真核细胞的基本结构

第五节、细胞骨架（cytoskeleton）当前第1页\共有88页\编于星期四\9点

细胞骨架（cytoskeleton）是指存在于真核细胞内的蛋白纤维网架体系，主要包括三类蛋白纤维即微管、微丝和中间纤维。分为细胞质骨架和核骨架当前第2页\共有88页\编于星期四\9点细胞骨架的分布与功能微管主要分布在核周围,并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。而中间纤维则分布在整个细胞中。细胞骨架对于维持细胞的形态结构及内部结构的有序性，以及在细胞运动、物质运输、能量转换、信息传递和细胞分化等一系列方面起重要作用。

注意细胞骨架结构的高度动态性当前第3页\共有88页\编于星期四\9点当前第4页\共有88页\编于星期四\9点一、微管

（microtubule，MT）微管是由微管蛋白（tubulin）组成的中空管状结构，直径24-26nm。呈网状和束状分布,并能与其他蛋白共同组装成纺锤体、基粒、中心粒、纤毛、鞭毛、轴突、神经管等结构。动态微管与稳定微管当前第5页\共有88页\编于星期四\9点纤毛与鞭毛是结构相似的与运动有关的特化结构，本质是微管。由基体和轴丝两部分构成。轴丝微管为9+2结构，基体微管组成为9+0。当前第6页\共有88页\编于星期四\9点Stablemicrotubuleanddynamicmicrotubule当前第7页\共有88页\编于星期四\9点微管的功能维持细胞形态细胞内物质运输的轨道细胞器的定位鞭毛和纤毛运动纺锤体与染色体运动当前第8页\共有88页\编于星期四\9点1.微管的结构和组分微管可装配成单管、二联管(纤毛和鞭毛中)、三联管(中心粒和基体中)。单管由13条原纤维（protofilament）构成。每一条原纤维由微管蛋白异二聚体线性排列而成。微管蛋白异二聚体由结构相似的α-tubulin和β-tubulin构成。当前第9页\共有88页\编于星期四\9点微管组装的结构单位——αβ微管蛋白异二聚体两亚基结构相似，为直径4nm的球形分子，有35-40%的序列同源性每个异二聚体有2个GTP结合位点，其中α-tubulin上的结合位点为不可交换位点，而β-tubulin的位点为可交换位点，可发生GTP与GDP的交换当前第10页\共有88页\编于星期四\9点αβ-tubulin异二聚体的线性排列产生微管结构上呈极性状态，并导致两端聚合速度的差异，聚合快的为正极当前第11页\共有88页\编于星期四\9点2.微管的组装与解聚当前第12页\共有88页\编于星期四\9点微管的体外组装成核(Nucleation)：α-tubulin和β-tubulin形成异二聚体，先形成片状或环状核心，经过侧面增加异二聚体而扩展为螺旋带，当螺旋带加宽至13根原纤维时，即合拢形成一段微管。延伸(Elongation)：异二聚体从两端加到已形成的微管上，不断延长。当前第13页\共有88页\编于星期四\9点微管组装的特点微管具有极性，装配快的为正极，慢的为负极。大多数微管结构处于动态组装和去组装状态，具有动态不稳定性。适宜的温度、高浓度GTP、Mg2+和去除Ca2+的条件有利于微管聚合，相反则趋向于解聚。表现踏车现象（treadmilling）：微管长度不变时，正端聚合与负端解聚的速度相同。秋水仙素、长春花碱抑制微管装配；紫杉醇能促进和稳定微管组装。当前第14页\共有88页\编于星期四\9点GTP浓度对微管聚合至关重要：GTP-tubulin与微管末端的亲和力大，易在末端聚合，GTP-tubulin浓度高时，聚合快微管延长；聚合后β-tubulin内的GTP易水解为GDP，GDP-tubulin与微管末端亲和力小，易从负端解聚。当前第15页\共有88页\编于星期四\9点踏车现象（treadmilling）当前第16页\共有88页\编于星期四\9点活细胞内起始微管的成核作用的细胞结构，或体外微管解聚后重新装配的发生处称为微管组织中心，提供微管组装的核心。MTOC包括中心体、基体、着丝点和微管星体等3.微管组织中心（microtubuleorganizingcenter,MTOC）当前第17页\共有88页\编于星期四\9点中心体（centrosome）存在于大多数动物细胞，作用是组装纺锤体微管，由一对三联体微管构成的中心粒（centriole）和中心粒周基质（pericentriolarmaterial，PCM）组成当前第18页\共有88页\编于星期四\9点中心体的微管组织中心作用当前第19页\共有88页\编于星期四\9点PCM中的γ-tubulin是中心体中具成核作用的关键组分，中心粒起支持作用当前第20页\共有88页\编于星期四\9点4.微管结合蛋白（microtubule-associatedproteins）包括MAPs和tau蛋白两类，促进微管的组装、稳定和微管束的交联，参与稳定微管的形成神经元中MAP2存在于胞体和树突，tau存在于轴突当前第21页\共有88页\编于星期四\9点5.微管马达蛋白（microtubularmotorproteins）驱动膜泡沿微管轨道定向运输的分子马达，具有ATP结合位点和微管结合位点两个重要功能位点包括驱动蛋白（kinesin）和动力蛋白（dynein）两大家族，通常分别驱动膜泡的正向运输和负向运输当前第22页\共有88页\编于星期四\9点Kinesin：plusend-directedmotorDynein：minusend-directedmotor当前第23页\共有88页\编于星期四\9点二、微丝（microfilament,MF）又称肌动蛋白纤维（actinfilament），是由两股肌动蛋白链螺旋形成的实心纤维，直径约7nm。主要由肌动蛋白（actin）构成。排列成束、成网或分散于胞质。广泛存在于真核细胞，在具有运动功能的细胞中尤为发达当前第24页\共有88页\编于星期四\9点当前第25页\共有88页\编于星期四\9点微丝参与细胞运动、形态维持、肌肉收缩、胞质分裂、形成微绒毛等功能当前第26页\共有88页\编于星期四\9点

