細胞生物學教程第九章+細胞骨架.ppt

THE CYTOSKELETON,第九章 細胞骨架,成分：微絲（microfilament）、微管（microtubule）和中間纖維（intemediate filament）構成。均由單體蛋白以較弱的非共價鍵結合在一起，構成纖維型多聚體。 微絲確定細胞表面特征，使細胞能夠運動和收縮。 微管確定膜性細胞器的位置和作為膜泡運輸?shù)膶к墶?中間纖維使細胞具有張力和抗剪切力。 其它骨架成分：核骨架、核纖層、細胞外基質。,The three types of protein,第一節(jié) 微絲 microfilament , MF,又稱肌動蛋白纖維actin filament，是由兩條線性排列的肌動蛋白鏈形成的螺旋 ，形狀如雙線捻成的繩子，直徑約7nm 。,根據(jù)等電點分為3類：分布于肌肉細胞；和分布于肌細胞和非肌細胞。 actin單體外觀呈啞鈴形，稱球形肌動蛋白G-actin；多聚體稱為纖維形肌動蛋白F-actin。 actin在進化上高度保守，酵母和兔子肌肉的肌動蛋白有88%的同源性。 肌動蛋白要經過翻譯后修飾，如N-端乙?；蚪M氨酸殘基的甲基化。,一、分子結構,條件：ATP、適宜的溫度、存在K+和Mg2+離子。 過程：2-3個actin聚集成一個核心（核化）；ATP-actin分子向核心兩端加合。微絲具有極性，ATP-actin加到(+)極的速度要比加到(-)極的速度快5-10倍。 溶液中ATP-肌動蛋白的濃度處于臨界濃度時，ATP-肌動蛋白在(+)端添加，而從(-)端分離，表現(xiàn)出 “踏車”現(xiàn)象。,微絲的裝配,Treadmilling,+,-,細胞中大多數(shù)微絲結構處于動態(tài)的組裝和去組裝過程中，并通過這種方式實現(xiàn)其功能。 細胞松弛素（cytochalasin）可切斷微絲纖維，并結合在微絲末端抑制肌動蛋白加合到微絲纖維上，特異性的抑制微絲功能。 鬼筆環(huán)肽（phalloidin）與微絲能夠特異性的結合，使微絲纖維穩(wěn)定而抑制其功能。熒光標記的鬼筆環(huán)肽可特異性的顯示微絲。,二、微絲結合蛋白,已知的的微絲結合蛋白有100多種，分為以下類型： 1核化蛋白：使游離actin核化，開始組裝，Arp 2單體隱蔽蛋白：阻止游離actin向纖維添加，thymosin 3封端蛋白：使纖維穩(wěn)定，Cap Z 4單體聚合蛋白：將結合的單體安裝到纖維，profilin 5微絲解聚蛋白：使微絲去組裝，cofilin 6交聯(lián)蛋白：fimbrin 7纖維切斷蛋白：將微絲切斷，gelsolin 8膜結合蛋白：vinculin,核化蛋白,三、肌肉的組成,由肌原纖維組成，肌原纖維包括粗肌絲和細肌絲，粗肌絲主要成分是肌球蛋白，細肌絲的主要成分是肌動蛋白、原肌球蛋白和肌鈣蛋白。 肌肉收縮的基本單位是肌小節(jié)（sarcomere）。肌小節(jié)是相鄰兩Z線間的單位。主要結構有： A帶（暗帶）：為粗肌絲所在。 H區(qū)：A帶中央色淺部份，此處只有粗肌絲。 I帶（明帶）：只含細肌絲部分。 Z線：細肌絲一端游離，一端附于Z線 。,Sarcomere,（一）肌球蛋白（myosin）,屬于馬達蛋白，趨向微絲的（+）極。 已知15類（myosin I-XV）。 Myosin II構成粗肌絲。由2個重鏈和4個輕鏈組成，外觀具有兩個球形的頭和一個螺旋化的干，頭部有ATP酶活性。 Myosin V結構類似myosin II，但重鏈有球形尾部。 Myosin I 由一個重鏈和兩個輕鏈組成。 Myosin I、II、V都存在于非肌細胞中，II型參與形成應力纖維和胞質收縮環(huán)，I、V型結合在膜上與膜泡運輸有關 。