《医学细胞生物学》课件：第七章 细胞骨架

1、第七章 细胞骨架（Cytoskeleton),第一节 概述,第一节 概述,广义上，细胞骨架各级成分可概括如下: 细胞膜骨架：血影蛋白、肌动蛋白、原肌球蛋白、锚蛋白 细胞质骨架：微管、微丝、中间丝（狭义） 细胞核骨架：核基质、核纤层,细胞骨架的组成,细胞骨架 (cytoskeleton) 是细胞内以蛋白纤维为主要成分的网络结构。 类型：微管 (microtubule) 、微丝 (microfilament) 和中间纤维 (intermediate filament) 。 组成：由许多不同的蛋白质亚基装配成纤维状结构。 特点：弥散性、整体性、变动性,微丝 （microfilament, MF） 微

2、管 （microtubules, MT） 中间纤维 （intermediate filament, IF）,细胞骨架的功能,构成细胞内支撑和区域化的网架 参与细胞的运动和细胞内物质运输 参与细胞的分裂活动 参与细胞内信息传递,A fluorescently stained image of cultured epithelial cells showing the nucleus (yellow) and microtubules (red),第二节 微管 （Microtubule, MT）,一、微管的结构与微管蛋白 二、微管结合蛋白 三、微管的组装和极性 四、微管的功能,一、微管的结构和微管

3、蛋白,1、微管的形态结构 中空的管状结构，外径24nm，内径15nm。 由13条原纤维纵行螺旋排列构成。,2、微管的化学组成,微管蛋白 (tubulin) - 80% 微管结合蛋白 - 20%,微管蛋白 (tubulin),微管蛋白分为两种： 微管蛋白和微管蛋白。 微管蛋白常以异二聚体 (heterodimer) 的形式存在, 也是微管组装的基本结构亚单位,与微管蛋白结合的有关分子,GTP Mg2+ 秋水仙素、长春花碱、紫杉醇等,微管蛋白,含量 不足1% 定位于微管组织中心 (MTOC) 对微管的形成、数量和位置，以及极性的确定和细胞分裂起重要作用,3、微管的类型,singlet double

4、t triplet 大多数微管 鞭毛，纤毛 中心体，基体,二、 微管结合蛋白,一般由两个区域组成： 碱性微管结合区 酸性区域，伸出突起,与微管结合，与微管蛋白共同组成微管系统。,主要功能： 参与、促进微管装配。 维持微管稳定。 成为交联桥把微管连在一起。,在细胞中微管是一种动态结构，微管与微管蛋白单体之间存在可逆的动态平衡。 微管的自我装配是一种高度有序的生命活动过程，按照特定的方式组装和去组装，并受到严格的控制。 三个时期：成核期（延迟期）、聚合期（延长期）、稳定期。,三、微管的组装和极性,（一）微管的体外装配：,极性装配:,在（）极端发生装配使微管伸长 在（）极端发生去组装使微管缩短,异二

5、聚体首尾相接，组装成的微管具有极性；,- 踏车行为,微管蛋白（-），微管蛋白（+）,（二）微管的体内装配：,微管组织中心（ microtubule organizing center, MTOC ）：活细胞内微管组装时总是以某部位为中心开始聚集，这个中心称为微管组织中心,包括中心体、基体。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。,装配过程及极性规律同体外组装。,影响微管装配的因素,微管蛋白的浓度 温度： 20 促进组装 Ca2+：低则促进组装, 高则趋向解聚 压力： 高则趋向解聚 pH值： 调节组装 药物： 如秋水仙素、长春花碱等能使微管解聚，紫杉醇能促进微管的组装并稳定

6、已组装的微管。,中心体 (centrosome) = 2个垂直的中心粒 + 周围物质 动物细胞内微管起始的主要位点。,中心体,中心粒结构,短筒状小体， 成对存在且相互垂直。,每个中心粒由9组三联体微管斜向排列呈风车状包围而成，为(90)结构,微管组织中心（MTOC），参与有丝分裂。,MT are nucleated by a protein complex containing -tubulin。 成核模型,纤毛和鞭毛,鞭毛少而长 纤毛短而多,纤毛与鞭毛在结构上同源，由细胞膜包绕一根轴丝构成。 轴丝：9组二联管+ 一对中央单管 -（9+2）结构。,鞭毛与纤毛轴丝以基体为MTOC组装而成，基体结

