包括细胞质骨架微管微丝和中间纤维

1、2021/3/231细胞骨架与细胞的运动Cytoskeleton and Cell movement2021/3/232细胞骨架是广泛存在于真核细胞中的蛋白纤维网细胞骨架是广泛存在于真核细胞中的蛋白纤维网架系统。架系统。包括细胞质骨架包括细胞质骨架(微管、微丝和中间纤维微管、微丝和中间纤维)、细胞、细胞核骨架核骨架(核基质、核纤层和核孔复合物核基质、核纤层和核孔复合物)。广义的细胞骨架广义的细胞骨架:包括细胞质骨架、细胞核骨架、包括细胞质骨架、细胞核骨架、细胞膜骨架和细胞外基质。揭示细胞骨架体系在细胞膜骨架和细胞外基质。揭示细胞骨架体系在细胞结构与生命活动中的重要意义。细胞结构与生命活动中的重

2、要意义。细胞骨架与细胞的运动细胞骨架与细胞的运动2021/3/2332021/3/234细胞骨架对于维持细胞的形态及内部结构的有序性细胞骨架对于维持细胞的形态及内部结构的有序性, ,以及在细胞运动、物质运输、能量转换、信息传递以及在细胞运动、物质运输、能量转换、信息传递和细胞分化等方面起重要作用。和细胞分化等方面起重要作用。作为支架作为支架, ,为维持细胞的形态提供支持结构。为维持细胞的形态提供支持结构。在细胞内形成一个框架结构在细胞内形成一个框架结构, ,为细胞内的各种细为细胞内的各种细胞器提供附着位点。胞器提供附着位点。参与细胞器的运动和细胞内物质运输。参与细胞器的运动和细胞内物质运输。参

3、与细胞的运动参与细胞的运动促进促进mRNAmRNA翻译成多肽翻译成多肽参与细胞的信号传导参与细胞的信号传导2021/3/235细胞骨架的多功能性依赖于三类蛋白质纤维细胞骨架的多功能性依赖于三类蛋白质纤维:微微管、微丝、中间纤维。管、微丝、中间纤维。每一种纤维由各自的蛋白质亚单位形成每一种纤维由各自的蛋白质亚单位形成,三类骨三类骨架成分既分散地存在于细胞中架成分既分散地存在于细胞中,又相互联系形成又相互联系形成一个完整的骨架体系。一个完整的骨架体系。组成组成:微管微管 microtubule 20-30 nm 微丝微丝 microfilament 5-6 nm, 肌动蛋白纤维肌动蛋白纤维 act

4、in filament 中间纤维中间纤维 intermediate filament 7-11nm2021/3/236MicrobubulesMicrofilamemtsIntermediate filaments细胞骨架体系是一个高度动态结构细胞骨架体系是一个高度动态结构,可随着生理条件的可随着生理条件的改变不断进行组装和去组装改变不断进行组装和去组装,并受各种结合蛋白的调节并受各种结合蛋白的调节以及细胞内外各种因素的调控。以及细胞内外各种因素的调控。2021/3/237一、微管一、微管-细胞质骨架系统的主要成分细胞质骨架系统的主要成分微管是存在于真核细胞中由微管蛋白组装成的长微管是存在于真

5、核细胞中由微管蛋白组装成的长管状细胞器管状细胞器,于于1963年首次在动物和植物细胞中发年首次在动物和植物细胞中发现并命名。现并命名。1.微管直径为微管直径为2426nm,呈中空圆柱状结构呈中空圆柱状结构,内径为内径为14nm。2.微管管壁由微管管壁由13条原纤维丝平行排列而成条原纤维丝平行排列而成,每条原纤维每条原纤维由由微管蛋白和微管蛋白和微管蛋白形成的异二聚体长链组成。微管蛋白形成的异二聚体长链组成。3.微管主要分布在核周微管主要分布在核周,呈放射状分布。呈放射状分布。4.微管的基本单位是微管蛋白微管的基本单位是微管蛋白,以异二聚体形式存在。以异二聚体形式存在。2021/3/238202

