第九章 細胞骨架

第九章細胞骨架主要內容1、概述2、細胞質骨架微絲、微管、中間絲3、細胞核骨架第一節(jié)概述一、細胞骨架（cytoskeleton）的定義——狹義真核細胞中蛋白纖維網(wǎng)架體系二、組成廣義細胞骨架血影蛋白、錨蛋白帶4.1蛋白等膠原蛋白、層/纖粘連蛋白、彈性蛋白、蛋白聚糖等細胞核骨架細胞質骨架細胞膜骨架細胞外基質核基質（狹義核骨架）核纖層、核孔復合體（廣義核骨架）微絲、微管、中間纖維微梁（不能確定）（狹義細胞骨架）三、功能1、維持細胞外形2、保持細胞內部結構的有序性3、構成某種細胞器4、與細胞的生命活動密切相關一、微絲(microfilament,MF)又稱肌動蛋白纖維(actinfilament),是指真核細胞中由肌動蛋白(actin)組成、直徑為7nm的骨架纖維。第二節(jié)細胞質骨架1、微絲的成分肌動蛋白(actin)是微絲的結構成分,外觀呈啞鈴狀,這種actin又叫G-actin，將

G-actin形成的微絲又稱為F-actin。2、微絲的裝配◆MF是由G-actin單體形成的多聚體，肌動蛋白單體具有極性,裝配時呈頭尾相接,故微絲具有極性，既正極與負極之別。◆體外實驗表明，MF正極與負極都能生長，生長快的一端為正極，慢的一端為負極；去裝配時，負極比正極快。由于G-actin在正極端裝配，負極去裝配，從而表現(xiàn)為踏車行為?！趔w內裝配時，MF呈現(xiàn)出動態(tài)不穩(wěn)定性，主要取決于F-actin結合的ATP水解速度與游離的G-actin單體濃度之間的關系。 ◆MF動態(tài)變化與細胞生理功能變化相適應。在體內,有些微絲是永久性的結構,有些微絲是暫時性的結構。1)裝配過程：兩種可能①G-actinF-actin

形成螺旋②G-actinF-actin

螺旋，單體周圍有

4個亞基2)體外（invitro）的影響裝配因素①ATP，Ca2+，低[Na+]和[K+]→解聚成G-actin②Mg2+，高[Na+]和[K+]，actin→MF3)體內（invivo）影響裝配因素①游離actin單體的濃度②MF交織成網(wǎng)的程度③MF結合蛋白的調節(jié)n個首尾連接2條n個首尾連接1條踏車行為動態(tài)不穩(wěn)定性暫時性結構3、微絲特異性藥物◆細胞松弛素(cytochalasins)：可以切斷微絲,并結合在微絲正極阻抑肌動蛋白聚合,因而導致微絲解聚。◆鬼筆環(huán)肽(philloidin)：與微絲側面結合,防止MF解聚?！粲绊懳⒔z裝配動態(tài)性的藥物對細胞都有毒害，說明微絲功能的發(fā)揮依賴于微絲與肌動蛋白單體庫間的動態(tài)平衡。這種動態(tài)平衡受actin單體濃度和微絲結合蛋白的影響。4、微絲結合蛋白 整個骨架系統(tǒng)結構和功能在很大程度上受到不同的細胞骨架結合蛋白的調節(jié)。◆actin單體結合蛋白 這些小分子蛋白與actin單體結合，阻止其添加到微絲末端，當細胞需要單體時才釋放，主要用于actin裝配的調節(jié)，如proflin等?！粑⒔z結合蛋白◆微絲結合蛋白將微絲組織成以下三種主要形式：

微絲結合蛋白

1）Parallelbundle:MF同向平行排列，主要發(fā)現(xiàn)于微絨毛與絲狀偽足。微絲的三種組織形式：2）Contractilebundle:MF反向平行排列，主要發(fā)現(xiàn)于應力纖維和有絲分裂收縮環(huán)。

