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1,Chapter 10,细胞骨架与细胞运动,2,细胞骨架,3,4,10.1 细胞骨架的组成和功能,10.1.1 细胞骨架的组成和分布 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； 中间纤维：分布在整个细胞中。,5,细胞骨架的组成、分布及功能,微管,微丝,中间纤维,6,10.1.2 细胞骨架的功能,作为支架(scaffold)； 在细胞内形成一个框架(framework)结构； 为细胞内的物质和细胞器的运输及运动提供机械支持； 为细胞的位置移动提供力； 为信使RNA提供锚定位点，促进 mRNA 翻译成多肽； 是细胞分裂的机器； 参与信号转导。,7,10.2 微管(microtuble, MT),10.2.1 微管的结构和类型 中空的管状； 外径约 24 nm，内径约 14 nm, 壁厚 5 nm； 长度变化不定。 细胞内微管呈网状和束状分布, 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。,8,微管是由微管蛋白异源二聚体为基本构件，螺旋盘绕而成； 在每根微管中二聚体头尾相接, 形成细长的原纤维(protofilament)； 13条原纤维纵向排列组成微管的壁。,微管的结构,9,微管的结构,原纤维,内腔,10,微管蛋白类型： 和微管蛋白：直径4nm的球形分子，形成长度为8nm的异源二聚体； 每一个微管蛋白二聚体有两个GTP结合位点： 亚基GTP结合位点：不可逆的结合位点。 亚基GTP结合点：可交换位点(E 位点)。 -微管蛋白：功能是帮助微管的聚合。,微管蛋白(tubulin),11,微管蛋白,不可逆的结合位点,可交换位点,12,根据组成: 单管：大部分细胞质微管。 双联管：构成纤毛和鞭毛的周围小管, 是运动类型的微管。A管和B管 三联管：中心粒和基体。由A、B、C三管组成,微管的类型,13,三种形式的微管,14,短寿的不稳定微管：纺锤体微管 长寿的稳定微管：纤毛中的微管束,根据稳定性:,15,10.2.2 微管装配的动力学,一、微管组织中心(Microtubule organizing centers, MTOC） 中心体(Centrosome) 动物细胞中决定微管形成的一种细胞器, 包括中心粒和中心粒旁基质。在细胞间期, 位于细胞核的附近, 在有丝分裂期, 位于纺锤体的两极。 基体(basal body) 纤毛和鞭毛的微管组织中心，只含有一个中心粒。,16,MTOC与微管的发生,17,一个中心体含有一对中心粒，且互相垂直形成“L”形排列。 中心粒直径为0.2m， 长为0.4m，是中空的短圆柱状结构。 圆柱的壁由9组间距均匀的三联管组成。,中心粒(Centriole),18,中心粒,19,中心体结构(电镜照片),20, 二聚体以首-尾排列的方式进行组装，具有方向性(极性)。 两端分别称为“+”端和“-”端。 (+)端：远离MTOCs的一端，生长速度快。 (-)端：靠近MTOCs的一端，生长速度慢。,微管的极性,21,中心体与基体中的中心粒,中心体,基体,22,-微管蛋白在微管装配中的作用,-微管蛋白通过与-微管蛋白的相互作用帮助微管的成核反应,圆环,钩环,23,微管蛋白的作用,24,分为成核(nucleation)和延长(elongation)两个反应: 其中成核反应是微管组装的限速步骤。 成核反应结束时, 形成很短的微管, 此时二聚体以比较快的速度从两端加到已形成的微管上, 使其不断加长。,微管的组装,25,微管蛋白和微管蛋白形成长度为8nm的二聚体, 二聚体先沿纵向聚合形成一个短的原纤维,以原纤维为基础，经过侧面增加二聚体而扩展为弯曲的片状结构,二聚体平行于长轴重复排列形成原纤维。当螺旋带加宽至13根原纤维时, 即合拢形成微管的壁。