第十章细胞骨架.ppt

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1、第十章 细胞骨架(Cytoskeleton),细胞骨架的基本类型及其分布,微丝,微管,中间丝,叠加图,第一节、微丝(microfilament,MF)与细胞运动第二节、微 管（microtubules,MT）及其功能第三节、中间丝（intermediate filament,IF),重点：掌握三种细胞质骨架成分（MT、MF、IF）的结构组成、装配过程、结合蛋白、生物学功能。难点：骨架纤维成分和结合蛋白的相互作用；微管、微丝和中间丝的组成差异性和功能差异性。,细胞骨架概述 1928年，Koltzoff提出：原生质中存在着一种具有一定形态和结构的纤维成分，每一细胞就是一个由液体成分和硬性骨架组成的

2、体系。20世纪40年代，Wyssling提出细胞质中含有细丝组成的网架。20世纪60年代（1963）Slauterback首先在水螅刺细胞中发现了微管结构，同时Porter在植物细胞中也发现了此结构。后来研究手段和技术不断创新：电镜技术：免疫标记、冷冻深度蚀刻、无树脂包埋切片技术、高压电镜技术、整装细胞制片技术 相继发现了微管、微丝、中间丝的精细结构及组成成分。,第一节、微丝(microfilament,MF)与细胞运动,又称肌动蛋白纤维(actin filament)或纤维状肌动蛋白（fibrous actin）,是指真核细胞中由肌动蛋白(actin)组成、直径为7nm的骨架纤维。微丝的空间

3、结构与功能取决于微丝结合蛋白：A 小肠上皮细胞微绒毛的微丝束，毛源蛋白和绒毛蛋白；B 细胞皮层的微丝网格，交联蛋白和凝溶胶蛋白；C 迁移过程中细胞的伪足中临时性的微丝束，抑制蛋白；D 动物细胞分裂时的胞质分裂环，肌球蛋白,一、微丝的组成及其组装,肌动蛋白(actin)是微丝的主要结构成分，在胞内具有两种形式：肌动蛋白单体，又叫G-actin，单体组装形成纤维状肌动蛋白，又称为F-actin。哺乳类和鸟类细胞中至少存在6种肌动蛋白：4种-肌动蛋白和及-肌动蛋白。生物进化过程中高度保守，-肌动蛋白（400个AA）仅有4-6个AA差异，-肌动蛋白和及-肌动蛋白相差约25个AA残基,（一）结构与成分,

4、-Actin是PCR常用的内参，-Actin抗体是Western Blot很好的内参。内参即是内部参照（Internal Control），对于哺乳动物细胞表达来说一般是指由管家基因编码表达的蛋白。它们在各组织和细胞中的表达相对恒定，在检测蛋白的表达水平变化时常用它来做参照物。,肌动蛋白和微丝的结构A：肌动蛋白单体的三维结构；B：微丝的结构模型；C：微丝负染后的电镜图像,MF是由G-actin单体形成的多聚体，肌动蛋白单体具有极性,装配时呈头尾相接,故微丝具有极性，既正极与负极之别。微丝的组装与去组装与下列因素有关：肌动蛋白的状态（是否结合ATP）；离子的种类及浓度：溶液含ATP/Mg2+以及

5、较高浓度的Na+、K+时，倾向于F-actin 体外实验表明，MF正极与负极都能生长，生长快的一端为正 极，慢的一端为负极；去装配时，负极比正极快。由于G-actin在正极端装配，负极去装配，从而表现为踏车行为。,（二）微丝的组装及其动力学特性,肌动蛋白在正极端组装占优势负极端去组装占优势,踏车行为：微丝在体外组装过程中，正极由于肌动蛋白亚基的不断添加而延长，负极由于肌动蛋白亚基的去组装而缩短的现象。,微丝装配过程,第一步：成核反应2-3个肌动蛋白单体组成寡聚体，限速步骤，过程缓慢。第二步：纤维的延长，快速过程第三步：稳定期纤维的正极组装速度与负极解聚速度相同，长度保持不变，此时体系中的act

