细胞生物学第八章细胞骨架与细胞运动

1CHAPTER8cellcytoskeletonandcellmotility细胞骨架与细胞运动细胞骨架细胞除了含有各种细胞器外,在细胞质中还有一个三维的网络结构系统----细胞骨架真核细胞中的细胞骨架,红色:肌动蛋白纤维,绿色:微管,蓝色:细胞核。

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洋葱内表皮细胞的细胞骨架1963年，发现微管。当前细胞生物学研究中最活跃的领域之一，并且这种研究正方兴未艾。分子水平:蛋白纯化、基因表达功能区域化:内膜系统位置区域化:细胞骨架维持细胞的形态结构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。

广义上,细胞骨架各级成分可概括如下:细胞质骨架微丝微管纤维蛋白细胞外基质多糖细胞核骨架核纤层-核孔复合体体系染色体骨架细胞骨架细胞膜骨架原肌球蛋白、锚蛋白血影蛋白、肌动蛋白（狭义上)中间纤维细胞骨架(cytoskeleton)的组成和功能

组成和分布

是细胞内以蛋白质纤维为主要成分的网络结构,主要由三类蛋白纤丝(filamemt)构成，即微管、微丝（肌动蛋白纤维)和中间纤维。◆微管：主要分布在核周围,并呈放射状向胞质四周扩散；◆微丝：主要分布在细胞质膜的内侧和细胞核膜的内侧；◆中间纤维:分布在整个细胞中。

细胞骨架的组成、分布及功能绕细胞核放射状。功能:确定膜性细胞器的位置、帮助染色体分离和作为膜泡运输的导轨。遍布。功能:增强细胞弹性-使细胞具有张力和抗剪切力。膜下垫圈。功能:确定细胞表面特征、使细胞能够运动和收缩微丝(microfilament,MF)微管（microtubule,MT)中间纤维（intermediatefilament)

细胞骨架的功能◆作为支架(scaffold):没有骨架就没有立体的细胞

◆在细胞内形成一个框架(framework)结构◆为细胞内的物质和细胞器的运输运动提

供机械支持◆为细胞的位置移动提供力◆为mRNA提供锚定位点,促进mRNA翻译成多肽◆是细胞分裂的机器◆参与信号转导第一节微管一、微管的结构和类型

形态◆中空管状结构◆

外径约为25nm◆内径约为15nm◆壁厚约为5nm◆微管的长度变化不定

微管的结构◆由微管蛋白异源二聚体为基本构件,螺旋盘绕形成微管的壁◆二聚体头尾相接,形成细长的原纤维(protofilament)

◆13条原纤维纵向排列组成微管的壁

为纵行微管的电镜图象;模式图解微管横切面的电镜图微管蛋白(tubulin)◆微管蛋白类型:◆α和β微管蛋白形成长度为8nm的异二聚体◆每一个微管蛋白二聚体有两个GTP结合位点●α亚基GTP结合位点●β亚基GTP结合点:可交换位点(exchangeablesite),可被水解。◆γ-微管蛋白:微管组装的起点微管蛋白

微管的类型◆根据组成:◆根据稳定性:●短寿的不稳定微管:如纺锤体●长寿的稳定微管:少数,如鞭毛12345678910111213单管

AB二联管

ABC三联管三种形式的微管二、微管的组装

Microtubuleorganizingcenters,MTOC◆中心体(Centrosome):核旁,纺锤体组织中心,L型◆基体(basalbody):纤毛和鞭毛的微管组织中心------------都有中心粒(Centriole):21微管的极性◆α、β首-尾排列方向性(极性)◆两端分别称为"+”端(plusend)和"-”端(minusend)。

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γ微管蛋白先形成一个圆环(左)或形成钩环结构(右),可指导微管蛋白二聚体结合上去并进行微管的组装。17γ微管蛋白的作用起头成核位点中心体与基体中的中心粒微管如何长出来的?微管从MTOC开始生长,组装受统一功能位点控制植物细胞既无中心体,又无中心粒植物细胞的MTOC是细胞核外被表面的成膜体。

