细胞生物学课件：细胞骨架(第十一章微管)

细胞骨架

细胞骨架（cytoskeleton）是指真核细胞中的蛋白纤维网络结构。发现较晚，主要是因为一般电镜制样采用低温（0-4℃）固定，而细胞骨架会在低温下解聚。直到20世纪60年代后，采用戊二醛常温固定，才逐渐认识到细胞骨架的客观存在。广义的细胞骨架包括细胞质骨架、细胞核骨架、细胞膜骨架、细胞外基质四部分，形成贯穿于细胞核、细胞质、细胞外的一体化网络结构。狭义的细胞骨架是指真核细胞的细胞质中支持细胞形状和引导细胞及细胞成分运动的纤维性细胞质骨架网体系。

微管（Microtubule）（细胞质骨架）

微丝

纤丝中间丝

粗丝一个培养细胞的细胞骨架培养细胞经固定后用考马斯亮蓝染色，显示遍布整个细胞内的各种蛋白质性的丝状结构。微管分布在核周围,并呈放射状向胞质四周扩散。微丝分布在细胞质膜的内侧。中间纤维则分布在整个细胞中

细胞骨架的主要作用：1.细胞骨架决定动物细胞形态，维持细胞内部结构的有序性，抵制外界压力对细胞的破坏；2.负责多种细胞器在细胞内的定位；3.指导物质和细胞器在胞内的移动；4.为细胞本身移动和构成细胞运动的力量来源装置；5.为mRNA提供锚定位点，帮助mRNA翻译成多肽链；6.是细胞分裂机制中的重要成分。微丝8中间丝微管第十一章

微管和微管结构一．微管的形态结构微管：细胞质中由微管蛋白组成的一种细长而具有一定刚性的中空圆管状的结构。广泛存在于各种真核细胞中，在细胞中多呈网状或束状分布，与维持细胞形态、细胞运动及细胞分裂有关。中空圆管13条原纤维外径：24~26nm内径：15nm在胞质中微管可装配成单管（主要存在形式）二联管（纤毛和鞭毛）三联管（中心粒和基体）二．微管的化学组成构成微管的主要蛋白为微管蛋白（85-95%），目前发现微管蛋白有7种亚型，认识较为深入的为α、β和r三种微管蛋白。（一）α、β和r微管蛋白α、β微管蛋白是微管结构的主要成分，两者组成异二聚体，是构成微管的基本单位，二聚体首位相连形成原丝，13条原丝组成一个微管。αβ微管蛋白原丝或原纤维微管蛋白异二聚体上的结合位点：

a.秋水仙素结合位点：α微管蛋白第201位的Cys，抑制微管组装。b.长春花碱结合位点：β微管蛋白的175-213残基，抑制微管蛋白的组装。c.鸟嘌呤核苷酸（GTP）结合位点d.二价阳离子Mg2+的结合位点微管的装配需GTP提供能量，且需要Mg2+的存在。每一二聚体上均有GTP和Mg2+的结合位点，当α和β微管蛋白同GTP结合后被激活，引起微管蛋白分子的构象改变，从而使异二聚体结合成微管。r微管蛋白

近年来发现的一种微管蛋白，含量不足微管蛋白的1%。存在于微管组织中心，对微管的组成和极性的确定至关重要。80%的r微管蛋白以环状复合体的形式存在。a.4个未知蛋白组成了环状结构的基础;b.13个r微管蛋白以左手螺旋的形式彼此排列成环状；c.α/β微管蛋白异二聚体与r微管蛋白分子相连，故微管只能装配成13根原丝，这样便形成了微管的负极端；d.以此为基础，微管向正极延伸，建立起微管的极性。（二）微管结合蛋白(Microtubule-AssociatedProtein,MAP)

MAP不是构成微管壁的基本元件，是微管蛋白装配成微管后结合在微管表面的辅助蛋白，具有稳定微管结构以及介导微管与其他细胞成分相互作用的功能。1.种类：高分子量MAP：MAP1（三种亚型），常在微管间形成横桥，调控微管延长，但不能使微管成束；MAP2

