中山大学 细胞生物学 第七章 细胞骨架与细胞的运动 2011课件

1、1Xiao Yong-qing 肖永清Cell phoneiaoyq中山大学中山医学院生物教研室细胞生物学2022/10/21本章内容主要内容微管 重点微丝 重点中间纤维 重点细胞的运动 略讲细胞骨架与疾病 自学2022/10/22细胞骨架（cytoskeleton）是细胞质中的蛋白质纤维网络体系，对于细胞的形状、细胞的运动、运输、染色体的分离和细胞分裂等起重要作用。细胞核中也存在细胞骨架，称核骨架细胞骨架与细胞的运动（ The cytoskeleton and cell mobility ）MTMFIF2022/10/23(1) 结构和支持肌动蛋白纤维 中间纤维微管

2、 马达蛋白 上皮细胞 神经细胞 马达蛋白 中间纤维 微管马达蛋白 肌动蛋白纤维微管(2) 细胞内运输(3) 收缩和运动(4) 空间组织分裂细胞 细胞骨架与细胞的运动2022/10/24微管是由微管蛋白在微管结合蛋白帮助下组成的中空圆柱状结构。外径约25nm，内径约15nm细胞骨架与细胞的运动 微管（microtubules）微管的结构Lumen 50nm Website with an image of a 3-D reconstruction of the structure of an intact microtubule, based on cryo-EM and image proce

3、ssing (by the Visualization Group at Lawrence Berkeley National Laboratory, K. Downings research group).2022/10/25微管蛋白、异源二聚体头尾交替排列 细胞骨架与细胞的运动 微管（microtubules）单管，24-26nm，15nm内径 ，一般由13根原纤维组成。单根微管一般不稳定 微管解构tubulins tubulins二联管三联管2022/10/27二联管 （doublet） A管+B管 A管13根原纤维，B管10根原纤维，即13+10，主要存在于在纤毛、鞭毛的轴丝，轴丝的微

4、管呈9+2排列，即外周9个二联管，中央2个单管。结构比较稳定细胞骨架与细胞的运动 微管（microtubules）Dynein armsPlasma membraneInner dynein arm Outer dynein arm Central sheath A tubule B tubule Radial spoke Central microtubule Interdoublet (nexin ) bridge 9+2 array 2022/10/28微管结合蛋白（microtubule associated proteins, MAP）与微管相结合的辅助蛋白，参与微管的装配。至少有一

5、个结构域与微管侧面相连，另一个结构域突触在外MAP1、MAP2、tau，主要存在于神经元MAP4 在神经元和非神经元细胞中均有，进化上保守磷酸化与否影响MAPs结合微管的活性细胞骨架与细胞的运动 微管（microtubules）2022/10/210突触结构域的长度决定微管聚集成束时的间距MAP-2，有一个长的突出结构域。过量表达，微管间保持有较宽的空间Tau，拥有较短的突出结构域，过量表达，形成包裹得更紧密一点的微管束细胞骨架与细胞的运动 微管（microtubules）过量表达MAP2的细胞横切面电镜过量表达tau的细胞横切面电镜2022/10/211不同微管结合蛋白在细胞中有不同分布，执

6、行特殊功能细胞骨架与细胞的运动 微管（microtubules）MAPs在神经元的轴突和树突中的定位免疫荧光显微图片显示培养的海马神经元tau染色（绿色）和MAP2染色（橙色）注：该免疫荧光抗体只能检测到非磷酸化的tau，磷酸化的tau也可存在于树突2022/10/212GTP水解微管蛋白-GTP （T-型） -微管蛋白-GDP（D-型）水解降低了微管中亚基和相邻亚基的亲和力，使之更容易从微管一端解离当游离亚基加到微管的速度比微管的亚基GTP水解的速度快时，微管末端就形成 微管蛋白-GTP帽（GTP cap）细胞骨架与细胞的运动 微管在体外的组装2022/10/214微管生长和解聚 GTP结合

