第九章 細胞骨架-微管

1、http:/ THE CYTOSKELETON成分：成分：microfilament、microtubule、intermediate filament。單體非共價結(jié)合，構(gòu)成纖維型多聚體。單體非共價結(jié)合，構(gòu)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運輸導(dǎo)軌。微管確定膜性細胞器的位置和作為運輸導(dǎo)軌。中間纖維使細胞具有張力和抗剪切力。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、膜骨架、細胞其它骨架成分：核骨架、核纖層、膜骨架、細胞外基質(zhì)。外基質(zhì)。 The three types of p

2、roteinhttp:/ 第一節(jié)第一節(jié) 微管微管 微管在胞質(zhì)中形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，作為運輸路軌微管在胞質(zhì)中形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，并起支撐作用。微管是由微管蛋白組成的管狀結(jié)構(gòu)，對低溫、高壓和秋水仙素敏感。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) Microtubule, MT一、微管的形態(tài)結(jié)構(gòu)一、微管的形態(tài)結(jié)構(gòu)13條原纖維構(gòu)成的條原纖維構(gòu)成的中空管

3、狀結(jié)構(gòu)中空管狀結(jié)構(gòu)，直徑，直徑2225nm。每條原纖維由每條原纖維由微管蛋白二聚體微管蛋白二聚體線性排列而成。二線性排列而成。二聚體由結(jié)構(gòu)相似的聚體由結(jié)構(gòu)相似的和和球蛋白構(gòu)成，均可結(jié)合球蛋白構(gòu)成，均可結(jié)合GTP。球蛋白結(jié)合的球蛋白結(jié)合的GTP從不發(fā)生水解或交換。從不發(fā)生水解或交換。球蛋白也是一種球蛋白也是一種G蛋白，結(jié)合的蛋白，結(jié)合的GTP可發(fā)生水解，可發(fā)生水解，結(jié)合的結(jié)合的GDP可交換為可交換為GTP 。具有極性，具有極性，(+)極生長速度快，極生長速度快，(-)極生長速度慢。極生長速度慢。(+)極的最外端是極的最外端是球蛋白，球蛋白，(-)極是極是球蛋白。球蛋白。可形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，如軸突、纖

4、毛、鞭毛。是微管可形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，如軸突、纖毛、鞭毛。是微管結(jié)合蛋白的作用和酶修飾的原因。結(jié)合蛋白的作用和酶修飾的原因。大多數(shù)微管處于動態(tài)組裝和去組裝狀態(tài)（如紡錘大多數(shù)微管處于動態(tài)組裝和去組裝狀態(tài)（如紡錘體），具有踏車行為。體），具有踏車行為。秋水仙素、長春花堿抑制微管裝配。秋水仙素、長春花堿抑制微管裝配。 紫杉酚能促紫杉酚能促進微管的裝配進微管的裝配, 并使已形成的微管穩(wěn)定。并使已形成的微管穩(wěn)定。E-siteN-site The function of GTP-tubulin capGTP hydrolysis is not required for microtubule assembly,

5、 WHY？ Antimitosis drugsThe Orientation of Microtubules in a Cell 二、微管的化學組成二、微管的化學組成 構(gòu)成微管的基本成分是微管蛋白（構(gòu)成微管的基本成分是微管蛋白（tubulin），包括，包括-微管蛋白（微管蛋白（- tubulin）、）、-微管蛋白（微管蛋白（- tubulin）和）和-微管蛋白（微管蛋白（- tubulin）。）。 除微管蛋白外，微管表面還有一些微管結(jié)合除微管蛋白外，微管表面還有一些微管結(jié)合蛋白蛋白(microtubule associated protein，MAP), 如如MAP1、MAP2、MAP4、Ta

