1Chapter8cytoskeleton

細胞骨架2學習目的1、掌握微管、微絲和中等纖維的結構和組裝2、熟悉微管、微絲和中等纖維的功能3、了解細胞骨架與醫(yī)學的關系3

學習內容概述微管微絲中等纖維4

細胞骨架(cytoskeleton)：是由位于細胞質、細胞核的蛋白質纖維組成的網架系統(tǒng)。細胞骨架微管微絲中等纖維線粒體核糖體內質網廣義上包括細胞核骨架、細胞質骨架、細胞膜骨架、細胞外基質概述5一、細胞骨架主要成分在真核細胞中由微管(Microtubule,MT)、微絲(Microfilament,MF)和中等纖維(Intermediatefilament,IF)以及功能各異的結合蛋白質組成。6Threetypesoffilaments:MicrotubulesMicrofilamentsIntermediateFilaments7二、細胞骨架主要成分分布特點

微管主要分布在核周圍，并呈放射狀向胞質四周擴散；微絲主要分布于細胞膜內側；中等纖維分布于整個細胞。89

三、細胞骨架的功能

細胞骨架在形態(tài)結構上與其他細胞器有明顯的不同，其特點具有彌散性、整體性和變動性。

維持細胞形態(tài);與細胞運動、物質運輸、信息傳遞、細胞分裂和細胞分化等生命活動密切相關。10第一節(jié)微管

Microtubules111213內容一、微管的主要構成成分

二、微管結構三、微管組裝四、微管結合蛋白五、微管的功能六、微管與藥物七、微管與醫(yī)學14微管復習題1、微管在體外組裝的過程?2、解釋微管踏車現(xiàn)象3、微管在細胞內如何組裝的？4、簡述微管的功能？15微管蛋白（tubulin）是微管組裝的基本單位，

-微管蛋白和-微管蛋白形成異二聚體。-微管蛋白（-tubulin）和-微管蛋白（-tubulin）以及少量微管結合蛋白（microtubuleassociatedprotein,MAP）形成的柱狀多聚體。一、微管的主要構成成分16微管的主要構成成分微管蛋白在進化上非常保守，但在不同物種中的功能差別大微管蛋白與GTP結合及水解

-微管蛋白結合一個GTP，不發(fā)生水解

-微管蛋白結合一個GTP,發(fā)生水解，影響微管的組裝

17α-和β-微管蛋白二聚體結構模式圖18二、微管結構微管亞單位（原纖維）縱向單列重復排列形成所有二聚體的方向相同，

微管蛋白朝向正極，形成原纖維（protofilament)19單管：微管管壁由13條原纖維包圍而成。纖毛、鞭毛中心粒、基體20纖毛、鞭毛和基體21纖毛、鞭毛和基體22中心體

中心體：是動物細胞中決定微管形成的一種細胞器，包括中心粒和中心球；在細胞分裂間期，位于細胞核的附近，在分裂期，位于細胞的兩極。23

BB.中期微管（紡錘體）A.間期微管

中心體24中心粒25中心粒是中空的短圓柱狀結構，成對存在且相互垂直排列。由九組三聯(lián)管環(huán)列而成，傾斜排列。中心粒周圍充滿電子密度高的基質，含有γ微管蛋白。中心粒的形態(tài)結構2627

微管組織中心（microtubuleorganizingcenter,MTOC）：微管聚合從特異性的核心形成位點開始，主要是中心體、鞭毛和纖毛的基體等，提供了細胞內微管組裝的核心，稱為微管組織中心。

MTOC28MTOC

MTOC處微管蛋白以環(huán)狀的γ球蛋白復合體為模板核化，負端附著于MTOC上開始生長，延長或縮短發(fā)生在正端。2930微管分布特點--為真核細胞中重要的細胞骨架成分--呈中空的管狀，在不同的細胞中具有相同的形態(tài)，大多數(shù)呈放射狀分布；--微管的正極朝向外圍，負極錨定到微管組織中心胞質微管組織中心是中心粒鞭毛和纖毛的微管組織中心是基體--微管為一種動態(tài)的結構，具有組裝和去組裝31三、微管組裝α和β微管蛋白+GTP+Mg2+適宜溫度：37oC32過程如下：分成成核、延伸過程。

