细胞分子生物学第十一章细胞骨架.ppt

细胞分子生物学第十一章细细胞分子生物学第十一章细胞骨架胞骨架细胞分子生物学细胞分子生物学细胞分子生物学细胞分子生物学THE CYTOSKELETON成分成分3.3.中间纤维（中间纤维（intemediate intemediate filamentfilament））使细胞具有张力和抗剪切力使细胞具有张力和抗剪切力1.1.微丝（微丝（microfilamentmicrofilament））确定细胞表面特征，使细胞能够运动和收缩2.2.微管微管（（microtubulemicrotubule））确定膜性细胞器的位置确定膜性细胞器的位置和作为膜泡运输的导轨和作为膜泡运输的导轨细胞质骨架细胞质骨架4.4.核基质核基质5.5.染色体支架染色体支架6.6.核纤层核纤层细胞核骨架细胞核骨架肌动蛋白纤维肌动蛋白纤维中间纤维中间纤维微管微管马达蛋白马达蛋白马达蛋白马达蛋白上皮细胞上皮细胞中间纤维中间纤维微管微管神经细胞神经细胞马达蛋白马达蛋白分裂细胞分裂细胞微管微管肌动蛋白纤维肌动蛋白纤维结构和支撑结构和支撑细胞内运输细胞内运输收缩和运动收缩和运动空间组织结构空间组织结构肌动蛋白纤维肌动蛋白纤维（（A A））（（B B））（（C C））细胞骨架的基本类型与主要功能示意图细胞骨架的基本类型与主要功能示意图 一一. 微丝微丝 二二. 微管微管 三三. 中间纤维中间纤维•又称肌动蛋白纤维（actin filament）或纤维形肌动蛋白（F－actin），是由球形肌动蛋白（G-actin）单体形成的多聚体，直径约7nm的骨架纤维 。

传统模型：微丝是由两条肌动蛋白单链螺旋盘绕形成的纤维传统模型：微丝是由两条肌动蛋白单链螺旋盘绕形成的纤维新兴模型：微丝是由一条肌动蛋白单体链形成的螺旋，新兴模型：微丝是由一条肌动蛋白单体链形成的螺旋，每个肌动蛋白单体周围都有每个肌动蛋白单体周围都有4 4个亚单位，呈上下及两侧排列个亚单位，呈上下及两侧排列(一一)、分子结构、分子结构1.1.肌动蛋白的分类肌动蛋白的分类：：•αα肌肌动动蛋蛋白白：：有有4 4种种，，分分别别为为横横纹纹肌肌、、心心肌肌、、血血管管平滑肌和肠道平滑肌所特有；平滑肌和肠道平滑肌所特有；•ββ肌肌动动蛋蛋白白和和γγ肌肌动动蛋蛋白白：：见见于于所所有有肌肌肉肉细细胞胞和和非肌肉细胞胞质中非肌肉细胞胞质中2.2.形形状状：：actinactin单单体体外外观观呈呈哑哑铃铃形形，，称称球球形形肌肌动动蛋蛋白白G-actinG-actin；多聚体称为纤维形肌动蛋白；多聚体称为纤维形肌动蛋白F-actinF-actin3.3.变变异异：：actinactin在在进进化化上上高高度度保保守守，，酵酵母母和和兔兔子子肌肌肉的肌动蛋白有肉的肌动蛋白有88%88%的同源性。