1.微丝的结构和分子组成Actin是细胞内含量最丰富的蛋白之一，actin2种形式：球形单体G-actin：呈哑铃形，中央有ATP等结合位点；由G-actin聚合成的纤维形多聚体F-actin。当前第27页\共有88页\编于星期四\9点2.微丝的组装微丝也处于组装和去组装的动态平衡中，有多种微丝结合蛋白的参与。2-3个actin聚集成一个核心，ATP-actin分子向核心两端加合。微丝具有极性，也存在踏车现象。聚合条件：ATP、适宜的温度、存在K+和Mg2+。当前第28页\共有88页\编于星期四\9点多种微丝结合蛋白参与微丝的组装和去组装细胞松弛素（cytochalasin）特异地抑制微丝的聚合鬼笔环肽（phalloidine）稳定微丝结构当前第29页\共有88页\编于星期四\9点3.微丝结合蛋白（Actin-bindingproteins）当前第30页\共有88页\编于星期四\9点当前第31页\共有88页\编于星期四\9点4.微丝马达蛋白肌球蛋白（myosin）超家族成员是依赖微丝的分子马达已发现15种，其马达结构域都含有一个微丝结合位点和应该具有ATP酶活性的ATP结合位点MyosinII为传统的肌球蛋白，其它为非传统肌球蛋白当前第32页\共有88页\编于星期四\9点5.微丝与细胞迁移非肌细胞的迁移通过微丝构成的特化结构介导粘着斑片状伪足（lamellipodium）丝状伪足（filopodium）轴突生长锥（growthcone）当前第33页\共有88页\编于星期四\9点细胞在迁移信号刺激下，靠近信号源的细胞前缘微丝组装，推动质膜伸出形成伪足，后端粘着斑的微丝解聚，导致细胞迁移当前第34页\共有88页\编于星期四\9点微绒毛广泛分布于细胞表面，本质是微丝多种交联蛋白将微丝呈束状平行排列微丝束内部无肌球蛋白，故微绒毛无收缩功能当前第35页\共有88页\编于星期四\9点三、中间纤维（intermediatefilaments，IF）10nm中空纤维，直径介于微管和微丝之间，对化学药物不敏感，比微管和微丝更稳定。IF几乎分布于所有动物细胞，往往形成一个网络结构，特别是在需要承受机械压力的细胞中含量丰富，如上皮细胞中。在核内膜下的核纤层也属于IF。IF成分比MF、MT复杂，具有组织特异性。不同类型细胞中的IF具有不同的成分、结构和功能，根据其氨基酸序列等特性至少分为6大类。当前第36页\共有88页\编于星期四\9点当前第37页\共有88页\编于星期四\9点上皮细胞内IF（角蛋白keratin）和细胞间的桥粒波形蛋白vimentin当前第38页\共有88页\编于星期四\9点IF的装配：IF的装配机制比微管和微丝更复杂IF单体是纤维状蛋白，四聚体是IF的结构单位四聚体之间在纵向和侧向相互作用，形成由32条单体蛋白围成的IFIF不具极性当前第39页\共有88页\编于星期四\9点MTMFIF24-26nm空心7nm实心10nm空心核周围向外辐射皮层丰富胞质中网络样,核膜下方αβ-tubulin异二聚体G-actin单体纤维状四聚体直径结构单位极性马达蛋白相关结构主要功能纤维主要分布√√/Kinesin,DyneinMyosin/纺锤体,中心粒,微绒毛,分裂沟,桥粒,核纤层,纤毛,鞭毛,轴突等肌节,粘合带等角蛋白,波形蛋白形态维持,物质运输形态维持,细胞迁移,细胞形态及核轨道,细胞器定位,肌肉收缩,胞质分裂,形态维持,使细纤毛和鞭毛运动,形成微绒毛等胞具张力和抗染色体运动等剪切力等当前第40页\共有88页\编于星期四\9点第六节、细胞核（Nucleus）当前第41页\共有88页\编于星期四\9点细胞核（nucleus）是双层单位膜包围核物质而形成的结构。是细胞遗传与代谢的信息调控中心。是真核细胞区别于原核细胞的最主要标志。细胞核的形态、大小、位置和数目因细胞类型而不同。主要结构包括核膜、染色质、核仁和核基质。细胞核主要功能：通过遗传物质的复制和细胞分裂保持细胞世代间的连续性(遗传);通过基因的选择性表达,控制细胞的活动。当前第42页\共有88页\编于星期四\9点Intermediate-stagenucleus

