醫(yī)學生物學生命的細胞基礎細胞質線粒體核糖體骨架蛋白

醫(yī)學生物學第一篇生命的基礎講師：陳晶QQ：354275129email:354275129@第二章生命的細胞基礎第三節(jié)細胞質“ABusyFactory”二、線粒體（mitochondria）

1890年R.Altaman首次發(fā)現(xiàn)線粒體，命名為bioblast，以為它可能是共生于細胞內(nèi)獨立生活的細菌。

1898年Benda首次將這種顆粒命名為mitochondrion。

1900年發(fā)現(xiàn)線粒體具有氧化作用。

Green（1948）證實線粒體含所有三羧酸循環(huán)的酶，Kennedy和Lehninger（1949）發(fā)現(xiàn)脂肪酸氧化為CO2的過程是在線粒體內(nèi)完成的。

Hatefi等（1976）純化了呼吸鏈四個獨立的復合體。Mitchell（1961－1980）提出了氧化磷酸化的化學偶聯(lián)學說。形態(tài)：線狀、粒狀、短桿狀；有的圓形、啞鈴形、星形；還

有分枝狀、環(huán)狀等

大?。杭毎麅?nèi)較大的細胞器。一般直徑：0.5—1.0um;長度：

2-3um。

數(shù)量:在不同類型的細胞中線粒體的數(shù)目相差很大；

在同一類型的細胞中數(shù)目相對穩(wěn)定。

分布:在多數(shù)細胞中，線粒體均勻分布在整個細胞質中；

在某些些細胞中，線粒體的分布是不均一的。

線粒體較多分布在需要ATP的部位(如肌細胞和精細胞;或較為集中分布在有較多氧化反應底物的區(qū)域，如脂肪滴，因為脂肪滴中有許多要被氧化的脂肪。

（一）線粒體的亞微結構線粒體是由雙層單位膜套疊而成的封閉性膜囊結構☆內(nèi)膜與外膜套疊形成囊中之囊☆內(nèi)外膜組成線粒體的支架1、外膜（outermembrane）脂類：蛋白質=1:1孔蛋白（porin）通透性好（ATP、NAD、CoA可自由通過）蛋白質和脂類的比例約4:1高度的選擇通透性借助載體蛋白控制內(nèi)外物質的交換類似細菌質膜2、內(nèi)膜（innermembrane）基粒：內(nèi)膜和嵴膜基質面上許多帶柄的小顆粒。每個線粒體約104~105個。與膜面垂直而規(guī)律排列?？扇苄缘腁TP酶（F1)既是合成酶又是水解酶疏水蛋白（F0)70000頭部:合成ATP柄部:調(diào)節(jié)質子通道基片：質子的通道對寡酶素敏感蛋白（OSCP)

基粒是將呼吸鏈電子傳遞中釋放的能量用于使ADP磷酸化生成ATP的重要部位（ATP合酶復合體）。

4nm長4.5-5nm6-11.5nm高5-6nm9nm9nm基粒（elementaryparticle）基粒由頭部（F1偶聯(lián)因子）、柄部和基片（F0偶聯(lián)因子）構成，F(xiàn)0嵌入線粒體內(nèi)膜。

