细胞生物学细胞骨架.ppt

1、医医 学学 细细 胞胞 生生 物物 学学 （ Medical Cell Biology) 生物遗传教研室生物遗传教研室 第七章第七章 细细 胞胞 骨骨 架架 (cytoskeleton) 1.细胞骨架：细胞骨架： (cytoskeleton) 由细胞质中的蛋白质纤维交织组成的由细胞质中的蛋白质纤维交织组成的 立体网架体系。立体网架体系。 概概 述述 2.分类分类 ： 狭义：狭义： 指指 细胞质骨架细胞质骨架 ，由，由 微管、微丝和微管、微丝和 中间纤维中间纤维 组成。组成。 广义：广义： 包括细胞质骨架、细胞核骨架和包括细胞质骨架、细胞核骨架和 细胞外基质。细胞外基质。 激光共聚焦扫描 星形胶

2、质细胞 (绿色荧光标记细胞骨架，红色荧光标记细胞核 ) 微管微管 微丝微丝 中间纤维中间纤维 线粒体线粒体 核糖体核糖体 内质网内质网 细细 胞胞 骨骨 架架 细胞骨架 微管微管 微丝微丝 中间纤维中间纤维 光镜下显示细胞骨架 红色红色 显示微丝，显示微丝， 绿色绿色 显示微管显示微管 （ Microtubule, MT） 第第 一一 节节 微微 管管 一、微管的结构一、微管的结构 光镜下黄色荧光显示微管 光镜下的微管 电镜下的微管 微管的结构微管的结构 1. 中空、圆柱形中空、圆柱形 ， 内径约内径约 15nm， 外径约外径约 25nm， 长度约数微米。长度约数微米。 2. 由由 13条原纤

3、维条原纤维 纵向螺旋排列纵向螺旋排列 围成。围成。 微管的种类微管的种类 单单 管：管： 由 13根原纤维螺旋排列围成，分散或成束。 二联管：二联管： 由 A、 B两根单管组成。 三联管：三联管： A、 B、 C三根单管组成。 （一）微管蛋白（一）微管蛋白 （ tubulin）：酸性球蛋白）：酸性球蛋白 微管蛋白： 450个氨基酸 微管蛋白： 455个氨基酸 、 异二聚体异二聚体 ， 占总蛋白 80，酸 性 pH=5.2 5.4。 二、微管的化学组成二、微管的化学组成 1.微管的化学组成微管的化学组成 GTP l 、 微管蛋白上有微管蛋白上有 GTP或或 GDP 、 Mg2+和和 Ca2+、秋

4、水仙素等、秋水仙素等 的结合位点。的结合位点。 （二）微管结合蛋白（二）微管结合蛋白 （ microtubule-associated protein， MAP ） 1.概念：概念： 附着在微管上，参 与微管组装、增加微管稳 定性的蛋白质。 2. MAP组成：组成： (1)碱性的微管结合结构域碱性的微管结合结构域 (2)酸性的突出结构域酸性的突出结构域 3. 种类：种类： MAP-1、 MAP-2、 tau、 MAP-4等。等。 三、微管的装配与动力学 微管的组装过程：微管的组装过程： 成核期（延迟期）：成核期（延迟期）： 、 微管蛋白聚合成核心。微管蛋白聚合成核心。 聚合期（延长期）：聚合期

5、（延长期）： 微管蛋白聚合速度大于解聚速度。微管蛋白聚合速度大于解聚速度。 稳定期：稳定期： 微管的组装与去组装速度相等。微管的组装与去组装速度相等。 微管的组装 以以 、 异二聚体为异二聚体为 基本结构单位，基本结构单位， 彼此顺序连接，彼此顺序连接， 形成具有头形成具有头 (端端 )、 尾尾 (端端 )的极性链状的极性链状 原纤维原纤维 。 微管的组装过程微管的组装过程 由 13条 原纤维原纤维 围成中 空、管状结构。 外径 24 26nm、 壁厚 5nm、内径 15nm 。 微管具有极性 : 增长速度快为 +极极 , 外端是 。 生长缓慢为 - 极。极。 外端是 . 微管的组装 （一）微

