细胞骨架学习.pptx

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1、第五讲 细胞骨架及细胞运动第一节 微管系统第二节 微丝系统第三节 中等纤维第四节 马达蛋白第五节 细胞运动第1页/共75页概 述细胞骨架的概念：是 指 真 核 细 胞 中 由 蛋 白 纤 维 构 成 的 网 架 结 构 体 系，主 要 组 成：微 管(Microtubule,MT)、微丝(Microfilament,MF)和中等纤维(Intermediate filament,IF)以及功能各异的结合蛋白质组成。细胞骨架的功能:维持细胞形态；保持细胞内部结构的有序性；参与细胞运动、细胞内物质运输、细胞分裂、信息转导等生命活动。第2页/共75页概 述第3页/共75页广义的细胞骨架：包括细胞核骨架

2、、细胞质骨架、细胞膜骨架和细胞外基质，形成贯穿于细胞核、细胞质、细胞外的一体化网络结构。狭义的细胞骨架：仅指细胞质骨架，它们均由单体蛋白构成纤维型多聚体，很容易进行组装和去组装。主要包括微管、微丝和中等纤维。概 述第4页/共75页细胞骨架常用的研究方法电镜技术：超高压电镜、扫描电镜等显示细胞骨架的各种细丝的立体图像；酶消化技术：选择地抽取细胞骨架的成分；免疫荧光显微技术：对细胞骨架研究起到推动作用。概 述第5页/共75页(c)IF(vimentin)(a)MT(tubulin)Immunofluorescence micrographs showing the distribution of

3、the cultured fibroblast.概 述(b)MF(phalloidin)第6页/共75页第一节 微管(Microtubules)一、微管的结构组成与极性二、微管的组装和去组装三、微管组织中心四、微管结合蛋白五、微管的功能六、药物对微管的影响第7页/共75页一、微管的结构组成与极性1.微管的结构组成：是真核细胞中重要的细胞骨架成分。有稳定 的 MT和 不 稳 定 的MT之分。形态上呈中空的管状结构，其外径为24nm，内径为15nm。长度变化很大。在多数细胞中呈放射状分布。第8页/共75页一、微管的结构组成与极性微管是由微管蛋白亚基组装而成。、-微管蛋白结合而成的异二聚体。-异二聚

4、体是细胞内游离态微管蛋白的主要存在形式，也是微管组装的基本结构单位。第9页/共75页-异二聚体-微管蛋白：含有一个GTP结合位点，但该位点的GTP通常不发生水解，因而被称为不可交换位点(nonexchangable site,N-site)。-微管蛋白：也含有一个GTP结合位点，该GTP在微管蛋白二聚体参与组装成微管后，可水解为GDP。当微管去组装后，-微管蛋白上的GDP可以被细胞质中的GTP所替换，然后再参与微管的组装。故该GTP的结合位点被称为可交换位点(exchangeable site,E-site)。此外，微管蛋白上还有二价阳离子结合位点，一个秋水仙素结合位点，一个长春碱结合位点。第

5、10页/共75页-异二聚体第11页/共75页一、微管的结构组成与极性-异二聚体头尾相接,形成细长的原纤维(protofilament),13根原纤维纵向排列组成微管的壁。第12页/共75页一、微管的结构组成与极性2.微管的极性：每根原纤维在微管的一端是-微管蛋白，而另一端是-微管蛋白，因此每条原纤维两端都是不对称的，从而使整根微管在结构上呈现极性状态。第13页/共75页一、微管的结构组成与极性结构上的不对称导致微管组装时，-异二聚体在两端的聚合速度明显不同。通常将组装快的一端称为正极(plus end)，而另一 端 称 为 负 极(minus end)。-微管蛋白朝向正极。第14页/共75页一