7、构同中心粒。,四、微管的功能,（一）构成细胞的支架，维持细胞形态；,微管的功能,（二） 参与细胞内物质运输；,微管的功能,马达蛋白（motor protein）,能沿着细胞骨架铺就的“轨道”运动的蛋白，靠水解ATP提供能量，介导细胞内物质沿细胞骨架的运输。,肌球蛋白（myosin） 与微丝有关的运动 驱动蛋白（kinesin）和 动力蛋白（dynein） 与微管有关的运动,驱动蛋白：2条重链 + 2条轻链,胞质动力蛋白 （dynein）,（三） 参与细胞内细胞器的空间定位和分布；,微管的功能,深绿：微管 浅兰：内质网 黄色：高尔基体,（四） 参与细胞运动；,微管的功能,鞭毛和纤毛运动的机制,鞭

8、毛结构为：92 +2 （9组二联管围绕一对单管） 每组二联管的A管伸出动位蛋白臂指向B管，水解释放能量，促使动位蛋白沿相邻的B管朝（）端走动，从而引起二联管之间相互滑动。,（五） 参与染色体的运动，调节细胞分裂,微管的功能,中心体发出的微管有三种: 动粒微管，极微管，星体微管,细胞分裂后期，动粒微管解聚缩短，拉动染色体移向两级。极微管滑动、延长，推动两级更加远离。 （微管动力蛋白参与。）,（六） 参与细胞内信号传递,微管的功能,微管,一、微管的结构和微管蛋白,二、微管结合蛋白 MAP,四、微管的功能,微管组成的细胞器,3. 有丝分裂器,2. 纤毛和鞭毛,1. 中心体,第三节 微丝 （Micro

9、filament, MF）,（a）微绒毛；(b)细胞质中的收缩束；（c）运动细胞前缘的鞘和指； (d)细胞分裂时的收缩环。,一、微丝的结构与肌动蛋白,微丝是由肌动蛋白 (actin) 组成的实心螺旋状纤维,又称肌动蛋白纤维 (actin filament)，直径nm 。 两条线性排列的肌动蛋白链形成螺旋 ，形状如双线捻成的绳子。 Actin首尾相连，微丝具有极性。,微丝的分子组成,肌动蛋白(actin) 肌动蛋白结合蛋白 (actin-binding protein),肌动蛋白 actin 两种存在形式：,单体为球形肌动蛋白，称G-actin (globular actin)； 多聚体为纤维状

10、肌动蛋白，称F-actin (fibrous actin)。 每个actin单体，外观呈碟状，中央有一裂口。有阳离子（Mg2+、K+、Na+）、ATP/ADP和肌球蛋白结合位点。,细肌丝的电镜图象及其模式图解,二、肌动蛋白结合蛋白,与肌动蛋白纤维结合，调节不同功能，已知的微丝结合蛋白有100多种。 与F-肌动蛋白的聚合有关的蛋白 与微丝结构有关的蛋白 与微丝收缩有关的蛋白,肌动蛋白结合蛋白,原肌球蛋白和肌钙蛋白在横纹肌细肌丝中与肌动蛋白的结合,细肌丝中原肌球蛋白、肌钙蛋白与肌动蛋白的相互关系 I, 抑制亚基; C, 钙结合亚基; T, 原肌球蛋白结合亚基,三、微丝的组装,体外：肌动蛋白可以在适

11、宜条件下装配。 胞内：依其功能的改变而发生动态变化，受不同物质调控，有踏车行为。,肌动蛋白纤维组装过程：成核期、延长期、平衡期,微丝装配的影响因素,G-肌动蛋白浓度 ATP、适宜的温度、K+和Mg2+ 等离子的存在促进微丝组装。 细胞内部分肌动蛋白结合蛋白可抑制微丝组装。 一些药物可影响微丝组装，如 细胞松驰素B 破坏微丝组装，鬼笔环肽使微丝稳定。,四、微丝的功能,（一）构成细胞的支架，维持细胞的形态,微丝的功能,微丝与细胞形状的维持图解,（二）微丝参与细胞的运动 变形运动，胞质环流、胞吞和胞吐作用，细胞内物质运输。,变形运动,微丝的功能,富含肌动蛋白的皮层为细胞变形运动提供动力,凝胶,凝胶,

