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1、CHAPTER 10cell cytoskeleton and cell motility1OUTLINE1.ORGANIZATION AND FUNCTIONS OF THE CYTOSKELETON 2.MICROTUBULES3.MICROFILAMENTS4.INTERMEDIATE FILAMENTS2细 胞 骨 架3410.1.ORGANIZATION AND FUNCTIONS OF THE CYTOSKELETON10.1.1 细胞骨架的组成和分布微管主要分布在核周围,并呈放射状向胞 质四周扩散；肌动蛋白纤维主要分布在细胞质膜的内 侧和细胞核膜的内侧；中间纤维则分布在整个细胞中
2、。5细胞骨架的组成、分布及功能610.1.2 细胞骨架的功能作为支架(scaffold) 在细胞内形成一个框架(framework)结构 为细胞内的物质和细胞器的运输运动提供机械支持为细胞的位置移动提供力 为信使RNA提供锚定位点，促进 mRNA 翻译成多肽是细胞分裂的机器 参与信号转导7mRNA定向810.2 Microtubule10.2.1 微管的结构和类型形态Microtubules are hollow, tubular structures outer diameter of 24 nm,inner diameter of 14 nmwall thickness of approx
3、imately 5 nm微管的长度变化不定9微管的结构微管是由微管蛋白异源二聚体为基本构件,螺旋盘绕形成微管的壁在每根微管中二聚体头尾相接, 形成细长的原纤维(protofilament) 13条原纤维纵向排列组成微管的壁 10微管的结构11微管蛋白(tubulin)微管蛋白类型：和微管蛋白形成长度为8nm的异源二聚 体每一个微管蛋白二聚体有两个GTP结合位点亚基GTP结合位点亚基GTP结合点是可交换位点(exchangeable site)。-微管蛋白的功能是帮助微管的聚合 。 12微 管 蛋 白13微管的类型根据组成:分为单管双联管三联管根据稳定性:短寿的不稳定微管长寿的稳定微管14三种形
4、式的微管1510.2.2微管装配的动力学Microtubule organizing centers, MTOC 中心体(Centrosome) 细胞核旁 基体(basal body) 中心粒(Centriole) 微管的极性 、二聚体以首-尾排列的方式进行组装，具有方向性(极性) 两端分别称为“+”端(plus end)和“-”端(minus end)。 16MTOC与微管的发生17中 心 粒18中心体结构(电镜照片)19中心体与基体中的中心粒20神经细胞中微管的方向21植物细胞中的微管方 向22Assembly of microtubules原纤维装配Microtubule Nucleat
5、ion 片状结构的形成微管的形成GTP帽(GTP Cap)23微管的装配 24微管装配与GTP帽25-微管蛋白在微管装配中的作用26微管蛋白的作用27影响微管装配的因素造成微管不稳定性的因素很多，包括GTP、压力、温度(最适温度37)、pH(最适pH=6.9)、微管蛋白临界浓度(critical concentration)。28影响微管稳定的因素2910.2.2 微管的动力学微管装配的动力学现象踏车现象(treadmilling)又称轮回现象, 是微管组装后处于 动态平衡的一种现象。 动态不稳定性(dynamic instability)微管随反应体系中游离二聚体的 浓度变化而发生的生长状态
6、和缩短状 态的转变。30踏 车 行 为31微 管 动 态 不 稳 定 性 3210.2.2 微管的动力学影响微管稳定性的药物紫杉醇(taxol)存在于红豆杉属植物中的一种复 杂的次生代谢产物, 也是目前所了解的 惟一一种可以促进微管聚合和稳定已聚 合微管的药物。秋水仙素(colchicine)秋水仙素与未聚合的微管蛋白二聚体 结合, 阻止聚合。 33秋水仙素与 紫杉醇的结构34培养细胞微管装配 与去装配的诱导3510.2.3 Microtubule- associated proteins, MAPs36MAPs的功能使微管相互交联形成束状结构;促进微管的聚合;作为分子发动机转运细胞物质的轨道
7、;提高微管的稳定性;MAPs同微管的结合能够控制微管的长度，防止微管的解聚。37微管结合蛋白的作用3810.2.4 Molecular motor发动机是一种能够将化学能或电能 转变成机械能的机器。Motor proteinsTo convert chemical energy (stored in ATP) into mechanical energy, which is used to move cellular cargo attached to the motor. 39机械发动机40发动 机蛋 白的 运动 方式41分子发动机的类型Motor proteins can be group
8、ed into three broad families: 肌球蛋白(myosins)家族To move along microfilaments. 驱动蛋白(kinesins)家族To move along microtubules 动力蛋白(dyneins)家族To move along microtubules42分子发动机移动的主要特点Motor proteins move unidirectionally along their cytoskeletal track 驱动蛋白:从(-)端向(+)端的运输动力蛋白:从(+)端向(-)端运输In a stepwise manner The