6、管组织中心（一）微管组织中心 microtubule organizing center, MTOC 1、中心体、纤毛基体、中心体、纤毛基体 具有具有 微管球蛋白，微管球蛋白， 称微管组织中心称微管组织中心 （ MTOC）。）。 2、 MTOC处微管蛋白以环处微管蛋白以环 状的状的 微管球蛋白微管球蛋白 复合复合 体为模板核化、组装出体为模板核化、组装出 （ -）极，然后生长。）极，然后生长。 v MT are nucleated by a protein complex containing -tubulin The centrosome is the major MTOC of anima

7、l cells （二）微管的体外组装（二）微管的体外组装 二聚体二聚体 双环、螺环双环、螺环 单根原纤维单根原纤维 成片状成片状 13根原纤维根原纤维 微管微管 + - 踏 车 微管组装的踏车模型微管组装的踏车模型 1）条件：）条件： 微管蛋白浓度、微管蛋白浓度、 GTP、 37 、 pH6.9。 2） GTP-微管蛋白微管蛋白 与微管末端亲和性大与微管末端亲和性大 聚集。聚集。 3） GDP-微管蛋白微管蛋白 与微管末端亲和性小与微管末端亲和性小 解聚。解聚。 4） GTP-微管蛋白的组装速度大于微管蛋白的组装速度大于 GTP的水解速度时的水解速度时 ，形成一，形成一 GTP帽帽 tubul

8、in-GTP cap，微管延长。，微管延长。 5）组装速度小于）组装速度小于 GTP水解速度时，水解速度时， GTP-帽缩小、消帽缩小、消 失，暴露出失，暴露出 GDP-微管蛋白，微管不稳定，解聚缩短微管蛋白，微管不稳定，解聚缩短 ，从而表现出动力学不稳定性。，从而表现出动力学不稳定性。 6）微管的组装和去组装速度相等时，溶液中微管）微管的组装和去组装速度相等时，溶液中微管 蛋白浓度称临界浓度（蛋白浓度称临界浓度（ criticalconcentration Cc) GTP微管蛋白 GDP微管蛋白 微管组装微管组装 非稳态动力学模型非稳态动力学模型 （三）微管的体内组装 1. 特点：特点： 随

9、细胞周期和生理状况变化，频率高于体外。随细胞周期和生理状况变化，频率高于体外。 2.微管蛋白以环状的微管蛋白以环状的 球蛋白复合体为模板核化，负端附着于球蛋白复合体为模板核化，负端附着于 MTOC上开始生长，延长或缩短发生在正端。上开始生长，延长或缩短发生在正端。 2.抑制微管组装的因素：抑制微管组装的因素： 微管蛋白浓度较低，低于微管蛋白浓度较低，低于 4 、高、高 Ca2 + ，微管解聚；，微管解聚； 3.药物：药物： 紫杉醇：紫杉醇： 促进微管的组装。促进微管的组装。 秋水仙素、长春花碱：秋水仙素、长春花碱： 抑制微管的组装。抑制微管的组装。 l影响体外装配的因素：影响体外装配的因素：

10、GTP浓度、压力、温度、浓度、压力、温度、 pH值、微管蛋白临界浓度和药物等。值、微管蛋白临界浓度和药物等。 1.促进微管组装的因素：促进微管组装的因素： 微管蛋白浓度较高、微管蛋白浓度较高、 37 、 GTP和和 Mg2+。 （四）影响微管组装的因素（四）影响微管组装的因素 四、微管的功能四、微管的功能 1、构成网状支架，维持细胞形态、构成网状支架，维持细胞形态 。 2、微管参与中心粒、纤毛、和鞭毛的形成、微管参与中心粒、纤毛、和鞭毛的形成 （ 1）纤毛和鞭毛的结构）纤毛和鞭毛的结构 顶部顶部 杆部杆部 基体 结构：结构： 顶部、杆部和基体。顶部、杆部和基体。 顶部：顶部： 结构式：结构式：

