细胞骨架与细胞运动.ppt

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1、细胞骨架与细胞运动细胞骨架与细胞运动l 细胞骨架细胞骨架(cytoskeleton)是真核细胞中与保是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。括微管、微丝和中间丝。细胞骨架是由一系列特异结构蛋白装配而成细胞骨架是由一系列特异结构蛋白装配而成的纤维网架系统，对细胞形态与内部结构的合理的纤维网架系统，对细胞形态与内部结构的合理排布起支架作用，还与细胞的运动、物质运输、排布起支架作用，还与细胞的运动、物质运输、信息传递、基因表达、细胞分裂、细胞分化等密信息传递、基因表达、细胞分裂、细胞分化等密切相关，是细胞内除了生物膜体

2、系和遗传信息表切相关，是细胞内除了生物膜体系和遗传信息表达体系外的第三类重要结构体系。达体系外的第三类重要结构体系。广义的细胞骨架包括细胞质骨架（微管、微广义的细胞骨架包括细胞质骨架（微管、微丝和中间纤维）、细胞核骨架（核基质、核纤层丝和中间纤维）、细胞核骨架（核基质、核纤层和核孔复合体）、细胞膜骨架和细胞外基质。和核孔复合体）、细胞膜骨架和细胞外基质。微管微管l微管微管(microtubule,MT)是中空的圆是中空的圆柱状结构，由微柱状结构，由微管蛋白管蛋白(tubulin)组成。组成。l微管蛋白呈球形，微管蛋白呈球形，微管蛋白和微管蛋白和微微管蛋白以异二聚管蛋白以异二聚体形式存在并形体形

3、式存在并形成基本亚单位原成基本亚单位原纤维，纤维，13条原纤条原纤维形成微管。维形成微管。l 微管蛋白环状复合物（微管蛋白环状复合物（TuRC）：）：由由微管蛋白、微管蛋白、微管蛋白、微管蛋白、微管蛋白和其他四种蛋微管蛋白和其他四种蛋白质组成。非微管蛋白决定螺旋形支架，白质组成。非微管蛋白决定螺旋形支架，13个个微管蛋白和微管蛋白和1-2个个、微管蛋白异二聚体结合到支微管蛋白异二聚体结合到支架上。架上。TuRC的作用是促进微管核心的形成，的作用是促进微管核心的形成，即成核作用。即成核作用。l微管在细胞中有三种不同的存在形式：微管在细胞中有三种不同的存在形式：l单管，细胞中主要存在形式，不稳定，

4、易受温度、单管，细胞中主要存在形式，不稳定，易受温度、Ca、秋水仙碱等影响；秋水仙碱等影响；l二联管、三联管（由二联管、三联管（由A、B或或A、B、C组成）：常组成）：常存在于特定细胞器，如中心粒、鞭毛、核纤毛等。存在于特定细胞器，如中心粒、鞭毛、核纤毛等。l 结合在微管表面结合在微管表面的辅助蛋白称为微管的辅助蛋白称为微管相关蛋白相关蛋白(microtubule-associated protein,MAP)，与微管结合并与微管结合并与微管蛋白共同组成与微管蛋白共同组成微管系统的蛋白。微管系统的蛋白。l 组成：碱性的微组成：碱性的微管结合结构域管结合结构域-与微与微管结合；酸性突出结管结合；

5、酸性突出结构域构域-以横桥方式与以横桥方式与质膜、中间纤维和其质膜、中间纤维和其他微管纤维连接。他微管纤维连接。l 微管相关蛋白以一定比例与微管相结合，微管相关蛋白以一定比例与微管相结合，可决定不同类型微管的独特属性，参与微可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管的装配，是维持微管结构和功能的必需成分，它们结合在微管表面，维持微管的成分，它们结合在微管表面，维持微管的稳定以及与其他细胞器间的连接。稳定以及与其他细胞器间的连接。l 微管相关蛋白主要包括：微管相关蛋白主要包括：MAP-1，MAP-2，Tau和和MAP-4。不同的细胞所含。不同的细胞所含MAP有所不

