第六章 细胞骨架与细胞运动(辛华)14.ppt

第六章细胞骨架与细胞运动,cytoskeleton and cell motility,概述 第一节 微 管第二节 微 丝 第三节 中间丝第四节 细胞骨架与疾病,内容,概 述,一、细胞骨架的概念细胞骨架(cytoskeleton) 是指真核细胞中与保持细胞形态结构和细胞运动有关的纤维网络，包括微管、微丝和中间丝 细胞骨架,,微管（microtubule）25nm 微丝 (microfilament) 5～7nm 中间丝 (intermediate）10nm,细胞骨架立体结构模式图,微丝,,,,,,,二、细胞骨架的功能 1.构成细胞内支撑和区域化的网架 2.参与细胞的运动和细胞内物质的运输 3.参与细胞的分裂活动 4.参与细胞内信息传递,细胞膜骨架,细胞骨架功能示意图,第一节 微 管 一、微管的化学组成 α微管蛋白、 β微管蛋白 、γ-微管蛋白,,1. α和 β微管蛋白,在α微管蛋白和β微管蛋上各有一个GTP结合位点、Mg2+、Ca2+结合位点 和一个秋水仙素结合位,a.微管结构模式图 b.微管横切面 C.电镜图象,2.γ微管蛋白环状复合物（γ-TuRC）由γ微管蛋白和一些其他相关蛋白构成，是微管的一种高效的集结结构，在中心体中是微管装配的起始结构。

3.微管的三种存在形式,单管微管由13根原丝组成，是胞质微管的主要存在形式二联管主要分布在纤毛和鞭毛的杆状部分 三联管主要分布在中心粒及纤毛和鞭毛的基体中,,二、微管相关蛋白 (microtubule- associated protein，MAP),这是一类以恒定比例与微管结合的蛋白，决定不同类型微管的独特属性，参与微管的装配，是维持微管结构和功能的必需成份MAP-1、MAP-2、Tau 主要存在于神经元中MAP-4广泛存在于各种细胞中 种MAP的活性主要通过蛋白激酶和磷酸酶控制，,1．微管相关蛋白的种类和特点,微管相关蛋白MAP-2,碱性结合区,酸性区域,,,2. 微管相关蛋白的功能,（1）调节微管装配（2）增加微管的稳定性和强度 （3）在细胞内沿微管转运囊泡和颗粒 （4）作为细胞外信号的靶位点参与信号转导,三、微管的组装和极性,组装过程分三个时期：成核期、聚合期和稳定期,成核期：先由α和β微管蛋白聚合成一个短的寡 聚体结构，即核心形成； 聚合期：微管蛋白聚合速度大于解聚速度，微管 延长；稳定期：游离微管蛋白浓度下降，达到临界浓 度，微管的组装与去组装速度相等， 微管长度相对恒定；,（一）微管的体外组装,极性装配 ： 装配快的一端（β微管蛋白）为（+）极， 装配慢的一端（α微管蛋白）为（-）极 踏车现象：组装和去组装达到平衡,组装条件 ：微管蛋白异二聚体达到临界浓度、有Mg2+存在，（无Ca2+）、pH6.9、37℃、异二聚体即组装成微管，同时需要由GTP提供能量。

微管的体外组装过程与踏车现象模式,,（二）微管的体内装配,微管组织中心（microtubule organizing center，MTOC）在空间上为微管装配提供始发区域，控制着细胞质中微管的数量、位置及方向包括：中心体、纤毛和鞭毛的基体,微管在中心体部位的成核模型,,微管在中心体上的聚合,A.中心体的无定形蛋白基质中含有γ微管蛋白环,它是微管生长的起始部位; B.中心体上的γ微管蛋白环; C.中心体与附着其上的微管,负端被包围在中心体中,正端游离在细胞质中;,（三）微管组装的动态调节---非稳态动力学模型,该模型认为，微管组装过程不停地在增长和缩短两种状态中转变，表现动态不稳定性微管在体外组装时，游离微管蛋白的浓度和GTP水解成GDP的速度决定微管的稳定性：,当GTP微管蛋白异二聚体添加到微管正极（+）组装速度大于GDP的水解速度时,形成GTP帽,微管延长; 当GTP的微管蛋白聚合速度小于GTP的水解速度， GTP帽不断缩小暴露出GDP微管蛋白，并迅速脱落,使微管缩短，导致微管结构上的不稳定，,,（四）作用于微管的特异性药物,秋水仙素：抑制微管的组装 紫衫酚：阻止微管的去组装，增强微管稳定性,秋水仙素与紫衫酚的分子结构,四、微管的功能（一）构成细胞的支架并维持细胞的形态,微管围绕细胞核向外呈放射状分布，维持细胞的形态,（二）参与细胞内物质的运输,微管为细胞内物质的运输提供轨道,通过马达蛋白完成物质运输任务.,1.马达蛋白（motor protein）这是一类利用ATP水解产生的能量驱动自身携带运载物沿着微管或肌动蛋白丝运动的蛋白质。