,微管的形成,原纤维装配,片状结构的形成,26,GTP帽(GTP Cap) 在二聚体微管蛋白掺入到新生微管之后不久，亚基上的GTP被水解成GDP，如果聚合作用比水解作用快，就会在微管的一端产生结合有GTP的帽子结构,这就是(+)端,27,造成微管不稳定性的因素很多，包括GTP、压力、温度(最适温度37)、pH(最适pH=6.9)、微管蛋白临界浓度(critical concentration) 、药物。,影响微管装配的因素,28,影响微管稳定性的药物,秋水仙素(colchicine),秋水仙素与未聚合的微管蛋白二聚体结合, 阻止聚合。,紫杉醇(taxol) 目前所了解的惟一一种可以促进微管聚合和稳定已聚合微管的药物。,29,踏车现象(treadmilling),微管装配的动力学现象,即微管的总长度不变，但结合上的二聚体从(+)端不断向(-)端推移, 最后到达负端。造成这一现象的原因除了GTP水解之外，另一个原因是反应系统中游离蛋白的浓度。踏车现象实际上是一种动态稳定现象,30,动态不稳定性(dynamic instability) 微管随反应体系中游离二聚体的浓度变化而发生的生长状态和缩短状态的转变。 当（）端形成GTP帽，而游离微管蛋白二聚体的浓度又很高时，微管趋向于生长。,31,微管动态不稳定性,32,10.2.3 微管结合蛋白（microtubule-associated protein, MAPs),33,使微管相互交联形成束状结构; 促进微管的聚合; 作为分子发动机转运细胞物质的轨道; 提高微管的稳定性; MAPs同微管的结合能够控制微管的长度，防止微管的解聚。,MAPs的功能,34,10.2.4 分子发动机,分子发动机(发动蛋白) 细胞内一类能够用ATP供能产生推动力，进行细胞内的物质运输的蛋白分子称为分子发动机(molecular motor)或发动机蛋白(motor proteins)。,35,发动机蛋白的运动方式,36,分子发动机的类型 类型 运行轨道 肌球蛋白(myosins)家族 微丝 驱动蛋白(kinesins)家族 微管 动力蛋白(dyneins)家族 微管,37,单方向运输； 驱动蛋白:从(-)端向(+)端的运输 动力蛋白:从(+)端向(-)端运输 逐步行进； 能源是ATP； 通过构象变化完成行进。,分子发动机运输的主要特点,38,发动机蛋白单向运输,驱动蛋白,动力蛋白,微管,(-),(+),39,逐步行进,40,四聚体：两条重链和两条轻链。 一对同微管结合球状头部，可水解ATP，作为产生动力的“发动机”。 一个扇形的尾，是货物结合部位。,驱动蛋白(kinesins)的结构,41,驱动蛋白家族结构特点,42,正端走向的微管发动机； 驱动蛋白在神经细胞中负责正向的运输任务。 每跨一步的长度为8nm,正好是一个微管二聚体的长度； 移动的速度与ATP的浓度有关； 速度高时,可达到每秒900nm。,驱动蛋白功能特点,43,驱动蛋白的运输方向,驱动蛋白不限于神经细胞，它们在所有的真核细胞中都有存在，参与ER产生的各种小泡的运输,(-),(+),44,一种巨大的蛋白质，分子量超过10万D 由9-10个多肽链组成 沿微管向负端移动。 功能 参与细胞分裂，有丝分裂中染色体运动的力的来源 运输小泡和各种膜结合细胞器,细胞质动力蛋白dyneins,45,驱动蛋白与动力蛋白,46,10.2.5 微管的功能,支架作用 细胞内物质运输轨道 轴突运输(axonal transport) 色素颗粒的运输 纤毛(cillum)和鞭毛(flagellum) 的运动 纺锤体和染色体运动 参与细胞的有丝分裂和减数分裂。,47,作为驱动蛋白与动力蛋白运输轨道,48,作为色素颗粒运输轨道,两栖类的皮肤和鱼类的鳞片中含有特化的色素细胞,49,微管介导的物质运输,内膜系统中通过小泡进行的蛋白质运输, 都是以微管作为轨道的。,50,某些细胞表面的特化结构, 具有运动功能。 鞭毛少而长； 纤毛短而多。 功能 第一是帮助细胞锚定在一个地方，使自己不易移动； 第二是使细胞在液体介质中运动。