武漢大學(xué)細(xì)胞生物學(xué)課件-細(xì)胞骨架

1、細(xì)胞骨架（Cytoskeleton）細(xì)胞骨架（Cytoskeleton）是真核細(xì)胞中的蛋白質(zhì)纖維網(wǎng)架體系，它對(duì)于維持細(xì)胞的形狀、細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)、細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)運(yùn)輸、染色體的分離和細(xì)胞的分裂起著重要的作用。光鏡下顯示細(xì)胞骨架：紅色熒光顯示微絲黃色顯示微管蘭色顯示細(xì)胞核 細(xì)胞骨架由以下組分構(gòu)成微絲（microfilament）微管（microtubule）中間纖維（intemediate filament） 廣義的細(xì)胞骨架還包括核骨架（nucleoskeleton）核纖層（nuclear lamina）細(xì)胞外基質(zhì)（extracellular matrix）形成貫穿于細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞外的一體化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2、。 微絲，又叫肌動(dòng)蛋白纖維，是由肌動(dòng)蛋白構(gòu)成的兩股螺旋形成的細(xì)絲，普遍存在于真核細(xì)胞中微管，是由微管蛋白單體構(gòu)成的基本組件形成的中空的管狀結(jié)構(gòu)。普遍存在于真核細(xì)胞中中間纖維，又叫中間絲，粗細(xì)位于微絲和肌球蛋白粗絲之間，普遍存在于真核細(xì)胞中，是三種骨架系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的一種第一節(jié) 微絲微絲（microfilament，MF）是由肌動(dòng)蛋白(actin)組成的直徑約7nm的骨架纖維，又稱肌動(dòng)蛋白纖維actin filament。微絲和它的結(jié)合蛋白（association protion）以及肌球蛋白（myosin）三者構(gòu)成化學(xué)機(jī)械系統(tǒng)，利用化學(xué)能產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動(dòng)。 根據(jù)等電點(diǎn)的不同可將高等動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)的

3、肌動(dòng)蛋白分為3類：分布于各種肌肉細(xì)胞中和分布于肌細(xì)胞和非肌細(xì)胞中。肌動(dòng)蛋白纖維是由兩條線性排列的肌動(dòng)蛋白鏈形成的螺旋，狀如雙線捻成的繩子一、微絲的結(jié)構(gòu)和功能1結(jié)構(gòu)（1）肌動(dòng)蛋白（actin）* 2個(gè)結(jié)構(gòu)域，4個(gè)亞單位組成ATP （ADP）二價(jià)離子構(gòu)象可改變與微絲的組裝與解離有關(guān)* 極性結(jié)構(gòu)正端（）負(fù)端（）結(jié)合位點(diǎn)*存在形式游離 球狀肌動(dòng)蛋白（G-actin)纖維狀肌動(dòng)蛋白(F-actin)（2）微絲 結(jié)構(gòu)：由肌動(dòng)蛋白單體聚合形成雙螺旋組裝：條件： ATP 鹽濃度 K+ Mg+過(guò)程（三個(gè)階段）： 成核期 微絲組裝的限速過(guò)程生長(zhǎng)期 肌動(dòng)蛋白在核心兩端聚合正端快，負(fù)端慢平衡期 聚合速度與解離速度達(dá)到

4、平衡動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)：踏車模型（treadmilling model）非穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)模型(dynamic instability model)ATP是調(diào)節(jié)的主要因素ATP-肌動(dòng)蛋白 對(duì)微絲末端親和性高ADP-肌動(dòng)蛋白 對(duì)微絲末端親和性低ATP-肌動(dòng)蛋白濃度與聚合速度成正比微絲的任何一端都可以以添加肌動(dòng)蛋白單體的方式增長(zhǎng)，不過(guò)由于極性，兩端的速度不同，速度快的一端為正端，速度慢的一端為負(fù)端，表現(xiàn)為踏車現(xiàn)象。當(dāng)?shù)竭_(dá)平衡期，肌動(dòng)蛋白分子添加到肌動(dòng)蛋白絲上的速度正好等于肌動(dòng)蛋白分子從肌動(dòng)蛋白上失去的速度，微絲的凈長(zhǎng)度沒(méi)有改變，這種過(guò)程稱為微絲的踏車行為。movie（3）微絲結(jié)合蛋白與肌動(dòng)蛋白纖維結(jié)合，調(diào)節(jié)其性質(zhì)

