南农 细胞生物学 8.ppt

第十章第十章 细胞骨架细胞骨架细胞骨架细胞骨架( (cytoskeleton)cytoskeleton)是指真核细胞中的蛋是指真核细胞中的蛋白纤维网架体系白纤维网架体系狭义狭义 指细胞质骨架，包括微丝、微管、中间纤维；指细胞质骨架，包括微丝、微管、中间纤维；广义广义 包括细胞核骨架、细胞质骨架、细胞膜骨架和包括细胞核骨架、细胞质骨架、细胞膜骨架和细胞外基质细胞外基质第一节第一节 细胞质骨架细胞质骨架一、微丝一、微丝微丝微丝(microfilament，，MF) 是指真核细胞中由是指真核细胞中由肌动蛋白肌动蛋白(actin)组成，直径为组成，直径为7 nm的骨架纤的骨架纤维维 (一一)微丝的成分微丝的成分肌动蛋白肌动蛋白 单体外观呈哑铃状单体外观呈哑铃状,具有极性具有极性，， ( (二二) )微丝微丝结构与装配结构与装配球形肌动蛋白球形肌动蛋白( (G G—actin)actin)单体头尾相接形成具单体头尾相接形成具有极性的多聚体螺旋纤维形肌动蛋白有极性的多聚体螺旋纤维形肌动蛋白( (F F—actin)actin) 球形肌动蛋白球形肌动蛋白( (G G—actin) actin) 加到微丝两端，加到微丝两端，( (十十) )极装配的速度较极装配的速度较( (—) )极快极快在一定条件下，微丝可以表现出一端因加亚单在一定条件下，微丝可以表现出一端因加亚单位而延长，而另一端因亚单位脱落而减短，这位而延长，而另一端因亚单位脱落而减短，这种现象称为种现象称为踏车现象踏车现象 ( (tread milling)tread milling)。

 ( (三三) )微丝结合蛋白微丝结合蛋白肌动蛋白纤维的存在形式与微丝结合蛋白的种肌动蛋白纤维的存在形式与微丝结合蛋白的种类有关微丝结合蛋白参与形成微丝纤维高级结构，对微丝结合蛋白参与形成微丝纤维高级结构，对肌动蛋白纤维的动态装配有调节作用肌动蛋白纤维的动态装配有调节作用 1 1．肌肉收缩系统中的有关蛋白．肌肉收缩系统中的有关蛋白肌球蛋白肌球蛋白( (myosin)myosin)约占肌肉总蛋白的一半约占肌肉总蛋白的一半含含2 2条重链，条重链，2 2条轻链，两股重链盘绕成双股条轻链，两股重链盘绕成双股a a螺旋，长约螺旋，长约140 140 nmnm，，直径直径2 2 nmnmⅡⅡ型肌球蛋白参与肌丝滑动型肌球蛋白参与肌丝滑动ⅠⅠ型和型和V V型肌球蛋白，参与细胞骨架和细胞膜型肌球蛋白，参与细胞骨架和细胞膜的相互作用，如膜泡运输的相互作用，如膜泡运输原肌球蛋白原肌球蛋白(tropomyosin，，Tm) 在肌肉中占总蛋白的在肌肉中占总蛋白的5％～％～10％％由两条平行的多肽链形成由两条平行的多肽链形成a螺旋构型，长螺旋构型，长40nm位于肌动蛋白螺旋沟内结合于细肌丝，调节位于肌动蛋白螺旋沟内。

结合于细肌丝，调节肌动蛋白与肌球蛋白头部的结合肌动蛋白与肌球蛋白头部的结合肌钙蛋白肌钙蛋白(tropoin，，Tn)含含3个亚基个亚基 肌钙蛋白肌钙蛋白 C(Tn—C)特异与特异与Ca2+结合结合 肌钙蛋白肌钙蛋白T(Tn—T)与原肌球蛋白有高度亲和与原肌球蛋白有高度亲和力力 肌钙蛋白肌钙蛋白I(Tn—I)抑制肌球蛋白抑制肌球蛋白ATPase的活的活性细肌丝中每隔细肌丝中每隔40nm有一个肌钙蛋白复合体结有一个肌钙蛋白复合体结合到原肌球蛋白上合到原肌球蛋白上 2 2．非肌肉细胞中的微丝结合蛋白．非肌肉细胞中的微丝结合蛋白肌球蛋白肌球蛋白原肌球蛋白原肌球蛋白a a辅肌动蛋白辅肌动蛋白肌钙蛋白肌钙蛋白与微丝装配及功能与微丝装配及功能有密切关系有密切关系 ( (四四) )微丝特异性药物微丝特异性药物细胞松弛素细胞松弛素( (cytochalasins)cytochalasins) 是真菌的一种代谢产物，可以切断微丝，并结合在微是真菌的一种代谢产物，可以切断微丝，并结合在微丝末端阻抑肌动蛋白聚合，但对解聚没有明显影响，丝末端阻抑肌动蛋白聚合，但对解聚没有明显影响，因而可以破坏微丝的三维网络。