微管组装过程

◆原纤维装配

●MicrotubuleNucleation

◆片状结构的形成

◆微管的形成

◆GTP帽(GTPCap)γ起头,α＋β---αβ二聚体---原纤维---

片层---13根原纤维合拢形成一段微管---延长微管的装配形成原纤维侧向结合成片影响微管装配的因素◆造成微管不稳定性的因素很多,包括GTP、压力、温度(最适温度37℃)、pH(最适pH=6.9)、微管蛋白临界浓度(criticalconcentration)。

影响微管稳定性的药物秋水仙素(colchicine):

抑制微管组装结合在微管蛋白异二聚体上,使微管不能继续添加微管蛋白秋水酰胺(colcemid)鬼臼素(podophyllotoxin)长春花碱(vinblastine)美登本氯丙榛1-苯胺基-8-磺酸萘紫杉醇(taxol)

稳定微管促进微管装配,稳定已形成微管诺考达唑(Nocodazole)重水25影响微管稳定的因素秋水仙素微管装配的动力学现象◆踏车现象(treadmilling)

又称轮回现象,是微管组装后处于动态稳定的一种现象。◆动态不稳定性(dynamicinstability)

微管随反应体系中游离αβ二聚体的浓度变化而发生的生长状态和缩短状态的转变。踏车行为长度不变,蛋白总是在换动态不稳定性一会长,一会短微管结合蛋白体外容易组装,但是没功能,因为没有---(microtubule-associatedproteinMAP)MAP:是与微管结合的辅助蛋白，与微管共存，参与微管的装配。

微管结合蛋白的电镜图象及模式图解微管结合蛋白至少具有1个结合区和1个突出区。突出区的长度可界定微管在成束时彼此间的间距大小:MAP-2的过表达使微管成束时保持较宽的间距，而Tau的过表达则使微管在成束时彼此间非常紧密。

微管结合区微管结合区微管结合区:促进装配区微管结合区

MAPs的功能◆使微管相互交联形成束状结构;◆促进微管的聚合;◆沿微管转运囊泡和颗粒物质;◆提高微管的稳定性;◆MAPs同微管的结合能够控制微管

的长度,防止微管的解聚。

微管的功能

支架作用

细胞内物质运输的轨道◆触突运输(axonaltransport)◆鱼的色素细胞(fishpigmentcells)33是胞内物质运输的路轨。涉及两大类马达蛋白：驱动蛋白kinesin，动力蛋白dyenin，均需ATP供能。Kinesin发现于1985年，是由两条轻链和两条重链构成的四聚体

，能向着微管（+)极运输小泡

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34Dynein发现于1963年，因与鞭毛和纤毛的运动有关而得名。由两条相同的重链和一些种类繁多的轻链以及结合蛋白构成（>10万)。作用：1.在细胞分裂中推动染色体的分离、2.驱动鞭毛的运动，3.向着微管

（-)极运输小泡。

作为驱动蛋白与动力蛋白运输轨道轴突中微管发动机运输的两种方式作为色素颗粒运输轨道微管介导的物质运输鞭毛与纤毛

组成纤毛和鞭毛的轴丝(axoneme)◆轴丝的微管结构:9+2●外围:质膜包裹●外周:9组双联管,A管与B管●中央:中央鞘包裹一对微管◆双联管的结构特点●A管:完全微管、内外动力臂、放射辐条●B管:不完全微管◆轴丝微管组成与排列特点●9组三联管:基体(basalbody)●9组双联管:近基体●9+2:轴丝●单管:纤毛顶部二联管结构◆纤毛动力蛋白(ciliarydynein)●多头的动力蛋白●基部同A管相连●头部同相邻的B管相连●头部具有ATP结合位点,水解ATP。

鞭毛与纤毛如何运动?纤毛动力蛋白◆纤毛和鞭毛的运动机制

微管滑动模型

(sliding-microtubulemodel)而非微管收缩的结果有一种男性不育症是由于精子没有活力造成的。这种病人同时还患有慢性支气管炎,主要是因为是鞭毛和纤毛没有动力蛋白臂,不能排出侵入肺部的粒子。

形成纺锤体在细胞分裂中牵引染色体到达分裂极。第二节微丝(microfilament,MF)又称肌动蛋白纤维actinfilament,是由一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8nm。

结构比微管简单,一种成分。肌肉细胞中特化为收缩单位细胞中成束的肌动蛋白纤维（a)微绒毛；(b)细胞质中的收缩束；（c)运动细胞前缘的鞘和指；(d)细胞分裂时的收缩环。

