第6章 細(xì)胞骨架與細(xì)胞運(yùn)動(dòng)(辛華)

1、第六章第六章細(xì)胞骨架與細(xì)胞運(yùn)動(dòng)細(xì)胞骨架與細(xì)胞運(yùn)動(dòng) cytoskeleton and cell motility概述概述 第一節(jié)第一節(jié) 微微 管管第二節(jié)第二節(jié) 微微 絲絲 第三節(jié)第三節(jié) 中間絲中間絲第四節(jié)第四節(jié) 細(xì)胞骨架與疾病細(xì)胞骨架與疾病內(nèi)容內(nèi)容概概 述述一、細(xì)胞骨架的概念一、細(xì)胞骨架的概念細(xì)胞骨架細(xì)胞骨架(cytoskeleton) 是指真核細(xì)胞中與保持細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)和細(xì)胞運(yùn)動(dòng)有關(guān)的纖維網(wǎng)絡(luò)，包括微管、微絲和中間絲 。細(xì)胞骨架細(xì)胞骨架 微管（microtubule）25nm 微絲 (microfilament) 57nm 中間絲 (intermediate）10nm 細(xì)胞骨架立體結(jié)構(gòu)模式圖廣意

2、的概念細(xì)胞質(zhì)骨架細(xì)胞核骨架細(xì)胞外基質(zhì)二、細(xì)胞骨架的功能二、細(xì)胞骨架的功能 1.構(gòu)成細(xì)胞內(nèi)支撐和區(qū)域化的網(wǎng)架 2.參與細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)和細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的運(yùn)輸 3.參與細(xì)胞的分裂活動(dòng) 4.參與細(xì)胞內(nèi)信息傳遞 細(xì)胞骨架功能示意圖 第一節(jié)第一節(jié) 微微 管管 一、微管的化學(xué)組成一、微管的化學(xué)組成 微管蛋白、 微管蛋白 、-微管蛋白 常以微管蛋白異二聚體形式存在 -微管蛋白 -微管蛋白1. 和和 微管蛋白微管蛋白 在微管蛋白和微管蛋上各有一個(gè)GTP結(jié)合位點(diǎn)、Mg2+、Ca2+結(jié)合位點(diǎn) 和一個(gè)秋水仙素結(jié)合位 a.微管結(jié)構(gòu)模式圖 b.微管橫切面 C.電鏡圖象 2.微管蛋白環(huán)狀復(fù)合物（微管蛋白環(huán)狀復(fù)合物（-TuRC）由微

3、管蛋白和一些其他相關(guān)蛋白構(gòu)成，是微管的一種高效的集結(jié)結(jié)構(gòu)，在中心體中是微管裝配的起始結(jié)構(gòu)。 3.微管的三種存在形式微管的三種存在形式單管微管由13根原絲組成，是胞質(zhì)微管的主要存在形式二聯(lián)管主要分布在纖毛和鞭毛的桿狀部分 三聯(lián)管主要分布在中心粒及纖毛和鞭毛的基體中 二、微管相關(guān)蛋白二、微管相關(guān)蛋白 (microtubule- associated protein，MAP) 這是一類以恒定比例與微管結(jié)合的蛋白，決定不同類型微管的獨(dú)特屬性，參與微管的裝配，是維持微管結(jié)構(gòu)和功能的必需成份。MAP-1、MAP-2、Tau 主要存在于神經(jīng)元中MAP-4廣泛存在于各種細(xì)胞中 種MAP的活性主要通過蛋白激酶和

4、磷酸酶控制， 1微管相關(guān)蛋白的種類和特點(diǎn)微管相關(guān)蛋白的種類和特點(diǎn)微管相關(guān)蛋白微管相關(guān)蛋白MAP-2堿性結(jié)合區(qū) 酸性區(qū)域 2. 微管相關(guān)蛋白的功能微管相關(guān)蛋白的功能 （1）調(diào)節(jié)微管裝配（2）增加微管的穩(wěn)定性和強(qiáng)度 （3）在細(xì)胞內(nèi)沿微管轉(zhuǎn)運(yùn)囊泡和顆粒 （4）作為細(xì)胞外信號(hào)的靶位點(diǎn)參與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo) 三、微管的組裝和極性三、微管的組裝和極性組裝過程分三個(gè)時(shí)期：成核期、聚合期和穩(wěn)定期組裝過程分三個(gè)時(shí)期：成核期、聚合期和穩(wěn)定期成核期：先由和微管蛋白聚合成一個(gè)短的寡 聚體結(jié)構(gòu)，即核心形成； 聚合期：微管蛋白聚合速度大于解聚速度，微管 延長(zhǎng)；穩(wěn)定期：游離微管蛋白濃度下降，達(dá)到臨界濃 度，微管的組裝與去組裝速度相等

