電子教案-細胞骨架(Cytoskeleton)細胞生物學(xué)

第十章細胞骨架(Cytoskeleton)細胞骨架是指存在于真核細胞中的蛋白纖維網(wǎng)架體系有狹義和廣義兩種概念：（狹義：）在細胞質(zhì)基質(zhì)中包括微絲、微管和中間纖維。（廣義：）在細胞核中存在核骨架-核纖層體系。核骨架、核纖層與中間纖維在結(jié)構(gòu)上相互連接,貫穿于細胞核和細胞質(zhì)的網(wǎng)架體系。第一節(jié)細胞質(zhì)骨架1微絲(microfilament,MF)又稱肌動蛋白纖維(actinfilament),是指真核細胞中由肌動蛋白(actin)組成、直徑為7nm的骨架纖維。（1）成分：肌動蛋白(actin)是微絲的結(jié)構(gòu)成分,外觀呈啞鈴狀,這種actin又叫G-actin，將G-actin形成的微絲又稱為F-actin。(2)裝配MF是由G-actin單體形成的多聚體，肌動蛋白單體具有極性,裝配時呈頭尾相接,故微絲具有極性，既正極與負極之別。體外實驗表明，MF正極與負極都能生長，生長快的一端為正極，慢的一端為負極；去裝配時，負極比正極快。由于G-actin在正極端裝配，負極去裝配，從而表現(xiàn)為踏車行為。體內(nèi)裝配時，MF呈現(xiàn)出動態(tài)不穩(wěn)定性，主要取決于F-actin結(jié)合的ATP水解速度與游離的G-actin單體濃度之間的關(guān)系。MF動態(tài)變化與細胞生理功能變化相適應(yīng)。在體內(nèi),有些微絲是永久性的結(jié)構(gòu),有些微絲是暫時性的結(jié)構(gòu)。(3)微絲特異性藥物細胞松弛素(cytochalasins)：可以切斷微絲,并結(jié)合在微絲正極阻抑肌動蛋白聚合,因而導(dǎo)致微絲解聚。鬼筆環(huán)肽(philloidin)：與微絲側(cè)面結(jié)合,防止MF解聚。影響微絲裝配動態(tài)性的藥物對細胞都有毒害，說明微絲功能的發(fā)揮依賴于微絲與肌動蛋白單體庫間的動態(tài)平衡。這種動態(tài)平衡受actin單體濃度和微絲結(jié)合蛋白的影響。(4)微絲結(jié)合蛋白整個骨架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能在很大程度上受到不同的細胞骨架結(jié)合蛋白的調(diào)節(jié)。actin單體結(jié)合蛋白，這些小分子蛋白與actin單體結(jié)合，阻止其添加到微絲末端，當(dāng)細胞需要單體時才釋放，主要用于actin裝配的調(diào)節(jié)，如proflin等。微絲結(jié)合蛋白。微絲結(jié)合蛋白將微絲組織成以下三種主要形式：Parallelbundle:MF同向平行排列，主要發(fā) 現(xiàn)于微絨毛與絲狀偽足。Contractilebundle:MF反向平行排列，主要發(fā)現(xiàn)于應(yīng)力纖維和有絲分裂收縮環(huán)。Gel-likenetwork:細胞皮層(cellcortex)中微絲排列形式，MF相互交錯排列。(5)微絲功能維持細胞形態(tài)，賦予質(zhì)膜機械強度：微絲遍及胞質(zhì)各處，集中分布于質(zhì)膜下，和其結(jié)合蛋白形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，維持細胞形狀和賦予質(zhì)膜機械強度，如哺乳動物紅細胞膜骨架的作用。細胞運動：成纖維細胞爬行與微絲裝配和解聚相關(guān)微絨毛(microvillus)：是腸上皮細胞的指狀突起，用以增加腸上皮細胞表面積，以利于營養(yǎng)的快速吸收。應(yīng)力纖維(stressfiber)：廣泛存在于真核細胞。成分：肌動蛋白、肌球蛋白、原肌球蛋白和a-輔肌動蛋白。介導(dǎo)細胞間或細胞與基質(zhì)表面的粘著。（細胞貼壁與粘著斑的形成相關(guān)，在形成粘合斑的質(zhì)膜下，微絲緊密平行排列成束，形成應(yīng)力纖維,具有收縮功能。）參與胞質(zhì)分裂肌肉收縮(musclecontraction)：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。(6)肌肉收縮(musclecontraction)肌肉可看作一種特別富含細胞骨架的效力非常高的能量轉(zhuǎn)換器，它直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能。