,Myosin II structure,Two heavy chains, two essential light chains, and two regulatory light chains Heavy chain has head domain, neck region, and tail domain,（二）原肌球蛋白（tropomyosin.Tm） 每個Tm的長度相當于7個肌動蛋白，呈長桿狀。組成兩條平行纖維，位于肌動蛋白雙螺旋的溝中，主要作用是加強和穩(wěn)定肌動蛋白絲，抑制肌動蛋白與肌球蛋白結合。 （三）肌鈣蛋白（troponin,Tn）， 含三個亞基，肌鈣蛋白C特異地與鈣結合，肌鈣蛋白T與原肌球蛋白有高度親和力，肌鈣蛋白I抑制肌球蛋白的ATP酶活性，主要作用是調節(jié)肌肉收縮。,Tropomyosin, actin and troponin,（四）肌肉的收縮,肌球蛋白結合ATP，引起頭部與肌動蛋白纖維分離； ATP水解，引起頭部與肌動蛋白弱結合；,Myosin movement (continued),Pi釋放，頭部與肌動蛋白強結合，頭部向M線方向彎曲，引起細肌絲向M線移動； ADP釋放ATP結合上去，頭部與肌動蛋白纖維分離。 如此循環(huán),四、微絲的功能,微絲除參與形成肌原纖維外還具有以下功能： 1形成應力纖維（stress fiber）：結構類似肌原纖維，使細胞具有抗剪切力。,培養(yǎng)的上皮細胞中的應力纖維（微絲紅色、微管綠色）,2形成微絨毛。 3細胞的變形運動。,4. 胞質分裂； 5. 頂體反應； 6. 其他功能：抑制微絲的藥物（細胞松弛素）可增強膜的流動、破壞胞質環(huán)流。,第二節(jié) 微管 Microtubule, MT,微管在胞質中形成網絡結構，作為運輸路軌并起支撐作用。微管是由微管蛋白組成的管狀結構，對低溫、高壓和秋水仙素敏感。,A fluorescently stained image of cultured epithelial cells showing the nucleus (yellow) and microtubules (red),微管是由13條原纖維構成的中空管狀結構，直徑2225nm。 每一條原纖維由微管蛋白二聚體線性排列而成 微管蛋白二聚體由結構相似的和球蛋白構成。 球蛋白結合的GTP從不發(fā)生水解或交換。 球蛋白也是一種 G蛋白，結合的GTP可發(fā)生水解，結合的GDP可交換為GTP。,一、分子結構,微管具有極性，(+)極生長速度快，(-)極生長速度慢。 (+)極的最外端是球蛋白，(-)極的最外端是球蛋白。 微管和微絲一樣具有踏車行為。 微管形成的有些結構是比較穩(wěn)定，是由于微管結合蛋白的作用和酶修飾的原因。如軸突、纖毛、鞭毛。 大多數(shù)微管處于動態(tài)組裝和去組裝狀態(tài)（如紡錘體）。 秋水仙素、長春花堿抑制微管裝配。 紫杉酚能促進微管的裝配, 并使已形成的微管穩(wěn)定。,The function of GTP-tubulin cap,GTP hydrolysis is not required for microtubule assembly，WHY？,Microtubule disassemble when ADP-tubulin are exposed,MAP分子至少包含一個結合微管的結構域和一個向外突出的結構域。突出部位伸到微管外與其它細胞組分（如微管束、中間纖維、質膜）結合。 主要功能：促進微管組裝。增加微管穩(wěn)定性。促進微管聚集成束。,二、微管結合蛋白 microtubule associated proteins MAPs,三、微管組織中心 microtubule organizing center, MTOCs,是微管進行組裝的區(qū)域，都具有微管球蛋白 ，如：中心體、鞭毛基體。