細(xì)胞骨架與運(yùn)動(dòng)

第七章細(xì)胞骨架與細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)THECYTOSKELETON細(xì)胞骨架（Cytoskeleton）是真核細(xì)胞中的蛋白質(zhì)纖維網(wǎng)架體系，它對(duì)于維持細(xì)胞的形狀、細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)、細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)運(yùn)輸、染色體的分離和細(xì)胞的分裂起著重要的作用。細(xì)胞骨架（Cytoskeleton）是真核細(xì)胞中的蛋白質(zhì)纖維網(wǎng)架體系，它對(duì)于維持細(xì)胞的形狀、細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)、細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)運(yùn)輸、染色體的分離和細(xì)胞的分裂起著重要的作用。細(xì)胞骨架由以下組分構(gòu)成微絲（microfilament）微管（microtubule）中間纖維（intemediatefilament）廣義的細(xì)胞骨架還包括核骨架（nucleoskeleton）核纖層（nuclearlamina）細(xì)胞外基質(zhì)（extracellularmatrix）形成貫穿于細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞外的一體化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

微絲，又叫肌動(dòng)蛋白纖維，是由肌動(dòng)蛋白構(gòu)成的兩股螺旋形成的細(xì)絲，普遍存在于真核細(xì)胞中微管，是由微管蛋白單體構(gòu)成的基本組件形成的中空的管狀結(jié)構(gòu)。普遍存在于真核細(xì)胞中中間纖維，又叫中間絲，粗細(xì)位于微絲和肌球蛋白粗絲之間，普遍存在于真核細(xì)胞中，是三種骨架系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的一種第一節(jié)微管定義：由微管蛋白和微管結(jié)合蛋白組成的中空?qǐng)A柱狀結(jié)構(gòu)，在不同細(xì)胞類型中有相似結(jié)構(gòu)。參與形成纖毛、鞭毛、基體、中心體、紡錘體功能：膜性細(xì)胞器的定位、物質(zhì)運(yùn)輸、細(xì)胞運(yùn)動(dòng)、細(xì)胞分裂Afluorescentlystainedimageofculturedepithelialcellsshowingthenucleus(yellow)andmicrotubules(red)Microtubule,MTGTPGTP--〉GDP一、微管的結(jié)構(gòu)微管組織中心microtubuleorganizingcenter,MTOCs是微管進(jìn)行組裝的區(qū)域，都具有γ微管球蛋白，如：中心體、鞭毛基體?？刂莆⒐艿男纬伞⑽⒐艿臄?shù)量和位置、微管的極性一、微管的結(jié)構(gòu)微管結(jié)合蛋白

microtubuleassociatedproteinsMAPsMAP分子包含一個(gè)結(jié)合微管的結(jié)構(gòu)域和一個(gè)向外突出的結(jié)構(gòu)域?？膳c其它細(xì)胞組分（如微管束、中間纖維、質(zhì)膜）結(jié)合。主要功能：①促進(jìn)微管組裝。②增加微管穩(wěn)定性。③促進(jìn)微管聚集成束。一、微管的結(jié)構(gòu)1313+1013+10+10一、微管的結(jié)構(gòu)成核期（nucleationphase）-延遲期（lagphase）管蛋白聚合成短的寡聚體（核心）

