第6章 细胞骨架与细胞运动(辛华)

第六章细胞骨架与细胞运动

cytoskeletonandcellmotility概述

第一节微管第二节微丝

第三节中间丝第四节细胞骨架与疾病

内容概述一、细胞骨架的概念细胞骨架(cytoskeleton)

是指真核细胞中与保持细胞形态结构和细胞运动有关的纤维网络，包括微管、微丝和中间丝。细胞骨架

微管（microtubule）25nm

微丝(microfilament)5～7nm

中间丝(intermediate）10nm细胞骨架立体结构模式图广意的概念细胞质骨架细胞核骨架细胞外基质二、细胞骨架的功能

1.构成细胞内支撑和区域化的网架

2.参与细胞的运动和细胞内物质的运输

3.参与细胞的分裂活动

4.参与细胞内信息传递细胞骨架功能示意图

第一节微管

一、微管的化学组成

α微管蛋白、β微管蛋白、γ-微管蛋白

常以αβ微管蛋白异二聚体形式存在

α-微管蛋白

β-微管蛋白1.α和β微管蛋白

在α微管蛋白和β微管蛋上各有一个GTP结合位点、Mg2+、Ca2+结合位点和一个秋水仙素结合位a.微管结构模式图b.微管横切面C.电镜图象2.γ微管蛋白环状复合物（γ-TuRC）由γ微管蛋白和一些其他相关蛋白构成，是微管的一种高效的集结结构，在中心体中是微管装配的起始结构。3.微管的三种存在形式单管微管由13根原丝组成，是胞质微管的主要存在形式二联管主要分布在纤毛和鞭毛的杆状部分三联管主要分布在中心粒及纤毛和鞭毛的基体中二、微管相关蛋白

(microtubule-associatedprotein，MAP)

这是一类以恒定比例与微管结合的蛋白，决定不同类型微管的独特属性，参与微管的装配，是维持微管结构和功能的必需成份。MAP-1、MAP-2、Tau主要存在于神经元中MAP-4广泛存在于各种细胞中种MAP的活性主要通过蛋白激酶和磷酸酶控制，1．微管相关蛋白的种类和特点微管相关蛋白MAP-2碱性结合区酸性区域2.微管相关蛋白的功能（1）调节微管装配（2）增加微管的稳定性和强度（3）在细胞内沿微管转运囊泡和颗粒（4）作为细胞外信号的靶位点参与信号转导

三、微管的组装和极性组装过程分三个时期：成核期、聚合期和稳定期成核期：先由α和β微管蛋白聚合成一个短的寡聚体结构，即核心形成；聚合期：微管蛋白聚合速度大于解聚速度，微管延长；稳定期：游离微管蛋白浓度下降，达到临界浓度，微管的组装与去组装速度相等，微管长度相对恒定；（一）微管的体外组装极性装配：装配快的一端（β微管蛋白）为（+）极，装配慢的一端（α微管蛋白）为（-）极踏车现象：组装和去组装达到平衡组装条件：微管蛋白异二聚体达到临界浓度、有Mg2+存在，（无Ca2+）、pH6.9、37℃、异二聚体即组装成微管，同时需要由GTP提供能量。微管的体外组装过程与踏车现象模式（二）微管的体内装配

