医学生物学生命的细胞基础细胞质线粒体核糖体骨架蛋白

医学生物学第一篇生命的基础讲师：陈晶QQ：354275129email:354275129@第二章生命的细胞基础第三节细胞质“ABusyFactory”二、线粒体（mitochondria）

1890年R.Altaman首次发现线粒体，命名为bioblast，以为它可能是共生于细胞内独立生活的细菌。

1898年Benda首次将这种颗粒命名为mitochondrion。

1900年发现线粒体具有氧化作用。

Green（1948）证实线粒体含所有三羧酸循环的酶，Kennedy和Lehninger（1949）发现脂肪酸氧化为CO2的过程是在线粒体内完成的。

Hatefi等（1976）纯化了呼吸链四个独立的复合体。Mitchell（1961－1980）提出了氧化磷酸化的化学偶联学说。形态：线状、粒状、短杆状；有的圆形、哑铃形、星形；还

有分枝状、环状等

大小：细胞内较大的细胞器。一般直径：0.5—1.0um;长度：

2-3um。

数量:在不同类型的细胞中线粒体的数目相差很大；

在同一类型的细胞中数目相对稳定。

分布:在多数细胞中，线粒体均匀分布在整个细胞质中；

在某些些细胞中，线粒体的分布是不均一的。

线粒体较多分布在需要ATP的部位(如肌细胞和精细胞;或较为集中分布在有较多氧化反应底物的区域，如脂肪滴，因为脂肪滴中有许多要被氧化的脂肪。

（一）线粒体的亚微结构线粒体是由双层单位膜套叠而成的封闭性膜囊结构☆内膜与外膜套叠形成囊中之囊☆内外膜组成线粒体的支架1、外膜（outermembrane）脂类：蛋白质=1:1孔蛋白（porin）通透性好（ATP、NAD、CoA可自由通过）蛋白质和脂类的比例约4:1高度的选择通透性借助载体蛋白控制内外物质的交换类似细菌质膜2、内膜（innermembrane）基粒：内膜和嵴膜基质面上许多带柄的小颗粒。每个线粒体约104~105个。与膜面垂直而规律排列。可溶性的ATP酶（F1)既是合成酶又是水解酶疏水蛋白（F0)70000头部:合成ATP柄部:调节质子通道基片：质子的通道对寡酶素敏感蛋白（OSCP)

基粒是将呼吸链电子传递中释放的能量用于使ADP磷酸化生成ATP的重要部位（ATP合酶复合体）。

4nm长4.5-5nm6-11.5nm高5-6nm9nm9nm基粒（elementaryparticle）基粒由头部（F1偶联因子）、柄部和基片（F0偶联因子）构成，F0嵌入线粒体内膜。

3.膜间腔（intermembranespace）酶、底物、辅助因子外膜内膜膜间腔嵴间腔嵴内空间嵴

基粒（ATP酶）线粒体核糖体基质（外腔）内膜和嵴围成的腔隙，腔内充满较致密的物质——线粒体基质。线粒体基质脂类蛋白质酶类线粒体DNA线粒体DNA线粒体mRNA线粒体tRNA线粒体核糖体4、脊间腔（interscristalspace）蛋白质：种类多，占干重的65~70%。脂类：主要是磷脂，构成膜。DNA：一个分子，多个拷贝。其它成分：水、酶、无机离子及维生素等。（二）线粒体化学组成16线粒体中酶的分布线粒体中约有120种酶线粒体主要酶的分布部位酶的名称外膜单胺氧化酶、犬尿氨酸羟化酶、NADH-细胞色素C还原酶、脂类代谢有关的酶（酰基辅酶A合成酶、脂肪酸激酶等）特征酶：单胺氧化酶膜间隙腺苷酸激酶、核苷酸激酶、二磷酸激酶、亚硫酸氧化酶特征酶：腺苷酸激酶内膜细胞色素氧化酶、琥珀酸脱氢酶、NADH脱氢酶、肉碱酰基转移酶、-羟丁酸和-羟丙酸脱氢酶、丙酮酸氧化酶、ATP合成酶系、腺嘌呤核苷酸载体。特征酶：细胞色素（c）氧化酶、琥珀酸脱氢酶基质柠檬酸合成酶、乌头酸酶、苹果酸脱氢酶、异柠檬酸脱氢酶、延胡索酸酶、谷氨酸脱氢酶、丙酮酸脱氢酶复合体、天冬氨酸氨基转移酶、蛋白质和核酸合成酶系、脂肪酸氧化酶系特征酶：苹果酸脱氢酶氧化还原酶37%水解酶9%连接酶10%生命活动中95%的能量来自线粒体————细胞的动力工厂。线粒体是糖、脂肪、氨基酸等能源物质最终氧化释放能量的场所——细胞氧化（cellularoxidation）

