细胞骨架医学

细胞骨架 学习内容 掌握细胞骨架的概念及分类；微管、微 丝、中间纤维的成分，结构特点和功能；微管 和微丝特异性药物的应用。 熟悉微管、微丝组装的过程及其特点， 影响微管、微丝组装的因素，微管、微丝和中 间纤维主要特征的比较。 熟悉细胞骨架与疾病 概述 第一节 微 管 第二节 微 丝 第三节 中间纤维 第五节 细胞骨架与疾病 内容 概 述 一、细胞骨架的概念 细胞骨架 微管（microtubule）25nm 微丝 (microfilament) 57nm（ 肌动蛋白纤维） 中间丝 (intermediate）10nm 细胞骨架(cytoskeleton) 是指真核细胞中与保持细胞 形态结构和细胞运动有关的纤维网络，包括微管、微 丝和中间丝 。 细胞骨架立体结构模式图 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 中间纤维则分布在整个 细胞中 广义的概念 细胞质骨架 细胞核骨架 细胞外基质 二、细胞骨架的功能 1.构成细胞内支撑和区域化的网架 2.参与细胞的运动和细胞内物质的运输 3.参与细胞的分裂活动 4.参与细胞内信息传递 细胞骨架功能示意图 第一节 微 管（MF ） 常以、微管蛋白异二聚体形式存在 -微管蛋白 -微管蛋白 1. 和 微管蛋白 一、微管的化学组成 微管：一种具有极性的细胞骨架成分之一，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， 和微管结合蛋白组成的中空圆孔柱状结构。 微管蛋白：微管蛋白、 微管蛋白 、-微管蛋白 在微管蛋白和微管蛋上各有一个GTP结合位点、 Mg2+、Ca2+结合位点 和一个秋水仙素结合位 a.微管结构模式图 b.微管横切面 C.电镜图象 在每根微管中二聚体头尾相接, 形成细长的原纤维 13条原纤维纵向排列组成微管的壁 由微管蛋白和一些其他相关蛋白构成，是微管的一种 高效的集结结构，在中心体中是微管装配的起始结构。 2. 微管蛋白环状复合物（-TuRC） 3.微管的三种存在形式 单管微管由13根原丝组成，是胞质微管的主要存在形式 二联管主要分布在纤毛和鞭毛的杆状部分 三联管主要分布在中心粒及纤毛和鞭毛的基体中 二、微管结合蛋白 (microtubule- associated protein，MAP) 这是一类以恒定比例与微管结合的蛋白，决定不 同类型微管的独特属性，参与微管的装配，是维持微 管结构和功能的必需成份。 MAP-1、MAP-2、Tau 主要存在于神经元中 MAP-4广泛存在于各种细胞中 种MAP的活性主要通过蛋白激酶和磷酸酶控制， 1微管结合蛋白的种类和特点 微管结合蛋白MAP-2 碱性结合区 酸性区域 2. 微管结合蛋白的功能 （1）调节微管装配 （2）增加微管的稳定性和强度 （3）在细胞内沿微管转运囊泡和颗粒 （4）作为细胞外信号的靶位点参与信号转导 三、微管的组装和极性 组装过程分三个时期：成核期、聚合期和稳定期 成核期：先由和微管蛋白聚合成一个短的寡 聚体结构，即核心形成； 聚合期：微管蛋白聚合速度大于解聚速度，微管 延长； 稳定期：游离微管蛋白浓度下降，达到临界浓 度，微管的组装与去组装速度相等， 微管长度相对恒定； （一）微管的体外组装 极性装配 ： 装配快的一端（微管蛋白）为（+）极， 装配慢的一端（微管蛋白）为（-）极 踏车现象：组装和去组装达到平衡 组装条件 ： 微管蛋白异二聚体达到临界浓度、有Mg2+存在 ，（无Ca2+）、pH6.9、37、异二聚体即组装 成微管，同时需要由GTP提供能量。 微管的体外组装过程与踏车现象模式 （二）微管的体内装配 微管组织中心（microtubule organizing center， MTOC）在空间上为微管装配提供始发区域，控 制着细胞质中微管的数量、位置及方向。 包括：中心体、纤毛和鞭毛的基体 微管在中心体部位的成核模型 微管在中心体上的聚合 A.中心体的无定形蛋白基质中含有微管蛋白环,它是微管生长的起始部位; B.中心体上的微管蛋白环; C.