9、 fuel is ATPTo undergoes a series of conformational changes that constitute a mechanical cycle 43发动机蛋白单向运输44In a stepwise manner 45驱动蛋白(kinesins)Structure kinesin is a tetramer constructed from two identical heavy chains and two identical light chains A kinesin molecule has a pair of globular heads
10、that bind a microtubule and act as ATP- hydrolyzlng, force-generating “engines.“ a fan-shaped tail that binds cargo to be hauled Each head is connected to a neck, a rodlike stalk46Kinesin Structure47驱动蛋白家族结构特点48驱动蛋白功能特点Kinesin is a plus end-directed microtubular motorEach step is approximately 8 nm
11、in length, which is also the spacing between tubulin dimers along a protofilament移动的速度与ATP的浓度有关速度高时,可达到每秒900nm49驱动蛋白的运输方向50Cytoplasmic dyneins Cytoplasmic dynein is a huge protein :molecular mass of approximately 1.5 million daltons Composed of two identical heavy chains and a variety of intermediat
12、e and light chains. To move along a microtubule toward the polymers minus end 功能 参与细胞分裂 运输小泡和各种膜结合细胞器51驱 动 蛋 白 与 动 力 蛋 白52动力蛋白与小泡的结合5310.2.5 微管的功能支架作用细胞内物质运输的轨道触突运输(axonal transport)鱼的色素细胞(fish pigment cells)54作为驱动蛋白与动力蛋白运输轨道55作 为 色 素 颗 粒 运 输 轨 道56微管介导的物质运输57组成纤毛和鞭毛的轴丝(axoneme)轴丝的微管结构:9+2 外围:质膜包裹 外周
13、:9组双联管,A管与B管 中央:中央鞘包裹一对微管 双联管的结构特点 A管:完全微管、内外动力臂、放射辐条 B管:不完全微管58轴丝微管组成与排列特点9组三联管:基体(basal body)9组双联管:近基体9+2:轴丝单管:纤毛顶部59鞭毛与纤毛60鞭毛 与纤 毛的 结构61鞭毛二联管结构62纤毛的基体结构63纤毛动力蛋白(ciliary dynein)是多头的动力蛋白基部同A管相连头部同相邻的B管相连头部具有ATP结合位点，能够水解ATP。64纤 毛 动 力 蛋 白65纤毛和鞭毛的运动机制微管滑动模型(sliding-microtubule model)纺锤体和染色体运动66Sliding
14、-microtubule model67Bending of an axoneme68微管发动机蛋白功能分类6910.3 Microfilament又称肌动蛋白纤维(actin filament)Microfilaments are approximately 8 nm in diameter and composed of globular subunits of the protein actin. 70微丝的形态结构7110.3.1 形态结构和装配微丝的形态结构F-actin:F-肌动蛋白呈双股螺旋状,直径为8nm,螺旋间的距离为37nm。G-actin:三个结合位点:一个ATP结合位点
15、两个肌动蛋白结合蛋白的结合位点。72肌动蛋白7310.3.2 Microfilament Assembly and Disassembly肌动蛋白纤维装配ATP的作用Actin is an ATPase, just as tubulin is a GTPase, and the role of ATP in actin assembly is similar to that of GTP in microtubule assembly 装配过程 成核(nucleation) 延伸(elongation) 稳定状态(steady state) 74Microfilament Assembly75
16、影响装配的因素G-肌动蛋白临界浓度离子的影响在含有ATP和Ca2+, 以及很低的Na+、K+ 等阳离子的溶液中,微丝趋向于解聚成 G-肌动蛋白。在Mg2+和高浓度K+或Na+的诱导下, G- 肌动蛋白则装配成纤维状肌动蛋白。76微丝的动态性质极性踏车现象(treadmilling)微丝的动态平衡作用于微丝的药物细胞松弛素B(cytochalasins B)鬼笔环肽(phalloidin)77微丝的动态平衡78细 胞 松 弛 素B 的 结 构7910.3.3 Actin-binding proteins微丝结合蛋白的类型单体隔离蛋白(monomer-sequestering protein) 加帽蛋白(cap
