第七章细胞骨架

1、第七章第七章 细胞骨架细胞骨架 生命科学学院生命科学学院 刘永章刘永章 微微 管（管（microtubules, mt） 微丝（微丝（microfilament, mf） 中间纤维（中间纤维（intermediate filament, if） 细胞细胞运动机制运动机制细胞骨架细胞骨架 cytoskeleton细胞骨架的定义细胞骨架的定义 细胞骨架细胞骨架 (cytoskeleton) 是由细胞内蛋白质成分是由细胞内蛋白质成分组成的一个复合的网架系统，包括组成的一个复合的网架系统，包括微管微管(microtubule) 、微丝微丝 (microfilament) 和和中间丝中间丝(interm

2、ediate filament) 。功能：功能： 维持细胞形态和区域化的网架，保持细胞内部结维持细胞形态和区域化的网架，保持细胞内部结 构的有序性；构的有序性； 参与细胞运动、参与物质运输、参与细胞分裂、参与细胞运动、参与物质运输、参与细胞分裂、参与细胞内信息传递等生命活动密切相关。参与细胞内信息传递等生命活动密切相关。 研究方法研究方法: 1、电子显微镜技术、电子显微镜技术 （1）透射电镜）透射电镜 （2）超高压电镜）超高压电镜 （3）免疫电镜）免疫电镜 （4）整装电镜技术）整装电镜技术 （5）快速冷冻深度蚀刻技术）快速冷冻深度蚀刻技术 2、免疫荧光显微镜技术、免疫荧光显微镜技术 3、活细胞

3、荧光显微成像技术、活细胞荧光显微成像技术第一节第一节 微管微管 microtubule, mt一、微管的结构和化学组成一、微管的结构和化学组成 1、微管的形态结构：、微管的形态结构： 微管呈中空圆筒状，能动态组装与去组装，对低微管呈中空圆筒状，能动态组装与去组装，对低温、高压和秋水仙素等药物敏感。温、高压和秋水仙素等药物敏感。10-15 nm 20-30 nma fluorescently stained image of cultured epithelial cells showing the nucleus (yellow) and microtubules (red)2、微管的化学组成

4、、微管的化学组成 微管蛋白微管蛋白 (tubulin) - 80% 微管结合蛋白微管结合蛋白 - 20% - 微管蛋白微管蛋白- 微管蛋白微管蛋白微管相关蛋白微管相关蛋白(microtubule-associated proteins, maps) 微管聚合蛋白微管聚合蛋白(tau蛋白蛋白/蛋白蛋白 ）（1 1）微管蛋白）微管蛋白 (tubulin(tubulin) )gdp结合位点结合位点gtp结合位点结合位点微管蛋白以异二聚体微管蛋白以异二聚体 (heterodimer) 的形式存在的形式存在,由由和和两个亚单位组成两个亚单位组成 。 + + 二聚体二聚体+ + + + 多聚体多聚体 原纤

5、维原纤维1313条原纤维条原纤维 微管壁微管壁(2) 微管结合蛋白微管结合蛋白 微管结合蛋白分为两大类：微管结合蛋白分为两大类： 微管相关蛋白微管相关蛋白 maps 微管聚合蛋白微管聚合蛋白 tau蛋白蛋白与微管结合，并与微管蛋白共同组成微管系统。与微管结合，并与微管蛋白共同组成微管系统。 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。 gtp mg2+ 秋水仙素秋水仙素 长春花碱等：长春花碱等：(3) 与微管结合的有关分子与微管结合的有关分子微管蛋白微管蛋白+ gtp聚合成微管聚合成微管激活激活可阻断微管组装，破坏纺

6、锤体。可阻断微管组装，破坏纺锤体。 二、二、 微管的类型微管的类型 singlet doublet triplet大多数微管大多数微管 鞭毛，纤毛鞭毛，纤毛 中心体，基体中心体，基体微管组成的细胞结构微管组成的细胞结构1. 中心粒中心粒 (centriole)中心体中心体 (centrosome) = 2个垂直的中心粒个垂直的中心粒 + 周围物质周围物质中心粒结构中心粒结构短筒状小体，短筒状小体，成对存在且相互垂直。成对存在且相互垂直。每个中心粒由每个中心粒由9 9组三联体微组三联体微管斜向排列呈风车状包围管斜向排列呈风车状包围而成，为而成，为(9(90)0)结构结构微管组织中心（微管组织中心