6、u和和stathmin等等微管蛋白微管蛋白、-微管蛋白組成異二聚體（微管蛋白組成異二聚體（heterodimers）是）是構(gòu)成微管的基本亞單位，異二聚體上具有鳥嘌呤構(gòu)成微管的基本亞單位，異二聚體上具有鳥嘌呤核苷酸（核苷酸（GDP/GTP）、二價陽離子（）、二價陽離子（Mg2+、Ca2+）以及秋水仙素和長春堿的結(jié)合位點。）以及秋水仙素和長春堿的結(jié)合位點。-微管蛋白不足微管蛋白總量的微管蛋白不足微管蛋白總量的1%，定位于微管，定位于微管組織中心（組織中心（microtubule organizing center，MTOC），對微管的形成、數(shù)量、位置、極性的確定以），對微管的形成、數(shù)量、位置、極性

7、的確定以及細胞分裂等起重要作用。及細胞分裂等起重要作用。 微管結(jié)合蛋白微管結(jié)合蛋白 MAP分子包含一個結(jié)合微管的結(jié)構(gòu)域和一個向外突出的結(jié)分子包含一個結(jié)合微管的結(jié)構(gòu)域和一個向外突出的結(jié)構(gòu)域。可與其它細胞組分（如微管束、中間纖維、質(zhì)膜）構(gòu)域?？膳c其它細胞組分（如微管束、中間纖維、質(zhì)膜）結(jié)合。結(jié)合。 主要功能：主要功能： 促進微管組裝。促進微管組裝。 增加微管穩(wěn)定性。增加微管穩(wěn)定性。 促進微管聚集成束。促進微管聚集成束。微管組織中心微管組織中心microtubule organizing center, MTOCs 是微管進行組裝是微管進行組裝的區(qū)域，都具有的區(qū)域，都具有微管球蛋白微管球蛋白 ，MT

8、OC包括中心體包括中心體、動粒、纖毛和、動粒、纖毛和鞭毛的基體鞭毛的基體 中心體中心體由兩個相互垂直的中心粒構(gòu)成。周圍是無由兩個相互垂直的中心粒構(gòu)成。周圍是無定形物質(zhì)，叫做外中心粒物質(zhì)（定形物質(zhì)，叫做外中心粒物質(zhì)（PCM）。）。 中心粒由中心粒由9組組3聯(lián)微管聯(lián)微管構(gòu)成，具有召集構(gòu)成，具有召集PCM的作用。的作用。 MTOC處微管蛋白以環(huán)狀的處微管蛋白以環(huán)狀的球蛋白復(fù)合體為模板球蛋白復(fù)合體為模板核化、先組裝出（核化、先組裝出（-）極，然后開始生長。）極，然后開始生長。 提純的微管，在微酸性環(huán)境，適宜溫度，存在提純的微管，在微酸性環(huán)境，適宜溫度，存在GTP、Mg2+和去除和去除Ca2+的條件下能

9、自發(fā)的組裝成的條件下能自發(fā)的組裝成13條原纖維的微管。條原纖維的微管。三、微管的裝配三、微管的裝配 （一） 體外裝配 （二） 體內(nèi)裝配（一）微管的體外裝配（一）微管的體外裝配 微管的裝配分三個時期： 成核期（nucleation phase） 聚合期（polymerization phase） 穩(wěn)定期(stable phase）（二）微管的體內(nèi)裝配（二）微管的體內(nèi)裝配 （三）微管裝配的影響因素（三）微管裝配的影響因素 體外裝配的條件：體外裝配的條件： 微管蛋白的濃度：微管蛋白的濃度：1mg/ml； GTP的濃度；的濃度； 最適最適PH：6.9； 離子：鈣離子低濃度，鎂離子必需；離子：鈣離子低濃

10、度，鎂離子必需； 溫度：溫度：37度；度； 體內(nèi)裝配的條件：體內(nèi)裝配的條件： 必須在細胞內(nèi)的特定部位裝配必須在細胞內(nèi)的特定部位裝配-MTOC秋水仙素秋水仙素Colchicine ： 阻止異二聚體正常聚合阻止異二聚體正常聚合; ; 使微管的裝配不能進使微管的裝配不能進行行; ;長春花堿長春花堿Vinblastine ：同同秋水仙素秋水仙素紫杉酚紫杉酚Taxol ：低濃度時低濃度時穩(wěn)定微管；在有絲分裂穩(wěn)定微管；在有絲分裂中后期抑制細胞分裂中后期抑制細胞分裂，誘導(dǎo)細胞凋亡，誘導(dǎo)細胞凋亡微管特異性藥物微管特異性藥物（四）微管裝配的理論模型（四）微管裝配的理論模型 非穩(wěn)態(tài)動力學模型（非穩(wěn)態(tài)動力學模型（d

