细胞生物学：04-1微管

细细 胞胞 骨骨 架架 cytoskeleton 学习目的与要求学习目的与要求1.1.掌握细胞骨架的概念及基本组成掌握细胞骨架的概念及基本组成成分。成分。2.2.掌握微管、微丝、中间纤维的结掌握微管、微丝、中间纤维的结构、组成、装配及其功能。构、组成、装配及其功能。 3.3.熟悉微管、微丝、中间纤维的形熟悉微管、微丝、中间纤维的形态及影响其组装的因素。态及影响其组装的因素。罗纳德罗纳德里根里根 年， 他患了老年痴呆症。 阿茨海默病（老年阿茨海默病（老年性痴呆）与微管聚集缺性痴呆）与微管聚集缺陷有关，可能引起轴质陷有关，可能引起轴质流阻塞，神经信号传递流阻塞，神经信号传递紊乱紊乱。? ?细胞骨架：细胞骨架：是真核细胞中存在的由蛋是真核细胞中存在的由蛋 白质纤维组成的网架体系。白质纤维组成的网架体系。 细胞骨架细胞骨架 细胞质骨架细胞质骨架 细胞核骨架细胞核骨架 细胞外基质细胞外基质狭义狭义 细胞质骨架（微管、细胞质骨架（微管、 微丝微丝 、中间纤维）、中间纤维）广义广义微管微丝中间纤维 细胞质骨架结构细胞质骨架结构红色显示微丝，绿色显示微管红色显示微丝，绿色显示微管 特点：特点：弥散性：弥散性：细胞的核、质、膜都存在细胞的核、质、膜都存在整体性：整体性：相互连结成复杂的联合体相互连结成复杂的联合体变动性：变动性：骨架的结构随生理条件而骨架的结构随生理条件而 改变，进行组装和去组装改变，进行组装和去组装u 微管的化学组成与结构微管的化学组成与结构u 微管结合蛋白微管结合蛋白u 微管的组装与特点微管的组装与特点u 微管的功能微管的功能 第一节第一节 微微 管管 ( (microtubule, MT) （一）微管的化学组成（一）微管的化学组成 微管蛋白、微管蛋白、微管蛋白微管蛋白 -微管蛋白微管蛋白 常以异二聚体形式存在 -微管蛋白 -微管蛋白 1. 和和 微管蛋白微管蛋白 一、微管的化学组成一、微管的化学组成与与形态结构形态结构 在在微管蛋白和微管蛋白和微管蛋白上各有一个微管蛋白上各有一个GTPGTP结合结合位点、位点、Mg2+Mg2+、Ca2+Ca2+结合位点结合位点 和一个秋水仙素结合位和一个秋水仙素结合位点。点。 微管蛋白微管蛋白结合的结合的GTPGTP不发生水解或交换。而不发生水解或交换。而-微管蛋白微管蛋白的的GTPGTP可发生水解或交换。可发生水解或交换。2. 微管蛋白环状复合物微管蛋白环状复合物 由微管蛋白和一些其他相关蛋白构成，是微管的一种高效的集结结构，在中心体中是微管装配的起始结构。 A.微管结构模式图 B.微管横切面 C.电镜图象 ( (二二) )微管的形态结构微管的形态结构 微管蛋白微管蛋白 微管蛋白异源二聚体头尾相接微管蛋白异源二聚体头尾相接, , 形成细长的原纤维。形成细长的原纤维。 1313条原纤维纵向排列组成微管条原纤维纵向排列组成微管 的壁。的壁。 微管的微管的 单管微管由单管微管由13根原丝组成，是根原丝组成，是胞质微管的主要存在形式。胞质微管的主要存在形式。 二联管主要分布在纤毛和鞭毛二联管主要分布在纤毛和鞭毛的杆状部分的杆状部分 。 三联管主要分布在中心粒及纤三联管主要分布在中心粒及纤毛和鞭毛的基体中毛和鞭毛的基体中 。二、微管二、微管结合结合蛋白蛋白 (microtubule- associated (microtubule- associated proteinprotein，MAP)MAP) MAP是一类与微管结合的蛋白，是一类与微管结合的蛋白，决定不同类型微管的独特属性，参与决定不同类型微管的独特属性，参与微管的装配，是维持微管结构和功能微管的装配，是维持微管结构和功能的必需成份。