細(xì)胞生物學(xué)教程第9章+細(xì)胞骨架

1、細(xì)胞生物學(xué)教程第9章+細(xì)胞骨架成分：微絲（microfilament）、微管（microtubule）和中間纖維（intemediate filament）構(gòu)成。均由單體蛋白以較弱的非共價(jià)鍵結(jié)合在一起，構(gòu)成纖維型多聚體。微絲確定細(xì)胞表面特征，使細(xì)胞能夠運(yùn)動(dòng)和收縮。微管確定膜性細(xì)胞器的位置和作為膜泡運(yùn)輸?shù)膶?dǎo)軌。中間纖維使細(xì)胞具有張力和抗剪切力。其它骨架成分：核骨架、核纖層、細(xì)胞外基質(zhì)。 The three types of protein第一節(jié) 微絲 microfilament , MF又稱肌動(dòng)蛋白纖維actin filament，是由兩條線性排列的肌動(dòng)蛋白鏈形成的螺旋 ，形狀如雙線捻成的繩子，

2、直徑約7nm 。根據(jù)等電點(diǎn)分為3類：分布于肌肉細(xì)胞；和分布于肌細(xì)胞和非肌細(xì)胞。actin單體外觀呈啞鈴形，稱球形肌動(dòng)蛋白G-actin；多聚體稱為纖維形肌動(dòng)蛋白F-actin。actin在進(jìn)化上高度保守，酵母和兔子肌肉的肌動(dòng)蛋白有88%的同源性。肌動(dòng)蛋白要經(jīng)過翻譯后修飾，如N-端乙?；蚪M氨酸殘基的甲基化。一、分子結(jié)構(gòu)條件：ATP、適宜的溫度、存在K+和Mg2+離子。過程：2-3個(gè)actin聚集成一個(gè)核心（核化）；ATP-actin分子向核心兩端加合。微絲具有極性，ATP-actin加到(+)極的速度要比加到(-)極的速度快5-10倍。溶液中ATP-肌動(dòng)蛋白的濃度處于臨界濃度時(shí)，ATP-肌動(dòng)蛋

3、白在(+)端添加，而從(-)端分離，表現(xiàn)出 “踏車”現(xiàn)象。Treadmilling+-細(xì)胞中大多數(shù)微絲結(jié)構(gòu)處于動(dòng)態(tài)的組裝和去組裝過程中，并通過這種方式實(shí)現(xiàn)其功能。細(xì)胞松弛素（cytochalasin）可切斷微絲纖維，并結(jié)合在微絲末端抑制肌動(dòng)蛋白加合到微絲纖維上，特異性的抑制微絲功能。鬼筆環(huán)肽（phalloidin）與微絲能夠特異性的結(jié)合，使微絲纖維穩(wěn)定而抑制其功能。熒光標(biāo)記的鬼筆環(huán)肽可特異性的顯示微絲。 二、微絲結(jié)合蛋白已知的的微絲結(jié)合蛋白有100多種，分為以下類型：1核化蛋白：使游離actin核化，開始組裝，Arp2單體隱蔽蛋白：阻止游離actin向纖維添加，thymosin 3封端蛋白：使

4、纖維穩(wěn)定，Cap Z4單體聚合蛋白：將結(jié)合的單體安裝到纖維，profilin 5微絲解聚蛋白：使微絲去組裝，cofilin 6交聯(lián)蛋白：fimbrin 7纖維切斷蛋白：將微絲切斷，gelsolin8膜結(jié)合蛋白：vinculin 核化蛋白三、肌肉的組成由肌原纖維組成，肌原纖維包括粗肌絲和細(xì)肌絲，粗肌絲主要成分是肌球蛋白，細(xì)肌絲的主要成分是肌動(dòng)蛋白、原肌球蛋白和肌鈣蛋白。肌肉收縮的基本單位是肌小節(jié)（sarcomere）。肌小節(jié)是相鄰兩Z線間的單位。主要結(jié)構(gòu)有：A帶（暗帶）：為粗肌絲所在。H區(qū)：A帶中央色淺部份，此處只有粗肌絲。I帶（明帶）：只含細(xì)肌絲部分。Z線：細(xì)肌絲一端游離，一端附于Z線 。Sa

5、rcomere（一）肌球蛋白（myosin）屬于馬達(dá)蛋白，趨向微絲的（+）極。已知15類（myosin I-XV）。Myosin II構(gòu)成粗肌絲。由2個(gè)重鏈和4個(gè)輕鏈組成，外觀具有兩個(gè)球形的頭和一個(gè)螺旋化的干，頭部有ATP酶活性。Myosin V結(jié)構(gòu)類似myosin II，但重鏈有球形尾部。Myosin I 由一個(gè)重鏈和兩個(gè)輕鏈組成。Myosin I、II、V都存在于非肌細(xì)胞中，II型參與形成應(yīng)力纖維和胞質(zhì)收縮環(huán)，I、V型結(jié)合在膜上與膜泡運(yùn)輸有關(guān) 。 Myosin II structureTwo heavy chains, two essential light chains, and two

