第十章 细胞骨架,细胞质骨架 细胞核骨架,细胞骨架(cytoskeleton)是指真核细胞中的蛋白纤维网架体系 广义的细胞骨架包括细胞核骨架、细胞质骨架、细胞膜骨架、细胞外基质 狭义的细胞骨架指细胞质骨架，包括微丝、微管和中间纤维,细胞骨架,细胞质骨架 细胞核骨架,微丝 微管 中间纤维 核基质 核纤层 染色体支架,细胞质骨架,微丝 微管 中间纤维,一个培养细胞的细胞骨架 遍布于整个细胞内的各种蛋白质性的丝状结构,微丝是比 微管细的实心纤维状结构.,定义：又称为肌动蛋白纤维，是指真核细胞中由肌动蛋白组成，直径为7nm的骨架纤维。由哑铃形肌动蛋白单体形成的多聚体。具有支持和收缩作用。,微丝(microfilament, MF),微丝(microfilament, MF),微丝又称肌动蛋白纤维(actin filament)，是指真核细胞中由肌动蛋白组成、直径为7 nm的骨架纤维。 球形肌动蛋白(globular actin, G-actin)是微丝的结构成分，外观呈哑铃状， 由G-actin形成的多聚体(微丝)也称为纤维形肌动蛋白(fibrous actin, F-actin),微丝形态与组分,形态：是一类由蛋白纤维组成的实心纤维细丝。 6-7nm，长短不一。在细胞中：微丝可成束、成网或纤维状分散分布 化学成分： 球状肌动蛋白(肌动蛋白单体 G-actin)肌动蛋白),肌肉细胞中的微丝为永久性微丝。,非肌肉细胞中：,永久性微丝：肠上皮细胞微绒毛中的轴心微丝。,暂时性微丝：如胞质分裂环中的微丝。,动态结构的微丝：在多数非肌肉细胞中，微丝是一种动态结构，持续进行装配和解聚，与细胞形态维持及细胞运动有关。,永久性结构,暂时性结构,微绒毛,MF动态变化与细胞生理功能变化相适应 在体内，有些微丝是永久性的结构，如肌肉中的细丝、肠上皮细胞微绒毛中的轴心微丝等； 有些微丝是暂时性的结构，如胞质分裂环中的微丝,非肌细胞中的微丝,微丝装配,肌动蛋白单体具有极性，装配时呈头尾相接，故微丝具有极性，既正极与负极之别 传统模型认为微丝是由两条肌动蛋白单链螺旋盘绕形成的纤维，近年来则认为是一条肌动蛋白单体链形成的螺旋,微丝装配,体外实验表明，MF正极与负极都能生长，生长时正极比负极快，去装配时，负极比正极快。 踏车现象(tread milling) 一定条件下，球形肌动蛋白 (G-actin)在正极端装配、负极去装配,6个球形肌动蛋白 首先形成装配核心,G-actin,F-actin,+,-,踏 车,微丝装配,微丝的装配,G-肌动蛋白,微丝装配,体内装配时，MF呈现出动态不稳定性，主要取决于纤维形肌动蛋白 (F-actin)结合的ATP水解速度与游离的球形肌动蛋白(G-actin) 单体浓度之间的关系，还有微丝横向连接成束或成网的程度,微丝特异性药物,细胞松弛素(cytochalasins)，可以切断微丝，并结合在微丝正极阻抑肌动蛋白聚合，破坏微丝的三维网络，但不明显导致微丝解聚 鬼笔环肽(philloidin)与微丝侧面结合，防止MF解聚,微丝的特异性药物,(2) 鬼笔环肽(phalloidin),(1) 细胞松弛素(cytochalasins),与微丝具有强烈的亲合作用, 可紧密地结合在微丝上，因而能抑制微丝的解聚从而稳定微丝,通过切断微丝并结合在微丝的正端, 抑制其组装，从而导致微丝解聚,微丝微丝结合蛋白,单体隔离蛋白(monomer- sequenstering protein)，与 G-actin结合后抑制它们的聚 合，维持高浓度的单体 膜结合蛋白(membrane- binding protein)，非肌细胞 质膜下方产生收缩的机器 末端阻断蛋白(end blocking protein)，通过与肌动蛋白纤 维的一端或两端结合调节肌 