中国海洋大学细胞生物学12细胞骨架

1、.,3. 有丝分裂器,第一节 微 管,有丝分裂器的模式图解,.,纤毛虫纲有盘亚纲(Suctoria)动物: 能伸缩, 是捕食“器官”,4. 轴足(axopodia),太阳虫的光镜照片(a)及一条轴足横切面的电镜照片(b) (a) 太阳虫伸出许多辐射样轴足; (b) 一条轴足在横切面上排列成双螺旋,第一节 微 管,(a),(b),.,某些杆菌和弧菌在表面上长有线状的运动结构，称为鞭毛。,七、细菌鞭毛,细菌鞭毛无论是在结构上还是在运动机制上， 与真核细胞的鞭毛完全不同。它没有9+2式的微管结构，但在功能上二者有相似之处。,第一节 微 管,.,第一节 微 管,在细胞壁的外面，鞭毛的基部包围着的一层弯

2、形鞘,基粒,(motor),(stator),转子和定子相互配合，从而使细菌的鞭毛能进行旋转运动,鞭毛外表无质膜包围 (长1015m),鞭丝 弯钩 基粒,鞭毛,肠杆菌鞭毛基部结构模式图,.,第一节 微管,一、微管的结构和化学组成 微管蛋白,二、微管结合蛋白 MAP,五、微管的功能,七、细菌鞭毛,.,第二节 纤丝,10nm/中间丝蛋白,15nm/肌球蛋白/肌肉细胞,纤 丝,67nm/肌动蛋白/近质膜下方,.,培养细胞中的微管(MT)、肌动蛋白丝(MF)和中间丝(IF),第二节 纤丝,.,粗肌丝(thick myofilament),细肌丝(thin myofilament),第二节 纤丝,非肌肉

3、细胞,肌动蛋白丝,中间丝,.,（二）非 肌 细 胞 中 的 肌动蛋白丝,（一）骨骼肌的结构及收缩机制,（三）中 间 丝,小 结,第二节 纤丝,本节讲授提纲,.,（一）骨骼肌的结构及收缩机制,第二节 纤丝,.,肌节的电镜图象及其模式图解,昆虫飞翔肌的电镜照片,第二节 纤丝,.,1. 肌丝的分子结构,(1) 粗肌丝,肌球蛋白(myosin)：占肌细胞总蛋白的50%,具有 ATPase 活性,第二节 纤丝,.,每条粗肌丝：约由4000个肌球蛋白分子规则排列而成,粗肌丝的电镜图象及其模式图解 (a) 从扇贝肌肉中分离出的粗肌丝的电镜图象; (b)在粗肌丝中, 肌球蛋白分子以其尾部相互聚集在一起，其头部

4、向四周伸出,第二节 纤丝,.,(2) 细肌丝,肌动蛋白(actin)：47kDa,细肌丝的电镜图象及其模式图解 (a) 肌动蛋白丝的负染色电镜图象; (b) 由肌动蛋白单体形成了紧密缠绕的螺旋状结构,第二节 纤丝,.,细肌丝中原肌球蛋白、肌钙蛋白与肌动蛋白的相互关系 I, 抑制亚基; C, 钙结合亚基; T, 原肌球蛋白结合亚基,由2条平行多肽链形成的-螺旋结构，长约40nm,细肌丝上也有一些肌动蛋白结合蛋白：,第二节 纤丝,.,滑动学说：粗、细肌丝相互间滑动,2. 肌肉收缩的机制,第二节 纤丝,粗肌丝,细肌丝,Z盘,舒张,收缩,.,肌肉收缩的过程,(1) 动作电位的产生,(2) Ca2+的释

5、放,(3) 原肌球蛋白的位移,(4) 肌动球蛋白复合物的形成,1个捕钙蛋白(calsequestrin)可结合43个Ca2+,(5) Ca2+的回收,第二节 纤丝,.,肌肉收缩过程中肌钙蛋白分子的调节作用图解,原肌球蛋白,第二节 纤丝,Tm,Tm,原肌球蛋白,Tm,Tm,Ca2+,.,TnI, 抑制亚基; TnC, 钙结合亚基; TnT, 原肌球蛋白结合亚基 Tm, 原肌球蛋白 Myosin, 肌球蛋白,肌 动,蛋 白,TnT,TnC,Tm,Tm,TnI,Ca2+,.,紧密结合在肌动蛋白上的肌球蛋白头部结合ATP后, 与肌动蛋白的亲合力降低, 从肌动蛋白丝上脱落下来; ATP水解成ADP和Pi