肌肉的細微結(jié)構(gòu)(以骨骼肌為例)。肌小節(jié)的組成。肌肉收縮系統(tǒng)中的有關(guān)蛋白：①肌球蛋白(myosin)—所有actin-dependentmotorproteins都屬于該家族，其頭部具ATP酶活力,沿微絲從負極到正極進行運動?！yosinⅡ主要分布于肌細胞，有兩個球形頭部結(jié)構(gòu)域(具有ATPase活性)和尾部鏈,多個Myosin尾部相互纏繞，形成myosinfilament,即粗肌絲。②原肌球蛋白(tropomyosin,Tm)由兩條平行的多肽鏈形成α-螺旋構(gòu)型,位于肌動蛋白螺旋溝內(nèi),結(jié)合于細絲,調(diào)節(jié)肌動蛋白與肌球蛋白頭部的結(jié)合。③肌鈣蛋白(Troponin,Tn)為復(fù)合物，包括三個亞基：TnC(Ca2+敏感性蛋白)能特異與Ca2+結(jié)合;TnT(與原肌球蛋白結(jié)合);TnI(抑制肌球蛋白ATPase活性)肌肉收縮的滑動模型。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。2微管（microtubules）(1).微管結(jié)構(gòu)與組成:微管可裝配成單管,二聯(lián)管(纖毛和鞭毛中),三聯(lián)管(中心粒和基體中)。(2).裝配裝配方式：α-微管蛋白和β-微管蛋白形成αβ二聚體,αβ二聚體先形成環(huán)狀核心(ring),經(jīng)過側(cè)面增加二聚體而擴展為螺旋帶,αβ二聚體平行于長軸重復(fù)排列形成原纖維(protofilament)。當(dāng)螺旋帶加寬至13根原纖維時,即合攏形成一段微管。所有的微管都有確定的極性。微管裝配是一個動態(tài)不穩(wěn)定過程：微管裝配的動力學(xué)不穩(wěn)定性是指微管裝配生長與快速去裝配的一個交替變換的現(xiàn)象。動力學(xué)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GDP帽則解聚。(3).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(jié)構(gòu)。紫杉酚(taxol)能促進微管的裝配,并使已形成的微管穩(wěn)定。為行使正常的微管功能,微管動力學(xué)不穩(wěn)定性是其功能正常發(fā)揮的基礎(chǔ)。(4).微管組織中心(MTOC)概念：微管在生理狀態(tài)或?qū)嶒炋幚斫饩酆笾匦卵b配的發(fā)生處稱為微管組織中心(microtubuleorganizingcenter,MTOC)。常見微管組織中心：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(jié)構(gòu))。中心體(centrosome)。中心體(centrosome)結(jié)構(gòu)。中心體復(fù)制周期。γ管蛋白：位于中心體周圍的基質(zhì)中，環(huán)形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，為αβ微管蛋白二聚體提供起始裝配位點，所以又叫成核位點。基體(basalbody)：位于鞭毛和纖毛根部的類似結(jié)構(gòu)稱為基體（basalbody）；中心粒和基體均具有自我復(fù)制性質(zhì)。(5).微管結(jié)合蛋白(MAP)(6).微管功能◆維持細胞形態(tài)：用秋水仙素處理細胞破壞微管,導(dǎo)致細胞變圓,說明微管對維持細胞的不對稱形狀是重要的。對于細胞突起部分,如纖毛、鞭毛、軸突的形成和維持,微管亦起關(guān)鍵作用?！艏毎麅?nèi)物質(zhì)的運輸：真核細胞內(nèi)部是高度區(qū)域化的體系,細胞中合成的物質(zhì)、一些細胞器等必須經(jīng)過細胞內(nèi)運輸過程。這種運輸過程與細胞骨架體系中的微管及其Motorprotein有關(guān)。Motorproteins目前已鑒定的Motorproteins多達數(shù)十種。根據(jù)其結(jié)合的骨架纖維以及運動方向和攜帶的轉(zhuǎn)運物不同而分為不同類型。胞質(zhì)中微管motorprotein分為兩大類：驅(qū)動蛋白(kinesin):通常朝微管的正極方向運動。動力蛋白(cytoplasmicdynein)：朝微管的負極運動。