《细胞生物学基础 教学课件 ppt 作者 员冬梅 主编 李晓文 主审第八章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《细胞生物学基础 教学课件 ppt 作者 员冬梅 主编 李晓文 主审第八章（39页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、细胞生物学基础,第八章 细胞骨架,第一节 细胞膜骨架,一、红细胞的生物学特性 1.红细胞的形态结构 成熟的红细胞呈双面凹陷或单面凹陷的盘状结构(图8-2)，直径为7.58.3um，厚度1.7um， 体积8.3um3，表面积为14.5um2，表面积与体积的比值较大，有利于细胞变形、气体交换和携带。,图8-2 电子显微镜下的红细胞,第一节 细胞膜骨架,由于红细胞数量大，取材容易(体内的血库)，极少有其它类型的细胞污染； 其次成熟的哺乳动物的红细胞中没有细胞核和线粒体等膜相细胞器，细胞膜是它的唯一膜结构，所以易于提纯和分离。将红细胞分离后放入低渗溶液中，水很快渗入到细胞内部，使红细胞膨胀、破裂，从而
2、释放出血红蛋白(是红细胞中唯一一种非膜蛋白)，此时的红细胞就变成了没有内容物的空壳，由于红细胞膜具有很大的变形性、柔韧性和可塑性，当红细胞的内容物渗漏之后，它的膜可以重新封闭起来(图8-3)，仍然保持原来的形状和大小，此时的红细胞被称为血影(ghost)。因此红细胞为研究质膜的结构及膜骨架提供了理想的材料。,第一节 细胞膜骨架,图8-3 红细胞血影及小泡的形成,第一节 细胞膜骨架,2.红细胞的功能 红细胞的主要功能是把O2运送到体内各组织，同时把细胞代谢产生的CO2运送到肺中。红细胞对O2和CO2的运输与膜的性质有关。氧是一种小分子，它能够自由扩散通过红细胞膜进入红细胞内，并被血红蛋白结合。红
3、细胞膜的这种性质使得红细胞能够从肺中摄取氧，由于气体CO2难溶于水溶液，进入红细胞后就难以溶解到红细胞的细胞质中。这要依赖于红细胞质中的碳酸酐酶，它可将CO2转变成水溶性的 。水溶性的碳酸氢根阴离子通过红细胞膜中的带3蛋白，同离子进行交换排出红细胞，所以将带3蛋白称为阴离子交换蛋白。 这就需要红细胞的质膜具有良好的弹性和较高的强度，而这些特性则是由膜骨架赋予的。,第一节 细胞膜骨架,二、红细胞质膜蛋白与膜骨架 根据SDS聚丙烯酰胺凝胶电泳分析（图8-4），血影的蛋白成分包括：血影蛋白、锚蛋白、带3蛋白、带4.1蛋白、肌动蛋白和血型糖蛋白等。,图8-4人红细胞膜蛋白SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳分析
4、 (A)是考马斯亮蓝染色的谱带；(B)表示凝胶上主要蛋白质的位置。,第二节 细胞质骨架,一、微丝 微丝(microfilament，MF)，又称肌动蛋白纤维，是指真核细胞中由肌动蛋白组成，直径为7nm的实心纤维（图8-5、8-6）。,图8-5 微丝纤维的负染电镜照片,图8-6 微丝纤维的结构模型,第二节 细胞质骨架,1.组成成分 肌动蛋白是微丝的结构成分，相对分子量为43000，具三种异构体，即 、 和r-肌动蛋白。 -肌动蛋白分布于各种肌肉细胞中， 和r -肌动蛋白分布于肌细胞和非肌细胞中。肌动蛋白存在于所有真核细胞中，在进化上高度保守，不同来源的肌动蛋白其氨基酸顺序差别甚微。,第二节 细胞
5、质骨架,2.装配 （1）微丝的组装 微丝是由球形肌动蛋白(G-actin)单体形成的多聚体，是由肌动蛋白单体链螺旋盘绕所形成的纤维，因此微丝亦称为纤维形肌动蛋白(F-actin)。由于肌动蛋白单体具有极性，F-肌动蛋白装配时呈头尾相接，故微丝具有极性。在肌动蛋白溶液中，微丝可以表现出一端因加亚单位而延长，而另一端因亚单位脱落而缩短，在一定的肌动蛋白浓度下，F-肌动蛋白正极聚合的速度与负极解聚的速度相等，使F-肌动蛋白处于平衡状态，其纤维长度不变，新聚合上的肌动蛋白单体从正极向负极作踏车式移动，这种现象称为踏车行为（图8-7）。,第二节 细胞质骨架,在大多数非肌肉细胞中，微丝是一种动态结构，持续
