细胞生物学 07第七章 细胞骨架 上课 ppt 课件

1、第七章 细胞骨架 微微 管（管（microtubules, MT） 微丝（微丝（microfilament, MF） 中间纤维（中间纤维（intermediate filament, IF） 细胞的运动细胞的运动真核细胞三类重要结构体系生物膜体系遗传信息表达体系细胞骨架体系细胞骨架细胞骨架 Cytoskeleton 第一节第一节 概述概述细胞骨架的组成细胞骨架的组成 细胞骨架 (cytoskeleton) 是细胞内以蛋白纤维为主要成分的网络结构，由微管(microtubule) 、微丝 (microfilament) 和中间纤维(intermediate filament) ，它们由许多不同的

2、蛋白质亚基装配成纤维状结构，并根据细胞不同的功能状态，改变其排列、分布方式，相互交叉贯穿在整个细胞中。微丝微管中间纤维细胞骨架的功能维持细胞形态、承受外力、保持细胞内部结构有序性，而且还参与细胞的运动、物质的运输、能量转换、信息传递和细胞分裂等一系列重要生命活动。构成细胞内支撑和区域化的网架参与细胞的运动和细胞内物质运输参与细胞的分裂活动参与细胞内信息传递第二节 微管 Microtubule, MTMicrotubule, MT一、微管的结构与微管蛋白二、微管结合蛋白三、微管的组装和极性四、微管的功能一、微管的结构和微管蛋白一、微管的结构和微管蛋白 1、微管的形态结构、微管的形态结构 微管呈中

3、空的管状结构，外径微管呈中空的管状结构，外径24nm，内径，内径15nm。微管的圆柱状结构由微管的圆柱状结构由13条原纤维纵行螺旋排列构成。条原纤维纵行螺旋排列构成。A fluorescently stained image of cultured epithelial cells showing the nucleus (yellow) and microtubules (red)2、微管的化学组成、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-

4、associated proteins, MAPs) 微管聚合蛋白微管聚合蛋白(Tau蛋白蛋白/蛋白蛋白 ）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分为两种：微管蛋白分为两种： 微管蛋白和微管蛋白和微管蛋白。微微管蛋白。微管蛋白常以异二聚体管蛋白常以异二聚体 (heterodimer) 的形式存在的形式存在, 也是微管组装的基本结构亚单位也是微管组装的基本结构亚单位 。 + + 二聚体二聚体+ + + + 多聚体多聚体 原纤维原纤维1313条原纤维条原纤维 微管壁微管壁 GTP Mg2+ 秋水仙素秋水仙素 长春花碱等长春花碱等与

5、微管蛋白结合的有关分子与微管蛋白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，破坏纺锤体。可阻断微管组装，破坏纺锤体。微管蛋白 含量 不足1% 定位于微管组织中心 (MTOC) 对微管的形成、数量和位置，以及极性的确定和细胞分裂起重要作用3、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，基体二、二、 微管结合蛋白微管结合蛋白一般由两个区域组成：一般由两个区域组成： 碱性碱性微管结合区微管结合区 酸性区域，伸出突起酸性区域，伸出突起与微管结合，并与微管蛋白共同组成微管系统

6、。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： 参与、促进微管装配。参与、促进微管装配。 维持微管稳定。维持微管稳定。 成为交联桥把微管连在一起。成为交联桥把微管连在一起。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。微管的自我装配单体之间存在可逆的动态平衡。微管的自我装配是一种高度有序的生命活动过程，按照特定的方是一种高度有序的生命活动过程，按照特定的方式组装和去组装，并受到严格的控制。式组装和去组装，并受到严格的控制。三个时期：三个时期：成核期（延迟期）、聚合期（延长成核期（延迟期）、聚合期（延长期）、稳

7、定期期）、稳定期。三、微管的组装和极性三、微管的组装和极性（一）微管的体外装配：（一）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；一端是一端是微管蛋白（微管蛋白（），另一端是），另一端是 微管蛋白（微管蛋白（+）- 踏车行为踏车行为（体外）（体外）（二）（二） 微管的体内装配：微管的体内装配：微管组织中心（微管组织

8、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。为微管装配包括中心体、基体。为微管装配提供始发区域，控制着细胞质中微管的数量、提供始发区域，控制着细胞质中微管的数量、位置及方向。位置及方向。 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。中心体中心体中心体中心体 (centrosome) = 2个垂直的中心粒个垂直的中心粒 + 周围物质周围物质动物细胞内微管起始的主要位点，通常位于正个

