郑大细胞生物学 第九章.ppt

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1、第九章 细胞骨架(Cytoskeleton),细胞骨架是指存在于真核细胞中的蛋白纤维网架体系 有狭义和广义两种概念 在细胞质基质中包括微丝、微管和中间纤维。 在细胞核中存在核骨架-核纤层体系。核骨架 、 核纤层与中间纤维在结构上相互连接, 贯穿 于细胞核和细胞质的网架体系。 细胞质骨架 核骨架,第一节 细胞质骨架,微丝(microfilament, MF) 微 管（microtubules） 中间纤维（intermediate filament,IF) 细胞骨架结构与功能总结 细胞质骨架主要成分的比较,第二节 细胞核骨架,核基质(Nuclear Matrix) 染色体骨架 核纤层(Nuclea

2、r Lamina ),一、微丝(microfilament, MF),又称肌动蛋白纤维(actin filament), 是指真核 细胞中由肌动蛋白(actin)组成、直径为7nm的骨架纤维。微丝和它的结合蛋白（association protion）以及肌球蛋白（myosin）三者构成化学机械系统，利用化学能产生机械运动。 成分 装配 微丝特异性药物 微丝结合蛋白 微丝功能 肌肉收缩(muscle contraction),成 分,肌动蛋白(actin)是微丝的结构成分,外 观呈哑铃状, 这种actin又叫G-actin（球形肌动蛋白），将G-actin形成的微丝又称为F-actin（纤维形

3、肌动蛋白）。,装 配,微丝（MF）是由G-actin单体形成的多聚体，肌动蛋白单体具有极性, 装配时呈头尾相接, 故微丝具有极性，既正极与负极之别。 体外实验表明，MF正极与负极都能生长，生长快的一端为正 极，慢的一端为负极；去装配时，负极比正极快。由于G-actin 在正极端装配，负极去装配，从而表现为踏车行为。 体内装配时，MF呈现出动态不稳定性，主要取决于F-actin（纤维形肌动蛋白）结合的ATP水解速度与游离的G-actin单体浓度之间的关系。 MF动态变化与细胞生理功能变化相适应。在体内, 有些微丝是 永久性的结构, 有些微丝是暂时性的结构。,微丝特异性药物,细胞松弛素(cytoc

4、halasins)：可以切断微丝,并结合 在微丝正极阻抑肌动蛋白聚合,因而导致微丝解聚。 鬼笔环肽(philloidin)：与微丝侧面结合,防止MF解聚。 影响微丝装配动态性的药物对细胞都有毒害，说明 微丝功能的发挥依赖于微丝与肌动蛋白单体库间的动 态平衡。这种动态平衡受actin单体浓度和微丝结合蛋 白的影响。,微丝结合蛋白,整个骨架系统结构和功能在很大程度上受到 不同的细胞骨架结合蛋白的调节。 actin单体结合蛋白 这些小分子蛋白与actin单体结合，阻止其添加到 微丝末端，当细胞需要单体时才释放，主要用于actin 装配的调节，如proflin（抑制蛋白）等。 微丝结合蛋白 微丝结合蛋

5、白将微丝组织成以下三种主要形式：,平行束Parallel bundle: MF同向平行排列，主要 发 现于微绒毛与丝状伪足。 收缩束Contractile bundle: MF反向平行排列，主要 发现于应力纤维和有丝分裂收缩环。 胶状网Gel-like network: 细胞皮层(cell cortex)中微丝 排列形式，MF相互交错排列。,微丝功能,维持细胞形态，赋予质膜机械强度 细胞运动 微绒毛(microvillus) 应力纤维(stress fiber) 参与胞质分裂 肌肉收缩(muscle contraction),微丝遍及胞质各处，集中分布于质膜下，和其结合蛋白形成网络结构，维持细

6、胞形状和赋予质膜机械强度，如哺乳动物红细胞膜骨架的作用。,成纤维细胞爬行与微丝装配和解聚相关,细胞运动,是肠上皮细胞的指状突起，用以增加肠上皮细胞表面积，以利于营养的快速吸收。,微绒毛(microvillus),应力纤维（stress fiber）:广泛存在于真核细胞。 成分：肌动蛋白、肌球蛋白、原肌球蛋白和-辅肌动蛋白。介导细胞间或细胞与基质表面的粘着。 （细胞贴壁与粘着斑的形成相关，在形成粘合斑的质膜下，微丝紧密平行排列成束，形成应力纤维,具有收缩功能。）,收缩环由大量反向平行排列的微丝组成，其收缩机制是肌动蛋白和肌球蛋白相对滑动。,肌肉收缩(muscle contraction),肌肉可

