1、第十章 細(xì)胞骨架(Cytoskeleton),細(xì)胞骨架是指存在于真核細(xì)胞中的蛋白纖維網(wǎng)架體系。 細(xì)胞骨架的概念有狹義和廣義之分： 狹義的細(xì)胞骨架指的是細(xì)胞質(zhì)骨架包括微絲、微管和中間纖維。 廣義的細(xì)胞骨架包括細(xì)胞核骨架、細(xì)胞質(zhì)骨架、細(xì)胞膜骨架和細(xì)胞外基質(zhì)。 核骨架 、核纖層與中間纖維在結(jié)構(gòu)上相互連接, 貫穿于細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)的網(wǎng)架體系。,第一節(jié)、細(xì)胞質(zhì)骨架 第二節(jié)、核骨架,第一節(jié) 細(xì)胞質(zhì)骨架,微絲(microfilament, MF) 微 管（microtubules） 中間纖維（intermediate filament,IF) 細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)與功能總結(jié),一、微絲(microfilament, M

2、F),又稱肌動(dòng)蛋白纖維(actin filament), 是指真核細(xì)胞中由肌動(dòng)蛋白(actin)組成、直徑為7nm的骨架纖維。微絲是雙股螺旋的形式組成的纖維，兩股肌動(dòng)蛋白絲是同方向的。 成分 裝配 微絲特異性藥物 微絲結(jié)合蛋白 微絲功能,肌肉收縮(muscle contraction),肌肉可看作一種特別富含細(xì)胞骨架的效力非常高的能量轉(zhuǎn)換器，它直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。 肌肉的細(xì)微結(jié)構(gòu)(以骨骼肌為例) 肌小節(jié)的組成 肌肉收縮系統(tǒng)中的有關(guān)蛋白 肌肉收縮的滑動(dòng)模型,由神經(jīng)沖動(dòng)誘發(fā)的肌肉收縮基本過(guò)程,動(dòng)作電位的產(chǎn)生 Ca2+的釋放 原肌球蛋白位移 肌動(dòng)蛋白絲與肌球蛋白絲的相對(duì)滑動(dòng) Ca2+的回收,肌

3、肉收縮系統(tǒng)中的有關(guān)蛋白,肌球蛋白(myosin)所有actin-dependent motor proteins都屬于該家族,頭部具ATP酶活力,沿微絲從負(fù)極到正極進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。Myosin 主要分布于肌細(xì)胞，有兩個(gè)球形頭部結(jié)構(gòu)域(具有ATPase活性)和尾部,多個(gè)Myosin尾部相互纏繞，形成myosin filament,即粗肌絲。 原肌球蛋白(tropomyosin, Tm)由兩條平行的多肽鏈形成-螺旋構(gòu)型,位于肌動(dòng)蛋白螺旋溝內(nèi),結(jié)合于細(xì)絲, 調(diào)節(jié)肌動(dòng)蛋白與肌球蛋白頭部的結(jié)合。 肌鈣蛋白 (Troponin, Tn)為復(fù)合物，包括三個(gè)亞基：TnC(Ca2+敏感性蛋白) 能特異與Ca2+結(jié)合;

4、 TnT(與原肌球蛋白結(jié)合); TnI(抑制肌球蛋白ATPase活性),成 分,肌動(dòng)蛋白(actin)是微絲的結(jié)構(gòu)成分,以兩種形式存在，即單體和多聚體。單體肌動(dòng)蛋白外觀呈啞鈴狀, 這種actin又叫球狀肌動(dòng)蛋白（G-actin）， G-actin的多聚體形成肌動(dòng)蛋白絲，稱為纖維狀肌動(dòng)蛋白（F-actin），在電鏡下F-actin呈雙股螺旋狀 。,裝 配, MF是由G-actin單體形成的多聚體，肌動(dòng)蛋白單體具有極性, 裝配時(shí)呈頭尾相接, 故微絲具有極性，既正極與負(fù)極之別。 裝配可分為核心組織和延伸兩個(gè)階段。 體外實(shí)驗(yàn)表明，MF正極與負(fù)極都能生長(zhǎng)，生長(zhǎng)快的一端為正極，慢的一端為負(fù)極；去裝配時(shí)，負(fù)