6、, 仍然结合在肌球蛋白头部; 肌球蛋白头部释放出Pi, 再与肌动丝紧密结合; 肌球蛋白头部发生剧烈的构象变化, 产生“有力鞭击”, 同时肌球蛋白头部释放出ADP , 使它又回复到下一次新循环的起点。,第二节 纤丝,肌球蛋白分子利用ATP从细肌丝“-”端向“+”端的移动机制图解,.,粗肌丝头部与细肌丝结合/分离1次消耗1分子ATP 滑动10nm：1个周期。,肌纤维收缩最充分时，其长度可为舒张时的65%,时接时离：兔肌纤维可达50100次/sec,第二节 纤丝,.,脊椎动物肌肉中：磷酸肌酸(phosphoreatine) (高能化合物)，其浓度约为ATP的5倍。,无ATP：肌动球蛋白僵直复合物肌肉

7、僵直,第二节 纤丝,.,3. 平滑肌收缩机制,钙离子对平滑肌收缩的调控作用机制 在钙离子存在时，肌球蛋白轻链激酶催化肌球蛋白两条轻链中的一条轻链的一特定位点发生磷酸化, 从而引起平滑肌收缩。,CaM,第二节 纤丝,.,平滑肌细胞的收缩机制图解,与横纹肌(0.04 0.1秒)相比，平滑肌收缩速度慢(0.240秒)；持久性大！,第二节 纤丝,.,（一）骨骼肌的结构及收缩机制,1. 肌丝的分子结构 2. 肌肉收缩的机制,第二节 纤丝,粗肌丝的分子结构 细肌丝的分子结构,小 结,.,（二）非肌细胞中的肌动蛋白丝,第二节 纤丝,1. 肌动蛋白丝的形态结构,肌动蛋白丝(微丝)：67nm，长度不定,微丝的电

8、镜图象与模式图解 (a) , 微丝的电镜图象；(b), (a)的模式图解；(c), 微丝在细胞中分布的模式图解,.,质膜下方(外质),微绒毛,片足,肌动蛋白丝在各种真核细胞中的几种分布形式图解,应力纤维 (stress fiber),.,2. 肌动蛋白丝的组成,哑铃形肌动蛋白(actin)(43kDa),肌动蛋白在进化上非常保守，由同一祖先基因进化而来,第二节 纤丝,-肌动蛋白和-肌动蛋白: 所有真核细胞,.,3. 肌动蛋白丝的装配,G-肌动蛋白,F-肌动蛋白(肌动蛋白丝)的右手螺旋结构,“+”极,“-”极,第二节 纤丝,.,微丝装配的成核作用及微丝网格的形成 (a) 肌动蛋白纤维的成核作用;

9、 (b) 微丝成网过程,第二节 纤丝,.,肌动蛋白丝装配的踏车现象,第二节 纤丝,.,在大多数非肌肉细胞中：一种动态结构组装和解聚维持细胞形态和细胞运动,第二节 纤丝,微绒毛,永久性结构,暂时性结构,.,4. 非肌肉细胞中的肌动蛋白丝结合蛋白,具有两个以上actin结合位点，能同时结合多条肌动蛋白丝，将多条肌动蛋白丝横连成束或成网,根据其功能可分为以下三类:,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有调节作用,能与肌动蛋白单体结合, 具有抑制G-肌动蛋白装配成F-肌动蛋白、进而调节G-肌动蛋白和F-肌动蛋白之间动态平衡的作用,第二节 纤丝,.,-辅肌动蛋白(-actinin)细丝蛋

10、白(filamin) 毛缘蛋白(fimbrin)血影蛋白(spectrin) 粘着斑蛋白(vinculin)踝蛋白(talin) 束捆蛋白 (fascin)肌球蛋白(myosin I) 肌球蛋白II (myosin II)张力蛋白 (tensin),(1) 横连蛋白(Cross-linking Protein):,第二节 纤丝,.,毛缘蛋白,-辅肌动蛋白分子的EM图像,-辅肌动蛋白,血影蛋白,第二节 纤丝,细丝蛋白,.,横连蛋白的功能图解,第二节 纤丝,.,(2) 戴帽蛋白(Capping Protein):,第二节 纤丝,.,促聚蛋白(profilin) 胸腺素(thymosin) DNA聚