6、 regulatory light chainsHeavy chain has head domain, neck region, and tail domain（二）原肌球蛋白（tropomyosin.Tm）每個(gè)Tm的長度相當(dāng)于7個(gè)肌動(dòng)蛋白，呈長桿狀。組成兩條平行纖維，位于肌動(dòng)蛋白雙螺旋的溝中，主要作用是加強(qiáng)和穩(wěn)定肌動(dòng)蛋白絲，抑制肌動(dòng)蛋白與肌球蛋白結(jié)合。（三）肌鈣蛋白（troponin,Tn），含三個(gè)亞基，肌鈣蛋白C特異地與鈣結(jié)合，肌鈣蛋白T與原肌球蛋白有高度親和力，肌鈣蛋白I抑制肌球蛋白的ATP酶活性，主要作用是調(diào)節(jié)肌肉收縮。 Tropomyosin, actin and troponin

7、（四）肌肉的收縮 肌球蛋白結(jié)合ATP，引起頭部與肌動(dòng)蛋白纖維分離；ATP水解，引起頭部與肌動(dòng)蛋白弱結(jié)合； Myosin movement (continued)Pi釋放，頭部與肌動(dòng)蛋白強(qiáng)結(jié)合，頭部向M線方向彎曲，引起細(xì)肌絲向M線移動(dòng)；ADP釋放ATP結(jié)合上去，頭部與肌動(dòng)蛋白纖維分離。如此循環(huán) 四、微絲的功能微絲除參與形成肌原纖維外還具有以下功能：1形成應(yīng)力纖維（stress fiber）：結(jié)構(gòu)類似肌原纖維，使細(xì)胞具有抗剪切力。 培養(yǎng)的上皮細(xì)胞中的應(yīng)力纖維（微絲紅色、微管綠色） 2形成微絨毛。3細(xì)胞的變形運(yùn)動(dòng)。 4. 胞質(zhì)分裂；5. 頂體反應(yīng)；6. 其他功能：抑制微絲的藥物（細(xì)胞松弛素）可增強(qiáng)膜

8、的流動(dòng)、破壞胞質(zhì)環(huán)流。 第二節(jié) 微管 Microtubule, MT微管在胞質(zhì)中形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，作為運(yùn)輸路軌并起支撐作用。微管是由微管蛋白組成的管狀結(jié)構(gòu)，對(duì)低溫、高壓和秋水仙素敏感。A fluorescently stained image of cultured epithelial cells showing the nucleus (yellow) and microtubules (red)微管是由13條原纖維構(gòu)成的中空管狀結(jié)構(gòu)，直徑2225nm。每一條原纖維由微管蛋白二聚體線性排列而成微管蛋白二聚體由結(jié)構(gòu)相似的和球蛋白構(gòu)成。球蛋白結(jié)合的GTP從不發(fā)生水解或交換。球蛋白也是一種 G蛋白，

9、結(jié)合的GTP可發(fā)生水解，結(jié)合的GDP可交換為GTP。一、分子結(jié)構(gòu)微管具有極性，(+)極生長速度快，(-)極生長速度慢。(+)極的最外端是球蛋白，(-)極的最外端是球蛋白。微管和微絲一樣具有踏車行為。微管形成的有些結(jié)構(gòu)是比較穩(wěn)定，是由于微管結(jié)合蛋白的作用和酶修飾的原因。如軸突、纖毛、鞭毛。大多數(shù)微管處于動(dòng)態(tài)組裝和去組裝狀態(tài)（如紡錘體）。秋水仙素、長春花堿抑制微管裝配。 紫杉酚能促進(jìn)微管的裝配, 并使已形成的微管穩(wěn)定。The function of GTP-tubulin capGTP hydrolysis is not required for microtubule assembly，WHY？

10、Microtubule disassemble when ADP-tubulin are exposed MAP分子至少包含一個(gè)結(jié)合微管的結(jié)構(gòu)域和一個(gè)向外突出的結(jié)構(gòu)域。突出部位伸到微管外與其它細(xì)胞組分（如微管束、中間纖維、質(zhì)膜）結(jié)合。主要功能：促進(jìn)微管組裝。增加微管穩(wěn)定性。促進(jìn)微管聚集成束。二、微管結(jié)合蛋白 microtubule associated proteins MAPs三、微管組織中心microtubule organizing center, MTOCs是微管進(jìn)行組裝的區(qū)域，都具有微管球蛋白 ，如：中心體、鞭毛基體。中心體由兩個(gè)相互垂直的中心粒構(gòu)成。周圍是一些無定形物質(zhì)，叫做外中心

