细胞生物学 06 细胞骨架

CytoskeletalSystemoftheCell细胞骨架细胞骨架概述(cytoskeleton)真核细胞中的蛋白质纤维立体网络体系是真核生物所特有的结构狭义上包括微管、微丝和中间纤维在进化上高度保守几乎参与细胞一切重要生命活动

细胞骨架成分功能异常将导致多种疾病细胞骨架的激光共聚焦显微镜观察真核细胞的骨架体系真核细胞的骨架体系

微管(microtubule，MT)

微丝(microfilament，MF)

中间纤维(intermediatefilament，IF)细胞的运动细胞骨架与疾病细胞骨架微管(microtuble，MT)微管的化学组成微管的形态结构微管结合蛋白微管的组装微管的功能最粗的细胞骨架成分微管蛋白(tubulin)：球形酸性蛋白，异二聚体()结合位点：GTP/GDP、阳离子(Ca2+、Mg2+)和秋水仙素/胺、长春新碱γ微管蛋白：微管组织中心微管(microtuble，MT)微管的化学组成微管的形态结构微管结合蛋白微管的组装微管的功能由微管蛋白形成的中空管状结构外径：20-25nm；内径15nm极性分子：

存在形式：单管、二联管和三联管动态结构微管附属结构（如鞭毛、纤毛的动力蛋白臂等）微管的形态单管二联管三联管微管的三种类型不稳定动态结构较稳定结构细胞质中，分散或成束鞭毛和纤毛中心粒、鞭毛和纤毛基体微管(microtuble，MT)微管的化学组成微管的形态结构微管结合蛋白微管的组装微管的功能同微管相结合的辅助蛋白参与微管装配

两个区域：碱性微管结合区域酸性突出区域主要包括：MAP-1、MAP-2、tau和MAP-4微管结合蛋白（microtubuleassociatedprotein，MAP）微管结合蛋白可调节微管特异性，并将微管连接到特定的细胞器上，同时可调节微管功能。主要包括MAP-1，MAP-2，tau，MAP-4，xMAP125等。具有两个结构域：碱性的微管结合结构域，可与微管蛋白结合；酸性结构域，可以横桥方式与其他骨架纤维连接。极性分子：二聚体→片层→13根原纤维多阶段：延迟期聚合期稳定期动态不稳定性：tubulin-GTP聚合tubulin-GDP解聚微管(microtuble，MT)微管的化学组成微管的形态结构微管结合蛋白微管的组装微管的功能微管的组装和去组装βtubulinGTP聚合GDP解聚快慢微管的体外装配微管的体外装配动态不稳定性GTPcapGTP→GDPtubulinGTP聚合GDP解聚体外组装条件：tubulin浓度、pH6.9、一定盐浓度(有Mg2+、无Ca2+)、37℃和GTP体内组装：自我调节（间期、M期）微管组织中心（MTOC）：中心体、基体-微管蛋白环形复合体（γ-TuRC）微管(microtuble，MT)微管的化学组成微管的形态结构微管结合蛋白微管的组装微管的功能中心体上的微管蛋白环：MTOC(A)中心体的无定型基质中含有-微管蛋白环形复合体（γ-TuRC），它是微管生长的初始部位；(B)附着有微管的中心体，微管的正端向外发散，负端埋藏在中心体中。体内装配中心体上的微管蛋白环：MTOC

