《细胞生物学》-细胞8章 细胞骨架2

Chapter8Cytoskeleton第二节微管及其功能一、微管的形态结构及化学组成二、微管的装配三、微管的特性四、微管组织中心五、微管结合蛋白六、微管的功能

一、微管的形态结构及化学组成

(一)形态结构微管是细胞质中细长而具一定硬性的圆管状结构（中空圆筒状），外径24~25nm；内径15nm，长度变化不等，可达数微米。它是一种蛋白质性质的细胞器，广泛存在于真核细胞中（近来在少数细菌中也有发现）。在胞内呈网状或束状分布，并能与其他蛋白共同组装成纺锤体、基粒、中心粒、鞭毛、纤毛、轴突等结构，参与细胞形态的维持、细胞运动和细胞分裂。1967—1968年发现组成微管的化学成分主要是微管蛋白（tubulin），是一种酸性蛋白质。1971年知道这种蛋白质有两个亚基（两型）——α型和β型。通常情况下，二者结合在一起，成为异二聚体，是构成微管的基本单位。GTP结合位点

不可交换位点可交换位点二价阳离子结合位点秋水仙素结合位点长春花碱结合位点

微管和微管蛋白㈡化学组成组成微管的化学成分除微管蛋白外，还包括其它一些蛋白质。通称为微管关联蛋白。主要分为两类：一是微管动力蛋白（马达分子），如Kinesin(驱动蛋白）、Dyenin(动力蛋白)等。对物质延微管运动起定向驱动作用。二是微管结合蛋白，已发现两大家族，即MAP蛋白类和Tau蛋白类。它们对骨架空间构建及细胞形态建成的关系极为密切。另外，还有一种称为tau蛋白，它可以控制微管延长。㈢微管的类型微管可装配成单管、二联管、三联管大部分细胞质微管或纺锤体微管是单管微管，它在低温、Ca2+和秋水仙素作用下容易解聚，属于不稳定微管。二联管是构成纤毛和鞭毛中的轴丝微管，是运动类型的微管，它对低温、Ca2+和秋水仙素都比较稳定。三联管见于中心体或基体，它对低温、Ca2+和秋水仙素是稳定的。二、微管的装配㈠微管装配的过程：分为成核(nucleation)和延长(elongation)两个阶段㈡微管装配的特点

1、与GTP结合的微管蛋白二聚体参与装配过程；2、装配形成的微管具有极性，正极为β微管蛋白，负极为α微管蛋白；3、装配速度两极不同，正极快，负极慢；4、存在踏车行为(treadmilling）：一端因加亚单位而延长，另一端因亚单位脱落而减短；㈢微管装配是一个动态不稳定过程

微管装配的动力学不稳定性是指微管装配生长与快速去装配的一个交替变换的现象在注射了罗丹明标记的微管蛋白的蝾螈肺上皮细胞内，细胞边缘的微管的动态不稳定性动力学不稳定性产生的原因：微管两端具GTP帽(取决于微管蛋白浓度),微管将继续组装,反之,无GTP帽则解聚。三、微管的特性

秋水仙素(colchicine)结合到未聚合的微管蛋白二聚体上，阻断微管蛋白组装成微管，可破坏纺锤体结构（抑制细胞的有丝分裂）。长春花碱具有类似的功能。紫杉醇(taxol)能促进微管的装配,并使已形成的微管稳定。它只结合到聚合的微管上，不与未聚合的微管蛋白二聚体反应。（作为抗肿瘤的药物，抑制肿瘤细胞的分裂）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。四、微管组织中心㈠概念

微管组织中心（microtubuleorganizingcenters,MTOC）：在活细胞中，能够起始微管成核组装并使之延伸的细胞结构，称为微管组织中心，如中心体、轴突、基体和其它特殊的部位（核膜外表面、细胞的两极、高尔基体的反面膜囊区和新断的微管）等。MTOC的主要作用是帮助大多数细胞质微管装配过程中的成核反应。