11、 91+2 杆部：杆部： 结构式：结构式： 92+2 基体：基体： 结构式：结构式： 93+0 纤毛杆部 质膜 轴丝 AB A B A B A B A BA B A B A B AB C2C1 9 X 2 + 2 二联体微管 中央微管 中央鞘（内鞘） 外 臂 内 臂 动力蛋白 B A 辐条头 辐 条 管间连接丝 （ 2）中心粒 （ centriole） l中心粒：中心粒： 圆筒状小体，成对垂直排列，称双心体。 结构式： 9 X 3 + 0 。 l中心粒周围物质中心粒周围物质 : 为致密细粒状物质。 在细胞有丝分裂时启动微管组装，形成纺锤体。 l中心粒中心粒 ATP酶：酶： 为细胞运动和染色体移

12、动提供能量。 中心粒 A B C AB C A B C A B C AB C ABC A BC中心粒卫星 A B C A B C 中心粒小轮中心粒小轮 （ 9 X 3 + 0） 中心粒亚显维结构 涉及两类微管马达蛋白（涉及两类微管马达蛋白（ motor protein ） 1.驱动蛋白驱动蛋白 (kinesin) 2. 动力蛋白动力蛋白 （ dynein ） 3.参与细胞内物质运输参与细胞内物质运输 微管的功能微管的功能 特点：特点： 方向性：方向性： 由微管的负端 正端 速度： 与 ATP浓度相关 过程：过程： 蛋白是一步一步地进行运动的 1.驱动蛋白驱动蛋白 特点：特点： 由微管的正端向负

13、端运动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动力蛋白通过可溶的多亚基蛋白复合体 与被运输物结合与被运输物结合 多亚基蛋白多亚基蛋白 动力蛋白动力蛋白 驱动蛋白 2. 动力蛋白动力蛋白 驱动蛋白 动力蛋白 + 沿微管运输的马达蛋白沿微管运输的马达蛋白 - 4. 维持细胞器的定位和分布维持细胞器的定位和分布 5. 参与染色体的运动，调节细胞分裂参与染色体的运动，调节细胞分裂 微管是构成有丝分裂器的主要成分。微管是构成有丝分裂器的主要成分。 染色体的分裂和位移与染色体的分裂和位移与 微管马达蛋白微管马达蛋白 有关。有关。 6.参与细胞内信号转导参与细胞内信号转导 有丝分裂，微管形

14、成纺锤体，牵引染色体到两极 1、构成细胞的网状支架、构成细胞的网状支架 维持细胞形态维持细胞形态 2、参与、参与 中心粒、纤毛和鞭毛的形成中心粒、纤毛和鞭毛的形成 3、 参与细胞内的参与细胞内的 物质运输物质运输 4、 维持细胞内维持细胞内 细胞器的定位与分布细胞器的定位与分布 5、微管参与、微管参与 染色体的运动染色体的运动 ， 调节细胞分裂调节细胞分裂 6、 参与细胞内参与细胞内 信号转导信号转导 微管的功能 第二节 微 丝 （ microfilament， MF） 微丝：微丝： (肌动蛋白纤维肌动蛋白纤维 ) 真核细胞中由真核细胞中由 肌动蛋白（肌动蛋白（ actin） 组成，组成， 直

15、径为直径为 5 8nm的骨架纤维。的骨架纤维。 分布：分布： 以束状、网状或散在形式存在，以束状、网状或散在形式存在， 主要分布在细胞皮质区。主要分布在细胞皮质区。 一、微丝的成分和结构一、微丝的成分和结构 1.微丝的化学组成：微丝的化学组成： 基本单位基本单位 肌动蛋白肌动蛋白 （ actin） 375个氨基酸组成。个氨基酸组成。 有有 ATP或或 ADP， Ca2+、 Mg2+结合位点结合位点 ATP、 Ca2+ 及低 Na+、 K+ Mg2+ 及 高 Na+、 K+ 两条肌动蛋白单链盘绕而成，具有极性。两条肌动蛋白单链盘绕而成，具有极性。 2. 微丝的结构 微丝纤维的负染色电镜照片微丝纤