5、和功能，影響微絲長(zhǎng)度，穩(wěn)定性和構(gòu)形。分類：?jiǎn)误w隔離蛋白（monomer-sequenstering protein）交聯(lián)蛋白（cross-link protein）末端阻斷蛋白（end blocking protein）纖維切割蛋白（filament-severing protein）去聚合蛋白（actin filament depolymerization protein）膜結(jié)合蛋白（membrane-binding protein）各種微絲結(jié)合蛋白單體隔離蛋白去聚合蛋白膜結(jié)合蛋白末端阻斷蛋白 纖維切割蛋白交聯(lián)蛋白肌球蛋白（myosin）組成兩條重鏈兩條輕鏈結(jié)構(gòu)特點(diǎn)兩個(gè)頭部與肌動(dòng)蛋白纖維結(jié)合

6、，水解 ATP一個(gè)尾部裝配成粗絲（4）微絲的功能（1）構(gòu)成細(xì)胞的支架，維持細(xì)胞的形態(tài)細(xì)胞皮質(zhì)（cell cortex） 也叫肌動(dòng)蛋白皮質(zhì)（actin cortex） 細(xì)胞靠近質(zhì)膜處的一層由微絲和各種微絲結(jié)合蛋白構(gòu)成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（2）參與細(xì)胞分裂細(xì)胞分裂中形成收縮環(huán)（內(nèi)含肌動(dòng)蛋白纖維和肌球蛋白纖維）有絲分裂末期，兩個(gè)即將分離的子細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生收縮環(huán)，收縮環(huán)由平行排列的微絲和myosin II組成。隨著收縮環(huán)的收縮，兩個(gè)子細(xì)胞的胞質(zhì)分離，在細(xì)胞松馳素存在的情況下，不能形成胞質(zhì)分裂環(huán)，因此形成雙核細(xì)胞。 （3）參與肌肉收縮肌纖維肌原纖維粗、細(xì)肌絲肌球蛋白肌動(dòng)蛋白原肌球蛋白肌鈣蛋白肌纖維TEM照片Z盤肌肉收

7、縮圖解（myosin）（4）參與細(xì)胞運(yùn)動(dòng)胞質(zhì)環(huán)流變形運(yùn)動(dòng)吞噬變皺膜運(yùn)動(dòng)細(xì)胞的變形運(yùn)動(dòng)分為四步：微絲纖維生長(zhǎng)，使細(xì)胞表面突出，形成片足(lamellipodium)；在片足與基質(zhì)接觸的位置形成粘著斑；在myosin的作用下微絲纖維滑動(dòng)，使細(xì)胞主體前移；解除細(xì)胞后方的粘和點(diǎn)。如此不斷循環(huán)，細(xì)胞向前移動(dòng)。阿米巴原蟲(chóng)、白細(xì)胞、成纖維細(xì)胞都能以這種方式運(yùn)動(dòng)。 movie（5）參與細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸（6）參與細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo) Rho-GTPase3.藥物對(duì)微絲的作用細(xì)胞松弛素B(cytochalasin B) 真菌-生物堿微絲+端結(jié)合鬼筆環(huán)肽 (phalloidin) 毒蘑菇（Amanita）-毒素與聚合的微絲

8、結(jié)合抑制肌動(dòng)蛋白纖維的解聚 生長(zhǎng)期 G 期 MTOC 中心體 (動(dòng)態(tài)微管) 分裂細(xì)胞的 MTOC 有絲分裂紡錘體 (動(dòng)態(tài)微管) 鞭毛和纖毛 MTOC 基體 (永久性結(jié)構(gòu)) 二、微管的結(jié)構(gòu)與功能1.結(jié)構(gòu)（1）微管蛋白（tubulin）管蛋白管蛋白微管蛋白-微管組織中心（MTOC）（2）微管 （tubule）單微管（13）二聯(lián)微管（13+10）（纖毛、鞭毛）三聯(lián)微管（13+10+10）（基體、中心粒）異二聚體原絲微管（極性結(jié)構(gòu)）內(nèi)徑：15nmGTPGTP-GDP1313+1013+10+10 生長(zhǎng)期 G 期 MTOC 中心體 (動(dòng)態(tài)微管) 分裂細(xì)胞的 MTOC 有絲分裂紡錘體 (動(dòng)態(tài)微管) 鞭毛和