7、看作一种特别富含细胞骨架的效力非常高的能量转换器，它直接将化学能转变为机械能。 肌肉的细微结构(以骨骼肌为例) 肌小节的组成 肌肉收缩系统中的有关蛋白 肌肉收缩的滑动模型 由神经冲动诱发的肌肉收缩基本过程,肌肉收缩系统中的有关蛋白,肌球蛋白(myosin)所有actin-dependent motor proteins都属于该家族，其 头部具ATP酶活力,沿微丝从负极到正极进行运动。 肌球蛋白是一种分子发动机，肌动蛋白纤维是肌球蛋白运行的轨道。肌球蛋白 也是ATPase, 通过ATP的水解导致构型的变化从而在肌动蛋白丝上移动。主要类型肌球蛋白: 肌球蛋白、肌球蛋白和肌球蛋白。 Myosin 主

8、要分布于肌细胞，有两个球形头部结构域(具有ATPase活性)和尾部 链,多个Myosin尾部相互缠绕，形成myosin filament,即粗肌丝。 原肌球蛋白(tropomyosin, Tm)由两条平行的多肽链形成-螺旋构型,位于肌动蛋白螺旋沟内,结合于细丝, 调节肌动蛋白与肌球蛋白头部的结合。 肌钙蛋白 (Troponin, Tn)为复合物，包括三个亚基：TnC(Ca2+敏感性蛋白)能特异与Ca2+结合; TnT(与原肌球蛋白结合); TnI(抑制肌球蛋白ATPase活性),由神经冲动诱发的肌肉收缩基本过程,动作电位的产生 Ca2+的释放 原肌球蛋白位移 肌动蛋白丝与肌球蛋白丝的相对滑动

9、Ca2+的回收,二微 管（Microtubules）,微管在胞质中形成网络结构，作为运输路轨并起支撑作用。微管是由微管蛋白组成的管状结构，对低温、高压和秋水仙素敏感。 微管结构与组成 装配 微管特异性药物 微管组织中心(MTOC) 微管相关蛋白(MAP) 微管功能,微管结构与组成,微管可装配成单管,二联管(纤毛和 鞭毛中),三联管(中心粒和基体中)。,装 配,装配方式 所有的微管都有确定的极性 微管装配是一个动态不稳定过程,-微管蛋白和-微管蛋白形成二聚体,二聚体先形成环状核心(ring),经过侧面增加二聚体而扩展为螺旋带,二聚体平行于长轴重复排列形成原纤维(protofilament)。当螺

10、旋带加宽至13根原纤维时,即合拢形成一段微管。 微管具有极性，（+）极(plus end)生长速度快，（-）极(minus end)生长速度慢，也就是说微管蛋白在（+）极的添加速度高于-极。（+）极的最外端是球蛋白，（-）极的最外端是球蛋白。微管和微丝一样具有踏车行为。,微管装配的动力学不稳定性是指微管装配 生长与快速去装配的一个交替变换的现象 动力学不稳定性产生的原因： 微管两端具GTP帽(取决于微管蛋白浓度),微 管将继续组装,反之,无GDP帽则解聚。,微管特异性药物,秋水仙素(colchicine) 阻断微管蛋 白组装成微管，可破坏纺锤体结构。 紫杉酚(taxol)能促进微管的装配, 并

11、使已形成的微管稳定。 微管的动力学不稳定性是其功能正常发挥的基础。,微管组织中心(MTOC),概念： 常见微管组织中心 中心体(centrosome) 基体(basal body),微管组织中心（microtubule organizing center MTOCs）是微管进行组装的区域，着丝粒、成膜体、中心体、基体均具有微管组织中心的功能。所有微管组织中心都具有微管球蛋白，这种球蛋白的含量很低，可聚合成环状复合体，像模板一样参与微管蛋白的核化，帮助和球蛋白聚合为微管纤维。,常见微管组织中心,间期细胞MTOC： 中心体(动态微管) 分裂细胞MTOC：有丝分裂纺锤体极(动态微管) 鞭毛纤毛细胞M

12、TOC：基体(永久性结构),中心体(centrosome),中心体(centrosome)结构 中心体复制周期 管蛋白：位于中心体周围的基质中，环形 结构，结构稳定，为微管蛋白二聚体提 供起始装配位点，所以又叫成核位点,基体(basal body),位于鞭毛和纤毛根部的类似结构称为基体（basal body ） 中心粒和基体均具有自我复制性质,微管结合蛋白 (Microtubule Associated Protein, MAP),微管结合蛋白（microtubule associated proteins MAPs）分子至少包含一个结合微管的结构域和一个向外突出的结构域。突出部位伸到微管外与

13、其它细胞组分（如微管束、中间纤维、质膜）结合（图）。 MAP的主要功能是： 促进微管聚集成束； 增加微管稳定性或强度； 促进微管组装。 包括I 型和II型两大类， I 型对热敏感，如MAP1a、 MAP1b，主要存在于神经细胞 。 II型热稳定性高，包括 MAP2a、b、c，MAP4和tau蛋白。其中 MAP2只存在于神经细胞,，MAP2a的含量减少影响树突的生长。,将细胞裂解后分离微管, 并在4下处理使微管去聚合, 将冷处理的样品进行离心, 除去不溶性的物质, 然后将含有微管蛋白二聚体的上清液于37温育, 让微管组装。 但是,经过多次组装-去组装分离纯化的微管蛋白制品中仍然含有少量的其他蛋白