1)首先一些二聚體形成短的原纖維，通過在兩端和側面增加二聚體而使之擴展成片狀帶，當片狀帶加至13根原纖維時即合攏成一段微管，然后二聚體再不斷聚合到兩端上使之延伸

體外微管的組裝

-tubulin-tubulindimerHeadtotailProto-fibersMicro-tubule(×13)12345678910111213

crosssection(13protofibers)

＋－Polymerize2)當GTP-微管蛋白在末端聚合后，GTP被水解成GDP,結合GDP的微管蛋白對微管末端的親和力小,易于從末端解聚3）當GTP-微管蛋白的聚合速度大于GTP的水解 速度時，在微管末端形成一段GTP-微管蛋 白，稱為GTP-帽（GTP-cap)4)隨著GTP-微管蛋白的消耗，其濃度下降，使GTP-微管蛋白在末端聚合的速度下降，當其聚合速度〈GTP水解速度時，其GTP-

帽不斷下降，以至最后消失，暴露出GDP-

微管蛋白,迅速解聚而縮短，表現(xiàn)出動力學不穩(wěn)定性。組裝和去組裝之間存在臨界濃度，（+)端組裝，（-）端發(fā)生去組裝。正極裝配使微管延伸速度等于負極去裝配使微管縮短的速度，處于動態(tài)平衡，形成一種“踏車現(xiàn)象”37

1）構成微管壁的

-和-微管蛋白異二聚體方向一致，因此多聚體具有極性。

2）兩端的組裝速度不同。微管的極性38四、微管結合蛋白(Microtubuleassociatedproteins,MAPs)定義

一類可與微管結合并與微管蛋白共同組成微管系統(tǒng)的蛋白。綠色顯示為軸突中脫磷酸化的tau蛋白。橘黃色顯示為胞體和樹突中的MAP-2蛋白39微管結合蛋白（MAPs）至少有12種穩(wěn)定微管的MAP。一部分嵌入微管微管結合蛋白其余部分從微管的表面伸出，呈須狀，大部分沿著微管側面分布而不是在末端40驅動蛋白和動力蛋白41鞭毛（動力蛋白）42MAP主要功能調節(jié)微管的特異性、提高穩(wěn)定性介導細胞內沿微管的物質運輸微管結合蛋白決定微管蛋白二聚體形成胞質中的動態(tài)單微管鞭毛軸絲中穩(wěn)定的成組的微管43五、微管的功能（一）維持細胞形態(tài)（二）維持細胞器的空間定位分布（三）運輸功能（四)構成紡錘體（五）參與細胞運動（六）細胞吞噬與融合44

（一）維持細胞形態(tài)45秋水仙素處理細胞1小時后，細胞變圓；去除秋水仙素的作用，細胞將會恢復原來的形態(tài)46（二）維持細胞器的空間定位分布47神經元軸突內囊泡的運輸（三）細胞內物質的運輸48變色龍49

（四)構成紡錘體

母細胞在有絲分裂期，把染色體移向兩極,在最終分裂成兩個子細胞的過程中，紡錘絲的形成是由微管來完成。50（有絲分裂）中期（有絲分裂）早后期（有絲分裂）晚后期（有絲分裂）末期51

構成纖毛、鞭毛等細胞運動器官，參與細胞運動；（五）參與細胞運動52（六）細胞吞噬與融合

巨噬細胞吞噬紅細胞紅色箭頭代表被吞噬紅細胞的內質化；藍色箭頭代表形成的吞噬體；紫色星號代表微管組織中心53六、藥物對微管的影響長春新堿抑制紡錘絲形成，終止有絲分裂；紫杉醇(taxol)：結合到β-微管蛋白上明顯增加微管的穩(wěn)定性，抑制紡錘絲解聚，將細胞阻斷在M期54微管蛋白異二聚體有兩個秋水仙素結合位點：高親和和低親和結合位點。秋水仙素高濃度時，可結合到游離的微管蛋白二聚體兩個結合位點，降低其結合到微管末端的親和力而阻止微管聚合。秋水仙素低濃度時，可結合到游離的微管蛋白二聚體高親和力的位點上，二聚體結合到微管兩端，可阻止其他二聚體的加入與丟失。55