6、1/3/239细胞内微管呈网状和细胞内微管呈网状和束状分布束状分布, , 控制膜性控制膜性细胞器的定位及胞内细胞器的定位及胞内物质的运输物质的运输, ,并能与并能与其他蛋白共同组装成其他蛋白共同组装成纺锤体、中心体、纤纺锤体、中心体、纤毛、鞭毛等结构毛、鞭毛等结构, ,参参与细胞形态的维持、与细胞形态的维持、细胞运动和细胞分裂细胞运动和细胞分裂等。等。2021/3/2310微管的基本结构单位构件微管的基本结构单位构件微管蛋白微管蛋白(tubulin)微管是以微管蛋白异源二聚体为基本构件构成的微管是以微管蛋白异源二聚体为基本构件构成的微管蛋白是球形分子微管蛋白是球形分子, 有有两种类型两种类型:

7、微管蛋白微管蛋白(-tubulin)和和微管蛋白微管蛋白(-tubulin), 这两种微管蛋白这两种微管蛋白具有相似的三维结构具有相似的三维结构, 能能够紧密地结合成二聚体够紧密地结合成二聚体, 作为微管组装的亚基。作为微管组装的亚基。 2021/3/2311微管的类型微管的类型单管单管: :大部分细胞质微管大部分细胞质微管是单管微管是单管微管, , 它在低温、它在低温、CaCa2+2+ 和秋水仙素作用下和秋水仙素作用下容易解聚容易解聚, , 属于不稳定属于不稳定微管。微管。二联管二联管:常见于特化的细胞结构。二联管构成纤毛和鞭毛杆状常见于特化的细胞结构。二联管构成纤毛和鞭毛杆状部分部分, 是

8、运动类型的微管是运动类型的微管, 它对低温、它对低温、Ca2+和秋水仙素都比较和秋水仙素都比较稳定。稳定。三联管三联管:见于中心粒和基体见于中心粒和基体,对于低温、对于低温、Ca2+和秋水仙素和秋水仙素的作用是稳定的。的作用是稳定的。2021/3/2312微管结合蛋白微管结合蛋白微管中除含有微管蛋白外微管中除含有微管蛋白外,还有一些结合在微管还有一些结合在微管表表 面的辅助蛋白面的辅助蛋白,称为微管结合蛋白称为微管结合蛋白（microtubule-associated protein,MAP）。）。参与微管的装配参与微管的装配,将微管在胞质溶胶中进行交联将微管在胞质溶胶中进行交联;维持微管的稳

9、定及与其他细胞器间的连接维持微管的稳定及与其他细胞器间的连接;作为作为微管动力蛋白参与沿微管转运囊泡和颗粒物质。微管动力蛋白参与沿微管转运囊泡和颗粒物质。2021/3/2313MAPs的结构中具有两个结构域的结构中具有两个结构域, 一个是碱性的微一个是碱性的微管蛋白结合结构域管蛋白结合结构域, 另一个是酸性的外伸的结构另一个是酸性的外伸的结构域。在电子显微镜下观察域。在电子显微镜下观察, 外伸的结构域像是从外伸的结构域像是从微管壁上伸出的纤维臂。从微管上伸出的臂能与微管壁上伸出的纤维臂。从微管上伸出的臂能与膜、中间纤维及其它微管结合。膜、中间纤维及其它微管结合。2021/3/2314微管的组装

10、与去组装微管的组装与去组装除了特化细胞的微管外除了特化细胞的微管外,大多数细胞质微管都是不稳大多数细胞质微管都是不稳定的定的,能够很快地组装能够很快地组装(assembly)和去组装和去组装(disassembly),从而改变微管的结构与分布。从而改变微管的结构与分布。低温、提高低温、提高Ca2+浓度、用某些化学试剂浓度、用某些化学试剂(如秋水仙素如秋水仙素)处理活细胞都会破坏细胞质微管的动态变化处理活细胞都会破坏细胞质微管的动态变化,这些化这些化学试剂与微管蛋白亚基或同微管多聚体结合学试剂与微管蛋白亚基或同微管多聚体结合,阻止微阻止微管的组装或去组装。管的组装或去组装。微管的装配过程微管的装