6、in单体浓度称为临界浓度（Cc）,三、影响微丝组装的特异性药物,细胞松弛素（cytochalasins）：真菌的一种代谢产物，可以切断微丝，并结合在微丝末端阻抑肌动蛋白聚合，但对解聚没有明显影响，因而可以破坏微丝的三维网络。鬼笔环肽（phalloidin）：由毒蕈（Amanita phallodies）产生的双环杆肽，与微丝有强亲合作用，使肌动蛋白纤维稳定，抑制解聚，且只与F-肌动蛋白结合，而不与G-肌动蛋白结合,鬼笔环肽是由毒蕈产生的双环杆肽，与微丝有特异的强亲合作用，荧光标记的鬼笔环肽可清晰地显示细胞中的微丝,赤麂纤维组织母细胞被肽荧光标记鬼笔环处理后的电镜照,塔尔羊卵巢上皮细胞被肽荧光标

7、记鬼笔环处理后的电镜照,（一）非肌肉细胞中的微丝结合蛋白1、肌动蛋白单体结合蛋白：胸腺素4；前纤维蛋白2、成核蛋白：Arp2/3复合物（-）启动成核过程；形成蛋 白（+）提高组装速度，抵抗加帽蛋白作用3、加帽蛋白：CapZ；凝溶胶蛋白超家族阻止微丝解聚或 过度组装4、交联蛋白：成束蛋白相邻微丝交联成平行排列；凝胶形成蛋白将微丝链接成网状；丝束蛋白相邻微丝形成排列紧密的微丝束；-辅肌动蛋白肌动蛋白间相距较远5、割断及解聚蛋白：凝溶胶蛋白高钙浓度下切断微丝，使肌动蛋白有凝胶态向溶胶态转变；丝切蛋白/肌动蛋白解离因子提高微丝解聚速度,二、微丝网络动态结构的调节与细胞运动,（二）细胞皮层（cell c

8、ortex）：大部分微丝集中紧贴在细胞质膜的胞质区域并由微丝结合蛋白交联成凝胶状三维网络结构维持细胞形状和赋予质膜机械强度，参与多种细胞运动：胞质环流、阿米巴运动、变皱膜运动和吞噬等（三）应力纤维（stress fiber）：紧贴黏合斑的细胞质膜侧大量排列的微丝束广泛存在于真核细胞。呈带状外观，介导细胞间或细胞与基质表面的粘着。成分：肌动蛋白、肌球蛋白、原肌球蛋白和-辅肌动蛋白。,细胞在基质或相邻细胞表面的迁移过程：1、细胞表面在它运动方向的前端伸出突起；2、突起与基质之间形成锚定位点（黏着斑），使突起附着在基质表面3、细胞以附着点为支点向前移动，最后细胞后部的附着点与基质脱离，细胞尾部前移。

9、,（四）细胞伪足的形成与细胞迁移,动物细胞前缘的伪足及其微丝的排列方式,非肌细胞前缘肌动蛋白的聚合和伪足的形成,是肠上皮细胞的指状突起，用以增加肠上皮细胞表面积，以利于营养的快速吸收。微丝束功能：支撑微绒毛，无收缩功能,（五）微绒毛(microvillus),微绒毛中的微丝和微丝结合蛋白,胞质分裂环由大量反向平行排列的微丝组成，其收缩机制是肌动蛋白和肌球蛋白相对滑动。,（六）胞质分裂环,五、肌球蛋白：依赖于微丝的分子马达,分子马达（molecular motor）：既能与微丝或微管结合，又能与细胞器或膜泡特异结合，水解ATP而沿着骨架纤维运输“货物”一类为依赖于微管的驱动蛋白（kinesin）

10、和动力蛋白（dynein）；一类为依赖于微丝的肌球蛋白（myosin）：,（一）肌球蛋白（myosin）的种类,18种肌球蛋白超家族：最保守的马达结构域分类依据：差异很大的C端和N端,型肌球蛋白分子和粗肌丝的结构示意图,部分肌球蛋白超家族成员的结构示意图,（二）肌球蛋白的结构,3个功能结构域：马达结构域；调控结构域；与肌球蛋白复合体组装相关或与运输的“货物”结合的尾部结构域型肌球蛋白：（传统的肌球蛋白）2条重链和4条轻链形成的高度不对称结构在肌细胞中组成肌原纤维的粗丝，占肌细胞总蛋白的一半；在非肌细胞中则参与胞质分裂环的收缩环的形成和张力纤维的活动和V型肌球蛋白：（非传统的肌球蛋白）参与细胞内