, 纤毛(cillum)和鞭毛(flagellum)结构和功能,51,鞭毛与纤毛,52,鞭毛与纤毛的结构,9组二联管在周围成等距离地排列成一圈, 中央有两根单个的微管, 成为“9+2”的微管形式。 中央的两个微管之间由细丝相连, 外包有中央鞘。 周围的9组二联管, 近中央的一根称为A管, 另一条为B管,53,鞭毛二联管结构,54,轴丝微管组成与排列特点,9组三联管:基体 9组双联管:近基体 9+2:轴丝 单管:纤毛顶部,55,是多头的动力蛋白； 基部同A管相连； 头部同相邻的B管相连； 头部具有ATP结合位点，能够水解ATP。,纤毛动力蛋白(ciliary dynein),56,纤毛和鞭毛的运动机制,动力蛋白头部与相邻二联管的B微管接触, 促进同动力蛋白结合的ATP水解, 并释放ADP和Pi,ATP水解, 改变了A微管动力蛋白头部的构象, 促使头部朝向相邻二联管的正极滑动, 使相邻二联管之间产生弯曲力;,新的ATP结合,促使动力蛋白头部与相邻B微管脱离;ATP水解, 使动力蛋白头部的角度复原;,带有水解产物的动力蛋白头部与相邻二联管的B微管上的另一位点结合, 开始下一个循环,57,10.3 微丝（Microfilament）,直径8 nm，由肌动蛋白球形亚基构成， 又称肌动蛋白纤维(actin filament) 。,58,微绒毛,细胞质中的收缩束,运动细胞前缘的鞘和指,细胞分裂时的收缩环,微丝在细胞中通常成束存在,几千个,59,10.3.1 微丝形态结构和装配,三个结合位点: 一个ATP结合位点 两个肌动蛋白结合蛋白的结合位点。,肌动蛋白两种形式：单体和多聚体。 球状肌动蛋白 G-actin:,纤维状肌动蛋白 F-actin:,呈双股螺旋状,直径为8nm, 螺旋间的距离为37nm。,微丝的形态结构,60,肌动蛋白,61,微丝的形态结构,62,10.3.2 微丝的装配动力学,肌动蛋白纤维装配 G-肌动蛋白能够聚合成 F-肌动蛋白， F-肌动蛋白也可以解聚成G-肌动蛋白 ATP的作用 肌动蛋白通常有四种存在状态: ATP-G-肌动蛋白、ADP-G-肌动蛋白、 ATP-F-肌动蛋白、ADP-F-肌动蛋白。,63,微丝的装配,64,微丝装配过程,成核,延伸,稳定状态,65,G-肌动蛋白临界浓度 高于该值，G-肌动蛋白倾向于聚合， 低于该值，F-肌动蛋白将会解聚。 离子的影响 在含有很低的Mg2+、Na+、K+ 等阳离子的溶液中,微丝趋向于解聚成G-肌动蛋白。在高浓度Mg2+、K+或Na+的诱导下, G-肌动蛋白则装配成纤维状肌动蛋白。,影响装配的因素,66,肌动蛋白亚基都是从同一个方向加到多聚体上,结合ATP的一端为正端(+) , 另外一端为负端(-),微丝的极性,(+)端生长快， (-)端生长慢,微丝的动态性质,ATP,ATP,ADP,ATP,ADP,ADP,67,在微丝装配时,聚合的速率正好等于解聚的速率时, 微丝净长度没有改变, 这种过程称为肌动蛋白的踏车现象 微丝的动态平衡 在游离肌动蛋白分子和微丝之间存在着动态平衡,踏车现象(treadmilling),68,细胞松弛素B(cytochalasins B) 在细胞内同微丝的正端结合, 并引起微丝解聚，阻断亚基的进一步聚合。 鬼笔环肽(phalloidin) 与聚合的微丝结合,抑制了微丝的解体,作用于微丝的药物,69,10.3.3微丝结合蛋白 Actin-binding proteins,单体隔离蛋白(monomer-sequestering protein) 同单体G-肌动蛋白结合，并抑制它们聚合 交联蛋白(cross-linking protein) 有两个或两个以上的同肌动蛋白结合的位点，能够使两个或多个肌动蛋白纤维产生交联，使细胞内的肌动蛋白纤维形成网络结构。,70,同肌动蛋白丝的一端或两端结合，调节肌动蛋白纤维的长度。 纤维切割蛋白(filament-severing protein) 同已经存在的肌动蛋白纤维结合并将它一分为二。由于这种蛋白能够控制肌动蛋白丝的长度，因此大大降低细胞中的粘度。 