細(xì)胞生物學(xué) (2)ppt課件

1、張岸平 教授細(xì)胞生物學(xué)Medicai molecular biologyTHE CYTOSKELETON 細(xì)胞骨架與細(xì)胞運(yùn)動(dòng) Cytoskeleton and sports狹義：細(xì)胞質(zhì)骨架，包括微管、微絲 和中間纖維。廣義：細(xì)胞核骨架、細(xì)胞質(zhì)骨架、細(xì) 胞膜骨架和細(xì)胞外基質(zhì)。細(xì)胞骨架cytoskeleton： 蛋白纖維交錯(cuò)而成的立體網(wǎng)架構(gòu)造。 1.微 管3.微 絲2.中間纖維一、細(xì)胞骨架是以蛋白纖維為主要成分的 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造內(nèi)質(zhì)網(wǎng)核糖體線粒體第一節(jié) 細(xì)胞骨架cytoskeleton概述 細(xì)胞質(zhì)骨架均由單體蛋白以較弱的非共價(jià)鍵結(jié)合在一同，構(gòu)成纖維型多聚體。The three types of prot

2、ein 二、細(xì)胞骨架在細(xì)胞的形狀維持、運(yùn)動(dòng)和 信息傳送中具有重要作用例如：微絲確定細(xì)胞外表特征，使細(xì)胞可以運(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。第二節(jié) 微管 Microtubule, MT微管是Slautlerback和Porter于1963年初次在動(dòng)物和植物細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)并命名的在胞質(zhì)中構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造，作為運(yùn)輸路軌并起支撐作用。A fluorescently stained image of cultured epithelial cells showing the nucleus (yellow) and microtubules (red)

3、一微管是由微管蛋白組成的中空小管微管是由13條原纖維構(gòu)成的中空管狀構(gòu)造，直徑2225nm。每一條原纖維由微管蛋白二聚體線性陳列而成微管蛋白二聚體由構(gòu)造類似的和球蛋白構(gòu)成。微管蛋白：球形、酸性、450個(gè)左右的氨基酸、結(jié)合位點(diǎn)1.微管的形狀構(gòu)造與分子組成球蛋白結(jié)合的GTP從不發(fā)生水解或交換。球蛋白也是一種 G蛋白，結(jié)合的GTP可發(fā)生水解，結(jié)合的GDP可交換為GTP。秋水仙素長(zhǎng)春花堿-微管蛋白 - TuRC以25S復(fù)合物方式存在于微管組織中心作用：促進(jìn)微管中心的構(gòu)成，使微管的 負(fù)端穩(wěn)定 -微管蛋白環(huán)狀復(fù)合物上的附屬蛋白(P75、P109、P133和P195) ABC三聯(lián)管 AB二聯(lián)管12345678

4、910111213單管2.微管的存在方式1.微管結(jié)合蛋白種類和特點(diǎn) MAP分子至少包含一個(gè)堿性微管結(jié)合區(qū)和一個(gè)向外突出的酸性構(gòu)造域。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。微管結(jié)合蛋白：MAP-1；MAP-2；Tau和MAP-4。二微管結(jié)合蛋白 microtubule associated proteins MAPs2.微管結(jié)合蛋白的功能促進(jìn)微管組裝；添加微管穩(wěn)定性和強(qiáng)度；在細(xì)胞內(nèi)沿微管轉(zhuǎn)運(yùn)囊泡和顆粒；作為細(xì)胞外信號(hào)的靶位點(diǎn)。微管具有極性，(+)極生長(zhǎng)速度快，(-)極生長(zhǎng)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。微管構(gòu)成的有些

5、構(gòu)造是比較穩(wěn)定，是由于微管結(jié)合蛋白的作用和酶修飾的緣由。如軸突、纖毛、鞭毛。二、微管的自我裝配是一種高度有序的生命活動(dòng)過程一微管的自我裝配 三個(gè)時(shí)期： 延遲期成熟期 聚合期 穩(wěn)定期 原纖維二聚體聚合微管13 1.微管的體外組裝1972年Weisenberg初次在小鼠腦組織中分別出微管蛋白 +- 踏 車 2.微管的體內(nèi)組裝The Orientation of Microtubules in a Cell 微管組織中心 MTOCs ，microtubule organizing center是微管進(jìn)展組裝的區(qū)域， MTOC可以包埋微管的負(fù)端暴露微管的正端，如：中心體、動(dòng)粒、鞭毛和纖毛的基體等。中心