7、在微管蛋白上时，亚基之间结合比较牢固，产生直的原纤维，使其能和旁侧的另一原纤维形成强的有规律的作用，微管快速聚合 GTP水解GDP，引起微管蛋白发生微小的构象变化，从而使原纤维卷曲，弹开，从原纤维剥离。微管解聚的末端，可见环状、卷曲的微管蛋白寡聚体微管的组装和解聚是不断发生的细胞骨架与细胞的运动 微管在体外的组装2022/10/215微管具有极性原纤维是由、异二聚体组成在一定条件下，微管两端以不同的速率聚合，也表现出极性微管的一端快速生长，称正端(+)，在亚基游离的那一端；另一端生长较慢称负端（-），在亚基那一端细胞骨架与细胞的运动 微管在体外的组装2022/10/217正端负端游离亚基构象聚

8、合亚基构象微管在两端的装配速度不同，可能是由于亚基加入微管时发生了构象变化，这种构象变化影响亚基加入微管两端的速率细胞骨架与细胞的运动 微管在体外的组装2022/10/218踏车运动 微管两端的装配速度不同，在一定条件下，微管一端净添加GTP微管蛋白而不断生长；另一端净生成GDP微管蛋白而不断解聚，使纤维整体朝向某个方向运动。这种组装方式叫踏车运动（treadmilling）踏车运动不是微管的主要行为特点，而是肌动蛋白的主要行为特点细胞骨架与细胞的运动 微管在体外的组装微管踏车运动2022/10/219体外微管的组装，有明显的几个时期成核期（nucleation phase） 微管生长较慢，微

9、管的一小部分起始合成，形成微管生长的模板延长期(elongation phase) 微管生长速度大于解聚的速度，微管快速生长延长，直至微管蛋白浓度降低到一定程度。当微管解聚和生长的速度达到一个平衡，微管的长度没有显著变化是，就达到一个平衡期（equilibrium phase）肌动蛋白的组装也有这三个时期细胞骨架与细胞的运动 微管在体外的组装2022/10/220细胞骨架与细胞的运动 微管在体外的组装肌动蛋白生长曲线2022/10/221微管的在体内（in vivo）的组装微管组织中心 细胞内微管通常从一个特殊的位置成核，进行微管组装，这个位置叫做微管组织中心 。 (microtuble-or

10、ganizing center, MTOC)，如中心体、基体等微管蛋白环形复合体（tubulin ring complex，-TuRC）在成核中起重要作用-tubulin（ -微管蛋白），数量比、-微管蛋白少很多两种从酵母到人都很保守的蛋白，分别与-tubulin结合，10-13个。这样-tubulins再与另外几种蛋白形成一个环状复合体，即-TuRC含有成核的微管负端可见该环状结构，像帽子一样使负端稳定-TuRC被认为是产生13根原纤维微管的模板细胞骨架与细胞的运动 微管（microtubules）2022/10/222-tubulin主要存在于动物细胞的中心体、基体等真菌和植物细胞都没有中

11、心体。但是这些细胞都有-tubulin并似乎用于微管的成核作用 细胞骨架与细胞的运动 微管在体内的组装电镜发现饰有马达蛋白头部的微管具有“3-start helix”，即 微管每螺旋一圈，上下相差3个tubulins（ e.g., ）这就会导致微管有一个接合处（seam）于是，原纤维之间的侧向作用就不是-、- ，而是- 这种“3-start helix”也-TuRC模板相吻合2022/10/224中心体（centrosomes）中心粒(centrioles)：9组三联管围成的柱状结构1对中心粒相互垂直排列包埋在中心体基质纤维性的中心体基质（又称中心粒旁物质，pericentriolar mat

12、erial，PCM）含有50拷贝以上的-TuRC间期，中心体复制有丝分裂开始后，两个子中心粒对分开挪到核相对的两边，形成纺锤体 细胞骨架与细胞的运动 微管在体外的组装2022/10/225附着有微管的中心体微管从-TuRC生长，负端包埋在中心体中，正端游离在胞质细胞骨架与细胞的运动 微管在体内的组装2022/10/227可调节微管聚合的药物紫杉醇（taxol ） ，来自一种珍稀种类的紫杉树的树皮，结合并稳定微管，微管的网络聚合增强。现已能人工合成用于癌症治疗细胞骨架与细胞的运动 微管（microtubules）Immunoflurorescence micrograph showing the