片狀微管聚合期（polymerizationphase）-延長(zhǎng)期（elongationphase）聚合速度大于解聚速度穩(wěn)定期（steadyphase）：聚合速度等于解聚速度（游離管蛋白達(dá)到臨界濃度）二、微管的裝配二、微管的裝配微管組織中心：中心體、纖毛的基體TheOrientationofMicrotubulesinaCellThefunctionofGTP-tubulincapGTPhydrolysisisnotrequiredformicrotubuleassembly，WHY？二、微管的裝配二、微管的裝配組裝的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)踏車模型微管的一端發(fā)生GTP和微管蛋白的添加，是微管不斷延長(zhǎng)；另一端具有GDP的微管蛋白發(fā)生解聚而使微管縮短，這種裝配方式稱為踏車運(yùn)動(dòng)。非穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)模型（dynamicinstability）GTP是調(diào)節(jié)微管體內(nèi)外組裝的主要物質(zhì)GTP-管蛋白對(duì)微管末端的親和力大GDP-管蛋白對(duì)微管末端的親和力小管蛋白濃度Antimitosisdrugs藥物對(duì)微管的作用長(zhǎng)春堿秋水仙素—阻止聚合紫杉醇—促進(jìn)聚合α球蛋白結(jié)合的GTP從不發(fā)生水解或交換。β球蛋白也是一種G蛋白，結(jié)合的GTP可發(fā)生水解，結(jié)合的GDP可交換為GTP。具有極性，(+)極生長(zhǎng)速度快，(-)極生長(zhǎng)速度慢。(+)極的最外端是β球蛋白，(-)極是α球蛋白?？尚纬煞€(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。大多數(shù)微管處于動(dòng)態(tài)組裝和去組裝狀態(tài)（如紡錘體），具有踏車行為。秋水仙素、長(zhǎng)春花堿抑制微管裝配。紫杉酚能促進(jìn)微管的裝配,并使已形成的微管穩(wěn)定。五、微管的功能細(xì)胞內(nèi)的網(wǎng)狀支架，支持和維持細(xì)胞的形態(tài)神經(jīng)元細(xì)胞的軸突RBC雙凹盤形2.細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸是胞內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸?shù)穆奋墶Ｉ婕?類馬達(dá)蛋白：驅(qū)動(dòng)蛋白kinesin、動(dòng)力蛋白dyenin，需ATP供能。驅(qū)動(dòng)蛋白KinesinKinesin發(fā)現(xiàn)于1985年，由兩條輕鏈和兩條重鏈構(gòu)成，向微管（+）極運(yùn)輸小泡。結(jié)構(gòu)：是由兩條輕鏈和兩條重鏈構(gòu)成的四聚體，外觀具有兩個(gè)球形的頭（具有ATP酶活性）、一個(gè)螺旋狀的桿和兩個(gè)扇子狀的尾。功能：通過(guò)結(jié)合和水解ATP，導(dǎo)致頸部發(fā)生構(gòu)象改變，使兩個(gè)頭部交替與微管結(jié)合，從而沿微管“行走”，將“尾部”結(jié)合的“貨物”（運(yùn)輸泡或細(xì)胞器）轉(zhuǎn)運(yùn)到其它地方。大多數(shù)能向著微管（+）極運(yùn)輸小泡。動(dòng)力蛋白DyneinDynein發(fā)現(xiàn)于1963年。結(jié)構(gòu)：分子量巨大（接近1.5Md）由兩條相同的重鏈和一些種類繁多的輕鏈以及結(jié)合蛋白構(gòu)成鞭毛二聯(lián)微管外臂的動(dòng)力蛋白具有三個(gè)重鏈功能：在細(xì)胞分裂中推動(dòng)染色體的分離驅(qū)動(dòng)鞭毛的運(yùn)動(dòng)向著微管（-）極運(yùn)輸小泡3.形成紡錘體，調(diào)節(jié)細(xì)胞分裂。4.形成鞭毛和纖毛結(jié)構(gòu)：由基體和鞭桿兩部分構(gòu)成；鞭毛中的微管為9+2結(jié)構(gòu)；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(dòng)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。運(yùn)動(dòng)原理：動(dòng)力蛋白臂的dynein水解ATP作功，使相鄰的二聯(lián)微管相互滑動(dòng)。第二節(jié)微絲（microfilament）又稱肌動(dòng)蛋白纖維actinfilament，是由兩條線性排列的肌動(dòng)蛋白鏈形成的螺旋，形狀如雙線捻成的繩子，直徑約7nm。Microfilament,MF一、結(jié)構(gòu)與裝配2個(gè)結(jié)構(gòu)域，4個(gè)亞單位組ATP（ADP）二價(jià)離子構(gòu)象可改變與微絲的組裝與解離有關(guān)極性結(jié)構(gòu)正端（＋）負(fù)端（－）肌動(dòng)蛋白存在形式游離球狀肌動(dòng)蛋白（G-actin)纖維狀肌動(dòng)蛋白(F-actin)微絲結(jié)合蛋白已知的的微絲結(jié)合蛋白有100多種，1．核化蛋白：使游離actin核化，開始組裝，Arp2．單體隔離蛋白：抑制蛋白、胸腺素可以阻止游離actin向纖維添加，保證單體-聚合體的平衡3．末端阻斷蛋白：與纖維末端結(jié)合，調(diào)節(jié)纖維長(zhǎng)度4．單體聚合蛋白：將結(jié)合的單體安裝到纖維，profilin5．微絲解聚蛋白：去組裝6．交聯(lián)蛋白：使肌動(dòng)蛋白纖維交聯(lián)，形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)7．纖維切割蛋白：控制纖維長(zhǎng)度，8．膜結(jié)合蛋白：控制質(zhì)膜的移動(dòng)一、結(jié)構(gòu)與裝配單體隔離蛋白—去聚合蛋白cofilin、抑制蛋白profilin微絲切割蛋白—凝溶膠蛋白gelsolin組裝：條件：ATP

