中國海洋大學(xué)細(xì)胞生物學(xué)課件12細(xì)胞骨架01

第十二章細(xì)胞骨架與細(xì)胞運動Chapter12CytoskeletonandCellMovement1928年，Koltzoff：“在原生質(zhì)中存在著一種具有一定結(jié)構(gòu)的纖維狀成分，每一個細(xì)胞就是一個由液體成分和硬性骨架組成的體系。細(xì)胞依靠這些骨架纖維保持著一定的外形?！币粋€培養(yǎng)細(xì)胞的細(xì)胞骨架遍布于整個細(xì)胞內(nèi)的各種蛋白質(zhì)性的絲狀結(jié)構(gòu)鋨酸和高錳酸鉀,0℃

戊二醛(glutaraldehyde)廣義上，細(xì)胞骨架各級成分可概括如下:細(xì)胞質(zhì)骨架纖絲微管纖維蛋白細(xì)胞外基質(zhì)多糖細(xì)胞核骨架核基質(zhì)核纖層-核孔復(fù)合體體系染色體骨架細(xì)胞骨架細(xì)胞膜骨架原肌球蛋白、錨蛋白血影蛋白、肌動蛋白（狹義上）在成纖維細(xì)胞中微管的免疫熒光圖象用微管蛋白抗體染色可顯示出微管由核向外呈輻射狀分布,在培養(yǎng)的成纖維細(xì)胞中構(gòu)成了復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)第一節(jié)微管第二節(jié)纖絲講授提綱第一節(jié)微管一、微管的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成二、微管結(jié)合蛋白四、微管的特異性藥物三、微管的特性五、微管的功能六、微管組成的細(xì)胞器培養(yǎng)細(xì)胞中微管的免疫熒光圖象一、微管的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成第一節(jié)微管化學(xué)組成:微管蛋白(tubulin)80~95%微管蛋白異二聚體

原絲(protofilament)

-微管蛋白

-微管蛋白13根原絲排列成微管第一節(jié)微管

微管的電鏡圖象與模式圖解(a)為縱行微管的電鏡圖象; (b)為微管橫切面的電鏡圖象;(c)為(a)的模式圖解; (d)為(b)的模式圖解。第一節(jié)微管MTDynamics(d)(c)(a)(b)

-和

-微管蛋白：Pi或GTP結(jié)合部位42%序列同源性4501C-端N-端

-微管蛋白—Gly群—1421484451142148C-端N-端肌鈣蛋白T順序

-微管蛋白—Gly群—Pi或GTP結(jié)合部位在進化中極保守50kDa；同一基因祖先肌鈣蛋白T順序秋水仙素結(jié)合部位201Cys第一節(jié)微管

-微管蛋白：

-微管蛋白：

鳥嘌呤核苷酸的2個結(jié)合位點二價陽離子的結(jié)合位點微管蛋白異二聚體長春花堿的結(jié)合位點第一節(jié)微管微管在γ-微管蛋白環(huán)狀復(fù)合體上的成核模型紅色輪廓顯示結(jié)合在2個γ-微管蛋白分子上的一對蛋白質(zhì)，可作為一個單獨的亞復(fù)合物從大環(huán)上分離出來γ-微管蛋白是近年來發(fā)現(xiàn)的一種微管蛋白，存在于所有的真核細(xì)胞中，雖然在微管蛋白總含量中僅占不足1%，但卻是微管執(zhí)行功能所必不可少的。第一節(jié)微管γ-微管蛋白的分子量為50kD，由455個氨基酸組成，與α-微管蛋白和β-微管蛋白的同源性為30%。γ-微管蛋白存在于微管組織中心，對微管的形成和微管極性的確定具有重要作用。二、微管結(jié)合蛋白(microtubule-associatedprotein,MAP)微管結(jié)合蛋白MAP-2(271~286kDa)MAP(28kDa)tau蛋白MAP動力蛋白(dynein)第一節(jié)微管MAP-1(345kDa)MAP(30kDa)(5種,55~77kDa)(纖毛/鞭毛)微管結(jié)合蛋白的電鏡圖象及模式圖解第一節(jié)微管微管結(jié)合蛋白至少具有1個與微管表面結(jié)合的結(jié)合區(qū)和1個突出區(qū)。突出區(qū)的長度可界定微管在成束時彼此間的間距大?。?/p>