11、ynamic instability model） 由于構(gòu)成微管的亞單位是由于構(gòu)成微管的亞單位是異二聚體，這種亞單異二聚體，這種亞單位排列就構(gòu)成微管的極性，微管的兩個末端在結(jié)位排列就構(gòu)成微管的極性，微管的兩個末端在結(jié)構(gòu)上不是等同的，這是非常重要的結(jié)構(gòu)特征；因構(gòu)上不是等同的，這是非常重要的結(jié)構(gòu)特征；因此微管兩端的平衡常數(shù)也是不同的，故兩端具有此微管兩端的平衡常數(shù)也是不同的，故兩端具有不同的裝配速度和去裝配速度。裝配速度快的一不同的裝配速度和去裝配速度。裝配速度快的一端為（端為（+）極，另一端為（）極，另一端為（-）極）極 ,微管的裝配動態(tài)微管的裝配動態(tài)也表現(xiàn)出也表現(xiàn)出動力學不穩(wěn)定性動力學不穩(wěn)定性

12、和和踏車現(xiàn)象踏車現(xiàn)象。微管的踏車現(xiàn)象微管的踏車現(xiàn)象四、微管的功能四、微管的功能 （一）構(gòu)成細胞內(nèi)網(wǎng)狀支架，支持和維持細胞形（一）構(gòu)成細胞內(nèi)網(wǎng)狀支架，支持和維持細胞形態(tài)態(tài) （二）參與細胞內(nèi)物質(zhì)運輸（二）參與細胞內(nèi)物質(zhì)運輸 （三）參與中心粒、纖毛和鞭毛的形成（三）參與中心粒、纖毛和鞭毛的形成 （四）維持細胞內(nèi)細胞器的定位和分布（四）維持細胞內(nèi)細胞器的定位和分布 （五）參與染色體運動，調(diào)節(jié)細胞分裂（五）參與染色體運動，調(diào)節(jié)細胞分裂 （六）參與細胞內(nèi)信號傳導(dǎo)（六）參與細胞內(nèi)信號傳導(dǎo) 1 1、維持細胞形態(tài)、維持細胞形態(tài)：微管有一定強：微管有一定強度度, ,能抗壓和抗彎能抗壓和抗彎曲曲, ,給細胞提供機給

13、細胞提供機械支持力械支持力. .維持細維持細胞的不對稱形狀胞的不對稱形狀，對細胞突起部，對細胞突起部分如纖毛、軸突分如纖毛、軸突的形成和維持也的形成和維持也起關(guān)鍵作用。起關(guān)鍵作用。以細胞核為中心向外放射狀以細胞核為中心向外放射狀排列的微管纖維（紅色）排列的微管纖維（紅色）2.2.物質(zhì)運輸（細胞內(nèi)運輸）物質(zhì)運輸（細胞內(nèi)運輸） 真核細胞內(nèi)部是高度區(qū)域化的體系，細胞真核細胞內(nèi)部是高度區(qū)域化的體系，細胞中物質(zhì)的合成部位和功能部位往往不同，中物質(zhì)的合成部位和功能部位往往不同，必須經(jīng)過細胞內(nèi)運輸過程。必須經(jīng)過細胞內(nèi)運輸過程。 神經(jīng)遞質(zhì)的運輸神經(jīng)遞質(zhì)的運輸： 神經(jīng)軸突運輸中有兩種引擎蛋白（馬神經(jīng)軸突運輸中有