6、进行组装和解聚，并与细胞形态维持及细胞运动有关。体内肌动蛋白的装配在两个水平上进行调节：游离肌动蛋白单体的浓度；微丝横向连接成束或成网的程度。细胞内许多微丝结合蛋白参与调节肌动蛋白的组装。,图8-7 微丝组装的踏车模型,第二节 细胞质骨架,（2）微丝结合蛋白 细胞中不同的微丝可以含有不同的微丝结合蛋白，形成独特的结构或执行特定的功能。 肌球蛋白 肌球蛋白一般由两条分子量较高的多肽链(即重链)和两对分子量较低的多肽链(即轻链)组成，包括头部和杆部两个区 (图8-8)。,图8-8 肌球蛋白的分子结构,第二节 细胞质骨架,。,图8-9 肌球蛋白分子聚合成两极纤维,第二节 细胞质骨架,原肌球蛋白 位于
7、肌动蛋白螺旋沟内，原肌球蛋白结合于细丝，调节肌动蛋白与肌球蛋白头部的结合。 肌钙蛋白 含3个亚基，肌钙蛋白C与Ca2+ 特异结合；肌钙蛋白T与原肌球蛋白有高度亲合力；肌钙蛋白抑制肌球蛋白ATP酶的活性。细肌丝中每隔40nm有一个肌钙蛋白复合体结合到原肌球蛋白上(图8-10),图8-10 细肌丝结构图解,第二节 细胞质骨架,非肌肉细胞中也存在肌球蛋白、原肌球蛋白等；但在非肌肉细胞中尚未发现肌钙蛋白。现已分离鉴定了多种微丝结合蛋白，简述如下(表8-1)。,表8-1 主要的微丝结合蛋白,第二节 细胞质骨架,3.微丝的功能 微丝具有多方面的功能：构成细胞的支架，维持细胞的形态。如血管内皮细胞、成纤维细
8、胞、软骨细胞等胞质内微丝主要担负支架作用；细胞运动。如有丝分裂时染色体的运动、肌肉收缩、胞质分裂、细胞移动、细胞质运动；细胞内运输、细胞分泌活动。现介绍一下微丝的运动功能。 （1）肌肉收缩 骨骼肌细胞的收缩单位是肌原纤维(myofibrils)，肌原纤维由粗肌丝和细肌丝组装形成，粗肌丝的成分是肌球蛋白，细肌丝的主要成分是肌动蛋白，辅以原肌球蛋白和肌钙蛋白。肌小节基本结构见图8-11。,第二节 细胞质骨架,图8-11 肌小节模式图,第二节 细胞质骨架,肌肉细胞的收缩是由全部肌节的同时缩短引起的，目前许多足够的证据支持肌肉收缩的滑动学说，此学说认为，肌肉收缩是粗肌丝和细肌丝之间相互滑动的结果（图8
9、-12）。,图8-12 肌球蛋白分子沿肌动蛋白细丝滑动的周期性变化,第二节 细胞质骨架,（2）细胞运动 细胞质膜下有一层富含肌动蛋白细丝的区域称细胞皮质层。这一纤维网络可以为细胞膜提供强度和韧性，维持细胞形状。在体外条件下，向肌动蛋白溶液加入一定的细丝蛋白，可使肌动蛋白溶液从溶胶态变为凝胶态。细胞的各种运动，如胞质环流、变皱膜运动及吞噬都与肌动蛋白的溶胶与凝胶状态及其相互转化有关（图8-13）。,图8-13 进行变皱膜移动的成纤维细胞的纵切面,第二节 细胞质骨架,（3）胞质分裂环 有丝分裂末期，两个即将分裂的子细胞之间产生一个收缩环（图8-14）。,图8-14 动物有丝分裂时形成的收缩环,第二
10、节 细胞质骨架,（4）微绒毛 肠上皮细胞微绒毛的轴心微丝是非肌肉细胞中高度有序微丝束的代表，微丝呈同向平行排列，微丝束下端终止于端网结构。微绒毛中心的微丝束起维持微绒毛形状的作用，其中不含肌球蛋白、原肌球蛋白和-辅肌动蛋白，因而无收缩功能。微丝结合蛋白如绒毛蛋白、毛缘蛋白等在微丝束的形成、维持及与微绒毛细胞膜连接发挥着重要作用。 （5）应力纤维 是真核细胞中广泛存在的微丝束结构。由大量平行排列的微丝组成，其成分为肌动蛋白、肌球蛋白、原肌球蛋白和-辅肌动蛋白，其组织形式与肌原纤维相似，在细胞质中具有收缩功能。应力纤维与细胞间或细胞与基质表面的附着有密切关系。,第二节 细胞质骨架,二、微管 1.形
11、态结构 微管是由微管蛋白二聚体组装成的长管状细胞器结构，平均外径为24nm，内径15nm，在横切面上，微管呈中空状，微管壁由13根原纤维排列构成(图8-15)。微管可装配成单管，二联管(纤毛和鞭毛中)，三联管(中心粒和基体中)。端微管的端点使之延长，最终微管蛋白与微管达到平衡。,图8-15 微管的结构模式图,第二节 细胞质骨架,2.组成 微管由两种类型的微管蛋白亚基，即-微管蛋白和-微管蛋白组成，是微管装配的基本单位。微管蛋白分子在生物进化上可能是最稳定的蛋白分子之一。除极少数例外（如人的红细胞），微管几乎存在于所有真核细胞质中，原核生物中没有微管。 3.装配 （1）组装 所有微管由相似的蛋白