9、纖毛 MTOC 基體 (永久性結(jié)構(gòu)) 分布真核細(xì)胞中普遍存在（脊椎動(dòng)物腦組織）主要位于細(xì)胞質(zhì)中，控制著膜性細(xì)胞器的定位和胞內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸細(xì)胞特殊結(jié)構(gòu)纖毛、鞭毛、基體、中心體、紡錘體A 組裝成核期（nucleation phase）-延遲期（lag phase）管蛋白聚合成短的寡聚體（核心） 片狀 微管聚合期（polymerization phase）-延長(zhǎng)期（elongation phase）聚合速度大于解聚速度穩(wěn)定期（steady phase）：聚合速度等于解聚速度 （游離管蛋白達(dá)到臨界濃度）B 組裝的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)踏車模型非穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)模型（dynamic instability）GTP是調(diào)節(jié)微管體內(nèi)

10、外組裝的主要物質(zhì)GTP-管蛋白對(duì)微管末端的親和力大GDP-管蛋白對(duì)微管末端的親和力小 管蛋白濃度C 微管組織中心（MTOC）微管的聚合從特異性的核心形成位點(diǎn)開(kāi)始，這些核心形成位點(diǎn)主要是中心體和纖毛的基體，稱為微管組織中心功能：幫助大多數(shù)細(xì)胞微管裝配過(guò)程中成核中心體（centrosome）是動(dòng)物細(xì)胞中決定微管形成的一種細(xì)胞器組成：中心粒（centriole）中心粒旁物質(zhì)（pericetriolar material）位置：間期：細(xì)胞核附近有絲分裂期：位于紡錘體的兩極（3）微管結(jié)合蛋白與微管結(jié)合，調(diào)節(jié)微管活性的一類蛋白。穩(wěn)定微管調(diào)節(jié)微管特異性調(diào)節(jié)微管與細(xì)胞其他成分的作用MAP-1MAP-2tauM

11、AP-42.微管功能（1）維持細(xì)胞的形態(tài)神經(jīng)元細(xì)胞的軸突RBC雙凹盤形（2）參與細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)纖毛、鞭毛 二聯(lián)管清除細(xì)胞表面異物輸卵維持細(xì)胞自身運(yùn)動(dòng) 基體、中心粒 三聯(lián)管A 纖毛（cilia）、鞭毛（flagella）組成：質(zhì)膜頂部軸絲 微管及相關(guān)蛋白微管：9組二聯(lián)管+中央微管（9+2）相關(guān)蛋白：動(dòng)力蛋白 連接蛋白 輻射絲基體 纖毛組織中心（ 9組三聯(lián)管）鞭毛的結(jié)構(gòu) 運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生：由微管滑動(dòng)引起化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能（動(dòng)力蛋白）滑動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢\(yùn)動(dòng)（輻射絲，連接蛋白） B 中心粒（centriole）和基體（basal body）組成 ： 9組三聯(lián)管 9+0中心粒：成對(duì)存在，互相垂直間期：形成微管，構(gòu)成細(xì)胞

12、骨架系統(tǒng)的主要纖維系統(tǒng)，一方面參與物質(zhì)運(yùn)輸另一方面維持細(xì)胞形狀分裂期：形成紡錘體的兩極，指導(dǎo)有絲分裂進(jìn)行基體是纖毛器的基本結(jié)構(gòu)基體與中心粒具同源性，結(jié)構(gòu)、功能可以互換中心體：中心粒周圍無(wú)定形物質(zhì)間期：組織胞質(zhì)微管形成分裂期：組織形成紡錘體 微管組織中心 （MTOC）中心體結(jié)構(gòu)模型 （3）參與細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸及細(xì)胞器的遷移微管依賴性馬達(dá)蛋白（motor protein）驅(qū)動(dòng)蛋白（kinesin）動(dòng)力蛋白（ dynein ）驅(qū)動(dòng)蛋白Kinesin結(jié)構(gòu)：是由兩條輕鏈和兩條重鏈構(gòu)成的四聚體，外觀具有兩個(gè)球形的頭（具有ATP酶活性）、一個(gè)螺旋狀的桿和兩個(gè)扇子狀的尾。功能：通過(guò)結(jié)合和水解ATP，導(dǎo)致頸部發(fā)生