5、， 微管長(zhǎng)度相對(duì)恒定； （一）微管的體外組裝（一）微管的體外組裝極性裝配 ： 裝配快的一端（微管蛋白）為（+）極， 裝配慢的一端（微管蛋白）為（-）極 踏車現(xiàn)象：組裝和去組裝達(dá)到平衡組裝條件 ：微管蛋白異二聚體達(dá)到臨界濃度、有Mg2+存在，（無Ca2+）、pH6.9、37、異二聚體即組裝成微管，同時(shí)需要由GTP提供能量。 微管的體外組裝過程與踏車現(xiàn)象模式微管的體外組裝過程與踏車現(xiàn)象模式（二）微管的體內(nèi)裝配（二）微管的體內(nèi)裝配 微管組織中心（microtubule organizing center，MTOC）在空間上為微管裝配提供始發(fā)區(qū)域，控制著細(xì)胞質(zhì)中微管的數(shù)量、位置及方向。包括：中心體、纖

6、毛和鞭毛的基體 微管在中心體部位的成核模型微管在中心體上的聚合微管在中心體上的聚合A.中心體的無定形蛋白基質(zhì)中含有微管蛋白環(huán),它是微管生長(zhǎng)的起始部位; B.中心體上的微管蛋白環(huán); C.中心體與附著其上的微管,負(fù)端被包圍在中心體中,正端游離在細(xì)胞質(zhì)中;（三）微管組裝的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)三）微管組裝的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)-非穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)模型非穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)模型該模型認(rèn)為，微管組裝過程不停地在增長(zhǎng)和縮短兩種狀態(tài)中轉(zhuǎn)變，表現(xiàn)動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性。 微管在體外組裝時(shí)，游離微管蛋白的濃度和GTP水解成GDP的速度決定微管的穩(wěn)定性：當(dāng)當(dāng)GTP微管蛋白異二聚體添加到微管正極（微管蛋白異二聚體添加到微管正極（+）組裝速度大于）組裝速度大于GDP的

7、水解速度的水解速度時(shí)時(shí),形成形成GTP帽帽,微管延長(zhǎng)微管延長(zhǎng); 當(dāng)當(dāng)GTP的微管蛋白聚合速度小于的微管蛋白聚合速度小于GTP的水解速度，的水解速度， GTP帽不斷縮小暴露出帽不斷縮小暴露出GDP微管蛋白，并迅速脫落微管蛋白，并迅速脫落,使微管縮短，導(dǎo)致微管結(jié)使微管縮短，導(dǎo)致微管結(jié)構(gòu)上的不穩(wěn)定，構(gòu)上的不穩(wěn)定，（四）作用于微管的特異性藥物（四）作用于微管的特異性藥物秋水仙素：抑制微管的組裝 紫衫酚：阻止微管的去組裝，增強(qiáng)微管穩(wěn)定性秋水仙素與紫衫酚的分子結(jié)構(gòu)秋水仙素與紫衫酚的分子結(jié)構(gòu)四、微管的功能四、微管的功能（一）構(gòu)成細(xì)胞的支架并維持細(xì)胞的形態(tài)（一）構(gòu)成細(xì)胞的支架并維持細(xì)胞的形態(tài)微管圍繞細(xì)胞核向外

8、呈微管圍繞細(xì)胞核向外呈放射狀分布，維持細(xì)胞放射狀分布，維持細(xì)胞的形態(tài)的形態(tài) （二）參與細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的運(yùn)輸（二）參與細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的運(yùn)輸微管為細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的運(yùn)輸提供軌道,通過馬達(dá)蛋白完成物質(zhì)運(yùn)輸任務(wù).1.馬達(dá)蛋白（motor protein）這是一類利用ATP水解產(chǎn)生的能量驅(qū)動(dòng)自身攜帶運(yùn)載物沿著微管或肌動(dòng)蛋白絲運(yùn)動(dòng)的蛋白質(zhì)?？煞譃槿齻€(gè)不同的家族： 驅(qū)動(dòng)蛋白（kinesin） 動(dòng)力蛋白（dynein） 肌球蛋白（myosin）微管作為運(yùn)行軌道 肌動(dòng)蛋白纖維作為運(yùn)行軌道 驅(qū)動(dòng)蛋白：介導(dǎo)沿微管的（驅(qū)動(dòng)蛋白：介導(dǎo)沿微管的（-）極向（）極向（+）極的運(yùn)輸）極的運(yùn)輸動(dòng)力蛋白：介導(dǎo)從微管的（動(dòng)力蛋白：介導(dǎo)從微管的（+