因而可以破坏微丝的三维网络鬼笔环肽鬼笔环肽( (philloidin)philloidin) 是一种由毒蕈产生的双环杆肽，与微丝有强亲合作用，是一种由毒蕈产生的双环杆肽，与微丝有强亲合作用，使肌动蛋白纤维稳定，抑制解聚，且只与使肌动蛋白纤维稳定，抑制解聚，且只与F F肌动蛋白结肌动蛋白结合，而不与合，而不与G G肌动蛋白结合，荧光标记的鬼笔环肽可清肌动蛋白结合，荧光标记的鬼笔环肽可清晰地显示细胞中的微丝晰地显示细胞中的微丝 ( (五五) )微丝性细胞骨架的功能微丝性细胞骨架的功能1 1．肌肉收缩．肌肉收缩2 2．微绒毛．微绒毛3 3．应力纤维．应力纤维4 4．溶胶层和阿米巴运动．溶胶层和阿米巴运动5 5．胞质分裂环．胞质分裂环 二、微管二、微管( (microtubule)microtubule)真核细胞中由微管蛋白真核细胞中由微管蛋白( (tubulin)tubulin)装配成的长管状极性装配成的长管状极性细胞器结构细胞器结构能与其他蛋白共同装配成纺锤体、基粒、中心粒、鞭能与其他蛋白共同装配成纺锤体、基粒、中心粒、鞭毛、纤毛、轴突、神经管等结构，毛、纤毛、轴突、神经管等结构，参与细胞形态的维持、细胞运动和细胞分裂。

参与细胞形态的维持、细胞运动和细胞分裂所有原核生物中没有微管所有原核生物中没有微管( (一一) )微管成分微管成分由由a a微管蛋白和微管蛋白和b b微管蛋白微管蛋白组成组成, ,微管装配的基本单位微管装配的基本单位 a a微管蛋白和微管蛋白和b b微管蛋白形微管蛋白形成微管蛋白异二聚体成微管蛋白异二聚体 ( (二二) )微管形态微管形态长管状结构，平均外径为长管状结构，平均外径为24 24 nmnm，，内径内径15 15 nmnm管壁由管壁由1313根原纤维排列构成根原纤维排列构成可装配成单管，二联管可装配成单管，二联管( (纤毛和鞭毛中纤毛和鞭毛中) )，三联，三联管管( (中心粒和基体中中心粒和基体中) )所有的微管都有确定的极性微管的两个末端所有的微管都有确定的极性微管的两个末端在结构上不是等同的在结构上不是等同的 纤毛纤毛纤毛轴心含有一束纤毛轴心含有一束“9 9十十2 2”排列的平行微管排列的平行微管中央微管均为完全微管，外围二联体微管由中央微管均为完全微管，外围二联体微管由A A、、B B亚纤维组成亚纤维组成 A A亚纤维为完全微管，由亚纤维为完全微管，由1313个球形亚基环绕而个球形亚基环绕而成成 B B亚纤维由亚纤维由1010个亚基构成，另个亚基构成，另3 3个亚基与个亚基与A A亚纤亚纤维共用。