中心体与附着其上的微管,负端被包围在中心体中,正端游离在细胞质中; （三）微管组装的动态调节-非稳态动力学模型 该模型认为，微管组装过程不停地在缩短和 增长两种状态中转变，表现动态不稳定性。 微管在体外组装时，游离微管蛋白的浓度和 GTP水解成GDP的速度决定微管的稳定性： （四）作用于微管的特异性药物 秋水仙素：抑制微管的组装 紫衫醇：阻止微管的去组装，增强微管稳定性 长春新碱：结合微管蛋白异二聚体，抑制聚合 四、微管的功能 （一）构成细胞的支架并维持细胞的形 态 （二）参与细胞内物质的运输 微管为细胞内物质的运输提供轨道,通过马达蛋白完 成物质运输任务. 驱动蛋白（kinesin ） 动力蛋白（dynein ） 微管作为运行轨道 1.马达蛋白（motor protein）这是一类利用ATP水解 产生的能量驱动自身携带运载物沿着微管或微丝（肌 动蛋白纤维）运动的蛋白质。可分为三个不同的家族 ： 肌球蛋白（myosin） 微丝（肌动蛋白纤维） 作为运行轨道 驱动蛋白：介导沿微管的（-）极向（+）极的运输 动力蛋白：介导从微管的（+）极向（-）极的运输 主要特点： 货物 尾部 马达蛋 白头部 负端正端 驱动蛋白 马达蛋 白头部 尾部 货物 微管 动力蛋白 具有2个 ATP酶 驱动蛋白功能特点 移动的速度与ATP的浓度有关 速度高时,可达到每秒900nm 功能 参与细胞分裂 运输小泡和各种膜结合细胞器 胞质动力蛋白与膜泡的附着 细胞中微管介导的物质运输 （三）维持细胞内细胞器的空间定位和分布 参与内质网、高尔基复合体 、纺锤体的定位及分 裂期染色体位移 、 （四）微管参与中心粒、纤毛和鞭毛的形成 细胞的变形运动、纤毛、鞭毛运动 中心粒：由9组三联微 管环状斜向排列 纤毛和鞭毛：由9组二 联微管和一个中央微 管排列（9+2） 纤毛和鞭毛动力微管的滑动模型 外周二联管 （五）微管参与染色体的运动，调节细胞分裂 （六）微管参与细胞内信号传递 如hedgehog、JNK、Wnt、ERK及PAK蛋白激酶 信号通路。 第二节 微丝（MF） 一、微丝的结构与肌动蛋白 微丝：MF，又称为肌动蛋白纤维，是指真核细胞中 由肌动蛋白组成的细胞丝。 F-肌动蛋白(纤维状-肌动蛋白)- G-肌动蛋白(球形-肌动蛋白)- 肌动蛋白单体 ，外 观呈哑铃形，三个结合位点: 一个ATP结合位点 两个肌动蛋白结合蛋白的结合位点。 每条微丝由2条平行的 肌动蛋白单链以右手螺旋方式相互盘绕而成 ，具有极 性 肌动蛋白和微丝的结构模式图 A.G-肌动蛋白三维结构; B.F-肌动蛋白分子模型; C. F-肌动蛋白电镜照片 二、肌动蛋白结合蛋白(actin-binding protein ） 是细胞内存在的一大类能与肌动蛋白单体或肌动 蛋白纤维结合的、能改变其特性的蛋白 。 按其功能可分为三大类： 与F-肌动蛋白的聚合有关的蛋白； 与微丝结构有关的蛋白； 与微丝收缩有关的蛋白 ； 肌动蛋白结合蛋白功能示意图 （一）微丝的体外组装过程分三个阶段： 成核期 延长期 稳定期 成核期 延长期 稳定期 成核因子通过成核作用来加速肌动蛋白的聚合 三、微丝的组装 （二）微丝的组装可用踏车模型和非稳态动力学模型 来解释 微丝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。 非稳态动力学模型认为ATP是调节微丝组装的动 力学不稳定性行为的主要因素 微绒毛 收缩环伪足 细胞质中 的收缩束 （三）微丝的组装受多因素影响 多种药物影响微丝组装 细胞松弛素：与微丝的正端结合抑制聚合过程 鬼笔环肽：抑制微丝解聚，使微丝保持稳定状态 微丝的装配必需一定的盐浓度（主要是Mg2+） ，一定的G-actin浓度和ATP存在下才能进行。 在Ca2+及低浓度的Na+、K+趋向于解聚； 在Mg2+及高浓度的Na+、K+趋向于装配。 四、微丝的功能 （一）构成细胞的支架并维持细胞的形态 如，细胞皮层、应力纤维、微绒毛 等 A.微绒毛低温电镜图象; B.微绒毛结构示意图 （二）微丝参与细胞的运动 细胞变形运动 ： 肌动蛋白的聚合形 成伪足 伪足与基质之间行 成新的锚定点； 以附着点为支点向 前移动（肌动蛋白纤 维的解聚）。 