第九章 细胞骨架-微管

1、http:/ THE CYTOSKELETON成分：成分：microfilament、microtubule、intermediate filament。单体非共价结合，构成纤维型多聚体。单体非共价结合，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运输导轨。微管确定膜性细胞器的位置和作为运输导轨。中间纤维使细胞具有张力和抗剪切力。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、膜骨架、细胞其它骨架成分：核骨架、核纤层、膜骨架、细胞外基质。外基质。 The three types of p

2、roteinhttp:/ 第一节第一节 微管微管 微管在胞质中形成网络结构，作为运输路轨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，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。对低温、高压和秋水仙素敏感。A fluorescently stained image of cultured epithelial cells showing the nucleus (yellow) and microtubules (red) Microtubule, MT一、微管的形态结构一、微管的形态结构13条原纤维构成的条原纤维构成的中空管

3、状结构中空管状结构，直径，直径2225nm。每条原纤维由每条原纤维由微管蛋白二聚体微管蛋白二聚体线性排列而成。二线性排列而成。二聚体由结构相似的聚体由结构相似的和和球蛋白构成，均可结合球蛋白构成，均可结合GTP。球蛋白结合的球蛋白结合的GTP从不发生水解或交换。从不发生水解或交换。球蛋白也是一种球蛋白也是一种G蛋白，结合的蛋白，结合的GTP可发生水解，可发生水解，结合的结合的GDP可交换为可交换为GTP 。具有极性，具有极性，(+)极生长速度快，极生长速度快，(-)极生长速度慢。极生长速度慢。(+)极的最外端是极的最外端是球蛋白，球蛋白，(-)极是极是球蛋白。球蛋白。可形成稳定结构，如轴突、纤

4、毛、鞭毛。是微管可形成稳定结构，如轴突、纤毛、鞭毛。是微管结合蛋白的作用和酶修饰的原因。结合蛋白的作用和酶修饰的原因。大多数微管处于动态组装和去组装状态（如纺锤大多数微管处于动态组装和去组装状态（如纺锤体），具有踏车行为。体），具有踏车行为。秋水仙素、长春花碱抑制微管装配。秋水仙素、长春花碱抑制微管装配。 紫杉酚能促紫杉酚能促进微管的装配进微管的装配, 并使已形成的微管稳定。并使已形成的微管稳定。E-siteN-site The function of GTP-tubulin capGTP hydrolysis is not required for microtubule assembly,

5、 WHY？ Antimitosis drugsThe Orientation of Microtubules in a Cell 二、微管的化学组成二、微管的化学组成 构成微管的基本成分是微管蛋白（构成微管的基本成分是微管蛋白（tubulin），包括，包括-微管蛋白（微管蛋白（- tubulin）、）、-微管蛋白（微管蛋白（- tubulin）和）和-微管蛋白（微管蛋白（- tubulin）。）。 除微管蛋白外，微管表面还有一些微管结合除微管蛋白外，微管表面还有一些微管结合蛋白蛋白(microtubule associated protein，MAP), 如如MAP1、MAP2、MAP4、Ta

6、u和和stathmin等等微管蛋白微管蛋白、-微管蛋白组成异二聚体（微管蛋白组成异二聚体（heterodimers）是）是构成微管的基本亚单位，异二聚体上具有鸟嘌呤构成微管的基本亚单位，异二聚体上具有鸟嘌呤核苷酸（核苷酸（GDP/GTP）、二价阳离子（）、二价阳离子（Mg2+、Ca2+）以及秋水仙素和长春碱的结合位点。）以及秋水仙素和长春碱的结合位点。-微管蛋白不足微管蛋白总量的微管蛋白不足微管蛋白总量的1%，定位于微管，定位于微管组织中心（组织中心（microtubule organizing center，MTOC），对微管的形成、数量、位置、极性的确定以），对微管的形成、数量、位置、极性

