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1、Part,09,细胞骨架,Cytoskeleton,在临床上肿瘤治疗过程中，常常采用一些植物碱（如紫杉醇、喜树碱等）进行化疗，其机理是什么？ 对发生转移的肿瘤如何确定其初始来源部位？,概 述,是广泛存在于真核细胞中由蛋白质纤维组成的网络系统。 功能：保持细胞形态、参与细胞运动、细胞分裂、细胞内运输以及信息传递等。,概 述,广义：包括细胞质骨架、细胞核骨架、细胞膜骨架、细胞外基质等纤维体系。 狭义：指由微管、微丝、中间纤维组成的细胞质骨架。,The three types of protein filaments that form the cytoskeleton,Techniques for
2、 studying the cytoskeleton,Fluorescent microscopy and Electron microscopy : Immunofluorescence: fluorescently-labeled antibody Fluorescence: microinject into living cells Video microscopy: in vitro motility assays Electron: Triton X-100, Metal replica Drugs and mutations (about functions) Biochemica
3、l analysis(in vitro),第一节 微管,Microtubule, MT,A fluorescently stained image of cultured epithelial cells showing the nucleus (yellow) and microtubules (red).,一、微管的形态结构、化学组成、存在形式即微管结合蛋白,（一）微管的形态结构 微管是一种具有极性、直而中空的圆筒状结构，直径2426nm，长短不一。,（二）微管的化学组成,是构成微管的主要蛋白。是一种酸性蛋白质，由和两种单体构成。微管蛋白和微管蛋白的理化性质相似，分子大小相近。 通常和微管
4、蛋白各一个分子连在一起构成较稳定的异二聚体（heterodimer）。异二聚体是微管装配的基本结构单位。,1. 微管蛋白（tubulin）,微管蛋白是近年来发现的第三种微管组成成分。含量低（不到1%），但作用同样重要。 -微管蛋白通常以-微管蛋白环状复合物（-TuRC, -tubulin ring complex）的形式存在于微管组织中心（MTOC），对微管的正常组装有调节作用。,种类较多，并非构成微管的基本构件，是维持微管结构和功能的必需成分。决定不同微管间的差异，种类较多。,2. 微管相关蛋白（microtubule-associated protein，MAP）,微管结构域,突出结构域,
5、功能: 促进微管聚集成束 增加微管稳定性和强度 促进微管组装,主要有MAP-1、MAP-2、Tau和MAP-4等几种，前三种主要存在于神经元中，MAP4广泛分布于各种细胞中。 一般认为，MAP与细胞骨架间的连接有关，Tau蛋白的功能是加速微管蛋白的聚合。,Organization of MT bundles by MAPs. Spacing of MTs depends on MAPs,Insect cell expressing MAP2,Insect cell expressing tau,Tau蛋白与阿尔茨海默病,Nature：阿尔茨海默病治疗从淀粉样蛋白-转向tau蛋白 Nature