5、極比正極快。由于G-actin 在正極端裝配，負(fù)極去裝配，從而表現(xiàn)為踏車行為。 體內(nèi)裝配時(shí)，MF呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性，主要取決于F-actin結(jié)合的ATP水解速度與游離的G-actin單體濃度之間的關(guān)系。 MF動(dòng)態(tài)變化與細(xì)胞生理功能變化相適應(yīng)。在體內(nèi), 有些微絲是永久性的結(jié)構(gòu), 有些微絲是暫時(shí)性的結(jié)構(gòu)。,微絲特異性藥物,細(xì)胞松弛素(cytochalasins)：可以切斷微絲,并結(jié)合在微絲正極阻抑肌動(dòng)蛋白聚合。 鬼筆環(huán)肽(philloidin)：與微絲側(cè)面結(jié)合,防止MF解聚。 影響微絲裝配動(dòng)態(tài)性的藥物對(duì)細(xì)胞都有毒害，說(shuō)明微絲功能的發(fā)揮依賴于微絲與肌動(dòng)蛋白單體庫(kù)間的動(dòng)態(tài)平衡。這種動(dòng)態(tài)平衡受actin

6、單體濃度和微絲結(jié)合蛋白的影響。,微絲結(jié)合蛋白,整個(gè)骨架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能在很大程度上受到不同的細(xì)胞骨架結(jié)合蛋白的調(diào)節(jié)。 肌肉收縮中相關(guān)的蛋白：肌球蛋白 非肌肉細(xì)胞中的微絲結(jié)合蛋白： actin單體結(jié)合蛋白：這些小分子蛋白與actin單體結(jié)合，阻止其添加到微絲末端，當(dāng)細(xì)胞需要單體時(shí)才釋放，主要用于actin裝配的調(diào)節(jié)。 微絲結(jié)合蛋白 微絲結(jié)合蛋白將微絲組織成以下三種主要形式,交聯(lián)蛋白（cross-linking protein）：改變細(xì)胞內(nèi)肌動(dòng)蛋白纖維的三維結(jié)構(gòu)。 末端阻斷蛋白（end blocking protein）：通過(guò)與肌動(dòng)蛋白纖維一端或兩端的結(jié)合調(diào)節(jié)肌動(dòng)蛋白纖維的長(zhǎng)度。 纖維切割蛋白（fi

7、lament-severing protein）：能夠同已經(jīng)存在的肌動(dòng)蛋白纖維結(jié)合并將它一分為二。 肌動(dòng)蛋白纖維去聚合蛋白（actin filament depolymerizing protein）。 膜結(jié)合蛋白（membrane-binding protein）,Parallel bundle: MF同向平行排列，主要發(fā)現(xiàn)于微絨毛與絲狀偽足。 Contractile bundle: MF反向平行排列，主要發(fā)現(xiàn)于應(yīng)力纖維和有絲分裂收縮環(huán)。 Gel-like network: 細(xì)胞皮層(cell cortex)中微絲排列形式，MF相互交錯(cuò)排列。,微絲功能,維持細(xì)胞形態(tài)，賦予質(zhì)膜機(jī)械強(qiáng)度 細(xì)胞運(yùn)

8、動(dòng) 微絨毛(microvillus) 應(yīng)力纖維(stress fiber) 參與胞質(zhì)分裂 肌肉收縮(muscle contraction),微絲遍及胞質(zhì)各處，集中分布于質(zhì)膜下，和其結(jié)合蛋白形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，維持細(xì)胞形狀和賦予質(zhì)膜機(jī)械強(qiáng)度，如哺乳動(dòng)物紅細(xì)胞膜骨架的作用。,細(xì)胞運(yùn)動(dòng) 成纖維細(xì)胞爬行與微絲裝配和解聚相關(guān),是腸上皮細(xì)胞的指狀突起，用以增加腸上皮細(xì)胞表面積，以利于營(yíng)養(yǎng)的快速吸收。,微絨毛(microvillus),應(yīng)力纖維（stress fiber）:廣泛存在于真核細(xì)胞。 成分：肌動(dòng)蛋白、肌球蛋白、原肌球蛋白和-輔肌動(dòng)蛋白。介導(dǎo)細(xì)胞間或細(xì)胞與基質(zhì)表面的粘著。（細(xì)胞貼壁與粘著斑的形成相關(guān)，在形

