南师大细胞生物学-考研课件-第9章+细胞骨架

THECYTOSKELETON,第十章细胞骨架,组成：微丝（microfilament）、微管（microtubule）和中间纤维（intemediatefilament）构成。均由单体蛋白以较弱的非共价键结合在一起，构成纤维型多聚体。微丝确定细胞表面特征，使细胞能够运动和收缩。微管确定膜性细胞器的位置和作为膜泡运输的导轨。中间纤维使细胞具有张力和抗剪切力。其它骨架成分：核骨架、核纤层、细胞膜骨架、细胞外基质。,Thethreetypesofprotein,第一节细胞质骨架,又称肌动蛋白纤维actinfilament，是由两条线性排列的肌动蛋白链形成的螺旋，形状如双线捻成的绳子，直径约7nm。,一、微丝microfilament,（一）、分子结构,根据等电点分为3类：分布于肌肉细胞；和分布于肌细胞和非肌细胞。actin单体外观呈碟形，称球形肌动蛋白G-actin；多聚体称为纤维形肌动蛋白F-actin。actin在进化上高度保守，酵母和兔子肌肉的肌动蛋白有88%的同源性。肌动蛋白要经过翻译后修饰，如N-端乙酰化或组氨酸残基的甲基化。,（二）微丝的装配,条件：ATP、适宜的温度、存在K+和Mg2+离子。过程：2-3个actin聚集成一个核心（核化）；ATP-actin分子向核心两端加合。微丝具有极性，ATP-actin加到(+)极的速度要比加到(-)极的速度快5-10倍。当ATP-肌动蛋白的浓度处于临界浓度时，ATP-肌动蛋白在(+)端添加，而从(-)端分离，表现出“踏车”现象。,Treadmilling,-,+,细胞中大多数微丝结构处于动态的组装和去组装过程中，并通过这种方式实现其功能。,（三）微丝结合蛋白,已知的的微丝结合蛋白有100多种，分为以下类型：1核化蛋白：使游离actin核化，开始组装，Arp2单体隐蔽蛋白：阻止游离actin向纤维添加，thymosin3封端蛋白：使纤维稳定，CapZ4单体聚合蛋白：将结合的单体安装到纤维，profilin5微丝解聚蛋白：使微丝去组装，cofilin6交联蛋白：fimbrin7纤维切断蛋白：将微丝切断，gelsolin8膜结合蛋白：vinculin,核化蛋白,（四）肌肉的组成,由肌原纤维组成，肌原纤维包括粗肌丝和细肌丝，粗肌丝主要成分是肌球蛋白，细肌丝的主要成分是肌动蛋白、原肌球蛋白和肌钙蛋白。肌肉收缩的基本单位是肌小节（sarcomere）。肌小节是相邻两Z线间的单位。主要结构有：A带（暗带）：为粗肌丝所在。H区：A带中央色浅部份，此处只有粗肌丝。I带（明带）：只含细肌丝部分。Z线：细肌丝一端游离，一端附于Z线。,Macromere,1.肌球蛋白（myosin）,属于马达蛋白，趋向微丝的（+）极。已知15类（myosinI-XV）。MyosinII构成粗肌丝。由2个重链和4个轻链组成，外观具有两个球形的头和一个螺旋化的干，头部有ATP酶活性。MyosinV结构类似myosinII，但重链有球形尾部。MyosinI由一个重链和两个轻链组成。MyosinI、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。,MyosinIIstructure,Twoheavychains,twoessentiallightchains,andtworegulatorylightchainsHeavychainhasheaddomain,neckregion,andtaildomain,2.原肌球蛋白（tropomyosin.Tm）每个Tm的长度相当于7个肌动蛋白，呈长杆状。组成两条平行纤维，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，抑制肌动蛋白与肌球蛋白结合。3.肌钙蛋白（troponin,Tn）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，主要作用是调节肌肉收缩。,Tropomyosin,actinandtroponin,4.肌肉的收缩,肌球蛋白结合ATP，引起头部与肌动蛋白纤维分离；ATP水解，引起头部与肌动蛋白弱结合；,Myosinmovement(continued),Pi释放，头部与肌动蛋白强结合，头部向M线方向弯曲，引起细肌丝向M线移动；ADP释放ATP结合上去，头部与肌动蛋白纤维分离。如此循环,（五）微丝特异性药物,细胞松弛素(cytochalasins)：可以切断微丝，并结合在微丝正极末端抑制G-actin加合到微丝纤维上，阻止抑肌动蛋白聚合，特异性的抑制微丝功能。鬼笔环肽（phalloidin）与微丝侧面特异性结合，仅与F-actin结合而不与G-actin结合，抑制微丝解聚，使微丝稳定而抑制其功能。