6、、微管的结构组成与极性典型的微管正极朝向外围，而负极锚定在微管组织中心。第15页/共75页3.微管的类型：从结构上看，微管有三种类型：存在方式存在方式组组 成成原纤维的管数原纤维的管数稳定性稳定性分分 布布单管单管131不稳定不稳定质膜下、纺锤体质膜下、纺锤体二联管二联管13+10922稳稳 定定纤毛、鞭毛的纤毛、鞭毛的根部根部三联管三联管13+10+1093稳稳 定定纤毛、鞭毛的纤毛、鞭毛的基部、中心粒基部、中心粒ABBAC一、微管的结构组成与极性第16页/共75页不稳定并随着细胞周期各个时相而发生变化常温条件下MT聚合，低于4C MT解聚；秋水仙素、长春碱阻止MT聚合；有丝分裂期：MT形成

7、纺锤体，子细胞出现纺锤体消失。荧光电镜照片显示纺锤体1.单管的特点第17页/共75页2.二联管的特点稳定，不受温度、秋水仙素和长春碱的影响；由9对二联体微管和两个中央微管组成。第18页/共75页二联体微管和三联体微管第19页/共75页最稳定；由9组三联体微管组成，每组微管斜向排列，略似风车的旋翼。如中心体。中心体由两个互相垂直的中心粒和周围基质(中心球)组成。中心体具有确定细胞分裂极的作用。3、三联管的特点第20页/共75页第一节 微管(Microtubules)一、微管的结构组成与极性二、微管的组装和去组装三、微管组织中心四、微管结合蛋白五、微管的功能六、药物对微管的影响第21页/共75页二

8、、微管的组装和去组装微管的体外组装：分为成核和延伸两个阶段。一些微管蛋白二聚体首先纵向聚合形成短的丝状结构，即成核反应；然后在两端以及侧面增加二聚体而扩展成片状；当片状聚合物加宽到13根原纤维时，即合拢成为一段微管。新的微管蛋白二聚体不断组装到这段微管的两端，使之延长。第22页/共75页原纤维的形成片状微管的形成微管的延长二、微管的组装和去组装第23页/共75页微管的组装与其底物(携带GTP的-异二聚体)的浓度有关：底物浓度较高时，在微管的末端组装速度快，使微管延长；当二聚体结合到微管末端后，-微管蛋白上的GTP会水解成GDP。GDP形式微管蛋白与微管的末端亲和性较小，容易从其末端脱落而使微管

9、解聚。通常微管蛋白的负极端组装速度较慢，而-微管蛋白的正极端组装较快。二、微管的组装和去组装第24页/共75页GTP-帽(GTP-cap)：当 组 装 体 系 中 结 合GTP的-异 二 聚 体浓度高时，微管的组装速度大于微管末端GTP水解速度，可以在微管的末端形成一段结合GTP的帽子，从而使微管稳定地延伸。二、微管的组装和去组装第25页/共75页当底物浓度下降时，在微管末端的聚合速度下降，-微管蛋白上的GTP水解速度相对增加，导致微管末端发生去组装，表现出动力学不稳定性。二、微管的组装和去组装第26页/共75页踏车行为(treadmilling)：当组装体系内底物的浓度接近临界浓度时，在同一

10、根微管上，正极的装配速度和负极的解聚速度相同时，微管的长度保持不变，把这种现象称为。二、微管的组装和去组装第27页/共75页细胞内微管的组装和去组装在时间和空间上是高度有序的。间期细胞中，微管与微管蛋白亚基库处于相对平衡状态；有丝分裂过程中，微管的组装和去组装受细胞内一些因子的调控，使微管的分布状态发生显著变化：有丝分裂前期，细胞内微管网络解聚，游离的微管蛋白亚基被用于组装成纺锤体微管；分裂末期，这一过程发生逆转。细胞内微管的组装都起源于某一特殊位点。二、微管的组装和去组装第28页/共75页第一节 微管(Microtubules)一、微管的结构组成与极性二、微管的组装和去组装三、微管组织中心四