13、 microtubule organization in a liver epithelial cellBefore addition of taxol After taxol treatment 2022/10/228细胞骨架与细胞的运动 微管（microtubules）紫杉醇作用微管的位点2022/10/229秋水仙素(colchicine ) , 来自秋水仙，结合并稳定游离的微管蛋白，从而抑制或破坏纺锤体的形成，常用于中期染色体的制备 浓度较高染色体的加倍 浓度较低长春新碱(vincristine)、长春花碱(vinblastin)、诺可唑(nocodazole)等微管抑制剂细胞骨架与细

14、胞的运动 微管（microtubules）2022/10/230微管的功能 构成细胞的网状支架，支持和维持细胞形态 (如血小板)参与中心粒、纤毛和鞭毛的组成参与细胞内物质运输（马达蛋白帮助）细胞器的定位和分布参与染色体的运动 (细胞核章节讲授)参与细胞内信号转导（如：色素细胞）细胞骨架与细胞的运动 微管（microtubules）2022/10/231纤毛和鞭毛的组成 纤毛和鞭毛基本组成相同。纤毛短而多，鞭毛长而少都以微管为主要骨架，并多属于9+2型，细胞骨架与细胞的运动 微管 微管的功能Basal body 外周9组二联管，之间以微管连接蛋白相连A管上还有动力蛋白臂，其头部具ATP酶活性，为

15、纤毛和鞭毛运动提供动力中央2条单管，外被中央鞘外周管与中央鞘之间以放射辐条相连纤毛和鞭毛的基体由三联管组成，与中心粒相似，中央无微管。基体属于MTOC2022/10/232动力蛋白臂质膜内面动力蛋白臂 外部动力蛋白臂中央鞘 A 管B 管放射辐条 中央微管二联管间桥 9+2 array 细胞骨架与细胞的运动 微管 微管的功能纤毛鞭毛的结构横切面2022/10/233纤毛中央微管 中央鞘 放射辐条 二联管 基体 二联管Doublet ，无中央微管三联管Triplet 细胞骨架与细胞的运动 微管 微管的功能二联管，有中央微管纤毛结构纵切面2022/10/234参与细胞内物质运输（马达蛋白帮助）马达蛋

16、白（ motor proteins）是一种分子马达（molecular motors ），结合在极化的细胞骨架上，并利用重复循环的ATP水解得来的能量沿着骨架稳定地移动每种真核细胞中有几十种不同的马达蛋白共存。它们结合的纤维不同、移动的方向不同、携带的“货物”不同介导膜包被的细胞器的运输 细胞骨架与细胞的运动 微管 微管的功能2022/10/235驱动蛋白(kinesins)首先在乌贼的巨轴突中发现朝向微管正端运动，携带神经细胞的细胞器从胞体到达轴突末梢马达结构域在重链N-端 ；中间域形成一个缠绕的二聚体；C-端结构域形成一个尾巴用来附着“货物” Kinesins也是一个大的超家族蛋白，马达结

17、构域是家族成员的共同部分细胞骨架与细胞的运动 微管的功能 马达蛋白2022/10/236动力蛋白(dyneins)是一种朝向负端的微管马达是目前所知最大的、也是最快的分子马达2或3个重链（含有马达结构域）和一组数目可变化的轻链组成胞质动力蛋白 （ cytoplasmic dyneins） 轴丝动力蛋白（axonemal dyneins）包括异二聚体和异三聚体，各自带有2个或者3个马达结构域头部，驱动纤毛或者鞭毛细胞骨架与细胞的运动 微管的功能 马达蛋白2022/10/237动力蛋白驱动蛋白和动力蛋白各有两个球状ATP头部和一个尾部头部结构专一方式结合微管，有ATP水解酶活性尾部决定了运载货物的

18、种类细胞骨架与细胞的运动 微管的功能 马达蛋白2022/10/238驱动蛋白运输的ATP驱动细胞骨架与细胞的运动 微管的功能 马达蛋白2022/10/239细胞器的定位和分布细胞骨架与细胞的运动 微管 微管的功能正常细胞高尔基复合体（绿色）在核周围微管（橙色）解聚，高尔基复合体分散于整个胞质2022/10/240微管组装 动画地址：/cooper5e/animation1203.html细胞骨架与细胞的运动 微管 微管的功能2022/10/241微丝（microfilament），又称肌动蛋白丝/纤维（actin filament），是由肌动蛋白组成的细丝，直径约5-8nm普遍存在于真核细胞中

