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1、第七章 细胞骨架 cytoskeleton,细胞骨架真核细胞中由微管、微丝和中间纤维构成的相互作用的网络。 广义的细胞骨架包括核骨架、核纤层和细胞外基质，形成贯穿于细胞核、细胞质、细胞外的一体化网络结构。,细胞骨架真核细胞中由微管、微丝和中间纤维构成的相互作用的网络。 广义的细胞骨架包括核骨架、核纤层和细胞外基质，形成贯穿于细胞核、细胞质、细胞外的一体化网络结构。,微管主要分布在核周围，呈放射状向胞质四周扩散。 微丝主要分布在细胞质膜的内侧。 中间纤维分布在整个细胞中。,Microtubule,Microfilament,Intermediate filament,第一节 微 管,上世纪50年
2、代，首次在超薄切片中观察到微管(microtubule ) 。 (a) 脑细胞微管的电镜照片 (b) 微管横截面的电镜照片 (c) 微管纵切面模式图,一、微管的结构与组成,微管的外径24nm，管壁厚度约5nm，跨越细胞的整个长度或宽度。 管壁由纵向排列的13条原纤维构成。 原纤维由 , 微管蛋白球状亚基组成的异二聚体装配而成。,每个装配单位一端是微管蛋白，另一端是微管蛋白。所以原纤维不对称。,微管在细胞中的存在形式,单管：细胞质微管，结构不稳定。,三联管：13+10+10 存在于中心粒、基体，结构稳定。,13,13,10,13,10,10,二联管：13+10 见于特化的细胞结构 纤毛和鞭毛的轴
3、丝内。 结构比较稳定。,二、微管结合蛋白,微管结合蛋白( microtubule associated protein, MAP ) 结合在微管表面的一种辅助蛋白 (accessory proteins)，提高微管的稳定性；改变其刚性或影响组装速率；介导微管与其他细胞器的连接。 MAP 具有两个结构域 ( domain ) 一个结构域结合到微管蛋白侧面，加速微管的成核。 另一个结构域从微管蛋白表面向外延伸，与其他骨架纤维连接。 MAP1, MAP2, Tau 只存在于神经元细胞。 MAP4 广泛分布在哺乳动物非神经元细胞中。 *结构域蛋白质中在结构和功能上相对独立的区域。,神经细胞中的MAPs
4、,MAP2 有3个微管蛋白结合位点，彼此分开，与微管壁的3个不同微管蛋白亚基结合。 MAP2 的尾部向外伸出，拥有较长的突出结构域，以便与其他骨架纤维相互作用。 突出结构域的长度决定微管束中微管的间距。,突出结构域,神经细胞中的 MAPs,MAP2 有3个微管蛋白结合位点，彼此分开，与微管壁的3个不同微管蛋白亚基结合。 MAP2 的尾部向外伸出，拥有较长的突出结构域，以便与其他骨架纤维相互作用。 Tau 拥有较短的突出结构域。 细胞过量表达MAP2, Tau MAP2 过量表达的细胞，保持有较宽空间的微管束。 Tau 过量表达，形成包裹得更紧密的微管束。,三、微管的装配与动力学,微管在正常情况
5、下装配和去装配，以适应细胞在不同时间的变化需要。 微管的装配分为三个时期 成核期 ( nucleation phase ) , 微管蛋白聚合，形成一个短的寡聚体/核心。 聚合期( polymerization phase ) , 微管蛋白异二聚体不断加到微管正端，使微管延长。 稳定期( steady state phase ) 游离微管蛋白水平下降，装配与去装配达到动态平衡。,（一）微管装配的起始点是微管组织中心,在体内，微管的成核和组织过程与一些特异的结构相关，这些结构被称为微管组织中心 ( microtubule-organizing center, MTOC ) 。 MTOC 是微管装配