参与细胞的多种运动形式： 变形运动、胞质环流、 细胞的内吞和外吐等 （三）微丝参与细胞内物质运输 肌球蛋白的马达蛋白家族它们以微丝作为运输轨 道参与物质运输活动。 （四）微丝参与细胞质的分裂 胞质分裂通过质膜下由微丝束形成的收缩环完成 （五）微丝参与肌肉收缩 肌肉收缩是粗肌丝和细肌丝相 互滑动的结果 肌 原 纤 维 粗肌丝由肌球蛋白组成， 细肌丝由三种蛋白组成， （六）微丝参与受精作用 精子头端启动微丝组装，形成顶体刺突完成受精。 （七）微丝参与细胞内信息传递 细胞外的某些信号分子与细胞膜上的受体结合，可触 发膜下肌动蛋白的结构变化，从而启动细胞内激酶变 化的信号转导过程。 第三节 中间纤维（IF） 中间纤维的直径为10nm，由不同的蛋白质分子组 成，结构稳定，大多数情况下，形成布满在细胞质中 的网络。 丝状蛋白-中间纤维蛋白单体 具有组织特异性，不同类型细胞含有不同中间纤维， 分为6种主要类型，见课本表7-2 一、概念 二、中间纤维蛋白的分子结构 中间纤维蛋白是长的线性蛋白， 由头部、杆状区和尾 部三部分组成，各种中间纤维蛋白之间的区别主要取 决于头、尾部的长度和氨基酸顺序 三、中间纤维结合蛋白（IFAP）(了解) 功能： 使中间纤维交联成束、成网， 把中间纤维交联到质膜或其它骨架成分上 特点：具有细胞特异性 四、中间丝的组装（了解） 五、中间丝的功能 （一）参与构成细胞完整的支撑网架系统 构成细胞完整的支撑网架系统，还与细胞核的形态 支持和定位、相邻细胞之间、细胞与基膜之间连接 结构的形成， （二）为细胞提供机械强度支持 （三）参与细胞的分化 1.不同类型的中间纤维严格地分布在不同类型的细胞 中，具有组织细胞的特异性。 2.发育不同阶段的细胞，会表达不同类型的中间纤维 ， 是细胞分化的标志。 （四）参与细胞内信息传递 中间纤维与DNA复制、转录和 mRNA的运输有关 ，胞质mRNA锚定于中间纤维，可能对其在细胞 内的定位及是否翻译起重要作用。 （五）参与细胞连接 桥粒、半桥粒 （六）维持细胞核膜稳定 核纤层蛋白是中间纤维的一种 第五节 细胞骨架异常与疾病 一、 细胞骨架与肿瘤 1.肿瘤细胞内细胞骨架结构的破坏和解聚，无序 紊乱排列造成细胞形态异常有关。 2.根据中间纤维分布具有组织特异性的特点，用 作临床肿瘤病理诊断工具 。 二、细胞骨架与神经系统疾病 如帕金森病、 阿尔茨海默病 、肌萎缩性侧索硬化 症 、幼稚性脊柱肌肉萎缩症等都与神经丝蛋白的 异常表达与异常修饰有关。 三、细胞骨架与遗传性疾病 人类不动纤毛综合征 、 遗传性皮肤病单纯性大疱性 表皮松解症 等。 小结： 三种细胞骨架成分的主要差别 微管微丝丝中间纤维间纤维 单单体蛋白、-微管蛋白 二聚体 球形-肌动动蛋白丝丝状蛋白 结结合核苷酸2GTP/、-二聚 体 ATP-G-肌动动蛋 白 无 纤维纤维 直径约约25nm约约7nm10nm 结结构13根原纤维组纤维组 成 空心管状纤维纤维 双链链螺旋8个4聚体或4个8 聚体组组成的空心 管状纤维纤维 极性有有无 组织组织 特异性无无有 结结合蛋白有有有 踏车车行为为有有无 特异性药药物秋水仙素、长长春 新碱、紫杉醇 细细胞松弛素、鬼 笔环肽环肽 无 1. 比较3种细胞骨架成分的主要差别？ 2. 何谓MTOC ？ 3. 3种细胞骨架的主要功能有哪些 4. 何谓马达蛋白?简述马达蛋白的三个不同家族 成员的物质运输特点。 思考题 推荐阅读资料 1美国Lewin,B等编著,桑建利，连慕兰等译. 细胞. 科学出版社, 2009 2翟中和, 王喜中, 丁明孝. 细胞生物学（第3版）. 高等教育出版社, 2007 3陈誉华，杨恬，李丰. 医学细胞生物学. 人民卫生出 版 社，2008 4易 静 汤雪明 医学细胞生物学. 上海科学技术出版社, 2009 5韩贻仁. 分子细胞生物学（第三版）. 高等教育出版 社, 2007 6. Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. Molecular Biology of Cell.