第09章 细胞骨架.ppt
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1、第九章第九章 细胞骨架细胞骨架(Cytoskeleton)细胞骨架是指存在于真核细胞细胞骨架是指存在于真核细胞中的中的蛋白纤维网架体系蛋白纤维网架体系细胞骨架包括微丝、微管和中间丝。细胞骨架包括微丝、微管和中间丝。对细胞骨架的研究第一节第一节 微丝微丝与与细胞运动细胞运动 微微 丝丝 又又 称称 肌肌 动动 蛋蛋 白白 纤纤 维维(actin(actin filament),filament),是是指指真真核核细细胞胞中中由由肌肌动动蛋蛋白白(actin)(actin)组成、直径为组成、直径为7nm7nm的的骨架纤维骨架纤维。一、微丝的组成及其成分一、微丝的组成及其成分(一)(一)结构与成分结
2、构与成分肌动蛋白肌动蛋白(actin)是微丝的结构成分是微丝的结构成分,外外观呈蝶状结构观呈蝶状结构,这种这种actin又叫又叫G-actin,将,将G-actin形成的微丝又称为形成的微丝又称为F-actin。中央裂口内部有中央裂口内部有ATP,Mg2+结合位点。结合位点。类型类型:、actin 进化中高度保守进化中高度保守MF呈双螺旋结构,每条由呈双螺旋结构,每条由G-actin头尾相连呈头尾相连呈螺旋状排列,螺旋状排列,G-actin分子上的裂口具有不对称性,分子上的裂口具有不对称性,有裂口的一端为负极。有裂口的一端为负极。(二)装二)装配配1.MF是是由由G-actin单单体体形形成成
3、的的多多聚聚体体,装装配配第第一一步步是是成成核核反反应应,有有肌肌动动蛋蛋白白相相关关蛋蛋白白Arp的的参参与与,第第二二步步是是纤纤维维的的延延长长。装装配配时时肌肌动动蛋蛋白白单单体体呈呈头头尾相接尾相接,故微丝具有极性,有正极与负极之分。故微丝具有极性,有正极与负极之分。2.体体外外实实验验表表明明,MF正正极极与与负负极极都都能能生生长长,生生长长快快的的一一端端为为正正极极,慢慢的的一一端端为为负负极极;去去装装配配时时,负负极极比比正正极极快快。由由于于G-actin在在正正极极端端装装配配,负负极极去装配,从而表现为去装配,从而表现为踏车行为踏车行为。3.体体内内装装配配时时,
4、MF呈呈现现出出动动态态不不稳稳定定性性,主主要要取取决决于于F-actin结结合合的的ATP水水解解速速度度与与游游离离的的G-actin单单体体浓浓度度之之间间的的关关系系,当当溶溶液液中中含含有有较较高高的的ATP、Mg2+、及及Na+、K+时时,G-actin趋趋于于组组装装成成F-actin。4.细胞中大多数微丝结构处于动态的组装和去组装细胞中大多数微丝结构处于动态的组装和去组装过程中,过程中,MF动态变化与细胞生理功能变化相适应。动态变化与细胞生理功能变化相适应。在体内在体内,有些微丝是永久性的结构有些微丝是永久性的结构,有些微丝是暂时有些微丝是暂时性的性的结构结构。(三)影响微丝
5、组装的特异性药物(三)影响微丝组装的特异性药物l细胞松弛素(细胞松弛素(cytochalasin)可切断微丝纤维,)可切断微丝纤维,并结合在微丝末端并结合在微丝末端抑制肌动蛋白聚合抑制肌动蛋白聚合到微丝纤到微丝纤维上,特异性的抑制微丝功能。维上,特异性的抑制微丝功能。l鬼笔环肽(鬼笔环肽(phalloidin)与微丝能够特异性的结)与微丝能够特异性的结合,使微丝纤维稳定而合,使微丝纤维稳定而抑制其解聚抑制其解聚。荧光标记。荧光标记的鬼笔环肽可特异性的显示微丝。的鬼笔环肽可特异性的显示微丝。二、微丝网络动态结构的调节二、微丝网络动态结构的调节与细胞运动与细胞运动l微丝结合蛋白微丝结合蛋白l整个骨