11、合酶I(DNA Pol I) 钙调结合蛋白(caldesmon)等,(3) 单体稳定蛋白(monomer stablizing protein):,胸腺素,第二节 纤丝,.,胸腺素和抑丝蛋白对肌动蛋白单体聚合的影响机制图解,第二节 纤丝,.,肌球蛋白-I和II分子的一级结构及其三维结构图解,非肌细胞中的肌球蛋白(myosin)：,第二节 纤丝,.,非肌肉细胞中肌球蛋白分子的模式图解,非肌肉细胞中肌球蛋白分子的组装机制 肌球蛋白II分子的轻链被磷酸化后，便从无活性时的折叠状态伸展开来，从而自发地进行自我组装，形成双极性纤维,第二节 纤丝,非肌肉细胞中肌球蛋白分子组成的双极性纤维的EM图像,.,肌

12、球蛋白(myosin I),肌球蛋白II (myosin II),肌球蛋白-I和II分子与肌动蛋白丝之间的作用方式图解,第二节 纤丝,.,非肌细胞中肌球蛋白与肌动蛋白分子的作用方式图解,+,+,+,+,+,第二节 纤丝,肌球蛋白-1,.,肌动蛋白结合蛋白小结,第二节 纤丝,.,肌动蛋白结合蛋白的种类及其功能,第二节 纤丝,.,5. 肌动蛋白丝的特异性药物,(2) 鬼笔环肽(phalloidin),(1) 细胞松弛素(cytochalasins),与肌动蛋白丝具有强烈的亲合作用, 可紧密地结合在肌动蛋白丝上，因而能抑制肌动蛋白丝的解聚从而稳定肌动蛋白丝,通过切断肌动蛋白丝并结合在肌动蛋白丝的正端

13、, 抑制其组装，从而导致肌动蛋白丝解聚,第二节 纤丝,.,6. 肌动蛋白丝的功能,第二节 纤丝,(1) 维持细胞外形,(2) 胞质环流(cyclosis),(3) 变形运动(amoeboid movement),(4) 形成微绒毛(microvillus),(5) 形成应力纤维(stress fiber),(6) 胞质分裂(cytokinesis),(7) 参与信号传导,.,(1) 维持细胞外形,肌动蛋白丝与细胞形状的维持图解,第二节 纤丝,肌动蛋白丝存在于外质中,.,(2) 胞质环流(cyclosis),第二节 纤丝,.,(3) 变形运动(amoeboid movement),第二节 纤丝,

14、阿米巴的变形运动,.,富含肌动蛋白的皮层为细胞变形运动提供动力,凝胶,凝胶,溶胶,凝胶,溶胶,溶胶,细丝蛋白：将肌动蛋白丝连接成立体网架，使外质呈凝胶状态,凝溶胶蛋白：与肌动蛋白丝结合使之断解，使外质由凝胶变为溶胶状态,溶胶,肌动蛋白丝组装延长推动质膜前移；肌球蛋白牵引肌动蛋白丝与其发生相互滑动，进而产生胞质流动的动力,变形运动,嗜中性粒细胞 的趋向性,凝胶,第二节 纤丝,.,(4) 形成微绒毛(microvillus),小肠上皮细胞微绒毛的冰冻蚀刻照片及其结构图解 (a) 微绒毛的冰冻蚀刻照片;(b) 微绒毛的透射电镜照片;(c) 微绒毛的模式图解,毛缘蛋白 绒毛蛋白 血影蛋白,肌球蛋白-1

15、 钙调蛋白,第二节 纤丝,.,小肠上皮细胞微绒毛的冰冻蚀刻照片,微绒毛肌动蛋白丝束基部与其他骨架成分之间的关系图解,第二节 纤丝,.,(5) 形成应力纤维(stress fiber),第二节 纤丝,.,人皮肤成纤维细胞中应力纤维的免疫荧光照片及其结构模式图解,第二节 纤丝,.,细胞中的应力纤维通过点接触与其他细胞或基膜建立结构联系,点接触的分子结构图解,第二节 纤丝,.,点接触(粘着斑)结构的模式图解,第二节 纤丝,.,收缩环的 模式图解,(6) 胞质分裂(cytokinesis),肌动蛋白与肌球蛋白分子的相互作用使肌动蛋白丝之间发生相对滑动，使收缩环收缩,收缩环借助于-辅肌动蛋白等与其外的质