11、“货物”的运输运输方向：往微丝的正极端移动（例外）,肌球蛋白的体外运动实验,四、肌细胞的收缩运动(muscle contraction),肌肉可看作一种特别富含细胞骨架的效力非常高的能量转换器，它直接将化学能转变为机械能。,骨骼肌及肌纤维的结构,（一）肌纤维的结构,粗肌丝与细肌丝的分子结构,（二）肌肉收缩系统中的有关蛋白,肌球蛋白(myosin)头部具ATP酶活力,沿微丝从负极到正极进行运动。主要分布于肌细胞，有两个球形头部结构域(具有ATPase活性)和尾部链,多个Myosin尾部相互缠绕，形成myosin filament,即粗肌丝。原肌球蛋白(tropomyosin,Tm)由两条平行的多

12、肽链形成-螺旋构型,位于肌动蛋白螺旋沟内,结合于细丝,调节肌动蛋白与肌球蛋白头部的结合。,肌钙蛋白(Troponin,Tn)为复合物，包括三个亚基：Tn-C(Ca2+敏感性蛋白)能 特异与Ca2+结合;Tn-T(与原肌球蛋白结合);Tn-I(抑制肌球蛋白ATPase活性)CapZ：位于肌细胞Z盘，结合肌动蛋白正极，阻止解聚，保持稳定-辅肌动蛋白：骨骼肌Z盘、平滑肌胞质板，横向连接微丝钮蛋白：平滑肌胞质板，介导微丝连接质膜其它：肌联蛋白；伴肌动蛋白；肌营养不良蛋白,细肌丝的分子结构示意图,原肌球蛋白,肌钙蛋白,（三）肌肉收缩的滑动模型,1、动作电位的产生：神经元肌细胞肌质网2、Ca2+的释放：肌

13、质网肌浆3、原肌球蛋白位移：暴露出肌动蛋白与肌球蛋白结合位点 4、肌动蛋白丝与肌球蛋白丝的相对滑动：肌球蛋白沿肌动蛋白丝滑动，水解ATP 5、Ca2+的回收：收缩停止,Ga2+,分开,+端抬升,结合,Pi释放,构象改变,-端,+端,-端,+端,第二节、微 管（Microtubules）及其功能,一、微管结构组成与极性二、微管的组装与去组装三、微管组织中心(MTOC)四、微管的动力学性质五、微管结合蛋白(MAP)及调节六、微管对细胞结构的组织作用七、依赖于微管的物质运输八、纤毛和鞭毛的结构与功能九、纺锤体和染色体运动,一、微管结构组成与极性,（一）成分：，微管蛋白，其二聚体是微管装配的基本单位。

14、不可交换位点：微管蛋白上的GTP结合位点，GTP不被水解可交换位点：微管蛋白上的GTP结合位点，GTP被水解在二聚体上还有鸟嘌呤核苷酸的两个结合位点；一个秋水仙素的结合位点；一个长春花碱的结合位点。（二）形态：长管状结构，外径24nm，内径15nm，其壁包括13条原纤维。,真核细胞中微管的分布状态,微管可装配成单管(细胞质和纺锥体)，二联管(纤毛和鞭毛中)，三联管(中心粒和基体中)。,所有的微管都有确定的极性。有“头”、“尾”之分。微管的起始端为尾，（-）极；生长端为头，（+）极；（-）极指向MTOC，（+）极背向MTOC。装配主要在（+）极添加或释放异二聚体。具有踏车现象。在一定条件下，微管