维共用纤毛运动机制：滑动学说认为纤毛运动由相邻纤毛运动机制：滑动学说认为纤毛运动由相邻二联体间相互滑动所致二联体间相互滑动所致( (六六) )功能功能 基体和中心粒基体和中心粒中心体由一对相互垂直的中心体由一对相互垂直的中心粒构成位于鞭毛和中心粒构成位于鞭毛和纤毛根部的类似结构称为纤毛根部的类似结构称为基粒基粒基粒和中心粒均是微管性基粒和中心粒均是微管性结构，呈圆柱状结构，呈圆柱状其壁由其壁由9 9组微管三联体组成，三组微管三联体组成，三联体亚纤维联体亚纤维A A为完全微管，为完全微管，亚纤维亚纤维B B和和C C为不完全微管为不完全微管中心粒和基粒是同源的，中心粒和基粒是同源的，在某些时候可以相互转变在某些时候可以相互转变 均具有自我复制性质均具有自我复制性质 ( (三三) )装配装配a a微管蛋白和微管蛋白和b b微管蛋白形成长度微管蛋白形成长度为为8 8 nmnm的的abab二聚体二聚体 abab 二聚体以二聚体以 ab-ab-abab-ab-ab方向方向先先形成原纤维形成原纤维原纤维经过侧面增加而扩展为片层，原纤维经过侧面增加而扩展为片层，至至1313根原纤维时，即合拢形成一段根原纤维时，即合拢形成一段微管。

微管新的二聚体再不断加到微管新的二聚体再不断加到微管(+)(+)极极端点使之延长端点使之延长最终微管蛋白与微管达到平衡最终微管蛋白与微管达到平衡, ,踏车现象踏车现象( (treadmilling)treadmilling) 微管装配动态微管装配动态微管蛋白的合成是自我调节的，多余的微管蛋白单体微管蛋白的合成是自我调节的，多余的微管蛋白单体结合于合成微管蛋白的核糖体上，导致微管蛋白结合于合成微管蛋白的核糖体上，导致微管蛋白mRNAmRNA降解微管在体内的装配和去装配在时间和空间上是高度有微管在体内的装配和去装配在时间和空间上是高度有序的，序的，间期细胞中，细胞质微管与微管蛋白亚单位库处于相间期细胞中，细胞质微管与微管蛋白亚单位库处于相对平衡状态；对平衡状态；有丝分裂前期，胞质微管网络中的微管去装配，游离有丝分裂前期，胞质微管网络中的微管去装配，游离的微管蛋白亚单位装配为纺锤体；分裂末期，发生逆的微管蛋白亚单位装配为纺锤体；分裂末期，发生逆向转变 微管组织中心微管组织中心微管在解聚后重新装微管在解聚后重新装配的发生处称为微管配的发生处称为微管组织中心组织中心 ( (MTOC)MTOC)。

MTOCMTOC决定了细胞微管决定了细胞微管的极性，微管的的极性，微管的( (—) )极指向极指向MTOCMTOC，，(+)(+)极极背向背向MTOCMTOC动物细胞的动物细胞的MTOCMTOC为中为中心体 ( (四四) )微管相关蛋白质微管相关蛋白质附着于微管多聚体上，参附着于微管多聚体上，参与微管的装配并增加微管与微管的装配并增加微管的稳定性的稳定性dede蛋白称为微管蛋白称为微管相关蛋白质相关蛋白质( (MAP)MAP)一般认为微管相关蛋白质一般认为微管相关蛋白质与骨架纤维间的连接有关，与骨架纤维间的连接有关， ( (五五) )微管特异性药物微管特异性药物秋水仙素秋水仙素 ( (colchicine)colchicine) 秋水仙素阻断微管蛋秋水仙素阻断微管蛋白装配成微管用低浓度的秋水仙素处理活细白装配成微管用低浓度的秋水仙素处理活细胞，可立即破坏纺锤体结构胞，可立即破坏纺锤体结构紫杉酚紫杉酚( (taxol)taxol)能促进微管的装配，并使已形能促进微管的装配，并使已形成的微管稳定成的微管稳定重水重水 ( (D D2 2O)O)也会促进微管装配，增加其稳定性。