9、微管动物细胞内微管起始的主要位点，通常位于正个微管网络的中心。网络的中心。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（MTOC），），参与有丝分裂。参与有丝分裂。vMT are nucleated by a protein complex containing -tubulin。成核模型成核模型纤毛和鞭毛纤毛和鞭毛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。二者结构上同

10、源，细胞膜包二者结构上同源，细胞膜包绕一根轴丝构成。绕一根轴丝构成。 轴丝：轴丝：9组二联管组二联管+ 一对中央一对中央单管，（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。（三）（三） 影响微管装配的因素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 药物：药物： 如如秋水仙素、长春花碱秋水仙素、长

11、春花碱等抑制微管组装，等抑制微管组装，紫杉醇紫杉醇能促进微管的组装并稳定已组装的微管。能促进微管的组装并稳定已组装的微管。（一）构成细胞的支架，维持细胞形态；（一）构成细胞的支架，维持细胞形态；四、微管的功能四、微管的功能（二）（二） 参与细胞内物质运输；参与细胞内物质运输；四、微管的功能四、微管的功能马达蛋白（马达蛋白（motor protein）能沿着细胞骨架铺就的能沿着细胞骨架铺就的“轨道轨道”运动的蛋白，运动的蛋白，靠水解靠水解ATP提供能量，把化学能转变为机械能，提供能量，把化学能转变为机械能，介导细胞内物质沿细胞骨架的运输。介导细胞内物质沿细胞骨架的运输。 肌球蛋白（肌球蛋白（my

12、osin） 与微丝有关的运动与微丝有关的运动 驱动蛋白（驱动蛋白（kinesin）和）和 动力蛋白（动力蛋白（dynein） 与微管有关的运动与微管有关的运动 驱动蛋白：驱动蛋白：2条重链条重链 + 2条轻链条轻链（a） 胞质动力蛋白胞质动力蛋白(dynein)结构，结构，（b, c）驱动蛋白（驱动蛋白（kinesin）和动力蛋白（）和动力蛋白（dynein）介）介导的胞内物质运输导的胞内物质运输四、微管的功能四、微管的功能（三）（三） 参与细胞内细胞器的空间定位和分布；参与细胞内细胞器的空间定位和分布；四、微管的功能四、微管的功能（四）（四） 参与细胞运动；参与细胞运动； 鞭毛和纤毛运动的机

13、制鞭毛和纤毛运动的机制鞭毛结构为：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管伸出动管伸出动位蛋白臂指向位蛋白臂指向B管，水解管，水解释放能量，促使动位蛋白释放能量，促使动位蛋白沿相邻的沿相邻的B管朝（管朝（）端）端走动，从而引起二联管之走动，从而引起二联管之间相互滑动间相互滑动。鞭毛和纤毛运动的动力图示鞭毛和纤毛运动的动力图示四、微管的功能四、微管的功能（五）（五） 参与染色体的运动，调节细胞分裂参与染色体的运动，调节细胞分裂中心体发出的中心体发出的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 后期后期A：动粒微管

14、解动粒微管解聚缩短，拉动染色体聚缩短，拉动染色体移向两级。移向两级。 （ATP不不参与。）参与。） 后期后期B：极微管滑动、极微管滑动、延长，推动两级更加延长，推动两级更加远离。远离。 （微管动力蛋（微管动力蛋白参与。）白参与。）四、微管的功能四、微管的功能（六）（六） 参与细胞内信号传递参与细胞内信号传递第三节第三节 微丝微丝 Microfilament, MFMicrofilament, 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。普遍存在于真核细胞中由肌动蛋白组

15、成的骨架纤维，直径为普遍存在于真核细胞中由肌动蛋白组成的骨架纤维，直径为7nm，成束、网状或散在分布于细胞质中。细胞的肌肉系统，成束、网状或散在分布于细胞质中。细胞的肌肉系统Cells are capable of remarkable motility:The neural crest cells in a vertebrate embryo leave the developing nervous system and migrate across the entire width of the embryo, forming such diverse products as the pi