神經(jīng)元軸突運輸?shù)念愋图斑\輸模式色素顆粒的運輸◆細胞器的定位◆鞭毛(flagella)運動和纖毛(cilia)運動◆紡錘體與染色體運動3中間纖維（intermediatefilament,IF)10nm纖維,因其直徑介于肌粗絲和細絲之間,故被命名為中間纖維。IF幾乎分布于所有動物細胞，往往形成一個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，特別是在需要承受機械壓力的細胞中含量相當(dāng)豐富。如上皮細胞中。除了胞質(zhì)中，在內(nèi)核膜下的核纖層也屬于IF。●中間纖維的裝配IF裝配與MF,MT裝配相比，有以下3個特點：IF裝配的單體是纖維狀蛋白(MF,MT的單體呈球形)；反向平行的四聚體導(dǎo)致IF不具有極性；IF在體外裝配時不需要核苷酸或結(jié)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)，如核纖層的裝配與解聚)。●中間纖維的成分與分布IF成分比MF,MT復(fù)雜，具有組織特異性。IF在形態(tài)上相似，而化學(xué)組成有明顯的差別。中間纖維類型與分布中間纖維蛋白的表達具有嚴格的組織特異性●中間纖維結(jié)合蛋白（IFAP）及其判定標(biāo)準(zhǔn)●中間纖維的功能：增強細胞抗機械壓力的能力；角蛋白纖維參與橋粒的形成和維持；結(jié)蛋白纖維是肌肉Z盤的重要結(jié)構(gòu)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；參與傳遞細胞內(nèi)機械的或分子的信息；中間纖維與mRNA的運輸有關(guān)。第二節(jié)細胞核骨架1核基質(zhì)(NuclearMatrix)●形態(tài)結(jié)構(gòu)研究核骨架的分級抽提方法：非離子去垢劑溶解膜結(jié)構(gòu)系統(tǒng),胞質(zhì)中可溶性成分隨之流失;再用Tween40和脫氧膽酸鈉處理,胞質(zhì)中的微管、微絲與一些蛋白結(jié)構(gòu)被溶去,胞質(zhì)中只有中間纖維網(wǎng)能完好存留;然后用核酸酶與0.25mol/L硫酸銨處理,染色質(zhì)中DNA、RNA和組蛋白被抽提,最終核內(nèi)呈現(xiàn)一個精細發(fā)達的核骨架網(wǎng)絡(luò),結(jié)合非樹脂包埋-去包埋劑電鏡制樣方法,可清晰地顯示核骨架-核纖層-中間纖維結(jié)構(gòu)體系?！癯煞郑汉斯羌懿幌蟀|(zhì)骨架那樣由非常專一的蛋白成分組成,核骨架的成分比較復(fù)雜,主要成分是核骨架蛋白及核骨架結(jié)合蛋白,并含有少量RNA。核骨架蛋白、骨架結(jié)合蛋白和其它成分?！窈斯羌芙Y(jié)合序列DNA序列中的核骨架結(jié)合序列(matrixassociatedregion,MAR)這部分DNA與核骨架蛋白的結(jié)合不為高鹽溶液抽提所破壞,在基因表達調(diào)控中有作用核骨架結(jié)合序列的基本特征MAR的功能：通過與核骨架蛋白的結(jié)合，將DNA放射環(huán)錨定在核骨架上；作為許多功能性基因調(diào)控蛋白的結(jié)合位點?！窆δ埽汉斯羌芘cDNA復(fù)制 核骨架與基因表達:大量研究工作表明真核細胞中RNA的轉(zhuǎn)錄和加工均與核骨架有關(guān)。具有轉(zhuǎn)錄活性的基因是結(jié)合在核骨架上的;RNA聚合酶在核骨架上具有結(jié)合位點。核骨架與病毒復(fù)制核骨架與染色體構(gòu)建2染色體骨架染色體骨架/放射環(huán)模型染色體骨架的真實性◆銀染法能選擇性地顯示染色體軸結(jié)構(gòu)◆DNA酶和RNA酶處理或用0.4mol/LH2SO4處理去除組蛋白,對染色體軸沒有影響,用胰蛋白酶消化則染色體軸破壞,說明染色體軸是非組蛋白性的。◆染色體骨架/放射環(huán)模型在分子水平上得到兩個直接證據(jù)染色體骨架與染色體高級結(jié)構(gòu)3核纖層(NuclearLamina)●核纖層分布與形態(tài)結(jié)構(gòu)●成分——核纖層蛋白(Lamin)哺乳動物和鳥類細胞中有：核纖層蛋白A、核纖層蛋白B、核纖層蛋白C。核纖層蛋白的分子結(jié)構(gòu)及其與中間纖維蛋白的關(guān)系：核纖層與中間纖維之間的共同點：兩者均形成10nm纖維；兩者均能抵抗高鹽和非離子去垢劑的抽提；某些抗中間纖維蛋白的抗體能與核纖層發(fā)生交叉反應(yīng)；LaminA和LaminC的cDNA克隆推導(dǎo)出核纖層蛋白的氨基酸順序與中間纖維蛋白高度保守的α-螺旋區(qū)有很強的同源性,說明核纖