《细胞骨架》PPT课件.ppt

第九章 细胞骨架(Cytoskeleton) 细胞骨架是指存在于真核细胞 中的蛋白纤维网架体系 细胞骨架包括微丝、微管和中间丝 。 对细胞骨架的研究对细胞骨架的研究 第一节 微丝与与细胞运动 微丝又称肌动蛋白纤维(actin filament), 是指真核细胞中由肌动蛋白 (actin)组成、直径为7nm的骨架纤维。 一、微丝的组成及其成分 （一）结构与成分 肌动蛋白(actin)是微丝的结构成分,外 观呈蝶状结构, 这种actin又叫G-actin，将 G-actin形成的微丝又称为F- actin 。 中央裂口内部有ATP, Mg2+结合位点。 类型：、 actin 进化中高度保守 MF呈双螺旋结构，每条由G-actin头尾相连呈 螺旋状排列， G-actin分子上的裂口具有不对称性 ，有裂口的一端为负极。 (二）装 配 1. MF是由G-actin单体形成的多聚体，装配第一 步是成核反应，有肌动蛋白相关蛋白Arp的参与 ，第二步是纤维的延长。装配时肌动蛋白单体呈 头尾相接, 故微丝具有极性，有正极与负极之分 。 2.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。 3.体内装配时，MF呈现出动态不稳定性，主要取 决于F-actin结合的ATP水解速度与游离的G- actin单体浓度之间的关系，当溶液中含有较高的 ATP、Mg2+、及Na+、K+时， G-actin 趋于组装 成F-actin 。 4. 细胞中大多数微丝结构处于动态的组装和去组装 过程中，MF动态变化与细胞生理功能变化相适应 。在体内, 有些微丝是永久性的结构, 有些微丝是暂 时性的结构。 （三）影响微丝组装的特异性药物（三）影响微丝组装的特异性药物 l细胞松弛素（cytochalasin）可切断微丝纤维， 并结合在微丝末端抑制肌动蛋白聚合到微丝纤 维上，特异性的抑制微丝功能。 l鬼笔环肽（phalloidin）与微丝能够特异性的结 合，使微丝纤维稳定而抑制其解聚。荧光标记 的鬼笔环肽可特异性的显示微丝。 二、微丝网络动态结构的调节 与细胞运动 l微丝结合蛋白 l整个骨架系统结构和功能在很大程度上受到 不同的细胞骨架结合蛋白的调节。 1.非肌肉细胞中的微丝结合蛋白 2.肌肉收缩系统中的有关蛋白 （一）非肌肉细胞中的微丝结合（一）非肌肉细胞中的微丝结合 蛋白蛋白 微丝结合蛋白对肌动蛋白组装的调节 有两种主要形式： a.可溶性肌动蛋白的存在状态 b.微丝结合蛋白的种类及存在状态 可溶性肌动蛋白的存在状态 l 细胞内，G-actin: F-actin = 1:1，但G -actin常与一些分子量较小的蛋白结合， 从而使G-actin 组装成F-actin的过程受到 调控。 微丝结合蛋白的种类微丝结合蛋白的种类 表：微丝结合蛋白表：微丝结合蛋白 微丝结合蛋白：微丝解聚蛋白和单 体聚合蛋白 与MF同向平行排列，主要发现于微绒毛与 丝状伪足。 与MF反向平行排列，主要发现于应力纤维 和有丝分裂收缩环。 与MF相互交错排列，细胞皮层(cell cortex) 中微丝排列形式。 微丝结合蛋白将微丝组织成以下 三种主要形式 微丝结合蛋白与微丝的微丝结合蛋白与微丝的 结合形式结合形式 （二）细胞皮层 微丝遍及胞质各处，集中分布于质膜下，紧贴细胞质膜的细胞 质区域，并由微丝结合蛋白交联成凝胶状三维网状结构。 皮层为细胞质膜提供强度和韧性，有助于维持细胞形态。如哺 乳动物红细胞膜骨架的作用。 微丝纤维滑动与胞质环流， 阿米巴运动、变皱膜运动、 吞噬以及膜蛋白的定位有关。 微微 丝丝 与与 胞胞 质质 环环 流流 （三）应力纤维（stress fiber）: 广泛存在于真核细胞。 