3.膜間腔（intermembranespace）酶、底物、輔助因子外膜內(nèi)膜膜間腔嵴間腔嵴內(nèi)空間嵴

基粒（ATP酶）線粒體核糖體基質（外腔）內(nèi)膜和嵴圍成的腔隙，腔內(nèi)充滿較致密的物質——線粒體基質。線粒體基質脂類蛋白質酶類線粒體DNA線粒體DNA線粒體mRNA線粒體tRNA線粒體核糖體4、脊間腔（interscristalspace）蛋白質：種類多，占干重的65~70%。脂類：主要是磷脂，構成膜。DNA：一個分子，多個拷貝。其它成分：水、酶、無機離子及維生素等。（二）線粒體化學組成16線粒體中酶的分布線粒體中約有120種酶線粒體主要酶的分布部位酶的名稱外膜單胺氧化酶、犬尿氨酸羥化酶、NADH-細胞色素C還原酶、脂類代謝有關的酶（?；o酶A合成酶、脂肪酸激酶等）特征酶：單胺氧化酶膜間隙腺苷酸激酶、核苷酸激酶、二磷酸激酶、亞硫酸氧化酶特征酶：腺苷酸激酶內(nèi)膜細胞色素氧化酶、琥珀酸脫氫酶、NADH脫氫酶、肉堿?；D移酶、-羥丁酸和-羥丙酸脫氫酶、丙酮酸氧化酶、ATP合成酶系、腺嘌呤核苷酸載體。特征酶：細胞色素（c）氧化酶、琥珀酸脫氫酶基質檸檬酸合成酶、烏頭酸酶、蘋果酸脫氫酶、異檸檬酸脫氫酶、延胡索酸酶、谷氨酸脫氫酶、丙酮酸脫氫酶復合體、天冬氨酸氨基轉移酶、蛋白質和核酸合成酶系、脂肪酸氧化酶系特征酶：蘋果酸脫氫酶氧化還原酶37%水解酶9%連接酶10%生命活動中95%的能量來自線粒體————細胞的動力工廠。線粒體是糖、脂肪、氨基酸等能源物質最終氧化釋放能量的場所——細胞氧化（cellularoxidation）

。：細胞氧化過程中，要消耗O2釋放CO2和H2O——細胞呼吸（cellularrespiration）。（三）線粒體的功能C6H12O6+6O2

→6CO2+6H2O+36ATP19線粒體是細胞核以外惟一含DNA的細胞器，具有獨立合成蛋白質的能力，但一定程度上受細胞核的控制，因此線粒體是具有半自主性的細胞器。線粒體共有37個基因，均應用于線粒體自己。人類的mtDNA主要編碼線粒體的tRNA、mRNA和一些線粒體蛋白質。線粒體的大多數(shù)酶和蛋白質仍由核DNA編碼合成之后，轉運至線粒體。（四）線粒體的半自主性20線粒體DNA的形態(tài)結構mtDNA為雙鏈結構。根據(jù)兩條鏈轉錄RNA在CsCl中密度不同，分為重鏈(heavystrand,H)和輕鏈(lightstrand,L)。兩條鏈編碼不同的基因。mtDNA環(huán)狀形態(tài)，核DNA→鏈狀。mtDNA裸露，不與組蛋白結合。（五）線粒體與疾病21三、核糖體（ribosome）游離在細胞溶膠中——游離核糖體（freeribosome）連接在粗面內(nèi)質網(wǎng)上——附著核糖體（attachedribosome）細胞內(nèi)將氨基酸合成蛋白質的場所(分泌性蛋白和細胞自身結構蛋白)2.結構：由ＲＮＡ和蛋白質組成，無膜包裹1.形態(tài)：橢圓形的粒狀小體4.功能：3.分類多個核糖體有mRNA串起來合成蛋白——多核糖體（polyribosome）四、細胞的支持和運動細胞器（一）細胞骨架（cytoskeleton）蛋白纖維構成的網(wǎng)架體系。廣義：核骨架、核纖層和細胞外基質，形成貫穿于細胞核、細胞質、細胞外的一體化網(wǎng)絡結構狹義：細胞質內(nèi)網(wǎng)絡結構微管主要分布在核周圍，呈放射狀向胞質四周擴散。微絲主要分布在細胞質膜的內(nèi)側。中間纖維分布在整個細胞中。