14、。有与微管蛋白共纯化的蛋白存在, 说明这些蛋白是与微管蛋白特异性结合的, 而不是非特异蛋白的污染。免疫荧光显微镜观察培养细胞也发现有与微管蛋白结合的蛋白存在, 后来将这一类微管辅助蛋白称为微管结合蛋白，在微管结构中约占10-15%。,微管功能,维持细胞形态 细胞内物质的运输 细胞器的定位 鞭毛(flagella)运动和纤毛(cilia)运动 纺锤体与染色体运动,维持细胞形态,用秋水仙素处理细胞破坏微管,导致细胞 变圆,说明微管对维持细胞的不对称形状是重要 的。对于细胞突起部分,如纤毛、鞭毛、轴突的 形成和维持, 微管亦起关键作用。,细胞内物质的运输,真核细胞内部是高度区域化的体系, 细胞中合成

15、的物质、一些细胞器等必须经过细胞内运输过程。这种运输过程与细胞骨架体系中的微管及其Motor protein有关。 Motor proteins 分子发动机的运输是单方向进行的，一种发动机分子只能引导一种方向的运输。例如驱动蛋白只能引导沿微管的(-)端向(+)端的运输，而动力蛋白则是从(+)端向(-)端运输。 分子发动机引导的运输是逐步行进而不像火车的轮子是连续运行的。之所以要逐步进行，是因为分子发动机要通过一系列的构型变化才能完成行进的动作。 神经元轴突运输的类型及运输模式 色素颗粒的运输,Motor proteins,目前已鉴定的引擎蛋白Motor proteins多达数十种。根据其结合的

16、骨架纤维以及运动方向和携带的转运物不同而分为不同类型。 至今所发现的分子发动机可分为三个不同的家族肌球蛋白(myosins)家族、驱动蛋白(kinesins)家族、动力蛋白(dyneins)家族。 其中驱动蛋白和动力蛋白是以微管作为运行的轨道，而肌球蛋白则是以肌动蛋白纤维作为运行的轨道。尚不清楚是否有以中间纤维为运行轨道的发动机分子。 胞质中微管motor protein分为两大类： 驱动蛋白(kinesin):通常朝微管的正极方向运动 动力蛋白(cytoplasmic dynein)：朝微管的负极运动 Kinesin与Dynein的分子结构 Kinesin与Dynein的运输方式,神经元轴突

17、运输的类型,轴突运输的类型,鞭毛(flagella)运动和纤毛(cilia)运动,纤毛和鞭毛的运动形式 纤毛与鞭毛的结构 纤毛运动机制,三、中间纤维（intermediate filament,IF),10nm纤维,因其直径介于粗肌丝和细肌丝之间, 故被命名为中间纤维。IF几乎分布于所有动物细胞，往往形成一个网络结构，特别是在需要承受机械压力的细胞中含量相当丰富。如上皮细胞中。除了胞质中，在内核膜下的核纤层也属于IF。 中间纤维的装配 中间纤维的成分与分布 中间纤维结合蛋白（ IFAP ）及其判定标准 中间纤维的功能,中间纤维的装配,中间纤维装配过程 IF装配与MF,MT装配相比，有以下几个特

18、点： IF装配的单体是纤维状蛋白(MF,MT的单体呈球形)； 反向平行的四聚体导致IF不具有极性； IF在体外装配时不需要核苷酸或结合蛋白的辅助， 在体内装配后，细胞中几乎不存在IF单体(但IF的存在 形式也可以受到细胞调节，如核纤层的装配与解聚)。,中间纤维的成分与分布,IF成分比MF,MT复杂，具有组织特异性。 IF在形态上相似，而化学组成有明显的差别。 中间纤维类型与分布 中间纤维蛋白的表达具有严格的组织特异性,中间纤维分类与分布,中间纤维的功能,增强细胞抗机械压力的能力 角蛋白纤维参与桥粒的形成和维持 结蛋白纤维是肌肉Z盘的重要结构组分，位于肌节的外围, 不参与肌收缩, 但是具有结构上

19、的功能:维持肌节的稳定。 神经元纤维在神经细胞轴突运输中起作用 参与传递细胞内机械的或分子的信息 中间纤维与mRNA的运输有关,第二节 细胞核骨架,核基质(Nuclear Matrix) 染色体骨架 核纤层(Nuclear Lamina),核基质(Nuclear Matrix),形态结构 成分 核骨架结合序列 功能,形态结构,研究核骨架的分级抽提方法 非离子去垢剂溶解膜结构系统,胞质中可溶性成分随之流失; 再用Tween40和脱氧胆酸钠处理,胞质中的微管、微丝与一些蛋白结构被溶去,胞质中只有中间纤维网能完好存留; 然后用核酸酶与0.25mol/L硫酸铵处理,染色质中DNA、RNA和组蛋白被抽提