16、gment cells of the skin, teeth, and the cartilage of the jaws (see Figure 7.11). Legions of white blood cells patrol the tissues of the body searching for debris and microorganisms. Certain parts of cells can also be motile; broad projections of epithelial cells at the edge of a wound act as motile

17、devices that pull the sheet of cells over the damaged area, sealing the wound. Similarly, the leading edge of a growing axon sends out microscopic processes that survey the substratum and guide the cell toward a synaptic target All of these various examples of motility share at least one component:

18、they all depend on the presence of microfilaments, the third major type of cytoskeletal element. Microfilaments are also involved in intracellular motile processes, such as the movement of vesicles, phagocytosis, and cytokinesis. External view of cell and types of podia projections Localization of a

19、ctin at lamellipodium and as stress fibers.JPG一、微丝的结构与肌动蛋白一、微丝的结构与肌动蛋白 由由肌动蛋白肌动蛋白 (actin) 组成的实心螺旋状组成的实心螺旋状纤维纤维,又称肌动蛋白纤维又称肌动蛋白纤维 (actin filament)，直径直径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 ，形状如双线捻成的绳子。形状如双线捻成的绳子。 Actin首尾相连，首尾相连，微丝具有微丝具有极性极性。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 肌动蛋白肌动

20、蛋白 actin 两种存在形式：两种存在形式： 单体为单体为球形肌动蛋白球形肌动蛋白，称，称G-actin (globular actin)； 多聚体为多聚体为纤维状肌动蛋白纤维状肌动蛋白，称，称F-actin (fibrous actin)。 每个每个actin单体，外观呈碟状，中央有一裂口。有阳离单体，外观呈碟状，中央有一裂口。有阳离子（子（Mg2+、K+、Na+）、）、ATP/ADP和肌球蛋白结合位和肌球蛋白结合位点。点。二、肌动蛋白结合蛋白二、肌动蛋白结合蛋白 与肌动蛋白纤维结合，调节不同功能，已知的微丝与肌动蛋白纤维结合，调节不同功能，已知的微丝结合蛋白有结合蛋白有100多种。多种。

21、 与与F-肌动蛋白的聚合有关的蛋白肌动蛋白的聚合有关的蛋白 与微丝结构有关的蛋白与微丝结构有关的蛋白 与微丝收缩有关的蛋白与微丝收缩有关的蛋白肌动蛋白结合蛋白肌动蛋白结合蛋白原肌球蛋白和肌钙蛋白在横纹肌细肌丝中与肌动蛋白的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的结合示示三、微丝的组装三、微丝的组装体外：肌动蛋白可以在适宜条件下装配。体外：肌动蛋白可以在适宜条件下装配。胞内：依其功能的改变而发生动态变化，受不同物胞内：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。质调控，有踏车行为。肌动蛋白纤维组装过程：肌动蛋白纤维组装过程：成核期、延长期、平衡期成核期、延长期、平衡期微

22、丝组装的影响因素微丝组装的影响因素 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。 一些药物可影响微丝组装，如一些药物可影响微丝组装，如细胞松驰素细胞松驰素B破坏微破坏微丝组装，丝组装，鬼笔环肽鬼笔环肽使微丝稳定。使微丝稳定。四、微丝的功能四、微丝的功能 （一）构成细胞的支架，维持细胞的形态（一）构成细胞的支架，维持细胞的形态四、微丝的功能四、微丝的功能（二）微丝参与细胞的运动（二）微丝参与细胞的运动变形运动变形运动，胞质环

23、流、胞吞和胞吐作用，细胞内物，胞质环流、胞吞和胞吐作用，细胞内物质运输。质运输。变形运动变形运动微丝参通过与肌球蛋白的相互作用，参与细胞内的物质运输。微丝参通过与肌球蛋白的相互作用，参与细胞内的物质运输。四、微丝的功能四、微丝的功能（三）微丝参与细胞质的分裂（三）微丝参与细胞质的分裂 胞质分裂（有丝分裂后末期、以断裂方式分开）：胞质分裂（有丝分裂后末期、以断裂方式分开）： 微丝收缩形成收缩环微丝收缩形成收缩环肌球蛋白参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四、微丝的功能四、微丝的功能（四）微丝参与受精作用（四）微丝参与受精作用四、微丝的功能四、微

