细胞分子生物学(4)课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,细胞分子生物学,青岛科技大学化工学院 刘全兰,THE CYTOSKELETON,第十一章 细胞骨架,成分,3.中间纤维（intemediate filament）,使细胞具有张力和抗剪切力。,1.微丝（microfilament）,确定细胞表面特征，使细胞能够运动和收缩。,2.微管（microtubule）,确定膜性细胞器的位置和作为膜泡运输的导轨。,细胞质骨架,4.核基质,5.染色体支架,6.核纤层,细胞核骨架,肌动蛋白纤维,中间纤维,微管,马达蛋白,马达蛋白,上皮细胞,中间纤维,微管,神经细胞,马达蛋白,分裂细胞,微管,肌动蛋白纤维,结构和支撑,细胞内运输,收缩和运动,空间组织结构,肌动蛋白纤维,（A）,（B）,（C）,细胞骨架的基本类型与主要功能示意图,第一节 细胞质骨架,一. 微丝,二. 微管,三. 中间纤维,一、 微丝 (microfilament , MF),又称肌动蛋白纤维（,actin,filament）,或纤维形肌动蛋白（,F,actin,），,是,由球形肌动蛋白（,G-,actin,）,单体形成的多聚体,，,直径约7,nm,的骨架纤维,。,传统模型：微丝是由两条肌动蛋白单链螺旋盘绕形成的纤维,新兴模型：微丝是由一条肌动蛋白单体链形成的螺旋，,每个肌动蛋白单体周围都有4个亚单位，呈上下及两侧排列,(一)、分子结构,1.肌动蛋白的分类,：,肌动蛋白：有4种，分别为横纹肌、心肌、血管平滑肌和肠道平滑肌所特有；,肌动蛋白和,肌动蛋白：见于所有肌肉细胞和非肌肉细胞胞质中。,2.形状,：,actin,单体外观呈哑铃形，称球形肌动蛋白,G-,actin,；,多聚体称为纤维形肌动蛋白,F-,actin,。,3.变异,：,actin,在进化上高度保守，酵母和兔子肌肉的肌动蛋白有,88%,的同源性。,条件：,ATP、,适宜的温度、存在,Ca,2+,、K,+,和,Mg,2+,离子。,解聚：在含有,ATP,和,Ca,2+,以及低浓度的,Na,+,、K,+,等阳离子溶液中，趋于解离成,G-action。,聚合：在,Mg,2+,和高浓度的,Na,+,、K,+,溶液诱导下，,G-action,装配为纤维状肌动蛋白，新的,Gaction,加到,微丝末端，使微丝延伸。,(二)、微丝的装配,过程：,2-3个,actin,聚集成一个核心（核化）；,ATP-,actin,分子向核心两端加合。微丝具,有极性,，,ATP-,actin,加到,(+),极的速度要比加到,(-),极的速度快,5-10,倍。,溶液中,ATP-,肌动蛋白的浓度处于临界浓度时，,ATP-,肌动蛋白在,(+),端添加，而从,(-),端分离，表现出,“踏车”,现象 （,Tread milling),。,(二)、微丝的装配,“踏车”现象 （,Treadmilling),细胞中大多数微丝结构处于,动态,的组装和去组装过程中，并通过这种方式实现其功能。,细胞松弛素,（,cytochalasin,）,可切断微丝纤维，并结合在微丝末端抑制肌动蛋白加合到微丝纤维上，特异性的抑制微丝功能。,鬼笔环肽,（,phalloidin,）,与微丝能够特异性的结合，使微丝纤维稳定而抑制其解聚。荧光标记的鬼笔环肽可特异性的显示微丝。,（三）、微丝结合蛋白,1肌肉收缩系统中的有关蛋白：,肌球蛋白(,myosin),：,约占肌肉总蛋白50%，含有4条多肽链（2条重链，2条轻链），两股重链盘绕成双股,螺旋。肌球蛋白头部具,ATP,酶活力，构成粗丝的横桥，是与肌动蛋白分子结合的位置。,头部,颈部,尾部,调节轻链,基本轻链,肌球蛋白II,（三）、微丝结合蛋白,1肌肉收缩系统中的有关蛋白：,原,肌球蛋白,（,tropomyosin,，Tm）：,在肌肉中占蛋白的5-10%，由两条平行的多肽链形成,螺旋构型,位于肌动蛋白螺旋沟内,。,原肌球蛋白结合于细肌丝，调节肌动蛋白与肌球蛋白头部结合。,肌钙蛋白,（,troponin,，,Tn,）：,含3个亚基，肌钙蛋白,C（,Tn,-C）,特异与,Ca,2+,结合；肌钙蛋白,T（,Tn,-T）,与原肌球蛋白有高度亲和力；肌钙蛋白,I（,Tn,-I）,抑制肌球蛋白,ATPase,的活性。