6、架系统结构和功能在很大程度上受到整个骨架系统结构和功能在很大程度上受到不同的细胞骨架结合蛋白的调节。不同的细胞骨架结合蛋白的调节。1.1.非肌肉细胞中的微丝结合蛋白非肌肉细胞中的微丝结合蛋白2.2.肌肉收缩系统中的有关蛋白肌肉收缩系统中的有关蛋白(一)非肌肉细胞中的微丝结合(一)非肌肉细胞中的微丝结合蛋白蛋白微丝结合蛋白对肌动蛋白组装的调节微丝结合蛋白对肌动蛋白组装的调节有两种主要形式有两种主要形式:a.可溶性肌动蛋白的存在状态可溶性肌动蛋白的存在状态b.微丝结合蛋白的种类及存在状态微丝结合蛋白的种类及存在状态可溶性肌动蛋白的存在状态可溶性肌动蛋白的存在状态l细胞内,细胞内,G-actin:F
7、-actin=1:1,但,但G-actin常与一些分子量较小的蛋白结合,常与一些分子量较小的蛋白结合,从而使从而使G-actin组装成组装成F-actin的过程受到的过程受到调控。调控。微丝结合蛋白的种类微丝结合蛋白的种类表:微丝结合蛋白表:微丝结合蛋白微丝结合蛋白:微丝解聚蛋白和单微丝解聚蛋白和单体聚合蛋白体聚合蛋白与与MF同同向向平平行行排排列列,主主要要发发现现于于微微绒绒毛毛与与丝状伪足。丝状伪足。与与MF反反向向平平行行排排列列,主主要要发发现现于于应应力力纤纤维维和有丝分裂收缩环。和有丝分裂收缩环。与与MF相相互互交交错错排排列列,细细胞胞皮皮层层(cellcortex)中微丝排列
8、形式。中微丝排列形式。微丝结合蛋白将微丝组织成以下微丝结合蛋白将微丝组织成以下三种主要形式三种主要形式微丝结合蛋白与微丝的微丝结合蛋白与微丝的结合形式结合形式 (二)(二)细胞皮层细胞皮层微丝遍及胞质各处,集中分布于质膜下微丝遍及胞质各处,集中分布于质膜下,紧贴细胞质膜的细胞紧贴细胞质膜的细胞质区域,并由微丝结合蛋白交联成凝胶状三维网状结构。质区域,并由微丝结合蛋白交联成凝胶状三维网状结构。皮层为细胞质膜提供强度和韧性,有助于维持细胞形态。皮层为细胞质膜提供强度和韧性,有助于维持细胞形态。如哺如哺乳动物乳动物红细胞膜骨架红细胞膜骨架的作用。的作用。微丝纤维滑动与胞质环流,微丝纤维滑动与胞质环流
9、,阿米巴运动、变皱膜运动、阿米巴运动、变皱膜运动、吞噬以及膜蛋白的定位有关。吞噬以及膜蛋白的定位有关。微微丝丝与与胞胞质质环环流流(三)应力纤维(三)应力纤维(stress fiberstress fiber):广泛存在于真核细胞。广泛存在于真核细胞。成成分分:肌肌动动蛋蛋白白、肌肌球球蛋蛋白白、原原肌肌球球蛋蛋白白和和-辅辅肌肌动动蛋蛋白白。介导细胞间或细胞与基质表面的粘着。介导细胞间或细胞与基质表面的粘着。(细细胞胞贴贴壁壁与与黏黏着着斑斑的的形形成成相相关关,在在形形成成黏黏着着斑斑的的质质膜膜下下,微丝紧密平行排列成束,形成应力纤维微丝紧密平行排列成束,形成应力纤维,具有收缩功能。)具
10、有收缩功能。)应力纤维:应力纤维:相邻的微丝以反向平行的相邻的微丝以反向平行的方式排列方式排列成纤维细胞爬行与微丝装配和解聚相关成纤维细胞爬行与微丝装配和解聚相关(四)(四)细胞伪足的形成与迁移运动细胞伪足的形成与迁移运动运动细胞迁移 是肠上皮细胞是肠上皮细胞的指状突起,用以的指状突起,用以增加肠上皮细胞表增加肠上皮细胞表面积,以利于营养面积,以利于营养的快速吸收。的快速吸收。(五)(五)微绒毛微绒毛(microvillus)(六)胞质分裂环(六)胞质分裂环 有丝分裂末期,两个即有丝分裂末期,两个即将分离的子细胞内产生收缩将分离的子细胞内产生收缩环,收缩环由平行排列的微环,收缩环由平行排列的微
11、丝和丝和myosinII组成。随着收组成。随着收缩环的收缩,两个子细胞的缩环的收缩,两个子细胞的胞质分离,在细胞松驰素存胞质分离,在细胞松驰素存在的情况下,不能形成胞质在的情况下,不能形成胞质分裂环,因此形成双核细胞。分裂环,因此形成双核细胞。收缩环收缩环由大量反向平行排列的由大量反向平行排列的微丝组成,其收缩机制是肌微丝组成,其收缩机制是肌动蛋白和肌球蛋白相对滑动。动蛋白和肌球蛋白相对滑动。三、肌球蛋白:依赖于微丝的三、肌球蛋白:依赖于微丝的分子马达分子马达 l分子马达分子马达l能与一些细胞器或膜泡结合,通过能与一些细胞器或膜泡结合,通过ATP水解产生的水解产生的能量,沿微管或微丝运输能量,