6、體由兩個(gè)相互垂直的中心粒和周圍是一些無定形物質(zhì)，叫做中心粒外周物質(zhì)PCM所構(gòu)成。中心粒由9組3聯(lián)微管構(gòu)成，具有召集PCM的作用。都具有微管球蛋白 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，然后開場(chǎng)生長(zhǎng)。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。(二)很多要素影響微管組裝與解聚 大多數(shù)微管處于動(dòng)態(tài)組裝和去組裝形狀如 紡錘體。 GTP和微管蛋白濃度、適宜的T和PH、Ca+離子 濃度、Mg2+離子等。 秋水仙素、長(zhǎng)春花堿抑制微管裝配。 紫杉酚(醇)能促進(jìn)微管的裝配, 并使已構(gòu)成 的微管穩(wěn)定。The func

7、tion of GTP-tubulin capGTP hydrolysis is not required for microtubule assembly，WHY？三、微管組裝的動(dòng)態(tài)調(diào)理模型 Microtubule disassemble when GDP-tubulin are exposed 微管組裝的非穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)模型 體外實(shí)驗(yàn): 微管蛋白二聚體結(jié)合2分子GTP，一個(gè)GTP分子結(jié)合在-微管蛋白的N位點(diǎn)，它不被水解，與微管蛋白的構(gòu)造有關(guān)；另一個(gè)GTP分子結(jié)合在-微管蛋白的E位點(diǎn)，它可被水解，還可以在GDP與GTP間置換。結(jié)合GTP的微管蛋白對(duì)微管末端的親和性大，易聚合。 NGTP它不被水解

8、，能夠與微管蛋白的構(gòu)造有關(guān)。EGTPGDP+PiGTP GDP置換結(jié)合GTP的微管蛋白對(duì)微管的親合性大，易聚合。 GTP帽。四、微管的功能一網(wǎng)狀支架并維持細(xì)胞的形狀A(yù) fluorescently stained image of cultured epithelial cells showing the nucleus (yellow) and microtubules (red)二參與細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)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 ，分子量380KD,能向

9、著微管+極運(yùn)輸小泡 。Kinesin 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。由兩條一樣的重鏈和一些種類繁多的輕鏈以及結(jié)合蛋白構(gòu)成10萬。作用：1.在細(xì)胞分裂中推進(jìn)染色體的分別、2.驅(qū)動(dòng)鞭毛的運(yùn)動(dòng)，3.向著微管的-極運(yùn)輸小泡。 三微管維持細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞器的定位和分布驅(qū)動(dòng)蛋白與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜-向周邊牽拉動(dòng)力蛋白與Golgi.C -向近核區(qū)牽拉構(gòu)成紡錘體 在細(xì)胞分裂中牽引染色體到達(dá)分裂極。四微管與細(xì)胞運(yùn)動(dòng)關(guān)系親密纖毛與鞭毛是類似的兩種細(xì)胞外長(zhǎng)物。由基體和鞭桿兩部分構(gòu)成?；w中的微管為9+0構(gòu)造鞭毛中的微管為9

10、+2構(gòu)造。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。鞭毛和纖毛的運(yùn)動(dòng)原理：動(dòng)力蛋白臂的dynein水解ATP作功，使相鄰的二聯(lián)微管相互滑動(dòng)P203。第三節(jié) 微絲 microfilament , MF又稱肌動(dòng)蛋白纖維actin filament，是由一條線性陳列的肌動(dòng)蛋白鏈構(gòu)成的螺旋 ，外形如雙線捻成的繩子，直徑約7nm 。結(jié)合槽一、微絲的分子構(gòu)造microfilament，MF肌動(dòng)蛋白單體和多聚體G-肌動(dòng)蛋白F-肌動(dòng)蛋白負(fù)端正端ADPATPPiATPADP2個(gè)構(gòu)造域，每個(gè)構(gòu)造域 有兩個(gè)部分簡(jiǎn)化 G-肌動(dòng)蛋白:一條多肽鏈

11、，375AA,43KD、3個(gè)結(jié)合位點(diǎn)肌動(dòng)蛋白兩種存在方式G-actinF-actin球形單體分子纖維狀 ATP、 Ca2+ 低 Na+、K+ ATP、 Mg2+ 高 Na+、K+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。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。 二、微絲在多種要素調(diào)理下的裝配(一)微絲的組裝過程：成核、生長(zhǎng)、平衡。條件：ATP、適宜的溫度、存在K+和Mg2+離子。過程：2

12、-3個(gè)actin聚集成一個(gè)中心核化；ATP-actin分子向中心兩端加合。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。球形單體分子三聚體+- 溶液中ATP-肌動(dòng)蛋白的濃度處于臨界濃度時(shí)，ATP-肌動(dòng)蛋白在(+)端添加，而從(-)端分別，表現(xiàn)出 “踏車景象。 細(xì)胞中大多數(shù)微絲構(gòu)造處于動(dòng)態(tài)的組裝和去組裝過程中，并經(jīng)過這種方式實(shí)現(xiàn)其功能。Treadmilling二多種要素影響微絲的組裝ATP、適宜的T、存在K+和Mg2+離子、 G-actin濃度細(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