structure当前第43页\共有88页\编于星期四\9点一、核膜nuclearenvelope核膜的超微结构：外核膜（outernuclearmembrane）内核膜（innernuclearmembrane）核纤层（nuclearlamina）核周间隙（perinuclearspace）核孔（nuclearpore）当前第44页\共有88页\编于星期四\9点核膜由双层单位膜构成间期出现核被膜，单位膜构成，每层7.5nm外核膜：内质网的一部分，胞质面附有核糖体内核膜：内侧有特异性蛋白核周间隙：宽20-40nm，与内质网腔相通内外核膜在核孔处融合核纤层（lamina）：位于内核膜下的纤维蛋白网络，由三种核纤层蛋白多肽（laminA-C）亚单位组成。可支持核膜，维持核的形态；为染色质提供附着位点；参与核膜的裂解和重建当前第45页\共有88页\编于星期四\9点核被膜在细胞周期中的裂解与重建当前第46页\共有88页\编于星期四\9点核孔与核孔复合体当前第47页\共有88页\编于星期四\9点核孔是核质间物质运输的通道核孔复合体（nuclearporecomplex，NPC）是镶嵌在内外核膜融合处形成的核孔上，由多种类型蛋白质构成的复杂结构。直径大约120nm，八角轮形，孔径70nm是物质交换的双向性亲水通道，对大分子的双向运输有高度选择性CytoplasmicfaceNuclearface当前第48页\共有88页\编于星期四\9点核孔复合体的鱼笼模型当前第49页\共有88页\编于星期四\9点爪蟾卵母细胞核质蛋白注射实验证明亲核蛋白的核输入需要自身具有核定位信号当前第50页\共有88页\编于星期四\9点二、染色质和染色体当前第51页\共有88页\编于星期四\9点染色质（chromatin）：指间期细胞核内由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量RNA组成的线性复合结构,是间期细胞遗传物质存在的形式。染色体（chromosome）：指细胞在有丝分裂或减数分裂过程中,由染色质聚缩而成的棒状结构。染色质与染色体具有基本相同的化学组成，但包装程度不同，构象不同。是同一物质在细胞周期不同阶段周期性相互转化的不同形态表现。当前第52页\共有88页\编于星期四\9点1.染色质的化学组成组成：DNA、组蛋白、非组蛋白、少量RNA比例：1:1:(1-1.5):0.05。DNA是遗传信息的载体染色质蛋白质负责DNA分子遗传信息的组织、复制和阅读当前第53页\共有88页\编于星期四\9点DNA是储存遗传信息的生物大分子，不同物种细胞的DNA含量并不与物种的复杂性完全一致当前第54页\共有88页\编于星期四\9点DNA3种构型：B-DNA、A-DNA、Z-DNA。DNA3种序列：单一序列；中度重复序列（101-5）；高度重复序列（>105）。DNA3种基本元素（功能元件）：自主复制序列(ARS)：提供复制的起始位点着丝粒序列(CEN)：将DNA平均分到子细胞端粒序列(TEL)：防止染色体末端的降解当前第55页\共有88页\编于星期四\9点ThreeDNAconformationsA-DNAB-DNAZ-DNA当前第56页\共有88页\编于星期四\9点Threekeyregionsofachromosome当前第57页\共有88页\编于星期四\9点组蛋白（histone）组蛋白的分类和功能：核小体组蛋白(nucleosomalhistone)：H2B、H2A、H3和H4，帮助DNA卷曲形成核小体的稳定结构。H1组蛋白：H1，在构成核小体时起连接作用。组蛋白特点：真核生物染色体的基本结构蛋白，属碱性蛋白质，富含带正电荷的Arg和Lys等碱性氨基酸，可以和DNA中带负电的磷酸基团紧密结合；除H1外，没有种属及组织特异性，在进化上十分保守。当前第58页\共有88页\编于星期四\9点非组蛋白（nonhistone）染色质中组蛋白之外的所有蛋白总称，属酸性蛋白。种类的多样性：主要包括核酸合成或分解、染色质修饰有关的酶，以及作用于组蛋白的酶和其他结构蛋白、调节蛋白等。功能的多样性：帮助DNA折叠、协助DNA复制、调节基因表达等。能识别特异的DNA序列，又称序列特异性DNA结合蛋白