MAP-2的過表達使微管成束時保持較寬的間距，而Tau的過表達則使微管在成束時彼此間非常緊密。微管結(jié)合區(qū)微管結(jié)合區(qū)微管結(jié)合區(qū)：促進裝配區(qū)微管結(jié)合區(qū)(1)調(diào)節(jié)微管裝配：MAP蛋白的功能:(2)穩(wěn)定微管：MAP-2磷酸化后可抑制微管裝配MAP-1和tau蛋白的作用是控制微管的延長橫連相鄰微管——一定方式排列穩(wěn)定已裝配好的微管結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)微管同其它微管、肌動蛋白、細(xì)胞器或膜結(jié)構(gòu)的相互作用(3)調(diào)節(jié)微管蛋白同其它蛋白間的相互作用：纖毛和鞭毛中的動力蛋白構(gòu)成動力蛋白臂(dyneinarms)，是細(xì)胞內(nèi)的馬達蛋白(motorprotein)(4)為纖毛與鞭毛的運動提供動力：第一節(jié)微管1.自我裝配：微管自我裝配的影響因素微管蛋白的濃度能量：GTP+Mg2+游離Ca2+的濃度[Ca2+]↑→微管解聚[Ca2+]↓→促進微管裝配pH值溫度第一節(jié)微管三、微管的特性微管的體外裝配過程圖解(a)

由微管蛋白異二聚體開始組裝成原絲;

(b)

多股原絲并列成片;

(c)

原絲達到13根后則進一步卷曲成管狀微管,以此短管為基礎(chǔ)便可在正端逐漸添加異二聚體,使微管不斷延長。第一節(jié)微管微管的踏車運動式裝配圖解在一定條件下，微管的一端因發(fā)生裝配而不斷延長，而另一端因發(fā)生解聚而不斷縮短——踏車運動(treadmilling)第一節(jié)微管微管裝配動態(tài)的免疫熒光照片微管的裝配首先從中心粒(MTOC)開始，然后向四周延伸20

m2.微管組織中心

(microtubuleorganizingcenter,MTOC)第一節(jié)微管細(xì)胞內(nèi)中心體與微管的位置關(guān)系123在所有的動物細(xì)胞中,

中心體(centrosome)是主要的MTOC，但并非所有的MTOC都有中心體!!最新的研究結(jié)果表明：中心粒周圍的一些蛋白質(zhì)性的成分或與之相當(dāng)?shù)奈镔|(zhì)小鼠卵母細(xì)胞高等植物細(xì)胞第一節(jié)微管3.極性：微管的結(jié)構(gòu)和裝配均具有極性在微管的裝配和拆卸過程中,兩端均要添加和拆除異二聚體，但+端的裝卸速度大于-端第一節(jié)微管間期細(xì)胞纖毛細(xì)胞分裂細(xì)胞神經(jīng)細(xì)胞基體纖毛/鞭毛紡錘體極軸突中心體中心體由微管構(gòu)成的細(xì)胞器的極性圖解第一節(jié)微管4.動態(tài)不穩(wěn)定性：第一節(jié)微管GTP帽GDP在微管的裝配中，微管蛋白的濃度和GTP的存在兩個條件最為重要。微管裝配中動態(tài)不穩(wěn)定性的電鏡圖和模式圖（自Alberts，2002）第一節(jié)微管微管總是處于動態(tài)不穩(wěn)定狀態(tài)中，影響著細(xì)胞位移和細(xì)胞極性的形成。自我裝配微管的特性：微管組織中心動態(tài)不穩(wěn)定性極性第一節(jié)微管秋水仙素(colchicine)：抑制微管組裝四、微管的特異性藥物結(jié)合在微管蛋白異二聚體上，使微管不能繼續(xù)添加微管蛋白秋水酰胺(colcemid)鬼臼素(podophyllotoxin)長春花堿(vinblastine)美登本氯丙榛1-苯胺基-8-磺酸萘紫杉酚(taxol)穩(wěn)定微管的藥物促進微管裝配,穩(wěn)定已形成微管諾考達唑(Nocodazole)重水第一節(jié)微管五、微管的功能第一節(jié)微管7.纖毛和鞭毛運動6.植物細(xì)胞壁形成5.紡錘體與染色體運動4.細(xì)胞運動3.維持胞內(nèi)細(xì)胞器的空間定位分布1.支持和維持細(xì)胞的形態(tài)2.細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)運輸1.支持和維持細(xì)胞的形態(tài)細(xì)胞的各種形態(tài)是由微管和其它細(xì)胞骨架成分來維持的蠑螈紅細(xì)胞膜下的微管束