3）Gel-likenetwork:細胞皮層(cellcortex)中微絲排列形式，MF相互交錯排列。5、微絲的功能1）維持細胞形態(tài)，賦予質膜機械強度微絲遍及胞質各處，集中分布于質膜下，和其結合蛋白形成網(wǎng)絡結構，維持細胞形狀和賦予質膜機械強度，如哺乳動物紅細胞膜骨架的作用。2）細胞運動成纖維細胞爬行與微絲裝配和解聚相關3）微絨毛(microvillus)是腸上皮細胞的指狀突起，用以增加腸上皮細胞表面積，以利于營養(yǎng)的快速吸收。4）應力纖維(stressfiber)應力纖維（stressfiber）:廣泛存在于真核細胞。成分：肌動蛋白、肌球蛋白、原肌球蛋白和-輔肌動蛋白。介導細胞間或細胞與基質表面的粘著。（細胞貼壁與粘著斑的形成相關，在形成粘合斑的質膜下，微絲緊密平行排列成束，形成應力纖維,具有收縮功能。）

5）參與胞質分裂

收縮環(huán)由大量反向平行排列的微絲組成，其收縮機制是肌動蛋白和肌球蛋白相對滑動。6、肌肉收縮(musclecontraction) 肌肉可看作一種特別富含細胞骨架的效力非常高的能量轉換器，它直接將化學能轉變?yōu)闄C械能。1）肌肉的細微結構(以骨骼肌為例)2）肌小節(jié)的組成3）肌肉收縮系統(tǒng)中的有關蛋白①肌球蛋白(myosin)—所有actin-dependentmotorproteins都屬于該家族，其頭部具ATP酶活力,沿微絲從負極到正極進行運動。

·MyosinⅡ主要分布于肌細胞，有兩個球形頭部結構域(具有ATPase活性)和尾部鏈,多個Myosin尾部相互纏繞，形成myosinfilament,即粗肌絲。②原肌球蛋白(tropomyosin,Tm)由兩條平行的多肽鏈形成α-螺旋構型,位于肌動蛋白螺旋溝內,結合于細絲,調節(jié)肌動蛋白與肌球蛋白頭部的結合。③肌鈣蛋白(Troponin,Tn)為復合物，包括三個亞基：TnC(Ca2+敏感性蛋白)能特異與Ca2+結合;TnT(與原肌球蛋白結合);TnI(抑制肌球蛋白ATPase活性)4）肌肉收縮的滑動模型5）由神經(jīng)沖動誘發(fā)的肌肉收縮基本過程

·動作電位的產(chǎn)生

·Ca2+的釋放

·原肌球蛋白位移

·肌動蛋白絲與肌球蛋白絲的相對滑動

·Ca2+的回收二、微管（Microtubules）1、微管結構與組成微管是存在于所有真核細胞中由微管蛋白（tubulin）裝配成的長管狀細胞器結構。微管由微管蛋白亞基組裝而成。1）裝配過程：αβαβ異二聚體n個首尾連接原絲13根微管n個二聯(lián)管（纖毛和鞭毛）三聯(lián)管（中心粒和基粒）2）αβ異二聚體上的結合位點①2個鳥嘌呤核苷酸GTP、GDP②2價陽離子③長春花堿④秋水仙素2、微管的組裝和去組裝1）微管的裝配－－踏車行為兩端具GTP帽（取決于微管蛋白濃度）繼續(xù)裝配，具GDP帽則解聚，在一定條件下，微管一段發(fā)生裝配使微管延長，另一段發(fā)生去裝配而使微管縮短，實際上是微管正極的裝配速度快于微管負極的裝配速度，這種現(xiàn)象稱為踏車現(xiàn)象（treadmilling）。2）裝配條件①體外：a、GTP提供能量