7、的确定以及细胞分裂等起重要作用。及细胞分裂等起重要作用。 微管结合蛋白微管结合蛋白 MAP分子包含一个结合微管的结构域和一个向外突出的结分子包含一个结合微管的结构域和一个向外突出的结构域。可与其它细胞组分（如微管束、中间纤维、质膜）构域。可与其它细胞组分（如微管束、中间纤维、质膜）结合。结合。 主要功能：主要功能： 促进微管组装。促进微管组装。 增加微管稳定性。增加微管稳定性。 促进微管聚集成束。促进微管聚集成束。微管组织中心微管组织中心microtubule organizing center, MTOCs 是微管进行组装是微管进行组装的区域，都具有的区域，都具有微管球蛋白微管球蛋白 ，MT

8、OC包括中心体包括中心体、动粒、纤毛和、动粒、纤毛和鞭毛的基体鞭毛的基体 中心体中心体由两个相互垂直的中心粒构成。周围是无由两个相互垂直的中心粒构成。周围是无定形物质，叫做外中心粒物质（定形物质，叫做外中心粒物质（PCM）。）。 中心粒由中心粒由9组组3联微管联微管构成，具有召集构成，具有召集PCM的作用。的作用。 MTOC处微管蛋白以环状的处微管蛋白以环状的球蛋白复合体为模板球蛋白复合体为模板核化、先组装出（核化、先组装出（-）极，然后开始生长。）极，然后开始生长。 提纯的微管，在微酸性环境，适宜温度，存在提纯的微管，在微酸性环境，适宜温度，存在GTP、Mg2+和去除和去除Ca2+的条件下能

9、自发的组装成的条件下能自发的组装成13条原纤维的微管。条原纤维的微管。三、微管的装配三、微管的装配 （一） 体外装配 （二） 体内装配（一）微管的体外装配（一）微管的体外装配 微管的装配分三个时期： 成核期（nucleation phase） 聚合期（polymerization phase） 稳定期(stable phase）（二）微管的体内装配（二）微管的体内装配 （三）微管装配的影响因素（三）微管装配的影响因素 体外装配的条件：体外装配的条件： 微管蛋白的浓度：微管蛋白的浓度：1mg/ml； GTP的浓度；的浓度； 最适最适PH：6.9； 离子：钙离子低浓度，镁离子必需；离子：钙离子低浓

10、度，镁离子必需； 温度：温度：37度；度； 体内装配的条件：体内装配的条件： 必须在细胞内的特定部位装配必须在细胞内的特定部位装配-MTOC秋水仙素秋水仙素Colchicine ： 阻止异二聚体正常聚合阻止异二聚体正常聚合; ; 使微管的装配不能进使微管的装配不能进行行; ;长春花碱长春花碱Vinblastine ：同同秋水仙素秋水仙素紫杉酚紫杉酚Taxol ：低浓度时低浓度时稳定微管；在有丝分裂稳定微管；在有丝分裂中后期抑制细胞分裂中后期抑制细胞分裂，诱导细胞凋亡，诱导细胞凋亡微管特异性药物微管特异性药物（四）微管装配的理论模型（四）微管装配的理论模型 非稳态动力学模型（非稳态动力学模型（d

11、ynamic instability model） 由于构成微管的亚单位是由于构成微管的亚单位是异二聚体，这种亚单异二聚体，这种亚单位排列就构成微管的极性，微管的两个末端在结位排列就构成微管的极性，微管的两个末端在结构上不是等同的，这是非常重要的结构特征；因构上不是等同的，这是非常重要的结构特征；因此微管两端的平衡常数也是不同的，故两端具有此微管两端的平衡常数也是不同的，故两端具有不同的装配速度和去装配速度。装配速度快的一不同的装配速度和去装配速度。装配速度快的一端为（端为（+）极，另一端为（）极，另一端为（-）极）极 ,微管的装配动态微管的装配动态也表现出也表现出动力学不稳定性动力学不稳定性