19、，以束状、网状、散在等方式有序存在于细胞质的特定空间位置在肌肉细胞（稳定）在非肌肉细胞（不稳定）细胞骨架与细胞的运动 微丝（microfilament，MF）2022/10/242肌动蛋白(actin) 是组成肌动蛋白丝的基本单位 是一个球形多肽链分子中心有一个ATP（或ADP）结合位点 ，肌动蛋白ATP有助于肌动蛋白纤维结构的稳定，反之，ADP则降低纤维结构的稳定性肌动蛋白头-尾结合形成具有极性的纤维ATP细胞骨架与细胞的运动 微丝（microfilament，MF）2022/10/243肌动蛋白丝解构肌动蛋白原纤维(2个)肌动蛋白丝交联成网或成束细胞骨架与细胞的运动 微丝（microfil

20、ament，MF）肌动蛋白头尾相接平行地以右手螺旋缠绕各种辅助蛋白作用下肌动蛋白分子正端负端37nm2022/10/244微丝结合蛋白 将肌动蛋白纤维组织成各种不同的结构，调节其功能单体隔离蛋白(monomer sequestering proteins)胸腺素（thymosin）结合actin单体使之处于一种锁定状态，不能与肌动蛋白丝的正端或负端相连，也不能水解或者交换所附着的核苷酸 抑制蛋白（ profilin）锁定actin单体与肌动蛋白丝负端结合的一面；profilin-actin能够与纤维的正端结合，然后profilin脱落，纤维延长一个亚基抑制蛋白与胸腺素竞争结合单个的actin，

21、它们的活性决定肌动蛋白趋于解聚还是聚合细胞骨架与细胞的运动 微丝（microfilament，MF）2022/10/245细胞骨架与细胞的运动 微丝 微丝结合蛋白抑制蛋白与胸腺素的作用肌动蛋白-抑制蛋白复合物肌动蛋白-胸腺素复合物2022/10/246交联蛋白(crossing-link proteins)改变肌动蛋白丝的三维结构成束蛋白（bundling protein）使纤维蛋白水平排列 凝胶形成蛋白(gel-forming protein) 使纤维蛋白以较大角度相互结合，创造一个疏松的网络结构细胞骨架与细胞的运动 微丝 微丝结合蛋白2022/10/247细胞骨架与细胞的运动 微丝 微丝结

22、合蛋白成束蛋白-辅肌动蛋白丝束蛋白2022/10/248细胞骨架与细胞的运动 微丝 微丝结合蛋白微绒毛中的成束蛋白丝束蛋白绒毛蛋白2022/10/249细胞骨架与细胞的运动 微丝 微丝结合蛋白凝胶形成蛋白细丝蛋白二聚体 filamin dimer细丝蛋白-肌动蛋白丝形成片足的作用2022/10/250末端阻断蛋白(end blocking proteins) 与肌动蛋白末端结合，相当于加了一个帽子。如果在正端加上帽子，纤维就会在负端解聚加帽能促使新的纤维生成，同时抑制已存在的微丝生长，使细胞内有大量较短微丝ARP 复合体，纤维负端通过继续附在成核作用的ARP上而加帽（见微丝在体外的组装）Cap

23、Z(因位于肌肉的Z带而命名），在正端加帽，使正端稳定，失去活性肌肉细胞，肌动蛋白丝正端由CapZ加帽，负端由原肌球调节蛋白( tropomodulin)加帽细胞骨架与细胞的运动 微丝 微丝结合蛋白2022/10/251细胞骨架与细胞的运动 微丝 微丝结合蛋白肌球蛋白束 粗丝Z盘肌动蛋白丝正端肌动蛋白丝 细丝CapZ肌联蛋白负端原肌球调节蛋白肌小节结构模式图2022/10/252凝溶胶蛋白超家族（gelsolin superfamily） 凝溶胶蛋白 (gelsolin) 切割以后，仍附在正端，起帽子的作用细胞骨架与细胞的运动 微丝 微丝结合蛋白纤维切割蛋白(filament-severing