,中心體由兩個相互垂直的中心粒構成。周圍是一些無定形物質，叫做外中心粒物質（PCM）。 中心粒由9組3聯(lián)微管構成，具有召集PCM的作用。 MTOC處微管蛋白以環(huán)狀的球蛋白復合體為模板核化、先組裝出（-）極，然后開始生長。 提純的微管，在微酸性環(huán)境，適宜的溫度，存在GTP、Mg2+和去除Ca2+的條件下能自發(fā)的組裝成11條原纖維的微管。,The Orientation of Microtubules in a Cell,五、微管的功能,1、支架作用,2、細胞內運輸 是胞內物質運輸?shù)穆奋墶?涉及兩大類馬達蛋白：驅動蛋白kinesin，動力蛋白dyenin，均需ATP供能。 Kinesin發(fā)現(xiàn)于1985年，是由兩條輕鏈和兩條重鏈構成的四聚體 ，能向著微管（+）極運輸小泡 。,Kinesin walk along microtubule towards plus end,Dynein發(fā)現(xiàn)于1963年，因與鞭毛和纖毛的運動有關而得名。 由兩條相同的重鏈和一些種類繁多的輕鏈以及結合蛋白構成。 作用：在細胞分裂中推動染色體的分離、驅動鞭毛的運動、向著微管（-）極運輸小泡。,3、形成紡錘體 在細胞分裂中牽引染色體到達分裂極。,纖毛與鞭毛是相似的兩種細胞外長物，前者較短。 結構： 由基體和鞭桿兩部分構成。 鞭毛中的微管為9+2結構。 二聯(lián)微管A管由13條原纖維組成，B管由10條原纖維組成。 A管向相鄰B管伸出兩條動力蛋白臂，并向鞭毛中央發(fā)出一條輻。 基體的微管組成為9+0。 鞭毛運動原理：動力蛋白臂的dynein水解ATP作功，使相鄰的二聯(lián)微管相互滑動。,第三節(jié) 中間纖維 intermediate filaments，IF,直徑10nm左右，介于微絲和微管之間，故名。 IF是最穩(wěn)定的細胞骨架成分，主要起支撐作用。 IF在細胞中圍繞著細胞核分布，成束成網，并擴展到細胞質膜，與質膜相連結。,Keratin filaments of epithelial cells are tightly anchored to the plasmamembranes at desmosmes and hemidesmosomes,分為5類：角蛋白、結蛋白、膠質原纖維酸性蛋白、波形纖維蛋白、神經纖絲蛋白。 具有組織特異性，不同類型細胞含有不同IF。 通常一種細胞含有一種中間纖維，少數(shù)含有2種以上。 腫瘤細胞轉移后仍保留源細胞的IF。,一、類 型,（一）角蛋白keratin 為表皮細胞特有，具有和兩類，角蛋白存在于細胞中，角蛋白形成頭發(fā)、指甲等堅韌結構。 分為：酸性角蛋白（I型）、中性或堿性角蛋白（II型）。組裝時首先由I型和II型組成異二聚體，再形成中間纖維。 （二）結蛋白desmin 又稱骨骼蛋白skeletin，存在于肌肉細胞中，主要功能是使肌纖維連在一起。,（三）、膠質原纖維酸性蛋白glial fibrillary acidic protein 存在于星形神經膠質細胞和許旺細胞。起支撐作用。 （四）、波形纖維蛋白vimentin 存在于間充質細胞及中胚層來源的細胞中。 （五）、神經纖絲蛋白neurofilament protein 是由三種分子量不同的多肽組成的異聚體，功能是提供彈性使神經纖維易于伸展和防止斷裂。,二、結構與裝配,（一）結構 由螺旋化桿狀區(qū)，以及兩端非螺旋化的球形頭（N端）尾（C端）部構成。 桿狀區(qū)高度保守，由螺旋1和螺旋2構成，每個螺旋區(qū)還分為A、B兩個亞區(qū)。,intemediate filaments，IF,（二）IF的裝配,過程： 兩個單體形成超