MicrotubuleMicrofilamentIntermediatefilament1.微管上世紀50年代，首次在超薄切片中觀察到微管(microtubule)。(a)腦細胞微管的電鏡照片(b)微管橫截面的電鏡照片(c)微管縱切面模式圖1）微管的結構與組成微管的外徑24nm，管壁厚度約5nm，跨越細胞的整個長度或寬度。管壁由縱向排列的13條原纖維構成。原纖維由,微管蛋白球狀亞基組成的異二聚體裝配而成。每個裝配單位一端是α微管蛋白，另一端是β微管蛋白。所以原纖維不對稱。微管在細胞中的存在形式單管：細胞質微管，結構不穩(wěn)定。三聯(lián)管：13+10+10存在于中心粒、基體，結構穩(wěn)定。131310131010二聯(lián)管：13+10見于特化的細胞結構纖毛和鞭毛的軸絲內(nèi)。結構比較穩(wěn)定。2）微管結合蛋白微管結合蛋白(microtubuleassociatedprotein,MAP)結合在微管表面的一種輔助蛋白(accessoryproteins)，提高微管的穩(wěn)定性；改變其剛性或影響組裝速率；介導微管與其他細胞器的連接。MAP具有兩個結構域(domain)一個結構域結合到微管蛋白側面，加速微管的成核。另一個結構域從微管蛋白表面向外延伸，與其他骨架纖維連接。MAP1,MAP2,Tau只存在于神經(jīng)元細胞。MAP4廣泛分布在哺乳動物非神經(jīng)元細胞中。*結構域——蛋白質中在結構和功能上相對獨立的區(qū)域。神經(jīng)細胞中的MAPsMAP2有3個微管蛋白結合位點，彼此分開，與微管壁的3個不同微管蛋白亞基結合。MAP2的尾部向外伸出，擁有較長的突出結構域，以便與其他骨架纖維相互作用。突出結構域的長度決定微管束中微管的間距。突出結構域神經(jīng)細胞中的MAPsMAP2有3個微管蛋白結合位點，彼此分開，與微管壁的3個不同微管蛋白亞基結合。MAP2的尾部向外伸出，擁有較長的突出結構域，以便與其他骨架纖維相互作用。Tau擁有較短的突出結構域。細胞過量表達MAP2,TauMAP2過量表達的細胞，保持有較寬空間的微管束。Tau過量表達，形成包裹得更緊密的微管束。3）微管的裝配與動力學微管在正常情況下裝配和去裝配，以適應細胞在不同時間的變化需要。微管的裝配分為三個時期成核期(nucleationphase),微管蛋白聚合，形成一個短的寡聚體/核心。聚合期(polymerizationphase),微管蛋白異二聚體不斷加到微管正端，使微管延長。穩(wěn)定期(steadystatephase)游離微管蛋白水平下降，裝配與去裝配達到動態(tài)平衡。微管裝配的起始點是微管組織中心在體內(nèi)，微管的成核和組織過程與一些特異的結構相關，這些結構被稱為微管組織中心(microtubule-organizingcenter,MTOC)。MTOC是微管裝配的起始點①控制微管的數(shù)目、極性②控制組成微管壁的原纖維數(shù)目③控制微管組裝的時間和地點常見微管組織中心間期細胞：中心體（動態(tài)微管）鞭毛、纖毛細胞：基體，永久性結構中心體(centrosome)在動物細胞中，細胞骨架微管一般與中心體結合，組成一個復合結構。含有2個桶狀的中心粒由9組三聯(lián)管構成成對的中心粒垂直排列，包埋在中心粒旁物質(pericentriolarmaterial,PCM)中。經(jīng)過復制的2對中心粒微管的成核作用γ-環(huán)形蛋白復合體(γ-Tubulinringcomplex,γ-TuRC)螺旋化排列的13個γ微管蛋白亞基組成一個開放的環(huán)狀模板，在模板上第一列γ微管蛋白二聚體組裝形成γ-TuRC，與微管具有相同直徑。①微管生長時，正端以開口片狀存在，結合GTP的二聚體添加其上。②快速生長階段，微管蛋白二聚體添加速率快于微管蛋白上GTP水解的速率。微管末端形成GTP帽，有利于添加更多的亞基使微管生長。但帶有開放末端的微管會產(chǎn)生自發(fā)反應，導致管口閉合。③管口閉合，迫使結合的GTP水解，改變微管蛋白二聚體的構像。④當原纖維向外翻卷并發(fā)生級聯(lián)去組裝時，GTP水解形成的張力被釋放。微管特異性藥物◆秋水仙素(colchicine)阻斷微管蛋白組裝成微管，可破壞紡錘體結構?！糇仙挤?taxol)能促進微管的裝配,并使已形成的微管穩(wěn)定?！魹樾惺拐５奈⒐芄δ?微管動力學不穩(wěn)定性是其功能正常發(fā)揮的基礎?；w位于鞭毛和纖毛根部的結構ATP酶纖毛和鞭毛的運動動力4）微管功能維持細胞形態(tài)細胞內(nèi)物質的運輸（細胞內(nèi)囊泡運動）細胞運動（鞭毛、纖毛）細胞器位移（中心粒、紡錘絲）細胞體動力蛋白胞質動力蛋白復合物驅動蛋白驅動蛋白受體轉運泡軸突末端胞質動力蛋白驅動向負極運輸2.微絲（microfilament）