24、proteins)2022/10/253肌动蛋白丝解聚蛋白(actin filament depolymerization proteins) 与肌动蛋白丝结合，引起纤维快速解聚丝切蛋白 (cofilin) ，丝切蛋白既能够结合肌动蛋白丝，又能结合亚基丝切蛋白结合在肌动蛋白丝上，使之微微的扭曲变紧，使纤维变得易碎以及更容易切割使 actin-ADP亚基更容易从纤维负端解离，有效的拆卸细胞中老的纤维，保证肌动蛋白丝的迅速更替细胞骨架与细胞的运动 微丝 微丝结合蛋白2022/10/254膜结合蛋白(membrane-binding protein） 是非肌细胞质膜下产生收缩的机器。肌动蛋白丝通过膜

25、结合蛋白与细胞质膜连接细胞骨架与细胞的运动 微丝 微丝结合蛋白2022/10/255细胞骨架与细胞的运动 微丝 微丝结合蛋白2022/10/256微丝的在体外的组装肌动蛋白丝组装的三个时期细胞骨架与细胞的运动 微丝（microfilament，MF）延迟期/成核期 (lag phase/nucleation phase)，成核与ARP2/3复合体有关生长期(growth phase)平衡期(equilibrium phase)2022/10/257肌动蛋白纤维的特点肌动蛋白丝具有极性，和微管一样，有正端和负端生长快速期，具有ATP帽ATP的水解ADP，促进肌动蛋白丝解聚其动态性以踏车运动 (t

26、readmilling)为主细胞骨架与细胞的运动 微丝（microfilament，MF）2022/10/258细胞骨架与细胞的运动 微丝（microfilament，MF）肌动蛋白纤维体外装配的动力学高浓度加入 浓度下降 浓度下降 浓度稳定 肌动蛋白丝正端生长快，负端生长慢2022/10/259肌动蛋白纤维的踏车运动 在平衡期，肌动蛋白两端仍均有亚基的组装和解离，但是正端加上的比解离的多，负端则加上的比解离的少，这时，肌动蛋白出现踏车现象（treadmilling），原有的一段肌动蛋白纤维有如踏车一样向负端行进。见右图细胞骨架与细胞的运动 微丝（microfilament，MF）2022/1

27、0/260肌动蛋白纤维的不稳定性 在某种条件下，两端都可以去组装 受ATP调节每一根纤维的长度不是固定不变的，而是呈动力学不稳定状态细胞骨架与细胞的运动 微丝（microfilament，MF）2022/10/261微丝在体内的组装微丝在体内的组装也有成核作用，常发生在质膜，因而质膜下的一层由微丝和微丝结合蛋白组成的网状结构往往密度较高，称细胞皮层（cell cotex），为细胞提供强度和韧性，维持细胞形态细胞骨架与细胞的运动 微丝（microfilament，MF）2022/10/262ARP2/3复合体ARPs (actin-related proteins)ARP2和ARP3与其它蛋白质

28、形成ARP2/3复合体ARP2和ARP3各与actin有45%的相似性 ARPs2/3复合体使肌动蛋白丝在负端成核，在正端快速延伸细胞骨架与细胞的运动 微丝在体内的组装Arp3Arp2Other proteins Actin monomers Minus end Plus end Nucleated actin filament 2022/10/263ARP2/3复合体使肌动蛋白纤维成网细胞骨架与细胞的运动 微丝在体内的组装2022/10/264微丝还可形成 丝状伪足（filopodia）、片状伪足（lamellipodia）细胞分裂时的收缩环微绒毛细胞骨架与细胞的运动 微丝在体内的组装202

29、2/10/265肌动蛋白纤维在细胞中的排列收缩束凝胶样网络紧密排列成束应力纤维细胞皮层丝状伪足细胞骨架与细胞的运动 微丝在体内的组装2022/10/266影响微丝组装的因素肌动蛋白的浓度、ATP、Ca2+、Na+、K+浓度的影响细胞松弛素B (cytochalasin)，真菌分泌的一种生物碱，与肌动蛋白丝正端结合抑制肌动蛋白丝聚合，使微丝解体，不影响肌细胞鬼笔环肽（ phalloidin），来自一种真菌amanita phalloidas，结合并稳定肌动蛋白纤维，使肌动蛋白网络聚合增强红海海绵素（latrunculin），从一种海绵体提取出来，可结合并稳定actin 单体，因而可以引起肌动蛋白