成分：肌动蛋白、肌球蛋白、原肌球蛋白和-辅肌动蛋白。 介导细胞间或细胞与基质表面的粘着。 （细胞贴壁与黏着斑的形成相关，在形成黏着斑的质膜下 ，微丝紧密平行排列成束，形成应力纤维,具有收缩功能 。） 应力纤维：应力纤维：相邻的微丝以反向平行的相邻的微丝以反向平行的 方式排列方式排列 成纤维细胞爬行与微丝装配和解聚相关 （四）细胞伪足的形成与迁移运动 运动细胞迁移运动细胞迁移 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。 （五）微绒毛(microvillus) （六）胞质分裂环 有丝分裂末期，两个即 将分离的子细胞内产生收缩 环，收缩环由平行排列的微 丝和myosin II组成。随着收 缩环的收缩，两个子细胞的 胞质分离，在细胞松驰素存 在的情况下，不能形成胞质 分裂环，因此形成双核细胞 。 收缩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 。 三、肌球蛋白：依赖于微丝的三、肌球蛋白：依赖于微丝的分子马达分子马达 l分子马达 l能与一些细胞器或膜泡结合，通过ATP水解产生 的能量，沿微管或微丝运输“货物” 到特定的区域 。 l 动力蛋白（dynein），趋向微管负端； l 驱动蛋白（kinesin），趋向微管正端； l 肌球蛋白（myosin），趋向微丝的正极。 肌球蛋白肌球蛋白 l肌球蛋白是一种马达蛋白(motor protein)， 由Kuehne于1864年在研究骨骼肌收缩时发 现并命名。 l是一种超家族的蛋白质，共分为11类，其 中10类为非传统肌球蛋白(unconventional myosin)，另一类肌球蛋白称为传统肌球 蛋白(conventional myosin)。 （一）（一）型肌球蛋白型肌球蛋白 肌球蛋白(myosin)所有actin-dependent motor proteins都属于该家族，其头部具ATP酶活力,沿微丝 从负极到正极进行运动。 Myosin 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。 （二）非传统类型的（二）非传统类型的肌球蛋白肌球蛋白 lMyosin V结构类似于myosin II，但重链有球形 尾部。 lMyosin I 由一个重链和两个轻链组成。 lMyosin I、II、V都存在于非肌细胞中，II型参 与形成应力纤维和胞质收缩环，I、V型结合在 膜上与膜泡运输有关，神经细胞富含myosin V 。 四、肌肉收缩(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。 肌肉的细微结构 肌肉收缩的滑动模型 由神经冲动诱发的肌肉收缩基本过 程 （一）肌肉的（一）肌肉的细微结构细微结构( (以骨骼以骨骼 肌为例肌为例) ) 细肌丝的组成 1）肌动蛋白 2）原肌球蛋白(tropomyosin, Tm)由两条平 行的多肽链形成-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。 3）肌钙蛋白 (Troponin, Tn)为复合物，包括三个 亚基：TnC(Ca2+敏感性蛋白) 能特异与Ca2+结合; TnT( 与原肌球蛋白结合); TnI(抑制肌球蛋白ATPase活性) 原肌球蛋白与原肌球蛋白与肌钙蛋白肌钙蛋白 细肌丝的组成细肌丝的组成 由神经冲动诱发的肌肉收缩基本过程 动作电位的产生 Ca2+的释放 原肌球蛋白位移 肌动蛋白丝与肌球蛋白丝的相对滑动 Ca2+的回收 肌小节的收缩肌小节的收缩 在肌肉收缩过程中，粗丝和细丝 本身的长度都不发生改变，当纤丝滑 动时，肌球蛋白的头部与肌动蛋白的 分子发生接触(attachment)、转动 (tilting)，最后脱离(detachment)的连 续过程，其结果使细丝进行相对的滑 动。 