荧光标记的鬼笔环肽可特异性的显示微丝。影响微丝装配动态性的药物对细胞都有毒害，说明微丝功能的发挥依赖于微丝与肌动蛋白单体库间的动态平衡。这种动态平衡受actin单体浓度和微丝结合蛋白的影响。,图2-3荧光显微镜照片（微管呈绿色、微丝红色、核蓝色）,（六）微丝的功能,微丝除参与形成肌原纤维外还具有以下功能：1形成应力纤维（stressfiber）：结构类似肌原纤维，使细胞具有抗剪切力。,培养的上皮细胞中的应力纤维（微丝红色、微管绿色）,2形成微绒毛。3细胞的变形运动。,4.胞质分裂；5.顶体反应；6.其他功能：抑制微丝的药物（细胞松弛素）可增强膜的流动、破坏胞质环流。,二、微管Microtubule,MT,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。,Afluorescentlystainedimageofculturedepithelialcellsshowingthenucleus(yellow)andmicrotubules(red),（一）分子结构,微管是由13条原纤维构成的中空管状结构，直径2225nm。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球蛋白构成。球蛋白结合的GTP从不发生水解或交换。球蛋白也是一种G蛋白，结合的GTP可发生水解，结合的GDP可交换为GTP。,微管具有极性，(+)极生长速度快，(-)极生长速度慢。(+)极的最外端是球蛋白，(-)极的最外端是球蛋白。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）。二聚体上有1个秋水仙素，1个长春花碱结合位点，抑制微管装配。紫杉醇能促进微管的装配,并使已形成的微管稳定。,-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。,1.装配方式,（二）装配,装配的条件:（1）临界浓度1mg/ml。（2）最适pH=6.9。（3）Mg2+为必需，Ca2+尽可能除去。（4）温度：37装配，0解聚。（5）GTP供能。3.所有的微管都有确定的极性4.微管装配是一个动态不稳定过程：是指微管装配生长与快速去装配的一个交替变换的现象。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GDP帽则解聚。,ThefunctionofGTP-tubulincap,GTPhydrolysisisnotrequiredformicrotubuleassembly,MicrotubuledisassemblewhenADP-tubulinareexposed,5.微管组织中心microtubuleorganizingcenter,MTOCs,是微管进行组装的区域，都具有微管球蛋白，如：中心体、鞭毛基体,（三）微管相关蛋白microtubuleassociatedproteinsMAPs,MAP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。主要功能：促进微管组装。增加微管稳定性。促进微管聚集成束。,微管结合蛋白,（四）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。紫杉酚(taxol)能促进微管的装配,并使已形成的微管稳定。为行使正常的微管功能,微管动力学不稳定性是其功能正常发挥的基础。,（五）微管的功能,1、支架作用,Dynein发现于1963年，因与鞭毛和纤毛的运动有关而得名。由两条相同的重链和一些种类繁多的轻链以及结合蛋白构成。2.作用：在细胞分裂中推动染色体的分离、驱动鞭毛的运动、向着微管（-）极运输小泡。,纤毛与鞭毛是相似的两种细胞外长物，前者较短。结构：由基体和鞭杆两部分构成。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。A管向相邻B管伸出两条动力蛋白臂，并向鞭毛中央发出一条辐。基体的微管组成为9+0。鞭毛运动原理：动力蛋白臂的dynein水解ATP作功，使相邻的二联微管相互滑动。,3.鞭毛与纤毛,4.形成纺锤体在细胞分裂中牵引染色体到达分裂极。,中心体由两个相互垂直的中心粒构成。周围是一些无定形物质，叫做外中心粒物质（PCM）。中心粒由9组3联微管构成，具有召集PCM的作用。MTOC处微管蛋白以环状的球蛋白复合体为模板核化、先组装出（-）极，然后开始生长。提纯的微管，在微酸性环境，适宜的温度，存在GTP、Mg2+和去除Ca2+的条件下能自发的组装成11条原纤维的微管。,5.基粒和中心体,TheOrientationofMicrotubulesinaCell,三、中间纤维intermediatefilaments，IF,直径10nm左右，介于微丝和微管之间，故名。