醫(yī)學(xué)細胞生物學(xué) 第08章 細胞骨架課件

1、 第八章 細胞骨架Chapter 8 cytoskeleton廣東醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)學(xué)院生物教研室張華華細胞骨架（cytoskeleton）:是真核細胞中由蛋白纖維交織而成的立體網(wǎng)架體系。 1.狹義：指細胞質(zhì)骨架，由微管、微絲和中間纖維組成。 2.廣義：包括細胞質(zhì)骨架、細胞核骨架、細胞膜骨架和細胞外基質(zhì)。細胞骨架(Cytoskeleton) 是指真核細胞細胞質(zhì)內(nèi)的蛋白質(zhì)纖維網(wǎng)架體系。由微絲、微管、中間纖維三類骨架成分組成。對于細胞的形態(tài)、細胞的運動、細胞的分裂、細胞的信息傳遞等起著重要的作用。 微 管microtubule微 絲microfilament 中間絲intermediate filamen

2、t outline微管(microtubule，MT) 微絲（microfilament，MF）中間纖維(intermediate filament，IF)route： a、結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成 b、組裝和極性 c、功能真核細胞中普遍存在，主要存在于細胞質(zhì)中，由核向四周呈放射狀排布。由微管蛋白和微管結(jié)合蛋白形成的中空管狀結(jié)構(gòu)，直徑2426nm，內(nèi)徑15nm，壁厚5nm。 Microtubules Microtubule aligned end to end原纖維（protofilament）微管（microtubule）a 結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成微管蛋白（ tubulin）微管蛋白（ tubulin）異二聚

3、體（Heterodimer）polymerized微管構(gòu)成片層（sheet）Microtubule 細胞內(nèi)微管的存在形式a 結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成單管（Singlet）二聯(lián)管（Doublet）三聯(lián)管（Triplet ）Microtubule （Microtubule-associated protein，MAP） 微管結(jié)合蛋白MAP的主要功能是：促進微管聚集成束；增加微管穩(wěn)定性或強度；促進微管組裝 連接其他蛋白纖維Microtubule Assembly in vitro 踏車現(xiàn)象：在一定條件下，微管正端發(fā)生裝配使微管伸長，而在負端發(fā)生解聚使微管縮短，表現(xiàn)出明顯的極性裝配。當微管兩極的聚合和解聚達到平

4、衡時，微管的長度相對恒定。實際上是一種微管的組裝與去組裝動態(tài)穩(wěn)定現(xiàn)象。 The best-studied MTOC: 中心體Microtubule -微管蛋白環(huán)形復(fù)合體 (The -Tubulin Ring Complex) 促使微管蛋白二聚體亞基聚合成核。 b 微管組裝和極性微管的體內(nèi)組裝（Microtubule Assembly in vivo）微管組裝從微管組織中心（microtubule-organizing centers, MTOCs）開始。The role of -tubulin in microtubule assemblyMicrotubule -微管蛋白環(huán)形復(fù)合體 (The

5、 -Tubulin Ring Complex) 促使微管蛋白二聚體亞基聚合成核。 b 微管組裝和極性微管的體內(nèi)組裝（Microtubule Assembly in vivo）微管組裝從微管組織中心（microtubule-organizing centers, MTOCs）開始。微管蛋白二聚體在遠離MTOC的微管正端加入,使微管生長。Microtubule 微管的動態(tài)不穩(wěn)定性(Dynamic instability of microtubules) b 微管組裝和極性Microtubule 影響微管體組裝與組裝的因素藥物: 紫杉醇(taxol), 秋水仙素(colchicine)和 長春花堿(

6、 vincristine)b 微管組裝和極性秋水仙素(colchicine) 阻斷微管蛋白組裝成微管，可破壞紡錘體結(jié)構(gòu)。 長春花堿（vinblastine）也能抑制微管的裝配。 紫杉醇(taxol) 能促進微管的裝配,并使已形成的微管穩(wěn)定。Microtubule c 微管的功能支持和維持細胞的形態(tài) 具有一定的強度，能夠抗壓和抗彎曲，為細胞提供了機械支持力Microtubule c 微管的功能細胞內(nèi)物質(zhì)運輸微管可以作為運輸小泡等的定向運輸?shù)能壍?。利用馬達蛋白作為運輸工具完成。馬達蛋白：一類介導(dǎo)細胞內(nèi)物質(zhì)沿細胞骨架運輸?shù)牡鞍踪|(zhì)。Microtubule c 微管的功能細胞內(nèi)物質(zhì)運輸以微管為軌道的馬達