鹽濃度K+Mg++過(guò)程（三個(gè)階段）：成核期

—微絲組裝的限速過(guò)程生長(zhǎng)期

—肌動(dòng)蛋白在核心兩端聚合正端快，負(fù)端慢平衡期

—聚合速度與解離速度達(dá)到平衡二、微絲的裝配動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)踏車模型（treadmillingmodel）微絲的任何一端都可以以添加肌動(dòng)蛋白單體的方式增長(zhǎng)，不過(guò)由于極性，兩端的速度不同，速度快的一端為正端，速度慢的一端為負(fù)端，表現(xiàn)為踏車現(xiàn)象。當(dāng)?shù)竭_(dá)平衡期，肌動(dòng)蛋白分子添加到肌動(dòng)蛋白絲上的速度正好等于肌動(dòng)蛋白分子從肌動(dòng)蛋白上失去的速度，微絲的凈長(zhǎng)度沒有改變，這種過(guò)程稱為微絲的踏車行為。非穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)模型(dynamicinstabilitymodel)ATP是調(diào)節(jié)的主要因素ATP-肌動(dòng)蛋白對(duì)微絲末端親和性高ADP-肌動(dòng)蛋白對(duì)微絲末端親和性低ATP-肌動(dòng)蛋白濃度與聚合速度成正比Treadmilling+-細(xì)胞中大多數(shù)微絲結(jié)構(gòu)處于動(dòng)態(tài)組裝和去組裝過(guò)程中，并通過(guò)這種方式實(shí)現(xiàn)其功能。細(xì)胞松弛素（cytochalasin）可切斷微絲纖維，并結(jié)合在微絲末端抑制肌動(dòng)蛋白加合到微絲纖維上。鬼筆環(huán)肽（phalloidin）與微絲能夠特異性的結(jié)合，使微絲纖維穩(wěn)定而抑制其功能。熒光標(biāo)記的鬼筆環(huán)肽可特異性的顯示微絲。1、參與肌肉的收縮肌肉由肌原纖維組成，肌原纖維的粗肌絲主要成分是肌球蛋白，細(xì)肌絲主要成分是肌動(dòng)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)（ere）。肌小節(jié)是相鄰兩Z線間的單位。主要結(jié)構(gòu)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(xì)肌絲部分。Z線：細(xì)肌絲一端游離，一端附于Z線。三、微絲的功能三、微絲的功能ere三、微絲的功能肌球蛋白（myosin）屬于馬達(dá)蛋白，多數(shù)趨向微絲的（+）極。MyosinII構(gòu)成粗肌絲。由2重鏈和4輕鏈組成，具有2球形的頭和1螺旋化的干，頭部有ATP酶活性。MyosinV結(jié)構(gòu)類似myosinII，但重鏈有球形尾部。MyosinI由一個(gè)重鏈和兩個(gè)輕鏈組成。在非肌細(xì)胞中，II型參與形成應(yīng)力纖維和胞質(zhì)收縮環(huán)，I、V型結(jié)合在膜上與膜泡運(yùn)輸有關(guān)。三、微絲的功能MyosinIIstructureTwoheavychains,twoessentiallightchains,andtworegulatorylightchainsHeavychainhasheaddomain,neckregion,andtaildomain肌球蛋白（myosin）三、微絲的功能組成兩條平行纖維，位于肌動(dòng)蛋白雙螺旋的溝中，作用是加強(qiáng)和穩(wěn)定肌動(dòng)蛋白絲，抑制肌動(dòng)蛋白與肌球蛋白結(jié)合。原肌球蛋白（tropomyosin.Tm）肌鈣蛋白（troponin,Tn）含三個(gè)亞基，C亞基結(jié)合鈣，T亞基與原肌球蛋白有高度親和力，I亞基抑制肌球蛋白的ATP酶活性。三、微絲的功能Tropomyosin,actinandtroponin肌肉的收縮