7、（mtoc），），参与有丝分裂。参与有丝分裂。2. 纤毛和鞭毛纤毛和鞭毛 鞭毛少而长，纤毛短而多。鞭毛少而长，纤毛短而多。 9组二联管组二联管+ 一对中央单管，一对中央单管，（9+2）结构。）结构。鞭毛与纤毛轴丝以基体为鞭毛与纤毛轴丝以基体为mtoc组装而成，基体组装而成，基体结构同中心粒。结构同中心粒。在细胞中微管是一种动态结构，微管与微管蛋白在细胞中微管是一种动态结构，微管与微管蛋白单体之间存在可逆的动态平衡。单体之间存在可逆的动态平衡。 根据组装与去组装的速度不同可将微管分为：根据组装与去组装的速度不同可将微管分为： 动态微管，如纺锤体动态微管，如纺锤体 稳定微管，如纤毛稳定微管，如纤毛

8、 三、微管的组装和极性三、微管的组装和极性1.微管的体外装配：微管的体外装配： 极性装配极性装配:13条原纤维条原纤维（一段微管）（一段微管）二聚体二聚体 片状或环状核心片状或环状核心 延长延长在（）极端发生装配使微管伸长在（）极端发生装配使微管伸长在（）极端发生去组装使微管缩短在（）极端发生去组装使微管缩短异二聚体首尾相接，组装成的微管具有极性；异二聚体首尾相接，组装成的微管具有极性；- 踏车行为踏车行为2. 微管的体内装配：微管的体内装配：微管组织中心（微管组织中心（ microtubule organizing center,mtoc ）：活细胞内微管组装时总是活细胞内微管组装时总是以某

9、部位为中心开始聚集，这个中心称为微以某部位为中心开始聚集，这个中心称为微管组织中心管组织中心, ,包括中心体、基体和着丝粒等。包括中心体、基体和着丝粒等。 装配过程及极性规律同体外组装。装配过程及极性规律同体外组装。 3、作用于微管的特异性药物、作用于微管的特异性药物 特异性药物：特异性药物： 1 1、秋水仙素、长春花碱等抑制微管组装；、秋水仙素、长春花碱等抑制微管组装； 2 2、紫杉醇能抑制微管的去组装，增强微管的稳定性。、紫杉醇能抑制微管的去组装，增强微管的稳定性。 其它影响微管装配的因素：其它影响微管装配的因素： 微管蛋白的浓度微管蛋白的浓度 温度：温度： 4 20 20 促进组装促进组

10、装 caca2+2+ ：低则促进组装：低则促进组装, , 高则趋向解聚高则趋向解聚 压力：压力： 高则趋向解聚高则趋向解聚 phph值：值： 调节组装调节组装 1、构成细胞的支架并维持细胞形态；、构成细胞的支架并维持细胞形态； 2、参与细胞内物质运输（、参与细胞内物质运输（见细胞运动见细胞运动）；）； 3、维持细胞内细胞器的空间定位和分布；、维持细胞内细胞器的空间定位和分布； 4、构成鞭毛与纤毛的主体结构成分；、构成鞭毛与纤毛的主体结构成分； 5、组装成纺锤体（、组装成纺锤体（见染色体分离见染色体分离），参与有丝），参与有丝分裂中染色体的定向移动；分裂中染色体的定向移动； 6、参与细胞内信号传

11、递。、参与细胞内信号传递。 四、微管的主要功能四、微管的主要功能2、参与细胞内物质运输参与细胞内物质运输 所有的细胞运动都和细胞内的所有的细胞运动都和细胞内的细胞骨架体系细胞骨架体系（尤其（尤其是微管、微丝）有关，同时需要是微管、微丝）有关，同时需要atp和和马达蛋白马达蛋白（motor protein. 分解分解atp释放能量）。释放能量）。 p203 p214 马达蛋白（特殊的酶）：马达蛋白（特殊的酶）：水解水解atp 获得能量，沿着获得能量，沿着微丝或微管移动。微丝或微管移动。 马达蛋白（马达蛋白（motor protein） 肌球蛋白肌球蛋白（myosin） 与微丝运动有关与微丝运动有