9、）極向（）極向（-）極的運(yùn)輸）極的運(yùn)輸胞質(zhì)動(dòng)力蛋白與膜泡的附著胞質(zhì)動(dòng)力蛋白與膜泡的附著細(xì)胞中微管介導(dǎo)的物質(zhì)運(yùn)輸細(xì)胞中微管介導(dǎo)的物質(zhì)運(yùn)輸 （三）維持細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞器的空間定位和分布（三）維持細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞器的空間定位和分布 參與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基復(fù)合體 、紡錘體的定 位及分裂期染色體位移 、（四）微管參與細(xì)胞運(yùn)動(dòng)（四）微管參與細(xì)胞運(yùn)動(dòng) 細(xì)胞的變形運(yùn)動(dòng)、纖毛、鞭毛運(yùn)動(dòng)纖毛和鞭毛動(dòng)力微管的滑動(dòng)模型纖毛和鞭毛動(dòng)力微管的滑動(dòng)模型 （五）微管參與染色體的運(yùn)動(dòng)，調(diào)節(jié)細(xì)胞分裂（五）微管參與染色體的運(yùn)動(dòng)，調(diào)節(jié)細(xì)胞分裂（六）微管參與細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳遞（六）微管參與細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳遞如hedgehog、JNK、Wnt、ERK及PAK蛋

10、白激酶信號(hào)通路。 第二節(jié)第二節(jié) 微絲微絲一、微絲的結(jié)構(gòu)與肌動(dòng)蛋白一、微絲的結(jié)構(gòu)與肌動(dòng)蛋白 G- 肌動(dòng)蛋白 （G-actin）純化的肌動(dòng)蛋白單體由單條 肽鏈折疊而成，外觀呈啞鈴形，內(nèi)部有ATP（或ADP） 結(jié)合位點(diǎn)和一個(gè)二價(jià)陽離子Mg2+（或Ca2）結(jié)合位點(diǎn)。 F- 肌動(dòng)蛋白： 每條微絲由2條平行的肌動(dòng)蛋白單鏈以右手螺旋方式相互盤繞而成 ，具有極性 肌動(dòng)蛋白和微絲的結(jié)構(gòu)模式圖肌動(dòng)蛋白和微絲的結(jié)構(gòu)模式圖 A.G-肌動(dòng)蛋白三維結(jié)構(gòu)肌動(dòng)蛋白三維結(jié)構(gòu); B.F-肌動(dòng)蛋白分子模型肌動(dòng)蛋白分子模型; C. F-肌動(dòng)蛋白電鏡照片肌動(dòng)蛋白電鏡照片二、肌動(dòng)蛋白結(jié)合蛋白二、肌動(dòng)蛋白結(jié)合蛋白(actin-bindin

11、g protein） 是細(xì)胞內(nèi)存在的一大類能與肌動(dòng)蛋白單體或肌動(dòng)蛋白纖維結(jié)合的、能改變其特性的蛋白 。按其功能可分為三大類：與F-肌動(dòng)蛋白的聚合有關(guān)的蛋白； 與微絲結(jié)構(gòu)有關(guān)的蛋白； 與微絲收縮有關(guān)的蛋白 ；肌動(dòng)蛋白結(jié)合蛋白功能示意圖肌動(dòng)蛋白結(jié)合蛋白功能示意圖 三、微絲的組裝三、微絲的組裝 當(dāng)溶液中含有ATP、Mg2+以及較高濃度的K+或Na+時(shí)，G-肌動(dòng)蛋白可自組裝成F-肌動(dòng)蛋白； 當(dāng)溶液中含有適當(dāng)濃度的Ca2+以及低濃度的Na+、K+時(shí)，肌動(dòng)蛋白纖維趨向于解聚成肌動(dòng)蛋白單體。 （一）微絲的體外組裝過程分三個(gè)階段：（一）微絲的體外組裝過程分三個(gè)階段： 成核期 延長(zhǎng)期 穩(wěn)定期 成核期 延長(zhǎng)期 穩(wěn)

