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1、第七章 细胞骨架与细胞运动细胞骨架cytoskeleton=真核细胞质中的蛋白质纤维网架体系。细菌体内不存在细胞骨架。该体系是高度动态结构，由微管、微丝、中间纤维组成，既分散地存在于细胞中，又相互联系形成一个完整的细胞骨架。作用：动态网络，支持 定位 各种 细胞器 引导 胞内物质 运输 产力结构，负责 细胞运动 细胞 有丝分裂器 组分。广义的核骨架nucleoskeleton,核纤层nuclear lamina和细胞外基质extracellular matrix第一节 微管 microtubule微管是真核细胞中普遍存在的细胞骨架成分之一，以脊椎动物的脑组织最多。它是由微管蛋白和微管结合蛋白组
2、成的中控圆柱状结构，在不同类型细胞中有相似结构。一 微管蛋白与微管的结构 尺寸：直径2426nm 内径15nm壁厚5n。 基本构建：微管蛋白、异二聚体，各有一个GTP结合位点 动态性：-微管蛋白的GTP不进行水解也不交换；-微管蛋白的GTP可水解成GDP，而此GDP也可换成GTP，这一变换对微管的动态性有重要作用 形成：、异二聚体 头尾相接原纤维；侧面 13条 原纤维 合拢微管 极性分布走向：微管具有极性，两端增长速度不同；增长快的一端为正端，另一端为负端。微管的极性分布走向跟细胞器定位、物质运输方向有关 三种微管蛋白：微管由三种微管蛋白组成：管蛋白、管蛋白 (前二者占微管蛋白总量 80-95
3、%)；管蛋白定位于微管组织中心microtubule organizing center, MTOC（对微管的形成、数量、位置、极性、细胞分裂有重要作用） 三种存在形式：真核生物微管有三种存在形式：单管（13）、二联管（23纤毛&鞭毛）、三联管（33中心粒、鞭毛和纤毛的基体中）二 微管结合蛋白 microtubule associated protein，MAP MAP=与微管结合的辅助蛋白，总是与微管共存，参与微管的装配。在微管蛋白组装成 微管后，结合在微管表面 两个区域：1.碱性的微管结合域，加速微管成核作用；2.酸性的突出区域，以横桥形式跟其它骨架纤维连接，突出区域的长度决定微管成束时间
4、距 的大小 MAPs包括：MAP1、MAP2、MAP4和tau MAP1-2 和 tau只存在于脑组织；MAP-4哺乳动物非神经元、神经元细胞中，在进化上具有保守性。tau只存在于轴突； MAP-2分布于神经元胞体和树突中。 tau 蛋白的高度磷酸化，导致几种致死性退化性神经疾病，包括Alzheimers disease；因为磷酸化的tau不能结合微管，导致神经纤维缠结 功能：使微管 相互交联 成束，使微管 同其它细胞结构交联，如质膜、微丝和中间丝等与微管成核点的作用，促进 微管的聚合与微管壁的结合，提高 微管的稳定性三 微管的装配与动力学 动力学性质：大多数微管都是不稳定的，能够很快地组装或
5、去组装。 动态不稳定性dynamic instability 微管的装配主要表象为动态不稳定性，即增长的微管末端有微管蛋白-GTP帽（tubulin-GTP cap），在微管组装期间或组装后GTP被水解成GDP，从而使GDP-微管蛋白称为微管的主要成分。微管蛋白-GTP帽及短小的微管原纤维从微管末端脱落，则微管解聚。 微管的装配过程分为三个时期：. 成核期nucleation phase=延迟期lag phase：核心形成片状带（13根原纤维）合拢成微管。核心形成：和微管蛋白聚合成短的寡聚体oligmer。片状带：二聚体在其两端和侧面增加使之拓张成片状带。. 聚合期polymerization