的同源性Ø条件：条件：ATPATP、适宜的温度、存在、适宜的温度、存在CaCa2+2+、、K K+ +和和MgMg2+2+离子•解解聚聚：：在在含含有有ATPATP和和CaCa2+2+以以及及低低浓浓度度的的NaNa+ + 、、K K+ +等等阳阳离离子溶液中，趋于解离成子溶液中，趋于解离成G-actionG-action•聚聚合合：：在在MgMg2+2+和和高高浓浓度度的的NaNa+ + 、、K K+ +溶溶液液诱诱导导下下，， G-G-actionaction装装配配为为纤纤维维状状肌肌动动蛋蛋白白，，新新的的G G－－actionaction加加到到微丝末端，使微丝延伸微丝末端，使微丝延伸 (二二) )、微丝的装配、微丝的装配Ø过过程程：：2-32-3个个actinactin聚聚集集成成一一个个核核心心（（核核化化））；；ATP-ATP-actinactin分分子子向向核核心心两两端端加加合合微微丝丝具具有有极极性性，，ATP-ATP-actinactin加加到到(+)(+)极极的的速速度度要要比比加加到到(-)(-)极极的的速速度度快快5-105-10倍•溶溶液液中中ATP-ATP-肌肌动动蛋蛋白白的的浓浓度度处处于于临临界界浓浓度度时时，，ATP-ATP-肌肌动动蛋蛋白白在在(+)(+)端端添添加加，，而而从从(-)(-)端端分分离离，，表表现现出出 ““踏踏车车””现象现象 （（Tread milling)。

(二二) )、微丝的装配、微丝的装配““踏车踏车””现象现象 （（Treadmilling)•细胞中大多数微丝结构处于细胞中大多数微丝结构处于动态动态的组装和去组装过的组装和去组装过程中，并通过这种方式实现其功能程中，并通过这种方式实现其功能•细胞松弛素细胞松弛素（（cytochalasincytochalasin）可切断微丝纤维，并）可切断微丝纤维，并结合在微丝末端抑制肌动蛋白加合到微丝纤维上，特结合在微丝末端抑制肌动蛋白加合到微丝纤维上，特异性的抑制微丝功能异性的抑制微丝功能•鬼笔环肽鬼笔环肽（（phalloidinphalloidin）与微丝能够特异性的结合，）与微丝能够特异性的结合，使微丝纤维稳定而抑制其解聚荧光标记的鬼笔环肽使微丝纤维稳定而抑制其解聚荧光标记的鬼笔环肽可特异性的显示微丝可特异性的显示微丝（三）、微丝结合蛋白（三）、微丝结合蛋白v1 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：约占肌肉总蛋白50%50%，含，含有有4 4条多肽链（条多肽链（2 2条重链，条重链，2 2条轻链），两股重链条轻链），两股重链盘绕成双股盘绕成双股αα螺旋。

肌球蛋白头部具螺旋肌球蛋白头部具ATPATP酶活力，酶活力，构成粗丝的横桥，是与肌动蛋白分子结合的位构成粗丝的横桥，是与肌动蛋白分子结合的位置头部头部颈部颈部尾部尾部调节轻链调节轻链基本轻链基本轻链肌球蛋白肌球蛋白II（三）、微丝结合蛋白（三）、微丝结合蛋白v1 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：•原肌球蛋白原肌球蛋白（（tropomyosintropomyosin，，TmTm）：在肌肉中占蛋白的）：在肌肉中占蛋白的5-10%5-10%，由两条平行的多肽链形成，由两条平行的多肽链形成αα螺旋构型螺旋构型, ,位于肌位于肌动蛋白螺旋沟内原肌球蛋白结合于细肌丝，调节肌动蛋白螺旋沟内原肌球蛋白结合于细肌丝，调节肌动蛋白与肌球蛋白头部结合动蛋白与肌球蛋白头部结合•肌钙蛋白肌钙蛋白（（troponintroponin，，TnTn）：含）：含3 3个亚基，肌钙蛋白个亚基，肌钙蛋白C C（（Tn-CTn-C）特异与）特异与CaCa2+2+结合；肌钙蛋白结合；肌钙蛋白T T（（Tn-TTn-T）与原肌）与原肌球蛋白有高度亲和力；肌钙蛋白球蛋白有高度亲和力；肌钙蛋白I I（（Tn-ITn-I）抑制肌球蛋）抑制肌球蛋白白ATPaseATPase的活性。