MTOC决定微管的极性，负极指向MTOC，正极背向MTOC。㈡常见微管组织中心间期细胞(interphase）MTOC：

中心体（centrosome）(动态微管)分裂细胞(dividingcells)MTOC：

有丝分裂纺锤体(mitoticspindle)(动态微管)鞭毛纤毛细胞(ciliatedcell)MTOC：

基体(basalbody)(永久性结构)㈢中心体(centrosome)1.中心体结构：包括中心粒和中心粒周围物质，中心体由两个相互垂直的中心粒构成。周围是一些无定形物质，叫做外中心粒物质（pericentriolarmaterial,PCM）。在细胞间期位于细胞核附近，在有丝分裂期，位于纺缍体的两极。中心体的微管成核作用2.中心体复制周期细胞周期与中心体复制的关系3.微管的体内装配需要γ-微管蛋白：位于中心体周围的基质中，它可以形成环状结构，为αβ微管蛋白二聚体提供起始装配位点，所以又叫成核位点

㈣基体(basalbody)位于鞭毛和纤毛根部的类似结构称为基体基体只含有一个中心粒而不是一对中心粒中心粒和基体均具有自我复制性质9组三联体微管组成五微管结合蛋白

(MicrotubuleAssociatedProtein,MAP)MAP2存在于神经元的胞体和树突内，使微管形成较松的束tau蛋白存在于神经细胞的轴突（axon）内部，形成的维管束很紧密在MAP2和tau蛋白的C端具有3～4个由18个氨基酸残基构成的微管结合结构域。当其与微管结合后，其N端突出于微管表面，并在相邻的微管之间形成横桥MAP的功能

⑴使微管相互交联形成束状结构，也可使微管同其它细胞结构交联。⑵通过与微管成核点的作用促进微管的聚合⑶在细胞内沿微管转运囊泡和颗粒⑷提高微管的稳定性MAPcopurifywithmicrotubules六微管的功能（一）维持细胞形态用秋水仙素处理细胞破坏微管,导致细胞变圆,说明微管对维持细胞的不对称形状是重要的。对于细胞突起部分,如纤毛、鞭毛、轴突的形成和维持,微管亦起关键作用。（二）细胞内物质的运输

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。在轴突内部的微管和膜性细胞器之间有马达蛋白构成的横桥1.分子发动机（Motorproteins）

（1）线性发动机①以DNA为轨道的分子发动机②以细胞骨架蛋白为轨道的分子发动机

肌球蛋白(myosins)家族驱动蛋白(kinesins)指能利用ATP水解所释放的能量驱动自身及所携带的“货物”（如膜性细胞器）沿微管运动的一类马达蛋白，与细胞内物质运输相关。驱动蛋白(kinesins)驱动蛋白(kinesins)家族

驱动蛋白(kinesins)家族驱动蛋白沿微管运动的分子机制驱动蛋白的运动主要涉及发生在两个马达结构域上ATP的结合、水解和ADP释放以及与自身构象变化相偶联等机械化学循环过程“步行”模型和“尺蠖”爬行模型5.下列关于沿微管运输货物的分子马达的描述错误的是（）A.驱动蛋白的马达结构域位于其重链上B.驱动蛋白沿微管运动的分子模型有两种C.沿微管运输货物的分子马达主要有驱动蛋白和胞质动力蛋白D.对于驱动蛋白沿微管的运动，大多数学者承认尺蠖模型5.下列关于沿微管运输货物的分子马达的描述错误的是()驱动蛋白的马达结构域位于其重链上A驱动蛋白沿微管运动的分子模型有两种B沿微管运输货物的分子马达主要有驱动蛋白和胞质动力蛋白C对于驱动蛋白沿微管的运动,大多数学者承认尺蠖模型D提交单选题10分动力蛋白(dyneins)家族分类细胞质动力蛋白轴丝动力蛋白重链含ATP结合部位和微管结合部位分子量很大，运动很快细胞质动力蛋白(cytoplasmicdynein)轴丝动力蛋白(axonemaldynein)驱动蛋白(kinesins)和动力蛋白(dyneins)驱动蛋白:

从(-)端向(+)端运输；动力蛋白:

从(+)端向(-)端运输驱动蛋白(kinesins)和动力蛋白(dyneins)Myosins和kinesins的协同作用

(2)旋转式发动机：F0-F1ATP（ATP合酶）(3)P-型运输泵（Na+-K+泵）(二)神经元轴突运输模式

(三)色素颗粒的运输

鱼类、爬行动物（变色龙）、软体动物（章鱼）皮肤颜色变化非常快，色素颗粒重新排列，从一个位置到另一个位置三、细胞器的定位

四、纤毛(cilia)运动和鞭毛(flagella)运动（一）纤毛的结构及其组装

1.纤毛的结构2.纤毛的组装起始于基体原生纤毛的形成和细胞周期紧密相关（G1,G0期，纤毛形成；M期，纤毛解体）原生纤毛的形成分为四个阶段膜泡运输和鞭毛内运输（二）纤毛或鞭毛的运动机制