6、 phase=延长期elongation phase：高浓度游离的微管蛋白聚合速度 解聚速度，新的二聚体不断加到微管正端，微管延长，直至游离微管蛋白浓度降低。. 稳定期steady state phase=平衡期equilibrium phase：胞质中游离的微管蛋白达到临界浓度，微管的组装（聚合）=去组装（解聚）速度。（一） 微管装配的起始点是微管组织中心 MTOC：微管的聚合从特异性核心形成位点开始，主要是中心体、纤毛的基体，称：微管组织中心 microtubule organizing center, MTOC MTOC作用：帮助微管装配的成核 nucleation 微管从 微管组织中心
7、 开始生长，是微管装配的独特性质 -微管蛋白环形复合体(-tubulin ring complex, -TuRC) 可形成1013个-微管蛋白分子的环形结构(螺旋化排列)，组成一个开放的环状模板，与微管具有相同直径,可刺激微管核心形成，包裹微管负端，阻止微管蛋白渗入，还能影响微管从中心粒上释放。13个-tubulin亚基螺旋化排列，组成一个开放的环状模板，与微管具有相同直径。-TuRC 由MTOC 提供的物质 固定其位置，从而决定微管的极性。 中心体 centrosome 是动物细胞中决定微管形成的一种细胞器，包括：中心粒 centriole 和中心粒旁物质 pericentriolar ma
8、terial，PCM。在细胞间期，中心体位于细胞核附近，在有丝分裂期，位于纺锤体的两极。 中心体的结构：2个桶状垂直排列的中心粒，包埋在中心粒旁物质中，每个中心粒由9组三联管组成。中心粒旁物质 含有 50拷贝以上的-TuRC 。微管的极性总是相同的：负端与 中心体结合，正端远离中心体。 产生：基体basal body：纤毛或鞭毛起源于基体；基体与中心粒可互相产生（如：精子）成核部位：-TuRC中心粒新生微管从中心体发出星形结构称为星状体Aster，及而入伸长达到细胞的边沿，指导再形成原有的微管网架结构（二） 微管的体外装配 体外适当条件下，现存微管可进行自我装配，其装配受到诸多因素影响 聚合条
9、件：（最重要）微管蛋白浓度、GTP存在，因为微管的不稳定行为的发生需要水解GTP 供能 最适条件：游离微管蛋白浓度达到 1mg/ml 临界浓度；pH6.9，温度37，加入Mg2+ 、 GTP 和 EDTA (Ca2+的螯合剂，去除Ca2+的抑制聚合作用) 微管的增长：当/异二聚体均结合 GTP时，聚合成的微管呈直线型， GTP水解成GDP；当微管蛋白聚合迅速时，新生成的微管上全是GTP-微管蛋白亚基，结合比较牢固，形成GTP帽，防止解聚 微管的缩短：当微管生长缓慢时，微管蛋白上的 GTP水解为GDP后，微管蛋白构象变化，微管原纤维弯曲，亚基结合不紧密，微管趋于解聚、缩短 综上，微管两端的 微管
10、蛋白 具有GTP帽时，微管继续组装；而具有GDP帽时，原纤维弯曲，微管解聚。原纤维中微管蛋白异二聚体亚单位重复排列具有极性，所以微管具有极性；尤其当两端组装速度不同时，有明显极性 “踏车运动”treadmilling：微管的 聚合与解聚 持续进行，经常是 一端聚合，为正端；另一端解聚，是负端，这种微管装配方式，称treadmilling（三） 微管的体内装配13个-tubulin亚基螺旋化排列，组成一个开放的环状模板，与微管具有相同直径。-TuRC 由MTOC 提供的物质固定其位置，从而决定微管的极性。-TuRC组织微管形成的能力受 细胞周期调节。间期此能力被关闭，G2期到M期，受细胞周期调节