20、, 最终核内呈现一个精细发达的核骨架网络。 结合非树脂包埋-去包埋剂电镜制样方法,可清晰地显示核骨架-核纤层-中间纤维结构体系。,成 分,核骨架不象胞质骨架那样由非常专一的蛋白成分组成,核骨架的成分比较复杂,主要成分是核骨架蛋白及核骨架结合蛋白,并含有少量RNA。 核骨架蛋白 骨架结合蛋白 其它,核骨架结合序列, DNA序列中的核骨架结合序列(matrix associated region, MAR) 这部分DNA与核骨架蛋白的结合不为高盐溶液抽提所破坏,在基因表 达调控中有作用 核骨架结合序列的基本特征 MAR的功能 通过与核骨架蛋白的结合，将DNA放射环锚定在核骨架上； 作为许多功能性基

21、因调控蛋白的结合位点。,核骨架结合序列的基本特征,富含AT 富含DNA解旋元件(DNA unwinding elements) 富含反向重复序列(Inverted Repeats) 含有转录因子结合位点。,功 能,核骨架与DNA复制 为DNA的复制提供支架，DNA是以复制环的形式锚定在核骨架上的，核骨架上有DNA复制所需要的酶，如：DNA聚合酶、DNA引物酶、DNA拓朴异构酶II等。DNA的自主复制序列（ARS）也是结合在核骨架上。 核骨架与基因表达 大量研究工作表明真核细胞中RNA的转录和加工均与核骨架有关。具有转录活性的基因是结合在核骨架上的; RNA聚合酶在核骨架上具有结合位点。 核骨架

22、与病毒复制 作为外源基因的病毒DNA，其基因表达过程与高等真核细胞自身基因表达有相似的规律，其DNA复制、RNA转录及加工均需依赖核骨架。 核骨架与染色体构建 现在一般认为核骨架与染色体骨架为同一类物质，30nm的染色质纤维就是结合在核骨架上，形成放射环状的结构，在分裂期进一步包装成光学显微镜下可见的染色体,二、染色体骨架,染色体骨架/放射环模型 染色体骨架的真实性 银染法能选择性地显示染色体轴结构 DNA酶和RNA酶处理或用0.4mol/L H2SO4处理去除组蛋白,对染色体轴没有影响,用胰蛋白酶消化则染色体轴破坏,说明染色体轴是非组蛋白性的。 染色体骨架/放射环模型在分子水平上得到两个直接

23、证据 DNA放射环上发现的骨架结合区域表明DNA放射环是染色质中结构和功能单位，非组蛋白骨架是DNA放射环的组织者。 DNA拓扑异构酶II是一种主要的染色体支架结构蛋白。,三、核纤层(Nuclear Lamina),核纤层分布与形态结构 成分核纤层蛋白(Lamin) 核纤层蛋白的分子结构及其与中间纤维蛋白的关系 核纤层蛋白在细胞分化中的表达具有细胞特异性 核纤层在细胞周期中的变化 功能,成分核纤层蛋白(Lamin),哺乳动物和鸟类细胞中有 核纤层蛋白A 核纤层蛋白B 核纤层蛋白C,核纤层蛋白的分子结构及 其与中间纤维蛋白的关系,核纤层与中间纤维之间的共同点 两者均形成10nm纤维; 两者均能抵

24、抗高盐和非离子去垢剂的抽提; 某些抗中间纤维蛋白的抗体能与核纤层发生交叉反应 LaminA和LaminC的cDNA克隆推导出核纤层蛋白的氨基酸顺序与中间纤维蛋白高度保守的-螺旋区有很强的同源性, 说明核纤层蛋白是中间纤维蛋白.,核纤层在细胞周期中的变化,A型核纤层蛋白在组装核纤层时通过蛋白水解失去C端异戊二烯化 (isoprenylation)。核膜崩解, 核纤层解聚时, A型核纤层蛋白以可溶性单体形式弥散到胞质中。 B型核纤层蛋白则永久法尼基化(farnesylated)，与核膜小泡保持结合状态,当核膜重现时,在染色体周围重装配, 形成子细胞的核纤层。,功 能,为核膜及染色质提供了结构支架,

25、根据等电点的不同可将高等动物细胞内的肌动蛋白分为3类，分布于各种肌肉细胞中，和分布于肌细胞和非肌细胞中。 肌动蛋白纤维是由两条线性排列的肌动蛋白链形成的螺旋，状如双线捻成的绳子（图），肌动蛋白的单体为球形分子，称为球形肌动蛋白G-actin(globular actin)，它的多聚体称为纤维形肌动蛋白F-actin (fibrous actin)。,微丝纤维的负染电镜照片,微丝纤维结构模型,肌动蛋白的踏车行为 在微丝装配时,若G-肌动蛋白分子添加到F-肌动蛋白丝上的速率正好等于G-肌动蛋白分子从F-肌动蛋白上失去的速率时, 微丝净长度没有改变, 这种过程称为肌动蛋白的踏车现象。肌动蛋白踏车现象

