第十二章细胞骨架文档资料.ppt

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1、概念 细胞骨架是指真核细胞质中的蛋白质纤维网架体系。它对于细胞的形状、细胞的运动、细胞内物质的运输、染色体的分离和细胞分裂等起着重要的作用。,细胞骨架的发现过程 最初人们认为细胞质中无有形结构，但许多生命现象，如细胞运动、细胞形状的维持等，难以得到解释。1928年，人们提出了细胞骨架的原始概念。1954年，在电镜下首次看到了细胞中的微管，但在此时，电镜制片还只能用锇酸或高锰酸钾在低温条件下来固定，在这样的条件下细胞骨架常发生聚集现象，因而被破坏。1963年，采用戊二醛常温固定后，才广泛的地观察到种类细胞骨架的存在，并正式命名为一种细胞器。,细胞骨架的成分 微管(microtubules)微丝(

2、microfilaments)中间纤维(intermediate filaments)广义上的细胞骨架还包括核骨架、核纤层和细胞外基质,第一节 微 管(microtubules),微管的一般特征微管的组成：由微管蛋白和微管结合蛋白 组成。微管的形状：为中空的管状结构。基本功能：细胞器的定位和物质运输。微管组成的细胞器：纤毛、鞭毛、基体、中心体、纺缍体等。,一、微管是由微管蛋白组成的中空小管,微管的形状：中空的管状结构，内径15nm，厚5nm。,微管的成分：微管由两种蛋白组成，即蛋白和蛋白，它们形成一个异源二聚体。,在微管的成分中还有一种-微管蛋白，该成员位于微管组织中心，对微管的形成、微管的数

3、量和位置、微管极性的确定及细胞分裂起重要作用。,微管的动态性：微管是以异二聚体为单位，可自由组装和拆卸。微管的极性：微管具有极性，+极(plus end)生长速度快，-极(minus end)生长速度慢，也就是说微管蛋白在+极的添加速度高于-极。+极的最外端是球蛋白，-极的最外端是球蛋白。,微管在细胞中的三种存在形式：分为单管、二联管和三联管。单管：由13根原纤维组成，是细胞质中常见的形式，其结构不稳定，易受环境因素而降解。二联管：由A，B两根单管组成，A管由13根原纤维，B管有10根原纤维，与A管共用3根原纤维，主要分布于纤毛、鞭毛内。三联管：由A，B，C三根单管组成，A管有13根原纤维，B

4、、C各有10根原纤维，主要分布于中心粒及鞭毛和纤毛的基体中。,二、微管结合蛋白(microtubule-associaded protein MAP),MAP：是与微管结合的辅助蛋白，并与微管共存，参与微管的装配。,三、微管处于组装和去组装,微管本身大多数情况下是不稳定的，需要进行装配和去装配，一般用踏车理论和非稳态动力学模型来进行解释。微管的组装过程可分三个过程：延迟期、聚合期和稳定期。延迟期又分叫成核期。,微管装配的起始点是微管组织中心 微管组织中心(microtubule organizing center MTOC)：是微管形成的核心位点，微管的组装由此开始，常见的微管组织中心为中心体

5、和纤毛的基体。微管组织中心的作用：是帮助细胞质中的微管在装配过程中成核，接着微管从微管组织中心开始生长。蛋白的作用：蛋白一般形成微管蛋白环形复合体，它可刺激微管核心形成，并包裹微管蛋白的负端防止微管蛋白的渗入。,中心体(centrosome)：中心体的结构：中心体位于细胞核的附近，在细胞有丝分裂时位于细胞的两级，中心体包括两个中心粒和中心粒旁物质。它是细胞内重要的微管组织中心。中心体的功能：是细胞中决定微管形成的一种细胞器，它与细胞的有丝分裂关系密切，主要参与纺缍体的形成。,微管的体外组装 在适当的情况下，微管可以在实验室中组装。在实验室中微管组装的条件：微管蛋白的浓度、pH值和温度是主要条件

6、，GTP是重要的调节微管组装的物质，同时还是微管合成时的供能物质。通过微管的体外组装，可以更好的研究微管的组装机理及影响微管组装的因素。,微管的体内装配 微管在细胞中的组装主要是在微管蛋白环形复合体，它位于微管组织中心，是集结异二聚体的核心，微管从此生长和延长。它与微管的负端结合，而使负端稳定。,影响微管组装和去组装的因素 包括GTP浓度、温度、pH值、离子浓度、微管蛋白临界浓度、药物等。常见的影响微管蛋白组装和去组装的药物：紫杉花醇、秋水仙碱、长春花碱等。它们在细胞生物学的研究中和肿瘤治疗的临床应用中都有着重要的意义。,四、微管的主要功能,支持和维持细胞的形态 微管不能收缩，有一定的强度，是