动蛋白纤维的长度,微丝微丝结合蛋白,交联蛋白(cross-linking protein), 使肌动蛋白纤维形成网络结构 纤维切割蛋白(filament-severing protein)，同肌动蛋白纤维结合并将其一分为二，控制肌动蛋白纤维的长度，降低黏度 肌动蛋白纤维去聚合蛋白(actin filament depolymerizing protein)，将肌动蛋白纤维快速去聚合形成G-actin 发动机蛋白，如肌球蛋白,微丝微丝性细胞骨架的功能,微丝遍及胞质各处，集中分布于质膜下，和其结合蛋白形成网络结构(溶胶)，维持细胞形状和赋予质膜机械强度(如红细胞膜骨架)，细胞的多种运动如胞质环流、阿米巴运动、变皱膜运动及吞噬等都与其有关，这些运动能为细胞松弛素所抑制,微丝微丝性细胞骨架的功能,肌动蛋白在微丝结合 蛋白的协同下，形成独特的微丝性骨架结构，与细胞中许多重要的功能活动有关，如肌肉收缩、变形运动、胞质分裂等,细胞质运动 以轮藻的胞质环流为例。,微丝微丝性细胞骨架的功能,胞质分裂环：有丝分裂末期，两个即将分裂的子细胞之间产生收缩环。由大量平行排列的微丝组成，分裂末期胞质中的肌动蛋白能迅速装配成收缩环并进一步收缩(肌动蛋白与肌球蛋白的相对滑动)，使两个子细胞分开；胞质分裂后，收缩环迅速去装配 肌肉收缩：肌肉可看作一种特别富含细胞骨架的效率非常高的能量转换器，它直接将化学能转变为机械能,微丝微丝性细胞骨架的功能,肠上皮细胞微绒毛(microvillus)的轴心微丝是非肌肉细胞中高度有序微丝束的代表，微丝束同向平行排布，下端终止于端网结构(terminal web)，维持微绒毛形状，无收缩功能 应力纤维(stress fiber)广泛存在于真核细胞，由大量平行排列的微丝组成 成分为肌动蛋白、肌球蛋白、原肌球蛋白和-辅肌动蛋白 介导细胞间或细胞与基质表面的粘着，可能在细胞形态发生、细胞分化和组织形成等方面具有重要作用,微丝肌肉收缩,骨骼肌的超微结构 骨骼肌 (skeletal muscle) 肌细胞 (肌纤维, myofiber) 肌原纤维 (myofibrils) 肌小节 (sarcomere),微丝肌肉收缩,肌小节包括粗肌丝(thick filament)即肌球蛋白(myosin)、细肌丝(thin filament)即肌动蛋白，肌动蛋白的正极端锚定在Z线 (Z disk, 纤维网状结构)上,微丝肌肉收缩,肌肉收缩系统中的有关微丝结合蛋白 肌球蛋白(myosin)， 头部具ATP酶活力， 沿微丝从负极到正 极进行运动。 Myosin主要分布 于肌细胞，有两个 球形头部结构域 (具有ATPase活性) 和尾部链，多个 Myosin尾部相互缠 绕，形成粗肌丝,微丝肌肉收缩,肌肉收缩系统中的有关微丝结合蛋白 原肌球蛋白(tropomyosin, Tm)由两条平行的多肽链形成-螺旋构型，位于肌动蛋白螺旋沟内，一个Tm分子的长度相当于7个肌动蛋白。Tm结合于细肌丝，调节肌动蛋白与肌球蛋白头部的结合 肌钙蛋白 (Troponin, Tn)为复合物，包括三个亚基：Tn-C (Ca2+ 敏感性蛋白)能特异与Ca2+结合，Tn-T与原肌球蛋白结合；Tn-I抑制肌球蛋白ATPase活性。细肌丝中每隔40 nm有一个Tn复合体结合到原肌球蛋白上,微丝肌肉收缩,神经冲动诱发的肌肉收缩的基本过程 动作电位的产生，神经冲动经轴突传到神经肌肉接点运动终板，肌肉细胞膜去极化，经T小管传至肌质网 Ca2+的释放，肌质网去极化后释放Ca2+至肌浆中，阈浓度为10-6 mol/L 原肌球蛋白位移， Ca2+与Tn-C结合，引起构象变化，Tn-C与Tn-I、Tn-T结合力增强，Tn-I与肌动蛋白结合力削弱而脱离；同时Tn-T使原肌球蛋白移动到肌动蛋白双螺旋沟的深处，消除肌动蛋白与肌球蛋白结合的障碍,微丝肌肉收缩,神经冲动诱发的肌肉收缩的基本过程 