30、丝的网络解聚细胞骨架与细胞的运动 微丝在体内的组装2022/10/267肌动蛋白丝的马达蛋白为肌球蛋白 (myosin) 超家族成员发现许多种类的肌球蛋白，重链通常在N端以一个可识别的肌球蛋白马达蛋白域开始，尾部C端变化广泛肌球蛋白I （myosinI）只有1个头部，与肌肉的肌球蛋白头部相似，但尾部完全不同。似以单聚体起作用肌球蛋白II（myosinII）：第一个被发现在骨骼肌中的马达蛋白。有2个头部细胞骨架与细胞的运动 微丝（microfilament，MF）Myosin IIMyosin II电镜2022/10/268微丝的功能构成细胞支架并维持细胞形态 微绒毛 应力纤维 参与细胞运动 伪

31、足的形成参与细胞分裂 收缩束参与肌肉收缩 参与细胞内物质运输 参与细胞内信号传递细胞骨架与细胞的运动 微丝（microfilament，MF）2022/10/269参与肌肉收缩 骨骼肌收缩的基本单位是肌小节的结构细胞骨架与细胞的运动 微丝 微丝的功能肌球蛋白束 粗丝Z盘肌动蛋白丝正端肌动蛋白丝 细丝CapZ肌联蛋白负端原肌球调节蛋白肌小节结构模式图2022/10/270复 习 题 二细胞骨架与细胞的运动 微丝（microfilament，MF）肌球蛋白沿着肌动蛋白丝前进结合释放直立力的产生重新结合2022/10/271细胞骨架与细胞的运动 微丝（microfilament，MF）肌肉收缩滑动模

32、型myosin纤维滑过肌动蛋白细丝，肌节缩短纤维本身并没有缩短2022/10/272中间纤维 （ intermediate filaments ）又译为“ 中等纤维”、“中间丝” 10nm直径的实心纤维，无极性种类多，结构复杂存在于胞质和细胞核很多机理未明细胞骨架与细胞的运动 中间纤维（intermediate filaments，IF）2022/10/273中间丝的多肽链单体中间的-螺旋结构域有40个左右七残基重复序列（heptad repeat）模序，形成一个伸长的卷曲螺旋（coiled-coil）。这个结构域保守，能调节纤维之间的侧向作用N端和C端球形结构域有很大的变化。可能调节中间丝与

33、其它成分的相互作用细胞骨架与细胞的运动 中间纤维2022/10/274中间丝的解构细胞骨架与细胞的运动 中间纤维2个单体平行缠绕二聚体(dimer)2个二聚体反向平行交错四聚体(tetramer)侧向包裹在一起中间丝，含8个平行的原纤维中间区域-螺旋的多肽链单体2022/10/275中间丝特性二聚体反向平行排列形成的四聚体，无极性，四聚体代表了中间丝可溶性亚单位，故中间丝也无极性每一单根中间丝的横切面最多有32个-螺旋许多多肽链排列在一起，有着卷曲螺旋蛋白质典型的很强的侧向疏水相互作用，这赋予中间丝绳索样的性质。易于弯曲难于断裂细胞骨架与细胞的运动 中间纤维2022/10/276细胞骨架与细胞

34、的运动 中间纤维的主要种类2022/10/277角蛋白 (keratins) 最具多样性的中间丝家族在人类不同类型的上皮细胞中约有种 ，每种上皮细胞可以产生多种角蛋白 细胞骨架与细胞的运动 中间纤维的主要种类Keratins in cultured cells交联的角蛋白网络结构由二硫键维系，在细胞死亡后仍能存在，形成坚硬的动物外被物，如指甲、毛发、爪子和鳞片2022/10/278神经丝 (neurofilaments) 在脊椎动物神经元的轴突中高度聚集有三种功能的神经丝蛋白，NF-L 、NF-M 、NF-H，在体内共同组装，形成了包含有NF-L与另两种神经丝之一的异聚体 Across section of an axon 轴突生长时，新的神经丝亚基以一个动态的过程沿着轴突并入细胞骨架与细胞的运动 中间纤维的主要种类2022/10/279Intermediate filament 神经丝Organelle MicrotubulesMotor protein Side arms 细胞骨架与细胞的运动 中间纤维的主要种类微管和中间纤维在轴突中的组织2022/10/280波形蛋白样纤维 (Vimentin-like filaments)结蛋白（desmin）在骨骼肌、心肌、平滑肌细胞中表达缺乏desmin基