6、Reviews Neurology 2013, 9: 677-686,Tau蛋白作用：在轴突中，与微管蛋白结合促进其聚合构建微管。 病理改变：磷酸化，失去和微管结合的活性，并竞争结合正常tau蛋白及其它微管相关蛋白。 结果：导致微管解聚，造成轴突转运障碍。,（三）微管的存在形式,由A、B两根微管组成，两管构造相同，有3根原纤维两管共有。主要存在于鞭毛和纤毛的杆状部分。,由A、B、C三根微管组成，其中A与B、B与C各有三根原纤维共有。中心粒和纤毛的基体。,最常见的微管存在形式。由13根原纤维包围而成。,二联管和三联管是细胞内某些永久性功能结构的主体，通常不易受低温、Ca2+及秋水仙素等的影响而发
7、生解聚，是细胞内稳定型微管结构。,92+2,92+0,93+0,微管是一种具有极性、动态、不稳定结构，可依细胞活动不断组装和去组装（微管微管蛋白）。,二、微管的组装,(一）微管的体外组装过程,异二聚体,原纤维,微 管,正端(端或头端),负端(端或尾端),极性,1.成核期（nucleation phase） 由于该期异二聚体的聚合速度缓慢，是微管聚合限速阶段，故也称为延迟期（lag phase）。,异二聚体,寡聚体核心,片状结构,13根原纤维,一段微管,2.聚合期（polymerization phase） 也称延长期（elongation phase），细胞内高浓度的游离微管蛋白，使微管蛋白二
8、聚体在微管正端聚合、组装的速度远远快于负端的解离速度，微管因此得不断地延长。,3.稳定期（steady state phase） 随着细胞质中游离微管蛋白浓度的下降，微管在正、负两端的聚合与解聚速度达到平衡，使微管长度趋于相对稳定的状态。,“踏车”模型 （treadmilling model） ：微管具有非稳定的动态特征。微管的正端组装，微管延长；微管的负端可去组装缩短。,（二）微管的体外组装与踏车模型,微管蛋白GTP帽：微管蛋白与GTP结合，促进微管组装、延长。 微管蛋白GDP帽：微管蛋白与GDP结合，促进微管解聚、缩短。,GTP帽,GDP帽,微管组织中心（microtubule organ
9、izing center, MTOC） MTOC是微管形成的核心位点，微管的组装由此开始。常见的MTOC：中心体、纤毛的基体。 MTOC的作用：使微管生成和延长，控制细胞质中微管形成的数量、位置和方向。,(三）微管的体内组装,-微管蛋白环状复合物（-TuRC）作为微管蛋白二聚体结合的核心，是微管组装的始发位置。不但可促使微管的生长和延长，而且也控制着细胞质中微管形成的数量、位置和方向。 通常，微管的负端总是指向MTOC，而正端则与之相背，游离于胞质的一侧。,1.微管蛋白浓度 关键因素之一。微管的组装需要一定的微管蛋白浓度。把微管蛋白聚合与微管组装时必需的最低微管蛋白浓度，称为临界浓度。 其值大
10、约为1mg/ml，但会受到其他因素的影响。 微管蛋白的合成可以自我调节 微管蛋白达到一定浓度时，多余的微管蛋白单体可结合于合成微管蛋白的核糖体上，导致编码微管蛋白的mRNA降解。 微管的组装受细胞周期的调控。 微管的组装受细胞周期的调控。,(四）影响微管组装与去组装的因素,2.组装其他条件 高Mg2+浓度、适当pH（约6.9）、合适的温度（20）、GTP（关键因素之二）、氧化氘（D2O）的供应、紫杉醇能促进微管的组装。 反之，小于4的温度、高Ca2+浓度、秋水仙碱、长春花碱等，可抑制微管的聚合组装，甚至使其解体。,1.构成细胞的网状支架，维持细胞的形态，固定细胞器的位置。,五、微管的功能,深绿
11、：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,2.参与细胞的收缩与变形运动，是纤毛和鞭毛等细胞运动器官的主体结构成分。,3.参与细胞内大分子颗粒物质及囊泡的定向转送运输。 如，细胞分泌颗粒、色素颗粒沿微管运输，线粒体的快速运动沿微管进行，如果破坏微管，物质运输就会受到抑制。,4.参与细胞器的位移和细胞分裂过程中染色体的定向移动。,第二节 微丝,Microfilament，MF,（一）微丝的基本组成 微丝（microfilament，MF）是一种具有极性的实心纤维状结构，直径为7nm，直而长度不一。,一、微丝的基本组成和