12、关 驱动蛋白（驱动蛋白（kinesin）和和动力蛋白（动力蛋白（dynein） 与微管运动有关与微管运动有关 以细胞骨架为轨道，以细胞骨架为轨道，atp提供能量。提供能量。肌球蛋白肌球蛋白 肌肉收缩、胞质分裂肌肉收缩、胞质分裂 i、 v 膜泡运输膜泡运输 结合肌动蛋白结合肌动蛋白与与atp，水解，水解atp产生动力产生动力结合钙调素等结合钙调素等轻链，调节头轻链，调节头部活性部活性决定肌球蛋白是决定肌球蛋白是单体或二聚体，单体或二聚体，是否与膜结合是否与膜结合肌球蛋白：肌球蛋白：1条重链条重链 + 数条轻链数条轻链p214 驱动蛋白及动力蛋白以微管为轨道，微管马达蛋驱动蛋白及动力蛋白以微管为轨

13、道，微管马达蛋白的运输是单方向：白的运输是单方向： 驱动蛋白朝微管（驱动蛋白朝微管（+）端运动）端运动 动力蛋白朝微管（）端运动动力蛋白朝微管（）端运动p204驱动蛋白：驱动蛋白：2条重链条重链 + 2条轻链条轻链动力蛋白动力蛋白动力蛋白动力蛋白4. 鞭毛和纤毛运动的机制鞭毛和纤毛运动的机制 p205鞭毛结构为：鞭毛结构为：92+2（9组二联管围绕一对单管）组二联管围绕一对单管）每组二联管的每组二联管的a管伸出动力蛋白臂指向管伸出动力蛋白臂指向b管，水解管，水解释放能量，促使动力蛋白沿相邻的释放能量，促使动力蛋白沿相邻的b管朝（管朝（）端）端走动，从而引起二联管之间相互滑动走动，从而引起二联管

14、之间相互滑动。动力蛋白动力蛋白5、参与染色体分离、参与染色体分离 p206 纺锤体纺锤体 微管有三种微管有三种: 动粒微管动粒微管 极微管极微管 星体微管星体微管第二节第二节 微丝微丝 microfilament, mf（a）微绒毛；）微绒毛；(b)细胞质中的收缩束；（细胞质中的收缩束；（c）运动细胞前缘的）运动细胞前缘的鞘和指；鞘和指； (d)细胞分裂时的收缩环。细胞分裂时的收缩环。 一、微丝的结构和分子组成：一、微丝的结构和分子组成：图示图示1、微丝的结构、微丝的结构 由由肌动蛋白肌动蛋白 (actin) 组成的实心螺旋状纤维组成的实心螺旋状纤维,又称肌动蛋又称肌动蛋白纤维白纤维 (act

15、in filament)，直径约，直径约nm 。 两条线性排列的肌动蛋白链形成螺旋两条线性排列的肌动蛋白链形成螺旋 ，形状如双线捻，形状如双线捻成的绳子。成的绳子。 actin首尾相连，微丝具有极性。首尾相连，微丝具有极性。2 2、微丝的分子组成、微丝的分子组成 肌动蛋白肌动蛋白(actin(actin) ) 肌动蛋白结合蛋白肌动蛋白结合蛋白 (actin(actin-binding protein) -binding protein) 已知已知 40 40 余种余种 （1）肌动蛋白）肌动蛋白 actin 单体为球形肌动蛋白，称单体为球形肌动蛋白，称g-actin (globular acti

16、n)； 多聚体为纤维状肌动蛋白，称多聚体为纤维状肌动蛋白，称f-actin (fibrous actin)。 每个每个actin单体由两个亚基组成，外观呈哑铃形。有阳单体由两个亚基组成，外观呈哑铃形。有阳离子（离子（mg2+、k+、na+）、）、atp/adp和肌球蛋白结合和肌球蛋白结合位点。位点。 具有极性：正端和负端具有极性：正端和负端（2）肌动蛋白结合蛋白）肌动蛋白结合蛋白 actin-binding protein以不同方式与肌动蛋白结合，形成多种不同的亚细以不同方式与肌动蛋白结合，形成多种不同的亚细胞结构，执行不同功能，已知的微丝结合蛋白有胞结构，执行不同功能，已知的微丝结合蛋白有4

