细胞骨架与细胞运输.ppt

1、第七章 细胞骨架（cytoskeleton）与细胞的运动,第一节 细胞骨架的一般描述,1928年Klotzoff提出 1963年电镜标本用戊二醛在常温下固定等证实 运用细胞骨架的荧光抗体在共聚焦激光显微镜可以清楚地观察 细胞骨架：是真核细胞中由蛋白质纤维组成的网状细胞器，在细胞的形态、运动和信号转导等方面中发挥重要的作用。,狭义细胞骨架：微管、微丝、和中间纤维。 广义细胞骨架：细胞质骨架、细胞核骨架、细胞膜骨架、细胞外基质等。,细胞骨架,细胞骨架特点：复合网状、弥散性、整体性、变动性。,细胞骨架意义：维持细胞形态 保持细胞有序性 与细胞的运动、细胞器的运动与物质运输、能量、信息信号交换 细胞分

2、裂、细胞分化有关。,第二节 微管（microtubules）,一、形状：,三、化学组成：,二、类型：,四、微管的组装：,五、微管的功能,一、微管的形状：为中空管状结构，内径15nm、外经25nm，管壁5 nm、管壁由13根原纤维组成。,电镜下微管（ Microtubules ）,光镜下的细胞骨架： 红色荧光显示微丝 黄色显示微管 兰色显示细胞核,微管在细胞内的分布,微管的特化结构：纤毛、鞭毛、基体、中心粒等。,二、微管类型：单体、二聚体、三聚体（13根纤维共用3根）,立体图,图？,中心粒形态结构图,纤毛,.组成鞭毛的微管有( )。 A.单个微管 B.二联微管 C.三联微管 D片状微管 E右手螺

3、旋微管,三、微管化学组成：微管蛋白和微管结合蛋白,微管蛋白：构成微管本体结构，是球状酸性蛋白，分、三种，通常和组成异二聚体，组成环形同聚体。,微管结合蛋白(microtubule-associated protein ,MAP)： 构成微管附加结构，促进其形成和聚合。 结构：碱性区域与微管结合,可加速成核作用； 酸性区域与其它细胞骨架结合，促进微管多聚体或者与形成细胞骨架网状结构。 例. MAP-1、MAP-2、tau、MAP-4。 不同的微管结合蛋白在细胞中有不同的分布区域，执行特殊功能。如：神经细胞中微管结合蛋白分布：tau只存在于轴突中，而MAP-2则在胞体和树突中。,四、微管的组装：非

4、稳态动力学模型(dynamic instability model)：,描述： 聚合与解离 聚合元件为GTP三聚体，GTP与结合后使得结构变直而容易相互聚合聚合后成GDP 微管的正极端与负极端 微管组装的三阶段： 成核期、聚合期、稳定期,组装过程： + + GTPGTP GTP+GTP+GTP（头尾相连成 GTP水解成GDPGDP+GDP+GDP 成片状管状。 细胞外微管组装时成核：随机碰撞形，,细胞内组装时成核：中心体、基体形上的 -TuRC)。 微管蛋白环形复合体( tubulin ring complex， -TuRC) 功能： 刺激微管核心阻止负极端的微管蛋白解离，促使新生微管从的释放

5、的。 微管组织中心(MTOC),中心体复制周期,影响组装因素：,A生理条件： PH值（最适6.9）、温度（最适37、Mg2+使聚合力上升、Ca2+使聚合力下降、微管蛋白二聚体（临界浓度为l mg/ml)，GTP，压力等。 药物： 秋水仙素（colchicine）或秋水仙胺(colcemid)，长春花硷（catharanthine ）或新长春花硷(vincristine )， Noeodazole等，结合游离的微管蛋白二聚体，使之不能聚合成微管，促使微管的解聚。但反应是可逆的。 紫杉醇（taxol）结合到组装后的微管上，抑制其解聚。,五、微管的功能 支持功能 与动力蛋白组成运动单位,微管的具体功

6、能 （一）构成细胞的网状支架： （二）保持细胞器的形状和位置： （三）组成纤毛和鞭毛的运动器官 （四）组成中心粒、纺锤体 （五）参与细胞内物质的运转 （六）参与细胞器的移动。 （七）参与细胞内信号传导,（一）微管构成细胞的网状支架：微管最粗最刚性的结构。 例：血小板中央的一圈微管使其呈圆盘形状，低温处理或秋水仙素处理后？,（二）微管保持细胞器的形状和细胞器的位置： 微管使内质网展开分布，使高尔基体位于细胞核附近等。当用秋水仙素处理后内质网坍塌，高尔基体分解成各种囊泡并分散在整个细胞质中。撤除秋水仙素后细胞器的形状和分布重新恢复。,上图：内质网抗体染色 下图：微管抗体染色,上图：高尔基抗体染色