12、形态结构,微丝结合蛋白,球状肌动蛋白,1.肌动蛋白 球形肌动蛋白（globular actin, G-actin），外观呈哑铃状，有极性；具有与ATP/ADP以及Mg2+、K+、Na+等阳离子结合的位点。 分为三类：、和肌动蛋白,2.微丝结合蛋白 是微丝结构和功能的必需成分。其不仅直接参与微丝纤维系统高级结构的形成，而且对肌动蛋白纤维的动态组装具有重要的调节功能。 种类较多。,（二）微丝的形态结构,微丝是由G肌动蛋白单体形成的多聚体（纤维状肌动蛋白，F-肌动蛋白）。,球状肌动蛋白（G-肌动蛋白）,纤维状肌动蛋白（F-肌动蛋白）,一条F-肌动蛋白丝通过自身螺旋形成微丝,二、微丝的组装,（一）微丝
13、的体外组装过程 （1）成核期（nucleation phase） 该期是微丝组装的限速阶段，会滞留相对较长的时间，故也称为延迟期。,G-肌动蛋白,三聚体或四聚体核心,F-肌动蛋白,（2）生长期（growth phase） 也称延长期。此期G肌动蛋白在核心两端的集结、聚合速度不断加快，使得F肌动蛋白得以迅速增长、延伸。 F肌动蛋白两端表显出明显的差速生长和延伸。一般，把生长、延伸速度快的一端称作正（+）端，另一端即为负（）端。,（3）平衡期（equilibrium phase） 随着G肌动蛋白浓度的下降，G肌动蛋白聚集、结合到微丝上的速度与其从微丝上解离、脱落的速度逐渐接近，最终达到一种平衡状态
14、，使微丝长度相对恒定。,（二）影响微丝体外组装的因素,微丝的组装需要有一定浓度的G肌动蛋白单体、ATP提供能量（作用主要表现在延长阶段）、以及一定浓度的无机离子（主要是Mg2+）。 若在Ca2+以及很低浓度的Na+、K+溶液中，微丝趋向于解聚成G肌动蛋白； 而在Mg2+和高浓度的Na+、K+溶液的诱导下，G肌动蛋白则装配成F肌动蛋白。 细胞松驰素：能阻止新的G肌动蛋白单体的添加聚合，破坏微丝的组装。 鬼笔环肽:可促进微丝的组装，抑制微丝的解聚。,三、微丝的功能,1.构成细胞支架维持细胞形态。,2.参与细胞运动。如：肌肉收缩、胞质环流、变形运动等。,Enables cell locomotion
15、, such as pseudopodia, endocytosis, exocytosis.,3.参与细胞质分裂。,Anchors the centrosomes at opposite poles of the cell during mitosis; aids in the contraction of the cell during cytokinesis.,4.参与肌肉收缩。,Interacts with myosin filaments in skeletal muscle fibers to provide the force of muscular contraction.,5
16、.构成细胞间的连接装置。,cadherin 钙粘蛋白，钙粘素； catenin 连环蛋白，连环素。,第三节 中间纤维,Intermediate filament，IF,中间纤维（intermediate filament, IF）：又称中等纤维，化学成分、种类复杂，结构独特，对解聚微管（秋水仙素）和抑制微丝（细胞松弛素B）的药物均不敏感，是广泛存在于真核细胞中的第三种骨架成分。 组成中间纤维的成分极为复杂，而且有严格的细胞类型分布。,各种细胞内的中间纤维，由于各自的免疫学特性、化学性质不同，因而功能各异。 1.角蛋白丝 存在于上皮细胞或外胚层起源的细胞中 2.结蛋白丝 存在于成熟的肌细胞中 3.波形纤维蛋白丝 主要见于间质细胞和中胚层起源的细胞中 4.胶质纤维酸性蛋白丝 出现在神经组织的胶质细胞 5.神经丝蛋白 存在于神经细胞轴突中,一、中间纤维的类型,二、中间纤维的分子结构和组装,（一）中间纤维蛋白的分子结构 中空管状纤维，长而不分支，直径约为10nm，介于微管和微丝之间。,中间纤维的共同结构特点为： 螺旋杆状中心段+两端非螺旋的头部