（三种亚型），“L”形，能在微管间以及微管与中间丝间形成横桥，能使微管成束。低分子量MAP：MAP4，起稳定微管的作用tau

蛋白:5种亚型，大小在55～62kDa，最显著的结构特点是有Pro-Gly-Gly-GLy重复序列，增加微管装配的起始点和促进起始装配速度，进而促进二聚体组装成多聚体。此外具有控制微管延伸的作用。MAP-2与微管结合的模式图L型短臂结合在微管突出的长臂可界定微管在成束时彼此之间的间距大小。短臂为微管促进装配区，可调节微管装配。MAP2上有一些磷酸化位点，磷酸化的MAP2可抑制微管的装配Tau的作用：加快微管的形成MAP2的过表达可使微管成束时保持较宽距离；Tau的过表达可使微管成束时保持较窄距离。2.微管结合蛋白的功能①调节微管装配；②对微管有稳定作用；MAP通过横向连接相邻微管，使微管按一定的方式排列，并对已装配好的微管有稳定作用。③MAP1和tau具有调节微管蛋白及肌动蛋白与MAP2和tau的相互作用；④动力蛋白臂具ATP酶活性，为鞭毛和纤毛运动提供动力。（三）微管蛋白的结合蛋白除了与微管纤维结合的蛋白外，游离的微管蛋白二聚体也有其结合蛋白，可调控体内微管的装配。控装蛋白（癌蛋白18）是一类小的热稳定蛋白，能够结合两分子的微管蛋白异二聚体，从而阻止他们安装到微管上。微管的延伸速率与可获得的自由的微管蛋白的亚基的浓度有关。三、微管的特性1、自我装配（1）体外装配条件：受微管蛋白的浓度、pH、温度的影响。A：微管蛋白浓度—1mg/ml；B：最适PH6.9；C：温度，37℃装配，0℃解聚；D：Mg2+必须，Ca2+尽可能除去，钙离子浓度的提高可引起微管解聚；E：需要GTP供能。（2）体内装配：包括核聚和延伸两个步骤，具有严格时空性，微管和微管蛋白处于一种相对平衡状态。稳定微管：纤毛、鞭毛；不稳定微管：纺锤体（3）装配方式：α,β微管蛋白——异二聚体——原纤维——片状原纤维——微管。

踏车现象：在一定条件下，微管的一端发生装配，使微管不断延长，而在另一端发生解聚而使微管缩短。2、微管组织中心（MicrotubuleOrgnanizingCenter,MTOC）微管的装配总是先由一定区域开始的，该区域为MTOC。所有动物细胞中，中心体（centrosome)是主要的微管组织中心。真正起MTOC作用的可能是位于中心粒周围的一些蛋白质成分。3、极性（Polarity）

结构有极性：微管两端结构不同，β微管蛋白所处的一端为正极（+），以装配为主；α微管蛋白所处的一端为负极（-），以拆除为主。

生长有极性：MTOC处为负极，背向MTOC处为正极。生长端为+，起始端为-。+-βαβαβαβαβαβαβα

远端生长端起始端正端（+）负端（-）头端尾端

微管的聚合和解聚具有头尾极性。微管的延长主要靠在“＋”极组装GTP微管蛋白。4、稳定性与微管蛋白浓度及GTP的存在有关GTP—微管蛋白GDP—微管蛋白在微管生长端，GTP微管蛋白不断添加到（+）游离端，速度大于GTP的水解，GTP微管蛋白在游离端彼此结合，形成GTP帽，此帽可防止微管解装配，从而微管继续生长。当微管生长速度下降，GTP微管蛋白聚合速度小于GTP的水解，GTP帽消失，暴露出GDP微管蛋白，由于其结合不紧密，微管解聚而缩短。微管总是处于动态不稳定状态。5、微管的特异性药物

只能与α,β微管蛋白或微管结合，成为研究微管作用机制的有力工具1、抑制微管组装药物：秋水仙素、秋水仙胺、鬼臼素、长春花碱等。秋水仙素(colchicine)结合的微管蛋白可加合到微管上，但阻止其他微管蛋白单体继续添加，从而破坏纺锤体结构，长春花碱具有类似的功能。2、稳定微管的药物：紫杉酚、重水。紫杉酚(taxol)等能促进微管的装配,并使已形成的微管稳定。但这种稳定性会破坏微管的正常功能。以上药物均可以阻止细胞分裂，可用于癌症的治疗。四、微管的功能1．支持和维持细胞形态2．维持细胞内细胞器的空间定位分布摩托蛋白与微管的相互作用影响某些细胞器的空间定位分布。

