醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué) 第08章 細(xì)胞骨架課件

1、 第八章 細(xì)胞骨架Chapter 8 cytoskeleton廣東醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)學(xué)院生物教研室張華華細(xì)胞骨架（cytoskeleton）:是真核細(xì)胞中由蛋白纖維交織而成的立體網(wǎng)架體系。 1.狹義：指細(xì)胞質(zhì)骨架，由微管、微絲和中間纖維組成。 2.廣義：包括細(xì)胞質(zhì)骨架、細(xì)胞核骨架、細(xì)胞膜骨架和細(xì)胞外基質(zhì)。細(xì)胞骨架(Cytoskeleton) 是指真核細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的蛋白質(zhì)纖維網(wǎng)架體系。由微絲、微管、中間纖維三類骨架成分組成。對(duì)于細(xì)胞的形態(tài)、細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)、細(xì)胞的分裂、細(xì)胞的信息傳遞等起著重要的作用。 微 管microtubule微 絲microfilament 中間絲intermediate filamen

2、t outline微管(microtubule，MT) 微絲（microfilament，MF）中間纖維(intermediate filament，IF)route： a、結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成 b、組裝和極性 c、功能真核細(xì)胞中普遍存在，主要存在于細(xì)胞質(zhì)中，由核向四周呈放射狀排布。由微管蛋白和微管結(jié)合蛋白形成的中空管狀結(jié)構(gòu)，直徑2426nm，內(nèi)徑15nm，壁厚5nm。 Microtubules Microtubule aligned end to end原纖維（protofilament）微管（microtubule）a 結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成微管蛋白（ tubulin）微管蛋白（ tubulin）異二聚

3、體（Heterodimer）polymerized微管構(gòu)成片層（sheet）Microtubule 細(xì)胞內(nèi)微管的存在形式a 結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成單管（Singlet）二聯(lián)管（Doublet）三聯(lián)管（Triplet ）Microtubule （Microtubule-associated protein，MAP） 微管結(jié)合蛋白MAP的主要功能是：促進(jìn)微管聚集成束；增加微管穩(wěn)定性或強(qiáng)度；促進(jìn)微管組裝 連接其他蛋白纖維Microtubule Assembly in vitro 踏車現(xiàn)象：在一定條件下，微管正端發(fā)生裝配使微管伸長(zhǎng)，而在負(fù)端發(fā)生解聚使微管縮短，表現(xiàn)出明顯的極性裝配。當(dāng)微管兩極的聚合和解聚達(dá)到平

4、衡時(shí)，微管的長(zhǎng)度相對(duì)恒定。實(shí)際上是一種微管的組裝與去組裝動(dòng)態(tài)穩(wěn)定現(xiàn)象。 The best-studied MTOC: 中心體Microtubule -微管蛋白環(huán)形復(fù)合體 (The -Tubulin Ring Complex) 促使微管蛋白二聚體亞基聚合成核。 b 微管組裝和極性微管的體內(nèi)組裝（Microtubule Assembly in vivo）微管組裝從微管組織中心（microtubule-organizing centers, MTOCs）開(kāi)始。The role of -tubulin in microtubule assemblyMicrotubule -微管蛋白環(huán)形復(fù)合體 (The

5、 -Tubulin Ring Complex) 促使微管蛋白二聚體亞基聚合成核。 b 微管組裝和極性微管的體內(nèi)組裝（Microtubule Assembly in vivo）微管組裝從微管組織中心（microtubule-organizing centers, MTOCs）開(kāi)始。微管蛋白二聚體在遠(yuǎn)離MTOC的微管正端加入,使微管生長(zhǎng)。Microtubule 微管的動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性(Dynamic instability of microtubules) b 微管組裝和極性Microtubule 影響微管體組裝與組裝的因素藥物: 紫杉醇(taxol), 秋水仙素(colchicine)和 長(zhǎng)春花堿(

6、 vincristine)b 微管組裝和極性秋水仙素(colchicine) 阻斷微管蛋白組裝成微管，可破壞紡錘體結(jié)構(gòu)。 長(zhǎng)春花堿（vinblastine）也能抑制微管的裝配。 紫杉醇(taxol) 能促進(jìn)微管的裝配,并使已形成的微管穩(wěn)定。Microtubule c 微管的功能支持和維持細(xì)胞的形態(tài) 具有一定的強(qiáng)度，能夠抗壓和抗彎曲，為細(xì)胞提供了機(jī)械支持力Microtubule c 微管的功能細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸微管可以作為運(yùn)輸小泡等的定向運(yùn)輸?shù)能壍?。利用馬達(dá)蛋白作為運(yùn)輸工具完成。馬達(dá)蛋白：一類介導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)沿細(xì)胞骨架運(yùn)輸?shù)牡鞍踪|(zhì)。Microtubule c 微管的功能細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸以微管為軌道的馬達(dá)