13、能。鬼筆環(huán)肽phalloidin與微絲可以特異性的結(jié)合，使微絲纖維穩(wěn)定而抑制其功能。熒光標(biāo)志的鬼筆環(huán)肽可特異性的顯示微絲。 +-三兩種模型闡明微絲組裝的動(dòng)態(tài)調(diào)理機(jī)制 1.溶液中ATP-肌動(dòng)蛋白的濃度處于臨界濃度時(shí)，ATP-肌動(dòng)蛋白在(+)端添加，而從(-)端分別，表現(xiàn)出 “踏車景象； 2.非穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)構(gòu)造模型。Treadmilling三、微絲結(jié)合蛋白知的的微絲結(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，開場(chǎng)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，profili

14、n 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 .核化蛋白單體聚合蛋白微絲解聚蛋白1核化蛋白(Arp)：使游離actin核化，開場(chǎng)組裝，4單體聚合蛋白(profilin)：將結(jié)合的單體安裝到纖維，5微絲解聚蛋白(cofilin )：使微絲去組裝，纖維切斷蛋白交聯(lián)蛋白四、微絲的功能一微絲構(gòu)成細(xì)胞的支架并維持細(xì)胞形狀 細(xì)胞皮層cell cortex。 構(gòu)成應(yīng)力纖維stress fiber構(gòu)成微絨毛microvilli帶狀橋粒blet desmosome培育的上皮細(xì)胞中的應(yīng)力纖維微絲紅色、微管綠

15、色 二微絲參與細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)。 三微絲參與胞質(zhì)分裂；四微絲參與受精作用頂體反響；五微絲參與細(xì)胞內(nèi)信息傳送；(六)、微絲參與肌肉收縮肌肉由肌原纖維組成，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。肌肉收縮的根本單位是肌小節(jié)sarcomere。肌小節(jié)是相鄰兩Z線間的單位。主要構(gòu)造有： A帶暗帶、H區(qū)：、I帶明帶、Z線。肌小節(jié)sarcomere是相鄰兩Z線間的單位。A帶暗帶：為粗肌絲所在。H區(qū)：A帶中央色淺部份，此處只需粗肌絲。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 。肌球蛋白myosin屬于馬達(dá)蛋白，趨向微絲的+極。知1

16、5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 II structureTwo heavy chains, two essential light chains, and two regulatory light chainsHeavy chain has head domain, neck region, and tail domain輕鏈ATP ADP磷酸化PP肌動(dòng)蛋白結(jié)合位點(diǎn)自動(dòng)聚合重鏈兩個(gè)重鏈：超螺旋尾部和 兩個(gè)頭部的二聚體雙極粗絲ATPase和肌動(dòng)蛋白結(jié)合位點(diǎn)四個(gè)輕鏈：一是使重

17、鏈頭部發(fā)生構(gòu)象變化，二是使重鏈尾部變直，利于雙極絲的構(gòu)成。肌球蛋白：Myosin V構(gòu)造類似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型參與構(gòu)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) 。1.原肌球蛋白tropomyosin.Tm每個(gè)Tm的長(zhǎng)度相當(dāng)于7個(gè)肌動(dòng)蛋白，呈長(zhǎng)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。2.肌動(dòng)蛋白actin細(xì)肌絲：Tropomyosin, actin and troponin3.肌鈣蛋白troponi

18、n,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)理肌肉收縮。 4.肌肉的收縮 肌球蛋白結(jié)合ATP，引起頭部與肌動(dòng)蛋白纖維分別；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線挪動(dòng)；ADP釋放ATP結(jié)合上去，頭部與肌動(dòng)蛋白纖維分別。如此循環(huán) 第四節(jié) 中間纖維intermediate filaments，IF中間纖維是20世紀(jì)60年代中期在哺乳動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)直徑10nm左右的纖維，直徑介于微絲和微管之間，

19、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不同類型細(xì)胞中分為五類或六類：1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，角蛋白構(gòu)成頭發(fā)、指甲等堅(jiān)韌構(gòu)造。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，再構(gòu)成中間纖維。一、中間纖維蛋白的類型2結(jié)蛋白desmin 又稱骨骼蛋白skeletin，存在于肌肉細(xì)胞肌 肉Z盤中，主要功能是使肌纖維連在一同。3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。4膠質(zhì)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5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。根據(jù)中間纖維蛋白氨基酸序列的同源性，又提出了新的分類，分為6類：(表8-1，P107)具有組織特異性，不