当前第59页\共有88页\编于星期四\9点2.染色质的结构和组装当前第60页\共有88页\编于星期四\9点染色质的结构单位——核小体（nucleosome）当前第61页\共有88页\编于星期四\9点核小体的结构要点每个核小体单位包括200bp左右的DNA和一个组蛋白核心及一分子H1由H2A、H2B、H3、H4各两分子形成八聚体，构成核心颗粒146bp的DNA分子超螺旋盘绕组蛋白八聚体1.75圈，两端由H1锁住相邻核小体之间以60bp左右的连接DNA相连通过核小体，DNA长度压缩7倍，形成11nm宽的纤维当前第62页\共有88页\编于星期四\9点核小体螺旋化（6个核小体绕一圈）形成30nm的中空螺线管（solenoid），长度压缩6倍。成为电镜下可见的染色质天然结构。进一步的包装压缩，形成染色体的机制还不确定。当前第63页\共有88页\编于星期四\9点ORGANIZATIONOFTHEHUMANGENOMEORGANIZATIONOFTHEHUMANGENOMEORGANIZATIONOFTHEHUMANGENOME当前第64页\共有88页\编于星期四\9点常染色质（euchromatin）指间期核内染色质纤维折叠压缩程度低，处于伸展状态的染色质，碱性染料不易着色。其DNA主要是单一序列和中度重复序列。处于常染色质状态是基因转录的必要条件，但常染色质中并非所有基因都具有转录活性。异染色质（heterochromatin）指间期核中折叠压缩程度高，处于聚缩状态的染色质组分，碱性染料着色深，由高度重复DNA序列组成，无转录活性，为遗传惰性区。

组成型或结构异染色质、兼性或功能异染色质3.常染色质与异染色质当前第65页\共有88页\编于星期四\9点4.染色体（chromosome）染色体是DNA经多步压缩包装而成的,是染色质的高级结构,仅在细胞分裂时才出现。细胞有丝分裂中期染色体具有稳定的形态和结构特征。

