6.细胞骨架(沈大棱)

nullChapter 6 CytoskeletonChapter 6 Cytoskeleton1 微管(microtubules) 2 微丝(microfilament) 3 中间丝(中间纤维，intermediate filament) 4 细胞骨架的结构和功能 null 细胞骨架 细胞骨架◆ 细胞骨架是在真核细胞发现的 蛋白纤维网络 。为细胞提供结构的支持，并使细胞器，染色体和细胞自身能直接运动 。 ◆细胞骨架的基本组件有 3种: 微管,微丝和中间丝（纤维） 。nullFigure 6-1 Three types of protein filaments form the cytoskeleton Figure 6-1 Three types of protein filaments form the cytoskeleton 1 微管(Microtubules)1 微管(Microtubules)1.1 微管的结构和组成 1.2 微管的组装 1.3 微管特异性药物 1.4 微管组织中心(MTOC) 1.5 微管结合蛋白(MAP) 1.6 微管的功能 1.1 微管的结构和组成 1.1 微管的结构和组成 有3种不同的微管结构： 单微管 (singlet) 二联体 (doublet)（纤毛和鞭毛） 三联体 (trimer)（中心体和基体）null1.2 组装(assembly)1.2 组装(assembly)◆ 组装的模式 ◆ 所有的微管均有极性 ◆ 微管的组装是一个动态的过程 null微管由许多亚单位连接而成，每一个亚单位是2种非常相似的球蛋白，α-微管蛋白和β-微管蛋白。它们由非共价键连接的结合紧密的异二聚体（dimers）。 组装的模式null多个微管异二聚体由非共价键连接在一起，形成中空圆柱形微管的管壁。即管的结构是由13条平行原丝构成的圆柱体，每一条原丝是由α-与β-微管蛋白二聚体沿着纵轴交替排列而成。 null◆ 微管在动力学上不稳定性（dynamic instability）是指微管的生长和缩短迅速的 交替进行。 null◆ 动力学上不稳定 原因 ： 携带有 GTP的微管蛋白异二聚体比携带有 GDP 的异二聚体间的相互结合更紧密一些。因此在微管的一端不断加进带GTP 的新鲜微管蛋白异二聚体具生长的倾向。随时间的推移，特别是在微管生长慢的时候，在新亚单位加进之前， GTP 帽上的GTP 将被水解为GDP ； GTP 帽因此丢失。带GDP 的亚单位是不能紧系在多聚体上，易从端部脱落，使微管不断的缩短。nullnull1.3 微管特异性药物 1.3 微管特异性药物 ◆ 秋水仙碱（Colchicine）抑制微管蛋白的组装和破坏纺锤体的结构 . ◆ 紫杉醇（Taxol）促进微管的组装，导致微管的稳定。 ◆ 动力学不稳定性（Dynamic instability）是微管起正常作用的基础。1.4 微管组织中心1.4 微管组织中心 微管组织中心 (MTOC) 是细胞中由此发出微管的位置。 1.4.1 MTOC家族 1.4.2 中心体 1.4.3 基体 1.4.1 MTOC家族1.4.1 MTOC家族◆ 生长期 G 期 MTOC  中心体 (动态微管) ◆ 分裂细胞的 MTOC  有丝分裂纺锤体 (动态微管) ◆ 鞭毛和纤毛 MTOC  基体 (永久性结构) null1.4.2 中心体(centrosome)1.4.2 中心体(centrosome)◆ 结构 　 ◆ 中心体复制与细胞周期的关系 ◆γ-微管蛋白环(γ-tubulin rings) 在中心体中提供了α-,β-微管蛋白异二聚体最初组装的位置, 也称为成核位点（nucleating site or nucleation)。nullnullnull1.4.3 基体（basal body）1.4.3 基体（basal body）◆ 基体是纤毛和鞭毛微管的组织中心。 ◆中心体和基体均有自我复制的能力。