26、是由G-肌动蛋白单体的临界浓度决定的, 当G-肌动蛋白的临界浓度处于正端和负端G-肌动蛋白临界浓度之间时, 就会出现踏车现象。 细胞中微丝参与形成的结构除肌原纤维、微绒毛等属于稳定结构外，其他大都处于动态的组装和去组装过程中，并通过这种方式实现其功能。,肌动蛋白的聚合过程伴随着ATP的水解，在聚合过程中，G-肌动蛋白先要结合ATP，然后ATP-G-肌动蛋白单体再结合到F-肌动蛋白的两端，加到F-肌动蛋白上。一旦ATP-G-肌动蛋白单体结合到F-肌动蛋白纤维上，同肌动蛋白结合的ATP就会慢慢降解成ADP，并释放出Pi。虽然结合的ATP常被水解成ADP,但是对于F-肌动蛋白的装配来说，ATP的水解

27、不是必要的过程，因为含有ADP或不能水解的ATP类似物的G-肌动蛋白装配后都是稳定的。 在适宜的温度，存在ATP、K+、Mg2+离子的条件下，肌动蛋白单体可自组装为纤维。 ATP-actin（结合ATP的肌动蛋白)对微丝纤维末端的亲和力高，ADP-actin对纤维末端的亲和力低，容易脱落。 当溶液中ATP-actin浓度高时，微丝快速生长，在微丝纤维的两端形成ATP-actin“帽子”，这样的微丝有较高的稳定性。伴随着ATP水解，微丝结合的ATP就变成了ADP，当ADP-actin暴露出来后，微丝就开始去组装而变短。,微丝结合蛋白,1核化蛋白（nucleating protein） 核化（nu

28、cleation）是纤维组装的第一步，即几个蛋白单体先组装成多聚体，然后其它单体继续添加形成长纤维分子。Arp（actin-related protein）复合体在体内和体外都可以促进肌动蛋白的核化，其作用就像一个模板，类似于微管组织中心的球蛋白复合体，Arp复合体由Arp2、Arp3和5种其它蛋白构成。Arp与actin在结构上具有同源性。 2单体隐蔽蛋白（monomer sequestering protein） 抑制蛋白(profilin)和胸腺嘧素(thymosin)能够同单体G-肌动蛋白结合，并且抑制它们的聚合, 将具有这种作用的蛋白称为肌动蛋白单体隔离蛋白。 细胞中约有50%的肌动

29、蛋白为可溶性肌动蛋白，大大高于肌动蛋白组装所需的临界浓度。但是这些蛋白与其它蛋白结合，构成一个隐蔽的蛋白库。只有当细胞需要组装纤维的时候这些可溶性肌动蛋白才被释放出来。,原肌球蛋白,肌动蛋白,血型糖蛋白,血影蛋白,锚蛋白,成长中的线状伪足,成纤维细胞,片状伪足,皮质,肌原纤维,肌球蛋白,肌球蛋白为肌肉收缩和胞质分裂提供力，而肌球蛋白和则涉及细胞骨架与膜之间的相互作用，如膜泡的运输。 肌球蛋白、肌球蛋白的尾部能够同质膜或细胞内细胞器的膜结合(上图a)，推测它们能够以微丝为轨道运输小泡。 两个肌球蛋白能够通过杆状尾部聚合在一起，形成寡聚的肌球蛋白纤维，这种纤维具有双极性，头部位于两端，中间有一个裸

30、露的带(上图4b), 这种结构参与肌肉收缩。,肌动蛋白在进化上高度保守，酵母和兔子肌肉的肌动蛋白有88%的同源性。不同类型肌肉细胞的-肌动蛋白分子一级结构（约400个氨基酸残基）仅相差46个氨基酸残基，-肌动蛋白或-肌动蛋白与-横纹肌肌动蛋白相差约25个氨基酸残基。 多数简单的真核生物，如酵母或粘菌，含单个肌动蛋白基因，仅合成一种肌动蛋白。真核生物含有多个肌动蛋白基因，如海胆有11个，网柄菌属(Dictyostelium)有17个，在某些植物中有60个。肌动蛋白要经过翻译后修饰，如N-端乙酰化或组氨酸残基的甲基化。,两个英国研究小组的科学家们提出滑动丝模型解释肌收缩的机理。 他们推测:肌节的缩

31、短并不是因纤丝的缩短而引起, 而是由纤丝互相滑动所致。细肌丝向肌节中央滑动, 肌丝滑进了A带之中导致重叠部分增加, 使得I带和H带的宽度缩小, 其结果是缩短了肌节，减少了肌纤维的长度,肌收缩时肌节长度变化及肌节结构差异示意图。在肌收缩时,肌球蛋白的交联桥(cross-bridge)与周围的细肌丝接触, 细肌丝被推动滑向肌节的中心。 (b)肌收缩时的电子显微镜照片。,神经系统的电信号传递是以膜电位的形式沿着神经细胞传递的,这种膜电位叫动作电位(action potentials)。当动作电位到达神经细胞末梢时，它触发神经递质扩散，穿过轴突，并同相邻靶细胞的质膜结合，使细胞质膜去极化，最后信号通过

