細胞骨架與運動

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

微絲，又叫肌動蛋白纖維，是由肌動蛋白構(gòu)成的兩股螺旋形成的細絲，普遍存在于真核細胞中微管，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)。普遍存在于真核細胞中中間纖維，又叫中間絲，粗細位于微絲和肌球蛋白粗絲之間，普遍存在于真核細胞中，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)合蛋白組成的中空圓柱狀結(jié)構(gòu)，在不同細胞類型中有相似結(jié)構(gòu)。參與形成纖毛、鞭毛、基體、中心體、紡錘體功能：膜性細胞器的定位、物質(zhì)運輸、細胞運動、細胞分裂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?、微管的數(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分子包含一個結(jié)合微管的結(jié)構(gòu)域和一個向外突出的結(jié)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。主要功能：①促進微管組裝。②增加微管穩(wěn)定性。③促進微管聚集成束。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；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動。非穩(wěn)態(tài)動力學模型（dynamicinstability）GTP是調(diào)節(jié)微管體內(nèi)外組裝的主要物質(zhì)GTP-管蛋白對微管末端的親和力大GDP-管蛋白對微管末端的親和力小管蛋白濃度Antimitosisdrugs藥物對微管的作用長春堿秋水仙素—阻止聚合紫杉醇—促進聚合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，(+)極生長速度快，(-)極生長速度慢。(+)極的最外端是β球蛋白，(-)極是α球蛋白。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。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。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。五、微管的功能細胞內(nèi)的網(wǎng)狀支架，支持和維持細胞的形態(tài)神經(jīng)元細胞的軸突RBC雙凹盤形2.細胞內(nèi)物質(zhì)運輸是胞內(nèi)物質(zhì)運輸?shù)穆奋墶Ｉ婕?類馬達蛋白：驅(qū)動蛋白kinesin、動力蛋白dyenin，需ATP供能。驅(qū)動蛋白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，外觀具有兩個球形的頭（具有ATP酶活性）、一個螺旋狀的桿和兩個扇子狀的尾。功能：通過結(jié)合和水解ATP，導(dǎo)致頸部發(fā)生構(gòu)象改變，使兩個頭部交替與微管結(jié)合，從而沿微管“行走”，將“尾部”結(jié)合的“貨物”（運輸泡或細胞器）轉(zhuǎn)運到其它地方。大多數(shù)能向著微管（+）極運輸小泡。動力蛋白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)微管外臂的動力蛋白具有三個重鏈功能：在細胞分裂中推動染色體的分離驅(qū)動鞭毛的運動向著微管（-）極運輸小泡3.形成紡錘體，調(diào)節(jié)細胞分裂。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。第二節(jié)微絲（microfilament）又稱肌動蛋白纖維actinfilament，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。Microfilament,MF一、結(jié)構(gòu)與裝配2個結(jié)構(gòu)域，4個亞單位組ATP（ADP）二價離子構(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（＋）負端（－）肌動蛋白存在形式游離球狀肌動蛋白（G-actin)纖維狀肌動蛋白(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：控制纖維長度，8．膜結(jié)合蛋白：控制質(zhì)膜的移動一、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++過程（三個階段）：成核期

—微絲組裝的限速過程生長期

—肌動蛋白在核心兩端聚合正端快，負端慢平衡期

—聚合速度與解離速度達到平衡二、微絲的裝配動態(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蛋白單體的方式增長，不過由于極性，兩端的速度不同，速度快的一端為正端，速度慢的一端為負端，表現(xiàn)為踏車現(xiàn)象。當?shù)竭_平衡期，肌動蛋白分子添加到肌動蛋白絲上的速度正好等于肌動蛋白分子從肌動蛋白上失去的速度，微絲的凈長度沒有改變，這種過程稱為微絲的踏車行為。非穩(wěn)態(tài)動力學模型(dynamicinstabilitymodel)ATP是調(diào)節(jié)的主要因素ATP-肌動蛋白對微絲末端親和性高ADP-肌動蛋白對微絲末端親和性低ATP-肌動蛋白濃度與聚合速度成正比Treadmilling+-細胞中大多數(shù)微絲結(jié)構(gòu)處于動態(tài)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(jié)合在微絲末端抑制肌動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，細肌絲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)（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）：只含細肌絲部分。Z線：細肌絲一端游離，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由一個重鏈和兩個輕鏈組成。在非肌細胞中，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，位于肌動蛋白雙螺旋的溝中，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(jié)合。原肌球蛋白（tropomyosin.Tm）肌鈣蛋白（troponin,Tn）含三個亞基，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，引起頭部與肌動蛋白纖維分離；②ATP水解，引起頭部與肌動蛋白弱結(jié)合；三、微絲的功能Myosinmovement(continued)③Pi釋放，頭部與肌動蛋白強結(jié)合，頭部向M線方向彎曲，引起細肌絲向M線移動；④ADP釋放ATP結(jié)合上去，頭部與肌動蛋白纖維分離。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，位于細胞內(nèi)緊鄰質(zhì)膜下方，使細胞具有抗剪切力。

培養(yǎng)的上皮細胞中的應(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：存在于許多動物細胞表面的指狀結(jié)構(gòu)，在上皮細胞中特別豐富，可增加細胞表面積。小腸吸收上皮細胞最多結(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．細胞的變形運動。細胞的變形運動分為四步：①：微絲纖維生長，使細胞表面突出，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，使細胞主體前移；④解除細胞后方的粘和點。如此不斷循環(huán)，細胞向前移動。阿米巴原蟲、白細胞、成纖維細胞都能以這種方式運動。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（細胞松弛素）可增強膜的流動、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(wǎng)，并擴展到細胞質(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，不同類型細胞含有不同IF。通常一種細胞含有一種IF，少數(shù)含2種以上。腫瘤細胞轉(zhuǎn)移后仍保留源細胞的IF。（一）角蛋白keratin表皮細胞特有，分α和β兩類，β型存在于細胞中，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(zhì)細胞及中胚層來源的細胞中。（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過程：①兩個單體形成超螺旋二聚體；②兩個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：無極性；無動態(tài)蛋白庫；裝配與溫度和蛋白濃度無關(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：具有細胞特異性胞質(zhì)骨架三種組分的比較動態(tài)調(diào)節(jié)通過特殊氨基酸殘基（Ser，Thr）的磷酸化完成5.功能（1）為細胞提供機械支持（2）維持細胞和組織的完整性細胞完整性：核纖層核外周組織完整性：細胞-細胞細胞-基質(zhì)（3）參與DNA復(fù)制（4）與細胞分化及生存有關(guān)微絲

單體：肌動蛋白

組裝：成核期

—

三聚體（限速期）

生長期

—

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：維持細胞形態(tài)微絨毛(肌動蛋白）

微穗

(肌動蛋白）

應(yīng)力纖維

(肌動蛋白,肌球蛋白）

肌肉收縮

粗肌絲

(肌球蛋白）

細肌絲

(肌動蛋白）

參與細胞分裂收縮環(huán)

(肌動蛋白,肌球蛋白）

參與細胞運動

參與物質(zhì)運輸

參與信號轉(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