11、、微管结合蛋白五、微管的功能六、药物对微管的影响第29页/共75页微管组织中心(microtubule organizing centers,MTOC)：在活细胞内，能够起始微管的成核作用，并使之延伸的细胞结构称为。中心体鞭毛和纤毛的基体着丝点三、微管组织中心第30页/共75页1.中心体(Centriole)动物细胞间期的微管通常都是从中心体开始生长。电镜下可见，中心体微管是在中心粒外周物质区域成核。第31页/共75页1.中心体(Centriole)第32页/共75页-微 管 位 于 MTOC，对MT的形成及MT极性的确定起重要作用。微管蛋白结合到微管蛋白上，确定微管结合方向。-异二聚体逐渐加

12、上去，使MT延长。1.中心体(Centriole)第33页/共75页1.中心体(Centriole)Add colcemid or cool to 0CDepolymerization of MTRemove colcemid or warm to 37CAddition of tubulin at(+)ends of MTElongation of MTInterphase cellNucleusCentrioleMTOC第34页/共75页在细胞内并不是所有的微管都与中心体相连。神经元轴突内部一些微管起源于轴突内的某一位置，而并不连接到中心体上。在树突内部，约有50%的微管正极指向细胞体。1

13、.中心体(Centriole)第35页/共75页2.基体鞭毛和纤毛内部的微管起源于其基部称为基体的结构。第36页/共75页3.着丝点第37页/共75页第一节 微管(Microtubules)一、微管的结构组成与极性二、微管的组装和去组装三、微管组织中心四、微管结合蛋白五、微管的功能六、药物对微管的影响第38页/共75页四、微管结合蛋白(microtubule associated proteins，MAPs)概念：在微管体系中，有一些蛋白始终伴随着微管的组装和去组装而存在，将这类蛋白称之为MAPs。根据MAPs在电泳时所显示的条带不同，依次命名为MAP1、MAP2、MAP3、MAP4、tau蛋

14、白等。MAPs通常都是单基因编码，具有一个或数个与微管结合的结构域，具有稳定微管的作用，其余的结构域突出于微管的表面，与相邻的微管作用，对微管网络的分布和功能进行调节。第39页/共75页例如：MAP2：位于神经元的胞体和树突内；Tau蛋白则存在于轴突内部。四、微管结合蛋白(microtubule associated proteins，MAPs)MAP2 or Tau蛋白第40页/共75页第一节 微管(Microtubules)一、微管的结构组成与极性二、微管的组装和去组装三、微管组织中心四、微管结合蛋白五、微管的功能六、药物对微管的影响第41页/共75页五、微管的功能支架作用：细胞中的微管就

15、像混凝土中的钢筋一样，起支撑作用在培养的细胞中，微管呈放射状排列在核外，(+)端指向质膜，形成平贴在培养皿上的形状。在神经细胞的轴突和树突中，微管束沿长轴排列，起支撑作用，在胚胎发育阶段帮助轴突生长，突入周围组织，在成熟的轴突中，微管是物质运输的路轨。第42页/共75页五、微管的功能细胞内的物质运输：微管起细胞内物质运输的路轨作用，破坏微管会抑制细胞内的物质运输。与微管结合而起运输作用的马达蛋白有两大类：驱动蛋白kinesin，动力蛋白dynein，两者均需ATP提供能量。第43页/共75页五、微管的功能形成纺锤体作用是在分裂细胞中牵引染色体到达分裂极。纤毛与鞭毛的运动纤毛和鞭毛的运动是依靠动