①肌球蛋白結(jié)合ATP，引起頭部與肌動(dòng)蛋白纖維分離；②ATP水解，引起頭部與肌動(dòng)蛋白弱結(jié)合；三、微絲的功能Myosinmovement(continued)③Pi釋放，頭部與肌動(dòng)蛋白強(qiáng)結(jié)合，頭部向M線方向彎曲，引起細(xì)肌絲向M線移動(dòng)；④ADP釋放ATP結(jié)合上去，頭部與肌動(dòng)蛋白纖維分離。如此循環(huán)三、微絲的功能三、微絲的功能2．形成應(yīng)力纖維（stressfiber）：結(jié)構(gòu)類似肌原纖維，位于細(xì)胞內(nèi)緊鄰質(zhì)膜下方，使細(xì)胞具有抗剪切力。

培養(yǎng)的上皮細(xì)胞中的應(yīng)力纖維（微絲紅色、微管綠色）

3.微絨毛（microvilli）是質(zhì)膜頂端表面的指狀形突起。分布：存在于許多動(dòng)物細(xì)胞表面的指狀結(jié)構(gòu)，在上皮細(xì)胞中特別豐富，可增加細(xì)胞表面積。小腸吸收上皮細(xì)胞最多結(jié)構(gòu)組成微絲微絲形成的微絲束構(gòu)成了微絨毛骨架微絲結(jié)合蛋白調(diào)節(jié)長(zhǎng)度保持形狀絨毛蛋白毛緣蛋白肌球蛋白Ⅰ鈣調(diào)蛋白4．細(xì)胞的變形運(yùn)動(dòng)。細(xì)胞的變形運(yùn)動(dòng)分為四步：①：微絲纖維生長(zhǎng)，使細(xì)胞表面突出，形成片足(lamellipodium)；②在片足與基質(zhì)接觸的位置形成粘著斑；③在myosin的作用下微絲纖維滑動(dòng)，使細(xì)胞主體前移；④解除細(xì)胞后方的粘和點(diǎn)。如此不斷循環(huán)，細(xì)胞向前移動(dòng)。阿米巴原蟲、白細(xì)胞、成纖維細(xì)胞都能以這種方式運(yùn)動(dòng)。5.胞質(zhì)分裂；6.頂體反應(yīng)（海膽）；7.其他功能：抑制微絲的藥物（細(xì)胞松弛素）可增強(qiáng)膜的流動(dòng)、破壞胞質(zhì)環(huán)流。第三節(jié)中間纖維

