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1、第二节 微管及其功能,微管是由微管蛋白组成的中空管状结构。 微管在胞质中形成网络结构，作为运输路轨并起支撑作用。,上世纪50年代，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、 微管的组成与极性,、微管蛋白异二聚体，是微管装配的基本单位。 微管蛋白在生物进化中非常稳定。,微管蛋白二聚体具有两个GTP结合位点 球蛋白结合的GTP从不发生水解或交换。球蛋白是一种G蛋白，结合的GTP可发生水解，结合的GDP可交换为GTP。,微管蛋白二聚体线性排列形成一条微管原纤维。 微管是由13 条原纤维构成的
2、中空管状结构，外径为24nm，内径15nm 。,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。,C,细胞内微管的类型,单管：13条原纤维组成，细胞质中大部分微管为单管。,三联管：A与B、B与C各共用三根纤维，主要构成中心粒和基体。,二联管：A管B管共用三根原纤维，主要构成鞭毛、纤毛。,13,13,13,10,10,10,二、微管的组装和去组装,（一）微管装配的过程：成核 延伸 第一步，两种微管蛋白形成长度为8nm的二聚体，二聚体先沿纵向聚合形成一个短的原纤维； 第二步：以原纤维为基础，经侧面增加二聚体成为弯曲的片状结构,至13根原纤维时,即合拢形成一段微管; 第三步：新的二聚
3、体不断加入新生微管的端点,最终微管蛋白与微管达到平衡。,（二）微管装配的特点,1、与GTP结合的微管蛋白二聚体参与装配过程； 2、装配形成的微管具有极性，正极为微管蛋白，负极为微管蛋白； 3、装配速度两极不同，正极快，负极慢； 4、存在踏车现象；,The function of GTP-tubulin cap,Microtubule disassemble when GDP-tubulin are exposed.,（三）微管特异性药物,秋水仙素抑制微管装配，长春花碱具有类似的功能。 紫杉醇能促进微管的装配, 并使已形成的微管稳定。 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
4、化合物在体内优先杀死肿瘤细胞，已用于癌症的化疗。 微管的组装与去组装与温度有关,三、微管组织中心（MTOC）,在活细胞内，能够起始微管的成核，并使之延伸的细胞结构称为微管组织中心（microtubule center，MTOC）。 常见的MTOC： 间期细胞：中心体（动态微管）； 鞭毛、纤毛细胞：基体（永久性微管）。 MTOC决定微管的极性，负极指向MTOC，正极背向MTOC。,The Orientation of Microtubules in a Cell,中心体(centrosome),中心体(centrosome)结构：中心体由两个相互垂直的中心粒构成，周围是一些无定形物质，叫做外中心
5、粒物质（PCM）。 中心粒(centriole)直径0.2mm，长0.4mm，由9组间距均匀3联微管构成，不直接参与微管蛋白的核化，具有召集PCM的作用。,成核模型,-微管蛋白在细胞内的含量极微，位于中心体周围的基质中，形成环形结构为微管蛋白二聚体提供起始装配位点，所以又叫成核位点 。 13个-微管蛋白在中心体的周围基质中呈螺旋状排列形成一个开放的环状模板，微管组装时，微管蛋白二聚体有序的加到-微管蛋白构成的环上，且-微管蛋白只与微管蛋白结合。,微管蛋白在中心体上的聚合,微管的增长与缩短 红色箭头：新的微管不断生成；蓝色箭头：旧的微管不断缩短,基体,位于鞭毛和纤毛根部的结构称为基体。,纤毛/鞭