第二节 微 管（Microtubules） 微管在胞质中形成网络结构，作为运输路轨并 起支撑作用。微管是由微管蛋白组成的管状结构， 对低温、高压和秋水仙素敏感。 一、 微管的结构与极性 微管是由13 条原纤维构成的中空管状结构， 外径 24nm，内径15nm。 每一条原纤维由微管蛋白二聚体线性排列而成微管 蛋白二聚体由结构相似的和微管蛋白构成。 和微管蛋白在进化上保守。 微管蛋白结合的GTP从不发生水解或交换。 微管蛋白也是一种G蛋白，结合的GTP可发生水解 ，结合的GDP可交换为GTP。 深绿：微管 浅兰：内质网 黄色：高尔基体 上图：内质网抗体染色 下图：微管抗体染色 上图：高尔基抗体染色 下图：微管抗体染色 形态形态 微管可装配成单管,二联管(纤毛和鞭毛中), 三联管(中心粒和基体中)。 二、组装和去组装 装配方式 所有的微管都有确定的极性 微管装配是一个动态不稳定过程 1.体外组装：组装成的微管粗细不一。 2.体内组装： -微管蛋白和-微管蛋白形成二聚体, 二聚体先形成环状核心(ring),经过侧面 增加二聚体而扩展为螺旋带,二聚体平行 于长轴重复排列形成原纤维(protofilament)。 当螺旋带加宽至13根原纤维时,即合拢形成 一段微管。 装配方式 微管的极性 微管具有极性，(+)极组装速度快，(-)极组装速度 慢。(+)极的最外端是微管蛋白，(-)极的最外端是 微管蛋白。 微管和微丝一样具有踏车行为。 微管形成的有些结构是比较稳定，是由于微管结 合蛋白的作用和酶修饰的原因。如轴突、纤毛、鞭 毛。 大多数微管处于动态组装和去组装状态（如纺锤 体）。 微管的踏车行为微管的踏车行为 微管装配的动力学不稳定性是指微管装 配生长与快速去装配的一个交替变换的 现象。 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(critical concentration)。 微管装配是一个动态不稳定过程 影响微管稳定的因素 (二) 微管特异性药物 秋水仙素(colchicine) 阻断微管蛋 白组装成微管，可破坏纺锤体结构。 紫杉醇(taxol)能促进微管的装配, 并使已形成的微管稳定。 微管动力学不稳定性是其功能正常 发挥的基础。 三、微管组织中心(MTOC) 概念： 微管在生理状态或实验处理 解聚后重新装配的发生处称为 微管组织中心(microtubule organizing center, MTOC)。 常见微管组织中心 间期细胞MTOC： 中心体(动态微管) 分裂细胞MTOC：有丝分裂纺锤体极(动态微管) 鞭毛纤毛细胞MTOC：基体(永久性结构) MTOC决定了细胞微管的极性，微管的负极指 向MTOC， 正极背向MTOC。 （一）中心体(centrosome) 中心体结构 - -微管蛋白微管蛋白 l-微管蛋白的功能 l 帮助微管的聚合 （二）基体(basal body) 位于鞭毛和纤毛根部的类似结 构称为基体（basal body） 为9组3联管结构。 中心粒和基体均具有自我复制 性质 四、微管的动力学性质四、微管的动力学性质 动力学不稳定性产生的原因： a.微管随反应体系中游离二聚体的浓度变化 而发生的生长状态和缩短状态的转变。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GDP帽则解聚。 b.