14、兩種引擎蛋白（馬達蛋白）：驅(qū)動蛋白（達蛋白）：驅(qū)動蛋白（Kinesin,1985Kinesin,1985），），胞質(zhì)動力蛋白胞質(zhì)動力蛋白(Dynein,1963)(Dynein,1963)驅(qū)動蛋白驅(qū)動蛋白 涉及涉及2類馬達蛋白：類馬達蛋白：kinesin、dyenin，需，需ATP供能。供能。 Kinesin發(fā)現(xiàn)于發(fā)現(xiàn)于1985年，由年，由兩條輕鏈和兩條重鏈構(gòu)成，兩條輕鏈和兩條重鏈構(gòu)成，向微管（向微管（+）極運輸小泡）極運輸小泡 。胞質(zhì)動力蛋白胞質(zhì)動力蛋白 Dynein發(fā)現(xiàn)于發(fā)現(xiàn)于1963年。年。 由兩條相同的重鏈和由兩條相同的重鏈和種類繁多的輕鏈以及種類繁多的輕鏈以及結(jié)合蛋白構(gòu)成。結(jié)合蛋白構(gòu)

15、成。 作用：推動染色體的作用：推動染色體的分離、驅(qū)動鞭毛的運分離、驅(qū)動鞭毛的運動、向著微管（動、向著微管（-）極）極運輸小泡。運輸小泡。 Motor Proteins Transport Cargo驅(qū)動蛋白驅(qū)動蛋白動力蛋白動力蛋白Microtubule directionalityMicrotubules Provide Tracks for Transport細胞骨架纖維（微管）一方面作為慢速轉(zhuǎn)運的成分而經(jīng)軸索運動細胞骨架纖維（微管）一方面作為慢速轉(zhuǎn)運的成分而經(jīng)軸索運動，另一方面又充當快速轉(zhuǎn)運（高爾基體核其他小泡、顆粒）的軌，另一方面又充當快速轉(zhuǎn)運（高爾基體核其他小泡、顆粒）的軌道。單根微管

16、的物質(zhì)運輸可以是雙向的，由不同的馬達蛋白介導(dǎo)道。單根微管的物質(zhì)運輸可以是雙向的，由不同的馬達蛋白介導(dǎo)，并不發(fā)生沖突。，并不發(fā)生沖突。Intracellular Organelle Movement 3、 形成鞭毛和纖毛形成鞭毛和纖毛 結(jié)構(gòu)：由基體和鞭桿兩部分構(gòu)成；鞭毛中的微管結(jié)構(gòu)：由基體和鞭桿兩部分構(gòu)成；鞭毛中的微管為為9+2結(jié)構(gòu)；二聯(lián)微管結(jié)構(gòu)；二聯(lián)微管A管由管由13條原纖維組成，條原纖維組成，B管由管由10條原纖維組成；條原纖維組成；A管向相鄰管向相鄰B管伸出兩條動管伸出兩條動力蛋白臂，并向鞭毛中央發(fā)出一條輻；基體的微力蛋白臂，并向鞭毛中央發(fā)出一條輻；基體的微管組成為管組成為9+0。 運動原

17、理：動力蛋白臂的運動原理：動力蛋白臂的dynein水解水解ATP作功，使作功，使相鄰的二聯(lián)微管相互滑動。相鄰的二聯(lián)微管相互滑動。 微管通過形成專微管通過形成專門的運動細胞器門的運動細胞器而參與細胞的運而參與細胞的運動動.纖毛運動的機制：微管二聯(lián)體通過動力蛋白相互纖毛運動的機制：微管二聯(lián)體通過動力蛋白相互滑動滑動鞭毛運動和纖毛運動鞭毛運動和纖毛運動纖毛的結(jié)構(gòu)纖毛的結(jié)構(gòu)纖毛軸心纖毛軸心: :含有含有“9+2”9+2”排列的平行微排列的平行微管管. .動力蛋白臂動力蛋白臂微管連接蛋微管連接蛋白白放射輻條放射輻條內(nèi)鞘內(nèi)鞘滑動學說認為纖毛運動是由滑動學說認為纖毛運動是由相鄰二聯(lián)體間的相互滑動所相鄰二聯(lián)體