秋水仙素處理：圓形第一節(jié)微管2.細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)運輸胞內(nèi)膜泡運輸合成部位行使功能的部位分泌細(xì)胞中分泌顆粒的運輸色素細(xì)胞的色素顆粒的運輸細(xì)胞器的定向運送神經(jīng)細(xì)胞中的軸質(zhì)運輸沿微管運送第一節(jié)微管神經(jīng)細(xì)胞的軸質(zhì)運輸微管膜泡微管膜泡膜泡沿微管運動的囊泡的電鏡照片微管：僅提供軌道，指導(dǎo)運輸方向運輸動力：馬達蛋白(motorprotein)第一節(jié)微管兩種馬達蛋白與微管的結(jié)合方式圖解驅(qū)動蛋白胞質(zhì)動力蛋白驅(qū)動蛋白胞質(zhì)動力蛋白第一節(jié)微管+端-端胞質(zhì)動力蛋白EM圖像1.2MDa蛋白集合體2條重鏈(~530kDa)3條中等鏈(74kDa)4條輕鏈(55~60kDa)胞質(zhì)動力蛋白(cytoplasmic

dynein)第一節(jié)微管ATP酶活性柄部扇形尾部驅(qū)動蛋白EM圖像80nm球狀頭部380kDa四聚體2條重鏈(120kDa)2條輕鏈(64kDa)ATP酶活性驅(qū)動蛋白(kinesin)馬達區(qū)第一節(jié)微管第一節(jié)微管2種馬達蛋白分子驅(qū)動膜被物運輸?shù)膶Ρ葓D解驅(qū)動蛋白和胞質(zhì)動力蛋白介導(dǎo)的細(xì)胞內(nèi)膜泡和細(xì)胞器運輸KIF，驅(qū)動蛋白超家族；(自N.Hirokawa,1998)膜泡或細(xì)胞器等的運輸也具有兩個方向：第一節(jié)微管內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體與質(zhì)膜之間的物質(zhì)運輸VTC,vesicular–tubulartransportcarriers,管泡運輸載體第一節(jié)微管兩種摩托蛋白都是通過媒介與膜泡物質(zhì)結(jié)合的。驅(qū)動蛋白的媒介是一種跨膜蛋白——kinectin；而胞質(zhì)動力蛋白則和一種較大的蛋白質(zhì)復(fù)合物即動力肌動蛋白(dynactin)結(jié)合。第一節(jié)微管動力肌動蛋白復(fù)合物具有短的肌動蛋白樣纖維，由肌動蛋白相關(guān)蛋白1(actin-relatedprotein1,

Arp1)組成。高爾基體膜上覆蓋的蛋白質(zhì)如錨蛋白(ankyrin)和血影蛋白(spectrin)能與Arp1結(jié)合，從而介導(dǎo)胞質(zhì)動力蛋白連接到細(xì)胞器上。第一節(jié)微管胞質(zhì)動力蛋白與膜泡或細(xì)胞器之間的識別機制圖解(自N.Hirokawa,1998)第一節(jié)微管+