16、膜相连，故其逐渐收缩，可形成分裂沟, 使细胞一分为二,第二节 纤丝,.,近几年研究发现，微丝骨架与细胞信号传导有关。 在动物细胞中广泛存在着细胞外基质-质膜-细胞骨架连续体。胞外信号可以通过这个连续体向胞内传递信号，胞内信号也可以通过这个连续体向胞外传递信号，这是微丝骨架参与信号转导的主要方式。 有些微丝结合蛋白，如纽蛋白，就是蛋白激酶及癌基因产物的作用底物。,(7) 参与信号传导,第二节 纤丝,.,另有研究结果表明，肌动蛋白微丝是一类新的PKC 结合蛋白，两者的结合需要PKC 提前激活。,Rho 、Rac 被胞外信号激活直接诱导肌动蛋白骨架的组装，从而诱导形态建成变化。 Rho2GTPase

17、s 也可以对依赖肌动蛋白细胞骨架的功能进行调节，如上皮细胞的极性、粘着连接、内吞作用、分泌、吞噬作用和轴突生成等。,第二节 纤丝,在神经末梢，花生四烯酸与二酰基甘油反应，刺激磷脂酶C2与肌动蛋白结合，两者的结合将PKC锚定于细胞骨架上，且维持PKC 催化活性。,.,Myrto Raftopoulou and Alan Hall. Cell migration: Rho GTPases lead the way. Developmental Biology 265 (2004) 2332,Rho GTPase对细胞迁移方向的引导作用,第二节 纤丝,.,（二）非肌细胞中肌动蛋白丝,1. 肌动蛋白丝

18、的形态结构 2. 肌动蛋白丝的组成 3. 肌动蛋白丝的装配 4. 非肌细胞中的肌动蛋白丝结合蛋白 5. 肌动蛋白丝的特异性药物 6. 肌动蛋白丝的功能,第二节 纤丝,小 结,.,（三）中间丝,直径10nm的中空管状丝 主要与维持细胞外形和各种细胞器的位置有关！,第二节 纤丝,中间丝的细胞内定位、电镜图象及其模式图解,.,角蛋白丝 波形蛋白丝 结蛋白丝 神经蛋白丝 神经胶质蛋白丝 核纤层蛋白丝,1. 中间丝的类型,第二节 纤丝,.,各种中间丝的类型、性质及其分布,第二节 纤丝,.,2. 中间丝的结构,中间丝蛋白来源于同一基因家族, 具有高度同源性,中间丝结构的模式图解 4条多肽链构成四聚体, 2

19、个四聚体交错排列成八聚体的原纤维，8条原纤维紧密排列并卷成中空的中间丝,第二节 纤丝,.,中间丝蛋白单体功能区的组成图解,同源区,末端区,可变区,中间丝蛋白的大小主要取决于尾部的变化,第二节 纤丝,核纤层蛋白,角蛋白,波形纤维蛋白,神经丝蛋白,.,3. 中间丝的装配,中间丝装配过程示意图,第二节 纤丝,.,中间丝结合蛋白是一类在结构和功能上与中间丝有密切联系，但其本身并非中间丝组分的蛋白。,第二节 纤丝,4、中间丝结合蛋白（intermediate filament associated protein，IFAP）,迄今为止已报道了约15种IFAP，其功能可能是作为中间丝超分子结构的调节者。,

20、.,第二节 纤丝,(1) 丝聚蛋白(filaggrin):,(2) 网蛋白(plectin):,(3) 中间丝结合蛋白300 (IFAP300):,(4) BPAG1:,在不同的细胞中使角蛋白纤维聚集成束，提供表皮的最外层以特别的韧性，可以作为区分不同的上皮细胞的特异性标志。,能使波形蛋白成束，还能使中间丝与微管连接，使肌动蛋白纤维成束，帮助肌球蛋白II与微丝的结合, 以及介导中间丝与质膜的连接。,将中间丝锚定与桥粒上。,定位在内侧桥板，参与角蛋白与桥粒的连接。,中间丝结合蛋白(IFAP)的类别：,.,第二节 纤丝,最近还鉴定出一类横连结合蛋白，可介导中间丝与其他细胞骨架网络间的相互作用。,另外，还有一些蛋白质也具有中间丝结合蛋白的性质:,MAP2参与中间丝与微管间横桥的连接； 血影蛋白和踝蛋白(ankyrin)参与中间丝与质膜的连接； 桥粒斑蛋白(desmoplakin)参与桥粒的形成。,.,5. 中间丝的功能,在胞质中形成精细发达的纤维网络,外与细胞膜及胞外的ECM相连 中间与胞质中的微管、肌动蛋白丝和细胞器相连 内与