null1.5 微管结合蛋白（Microtubule Associated Protein, MAP）1.5 微管结合蛋白（Microtubule Associated Protein, MAP）1.6 微管的功能 1.6 微管的功能 1.6.1 维持细胞的形态 1.6.2 细胞内物质的转运 1.6.3 细胞器（organelle）的定位 1.6.4 纤毛和鞭毛的运动 1.6.5 纺锤体和染色体的运动nullnull1.6.1 细胞形态的维持1.6.1 细胞形态的维持 当细胞经秋水仙素处理时，微管就会解聚，引起细胞变圆。 这表明微管是维持细胞不对称性的基础；微管在形成和维持细胞的突起，如纤毛、鞭毛和轴突中起重要作用。1.6.2 细胞内物质的转运 1.6.2 细胞内物质的转运 ◆ 运动蛋白/发动蛋白 (Motor proteins) ◆ 驱动蛋白(kinesin)和动力蛋白(dynein) 介导的细胞转运的类型和模型 ◆ 鱼类色素细胞中黑色素的运动nullnull神经元轴突运输的类型神经元轴突运输的类型轴突运输的类型 Figure 6-11 A general model for kinesin- and dynein-mediated transport in a typical cell. Figure 6-11 A general model for kinesin- and dynein-mediated transport in a typical cell. 发动（马达）蛋白发动（马达）蛋白已被鉴定的发动蛋白有10余种，其中两个主要的家族是沿细胞质微管运动。 ◆ 驱动蛋白 (kinesin): 通常沿微管向正极移动。 ◆ 动力蛋白(cytoplasmic dynein): 沿微管向负极移动。 　　 驱动蛋白和动力蛋白的分子结构 驱动蛋白和动力蛋白沿微管转运 水解驱动的发动蛋白nullnullnullnullFigure 6-10 An allosteric motor protein, driven by ATP hydrolysis, moves in one direction. 1.6.4 鞭毛和纤毛的运动1.6.4 鞭毛和纤毛的运动 ◆ 鞭毛和纤毛的运动方式 ◆ 鞭毛和纤毛的结构 ◆ 纤毛的运动机理nullnullnull2 微丝( microfilament，MF)2 微丝( microfilament，MF) MF 也成肌动蛋白丝（actin filaments），是一种细长柔韧的纤维 ，直径约7nm，在真核细胞中是由肌动蛋白多聚而成。. 2.1 组成 2.2 组装 2.3 微丝特异性药物 2.4 微丝结合蛋白 2.5 功能 null2.1 成分2.1 成分● 肌动蛋白(Actin)是微丝的结构成分, 哑铃状, 球状的actin称为 G-actin (globular actin). 纤维状肌动蛋白称为F-actin (fibrous actin)，是由G-actin连接而成的。 ● X-射线晶体图象分析显示G-actin被一个深裂分为两叶，并在裂缝结合有 ATP和 Mg2+。 F-actin 呈现弯曲的串珠链状结构，直径在 7 到 9 nm. nullFigure 6-15 Structures of monomeric G-actin and F-actin filamentFigure 6-15 Structures of monomeric G-actin and F-actin filament2.2 组装（Assembly）2.2 组装（Assembly）◆ 肌动蛋白聚合的机理：G-actin聚合的3个时相 ◆ 临界温度( Critical concentration, Cc). 在临界状态，仅仅是 G-actin和纤维端部亚单位的交换，但在纤维总量上没有变化。. ◆ 在延伸状态, 纤维一端, 即 (+) 端, 延伸比(-) 端快5～10倍。这是因为G-actin加到 (+) 端所需的 Cc值比(-)端低得多。nullnullFigure 6-17 The three phases of G-actin polymerization in vitro.null2.3 微丝特异性药物2.3 微丝特异性药物药物的毒性是在于破坏 F- 和 G- actins的平衡。 ◆ 秋水仙素 (Cytochalasin), 是一种真菌碱,通过结合在F微丝的正端，并结合在微丝正极(F-actin)阻抑肌动蛋白聚合,因而导致微丝解聚。 ◆ latrunculin, 是一种分泌的毒素，结合到G-actin上，阻止其加到纤维的端部。 ◆ 鬼笔环肽(philloidin)： 与微丝侧面结合,防止MF解聚。 ◆ 影响微丝装配动态性的药物对细胞都有毒害，说明微丝功能的发挥依赖于微丝与肌动蛋白单体库间的动态平衡。这种动态平衡受actin单体浓度和微丝结合蛋白的影响。null2.4 微丝结合蛋白2.4 微丝结合蛋白 微丝结合蛋白起调控微丝的结构和行为的作用。 ◆ 肌动蛋白结合蛋白 proflin （肌动蛋白的）形成蛋白，或称抑制蛋白，是肌动蛋白的结合蛋白，起促进肌动蛋白组装的作用。 胸腺素β4（thymosin beta4）起抑制微丝组装的作用。 还有一些细胞质蛋白控制肌动蛋白的多聚化。null◆微丝结合蛋白(microfilament-binding proteins) 封端蛋白(capping)：肌动纤维结合 切丝蛋白(cofilin)： 细丝蛋白(filamin): 横向连接微丝成网状结构 截断蛋白(fragmin, serverin): 起将微丝切断的作用 绒毛蛋白(villin) 形成微绒毛中微丝束起关键作用 纽蛋白(vinculin):结合α辅助肌动蛋白，介导微丝结合在细胞膜上null◆ 3 种微丝结构稳定的形式： ◆ 平行束(Parallel bundle): MFs均衡平行排列，主要出现在微绒毛(microvillus)和丝状伪足(filopodium)。 ◆ Contractile bundle: MF反向平行排列，主要发现于 应力纤维和有丝分裂收缩环 。 ◆ 胶状网（Gel-like network）: 微丝交错排列，发现于细胞皮层，即胞质溶胶部分。nullnullFigure 6-18 Model of the complementary roles of profilin and thymosin β4 in regulating polymerization of G-actin. nullnullnullnull2.5 微丝的功能2.5 微丝的功能2.5.1 维持细胞形状 2.5.2 细胞运动 2.5.3 微绒毛(microvillus) 2.5.4 应力纤维(stress fiber) 2.5.5 参与细胞分裂 2.5.6 肌肉收缩null2.5.1 维持细胞形状 在细胞质膜不同的位置上均有微丝的分布，主要位于质膜之下并形成网状结构，用以维持细胞形状和赋予质膜一定的强度。 例如哺乳类动物的红细胞膜骨架在维持细胞形状方面所引起的作用。nullnull 以成纤维细胞（Fibroblast）为例，细胞的爬行与肌动蛋白丝（微丝）的组装和解聚有关。2.5.2 细胞的运动nullnullnull 为了增加它们的表面积，吸收或分泌的上皮细胞表面上出现许多细小的指状结构。 2.5.3 微绒毛(microvillus)null2.5.4 应力纤维(stress fiber)2.5.4 应力纤维(stress fiber) 细胞壁间黏连与黏着斑(adhesion plaque)形成有关. 在质膜的相关位置形成质膜的黏着斑,微丝紧密地排列成束,组成了应力纤维,有收缩的能力.null 收缩环（Contractile ring）, 是胞质分裂的机械动因，由肌动蛋白微丝构成，位于皮层细胞质中，能为一个细胞一分为二提供必需的动力。2.5.5 参与胞质分裂 null2.5.6 肌肉收缩（muscle contraction）2.5.6 肌肉收缩（muscle contraction） 肌肉是富含细胞骨架的高效能量转换器，能将化学能转化为机械能。 ◆骨骼肌组织结构的各种水平 ◆肌节(sarcomere)的收缩 ◆肌肉收缩系统的相关蛋白 ◆肌肉收缩的滑动模型（Slide model） ◆神经冲动诱发的肌肉收缩过程 nullnull肌肉收缩系统的相关蛋白肌肉收缩系统的相关蛋白① 肌球蛋白(myosin)—所有的依赖肌动蛋白的运动蛋白属于这个家族, 有 ATPase 头部, 沿着微丝从负极向正极滑动。 