7、下图：微管抗体染色,（三）微管组成纤毛和鞭毛的运动器官,1.纤毛的功能：锚定运动 2.纤毛的结构： 中央部:“9+2” 顶端部：二联管逐渐形成单管互相合并一起。 基部：一对单管消失，成“9+0”中心粒结构,3.纤毛的运动机理： 二联管的A管向B管伸出二个动位蛋白，（轴丝动位蛋白），其头部有微管和ATP结合位点，通过水解ATP释放能量推动A管向B管二联管之间相互滑动，而实现纤毛和鞭毛的摆动、扭动。,9个二联管之间速率不均等的滑动可纤毛和鞭毛弯曲， 经过与联结蛋白(如放射辐蛋白、连接丝蛋白等)可完成纤毛和鞭毛各种运动,(四)微管参与中心粒、纺锤体的形成,1.中心粒和纺锤体的组成:,中心体（cent

8、rosome）： 中心粒(centriole)和 中心粒旁物质(pericentrio1ar material);,纺锤体的三种微管： 动粒微管(kinetochore microtubule) 极微管(polar microtubule) 星体微管(aster microtubule),2染色体的移动： 细胞分裂时染色体的运动方式是综合运动，包含了：微管组装和解聚运动、和动力蛋白沿轨道运动两种机制。,（五）微管参与细胞内物质的运转,膜泡来源：细胞膜、内质网膜以及高尔基复合体。 运动方式：由运输分子沿着微管和微丝等轨道运行。 作用：物质运输，细胞膜运输,动力蛋白dynein,例1：突触小泡的运

9、动,负极,正极,驱动蛋白kinesin,例2.色素颗粒的运动 许多两栖类和鱼类生皮肤的变色原因。在皮肤中含有色素细胞，色素颗粒在神经和激素的控制下，数秒钟内迅速分布到细胞各处，使皮肤颜色变深；又能迅速回到细胞中心，使皮肤颜色变浅。,（六）微管参与细胞器的移动。,（七）微管参与细胞内信号传导 例：微管参与hedgehog、JNK、Wnt、ERK蛋白激酶信号转导通路有关。信号分子可能是通过直接作用微管或通过马达蛋白调节细胞骨架的极性和形状等来进行信号的传导。,第三节 微丝（microfilament）,一、形状： 微丝又称肌动蛋白纤维(actin filament)，是实心的丝状纤维，直径为7nm

10、。常形成束状或网状，在细胞膜下皮层区中最多。,光镜下上皮细胞 红色显示微丝,二、化学组成：肌动蛋白和微丝结合蛋白 肌动蛋白（actin）占细胞总蛋白的10, 肌动蛋白分子是由375个氨基酸组成单链，呈哑铃形，并紧密结合一分子ATP，一个肌动蛋白称 G-肌动蛋白，多个G-肌动蛋白排列组成多聚体称 F-肌动蛋白，肌动蛋白分子种类有6种。,微丝结合蛋白： 100多种，功能复杂。,三、微丝的组装：踏车模型(treadmiling model) 组装三阶段：成核期、生长期、平衡期。 体外聚合：肌动蛋白单体三聚体延长平衡,细胞内聚合：细胞膜下肌动蛋白皮层区(actin cortex) 肌动相关蛋白(act

11、in-related proteins， ARPs )成核， 称为ARP23复合物(ARP complex) 生长，70。,影响微丝组装的因素： 生理条件：G-蛋白浓度，ATP，Ca2+, Mg2+Na。 药物： 细胞松弛素B： 只与聚合中的微丝正极端结合，抑制微丝聚合，不与聚合后的微丝结合，如: 不抑制肌纤维中的微丝。 鬼笔环肽：只与聚合后的微丝结合，不与聚合中的微丝或肌动蛋白单体结合。抑制微丝的解体。,四、微丝的功能： a. 支持功能 b. 与动力蛋白组成运动单元 微丝构成细胞的网状支架 微丝参与细胞的变形运动 微丝参与细胞的分裂 微丝参与肌肉收缩 微丝构成细胞膜骨架的主体 微丝参与细胞连

