第九章 细胞骨架

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,*,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,*,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,*,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,*,第九章 细胞骨架,(Cytoskeleton),医学遗传学教研室,孙业盈,Tel:6913225,E-,mail:yeyingsun,细胞骨架（,Cytoskeleton,）是真核细胞中的蛋白质纤维网架体系，它对于维持细胞的形状、细胞的运动、细胞内的物质运输、染色体的分离和细胞的分裂起着重要的作用。,狭义细胞骨架由以下组分构成,微管（,microtubule,）,微丝（,microfilament,）,中间纤维（,intermediate filament,）,微丝,，又叫肌动蛋白纤维，是由肌动蛋白构成的两股螺旋形成的细丝，普遍存在于真核细胞中,微管,，是由微管蛋白单体构成的基本组件形成的中空的管状结构。普遍存在于真核细胞中,中间纤维,，又叫中间丝，粗细位于微丝和肌球蛋白粗丝之间，普遍存在于真核细胞中，是三种骨架系统中结构最为复杂的一种,第一节 微 管（,Microtubules,）,一,微管结构与组成,二 装配,三 微管特异性药物,四 微管组织中心,(MTOC),五 微管结合蛋白,(MAP),六 微管功能,一 微管结构与组成,中空圆管状，外径,24nm,，内径,15nm,。管壁由,13,条原纤维包围而成。原纤维是由,、,两种,微管蛋白,首尾相接,交替排列,组成，,所以,微管有极性,微管的类型,微管可装配成单管、二联管、三联管。,大部分细胞质微管是单管微管，它在低温、,Ca,2+,和秋水仙素作用下容易解聚，属于不稳定微管。,二联管是构成纤毛和鞭毛的周围小管，是运动类型的微管，它对低温、,Ca,2+,和秋水仙素都比较稳定。,三联管见于中心粒和基体，它对低温、,Ca,2+,和秋水仙素是稳定的。,二 装配,（一）微管的,装配过程,（二）,体外微管装配条件,（三）,体内微管装配动态,（一）组装的过程,、,微管蛋白连接成,8,nm,的,二聚体,二聚体再组装成原纤维,原纤维,经过侧面增加而扩展成片层,扩展至,13,根原纤维，即合拢形成一段微管,微管的极性,原纤维中重复的亚单位是异二聚体， ,所以,所有的微管都有极性,。,微管的两个末端在结构上不是等同的，这是非常重要的结构特征。,微管组装的机制, ,，即为头 尾的方向，微管蛋白加上或释放主要发生于（,+,）极，微管的延长主要依靠在极组装,GTP-,为微管蛋白，然后,GTP,水解为,GDP,，,GTP,与微管蛋白分离。,目前微管装配的动态模型认为：在微管组装过程中，微管两端具,GTP,帽（取决于微管蛋白的浓度），微管将继续组装，反之具,GDP,帽则解聚,。,（二）体外微管装配条件,1.,微管蛋白浓度：微管低于一定浓度（,临界浓度,）时，不发生微管聚合，临界浓度随温度和其他聚合条件的变动而异。,临界浓度,：微管蛋白的浓度对微管的组装具有调节作用，当微管的组装和去组装速度相等时，溶液中的微管蛋白浓度称临界浓度（,critical concentration ,Cc,）。此时微管长度不变。,2.,最适,pH,：,pH=6.9,。,3.,离子,: Ca2+,应尽可能除去，,Mg2+,为装配所必需。,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,供应。,（三）体内微管装配动态,1,体内微管装配动态变化,细胞分裂前期和后期,2,细胞中存在一些非常稳定的微管结构，如纤毛，鞭毛等。,三 微管特异性药物,秋水仙素,(,colchicine,),结合到未聚合的微管蛋白二聚体上，阻断微管蛋白组装成微管，可破坏纺锤体结构。,紫杉醇,(,taxol,),能促进微管的装配,并使已形成的微管稳定。它只结合到聚合的微管上，不与未聚合的微管蛋白二聚体反应。,四 微管组织中心,(MTOC),概念：,常见微管组织中心,中心体,(,centrosome,),基体,(basal body),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,(microtubule organizing center, MTOC),。,MTOC,的主要作用是帮助大多数细胞质微管装配过程中的成核反应。,常见微管组织中心,间期细胞,MTOC,：,中心体,(,动态微管,),分裂细胞,MTOC,：,有丝分裂纺锤体极,(,动态微管,),鞭毛纤毛细胞,MTOC,：,基体,(,永久性结构,),中心体,(,centrosome,),中心体,(,centrosome,),结构,：包括中心粒和中心粒周围物质，在细胞间期位于细胞核附近，在有丝分裂期，位于纺缍体的两极。