形态结构和装配■

微丝的结构单位:肌动蛋白●

两种存在方式:单体和多聚体◆F-actin:呈双股螺旋状,直径为8nm。◆G-actin:三个结合位点,很少单独存在●一个ATP结合位点●两个肌动蛋白结合蛋白的结合位点。

肌动蛋白（actin)，375个氨基酸残基,43kD，6种4种α-actin,骨骼肌、心肌、平滑肌β-actin、γ-actin存在于所有细胞中单体G-肌动蛋白和纤维状F-肌动蛋白的结构两个小叶构成(两扇门),中间有豁口(cleft),ATPase的活性部位,能够结合ATP和Mg2+离子。肌动蛋白纤维的装配

◆装配过程

●成核(nucleation)

●延伸(elongation)

●稳定状态(steadystate)

与微管很相似,差异:ATP/GTPMicrofilamentAssembly影响装配的因素◆G-肌动蛋白临界浓度:（Cc)◆离子的影响●在含有ATP和Ca2+,以及很低的Na+、K+等阳离子的溶液中,微丝趋向于解聚成G-肌动蛋白。●在Mg2+和高浓度K+或Na+的诱导下,G-肌动蛋白则装配成纤维状肌动蛋白。

微丝的动态性质:与微管相似◆极性◆踏车现象(treadmilling)◆微丝的动态平衡作用于微丝的药物◆细胞松弛素B(cytochalasinsB):可以切断微丝，阻抑肌动蛋白聚合，使培养细胞变圆。

◆鬼笔环肽(phalloidin):抑制微丝的解体。由于只特异与纤维性肌动蛋白结合的特性，荧光标记的鬼笔环肽可清晰地显示细胞中的微丝。

微丝结合蛋白的类型◆单体隔离蛋白

(monomer-sequesteringprotein)◆加帽蛋白(cappingprotein)◆交联蛋白(cross-linkingprotein)◆纤维割断蛋白(filament-severingprotein)◆膜结合蛋白(membrane-bindingprotein)Actin-bindingproteins微丝结合蛋白的作用方式59

微丝的功能1.肌肉收缩肌肉由肌原纤维组成，肌原纤维包括粗肌丝和细肌丝。粗肌丝主要成分是肌球蛋白；细肌丝的主要成分是肌动蛋白、原肌球蛋白和肌钙蛋白。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带中央色浅部份，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

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6061Sarcomere微丝发动机蛋白:肌球蛋白(myosin)◆肌球蛋白的结构

由一个重链和几个轻链组成,并组成三个结构域∶●头部

含有与肌动蛋白、ATP结合的位点,负责产生力。●颈部

颈部通过同钙调素或类似钙调素的调节轻链亚基的结合来调节头部的活性。●尾部

含有决定尾部是否同膜结合还是同其它的尾部结合的位点MF也是发动机蛋白的轨道Structureofamyosinmolecular发动机蛋白一定是ATP水解酶64原肌球蛋白（tropomyosin.Tm)

每个Tm的长度相当于7个肌动蛋白，呈长杆状。组成两条平行纤维，位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。肌钙蛋白（troponin,Tn)，

含三个亚基，肌钙蛋白C特异地与钙结合，肌钙蛋白T与原肌球蛋白有高度亲和力，肌钙蛋白I抑制肌球蛋白的ATP酶活性，主要作用是调节肌肉收缩。

65Tropomyosin,actinandtroponin66肌肉的收缩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;67Myosinmovement(continued)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

MusclecontractionSlidingFilamentModel702.胞质分裂3.将细胞锚定在胞外基质4.细胞变形运动溶胶-凝胶和"凝胶-溶胶”的相互转变是肌动蛋白纤维单体和聚合体的相互转变单体是可溶的，而纤维是较硬的，流动性自然差。

725.形成应力纤维和微绒毛

结构类似肌原纤维,使细胞具有抗剪切力。6.其他功能

物质运输、胞质环流、信号转导等培养的上皮细胞中的应力纤维

（微丝红色、微管绿色)

第三节中间纤维

◆真核细胞中第三种细胞骨架成分◆这种纤维的平均直径介于微管和微丝之间,故称为中间纤维◆它的直径为10nm,故又称10nm纤维◆由长的、似杆状的蛋白装配而成

几十种成分装配成;不是m