第九章_细胞骨架课件

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,*,细胞骨架（,cytoskeleton,）：,是指,真核细胞,质中的,蛋白质,纤维,网架,体系。,细 胞 骨 架,微管,微丝,中间纤维,线粒体,核糖体,内质网,对,维持细胞形态、固定细胞器,、胞内物质运输、细胞分裂及,细胞运动,等有关。,第九章 细胞骨架,cytoskeleton,Introduction,细胞骨架概念：,狭义,：在真核细胞中与保持细胞形态结构和细胞运动有关的纤维网络，包括,微管、微丝和中间丝,。,广义,：细胞质骨架、核骨架、膜骨架、细胞外基质。,发现：,电镜样品，锇酸和高锰酸钾低温固定，细胞骨架破坏。,1963,年使用戊二醛常温固定，可观察到三维网络结构。,功能：,支架作用、物质运输、细胞器位移、细胞运动、细胞信息传递、基因表达、蛋白质合成、细胞分裂分化,结构和支持,胞内运输,收缩运动,空间结构,微管（,microtubule, MT,）是由,微管蛋白,和,微管结合蛋白,组成的中空圆柱状结构。,微管在胞质中成,网状,或,束状分布,，并能与其他蛋白共同组装成纺锤体、中心粒、鞭毛、纤毛、轴突等结构。,微管存在于几乎所有,真核细胞质,中。在生物进化中十分,稳定,。,微管参与,细胞形态的维持、细胞运动和细胞分裂,。,微管是由,13,条原纤维,构成的中空管状结构，直径,2426nm,，内径,15nm,。,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（微管蛋白）由结构相似的,和,微管蛋白,构成。,微管蛋白含有,450aa,，,微管蛋白含有,455aa,，二者形成微管蛋白异二聚体，是微管装配的基本单位。,一、微管蛋白与微管的结构,微管蛋白分子模型,微管具有极性。原纤维中重复的,亚单位排列即构成微管的极性。,即为头,尾的方向。,微管蛋白具有方向性,(+),极的最外端是,球蛋白，,(-),极的最外端是,球蛋白。,(+),极生长速度快，,(-),极生长速度慢。,微管的形态结构：,由,13,根,原纤维,纵向围绕而成。,横断面上看：中空状，管壁由,13,个球形蛋白亚基组成。,8,11,13,1,2,3,4,5,6,7,9,10,12,微管横断面,15nm,24-26nm,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,单管,A,B,二联管,A,B,C,三联管,微管可以装配成单管,二联管（纤毛和鞭毛中）,三联管（中心粒和基体中）,微管的分布：,单管,：,13,条原纤维组成，细胞质中大部分微管为单管。,二联管,：,两根微管组成，分为,A,管、,B,管，,A,管,B,管共用三根原纤维，主要构成鞭毛、纤毛。,三联管,：,由,A,、,B,、,C,三根微管组成，,A,与,B,、,B,与,C,各共用三根纤维，共含,33,根原纤维，主要构成中心粒和基体。,二联管,三联管,二、微管结合蛋白,(microtubule associated protein, MAP),：,同微管相结合的辅助蛋白，它们不,是构成微管壁的基本构件，而是在微管蛋白组装成微管之后，结合在微管的表面。,微管结合蛋白是微管系统结构和功能所必需的组分，它们与运动的产生、微管组装和去组装的调节、微管和其他细胞组分之间的连接等密切相关。,微管的装配主要表现为,动态不稳定性（,dynamic instability,），,即增长的微管末端有,微管蛋白,-GTP,帽,，在微管组装期间或组装后,GTP,被水解成,GDP,，从而使,GDP-,微管蛋白,成为微管的主要成分。,微管蛋白,-GDP,帽,及短小的微管原纤维从微管末端脱落则使微管解聚。,成核期：先由,和,微管蛋白聚合成一个短的寡聚体结构，即核心形成；,聚合期：微管蛋白聚合速度大于解聚速度,微管延长；,稳定期：游离微管蛋白浓度下降，达到临界浓度，微管的组装与去组装速度相等，微管长度相对恒定。