12、溶胶,凝胶,溶胶,溶胶,细丝蛋白：将微丝连接成立体网架，使外质呈凝胶状态,凝溶胶蛋白：与微丝结合使之断解，使外质由凝胶变为溶胶状态,溶胶,微丝组装延长推动质膜前移；肌球蛋白牵引微丝与其发生相互滑动，进而产生胞质流动的动力,变形运动,凝胶,微丝通过与肌球蛋白的相互作用，参与细胞内的物质运输。,（三）微丝参与细胞质的分裂,微丝的功能,胞质分裂（有丝分裂后末期、以断裂方式分开）：,微丝收缩形成收缩环,肌球蛋白参与,微丝收缩,细胞凹陷产生分裂沟并最终分离,（四）微丝参与受精作用,微丝的功能,（五）微丝参与细胞内信息传递,微丝的功能,（六）微丝参与肌肉收缩,微丝的功能,肌球蛋白II：2条重链 4条轻链,

13、肌球蛋白结合ATP，引起头部与肌动蛋白纤维分离； ATP水解，引起头部与肌动蛋白弱结合；,Pi释放，头部与肌动蛋白强结合，头部弯曲，引起向细肌丝(+)端移动； ADP释放。 进入新一轮循环。,微丝,一、微丝的结构与肌动蛋白,二、肌动蛋白结合蛋白,三、微丝的组装,四、微丝的功能,第四节 中间纤维 (intermediate filament),中间纤维也称居间纤维或中等纤维，是由不同的蛋白质组成的空心纤维结构，直径10nm，介于微管和微丝之间，故名。 IF是最稳定、坚韧的细胞骨架成分，主要起支撑作用。 IF在细胞中围绕着细胞核分布，成束成网，并扩展到细胞质膜，与质膜相连结。,一、中间纤维的结构和

14、中间纤维蛋白,中间纤维蛋白分子，是长的线性蛋白，已发现60多种。 共同的结构特点：头部，杆状区和尾部构成。 螺旋杆状区杆状区由一个310个氨基酸残基形成，两端是非螺旋化的球形头（N端）尾（C端）部构成。 杆状区是高度保守的， 头部和尾部的氨基序列在不同类型的中间纤维中变化较大。,不同细胞中中间丝的化学组分不一样，但结构相似。,中间纤维的结合蛋白（intermediate filament associated protein，IFAP）的功能是使中间纤维交联成束、成网，并把中间纤维交联到质膜或其它骨架成分上。 已知的IFAPs约15种左右，分别与特定的中间纤维结合，如： flanggrin使角

15、蛋白交联成束。 Plectin将波形蛋白纤维与微管交联在一起。 Ankyrin把结蛋白纤维与质膜连在一起。,二、IF 的结合蛋白,IFAPs的共同特点： 具有中间纤维特异性。 表达有细胞专一性。 不同的IFAP可存在于同一细胞中与不同的中间纤维组织状态相联系。 在细胞中某些IFAP的表达与细胞的功能和发育状态有关。,三、中间纤维的组装,四、中间纤维的功能,（一） 构成细胞完整的支撑网架系统,中间纤维的功能,（二） 为细胞提供机械强度支持,中间纤维的功能,（三） 参与细胞的分化,中间纤维的功能,（四） 参与细胞内信息传递,中间纤维的功能,细胞骨架3种成分的比较（表2-6-7）,第五节 细胞骨架与疾病,（一）阿尔茨海默病 Tau蛋白被异常磷酸化 形成神经纤维缠结NFT 失去和微管结合的活性 导致正常微管解聚 轴突转运受损。,（二）纤毛不动综合症 由纤毛结构缺陷引起，表现为慢性鼻炎、中耳炎、支气管炎、男性不育等。,（三）细胞骨架系统与肿瘤 不同类型细胞具有