微管组织中心（microtubuleorganizingcenter，MTOC）在空间上为微管装配提供始发区域，控制着细胞质中微管的数量、位置及方向。包括：中心体、纤毛和鞭毛的基体微管在中心体部位的成核模型微管在中心体上的聚合A.中心体的无定形蛋白基质中含有γ微管蛋白环,它是微管生长的起始部位;B.中心体上的γ微管蛋白环;C.中心体与附着其上的微管,负端被包围在中心体中,正端游离在细胞质中;（三）微管组装的动态调节---非稳态动力学模型该模型认为，微管组装过程不停地在增长和缩短两种状态中转变，表现动态不稳定性。微管在体外组装时，游离微管蛋白的浓度和GTP水解成GDP的速度决定微管的稳定性：当GTP微管蛋白异二聚体添加到微管正极（+）组装速度大于GDP的水解速度时,形成GTP帽,微管延长;当GTP的微管蛋白聚合速度小于GTP的水解速度，GTP帽不断缩小暴露出GDP微管蛋白，并迅速脱落,使微管缩短，导致微管结构上的不稳定，（四）作用于微管的特异性药物秋水仙素：抑制微管的组装紫衫酚：阻止微管的去组装，增强微管稳定性秋水仙素与紫衫酚的分子结构四、微管的功能（一）构成细胞的支架并维持细胞的形态微管围绕细胞核向外呈放射状分布，维持细胞的形态（二）参与细胞内物质的运输微管为细胞内物质的运输提供轨道,通过马达蛋白完成物质运输任务.1.马达蛋白（motorprotein）这是一类利用ATP水解产生的能量驱动自身携带运载物沿着微管或肌动蛋白丝运动的蛋白质。可分为三个不同的家族：驱动蛋白（kinesin）动力蛋白（dynein）肌球蛋白（myosin）微管作为运行轨道

肌动蛋白纤维作为运行轨道驱动蛋白：介导沿微管的（-）极向（+）极的运输动力蛋白：介导从微管的（+）极向（-）极的运输胞质动力蛋白与膜泡的附着细胞中微管介导的物质运输（三）维持细胞内细胞器的空间定位和分布

参与内质网、高尔基复合体、纺锤体的定位及分裂期染色体位移、（四）微管参与细胞运动

细胞的变形运动、纤毛、鞭毛运动纤毛和鞭毛动力微管的滑动模型（五）微管参与染色体的运动，调节细胞分裂（六）微管参与细胞内信号传递如hedgehog、JNK、Wnt、ERK及PAK蛋白激酶信号通路。第二节微丝一、微丝的结构与肌动蛋白

G-肌动蛋白（G-actin）纯化的肌动蛋白单体由单条肽链折叠而成，外观呈哑铃形，内部有ATP（或ADP）结合位点和一个二价阳离子Mg2+（或Ca2）结合位点。F-肌动蛋白：每条微丝由2条平行的肌动蛋白单链以右手螺旋方式相互盘绕而成，具有极性肌动蛋白和微丝的结构模式图

A.G-肌动蛋白三维结构;B.F-肌动蛋白分子模型;C.F-肌动蛋白电镜照片二、肌动蛋白结合蛋白(actin-bindingprotein）

是细胞内存在的一大类能与肌动蛋白单体或肌动蛋白纤维结合的、能改变其特性的蛋白。按其功能可分为三大类：①与F-肌动蛋白的聚合有关的蛋白；②与微丝结构有关的蛋白；③与微丝收缩有关的蛋白；肌动蛋白结合蛋白功能示意图

三、微丝的组装

当溶液中含有ATP、Mg2+以及较高浓度的K+或Na+时，G-肌动蛋白可自组装成F-肌动蛋白；当溶液中含有适当浓度的Ca2+以及低浓度的Na+、K+时，肌动蛋白纤维趋向于解聚成肌动蛋白单体。（一）微丝的体外组装过程分三个阶段：

①成核期②延长期③稳定期①成核期②延长期③稳定期成核因子通过成核作用来加速肌动蛋白的聚合（二）微丝的体内组装的调节

微丝体内组装受一系列肌动蛋白结合蛋白的调节1.微丝成核蛋白（nucleatingprotein）①Arp2/3复合物：促使形成微丝网络结构，由Arp2、Arp3和其他5种附属蛋白组成，具有与微管成核时γ-TuRC相似的作用，是微丝组装的起始复合物。

微丝装配的成核作用及微丝网络的形成A.纤丝状肌动蛋白纤维的成核作用；B.微丝成网过程②成核蛋白formin：启动细胞