驱动蛋白与内质网膜的胞质面结合，沿微管向细胞四周施以拉力，从而使内质网在细胞质溶质中展开。细胞质溶质动力蛋白与高尔基体膜结合，沿微管向近核方向牵拉，从而使高尔基体位于细胞中央，定位于中心体附近。深绿：微管浅兰：内质网黄色：高尔基体上图：内质网抗体染色下图：微管抗体染色上图：高尔基抗体染色下图：微管抗体染色

3、细胞内的物质运输真核细胞内部是高度区域化的体系,细胞中合成的物质、一些细胞器等必须经过细胞内运输过程。这种运输过程与细胞骨架体系中的微管及其Motorprotein有关。微管为膜泡和细胞器的胞内运输提供轨道并指导运输方向。运输动力来自两种摩托蛋白：胞质动力蛋白—具有ATP酶活性，移动方向“+”“-”；有识别能力，选择性运输；向着微管（-）极运输小泡。驱动蛋白：有ATP酶活性，移动方向“-”“+”，能向着微管（+）极运输小泡。驱动蛋白kinesin动力蛋白dyenin动力肌动蛋白复合体驱动连接蛋白4．细胞运动：细胞的运动器—纤毛、鞭毛由微管构成。5．纺锤体与染色体的运动：纺锤体由微管构成6．植物细胞壁的形成：微管对植物细胞纤维素纤维形成的方向有一定的控制作用。纤维素纤维为构成植物细胞的初生壁和次生壁的主要成分。质膜下方的微管排列与质膜外侧纤维素的沉积方向一致。7．纤毛与鞭毛的运动纺锤体与染色体的运动五微管组成的细胞器SingletDoubleTripletABABCInciliaandflagellaIncentriolesandbasalbodies（一）、中心体核附近圆管状短筒2个相互垂直1．中心体的结构：中心粒+中心粒周围物质中心粒：中心体中两个深染的颗粒中心粒周围物质：中心粒周围透亮的细胞质区，无线粒体、高尔基复合体和核糖体等细胞器的存在中心粒周围物质中含有数百个γ微管蛋白环状复合体—微管生成的诱导起点，“晶种”2.中心粒的发生A.结构*九组三联体微管排列成筒状三联体微管由内到外：A、B、C微管A——完全微管B、C——不完全微管B.中心粒的自我装配在S期产生前中心粒，至分裂前期，前中心粒延长形成两个成熟中心粒分配到2个子细胞。C.中心粒的主要功能组织形成纤毛、鞭毛和纺锤体（二）、纤毛、鞭毛1、结构：两者结构基本相同，所不同的是纤毛短而多，鞭毛长而少。

纤毛本体

（细胞游离面向外伸出的细柱状突起，表面包有一层质膜）转变区：基体向外延伸，到达质膜处三联体微管的C微管终止，此区内微管结构为二联体微管基体（纤毛基部质膜下方的圆筒形结构，结构与中心粒完全相同）

纤毛有些细胞具有纤毛小根，从基体上发出，大多数具有横纹，由一些平行的微丝构成，有固定纤毛和收缩的作用，横纹处有ATP酶活性纤毛本体的轴丝——“9+2型”微管结构外周：9组二联体微管外周二联丝轴丝A亚丝，整管；B亚丝，C型半管中央：2条中央微管外周二联丝中央鞘放射辐中央微管A亚丝：短臂（内臂和外臂：动力蛋白）放射辐（辐头）中央微管：外周为蛋白质性质的中央鞘外周二联丝之间靠二联丝间连桥连接二联丝跟中央微管靠放射幅连接外动力蛋白臂内动力蛋白臂中央鞘放射辐连接蛋白桥中央单体微管2．化学组成：微管蛋白，动力蛋白，连接蛋白轴心微管组成：-微管蛋白二聚体-缺乏秋水仙素结合位点

轴心蛋白结构-微管蛋白二聚体-动力蛋白臂—动力蛋白，具ATP酶活性，纤毛运动的动力来源。