11、配过程:延迟期（成核期）、聚合期（延长延迟期（成核期）、聚合期（延长期）、稳定期期）、稳定期2021/3/2315微管组装的起始点微管组装的起始点 微管组织中心微管组织中心 (microtubule organizing centers, MTOC)存在于细胞质中决定微管在生理状态或实验处理解聚后存在于细胞质中决定微管在生理状态或实验处理解聚后重新组装的结构叫微管组织中心。重新组装的结构叫微管组织中心。MTOC的主要作用是帮助大多数细胞质微管组装过程中的主要作用是帮助大多数细胞质微管组装过程中的成核反应的成核反应,微管从微管从MTOC开始生长开始生长,这是细胞质微管组装这是细胞质微管组装的一个

12、独特的性质的一个独特的性质,即细胞质微管的组装受统一的功能位即细胞质微管的组装受统一的功能位点控制。点控制。MTOC包括中心体、动粒、纤毛和鞭毛的基体等。包括中心体、动粒、纤毛和鞭毛的基体等。 2021/3/2316MTOCs不仅为微管不仅为微管提供了生长的起点提供了生长的起点,而且还决定了微管的而且还决定了微管的方向性。靠近方向性。靠近MTOCs的一端由于的一端由于生长慢而称之为负端生长慢而称之为负端(minus end), 远离远离MTOCs一端的微管一端的微管生长速度快生长速度快, 被称为被称为正端正端(plus end), 所所以以(+)端指向细胞质端指向细胞质基质基质,常常靠近细胞常

13、常靠近细胞质膜。质膜。阴影部分是阴影部分是MTOCs.,包含一对中心粒和一包含一对中心粒和一个中心体。图中标出了生长中微管的正端个中心体。图中标出了生长中微管的正端, 靠近靠近MTOCs部分是微管的负端。部分是微管的负端。 2021/3/2317中心体中心体(centrosome)是动物细胞中决定微管形是动物细胞中决定微管形成的一种细胞器成的一种细胞器, 包括中心粒和中心粒周围基质包括中心粒和中心粒周围基质(pericentriolar matrix)。在细胞间期。在细胞间期, 位于细胞位于细胞核的附近核的附近, 在有丝分裂期在有丝分裂期, 位于纺锤体的两极。位于纺锤体的两极。中心粒中心粒(c

14、entrioles)是中心体的主要结构是中心体的主要结构, 成对存成对存在在, 即一个中心体含有一对中心粒即一个中心体含有一对中心粒,且互相垂直形且互相垂直形成成L形排列。圆柱的壁由形排列。圆柱的壁由9组间距均匀的三联管组间距均匀的三联管组成组成2021/3/2318每个中心粒都是由每个中心粒都是由9 9个三联管个三联管组成组成, , 外面还有中心粒周围基外面还有中心粒周围基质。微管从中心粒上开始形成质。微管从中心粒上开始形成 间期间期:组织胞质微管形成组织胞质微管形成分裂期分裂期:组织形成纺锤体组织形成纺锤体微管组织中心微管组织中心（MTOCMTOC）2021/3/2319基体基体: :是纤

15、毛和鞭毛的微管组织中心是纤毛和鞭毛的微管组织中心 基体与中心粒具同源性基体与中心粒具同源性, ,结构、功能可以互换结构、功能可以互换2021/3/23202021/3/2321影响微管组装与解聚的因素影响微管组装与解聚的因素GTP浓度、微管蛋白临界浓度、最适浓度、微管蛋白临界浓度、最适pH 、 Ca2+ 浓度、温度、药物作用等浓度、温度、药物作用等秋水仙素和长春碱秋水仙素和长春碱:微管蛋白异二聚体上有秋水仙微管蛋白异二聚体上有秋水仙素和长春碱结合的位点素和长春碱结合的位点,与微管蛋白异二聚体结合与微管蛋白异二聚体结合之后之后,使微管蛋白异二聚体结构发生改变使微管蛋白异二聚体结构发生改变,从而阻

