chapter10細胞骨架

1、細胞骨架是指存在于真核細胞中的蛋白纖維網(wǎng)架體系。細胞骨架的概念有狹義和廣義之分： 狹義的細胞骨架指的是細胞質(zhì)骨架包括微絲、微管和中間纖維。廣義的細胞骨架包括細胞核骨架、細胞質(zhì)骨架、細胞膜骨架和細胞外基質(zhì)。核骨架 、核纖層與中間纖維在結(jié)構(gòu)上相互連接, 貫穿于細胞核和細胞質(zhì)的網(wǎng)架體系。 第一節(jié)、細胞質(zhì)骨架 第二節(jié)、核骨架第一節(jié) 細胞質(zhì)骨架微絲(microfilament, mf)微 管（microtubules）中間纖維（intermediate filament,if)細胞骨架結(jié)構(gòu)與功能總結(jié)一、微絲(microfilament, mf) 又稱肌動蛋白纖維(actin filament), 是指真

2、核細胞中由肌動蛋白(actin)組成、直徑為7nm的骨架纖維。微絲是雙股螺旋的形式組成的纖維，兩股肌動蛋白絲是同方向的。 成分 裝配 微絲特異性藥物 微絲結(jié)合蛋白 微絲功能肌肉收縮(muscle contraction)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(zhuǎn)換器，它直接將化學能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能。肌肉的細微結(jié)構(gòu)(以骨骼肌為例)肌小節(jié)的組成 肌肉收縮系統(tǒng)中的有關(guān)蛋白肌肉收縮的滑動模型由神經(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 肌肉收縮系統(tǒng)中的有關(guān)蛋白肌球蛋白(myosin)所有actin-dependen

3、t motor proteins都屬于該家族,頭部具atp酶活力,沿微絲從負極到正極進行運動。myosin 主要分布于肌細胞，有兩個球形頭部結(jié)構(gòu)域(具有atpase活性)和尾部,多個myosin尾部相互纏繞，形成myosin filament,即粗肌絲。原肌球蛋白(tropomyosin, tm)由兩條平行的多肽鏈形成-螺旋構(gòu)型,位于肌動蛋白螺旋溝內(nèi),結(jié)合于細絲, 調(diào)節(jié)肌動蛋白與肌球蛋白頭部的結(jié)合。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(jié)合; tnt(與原肌球蛋白結(jié)合); tni(抑制肌球蛋白atpase活性)成 分肌動蛋白

4、(actin)是微絲的結(jié)構(gòu)成分,以兩種形式存在，即單體和多聚體。單體肌動蛋白外觀呈啞鈴狀, 這種actin又叫球狀肌動蛋白（g-actin）， g-actin的多聚體形成肌動蛋白絲，稱為纖維狀肌動蛋白（f-actin），在電鏡下f-actin呈雙股螺旋狀 。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。裝配可分為核心組織和延伸兩個階段。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。體內(nèi)裝配時，mf呈

5、現(xiàn)出動態(tài)不穩(wěn)定性，主要取決于f-actin結(jié)合的atp水解速度與游離的g-actin單體濃度之間的關(guān)系。 mf動態(tài)變化與細胞生理功能變化相適應。在體內(nèi), 有些微絲是永久性的結(jié)構(gòu), 有些微絲是暫時性的結(jié)構(gòu)。微絲特異性藥物細胞松弛素(cytochalasins)：可以切斷微絲,并結(jié)合在微絲正極阻抑肌動蛋白聚合。鬼筆環(huán)肽(philloidin)：與微絲側(cè)面結(jié)合,防止mf解聚。影響微絲裝配動態(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(jié)合蛋白的影響。微絲結(jié)合蛋白 整個骨架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能在很大程度上受到不同的細胞骨架結(jié)合蛋白的