7、蛋白驅(qū)動蛋白Kinesin動力蛋白Dynein向“”運輸向“”運輸Microtubule c 微管的功能細胞器的定位與分布微管及其相關(guān)馬達蛋白在細胞內(nèi)的膜性細胞器的空間定位上有重要作用。Microtubule c 微管的功能支持細胞運動 Microtubule c 微管的功能參與細胞分裂Microtubule c 微管的功能細胞內(nèi)信號傳導(dǎo) 微管廣泛分布于胞質(zhì)中，具有足夠的空間進行信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。信號分子可直接與微管作用，或通過馬達蛋白、或通過一些支架蛋白與微管作用Section II Microfilament 成束、成網(wǎng)或纖維狀分散分布。由肌動蛋白形成的實心纖維細絲，直徑約5-8nm。較多位于細胞

8、膜面下，參與多種功能。Microfilaments Microfilament a 結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成微絲是由G-肌動蛋白亞基形成的多聚體G-actin subunitsMicrofilament (Fibrillar actin)assemble head to tailMicrofilament 微絲結(jié)合蛋白(Microfilament associate proteins) play important role in microfilament assembly and function. a 結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成單體隔離蛋白去聚合蛋白膜結(jié)合蛋白末端阻斷蛋白 纖維切割蛋白交聯(lián)蛋白微絲結(jié)合蛋白類型

9、a 結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成Microfilament 肌球蛋白(Myosin): 微絲的分子馬達微絲結(jié)合蛋白(Microfilament associate proteins) 微絲是由G-肌動蛋白亞基形成的多聚體a結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成Microfilament a結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成Microfilament 微絲的體外組裝 b 組裝和極性成核期 限速過程生長期 肌動蛋白在核心兩端聚合,正端快，負端慢平衡期 聚合速度與解離速度達到平衡踏車模型（treadmilling model）ATP是調(diào)節(jié)的主要因素ATP-肌動蛋白 對微絲末端親和性高ADP-肌動蛋白 對微絲末端親和性低ATP-肌動蛋白濃度與聚合速度成正比M

10、icrofilament b 組裝和極性微絲的任何一端都可以以添加肌動蛋白單體的方式增長，不過由于極性，兩端的速度不同，速度快的一端為正端，速度慢的一端為負端，表現(xiàn)為踏車現(xiàn)象。當?shù)竭_平衡期，肌動蛋白分子添加到肌動蛋白絲上的速度正好等于肌動蛋白分子從肌動蛋白上失去的速度，微絲的凈長度沒有改變，這種過程稱為微絲的踏車行為。Microfilament b 組裝和極性Microfilament b 組裝和極性Microfilament b 組裝和極性(2) 鬼筆環(huán)肽(phalloidin)(1) 細胞松弛素(cytochalasins)與微絲具有強烈的親合作用, 可緊密地結(jié)合在微絲上，因而能抑制微絲的

11、解聚從而穩(wěn)定微絲。 微絲特異性藥物通過切斷微絲并結(jié)合在微絲的正端, 抑制其組裝，從而導(dǎo)致微絲解聚。Microfilament C 微絲的功能（Functions of microfilament）構(gòu)成細胞支架，維持細胞形態(tài)應(yīng)力纖維（stress fiber）是真核細胞中廣泛存在的由微絲束構(gòu)成的較為穩(wěn)定的纖維狀結(jié)構(gòu)，位于細胞內(nèi)緊鄰質(zhì)膜下方?？梢跃S持細胞的扁平鋪展和特異形狀并賦予細胞韌性和強度。培養(yǎng)上皮細胞中的應(yīng)力纖維（微絲紅色、微管綠色） 構(gòu)成細胞支架，維持細胞形態(tài)Microfilament C 微絲的功能（Functions of microfilament）Microfilament C 微

12、絲的功能（Functions of microfilament）參與細胞運動細胞依賴于肌動蛋白和微絲結(jié)合蛋白的相互作用進行移動。富含肌動蛋白的皮層為細胞變形運動提供動力微絲組裝延長推動質(zhì)膜前移；肌球蛋白牽引微絲與其發(fā)生相互滑動，進而產(chǎn)生胞質(zhì)流動的動力變形運動嗜中性粒細胞的趨向性點接觸(粘著斑)收縮環(huán)的模式圖解胞質(zhì)分裂通過收縮環(huán)的收縮來完成。A肌動蛋白與肌球蛋白分子的相互作用使微絲之間發(fā)生相對滑動，使收縮環(huán)收縮B收縮環(huán)借助于-輔肌動蛋白等與其外的質(zhì)膜相連，故其逐漸收縮，可形成分裂溝, 使細胞一分為二Microfilaments 參與細胞質(zhì)分裂微絲的功能Microfilaments 參與肌肉收縮微