16、止从而阻止了微管的聚合了微管的聚合,抑制了中期纺锤丝的形成抑制了中期纺锤丝的形成,使细胞不使细胞不能进入分裂后期而获得大量中期染色体。能进入分裂后期而获得大量中期染色体。紫杉醇紫杉醇:只结合于聚合的微管上只结合于聚合的微管上,使微管在细胞内大使微管在细胞内大量积累量积累,影响细胞的正常分裂。影响细胞的正常分裂。2021/3/2322微管参与细胞内物质运输通过马达蛋白微管参与细胞内物质运输通过马达蛋白(motor protein) 细胞内有一类蛋白质能够用细胞内有一类蛋白质能够用ATP供能供能,产生推动力产生推动力,介导细胞内物质沿细胞骨架运输介导细胞内物质沿细胞骨架运输,这种蛋白分子称为这种蛋

17、白分子称为马达蛋白。马达蛋白。2021/3/2323至今所发现的马达蛋白可分为三个不同的家族至今所发现的马达蛋白可分为三个不同的家族 肌球蛋白肌球蛋白(myosins)家族、驱动蛋白家族、驱动蛋白(kinesins)家族、动力蛋白家族、动力蛋白(dyneins)家族。家族。其中驱动蛋白和动力蛋白是以微管作为运行的轨其中驱动蛋白和动力蛋白是以微管作为运行的轨道道,而肌球蛋白则是以肌动蛋白纤维作为运行的而肌球蛋白则是以肌动蛋白纤维作为运行的轨道。尚未发现以中间纤维为运行轨道的马达蛋轨道。尚未发现以中间纤维为运行轨道的马达蛋白。白。2021/3/2324二、微丝二、微丝 微丝（微丝（microfil

18、ament, MF ）是普遍存在于真核细）是普遍存在于真核细胞中由肌动蛋白（胞中由肌动蛋白（actin）组成的骨架纤维。）组成的骨架纤维。 微丝的结构单位微丝的结构单位: 肌动蛋白肌动蛋白 目前已发现目前已发现3种肌动蛋白异构体种肌动蛋白异构体: ,人有人有6种基因型种基因型 肌动蛋白肌动蛋白:横纹肌型横纹肌型,心肌型心肌型,血管平滑肌型血管平滑肌型 肌动蛋白肌动蛋白:细胞质型细胞质型,存在于非肌肉细胞质中存在于非肌肉细胞质中 肌动蛋白肌动蛋白:细胞质型细胞质型,肠平滑肌型肠平滑肌型 2021/3/2325肌动蛋白的两种存在方式肌动蛋白的两种存在方式肌动蛋白以两种形式存在肌动蛋白以两种形式存在

19、, 即单体和多聚体。即单体和多聚体。单体的肌动蛋白是由一条多肽链构成的球形分子单体的肌动蛋白是由一条多肽链构成的球形分子, 又称球状肌动蛋白又称球状肌动蛋白(globular actin, G-actin),肌动蛋肌动蛋白的多聚体形成肌动蛋白丝白的多聚体形成肌动蛋白丝, 称为纤维状肌动蛋白称为纤维状肌动蛋白(fibros actin, F-actin)。在电子显微镜下。在电子显微镜下, F-肌动蛋肌动蛋白呈双股螺旋状白呈双股螺旋状, 直径为直径为8nm, 螺旋间的距离为螺旋间的距离为37nm。2021/3/2326单体单体G-肌动蛋白和纤维状肌动蛋白和纤维状F-肌动蛋白的结构肌动蛋白的结构 2

20、021/3/2327微丝的组装过程微丝的组装过程三个基本过程三个基本过程:成核期成核期: G-肌动蛋白慢慢地聚合形成短的、不稳定的肌动蛋白慢慢地聚合形成短的、不稳定的寡聚体寡聚体,该过程较慢。该过程较慢。延长期（生长期）延长期（生长期）:G-肌动蛋白单体快速地从短纤维的肌动蛋白单体快速地从短纤维的两端添加上去。两端添加上去。平衡期平衡期:之所以称为平衡期之所以称为平衡期,是因为在这个时期是因为在这个时期,G-肌动肌动蛋白同蛋白同F-肌动蛋白纤维末端上的亚基进行交换肌动蛋白纤维末端上的亚基进行交换,但不改但不改变变F-肌动蛋白纤维的量。肌动蛋白纤维的量。 2021/3/23282021/3/23