9、成粘合斑的質(zhì)膜下，微絲緊密平行排列成束，形成應(yīng)力纖維,具有收縮功能。）,收縮環(huán)由大量反向平行排列的微絲組成，其收縮機(jī)制是肌動(dòng)蛋白和肌球蛋白相對(duì)滑動(dòng)。,二微 管（Microtubules）,微管結(jié)構(gòu)與組成 裝配 微管特異性藥物 微管組織中心(MTOC) 微管結(jié)合蛋白(MAP) 微管功能,微管結(jié)構(gòu)與組成,微管由兩種類型的微管蛋白亞基、異二聚體構(gòu)成。微管蛋白在進(jìn)化上具有高度的保守性。 微管蛋白上的結(jié)合位點(diǎn) 微管的類型,微管的類型,微管可裝配成單管、二聯(lián)管、三聯(lián)管。 大部分細(xì)胞質(zhì)微管是單管微管，它在低溫、Ca2+和秋水仙素作用下容易解聚，屬于不穩(wěn)定微管。 二聯(lián)管是構(gòu)成纖毛和鞭毛的周圍小管，是運(yùn)動(dòng)類型的

10、微管，它對(duì)低溫、Ca2+和秋水仙素都比較穩(wěn)定。 三聯(lián)管見(jiàn)于中心粒和基體，它對(duì)低溫、 Ca2+和秋水仙素是穩(wěn)定的。,裝配,微管蛋白的體外裝配方式分為成核和延長(zhǎng)兩個(gè)反應(yīng) 所有的微管都有確定的極性：微管的極性有兩層含義，一是裝配的方向，二是生長(zhǎng)速度的快慢。 微管裝配是一個(gè)動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定過(guò)程,微管裝配的動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性是指微管裝配 生長(zhǎng)與快速去裝配的一個(gè)交替變換的現(xiàn)象 動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性產(chǎn)生的原因： 微管兩端具GTP帽(取決于微管蛋白濃度),微 管將繼續(xù)組裝,反之,無(wú)GDP帽則解聚。,微管特異性藥物,秋水仙素(colchicine) 結(jié)合到未聚合的微管蛋白二聚體上，阻斷微管蛋白組裝成微管，可破壞紡錘體結(jié)構(gòu)。 紫

11、杉酚(taxol)能促進(jìn)微管的裝配,并使已形成的微管穩(wěn)定。它只結(jié)合到聚合的微管上，不與未聚合的微管蛋白二聚體反應(yīng)。 為行使正常的微管功能,微管動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性是其功能正常發(fā)揮的基礎(chǔ)。,微管組織中心(MTOC),概念： 常見(jiàn)微管組織中心 中心體(centrosome) 基體(basal body),微管在生理狀態(tài)或?qū)嶒?yàn)處理解聚后重新裝配的發(fā)生處稱為微管組織中心(microtubule organizing center, MTOC)。 MTOC的主要作用是幫助大多數(shù)細(xì)胞質(zhì)微管裝配過(guò)程中的成核反應(yīng)。,常見(jiàn)微管組織中心,間期細(xì)胞MTOC： 中心體(動(dòng)態(tài)微管) 分裂細(xì)胞MTOC：有絲分裂紡錘體極(動(dòng)態(tài)微

12、管) 鞭毛纖毛細(xì)胞MTOC：基體(永久性結(jié)構(gòu)),中心體(centrosome),中心體(centrosome)結(jié)構(gòu)：包括中心粒和中心粒周圍物質(zhì)，在細(xì)胞間期位于細(xì)胞核附近，在有絲分裂期，位于紡綞體的兩極。 中心體復(fù)制周期 微管的體內(nèi)裝配需要管蛋白：位于中心體周圍的基質(zhì)中，它可以環(huán)成形結(jié)構(gòu)，為微管蛋白二聚體提供起始裝配位點(diǎn)，所以又叫成核位點(diǎn) 。,基體(basal body),位于鞭毛和纖毛根部的類似結(jié)構(gòu)稱為基體 基體只含有一個(gè)中心粒而不是一對(duì)中心粒 中心粒和基體均具有自我復(fù)制性質(zhì),微管結(jié)合蛋白(Microtubule Associated Protein, MAP),MAP的功能： 使微管相互交聯(lián)

13、形成束狀結(jié)構(gòu)，也可使微管同其它細(xì)胞結(jié)構(gòu)交聯(lián)。 通過(guò)與微管成核點(diǎn)的作用促進(jìn)微管的聚合 在細(xì)胞內(nèi)沿微管轉(zhuǎn)運(yùn)囊泡和顆粒 提高微管的穩(wěn)定性,微管功能,維持細(xì)胞形態(tài) 細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的運(yùn)輸 細(xì)胞器的定位 鞭毛(flagella)運(yùn)動(dòng)和纖毛(cilia)運(yùn)動(dòng) 紡錘體與染色體運(yùn)動(dòng),Fluorescence microscopy reveals colocalization of endoplasmic reticulum membranes and cytosolic microtubules. DiOC6, an ER-binding fluorescent dye (green), and fluoresce