1）結構和組分

微絲是由肌動蛋白單體（常稱作G-肌動蛋白）組成的多聚體，直徑約8nm。肌動蛋白單體由2個亞基構成，每一亞基含有375個氨基酸殘基。肌動蛋白單體有ATP?

ADP、Mg2+和K+?

Na+以及肌球蛋白的結合位點。肌動蛋白纖維的冷凍蝕刻電鏡照片雙股螺旋結構

每個肌動蛋白亞基都有極性，并且肌動蛋白纖維中所有的亞基均指向同一方向，所以整條微絲都有極性。2）肌動蛋白微絲組裝成核期/延遲期成核作用發(fā)生在質膜下，由ARP2/3復合物催化，是微絲組裝的限速過程，剛形成的二聚體易水解，形成三聚體核心才穩(wěn)定；聚合期

球狀肌動蛋白快速地在核心兩端聚合；正端是快速增長端，負端是緩慢增長端。一端添加單體的速率是另一端的5～10倍；平衡期肌動蛋白-ATP亞基傾向于添加到纖維的正端，而肌動蛋白-ADP傾向于離開纖維的負端；聚合與解聚達到動態(tài)平衡。3）微絲的功能構成細胞支架并維持細胞的形態(tài)參與細胞運動細胞分裂肌肉收縮細胞物質運輸受精與細胞內(nèi)信號傳遞構成細胞支架并維持細胞的形態(tài)每根微絨毛含有25根微絲，通過絨毛蛋白和絲束蛋白將微絲交聯(lián)成束，使其保持高度有序的排列。參與細胞運動巨噬細胞、白細胞含有豐富的微絲，通過與微絲結合蛋白的相互作用，使細胞表面形成凸起，如絲足、片足。參與細胞分裂有絲分裂后、末期，質膜下的微絲在肌球蛋白的作用下，形成帶狀束——收縮環(huán)，導致細胞一分為二。參與肌肉收縮肌細胞（纖維）由數(shù)百個肌原纖維組成。每根肌原纖維由細肌絲和粗肌絲重疊而形成。骨胳肌收縮的基本結構單位——肌小節(jié)骨骼肌肌束肌纖維細胞核肌鞘肌原纖維肌節(jié)肌球蛋白Ⅱ分子結構頭頸尾由一對重鏈和兩對輕鏈組成：成對的重鏈由一個桿狀尾部和一對球狀頭部組成，尾部的兩條多肽鏈部分互相纏繞形成卷曲螺旋。每根粗絲由幾百個肌球蛋白(myosinⅡ)分子組成。粗肌絲和細肌絲肌動蛋白肌鈣蛋白原肌球蛋白粗絲的中央由肌球蛋白分子相對的尾部組成。由于組成粗絲的肌球蛋白分子的交錯位置，肌球蛋白的頭部在每根粗絲的末端突出。在肌肉收縮過程中肌節(jié)的縮短I帶僅含細肌絲；H區(qū)只含粗肌絲；H區(qū)兩側的A帶代表重疊區(qū)域，含有粗肌絲和細肌絲。肌節(jié)在肌肉松弛與收縮狀態(tài)中的差別。在收縮過程中，肌球蛋白交聯(lián)橋與周圍的細肌絲接觸，細肌絲被迫向肌節(jié)中央滑動。交聯(lián)橋非同步活動，以致在任意時刻都只有一部分處于活動狀態(tài)。在肌肉收縮過程中肌節(jié)的縮短松弛和收縮的肌節(jié)縱切面的電鏡照片。顯示由于細肌絲向肌節(jié)中央滑動，使H區(qū)消失。肌肉收縮的分子基礎+-+-參與細胞內(nèi)的物質運輸肌球蛋白Va驅動蛋白色素顆粒微管微絲細胞內(nèi)信號傳遞細胞表面的受體受到外界信號作用，誘導細胞質膜下的肌動蛋白結構改變，從而啟動胞內(nèi)激酶變化的信號傳導過程。3.中間纖維(intermediatefilament,IF)