七、微管與醫(yī)學56原發(fā)性纖毛運動障礙（PCD)纖毛超微結構具有特異的、先天的遺傳缺陷導致的，為常染色體隱性基因遺傳病。臨床表現(xiàn)：鼻竇炎、支氣管炎、內臟反位、精子無運動。病因：動位蛋白缺乏或異常5758阿爾茨海默?。ˋD）5960阿爾茨海默?。ˋD）

阿爾茨海默病是一種進行性發(fā)展的致死性神經退行性疾病。臨床表現(xiàn)：認知和記憶功能不斷惡化，日常生活能力進行性減退，并有各種神經精神癥狀和行為障礙。病因：1、Tau蛋白假說：認為過度磷酸化的Tau蛋白影響了神經骨架微管蛋白的穩(wěn)定性，從而導致神經原纖維纏結形成，進而破壞了神經元及突觸的正常功能，導致遞質運輸減少，突觸喪失。

612、膽堿能學說：AD患者海馬和新皮質及腦脊液中的ACh的合成、釋放、攝取等功能下降，膽堿乙酰轉移酶(ChTA)顯著減少，乙酰膽堿酯酶(AChE)活性下降3、β-淀粉樣蛋白(β-amylod，Aβ)假說：Aβ蛋白AD患者腦組織內老年斑的主要組成成分，Aβ的生成與清除失衡是導致神經元變性和癡呆的起始事件。寡聚體Aβ具有神經毒性。Down綜合征患者因體內多一個β淀粉樣前體蛋白(amyloidprecursorprotein，APP)基因，APP基因定位于21q21，在早年就出現(xiàn)Aβ沉積斑塊，也從側面證明了該假說62綠色顯示為軸突中脫磷酸化的tau蛋白63癌癥

細胞生物學特征：運動發(fā)生異常，侵潤和轉移，微絲、微管異常。64第二節(jié)

微絲(Microfilament，MF)6566微絲組成微絲（Microfilament，MF），又稱肌動蛋白纖維（Actinfilament），是指真核細胞中由肌動蛋白（actin）組成，呈雙股螺旋狀，直徑為7nm的骨架纖維，主要分布在細胞質膜內側。37nm67微絲(Microfilament，MF)一、組成成分——肌動蛋白二、微絲結構與組裝三、微絲結合蛋白四、微絲的功能五、藥物對微絲的影響68

為微絲的基本組成成分分類：α-、β-和γ-肌動蛋白真核細胞中含量最豐富，不同物種中最為保守的蛋白質之一在裂口處有一個ATP結合位點

一、肌動蛋白(actin)

69exchange

ofATPforADPATP→ADP+Pi。TheG-actincanexchangeboundADPforATP.

70肌動蛋白存在方式游離狀態(tài)—球狀肌動蛋白（globularactin,G-actin)微絲中—纖維狀肌動蛋白（filamentousactin,F-actin)，由球狀肌動蛋白組成G-actinF-actinG-actin與F-actin之間可以相互轉換。71二、微絲的結構兩條肌動蛋白單鏈盤繞而成的雙螺旋結構，直徑約7nm，螺距為37nm。72肌動蛋白與微絲均有極性肌動蛋白分子具有極性，有氨基和羧基的暴露一端為正端（plusend），另一端則為負端（minusend）。裝配時呈頭尾相連，故微絲也有極性。73三、微絲的組裝裝配過程:成核(nucleation)、延伸(elongation)、穩(wěn)定狀態(tài)(steadystate)。1、成核期（Nucleationphase)

–

限速過程，又稱延遲期。二聚體（不穩(wěn)定）三聚體（核心形成）74ATP-actin和ADP-actinATP-actin易于聚合，ATP-actin濃度與其聚合速度成正比，聚合到微絲上后水解為ADP-actin，ADP-actin易于從微絲上解聚下來。75生長期（Growthphase)2、ATP-actin濃度高時，微絲兩端都加ATP-actin，正極-聚合快，負極-聚合慢，這樣在正極ATP-actin聚合的速度大于水解成ADP-actin的速度，形成ATP帽。負極-聚合慢，不形成ATP帽。這樣微絲延長。