的活性 肌球蛋白，肌动蛋白和肌钙蛋白肌球蛋白，肌动蛋白和肌钙蛋白（（Tropomyosin, actin and troponin））肌动蛋白肌动蛋白原肌球蛋白原肌球蛋白CaCa2+2+结合位点结合位点肌钙蛋白复合体肌钙蛋白复合体肌球蛋白结合位点肌球蛋白结合位点v2 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：•没有肌钙蛋白，但存有肌球蛋白、原肌球蛋白、没有肌钙蛋白，但存有肌球蛋白、原肌球蛋白、αα辅肌动蛋白辅肌动蛋白•微丝结合蛋白：与微丝装配及其功能有密切关系微丝结合蛋白：与微丝装配及其功能有密切关系（三）、微丝结合蛋白（三）、微丝结合蛋白蛋白蛋白相对分子质量相对分子质量/10/103 3功能功能110K110K蛋白蛋白110110肌球蛋白，从肌动蛋白纤维肌球蛋白，从肌动蛋白纤维侧向连接微绒毛细胞膜，在侧向连接微绒毛细胞膜，在运动细胞的前沿产生动力运动细胞的前沿产生动力αα辅肌动蛋白辅肌动蛋白200参与微丝与膜的结合，可横参与微丝与膜的结合，可横向连接微丝形成束，在肌节向连接微丝形成束，在肌节中具结构作用中具结构作用钙调蛋白低CaCa2+2+条件下与原肌球蛋白条件下与原肌球蛋白及肌动蛋白结合，阻止肌球及肌动蛋白结合，阻止肌球蛋白的结合。

蛋白的结合细丝蛋白细丝蛋白两个两个270270亚基亚基横向连接相邻微丝，形横向连接相邻微丝，形成三维网络结构成三维网络结构见见 p323（四）、（四）、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v1.1.肌细胞的组成肌细胞的组成：：由肌原纤维组成，肌原纤维包括粗肌丝和由肌原纤维组成，肌原纤维包括粗肌丝和细肌丝，粗肌丝主要成分是肌球蛋白，细肌丝的主要成分细肌丝，粗肌丝主要成分是肌球蛋白，细肌丝的主要成分是肌动蛋白、原肌球蛋白和肌钙蛋白是肌动蛋白、原肌球蛋白和肌钙蛋白v2.2.肌肉收缩肌肉收缩：：由肌动蛋白丝与肌球蛋白丝的相对滑动所致由肌动蛋白丝与肌球蛋白丝的相对滑动所致v3.3.肌肉收缩的基本单位：肌肉收缩的基本单位：肌小节（肌小节（sarcomeresarcomere）肌小节是）肌小节是相邻两相邻两Z Z线间的单位主要结构有：线间的单位主要结构有：•A A带（暗带）：为粗肌丝所在带（暗带）：为粗肌丝所在•H H区：区：A A带中央色浅部份，此处只有粗肌丝。

带中央色浅部份，此处只有粗肌丝•I I带（明带）：只含细肌丝部分带（明带）：只含细肌丝部分•Z Z线：细肌丝一端游离，一端附于线：细肌丝一端游离，一端附于Z Z线线 肌小节肌小节v4.4.肌肉收缩的过程：肌肉收缩的过程：①动作电位的产生，肌肉细胞膜去极化；动作电位的产生，肌肉细胞膜去极化；②钙离子释放；钙离子释放；③原肌球蛋白位移；原肌球蛋白位移；④肌动蛋白丝与肌球蛋白丝的相对滑动肌动蛋白丝与肌球蛋白丝的相对滑动肌动蛋白肌动蛋白原肌球蛋白原肌球蛋白CaCa2+2+结合位点结合位点肌钙蛋白复合体肌钙蛋白复合体肌球蛋白结合位点肌球蛋白结合位点①动作电位动作电位的产生，肌的产生，肌肉细胞膜去肉细胞膜去极化；极化；②钙离子释钙离子释放；放；③原肌球蛋原肌球蛋白位移；白位移；肌球蛋白头部肌球蛋白头部肌动蛋白肌动蛋白肌球蛋白纤维肌球蛋白纤维肌球蛋白头部解离肌球蛋白头部解离（（1）结合）结合ATP（（2））ATP水解水解头部弯曲，结合头部弯曲，结合新的肌动蛋白亚新的肌动蛋白亚单位单位④肌动蛋白丝与肌球蛋白丝肌动蛋白丝与肌球蛋白丝的相对滑动的相对滑动•（（1 1）肌球蛋白）肌球蛋白结合结合ATPATP，引起头，引起头部与肌动蛋白纤部与肌动蛋白纤维分离；维分离；•（（2 2））ATPATP水解，水解，引起头部与肌动引起头部与肌动蛋白弱结合；蛋白弱结合；（（2））ATP水解水解头部弯曲，头部弯曲，结合新的肌结合新的肌动蛋白亚单动蛋白亚单位位（（3））Pi释放释放头部弯曲，头部弯曲，扭向纤维扭向纤维（（4））ADP释放释放•(3)Pi(3)Pi释放，头部释放，头部与肌动蛋白强结与肌动蛋白强结合，头部向合，头部向M M线方线方向弯曲，引起细向弯曲，引起细肌丝向肌丝向M M线移动；线移动；•(4)ADP(4)ADP释放释放ATPATP结结合上去，头部与合上去，头部与肌动蛋白纤维分肌动蛋白纤维分离。