32、与肌质网相邻的T管激发肌质网向胞质溶胶释放贮存的Ca2+离子, 从而使胞质溶胶中的Ca2+离子浓度快速升高, 使电信号转变成化学信号,放出来的Ca2+离子同肌钙蛋白结合，解除原肌球蛋白对肌动蛋白的抑制，使得粗肌丝肌球蛋白的头部得以同肌动蛋白接触，形成交联桥。然后再由ATP同肌球蛋白头部的ATP结合位点结合，并通过ATP的水解提供能量，以及肌球蛋白头部构型的变化，引起粗肌丝与细肌丝间的滑动，产生肌肉的收缩。,微管是由13条原纤维（protofilament）构成的中空管状结构（左图），直径2225nm。每一条原纤维由微管蛋白二聚体线性排列而成。 微管蛋白二聚体由结构相似的和球蛋白构成，两种亚基均

33、可结合GTP，球蛋白结合的GTP从不发生水解或交换，是球蛋白的固有组成部分，球蛋白结合的GTP可发生水解，结合的GDP可交换为GTP，可见亚基也是一种 G蛋白（右图）微管蛋白的排列具有方向性。,动态不稳定性: 生长或缩短 微管的踏车行为使单个微管的长度保持不变,而组成微管的蛋白二聚体发生了变化。实际上, 细胞内的微管常常是处于生长和缩短的动荡状态(图)。,微管在体外组装时发现有两个因素决定微管的稳定性: 游离微管蛋白的浓度和GTP水解成GDP的速度。 高浓度的微管蛋白适合微管的生长, 低浓度的微管蛋白引起GTP的水解, 形成GDP帽, 使微管解聚。 GTP的低速水解适合于微管的连续生长, 而快

34、速的水解造成微管的解聚。细胞内的微管处于动态不稳定状态(dynamic instability,中心体（centrosome）位于细胞的中心部位。由两个相互垂直的中心粒（centriole）构成，周围是一些无定形或纤维形、高电子密度的物质，叫做外中心粒物质（PCM，pericentriolar material）。中心粒直径0.2um，长0.4um，由9组3联微管构成，不直接参与微管蛋白的核化，具有召集PCM的作用。,微管性结构,管蛋白,微管蛋白以环状的球蛋白复合体为模板核化、先组装出（-）极，然后开始生长，因此中心体周围的微管（-）极指向中心体，（+）级远离中心体。,纤毛和鞭毛的微管组织中心

35、，不过基体只含有一个中心粒而不是一对中心粒。 其它类型的细胞具有不同类型的MTOCs，如真菌的细胞有初级MTOCs,称为纺锤极体(spindle pole body)。植物细胞既没有中心体，又没有中心粒，所以植物细胞的MOTC是细胞核外被表面的成膜体。,驱动蛋白是1985年从鱿鱼的轴质(axonplasm)中分离的一种发动机蛋白。驱动蛋白是一个大的复合蛋白，由几个不同的结构域组成, 包括两条重链和一条轻链, 总分子量为380kDa。它有一对球形的头，是产生动力的“电机”; 还有一个扇形的尾，是货物结合部位。 体外实验证明驱动蛋白的运输具有方向性，从微管的(-)端移向微管的(+)端，是正端走向的

36、微管发动机(plus end-directed microtublar motor)。,动力蛋白 1963年发现了第一个与微管相关的发动机蛋白是与纤毛和鞭毛运动有关的发动机蛋白，相对分子质量超过100kd，由9-10个多肽链组成(下图)。它有两个大的球形的头部，是生成力的部位。 它在细胞中至少有两个功能第一是有丝分裂中染色体运动的力的来源；第二是作为负端微管走向的发动机，担负小泡和各种膜结合细胞器的运输任务。 细胞质动力蛋白在微管上移动的方向与驱动蛋白相反，从正端移向负端。,许多两栖类的皮肤和鱼类的鳞片中含有特化的色素细胞, 在神经和激素的控制下, 这些细胞中的色素颗粒可在数秒钟内迅速分布到细

37、胞各处, 从而使皮肤颜色变黑; 又能很快回到细胞中心, 而使皮肤颜色变浅, 以适应环境的变化(图)。 研究发现, 色素颗粒的运输是微管依赖性的, 色素颗粒实际上是沿微管转运的。,深绿：微管 浅兰：内质网 黄色：高尔基体,上图：内质网抗体染色 下图：微管抗体染色,上图：高尔基抗体染色 下图：微管抗体染色,纤毛和鞭毛的运动机制: 微管滑动模型(sliding-microtubule model) 微管滑动模型是说明纤毛和鞭毛运动机制的一种学说。 学说主要内容 纤毛和鞭毛的动力蛋白头部与相邻二联管的B微管接触, 促进同动力蛋白结合的ATP水解, 并释放ADP和Pi; 由于ATP水解, 改变了A微管动

