武汉大学细胞生物学课件-细胞骨架

1、细胞骨架（Cytoskeleton）细胞骨架（Cytoskeleton）是真核细胞中的蛋白质纤维网架体系，它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。光镜下显示细胞骨架：红色荧光显示微丝黄色显示微管兰色显示细胞核 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

2、。 微丝，又叫肌动蛋白纤维，是由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微管，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。普遍存在于真核细胞中中间纤维，又叫中间丝，粗细位于微丝和肌球蛋白粗丝之间，普遍存在于真核细胞中，是三种骨架系统中结构最为复杂的一种第一节 微丝微丝（microfilament，MF）是由肌动蛋白(actin)组成的直径约7nm的骨架纤维，又称肌动蛋白纤维actin filament。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。 根据等电点的不同可将高等动物细胞内的

3、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。肌动蛋白纤维是由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一、微丝的结构和功能1结构（1）肌动蛋白（actin）* 2个结构域，4个亚单位组成ATP （ADP）二价离子构象可改变与微丝的组装与解离有关* 极性结构正端（）负端（）结合位点*存在形式游离 球状肌动蛋白（G-actin)纤维状肌动蛋白(F-actin)（2）微丝 结构：由肌动蛋白单体聚合形成双螺旋组装：条件： ATP 盐浓度 K+ Mg+过程（三个阶段）： 成核期 微丝组装的限速过程生长期 肌动蛋白在核心两端聚合正端快，负端慢平衡期 聚合速度与解离速度达到

4、平衡动态调节：踏车模型（treadmilling model）非稳态动力学模型(dynamic instability model)ATP是调节的主要因素ATP-肌动蛋白 对微丝末端亲和性高ADP-肌动蛋白 对微丝末端亲和性低ATP-肌动蛋白浓度与聚合速度成正比微丝的任何一端都可以以添加肌动蛋白单体的方式增长，不过由于极性，两端的速度不同，速度快的一端为正端，速度慢的一端为负端，表现为踏车现象。当到达平衡期，肌动蛋白分子添加到肌动蛋白丝上的速度正好等于肌动蛋白分子从肌动蛋白上失去的速度，微丝的净长度没有改变，这种过程称为微丝的踏车行为。movie（3）微丝结合蛋白与肌动蛋白纤维结合，调节其性质

5、和功能，影响微丝长度，稳定性和构形。分类：单体隔离蛋白（monomer-sequenstering protein）交联蛋白（cross-link protein）末端阻断蛋白（end blocking protein）纤维切割蛋白（filament-severing protein）去聚合蛋白（actin filament depolymerization protein）膜结合蛋白（membrane-binding protein）各种微丝结合蛋白单体隔离蛋白去聚合蛋白膜结合蛋白末端阻断蛋白 纤维切割蛋白交联蛋白肌球蛋白（myosin）组成两条重链两条轻链结构特点两个头部与肌动蛋白纤维结合

6、，水解 ATP一个尾部装配成粗丝（4）微丝的功能（1）构成细胞的支架，维持细胞的形态细胞皮质（cell cortex） 也叫肌动蛋白皮质（actin cortex） 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（2）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。 （3）参与肌肉收缩肌纤维肌原纤维粗、细肌丝肌球蛋白肌动蛋白原肌球蛋白肌钙蛋白肌纤维TEM照片Z盘肌肉收

7、缩图解（myosin）（4）参与细胞运动胞质环流变形运动吞噬变皱膜运动细胞的变形运动分为四步：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。 movie（5）参与细胞内物质运输（6）参与细胞内信号转导 Rho-GTPase3.药物对微丝的作用细胞松弛素B(cytochalasin B) 真菌-生物碱微丝+端结合鬼笔环肽 (phalloidin) 毒蘑菇（Amanita）-毒素与聚合的微丝

8、结合抑制肌动蛋白纤维的解聚 生长期 G 期 MTOC 中心体 (动态微管) 分裂细胞的 MTOC 有丝分裂纺锤体 (动态微管) 鞭毛和纤毛 MTOC 基体 (永久性结构) 二、微管的结构与功能1.结构（1）微管蛋白（tubulin）管蛋白管蛋白微管蛋白-微管组织中心（MTOC）（2）微管 （tubule）单微管（13）二联微管（13+10）（纤毛、鞭毛）三联微管（13+10+10）（基体、中心粒）异二聚体原丝微管（极性结构）内径：15nmGTPGTP-GDP1313+1013+10+10 生长期 G 期 MTOC 中心体 (动态微管) 分裂细胞的 MTOC 有丝分裂纺锤体 (动态微管) 鞭毛和