,基体,(basal body),位于鞭毛和纤毛根部的类似结构称为,基体,基体只含有一个中心粒而不是一对中心粒,中心粒和基体均具有自我复制性质,五 微管结合蛋白,(Microtubule Associated Protein, MAP),微管结合蛋白（,microtubule associated protein ,MAP,）,：是一类与微管密切相关，附着于微管多聚体上，参与微管的组装并增加微管稳定性的蛋白质。,主要包括,：,MAP1,、,MAP2,、,tau,、,MAP-4,等。,MAP,的功能：,使微管相互交联形成束状结构，也可使微管同其它细胞结构交联。,通过与微管成核点的作用促进微管的聚合,在细胞内沿微管转运囊泡和颗粒,提高微管的稳定性,六、微管的功能,（一）微管,构成细胞内网状支架，支持和维持细胞形态,（二）微管,参与细胞内物质运输,（三）微管,参与中心粒、鞭毛和纤毛的形成,（四）微管,参与细胞内细胞器的定位和分布,（五）微管,参与染色体运动，调节细胞分裂,（六）微管,参与细胞内信号转导,（一）微管的细胞支架作用,用秋水仙素处理细胞破坏微管,导致细胞变圆,说明微管对维持细胞的不对称形状是重要的。对于细胞突起部分,如纤毛、鞭毛、轴突的形成和维持,微管亦起关键作用。,（二）微管参与细胞内物质运输,真核细胞内部是高度区域化的体系,细胞中合成的物质、一些细胞器等必须经过细胞内运输过程。这种运输过程与细胞骨架体系中的微管及其,Motor protein,有关。,Motor proteins,胞质中微管,motor protein,分为两大类：,驱动蛋白,(,kinesin,):,通常朝微管的正极方向运动,动力蛋白,(,cytoplasmic,dynein,),：朝微管的负极运动,（三）微管,参与中心粒、鞭毛和纤毛的形成,1,、,中心粒,（,centrioles,）,2,、,纤毛（,cilia,）和鞭毛（,flagella,）,中心粒,纤毛和鞭毛,（四）微管参与细胞内细胞器的定位和分布,以高尔基体在细胞内的位置为例说明。,一般高尔基体位于细胞的中央，刚好在细胞核的外侧，,用秋水仙碱处理细胞后，,高尔基体分散存在于四周，,除去药物，微管组装，又恢复其在细胞内的正常位置。,（五）微管,参与染色体运动，调节细胞分裂,（六）微管参与细胞内信号转导,已证明微管参与,Wnt,、,Hedgehog,、,JNK,、,ERK,蛋白激酶信号传导通路。,第二节 微丝,微丝（,microfilament,，,MF,）,是由肌动蛋白,(actin),组成的直径约,7nm,的骨架纤维，又称肌动蛋白纤维,actin filament,。,肌动蛋白纤维是由两条线性排列的肌动蛋白链形成的螺旋，状如双线捻成的绳子,一、微丝的结构和组装,二、微丝的结合蛋白,三、 微丝特异性药物,四、微丝的功能,一、微丝的结构和组装,1,结构,（,1,）肌动蛋白（,actin,）,*,2,个结构域，,4,个亚单位组成,ATP,（,ADP,）,二价离子,构象可改变,与微丝的组装与解离有关,* 极性结构,正端（）,负端（）,结合位点,*存在形式,游离 球状肌动蛋白（,G-actin),纤维状肌动蛋白,(F-actin),根据等电点的不同可将高等动物细胞内的肌动蛋白分为,3,类：,分布于各种肌肉细胞中,和,分布于肌细胞和非肌细胞中。,（,2,）微丝,结构：由肌动蛋白单体聚合形成双螺旋,2.,组装：,条件：,ATP,盐浓度,K,+,Mg,+,过程（三个阶段）：,成核期,微丝组装的限速过程,生长期,肌动蛋白在核心两端聚合,正端快，负端慢,平衡期,聚合速度与解离速度,达到平衡,动态调节：,踏车模型（,treadmilling,model,）,非稳态动力学模型,(dynamic instability model),ATP,是调节的主要因素,ATP-,肌动蛋白 对微丝末端亲和性高,ADP-,肌动蛋白 对微丝末端亲和性低,ATP-,肌动蛋白浓度与聚合速度成正比,微丝的任何一端都可以以添加肌动蛋白单体的方式增长，不过由于极性，两端的速度不同，速度快的一端为正端，速度慢的一端为负端。,当到达平衡期，肌动蛋白分子添加到肌动蛋白丝上的速度正好等于肌动蛋白分子从肌动蛋白上失去的速度，微丝的净长度没有改变，这种过程称为微丝的,踏车行为,(,treadmilling,),。,二、 微丝结合蛋白,与肌动蛋白纤维结合，调节其性质和功能，影响微丝长度，稳定性和构形。