压缩7倍压缩6倍压缩40倍压缩5倍DNA——核小体——螺线管——超螺线管——染色单体

当前第66页\共有88页\编于星期四\9点人的染色体数目：2N＝46核型（karyotype）：核型是指染色体组在有丝分裂中期的表型,是染色体数目、大小、形态特征的总和。

当前第67页\共有88页\编于星期四\9点染色体主要结构着丝粒（centromere）：是染色体中连接两个染色单体,并将染色单体分为

短臂和长臂的部位。动粒/着丝点（kinetochore）：主缢痕处两个染色单体外侧与纺锤体微管连接的部位。中期染色体具有稳定的结构，由两条姊妹染色单体构成。当前第68页\共有88页\编于星期四\9点端粒（telomere）：染色体末端特化部位，由富含G-C的短的串联重复序列组成，维持染色体结构稳定。当前第69页\共有88页\编于星期四\9点三、核仁（nucleolus）核仁见于间期的细胞核内，呈圆球形，一般1~2个，有的为多个。主要功能是合成rRNA和组装核糖体单位。有多种结构组分分别与其功能的不同事件有关。一般蛋白质合成旺盛和分裂增殖较快的细胞有较大和数目较多的核仁，反之核仁很小或缺如。核仁在分裂前期消失，分裂末期又重新出现。当前第70页\共有88页\编于星期四\9点核仁的超微结构：纤维中心FC致密纤维组分DFC颗粒组分GC被核仁相随染色质包围，湮没在无定形的核仁基质中当前第71页\共有88页\编于星期四\9点人间期细胞核仁组织区（NOR）含有rRNA基因的10条染色体袢环延伸进入并簇集在核仁rRNA基因通常以100-5000个拷贝串联成中度重复序列，分布在少数染色体NOR上，可保证大量rRNA合成和核糖体组装当前第72页\共有88页\编于星期四\9点核仁的功能主要涉及核糖体的生物发生，包括rRNA合成、加工和核糖体亚单位的装配。三种基本核仁组分和其不同事件有关：FC是rRNA基因的储存位点；转录主要发生在FC与DFC的交界处，并加工初始转录本；GC负责装配核糖体亚单位，是核糖体亚单位成熟和储存的位点。

当前第73页\共有88页\编于星期四\9点核仁周期（nucleolarcycle）：核仁结构的动态变化依赖于rDNA转录活性和细胞周期的运行当前第74页\共有88页\编于星期四\9点核基质（nuclearmatrix）或核骨架（nuclearskeleton）：狭义概念仅指核基质，即细胞核内除了核被膜、核纤层、染色质与核仁以外的纤维蛋白网架体系。广义概念应包括核基质、核纤层,以及染色体骨架。核骨架是存在于真核细胞核内真实的结构体系；核骨架与核纤层、中间纤维相互延续形成贯穿于核与质的一个独立结构系统。核骨架的主要成分是由非组蛋白的纤维蛋白构成的,含有多种蛋白成分及少量RNA；核骨架与DNA复制、基因表达及染色体的包装与构建有密切关系。四、核基质与核骨架当前第75页\共有88页\编于星期四\9点核骨架是纤维蛋白构成的网络，如染色体骨架，核纤层等，与核功能有密切关系当前第76页\共有88页\编于星期四\9点第七节、细胞外基质（extracellularmatrix，ECM）ECM是由细胞合成并分泌到细胞外空间的蛋白质和多糖所构成的纤维网络样结构，在结缔组织中含量最为丰富。ECM为组织的构建提供支撑框架，并通过信号转导系统调节细胞的存活、代谢、迁移、增殖和分化等功能。当前第77页\共有88页\编于星期四\9点皮肤表皮和真皮组织的细胞和基质当前第78页\共有88页\编于星期四\9点ECM的主要组分结构蛋白：胶原（collagen）和弹性蛋白（elastin）蛋白聚糖（proteoglycan）粘连糖蛋白：纤连蛋白（fibronectin）和层粘连蛋白（laminin）当前第79页\共有88页\编于星期四\9点胶原（collagen）动物细胞内含量最丰富的蛋白，已发现26种，都由3条相同或不同的肽链形成3股螺旋I型胶原分布广泛，占人体胶原总量的90%，形成较粗的纤维束构