可分为三个不同的家族： 驱动蛋白（kinesin） 动力蛋白（dynein） 肌球蛋白（myosin）,微管作为运行轨道,,肌动蛋白纤维作为运行轨道,驱动蛋白：介导沿微管的（-）极向（+）极的运输动力蛋白：介导从微管的（+）极向（-）极的运输,胞质动力蛋白与膜泡的附着,细胞中微管介导的物质运输,（三）维持细胞内细胞器的空间定位和分布,参与内质网、高尔基复合体 、纺锤体的定 位及分裂期染色体位移 、,（四）微管参与细胞运动 细胞的变形运动、纤毛、鞭毛运动,纤毛和鞭毛动力微管的滑动模型,（五）微管参与染色体的运动，调节细胞分裂,（六）微管参与细胞内信号传递,如hedgehog、JNK、Wnt、ERK及PAK蛋白激酶信号通路第二节 微丝,一、微丝的结构与肌动蛋白 G- 肌动蛋白 （G-actin）纯化的肌动蛋白单体由单条 肽链折叠而成，外观呈哑铃形，内部有ATP（或ADP） 结合位点和一个二价阳离子Mg2+（或Ca2）结合位点F- 肌动蛋白： 每条微丝由2条平行的肌动蛋白单链以右手螺旋方式相互盘绕而成 ，具有极性,肌动蛋白和微丝的结构模式图 A.G-肌动蛋白三维结构; B.F-肌动蛋白分子模型; C. F-肌动蛋白电镜照片,,二、肌动蛋白结合蛋白(actin-binding protein）,是细胞内存在的一大类能与肌动蛋白单体或肌动蛋白纤维结合的、能改变其特性的蛋白 。

按其功能可分为三大类：①与F-肌动蛋白的聚合有关的蛋白； ②与微丝结构有关的蛋白； ③与微丝收缩有关的蛋白 ；,肌动蛋白结合蛋白功能示意图,三、微丝的组装,当溶液中含有ATP、Mg2+以及较高浓度的K+或Na+时，G-肌动蛋白可自组装成F-肌动蛋白； 当溶液中含有适当浓度的Ca2+以及低浓度的Na+、K+时，肌动蛋白纤维趋向于解聚成肌动蛋白单体一）微丝的体外组装过程分三个阶段： ①成核期 ②延长期 ③稳定期,①成核期 ② 延长期 ③稳定期,成核因子通过成核作用来加速肌动蛋白的聚合,（二）微丝的体内组装的调节,微丝体内组装受一系列肌动蛋白结合蛋白的调节1.微丝成核蛋白 （nucleating protein）,①Arp2/3复合物：促使形成微丝网络结构，由Arp2、Arp3和其他5种附属蛋白组成，具有与微管成核时γ-TuRC相似的作用，是微丝组装的起始复合物微丝装配的成核作用及微丝网络的形成 A.纤丝状肌动蛋白纤维的成核作用； B.微丝成网过程,②成核蛋白formin ：启动细胞内不分支微丝的形成， 共有15种，共同特征是都含有FH1和FH2同源结构域 ，FH1结构域可与抑制蛋白（profilin）结合，FH2结构域启动肌动蛋白的成核聚合。