16、力蛋白(dynein)水解ATP，使相邻的二联微管相互滑动。男性不育症是由于精子没有活力造成的。这种病人同时还患有慢性支气管炎，主要是因为是鞭毛和纤毛没有动力蛋白臂，不能排出侵入肺部的粒子。第44页/共75页第一节 微管(Microtubules)一、微管的结构组成与极性二、微管的组装和去组装三、微管组织中心四、微管结合蛋白五、微管的功能六、药物对微管的影响第45页/共75页六、药物对微管的影响秋水仙素(Cochicine)和Nocodazole(诺可脞)能结合到游离的微管蛋白二聚体上，抑制微管的组装，但不影响微管的解聚。紫杉醇(Taxol):通过结合-微管蛋白增强微管的稳定性，但不影响新的微

17、管进行组装。结果是微管不停地组装，而不会解聚，最终使细胞周期的运行被终止。第46页/共75页第二节 微丝(Microfilament，MF)一、肌动蛋白(actin)二、微丝结构及组装三、微丝结合蛋白四、微丝的功能五、药物对微丝的影响第47页/共75页微 丝 又 称 为 肌 动 蛋 白 丝(actin filament)或 纤 维 状 肌 动 蛋 白(fibrous actin,F-actin)。微丝在细胞的生命活动过程中发挥着重要的作用。微丝具有稳定和不稳定两种状态肌肉细胞及少数非肌性细胞为稳定型。例如：小肠上皮细胞的微绒毛等。大部分非肌细胞为不稳定型。例如：胞质分裂的缢缩环等。第二节 微丝

18、(Microfilament，MF)第48页/共75页微丝的主要成分是肌动蛋白。肌动蛋白在细胞内有两种存在方式：1.肌动蛋白蛋白又称球状肌动蛋白(globular actin，G-actin)2.纤维状肌动蛋白(fibrous actin，F-actin)：是由G-actin聚合形成的多聚体。一、肌动蛋白(actin)第49页/共75页G-actinG-actin呈碟状结构，由四个结构域组成。中央有一个裂口。裂口内部有ATP结合位点和Mg2+结合位点。分子量为43kDa；结构上G-actin具有极性。正极正极负极负极正极第50页/共75页G-actinG-actin在生物进化过程中高度保守。在

19、哺乳动物和鸟类细胞中至少已分离到六种肌动蛋白：四种为-肌动蛋白，存在于各种肌性细胞中；另两种为-和-肌动蛋白，存在于肌性和非极性细胞中。第51页/共75页电镜下可见微丝是一条直径为7nm的扭链，呈双股螺旋。每条丝都是由G-actin头尾相连呈螺旋状排列而成，螺距为36nm。肌动蛋白分子上的裂口使得该蛋白本身在结构上具有不对称性。从而使微丝在结构上具有极性。具有裂口的一端为负极，而另一端为正极。F-actinF-actin负极正极第52页/共75页第二节 微丝(Microfilament，MF)一、肌动蛋白(actin)二、微丝的结构及组装三、微丝结合蛋白四、微丝的功能五、药物对微丝的影响第53

20、页/共75页(一)微丝的组装过程(二)微丝组装中ATP的作用二、微丝的结构及组装第54页/共75页(一)微丝的组装过程在体外，微丝的组装/去组装与溶液中所含肌动蛋白单体的状态(结合ATP或ADP)、离子的种类及浓度等参数有关。只有结合ATP的G-actin才能参与微丝的组装。在溶液中含有适当浓度的Ca2+，而Na+、K+浓度很低时，微丝趋于解聚成G-actin；当溶液中含有ATP、Mg2+以及较高浓度的Na+、K+时，G-actin则趋向于组装成F-actin，即新的G-actin加到微丝的末端，使微丝延伸。当溶液中携带ATP的G-actin处于临界浓度时，微丝的组装和去组装达到平衡状态。第5

21、5页/共75页(一)微丝的组装过程经历两个阶段：1.成核期(nucleation phase)：又称为延迟期，G-actin先聚合成短的不稳定的寡聚体，当聚合体达到一定的长度(3或4个亚单位)时就形成了稳定的种子，或者叫核。2.生长期(growth phase)：G-actin不断地结合到核心的两端，使微丝延长。聚合快的一端称为正极，聚合慢的一端称为负极。第56页/共75页(一)微丝的组装过程第57页/共75页结合ATP的actin对纤维末端的亲和力高，使纤维延长；当ATP水解为ADP+Pi，ADP-actin对纤维末端的亲和力低，容易从末端脱落，使纤维缩短。当ATP-actin浓度高时，聚合