6、同，不同的有所不同，不同的MAP在细胞中有不在细胞中有不同的分布区域，执行不同的功能。同的分布区域，执行不同的功能。l微管相关蛋白的功能主要有：微管相关蛋白的功能主要有：1、调节微管装配；、调节微管装配；2、增加微管的稳定性和强度；、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；、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。、作为细胞外信号的靶位点参与信号转导。微管的组装和去组装是一种高度有序的微管的组装和去组装是一种高度有序的生命活动过程生命活动过程l 微管蛋白在细胞内以异二聚体或多聚体的形微管蛋白在细胞内以异二聚体或多聚体的形式存在，根据细胞生理活动的

7、需要，微管蛋白聚式存在，根据细胞生理活动的需要，微管蛋白聚合或解聚，引起微管的组装或去组装，从而改变合或解聚，引起微管的组装或去组装，从而改变微管的结构与分布，微管正是靠着这种多变的特微管的结构与分布，微管正是靠着这种多变的特性行使其功能。组装可分为三个时期。性行使其功能。组装可分为三个时期。l 微管蛋白在体内的装配比上述体外装配一般微管蛋白在体内的装配比上述体外装配一般规律更为复杂，要受到时间、空间的更为严格的规律更为复杂，要受到时间、空间的更为严格的控制。控制。成核期（延迟期）：成核期（延迟期）：-微管蛋白和微管蛋白和-微管蛋微管蛋白形成白形成二聚体，二聚体，二聚体先形成环状核心二聚体先形

8、成环状核心（ring），经过侧面增），经过侧面增加二聚体而扩展为螺旋加二聚体而扩展为螺旋带，带，二聚体平行于二聚体平行于长轴重复排列形成原纤长轴重复排列形成原纤维维(Protofilament)。当当螺旋带加宽至螺旋带加宽至13根原纤根原纤维时，即合拢形成一段维时，即合拢形成一段微管；微管；聚合期（延长期）：聚合期（延长期）：聚合速度大于解聚速度；聚合速度大于解聚速度；稳定期：组装（聚合）稳定期：组装（聚合）与去组装（解聚）速度与去组装（解聚）速度相等。相等。-微管蛋白的正极端组装较快，微管蛋白的正极端组装较快，-微管蛋白微管蛋白的负极端则组装较慢，一定条件下可能会出现的负极端则组装较慢，一定

9、条件下可能会出现一端延长而另一端缩短的现象，此称踏车现象一端延长而另一端缩短的现象，此称踏车现象(tread milling)。l 体外组装时，有两个因素决定微管的稳定性，即游离体外组装时，有两个因素决定微管的稳定性，即游离微管蛋白的浓度和微管蛋白的浓度和GTP水解成水解成GDP的速度，微管末端微管的速度，微管末端微管蛋白蛋白GTP和和GDP结合状态决定了末端的结构，而末端的结结合状态决定了末端的结构，而末端的结构决定了微管的组装和去组装。构决定了微管的组装和去组装。l某些某些药药物可以抑制微管物可以抑制微管组组装或装或稳稳定微管。定微管。l 秋水仙碱与秋水仙碱与-微管蛋白上的结合位点结合，微

10、管蛋白上的结合位点结合，抑制抑制-微管蛋白上的微管蛋白上的GTP水解，从而抑制微管的水解，从而抑制微管的组装，破坏纺锤体的形成，使细胞停止在分裂中组装，破坏纺锤体的形成，使细胞停止在分裂中期；紫杉醇与秋水仙碱相反，当其与期；紫杉醇与秋水仙碱相反，当其与-微管蛋白微管蛋白特定位点结合后，可以促进微管的装配并保持稳特定位点结合后，可以促进微管的装配并保持稳定，但不影响微管蛋白在微管末端进行组装，导定，但不影响微管蛋白在微管末端进行组装，导致微管不断地组装而不解聚，也可使细胞停滞在致微管不断地组装而不解聚，也可使细胞停滞在分裂期。秋水仙碱和紫杉醇都是重要的抗肿瘤药分裂期。秋水仙碱和紫杉醇都是重要的抗

11、肿瘤药物。物。微管的主要功能是细胞形态维持、细胞微管的主要功能是细胞形态维持、细胞运动和胞内物质运输运动和胞内物质运输一、微管因其具有一定的强度能够抗压、抗弯曲，一、微管因其具有一定的强度能够抗压、抗弯曲，构成细胞内的网状支架，支持和维持细胞的形态；构成细胞内的网状支架，支持和维持细胞的形态；二、微管以中心体为中心向四周辐射延伸，为细胞二、微管以中心体为中心向四周辐射延伸，为细胞内物质的运输提供了轨道，细胞内合成的一些运内物质的运输提供了轨道，细胞内合成的一些运输小泡、分泌颗粒等物质沿着微管提供的轨道进输小泡、分泌颗粒等物质沿着微管提供的轨道进行定向运输。微管参与细胞内物质运输是通过一行定向运

