大二-5 .細胞骨架2013-1st for學生

細胞骨架

cytoskeleton首都醫(yī)科大學細胞生物學系常娜

1概述細胞骨架(Cytoskeleton)的概念

是指真核細胞中由蛋白纖維構成的，與保持細胞形態(tài)結構和細胞運動相關的網(wǎng)架結構體系。細胞骨架的功能維持細胞形態(tài)；保持細胞內(nèi)結構的有序性；與細胞運動、物質(zhì)運輸、能量轉換、信息傳遞、細胞分裂、基因表達、細胞分化等生命活動密切相關。2概述細胞骨架1.細胞質(zhì)骨架核骨架-核纖層與中等纖維在結構上相互連接，貫穿于細胞核和細胞質(zhì)的網(wǎng)架體系。在細胞核中存在核骨架-核纖層體系。在細胞質(zhì)基質(zhì)中，由微管、微絲和中間纖維組成。2.核骨架3概述真核細胞中的蛋白纖維網(wǎng)架體系4概述細胞骨架常用的研究方法電鏡技術；免疫熒光顯微技術及激光共聚焦技(confocal)；體外組裝技術及特異性藥物的發(fā)現(xiàn)；綠色熒光蛋白（GFP）的應用；分子生物學相關技術：從形態(tài)到結構、功能、調(diào)節(jié)的研究。5微絲1微絲P1541微管2中間纖維3細胞骨架與疾病46微絲1.1概念微絲：microfilament，MF又稱肌動蛋白絲（actinfilament,

AF）,指真核細胞中由肌動蛋白組成的直徑約7nm的骨架纖維。7微絲1.2分子組成肌動蛋白（actin）肌動蛋白單體串聯(lián)成一條肌動蛋白鏈，兩條肌動蛋白鏈相互纏繞形成微絲8微絲肌動蛋白單體是一種具有ATP結合位點的球形蛋白質(zhì)9微絲G-actinF-actin游離狀態(tài)—球狀肌動蛋白（Globularactin,G-actin)

微絲中—纖維狀肌動蛋白（Filamentousactin,F-actin)肌動蛋白存在方式:10微絲1.3微絲的組裝（P157）微絲是由G-actin單體構成的螺旋狀纖維，肌動蛋白單體具有極性，裝配時頭尾相接,故微絲也具有極性，結合ATP的一端為負極，另一端為正極。在裝配過程中，正極裝配較負極快5～10倍。11微絲1.3微絲的組裝（P157）12微絲1.3.1微絲的體外組裝一定的鹽濃度（主要是Mg2+），一定的G-actin濃度，ATP，pH>7.0。1.3.1.1條件G-actinF-actinMg2+、高Na+、高K+Ca2+、低Na+、低K+13微絲1.3.1.2過程14微絲

生長期(Growthphase)

–

正端快，為負端的10倍。成核期(Nucleationphase)

–

限速過程，又稱延遲期。二聚體（不穩(wěn)定）三聚體（核心形成）平衡期(Equilibriumphase)

–聚合速度=解聚速度。1.3.1.2過程15微絲1.3.1.2過程ATP帽16微絲1.3.1.3踏車現(xiàn)象（treadmilling）由G-actin單體的臨界濃度決定正極的肌動蛋白聚合速率等于負極的解聚速率17微絲微絲組裝的動態(tài)不穩(wěn)定性182.G-actin單體聚合成F-actin，F(xiàn)-actin組成肌動蛋白微絲。3.正極與負極都能生長，正極生長速度快，負極生長速度慢。微絲1.條件：一定的鹽濃度(主要是Mg2+)，一定的G-actin濃度，ATP，pH>7.0。1.3.1微絲的體外組裝4.具有動態(tài)不穩(wěn)定性，并在某一時刻表現(xiàn)為

踏車現(xiàn)象。19微絲1.3.2微絲的體內(nèi)組裝2.動態(tài)不穩(wěn)定性與細胞功能相適應1.組裝受到微絲結合蛋白的影響20微絲動物細胞中主要的微絲結合蛋白及功能21微絲動物細胞中主要的微絲結合蛋白及功能

類型

功能調(diào)節(jié)蛋白1.原肌球蛋白與肌動蛋白相連，調(diào)節(jié)肌動蛋白與肌球蛋白的結合。2.鈣調(diào)蛋白與Ca2+結合，活化肌球蛋白輕鏈激酶連接蛋白1.α-輔肌動蛋白參與微絲與質(zhì)膜的結合2.紐帶蛋白肌動蛋白纖維端點與細胞膜之間結合的中介交聯(lián)蛋白1.毛緣蛋白使纖維狀多聚體肌動蛋白平行連接成束2.細絲蛋白與F-actin結合，使之形成三維網(wǎng)狀結構3.