24、丝的功能（五）微丝参与细胞内信息传递（五）微丝参与细胞内信息传递四、微丝的功能四、微丝的功能（六）微丝参与肌肉收缩（六）微丝参与肌肉收缩结合肌动蛋白和ATP，水解ATP产生动力结合钙调素等轻链，调节头部活性决定肌球蛋白是单体或二聚体，是否与膜结合肌球蛋白肌球蛋白II：2条重链条重链 + 4条轻链条轻链A myosin molecule walks along an actin filament through a cycle of structural changes. 第四节第四节 中间纤维中间纤维 (intermediate filament) 中间纤维也称居间纤维或中等纤中间纤维也称居间

25、纤维或中等纤维，是由不同的蛋白质组成的空心纤维，是由不同的蛋白质组成的空心纤维结构，直径维结构，直径10nm10nm，介于微管和微丝，介于微管和微丝之间，故名。之间，故名。 IFIF是最稳定、坚韧的细胞骨架成分，是最稳定、坚韧的细胞骨架成分，主要起支撑作用。主要起支撑作用。 IFIF在细胞中围绕着细胞核分布，成束在细胞中围绕着细胞核分布，成束成网，并扩展到细胞质膜，与质膜相成网，并扩展到细胞质膜，与质膜相连结。连结。一、中间纤维的结构和中间纤维蛋白 中间纤维蛋白分子，是长的线性蛋白，已发中间纤维蛋白分子，是长的线性蛋白，已发现现60多种。多种。 共同的结构特点：头部，杆状区和尾部构成。共同的结

26、构特点：头部，杆状区和尾部构成。 螺旋杆状区杆状区由一个螺旋杆状区杆状区由一个310个氨基酸残基形成，个氨基酸残基形成，两端是非螺旋化的球形头（两端是非螺旋化的球形头（N端）尾（端）尾（C端）部构端）部构成。成。 杆状区是高度保守的，杆状区是高度保守的， 头部和尾部的氨基序头部和尾部的氨基序列在不同类型的中间纤维中变化较大。列在不同类型的中间纤维中变化较大。不同细不同细胞中中胞中中间丝的间丝的化学组化学组分不一分不一样，但样，但结构相结构相似。似。TypeProteinSize (kd)Site of expressionIAcidic keratins4060Epithelial cells

27、(15 proteins)IINeutral or basic keratins5070Epithelial cells(15 proteins)IIIVimentin54Fibroblasts, white blood cells, and other cell typesDesmin53Muscle cellsGlial fibrillary acidic protein51Glial cellsPeripherin57Peripheral neuronsIVNeurofilament proteinsNF-L67NeuronsNF-M150NeuronsNF-H200Neurons-In

28、ternexin66NeuronsVNuclear lamins6075Nuclear lamina of all cell typesVINestin200Stem cells of central nervous system二、二、IF的结合蛋白的结合蛋白中间纤维的结合蛋白（中间纤维的结合蛋白（intermediate filament associated protein，IFAP）的功能是使中间纤维）的功能是使中间纤维交联成束、成网，并把中间纤维交联到质膜或其它交联成束、成网，并把中间纤维交联到质膜或其它骨架成分上，已知的骨架成分上，已知的IFAPs约约15种左右，分别与特种左右，分

29、别与特定的中间纤维结合，如：定的中间纤维结合，如：flanggrin使角蛋白交联成束。使角蛋白交联成束。Plectin将波形蛋白纤维与微管交联在一起。将波形蛋白纤维与微管交联在一起。Ankyrin 把结蛋白纤维与质膜连在一起。把结蛋白纤维与质膜连在一起。IFAPs的共同特点是：具有中间纤维特异性。的共同特点是：具有中间纤维特异性。表达有细胞专一性。不同的表达有细胞专一性。不同的IFAP可存在于同一细可存在于同一细胞中与不同的中间纤维组织状态相联系。在细胞胞中与不同的中间纤维组织状态相联系。在细胞中某些中某些IFAP的表达与细胞的功能和发育状态有关。的表达与细胞的功能和发育状态有关。三、中间纤维的组装三、中间纤维的组装四、中间纤维的功能四、中间纤维的功能（一）（一） 构成细胞完整的支撑网架系统构成细胞完整的支撑网架系统四、中间纤维的功能四、中间纤维的功能（二）（二） 为细胞提供机械强度支持为细胞提供机械强度支持四、中间纤维的功能四、中间纤维的功能（三）（三） 参与细胞的分化参与细胞的分化四