的必需成份。1 1微管微管蛋白的种类和特点蛋白的种类和特点Insect cell expressing MAP2Insect cell expressing tau微管结合蛋白主要包括：微管结合蛋白主要包括： MAP-2MAP-2 MAP-1MAP-1 TauTau MAP-4MAP-4主要存在于主要存在于神经元神经元细胞细胞中中广泛存在于广泛存在于各种细胞各种细胞中中微管结合蛋白微管结合蛋白MAP-2This electron micrograph shows microtubules in cross section with the MAP bridge. The arrows point to bridges between microtubules. The star points to a MAP bridge to the vesicle. In summary, MAPs accelerate polymerization, serve as motors for vesicles and granules, and essentially control cell compartmentation. 通过驱动蛋白的通过驱动蛋白的囊泡运输2. 2. 微管微管结合结合蛋白的功能蛋白的功能 （1 1）调节微管装配）调节微管装配（2 2）增加微管的稳定性和强度）增加微管的稳定性和强度 （3 3）沿微管转运囊泡和颗粒）沿微管转运囊泡和颗粒（4）作为细胞外信号的靶位点参）作为细胞外信号的靶位点参 与信号转导与信号转导 三三、微管的组装 +- 踏 车 （一）微管的体外组装（一）微管的体外组装 微管蛋白微管蛋白异二聚体聚合首尾相连原纤维微管（13）12345678910111213微管横断面 组装过程分三个时期：成核期、聚合期和稳定期1.组装过程：组装过程：成核期：成核期：先由先由和和微管蛋白聚合微管蛋白聚合 成成 一个短的寡聚体结构，一个短的寡聚体结构， 即核心形成。即核心形成。 聚合期：聚合期：微管蛋白聚合速度大于解微管蛋白聚合速度大于解 聚速度，微管延长。聚速度，微管延长。稳定期：稳定期：游离微管蛋白浓度下降，游离微管蛋白浓度下降， 达到临界浓度，微管的组达到临界浓度，微管的组 装与去组装速度相等，微装与去组装速度相等，微 管长度相对恒定。管长度相对恒定。 2.2.微管组装的动态调节微管组装的动态调节-非稳态动力学模型非稳态动力学模型 体外组装时体外组装时: :游离微管蛋白的浓度游离微管蛋白的浓度; ; GTP GTP水解成水解成GDPGDP的速度的速度; ; 决定微管的稳定性决定微管的稳定性 。当当GTP微管蛋白异二聚体添加到微管正极（微管蛋白异二聚体添加到微管正极（+）组装速度大于）组装速度大于GDP的水解速度时的水解速度时,形成形成GTP帽帽,微管延长微管延长; 当当GTP的微管蛋白聚的微管蛋白聚合速度小于合速度小于GTP的水解速度，的水解速度， GTP帽不断缩小暴露出帽不断缩小暴露出GDP微管微管蛋白，并迅速脱落蛋白，并迅速脱落,使微管缩短，导致微管结构上的不稳定。使微管缩短，导致微管结构上的不稳定。3.微管体外组装的特性：n极性:n踏车行为踏车行为n动态：动态：4. 