,二、微管的组装,极性装配 ：,装配快的一端（,微管蛋白）为（,+,）极，,装配慢或去组装的一端（,微管蛋白）为（,-,）极,踏车现象,：微管的一端发生,GTP,和微管蛋白的添加，是微管不断延长；另一端具有,GDP,的微管蛋白发生解聚而使微管缩短，组装和去组装达到平衡,1.,微管的体外组装受多种因素影响,微管在生理状态及实验处理解聚后重新装配的发生处称为微管组织中心。,作用：,动物细胞的微管组织中心为,中心体,。,MTOC,决定细胞微管的极性，微管的负极,(-),指向,MTOC,，正极,(+),背向,MTOC,。,在体外微管的装配需要如下条件：,1,、微管蛋白浓度：,低于临界浓度不发生微管聚合。,2,、最适,pH,pH=6.9,。,3,、离子,Ca,2+,应尽可能除去，,Mg,2+,为装配所必须。,4,、温度,37,微管蛋白二聚体装配成微管，,0 ,微管解聚为二聚体。,5,、,GTP,的供应。,（二）微管的体外组装,微管蛋白的体外组装分为成核,(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。,二聚体同,GTP,结合后被激活，使二聚体聚合成微管，而,GTP,则分解,GDP,和,Pi,。,当微管,(+),端形成,GTP,帽，而游离微管蛋白二聚体的浓度又很高时，微管趋于生长。,当结合,GTP,的游离微管蛋白二聚体的浓度降低，引起微管延长的速率下降时，随着,GTP,水解的不断进行，最后,GTP,帽结构转变成,GDP,，逐渐使微管变得不稳定，趋于解聚。,细胞内微管的这两种状态是不断发生的,因为细胞内不断有微管解聚,又不断地有新微管的组装。,如果微管正端结合的是由结合,GTP,的微管蛋白二聚体组成的,GTP,帽结构,微管就趋于生长。,如果微管的正端结合的是由结合,GDP,的微管蛋白二聚体组成的,GDP,帽结构，这种微管就趋于缩短。,+,-,踏 车,在一定条件下，微管一端发生,GTP,和微管蛋白的添加，使微管延长，称为正端；另一端具有,GDP,的微管蛋白发生解聚而使微管缩短，称为负端。微管的这种装配方式称为踏车运动（,treadmilling,）。,-TuRC,组织,微管在体内的装配在时间和空间是高度有序的。,间期,：微管与微管蛋白处于相对平衡状态；,-TuRC,组织微管形成的能力被关闭；,分裂前期,：,-TuRC,磷酸化,，开放,-TuRC,组织形成微管的能力；,（四）影响微管组装和去组装的因素,对活细胞进行各种处理可使细胞骨架微管去组装，但不破坏其它细胞结构。,低温、流体静力学压力、升高的钙离子浓度,微管特异性药物,秋水仙素、长春花碱、长春新碱和紫杉醇,秋水仙素，最重要的微管工具药物。,秋水仙素结合和稳定微管蛋白，阻止微管蛋白聚合，引起微管去组装。,长春花碱和长春新碱则结合微管蛋白异二聚体，抑制微管的聚合。,细胞周期特异性抗肿瘤药，作用于,G,1, S & M,。阻断增殖细胞纺锤体的形成，使有丝分裂停止于中期。,2024/9/15,22,紫杉醇,(,taxol,),促进微管的装配，并使已形成的微管稳定。紫杉醇所致的微管稳定性对细胞是,有害的,，使细胞周期停止于有丝分裂期。,紫杉醇类化合物在体内优先杀死肿瘤细胞，已用于癌症的化疗。,四、微管的功能,构成细胞内的网状支架，支持和维持细胞的形态,参与中心粒、纤毛和鞭毛的形成,参与胞内物质运输,维持细胞内细胞器的定位和分布,参与染色体运动，调节细胞分裂,参与细胞内信号传导,1,、,支持和维持细胞的形态,用秋水仙素处理培养细胞，发现细胞丧失原有的形态而变圆。说明微管对维持细胞的不对称形状是重要的。,微管具有一定刚性，可自然取直，在保持细胞外形方面起支撑作用。,细胞突起部分，如伪足、,鞭毛、纤毛、神经轴突的,形成和维持，都是微管在,起关键作用。,（线粒体、分泌小泡前体）,（细胞器定位和转运）,用破坏微管的药物处理细胞，发现能够严重影响膜细胞器，特别是高尔基体在细胞内的位置。,高尔基体一般在细胞中央，细胞核外侧，中心体附近。用秋水仙素处理细胞后，高尔基体分解成小囊泡，分散于四周；除去药物，微管组装后，高尔基体又恢复其在细胞内的正常位置。