血影蛋白與錨蛋白結合，并與肌動蛋白交聯(lián)4.錨定蛋白血影蛋白與膜上的帶III蛋白相連的中介間隔蛋白抑制蛋白結合于G-actin單體，可逆性抑制微絲聚合切斷和封端蛋白1.凝溶膠蛋白和絨毛蛋白低Ca2+促進微絲裝配成核心，高Ca2+將微絲切成片段2.封端蛋白結合于微絲(+)端，阻止G-actin加上或脫落22微絲23微絲成核蛋白（nucleatingprotein）Arp2/3復合物：促使形成微絲網(wǎng)絡結構，由Arp2、Arp3和其他5種附屬蛋白組成，是微絲組裝的起始復合物。微絲微絲成核蛋白參與微絲的聚合24微絲25微絲成核蛋白(nucleatingprotein)成核蛋白(formin)：啟動細胞內(nèi)不分支微絲的形成，共有15種；共同特征:都含有FH1和FH2同源結構域當新成核的微絲纖維生長時，formin二聚體保持結合在快速生長的正端，保護正極在延

伸過程中不受加帽蛋白的影響，并通過直接

與抑制蛋白（profilin）的結合提高延伸速度。微絲微絲成核蛋白參與微絲的聚合26cofilin/ADF蛋白家族增加肌動蛋白單體從纖維末端的解離速度；剪切肌動蛋白纖維，使之片段化。微絲微絲成核蛋白參與微絲的解聚27微絲微絲組裝的動態(tài)不穩(wěn)定性28微絲微絲的動態(tài)變化與細胞生理功能變化相適應29微絲30微絲特異性藥物1.細胞松弛素(cytochalasins)：可以結合在微絲正極,阻抑肌動蛋白聚合,導致微絲解聚。2.鬼筆環(huán)肽(philloidin)：只與F-actin結合以穩(wěn)定微絲防止微絲的解聚。31微絲細胞松弛素導致微絲解聚造成微絨毛形成茬狀物，細胞整體形態(tài)樹枝狀化30seconds5minutes32微絲鬼筆環(huán)肽(phalloidin) 與微絲側面結合，防止微絲解聚。33微絲1.4微絲的生物學功能3.細胞運動4.參與細胞分裂2.維持細胞形態(tài)1.肌肉收縮5.參與物質(zhì)運輸34微絲1.4.1

肌肉收縮肌肉細胞利用肌動蛋白和肌球蛋白產(chǎn)生有力的單向運動。肌肉可以看作是一種特定的富含細胞骨架的高效能量轉換裝置?；瘜W能轉變?yōu)闄C械能35微絲肌束肌細胞肌原纖維肌絲

肌小節(jié)36微絲

肌小節(jié)結構示意圖

粗肌絲細肌絲37微絲粗肌絲肌球蛋白(myosin)形態(tài)：由輕鏈和重鏈組成。豆芽狀：兩個橢圓形的頭部，一根長桿狀的尾頭部：ATP酶活性位點,actin結合位點；尾部：由兩條鏈相互盤繞形成一個雙股 螺旋38微絲肌球蛋白(myosin)目前已知的唯一沿肌動蛋白進行運動的馬達蛋白

為細胞內(nèi)組分的運動提供動力，使它們能夠沿著肌動蛋白纖維和微管朝向兩極運動的一種蛋白質(zhì)。目前已鑒定的馬達蛋白多達數(shù)十種。根據(jù)其結合的骨架纖維以及運動方向和攜帶的轉運物不同而分為不同類型。馬達蛋白Motorproteins39微絲肌動蛋白actin原肌球蛋白tropomyosin肌鈣蛋白troponin細肌絲40微絲由神經(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41微絲ThecouplingofATPhydrolysistomovementofmyosinalonganactinfilament.42微絲Thesliding-filamentmodelofcontractioninstriatedmuscle.43微絲1.4.2

維持細胞形態(tài)細胞皮質(zhì)（cellcortex）細胞膜下由微絲和各種微絲結合蛋白交錯排列組成的網(wǎng)狀結構。具有很高的動態(tài)性，為細胞膜提供強度和韌度，維持細胞的形態(tài)。44微絲應力纖維(Stressfiber)