7、支撑和维持细胞形状的主要物质。,参与中心粒、纤毛和鞭毛的组成 中心粒是动物细胞中的主要微管组织中心，在有丝分裂的间期，主要是维持细胞的形状和帮助物质运输；在分裂期组织纺缍体的形成，并与染色体的移动有密切关系。在电镜下可见中心粒由9组三联体微管组成。,纤毛与鞭毛：都细胞表面的运动器官，二者结构基本相同，在电镜下都可见9+2的结构，中央为二联微管称为中央微管，周围有9组二联微管。,在鞭毛的基体与中心体相似，由三联管组成，没有中央微管。,参与细胞内物质运输 细胞内的许多物质的运输都是在微管的帮助下完成的，包括一些细胞的移动都与微管有关。微管参与物质运输主要是由马达蛋白来完成，它可分两大类：胞质动力蛋

8、白(cytoplasmic dynein)和驱动蛋白(kinesin)。两类蛋白都具有ATP酶的活性，并都有将物质沿微管滑动的功能。,微管动力蛋白 微管驱动蛋白,维持细胞内细胞器的定位和分布参与染色体的运动调节细胞分割,参与细胞内信号转导,第二节 微丝(microfilament MF),微丝的成分：微丝还可称为肌动蛋白纤维(actin filament)，是由肌动蛋白(actin)组成的细丝。微丝分布情况：在肌肉细胞中占细胞总蛋白的10%，结构稳定，组成了肌细胞的收缩单位，在非肌肉细胞中，分布均散，结构与微管一样不稳定。,一、微丝结构的特点,微丝的主要成分是肌动蛋白微丝的电镜结构：呈细丝状，

9、比微管短的多，但在细胞中微丝多数成束或与其它细胞结构复合在一起。,肌动蛋白是一个由375个氨基酸组成的单链多肽，与一分子的ATP相连。称为球形-肌动蛋白。微丝是由球形-肌动蛋白形成的聚合体，也称纤维状-肌动蛋白。微丝的结构也具有极性，有正负极之分。,二、微丝的结合蛋白,微丝结合蛋白的种类要比微管结合蛋白的种类多，且功能复杂。目前在肌肉细胞和非肌细胞中已经分离出了100多种不同类型的微丝结合蛋白。单体隔离蛋白 交联蛋白 末端阻断蛋白 纤维切割蛋白 肌动蛋白纤维去聚合蛋白 膜结合蛋白,三、肌动蛋白微丝的装配过程,微丝的组装过程与微管相似，多数情况下，其组装过程用踏车行为来解释。,微丝的组装过程分三

10、个步骤：即成核期、生长或延长期、平衡期。成核期与微管不同，微丝的成核作用是发生在质膜上，这一过程还受到细胞外部信号的调节。微丝组装的动力来自于ATP。影响微丝组装和去组装的因素：球形-肌动蛋白的临界浓度，ATP、Ga2+、Na+、K+的浓度及药物的影响。影响微丝组装、去组装的主要药物成分有细胞松驰素B等。,四、微丝的功能,构成细胞的支架 微丝不能单独发挥作用，必须在形成网络结构或成束状结构时才能发挥作用。微绒毛的形态结构特征：微绒毛是细胞表面的一种特化结构，其核心是由20-30个同向平行的微丝组成束状结构其中有微丝结合蛋白绒毛蛋白和毛缘蛋白。另外还有肌球蛋白-1和钙调蛋白将微丝与绒毛处的质膜相

11、连。正是由于微丝及其结合蛋白的存在，才使得微绒毛的形状得以维持。,参与细胞的运动 细胞整体的移动和位置改变主要是在微丝的作用下完成的，如变形虫、巨噬细胞和白细胞以及器官发生时的胚胎细胞等。,参与细胞分裂 在有丝分裂的末期，细胞膜沿赤道面向内收缩，这一过程主要是在由微丝组成的收缩环的作用下完成的。,参与肌肉收缩 肌肉细胞的收缩与微丝关系非常密切。骨骼肌收缩的基本结构单位肌小节：肌小节的主要成分是肌原纤维，电镜下可见肌原纤维由粗肌丝和细肌丝组成。粗肌丝的成分是肌球蛋白，细肌丝主要成分是肌动蛋白，并辅以原肌球蛋白和肌钙蛋白，组成肌动蛋白丝。,肌小节图解：,肌球蛋白（myosin）属于马达蛋白，可利用