16、维的负染色电镜照片 微丝纤维结构模型微丝纤维结构模型 电镜下显示微丝 二、微丝结合蛋白及其功能二、微丝结合蛋白及其功能 微丝结合蛋白 （ microfilament associated protein） 100余种，不同的微丝有不同的 MAP。 功能： 对纤维状肌动蛋白的结构和行为 起调节作用， 与微丝的装配及功能有关。 l1 核化蛋白：核化蛋白： 使游离 actin核化，开始组装， Arp l2 单体隔离蛋白：单体隔离蛋白： 阻止游离 actin向纤维添加 thymosin l3 封端蛋白：封端蛋白： 使纤维稳定， Cap Z l4 单体聚合蛋白：单体聚合蛋白： 将结合的单体安装到纤维，

17、profilin l5 微丝解聚蛋白：微丝解聚蛋白： 使微丝去组装， cofilin l6 交联蛋白：交联蛋白： fimbrin l7 纤维切断蛋白：纤维切断蛋白： 将微丝切断， gelsolin l8 膜结合蛋白：膜结合蛋白： vinculin 微丝结合蛋白的主要类型 核化蛋白 微丝解 聚蛋白 单体聚合蛋白 单体聚合蛋白 单体隔离蛋白 纤维切断蛋白 （一）微丝的组装过程： 1. 成核期成核期 （ nucleation phase) 2. 生长期生长期 （ growth phase）： 踏车现象踏车现象 3.平衡期平衡期 （ equilibrium phase） 三、微丝的组装 微丝的组装 G

18、-actin F-actin + - 踏车 （二）微丝组装的动态调节 当当 G-肌动蛋白达到一定浓度时，微丝一端因加肌动蛋白达到一定浓度时，微丝一端因加 G-肌肌 动蛋白单体而延长，另一端因单体的解离而缩短，肌动蛋动蛋白单体而延长，另一端因单体的解离而缩短，肌动蛋 白丝的净长度不变。白丝的净长度不变。 1 .踏车模型踏车模型 ATP-肌动蛋白：肌动蛋白： 对纤维状肌动蛋白末端的亲和对纤维状肌动蛋白末端的亲和 力高，使纤维延长。力高，使纤维延长。 ADP-肌动蛋白：肌动蛋白： 对纤维状肌动蛋白末端的亲和对纤维状肌动蛋白末端的亲和 力低，易脱落，使纤维缩短。力低，易脱落，使纤维缩短。 2.非稳态动

19、力模型非稳态动力模型 1.药物： 细胞松弛素细胞松弛素 B： 特异的破坏微丝的组装； 鬼笔环肽：鬼笔环肽： 稳定微丝，促进微丝聚合。 2.促进组装：促进组装： 含 Mg 2+、高 Na+ 、 K+ 3.促进去组装：促进去组装： 含 Ca2+ 、低 Na+ 、 K+ （三）影响微丝组装的因素（三）影响微丝组装的因素 （一）构成细胞的支架，维持细胞形态（一）构成细胞的支架，维持细胞形态 四、微丝的功能 光镜下 CHO细胞 兰色兰色 细胞核 绿色绿色 线粒体线粒体 红色 肌动蛋白纤维 培养的上皮细胞中的应力纤维（微丝红色、微管绿色） （二）参与细胞运动（二）参与细胞运动 细胞的运动方式：细胞的运动方