离•如此循环如此循环 v1.1.代表代表：肠上皮细胞微绒毛的轴心微丝是非肌肉细：肠上皮细胞微绒毛的轴心微丝是非肌肉细胞中高度有序微丝束的代表胞中高度有序微丝束的代表v2.2.成分：不含肌球蛋白、原肌球蛋白和成分：不含肌球蛋白、原肌球蛋白和αα辅肌动蛋辅肌动蛋白；含有微丝结合蛋白等白；含有微丝结合蛋白等v3.3.功能：起维持微绒毛形状的作用，无收缩功能功能：起维持微绒毛形状的作用，无收缩功能v1.1.代表代表：是真核细胞中广泛存在的微丝束结构是真核细胞中广泛存在的微丝束结构v2.2.成分：含肌动蛋白、肌球蛋白、原肌球蛋白和成分：含肌动蛋白、肌球蛋白、原肌球蛋白和αα辅肌动蛋白等辅肌动蛋白等v3.3.功能：功能：结构类似肌原纤维，使细胞具有抗剪切力；结构类似肌原纤维，使细胞具有抗剪切力；在细胞形态发生、细胞分化和组织的形成等方面具在细胞形态发生、细胞分化和组织的形成等方面具有重要作用有重要作用培养的上皮细胞中的应力纤维（微丝红色、微管绿色）培养的上皮细胞中的应力纤维（微丝红色、微管绿色）v1.1.溶胶层溶胶层：细胞膜下的一层富含肌动蛋白纤维的区域细胞膜下的一层富含肌动蛋白纤维的区域。

这些肌动蛋白纤维平行于质膜排列，并与膜连接，形成这些肌动蛋白纤维平行于质膜排列，并与膜连接，形成纤维网格纤维网格v2.2.功能：功能：为细胞提供强度和韧性，维持细胞形状为细胞提供强度和韧性，维持细胞形状细胞的多种运动，如胞质环流、阿米巴运动、变皱膜运动及的多种运动，如胞质环流、阿米巴运动、变皱膜运动及吞噬都与肌动蛋白的溶胶与凝胶及其相互转化有关吞噬都与肌动蛋白的溶胶与凝胶及其相互转化有关v3.3.抑制剂：细胞松弛素抑制剂：细胞松弛素v1.1.定义定义：有丝分裂末期，两个即将分裂的子细胞之间产：有丝分裂末期，两个即将分裂的子细胞之间产生的一个收缩环生的一个收缩环v2.2.成分：由大量平行排列的微丝组成，由分裂末期胞质成分：由大量平行排列的微丝组成，由分裂末期胞质中的肌动蛋白装配而成收缩环是非肌肉细胞中具有收中的肌动蛋白装配而成收缩环是非肌肉细胞中具有收缩功能的微丝束的典型代表缩功能的微丝束的典型代表v3.3.功能：功能：使两子细胞被分开使两子细胞被分开•微微管管在在胞胞质质中中形形成成网网络络结结构构，，作作为为运运输输路路轨轨并并起起支支撑撑作作用用微微管管是是由由微微管管蛋蛋白白组组成成的的管管状状结结构，对低温、高压和秋水仙素敏感。