38、力蛋白头部的构象, 促使头部朝向相邻二联管的正极滑动, 使相邻二联管之间产生弯曲力; 新的ATP结合,促使动力蛋白头部与相邻B微管脱离; ATP水解, 使动力蛋白头部的角度复原; 带有水解产物的动力蛋白头部与相邻二联管的B微管上的另一位点结合, 开始下一个循环。,纤毛和鞭毛都含有一个规则排列的由微管相互连接形成的骨架,称为轴丝(axoneme)。轴丝的外面由膜包裹。组成轴丝的微管呈规律性排列，即9组二联管在周围成等距离地排列成一圈, 中央有两根单个的微管, 成为“9+2”的微管形式。 中央的两个微管之间由细丝相连, 外包有中央鞘。周围的9组二联管, 近中央的一根称为A管, 另一条为B管,中心体

39、有九组微管三联体。A微管经放射状的辐和中心体的中心相连。三联体微管的排列方式，使中心体呈风车状,桥粒,首先是两个单体以相同的方向组成一个双股螺旋的二聚体; 两个二聚体以相反的方向组装成一个四聚体, 二聚体具有极性，四聚体没有极性。 若干个四聚体首尾结合组装成原丝(protofilaments)，一个原丝长度变化不定。最后形成的中间纤维的横切面上共有32个多肽,中间纤维的动态变化 中间纤维亚基蛋白合成后, 基本上全部组装成中间纤维, 游离的单体很少。 但是在某些细胞(如进入有丝分裂的细胞和刚刚结束有丝分裂的细胞)中也能看到中间纤维的动态平衡的特性。在这些细胞中，中间纤维在有丝分裂前解聚，而在有丝

40、分裂后在新的子细胞中进行装配。 在另外一些情况下(如含有角蛋白的表皮细胞)，在整个细胞分裂过程中，IFs都保持聚合状态。通过磷酸化和去磷酸化对中间纤维的装配和去装配进行控制。,角蛋白纤维网缺陷缺陷,半桥粒,从细胞水平看, IFs在细胞质内形成一个完整的支撑网架系统。它在外面与细胞膜和细胞外基质相连, 在内部与细胞核表面和核基质直接联系, 中间纤维直接与MT、MF及其它细胞器相连，赋予细胞一定的强度和机械支持力。 如结缔组织中的波形蛋白纤维从细胞核到细胞质膜形成一个精致的网络，这种网络或同质膜或与微管锚定在一起。,表皮细胞中角蛋白纤维网络,角蛋白纤维,中间纤维参与粘着连接中的桥粒连接和半桥粒连接

41、，在这些连接中，中间纤维在细胞中形成一个网络，既能维持细胞形态，又能提供支持力。,钙粘着蛋白,细胞骨架对于维持细胞的形态结构及内部结构的有序性，以及在细胞运动、物质运输、能量转换、信息传递、细胞分化等一系列方面起重要作用。 作为支架(scaffold),为维持细胞的形态提供支持结构，例如红细胞质膜的内部主要是靠以肌动蛋白纤维为主要成分的膜骨架结构维持着红细胞的结构。 在细胞内形成一个框架(framework)结构,为细胞内的各种细胞器提供附着位点。细胞骨架是胞质溶胶的组织者，将细胞内的各种细胞器组成各种不同的体系和区域网络。 为细胞内的物质和细胞器的运输/运动提供机械支持。例如从内质网产生的膜

42、泡向高尔基体的运输、由胞吞作用形成的吞噬泡向溶酶体的运输通常都是以细胞骨架作为轨道的；在有丝分裂和减数分裂过程中染色体向两极的移动，以及含有神经细胞产生的神经递质的小泡向神经细胞末端的运输都要依靠细胞骨架的机械支持。 为细胞从一个位置向另一位置移动提供支撑。一些细胞的运动, 如伪足的形成也是由细胞骨架提供机械支持。典型的单细胞靠纤毛和鞭毛进行运动, 而细胞的这种运动器官主要是由细胞骨架构成的。 为信使RNA提供锚定位点，促进mRNA翻译成多肽。用非离子去垢剂提取细胞成分可发现细胞骨架相当完整，许多与蛋白质合成有关的成分同不被去垢剂溶解的细胞骨架结合在一起。 参与细胞的信号传导。有些细胞骨架成分