12、输。微管参与细胞内物质运输是通过一类利用类利用ATP为动力、称作马达蛋白为动力、称作马达蛋白(motor protein)的蛋白质来完成的。马达蛋白利用的蛋白质来完成的。马达蛋白利用ATP能能量驱动自身携带的运载物质沿着微管或肌动蛋白量驱动自身携带的运载物质沿着微管或肌动蛋白丝运动。丝运动。三、微管及其相关的马达蛋白在细胞内的膜性细胞器的空间三、微管及其相关的马达蛋白在细胞内的膜性细胞器的空间定位上起着重要作用。定位上起着重要作用。四、微管与细胞运动关系密切。细胞表面的特化结构纤毛、四、微管与细胞运动关系密切。细胞表面的特化结构纤毛、鞭毛，其外表面覆盖质膜，内部有由微管组成的轴丝。纤鞭毛，其外

13、表面覆盖质膜，内部有由微管组成的轴丝。纤毛和鞭毛内的二联微管在毛和鞭毛内的二联微管在ATP提供能量的情况下其提供能量的情况下其A、B两个微管可相互滑动，从而造成纤毛、鞭毛的弯曲运动。两个微管可相互滑动，从而造成纤毛、鞭毛的弯曲运动。五、在细胞分裂期，胞质微管网络发生全面五、在细胞分裂期，胞质微管网络发生全面解聚，重新组装形成解聚，重新组装形成“纺锤体纺锤体”，参与染，参与染色体的运动和调节细胞分裂。色体的运动和调节细胞分裂。六、微管参与细胞内信号传递。信号分子可六、微管参与细胞内信号传递。信号分子可 直接与微管作用或通过马达蛋白及一些支架直接与微管作用或通过马达蛋白及一些支架蛋白与微管作用实现

14、信号的传递。蛋白与微管作用实现信号的传递。微丝微丝l 微丝微丝(microfilament，MF)是普遍存在是普遍存在于细胞中由肌动蛋白于细胞中由肌动蛋白(actin)组成的直径组成的直径57nm的骨架纤丝，可呈束状、网状或散在的骨架纤丝，可呈束状、网状或散在分布于细胞质中。其基本成分是肌动蛋白，分布于细胞质中。其基本成分是肌动蛋白，具有收缩功能，故常被称作细胞具有收缩功能，故常被称作细胞 的的“肌肉肌肉系统系统”。l 微丝与微管和中间丝共同构成细胞的支微丝与微管和中间丝共同构成细胞的支架，参与细胞形态维持、细胞内外物质运架，参与细胞形态维持、细胞内外物质运输、细胞连接以及细胞运动等多种功能。

15、输、细胞连接以及细胞运动等多种功能。l微丝是由肌动蛋白亚单位构成的实心的纤维细丝微丝是由肌动蛋白亚单位构成的实心的纤维细丝状结构。肌动蛋白有三种类型的亚型：状结构。肌动蛋白有三种类型的亚型：、和和。肌动蛋白为横纹肌、心肌、血管平滑肌和肠道肌动蛋白为横纹肌、心肌、血管平滑肌和肠道平滑肌所特有，它们组成细胞的收缩性结构；平滑肌所特有，它们组成细胞的收缩性结构；和和 肌动蛋白存在于所有肌细胞和非肌细胞中。肌动蛋白存在于所有肌细胞和非肌细胞中。不同类型细胞中所存在的肌动蛋白的亚型不同，不同类型细胞中所存在的肌动蛋白的亚型不同，但同一个细胞中可以有但同一个细胞中可以有2种或种或2种以上的亚型，不种以上的

16、亚型，不能相互替代，这种现象与不同亚型有不同功能和能相互替代，这种现象与不同亚型有不同功能和不同调节机制有关。不同调节机制有关。l肌动蛋白在细胞内以两种形式存在：一种是游离肌动蛋白在细胞内以两种形式存在：一种是游离状态的单体，称为球状肌动蛋白状态的单体，称为球状肌动蛋白(globular actin,G-actin)，另一种是纤维状肌动蛋白多聚体，称为另一种是纤维状肌动蛋白多聚体，称为纤丝状肌动蛋白纤丝状肌动蛋白(filamentous actin,F-actin)。l 肌动蛋白结合蛋白肌动蛋白结合蛋白(actin-binding protein),以不同的方式与肌动蛋白相结合，严格地调控着以