13、構(gòu)象改變，使兩個(gè)頭部交替與微管結(jié)合，從而沿微管“行走”，將“尾部”結(jié)合的“貨物”（運(yùn)輸泡或細(xì)胞器）轉(zhuǎn)運(yùn)到其它地方。大多數(shù)能向著微管（+）極運(yùn)輸小泡。動(dòng)力蛋白Dynein結(jié)構(gòu)：分子量巨大（接近1.5Md）由兩條相同的重鏈和一些種類繁多的輕鏈以及結(jié)合蛋白構(gòu)成鞭毛二聯(lián)微管外臂的動(dòng)力蛋白具有三個(gè)重鏈功能：在細(xì)胞分裂中推動(dòng)染色體的分離驅(qū)動(dòng)鞭毛的運(yùn)動(dòng)向著微管（-）極運(yùn)輸小泡 Movie movie（organelle）（4）調(diào)節(jié)細(xì)胞分裂微管是構(gòu)成有絲分裂器的主要成分動(dòng)粒微管 染色體排于赤道板紡錘體極微管 染色體移向兩極（5）參與細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo) 3.藥物對(duì)微管的作用秋水仙素 阻止聚合紫杉醇 促進(jìn)聚合三、中間

14、纖維的結(jié)構(gòu)和功能1.概述形狀：類似編織繩存在部位細(xì)胞核膜下 核纖層細(xì)胞中 圍繞核形成籃筐樣結(jié)構(gòu)特性：穩(wěn)定2.分類根據(jù)亞單位特性分為六大類 * 角質(zhì)蛋白 * 核纖層蛋白3.中間纖維蛋白結(jié)構(gòu)頭部區(qū) 氨基端 尾部區(qū) 羧基端 桿狀區(qū) 310 aa 中心區(qū) （螺旋區(qū)）形成聚合體的關(guān)鍵部位4.中間纖維的組裝組裝：兩個(gè)單體形成雙股超螺旋 二聚體兩個(gè)二聚體形成四聚體 原纖絲兩個(gè)四聚體交錯(cuò)排列 原纖維四個(gè)原纖維互相纏繞 中間纖維單體 超螺旋（平行對(duì)齊） 原纖絲（反向平行）原纖維中間纖維動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)通過(guò)特殊氨基酸殘基 （Ser，Thr）的磷酸化完成5.功能（1）為細(xì)胞提供機(jī)械支持（2）維持細(xì)胞和組織的完整性細(xì)胞完整性：核纖層核外周組織完整性：細(xì)胞-細(xì)胞細(xì)胞-基質(zhì)（3）參與DNA復(fù)制（4）與細(xì)胞分化及生存有關(guān)微絲 單體：肌動(dòng)蛋白 組裝：成核期 三聚體 （限速期） 生長(zhǎng)期 聚合解聚 平衡期 聚合 = 解聚 結(jié)合蛋白：肌球蛋白 頭部 尾部 功能：維持細(xì)胞形態(tài) 微絨毛(肌動(dòng)蛋白） 微穗 (肌動(dòng)蛋白） 應(yīng)力纖維 (肌動(dòng)蛋白,肌球蛋白） 肌肉收縮 粗肌絲 (肌球蛋白） 細(xì)肌絲 (肌動(dòng)蛋白） 參與細(xì)胞分裂 收縮環(huán) (肌動(dòng)蛋白,肌球蛋白） 參與細(xì)胞運(yùn)動(dòng) 參與物質(zhì)運(yùn)輸 參與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)ATP臨界濃度微管 單體：微管蛋白 (二聚體) 組裝：成核期 寡聚體(限速期） 聚合期 聚合解聚 穩(wěn)定期 聚合 = 解