微管蛋白本身的自我调节作用。 c.温度高于20C时，趋于组装，低于20C时， 趋于解聚。 五、微管结合蛋白 (Microtubule Associated Protein, MAP) l微管结合蛋白（ microtubule associated proteins MAPs）分子至 少包含一个结合微管的 结构域和一个向外突出 的结构域。突出部位伸 到微管外与其它细胞组 分（如微管束、中间纤 维、质膜）结合。 MAPMAP的主要功能的主要功能 l促进微管聚集成束； l增加微管稳定性或强度； l促进微管组装。 MAPMAP的分类的分类 l包括I 型和II型两大类 l I 型对热敏感，如MAP1a、 MAP1b， 主要存在于神经细胞 。 lII型热稳定性高，包括 MAP2a、b、c ，MAP4和tau蛋白。其中 MAP2只存在 于神经细胞，MAP2a的含量减少影响树 突的生长。 六、微管功能 维持细胞形态 细胞内依赖于微管的物质运输 细胞器的定位 鞭毛(flagella)运动和纤毛(cilia)运动 纺锤体与染色体运动 1.维持细胞形态-对细胞结构的组织作用 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。 2. 细胞内依赖于微管的物质运输 l 细胞中合成的物质、一些细胞器等在细胞 内运输过程与细胞骨架体系中的微管及其分子 马达有关。 分子马达 驱动蛋白(kinesin):通常朝微管的正极方向 胞质动力蛋白(cytoplasmic dynein)： 朝微管的负极运动 2.1 2.1 驱动蛋白驱动蛋白 驱动蛋白是由单体组成 的聚合体。 两条重链：头部具有ATP酶 的活性，都有一段螺旋， 两个单体的螺旋卷曲成螺 旋（coiled coil）而紧密结合 。 数条轻链：不具有催化活性 的轻链。 驱动蛋白运动的分子机制驱动蛋白运动的分子机制 l 结合和水解ATP， 导致颈部发生构象改 变，使两个头部交替 与微管结合，从而沿 微管“行走”，将“尾 部”结合的“货物”（ 运输泡或细胞器）转 运到其它地方。 2.2 2.2 胞质动力蛋白胞质动力蛋白 l 胞质动力蛋白是马达分子中 最大的，移动速度最快的成员。 l轴丝动力蛋白有3个马达结构域 l胞质动力蛋白有2个马达结构域， 将ATP储存的化学能转化为机械 能，是生成力的部位。 胞质动力蛋白的功能胞质动力蛋白的功能 胞质动力蛋白的胞质动力蛋白的两个功能 第一，有丝分裂中纺锤体 形成和后期染色体的分离 有关； 第二，从微管正极走向负 极，担负小泡和各种膜性 细胞器的运输任务。 是什么决定了货物移动的最终方 向？什么影响了它们的平衡？它们是 如何协作或竞争使得货物到达正确的 位置？ 3.3.鞭毛和纤毛的结构与功能鞭毛和纤毛的结构与功能 鞭毛与纤毛 3.1 3.1 纤毛与鞭毛的纤毛与鞭毛的结构结构 纤毛(cilia)与鞭毛(flagella)是相似的两种细胞 外长物。鞭毛一般长约150微米，纤毛510微米 ，两者直径相近，为 0.150.3 微米。 结构： 由中央轴丝和包被它的质膜两部分构成。 鞭毛中的微管为9+2结构。 二联微管A管由13条原纤维组成，B管由10条原纤 维组成。 基体的微管组成为9+0。 A A管向相邻管向相邻B B管伸出两管伸出两 条动力蛋白臂，并向鞭条动力蛋白臂，并向鞭 毛中央发出一条放射辐毛中央发出一条放射辐 ，相邻的二联体之间有，相邻的二联体之间有 连接蛋白。连接蛋白。 纤毛动力蛋白(ciliary dynein) 是多头的动力蛋白 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，能够水解ATP。 