14、ntly-labeled anti-tubulin antibodies (red) were used to stain a cultured frog fibroblast. The alignment of the ER network and microtubules in many but not all regions of the cytoplasm is evident because the cell has sparse microtubules,維持細(xì)胞形態(tài),用秋水仙素處理細(xì)胞破壞微管,導(dǎo)致細(xì)胞變圓,說(shuō)明微管對(duì)維持細(xì)胞的不對(duì)稱形狀是重要的。對(duì)于細(xì)胞突起部分,如纖毛、鞭毛、

15、軸突的形成和維持, 微管亦起關(guān)鍵作用。,細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的運(yùn)輸,真核細(xì)胞內(nèi)部是高度區(qū)域化的體系, 細(xì)胞中合成的物質(zhì)、一些細(xì)胞器等必須經(jīng)過(guò)細(xì)胞內(nèi)運(yùn)輸過(guò)程。這種運(yùn)輸過(guò)程與細(xì)胞骨架體系中的微管及其Motor protein有關(guān)。 Motor proteins 神經(jīng)元軸突運(yùn)輸模式 色素顆粒的運(yùn)輸,分子發(fā)動(dòng)機(jī),線性發(fā)動(dòng)機(jī) 以細(xì)胞骨架蛋白為軌道的分子發(fā)動(dòng)機(jī) 以DNA為軌道的分子發(fā)動(dòng)機(jī) 旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)：F0-F1ATP（ATP合酶） P-型運(yùn)輸泵（Na+-K+泵）,Motor proteins,To convert chemical energy (stored in ATP) into mechanical en

16、ergy, which is used to move cellular cargo attached to the motor.,以細(xì)胞骨架為軌道的分子發(fā)動(dòng)機(jī),Motor proteins can be grouped into three broad families: 肌球蛋白(myosins)家族 驅(qū)動(dòng)蛋白(kinesins)家族 動(dòng)力蛋白(dyneins)家族 Myosins和kinesins的協(xié)同作用 分子發(fā)動(dòng)機(jī)移動(dòng)的主要特點(diǎn),Cytoplasmic dyneins,Cytoplasmic dynein is a huge protein :molecular mass of ap

17、proximately 1.5 million daltons Composed of two identical heavy chains and a variety of intermediate and light chains. To move along a microtubule toward the polymers minus end .,驅(qū)動(dòng)蛋白(kinesins)家族,Structure 驅(qū)動(dòng)蛋白家族結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 驅(qū)動(dòng)蛋白功能特點(diǎn),structure,kinesin is a tetramer constructed from two identical heavy chain

18、s and two identical light chains A kinesin molecule has a pair of globular heads that bind a microtubule and act as ATP-hydrolyzling, force-generating “engines. a fan-shaped tail that binds cargo to be hauled Each head is connected to a neck, a rodlike stalk,驅(qū)動(dòng)蛋白功能特點(diǎn),Kinesin is a plus end-directed m

19、icrotubular motor Each step is approximately 8 nm in length, which is also the spacing between tubulin dimers along a protofilament 移動(dòng)的速度與ATP的濃度有關(guān) 速度高時(shí),可達(dá)到每秒900nm,分子發(fā)動(dòng)機(jī)移動(dòng)的主要特點(diǎn),Motor proteins move unidirectionally along their cytoskeletal track 驅(qū)動(dòng)蛋白:從(-)端向(+)端的運(yùn)輸 動(dòng)力蛋白:從(+)端向(-)端運(yùn)輸 In a stepwise manne

20、r The fuel is ATP,鞭毛(flagella)運(yùn)動(dòng)和纖毛(cilia)運(yùn)動(dòng),纖毛和鞭毛的運(yùn)動(dòng)形式 纖毛與鞭毛的結(jié)構(gòu) 纖毛運(yùn)動(dòng)機(jī)制,三、中間纖維（intermediate filament,IF),10nm纖維,因其直徑介于肌粗絲和細(xì)絲之間, 故被命名為中間纖維。IF幾乎分布于所有動(dòng)物細(xì)胞，往往形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，特別是在需要承受機(jī)械壓力的細(xì)胞中含量相當(dāng)豐富。除了胞質(zhì)中，在內(nèi)核膜下的核纖層也屬于IF。 中間纖維的裝配 中間纖維的成分與分布 中間纖維結(jié)合蛋白（ IFAP ）及其判定標(biāo)準(zhǔn) 中間纖維的功能,中間纖維的裝配,中間纖維裝配過(guò)程 IF裝配與MF,MT裝配相比，有以下幾個(gè)特點(diǎn)： I