17、0多种。多种。如：如：原肌球蛋白原肌球蛋白（tropomyosin,tm）、）、肌球蛋白肌球蛋白(myosin)、肌钙蛋白肌钙蛋白 (troponin, tn)、非肌细胞中非肌细胞中肌动蛋白结合蛋白肌动蛋白结合蛋白等。等。原肌球蛋白和肌钙蛋白在横纹肌细肌丝中与肌动蛋白结合原肌球蛋白和肌钙蛋白在横纹肌细肌丝中与肌动蛋白结合示示二、微丝的组装二、微丝的组装体外：肌动蛋白可以在适宜条件下装配成肌动蛋白丝。体外：肌动蛋白可以在适宜条件下装配成肌动蛋白丝。胞内：依其功能的改变而发生动态变化，受不同物质调胞内：依其功能的改变而发生动态变化，受不同物质调 控，有踏车行为。控，有踏车行为。影响微丝组装的药物影

18、响微丝组装的药物 药物：药物： 1、细胞松驰素、细胞松驰素b特异性地破坏微丝组装；特异性地破坏微丝组装； 2、鬼笔环肽鬼笔环肽抑制微丝解聚，抑制微丝解聚，增强微增强微丝丝的稳定性的稳定性。 其它影响微丝其它影响微丝装配装配的因素：的因素： g-肌动蛋白浓度肌动蛋白浓度 atp、适宜的温度、适宜的温度、k+和和mg2+ 等离子的存在促进等离子的存在促进微丝组装。微丝组装。 细胞内部分肌动蛋白结合蛋白可抑制微丝组装。细胞内部分肌动蛋白结合蛋白可抑制微丝组装。 三、微丝的类型三、微丝的类型 张力丝（张力丝（tonfilamenttonfilament）：存在于一般细胞中，常：存在于一般细胞中，常位于

19、膜内侧，其基部构成细胞间连接装置如位于膜内侧，其基部构成细胞间连接装置如桥粒桥粒。起支架作用，使细胞有韧性及弹性。起支架作用，使细胞有韧性及弹性。 肌丝（肌丝（myofilamentmyofilament）：存在于肌细胞中，有收缩：存在于肌细胞中，有收缩作用。作用。 神经丝（神经丝（neurofilamentneurofilament）：存在于树突及轴突中，：存在于树突及轴突中，与乙酰胆碱（与乙酰胆碱（achach）运输有关。）运输有关。四、微丝的主要功能四、微丝的主要功能 1、组成细胞骨架，维持细胞形态、组成细胞骨架，维持细胞形态 2、参与细胞运动：参与细胞运动：变形虫的胞质运动，胞变形虫的

20、胞质运动，胞 吞、胞吐作用，膜泡运输作用等。吞、胞吐作用，膜泡运输作用等。 3、微丝参与胞质分裂微丝参与胞质分裂 4、参与受精作用参与受精作用 5、参与细胞内信息传导等、参与细胞内信息传导等 6、参与、参与肌肉收缩肌肉收缩2、参与细胞运动、参与细胞运动: 成纤维细胞的运动（慢速）成纤维细胞的运动（慢速）（图）（图） （1）线状足或片状足）线状足或片状足粘着斑粘着斑防止防止回缩回缩向前向前移动移动 （2）肌动蛋白组装）肌动蛋白组装 p2133、微丝参与胞质分裂（有丝分裂后末期、以断裂方式分、微丝参与胞质分裂（有丝分裂后末期、以断裂方式分开）：开）： 微丝收缩形成收缩环微丝收缩形成收缩环肌球蛋白参

