细胞生物学-微管微丝

A fluorescently stained image of cultured epithelial cells showing the nucleus(yellow)and microtubules(red)二微二微 管（管（Microtubules）微管是直径为微管是直径为2426nm的中空圆柱体。外径平均为的中空圆柱体。外径平均为24nm,内内径为径为15nm。微管的长度变化不定。微管的长度变化不定,微管壁大约厚微管壁大约厚5nm，微管通，微管通常是直的常是直的,呈网状和束状分布呈网状和束状分布,并能与其他蛋白共同组装成纺锤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。体、基粒、中心粒、纤毛、鞭毛、轴突、神经管等结构。微管结构与组成微管结构与组成，微管蛋白二聚体是微管装配的基本单位。微管蛋白二聚体是微管装配的基本单位。单管单管：由：由13根原纤维组根原纤维组成，是细成，是细胞质胞质中常见的中常见的形式，其结构不稳定，形式，其结构不稳定，易受环境因素而降解。易受环境因素而降解。二联管二联管：由：由A，B两根单两根单管组成，主要分布于管组成，主要分布于纤纤毛、鞭毛毛、鞭毛内。内。三联管三联管：由：由A，B，C三三根单管组成，主要分布根单管组成，主要分布于于中心粒中心粒及鞭毛和纤毛及鞭毛和纤毛的的基体基体中。中。微管在细胞中的三种存在形式微管在细胞中的三种存在形式AABABC在同一根微管的在同一根微管的13条原纤维中条原纤维中,所有所有二聚体的取向都是相二聚体的取向都是相同的同的,所以微管的两端是不等价的所以微管的两端是不等价的,这就是微管的极性。极这就是微管的极性。极性的另一层涵义是两端的组装速度是不同的性的另一层涵义是两端的组装速度是不同的,正端生长得快正端生长得快,负端则慢负端则慢,同样同样,如果微管去组装也是正端快负端慢如果微管去组装也是正端快负端慢.微管的极性微管的极性 首先首先,-微管蛋白形成微管蛋白形成二聚体二聚体,平行于长轴重复排列形平行于长轴重复排列形成原纤维成原纤维,进一步经过侧面增加二聚体而扩展为螺旋带进一步经过侧面增加二聚体而扩展为螺旋带,当螺当螺旋带加宽至旋带加宽至13根原纤维时根原纤维时,即合拢形成一段微管。然后在端部即合拢形成一段微管。然后在端部不断添加二聚体使微管延长。不断添加二聚体使微管延长。微管装配过程微管装配过程微管的聚合与解聚微管的聚合与解聚除了特化细胞的微管外，大多数细胞质微管都是不稳定的，能除了特化细胞的微管外，大多数细胞质微管都是不稳定的，能够很快地够很快地聚合聚合和和解聚解聚。影响微管稳定的因素影响微管稳定的因素造成微管不稳定性的因素很多，包括压力、温度造成微管不稳定性的因素很多，包括压力、温度(最适温度最适温度37)37)、pH(pH(最适最适pH=6.9)pH=6.9)、微管蛋白临界浓度、微管蛋白临界浓度.即微管的总长度不变，但结合上的二聚体从即微管的总长度不变，但结合上的二聚体从(+)端不断向端不断向(-)端推端推移移,最后到达负端。踏车现象实际上是微管组装后处于动态平衡最后到达负端。踏车现象实际上是微管组装后处于动态平衡现象。现象。踏车现象踏车现象(treadmilling)(treadmilling)三、微管组织中心三、微管组织中心microtubule organizing center,MTOCs微管在生理状态或实验处理解聚后重新装配的发生处称为微微管在生理状态或实验处理解聚后重新装配的发生处称为微管组织中心。管组织中心。微管组装的起始点微管组装的起始点位于细胞核的附近，位于细胞核的附近，在细胞有丝分裂时在细胞有丝分裂时位于细胞的两级。位于细胞的两级。The centrosome is the major MTOC of animal cellsMTOCs为微管提供了生长的起点，靠近为微管提供了生长的起点，靠近MTOCs的一端由的一端由于生长慢而称之为负端于生长慢而称之为负端,远离远离MTOCs一端的微管生长速度一端的微管生长速度快快,称为正端。称为正端。中心体上生成微管的示意图中心体上生成微管的示意图动物细胞中的微管组织中心是中心体，包括两个中心粒和动物细胞中的微管组织中心是中心体，包括两个中心粒和中心粒旁物质中心粒旁物质基体：基体：纤毛和鞭毛的微管组织中心，只含有一个中心纤毛和鞭毛的微管组织中心，只含有一个中心粒。粒。