17、不同的方式与肌动蛋白相结合，严格地调控着微丝的组织与行为，形成了多种不同的亚细胞结微丝的组织与行为，形成了多种不同的亚细胞结构，执行不同的功能。构，执行不同的功能。l微丝的体外组装过程可分为成核期、延长期和稳定期。微丝的体外组装过程可分为成核期、延长期和稳定期。l成核期：成核期：限速，二聚体不稳定，需形成三聚体核心；限速，二聚体不稳定，需形成三聚体核心；l生长期：球状肌动蛋白在核心两端的正快负慢聚合；生长期：球状肌动蛋白在核心两端的正快负慢聚合；l稳定期：掺入速度等于解离速度；延长长度等于缩短长度。稳定期：掺入速度等于解离速度；延长长度等于缩短长度。l微丝的体内组装受一系列肌动蛋白结合蛋白的调

18、节。微丝的体内组装受一系列肌动蛋白结合蛋白的调节。l细胞内新的微丝可以通过切割现有微丝形成或通过成核作细胞内新的微丝可以通过切割现有微丝形成或通过成核作用组装形成。由于肌动蛋白单体的自发组装不能满足微丝用组装形成。由于肌动蛋白单体的自发组装不能满足微丝骨架快速动态变化，所以需要肌动蛋白成核因子通过成核骨架快速动态变化，所以需要肌动蛋白成核因子通过成核作用来加速肌动蛋白的聚合。作用来加速肌动蛋白的聚合。微丝的体内组装微丝的体内组装和解聚还受到其和解聚还受到其他蛋白和某些药他蛋白和某些药物的影响。物的影响。微丝的主要功能是参与细胞运动、分裂和信号转导微丝的主要功能是参与细胞运动、分裂和信号转导l微

19、丝构成细胞的支架并维持细胞的形态，如细胞微丝构成细胞的支架并维持细胞的形态，如细胞皮层、应力纤维及微绒毛皮层、应力纤维及微绒毛(microvilli)等等;l微丝参与细胞的运动，如伪微丝参与细胞的运动，如伪足等细胞的变形运动；足等细胞的变形运动；l微丝在肌球蛋白微丝在肌球蛋白(mioisin)参参与下作为运输轨道参与细胞与下作为运输轨道参与细胞内物质运输，有点类似于微内物质运输，有点类似于微管的轨道作用；管的轨道作用；l微丝参与细胞质的分裂，形微丝参与细胞质的分裂，形成收缩环；成收缩环；l微丝参与受精作用，在溶酶微丝参与受精作用，在溶酶体酶作用后参与精子和卵子体酶作用后参与精子和卵子的膜融合；

20、的膜融合；l微丝参与细胞内信息传递，微丝参与细胞内信息传递，质膜下肌动蛋白结构发生变质膜下肌动蛋白结构发生变化从而启动细胞内激酶变化化从而启动细胞内激酶变化引起级联反应；引起级联反应；l微丝参与肌肉收缩，微丝参与肌肉收缩，l骨骼肌收缩的基本结构单位骨骼肌收缩的基本结构单位肌小节肌小节肌原纤维肌原纤维 粗肌丝粗肌丝 肌球蛋白肌球蛋白 肌原纤维肌原纤维 肌动蛋白肌动蛋白 细肌丝细肌丝原肌球蛋白原肌球蛋白 肌钙蛋白肌钙蛋白l肌肉收缩的滑动丝模型。肌肉收缩的滑动丝模型。中间丝中间丝(intermediate filament,IF)中间丝是直径中间丝是直径10nm纤维状蛋白，因其介于粗纤维状蛋白，因其