9、纤毛 MTOC 基体 (永久性结构) 分布真核细胞中普遍存在（脊椎动物脑组织）主要位于细胞质中，控制着膜性细胞器的定位和胞内物质运输细胞特殊结构纤毛、鞭毛、基体、中心体、纺锤体A 组装成核期（nucleation phase）-延迟期（lag phase）管蛋白聚合成短的寡聚体（核心） 片状 微管聚合期（polymerization phase）-延长期（elongation phase）聚合速度大于解聚速度稳定期（steady phase）：聚合速度等于解聚速度 （游离管蛋白达到临界浓度）B 组装的动态调节踏车模型非稳态动力学模型（dynamic instability）GTP是调节微管体内

10、外组装的主要物质GTP-管蛋白对微管末端的亲和力大GDP-管蛋白对微管末端的亲和力小 管蛋白浓度C 微管组织中心（MTOC）微管的聚合从特异性的核心形成位点开始，这些核心形成位点主要是中心体和纤毛的基体，称为微管组织中心功能：帮助大多数细胞微管装配过程中成核中心体（centrosome）是动物细胞中决定微管形成的一种细胞器组成：中心粒（centriole）中心粒旁物质（pericetriolar material）位置：间期：细胞核附近有丝分裂期：位于纺锤体的两极（3）微管结合蛋白与微管结合，调节微管活性的一类蛋白。稳定微管调节微管特异性调节微管与细胞其他成分的作用MAP-1MAP-2tauM

11、AP-42.微管功能（1）维持细胞的形态神经元细胞的轴突RBC双凹盘形（2）参与细胞的运动纤毛、鞭毛 二联管清除细胞表面异物输卵维持细胞自身运动 基体、中心粒 三联管A 纤毛（cilia）、鞭毛（flagella）组成：质膜顶部轴丝 微管及相关蛋白微管：9组二联管+中央微管（9+2）相关蛋白：动力蛋白 连接蛋白 辐射丝基体 纤毛组织中心（ 9组三联管）鞭毛的结构 运动产生：由微管滑动引起化学能转变为机械能（动力蛋白）滑动转变为弯曲运动（辐射丝，连接蛋白） B 中心粒（centriole）和基体（basal body）组成 ： 9组三联管 9+0中心粒：成对存在，互相垂直间期：形成微管，构成细胞

12、骨架系统的主要纤维系统，一方面参与物质运输另一方面维持细胞形状分裂期：形成纺锤体的两极，指导有丝分裂进行基体是纤毛器的基本结构基体与中心粒具同源性，结构、功能可以互换中心体：中心粒周围无定形物质间期：组织胞质微管形成分裂期：组织形成纺锤体 微管组织中心 （MTOC）中心体结构模型 （3）参与细胞内物质运输及细胞器的迁移微管依赖性马达蛋白（motor protein）驱动蛋白（kinesin）动力蛋白（ dynein ）驱动蛋白Kinesin结构：是由两条轻链和两条重链构成的四聚体，外观具有两个球形的头（具有ATP酶活性）、一个螺旋状的杆和两个扇子状的尾。功能：通过结合和水解ATP，导致颈部发生

13、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。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 Movie movie（organelle）（4）调节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（5）参与细胞内信号转导 3.药物对微管的作用秋水仙素 阻止聚合紫杉醇 促进聚合三、中间

14、纤维的结构和功能1.概述形状：类似编织绳存在部位细胞核膜下 核纤层细胞中 围绕核形成篮筐样结构特性：稳定2.分类根据亚单位特性分为六大类 * 角质蛋白 * 核纤层蛋白3.中间纤维蛋白结构头部区 氨基端 尾部区 羧基端 杆状区 310 aa 中心区 （螺旋区）形成聚合体的关键部位4.中间纤维的组装组装：两个单体形成双股超螺旋 二聚体两个二聚体形成四聚体 原纤丝两个四聚体交错排列 原纤维四个原纤维互相缠绕 中间纤维单体 超螺旋（平行对齐） 原纤丝（反向平行）原纤维中间纤维动态调节通过特殊氨基酸残基 （Ser，Thr）的磷酸化完成5.功能（1）为细胞提供机械支持（2）维持细胞和组织的完整性细胞完整性：核纤层核外周组织完整性：细胞-细胞细胞-基质（3）参与DNA复制（4）与细胞分化及生存有关微丝 单体：肌动蛋白 组装：成核期 三聚体 （限速期） 生长期 聚合解聚 平衡期 聚合 = 解聚 结合蛋白：肌球蛋白 头部 尾部 功能：维持细胞形态 微绒毛(肌动蛋白） 微穗 (肌动蛋白） 应力纤维 (肌动蛋白,肌球蛋白） 肌肉收缩 粗肌丝 (肌球蛋白） 细肌丝 (肌动蛋白） 参与细胞分裂 收缩环 (肌动蛋白,肌球蛋白） 参与细胞运动 参与物质运输 参与信号转导ATP临界浓度微管 单体：微管蛋白 (二聚体) 组装：成核期 寡聚体(限速期） 聚合期 聚合解聚 稳定期 聚合 = 解