20、式： 胞质环流、变形运动、吞噬活动等。 阿米巴运动阿米巴运动 (巨噬细胞巨噬细胞 ) （三）参与细胞分裂（三）参与细胞分裂 肌原纤维 粗肌丝：粗肌丝： 肌球蛋白 细肌丝：细肌丝： 肌动蛋白、原肌 球蛋白和肌钙蛋白。 肌小节：肌小节： 肌肉收缩的基本 单位，位于相邻两 Z线间 （四）微丝参与肌肉收缩（四）微丝参与肌肉收缩 （ 五）参与细胞内物质运输五）参与细胞内物质运输 （六）参与细胞内信号转导（六）参与细胞内信号转导 细胞外信号细胞外信号 膜下微丝膜下微丝 核膜及核纤层核膜及核纤层 调控调控 DNA的复制和转录的复制和转录 第三节第三节 中间纤维中间纤维 （ intermediate fila

21、ments， IF ） l 直径 10nm左右，介于微丝和微管之间，故名。 l IF是最稳定的细胞骨架成分，主要起支撑作用 。 l IF在细胞中围绕着细胞核分布，成束成网，并 扩展到细胞质膜，与质膜相连结。 杆状 区 头部 （ N-端 ） 尾部 （ C-端） 中间纤维单 体共同结构域 -螺旋杆状区 非螺旋区 头部 （ N-端） 尾部 （ C-端） 一、中间纤维蛋白的形态结构一、中间纤维蛋白的形态结构 ： 高度保守 二、中间纤维的装配 l1.过程： 两个单体形成 超螺旋二聚体 （角蛋白为异二聚体） 两个二聚体反向平行组装 成四聚体； 两个四聚体组成 原纤维； 4根原纤维组成 中间纤维 。 l2.

22、特点： 无极性；无动态蛋白库；装配与温度和蛋白浓度无关 ；不需要 ATP、 GTP或结合蛋白的辅助。 类型类型 名名 称称 细胞定位细胞定位 分布细胞分布细胞 酸性角质蛋白 胞质 上皮细胞 碱性角质蛋白 胞质 上皮细胞 波形蛋白 胞质 间充质细胞 结蛋白 胞质 肌肉细胞 胶质纤维酸性蛋白 胞质 神经胶质细胞 - 内连蛋白 胞质 神经元 神经纤维蛋白 胞质 神经元 核纤层蛋白 胞核 融合蛋白 胞质 肌肉细胞 平行蛋白 胞质 肌肉细胞 三、中间纤维的类型三、中间纤维的类型 （一）在细胞内形成 完整的网状骨架系统 （二）增强细胞的 机械强度 （三）参与 细胞连接 （四）参与细胞内 信息传递及物质运输

23、 （五）维持 核膜稳定 （六）参与 细胞分化 四、中间纤维的功能四、中间纤维的功能 胞质骨架三种组分的比较胞质骨架三种组分的比较 微丝 微管 中间纤维 单体 球蛋白 球蛋白 杆状蛋白 结合核苷酸 ATP-G-actin 2GTP/ 二聚体 无 纤维直径 7nm 2522nm 10nm 结构 双链 螺旋 13 根原纤丝组成空心管 状纤维 8 个 4 聚体或 4 个 8 聚体组成的空心 管状纤维 极性 有 有 无 组织特异性 无 无 有 蛋白库 有 有 无 踏车行为 有 有 无 动力结合蛋白 肌球蛋白 动力蛋白，驱动蛋白 无 特异性药物 细胞松驰 素 鬼笔环肽 秋水仙素，长春花碱， 紫 杉酚 第五节细胞骨架与疾病第五节细胞骨架与疾病 1、遗传性细胞骨架疾病、遗传性细胞骨架疾病 2、肿瘤细胞中的细胞骨架、肿瘤细胞中的细胞骨架 3、神经系统疾病与细胞骨架、神经系统疾病与细胞骨架 本章重点 1.掌握掌握 细胞骨架的概念、组成。 2.掌握掌握 微管、微丝的化学组成、结构、 组装及功能。 3.掌握掌握 微管与中心体、鞭毛、纤毛的关系。 4.熟悉熟悉 中间纤维的化学组成、功能。 5.熟悉熟悉 细胞骨架的组与药物的关系 6.了解 细胞骨架与肿瘤治疗的关系。