76動態(tài)平衡（steadystate

）3、ATP-actin濃度下降到一定的臨界值，在正極聚合速度下降，仍在延長。而在負極聚合速度更慢，小于水解成ADP-actin的速度，ADP-actin暴露，負極解聚，并且負極解聚速度等于正極聚合速度，微絲長度不變。77踏車現(xiàn)象(Treadmilling)當添加到正極的肌動蛋白分子速率=從負極上失去的速率，此過程稱為肌動蛋白踏車現(xiàn)象(Treadmilling)78去組裝——微絲縮短

ATP-actin濃度較低時，在正極聚合速度小于水解速度，此時ATP-actin帽子不存在了，ADP-actin在正端暴露，正極也快速解聚，微絲縮短。79狀態(tài)ATP-actin濃度(-)(+)結果生長高聚合=水解,延長但不形成ATP帽聚合>水解延長并形成ATP帽兩端都延長動態(tài)平衡臨界濃度聚合<水解,解聚縮短聚合=水解延長(+)延長等于(-)縮短,長度不變縮短低聚合<水解,解聚縮短聚合<水解,解聚縮短兩端解聚,縮短80體內組裝的特點體內裝配時，微絲呈現(xiàn)出動態(tài)不穩(wěn)定性，主要取決于游離的G-actin單體濃度與F-actin結合的ATP水解速度之間的關系。--ATP-actin:對纖維末端的親和力高，使纖維延長；--當ATP水解為ADP+Pi，ATP-actin→ADP-actin--ADP-actin對纖維末端的親和力低，易脫落，使纖維縮短。ATP帽:--ATP-actin濃度與其聚合速度成正比，當ATP-actin濃度高時,形成一連串的ATP-actin，被稱為ATP帽；后部為ADP-actin。ADP-actin從F-actin脫落后，其ADP可被ATP置換，重新參加聚合。81微管達因蛋白：

微絲組裝中的ATP的作用A.ATP-actin高濃度時ATP-cap形成B.ATP-actin低濃度時ATP-cap消失82四、微絲結合蛋白微絲結合蛋白影響微絲的形態(tài)、功能、組裝和去組裝，還能控制與其他細胞器的鏈接（一）肌動蛋白單體結合蛋白

控制細胞內未聚合的肌動蛋白數(shù)量，同時也控制著結合到肌動蛋白上的核苷轉換（二）肌動蛋白纖維加帽蛋白與肌動蛋白纖維的倒刺端或突出端結合，抑制亞單位聚合和解聚（三）切斷肌動蛋白纖維的蛋白（四）肌動蛋白纖維交聯(lián)蛋白

交聯(lián)蛋白有兩個肌動蛋白結合位點，能連接纖維并穩(wěn)定其組裝。84（五）側面蛋白

側面結合蛋白穩(wěn)定肌動纖維，并調節(jié)和肌球蛋白的相互作用（六）銜接子蛋白（adapterprotein)

動物和真菌細胞利用多結構域的蛋白質作為肌動蛋白和其他蛋白（特別是Rho家族的小GTP結合蛋白和其他信號蛋白）的銜接子蛋白，如WASP和VASP85五、微絲的功能（一）維持細胞形態(tài)（二）與細胞運動有關（三）胞質分裂（四）參與肌肉收縮（五）參與受精作用（六）參與物質運輸86

細胞皮層（cellcortex）細胞膜下由微絲和各種微絲結合蛋白組成的網狀結構。具有很高的動態(tài)性，與肌動蛋白一起為細胞膜提供強度和韌度，維持細胞的形態(tài)。帶狀橋粒、微絨毛（一）維持細胞形態(tài)87

（二）與細胞移動有關如胞質環(huán)流阿米巴運動，變皺運動8889

（三）胞質分裂胞質分裂的結構

模式圖90（四）參與肌肉收縮91（五）參與受精作用92

（六）參與物質運輸93六、藥物對微絲的影響細胞松弛素B（CytochalasinsB）：破壞微絲，結合在微絲末端阻抑肌動蛋白聚合。鬼筆環(huán)肽（Phalloidin）：抑制解聚，與微絲有強親合力，使肌動蛋白纖維穩(wěn)定。95