膜结合蛋白(membrane-binding protein) 肌动蛋白丝通过膜结合蛋白与细胞质膜连接成一个网络结构。,末端阻断蛋白，加帽蛋白(capping protein),71,微丝结合蛋白 Actin-binding proteins,单体隔离蛋白,加帽蛋白,交联蛋白,膜结合蛋白,72,黏着连接,肌动蛋白,膜结合蛋白,73,微丝切断蛋白,74,肌球蛋白是一种分子发动机，轨道是肌动蛋白纤维。肌球蛋白也是ATPase, 通过ATP的水解导致构型的变化从而在肌动蛋白丝上移动。,微丝分子发动机:肌球蛋白(myosin),75,肌球蛋白的结构,76,由一个重链和几个轻链组成，并组成三个结构域 头部 含有与肌动蛋白、ATP结合的位点，负责产生力。 颈部 颈部通过同钙调素或类似钙调素的调节轻链亚基的结合来调节头部的活性。 尾部 含有决定尾部是否同膜结合还是同其它的尾部结合的位点,肌球蛋白的结构,77,Myosin superfamily tree,78,三类主要肌球蛋白的结构,79,不同种类肌球蛋白的特殊功能由它们的尾部决定： 肌球蛋白:尾部与质膜或细胞内细胞器的膜结合，以微丝为轨道运输小泡 肌球蛋白:运输作用 肌球蛋白:为肌肉收缩、胞质分裂提供力,肌球蛋白的功能,肌球蛋白II,80,Myosin I,81,双极性肌球蛋白II的装配,通过杆状尾部聚合在一起，形成寡聚的肌球蛋白纤维，这种纤维具有双极性，头部位于两端，中间有一个裸露的带。,82,肌球蛋白运动的机理：滑动模型,肌球蛋白,肌动蛋白,83,10.3.4 肌细胞：特化的肌收缩功能,骨骼肌细胞的基本结构 肌纤维(muscle fibers) 是圆柱形的肌细胞 肌原纤维(myofibrils) 肌原纤维是横纹肌中长的、圆柱形的结构,84,General Structure of Skeletal and Smooth Muscle,肌原纤维,85,I带与A带(I band and A band) 明带称为I带(I band)， 暗带称为A带(A band)。 Z线(Z disk) 在I带中有一条着色较深的线 H带(H zone) 在A带中央区比较明亮,肌原纤维(myofibrils),86,87,粗肌丝(think filament) 由250-360个肌球蛋白聚合而成的肌球蛋白丝 细肌丝(thin filament) 肌动蛋白，它约占肌原纤维的总蛋白的25%； 原肌球蛋白(tropomyosin, Tm) 肌钙蛋白(troponin. Tn) 肌节(sarcomere) 两条相邻Z线之间的肌原纤维（2个1/2 I带+A带),肌原纤维的结构,88,肌原纤维的结构,89,Myofibrils and sarcomeres,90,细肌丝的两端分别与两个不同的肌动蛋白加帽蛋白结合，一个是CapZ蛋白, 另一个是原肌球调节蛋白(tropomodulin)。 CapZ蛋白结合在肌动蛋白的(+)端, 位于Z线。原肌球调节蛋白结合在肌动蛋白的(-)端。这两种蛋白的结合有利于细肌丝的稳定, 防止去聚合。,肌动,+,-,91,肌钙蛋白Troponin 和 原肌球蛋白Tropomyosin,Ca2+与肌钙蛋白结合解除原肌球蛋白的抑制作用，使肌动蛋白与肌球蛋白头部结合形成交联桥，利用ATP进行滑动,原肌球蛋白,肌钙蛋白,92,肌联蛋白-伴肌动蛋白纤维对粗肌丝和细肌丝的稳定作用,93,实验观察 在肌肉收缩过程中: 肌节几乎缩短50%， A带的长度并没有发生变化，I带几乎消失 机理： 滑动丝模型(sliding filament model) 肌节的缩短是由肌丝互相滑动所致。