（三）纤毛的功能运动装置感受装置动物胚胎发育过程中，影响躯体各器官正常分布参与了发育过程中两类信号通路

Hh信号通路

Wnt信号通路五、纺锤体与染色体运动A：有丝分裂中期B：中期纺锤体结构C：动粒结构域微管与染色体之间的连接D：两极极微管之间的驱动蛋白相互作用小结:微管的结构与功能第三节中间丝

（intermediatefilament,IF）：直径10nm的绳索状结构细胞质中间丝围绕细胞核开始组装，参与形成细胞连接细胞核内构成核纤层，呈正交网络形式紧贴内层核膜分布结构稳定，抗高盐和非离子去垢剂抽提中间丝存在于大多数动物细胞，但并非所有的真核细胞中都有中间丝结构。一、中间丝的主要类型和组成成分二、中间丝的组装与表达三、中间丝与其他细胞结构的联系四、功能一、中间丝的主要类型和组成成分IF成分比MF,MT复杂，具有组织特异性通常一种细胞含有一种中间纤维，少数含2种以上肿瘤细胞转移后仍保留源细胞的IF中间丝蛋白的类型和组织分布中间丝蛋白分子结构模式图高度保守的杆状区高度多变的头部和尾部（参与中间丝的组装）二、中间丝的组装与表达IF没有极性；不需要ATP、GTP提供能量中间丝的装配不表现踏车行为。IF装配与MF,MT装配相比，有以下几个特点：

⑴IF装配的单体是纤维状蛋白(MF,MT的单体呈球形)；⑵反向平行的四聚体导致IF不具有极性；⑶IF在体外装配时不需要核苷酸或结合蛋白的辅助，在体内装配后，细胞中几乎不存在IF单体。三、中间丝与其他细胞结构的联系细胞质中间丝：细胞质中间丝网络在结构上往往起源于核膜的周围，伸向细胞周缘，并通过细胞质膜上特殊的结构（如桥粒和半桥粒）等与相邻细胞的中间丝或细胞外基质间接连接。核纤层（nuclearlamina）：位于核膜内侧由核纤层蛋白组成的正交纤维状网络结构。核纤层通过核纤层蛋白受体与内层核膜相连，参与核膜的支撑、组装和去组装等过程（尤其是核纤层蛋白B）；核纤层还是染色质的重要锚定位点。

四、功能1.增强细胞抗机械压力的能力2、角蛋白纤维参与桥粒的形成和维持3、结蛋白纤丝是肌肉Z盘的重要结构组分，对于维持肌肉细胞的收缩装置起重要作用4、神经元纤维在神经细胞轴突运输中起作用5、参与传递细胞内机械的或分子的信息6、中间丝与mRNA的运输有关3种细胞骨架的主要特性比较微丝（MF）微管（MT）中间丝（IF）纤维直径7nm24nm10nm单体球状肌动蛋白α/β球状微管蛋白杆状中间丝蛋白（6类）结构2条纤维状肌动蛋白组成的双股螺旋13根原纤丝组成的空心管状纤维8根原纤维（四聚体）组成的非空心多级螺旋细胞内分布质膜内侧靠近细胞核整个细胞极性和踏车行为＋＋－组织特异性－－＋马达蛋白与运动方向肌球蛋白（向正）驱动蛋白（向正）动力蛋白（向负）－特异性药物细胞松驰素鬼笔环肽秋水仙素紫杉醇－主要功能肌肉收缩、变形运动、细胞爬行、胞质环流、胞质分裂和保持细胞的形态细胞形态的组织与保持、细胞器的分布与转移、染色体分离；细胞游动支持结构、保持细胞的形态、形成核纤层和核骨架、提高轴突的强度和保持肌纤维的稳定本章概要细胞骨架是指存在于真核细胞中、由蛋白质亚基组装而成的纤维状网络体系，主要包括微丝、微管和中间丝等结构组分。在细胞生命活动过程中，细胞骨架是细胞结构和功能的组织者，它们通过蛋白亚基的组装/去组装过程来调节细胞内骨架网络的分布和结构，通过与细胞骨架结合蛋白、马达蛋白等的相互作用来行使其生物学功能。微丝又称肌动蛋白丝或纤维