IF是最稳定的细胞骨架成分，主要起支撑作用。IF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）成分,分为5类：角蛋白、结蛋白、胶质原纤维酸性蛋白、波形纤维蛋白、神经纤丝蛋白。具有组织特异性，不同类型细胞含有不同IF。通常一种细胞含有一种中间纤维，少数含有2种以上。肿瘤细胞转移后仍保留源细胞的IF。,1.角蛋白keratin为表皮细胞特有，具有和两类，角蛋白存在于细胞中，角蛋白形成头发、指甲等坚韧结构。分为：酸性角蛋白（I型）、中性或碱性角蛋白（II型）。组装时首先由I型和II型组成异二聚体，再形成中间纤维。2.结蛋白desmin又称骨骼蛋白skeletin，存在于肌肉细胞中，主要功能是使肌纤维连在一起。,3.胶质原纤维酸性蛋白glialfibrillaryacidicprotein存在于星形神经胶质细胞和许旺细胞。起支撑作用。4.波形纤维蛋白vimentin存在于间充质细胞及中胚层来源的细胞中。5.神经纤丝蛋白neurofilamentprotein是由三种分子量不同的多肽组成的异聚体，功能是提供弹性使神经纤维易于伸展和防止断裂。,Keratinfilamentsofepithelialcellsaretightlyanchoredtotheplasmamembranesatdesmosmesandhemidesmosomes,（二）结构与装配,1.结构由螺旋化杆状区，以及两端非螺旋化的球形头（N端）尾（C端）部构成。杆状区高度保守，由螺旋1和螺旋2构成，每个螺旋区还分为A、B两个亚区。,intemediatefilaments，IF,2.IF的装配,过程：两个单体形成超螺旋二聚体（角蛋白为异二聚体）；两个二聚体反向平行组装成四聚体；四聚体组成原纤维；4根原纤维组成中间纤维。特点：IF没有极性；无动态蛋白库；装配与温度和蛋白浓度无关；不需要ATP、GTP或结合蛋白的辅助。,（三）IF的结合蛋白IFAP,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已知的IFAPs约15种左右，分别与特定的中间纤维结合，如：flanggrin、Plectin、Ankyrin特点：具有细胞特异性,胞质骨架三种组分的比较,第二节细胞核骨架,概念：广义核骨架1、核基质（nuclearmatrix）2、核纤层3、染色体骨架狭义核骨架:核基质（除核膜、核纤层、染色质与核仁及以外的核内网架结构体系）,目前对核骨架的研究结论核骨架是存在于真核细胞核内真实的结构体系；核骨架与核纤层、中间纤维相互连接形成贯穿于核与质的一个独立结构系统。核骨架的主要成分是由非组蛋白的纤维蛋白构成的,含有多种蛋白成分及少量RNA；核骨架与DNA复制、基因表达及染色体的包装与构建有密切关系。,一、核基质(NuclearMatrix),（一）形态结构,研究核骨架的分级抽提方法非离子去垢剂溶解膜结构系统，胞质中可溶性成分随之流失;再用Tween40和脱氧胆酸钠处理,胞质中的微管、微丝与一些蛋白结构被溶去，胞质中只有中间纤维网能完好存留;然后用核酸酶与0.25mol/L硫酸铵处理，染色质中DNA、RNA和组蛋白被抽提,最终核内呈现一个精细发达的核骨架网络，结合非树脂包埋-去包埋剂电镜制样方法，可清晰地显示核骨架-核纤层-中间纤维结构体系。,（二）成分,核骨架不象胞质骨架那样由非常专一的蛋白成分组成,核骨架的成分比较复杂,主要成分是核骨架蛋白及核骨架结合蛋白,并含有少量RNA。,非组蛋白性纤维蛋白，10多种次要蛋白质，包括肌动蛋白和波形蛋白，后者构成核骨架的外罩。核骨架碎片中还存在三种支架蛋白（scaffoldproteins，SC、SC、SC)，SC则是DNA拓朴异构酶。少量RNA（占0.5%）和DNA(占0.8%，即：MAR)。少量磷脂（1.6%）和糖类（0.9%）。,（三）核骨架结合序列,（1）DNA序列中的核骨架结合序列(matrixassociatedregion,MAR),这部分DNA与核骨架蛋白的结合不为高盐溶液抽提所破坏,在基因表达调控中有作用（2）核骨架结合序列的基本特征：富含AT的DNA解旋元件(DNAunwindingelements)富含反向重复序列(InvertedRepeats)含有转录因子结合位点。（3）MAR的功能：通过与核骨架蛋白的结合，将DNA放射环锚定在核骨架上；作为许多功能性基因调控蛋白的结合位点。,（四）功能,核骨架与DNA复制：为DNA的复制提供支架，结合有DNA复制所需要的酶。核骨架与基因表达：具有转录活性的基因是结合在核骨架上的;RNA聚合酶在核骨架上具有结合位点。核骨架与病毒复制核骨架与染色体构建：一般认为核骨架与染色体