作用于微管的特异性药物作用于微管的特异性药物微管蛋白微管蛋白微管微管 D D2 2O O ， 紫杉紫杉 秋水仙素，长春新碱秋水仙素，长春新碱秋水仙素：抑制微管的组装秋水仙素：抑制微管的组装紫衫醇：阻止微管的去组装，增强微管的紫衫醇：阻止微管的去组装，增强微管的 稳定性稳定性（二）微管的体内装配（二）微管的体内装配 1.1.微管组织中心微管组织中心（microtubule organizing centermicrotubule organizing center，MTOCMTOC） 在空间上为微管装配提供始发在空间上为微管装配提供始发 区域，控制细胞质中微管的数量区域，控制细胞质中微管的数量 位置及方向。位置及方向。包括：中心体、基体包括：中心体、基体、动粒、动粒 。 微微管蛋白管蛋白微管装配的起始结构。 蛋白形蛋白形成成-管蛋白环管蛋白环形复合体，它形复合体，它可刺激微管核可刺激微管核心形成，心形成，2.-2.-管蛋白管蛋白周围基质 中心粒的结构中心粒的结构横切面：横切面： 可见圆柱状小体的壁由可见圆柱状小体的壁由9组三联体组三联体 微管组成，每组微管之间呈倾斜排列。微管组成，每组微管之间呈倾斜排列。 结构图式：结构图式： “93+0” 主要成分：主要成分： 微管蛋白、鸟苷酸微管蛋白、鸟苷酸周围基质 中心体的功能中心体的功能 微管组织中心。微管组织中心。 参与细胞的有丝分裂，形参与细胞的有丝分裂，形成纺缍体。成纺缍体。A.中心体的无定形蛋白基质中含有中心体的无定形蛋白基质中含有微管蛋白环微管蛋白环,它是微管生长的起始部位它是微管生长的起始部位; B.中心体上的中心体上的微管蛋白环微管蛋白环; C.中心体与附着其上的微管中心体与附着其上的微管,负端被包围在中心体中负端被包围在中心体中,正端游离在细胞质中正端游离在细胞质中;G1G1期细胞期细胞 分裂期细胞分裂期细胞 有纤毛的细胞有纤毛的细胞一个中心体一个中心体两个中心体两个中心体 基体基体 参与细胞的有丝分裂参与细胞的有丝分裂四、微管的功能四、微管的功能（一）构成细胞的支架并维持细胞的形态（一）构成细胞的支架并维持细胞的形态微管围绕细胞微管围绕细胞核向外呈放射状分布向外呈放射状分布 神经细胞的轴突和树突；红神经细胞的轴突和树突；红细胞细胞血小板膜下的环形微管；血小板膜下的环形微管；精子的尾部等。精子的尾部等。（二）参与细胞内物质的运输（二）参与细胞内物质的运输 微管为细胞内物质的运输提供微管为细胞内物质的运输提供轨道轨道,通过马达蛋白完成物质运输任通过马达蛋白完成物质运输任务。务。 马达蛋白（马达蛋白（motor proteinmotor protein）是是指介导细胞内物质沿细胞骨架运输的指介导细胞内物质沿细胞骨架运输的蛋白蛋白 马达蛋白可分为三个不同的家族：马达蛋白可分为三个不同的家族： 驱动蛋白（驱动蛋白（kinesin） 动力蛋白（动力蛋白（dynein） 肌球蛋白（肌球蛋白（myosin）将物质沿微将物质沿微管运输管运输将物质沿微丝将物质沿微丝运输运输驱动蛋白：介导沿微管的（驱动蛋白：介导沿微管的（-）极向（）极向（+）极的运输）极的运输动力蛋白：介导从微管的（动力蛋白：介导从微管的（+）极向（）极向（-）极的运输）极的运输1.1.微管驱动蛋白微管驱动蛋白结构：结构：两个球形两个球形头部：头部：具有具有ATPATP酶活性酶活性，水解，水解ATPATP产生能量，与产生能量，与微管微管结合结合尾部：尾部： 与被转运组分结合与被转运组分结合运输方式：运输方式：沿微管沿微管由负端向正端移动由负端向正端移动 2.2.