第三節(jié)中間纖維(intermediatefilament)96中間纖維的結構模式圖中間纖維在胞質中形成一網狀支架，賦予細胞強大的機械強度，維持細胞的形態(tài)堅固和功能，對細胞的生命活動有重要意義。97

上皮中的角質纖維98中間纖維一、中間纖維的分子結構二、中間纖維的類型三、中間纖維的組裝和動態(tài)四、中間纖維在特異性細胞中的表達五、中間纖維的分布和功能99一、中間纖維的分子結構

兩端是高度可變的非螺旋頭部和尾部

桿狀結構域，由310個卷曲螺旋殘基組成。由3個非螺旋區(qū)隔開100一.中間纖維的分子結構平行且對齊反向平行四聚體（原絲）進一步組裝橫切面上中間纖維有32個蛋白單體101二、中間纖維的類型

纖維類型蛋白亞基細胞定位組織來源角蛋白纖維角蛋白，19-22種多肽細胞質上皮細胞波形纖維波形纖維蛋白，一種多肽細胞質間質細胞和中胚層來源的細胞結蛋白纖維結蛋白，一種多肽細胞質肌細胞神經元纖維神經元纖維蛋白，三種多肽細胞質神經元神經膠質纖維膠質纖維酸性蛋白，一種多肽細胞質神經膠質細胞核纖層核纖層蛋白（lamina

、、），細胞核大部分細胞102膠質纖維酸性蛋白（gliafibrillaryacidicprotein，GFAP）

103三、中間纖維的組裝和穩(wěn)定性helicalarrayoftetramers,madeupof8protofilamentsor16heterodimerstwotetramerspackedtogether104中等纖維的組裝各型IF的蛋白分子，先以平行且相互對齊的方式形成雙股超螺旋二聚體(coiled-coildimer)二聚體再以反向平行的方式組裝成四聚體(tetromer)，決定了中等纖維無極性。四聚體是中等纖維的基本結構單位，首尾相接形成原纖維。8根原纖維相互纏圍攏，形成中等纖維。因此在中等纖維的橫斷面可見32個蛋白單體。105中間纖維的穩(wěn)定性

IF的化學組成非常穩(wěn)定，可以抵抗極端溫度、高鹽和去垢劑的溶解作用IF蛋白亞單位的磷酸化會對多聚體的組裝和動態(tài)變化產生很大的影響磷酸化增加神經纖維蛋白的穩(wěn)定性106四、中間纖維在特殊細胞中的表達

不同類型的中間纖維嚴格地分布在不同類型的細胞中,可以根據(jù)中間纖維的種類區(qū)分:癌:細胞角質蛋白;肌肉瘤:結蛋白；非肌肉瘤：波形纖維蛋白；神經膠質瘤：神經膠質纖維酸性蛋白；107五、中間纖維的分布和功能(一)中間纖維提供細胞的機械強度作用(二).中間纖維維持細胞和組織完整性的作用(三).中間纖維與DNA復制有關108

在細胞內的網狀結構維持細胞器的空間定位增強細胞的機械強度109(二)中間纖維維持細胞和組織完整性的作用

中間纖維結構破壞,細胞連接破裂110(二)中間纖維維持細胞

和組織完整性的作用遺傳性疾病單純性大泡性表皮松懈癥:表達有缺陷的細胞角質蛋白,輕微擠壓使基底細胞破壞,出現(xiàn)水皰核纖層蛋白在其它蛋白的協(xié)助下,與染色體結合,結合點可能是核基質粘附點,DNA復制位點和端粒

(三)中間纖維與DNA復制有關MFMTIF單體肌動蛋白

-微管蛋白桿狀蛋白結合核苷酸ATPGTP纖維直徑7nm25nm10nm結構雙股螺旋實心纖維13根原纖維構成的空心管纖維32個單體構成的多股螺旋實心纖維極性有有無結合蛋白肌球蛋白動力蛋白驅動蛋白特異性藥物細胞松弛素鬼筆環(huán)肽秋水仙素長春新堿113114中心粒中心體：是動物細胞中決定微管形