6、的起始点 控制微管的数目、极性 控制组成微管壁的原纤维数目 控制微管组装的时间和地点,常见微管组织中心 间期细胞：中心体（动态微管） 鞭毛、纤毛细胞：基体 ，永久性结构,中心体 (centrosome),在动物细胞中，细胞骨架微管一般与中心体结合，组成一个复合结构。 含有2个桶状的中心粒 由9组三联管构成 成对的中心粒垂直排列，包埋在中心粒旁物质( pericentriolar material, PCM )中。,经过复制的2对中心粒,微管的成核作用,-环形蛋白复合体 (- Tubulin ring complex,-TuRC ) 螺旋化排列的13个微管蛋白亚基组成一个开放的环状模板，在模板上
7、第一列微管蛋白二聚体组装形成-TuRC，与微管具有相同直径。,纤维性的中心粒旁物质含有50拷贝以上的-TuRC 中心体是微管成核的位点。-TuRC 由MTOC提供的物质固定其位置，从而决定微管的极性。负端与中心体结合，正端远离中心体。,nucleating sites (-tubulin ring complexes),pair of centrioles,microtubules growing form -tubulin ring complexes of the centrosome,(a),(b),微管生长时，正端以开口片状存在，结合GTP的二聚体添加其上。 快速生长阶段，微管蛋白二聚
8、体添加速率快于微管蛋白上GTP水解的速率。微管末端形成GTP帽，有利于添加更多的亚基使微管生长。但带有开放末端的微管会产生自发反应，导致管口闭合。 管口闭合，迫使结合的GTP水解，改变微管蛋白二聚体的构像。 当原纤维向外翻卷并发生级联去组装时，GTP水解形成的张力被释放。,（三） 微管的体外装配,微管的体外装配条件 微管蛋白浓度：1mg/ml 最适 pH：6.9 最适温度：37，低温微管解聚 离子：加入 Mg2+ 、除去 Ca2+ GTP 提供能量 在一定条件下，微管在正端装配使微管延长，在负端去装配使微管缩短。当微管两端的装配和去装配达到平衡，其长度相对恒定不变时，该现象被称为“踏车” (
9、tread milling ) 。,在试管中组装的微管,11根原纤丝,（四）影响微管组装和去组装的因素,对活细胞进行各种处理可使细胞骨架微管去组装，但不破坏其它细胞结构。 低温、流体静力学压力、升高的钙离子浓度 微管特异性药物 秋水仙素、长春花碱、长春新碱和紫杉醇 秋水仙素，最重要的微管工具药物。 秋水仙素结合和稳定微管蛋白，阻止微管蛋白聚合，引起微管去组装。 长春花碱和长春新碱则结合微管蛋白异二聚体，抑制微管的聚合。 细胞周期特异性抗肿瘤药，作用于G1 , S & M。阻断增殖细胞纺锤体的形成，使有丝分裂停止于中期。,2019/1/12,19,紫杉醇 ( taxol ) 促进微管的装配，并使
10、已形成的微管稳定。紫杉醇所致的微管稳定性对细胞是有害的，使细胞周期停止于有丝分裂期。 紫杉醇类化合物在体内优先杀死肿瘤细胞，已用于癌症的化疗。,四、微管的功能,（一）支持和维持细胞的形态 作为动态支架，提供结构支撑，决定细胞形态和抵抗细胞变形。 微管从细胞的核周区域呈放射状向外伸展，各条微管逐渐弯曲并与细胞形状一致。,大而扁平的培养小鼠细胞中微管的定位,（二） 参与中心粒、纤毛和鞭毛的形成,纤毛/鞭毛轴丝的结构。可见轴心的 “92” 结构： 外周的9组二联管（13+10）和2条中央微管（完整微管）。 精子轴丝动力蛋白（以区别于胞质动力蛋白）缺陷将导致不育。,动力蛋白臂,A,B,（三）参与细胞内
11、的物质运输,细胞中的马达蛋白(motor proteins)将 ATP 的化学能转变为机械能，转运与马达蛋白结合的货物。 运输小泡、分泌颗粒、色素颗粒、线粒体、溶酶体和染色体等 单个细胞含有几十种不同的马达蛋白，分为三大家族： 动力蛋白( dyneins ) 沿微管运动 驱动蛋白( kinesin ) 沿微管运动 肌球蛋白( myosin ) 沿微丝运动 每种马达蛋白用于运输细胞特定区域的一类特定物质。 它们结合的纤维不同、移动的方向不同、携带的“货物”不同。,1. 动力蛋白,(a)由2个产力的球状头部（具有 ATP 水解酶活性）、1个柄部和基部的许多小亚基组成。小亚基介导马达蛋白与要转运的“