。：细胞氧化过程中，要消耗O2释放CO2和H2O——细胞呼吸（cellularrespiration）。（三）线粒体的功能C6H12O6+6O2

→6CO2+6H2O+36ATP19线粒体是细胞核以外惟一含DNA的细胞器，具有独立合成蛋白质的能力，但一定程度上受细胞核的控制，因此线粒体是具有半自主性的细胞器。线粒体共有37个基因，均应用于线粒体自己。人类的mtDNA主要编码线粒体的tRNA、mRNA和一些线粒体蛋白质。线粒体的大多数酶和蛋白质仍由核DNA编码合成之后，转运至线粒体。（四）线粒体的半自主性20线粒体DNA的形态结构mtDNA为双链结构。根据两条链转录RNA在CsCl中密度不同，分为重链(heavystrand,H)和轻链(lightstrand,L)。两条链编码不同的基因。mtDNA环状形态，核DNA→链状。mtDNA裸露，不与组蛋白结合。（五）线粒体与疾病21三、核糖体（ribosome）游离在细胞溶胶中——游离核糖体（freeribosome）连接在粗面内质网上——附着核糖体（attachedribosome）细胞内将氨基酸合成蛋白质的场所(分泌性蛋白和细胞自身结构蛋白)2.结构：由ＲＮＡ和蛋白质组成，无膜包裹1.形态：椭圆形的粒状小体4.功能：3.分类多个核糖体有mRNA串起来合成蛋白——多核糖体（polyribosome）四、细胞的支持和运动细胞器（一）细胞骨架（cytoskeleton）蛋白纤维构成的网架体系。广义：核骨架、核纤层和细胞外基质，形成贯穿于细胞核、细胞质、细胞外的一体化网络结构狭义：细胞质内网络结构微管主要分布在核周围，呈放射状向胞质四周扩散。微丝主要分布在细胞质膜的内侧。中间纤维分布在整个细胞中。