6、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）。,四、微管的动力学性质,1、微管的动态不稳定性： 在间期细胞，大部分微管与中心体相连，呈辐射状向细胞四周延伸。一些微管向中心体方向缩短，另一些不断伸长，到达一定程度又开始缩短或再次伸长，还有一些新的微管从中心体部位产生。 进入分裂期，细胞 质微管几乎全部解聚， 而装配形成星微管和 纺锤体微管。,四、微管的动力学性质,2、微管的稳定性差异： 源于中心体的微管时刻处于动态平衡中，并对各种理化因素和化学药物敏感； 源于基体的微管，结构稳定； 神经突起内的微管，结构稳定,五、微管结合蛋白对微管网络的调
7、节,微管结合蛋白（microtubule associated proteins MAPs） MAP分子至少包含一个结合微管的结构域和一个向外突出的结构域。突出部位伸到微管外与其它细胞组分（如微管束、中间纤维、质膜）结合。,Organization of MT bundles by MAPs . Spacing of MTs depends on MAPs,Insect cell expressing MAP2,Insect cell expressing tau,MAP的功能,使微管相互交联成束，也可使微管同质膜、微丝和中间纤维交联。 通过与微管成核点作用促进微管的聚合。 在细胞内沿微管转运
8、囊泡和颗粒。 提高微管的稳定性。,六、微管对细胞结构的组织作用,细胞形态的维持 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,大鼠结肠分泌黏液的 杯状细胞的极化结构图,细胞器的定位和分布 细胞器沿着从顶端到基底端的轴以 确定的模式排列 物质运输,七、细胞内依赖于微管的物质运输,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
9、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。,驱动蛋白沿着微管运输小泡的示意图,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。,动力蛋白,两条相同的重链和一些轻链及结合蛋白构成(鞭毛二联微管外臂的动力蛋白具有三个重
10、链)。 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。小亚基介导马达蛋白与要转运的“货物” 结合。,作用主要有： A.在有丝分裂中推动染色体的分离; B.驱动鞭毛的运动; C.向着微管（-）极运输小泡，与驱动蛋白运输方向相反。,动力蛋白,驱动蛋白(kinesin):通常朝微管的正极方向运动,动力蛋白(dynein)：朝微管的负极运动,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。,红色：驱动向外的物质运输； 蓝色：驱动向内的物质运输，由轴突顶端摄入的物质和蛋白降解产物。,依赖微管物质运输的特点,微管在快速运输中充当“轨道”的作用。 物
11、质沿着单根微管进行双向运输。 不同方向的运输所需提供动力的蛋白质不同。一种是驱动蛋白，利用ATP水解释放的能量向微管的(+)极运输；另一种是胞质动力蛋白，它利用ATP水解释放的能量向微管的(-)极运输。,八、纤毛和鞭毛的结构与功能,（一）鞭毛和纤毛的结构,纤毛和鞭毛运动的微管滑动模型: A管上的动力蛋白与相邻二联管B管接触,使动力蛋白结合的ATP水解,并释放出ADP+Pi; ATP水解改变了动力蛋白头部的构象和角度,使头部向相邻二联管的正端滑动,使相邻二连管间产生弯曲力; 新结合的ATP,促使动力蛋白头部与B管脱离; ATP水解使动力蛋白头部角度复原,与相邻二联管的B管上的另一位点结合,开始下