11、激酶作用，磷酸化-TuRC 成分，开放微管组织能力.（四） 很多因素影响微管的组装与解聚很多因素影响微管的稳定性，比如：GTP浓度、压力 、温度 、pH、离子浓度、微管蛋白临界浓度、药物等。紫杉醇是红豆杉属植物的次生代谢产物，紫杉醇只结合到聚合的微管上，维持了微管的稳定，已用于癌症临床化疗。秋水仙素，长春花碱或长春新碱、诺可唑，结合 并稳定 游离的 微管蛋白，抑制微管的聚合四 微管的功能（一） 微管构成细胞内的网状支架，支持和维持细胞的形态微管本身不能收缩，有一点的强度，抗压力、抗弯曲，为细胞提供机械支持力微管对细胞突起部分，如纤毛、鞭毛、轴突形成和维持起重要作用（支持和维持细胞的形态）。Eg
12、血小板中的环形微管束(血小板骨架主要组成成分)，维持血小板的圆盘形结构；当暴露于低温中，环形微管解聚，血小板变成不规则球形（二） 微管参与中心粒、纤毛、鞭毛的形成中心粒是9组三联体微管围成的圆筒状结构。纤毛、鞭毛 是细胞表面的特化结构，在来源和结构上基本相同，两者主干部分都是9组二联管构成，中央是两条微管中央微管。（三） 微管参与细胞内物质运输细胞内各细胞器和所有的物质转运都与微管密切相关；微管的物质运输由微管动力蛋白(或称 马达蛋白) 完成，共有几十种，可分为 三大家族 马达蛋白Motor protein轨道移动方向头部分子量动力蛋白家族Dynein微管+ -ATP酶（水解活性）1000kD
13、驱动蛋白家族Kinesin微管- +ATP酶（水解活性）380kD肌球蛋白家族Myosin肌动蛋白纤维头部尾部动力蛋白家族球状 与微管专一结合结合小泡/细胞器（货物）物质运输最大的、最快的分子运输蛋白驱动蛋白家族球状 与微管专一结合结合小泡/细胞器 参与细胞器的定位和转运Hand-over-hand model &Inchworm model最大运输速度：1m 每秒；Kinesin每步 需要水解 一分子ATP每步长8nm，等于 一对 - 异二聚体 的长度；总是 结合 亚基（四） 微管支持细胞内细胞器的定位和分布微管及其相关马达蛋白在膜性细胞器的定位上起着重要作用正常细胞高尔基体（绿色）定位在核
14、周；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（五） 微管参与染色体的运动、调节细胞分裂微管是有丝分裂器的主要成分，有丝分裂前期微管聚合，核膜崩解时侵入核区，结合动粒；姊妹染色单体的动粒分别与来自两极的微管结合，被拉到细胞两极（六） 微管参与细胞内信号传导已证明 微管参与 hedgehog、JNK、Wnt、ERK、PAK蛋白激酶 信号转导通路信号分子直接或通过马达蛋白、支架蛋白等与微管作用，调节包括微管的稳定/不稳定、微管方向性、微管组织中心位置、细胞极化等第二节 微丝 microfilament，MF微丝 microfilament, MF 又称 肌动蛋白丝 actin f
15、ilament，是由 肌动蛋白actin 组成的细丝，普遍存在于真核细胞中，占肌肉细胞总蛋白的10%，非肌肉细胞的 1-5%。呈现束状、网状或散在分布于细胞质的特定空间位置。一 肌动蛋白与微丝的结构v 尺寸形状结构：肌动蛋白丝直径约8nm，由肌动蛋白(actin)单体组成双股螺旋纤维。每个 actin单体(G-actin)由两个亚基组成，每个亚基有375个氨基酸，有一个 ATP/ADP结合位点。每个G-肌动蛋白(G-actin) 由两个亚基组成，具有阳离子(Mg2+、K+、Na+)、ATP(ADP)、肌球蛋白结合位点。每个细胞内的微丝总长度比微管总长度长30倍以上v F-肌动蛋白：微丝是G-肌动蛋白单体形成的多聚体，也称 F-肌动蛋白(F:纤维状)v 极性：肌动蛋白单体具有极性，装配时首尾相接，因而微丝也有极性v 生长端：相对生长慢的一端为负端minus end，又称 point end(指向端)；而相对生长快的一端为 正端plus end，又称barbed end(秃端)v 高度保守：actin 在真核