13、絲的功能橫紋肌各級結(jié)構(gòu)示意圖肌原纖維肌纖維肌纖維束肌膜肌節(jié)肌肉核暗帶明帶明帶暗帶腱腱骨Z線M線Z線M線H帶H帶Muscle Motility與肌肉收縮有關(guān)的蛋白(1) 粗肌絲肌球蛋白(myosin)：占肌細胞總蛋白的50%肌球蛋白的電鏡圖象和分子結(jié)構(gòu)(a) 肌球蛋白的電鏡圖象：肌球蛋白分子可分為球形頭部和桿狀尾部兩部分; (b) 肌球蛋白分子含有2條重鏈和4條輕鏈 。2條重鏈的疏水性C-端為-螺旋結(jié)構(gòu), 相互纏繞，形成桿狀尾部; N-端則形成球形頭部。450kDa具有ATPase活性每條粗肌絲：約由4000個肌球蛋白分子規(guī)則排列而成粗肌絲的電鏡圖象及其模式圖解(a) 從扇貝肌肉中分離出的粗肌絲

14、的電鏡圖象; (b)在粗肌絲中， 肌球蛋白分子以其尾部相互聚集在一起，其頭部向四周伸出H帶M線(M線蛋白)(2) 細肌絲肌動蛋白(actin)：47kDaG-肌動蛋白(globular actin)缺乏離子中性鹽溶液F-肌動蛋白(fibrous actin)細肌絲的電鏡圖象及其模式圖解(a) 肌動蛋白絲的負染色電鏡圖象; (b) 由肌動蛋白單體形成了緊密纏繞的螺旋狀結(jié)構(gòu)細肌絲中原肌球蛋白(Tm)、肌鈣蛋白（Tn)與肌動蛋白的相互關(guān)系I, 抑制亞基; C, 鈣結(jié)合亞基; T, 原肌球蛋白結(jié)合亞基由2條平行多肽鏈形成的-螺旋結(jié)構(gòu)，長約40nm7個G-actin：1個肌鈣蛋白和1個原肌球蛋白細肌絲上

15、也有一些肌動蛋白結(jié)合蛋白：結(jié)合：肌動蛋白和肌球蛋白頭部緊密結(jié)合釋放：結(jié)合ATP后, 與肌動蛋白的親合力降低, 從肌動蛋白絲上脫落下來; 直立：ATP水解成ADP和Pi, 仍然結(jié)合在肌球蛋白頭部; 產(chǎn)力：肌球蛋白頭部釋放出Pi, 再與肌動絲緊密結(jié)合;肌球蛋白頭部發(fā)生劇烈的構(gòu)象變化, 產(chǎn)生“機械力”再結(jié)合：肌球蛋白頭部釋放出ADP , 使它又回復(fù)到下一次新循環(huán)的起點。肌球蛋白分子利用ATP從細肌絲“-”端向“+”端的移動機制圖解Section III Intermediate FilamentIntermediate Filaments 結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜，一種堅韌、穩(wěn)定的蛋白質(zhì)纖維。由中間纖維蛋白形成的中空纖維狀結(jié)構(gòu)，直徑約10nm。單根或成束分布在細胞質(zhì)中，形成纖維網(wǎng)絡(luò)。a 結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成Intermediate Filament 基本結(jié)構(gòu)單位：中間纖維蛋白單體，六種類型Monomer（單體）Dimer（二聚體）Tetramer（四聚體）IFb 組裝原纖維Intermediate Filament c中間絲的功能形成完整的網(wǎng)狀骨架,為細胞提供機械支持細胞內(nèi)物質(zhì)運輸及信號傳遞參與細胞分化有有有結(jié)合蛋白8根原纖維組成的非空心多級螺旋結(jié)構(gòu)，直徑10nm原纖維組成的螺旋結(jié)構(gòu)，直徑58nm13根原纖維組成的空心管狀結(jié)構(gòu)，直徑2425nm結(jié) 構(gòu)6類