肌球蛋白II (Myosin Ⅱ) 主要分布在肌细胞中，有两个球状的ATPase 头部 和一个卷曲螺旋状的尾部。肌动蛋白II通过尾部相互结合成簇, 形成一个双极性的肌动蛋白丝，其头部从两侧伸出形成粗丝。nullnull② 原肌球蛋白(tropomyosin, Tm) 由两个平行的多肽链形成，呈α- 螺旋结构. 位于肌动蛋白和微丝结合的沟内，控制肌动蛋白和肌球蛋白的接触。 ③ 肌钙蛋白(Troponin, Tn) 是一个复合体，包括: (1)Tn-C, Ca2敏感蛋白, 能专一性结合Ca2+ (2)Tn-T,能专一性结合原肌球蛋白 (3)Tn-I, 抑制肌球蛋白ATPase 的活性nullnullnull3 中等纤维/中间丝 ( intermediate filament, IF)3 中等纤维/中间丝 ( intermediate filament, IF) 10 nm丝之所以被称为中间丝，因为在平滑肌中，它们的直径在含肌动蛋白的细丝和含肌球蛋白的粗丝之间。 IF 存在于大多数动物细胞的胞质中。它们网状分布贯穿整个细胞质部分, 包绕核并伸展到细胞外周, 特别是在耐受机械强度大的细胞, 如上皮(epithelia) 组织的细胞。IF 也存在于细胞核中, 如核纤层(nuclear lamina) 位于真核细胞核膜之下，增加核膜的强度。中等纤维(IF)中等纤维(IF) 3.1 IF的组装 3.2 IF的成分和分布 3.3 IF的功能 3.4 核内的中等纤维nullnull3.1 IF的组装3.1 IF的组装◆ IF的特征： 中等纤维的亚单位是一个伸长的纤维状的多肽链。 与微管和微丝不同,中等纤维没有极性。由于2个二聚体相互以反向交错的方式，即一个二聚体的N端和另一个二聚体的C端以反向平行的方式相结合，组成无极性的四聚体结构。 在离体条件下, IFs 的组装 自发进行, 无需 ATP 和结合蛋白。 在活体内, IFs 以纤维状存在，几乎不会出现球状蛋白。某些IFs 的组装受细胞周期 (cell cycle)的调控, 例如核纤层(lamina)的组装和解聚。. nullnullnull3.2 IF的成分和分布3.2 IF的成分和分布 IF比MF和MT的成分复杂，并有组织特异性。各种IF在形态上较为相似，而在化学成分上有明显的不同。 ◆ IF的成分和分布 ◆ IF 蛋白质的表达有明显的组织特异性nullComponent and distribution of IF3.3 IF的功能3.3 IF的功能◆ 机械强度 ◆ 桥粒(desmosome)的形成和维持 ◆ 肌肉中的收缩机制 ◆ 在神经丝中的功能: 增加轴突的强度和决定轴突的尺寸。 ◆ 细胞内的信号传递与分子信号 ◆ mRNA的运输nullnull3.4 核纤层(Nuclear Lamina)3.4 核纤层(Nuclear Lamina)●核纤层的分布和结构 ●成分 —— 核层蛋白(Lamin) ●核纤层蛋白的分子结构以及和IF相关的蛋白 ●核纤层的表达与在细胞中的分化 ●核纤层在细胞周期中的变化 ●功能null成分——核层蛋白(Lamin)成分——核层蛋白(Lamin)◆哺乳类和鸟类细胞 LaminA LaminB LaminC核纤层的分子结构和与 IF的关系核纤层的分子结构和与 IF的关系◆ 核层和 IF之间的共同点 两者均为 10nm丝; 如果将细胞用非离子型去垢剂与高浓度盐溶液处理，两者均以完整的纤维存在; 与抗体有同样的交叉反应。 核层和 IF 的单体均有相似的 α螺旋区。在细胞周期中核纤层的变化在细胞周期中核纤层的变化◆核纤层蛋白在前期的磷酸化有助于发动核层和核膜的解聚。 ◆ 在末期的脱磷酸化，可以逆转上述过程。nullFigure 6.30 The nuclear envelope breaks down and reforms during mitosis.核层的功能核层的功能◆ 为核膜与染色质提供结构支架nullnull