許多細胞中有一種由較穩(wěn)定的肌動蛋白纖維束組成的應力纖維，在細胞膜下沿長軸平行分布，質(zhì)膜上有附著點，對細胞起支撐作用。45微絲應力纖維(Stressfiber)Red-MFGreen-MT46微絲

微絨毛(microvilli)47微絲

微絨毛(microvilli)48微絲變形運動(amoiboidmotion)細胞移動(migration)細胞的吞噬運動(phagocytosis)精子與卵子細胞融合時的頂體運動血小板的變形運動細胞膜收縮環(huán)運動（參與細胞質(zhì)分裂）肌肉細胞的收縮1.4.3

參與細胞運動49微絲Cellotion50微絲細胞運動過程中力的產(chǎn)生假說一：通過微絲的裝配將質(zhì)膜向前推進51微絲細胞運動過程中力的產(chǎn)生假說二：通過微絲的裝配將質(zhì)膜向前推進52微絲精子與卵子融合時的頂體運動過程結構模式圖53微絲Plateletschangeshapeduringbloodclotting54微絲1.4.4

參與細胞分裂收縮環(huán)由大量反向平行排列的微絲組成，其收縮機制是肌動蛋白和肌球蛋白相對滑動。55微絲1.4.4

參與細胞分裂56微絲1.4.5參與物質(zhì)運輸和信息傳遞57微絲1.4.5參與物質(zhì)運輸和信息傳遞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)沿細胞皮質(zhì)的運動神經(jīng)細胞來源的囊泡可以沿微絲運動但動物細胞中微絲較短介導的運動的廣度較小58微絲參與信息傳遞細胞外的某些信號分子與細胞膜上的受體結合，可觸發(fā)膜下肌動蛋白的結構變化，從而啟動細胞內(nèi)激酶變化的信號轉導過程。主要參與Rho蛋白家族有關的信號轉導59微絲小結2.微絲的化學組成3.微絲的組裝1.微絲的定義4.微絲的生物學功能60微管2微絲1微管(P143)2中間纖維3細胞骨架與疾病461微管2.1概述微管：microtubule，MT由微管蛋白（tubulin）裝配而成呈中空的不分支的管狀結構，在不同的細胞中具有

相同的形態(tài)，呈網(wǎng)狀或束狀分布能與其它蛋白共同組裝成紡錘體、鞭毛和纖毛、中

心粒等結構微管為一種動態(tài)的結構，具有組裝和去組裝的

功能。62微管63微管2.2分子組成組成微管蛋白：微管結合蛋白有、、三種64微管2.3.1微管蛋白（Tubulin）微管蛋白由、、三種組成。

、-微管蛋白是微管的主要結構分子；-微管蛋白不是構成微管主要結構成分，但它是微管執(zhí)行功能必不可少的成分。65微管

、微管蛋白二者形成異二聚體。、微管蛋白

-tubulin

-tubulin細胞內(nèi)游離態(tài)微管蛋白的主要存在形式；微管組裝的基本結構單位。66微管結合位點GTP或GDP秋水仙素長春堿紫杉醇二價陽離子、微管蛋白不可交換位點（不會被水解）可交換位點（會被水解）67微管

位于微管組織中心，對微管形成及確定微管極性起重要作用。本身不參與微管的形成。微管蛋白68微管2.3.2微管結合蛋白(Microtubuleassociatedproteins,MAPs)定義：一類可與微管結合并與微管蛋白共同組成微管系統(tǒng)的蛋白。

主要功能：調(diào)節(jié)微管裝配；增加微管的穩(wěn)定性和強度；影響微管的結構和功能；在細胞內(nèi)沿微管轉運囊泡和顆粒；作為細胞外信號的靶位點參與信號轉導。69微管MAPs名稱存在部位功能各種MAP的活性主要通過蛋白激酶和磷酸酶控制MAP-1神經(jīng)細胞樹突、軸突在微管間形成橫橋，控制其延長MAP-2神經(jīng)細胞胞體、樹突在微管間形成橫橋，使其成束；磷酸化后可抑制裝配Tau神經(jīng)細胞軸突增加微管起始點，促進二聚體聚合MAP-4所有細胞穩(wěn)定微管70微管Tau蛋白與神經(jīng)退行性變微管結合蛋白與疾病71微管2.3微管的類型不穩(wěn)定：單管。管壁由13條原纖維包圍而成，長

短不一。微管外徑為25nm，內(nèi)徑為15nm。穩(wěn)定：二、三聯(lián)管。見于特化的細胞結構，如鞭毛、纖毛、中心粒、基體等。12345678910111213單管