构，对低温、高压和秋水仙素敏感上皮细胞中的上皮细胞中的微管（红色）微管（红色）和细胞核（黄和细胞核（黄色）色）原纤维原纤维微管蛋白二聚体微管蛋白二聚体（一）、分子结构（一）、分子结构1.1.形形态态：：微微管管是是由由1313条条原原纤纤维维构构成成的的中中空空管管状状结结构构，，外径外径24 nm24 nm，内径，内径15 nm15 nm2.2.成成分分：：每每一一条条原原纤纤维维由由微微管管蛋蛋白白二二聚聚体体线线性性排排列列而成微管蛋白二聚体由结构相似的微管蛋白二聚体由结构相似的αα和和ββ球蛋白构成球蛋白构成3.3.装配：装配：•微管具有极性，微管具有极性，(+)(+)极生长速度快，极生长速度快，(-)(-)极生长速度慢极生长速度慢•(+)(+)极的最外端是极的最外端是ββ球蛋白，球蛋白，(-)(-)极的最外端是极的最外端是αα球蛋白•微管和微丝一样具有踏车行为微管和微丝一样具有踏车行为•微微管管形形成成的的有有些些结结构构是是比比较较稳稳定定，，是是由由于于微微管管结结合合蛋蛋白白的的作用和酶修饰的原因如轴突、纤毛、鞭毛作用和酶修饰的原因如轴突、纤毛、鞭毛•大多数微管处于动态组装和去组装状态（如纺锤体）。

大多数微管处于动态组装和去组装状态（如纺锤体）•秋水仙素、长春花碱抑制微管装配秋水仙素、长春花碱抑制微管装配•紫紫杉杉酚酚和和重重水水（（D D2 2O)O)能能促促进进微微管管的的装装配配, , 并并使使已已形形成成的的微微管稳定微管两端具微管两端具有有GTP帽，帽，将持续装配将持续装配微管两端具有微管两端具有GDP帽，则解帽，则解聚（二）、（二）、微管结合蛋白（微管结合蛋白（ microtubule associated proteins MAPs）•MAPMAP分分子子至至少少包包含含一一个个结结合合微微管管的的结结构构域域和和一一个个向向外外突突出出的的结结构构域域突突出出部部位位伸伸到到微微管管外外与与其其它它细细胞胞组组分分（（如如微微管管束束、、中中间纤维、质膜）结合间纤维、质膜）结合•主主要要功功能能：：①①促促进进微微管管组组装装②②增增加加微微管管稳稳定定性性③③促促进进微微管聚集成束管聚集成束（三）、（三）、微管组织中心微管组织中心（（microtubule organizing center, MTOCs）•是是微微管管进进行行组组装装的的区区域域，，都都具具有有γγ微微管管球球蛋蛋白白 ，，如如：：中中心心体体、、鞭毛基体。

鞭毛基体•中心体由两个相互垂直的中心粒构成周围是一些中心体由两个相互垂直的中心粒构成周围是一些无定形物质，叫做外中心粒物质（无定形物质，叫做外中心粒物质（PCMPCM）•中心粒由中心粒由9 9组组3 3联微管构成，具有召集联微管构成，具有召集PCMPCM的作用•MTOCMTOC处微管蛋白以环状的处微管蛋白以环状的γγ球蛋白复合体为模板核球蛋白复合体为模板核化、先组装出（化、先组装出（- -）极，然后开始生长极，然后开始生长•提纯的微管，在微酸性环境，适宜的温度，存在提纯的微管，在微酸性环境，适宜的温度，存在GTPGTP、、MgMg2+2+和去除和去除CaCa2+2+的条件下能自发的组装成的条件下能自发的组装成1111条条原纤维的微管原纤维的微管微管在细胞的定位 （四）、（四）、微管的功能微管的功能•1 1、支架作用、支架作用, ,维持细胞形态维持细胞形态•2 2、细胞内运输、细胞内运输•是胞内物质运输的路轨是胞内物质运输的路轨•涉及两大类马达蛋白：驱涉及两大类马达蛋白：驱动蛋白动蛋白kinesinkinesin，动力蛋，动力蛋白白dyenindyenin，均需，均需ATPATP供能。