微管动力蛋白微管动力蛋白结构：结构：两个球形两个球形头部：头部：具有具有ATPATP酶活性酶活性，水解，水解ATPATP产生能量，与产生能量，与微管微管结合结合尾部：尾部： 与被转运组分结合与被转运组分结合运输方式：运输方式：沿微管沿微管由正端向负端移动由正端向负端移动 沿微管运输的马达蛋白沿微管运输的马达蛋白 动力蛋白沿微管滑动动力蛋白沿微管滑动-膜泡运动膜泡运动模型模型( (三三) ) 维持细胞内细胞器的定位和分布维持细胞内细胞器的定位和分布微管微管及其及其相关的马达蛋白相关的马达蛋白在真核细胞内在真核细胞内的膜性细胞器的定位上起着重要作用。的膜性细胞器的定位上起着重要作用。 线粒体线粒体的分布与微管相伴随；的分布与微管相伴随； 游离核糖体游离核糖体附着于微管和微丝的交叉附着于微管和微丝的交叉点上；点上； 内质网内质网沿微管在细胞质中展开分布；沿微管在细胞质中展开分布； 高尔基体高尔基体沿微管向核区牵拉，定位于沿微管向核区牵拉，定位于细胞中央。细胞中央。细胞中微管介导的细胞中微管介导的细胞器定位细胞器定位（四）（四）形成纺锤体，参与染色体运动形成纺锤体，参与染色体运动（五）参与中心粒、纤毛和鞭毛形成（五）参与中心粒、纤毛和鞭毛形成 纤毛和鞭毛纤毛和鞭毛伸出细胞表伸出细胞表面能运动的面能运动的特化结构特化结构鞭毛鞭毛(flagellum)少而长少而长 如：精子的尾部如：精子的尾部纤毛纤毛(cilium)多而短多而短 如：呼吸道的上皮细如：呼吸道的上皮细 胞凭借纤毛的摆胞凭借纤毛的摆 动清除异物动清除异物形态结构（以纤毛为例）形态结构（以纤毛为例） 由纤毛本体由纤毛本体(shaft)(shaft)、基体、基体(basal (basal body)body)和纤毛小根和纤毛小根(ciliary rootlet)(ciliary rootlet)三部分构成。三部分构成。纤毛本体纤毛本体纤毛的整体结构纤毛的整体结构基基 体体纤毛小根纤毛小根纤毛纤毛本体本体基基 体体纤毛小纤毛小根根：由细胞表面向外：由细胞表面向外伸出的细柱状突起。伸出的细柱状突起。：纤毛基部质膜下的：纤毛基部质膜下的圆筒状结构。圆筒状结构。：基体发出的微细：基体发出的微细原纤维，尖端集中原纤维，尖端集中形成一圆锥形束，形成一圆锥形束，止于细胞核的一侧。止于细胞核的一侧。纤毛本体纤毛本体质膜质膜轴丝轴丝ABABABABABABABABABC2C19 2 + 2二联体微管二联体微管中央微管中央微管中央鞘（内鞘）中央鞘（内鞘）外外 臂臂内内 臂臂动力蛋白动力蛋白BA辐条头辐条头辐辐 条条管间连接丝管间连接丝纤毛本体纤毛本体基体基体 （9 X 3 + 0） 纤毛小根纤毛小根横横 纹纹 ：有：有ATP酶的活性酶的活性,即可固定即可固定纤毛，又有收缩功能。纤毛，又有收缩功能。 精子运动精子运动男性不育患者精子鞭毛横切电镜图男性不育患者精子鞭毛横切电镜图 纤毛运动纤毛运动呼吸道上皮细胞的纤毛电镜照片呼吸道上皮细胞的纤毛电镜照片（六）细胞吞噬运动（六）细胞吞噬运动（七）（七）参与参与信息传递信息传递 细胞膜上糖脂和糖蛋白起细胞膜上糖脂和糖蛋白起“接受天线接受天线”的作用，细胞膜的作用，细胞膜下的微管作为下的微管作为“导线导线”，共同，共同完成细胞的信息传递。完成细胞的信息传递。 如如JNK、Wnt、ERK及及PAK蛋蛋白激酶信号通路。白激酶信号通路。 谢谢 谢谢