22、速度高于解聚速度，容易在末端形成一连串的ATP-actin，称为ATP帽；当ATP-actin浓度下降时，在末端的聚合速度下降，而ATP水解的速度不变，最后暴露出ADP-actin，开始从末端脱落，结果使纤维缩短。(二)微丝组装中ATP的作用第58页/共75页(二)微丝组装中ATP的作用第59页/共75页在一定浓度下，肌动蛋白纤维一端不断聚合伸长，另一端不断解聚缩短使其处于平衡状态，称之为“踏车运动”。(二)微丝组装中ATP的作用第60页/共75页第二节 微丝(Microfilament，MF)一、肌动蛋白(actin)二、微丝的结构及组装三、微丝结合蛋白四、微丝的功能五、药物对微丝的影响第6

23、1页/共75页三、微丝结合蛋白微丝结合蛋白调节细胞肌动蛋白纤维的动态和组织，这些蛋白可分为：(一)肌动蛋白单体结合蛋白(二)肌动蛋白纤维加帽蛋白(三)切断肌动蛋白纤维的蛋白(四)肌动蛋白纤维交联蛋白(五)侧面结合蛋白(六)衔接子蛋白(adapter protein)第62页/共75页微丝结合蛋白：单体结合蛋白通常影响ATP-肌动蛋白；加帽蛋白结合到纤维的突出端，一些切断蛋白也能加帽；交联蛋白可以帮助形成微丝束或者网络。第63页/共75页Fascin为成束蛋白；Filamin为细丝蛋白；Vinculin为纽蛋白；-actinin为-辅肌动蛋白第64页/共75页微绒毛结构模式图Fimbrin为毛缘

24、蛋白 Villin为绒毛蛋白第65页/共75页第二节 微丝(Microfilament，MF)一、肌动蛋白(actin)二、微丝的结构及组装三、微丝结合蛋白四、微丝的功能五、药物对微丝的影响第66页/共75页四、微丝的功能形成应力纤维(stress fiber)：培养的成纤维细胞中具有丰富的应力纤维，并通过粘着斑固定在基质上。在体内应力纤维使细胞具有抗剪切力。培养的上皮细胞中的应力纤维(微丝红色、微管绿色)第67页/共75页四、微丝的功能形成微绒毛参与细胞的各种运动皮质微丝网络的聚合和解聚促进了伪足的伸展、细胞的运动和吞噬作用；微丝是肌球蛋白(依赖于微丝的分子马达)运行的轨道。微丝和肌球蛋白纤

25、维形成稳定的收缩器官肌肉。参与胞质分裂第68页/共75页FilopodiumLamellipodiumTail第69页/共75页胞质分裂的结构模式图第70页/共75页第二节 微丝(Microfilament，MF)一、肌动蛋白(actin)二、微丝的结构及组装三、微丝结合蛋白四、微丝的功能五、药物对微丝的影响第71页/共75页五、药物对微丝的影响细胞松弛素(cytochalasin,常用B和D两类)：可以通过封闭F肌动蛋白的正极端而使肌动蛋白纤维解聚。鬼笔环肽(phalloidin)：只结合于F肌动蛋白，具有稳定微丝的作用。荧光标记的鬼笔环肽常用于肌动蛋白纤维染色。第72页/共75页第73页/共75页1.简述微丝和微管的结构与分子组成。2.微管具有哪些主要的生物学功能？3.举例说明微丝具有哪些生物学功能？4.简述作用于微管和微丝的特异性药物。思考题第74页/共75页感谢您的观看！第75页/共75页