7、蛋白驅(qū)動(dòng)蛋白Kinesin動(dòng)力蛋白Dynein向“”運(yùn)輸向“”運(yùn)輸Microtubule c 微管的功能細(xì)胞器的定位與分布微管及其相關(guān)馬達(dá)蛋白在細(xì)胞內(nèi)的膜性細(xì)胞器的空間定位上有重要作用。Microtubule c 微管的功能支持細(xì)胞運(yùn)動(dòng) Microtubule c 微管的功能參與細(xì)胞分裂Microtubule c 微管的功能細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo) 微管廣泛分布于胞質(zhì)中，具有足夠的空間進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。信號(hào)分子可直接與微管作用，或通過(guò)馬達(dá)蛋白、或通過(guò)一些支架蛋白與微管作用Section II Microfilament 成束、成網(wǎng)或纖維狀分散分布。由肌動(dòng)蛋白形成的實(shí)心纖維細(xì)絲，直徑約5-8nm。較多位于細(xì)胞

8、膜面下，參與多種功能。Microfilaments Microfilament a 結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成微絲是由G-肌動(dòng)蛋白亞基形成的多聚體G-actin subunitsMicrofilament (Fibrillar actin)assemble head to tailMicrofilament 微絲結(jié)合蛋白(Microfilament associate proteins) play important role in microfilament assembly and function. a 結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成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)蛋白微絲結(jié)合蛋白類型

9、a 結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成Microfilament 肌球蛋白(Myosin): 微絲的分子馬達(dá)微絲結(jié)合蛋白(Microfilament associate proteins) 微絲是由G-肌動(dòng)蛋白亞基形成的多聚體a結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成Microfilament a結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成Microfilament 微絲的體外組裝 b 組裝和極性成核期 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)到平衡踏車模型（treadmilling 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M

10、icrofilament b 組裝和極性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。Microfilament b 組裝和極性Microfilament b 組裝和極性Microfilament b 組裝和極性(2) 鬼筆環(huán)肽(phalloidin)(1) 細(xì)胞松弛素(cytochalasins)與微絲具有強(qiáng)烈的親合作用, 可緊密地結(jié)合在微絲上，因而能抑制微絲的

11、解聚從而穩(wěn)定微絲。 微絲特異性藥物通過(guò)切斷微絲并結(jié)合在微絲的正端, 抑制其組裝，從而導(dǎo)致微絲解聚。Microfilament C 微絲的功能（Functions of microfilament）構(gòu)成細(xì)胞支架，維持細(xì)胞形態(tài)應(yīng)力纖維（stress fiber）是真核細(xì)胞中廣泛存在的由微絲束構(gòu)成的較為穩(wěn)定的纖維狀結(jié)構(gòu)，位于細(xì)胞內(nèi)緊鄰質(zhì)膜下方?？梢跃S持細(xì)胞的扁平鋪展和特異形狀并賦予細(xì)胞韌性和強(qiáng)度。培養(yǎng)上皮細(xì)胞中的應(yīng)力纖維（微絲紅色、微管綠色） 構(gòu)成細(xì)胞支架，維持細(xì)胞形態(tài)Microfilament C 微絲的功能（Functions of microfilament）Microfilament C 微

12、絲的功能（Functions of microfilament）參與細(xì)胞運(yùn)動(dòng)細(xì)胞依賴于肌動(dòng)蛋白和微絲結(jié)合蛋白的相互作用進(jìn)行移動(dòng)。富含肌動(dòng)蛋白的皮層為細(xì)胞變形運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力微絲組裝延長(zhǎng)推動(dòng)質(zhì)膜前移；肌球蛋白牽引微絲與其發(fā)生相互滑動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生胞質(zhì)流動(dòng)的動(dòng)力變形運(yùn)動(dòng)嗜中性粒細(xì)胞的趨向性點(diǎn)接觸(粘著斑)收縮環(huán)的模式圖解胞質(zhì)分裂通過(guò)收縮環(huán)的收縮來(lái)完成。A肌動(dòng)蛋白與肌球蛋白分子的相互作用使微絲之間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，使收縮環(huán)收縮B收縮環(huán)借助于-輔肌動(dòng)蛋白等與其外的質(zhì)膜相連，故其逐漸收縮，可形成分裂溝, 使細(xì)胞一分為二Microfilaments 參與細(xì)胞質(zhì)分裂微絲的功能Microfilaments 參與肌肉收縮微