直徑約10nm的實心纖維。存在于細胞質和細胞核。是最堅韌持久的細胞骨架成分。1）中間纖維的類型和分布IF是一類形態(tài)上非常相似，而化學組成上有明顯差異的蛋白質。根據(jù)其組織分布、生化、遺傳及免疫學標準分為六大類。角蛋白

結蛋白膠質原纖維酸性蛋白波形纖維蛋白神經(jīng)纖絲蛋白核纖層蛋白(lamin)中間纖維的類型IF蛋白序列類型

主要組織分布酸性角蛋白I

上皮中性/堿性角蛋白II

上皮波形蛋白III

間充質細胞結蛋白III

肌肉外周蛋白膠質原纖維酸性蛋白IIIIII外周神經(jīng)元神經(jīng)膠質細胞神經(jīng)絲蛋白(NF-L,M,H)IV

中樞神經(jīng)元和外周神經(jīng)核纖層蛋白(lamin)(LaminA,B,C)V

所有細胞類型（核被膜）NestinVI

神經(jīng)干細胞A角蛋白人類上皮細胞有20余種不同的角蛋白，分為α和β兩類β角蛋白又稱胞質角蛋白，分布于體表、體腔的上皮細胞中。α角蛋白為頭發(fā)、指甲等堅韌結構所具有。根據(jù)組成氨基酸的不同，也可分為酸性角蛋白(I型)中性/堿性角蛋白(II型)B波形纖維蛋白存在于間充質細胞及中胚層來源的細胞。波形蛋白一端與核膜相連，另一端與細胞表面處的橋?；虬霕蛄Ｏ噙B，將細胞核和細胞器維持在特定的空間。C結蛋白存在于肌肉細胞，又稱骨骼蛋白。主要功能:使肌纖維連在一起。D膠質原纖維酸性蛋白存在于星形神經(jīng)膠質細胞和周圍神經(jīng)的許旺細胞，主要起支撐作用。E神經(jīng)絲蛋白由三種分子量不同的多肽組成的異聚體。NF-L(low,60~70KD)NF-M(medium,105~110KD)NF-H(heavy,135~150KD)功能：提供彈性使神經(jīng)纖維易于伸展、防止斷裂。2）

中間纖維的裝配3）中間纖維的功能在細胞內(nèi)形成完整的網(wǎng)狀骨架系統(tǒng)為細胞提供機械支持參與細胞連接參與細胞內(nèi)信息傳遞及物質運輸維持細胞核膜穩(wěn)定參與細胞分化在細胞內(nèi)形成完整的網(wǎng)狀骨架系統(tǒng)中間纖維在靠近核區(qū)域多次分支，且與核纖層相連，整個纖維網(wǎng)架穿過胞質終止于質膜。通過由纖維網(wǎng)狀蛋白組成的細長束狀交聯(lián)橋可見中間纖維與微管連接。中間纖維微管為細胞提供機械支持細胞內(nèi)的中間纖維通過橋粒相互連接形成貫穿于整個組織的網(wǎng)絡，支持該組織并抵抗外界壓力與張力。上皮細胞中是角蛋白中間纖維。心肌細胞中