12、定期成核因子通過成核作用來加速肌動(dòng)蛋白的聚合成核因子通過成核作用來加速肌動(dòng)蛋白的聚合（二）微絲的體內(nèi)組裝的調(diào)節(jié)（二）微絲的體內(nèi)組裝的調(diào)節(jié) 微絲體內(nèi)組裝受一系列肌動(dòng)蛋白結(jié)合蛋白的調(diào)節(jié)1.微絲成核蛋白 （nucleating protein）Arp2/3復(fù)合物：促使形成微絲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由Arp2、Arp3和其他5種附屬蛋白組成，具有與微管成核時(shí)-TuRC相似的作用，是微絲組裝的起始復(fù)合物。 微絲裝配的成核作用及微絲網(wǎng)絡(luò)的形成微絲裝配的成核作用及微絲網(wǎng)絡(luò)的形成 A.纖絲狀肌動(dòng)蛋白纖維的成核作用；纖絲狀肌動(dòng)蛋白纖維的成核作用； B.微絲成網(wǎng)過程微絲成網(wǎng)過程成核蛋白formin ：?jiǎn)?dòng)細(xì)胞內(nèi)不分支微絲的形

13、成， 共有15種，共同特征是都含有FH1和FH2同源結(jié)構(gòu)域 ，F(xiàn)H1結(jié)構(gòu)域可與抑制蛋白（profilin）結(jié)合，F(xiàn)H2結(jié)構(gòu)域啟動(dòng)肌動(dòng)蛋白的成核聚合。 當(dāng)新成核的微絲纖維生長(zhǎng)時(shí)，formin二聚體保持結(jié)合在快速生長(zhǎng)的正端，保護(hù)正極在延伸過程中不受加帽蛋白的影響，并通過直接與抑制蛋白（profilin）的結(jié)合提高延伸速度。 （三）（三）cofilin /ADF蛋白家族與肌動(dòng)蛋白纖維的解聚蛋白家族與肌動(dòng)蛋白纖維的解聚cofilin /ADF蛋白家族通過兩種方式加速解聚：增加肌動(dòng)蛋白單體從纖維末端的解離速度；剪切肌動(dòng)蛋白纖維，使之片段化。 （四）多種藥物影響微絲組裝（四）多種藥物影響微絲組裝細(xì)胞松弛素

14、（cytochalasin）抑制組裝過程 鬼筆環(huán)肽：抑制微絲解聚，使微絲保持穩(wěn)定狀態(tài) 四、微絲的功能四、微絲的功能（一）構(gòu)成細(xì)胞的支架并維持細(xì)胞的形態(tài) 如，細(xì)胞皮層、應(yīng)力纖維、微絨毛 等 A.微絨毛低溫電鏡圖象微絨毛低溫電鏡圖象; B.微絨毛結(jié)構(gòu)示意圖微絨毛結(jié)構(gòu)示意圖（二）微絲參與細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)參與細(xì)胞的多種運(yùn)動(dòng)形式： 變形運(yùn)動(dòng)、胞質(zhì)環(huán)流、細(xì)胞的內(nèi)吞和外吐等 細(xì)胞變形運(yùn)動(dòng) ：肌動(dòng)蛋白的聚合形成偽足 偽足與基質(zhì)之間行成新的 錨定點(diǎn)；以附著點(diǎn)為支點(diǎn)向前移動(dòng) （肌動(dòng)蛋白纖維的解聚）。 （三）微絲參與細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸（三）微絲參與細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸肌球蛋白（myosin）的馬達(dá)蛋白家族它們以微絲作為運(yùn)輸軌道參與

15、物質(zhì)運(yùn)輸活動(dòng)。 型肌球蛋白分子結(jié)構(gòu)型肌球蛋白分子結(jié)構(gòu)（四）微絲參與細(xì)胞質(zhì)的分裂（四）微絲參與細(xì)胞質(zhì)的分裂胞質(zhì)分裂通過質(zhì)膜下由微絲束形成的收縮環(huán)完成 （五）微絲參與肌肉收縮（五）微絲參與肌肉收縮 粗肌絲由肌球蛋白組成，粗肌絲由肌球蛋白組成， 細(xì)細(xì)肌絲由三種蛋白組成，肌絲由三種蛋白組成，肌肉收縮是粗肌絲和細(xì)肌絲相肌肉收縮是粗肌絲和細(xì)肌絲相互滑動(dòng)的結(jié)果互滑動(dòng)的結(jié)果（六）微絲參與受精作用（六）微絲參與受精作用 精子頭端啟動(dòng)微絲組裝，形成頂體刺突完成受精。 （七）微絲參與細(xì)胞內(nèi)信息傳遞（七）微絲參與細(xì)胞內(nèi)信息傳遞 細(xì)胞外的某些信號(hào)分子與細(xì)胞膜上的受體結(jié)合，可觸發(fā)膜下肌動(dòng)蛋白的結(jié)構(gòu)變化，從而啟動(dòng)細(xì)胞內(nèi)激酶