,当细胞从间期进入分裂期时，间期细胞微管网架崩解，微管解聚为微管蛋白，经重组装形成纺锤体，介导染色体的运动；,分裂末期，纺锤体微管解聚为微管蛋白，经重组装形成微管网。,微管的信号转导功能具有重要的生物学作用，它与细胞的极化、微管的方向性及微管组织中心的位置均有关。,第二节 微丝,microfilament, MF,又称肌动蛋白丝（,actin filament,），是由肌动蛋白（,actin,）组成的细丝，普遍存在于真核细胞中。,微丝以束状、网状或分散等多种方式有序地存在于细胞质的特定空间位置上，并由此与微管和中间纤维共同构成细胞骨架，参与细胞形态的维持以及细胞运动等生理功能。,肌细胞：肌动蛋白占细胞总蛋白,10%,，微丝形成特定的,稳定,结构；,非肌细胞：肌动蛋白占,1%5%,。微丝常分布在细胞膜下方，大多呈现一种,动态,结构。,微丝是比微管细的实心纤维状结构,一、肌动蛋白与微丝的结构,形态：,是一类由肌动蛋白纤维组成的实心螺旋状纤维细丝。,5-8nm,，长短不一。,在细胞中：微丝横向连接聚合成束。,分类：,根据等电点不同,分为,、,和,3,类肌动蛋白：,肌动蛋白为横纹肌、心肌、血管平滑肌和肠道平滑肌,(,肌细胞,),特有；,肌动蛋白和,肌动蛋白分布于所有肌细胞和非肌细胞。,存在方式：,肌动蛋白以,单体,和,多聚体,的形式存在。单体是一条多肽链构成的球形分子，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,。,特点：,肌动蛋白在进化上高度保守，酵母和兔子肌肉的肌动蛋白有,88%,的同源性。,肌动蛋白的结构及特点,单体,G-,肌动蛋白和纤维状,F-,肌动蛋白的结构,肌动蛋白是一种中等大小的蛋白质， 由,375,个氨基酸残基组成，分子量为,43kDa,，由,2,个亚基，,4,个亚结构域构成 。,单体肌动蛋白分子其上有三个结合位点：一个是,ATP,结合位点,另两个为肌球蛋白结合位点及阳离子结合位点。,肌动蛋白单体的结构模型,（,b,）电子显微镜观察的经负染的丝状肌动蛋白的形态,(c),肌,动,蛋,白,纤,维,亚,基,的,装,配,模,型,及其功能,三、微丝的装配机制,（一）微丝的组装分为三个阶段,体外实验表明,肌动蛋白纤维的装配分三步进行，并且是三个连续的过程。,（质膜）,条件：,ATP,、 适宜的温度、存在,K,+,和,Mg,2+,离子。,在体外将,Mg,2+,、,K,+,和,Na,+,等无机离子加入到溶液中，能诱导,G-,肌动蛋白聚合成,F-,肌动蛋白纤维。该过程可逆。当降低溶液中离子的浓度，,F-,肌动蛋白纤维能够解聚成,G-,肌动蛋白。,（三）影响微丝组装的有关因素：,在含有,ATP,和,Ca,2+,、低浓度的单价离子,(Na,+,、,K,+,等,),溶液中微丝趋向解聚,G-actin,在含有,ATP,和,Mg,2+,、高浓度的,Na,+,、,K,+,离子溶液中微丝趋向聚合（,G-actin,F-actin,）溶液,7,，易于进行微丝的组装。,肌动蛋白浓度,细胞松弛素,B,：,特异性切断微丝，结合在微丝末端抑制肌动蛋白聚合，破坏微丝组装，对微管无作用。,鬼笔环肽,：只与聚合微丝结合，抑制微丝解聚，破坏动态平衡。,-I,细胞依赖,肌动蛋白,和,微丝结合蛋白,的相互作用，可进行变形运动,。,（,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,参与肌肉的收缩,如通过肌球蛋白,-1,同微丝结合，将运输小泡沿微丝的负端向正端移动,第三节 中间纤维,intermediate filaments, IF,直径,10nm,左右，介于,肌动蛋白细丝,和,肌球蛋白粗丝,之间，故名。,中间纤维是最稳定的细胞骨架成分，既不受细胞松弛素影响也不受秋水仙素的影响。没有极性。,主要起支撑作用。,中间纤维与微管和微丝的差异：,中间纤维是相当,稳定,的结构，即使用含有去垢剂和高盐溶液抽提细胞，中间纤维仍然保持完整无缺。,中间纤维在体积和形态上与微管和微丝不同，其成分比微管和微丝都要,复杂,，且具有,组织特异性,，不同类型细胞含有不同中间纤维。