AB二聯(lián)管

ABC三聯(lián)管72微管間期微管自核發(fā)出，向核四周伸展止于細胞質(zhì)膜；或延伸至細胞偽足。單管：不穩(wěn)定有絲分裂期形成紡錘絲，把染色體拉向兩極；細胞分裂后，紡錘絲消失。子細胞出現(xiàn)新組裝的微管。73微管二聯(lián)管、三聯(lián)管：穩(wěn)定74微管2.4微管的裝配-2.4.1微管的體外組裝-2.4.2微管的體內(nèi)組裝75微管2.4.1微管的體外組裝--成核期(nucleation):

延遲期(lagphase)--聚合期(polymerizationphase):

延長期(elongation)--穩(wěn)定期(steadystatephase)7677微管微管具有極性α和β微管蛋白（1mg/ml）+GTP+Mg2+適宜溫度：37oC條件：78微管12345678910111213單管

AB二聯(lián)管

微管蛋白微管蛋白異二聚體聚合首尾相連原纖維

ABC三聯(lián)管微管（13）12345678910111213微管橫斷面

79微管微管組裝的踏車現(xiàn)象因微管降解速度較快，在體外不易觀測到80微管非穩(wěn)態(tài)動力學模型dynamicinstabilitymodel1、指微管裝配生長與快速去裝配的一個交替變換的現(xiàn)象2、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GTP帽則解聚。81微管82微管83微管84微管延長:微管蛋白的濃度>臨界濃度微管縮短:微管蛋白的濃度<臨界濃度微管85微管2.4.2微管的體內(nèi)組裝2.有結合蛋白參與3.具有動態(tài)不穩(wěn)定性，并與細胞功能相適應1.沒有成核期，快速裝配。有微管組織中心86微管組織中心(microtubuleorganizingcenter,MTOC)微管概念：微管在生理狀態(tài)或實驗處理解聚后重新裝配

的啟動位置。

MTOC決定著微管的極性。87微管γ-TuRC88微管常見的MTOC

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(永久性結構)89微管常見的MTOC90中心體(動態(tài)微管)有絲分裂紡錘體極(動態(tài)微管)基體(永久性結構)微管91圓柱狀小體

0.16-0.26μm長度0.16-5.6

μm雙心體中心體(centrosome)神秘的細胞器微管92分裂中期的細胞有絲分裂紡錘體極的形成微管93中心體復制周期微管94基體(basalbody)位于鞭毛和纖毛根部的特殊結構微管95紫杉醇阻止微管蛋白的解離；秋水仙素阻止微管聚合；微管長春堿促進微管降解。均可作為化療藥物使用962.5微管功能微管1、維持細胞形態(tài)2、參與細胞內(nèi)物質(zhì)的運輸3、參與細胞器的運動

鞭毛(flagella)和纖毛(cilia)運動

紡錘體與染色體運動4、細胞器定位5、參與信號轉導97

微管圍繞細胞核向外呈放射狀分布，維持細胞的形態(tài)。例如：體外培養(yǎng)的神經(jīng)細胞，其軸突的伸長依賴于微管，用秋水仙素、低溫等方法處理細胞，微管解聚，細胞變圓。

維持細胞形態(tài)微管98微管99

細胞中的小泡和蛋白質(zhì)顆粒沿著MT提供的軌道，經(jīng)過長距離運輸?shù)竭_特定區(qū)域。--神經(jīng)元軸突運輸--色素顆粒的運輸細胞內(nèi)物質(zhì)的運輸微管100馬達蛋白Motorproteins共有幾十種，根據(jù)其結合的骨架纖維以及運動方向和攜帶的轉運物不同而分為不同類型。驅動蛋白(kinesin)：通常朝微管的正極方向運動動力蛋白(dynein)：朝微管的負極運動肌球蛋白(myosin)：唯一沿微絲運動的目前尚未發(fā)現(xiàn)沿中間纖維運動的馬達蛋白微管101微管驅動蛋白：介導沿微管的（-）極向（+）極的運輸動力蛋白：介導從微管的（+）極向（-）極的運輸102驅動蛋白微管103動力蛋白微管104微管胞質(zhì)動力蛋白與膜泡的附著105細胞中微管介導的物質(zhì)運輸微管106神經(jīng)元的軸突運輸Dyneins,

kinesins微管107神經(jīng)元軸突運輸?shù)念愋头N類速度成分快速轉運順梯度逆梯度50-400mm/天200mm/天膜性細胞器和物質(zhì)、線粒體、突觸小泡前溶酶體小泡、溶酶體酶、內(nèi)吞小泡慢速轉運慢成分b