intermediatefilaments直徑10nm左右，介于微絲和微管之間，故名。IF是最穩(wěn)定的細(xì)胞骨架成分，主要起支撐作用。IF在細(xì)胞中圍繞著細(xì)胞核分布，成束成網(wǎng)，并擴(kuò)展到細(xì)胞質(zhì)膜，與質(zhì)膜相連結(jié)。intermediatefilaments，IFKeratinfilamentsofepithelialcellsaretightlyanchoredtotheplasmamembranesatdesmosmesandhemidesmosomes一、類型分5類：角蛋白、結(jié)蛋白、膠質(zhì)原纖維酸性蛋白、波形纖維蛋白、神經(jīng)纖絲蛋白。具有組織特異性，不同類型細(xì)胞含有不同IF。通常一種細(xì)胞含有一種IF，少數(shù)含2種以上。腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移后仍保留源細(xì)胞的IF。（一）角蛋白keratin表皮細(xì)胞特有，分α和β兩類，β型存在于細(xì)胞中，α型構(gòu)成頭發(fā)、指甲。單體分為：酸性角蛋白（I型）、中性或堿性角蛋白（II型）。通過(guò)兩者的異二聚體形成角蛋白纖維。（二）結(jié)蛋白desmin又稱骨骼蛋白skeletin，存在于肌肉細(xì)胞中，主要功能是使肌纖維連在一起。（三）膠質(zhì)原纖維酸性蛋白glialfibrillaryacidicprotein，存在于星形神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞和許旺細(xì)胞。起支撐作用。（四）波形纖維蛋白vimentin，存在于間充質(zhì)細(xì)胞及中胚層來(lái)源的細(xì)胞中。（五）神經(jīng)纖絲蛋白neurofilamentprotein，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(jīng)纖維易于伸展和防止斷裂。intemediatefilaments，IF過(guò)程：①兩個(gè)單體形成超螺旋二聚體；②兩個(gè)二聚體反向平行組裝成四聚體；③四聚體組成原纖維；④8根原纖維組成中間纖維。特點(diǎn)：無(wú)極性；無(wú)動(dòng)態(tài)蛋白庫(kù)；裝配與溫度和蛋白濃度無(wú)關(guān)；不需要ATP、GTP或結(jié)合蛋白的輔助。二、結(jié)構(gòu)與裝配單體

超螺旋（平行對(duì)齊）

原纖絲（反向平行）原纖維中間纖維三、IF的結(jié)合蛋白IFAP功能：使中間纖維交聯(lián)成束、成網(wǎng)，把中間纖維交聯(lián)到質(zhì)膜或其它骨架成分上已知的IFAPs約15種左右，分別與特定的中間纖維結(jié)合，如：flanggrin、Plectin、Ankyrin特點(diǎn)：具有細(xì)胞特異性胞質(zhì)骨架三種組分的比較動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)通過(guò)特殊氨基酸殘基（Ser，Thr）的磷酸化完成5.功能（1）為細(xì)胞提供機(jī)械支持（2）維持細(xì)胞和組織的完整性細(xì)胞完整性：核纖層核外周組織完整性：細(xì)胞-細(xì)胞細(xì)胞-基質(zhì)（3）參與DNA復(fù)制（4）與細(xì)胞分化及生存有關(guān)微絲

單體：肌動(dòng)蛋白

組裝：成核期

—

三聚體（限速期）

生長(zhǎng)期

—

聚合﹥解聚

平衡期

—

聚合=解聚

結(jié)合蛋白：肌球蛋白頭部

尾部

功能：維持細(xì)胞形態(tài)微絨毛(肌動(dòng)蛋白）

微穗

(肌動(dòng)蛋白）

應(yīng)力纖維

(肌動(dòng)蛋白,肌球蛋白）

肌肉收縮

粗肌絲

(肌球蛋白）

細(xì)肌絲

(肌動(dòng)蛋白）

參與細(xì)胞分裂收縮環(huán)

(肌動(dòng)蛋白,肌球蛋白）

參與細(xì)胞運(yùn)動(dòng)

參與物質(zhì)運(yùn)輸

參與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)ATP臨界濃度微管

單體：微管蛋白(二聚體)

組裝：成核期—

寡聚體(限速期）

聚合期—

聚合﹥解聚

穩(wěn)定期—

聚合=解聚

結(jié)合蛋白：MAP1,MAP2,tau,MAP4