肌动蛋白丝与肌球蛋白丝的相对滑动： A 肌球蛋白头部与肌动蛋白结合，ATP结合位点闲置，结合ATP后头部构象变化，脱离肌动蛋白 B 头部的ATP酶水解ATP，头部弯曲 C 头部释放Pi，与肌动蛋白另一亚基结合 D 头部释放ADP，恢复原状，导致滑动 Ca2+的回收，到达肌肉细胞的一系列冲动一经停止，肌质网就通过主动运输重吸收Ca2+，于是收缩周期停止,微丝肌肉收缩,肌肉收缩系由肌动蛋白丝与肌球蛋白丝的相对滑动所致,肌球蛋白,肌动蛋白,微管形态、结构与组成,微管(microtubule)是由微管蛋白(tubulin)装配而成的长管状细胞器结构，平均外径24 nm，内径15 nm 微管壁由13根原纤维(protofilament)排列构成，原纤维由微管蛋白和微管蛋白交替排列而成,微管形态、结构与组成,微管可装配成单管、二联管(纤毛和鞭毛中)、三联管(中心粒和基体中)，在细胞中呈网状或束状分布，并能与其他蛋白共同装配成纺锤体、基粒、中心粒、鞭毛、纤 毛、轴突、神经管等结构， 参与细胞形态的维持、 细胞运动和细胞分裂 微管存在于所有真核 细胞中(极少数例外， 如红细胞)，而所有原 核细胞中都没有微管,一.微管的形态结构与化学组成,微管的形态结构：,5-9nm,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,微管横断面,细长中空的圆柱状结构。,横断面上看：,它是由13根原纤维纵向围绕而成,(一)微管的化学组成：,1.微管蛋白,微管蛋白(55KD 450aa),微管蛋白(55KD 550aa),异二聚体,2个鸟嘌呤核苷酸结合位点。,可与秋水仙素、长春花碱结合。,微管蛋白,微管蛋白,异二聚体,原纤维,微管,（13）,微管装配,鸟嘌呤核苷酸的2个结合位点,微管蛋白异二聚体,长春花碱、秋水仙素的结合位点,（二）微管种类,单管： 13条原纤维组成，细胞质中大部分微管为单管。,二联管：两根微管组成，分为A管、B管， A管B管共用三根原纤维， 主要构成鞭毛、纤毛。,三联管：由A、B、C三根微管组成，A与B、B与C各共用三根纤维，共含33根原纤维，主要构成中心粒。,二 . 微管的组装,1微管的体外组装,1972年Weisenberg小鼠分离微管蛋白体外组装,+,-,踏 车,微管微管结合蛋白,微管结合蛋白(microtubule associated protein, MAP) - 附着于微管多聚体上，参与微管的组装并增加微管的稳定性 - MAP分子至少包含一个结合微管的结构域和一个向外突出 的结构域，突出部位伸到微管外与其他细胞组分如微管束、 中间纤维、质膜等结合 - MAP的主要功能： 促进微管聚集成束； 增加微管稳定性或强度； 促进微管组装,微管特异性药物,微管特异性药物 - 秋水仙素(colchicine)，与微管蛋白结合 后装配到微管末端，阻止其他微管蛋白 的加入，阻断微管蛋白装配成微管，可 破坏纺锤体结构 - 紫杉酚(taxol)，能促进微管的装配，并 使已形成的微管稳定.这种稳定对细胞是有 害的，这使细胞周期停止于有丝分裂期。,微管功能,维持细胞形态，用秋水仙素处理细胞破坏微管，导致细胞变圆，说明微管对维持细胞的不对称形状是重要的,微管功能,细胞运输，微管起细胞内物质运输的路轨作用，与微管结合而起运输作用的马达蛋白有两大类：驱动蛋白(kinesin)和胞 质动力蛋白(dynein)，两者均需ATP提供能量,微管功能(纤毛和鞭毛的运动),纤毛(cillum)和鞭毛(flagellum)并无绝对界限：少而长者称鞭毛，波浪式摆动；短而多者称纤毛，无规则运动 纤毛和鞭毛都含有一个规则排列的由微管相互连接形成的骨架，即轴丝(axoneme)， 92结构，相关蛋白结构： - 微管蛋白二聚体 -