43、常同细胞质膜的内表面接触，这对于细胞外环境中的信号在细胞内的传导起重要作用。 是细胞分裂的机器。有丝分裂的两个主要事件, 核分裂和胞质分裂都与细胞骨架有关, 细胞骨架的微管通过形成纺锤体将染色体分开, 而肌动蛋白丝则将细胞一分为二。,核纤层蛋白位于内核膜的下方, 它不仅是核膜下的骨架, 对于维持细胞核的形态和核重建具有重要作用, 同时也为染色质提供锚定位点,绒毛蛋白,微绒毛,微丝,肌球蛋白,微丝结合蛋白,原肌球蛋白,当Ca2+离子很低时, 肌动蛋白上与肌球蛋白结合的位点被原肌球蛋白占据, Ca2+离子浓度高时, 通过与肌钙蛋白Tn-C亚基的结合, 改变原肌球蛋白在肌动蛋白纤维中的结合部位,暴露

44、出与肌球蛋白结合的位点。,肌钙蛋白,内膜系统中通过小泡进行的蛋白质运输, 都是以微管作为轨道的。将细胞质中以微管为轨道运输的发动机蛋白和它们运输的关系总结于下表和下图。,鞭毛和纤毛在大小、数量和运动方式等方面都是不同的。鞭毛长度可达150m, 数量较少，并且是波浪式摆动。而纤毛较短，平均长度为5-10m，运动的方式比较复杂，且没有规则。,在细胞间期, 位于细胞核的附近, 在有丝分裂期, 位于纺锤体的两极。,分离有丝分裂前的染色体, 接着用试剂溶解组蛋白和大多数主要的非组蛋白, 然后在电子显微镜下观察可见一完整的染色体结构框架(framework)或支架(scaffold)。这就是染色体骨架。,

45、推测DNA与核基质包装成染色体的模式。 （在有丝分裂前, 核基质蛋白形成一个支架轴, 染色质沿轴形成放射环。）,分裂间期核,前期,染色单体,中间纤维结合蛋白：是类在结构和功能上与中间纤维有密切联系，但其本身不是中间纤维组分的蛋白。 确定标准： 1.在细胞内与中间纤维共分布； 2.抗高盐与非离子去垢剂抽提，与中间纤维共同分离； 3.与中间纤维经历相同的解聚和重装配周期； 4.在体外能与中间纤维结合。 共同特点是： 具有中间纤维特异性。 表达有细胞专一性。 不同的IFAP可存在于同一细胞中与不同的中间纤维组织状态相联系。 在细胞中某些IFAP的表达与细胞的功能和发育状态有关。,染色质结合在核骨架/

46、染色体骨架上,细胞骨架,细胞骨架（cytoskeleton）发现较晚，主要是因为一般电镜制样采用低温（0-4）固定，而细胞骨架会在低温下解聚。直到20世纪60年代后，采用戊二醛常温固定，才逐渐认识到细胞骨架的客观存在。,细胞骨架不仅在维持细胞形态，承受外力、保持细胞内部结构的有序性方面起重要作用，而且还参与许多重要的生命活动（图），如：在细胞分裂中细胞骨架牵引染色体分离，在细胞物质运输中，各类小泡和细胞器可沿着细胞骨架定向转运；在肌肉细胞中，细胞骨架和它的结合蛋白组成动力系统；在白细胞的迁移、精子的游动、神经细胞轴突和树突的伸展等方面都与细胞骨架有关。另外，在植物细胞中细胞骨架指导细胞壁的合成

47、。,细胞骨架由微丝（microfilament）、微管（microtubule）和中间纤维（intemediate filament）构成。 微丝确定细胞表面特征，使细胞能够运动和收缩。 微管确定膜性细胞器（membrane-enclosed organelle）的位置和作为膜泡运输的导轨。 中间纤维使细胞具有张力和抗剪切力。 微丝、微管和中间纤维位于细胞质中，又称胞质骨架，它们均由单体蛋白以较弱的非共价键结合在一起，构成纤维型多聚体，很容易进行组装和去组装，这正是实现其功能所必需的特点。,4单体聚合蛋白（monomer polymerizing protein） 如profilin结合在ac

48、tin的ATP结合位点相对的一侧，能与thymosin(胸腺素)竞争结合actin，profilin可将结合的单体安装到纤维的（+）极。 5微丝解聚蛋白（actin-filament depolymerizing protein） 如profilin可结合在纤维的（-）极，使微丝去组装。这种蛋白在微管快速组装和去组装的结构中具有重要的作用，涉及细胞的移动、内吞和胞质分裂。,3封端（加帽）蛋白（end-blocking protein） 作用是调节肌动蛋白纤维的长度，结合在（+）或（-）极形成“帽子”，阻止其它单体添加。如骨骼肌细肌丝的（-）端被tropomodulin封闭，（+）端被CapZ封闭。,6交联蛋白(cross-linking protein) 每一种蛋白含有2至多个微丝结合部位，因此可以将2至多条纤维联系在一起形成纤维束或网络。 分为成束蛋白和成胶蛋白两类： 成束蛋白如：丝束蛋白（fimbrin）、绒毛蛋白（villin）和-辅肌动蛋白（-actinin），可以将肌动蛋白纤丝交联成平行排列成束的结构。 成胶蛋白，如细丝蛋白（filamin）促使形成肌动蛋白微丝网。 7纤维切断