11、粒物質(zhì)（PCM）。中心粒由9組3聯(lián)微管構(gòu)成，具有召集PCM的作用。MTOC處微管蛋白以環(huán)狀的球蛋白復(fù)合體為模板核化、先組裝出（-）極，然后開始生長。提純的微管，在微酸性環(huán)境，適宜的溫度，存在GTP、Mg2+和去除Ca2+的條件下能自發(fā)的組裝成11條原纖維的微管。The Orientation of Microtubules in a Cell 五、微管的功能1、支架作用2、細(xì)胞內(nèi)運(yùn)輸是胞內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸?shù)穆奋?。涉及兩大類馬達(dá)蛋白：驅(qū)動(dòng)蛋白kinesin，動(dòng)力蛋白dyenin，均需ATP供能。Kinesin發(fā)現(xiàn)于1985年，是由兩條輕鏈和兩條重鏈構(gòu)成的四聚體 ，能向著微管（+）極運(yùn)輸小泡 。Kines

12、in walk along microtubule towards plus endDynein發(fā)現(xiàn)于1963年，因與鞭毛和纖毛的運(yùn)動(dòng)有關(guān)而得名。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。作用：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。 3、形成紡錘體 在細(xì)胞分裂中牽引染色體到達(dá)分裂極。纖毛與鞭毛是相似的兩種細(xì)胞外長物，前者較短。結(jié)構(gòu)：由基體和鞭桿兩部分構(gòu)成。鞭毛中的微管為9+2結(jié)構(gòu)。二聯(lián)微管A管由13條原纖維組成，B管由10條原纖維組成。A管向相鄰B管伸出兩條動(dòng)力蛋白臂，并向鞭毛中央發(fā)出一條輻。基體的微管組成為9+0。鞭毛運(yùn)動(dòng)原理：動(dòng)力蛋白臂的dyn

13、ein水解ATP作功，使相鄰的二聯(lián)微管相互滑動(dòng)。第三節(jié) 中間纖維intermediate filaments，IF直徑10nm左右，介于微絲和微管之間，故名。IF是最穩(wěn)定的細(xì)胞骨架成分，主要起支撐作用。IF在細(xì)胞中圍繞著細(xì)胞核分布，成束成網(wǎng)，并擴(kuò)展到細(xì)胞質(zhì)膜，與質(zhì)膜相連結(jié)。Keratin filaments of epithelial cells are tightly anchored to the plasmamembranes at desmosmes and hemidesmosomes分為5類：角蛋白、結(jié)蛋白、膠質(zhì)原纖維酸性蛋白、波形纖維蛋白、神經(jīng)纖絲蛋白。具有組織特異性，不同類型細(xì)

14、胞含有不同IF。通常一種細(xì)胞含有一種中間纖維，少數(shù)含有2種以上。腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移后仍保留源細(xì)胞的IF。一、類 型（一）角蛋白keratin為表皮細(xì)胞特有，具有和兩類，角蛋白存在于細(xì)胞中，角蛋白形成頭發(fā)、指甲等堅(jiān)韌結(jié)構(gòu)。分為：酸性角蛋白（I型）、中性或堿性角蛋白（II型）。組裝時(shí)首先由I型和II型組成異二聚體，再形成中間纖維。（二）結(jié)蛋白desmin又稱骨骼蛋白skeletin，存在于肌肉細(xì)胞中，主要功能是使肌纖維連在一起。（三）、膠質(zhì)原纖維酸性蛋白glial fibrillary acidic protein存在于星形神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞和許旺細(xì)胞。起支撐作用。（四）、波形纖維蛋白vimentin存在于間充質(zhì)細(xì)胞及中胚層來源的細(xì)胞中。（五）、神經(jīng)纖絲蛋白neurofilament protein是由三種分子量不同的多肽組成的異聚體，功能是提供彈性使神經(jīng)纖維易于伸展和防止斷裂。二、結(jié)構(gòu)與裝配（一）結(jié)構(gòu)由螺旋化桿狀區(qū)，以及兩端非螺旋化的球形頭（N端）尾（C端）部構(gòu)成。桿狀區(qū)高度保守，由螺旋1和螺旋2構(gòu)成，每個(gè)螺旋區(qū)還分為A、B兩個(gè)亞區(qū)。intemediate filaments，IF（二）