,已知的的微丝结合蛋白有,100,多种，,1,核化蛋白：使游离,actin,核化，开始组装，,Arp,2,单体隐蔽蛋白：阻止游离,actin,向纤维添加，,thymosin,3,封端蛋白：使纤维稳定，,Cap Z,4,单体聚合蛋白：将结合的单体安装到纤维，,profilin,5,微丝解聚蛋白：,cofilin,6,交联蛋白：,fimbrin,7,纤维切断蛋白：,gelsolin,8,膜结合蛋白：,vinculin,各种微丝结合蛋白,单体隔离蛋白,去聚合蛋白,膜结合蛋白,末端阻断蛋白,纤维切割蛋白,交联蛋白,三、 微丝特异性药物,细胞松弛素,(,cytochalasins,),：可以切断微丝,并结合在微丝正极阻抑肌动蛋白聚合。,鬼笔环肽,(,philloidin,),：与微丝侧面结合,防止,MF,解聚。,维持细胞形态，赋予质膜机械强度,肌肉收缩,(muscle contraction),细胞运动,微绒毛,(,microvillus),参与胞质分裂,四、微丝的功能,微丝遍及胞质各处，集中分布于质膜下，和其结合蛋白形成网络结构，称之为细胞皮层，维持细胞形状和赋予质膜机械强度,肌肉收缩,(muscle contraction),肌肉可看作一种特别富含细胞骨架的效力非常高的能量转换器，它直接将化学能转变为机械能。,肌肉的,细微结构,(,以骨骼肌为例,),肌小节,的组成,肌肉收缩系统中的有关蛋白,肌肉收缩的,滑动模型,肌肉收缩系统中的有关蛋白,肌球蛋白,(myosin),所有,actin,-dependent motor proteins,都属于该家族,头部具,ATP,酶活力,沿微丝从负极到正极进行运动。,Myosin ,主要分布于肌细胞，有两个球形头部结构域,(,具有,ATPase,活性,),和尾部,多个,Myosin,尾部相互缠绕，形成,myosin filament,即粗肌丝。,原肌球蛋白,(,tropomyosin, Tm),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,结合于细丝,调节肌动蛋白与肌球蛋白头部的结合。,肌钙蛋白,(,Troponin,Tn,),为复合物，包括三个亚基：,TnC(Ca,2+,敏感性蛋白,),能特异与,Ca,2+,结合,;,TnT,(,与原肌球蛋白结合,);,TnI,(,抑制肌球蛋白,ATPase,活性,),肌球蛋白结合,ATP,，引起头部与肌动蛋白纤维分离；,ATP,水解，引起头部与肌动蛋白弱结合；,Myosin movement (continued),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；,ADP,释放,ATP,结合上去，头部与肌动蛋白纤维分离。,如此循环,细胞的运动,分为四步：,：微丝纤维生长，使细胞表面突出，形成片足,(,lamellipodium,),；,在片足与基质接触的位置形成粘着斑；,在,myosin,的作用下微丝纤维滑动，使细胞主体前移；,解除细胞后方的粘和点。如此不断循环，细胞向前移动。阿米巴原虫、白细胞、成纤维细胞都能以这种方式运动。,movie,细胞运动,成纤维细胞爬行与微丝装配和解聚相关,是肠上皮细胞的指状突起，用以增加肠上皮细胞表面积，以利于营养的快速吸收。,微绒毛,(microvillus),绒毛蛋白,毛缘蛋白,肌球蛋白,钙调蛋白,收缩环由大量反向平行排列的微丝组成，其收缩机制是肌动蛋白和肌球蛋白相对滑动。,第三节 中间纤维（,intermediate,filament,IF,）,中间纤维（又称为中间丝,),广泛存在于真核细胞中，是一类直径约,10nm,的管状纤维，由于其直径介于肌粗丝和细丝之间,故被命名为中间纤维。,一、中间纤维的,类型,二、中间纤维的,结构,三、中间纤维的,装配,四、中间纤维,结合蛋白,五、中间纤维的,功能,一、中间纤维的类型,I,型和,II,型角蛋白中间丝：以异源二聚体形式参与中间丝的组装，分布于上皮细胞内。,III,型中间丝：波形蛋白、结蛋白、胶质纤维酸性蛋白和外周蛋白。,IV,型中间丝：,3,种神经丝蛋白亚基和,-,介连蛋白。,V,型中间丝,:,核纤层蛋白,VI,型中间丝,:,巢蛋白和微管卷曲蛋白。,二、中间纤维的结构,三个区域：,头部,区,、,杆状区,、,尾部,区。,三、中间纤维的组装,反向或,顺向,平头或半交叠,2,单体,二聚体,2,二聚体,四聚体,中间纤维,水平、对齐,8,四聚体,四、中间纤维结合蛋白,中间纤维结合蛋白,（,intermediate filament associated,protein,IFAP,）是一类在结构和功能上与中间纤维有密切联系，但,其本身不是中间纤维结构组分的蛋白,。,IFAP,可能在中间纤维上或其两端与中间纤维紧密或松散结合，也可能作为中间纤维超分子结构的调节者。,1,、在细胞内形成一个完整的网状骨架系统。,2,、为细胞提供机械强度支持。,3,、参与细胞连接。,4,、参与维持细胞核膜稳定。,5,、参与肌节的稳定。,6,、参与细胞内物质运输。,7,、参与细胞内信息的传递。,8,、参与细胞分化。,9,、参与基因的表达。,五、中间纤维的功能,