细胞生物学课程第7章(细胞骨架与细胞的运动)2015

1、第七章 细胞骨架与细胞的运动学习目的与要求1.掌握细胞骨架的概念及基本组成成分，2.掌握微管、微丝、中间纤维的结构、组成、装配及其功能。3.熟悉微管、微丝、中间纤维的形态及影响其组装的因素。概述概述 细胞骨架（CytoskeletonCytoskeleton）是真核细胞中的蛋白质纤维网架体系，对于维持细胞的形状、细胞的运动、细胞内的物质运输、染色体的分离和细胞的分裂起着重要的作用。细胞骨架的发现过程细胞骨架的发现过程 最初人们认为细胞质中无有形结构，但许多生命现象，如细胞运动、细胞形状的维持等，难以得到解释。 1928年，人们提出了细胞骨架的原始概念。 1954年，在电镜下首次看到了细胞中的微

2、管，但在当时，电镜制片还只能用锇酸或高锰酸钾在低温条件下来固定，在这样的条件下细胞骨架常发生聚集现象，因而被破坏。 1963年，采用戊二醛常温固定后，才广泛的地观察到细胞骨架的存在，并正式命名为一种细胞器。一、组成细胞骨架由以下组分构成微丝（microfilament）微管（microtubule）中间纤维（intemediate filament） 广义的细胞骨架还包括核骨架（nucleoskeleton）核纤层（nuclear lamina）细胞外基质（extracellular matrix）形成贯穿于细胞核、细胞质、细胞外的一体化网络结构。微丝微丝，又叫肌动蛋白纤维，是由，又叫肌动蛋白

3、纤维，是由肌动蛋白构成的两股螺旋形成的肌动蛋白构成的两股螺旋形成的细丝，普遍存在于真核细胞中细丝，普遍存在于真核细胞中微管微管，是由微管蛋白单体构成的，是由微管蛋白单体构成的基本组件形成的中空的管状结构。基本组件形成的中空的管状结构。普遍存在于真核细胞中普遍存在于真核细胞中中间纤维中间纤维，又叫中间丝，粗细位，又叫中间丝，粗细位于微丝和肌球蛋白粗丝之间，普于微丝和肌球蛋白粗丝之间，普遍存在于真核细胞中，是三种骨遍存在于真核细胞中，是三种骨架系统中结构最为复杂的一种架系统中结构最为复杂的一种二、三种组分三、主要功能结构和支持细胞内运输收缩和运动细胞内空间的组织第一节 微管一、微管的组成-微管蛋白

4、微管的基本结构组分：-tubulin组成的异二聚体； 、-微管蛋白(tubulin)具有相似的结构，都是由450个aa残基，分子量约为55kDa。有3540的aa序列同源。 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。 微管蛋白：存在于微管组织中心（MTOC）二、微管的形状微管的形状 微管是直径24-26nm的中空小管，内径15nm，管壁厚5nm。微管以微管蛋白、异二聚体为基本构件形成原纤维，13根原纤维组成管状的结构。三、微管的分子结构异二聚体13根原纤维微管 四、微管的存在形式三种不同的微管 五、微管结合蛋白微管结合蛋白

5、是与微管结合的辅助蛋白，参与微管的装配，影响微管结构和功能。微管结合蛋白的类别与作用MAP的主要作用：1.构成微管（MT)间的排列，使之成一定排列（束状、环状)；2.使MT和其它结构相交联（如质膜、MF、IF） ； 3.通过与微管成核位点的作用促进MT的聚合；4.提高MT的稳定性；5.在细胞内沿MT转运膜泡或颗粒。 六、微管的装配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）。（一）装配过程 -微管蛋白和-微管蛋白形成二聚体,二聚体先形成一个短的原纤维protofilament；（可能不稳定）以原纤维为基

6、础，经过侧面增加二聚体而扩展为弯曲的片层结构；（稳定性增高）当螺旋带加宽至13根原纤维时,即合拢形成一段微管。新的二聚体添加到MT的端点使之延长。（二）微管的极性MT的极性有两层含义： 异二聚体有规律的重复排列： +。构成了MT装配方向的极性：(+)极的最外端是球蛋白，(-)极的最外端是球蛋白。 装配速度快慢的极性：，(+)极生长速度快，(-)极生长速度慢。（三）组装的动态调节组装的动态调节 微管本身大多数情况下是不稳定的，需要进行装配和去装配，一般用踏车理论和非稳态动力学模型来进行解释。 GTP是调节微管体内外组装的主要物质GTP-微管蛋白对微管末端的亲和力大GDP-微管蛋白对微管末端的亲和