当新成核的微丝纤维生长时，formin二聚体保持结合在快速生长的正端，保护正极在延伸过程中不受加帽蛋白的影响，并通过直接与抑制蛋白（profilin）的结合提高延伸速度三）cofilin /ADF蛋白家族与肌动蛋白纤维的解聚,cofilin /ADF蛋白家族通过两种方式加速解聚：①增加肌动蛋白单体从纤维末端的解离速度；②剪切肌动蛋白纤维，使之片段化四）多种药物影响微丝组装,细胞松弛素（cytochalasin）抑制组装过程 鬼笔环肽：抑制微丝解聚，使微丝保持稳定状态,四、微丝的功能,（一）构成细胞的支架并维持细胞的形态 如，细胞皮层、应力纤维、微绒毛 等,A.微绒毛低温电镜图象; B.微绒毛结构示意图,（二）微丝参与细胞的运动参与细胞的多种运动形式： 变形运动、胞质环流、细胞的内吞和外吐等,细胞变形运动 ：①肌动蛋白的聚合形成伪足 ②伪足与基质之间行成新的 锚定点；③以附着点为支点向前移动 （肌动蛋白纤维的解聚）三）微丝参与细胞内物质运输,肌球蛋白（myosin）的马达蛋白家族它们以微丝作为运输轨道参与物质运输活动Ⅱ型肌球蛋白分子结构,（四）微丝参与细胞质的分裂,胞质分裂通过质膜下由微丝束形成的收缩环完成,（五）微丝参与肌肉收缩,,粗肌丝由肌球蛋白组成， 细肌丝由三种蛋白组成，,肌肉收缩是粗肌丝和细肌丝相互滑动的结果,（六）微丝参与受精作用,精子头端启动微丝组装，形成顶体刺突完成受精。

七）微丝参与细胞内信息传递 细胞外的某些信号分子与细胞膜上的受体结合，可触发膜下肌动蛋白的结构变化，从而启动细胞内激酶变化的信号转导过程主要参与Rho蛋白家族有关的信号转导,,,第三节 中间丝,,中间丝的直径为10nm，由不同的蛋白质分子组成结构稳定，大多数情况下，形成布满在细胞质中的网络,中间丝的蛋白质分子复杂，不同来源的组织细胞表达不同类型的中间丝蛋白 ，是三类骨架纤中化学成分最复杂的 一种，分为6种主要类型（见教材中间丝蛋白的主要类型 表）,一、中间丝的类型,二、中间丝蛋白的分子结构,中间纤维蛋白是长的线性蛋白， 由头部、杆状区和尾部三部分组成，各种中间丝蛋白之间的区别主要取决于头、尾部的长度和氨基酸顺序,三、中间丝结合蛋白(intermediate filament associated protein，IFAP),是一类在结构和功能上与中间丝有密切联系，但其本身不是中间丝结构组分的蛋白使中间丝之间交联成束、成网，并把中间丝交联到质膜或其他骨架成分上目前已知约15种，（见教材中间丝结合蛋白表）,IFAP共同特征：①具有中间丝类型特异性；②表达有细胞专一性；③不同的IFAP可存在于同一个细胞中与不同的中间丝组织状态相联系；④在细胞中某些IFAP的表达与细胞的功能和发育状态有关。

四、中间丝的组装,五、中间丝的功能,（一）参与构成细胞完整的支撑网架系统,构成细胞完整的支撑网架系统，还与细胞核的形态支持和定位、相邻细胞之间、细胞与基膜之间连接结构的形成，,（二）为细胞提供机械强度支持,（三）参与细胞的分化,1.不同类型的 I F 严格地分布在不同类型的细胞中， 具有组织细胞的特异性2.发育不同阶段的细胞，会表达不同类型的中间纤维， 是细胞分化的标志四）参与细胞内信息传递,中间纤维与DNA复制、转录和 mRNA的运输有关，胞质mRNA锚定于中间纤维，可能对其在细胞内的定位及是否翻译起重要作用第四节 细胞骨架异常与疾病,一、 细胞骨架与肿瘤,1.肿瘤细胞内细胞骨架结构的破坏和解聚 ，无序紊 乱排列 造成细胞形态异常有关 2.根据中间丝分布具有组织特异性的特点，用作临床肿瘤病理诊断工具 二、细胞骨架与神经系统疾病如帕金森病、 阿尔茨海默病 、肌萎缩性侧索硬化症 、幼稚性脊柱肌肉萎缩症 等都与神经丝蛋白的异常表达与异常修饰有关。