6、調(diào)節(jié)。肌肉收縮中相關(guān)的蛋白：肌球蛋白非肌肉細胞中的微絲結(jié)合蛋白： actin單體結(jié)合蛋白：這些小分子蛋白與actin單體結(jié)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(diào)節(jié)。 微絲結(jié)合蛋白微絲結(jié)合蛋白將微絲組織成以下三種主要形式 交聯(lián)蛋白（cross-linking protein）：改變細胞內(nèi)肌動蛋白纖維的三維結(jié)構(gòu)。末端阻斷蛋白（end blocking protein）：通過與肌動蛋白纖維一端或兩端的結(jié)合調(diào)節(jié)肌動蛋白纖維的長度。纖維切割蛋白（filament-severing protein）：能夠同已經(jīng)存在的肌動蛋白纖維結(jié)合并將它一分為二。肌動蛋白纖維去聚合蛋

7、白（actin filament depolymerizing protein）。膜結(jié)合蛋白（membrane-binding protein）parallel bundle: mf同向平行排列，主要發(fā)現(xiàn)于微絨毛與絲狀偽足。contractile bundle: 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)。gel-like network: 細胞皮層(cell cortex)中微絲排列形式，mf相互交錯排列。微絲功能維持細胞形態(tài)，賦予質(zhì)膜機械強度細胞運動微絨毛(microvillus)應力纖維(stress fiber)參與胞質(zhì)分裂肌肉收縮(muscle contraction)微絲

8、遍及胞質(zhì)各處，集中分布于質(zhì)膜下，和其結(jié)合蛋白形成網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，維持細胞形狀和賦予質(zhì)膜機械強度，如哺乳動物紅細胞膜骨架的作用。細胞運動 成纖維細胞爬行與微絲裝配和解聚相關(guān) 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。微絨毛(microvillus)應力纖維（應力纖維（stress fiberstress fiber）: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(zhì)表面的粘著。（細胞貼壁與粘著斑的形成相關(guān)，在形成粘合斑的質(zhì)膜下，微絲緊密平行排列成束，形成應力纖維,具有收縮功能。） 收縮環(huán)由大量反向平行排列的微絲組成，其收縮機制

9、是肌動蛋白和肌球蛋白相對滑動。二微 管（microtubules）微管結(jié)構(gòu)與組成裝配微管特異性藥物微管組織中心(mtoc) 微管結(jié)合蛋白(map)微管功能微管結(jié)構(gòu)與組成微管由兩種類型的微管蛋白亞基、異二聚體構(gòu)成。微管蛋白在進化上具有高度的保守性。微管蛋白上的結(jié)合位點微管的類型微管可裝配成單管、二聯(lián)管、三聯(lián)管。大部分細胞質(zhì)微管是單管微管，它在低溫、ca2+和秋水仙素作用下容易解聚，屬于不穩(wěn)定微管。二聯(lián)管是構(gòu)成纖毛和鞭毛的周圍小管，是運動類型的微管，它對低溫、ca2+和秋水仙素都比較穩(wěn)定。三聯(lián)管見于中心粒和基體，它對低溫、 ca2+和秋水仙素是穩(wěn)定的。裝配微管蛋白的體外裝配方式分為成核和延長兩個反

10、應所有的微管都有確定的極性：微管的極性有兩層含義，一是裝配的方向，二是生長速度的快慢。微管裝配是一個動態(tài)不穩(wěn)定過程微管裝配的動力學不穩(wěn)定性是指微管裝配 生長與快速去裝配的一個交替變換的現(xiàn)象動力學不穩(wěn)定性產(chǎn)生的原因： 微管兩端具gtp帽(取決于微管蛋白濃度),微 管將繼續(xù)組裝,反之,無gdp帽則解聚。微管特異性藥物秋水仙素(colchicine) 結(jié)合到未聚合的微管蛋白二聚體上，阻斷微管蛋白組裝成微管，可破壞紡錘體結(jié)構(gòu)。紫杉酚(taxol)能促進微管的裝配,并使已形成的微管穩(wěn)定。它只結(jié)合到聚合的微管上，不與未聚合的微管蛋白二聚體反應。為行使正常的微管功能,微管動力學不穩(wěn)定性是其功能正常發(fā)揮的基礎