12、接,四、微丝的功能：,构成细胞的网状支架 维持细胞的形态在细胞中，微丝不能单独发挥作用，而必须形成网络结构或束状结构才发挥作用。微丝能形成特化结构，如微绒毛(microvilli)和应力纤维(stress fiber)。,参与细胞的变形运动,微丝参与细胞的分裂,参与肌肉收缩 A肌肉收缩装置 B肌肉收缩原理：C单个肌球蛋白运动。,肌动蛋白和肌球蛋白的滑动产生肌肉收缩,微丝构成细胞膜骨架的主体,微丝参与细胞连接,第三节 中间丝（intermediate filaments）,一、形态与分布：中间丝是中空的纤维状，广泛存在于细胞质中，构成网状纤维的主体。 特点：直径10nm，结构稳定，一般无聚合与分

13、解，不受细胞内的离子浓度、去垢剂或秋水仙素、细胞松弛素等影响。组分有组织特异性。,微管组织中心(MTOC),微管组织中心(MTOC),21角蛋白(keratin )存在于上皮细胞 22波形蛋白(vimetin)分布于间质细胞 23 结蛋白(desmin)存在于肌肉细胞 24 胶质原纤维酸性蛋白存在于神经胶质细胞 25神经丝蛋白，分布于神经细胞,组成中间纤维成分的组织特异性：,组成中等纤维的蛋白分子结构相似： 中间为保守区，是310Aa的螺旋区， 两端为非保守区，是无规则区。,二、中间丝组装：单丝双股螺旋四聚体许多四聚体首尾连接成原纤维八个原纤维围成中空的中间丝。,二、中间丝组装：单丝双股螺旋四

14、聚体许多四聚体首尾连接成原纤维八个原纤维围成中空的中间丝。,三、中间丝功能,构成细胞的网状支架： 中间丝广泛存在于细胞质中，构成网状纤维主体，使整个细胞形成整体性结构，其耐剪切性最强，使细胞核、细胞器串联在细胞质中。,参与细胞的连接：使组织成为网状整体，锚定连接。,参与细胞的运动。如：mRNA的运动。,参与细胞的信号传导 参与细胞的分化,构成细胞核骨架的主要成分: 核外膜外侧有中间丝与细胞质骨架相连，核内膜的内侧有核纤层受体,它与核纤层B结合，再与细胞核基质的核骨架相连,构成网状的细胞核骨架。,四、三种细胞骨架的比较：,第四节 细胞骨架与疾病1.男性不育,ALZHEIMER DISEASE (

15、AD) is the fourth leading cause of death in adults. The incidence of the disease rises steeply with age. AD is twice as common in women than in men, although ex-president Ronald Reagan is a well known disease sufferer. Some of the most frequently observed symptoms of the disease include a progressiv

16、e inability to remember facts and events and, later, to recognize friends and family.AD tends to run in families: currently, mutations in four genes, situated on chromosomes 1, 14, 19 and 21, are believed to play a role in the disease. The best-characterized of these are PS1 (or AD3) on chromosome 1

17、4 and PS2 (or AD4) on chromosome 1. The formation of lesions made of fragmented brain cells surrounded by amyloid-family proteins are characteristic of the disease. Interestingly, these lesions and their associated proteins are closely related to similar structures found in Downs Syndrome. Tangles o

18、f filaments largely made up of a protein associated with the cytoskeleton have also been observed in samples taken from Alzheimer brain tissue.,2.老年痴呆（Alzheimers) Currently, scientists are studying the interrelationship between the various gene loci (particularly the mutation on chromosome 21), and

19、how environmental factors could effect a persons susceptibility to AD. Recently, use of a mouse model of the disease identified an enzyme that may be responsible for the increase in amyloid production characteristic of AD. If a way to regulate this enzyme could be found, then AD may be slowed or hal

20、ted in some people.,3.假肥大型肌营养不良（DMD）,3.假肥大型肌营养不良（DMD）病因,Spherocytosis is a disease of abnormal shaped red blood cell (RBC). RBCs from spherocytosis patients have altered membrane and cytoskeletal structure. Those RBCs do not survive as long as normal RBCs The size of many of these RBCs is quite smal