也会促进微管装配，增加其稳定性紫杉酚和重水所致的微管稳定性增加对细胞是紫杉酚和重水所致的微管稳定性增加对细胞是有害的，使细胞周期停止于有丝分裂期有害的，使细胞周期停止于有丝分裂期( (六六) )功能功能1 1．维持细胞形态．维持细胞形态2 2．细胞内运输．细胞内运输 (1) (1)神经元轴突运输神经元轴突运输 (2) (2)色素颗粒的运输色素颗粒的运输3 3．鞭毛运动和纤毛运动．鞭毛运动和纤毛运动4 4．纺锤体和染色体运动．纺锤体和染色体运动5 5．基体和中心粒．基体和中心粒三三 中间纤维中间纤维2020世纪世纪6060年代中期，在哺乳动物细胞中发现年代中期，在哺乳动物细胞中发现10 10 nmnm纤维，因其直径介于粗肌丝和细肌丝之间，纤维，因其直径介于粗肌丝和细肌丝之间，故被命名为中间纤维故被命名为中间纤维( (又称中间丝，又称中间丝，intermediate filamentintermediate filament，， ( (一一) )成分成分①①角蛋白纤维角蛋白纤维，，存在于上皮细胞中存在于上皮细胞中②②波形纤维波形纤维 ，，存在于间质细胞和中胚层来源的存在于间质细胞和中胚层来源的细胞中细胞中③③结蛋白纤维结蛋白纤维 ，，存在于肌细胞中存在于肌细胞中④④神经元纤维神经元纤维，，存在于神经元中存在于神经元中⑤⑤神经胶质纤维神经胶质纤维，，存在于神经胶质细胞存在于神经胶质细胞中间纤维的分布具有严格的组织特异性。

中间纤维的分布具有严格的组织特异性( (二二) )结构结构分子肽链中部有一段高度保守的约分子肽链中部有一段高度保守的约310310个氨基个氨基酸残基的酸残基的αα螺旋区，螺旋区，两个相邻亚基的对应两个相邻亚基的对应αα螺旋区形成双股超螺旋，螺旋区形成双股超螺旋，装配为中间纤维的主干装配为中间纤维的主干，，这是中间纤维的共同这是中间纤维的共同结构特征结构特征分子非螺旋化的头部分子非螺旋化的头部( (N N端端) )和尾部和尾部( (C C端端) )的氨基的氨基酸顺序和肽链长度在不同中间纤维蛋白分子中酸顺序和肽链长度在不同中间纤维蛋白分子中有很大差异有很大差异 ( (三三) )装配装配两个相邻亚基的对应两个相邻亚基的对应a a螺旋区形成双股超螺旋，螺旋区形成双股超螺旋，即二聚体即二聚体二聚体装配为四聚体二聚体装配为四聚体( (tetramer)tetramer)由四聚体或八聚体进一步装配为中间纤维由四聚体或八聚体进一步装配为中间纤维最多见的是由最多见的是由8 8个四聚体或个四聚体或4 4个八聚体装配为中个八聚体装配为中间纤维，间纤维， ( (四四) )中间纤维结合蛋白中间纤维结合蛋白( (IFAP)IFAP) 是一类在结构和功能上与中间纤维有密切联系，是一类在结构和功能上与中间纤维有密切联系，但其本身不是中间纤维结构组分的蛋白。

但其本身不是中间纤维结构组分的蛋白 IFAPIFAP可能在中间纤维上或其两端与中间纤维紧可能在中间纤维上或其两端与中间纤维紧密或松散结合密或松散结合可能作为细胞中中间纤维超分子结构的调节者可能作为细胞中中间纤维超分子结构的调节者( (五五) )功能功能中间纤维在胞质中形成精细发达的纤维网络，中间纤维在胞质中形成精细发达的纤维网络，外与细胞膜及细胞外基质相连，内与核纤层有外与细胞膜及细胞外基质相连，内与核纤层有直接联系直接联系在胞质中中间纤维与微丝、微管及其他细胞器在胞质中中间纤维与微丝、微管及其他细胞器有错综复杂的纤维联络有错综复杂的纤维联络中间纤维在细胞质中起支架作用，并与细胞核中间纤维在细胞质中起支架作用，并与细胞核定位有关定位有关中间纤维在细胞间或者组织中起支架作用中间纤维在细胞间或者组织中起支架作用近年来发现中间纤维与近年来发现中间纤维与mRNAmRNA的运输有关，的运输有关，第二节第二节 细胞核骨架细胞核骨架细胞核骨架是存在于真核细胞核内的以蛋白成细胞核骨架是存在于真核细胞核内的以蛋白成分为主的纤维网架体系分为主的纤维网架体系狭义的核骨架指核内除核膜、核纤层、染色质、狭义的核骨架指核内除核膜、核纤层、染色质、核仁和核孔复合体以外的以纤维蛋白成分为主核仁和核孔复合体以外的以纤维蛋白成分为主的纤维网架体系的纤维网架体系广义的核骨架包括核基质、核纤层和核孔复合广义的核骨架包括核基质、核纤层和核孔复合体。