11、。微管組織中心(mtoc)概念：常見微管組織中心中心體(centrosome)基體(basal body)微管在生理狀態(tài)或?qū)嶒炋幚斫饩酆笾匦卵b配的發(fā)生處稱為微管組織中心(microtubule organizing center, mtoc)。mtoc的主要作用是幫助大多數(shù)細胞質(zhì)微管裝配過程中的成核反應。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(jié)構(gòu)) 中心體(centrosome)中心體(centrosome)結(jié)構(gòu)：包括中心粒和中心粒周圍物質(zhì)，在細胞間期位于細胞核附近，在有絲分裂期，位于紡綞體的兩極。

12、 中心體復制周期 微管的體內(nèi)裝配需要管蛋白：位于中心體周圍的基質(zhì)中，它可以環(huán)成形結(jié)構(gòu)，為微管蛋白二聚體提供起始裝配位點，所以又叫成核位點 ?；w(basal body)位于鞭毛和纖毛根部的類似結(jié)構(gòu)稱為基體基體只含有一個中心粒而不是一對中心粒中心粒和基體均具有自我復制性質(zhì)微管結(jié)合蛋白(microtubule associated protein, map)map的功能：使微管相互交聯(lián)形成束狀結(jié)構(gòu)，也可使微管同其它細胞結(jié)構(gòu)交聯(lián)。通過與微管成核點的作用促進微管的聚合在細胞內(nèi)沿微管轉(zhuǎn)運囊泡和顆粒提高微管的穩(wěn)定性微管功能維持細胞形態(tài)細胞內(nèi)物質(zhì)的運輸細胞器的定位鞭毛(flagella)運動和纖毛(cili

13、a)運動紡錘體與染色體運動fluorescence microscopy reveals colocalization of endoplasmic reticulum membranes and cytosolic microtubules. dioc6, an er-binding fluorescent dye (green), and fluorescently-labeled anti-tubulin antibodies (red) were used to stain a cultured frog fibroblast. the alignment of the er netw

14、ork and microtubules in many but not all regions of the cytoplasm is evident because the cell has sparse microtubules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(guān)鍵作用。細胞內(nèi)物質(zhì)的運輸真核細胞內(nèi)部是高度區(qū)域化的體系, 細胞中合成的物質(zhì)、一些細胞器等必須經(jīng)過細胞內(nèi)運輸過程。這種運輸過程與細胞骨架體系中的微管及其motor protein有關(guān)。 motor protein

15、s 神經(jīng)元軸突運輸模式 色素顆粒的運輸分子發(fā)動機線性發(fā)動機以細胞骨架蛋白為軌道的分子發(fā)動機以dna為軌道的分子發(fā)動機旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機：f0-f1atp（atp合酶）p-型運輸泵（na+-k+泵）to convert chemical energy (stored in atp) into mechanical energy, which is used to move cellular cargo attached to the motor. motor proteins can be grouped into three broad families: 肌球蛋白(myosins)家族驅(qū)動蛋白(k

16、inesins)家族動力蛋白(dyneins)家族 myosins和kinesins的協(xié)同作用分子發(fā)動機移動的主要特點cytoplasmic dynein is a huge protein :molecular mass of approximately 1.5 million daltonscomposed of two identical heavy chains and a variety of intermediate and light chains. to move along a microtubule toward the polymers minus end .struct

17、ure驅(qū)動蛋白家族結(jié)構(gòu)特點驅(qū)動蛋白功能特點kinesin is a tetramer constructed from two identical heavy chains and two identical light chains a kinesin molecule has a pair of globular heads that bind a microtubule and act as atp-hydrolyzling, force-generating “engines. a fan-shaped tail that binds cargo to be hauled each h

18、ead is connected to a neck, a rodlike stalkkinesin is a plus end-directed microtubular motoreach step is approximately 8 nm in length, which is also the spacing between tubulin dimers along a protofilament移動的速度與atp的濃度有關(guān)速度高時,可達到每秒900nmmotor proteins move unidirectionally along their cytoskeletal trac

