第九章细胞骨架Cytoskeleton

1 1 The cytoskeleton, a cytoplasmic system of fibers, is critical to cell motility, supporting cell membranes and organizing the cell contents. In this chapter we will introduce the three types of cytoskeletal fibers—microtubules, microfilaments, and intermediate filaments. All these fibers are polymers built from small protein subunits held together by noncovalent bonds. Instead of being a disordered array, the cytoskeleton is organized into discrete structures—primarily bundles, networks, and lattices. 第九章 细胞骨架 Cytoskeleton 2 Section I Introduction 一、微管 microtubules, MT 二、微丝 microfilaments, MF 三、中等纤维 intermediate filaments, IF 一、组成、分布、功能 二、研究技术 Section II Types of cytoskeleton filament Ê形态组成 Ê装配动力学 Ê结合蛋白 Ê功能 分子发动机 肌细胞收缩功能 3 Cytoskeleton指细胞中除了细胞器外的三维(3-dimension) 蛋白纤维网架体系。The cytoskeleton is a network of three filamentous structures. 微管 微丝 中等纤维 Property: dynamic (动态) Distribution 核周围,呈放射状向四周扩散 质膜内侧 分布在整个细胞中 Types 微管 MT 微丝 MF 中等纤维IF Section I Brief Introduction 4 General functions The cytoskeleton is a dynamic structure with many roles. • 细胞结构和形态支持 • 胞内运输 • 收缩和运动 • 空间区域组织 5 1. Immunofluorescence 荧光显微镜、荧光抗体 基因工程改造的带有荧光的蛋白 2. Electron microscopy 3. Video microscopy 微管分子发动机 分子发动机在微管的移动 一种藻类中 centrin的荧 光抗体显影 微管 中等 纤维 二、Technologies 6 Section II Types of cytoskeleton filament ™ Each type of cytoskeleton filament is constructed from smaller protein subunits. 一、微管 Microtubules, MT A.结构 (Structure) B.类型 (Classes) C.装配动力学 (Dynamics) D.微管结合蛋白 (MT-associated proteins) E.分子发动机 (Motor proteins) F.功能 (Functions) G.纤毛和鞭毛的结构和运动机制 (Cilia and Flagella) 2 7 A. MT structure 中空的管状结构,长 度不定,外径24nm, 内径15nm。 微管蛋白异源二聚 体螺旋盘绕，13根 原纤维纵向排列形 成壁。 Tubulin heterodimers are the protein building blocks of MTs. Tubulin heterodimers are微管蛋白α和 β首尾相接的异源二聚 体。plus end (+) minus end (-) β-tubulin α-tubulin tubulin heterodimer = MT subunit 8 微管蛋白α和 β的异源二聚体 GTP结合位点 GDP-GTP结合位点 －可交换位点 微管的基本构件 α β 9 B. 微管的类型 单体: 多数微管 双联体: 纤毛和鞭毛 In cilia and flagella 三联体: 中心粒和基体 In centrioles and basal bodies Unstable,易解聚, 动态的微管 Stable, 稳定的微管 Arrangement of protofilaments in singlet, doublet, and triplet microtubules. 10 C. 微管装配的动力学（Dynamics） 动态性： 大多数细胞微管都是不稳定的, 能够快速地组装和去组装。 低温、高Ca2+浓度和秋水仙素等化学试剂的处理都会破坏 微管的动态变化，阻止微管组装和去组装。 1、微管组织中心 (Microtubule Organizing Center, MTOC) 2、组装过程 (Assembly) 3、动态不稳定性 (Dynamic properties) 4、极性 (Polarity) 5、影响微管组装和去组装的因素 (Assembly and Disassembly) 11 1、微管组织中心 (microtubule organizing center, MTOC) 中心体 (centrosome) 基体 (basal body) 是动物细胞中决定微管形成的细胞器。 The centrosome is the major MTOC of animal cells. 是纤毛和鞭毛的MTOC，只含有一个而非一 对中心粒。 指细胞质中决定微管装配起点，产生新生微管的结构。 MTs assemble from MTOCs. 1. 