21、29影响微丝组装的因素影响微丝组装的因素G-肌动蛋白浓度、肌动蛋白浓度、Mg2+浓度、浓度、K +浓度、浓度、ATP等等细胞松驰素细胞松驰素B:切断微丝并结合于微丝的末端切断微丝并结合于微丝的末端,阻止新阻止新的单体加入的单体加入,抑制其组装过程。常用于研究微丝的抑制其组装过程。常用于研究微丝的功能。功能。鬼笔环肽鬼笔环肽:它同聚合的微丝结合后它同聚合的微丝结合后, 抑制了微丝的解抑制了微丝的解体体, 因而破坏了微丝的聚合和解聚的动态平衡。用因而破坏了微丝的聚合和解聚的动态平衡。用荧光标记的鬼笔环肽对细胞进行染色可以在荧光荧光标记的鬼笔环肽对细胞进行染色可以在荧光显微镜下观察微丝在细胞中的分布

22、。显微镜下观察微丝在细胞中的分布。2021/3/2330微丝结合蛋白微丝结合蛋白(actin-binding proteins) 纯化的肌动蛋白在体外能够聚合形成肌动蛋白纤维纯化的肌动蛋白在体外能够聚合形成肌动蛋白纤维, ,但是这种纤维不具有相互作用的能力但是这种纤维不具有相互作用的能力, ,电镜下呈杂电镜下呈杂乱无章的堆积状态乱无章的堆积状态, ,也不能行使某种功能也不能行使某种功能, , 原因是原因是缺少微丝结合蛋白。缺少微丝结合蛋白。2021/3/2331单体隔离蛋白单体隔离蛋白交联蛋白交联蛋白末端阻断蛋白末端阻断蛋白纤维切割蛋白纤维切割蛋白膜结合蛋白膜结合蛋白肌动蛋白纤维去聚合肌动蛋白

23、纤维去聚合蛋白蛋白2021/3/2332微丝的功能微丝的功能构成细胞的支架构成细胞的支架,维持细胞的形态维持细胞的形态细胞皮层细胞皮层:指细胞膜下由微丝和微丝结合蛋白相互作用形指细胞膜下由微丝和微丝结合蛋白相互作用形成的网状结构成的网状结构,为细胞提供了强度和韧性为细胞提供了强度和韧性,维持细胞的形态。维持细胞的形态。应力纤维应力纤维:细胞中由大量平行的微丝束构成的纤维状结构。细胞中由大量平行的微丝束构成的纤维状结构。2021/3/2333参与细胞的运动参与细胞的运动变形运动、胞质环流、细胞的内吞和外吐、细变形运动、胞质环流、细胞的内吞和外吐、细胞内物质的运输等胞内物质的运输等参与细胞质的分裂

24、参与细胞质的分裂胞质分裂通过收缩环来完成胞质分裂通过收缩环来完成,由大量平行排列由大量平行排列的微丝组成的微丝组成,动力动力:肌动蛋白和肌球蛋白的相对滑动肌动蛋白和肌球蛋白的相对滑动;微丝的微丝的解聚解聚参与受精作用参与受精作用参与肌肉收缩参与肌肉收缩 2021/3/2334三、中间纤维三、中间纤维中间纤维是细胞的第三种骨架成分中间纤维是细胞的第三种骨架成分,由于这种纤维由于这种纤维的平均直径介于微管和微丝之间的平均直径介于微管和微丝之间, 故称为中间纤故称为中间纤维。由于其直径约为维。由于其直径约为10nm, 故又称故又称10nm 纤维。纤维。微管与微丝都是由球形蛋白装配起来的微管与微丝都是由球形蛋白装配起来的,而中间纤而中间纤维则是由长的、杆状的蛋白装配的。维则是由长的、杆状的蛋白装配的