12、沿微管或微丝运输“货物货物”到特定的区域。到特定的区域。l动力蛋白(动力蛋白(dynein),趋向微管负端;),趋向微管负端;l驱动蛋白(驱动蛋白(kinesin),趋向微管正端;),趋向微管正端;l肌球蛋白(肌球蛋白(myosin),趋向微丝的正极),趋向微丝的正极。肌球蛋白l肌球蛋白是一种马达蛋白肌球蛋白是一种马达蛋白(motorprotein),由由Kuehne于于1864年在研究骨骼肌收缩时发年在研究骨骼肌收缩时发现并命名。现并命名。l是一种超家族的蛋白质,共分为是一种超家族的蛋白质,共分为11类,其类,其中中10类为非传统肌球蛋白类为非传统肌球蛋白(unconventionalmyo
13、sin),另一类肌球蛋白另一类肌球蛋白称为传统肌球称为传统肌球蛋白蛋白(conventionalmyosin)。(一)型肌球蛋白型肌球蛋白 肌肌球球蛋蛋白白(myosin)(myosin)所所有有actin-dependent actin-dependent motor motor proteinsproteins都都属属于于该该家家族族,其其头头部部具具ATPATP酶酶活活力力,沿沿微微丝丝从负极到正极进行运动。从负极到正极进行运动。Myosin Myosin 主主要要分分布布于于肌肌细细胞胞,有有两两个个球球形形头头部部结结构构域域(具具有有ATPaseATPase活活性性)和和尾尾部部链
14、链,多多个个MyosinMyosin尾尾部部相互缠绕,形成相互缠绕,形成myosin filament,myosin filament,即粗肌丝。即粗肌丝。(二)非传统类型的(二)非传统类型的肌球蛋白肌球蛋白lMyosinV结构类似于结构类似于myosinII,但重链有球形,但重链有球形尾部。尾部。lMyosinI由一个重链和两个轻链组成。由一个重链和两个轻链组成。lMyosinI、II、V都存在于非肌细胞中,都存在于非肌细胞中,II型参型参与形成应力纤维和胞质收缩环,与形成应力纤维和胞质收缩环,I、V型结合在型结合在膜上与膜泡运输有关,神经细胞富含膜上与膜泡运输有关,神经细胞富含myosin
15、V。四、肌肉收缩四、肌肉收缩(musclecontraction)肌肉可看作一种特别富含细胞骨架的效力肌肉可看作一种特别富含细胞骨架的效力非常高的能量转换器,它直接将化学能转变为非常高的能量转换器,它直接将化学能转变为机械能。机械能。肌肉的肌肉的细微结构细微结构 肌肉收缩的肌肉收缩的滑动模型滑动模型由由神神经经冲冲动动诱诱发发的的肌肌肉肉收收缩缩基基本本过过程程(一)肌肉的(一)肌肉的细微结构细微结构(以骨骼以骨骼肌为例肌为例)细肌丝的组成细肌丝的组成1)肌动蛋白)肌动蛋白2)原肌球蛋白)原肌球蛋白(tropomyosin,Tm)由两条平由两条平行的多肽链形成行的多肽链形成-螺旋构型螺旋构型,
16、位于肌动蛋白螺旋沟位于肌动蛋白螺旋沟内内,结合于细丝结合于细丝,调节肌动蛋白与肌球蛋白头部的调节肌动蛋白与肌球蛋白头部的结合。结合。3)肌钙蛋白肌钙蛋白(Troponin,Tn)为复合物,包括三个为复合物,包括三个亚基:亚基:TnC(Ca2+敏感性蛋白敏感性蛋白)能特异与能特异与Ca2+结合结合;TnT(与原肌球蛋白结合与原肌球蛋白结合);TnI(抑制肌球蛋白抑制肌球蛋白ATPase活性活性)原肌球蛋白与肌钙蛋白 细肌丝的组成由神经冲动诱发的肌肉收缩由神经冲动诱发的肌肉收缩基本过程基本过程动作电位的产生动作电位的产生 CaCa2+2+的释放的释放 原肌球蛋白位移原肌球蛋白位移 肌动蛋白丝与肌球
17、蛋白丝的相对滑动肌动蛋白丝与肌球蛋白丝的相对滑动 Ca2+的回收的回收肌小节的收缩在肌肉收缩过程中,粗丝和细丝在肌肉收缩过程中,粗丝和细丝本身的长度都不发生改变,当纤丝滑本身的长度都不发生改变,当纤丝滑动时,肌球蛋白的头部与肌动蛋白的动时,肌球蛋白的头部与肌动蛋白的分子发生接触分子发生接触(attachment)、转动、转动(tilting),最后脱离,最后脱离(detachment)的连的连续过程,其结果使细丝进行相对的滑续过程,其结果使细丝进行相对的滑动。动。第二节第二节微微管(管(Microtubules)微管在胞质中形成网络结构,作为运输路轨并微管在胞质中形成网络结构,作为运输路轨并起