12、和和踏车现象踏车现象。微管的踏车现象微管的踏车现象四、微管的功能四、微管的功能 （一）构成细胞内网状支架，支持和维持细胞形（一）构成细胞内网状支架，支持和维持细胞形态态 （二）参与细胞内物质运输（二）参与细胞内物质运输 （三）参与中心粒、纤毛和鞭毛的形成（三）参与中心粒、纤毛和鞭毛的形成 （四）维持细胞内细胞器的定位和分布（四）维持细胞内细胞器的定位和分布 （五）参与染色体运动，调节细胞分裂（五）参与染色体运动，调节细胞分裂 （六）参与细胞内信号传导（六）参与细胞内信号传导 1 1、维持细胞形态、维持细胞形态：微管有一定强：微管有一定强度度, ,能抗压和抗弯能抗压和抗弯曲曲, ,给细胞提供机给

13、细胞提供机械支持力械支持力. .维持细维持细胞的不对称形状胞的不对称形状，对细胞突起部，对细胞突起部分如纤毛、轴突分如纤毛、轴突的形成和维持也的形成和维持也起关键作用。起关键作用。以细胞核为中心向外放射状以细胞核为中心向外放射状排列的微管纤维（红色）排列的微管纤维（红色）2.2.物质运输（细胞内运输）物质运输（细胞内运输） 真核细胞内部是高度区域化的体系，细胞真核细胞内部是高度区域化的体系，细胞中物质的合成部位和功能部位往往不同，中物质的合成部位和功能部位往往不同，必须经过细胞内运输过程。必须经过细胞内运输过程。 神经递质的运输神经递质的运输： 神经轴突运输中有两种引擎蛋白（马神经轴突运输中有

14、两种引擎蛋白（马达蛋白）：驱动蛋白（达蛋白）：驱动蛋白（Kinesin,1985Kinesin,1985），），胞质动力蛋白胞质动力蛋白(Dynein,1963)(Dynein,1963)驱动蛋白驱动蛋白 涉及涉及2类马达蛋白：类马达蛋白：kinesin、dyenin，需，需ATP供能。供能。 Kinesin发现于发现于1985年，由年，由两条轻链和两条重链构成，两条轻链和两条重链构成，向微管（向微管（+）极运输小泡）极运输小泡 。胞质动力蛋白胞质动力蛋白 Dynein发现于发现于1963年。年。 由两条相同的重链和由两条相同的重链和种类繁多的轻链以及种类繁多的轻链以及结合蛋白构成。结合蛋白构

15、成。 作用：推动染色体的作用：推动染色体的分离、驱动鞭毛的运分离、驱动鞭毛的运动、向着微管（动、向着微管（-）极）极运输小泡。运输小泡。 Motor Proteins Transport Cargo驱动蛋白驱动蛋白动力蛋白动力蛋白Microtubule directionalityMicrotubules Provide Tracks for Transport细胞骨架纤维（微管）一方面作为慢速转运的成分而经轴索运动细胞骨架纤维（微管）一方面作为慢速转运的成分而经轴索运动，另一方面又充当快速转运（高尔基体核其他小泡、颗粒）的轨，另一方面又充当快速转运（高尔基体核其他小泡、颗粒）的轨道。单根微管

16、的物质运输可以是双向的，由不同的马达蛋白介导道。单根微管的物质运输可以是双向的，由不同的马达蛋白介导，并不发生冲突。，并不发生冲突。Intracellular Organelle Movement 3、 形成鞭毛和纤毛形成鞭毛和纤毛 结构：由基体和鞭杆两部分构成；鞭毛中的微管结构：由基体和鞭杆两部分构成；鞭毛中的微管为为9+2结构；二联微管结构；二联微管A管由管由13条原纤维组成，条原纤维组成，B管由管由10条原纤维组成；条原纤维组成；A管向相邻管向相邻B管伸出两条动管伸出两条动力蛋白臂，并向鞭毛中央发出一条辐；基体的微力蛋白臂，并向鞭毛中央发出一条辐；基体的微管组成为管组成为9+0。 运动原

