胞内有大量较短微丝ARP复合体，纤维负端通过继续附在成核作用的ARP上而加帽（见微丝在体外的组装）CapZ(因位于肌肉的Z带而命名），在正端加帽，使正端稳定，失去活性肌肉细胞，肌动蛋白丝正端由CapZ加帽，负端由原肌球调节蛋白(tropomodulin)加帽细胞骨架与细胞的运动微丝微丝结合蛋白2023/10/751细胞骨架与细胞的运动微丝微丝结合蛋白肌球蛋白束粗丝Z盘肌动蛋白丝正端肌动蛋白丝细丝CapZ肌联蛋白负端原肌球调节蛋白肌小节结构模式图2023/10/752凝溶胶蛋白超家族（gelsolinsuperfamily）凝溶胶蛋白(gelsolin)切割以后，仍附在正端，起帽子的作用细胞骨架与细胞的运动微丝微丝结合蛋白纤维切割蛋白(filament-severingproteins)2023/10/753肌动蛋白丝解聚蛋白(actinfilamentdepolymerizationproteins)与肌动蛋白丝结合，引起纤维快速解聚丝切蛋白(cofilin)，丝切蛋白既能够结合肌动蛋白丝，又能结合亚基丝切蛋白结合在肌动蛋白丝上，使之微微的扭曲变紧，使纤维变得易碎以及更容易切割使actin-ADP亚基更容易从纤维负端解离，有效的拆卸细胞中老的纤维，保证肌动蛋白丝的迅速更替细胞骨架与细胞的运动微丝微丝结合蛋白2023/10/754膜结合蛋白(membrane-bindingprotein）是非肌细胞质膜下产生收缩的机器。肌动蛋白丝通过膜结合蛋白与细胞质膜连接细胞骨架与细胞的运动微丝微丝结合蛋白2023/10/755细胞骨架与细胞的运动微丝微丝结合蛋白2023/10/756微丝的在体外的组装肌动蛋白丝组装的三个时期细胞骨架与细胞的运动微丝（microfilament，MF）延迟期/成核期(lagphase/nucleationphase)，成核与ARP2/3复合体有关生长期(growthphase)平衡期(equilibriumphase)2023/10/757肌动蛋白纤维的特点肌动蛋白丝具有极性，和微管一样，有正端和负端生长快速期，具有ATP帽ATP的水解→ADP，促进肌动蛋白丝解聚其动态性以踏车运动(treadmilling)为主细胞骨架与细胞的运动微丝（microfilament，MF）2023/10/758细胞骨架与细胞的运动微丝（microfilament，MF）肌动蛋白纤维体外装配的动力学高浓度加入浓度下降浓度下降浓度稳定肌动蛋白丝正端生长快，负端生长慢2023/10/759肌动蛋白纤维的踏车运动

在平衡期，肌动蛋白两端仍均有亚基的组装和解离，但是正端加上的比解离的多，负端则加上的比解离的少，这时，肌动蛋白出现踏车现象（treadmilling），原有的一段肌动蛋白纤维有如踏车一样向负端行进。