18、間的相互滑動所致。四個步驟：致。四個步驟：動力蛋白頭部與動力蛋白頭部與B B亞纖維亞纖維的接觸促進動力蛋白上結(jié)合的接觸促進動力蛋白上結(jié)合的的ATPATP水解產(chǎn)物的釋放，同時水解產(chǎn)物的釋放，同時造成頭部角度的改變，在鞭造成頭部角度的改變，在鞭毛中實際上是牽拉相鄰的毛中實際上是牽拉相鄰的B B亞亞纖維向鞭毛頂端滑動。纖維向鞭毛頂端滑動。新的新的ATPATP的結(jié)合，使頭部的結(jié)合，使頭部與與B B亞基脫開。亞基脫開。ATPATP水解，釋放的能量使水解，釋放的能量使頭部的角度復(fù)原。頭部的角度復(fù)原。帶有水解產(chǎn)物的頭部與帶有水解產(chǎn)物的頭部與B B亞纖維上的另一個位點結(jié)合亞纖維上的另一個位點結(jié)合，開始又一次循

19、環(huán)。，開始又一次循環(huán)。 鞭毛有波行的運動。鞭毛有波行的運動。 動力方向與鞭毛的軸平行動力方向與鞭毛的軸平行4. 形成紡錘體形成紡錘體 微管形成專門的細胞器微管形成專門的細胞器(有絲分裂器有絲分裂器)參與細胞的分裂參與細胞的分裂(紡紡錘體錘體中心粒中心粒著絲點著絲點) 在動物細胞中，中心體有一對中心粒在動物細胞中，中心體有一對中心粒 ，每個中心粒由，每個中心粒由9個微管三聚體圍成。個微管三聚體圍成。 隨著細胞分裂隨著細胞分裂,中心粒復(fù)制。中心粒復(fù)制。染色體運動：染色體運動：有絲分裂器中與微管有關(guān)的是有絲分裂器中與微管有關(guān)的是星體微管、著絲點微管（動粒微管）和極微管。星體微管、著絲點微管（動粒微管

20、）和極微管。 中心體作為微管中心體作為微管組織中心合成微組織中心合成微管管.細胞分裂時產(chǎn)生收縮細胞分裂時產(chǎn)生收縮環(huán)環(huán)著絲粒及其與微管的連結(jié)：著絲粒及其與微管的連結(jié)：著絲粒著絲粒：染色體在主縊痕處的分化區(qū)段。分為：染色體在主縊痕處的分化區(qū)段。分為3 3個結(jié)構(gòu)區(qū)（如圖）：動粒（染色體表面以蛋白質(zhì)個結(jié)構(gòu)區(qū)（如圖）：動粒（染色體表面以蛋白質(zhì)為主的微管附著結(jié)構(gòu)，即與微管聯(lián)結(jié)的部位），為主的微管附著結(jié)構(gòu)，即與微管聯(lián)結(jié)的部位），著絲粒中部區(qū)，配對區(qū)著絲粒中部區(qū)，配對區(qū)高等真核細胞中，著絲粒的主要成分是高度重高等真核細胞中，著絲粒的主要成分是高度重復(fù)的衛(wèi)星復(fù)的衛(wèi)星DNADNA，5%-10%5%-10%；著絲點；著絲點DNADNA結(jié)合蛋白，胞結(jié)合蛋白，胞質(zhì)動力蛋白，馬達蛋白，鈣調(diào)蛋白等；表明了動質(zhì)動力蛋白，馬達蛋白，鈣調(diào)蛋白等；表明了動粒在結(jié)構(gòu)和功能上的復(fù)雜化。粒在結(jié)構(gòu)和功能上的復(fù)雜化。著絲粒在體外表現(xiàn)出聚集裝配微管的能力；在著絲粒在體外表現(xiàn)出聚集裝配微管的能力；在體內(nèi)，動粒微管是通過捕獲從紡錘體極組裝伸出體內(nèi)，動粒微管是通過捕獲從紡錘體極組裝伸出的微管得到的。的微管得到的。 染色體的運動：染色體的運動： 有絲分裂前期有絲分裂前期，染