-微管蛋白环形复合体（γ-TuRC）存在于微管组织中心，它能使负端稳定，α/β异二聚体与其结合，形成短微管。γ-TuRC受细胞周期调控：间期形成能力被关闭；G2→M期被激酶磷酸化开放。体内装配多因素调控，尤其MAP微管特异性药物：秋水仙素/胺、长春新碱：微管组装的特异性抑制剂紫杉酚、重水：促进微管组装，增加稳定性微管(microtuble，MT)微管的化学组成微管的形态结构微管结合蛋白微管的组装微管的功能微管(microtuble，MT)微管的化学组成微管的形态结构微管结合蛋白微管的组装微管的功能支持、维持细胞的形态参与中心粒、纤毛和鞭毛形成参与细胞内物质运输维持细胞器的定位和分布参与染色体运动，调节细胞分裂参与细胞内信号转导微管维持细胞的形态微管(microtuble，MT)微管的化学组成微管的形态结构微管结合蛋白微管的组装微管的功能支持、维持细胞的形态参与中心粒、纤毛和鞭毛形成参与细胞内物质运输维持细胞器的定位和分布参与染色体运动，调节细胞分裂参与细胞内信号转导鞭毛与纤毛的摆动鞭毛和纤毛的结构中心粒微管(microtuble，MT)微管的化学组成微管的形态结构微管结合蛋白微管的组装微管的功能支持、维持细胞的形态参与中心粒、纤毛和鞭毛形成参与细胞内物质运输维持细胞器的定位和分布参与染色体运动，调节细胞分裂参与细胞内信号转导微管参与细胞内物质运输微管参与细胞内物质运输微管马达蛋白微管参与细胞内物质运输神经元轴突运输的类型种类速度成分快速转运顺梯度50-400mm/天膜性细胞器和物质、线粒体、突触小泡逆梯度200mm/天前溶酶体小泡、溶酶体酶、内吞小泡慢速转运慢成分b2-8mm/天微丝、血影蛋白、包涵素、钙调蛋白慢成分a0.2-1mm/天微管、神经纤维、血影蛋白微管(microtuble，MT)微管的化学组成微管的形态结构微管结合蛋白微管的组装微管的功能支持、维持细胞的形态参与中心粒、纤毛和鞭毛形成参与细胞内物质运输维持细胞器的定位和分布参与染色体运动，调节细胞分裂参与细胞内信号转导维持细胞内细胞器的定位和分布细胞内线粒体随微管分布移动微管(microtuble，MT)微管的化学组成微管的形态结构微管结合蛋白微管的组装微管的功能支持、维持细胞的形态参与中心粒、纤毛和鞭毛形成参与细胞内物质运输维持细胞器的定位和分布参与染色体运动，调节细胞分裂参与细胞内信号转导参与染色体的运动，调节细胞分裂MTOC（-）（+）（+）（-）（-）（+）（+）参与染色体的运动，调节细胞分裂纺锤体和染色体电镜照片

微管(microtubule，MT)

微丝(microfilament，MF)