,中间纤维的亚基并,不与核苷酸,结合，而微管的亚基与,GTP,或,GDP,结合，微丝的亚基则与,ATP,或,ADP,结合。,一、中间纤维的分布、结构和类型,（一）分布：,中间纤维是一类,丝状蛋白多聚体,。分布于细胞质中常形成精细发达的纤维网络，外与,细胞膜与细胞外基质,相连，内与,核纤层,有直接的联系。中间纤维与微丝、微管及其他细胞器也有着错综复杂的纤维联络。,（二）中间纤维的分子结构,中间纤维的基本组成单位,中间纤维单体（丝状蛋白）,中间纤维单体共同结构域,-,螺旋杆状区,非螺旋区,：,310,个氨基酸残基组成的螺旋杆部,(,这是一个高度保守的二级结构,),。,由,4,个螺旋构成，螺旋区之间被,3,个间隔区隔开。,头部（,N-,端）,尾部（,C-,端）,结构与装配,结构,杆状区,球形头部（,N,端）,尾部（,C,端）,角蛋白,波形蛋白,神经丝蛋白,核纤层,（三）,具有组织特异性，不同类型细胞含有不同中间纤维。,细胞内中间纤维的种类和成分可随细胞的生长或成熟而变化。,二、,非极化,四个八聚体组装,中间纤维的组装,单体,二聚体,超螺旋,COOH,单体,NH,2,COOH,COOH,二聚体,NH,2,NH,2,COOH,COOH,NH,2,NH,2,四聚体,NH,2,NH,2,COOH,COOH,四聚体,原纤维,八聚体,八聚体,亚丝,中间纤维,中间纤维,原纤维,2.IF,的装配,过程：,两个单体形成超螺旋二聚体；,两个二聚体反向平行组装成四聚体；,四聚体组成原纤维；,8,根原纤维组成中间纤维。,特点： 无极性；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。,二、结构与装配,磷酸化，中间纤维解体；去磷酸化，中间纤维再形成,三、中间丝的功能,1.,参与构成细胞完整的支撑网架系统,构成细胞完整的支撑网架系统，还与细胞核的形态,支持和定位、相邻细胞之间、细胞与基膜之间连接,结构的形成，,2.,为细胞提供机械强度支持,四、中间丝的功能,胞质骨架三种组分的比较,微丝,微管,中间纤维,单体,肌动蛋白,微管蛋白,丝状蛋白,结合核苷酸,ATP,GTP,无,纤维直径,58nm,25nm,10nm,结构,双链螺旋,13,根原纤维组成空心管状纤维,8,个,4,聚体或,4,个,8,聚体组成的空心管状纤维,极性,有,有,无,组织特异性,无,无,有,蛋白库,有,有,无,踏车行为,有,有,无,动力结合蛋白,肌球蛋白,动力蛋白，驱动蛋白,无,特异性药物,细胞松驰素,鬼笔环肽,秋水仙素，长春花碱，紫杉酚,+,-,整联蛋白,第五节 细胞骨架与医学,肿瘤细胞中细胞骨架的改变,肿瘤细胞中的微管数目急剧减少；微丝减少甚至消失；中间纤维其化学组成上有所改变，但其结构和免疫学特征方面均与正常细胞表现相同。,关于细胞骨架研究的临床应用,微管特异性药物进行抗癌治疗,如紫杉醇常被用来治疗乳腺癌、卵巢癌、淋巴癌和多发性骨髓瘤。,准确地鉴别来源于不同组织的肿瘤,由于中间纤维具有严格的组织特异性，大多肿瘤细胞通常继续表达其来源细胞的特征性中间纤维的种类，所以，可以用中间纤维的免疫专一性来鉴别。,中间纤维的显微技术还可与羊膜穿刺技术联合，应用于产前诊断,如当发现羊水中含有神经胶质纤维或神经丝的细胞时，就能指出胎儿具有中枢神经系统的畸形。,本章思考题,1,、三种细胞骨架成分有何异同,?,2,、为什么说细胞骨架是细胞内的一种动态结构？,3,、微丝与微管的组装有何不同？,人有了知识，就会具备各种分析能力，,明辨是非的能力。,所以我们要勤恳读书，广泛阅读，,古人说“书中自有黄金屋。,”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，,培养逻辑思维能力；,通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，,培养文学情趣；,通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。,有许多书籍还能培养我们的道德情操，,给我们巨大的精神力量，,鼓舞我们前进,。,