体核骨架与核骨架与DNADNA复制、复制、RNARNA转录和加工、染色体装转录和加工、染色体装配及病毒复制等一些重要的生命活动有关配及病毒复制等一些重要的生命活动有关( (一一) )形态结构形态结构核骨架纤维直径为核骨架纤维直径为3 3～～30 30 nmnm，，估计单丝直径约估计单丝直径约3 3～～4 4 nmnm，，粗纤维可能是单纤维的复合体粗纤维可能是单纤维的复合体核内骨架与核纤层有丰富的纤维联络，构成统核内骨架与核纤层有丰富的纤维联络，构成统一的核骨架网络一的核骨架网络 ( (二二) )成分成分核骨架蛋白核骨架蛋白核骨架结合蛋白核骨架结合蛋白少量少量RNARNA 1 1．核骨架蛋白．核骨架蛋白这类蛋白与富含这类蛋白与富含ATAT的的DNADNA核骨架结合序列核骨架结合序列( (MAR)MAR)结合，又称为结合，又称为MARMAR结合蛋白结合蛋白将将DNADNA锚定在核骨架上，以形成锚定在核骨架上，以形成DNADNA放射环 2 2．核骨架结合蛋白．核骨架结合蛋白 (1)(1)转录因子转录因子 (2) (2)酶酶 (3) (3)受体受体 (4) (4)供体供体 ( (三三) )核骨架结合序列核骨架结合序列MARMAR一般位于一般位于DNADNA放射环或活性转录基因的两端放射环或活性转录基因的两端MARMAR的结构特征的结构特征①①富含富含ATAT；；②②富含富含DNADNA解旋元件解旋元件( (DNA unwinding elements)DNA unwinding elements)；；③③富含反向重复序列富含反向重复序列( (inverted repeats)inverted repeats)④④含有转录因子结合位点含有转录因子结合位点MARMAR的功能的功能①①通过与核骨架蛋白的结合，将通过与核骨架蛋白的结合，将DNADNA放射环锚定在核骨放射环锚定在核骨架上架上②②作为许多功能性基因调控蛋白的结合位点。

作为许多功能性基因调控蛋白的结合位点 ( (四四) )功能功能1 1．核骨架与．核骨架与DNADNA复制复制2 2．核骨架与基因表达．核骨架与基因表达3 3．核骨架与病毒复制．核骨架与病毒复制4 4．核骨架与染色体构建．核骨架与染色体构建 二、染色体支架二、染色体支架染色体支架是指染色体中由非组蛋白构成的结染色体支架是指染色体中由非组蛋白构成的结构支架染色体支架含大约染色体支架含大约3030种非组蛋白种非组蛋白, ,DNADNA拓扑异构拓扑异构酶酶ⅡⅡ三、核纤层三、核纤层核纤层核纤层( (nuclearlamina)nuclearlamina)是位于细胞核内层核是位于细胞核内层核膜下的纤维蛋白片层或纤维网络，核纤层由膜下的纤维蛋白片层或纤维网络，核纤层由1 1至至3 3种核纤层蛋白多肽组成种核纤层蛋白多肽组成核纤层与中间纤维、核骨架相互连接，形成贯核纤层与中间纤维、核骨架相互连接，形成贯穿于细胞核与细胞质的骨架结构体系穿于细胞核与细胞质的骨架结构体系核纤层形态结构核纤层形态结构由核纤层蛋白构成的直径为由核纤层蛋白构成的直径为10 10 nmnm左右的核纤左右的核纤层纤维，纵横排列整齐，呈正交状编织成球状层纤维，纵横排列整齐，呈正交状编织成球状或笼状网络，分布于内层核膜与染色质之间。

或笼状网络，分布于内层核膜与染色质之间功能功能核纤层与核膜、染色质及核孔复合体在结构上核纤层与核膜、染色质及核孔复合体在结构上有密切联系有密切联系一般认为核纤层在细胞核中起支架作用，为核一般认为核纤层在细胞核中起支架作用，为核膜及染色质提供了结构支架膜及染色质提供了结构支架。