,肌球蛋白，肌动蛋白和肌钙蛋白,（Tropomyosin, actin and troponin）,肌动蛋白,原肌球蛋白,Ca,2+,结合位点,肌钙蛋白复合体,肌球蛋白结合位点,2,非肌肉细胞中的微丝结合蛋白,：,没有肌钙蛋白，但存有肌球蛋白、原肌球蛋白、,辅,肌动蛋白,微丝结合蛋白：与微丝装配及其功能有密切关系,（三）、微丝结合蛋白,蛋白,相对分子质量/10,3,功能,110K蛋白,110,肌球蛋白，从肌动蛋白纤维侧向连接微绒毛细胞膜，在运动细胞的前沿产生动力。,辅肌动蛋白,200,参与微丝与膜的结合，可横向连接微丝形成束，在肌节中具结构作用,。,钙调蛋白,低,Ca,2+,条件下与原肌球蛋白及肌动蛋白结合，阻止肌球蛋白的结合。,细丝蛋白,两个270亚基,横向连接相邻微丝，形成三维网络结构,见 p323,（四）、,微丝性细胞骨架的功能,1.肌肉收缩,2.微绒毛,3.应力纤维,4.溶胶层和阿米巴运动,5.胞质分裂环,1.,肌细胞的组成,：,由肌原纤维组成，肌原纤维包括粗肌丝和细肌丝，粗肌丝主要成分是肌球蛋白，细肌丝的主要成分是肌动蛋白、原肌球蛋白和肌钙蛋白。,2.,肌肉收缩,：,由肌动蛋白丝与肌球蛋白丝的相对滑动所致。,3.,肌肉收缩的基本单位：,肌小节（,sarcomere,）。,肌小节是相邻两,Z,线间的单位。主要结构有：,A,带（暗带）：为粗肌丝所在。,H,区：,A,带中央色浅部份，此处只有粗肌丝。,I,带（明带）：只含细肌丝部分。,Z,线：细肌丝一端游离，一端附于,Z,线 。,功能I.肌肉收缩,肌小节,4.,肌肉收缩的过程,：,动作电位的产生，肌肉细胞膜去极化；,钙离子释放；,原肌球蛋白位移；,肌动蛋白丝与肌球蛋白丝的相对滑动。,功能I.肌肉收缩,肌动蛋白,原肌球蛋白,Ca,2+,结合位点,肌钙蛋白复合体,肌球蛋白结合位点,动作电位的产生，肌肉细胞膜去极化；,钙离子释放；,原肌球蛋白位移；,肌球蛋白头部,肌动蛋白,肌球蛋白纤维,肌球蛋白头部解离,（1）结合ATP,（2）ATP水解,头部弯曲，结合新的肌动蛋白亚单位,肌动蛋白丝与肌球蛋白丝的相对滑动。,（1）肌球蛋白结合,ATP，,引起头部与肌动蛋白纤维分离；,（2）,ATP,水解，引起头部与肌动蛋白弱结合；,（2）ATP水解,头部弯曲，结合新的肌动蛋白亚单位,（3）Pi释放,头部弯曲，扭向纤维,（4）ADP释放,(,3),Pi,释放，头部与肌动蛋白强结合，头部向,M,线方向弯曲，引起细肌丝向,M,线移动；,(4),ADP,释放,ATP,结合上去，头部与肌动蛋白纤维分离。,如此循环,功能,II形成微绒毛,1.代表,：,肠,上皮细胞微绒毛的轴心微丝是非肌肉细胞中高度有序微丝束的代表。,2.成分：不含肌球蛋白、原肌球蛋白和,辅肌动蛋白；含有微丝结合蛋白等。,3.功能：起维持微绒毛形状的作用，无收缩功能。,功能,III形成,应力纤维,1.代表,：,是真核细胞中广泛存在的微丝束结构。,2.成分：含肌动蛋白、肌球蛋白、原肌球蛋白和,辅肌动蛋白等。,3.功能：,结构类似肌原纤维，使细胞具有抗剪切力；,在细胞形态发生、细胞分化和组织的形成等方面具有重要作用。,培养的上皮细胞中的应力纤维（微丝红色、微管绿色）,功能,IV,细胞的变形运动,(,溶胶层和阿米巴运动,),1.溶胶层,：,细胞膜下的一层富含肌动蛋白纤维的区域。这些肌动蛋白纤维平行于质膜排列，并与膜连接，形成纤维网格。,2.功能：,为细胞提供强度和韧性，维持细胞形状,。细胞的多种运动，如胞质环流、阿米巴运动、变皱膜运动及吞噬都与肌动蛋白的溶胶与凝胶及其相互转化有关。,3.抑制剂：细胞松弛素,功能,V,形成,胞质分裂环,1.定义,：,有丝分裂末期，两个即将分裂的子细胞之间产生的一个收缩环。,2.成分：由大量平行排列的微丝组成，由分裂末期胞质中的肌动蛋白装配而成。收缩环是非肌肉细胞中具有收缩功能的微丝束的典型代表。,3.功能：,使两子细胞被分开,。,二、 微管 (microtubule , MT),微管在胞质中形成网络结构，作为运输路轨并起支撑作用。微管是由微管蛋白组成的管状结构，对低温、高压和秋水仙素敏感。,上皮细胞中的微管（红色）和细胞核（黄色）,原纤维,微管蛋白二聚体,（一）、分子结构,1.