7、力小管蛋白浓度微管装配的踏车行为 二聚体添加到新生MT后，亚基的GTP逐渐被水解成GDP。所以在一定条件下，（）具有GTP帽，MT趋于装配而延长；（）具有GDP帽，MT趋于解聚而缩短。微管正极的装配速度大于微管负极的装配速度，表现为踏车行为。细胞内微管的生长与解聚 微管在细胞内处于动态平衡中，（四）微管组织中心 微管组织中心微管组织中心(microtubule organizing center (microtubule organizing center MTOC)MTOC)：是微管形成的起点和核心位点，常见的微管组织中心为中心体和纤毛的基体。微管组织中心的作用微管组织中心的作用：是帮助细胞

8、质中的微管在装配过程中成核成核，接着微管从微管组织中心开始生长。蛋白的作用：蛋白的作用： 蛋白一般形成微管蛋白环形微管蛋白环形复合体复合体，它可刺激微管核心形成，并包裹微管蛋白的负端防止微管蛋白的渗入。1.1.中心体中心体(centrosome(centrosome) )动物细胞特有的决定微管形成的细胞器，是主要的MTOC。中心体的结构：中心体的结构： 中心体位于细胞核的附近，在细胞有丝分裂时位于细胞的两级，中心体包括两个相会垂直的中心粒中心粒（三联体微管结构）和中心粒旁物质和中心粒旁物质。它是细胞内重要的微管组织中心微管组织中心。中心体中具有-tubulin，位于中心体周围基质中，环形结构，

9、结构稳定，为微管蛋白二聚体提供起始装配位点，所以又叫成核位点 。中心体的功能：中心体的功能：是细胞中决定微管形成的一种细胞器，它与细胞的有丝分裂关系密切，主要参与纺缍体的形成。2.中心体成核作用 细胞内微管的装配是从微管组织中心开始的。MTOC还决定了微管的方向性：靠近MTOC的一端是（）端，生长速度慢 ；远离MTOC的一端是（）端，生长速度快。 1）微管装配示意图：37 GTP Mg2+tubulinmicrotubuleCa2+ 0A.足够的微管蛋白浓度（体外装配1g/ml）B.GTP供能2)微管装配条件C.Mg2+存在D.去除Ca2+E.最适温度条件（体外装配37）F.最适PH(PH6.

10、9)（六）影响微管组装和去组装的因素（六）影响微管组装和去组装的因素微管特异性药物：微管特异性药物：秋水仙素秋水仙素(colchicine) ：阻断微管蛋白组装成微管，可破坏纺锤体结构。长春花碱长春花碱：能抑制微管的装配。紫杉酚紫杉酚(taxol(taxol) )、重水、重水(D2O)：能促进微管的装配, 并使已形成的微管稳定。但这种稳定对细胞有害。四、微管的功能（一）支持和维持细胞的形态（一）支持和维持细胞的形态细胞中的微管就像混凝土中的钢筋一样，起支撑作用，在培养的细胞中，微管呈放射状排列在核外，（+）端指向质膜，形成平贴在培养皿上的形状。在神经细胞的轴突和树突中，微管束沿长轴排列，起支撑

11、作用，在胚胎发育阶段微管帮助轴突生长，突入周围组织，在成熟的轴突中，微管是物质运输的路轨。（二）细胞内物质运输 微管参与物质运输主要是由马达蛋白来完成，它可分两大类：胞质动力蛋白(cytoplasmic dynein)和驱动蛋白(kinesin)。两类蛋白都具有ATP酶的活性，并都有将物质沿微管滑动的功能。 驱动蛋白能向着微管（+）极运输小泡。 胞质动力蛋白：向着微管（-）极运输小泡。1.驱动蛋白Kinesin 通过结合和水解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。 大多数能向着微管（+）极运输小泡。

12、2.动力蛋白Dynein结构：分子量巨大（接近1.5Md）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鞭毛二联微管外臂的动力蛋白具有三个重链功能：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 3.双向运输 神经轴突中沿微管的转运：红色：驱动蛋白；蓝色：动力蛋白（三）参与中心粒、纤毛和鞭毛的组成中心粒中心粒是动物细胞中的主要微管组织中心微管组织中心， 在有丝分裂的间期，主要是维持细胞的形状和帮助物质运输维持细胞的形状和帮助物质运输； 在分裂期组织纺缍体的形成，并与染色体的移动染色体的移动有密切关系。纤毛和鞭毛纤毛和鞭毛是细胞表面的运动器官，二者结构基本相同 1.纤毛