15、一端发生装配使微管延长，而另一端发生去装配而使微管缩短，当装配和去装配的速度相同时，微管的长度保持稳定，这一现象称踏车现象。,二、微管的组织与去组装,微管装配过程1、-微管蛋白和-微管蛋白形成二聚体，并纵向聚合成短的丝状结构成核阶段；2、二聚体平行于长轴重复排列形成原纤维延伸阶段；3、进一步经过侧面增加二聚体而扩展为螺旋带延伸阶段；4、当螺旋带加宽至13根原纤维时,即合拢形成一段微管延伸阶段；5、在端部不断添加二聚体使微管延长延伸阶段。,微管的动态不稳定性依赖于微管末端-微管蛋白上GTP的有无,微管特异性药物,秋水仙素(colchicine)阻断微管蛋白组装成微管，对微管的去组装没有影响，可破

16、坏纺锤体结构。诺考达唑（Nocodazole）是一种抗肿瘤药物，通过使微管解聚发挥作用。紫杉酚(taxol)和重水（D2O）能阻止微管的去组装，促进微管的装配，并使已形成的微管稳定。,三、微管组织中心(MTOC),概念：在生理状态或实验处理时，能够起始微管的成核作用并使之延伸的细胞结构称为微管组织中心(microtubule organizing center,MTOC)。常见微管组织中心：1、间期细胞MTOC：中心体(动态微管)2、分裂细胞MTOC：有丝分裂纺锤体极(动态微管)3、鞭毛纤毛细胞MTOC：基体(永久性结构),（一）中心体(centrosome),中心体(centrosome)结

17、构：9组三联体微管组成；微管A为完全微管含有13根原纤丝；微管B和C为不完全微管,中心体的微管成核作用,电镜发现微管并不起源于中心粒，而是在中心粒外周物质区域-微管蛋白,（二）基体(basal body)和其他微管组织中心,基体：位于鞭毛和纤毛根部的类似结构。结构：9组三联体微管组成；微管A为完全微管含有13根原纤丝；微管B和C为不完全微管基体和中心粒为同源结构，可以相互转变（精子鞭毛），都具有自我复制功能（S期）高尔基体反面膜囊也具有组织微管组装能力,四、微管的动力学性质,微管装配的动力学不稳定性：指微管装配生长与快速去装配的一个交替变换的现象，通常发生在微管的正极或中心体的远端研究方法：体

18、外培养细胞，注射罗丹明标记的微管蛋白，荧光显微镜观察动力学不稳定性产生的原因：微管两端具GTP帽(取决于微管蛋白浓度),微管将继续组装,反之,无GTP帽则解聚。,活细胞内微管的动态不稳定性,五、微管结合蛋白(Microtubule Associated Protein,MAP),组成微管的化学成分除微管蛋白外，还包括其它一些蛋白质。通称为微管结合蛋白。结构：有两个区域组成碱性的微管结合区域，可与微管结合，增加微管的成核作用；酸性的突出区域，可与其他骨架纤维相连。分类：包括I 型和II型I 型对热敏感，如MAP-1，主要存在于神经细胞。II型热稳定性高，包括 MAP-2（神经细胞内），MAP-4

19、和tau蛋白（神经细胞内）。MAP的主要功能是：参与微管的装配；增加微管稳定性或强度。,Tau蛋白异常磷酸化、糖基化,MAP2和tau蛋白诱导产生的维管束的结构,60-70nm,20-30nm,20-30nm横桥,C端,N端,细胞器的分布及细胞形态发生与维持：用秋水仙素处理细胞破坏微管，导致细胞变圆说明微管对维持细胞的不对称形状是重要的。对于细胞突起部分，如纤毛、鞭毛、轴突的形成和维持，微管亦起关键作用。,六、微管对细胞结构的组织作用,七、细胞内依赖于微管的物质运输,真核细胞内部是高度区域化的体系,细胞中合成的物质、一些细胞器等必须经过细胞内运输过程。这种运输过程与细胞骨架体系中的微管及其马达

20、蛋白（Motor protein）有关。,快速冷冻深度蚀刻电镜图像显示在轴突内部的微管和膜性细胞器之间有马达蛋白构成的横桥相连（箭头）,马达蛋白（Motor proteins）,目前已鉴定的Motor proteins多达数十种。根据其结合的骨架纤维以及运动方向和携带的转运物不同而分为不同类型。胞质中微管motor protein分为两大类：驱动蛋白(kinesin):大多朝微管的正极方向运动胞质动力蛋白(cytoplasmic dynein)：朝微管的负极运动,（一）驱动蛋白,驱动蛋白（Kinesin）是一类蛋白质超级家族（Kinesin superfamily proteins，KIFs）