中间纤维(intermediatefilament，IF)细胞的运动细胞骨架与疾病细胞骨架微丝(microfilament，MF)微丝的化学组成微丝的形态结构微丝结合蛋白微丝的组装微丝的功能肌动蛋白(actin)：G-actin和F-actin两个亚基，呈蛤蚌状肌动蛋白的结构及构象变化肌动蛋白单体呈蛤蚌状结构。分子中具有ATP/ADP结合位点，ATP-actin与肌动蛋白纤维末端亲合力强，ADP-actin结合能力弱。微丝(microfilament，MF)微丝的化学组成微丝的形态结构微丝结合蛋白微丝的组装微丝的功能肌动蛋白(actin)：G-actin和F-actin两个亚基，呈蛤蚌状结合位点：ATP/ADP、阳离子(Mg2+、K+或Na+)和细胞松弛素B极性分子真核细胞中高度保守微丝(microfilament，MF)微丝的化学组成微丝的形态结构微丝结合蛋白微丝的组装微丝的功能最纤细的骨架成分（5-8nm）由G-肌动蛋白形成的实心纤维状结构极性分子呈双螺旋结构分散或成束存在动态结构电子显微镜下的微丝图A示微丝的电镜照片(bar=50nm)；图B示微丝的结构模式图，由于肌动蛋白分子具有方向性，其首尾串接形成的肌动蛋白纤维同样具有极性，这种极性不仅表现在结构上，而且还体现在功能上。微丝结构模式图微丝分散或成束存在微丝结合蛋白细胞内微丝和线粒体双标荧光染色绿色纤维示微丝，红色区域示线粒体细胞内微丝的免疫荧光显微技术观察微丝结合蛋白及其功能目前已分离的出100多种微丝结合蛋白，它们主要与微丝的装配及微丝的功能有关，可从多种水平调控微丝的组装。微丝(microfilament,MF)微丝的化学组成微丝的形态结构微丝结合蛋白微丝的组装微丝的功能调控微丝的动态组装肌肉收缩系统有关蛋白：肌球蛋白（myosin）原肌球蛋白（tropomyosin）肌钙蛋白（troponin）非肌细胞中的微丝结合蛋白肌钙蛋白复合体原肌球蛋白肌球蛋白肌肉收缩系统有关蛋白非肌细胞中的微丝结合蛋白类型功能单体隔离蛋白抑制蛋白胸腺素与单体actin结合，抑制它们的聚合交联蛋白细丝蛋白actin结合蛋白gelatin使两个或多个肌动蛋白纤维产生交联，形成网络三维结构末端阻断蛋白辅肌动蛋白加帽蛋白CapZ结合在肌动蛋白纤维末端，调节纤维长度纤维切割蛋白凝溶胶蛋白片段化蛋白结合并切割肌动蛋白纤维actin纤维解聚蛋白CofilinADF结合并引起肌动蛋白纤维快速解聚成单体膜结合蛋白营养不良蛋白黏着斑蛋白使非肌细胞质膜下方产生收缩微丝及微丝结合蛋白微丝(microfilament,MF)微丝的化学组成微丝的形态结构微丝结合蛋白微丝的组装微丝的功能组装条件：G-actin、ATP和一定盐浓度(Mg2+、Na+、K+)多阶段：成核期聚合期稳定期受多种因素调控，尤其是微丝结合蛋白细胞松弛素B：微丝组装的特异性抑制剂微丝组装的“非稳态动力学模型”和“踏车模型”微丝组装的非稳态动力学模型ATPcap动画负端正端稳定期微丝(microfilament,MF)微丝的化学组成微丝的形态结构微丝结合蛋白微丝的组装微丝的功能构成细胞的支架，维持细胞形态：微绒毛、应力纤维参与细胞运动：伪足参与细胞分裂：缢缩环参与肌肉收缩：细肌丝参与细胞内物质的运输参与细胞内信号转导培养的上皮细胞中的应力纤维（微丝红色、微管绿色）微丝与细胞微绒毛肌球蛋白-I微丝毛缘蛋白绒毛蛋白微绒毛微丝(microfilament,MF)微丝的化学组成微丝的形态结构微丝结合蛋白微丝的组装微丝的功能构成细胞的支架，维持细胞形态：微绒毛、应力纤维参与细胞运动：伪足参与细胞分裂：缢缩环参与肌肉收缩：细肌丝参与细胞内物质的运输参与细胞内信号转导微丝参与细胞运动放射虫动画微丝(microfilament,MF)微丝的化学组成微丝的形态结构微丝结合蛋白微丝的组装微丝的功能构成细胞的支架，维持细胞形态：微绒毛、应力纤维参与细胞运动：伪足参与细胞分裂：缢缩环参与肌肉收缩：细肌丝参与细胞内物质的运输参与细胞内信号转导微丝参与细胞分裂缢缩环微丝(microfilament,MF)微丝的化学组成微丝的形态结构微丝结合蛋白微丝的组装微丝的功能构成细胞的支架，维持细胞形态：微绒毛、应力纤维参与细胞运动：伪足参与细胞分裂：缢缩环参与肌肉收缩：细肌丝参与细胞内物质的运输参与细胞内信号转导微丝参与肌肉收缩我这是肌肉！终池横小管肌膜肌原纤维肌浆网骨骼肌结构模式图快速冷冻蚀刻电镜技术显示粗细肌丝间的横桥连接粗肌丝（肌球蛋白）细肌丝（肌动蛋白）细肌丝肌球蛋白头部粗肌丝骨架粗肌丝与细肌丝微丝结合蛋白——肌球蛋白（myosin）横纹肌中的细肌丝肌钙蛋白复合体原肌球蛋白微丝与肌肉收缩在肌肉中，由肌动蛋白、原肌球蛋白和肌钙蛋白构成细肌丝，与由肌球蛋白构成的粗肌丝的相互滑动，导致了肌肉收缩。粗细肌丝相对滑动的过程动画粗肌丝与细肌丝微丝(microfilament,MF)微丝的化学组成微丝的形态结构微丝结合蛋白微丝的组装微丝的功能构成细胞的支架，维持细胞形态：微绒毛、应力纤维参与细胞运动：伪足参与细胞分裂：缢缩环参与肌肉收缩：细肌丝参与细胞内物质的运输参与细胞内信号转导微丝与胞质环流微丝(microfilament,MF)微丝的化学组成微丝的形态结构微丝结合蛋白微丝的组装微丝的功能构成细胞的支架，维持细胞形态：微绒毛、应力纤维参与细胞运动：伪足参与细胞分裂：缢缩环参与肌肉收缩：细肌丝参与细胞内物质的运输参与细胞内信号转导微丝与信号转导牛大动脉内皮细胞的延时成像揭示关键信号携带蛋白paxillin