MicrotubuleMicrofilamentIntermediatefilament1.微管上世纪50年代，首次在超薄切片中观察到微管(microtubule)。(a)脑细胞微管的电镜照片(b)微管横截面的电镜照片(c)微管纵切面模式图1）微管的结构与组成微管的外径24nm，管壁厚度约5nm，跨越细胞的整个长度或宽度。管壁由纵向排列的13条原纤维构成。原纤维由,微管蛋白球状亚基组成的异二聚体装配而成。每个装配单位一端是α微管蛋白，另一端是β微管蛋白。所以原纤维不对称。微管在细胞中的存在形式单管：细胞质微管，结构不稳定。三联管：13+10+10存在于中心粒、基体，结构稳定。131310131010二联管：13+10见于特化的细胞结构纤毛和鞭毛的轴丝内。结构比较稳定。2）微管结合蛋白微管结合蛋白(microtubuleassociatedprotein,MAP)结合在微管表面的一种辅助蛋白(accessoryproteins)，提高微管的稳定性；改变其刚性或影响组装速率；介导微管与其他细胞器的连接。MAP具有两个结构域(domain)一个结构域结合到微管蛋白侧面，加速微管的成核。另一个结构域从微管蛋白表面向外延伸，与其他骨架纤维连接。MAP1,MAP2,Tau只存在于神经元细胞。MAP4广泛分布在哺乳动物非神经元细胞中。*结构域——蛋白质中在结构和功能上相对独立的区域。神经细胞中的MAPsMAP2有3个微管蛋白结合位点，彼此分开，与微管壁的3个不同微管蛋白亚基结合。MAP2的尾部向外伸出，拥有较长的突出结构域，以便与其他骨架纤维相互作用。突出结构域的长度决定微管束中微管的间距。突出结构域神经细胞中的MAPsMAP2有3个微管蛋白结合位点，彼此分开，与微管壁的3个不同微管蛋白亚基结合。MAP2的尾部向外伸出，拥有较长的突出结构域，以便与其他骨架纤维相互作用。Tau拥有较短的突出结构域。细胞过量表达MAP2,TauMAP2过量表达的细胞，保持有较宽空间的微管束。Tau过量表达，形成包裹得更紧密的微管束。3）微管的装配与动力学微管在正常情况下装配和去装配，以适应细胞在不同时间的变化需要。微管的装配分为三个时期成核期(nucleationphase),微管蛋白聚合，形成一个短的寡聚体/核心。聚合期(polymerizationphase),微管蛋白异二聚体不断加到微管正端，使微管延长。稳定期(steadystatephase)游离微管蛋白水平下降，装配与去装配达到动态平衡。微管装配的起始点是微管组织中心在体内，微管的成核和组织过程与一些特异的结构相关，这些结构被称为微管组织中心(microtubule-organizingcenter,MTOC)。MTOC是微管装配的起始点①控制微管的数目、极性②控制组成微管壁的原纤维数目③控制微管组装的时间和地点常见微管组织中心间期细胞：中心体（动态微管）鞭毛、纤毛细胞：基体，永久性结构中心体(centrosome)在动物细胞中，细胞骨架微管一般与中心体结合，组成一个复合结构。含有2个桶状的中心粒由9组三联管构成成对的中心粒垂直排列，包埋在中心粒旁物质(pericentriolarmaterial,PCM)中。经过复制的2对中心粒微管的成核作用γ-环形蛋白复合体(γ-Tubulinringcomplex,γ-TuRC)螺旋化排列的13个γ微管蛋白亚基组成一个开放的环状模板，在模板上第一列γ微管蛋白二聚体组装形成γ-TuRC，与微管具有相同直径。①微管生长时，正端以开口片状存在，结合GTP的二聚体添加其上。②快速生长阶段，微管蛋白二聚体添加速率快于微管蛋白上GTP水解的速率。微管末端形成GTP帽，有利于添加更多的亚基使微管生长。但带有开放末端的微管会产生自发反应，导致管口闭合。③管口闭合，迫使结合的GTP水解，改变微管蛋白二聚体的构像。④当原纤维向外翻卷并发生级联去组装时，GTP水解形成的张力被释放。微管特异性药物◆秋水仙素(colchicine)阻断微管蛋白组装成微管，可破坏纺锤体结构。◆紫杉酚(taxol)能促进微管的装配,并使已形成的微管稳定。◆为行使正常的微管功能,微管动力学不稳定性是其功能正常发挥的基础。基体位于鞭毛和纤毛根部的结构ATP酶纤毛和鞭毛的运动动力4）微管功能维持细胞形态细胞内物质的运输（细胞内囊泡运动）细胞运动（鞭毛、纤毛）细胞器位移（中心粒、纺锤丝）细胞体动力蛋白胞质动力蛋白复合物驱动蛋白驱动蛋白受体转运泡轴突末端胞质动力蛋白驱动向负极运输2.微丝（microfilament）

1）结构和组分

微丝是由肌动蛋白单体（常称作G-肌动蛋白）组成的多聚体，直径约8nm。肌动蛋白单体由2个亚基构成，每一亚基含有375个氨基酸残基。肌动蛋白单体有ATP⁄

ADP、Mg2+和K+⁄

Na+以及肌球蛋白的结合位点。肌动蛋白纤维的冷冻蚀刻电镜照片双股螺旋结构

每个肌动蛋白亚基都有极性，并且肌动蛋白纤维中所有的亚基均指向同一方向，所以整条微丝都有极性。2）肌动蛋白微丝组装成核期/延迟期成核作用发生在质膜下，由ARP2/3复合物催化，是微丝组装的限速过程，刚形成的二聚体易水解，形成三聚体核心才稳定；聚合期