21、F裝配的單體是纖維狀蛋白(MF,MT的單體呈球形)； 反向平行的四聚體導(dǎo)致IF不具有極性； IF在體外裝配時(shí)不需要核苷酸或結(jié)合蛋白的輔助， 在體內(nèi)裝配后，細(xì)胞中幾乎不存在IF單體(但I(xiàn)F的存在 形式也可以受到細(xì)胞調(diào)節(jié)，如核纖層的裝配與解聚)。,中間纖維的成分與分布,IF成分比MF,MT復(fù)雜，具有組織特異性。IF在形態(tài)上相似，而化學(xué)組成有明顯的差別。 中間纖維類型與分布 中間纖維蛋白的表達(dá)具有嚴(yán)格的組織特異性,中間纖維分類與分布,中間纖維的功能,增強(qiáng)細(xì)胞抗機(jī)械壓力的能力 角蛋白纖維參與橋粒的形成和維持 結(jié)蛋白纖維是肌肉Z盤(pán)的重要結(jié)構(gòu)組分，對(duì)于維持肌肉細(xì)胞的收縮裝置起重要作用 神經(jīng)元纖維在神經(jīng)細(xì)胞

22、軸突運(yùn)輸中起作用 參與傳遞細(xì)胞內(nèi)機(jī)械的或分子的信息 中間纖維與mRNA的運(yùn)輸有關(guān),第二節(jié) 細(xì)胞核骨架,細(xì)胞核骨架是存在于真核細(xì)胞核內(nèi)的以蛋白成分為主的纖維網(wǎng)架體系。廣義的核骨架包括核基質(zhì)、核纖層和核孔復(fù)合體。 核基質(zhì)(Nuclear Matrix) 染色體骨架 核纖層(Nuclear Lamina),核基質(zhì)(Nuclear Matrix),形態(tài)結(jié)構(gòu) 成分 核骨架蛋白（MAR蛋白）及核骨架結(jié)合序列 功能,形態(tài)結(jié)構(gòu),研究核骨架的分級(jí)抽提方法 1、非離子去垢劑溶解膜結(jié)構(gòu)系統(tǒng),胞質(zhì)中可溶性成分隨之流失； 2、再用Tween40和脫氧膽酸鈉處理,胞質(zhì)中的微管、微絲與一些蛋白結(jié)構(gòu)被溶去,胞質(zhì)中只有中間纖維

23、網(wǎng)能完好存留; 3、然后用核酸酶與0.25mol/L硫酸銨處理,染色質(zhì)中DNA、RNA和組蛋白被抽提, 最終核內(nèi)呈現(xiàn)一個(gè)精細(xì)發(fā)達(dá)的核骨架網(wǎng)絡(luò), 結(jié)合非樹(shù)脂包埋-去包埋劑電鏡制樣方法,可清晰地顯示核骨架-核纖層-中間纖維結(jié)構(gòu)體系。,成分,核骨架不象胞質(zhì)骨架那樣由非常專一的蛋白成分組成,核骨架的成分比較復(fù)雜,主要成分是核骨架蛋白及核骨架結(jié)合蛋白,并含有少量RNA。 核骨架蛋白 骨架結(jié)合蛋白 其它,核骨架結(jié)合序列, DNA序列中的核骨架結(jié)合序列(matrix associated region, MAR)這部分DNA與核骨架蛋白的結(jié)合不為高鹽溶液抽提所破壞,在基因表達(dá)調(diào)控中有作用 核骨架結(jié)合序列的基本特征 MAR的功能 通過(guò)與核骨架蛋白的結(jié)合，將DNA放射環(huán)錨定在核骨架上； 作為許多功能性基因調(diào)控蛋白的結(jié)合位點(diǎn)。,核骨架結(jié)合序列的基本特征,富含AT 富含DNA 解旋元件(DNA unwinding elements) 富含反向重復(fù)序列(Inverted Repeats) 含有轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)。,功 能,核骨架與DNA復(fù)制 核骨架與基因表達(dá) 大量研究工作表明真核細(xì)胞中RNA的轉(zhuǎn)錄和加工均與核骨架有關(guān)。具有轉(zhuǎn)錄活性的基因是結(jié)合在核骨架上的; RNA聚合酶在核骨架上具有結(jié)合位點(diǎn)。 核骨