21、，其成员代表驱动蛋白-1（Kinesin-1）在1985年被发现。驱动蛋白是由单体组成的多聚体，其“头部”具有ATP酶活性，能通过水解ATP获得能量，改变构型，进行运动。,驱动蛋白分类：N-驱动蛋白：马达结构域位于肽链的N端，kinesin1-12，-极+极移动；M-驱动蛋白：马达结构域位于肽链的中部，kinesin13，结合在微管正极端或负极端，使微管处于不稳定状态C-驱动蛋白：马达结构域位于肽链的C端，kinesin14，+极-极移动,细胞内依赖于微管的物质运输系统,驱动蛋白沿微管运动的分子机制,步行（hand over hand）模型驱动蛋白的两个球状头部交替向前，每水解一分子ATP，后

22、面的马达结构域将向前移动两倍的步距（16nm）尺蠖（inchworm）模型驱动蛋白两个头部中的一个始终向前，另一个永远在后，每步移动8nm,（二）动力蛋白及其功能,动力蛋白超家族细胞质动力蛋白：膜泡运输；动粒和有丝分裂纺锤体定位；细胞分裂后期染色体的分离纤毛或鞭毛动力蛋白：运动作用,八、纤毛(cilia)和鞭毛(flagella)的结构与功能,结构构成：由质膜包围且突出于细胞表面、微管和动力蛋白等构成的高度特化的结构功能：运动装置，与细胞信号转导、细胞增殖与分化、组织与个体发育相关。,（一）纤毛的结构及组装,9+2排列,9+0排列,基体及轴丝的结构示意图,纤毛的组装：1、高尔基体上分离出中心粒

23、膜泡，包裹母中心粒的顶端及一些中心体蛋白；2、母中心粒开始延伸并获得成为基体所需的结构，融合一些膜泡，形成次级中心粒膜泡；3、母中心粒随同次级中心粒膜泡向质膜下迁移，到达纤毛组装位点，发生质膜融合形成杯状纤毛项链；4、在鞭毛运输复合物的介导下，原生纤毛进一步装配并延长,（二）纤毛或鞭毛的运动机制,纤毛或鞭毛的运动过程中相邻二联体微管的滑动模型,单细胞生物：主要运动装置动物细胞：推动组织表面的液体定向流动，传输信号分子，影响靶细胞的定向分化和发育作为感受装置，接受和传递外界物理或化学信号刺激，参与一系列细胞或机体内信号调控过程。,（三）纤毛的功能,九、纺锤体与染色体运动,星体微管,极性微管,动粒

24、微管,马达蛋白介导的纺锤体的行为,第三节 中间丝（intermediate filament,IF),中间丝：又称中间纤维，直径约10nm，介于粗肌丝和细肌丝之间，故被命名为中间纤维。IF几乎分布于所有动物细胞，往往形成一个网络结构，特别是在需要承受机械压力的细胞中含量相当丰富。IF通常是围绕细胞核开始组装，并伸展到细胞边缘与质膜上的桥粒与半桥粒相连,鼠袋细胞中间纤维电镜照,一、中间丝的主要类型和组成成分,IF成分比MF、MT复杂，分布具有组织特异性。IF在形态上相似，而化学组成有明显的差别。,中间丝蛋白分子结构模型310个氨基酸组成的螺旋的杆状区：保守区域高度多变的N端头部和C端尾部2个中间

25、丝蛋白分子平行排列形成双股螺旋的二聚体结构不同的中间纤维蛋白来自同一基因家族，具有高度同源性。,片层,二、中间丝的组装与表达,首先是两条中间纤维多肽链形成超螺旋二聚体，然后两个二聚体反向平行以半交叠方式形成四聚体，再由四聚体首尾相接形成原纤维，最后每8根原纤维构成圆柱状的10nm中间纤维。,IF装配与MF,MT装配相比，有哪些特点？1、IF装配的单体是纤维状蛋白(MF,MT的单体呈球形)；2、反向平行的四聚体导致IF不具有极性；3、IF在体外装配时不需要核苷酸或结合蛋白的辅助；4、在体内装配后，细胞中几乎不存在IF单体(但IF的存在 形式也可以受到细胞调节，如核纤层的装配与解聚)；5、新的中间