b、Mg2+存在

c、tubulin濃度<1mg/mL時不裝配

d、最適pH＝6.9f、溫度37℃適宜；0℃解聚

g、[Ca2+]濃度上升解聚，下降促進裝配②體內裝配的調節(jié)多余的蛋白單體與核糖體結合，導致微管蛋白mRNA降解3）微管的特異性藥物A、抑制微管裝配的藥物：1、eg：秋水仙素，秋水酰胺、鬼臼素，長春花堿，美登本等等。2、原理：藥物與微管蛋白二聚體形成絡合物，改變二聚體的結構，當被添加到微管的生長端時，可有效的阻止二聚體的進一步添加。B、穩(wěn)定微管的藥物：1、紫杉醇，重水等2、對細胞有害，使細胞周期停止于有絲分裂期。3、微管組織中心1）概念：微管在生理狀態(tài)或實驗處理解聚后重新裝配的發(fā)生處稱為微管組織中心(microtubuleorganizingcenter,MTOC)。2）常見微管組織中心◆間期細胞MTOC：中心體(動態(tài)微管)◆分裂細胞MTOC：有絲分裂紡錘體極(動態(tài)微管)◆鞭毛纖毛細胞MTOC：基體(永久性結構)3）中心體a/結構b/γ管蛋白：位于中心體周圍的基質中，環(huán)形結構，結構穩(wěn)定，為αβ微管蛋白二聚體提供起始裝配位點，所以又叫成核位點。4、微管結合蛋白1）MAP的種類MAP1、

MAP2、

MAP4、τ(tau)蛋白可以分為兩種類型：如下Ⅰ型MAPs往往通過結合結構域與微管結合，通過突出結構域在微管間形成橫橋（crossbridge）。Ⅱ型MAPs的微管結合結構域中具有3~4個18個氨基酸殘基的重復序列。Ⅱ型MAPs可將微管交聯(lián)成粗的微管束。

黃色為微管結合結構域含有KKEX（Lys-Lys-Glu-X）重復序列，紅色為突出結構域。

MAP4是一個非神經(jīng)元微管結合蛋白，與細胞間期和有絲分裂期的微管共定位。2）功能：①調節(jié)MT的裝配MAP-2-抑制MT裝配

MAP1和tau蛋白控制MT延伸②橫向連接MT,對其空間結構起穩(wěn)定作用，從而使MT抵御化學物質（秋水仙素）和物理因子（冷）的影響。

τ蛋白→橫向連接相鄰MT→穩(wěn)定MT均具熱穩(wěn)定性MAP1(對熱敏感)→橫向連接MT,不使MT成束

MAP2→橫向連接MT,使MT成束③調節(jié)自身與tubulin及肌動蛋白的相互作用；④使MT與其它MT、細胞器或膜結構相互作用⑤產(chǎn)生動力動力蛋白→纖毛中的動力蛋白臂P5、微管的功能1）維持細胞形態(tài)用秋水仙素處理細胞破壞微管,導致細胞變圓,說明微管對維持細胞的不對稱形狀是重要的。對于細胞突起部分,如纖毛、鞭毛、軸突的形成和維持,微管亦起關鍵作用。2）維持有關細胞器的空間定位分布用抗體染色后，顯示出內質網(wǎng)分布與MT分布一致深綠：微管淺蘭：內質網(wǎng)黃色：高爾基體上圖：內質網(wǎng)抗體染色下圖：微管抗體染色上圖：高爾基抗體染色下圖：微管抗體染色3）細胞內物質的運輸

真核細胞內部是高度區(qū)域化的體系,細胞中合成的物質、一些細胞器等必須經(jīng)過細胞內運輸過程。這種運輸過程與細胞骨架體系中的微管及其Motorprotein有關。a/Motorproteins：目前已鑒定的Motorproteins多達數(shù)十種。根據(jù)其結合的骨架纖維以及運動方向和攜帶的轉運物不同而分為不同類型。胞質中微管motorprotein分為兩大類：驅動蛋白(kinesin):通常朝微管的正極方向運動動力蛋白(cytoplasmic

dynein)：朝微管的負極運動

Kinesin與Dynein的分子結構

Kinesin與Dynein的運輸方式Kinesin與Dynein的分子結構Kinesin-dept.transport:conyeys

Mit(by

KIF),Lys,MvERorperiphery.