21、介于粗肌丝和细肌丝以及微丝和微管之间肌丝和细肌丝以及微丝和微管之间,故被命名为中故被命名为中间纤维。中间丝是最稳定的细胞骨架成分，也是间纤维。中间丝是最稳定的细胞骨架成分，也是三类细胞骨架纤维中化学成分最为复杂的一种。三类细胞骨架纤维中化学成分最为复杂的一种。中间丝形成布满细胞质中的网络，并伸展到中间丝形成布满细胞质中的网络，并伸展到细胞边缘，与细胞质膜上桥粒、半桥粒等结构相细胞边缘，与细胞质膜上桥粒、半桥粒等结构相连。中间丝还在细胞核膜下形成核纤层、核骨架连。中间丝还在细胞核膜下形成核纤层、核骨架共同形成贯穿于核内外的网架体系，在细胞构建、共同形成贯穿于核内外的网架体系，在细胞构建、分化等多

22、种生命活动中起着重要作用。分化等多种生命活动中起着重要作用。l 组成中间丝的组成中间丝的蛋白分子非常复杂，蛋白分子非常复杂，种类繁多，不同来种类繁多，不同来源的组织细胞表达源的组织细胞表达不同类型的中间丝不同类型的中间丝蛋白。根据中间丝蛋白。根据中间丝蛋白的氨基酸序列、蛋白的氨基酸序列、基因结构、组装特基因结构、组装特性以及在发育过程性以及在发育过程的组织特异性表达的组织特异性表达模式等因素，中间模式等因素，中间丝可被分为丝可被分为6种主种主要类型。要类型。l 各种中间丝蛋白具有相似的分子结构，各种中间丝蛋白具有相似的分子结构，其基本单位均为长线性蛋白，共同的结构其基本单位均为长线性蛋白，共同

23、的结构特点是由头部、杆状区和尾部三部分组成。特点是由头部、杆状区和尾部三部分组成。l中间丝结合蛋白中间丝结合蛋白(intermediate filament associated protein,IFAP)是一类在结构和是一类在结构和功能上与中间丝有密切联系但其本身却不功能上与中间丝有密切联系但其本身却不是中间丝结构组分的蛋白。是中间丝结构组分的蛋白。IFAP作为细作为细胞中中间丝超分子结构的调节者，介导中胞中中间丝超分子结构的调节者，介导中间丝之间交联成束、成网，并把中间丝交间丝之间交联成束、成网，并把中间丝交联到质膜或其他骨架成分上。联到质膜或其他骨架成分上。l中间丝的组装与微管、微丝相比

24、更为复杂，可分为四步：中间丝的组装与微管、微丝相比更为复杂，可分为四步：1、两个中间丝蛋白分子形成螺旋状二聚体；、两个中间丝蛋白分子形成螺旋状二聚体；2、两个二聚、两个二聚体组装成四聚体，这可能是中间丝的最小单位；体组装成四聚体，这可能是中间丝的最小单位；3、四聚、四聚体首尾相连组成原纤维；体首尾相连组成原纤维；4、8条原纤维侧向聚合组成中间条原纤维侧向聚合组成中间丝。丝。中间丝蛋白的磷酸化作用中间丝蛋白的磷酸化作用是中间丝动态调节最常见是中间丝动态调节最常见的调节方式，在有丝分裂的调节方式，在有丝分裂前期，磷酸化导致中间丝前期，磷酸化导致中间丝网络解体，分裂结束后，网络解体，分裂结束后，去磷

25、酸化又使得中间丝蛋去磷酸化又使得中间丝蛋白重新参与中间丝网络的白重新参与中间丝网络的组装。组装。l中间丝的主要功能：中间丝的主要功能：（一）构成细胞完整的支撑网架系统；（一）构成细胞完整的支撑网架系统；（二）为细胞提供机械强度支持；（二）为细胞提供机械强度支持；（三）参与细胞的分化；（三）参与细胞的分化；（四）参与细胞内信息传递。（四）参与细胞内信息传递。l细胞骨架的结构和功能异常与许多疾病发生细胞骨架的结构和功能异常与许多疾病发生有关。有关。l在恶性肿瘤细胞中，常可发现有细胞骨架的在恶性肿瘤细胞中，常可发现有细胞骨架的破坏和微管的解聚。破坏和微管的解聚。l老年痴呆患者神经元中可见微管聚集缺陷。老年痴呆患者神经元中可见微管聚集缺陷。l纤毛、鞭毛结构中动力蛋白的缺陷可使气管纤毛、鞭毛结构中动力蛋白的缺陷可使气管上皮组织纤毛运动麻痹、精子尾部鞭毛不上皮组织纤毛运动麻痹、精子尾部鞭毛不能运动，导致慢性气管炎和男性不育等。能运动，导致慢性气管炎和男性不育等。