供能•KinesinKinesin发现于发现于19851985年，年，是由两条轻链和两条重链是由两条轻链和两条重链构成的四聚体构成的四聚体 ，能向着，能向着微管（微管（+ +）极运输小泡）极运输小泡 •3 3、鞭毛和纤毛的运动、鞭毛和纤毛的运动•纤毛与鞭毛是相似的两种细胞外长物，前者较短•结构：–由基体和鞭杆两部分构成–纤毛中的微管为9+2结构–二联微管A管由13条原纤维组成，B管由10条原纤维组成–A管向相邻B管伸出两条动力蛋白臂，并向纤毛中央发出一条辐–基体的微管组成为9+0•鞭毛运动原理：动力蛋白臂的dynein水解ATP作功，使相邻的二联微管相互滑动•4 4、形成纺锤体、形成纺锤体 在细胞分裂中牵引染色体到达分裂极在细胞分裂中牵引染色体到达分裂极•直径直径10nm10nm左右，介于微丝和微管之间，故名左右，介于微丝和微管之间，故名•IFIF是是最最稳稳定定的的细细胞胞骨骨架架成成分分，，主主要要起起支支撑撑作作用•IFIF在在细细胞胞中中围围绕绕着着细细胞胞核核分分布布，，成成束束成成网网，，并扩展到细胞质膜，与质膜相连结并扩展到细胞质膜，与质膜相连结•分分为为5 5类类：：角角蛋蛋白白、、结结蛋蛋白白、、胶胶质质原原纤纤维维酸酸性性蛋蛋白白、、波波形形纤维蛋白、神经纤丝蛋白。

纤维蛋白、神经纤丝蛋白•具有组织特异性，不同类型细胞含有不同具有组织特异性，不同类型细胞含有不同IFIF•通常一种细胞含有一种中间纤维，少数含有通常一种细胞含有一种中间纤维，少数含有2 2种以上•肿瘤细胞转移后仍保留源细胞的肿瘤细胞转移后仍保留源细胞的IFIF一）、类（一）、类 型型(二二)、结构与装配、结构与装配•1.结构结构•由螺旋化杆状区，以及两端非螺旋化的球形头（N端）尾（C端）部构成•杆状区高度保守，由螺旋1和螺旋2构成，每个螺旋区还分为A、B两个亚区intemediate filaments，，IF角蛋白纤维角蛋白纤维波形纤维波形纤维 神经元纤维神经元纤维 神经胶质纤维神经胶质纤维•过程：过程：–①两个单体形成超螺旋二聚体（角蛋白为异二聚体）；–②两个二聚体反向平行组装成四聚体；–③四聚体组成原纤维；–④4根原纤维组成中间纤维•特点：特点： IFIF没有极性；无动态蛋白库；装配与温度和没有极性；无动态蛋白库；装配与温度和蛋白浓度无关；不需要蛋白浓度无关；不需要ATPATP、、GTPGTP或结合蛋白的辅助或结合蛋白的辅助2. IF2. IF的装配的装配(二二)、结构与装配、结构与装配•功能：功能：–使中间纤维交联成束、成网，使中间纤维交联成束、成网，–把中间纤维交联到质膜或其它骨架成分上把中间纤维交联到质膜或其它骨架成分上•已已知知的的IFAPsIFAPs约约1515种种左左右右，，分分别别与与特特定定的的中中间间纤纤维维结合，如：结合，如：flanggrinflanggrin、、PlectinPlectin、、AnkyrinAnkyrin•特点：具有细胞特异性特点：具有细胞特异性（三）、（三）、IFIF的结合蛋白的结合蛋白 IFAPIFAP胞质骨架三种组分的比较胞质骨架三种组分的比较。