细肌丝向肌节中央滑动, 滑进了A带之中导致重叠部分增加, 使得I带和H带的宽度缩小, 其结果是缩短了肌节，减少了肌纤维的长度,肌收缩机制-滑动纤维模型,94,Muscle contraction,95,Sliding Filament Model,96,细胞中Ca2+离子浓度能够调节原肌球蛋白对肌动蛋白的抑制作用, 因为高浓度的Ca2+离子能够同肌钙蛋白的Tn-C亚基结合， 改变原肌球蛋白同肌动蛋白结合的位置，解除原肌球蛋白对肌动蛋白的抑制，露出与肌球蛋白结合的位点,钙对肌肉收缩的调节作用,97,Ca2+释放 运动神经信号引起肌细胞膜电位去极化 运动神经信号通过T管传到肌质网，打开Ca2+通道 Ca2+对肌收缩的调节作用 Ca2+与肌钙蛋白结合解除原肌球蛋白的抑制作用 肌动蛋白与肌球蛋白头部结合形成交联桥 利用ATP进行滑动,Ca2+在肌收缩中的作用,98,钙的释放,99,奋力一跃,滑动模型,100,10.3.5 微丝在非肌细胞中作用,参与细胞的连接 细胞内运输作用 细胞质流动(cytoplasmic streaming) 细胞爬行(cell crawling) 单细胞爬行:amoeboid motion 多细胞的爬行,101, 粘着连接 细胞间的连接作用与细胞骨架系统的肌动蛋白相关称为黏着连接。 黏着带 黏着斑,102,微绒毛中的束状肌动蛋白纤维 微绒毛(microvilli) 是一些动物细胞表面的指状突起。 由几十个成束平行排列的肌动蛋白纤维支持并定向。,103,微丝在细胞中的运输作用微丝在细胞内可以作为物质运输的轨道。,肌球蛋白I,104,胞质环流 Cytoplasmic streaming,105,微丝与胞质环流,106,微丝与细胞的变形运动,“溶胶-凝胶（sol-gel）”和“凝胶-溶胶(gel-sol)”的相互转变是肌动蛋白纤维单体和聚合体的相互转变。,107,细胞爬行,108,通过微丝的装配，将质膜向前推进 通过肌球蛋白和肌动蛋白相互作用,细胞运动过程中力产生的机制,109,细胞运动机理,110,10.4 intermediate filaments,IFs,真核细胞中第三种细胞骨架成分 这种纤维的平均直径介于微管和微丝之间,故称为中间纤维 它的直径为10nm, 故又称10nm 纤维 由长的、似杆状的蛋白装配而成,111,10.4.1 中间纤维的结构与类型,中间纤维的结构 真核细胞中第三种细胞骨架成分 这种纤维的平均直径介于微管和微丝之间,故称为中间纤维 它的直径为10nm, 故又称10nm 纤维 由长的、似杆状的蛋白装配而成,112,中间纤维的结构,113,10.4.2 中间纤维的组装和去组装,114,中间纤维结合蛋白intermideate filament- associated protein,IFPAs,IFs之间的相互作用或IFs同细胞其他结构相互作用是由中间纤维结合蛋白(intermediate filament-associated protein ,IFAPs)介导的， 这些结合蛋白能够将中间纤维相互交联成束(也称张力丝，tonofilaments),张力丝可进一步相互结合或是同细胞质膜作用形成中间纤维网络。,115,Immunoelectron micrograph of a fibroblast cells showing plectin cross-link IFs and MT,116,10.4.3 中间纤维的功能,给细胞提供机械强度 参与细胞连接 维持细胞核的形态,117,Intracellular Organization,118,IFs参与细胞连接,119,IFs Stabilize Sarcomeres in Muscle,Desmin:桥粒蛋白;Skelemin:骨架蛋白;Synemin:同型蛋白,120,1、细胞骨架主要由 、 和 组成。 2、微管含有和两种微管蛋白，微管的壁由 条原纤维纵向排列组成。 3、微管有三种类型，大部分细胞质微管为 ，构成纤毛和鞭毛的周围小管为 ,构成中心粒和基体为 。 4、动物的微管组织中心为 ，植物的微管组织中心为 ，鞭毛的微管组织中心为 。 5、紫杉醇和秋水仙素都是与微管特异结合的药物，其中的 阻止微管的解聚， 阻止微管的形成。 6、虽然驱动蛋白和动力蛋白都是发动机蛋白，但二者沿微管的运输方向是不同的，前者从 ，后者则相反。,
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