13、絲的功能橫紋肌各級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖肌原纖維肌纖維肌纖維束肌膜肌節(jié)肌肉核暗帶明帶明帶暗帶腱腱骨Z線M線Z線M線H帶H帶Muscle Motility與肌肉收縮有關(guān)的蛋白(1) 粗肌絲肌球蛋白(myosin)：占肌細(xì)胞總蛋白的50%肌球蛋白的電鏡圖象和分子結(jié)構(gòu)(a) 肌球蛋白的電鏡圖象：肌球蛋白分子可分為球形頭部和桿狀尾部?jī)刹糠? (b) 肌球蛋白分子含有2條重鏈和4條輕鏈 。2條重鏈的疏水性C-端為-螺旋結(jié)構(gòu), 相互纏繞，形成桿狀尾部; N-端則形成球形頭部。450kDa具有ATPase活性每條粗肌絲：約由4000個(gè)肌球蛋白分子規(guī)則排列而成粗肌絲的電鏡圖象及其模式圖解(a) 從扇貝肌肉中分離出的粗肌絲

14、的電鏡圖象; (b)在粗肌絲中， 肌球蛋白分子以其尾部相互聚集在一起，其頭部向四周伸出H帶M線(M線蛋白)(2) 細(xì)肌絲肌動(dòng)蛋白(actin)：47kDaG-肌動(dòng)蛋白(globular actin)缺乏離子中性鹽溶液F-肌動(dòng)蛋白(fibrous actin)細(xì)肌絲的電鏡圖象及其模式圖解(a) 肌動(dòng)蛋白絲的負(fù)染色電鏡圖象; (b) 由肌動(dòng)蛋白單體形成了緊密纏繞的螺旋狀結(jié)構(gòu)細(xì)肌絲中原肌球蛋白(Tm)、肌鈣蛋白（Tn)與肌動(dòng)蛋白的相互關(guān)系I, 抑制亞基; C, 鈣結(jié)合亞基; T, 原肌球蛋白結(jié)合亞基由2條平行多肽鏈形成的-螺旋結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)約40nm7個(gè)G-actin：1個(gè)肌鈣蛋白和1個(gè)原肌球蛋白細(xì)肌絲上

15、也有一些肌動(dòng)蛋白結(jié)合蛋白：結(jié)合：肌動(dòng)蛋白和肌球蛋白頭部緊密結(jié)合釋放：結(jié)合ATP后, 與肌動(dòng)蛋白的親合力降低, 從肌動(dòng)蛋白絲上脫落下來(lái); 直立：ATP水解成ADP和Pi, 仍然結(jié)合在肌球蛋白頭部; 產(chǎn)力：肌球蛋白頭部釋放出Pi, 再與肌動(dòng)絲緊密結(jié)合;肌球蛋白頭部發(fā)生劇烈的構(gòu)象變化, 產(chǎn)生“機(jī)械力”再結(jié)合：肌球蛋白頭部釋放出ADP , 使它又回復(fù)到下一次新循環(huán)的起點(diǎn)。肌球蛋白分子利用ATP從細(xì)肌絲“-”端向“+”端的移動(dòng)機(jī)制圖解Section III Intermediate FilamentIntermediate Filaments 結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜，一種堅(jiān)韌、穩(wěn)定的蛋白質(zhì)纖維。由中間纖維蛋白形成的中空纖維狀結(jié)構(gòu)，直徑約10nm。單根或成束分布在細(xì)胞質(zhì)中，形成纖維網(wǎng)絡(luò)。a 結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成Intermediate Filament 基本結(jié)構(gòu)單位：中間纖維蛋白單體，六種類型Monomer（單體）Dimer（二聚體）Tetramer（四聚體）IFb 組裝原纖維Intermediate Filament c中間絲的功能形成完整的網(wǎng)狀骨架,為細(xì)胞提供機(jī)械支持細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸及信號(hào)傳遞參與細(xì)胞分化有有有結(jié)合蛋白8根原纖維組成的非空心多級(jí)螺旋結(jié)構(gòu)，直徑10nm原纖維組成的螺旋結(jié)構(gòu)，直徑58nm13根原纖維組成的空心管狀結(jié)構(gòu)，直徑2425nm結(jié) 構(gòu)6類