提供微管生长位点－促进成核反应； 2. 决定微管的方向性（极性）； 3. 使微管的装配受统一的功能位点控制。 MTOCs的功能： Question Which is stable, which is not? 12 中心粒 (Pair of centrioles) 中心粒旁基质 (Pericentriolar matrix, PCM) A管 B管 C管 放射辐 中心体的结构 (centrosome structure) 在细胞间期, 中心粒位于细胞核附近; 在有丝分裂期, 位于纺锤 体的两极。 ◇ 9个距离相等的三联管 ◇ A管由放射辐在中心相连 ◇ A管伸出的另一短臂连接下一组 微管的C管 3 13 2、微管的组装 (MT assembly) Step 1. 成核(nucleation) rings of γ-tubulin under fluorescence microscope Mature MT ™MT are nucleated by a protein complex containing γ-tubulin. γ微管蛋白在微管 成核中起关键作用。 growing MT MTOC 14 Step 2. 延长(elongation) 原纤维的装配 成片 加长 15 MT assembly 16 Dynamic instability is an intrinsic property of microtubules. 3、微管的动态不稳定性 Microtubules exhibit two dynamic phenomena that are pronounced at tubulin concentrations near the Cc (critical concentrations, 临界浓度): (1) treadmilling, the addition of subunits at one end and their loss at the other end, and (2) dynamic instability, the oscillation between lengthening and shortening. (1) 微管的蛋白成分的动态 性 – 踏车现象(treadmilling) Microtubules can treadmill by adding subunits to one end and dissociating subunits from the opposite end. 长短未变 17 (2) 生长或缩短 (lengthening and shortening) 18 GTP cap 稳定 伸长 不稳定 缩短 没有GTP cap稳定 GDP cap Dynamic instability due to the structural differences between a growing and a shrinking microtubule end. 4 19 4、微管的极性 (polarity) The head-to-tail arrangement of theα- andβ-tubulin dimers in a protofilament confers an overall polarity on a MT. The MT subunits are added preferentially the (+) end, at whichβ-tubulin monomers are exposed. + end and - end 生长和缩短 的速度不同： + end生长和缩短快； - end生长和缩短慢。 组装 去组装 （临界浓度） （临界浓度） 20 a. non-specific factors 影响动力学：GTP浓度、微管蛋白临界浓度、压力、温 度、pH值； 5、影响微管组装和去组装的因素 (factors) 21 修饰微管的酶和药物、微管结合蛋白 ÊColchicine秋水仙素: Binding to tubulin dimers, prevent MTs polymerization. 一种生物碱，与微管蛋白二聚体结合形成复合物，阻止 微管的成核反应；加到微管两头可阻止其它二聚体的加 入和丢失。 ÊTaxol紫杉醇: Binding to MTs, stabilize MTs. 结合到聚合的微管上，促进微管聚合和稳定已聚合的微 管， 不与未聚合的微管蛋白二聚体反应。 b. specific factors These compounds are antimitotic drugs (抗有丝分裂药物), and have application in medical practice as anticancer drugs 22 D. 微管结合蛋白(microtubule-associated proteins, MAPs) MAPs通常含有一个与微管 侧面相附着的区域，和一个从微管 表面伸出去的臂的区域。 功能: 1. 使微管相互交联形成束状结构, 与其它细胞结构交联, 如质 膜、微丝和中等纤维等； 2. 影响微管的装配速度（微管成核、延长缩短）； 3. 提高微管的稳定性，改变微管的刚性； 4. 通过分子动力蛋白在细胞内沿微管转运囊泡和颗粒。 MAPs的活性主要由磷酸化和去磷酸 化控制。 23 中等纤维 细胞器 MAPs 动力蛋白 微管 神经细胞 轴突的物 质运输 24 5 25 E. 分子发动机 (motor protein) 细胞内的一类利用ATP供能产生推动力、进行细胞内物 质运输或运动的蛋白质。 特性： ◊是能量转化器，将化学能ATP转化成机械能； ◊运送细胞内货物，包括各种类型的小泡、线粒体、 溶酶体、染色体等。 种类： 1、驱动蛋白(kinesin)家族 2、动力蛋白(dynein)家族 3、肌球蛋白(myosin)家族 微管分子发动机 微丝分子发动机 26 运输的主要特点： 1.单方向运输； 2.逐步进行而非轮 式连续运行。 27 1、驱动蛋白(kinesin)的结构和功能 重链 轻链 80nm 由四聚体构成，含两个相同的重链和两个相同的轻链。 