微管-胞質(zhì)動力蛋白重鏈(Arp,肌動蛋白相關(guān)蛋白)受體蛋白74kDa中等鏈55kDa輕中等鏈動態(tài)蛋白戴帽蛋白血影蛋白受體蛋白細(xì)胞膜P150(膠聯(lián))P135(膠聯(lián))P62Arp,肌動蛋白錨蛋白3.維持胞內(nèi)細(xì)胞器的空間定位分布摩托蛋白與微管的相互作用，不僅與物質(zhì)運輸有關(guān)，而且還影響著某些細(xì)胞器的空間定位分布。微管對細(xì)胞器分布的影響內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Golgi復(fù)合體?驅(qū)動蛋白與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的細(xì)胞質(zhì)面結(jié)合，沿微管細(xì)胞四周施以拉力，從而使內(nèi)質(zhì)網(wǎng)在細(xì)胞質(zhì)溶質(zhì)中展開分布。?胞質(zhì)動力蛋白與高爾基體膜結(jié)合，沿微管向近核方向牽拉，從而使高爾基體位于細(xì)胞中央，定位于中心體附近。第一節(jié)微管如果用秋水仙素處理細(xì)胞，破壞微管的裝配，則這些細(xì)胞器的有序空間排列就會坍塌。當(dāng)把秋水仙素去除以后，細(xì)胞器的分布便從新恢復(fù)正常。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)因與核被膜相連，于是便積聚到核附近；而高爾基體因沒有這種結(jié)構(gòu)聯(lián)系則分解成小泡，遍布整個細(xì)胞質(zhì)。第一節(jié)微管纖毛和鞭毛4.細(xì)胞運動白血細(xì)胞靠微管導(dǎo)向經(jīng)延伸和收縮細(xì)胞質(zhì)向一定方向移動原腸運動：瓶形細(xì)胞細(xì)胞變形移動：第一節(jié)微管精子泳動5.紡錘體與染色體運動第一節(jié)微管質(zhì)膜下方微管排列方向與質(zhì)膜外側(cè)纖維素沉積方向圖解6.植物細(xì)胞壁形成第一節(jié)微管7.纖毛和鞭毛運動纖毛運動鞭毛運動第一節(jié)微管六、微管組成的細(xì)胞器1.中心體(centrosome)中心粒周圍物質(zhì)短圓筒狀中心粒第一節(jié)微管草履蟲中心粒的橫切面和立體結(jié)構(gòu)三聯(lián)體微管風(fēng)車狀中心粒橫切面的電鏡圖象中心粒結(jié)構(gòu)橫切面圖解立體結(jié)構(gòu)模式圖第一節(jié)微管數(shù)百個

-微管蛋白環(huán)，每一個環(huán)是一條微管形成的起點中心體

-微管蛋白環(huán)：微管生成的真正誘導(dǎo)起點——“晶種”

中心粒周圍物質(zhì)植物細(xì)胞中無中心粒，并不能證明無MTOC中心體的主要功能是組織形成微管第一節(jié)微管2.纖毛和鞭毛纖毛(a)和鞭毛(b)擺動的方式纖毛第一節(jié)微管纖毛擺動的頻率相當(dāng)高：蛙喉上皮的纖毛可擺動10~17次/sec纖毛擺動細(xì)胞本身不動運送物質(zhì)麥浪式的規(guī)律擺動第一節(jié)微管纖毛和鞭毛在來源和結(jié)構(gòu)上基本相同特例：某些原生動物和有的植物精子擁有幾千根鞭毛(1)結(jié)構(gòu)纖毛鞭毛短:5~10

m

0.3~0.5

m長:150

m

0.3~0.5

m多:200~300根少:1~數(shù)根第一節(jié)微管①纖毛本體：質(zhì)膜+軸絲(axoneme)②基體：源于中心粒③纖毛小根：固定纖毛/收縮草履蟲纖毛縱切面的