21、与肌球蛋白参与微丝收缩微丝收缩细胞凹陷产生分裂沟细胞凹陷产生分裂沟并最终分离并最终分离 p215 4、参与受精作用、参与受精作用 p215 由肌动蛋白的组装与去组装引起由肌动蛋白的组装与去组装引起 顶体反应（顶体反应（acrosomal reaction） 精子细胞伸出顶体突起，穿透卵细胞胶质层与卵精子细胞伸出顶体突起，穿透卵细胞胶质层与卵黄层，促使精卵结合完成。黄层，促使精卵结合完成。 肌动蛋白聚合成微丝束肌动蛋白聚合成微丝束 顶体突起伸长顶体突起伸长5、参与细胞内信息传导、参与细胞内信息传导 生长因子生长因子成纤维细胞（激活成纤维细胞（激活g蛋白相关的信号蛋白相关的信号传递途径）传递途径）

22、生长分裂。生长分裂。 两种两种ras相关的相关的g蛋白（蛋白（rac和和rho）：）：rac能激能激活活pip2代谢途径代谢途径，引起细胞移动的引起细胞移动的早期事件早期事件（肌肌动蛋白聚合，膜变皱等动蛋白聚合，膜变皱等）。）。rho激活酪氨酸激酶激活酪氨酸激酶，引起细胞运动的引起细胞运动的后期事件后期事件（张力丝、粘着斑形成张力丝、粘着斑形成等等）。）。 6、参与肌肉收缩、参与肌肉收缩（p216） 肌肉收缩：肌肉收缩：（1）横纹肌）横纹肌 ： 肌原纤维肌原纤维 （电镜）（图）（电镜）（图） 粗粗丝肌球蛋白丝丝肌球蛋白丝，肌节的，肌节的a带带 细细丝肌动蛋白丝丝肌动蛋白丝，结合有原肌球蛋白（，

23、结合有原肌球蛋白（tm）、肌钙）、肌钙 蛋白（蛋白（tn），形成），形成i带。带。（2）肌肉收缩时粗丝横桥拉动细丝朝中央移动，肌节缩短，）肌肉收缩时粗丝横桥拉动细丝朝中央移动，肌节缩短，但粗丝和细丝的长度保持不变。但粗丝和细丝的长度保持不变。（3）细胞质）细胞质ca2+触发肌肉收缩触发肌肉收缩 肌球蛋白头部结合在微丝（肌动蛋白丝）上肌球蛋白头部结合在微丝（肌动蛋白丝）上 水解水解1分子分子atp 朝微丝（朝微丝（+）端移动）端移动2个肌动蛋个肌动蛋白亚基距离白亚基距离产生力量引起膜泡运输、肌细胞中产生力量引起膜泡运输、肌细胞中粗细肌丝的滑动。粗细肌丝的滑动。以肌球蛋白为例说明以肌球蛋白为例说明

24、肌肉收缩机制肌肉收缩机制:肌球蛋白结合肌球蛋白结合atp，引起头部与肌动蛋白引起头部与肌动蛋白纤维分离；纤维分离；atp水解，引起头部水解，引起头部与肌动蛋白弱结合；与肌动蛋白弱结合； pi释放，头部与肌动释放，头部与肌动蛋白强结合，头部弯蛋白强结合，头部弯曲，引起细肌丝向曲，引起细肌丝向(+)端移动；端移动；adp释放。释放。 进入新一轮循环。进入新一轮循环。第三节第三节 中间丝中间丝 (intermediate filament) （了解与自学部分）（了解与自学部分）中间纤维也称居间纤维或中等纤维，是由不同的蛋白质组成的空中间纤维也称居间纤维或中等纤维，是由不同的蛋白质组成的空心纤维结构，

25、直径心纤维结构，直径10nm10nm，介于微管和微丝之间，故名。，介于微管和微丝之间，故名。 ifif是最稳定的细胞骨架成分，主要起支撑作用。是最稳定的细胞骨架成分，主要起支撑作用。 ifif在细胞中围绕着细胞核分布，成束成网，并扩展到细胞质膜，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。与质膜相连结。不同细胞中中间丝的化学组成不一样，但结构相似。不同细胞中中间丝的化学组成不一样，但结构相似。微丝微丝微管微管中间纤维中间纤维单体单体肌动蛋白肌动蛋白微丝结合蛋白微丝结合蛋白微管蛋白微管蛋白微管相关蛋白微管相关蛋白 角蛋白、波角蛋白、波形蛋白等形蛋白等结合核苷酸结合核苷酸atpatpgtpgtp无无纤维直径纤维直径7nm7nm24nm24nm10nm10n