19、k 驅(qū)動蛋白:從(-)端向(+)端的運輸動力蛋白:從(+)端向(-)端運輸in a stepwise manner the fuel is atp鞭毛(flagella)運動和纖毛(cilia)運動纖毛和鞭毛的運動形式 纖毛與鞭毛的結(jié)構(gòu) 纖毛運動機制三、中間纖維（intermediate filament,if)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(jié)構(gòu)，特別是在需要承受機械壓力的細胞中含量相當豐富。除了胞質(zhì)中，在內(nèi)核膜下的核纖層也屬于if。 中間纖維的裝配 中間纖維的成分與分布 中間纖維結(jié)合蛋白（ ifap ）及其判定標

20、準 中間纖維的功能中間纖維的裝配中間纖維裝配過程if裝配與mf,mt裝配相比，有以下幾個特點： if裝配的單體是纖維狀蛋白(mf,mt的單體呈球形)； 反向平行的四聚體導致if不具有極性； if在體外裝配時不需要核苷酸或結(jié)合蛋白的輔助， 在體內(nèi)裝配后，細胞中幾乎不存在if單體(但if的存在 形式也可以受到細胞調(diào)節(jié)，如核纖層的裝配與解聚)。中間纖維的成分與分布if成分比mf,mt復雜，具有組織特異性。if在形態(tài)上相似，而化學組成有明顯的差別。中間纖維類型與分布中間纖維蛋白的表達具有嚴格的組織特異性中間纖維分類與分布中間纖維的功能增強細胞抗機械壓力的能力 角蛋白纖維參與橋粒的形成和維持 結(jié)蛋白纖維

21、是肌肉z盤的重要結(jié)構(gòu)組分，對于維持肌肉細胞的收縮裝置起重要作用神經(jīng)元纖維在神經(jīng)細胞軸突運輸中起作用參與傳遞細胞內(nèi)機械的或分子的信息中間纖維與mrna的運輸有關(guān)第二節(jié) 細胞核骨架 細胞核骨架是存在于真核細胞核內(nèi)的以蛋白成分為主的纖維網(wǎng)架體系。廣義的核骨架包括核基質(zhì)、核纖層和核孔復合體。核基質(zhì)(nuclear matrix)染色體骨架核纖層(nuclear lamina)核基質(zhì)(nuclear matrix) 形態(tài)結(jié)構(gòu)成分核骨架蛋白（mar蛋白）及核骨架結(jié)合序列功能形態(tài)結(jié)構(gòu)研究核骨架的分級抽提方法1、非離子去垢劑溶解膜結(jié)構(gòu)系統(tǒng),胞質(zhì)中可溶性成分隨之流失；2、再用tween40和脫氧膽酸鈉處理,胞質(zhì)

22、中的微管、微絲與一些蛋白結(jié)構(gòu)被溶去,胞質(zhì)中只有中間纖維網(wǎng)能完好存留;3、然后用核酸酶與0.25mol/l硫酸銨處理,染色質(zhì)中dna、rna和組蛋白被抽提, 最終核內(nèi)呈現(xiàn)一個精細發(fā)達的核骨架網(wǎng)絡, 結(jié)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(jié)構(gòu)體系。成分核骨架不象胞質(zhì)骨架那樣由非常專一的蛋白成分組成,核骨架的成分比較復雜,主要成分是核骨架蛋白及核骨架結(jié)合蛋白,并含有少量rna。核骨架蛋白骨架結(jié)合蛋白其它核骨架結(jié)合序列 dna序列中的核骨架結(jié)合序列(matrix associated region, mar)這部分dna與核骨架蛋白的結(jié)合不為高鹽溶液抽提所破壞,在基因表達調(diào)控中有作用核骨架結(jié)合序列的基本特征 mar的功能 通過與核骨架蛋白的結(jié)合，將dna放射環(huán)錨定在核骨架上； 作為許多功能性基因調(diào)控蛋白的結(jié)合位點。核骨架結(jié)合序列的基本特征富含at富含dna 解旋元件(dna unwinding elements)富含反向重復序列(inverted repeats) 含有轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點。功 能核骨架與dna復制核骨架與基因表達 大量研究工作表明真核細胞中rna的轉(zhuǎn)錄和加工均與核骨架有關(guān)。具有轉(zhuǎn)錄活性的基因是結(jié)合在核骨架上的; rna聚合酶在核骨架上具有結(jié)合位點。 核骨架與病毒復制核骨