21、l compared with normal RBCs. In hereditary spherocytosis, there is a lack of epctrin, a key RBC cytoskeletal protein. This produces membrane instability that forces the cell to smallest volume- a sphere. In the laboratory, this is shown by increased osmotic fragility.,4. 球形红细胞症,5.中等纤维与肿瘤诊断特异性： 中间纤维单

22、克隆抗体可作肿瘤鉴别诊断的有力工具。利用羊水穿刺检查可确诊胎儿某些畸型。总的来说，细胞骨架的三种结构在功能上不能完全分开，而是相互依存共同完成细胞内 各种生理活动。,第五节 细胞运动的机理（补充）,细胞运动形式分类： 细胞的位移运动 细胞的形态改变运动 细胞的内部运动,细胞结构的重新认识： 细胞呈膜相网格形状：由生物膜分隔成许多空间 细胞呈纤维网格形状：细胞器、大分子和超分子复合物等被相对固定在网络中如：微管与高尔基体小泡相连，核糖体在微管与微丝的交叉点上，信使RNA翻译有锚点，线粒体周围有微管等。 细胞器沿着网络轨道运动,驱动蛋白 kinesins,动位蛋白dyneins,运动三要素；运动支

23、架、运动肌肉和能量 细胞的运动条件： 细胞骨架：微管、微丝和中等纤维 马达蛋白：肌球蛋白、驱动蛋白、动力蛋白 能量:ATP 运动组合体： 肌球蛋与微丝组合体 驱动蛋白和动力蛋白与微管组合体 中等纤维的马达蛋白等待发现,细胞运动的机制,马达蛋白分类：肌球蛋白、驱动蛋白、动力蛋白 动力蛋白与轨道组合： 肌球蛋与微丝有关 驱动蛋白和动力蛋白与微管有关,一、动力蛋白沿轨道运动的机制,细胞运动的机制分类： 马达蛋白沿轨道运动机制 微管与微丝组装引起的运动机制,（一）、动力蛋白分子结构,引言: 发动机！ 发动机能将一种能量转变成机械能的机器 动力蛋白又称发动机蛋白(motor protein)，或分子发动

24、机 细胞中由动力蛋白将ATP的化学能转为机械能拉动货物运动 货物：各种小泡、线粒体、溶酶体、染色体和分子团块 沿轨道在细胞内行走,动力蛋白携带膜泡沿微管移动卡通图：,1肌球蛋白(myosin)分子结构：由一或二条重链和数条轻链组成。 重链: 头部：又称S1片段，由重链的N端构成，含：肌动蛋白、ATP结合位点和水解ATP酶 颈部：为高度螺旋区域，可以结合钙调素和轻链，受钙离子调节 尾部：是重链的C端，含膜结合位点 和重链二聚体结合位点,2驱动蛋白(kinesin) 分子结构：两条重链和两条轻链聚合而成 重链：和肌球蛋白重链相似：包括 头部、颈部和尾部 头部：一对大球型，含微管蛋白结合、ATP位点

25、和水解ATP酶 柄部，为高度螺旋的区域 尾部一对小球形 头部是产生动力的部位 尾部能与膜或微管结合 轻链：与重链尾部结合,3. 动力蛋白（dynein） 分类：鞭毛动力蛋白、胞质动力蛋白 鞭毛动位蛋白：大头上有小头，功能有鞭毛或纤毛的运动,胞质动力蛋白：分子巨大，由910个多肽链组成 它有两个大的球形的头部，是生成力的部位；尾部有膜结合位点 功能： 有丝分裂中染色体运动动力 膜泡向微管负端运输的发动机,（二）动力蛋白介导细胞运动的机制,动力蛋白（例肌球蛋白）的运动： 运动过程简介：通过肌球蛋白与肌动蛋白结合与否，头部弯曲，水解ATP等实现运动。 动特点：不连续性、方向性 能量和力量：酶水解1分子ATP，肌球蛋白移动23个肌动蛋白亚基的距离(1115nm)，同时产生3-4pN的力量，引起膜泡运输或肌细胞中粗细肌丝的滑动。,运动周期（使用1分子ATP）详细步骤 初始状态：肌球蛋白与肌动蛋白紧密结合， 无ATP结合 结合ATP后：肌球蛋白头部与肌动蛋白结合解离,ATP水解:ATP结合位点关闭，引起肌球蛋白头部变构弯曲 变构的肌球蛋白头部松散结合到新的肌动蛋白亚基上，Pi释放 ADP释放:肌球蛋白与肌动蛋白牢固结