13、与鞭毛在电镜下都可见9+2的结构，中央为二联微管称为中央微管，周围有9组二联微管。 2.运动产生运动原理运动原理：动力蛋白臂的dynein水解ATP作功，使相邻的二联微管相互滑动。滑动转变为弯曲运动（辐射丝，连接蛋白）（四）参与细胞分裂微管是构成有丝分裂器的主要成分： 动粒微管染色体排于赤道板 纺锤体极微管染色体移向两极（五）维持细胞内细胞器的定位和分布 线粒体的分布与微管相伴随； 游离核糖体结合在微管、微丝的交叉点上； 内质网沿微管在细胞质中展开分布 高尔基体沿微管向核区牵拉，定位于细胞中央； 破坏微管的组装，细胞器在胞内的定位分布与形态都发生变化；细胞器依靠微管在细胞中定位（六）参与细胞内

14、信号传导 微管参与hedgehog、JNK、Wnt、ERK和PAK蛋白激酶信号转导通路。信号分子可直接与微管作用或通过马达蛋白和一些支架蛋白与微管作用。第二节 微丝概述 微丝的成分：微丝的成分：微丝还可称为肌动蛋白纤维(actin filament)，是由肌动蛋白肌动蛋白(actin(actin) )组成的细丝。 微丝分布情况：微丝分布情况：在肌肉细胞中占细胞总蛋白的10%，结构稳定，组成了肌细胞的收缩单位，在非肌肉细胞中，分布均散，结构与微管一样不稳定。 微丝和它的结合蛋白（association protion）以及肌球蛋白（myosin）三者构成化学机械系统，利用化学能产生机械运动。一、

15、微 丝 的 结 构 微丝的主要成分是肌动蛋白肌动蛋白 微丝的电镜结构：呈细丝状，比微管短的多，但在细胞中微丝多数成束或与其它细与其它细胞结构复合在一起胞结构复合在一起。1.G-肌动蛋白肌动蛋白是一个由375个氨基酸组成的单链多肽，与一分子的ATP相连。称为G-肌动蛋白（球形-肌动蛋白）。G-肌动蛋白单体具有极性，具有氨基和羧基的一端为正极，另一端为负极根据等电点的不同可将高等动物细胞内的肌动蛋白分为3类：分布于各种肌肉细胞中和分布于肌细胞和非肌细胞中。2.肌动蛋白形成微丝微丝是由G-肌动蛋白（球形-肌动蛋白）形成的聚合体，也称纤维状-肌动蛋白（F-肌动蛋白）。微丝的结构也具有极性，有正负极之分

16、。正端生长较快，又称为秃端（barbed end）。负端生长慢，称为指向端（point end）肌动蛋白纤维状如两条线性排列的肌动蛋白链形成的螺旋，状如双线捻成的绳子3.结构模型肌动蛋白单体（G-肌动蛋白）结构模型F-肌动蛋白电镜照片二、微丝结合蛋白 已经分离出了100多种不同类型的微丝结合蛋白。三、肌动蛋白微丝的装配过程三、肌动蛋白微丝的装配过程 微丝的组装过程与微管相似，多数情况下，其组装过程用踏车行为来解释。微丝组装的动力来自于ATPATP。（三）影响微丝装配的因素 球形-肌动蛋白的临界浓度，ATP、Ga2+、Na+、K+的浓度及药物药物的影响。药物的影响药物的影响 细胞松驰素细胞松驰素

17、B B与与微丝正端结合，影响聚合； 鬼笔环肽鬼笔环肽与聚合的微丝结合，抑制微丝的解体；四、微丝的功能（一）构成细胞的支架，维持细胞形态 微丝不能单独发挥作用，必须在形成网络结构或成束状结构时才能发挥作用。例如微绒毛和应力纤维。（1）形成微绒毛（microvilli) 微绒毛是细胞表面的一种特化结构，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。 核心是20-30个同向平行的微丝组成束状结微丝组成束状结构构其中有微丝结合蛋白绒毛蛋白绒毛蛋白和毛缘蛋毛缘蛋白白。 另外还有肌球蛋白肌球蛋白-1-1和钙调蛋白钙调蛋白将微丝与绒毛处的质膜相连。 正是由于微丝及其结合蛋白的存在，才

18、正是由于微丝及其结合蛋白的存在，才使得微绒毛的形状得以维持使得微绒毛的形状得以维持2.应力纤维也叫张力纤维，是真核细胞中广泛存在的由微丝束构成的较为稳定的纤维状结构，位于细胞内紧邻质膜下方内含肌动蛋白纤维和肌球蛋白纤维有收缩功能，但不产生运动维持细胞的扁平铺展和特异形状并赋予细胞韧性和强度3.细胞皮质（cell cortex） 也叫也叫肌动蛋白皮质（肌动蛋白皮质（actinactin cortex cortex） 细胞靠近质膜处的一层由微丝和各种微丝结合蛋细胞靠近质膜处的一层由微丝和各种微丝结合蛋白构成的网状结构。白构成的网状结构。4.微穗 （microspike） 内含肌动蛋白纤维 细胞表面