18、支撑作用。微管是由微管蛋白组成的管状结构,起支撑作用。微管是由微管蛋白组成的管状结构,对低温、高压和秋水仙素敏感。对低温、高压和秋水仙素敏感。一、一、微管的结构与极性微管的结构与极性微管是由微管是由13条原纤维构成的中空管状结构,条原纤维构成的中空管状结构,外径外径24nm,内径,内径15nm。每一条原纤维由微管蛋白二聚体线性排列而成微管每一条原纤维由微管蛋白二聚体线性排列而成微管蛋白二聚体由结构相似的蛋白二聚体由结构相似的和和微管蛋白构成。微管蛋白构成。和和微管蛋白在进化上保守。微管蛋白在进化上保守。微管蛋白结合的微管蛋白结合的GTP从不发生水解或交换。从不发生水解或交换。微管蛋白也是一种微
19、管蛋白也是一种G蛋白,结合的蛋白,结合的GTP可发生水解,可发生水解,结合的结合的GDP可交换为可交换为GTP。深绿:微管浅兰:内质网黄色:高尔基体上图:内质网抗体染色下图:微管抗体染色上图:高尔基抗体染色下图:微管抗体染色形态 微管可装配成单管微管可装配成单管,二联管二联管(纤毛和鞭毛中纤毛和鞭毛中),三联管三联管(中心粒和基体中中心粒和基体中)。二、组装和去组装二、组装和去组装装配方式装配方式所有的微管都有确定的极性所有的微管都有确定的极性微管装配是一个动态不稳定过程微管装配是一个动态不稳定过程1.体外组装:体外组装:组装成的微管粗细不一。组装成的微管粗细不一。2.体内组装:体内组装:-微
20、管蛋白和微管蛋白和-微管蛋白形成微管蛋白形成二聚体二聚体,二聚体先形成环状核心二聚体先形成环状核心(ring),经过侧面经过侧面增加二聚体而扩展为螺旋带增加二聚体而扩展为螺旋带,二聚体平行二聚体平行于长轴重复排列形成原纤维于长轴重复排列形成原纤维(protofilament)。当螺旋带加宽至当螺旋带加宽至13根原纤维时根原纤维时,即合拢形成即合拢形成一段微管。一段微管。装配方式装配方式微管的极性微管的极性微管具有极性,微管具有极性,(+)极组装速度快,极组装速度快,(-)极组装速度极组装速度慢。慢。(+)极的最外端是极的最外端是微管蛋白,微管蛋白,(-)极的最外端是极的最外端是微管蛋白。微管蛋
21、白。微管和微丝一样具有踏车行为。微管和微丝一样具有踏车行为。微管形成的有些结构是比较稳定,是由于微管结微管形成的有些结构是比较稳定,是由于微管结合蛋白的作用和酶修饰的原因。如轴突、纤毛、鞭合蛋白的作用和酶修饰的原因。如轴突、纤毛、鞭毛。毛。大多数微管处于动态组装和去组装状态(如纺锤大多数微管处于动态组装和去组装状态(如纺锤体)。体)。微管的踏车行为微微管管装装配配的的动动力力学学不不稳稳定定性性是是指指微微管管装装配配生生长长与与快快速速去去装装配配的的一一个个交交替替变变换换的的现象。现象。造成微管不稳定性的因素很多,包括造成微管不稳定性的因素很多,包括GTPGTP、压、压力、温度力、温度(
22、最适温度最适温度37)37)、pH(pH(最适最适pH=6.9)pH=6.9)、微管蛋、微管蛋白临界浓度白临界浓度(criticalconcentration)。微管装配是一个动态不稳定过程微管装配是一个动态不稳定过程影响微管稳定的因素影响微管稳定的因素(二二)微管特异性药物微管特异性药物秋水仙素秋水仙素(colchicine)(colchicine)阻断微管蛋阻断微管蛋 白组装成微管,可破坏纺锤体结构。白组装成微管,可破坏纺锤体结构。紫杉醇紫杉醇(taxol)(taxol)能促进微管的装配能促进微管的装配,并使已形成的微管稳定。并使已形成的微管稳定。微管动力学不稳定性是其功能正常微管动力学不
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