26、丝蛋白可以通过交换的方式掺入到原来的纤维。6、细胞周期中中间丝的去组装与从新组装与蛋白质亚基的磷酸化和去磷酸化有关,与细胞质膜上特定的部位链接；通过跨膜蛋白与细胞外基质或相邻细胞的中间丝链接细胞内部与核膜连接（V型中间丝蛋白组装成核纤层）,三、中间丝与其他细胞结构的联系,四、中间丝的功能,增强细胞抗机械压力的能力 角蛋白纤维参与桥粒的形成和维持 结蛋白纤维是肌肉Z盘的重要结构组分，对于维持肌肉细胞的收缩装置起重要作用神经元纤维在神经细胞轴突运输中起作用参与传递细胞内机械的或分子的信息中间丝与mRNA的运输有关中间丝在细胞分化中的作用：由于中间纤维蛋白的表达具有组织特异性,细胞骨架的主要功能？,

27、本章小结,微丝：球形肌动蛋白单体G-actin 聚合形成的纤维形肌动蛋白F-actin 踏车现象：当G-actin处于临界浓度时，MF的装配可以表现出ATP-actin继续在（+）端添加而延长，而在（-）端脱落而缩短，表现出一种“踏车”现象。,本章小结,肌肉收缩系统中的有关蛋白：肌球蛋白、原肌球蛋白和肌钙蛋白等；肌肉收缩基本过程：1.动作电位的产生；2.Ca2+的释放；3.原肌球蛋白位移；4.肌动蛋白丝与肌球蛋白丝的相对滑动；5.Ca2+的回收。微丝的功能：形成微绒毛；形成应力纤维；细胞的运动；胞质分裂；维持细胞形态，赋予质膜机械强度；细胞器运动；信息传导等,本章小结,MT的基本结构：-tub

28、ulin组成的异二聚体；可装配成单管，二联管(纤毛和鞭毛中)，三联管(中心粒和基体中)MT装配过程：（1）-微管蛋白和-微管蛋白形成二聚体,二聚体先形成一个短的原纤维protofilament；（可能不稳定）（2）以原纤维为基础，经过侧面增加二聚体而扩展为弯曲的片层结构；（稳定性增高）（3）当螺旋带加宽至13根原纤维时,即合拢形成一段微管。新的二聚体添加到MT的端点使之延长。常见的微管组织中心：中心体、基体和有丝分裂纺锤体极微管的功能：维持细胞形态；细胞内物质运输；鞭毛运动和纤毛运动；纺锤体的形成和染色体的运动。,本章小结,IF分类：角蛋白纤维、结蛋白纤维、神经胶质纤维、波形纤维和神经元纤维

29、IF组装：两个单体形成超螺旋二聚体;两个二聚体反向平行(半交错)组装成四聚体；四聚体组成原纤维；8根原纤维组成IF（也有人认为4根八聚体组成IF）。IF功能：(1)增强细胞抗机械压力的能力;(2)参与桥粒、半桥粒的形成和维持;(3)结蛋白纤维是肌肉Z盘的重要结构组分，对于维持肌肉细胞的收缩装置起重要作用；(4)神经元纤维在神经细胞轴突运输中起作用(5)参与传递细胞内机械的或分子的信息(6)中间纤维与mRNA的运输有关。,细胞骨架比较,Cytoskeleton 细胞骨架Microfilament,MF 微丝；microtubule,MT 微管Intermediate filament,IF 中间纤维Actin 肌动蛋白 Myosin 肌球蛋白Tubulin 微管蛋白 Centrosome 中心体Microtubule organizing center,MTOC 微管组织中心Microtubule-associated protein,MAP 微管相关蛋白,本章主要词汇,思考题,1原核生物细菌是否也有细胞骨架?2.为什么说细胞骨架是细胞内的一种动态结构。3在细胞骨架各种纤维系统中的结合蛋白质有何重要作用。4细胞骨架和医学有何关系。,