其他类型的微管组织中心其他类型的微管组织中心其它类型的细胞具有不同类型的其它类型的细胞具有不同类型的MTOCs，如，如真菌的细胞真菌的细胞有初有初级级MTOCs,称为纺锤极体。称为纺锤极体。植物细胞植物细胞既没有中心体，又没有中心粒，所以植物细胞的既没有中心体，又没有中心粒，所以植物细胞的MOTC是细胞核外被表面的成膜体。是细胞核外被表面的成膜体。MAP分子至少包含一个结合微管的结构域和一个向外突出的结构域。突出部位伸到微管外与其它细胞组分（如微管束、中间纤维、质膜）结合。主要功能：促进微管组装。增加微管稳定性。促进微管聚集成束。微管结合蛋白微管结合蛋白(microtubule-associaded protein MAP)影响微管组装的特异性药物影响微管组装的特异性药物秋水仙素是一种生物碱秋水仙素是一种生物碱,秋水仙素和微管蛋白二聚体复合秋水仙素和微管蛋白二聚体复合物加到微管的正负两端物加到微管的正负两端,可阻止其它微管蛋白二聚体的加可阻止其它微管蛋白二聚体的加入或丢失。入或丢失。秋水仙素秋水仙素(colchicine)紫杉醇紫杉醇(taxol)是红豆杉属植物中的一种复杂的次生代是红豆杉属植物中的一种复杂的次生代谢产物谢产物,能促进微管的装配能促进微管的装配,并使已形成的微管稳定。并使已形成的微管稳定。微管不能收缩，有一定的强度，是支撑和维持细胞形状的主要物质。四、微管的主要功能四、微管的主要功能1、支持和维持细胞的形态支持和维持细胞的形态2、细胞内运输、细胞内运输作为胞内物质运输的路轨。作为胞内物质运输的路轨。涉及两大类马达蛋白：驱动蛋白涉及两大类马达蛋白：驱动蛋白kinesin，动力蛋白，动力蛋白dyenin，均，均需需ATP供能。供能。驱动蛋白驱动蛋白Kinesin，是由两条轻链和两条重链构成的四聚，是由两条轻链和两条重链构成的四聚体，外观具有两个球形的头、一个螺旋状的杆和两个扇子状体，外观具有两个球形的头、一个螺旋状的杆和两个扇子状的尾。的尾。通过结合和水解通过结合和水解ATP，导致颈部发生构象改变，使两个，导致颈部发生构象改变，使两个头部交替与微管结合，从而沿头部交替与微管结合，从而沿微管向着微管向着微管微管（+）极）极 “行行走走”。据估计哺乳动物中类似于。据估计哺乳动物中类似于kinesin的蛋白超过的蛋白超过50余余种。种。Dynein发现于发现于1963年，由两条相同的重链和一些种类繁多年，由两条相同的重链和一些种类繁多的轻链以及结合蛋白构成。作用：在细胞分裂中推动染色体的轻链以及结合蛋白构成。作用：在细胞分裂中推动染色体的分离、驱动鞭毛的运动、向着微管（的分离、驱动鞭毛的运动、向着微管（-）极运输小泡。）极运输小泡。Kinesin和和Dynein介导的细胞内物质运输模型介导的细胞内物质运输模型3、染染色色体体运运动动形形成成纺纺锤锤体体在在细细胞胞分分裂裂中中牵牵引引染染色色体体到到达达分裂极。分裂极。4 4 组成组成纤毛和鞭毛的轴丝纤毛和鞭毛的轴丝(axoneme)纤毛与鞭毛纤毛与鞭毛：都细胞表面的运动器官，二者结构基本相同，在：都细胞表面的运动器官，二者结构基本相同，在电镜下都可见电镜下都可见9+2的结构的结构。A管对着相邻的管对着相邻的B管伸出两条动力蛋白臂，并向鞭毛中央发管伸出两条动力蛋白臂，并向鞭毛中央发出一条辐。出一条辐。纤毛和鞭毛的运动机制微管滑动模型纤毛和鞭毛的运动机制微管滑动模型纤毛和鞭毛的运动是依靠动力蛋白水解纤毛和鞭毛的运动是依靠动力蛋白水解ATP，使相邻的二联，使相邻的二联微管相互滑动微管相互滑动第三节第三节 中间纤维中间纤维 intermediate filamentsintermediate filaments 中间纤维是细胞的第三种骨架成分，由于这种中间纤维是细胞的第三种骨架成分，由于这种纤维的平均直径介于微管和微丝之间纤维的平均直径介于微管和微丝之间,故称为中间故称为中间纤维。由于其直径约为纤维。由于其直径约为10nm,故又称故又称10nm 纤维。纤维。中间纤维是一种坚韧的、耐久的蛋白质纤维。中间纤维是一种坚韧的、耐久的蛋白质纤维。它相对较为稳定它相对较为稳定,既不受细胞松弛素影响也不受秋既不受细胞松弛素影响也不受秋水仙素的影响。水仙素的影响。