球状肌动蛋白快速地在核心两端聚合；正端是快速增长端，负端是缓慢增长端。一端添加单体的速率是另一端的5～10倍；平衡期肌动蛋白-ATP亚基倾向于添加到纤维的正端，而肌动蛋白-ADP倾向于离开纤维的负端；聚合与解聚达到动态平衡。3）微丝的功能构成细胞支架并维持细胞的形态参与细胞运动细胞分裂肌肉收缩细胞物质运输受精与细胞内信号传递构成细胞支架并维持细胞的形态每根微绒毛含有25根微丝，通过绒毛蛋白和丝束蛋白将微丝交联成束，使其保持高度有序的排列。参与细胞运动巨噬细胞、白细胞含有丰富的微丝，通过与微丝结合蛋白的相互作用，使细胞表面形成凸起，如丝足、片足。参与细胞分裂有丝分裂后、末期，质膜下的微丝在肌球蛋白的作用下，形成带状束——收缩环，导致细胞一分为二。参与肌肉收缩肌细胞（纤维）由数百个肌原纤维组成。每根肌原纤维由细肌丝和粗肌丝重叠而形成。骨胳肌收缩的基本结构单位——肌小节骨骼肌肌束肌纤维细胞核肌鞘肌原纤维肌节肌球蛋白Ⅱ分子结构头颈尾由一对重链和两对轻链组成：成对的重链由一个杆状尾部和一对球状头部组成，尾部的两条多肽链部分互相缠绕形成卷曲螺旋。每根粗丝由几百个肌球蛋白(myosinⅡ)分子组成。粗肌丝和细肌丝肌动蛋白肌钙蛋白原肌球蛋白粗丝的中央由肌球蛋白分子相对的尾部组成。由于组成粗丝的肌球蛋白分子的交错位置，肌球蛋白的头部在每根粗丝的末端突出。在肌肉收缩过程中肌节的缩短I带仅含细肌丝；H区只含粗肌丝；H区两侧的A带代表重叠区域，含有粗肌丝和细肌丝。肌节在肌肉松弛与收缩状态中的差别。在收缩过程中，肌球蛋白交联桥与周围的细肌丝接触，细肌丝被迫向肌节中央滑动。交联桥非同步活动，以致在任意时刻都只有一部分处于活动状态。在肌肉收缩过程中肌节的缩短松弛和收缩的肌节纵切面的电镜照片。显示由于细肌丝向肌节中央滑动，使H区消失。肌肉收缩的分子基础+-+-参与细胞内的物质运输肌球蛋白Va驱动蛋白色素颗粒微管微丝细胞内信号传递细胞表面的受体受到外界信号作用，诱导细胞质膜下的肌动蛋白结构改变，从而启动胞内激酶变化的信号传导过程。3.中间纤维(intermediatefilament,IF)

直径约10nm的实心纤维。存在于细胞质和细胞核。是最坚韧持久的细胞骨架成分。1）中间纤维的类型和分布IF是一类形态上非常相似，而化学组成上有明显差异的蛋白质。根据其组织分布、生化、遗传及免疫学标准分为六大类。角蛋白

结蛋白胶质原纤维酸性蛋白波形纤维蛋白神经纤丝蛋白核纤层蛋白(lamin)中间纤维的类型IF蛋白序列类型

主要组织分布酸性角蛋白I

上皮中性/碱性角蛋白II

上皮波形蛋白III

间充质细胞结蛋白III

肌肉外周蛋白胶质原纤维酸性蛋白IIIIII外周神经元神经胶质细胞神经丝蛋白(NF-L,M,H)IV

中枢神经元和外周神经核纤层蛋白(lamin)(LaminA,B,C)V

所有细胞类型（核被膜）NestinVI

神经干细胞A角蛋白人类上皮细胞有20余种不同的角蛋白，分为α和β两类β角蛋白又称胞质角蛋白，分布于体表、体腔的上皮细胞中。α角蛋白为头发、指甲等坚韧结构所具有。根据组成氨基酸的不同，也可分为酸性角蛋白(I型)中性/碱性角蛋白(II型)B波形纤维蛋白存在于间充质细胞及中胚层来源的细胞。波形蛋白一端与核膜相连，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。C结蛋白存在于肌肉细胞，又称骨骼蛋白。主要功能:使肌纤维连在一起。D胶质原纤维酸性蛋白存在于星形神经胶质细胞和周围神经的许旺细胞，主要起支撑作用。E神经丝蛋白由三种分子量不同的多肽组成的异聚体。NF-L(low,60~70KD)NF-M(medium,105~110KD)NF-H(heavy,135~150KD)功能：提供弹性使神经纤维易于伸展、防止断裂。2）

中间纤维的装配3）中间纤维的功能在细胞内形成完整的网状骨架系统为细胞提供机械支持参与细胞连接参与细胞内信息传递及物质运输维持细胞核膜稳定参与细胞分化在细胞内形成完整的网状骨架系统中间纤维在靠近核区域多次分支，且与核纤层相连，整个纤维网架穿过胞质终止于质膜。通过由纤维网状蛋白组成的细长束状交联桥可见中间纤维与微管连接。中间纤维微管为细胞提供机械支持细胞内的中间纤维通过桥粒相互连接形成贯穿于整个组织的网络，支持该组织并抵抗外界压力与张力。上皮细胞中是角蛋白中间纤维。心肌细胞中