（橘红）和肌动蛋白丝一前一后，向细胞核运动。2007年《BiochemicalandBiophysicalResearchCommunications(BBRC)》杂志报道，加州大学圣地牙哥分校生物工程研究人员公布了关键信号携带蛋白paxillin从信息网络中心出发，沿细胞表面朝细胞核运动的视频录像。

微管(microtubule，MT)

微丝(microfilament，MF)

中间纤维(intermediatefilament，IF)细胞的运动细胞骨架与疾病细胞骨架中间纤维(intermediatefilament,IF)中间丝的形态结构中间丝的化学组成中间丝的组装中间丝的功能直径介于微管与微丝之间最坚韧、持久的骨架纤维由中间纤维蛋白形成的中空管状结构中间纤维(intermediatefilament,IF)中间丝的形态结构中间丝的化学组成中间丝的组装中间丝的功能由中间纤维蛋白形成的中空管状结构具有组织细胞特异性包括多种蛋白质亚类具有共同的结构特征：保守的杆状部分和高度可变的头尾区中间纤维蛋白及其分布类型名称分子量细胞定位分布细胞I型酸性角质蛋白40～64kd胞质上皮细胞II型碱性角质蛋白52～68kd胞质上皮细胞III型波形纤维蛋白结蛋白胶质纤维酸性蛋白周边蛋白55kd53kd50～52kd54kd胞质胞质胞质胞质间充质细胞肌细胞神经胶质细胞多种神经细胞IV型-内连蛋白神经纤维蛋白56kd53kd胞质胞质神经细胞神经细胞V型核纤层蛋白A/C、B62～72kd65～68kd胞核胞核大多数分化细胞所有细胞VI型融合蛋白平行蛋白巢蛋白182kd178kd240kd胞质胞质胞质肌细胞肌细胞神经干细胞，肌细胞未分类phakinin、filensin46kd，83kd胞质晶体细胞中间纤维蛋白及其分布类型分布细胞角蛋白纤维上皮细胞波形纤维间质细胞中胚层来源细胞结蛋白纤维肌细胞神经原纤维神经元神经胶质纤维神经胶质细胞核纤层蛋白细胞核中间纤维的分子结构keratins:角蛋白；vimentin:波形蛋白；neurofilamentproteins:神经纤维蛋白；nuclearlamins:核纤层蛋白中间纤维(intermediatefilament,IF)中间丝的形态结构中间丝的化学组成中间丝的组装中间丝的功能多步骤逐级组装中间纤维蛋白单体具有极性，中间纤维分子不具极性中间纤维的组装无须核苷酸和结合蛋白的参与，其装配受到蛋白单体磷酸化和去磷酸化的调节中间纤维的组装首先两个中间纤维分子以平行且相互对齐的方式形成双股超螺旋二聚体，具有极性；二聚体按半分子交错、以反向平行方式组装成四聚体，没有极性；每个四聚体进一步组装成原丝；两根原丝相互缠绕，以半分子交错形成八聚体的原纤维；四根原纤维相互缠绕最终形成中间纤维。中间纤维的横截面有32个中间纤维蛋白单体。在胞内形成完整的网状骨架系统；为细胞提供机械强度支持；参与细胞连接；参与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。中间丝的形态结构中间丝的化学组成中间丝的组装中间丝的功能中间纤维(intermediatefilament,IF)

微管(microtubule，MT)

微丝(microfilament，MF)

中间纤维(intermediatefilament，IF)细胞的运动

细胞骨架与疾病细胞骨架图：手足复发性ＥＢＳ患者足部水疱单纯性大泡性表皮松解症(epidermolysis

bullosasimplex)：因角蛋白K5或K14的基因突变引起基底细胞内角蛋白的组成和结构异常，使他们对机械性损伤非常敏感，轻微的挤压可使突变的基底细胞破坏，患者皮肤出现水泡。阿尔茨海默病(老年痴呆症，Alzheimer’sdiseases,AD)：一种进行性发展的致死性神经退行性疾病，临床表现为进行性精神状态衰变，包括记忆、智力、定向、判断能力、情感障碍和行为失常甚至发生意识模糊等。起病多在50岁以后。随着人类寿命的延长，本病的发病率呈增高趋势。按照美国的诊断标准，上海60岁以上人群发病率为3.46％。65岁以上人群为4.61％。患者通常在发病后5～6年内死于继发感染和全身衰竭。第一个报告的阿尔茨海默症病人，19072009年诺贝尔物理学奖得主、华裔科学家高锟04年被查出患有阿尔茨海默症高锟爵士，华裔电机工程师及