慢成分a2-8mm/天0.2-1mm/天微絲(肌動蛋白和結合蛋白)、血影蛋白、包涵素、鈣調(diào)蛋白微管(管蛋白、MAPs、tau)、神經(jīng)纖維(三聯(lián)體蛋白質(zhì))、血影蛋白微管108色素顆粒的運輸微管109鞭毛與纖毛是伸出細胞表面并能運動的特化結構。鞭毛與纖毛在來源和結構上基本相同少而長的叫鞭毛flagella多而短的叫纖毛cilia鞭毛與纖毛的運動微管110微管纖毛的結構示意圖111纖毛與鞭毛的結構微管112微管滑動學說1.動力蛋白頭部與相鄰二聯(lián)體上B微管結合，促進ATP(水解)

ADP+Pi(釋放)，同時動力蛋白頭部構象變化角度改變，牽引相鄰B微管向纖毛頂部滑動。2.新的ATP結合于動力蛋白上，使頭部與相鄰的二聯(lián)體B微管脫離。3.結合的ATP水解，其釋放的能量使頭部的角度復原。4.帶有水解產(chǎn)物的頭部與B微管的另一個位點結合，開始又一次循環(huán)。微管113微管滑動學說微管114纖毛運動的滑動學說微管115纖毛、鞭毛的運動微管116Kartagener綜合征微管又稱支氣管擴張-鼻竇炎-內(nèi)臟轉位綜合征，全內(nèi)臟轉位-支氣管擴張-鼻竇病變?nèi)?lián)綜合征，右位心-支氣管擴張-鼻竇異常綜合征，Kartagener-Trias綜合征，原發(fā)性纖毛活動障礙，纖毛無活動綜合征和家族性支氣管擴張等。由于纖毛結構和功能的先天異常，導致呼吸道分泌物不能有效排出，反復感染和炎性刺激引起支氣管擴張，同時伴有鼻竇炎，精子運動不能，卵子排出受阻，耳渦毛細胞上纖毛功能異常，可導致傳導性耳聾等異常。117紡錘體與染色體運動微管118微管119深綠：微管淺蘭：內(nèi)質(zhì)網(wǎng)黃色：高爾基體細胞器的定位120微管小結2.微管的組裝3.MTOC、MAPs1.微管的分子組成及結構4.生物學功能121微絲1微管2中間纖維3細胞骨架與疾病4中間纖維（P163)3122中間纖維

（intermediatefilament，IF）直徑8-10nm。介與微管與微絲之間，故得名中間纖維結構穩(wěn)定：既不受秋水仙素也不受細胞松弛B素影響，并且也沒有極性。中間纖維3.1概述123中間纖維是由多種異源性纖維狀蛋白組成，至少有50種，根據(jù)這些蛋白的細胞分布和組織來源，將它們分類3.2中間纖維的分子組成中間纖維124中間纖維蛋白分類及分布纖維類型蛋白亞基細胞定位組織來源角蛋白纖維角蛋白，19-22種多肽細胞質(zhì)上皮細胞波形纖維波形纖維蛋白，一種多肽細胞質(zhì)間質(zhì)細胞和中胚層來源的細胞結蛋白纖維結蛋白，一種多肽細胞質(zhì)肌細胞神經(jīng)元纖維神經(jīng)元纖維蛋白，三種多肽細胞質(zhì)神經(jīng)元神經(jīng)膠質(zhì)纖維膠質(zhì)纖維酸性蛋白，一種多肽細胞質(zhì)神經(jīng)膠質(zhì)細胞核纖層核纖層蛋白（lamina、、），細胞核大部分細胞中間纖維嚴格的組織時空特異性125中間纖維頭部和尾部是可變的非螺旋區(qū)，各種IF的主要區(qū)別。桿狀區(qū)既是形成超螺旋二聚體的關鍵區(qū)，又是形成多聚體的驅動力。126平行且對齊反向平行四聚體（原纖維）進一步組裝3.3中間纖維的裝配中間纖維127中間纖維128中間纖維裝配特點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)；反向平行的四聚體是其組裝的基本單位，并且導致IF不具有極性；IF在體外裝配時不需要核苷酸或結合蛋白的輔助。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))。目前尚未發(fā)現(xiàn)沿IF運動的馬達蛋白中間纖維129角蛋白纖維參與橋粒的形成和維持增強細胞抗機械壓力的能力結蛋白纖維是肌肉Z盤的重要結構組分，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