12、货物” 结合。,2. 驱动蛋白,负责从胞体向轴突末端运输小泡和细胞器。 由2条重链和2条轻链组成的四聚体。 一对球状头部（水解 ATP 产生能量）与微管结合。每个头部与一个颈部、一个杆状的柄部和一个结合运载“货物”的扇形尾部相连。,驱动蛋白沿着微管运输小泡的示意图,在体外培养的非极性细胞中，驱动蛋白和动力蛋白介导的小泡和细胞器运输的示意图。,（四）维持细胞内细胞器的定位,大鼠结肠分泌黏液的杯状细胞的极化结构图 细胞器沿着从顶端到基底端的轴以确定的模式排列,正常细胞高尔基体（绿色）定位在核周围。 用秋水仙素处理细胞，微管（橙色）解聚，高尔基体分散在整个胞质中。,5. 细胞分裂装置的必要组分,构成
13、有丝分裂器，介导染色体运动。,第二节 微丝 (microfilament, MF),又称肌动蛋白丝(actin filament) 细胞的许多运动都依赖微丝的存在 肌肉收缩 非肌肉收缩与运动 细胞分裂 巨噬细胞的吞噬活动 微绒毛,一、肌动蛋白与微丝的结构,微丝是由肌动蛋白单体（常称作G-肌动蛋白）组成的多聚体，直径约8nm。 肌动蛋白单体由2个亚基构成，每一亚基含有375个氨基酸残基。 肌动蛋白单体有 ATP ADP、Mg2+和K+ Na+以及肌球蛋白的结合位点。,肌动蛋白纤维的冷冻蚀刻电镜照片,双股螺旋结构,一、肌动蛋白与微丝的结构,每个肌动蛋白亚基都有极性，并且肌动蛋白纤维中所有的亚基均指
14、向同一方向，所以整条微丝都有极性。,二、微丝结合蛋白及其功能,决定细胞内微丝的组织与行为 右图，运动的成纤维细胞的前导边缘电镜照片，显示高度致密的肌动蛋白纤维组织成两种不同的排列。 什么因素控制肌动蛋白纤维的组装速率、数量、长度和空间分布？,微丝平行排列成束,微丝以不同方向 交联成网,单体隔离,封端加帽,单体成核,单体,交联,单体聚合,交联,解聚,纤维切割,膜结合,（一）单体-隔离蛋白 (monomer-sequestering protein),1. 胸腺素 结合G-actin，阻止G-actin聚合。 维持非肌肉细胞中肌动蛋白单体以较高的浓度( 50200mol / L )存在。维持单体库
15、的稳定。 2. 抑制蛋白 不抑制聚合，而是在去除加帽蛋白后，促进生长中的微丝正端添加结合抑制蛋白的肌动蛋白单体，在细胞运动过程中促进肌动蛋白聚合。,（二）交联蛋白 (cross-linking protein),改变微丝群体的三维结构。 交联蛋白有2个或2个以上与肌动蛋白结合的位点，能够将两个或两个以上分离的肌动蛋白纤维交联在一起。 细丝蛋白 绒毛蛋白 丝束蛋白,细丝蛋白,呈细长柔软的杆状，促进形成近似正交相互关系的纤维松散网络。 含该网络的胞质区具有弹性凝胶特性，能抵抗局部的机械压力。,成束蛋白,丝束蛋白和绒毛蛋白呈球状，促进肌动蛋白纤维束紧密地平行排列。 上皮细胞的微绒毛、内耳受体细胞突出
16、的毛发状的静纤毛。,端帽,丝束蛋白,绒毛蛋白,肌球蛋白,纤维正端,微绒毛,辅肌蛋白和丝束蛋白,成束蛋白,（三）封端（加帽）蛋白 End-blocking(capping) protein,与微丝的某一端结合形成帽，调节肌动蛋白纤维的长度。 在纤维快速增长的正端加帽，则另一端解聚，导致纤维去组装。 横纹肌的细丝由 Cap Z 在其 Z 线的正端加帽，其负端则由原肌球调节蛋白加帽。,（四）纤维-切割蛋白 (filament-severing protein),与已有纤维的侧面结合，并将其一分为二。由于纤维长度缩短，胞质黏度下降。 切割蛋白能产生游离的正端，促进肌动蛋白单体的渗入，或为切割产生的片段加帽。,凝溶胶转换蛋白,切割、加帽,（五）肌动蛋白纤维-解聚蛋白 (actin filament-depolymerizing protein),与微丝负端结合，促进微丝解聚成肌动蛋白单体。 结合在肌动蛋白微丝上，使之轻微扭曲变紧，易碎、易切割。拆卸细胞的衰老纤维。