16、變化的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程。主要參與Rho蛋白家族有關(guān)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)第三節(jié)第三節(jié) 中間絲中間絲 中間絲的直徑為10nm，由不同的蛋白質(zhì)分子組成。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，大多數(shù)情況下，形成布滿在細(xì)胞質(zhì)中的網(wǎng)絡(luò) 中間絲的蛋白質(zhì)分子復(fù)雜，不同來源的組織細(xì)胞表達(dá)不同類型的中間絲蛋白 ，是三類骨架纖中化學(xué)成分最復(fù)雜的 一種，分為6種主要類型（見教材中間絲蛋白的主要類型 表）一、中間絲的類型一、中間絲的類型二、中間絲蛋白的分子結(jié)構(gòu)二、中間絲蛋白的分子結(jié)構(gòu)中間纖維蛋白是長(zhǎng)的線性蛋白， 由頭部、桿狀區(qū)和尾部三部分組成，各種中間絲蛋白之間的區(qū)別主要取決于頭、尾部的長(zhǎng)度和氨基酸順序 三、中間絲結(jié)合蛋白三、中間絲結(jié)合蛋白(intermedi

17、ate filament associated protein，IFAP) 是一類在結(jié)構(gòu)和功能上與中間絲有密切聯(lián)系，但其本身不是中間絲結(jié)構(gòu)組分的蛋白。使中間絲之間交聯(lián)成束、成網(wǎng)，并把中間絲交聯(lián)到質(zhì)膜或其他骨架成分上。目前已知約15種，（見教材中間絲結(jié)合蛋白表） IFAP共同特征：具有中間絲類型特異性；表達(dá)有細(xì)胞專一性；不同的IFAP可存在于同一個(gè)細(xì)胞中與不同的中間絲組織狀態(tài)相聯(lián)系；在細(xì)胞中某些IFAP的表達(dá)與細(xì)胞的功能和發(fā)育狀態(tài)有關(guān)。 四、中間絲的組裝四、中間絲的組裝五、中間絲的功能五、中間絲的功能 （一）參與構(gòu)成細(xì)胞完整的支撐網(wǎng)架系統(tǒng)（一）參與構(gòu)成細(xì)胞完整的支撐網(wǎng)架系統(tǒng) 構(gòu)成細(xì)胞完整的支撐網(wǎng)

18、架系統(tǒng)，還與細(xì)胞核的形態(tài)支持和定位、相鄰細(xì)胞之間、細(xì)胞與基膜之間連接結(jié)構(gòu)的形成， （二）為細(xì)胞提供機(jī)械強(qiáng)度支持（二）為細(xì)胞提供機(jī)械強(qiáng)度支持（三）參與細(xì)胞的分化（三）參與細(xì)胞的分化1.不同類型的 I F 嚴(yán)格地分布在不同類型的細(xì)胞中， 具有組織細(xì)胞的特異性。2.發(fā)育不同階段的細(xì)胞，會(huì)表達(dá)不同類型的中間纖維， 是細(xì)胞分化的標(biāo)志。 （四）參與細(xì)胞內(nèi)信息傳遞（四）參與細(xì)胞內(nèi)信息傳遞中間纖維與DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和 mRNA的運(yùn)輸有關(guān)，胞質(zhì)mRNA錨定于中間纖維，可能對(duì)其在細(xì)胞內(nèi)的定位及是否翻譯起重要作用。第四節(jié)第四節(jié) 細(xì)胞骨架異常與疾病細(xì)胞骨架異常與疾病 一、一、 細(xì)胞骨架與腫瘤細(xì)胞骨架與腫瘤1.腫瘤細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)的破壞和解聚 ，無序紊 亂排列 造成細(xì)胞形態(tài)異常有關(guān)。 2.根據(jù)中間絲分布具有組織特異性的特點(diǎn)，用作臨床腫瘤病理診斷工具 。二、細(xì)胞骨架與神經(jīng)系統(tǒng)疾病二、細(xì)胞骨架與神經(jīng)系統(tǒng)疾病如帕金森病、 阿爾茨海默病 、肌萎縮性側(cè)索硬化癥 、幼稚性脊柱肌肉萎縮癥 等都與神經(jīng)絲蛋白的異常表達(dá)與異常修飾有關(guān)。 三、細(xì)胞骨架與遺傳性疾病三、細(xì)胞骨架與遺傳性疾病人類不動(dòng)纖毛綜合征 、 遺傳性皮膚病單純性大皰性表皮松