12、一循环。,九、纺锤体与染色体运动,细胞分裂过程中染色体的分离是靠纺锤体的形成、运动和解聚开完成的 纺锤体又称有丝分裂器，它是在有丝分裂期间，从中心粒形成的各种微管：动粒微管、极微管、星微管等,九、纺锤体与染色体运动,染色体的运动,中心体循环始于G1期，两个子代中心粒达到了足够长度，但仍处于同一中心体，有丝分裂早期，中心体裂开，每对中心粒移向细胞相反的两端，然后装配成有丝分裂器。,第三节 中间纤维,中间纤维(intermediate filament, IF)的直径为10nm左右，介于粗肌丝和细肌丝之间。 IF是最稳定的细胞骨架 成分，主要起支撑作用。 IF在细胞中围绕着细胞 核分布，成束成网，
13、并 扩展到细胞质膜，与质 膜相连结。,中间纤维是丝状蛋白多聚体，具有一个由310个氨基酸组成的螺旋杆状区，两端是非螺旋的头部和尾部。 N 端的头部和 C 端的尾部高度可变 IF 的主要区别取决于头和尾的长度及氨基酸顺序,一、IF的主要类型和组成成分,IF成分复杂，具有组织特异性。不同类型IF在形态上相似，而化学组成有明显的差别。 根据其组织分布、生化、遗传及免疫学标准分为六大类。 角蛋白、结蛋白、胶质原纤维酸性蛋白、波形纤维蛋白、神经纤丝蛋白、核纤层蛋白( lamin )。,中间纤维蛋白的表达具有严格的组织特异性。,中间纤维的类型,角蛋白：人类上皮细胞有20余种不同的角蛋白，分为和两类。 根据
14、组成氨基酸的不同，也可分为酸性角蛋白(I型)、中性/碱性角蛋白(II型)。 通过两者的异二聚体形成角蛋白纤维 结蛋白（desmin）：又称骨骼蛋白，存在于肌肉细胞中，主要功能是为肌球、肌动蛋白丝提供支架 。 胶质原纤维酸性蛋白：存在于神经胶质细胞，主要起支撑作用。 波形纤维蛋白：存在于间质细胞及中胚层来源的细胞。波形蛋白一端与核膜相连，另一端与细胞表面处的桥粒或半桥粒相连，将细胞核和细胞器维持在特定的空间。,神经纤丝蛋白：由三种分子量不同的多肽组成的异聚体，NF-L 、NF-M 、NF-H 。功能：提供弹性使神经纤维易于伸展、防止断裂。 核纤层蛋白 ：真核细胞内核膜内表面连接的一层致密的纤维网
15、络结构。,核纤层纤维,核纤层冰冻蚀刻电镜照片,核纤层（红色），核基质（绿色）,二、中间纤维的组装与表达,处于细胞分裂周期的细胞内，中间纤维网络在细胞分裂前解体，分裂结束后重新组装； 动态过程与中间纤维蛋白的磷酸化和去磷酸化有关； 在细胞分化过程中，细胞内的中间纤维类型随细胞的分化过程而发生变化。,组装特点：,IF不具有极性； 相邻超螺旋中的螺旋是反向平行的； 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。,三、中间纤维与其他细胞结构的关系,在细胞内形成完整的网状骨架系统：中间纤维在靠近核区域多次分支，且与核纤层相连，整个纤维网架穿过胞质终止于质膜。,成纤维细胞局部细胞骨架的
16、冰冻蚀刻电镜照片（已选择性去除微丝）,为细胞提供机械支持：细胞内的中间纤维通过桥粒相互连接形成贯穿于整个组织的网络，支持该组织并抵抗外界压力与张力。,参与细胞连接：中间纤维通过锚定在桥粒和半桥粒上，把一些器官和皮肤表皮细胞连接在其他细胞或固着在基底膜上。,参与细胞内信息传递及物质运输：中间纤维连接质膜及胞外基质，并与核纤层相连，形成一个跨膜的信息通道。 维持细胞核膜稳定：核纤层为核被膜提供机械支持，维持细胞核的形态。 参与细胞分化：不同的中间纤维蛋白在各类组织中有特异的表达，表明中间纤维与细胞的分化有密切关系。,细胞骨架与疾病,单纯性疱性表皮松解症是一种罕见的显性遗传疾病，表现为皮肤非常脆弱，因日常的轻微摩擦而反复发作水疱。这种病不传染。大约5万个新生儿中会有一个患病，所有的种族都会患病，并且男女比例相同。 主要症状：皮损为大小不等的大疱和水疱，无棘层松解征，愈后不留瘢痕，可留有暂时性色素沉着。受累患儿生长发育正常。毛发、甲、齿、粘膜很少受累。至青春期可获改善。 致病原因：单纯性大疱性表皮松解症是由于表皮基底细胞的