19、伸展出的细而坚硬的突起，可快速形成和回缩，可作为探针使细胞感受环境，更长的微穗成为丝状伪足（filopodium）神经细胞、成纤维细胞片状伪足（lamellipodium）成纤维细胞（二）参与细胞分裂 细胞分裂中形成收缩环（内含肌动蛋白纤维和肌球蛋白纤维）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。（三）参与细胞的运动 胞质环流、阿米巴运动（变形运动）、变皱膜运动、吞噬作用都与微丝的溶胶和凝胶状态转化有关。1.胞质环流(cyclosis)植

20、物细胞中，细胞质的流动是围绕中央液泡进行的环形流动模式，这种流动称为胞质环流(cyclosis)。在胞质环流中，细胞周质区(cortical region)的细胞质是稳定不流动的，内层部分的胞质溶胶在流动。在能流动和不流动的细胞质层面有大量的微丝平行排列，同叶绿体锚定在一起。流动原因：胞质环流是由肌动蛋白和肌球蛋白相互作用引起的。在胞质环流中，肌动蛋白的排列方向是相同的，正向朝向流动的方向，肌球蛋白可能是沿着肌动蛋白纤维的(-)端向(+)端快速移动，引起细胞质的流动。功能：胞质环流对于细胞的营养代谢具有重要作用，能够不断的分配各种营养物和代谢物，使它们在细胞内均匀分布。 2.变形运动分为四步：

21、微丝纤维生长，使细胞表面突出，形成片足(lamellipodium)；在片足与基质接触的位置形成粘着斑；在myosin的作用下微丝纤维滑动，使细胞主体前移；解除细胞后方的粘和点。如此不断循环，细胞向前移动。阿米巴原虫、白细胞、成纤维细胞都能以这种方式运动。（四）参与肌肉收缩 骨骼肌收缩的基本结构单位骨骼肌收缩的基本结构单位肌小节：肌小节： 1.肌小节成分 肌小节的主要成分是肌原纤维肌原纤维，电镜下可见肌原纤维肌原纤维由粗肌丝粗肌丝和细肌丝细肌丝组成。粗肌丝的成分是肌球蛋白（肌球蛋白（myosinmyosin），细肌丝主要成分是肌动蛋白肌动蛋白，并辅以原肌球蛋白原肌球蛋白和肌钙蛋白肌钙蛋白，组成

22、肌动蛋白丝肌动蛋白丝。2.肌肉收缩滑动丝模型 肌肉的收缩是由于粗肌丝（肌球蛋白）与细肌丝之间相互滑动的结果，粗肌丝上伸出的横桥与相邻细肌丝连接，在肌细胞收缩时横桥可推动肌动蛋白（细丝）与粗丝（肌球蛋白）的滑行3.肌肉收缩步骤五个步骤：接合，释放，直立，力产生，重新结合。 在初始状态，肌球蛋白与肌动蛋白紧密结合，此时ATP结合位点是空的； 当结合ATP后，肌球蛋白头部的肌动蛋白结合位点开放，头部从肌动蛋白丝解离； ATP被水解成ADP和Pi，ATP结合位点关闭，引起肌球蛋白头部变构弯曲； 变构的肌球蛋白头部结合到新的肌动蛋白亚基上，这时结合还不牢固，随后Pi从ATP结合位点释放出来，结合变得十分

23、牢固。随后肌球蛋白头部的构象恢复，带动颈部和尾部朝肌动蛋白丝的()端移动； ADP释放，肌球蛋白恢复初始状态。 （五）参与细胞内物质运输与信号传递物质运输：微丝在微丝结合蛋白介导下可与微管一起进行细胞内物质运输，例如小泡运输。信号传递：细胞表面的受体再受到外界信号作用时，可触发质膜下肌动蛋白的变化，从而启动细胞内激酶变化的信号传导过程，例如Rho-GTPase第三节第三节 中间丝中间丝(intermediate filaments, IF)(intermediate filaments, IF)一、中间纤维（中间丝）的概况一、中间纤维（中间丝）的概况中间丝发现于20世纪60年代中期，当时在哺乳