17、理：动力蛋白臂的运动原理：动力蛋白臂的dynein水解水解ATP作功，使作功，使相邻的二联微管相互滑动。相邻的二联微管相互滑动。 微管通过形成专微管通过形成专门的运动细胞器门的运动细胞器而参与细胞的运而参与细胞的运动动.纤毛运动的机制：微管二联体通过动力蛋白相互纤毛运动的机制：微管二联体通过动力蛋白相互滑动滑动鞭毛运动和纤毛运动鞭毛运动和纤毛运动纤毛的结构纤毛的结构纤毛轴心纤毛轴心: :含有含有“9+2”9+2”排列的平行微排列的平行微管管. .动力蛋白臂动力蛋白臂微管连接蛋微管连接蛋白白放射辐条放射辐条内鞘内鞘滑动学说认为纤毛运动是由滑动学说认为纤毛运动是由相邻二联体间的相互滑动所相邻二联体

18、间的相互滑动所致。四个步骤：致。四个步骤：动力蛋白头部与动力蛋白头部与B B亚纤维亚纤维的接触促进动力蛋白上结合的接触促进动力蛋白上结合的的ATPATP水解产物的释放，同时水解产物的释放，同时造成头部角度的改变，在鞭造成头部角度的改变，在鞭毛中实际上是牵拉相邻的毛中实际上是牵拉相邻的B B亚亚纤维向鞭毛顶端滑动。纤维向鞭毛顶端滑动。新的新的ATPATP的结合，使头部的结合，使头部与与B B亚基脱开。亚基脱开。ATPATP水解，释放的能量使水解，释放的能量使头部的角度复原。头部的角度复原。带有水解产物的头部与带有水解产物的头部与B B亚纤维上的另一个位点结合亚纤维上的另一个位点结合，开始又一次循

19、环。，开始又一次循环。 鞭毛有波行的运动。鞭毛有波行的运动。 动力方向与鞭毛的轴平行动力方向与鞭毛的轴平行4. 形成纺锤体形成纺锤体 微管形成专门的细胞器微管形成专门的细胞器(有丝分裂器有丝分裂器)参与细胞的分裂参与细胞的分裂(纺纺锤体锤体中心粒中心粒着丝点着丝点) 在动物细胞中，中心体有一对中心粒在动物细胞中，中心体有一对中心粒 ，每个中心粒由，每个中心粒由9个微管三聚体围成。个微管三聚体围成。 随着细胞分裂随着细胞分裂,中心粒复制。中心粒复制。染色体运动：染色体运动：有丝分裂器中与微管有关的是有丝分裂器中与微管有关的是星体微管、着丝点微管（动粒微管）和极微管。星体微管、着丝点微管（动粒微管

20、）和极微管。 中心体作为微管中心体作为微管组织中心合成微组织中心合成微管管.细胞分裂时产生收缩细胞分裂时产生收缩环环着丝粒及其与微管的连结：着丝粒及其与微管的连结：着丝粒着丝粒：染色体在主缢痕处的分化区段。分为：染色体在主缢痕处的分化区段。分为3 3个结构区（如图）：动粒（染色体表面以蛋白质个结构区（如图）：动粒（染色体表面以蛋白质为主的微管附着结构，即与微管联结的部位），为主的微管附着结构，即与微管联结的部位），着丝粒中部区，配对区着丝粒中部区，配对区高等真核细胞中，着丝粒的主要成分是高度重高等真核细胞中，着丝粒的主要成分是高度重复的卫星复的卫星DNADNA，5%-10%5%-10%；着丝点；着丝点DNADNA结合蛋白，胞结合蛋白，胞质动力蛋白，马达蛋白，钙调蛋白等；表明了动质动力蛋白，马达蛋白，钙调蛋白等；表明了动粒在结构和功能上的复杂化。粒在结构和功能上的复杂化。着丝粒在体外表现出聚集装配微管的能力；在着丝粒在体外表现出聚集装配微管的能力；在体内，动粒微管是通过捕获从纺锤体极组装伸出体内，动粒微管是通过捕获从纺锤体极组装伸出的微管得到的。的微管得到的。 染色体的运动：染色体的运动： 有丝分裂前期有丝分裂前期，染