纤毛纤毛运动机制运动机制 滑动学说： 纤毛或鞭毛的运动是 由轴丝动力蛋白所介导的 相邻的二联微管相互滑动 所致。 l 鞭毛和纤毛的运动是 由于它们局部弯曲，从基 部向顶端波浪式地推进的 结果。 l纤毛虫的运动器官。 l动物细胞体内，排出 上皮表面的尘埃和细 菌等物。 l与动物胚胎发育中， 躯体各器官的分布和 对称性有关。 l（1）鞭毛虫和精 子的鞭状延伸物， 推动细胞运动。 l（2）细菌细胞表 面伸出的长丝状物 。 纤毛和鞭毛的功能纤毛和鞭毛的功能 细菌鞭毛细菌鞭毛 l细菌鞭毛的结构和化学成分与真核 细胞的鞭毛相同吗？ l1. 化学趋向性运动，有助于细菌向营养物 质处前进，而逃离有害物质. l2. 与细菌致病性相关 l 3. 可用以细菌的鉴定和分类 4. 4. 纺锤体与染色体运动纺锤体与染色体运动 动粒微管：连接染色体动粒于两极的微管。 极微管：从两极发出，在纺锤体中部赤道区 相互交错的微管。 星体微管：中心体周围呈辐射分布的微管。 有丝分裂过程的变化有丝分裂过程的变化 l染色体的运动：纺锤体微管的组装和去 组装。 l动粒微管与动粒之间滑动：驱动蛋白和 动力蛋白沿微管的运动。 l纺锤体距离变化：极微管中双极驱动蛋 白四聚体沿微管向正极运动时，纺锤体 二极间距离延长，反之缩短。 第三节 中间丝 中间丝又称中间纤维（intermediate filament,IF)，直径10nm左右，是最稳定的 细胞骨架成分，它主要起支撑作用。中间 丝在细胞中围绕着细胞核分布，成束成网 ，并扩展到细胞质膜，与质膜相连结。 （一）中间丝的成分与类型类型 1.类型： l可根据组织来源的免疫原性分为种 l角蛋白（keratin） l结蛋白（desmin） l胶质原纤维酸性蛋白（glial fibrillary acidic protein） l波形纤维蛋白（vimentin） l神经纤丝蛋白(neurofilament protein) l核纤层蛋白 2.2.中间丝的分子结构中间丝的分子结构 l中间丝蛋白可分为头部、杆部和尾部3个部分 l头部位于N-末端，均为非螺旋结构，是一球形区 域，具有高度可变性。 l杆部有四段高度保守的a螺旋形成伸展的超螺旋。 l尾部位于C-末端的球形区域。 l不同的中间丝蛋白的C-末端和N-末端大小差别较 大，化学性质也各不相同。 特点特点 IF成分比MF, MT复杂，表达具有组织 特异性。 IF在形态上相似，而化学组成有明显 的差别。 应用特点： 中间丝具有组织特异性，不同类型细 胞含有不同IF蛋白质。 肿瘤细胞转移后仍保留源细胞的IF ，因此可用IF抗体来鉴定肿瘤的来源。 如乳腺癌和胃肠道癌，含有角蛋白，因 此可断定它来源于上皮组织。 大多数细胞中含有一种中间丝，但 也有少数细胞含有2种以上，如骨骼肌细 胞含有结蛋白和波形蛋白。 二、中间丝的组装与表达 中间丝装配过程 l两个单体，形成两股超螺旋二聚体（角 蛋白为异二聚体）； 两个二聚体反向平行组装成四聚体，三 个四聚体长向连成原丝； l两个原丝组成原纤维； l4根原纤维组成中间丝。 中间丝装配过程 中间丝的组装的特点 IF组装与MF,MT组装相比，有以下几个特点： IF组装的单体是纤维状蛋白(MF,MT的单体呈球形)； 反向平行的四聚体导致IF不具有极性； IF在体外组装时不需要核苷酸或结合蛋白的辅助， 在体内组装后，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，如核纤层的组装与解聚) 。 IFIF的结合蛋白与表达的结合蛋白与表达 lIFAPs的共同特点是： l具有中间纤维特异性。 l表达有细胞专一性。 l不同的IFAP可存在于同一细胞中与 不同的中间丝组织状态相联系。 l