形态：,微管是由,13,条原纤维构成的中空管状结构，外径24,nm，,内径15,nm。,2.成分,：每一条原纤维由微管蛋白二聚体线性排列而成。,微管蛋白二聚体由结构相似的,和,球蛋白构成。,3.装配：,微管具有极性，,(+),极生长速度快，,(-),极生长速度慢。,(,+),极的最外端是,球蛋白，,(-),极的最外端是,球蛋白。,微管和微丝一样具有踏车行为。,微管形成的有些结构是比较稳定，是由于微管结合蛋白的作用和酶修饰的原因。如轴突、纤毛、鞭毛。,大多数微管处于动态组装和去组装状态（如纺锤体）。,秋水仙素、长春花碱抑制微管装配。,紫杉酚和重水（,D,2,O),能促进微管的装配,并使已形成的微管稳定。,微管两端具有GTP帽，将持续装配。,微管两端具有GDP帽，则解聚。,（二）、,微管结合蛋白（,microtubule associated proteins MAPs）,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,。,（三）、,微管组织中心,（,microtubule organizing center, MTOCs）,是微管进行组装的区域，都具有,微管球蛋白 ，如：中心体、鞭毛基体。,中心体由两个相互垂直的中心粒构成。周围是一些无定形物质，叫做外中心粒物质（,PCM）。,中心粒由,9组3,联微管构成，具有召集,PCM,的作用。,MTOC,处微管蛋白以环状的,球蛋白复合体为模板核化、先组装出（,-,）极，然后开始生长。,提纯的微管，在微酸性环境，适宜的温度，存在,GTP、Mg,2+,和去除,Ca,2+,的条件下能自发的组装成,11,条原纤维的微管。,微管在细胞的定位,（四）、,微管的功能,1,、支架作用,维持细胞形态,2、细胞内运输,是胞内物质运输的路轨。,涉及两大类马达蛋白：驱动蛋白kinesin，动力蛋白dyenin，均需ATP供能。,Kinesin发现于1985年，是由两条轻链和两条重链构成的四聚体 ，能向着微管（+）极运输小泡 。,3、,鞭毛和纤毛的运动,纤毛与鞭毛是相似的两种细胞外长物，前者较短。,结构：,由基体和鞭杆两部分构成。,纤毛中的微管为9+2结构。,二联微管,A,管由13条原纤维组成，,B,管由10条原纤维组成。,A,管向相邻,B,管伸出两条动力蛋白臂，并向纤毛中央发出一条辐。,基体的微管组成为9+0。,鞭毛运动原理：动力蛋白臂的,dynein,水解,ATP,作功，使相邻的二联微管相互滑动。,4、形成纺锤体 在细胞分裂中牵引染色体到达分裂极。,三、,中间纤维（,intermediate filaments，IF）,直径10,nm,左右，介于微丝和微管之间，故名。,IF,是最稳定的细胞骨架成分，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。,分为,5,类：角蛋白、结蛋白、胶质原纤维酸性蛋白、波形纤维蛋白、神经纤丝蛋白。,具有组织特异性，不同类型细胞含有不同,IF。,通常一种细胞含有一种中间纤维，少数含有,2,种以上。,肿瘤细胞转移后仍保留源细胞的,IF。,（一）、类 型,(二)、结构与装配,1.结构,由螺旋化杆状区，以及两端非螺旋化的球形头（,N,端）尾（,C,端）部构成。,杆状区高度保守，由螺旋,1,和螺旋,2,构成，每个螺旋区还分为,A、B,两个亚区。,intemediate filaments，IF,角蛋白纤维,波形纤维,神经元纤维,神经胶质纤维,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；,4,根原纤维组成中间纤维。,特点：,IF,没有极性；无动态蛋白库；装配与温度和蛋白浓度无关；不需要,ATP、GTP,或结合蛋白的辅助。,2. IF的装配,(二)、结构与装配,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,已知的,IFAPs,约15,种左右，分别与特定的中间纤维结合，如：,flanggrin,、,Plectin,、,Ankyrin,特点：具有细胞特异性,（三）、IF的结合蛋白 IFAP,胞质骨架三种组分的比较,