与运输泡结合 具有ATP水解酶活 性，与微管结合，为 运动提供动力 球形头部 可弯曲的连接杆 尾部 颈部 28 1. 方向性：由微管的负端向正端 2. 速度：与ATP浓度相关 3. 蛋白的运动是一步一步地进行的 + 一类跨 膜蛋白 29 2、动力蛋白(dynein)的结构和功能 重链 轻链 含两个相同的重链，不同种类的轻 链 两类： ◇细胞质动力蛋白 (cytoplasmic dynein) ◇纤毛和鞭毛的动力蛋白 重链头部是动力产生部位 30 有丝分裂中期 细胞质动力蛋白（可能）参与的功能： 1. 有丝分裂中的纺锤体的定位和染色体运动 2. 高尔基体的定位和膜泡和细胞器的运输 （了解） Centriole 6 31 △由微管的正端向负端 运动 △动力蛋白通过可溶的 多亚基蛋白复合体与 被运输物结合 细胞体 轴突 末端 动力蛋白 驱动 蛋白 多亚基蛋白 32 ♦把物质向两个相反 方向运输 ♦被运输物上可以结 合着两类分子发动机 蛋白，处于活性状态 的分子不同，物质被 运输的方向不同 细胞体 轴突 末端 动力蛋白 驱动 蛋白 两类分子发动机蛋白 33 F. 微管的功能 a. 支架作用 b. 细胞内物质运输的轨道 c.参与细胞的有丝和减数分裂 d.纤毛和鞭毛的运动元件 a 植物细胞内微管的排列 b物质运输 －神经细胞轴突，色素细胞 34 d 纤毛运动 鞭毛运动 c 有丝分裂 35 Cytoskeleton -Microtubule Contents from A to F 1. Constructed from smaller protein subunits (α、β tubulins) 2. Self-assembly 3. The tubulin subunits assemble head-to-tail, creating filaments that are polar 4. Dynamic structure 5. Nucleation is the rate-limiting step in the formation 6. The two ends of a MT are distinct and grow at different rates 7. MTs are structural supports and organizers 8. Microtubule-associated proteins (MAPs) increase the stability of MTs, alter their rigidity, or influence the rate of their assembly. 9. Molecular motor proteins convert chemical energy (stored in ATP) into mechanical energy, which is used to move cellular cargo(货物) attached to the motor. 36 G. 纤毛(cillum)和鞭毛(flagellum) Cilia and flagella are hairlike, motile organelles that project from the surface of a variety or eukaryotic cells. 从细胞质中的基体（微管组织中心）生长出来的，由排列 成一捆的稳定微管组成的，表面有细胞质膜覆盖的细胞结 构。 1、纤毛和鞭毛（真核生物） 的结构 2、纤毛和鞭毛运动的滑动模 型 ▲主要功能是滑动细胞表面 的液体和推动单细胞在液体 中运动。 7 37 1、纤毛和鞭毛的structure 由排列的微管相互连接形成的骨架，称轴丝。 中央微管 辐射辐 外双联体中央鞘 纤毛 基体 轴丝横截面： Cilia and flagella are two versions of the same structure. 基体是纤 毛和鞭毛 的微管组 织中心 (MTOC)。 38 中央微管 辐射辐 外双联体中央鞘 纤毛 基体 轴丝横截面： 1）基体(basal body)的结构 基体是中心粒，只含有一个而非一对中心粒。 Its structure is the same as centrosome. 翟书p334,王书p417 39 2）轴丝(axoneme)“9+2”的结构 翟书p333,王书p430 (inner dynein arm) 内动力蛋白臂质膜 一对中央管 (central microtubule) 外动力蛋白臂 (outer dynein arm)中央鞘 (central sheath) 放射辐 (radial spoke) 连接蛋白 (nexin) A管 B管 外侧 二联管 40 2、微管滑动 模型 (sliding- microtubule model) ♦动力蛋白头部与相邻二 连管B管接触，促使结合 的ADP和Pi释放，使蛋白 头部角度改变，头部将B 管向正极推动； ♦新ATP的结合促使动力 蛋白与相邻B管脱落； ♦ATP水解，头部的角度 恢复； ♦带有水解产物的动力蛋 白头部与B管的另一位点 结合，开始下一循环。 A B A B 翟书p333,王书p431 接触B管 接触A管 纤毛动 力蛋白 + - 41 纤毛和鞭毛的运动 ＊在两个二联体微管之间，通过动力蛋白的作用产生微管 间滑动； ＊在一条完整的鞭毛或纤毛中，通过其微管相互之间的滑 动造成的是整个系统的弯曲。 42 微管 – 小节 微管主要分布在核周围，它由微管蛋白异源二聚体组 成。微管有单管、二联管和三联管，其中单管不稳 定，二联管和三联管稳定。微管的体外组装分为成核 与延长两个过程，其中成核是限速步骤。微管有 （+）端和（-）端，因此微管有极性。细胞内的微管 处于动态不稳定状态。影响微管体外装配的因素有 GTP浓度、压力、温度、pH值、微管蛋白临界浓度和 药物等。微管通过与微管结合蛋白（MAP）结合扩展 其功能。 微管的功能有支架、细胞内物质运输的轨道、纤毛和 鞭毛的构件、参与细胞的有丝分裂和减数分裂等。功 能的特例说明是纤毛的结构和活动模型。