24、动物细胞中发现一种10nm的纤维，因直径介于粗纤丝和细纤丝之间，故命名为中间丝。功能：主要起支撑作用。分布：围绕细胞核成束成网分布，并扩展到细胞质膜，与质膜相连。中间纤维是丝状蛋白多聚体，结构比微管和微丝要相对稳定，受到药物影响要小的多。中间丝的种类很多，但肽链结构都很相似。二、中间纤维的结构特点 中间纤维是丝状蛋白多聚体，由基本单位中间纤维蛋白组成。 中间纤维蛋白的结构特点： 一个由310个氨基酸残基形成的螺旋的杆状中间区，两侧是球形的N端和C端 中间区的螺旋结构比较保守，N端和C端高度可变，中间丝的多样性也是由此产生。三、中间纤维的类型 IF成分比MF、MT复杂，IF在形态上相似，而化学组

25、成有明显的差别。 具有严格的组织特异性，不同类型细胞含有不同IF。通常一种细胞含有一种IF，少数含有2种以上。肿瘤细胞转移后仍保留源细胞的IF。1.按组织来源分类 按其组织来源和组织抗原性，可分5类：角蛋白纤维：为上皮细胞特有，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；根据组成氨基酸的不同，亦可将角蛋白分为：酸性角蛋白（I型）和中性或碱性角蛋白（II型），角蛋白组装时必须由I型和II型以1：1的比例混合组成异二聚体，才能进一步形成中间纤维。结蛋白纤维：又称骨骼蛋白skeletin，存在于肌肉细胞；神经胶质纤维：存在于星形神经胶质细胞；细胞波形纤维：存在于间充质细胞及中胚层

26、来源的细胞中；一端与核膜相连，另一端与细胞表面处的桥粒或半桥粒相连，将细胞核和细胞器维持在特定的空间。 神经元纤维：存在于神经元中，三种分子量不同的多肽组成的异聚体 。此外细胞核中的核纤层蛋白（lamin）也是一种中间纤维。2.按氨基酸序列分类 根据中间纤维氨基酸序列的相似性：根据中间纤维氨基酸序列的相似性： 酸性角蛋白酸性角蛋白 中性中性/ /碱性角蛋白碱性角蛋白 波形蛋白波形蛋白、结蛋白、胶质原纤维酸性蛋白（即构成神经胶质纤维）； 神经丝蛋白（神经丝蛋白（神经元纤维蛋白） 核纤层蛋白核纤层蛋白 巢蛋白巢蛋白（nestin）四、中间纤维的装配 IF的装配过程与MT、MF相比较为复杂。根据X衍

27、射，电镜观察和体外装配的实验结果推测，中间纤维的装配过程如下： 两个单体形成超螺旋二聚体（dimer）（、型角蛋白装配成为异二聚体）； 两个二聚体反向平行(半交错)组装成四聚体（tetramer） 四聚体组成原纤维（protofilament）； 8根原纤维组成IF（另一种观点认为是由4根八聚体组成IF）。由于IF是由反向平行的螺旋组成的，所以和微丝微管不同的是，它没有极性。（一）装配示意图（二）装配的特点IF装配与MF,MT装配相比，有以下几个特点：装配与温度和蛋白浓度无关，不需要；IF装配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在体外装配时不需

28、要ATP或GTP或结合蛋白的辅助，在体内装配后，细胞中几乎不存在IF单体，即不存在单体蛋白库(但IF的存在形式也可以受到细胞调节，如核纤层的装配与解聚)。（三）装配的调节 中间丝蛋白氨基中间丝蛋白氨基末端特殊末端特殊丝氨基丝氨基残基和残基和苏苏氨基氨基的的磷酸化与去磷酸化磷酸化与去磷酸化可能是中间纤维可能是中间纤维动态调节的重要机制动态调节的重要机制（intormediate filament associated protein, IFAP） IFAP：是一类在结构和功能上和IF有密切关系，但其本身不是IF结构组分的蛋白。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

29、上filaggrin使角蛋白纤维聚集，在角质化的细胞中形成大的纤维聚集物，该蛋白表达是角质化的分化特异性标志。IFAP（300KD）将中间纤维锚定在桥粒上，IFAP70-280KDPlectin(网蛋白300-500KD)大多数细胞表达该蛋白，在中间纤维、微管、微丝间形成横桥。BPAG1定位与内侧桥板（与角蛋白纤维与桥粒连接有关） 未知功能的几种蛋白synemin（23KD），paranemin（280KD），epinemin（44.5KD），P95，P50（KD），NAPA73（73KD）desmoplakinI，II参与桥粒的形成（桥粒斑蛋白，桥板蛋白）MAP2（微管结合蛋白）参与IF和MT其它具有IFAP间