IFs are the most abundant and stable components of the cytoskeleton三、三、中间纤维中间纤维的类型的类型（一）成分（一）成分 IF是一类形态上非常相似，而化学组成上有明显差异的蛋白是一类形态上非常相似，而化学组成上有明显差异的蛋白质，成分比微丝和微管都复杂，质，成分比微丝和微管都复杂，可根据组织来源的免疫原性分为可根据组织来源的免疫原性分为5类类：角蛋白纤维（角蛋白纤维（上皮细胞上皮细胞）结蛋白纤维（结蛋白纤维（肌细胞肌细胞）神经胶质纤维（神经胶质纤维（神经胶质细胞神经胶质细胞）波形纤维（波形纤维（间质细胞间质细胞）神经元纤丝神经元纤丝(神经元神经元)此外细胞核中的此外细胞核中的核纤层蛋白核纤层蛋白也是一种中间纤维。也是一种中间纤维。型型酸性角蛋白酸性角蛋白表皮细胞表皮细胞型型中性中性/碱性角蛋白碱性角蛋白表皮表皮型型波形蛋白波形蛋白成纤维细胞、血管平滑肌细胞成纤维细胞、血管平滑肌细胞结蛋白结蛋白肌肉肌肉周边蛋白周边蛋白神经元神经元胶质元纤维酸性蛋白胶质元纤维酸性蛋白胶质细胞胶质细胞型型神经原纤维蛋白神经原纤维蛋白 神经细胞神经细胞型型核纤层蛋白核纤层蛋白A,B和和C真核细胞的核纤层真核细胞的核纤层型型巢蛋白巢蛋白中央神经系统的干细胞中央神经系统的干细胞根据中间纤维氨基酸序列的相似性，可分为六种类型根据中间纤维氨基酸序列的相似性，可分为六种类型 中间纤维蛋白分子由中间纤维蛋白分子由螺旋杆状区，以及两端非螺旋化的螺旋杆状区，以及两端非螺旋化的球形头（球形头（N端）尾（端）尾（C端）部构成。端）部构成。（一）结构（一）结构310 amino acids long装配装配过程：过程：两个单体形成超螺旋二聚体（角蛋白为异二聚体）；两个二聚体反向平行组装成四聚体；四聚体组成原纤维；4or8根原纤维组成中间纤维。中间纤维形成的模型中间纤维形成的模型 中间纤维的结合蛋白已报道有中间纤维的结合蛋白已报道有1515种左右，分别种左右，分别与特定的中间纤维结合。如：与特定的中间纤维结合。如：flanggrin使角蛋白交使角蛋白交联成束；联成束；Plectin将波形蛋白纤维与微管交联在一起；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等。把结蛋白纤维与质膜连在一起等。功能：使中间纤维交联成束、成网，把中间纤维交联到质膜或其它骨架成分上 三、三、IFIF的结合蛋白的结合蛋白 （intermediate filament associated protein，IFAP）Electron micrographs of two types of intermediate filaments in cells of the nervous system.(A)Freeze-etch image of neurofilaments in a nerve cell axon,showing the extensive cross-linking through protein cross-bridges.(B)Freeze-etch image of glial filaments in glial cells illustrating that these filaments are smooth and have few cross-bridges.IFs在细胞质内形成一个完整的支撑网架系统。它在外面与细胞在细胞质内形成一个完整的支撑网架系统。它在外面与细胞膜和细胞外基质相连膜和细胞外基质相连,在内部与细胞核表面和核基质直接联系在内部与细胞核表面和核基质直接联系,赋予细胞一定的强度和机械支持力。赋予细胞一定的强度和机械支持力。为细胞提供机械强度支持为细胞提供机械强度支持中间纤维功能：培养的表皮细胞中角蛋白纤维网络培养的表皮细胞中角蛋白纤维网络 中间纤维参与粘着连接中的中间纤维参与粘着连接中的桥粒连接和半桥粒桥粒连接和半桥粒连接，在这些连接，在这些连接中，中间纤维在细胞中形成一个网络，既维持细胞形态，连接中，中间纤维在细胞中形成一个网络，既维持细胞形态，又能提供支持力。又能提供支持力。参与细胞连接参与细胞连接胞质骨架三种组分的比较胞质骨架三种组分的比较Summary:Cytoskeletal functions微管微管组织中心、中心、细胞骨架、核基胞骨架、核基质问答：问答：1.细胞骨架的概念及结构成分？细胞骨架的概念及结构成分？2.微丝的组成成分、结构、功能？微丝的组成成分、结构、功能？3.微管的组成成分、结构、功能？微管的组成成分、结构、功能？4.粗细肌丝的组成成分及结构？粗细肌丝的组成成分及结构？5.中间纤维的概念及目前的分类？中间纤维的概念及目前的分类？