12、ATP产生机械能，趋向微丝的（+）极运动，最早发现于肌肉组织(myosin II)，1970s后逐渐发现许多非肌细胞的myosin，目前已知的有15种类型（myosin I-XV）。Myosin II是构成肌纤维的主要成分之一。由两个重链和4个轻链组成，重链形成一个双股螺旋，一半呈杆状，另一半与轻链一起折叠成两个球形区域，位于分子一端，球形的头部具有ATP酶活性,原肌球蛋白 原肌球蛋白（tropomyosin.Tm）分子量64KD，是由两条平行的多肽链扭成螺旋，每个Tm的长度相当于7个肌动蛋白，呈长杆状。原肌球蛋白与肌动蛋白结合，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

13、动蛋白与肌球蛋白结合肌钙蛋白 肌钙蛋白（troponin,Tn），分子量80KD，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，细肌丝中每隔40nm就有一个肌钙蛋白复合体,肌肉收缩的原理滑动丝模型：肌肉的收缩是由于粗肌丝（肌球蛋白）与细肌丝之间相互滑动的结果，粗肌丝上伸出的横桥与相邻细肌丝连接，在肌细胞收缩时横桥可推动肌动蛋白（细丝）与粗丝（肌球蛋白）的滑行。肌细胞的收缩可分五个步骤：接合，释放，直立，力产生，重新结合。,参与细胞内物质运输参与细胞内信号传递,五、细胞内微丝收缩结构,收缩环-非肌肉细胞内的瞬时性肌肉样结构应力纤维

14、是由微丝与肌球蛋白-II组装的另一种不稳定性收缩束粘着带是非肌肉细胞的一种相对稳定的结构,第三节 中 间 丝(intermediate filaments,IF),中间丝的概况：中间丝发现于20世纪60年代中期，当时在哺乳动物细胞中发现一种10nm的纤维，因直径介于粗纤丝和细纤丝之间，故命名为中间丝。,一、中间纤维是丝状蛋白多聚体,中间丝的结构比微管和微丝要相对稳定，受到药物影响要小的多。中间丝肽链结构的特点：中间丝的种类很多，但肽链结构都很相似，即一个螺旋的中间区，两侧是球形的N端和C端。中间区螺旋结构都比较保守，都被3个间隔区隔开，形成4个螺旋区。但N端和C端都是高度可变的。中间丝的多样性

15、也是由此产生。,二、中间丝的装配和调节,组成中间丝的蛋白为丝状，称丝状蛋白，它由两端球形的C端和N端及中间杆状的螺旋区组成。通常情况下，两个平行排列的丝状蛋白形成螺旋状的二聚体。进一步，由两个二聚体反向-平行排列成一个四聚体，由于反向-平行排列，中间丝的四聚体是没有极性的。两个四聚体组装成一个八聚体，,三、中间丝的类型,根据中间纤维氨基酸序列的相似性可分六类：酸性角蛋白 中性/碱性角蛋白 波形蛋白 神经丝蛋白 核纤层蛋白 巢蛋白,四、中间丝的功能,在细胞内形成一个完整的网状骨架系统为细胞提供机械强度强度参与细胞连接参与细胞内信息传递及物质运输维持细胞核膜稳定参与细胞分化,五、三种细胞骨架的比较,见表,第四节 细胞骨架与疾病,细胞骨架与肿瘤 细胞骨架与肿瘤的关系可从两个方面进行讨论；一是肿瘤细胞中的细胞骨架形态上会发生一些特异性的改变，这可作为肿瘤诊断的辅助指标。另一个是细胞骨架对药物的敏感性可作为肿瘤治疗的一种重要手段。细胞骨架蛋白与神经系统疾病 老年痴呆症等疾病都与细胞骨架中的成分的改变有关。细胞骨架与遗传性疾病 细胞骨架蛋白的基因发生突变同样也会引起遗传病的发生，如单纯性疱性表皮松懈症。,