Cytosolic

dynein-depttransport:conyeys

elementsofER,lateendosome,LyscellcenterKinesin與Dynein的運輸方式b/神經(jīng)元軸突運輸c/色素顆粒的運輸4）鞭毛和纖毛運動a/結構b/運動形式c/運動機制5）紡錘體與染色體運動MT中心粒（體）三聯(lián)體MT

紡錘體，牽引染色體運動三、中間絲1、定義

10nm纖維,因其直徑介于肌粗絲和細絲之間,故被命名為中間纖維。IF幾乎分布于所有動物細胞，往往形成一個網(wǎng)絡結構，特別是在需要承受機械壓力的細胞中含量相當豐富。如上皮細胞中。除了胞質中，在內核膜下的核纖層也屬于IF。2、類型：根據(jù)組織來源及免疫原性中間纖維分類與分布3、結構：頭N-桿-C尾4、裝配1）過程：2）中間纖維結合蛋白（IFAP）(自學)5、IF的功能1）保持細胞的完整性在細胞骨架中起到廣泛的作用2）參與橋粒與半橋粒的形成——支架作用3）增強細胞機械壓力

eg：大泡性表皮松懈癥（遺傳?。罕砥に尚该撀?，是由于角蛋白基因發(fā)生突變造成的。4）結蛋白纖維是肌肉Z盤的重要結構組分，對于維持肌肉細胞的收縮裝置起重要作用5）神經(jīng)元纖維在神經(jīng)細胞軸突運輸中起作用6）參與傳遞細胞內機械的或分子的信息微管微絲中間絲成分微管蛋白肌動蛋白6類中間纖維蛋白纖維直徑22nm7nm10nm纖維結構13根原纖維組成的空心管狀纖維雙股螺旋多級螺旋極性有有無單體蛋白庫有有無踏車現(xiàn)象有有無特異性藥物秋水仙素細胞松弛素B長春花堿鬼筆環(huán)肽紫杉酚結合蛋白有有有細胞質骨架主要成分的比較第三節(jié)細胞核骨架一、定義<一>狹義：1、定義：指存在真核細胞核內的以蛋白質成分為主的纖維網(wǎng)架體系。2、即廣義中的核基質（neuclearmatrix）<二>廣義：核基質、核纖層——核孔復合體系、殘存的核仁核染色體骨架。二、核基質1、形態(tài)結構◆研究核骨架的分級抽提方法 非離子去垢劑溶解膜結構系統(tǒng),胞質中可溶性成分隨之流失;再用Tween40和脫氧膽酸鈉處理,胞質中的微管、微絲與一些蛋白結構被溶去,胞質中只有中間纖維網(wǎng)能完好存留;然后用核酸酶與0.25mol/L硫酸銨處理,染色質中DNA、RNA和組蛋白被抽提,最終核內呈現(xiàn)一個精細發(fā)達的核骨架網(wǎng)絡,結合非樹脂包埋-去包埋劑電鏡制樣方法,可清晰地顯示核骨架-核纖層-中間纖維結構體系。2、化學組成蛋白質：79％少量RNA：維持核基質的三維網(wǎng)絡結構。少量DNA：存在核基質結合序列（MAR），不為高鹽溶液破壞。3、核基質蛋白分類及其功能1）核基質蛋白D、E、F、G和4等：核基質上DNA袢環(huán)的結合蛋白。2）Nuc2+蛋白：與富含AT的DNA序列有特異的親合性，可能在分裂期染色體的分離過程中起重要作用。3）核內肌動蛋白：可能在mRNA合成過程中起主要作用。4）附著區(qū)結合蛋白（ARBP）：與富含AT的基質連接區(qū)（MAR）序列結合，在轉錄過程中可能與維持DNA的特定拓撲結構有關。5）其他核基質結合蛋白（自學）即一些與DNA和RNA代謝密切相關的酶類，細胞信號識別因子和細胞周期的調控因子。eg：酶、轉錄因子、受體、供體。4、核基質的結合序列（MAR）1）存在于DNA中位于DNA放射環(huán)或活性轉錄基因的兩端。2）基本特征·富含AT·富含DNA解旋元件(DNAunwindingelements)·富含反向重復序列(InvertedRe