12、亚基装配而成。首先， -微管蛋白和 -微管蛋白形成长度为8nm的 二聚体， 二聚体先形成环状核心，经过侧面增加二聚体而扩展为螺旋带， 二聚体平行于长轴重复排列形成原纤维。当螺旋带加宽至13根原纤维时，即合拢形成一段微管。,第二节 细胞质骨架,所有的微管都有确定的极性。微管的两个末端在结构上不是等同的，细胞内所有由微管构成的亚细胞结构也是有极性的。微管的延长主要依靠在正极组装GTP-微管蛋白，然后GTP水解为GDP或GTP与微管蛋白分离。在一定条件下，微管一端发生装配使微管延长，而另一端发生去装配而使微管缩短，称为踏车现象。影响微管体外装配的条件有微管蛋白浓度、pH、离子（Ca2+应尽可能除去，
13、Mg2+为装配所必需）和温度（微管蛋白二聚体装配成微管，微管解聚为二聚体）（图8-16）。,第二节 细胞质骨架,图8-16 体外微管的解聚与聚合,第二节 细胞质骨架,（2）微管结合蛋白 有几种与微管密切相关的蛋白，附着于微管多聚体上，参与微管的组装并增加微管的稳定性。然而，在实验条件下，微管蛋白可以在去除这些蛋白的情况下组装。因此这些蛋白称为微管结合蛋白。所有不同的微管结构均由相同的-微管蛋白和-微管蛋白亚单位组成，其结构与功能的差异可能取决于所含微管结合蛋白的不同。 （3）微管特异性药物 秋水仙素是最重要的微管工具药物，用低浓度的秋水仙素处理活细胞，可立即破坏纺锤体结构，秋水仙素不像Ca2+
14、、高压和低温等因素那样直接破坏微管，而是阻断微管蛋白组装成微管。 紫杉酚能促进微管的装配，并使已形成的微管稳定。,第二节 细胞质骨架,4.功能 （1）维持细胞形态 用秋水仙素处理细胞破坏微管，导致细胞变圆，说明微管对维持细胞的不对称形状是重要的。细胞突起部分，如纤毛、鞭毛、轴突的形成和维持，微管也起到了关键的作用。 （2）鞭毛和纤毛运动 鞭毛和纤毛是细胞表面的特化结构，具有运动功能。 鞭毛和纤毛的结构 鞭毛和纤毛的结构基本相同。纤毛轴心含有一束“92”排列的平行微管，“92”排列是几乎所有真核细胞鞭毛和纤毛的结构特征。中央微管均为完全微管，外围二联体微管由A，B亚纤维组成，A亚纤维为完全微管，
15、由13个球形亚基环绕而成，B亚纤维仅由11个亚基构成(图8-17)。,第二节 细胞质骨架,图8-17 文昌鱼精子尾部微管电镜照片（周围9组二联管，中央一对中央微管）,第二节 细胞质骨架,轴心的主要蛋白结构有：A.微管蛋白二聚体 二联体中的微管蛋白二聚体无秋水仙素结合部位；B.动力蛋白臂 由微管二联体伸出，同相邻微管二联体相互作用使纤毛弯曲。组成它们的动力蛋白是一种ATP酶，能为Ca2+、Mg2+所激活。是使纤毛产生运动的关键蛋白；C.微管连丝蛋白 将相邻微管二联体结合在一起；D.放射幅条 由9条外围微管二联体伸向中央微管（图8-18）。,图8-18 鞭毛轴丝结构示意图,第二节 细胞质骨架,纤毛
16、运动机制 滑动机制认为纤毛运动是由相邻二联体间相互滑动所致(图8-19)。a.动力蛋白头部与相邻B亚纤维的接触促使动力蛋白结合的ATP水解产物释放，同时造成头部角度的改变；b.新的ATP结合使动力蛋白头部与相邻B亚纤维脱开；c.ATP水解释放的能量使头部的角度复原；d.带有水解产物的动力蛋白头部与相邻B亚纤维上另一位点结合，开始又一次循环。,图8-19 纤毛运动的滑动机制,第二节 细胞质骨架,通常鞭毛的运动表现为波动或者摆动，即鞭毛发生了弯曲运动。弯曲运动是由滑动运动转化而来，只是双联微管间存在着连丝蛋白，使微管彼此束缚在了一起，从而使自由微管间的平行滑动变为鞭毛的弯曲运动（图8-20）。,图8-20 动力蛋白引起鞭毛弯曲图解,第二节 细胞质骨架,（3）细胞内运输 真核细胞内部是高度区域化的体系，细胞中物质的合成和功能部位往往是不同的，必须经过细胞内运输过程。许多两栖类的皮肤和鱼类的鳞片中含有特化的色素细胞，在神经肌肉控制下，这些细胞中的色素颗粒可在数秒钟内迅速分布到细胞各处，从而使皮肤颜色变黑；又
