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1、THE CYTOSKELETON THE CYTOSKELETON THE CYTOSKELETON,第九章 细胞骨架,第九章 细胞骨架,现代细胞骨架概念还包括核骨架、核纤层和细胞外基质，形成贯穿于细胞核与质的统一网络体系。,细胞骨架概念,cytoskeleton,指真核细胞中的蛋白纤维网络结构。主要由微丝、微管和中间纤维构成。,微梁系统 Microtrabecular System,第九章 细胞骨架,讨论1 真核细胞为什么需要细胞骨架体系？请提出一些理由。,微丝,由肌动蛋白组成的直径约7nm的骨架纤维。又称肌动蛋白纤维(actin filament)。,第九章 细胞骨架,microfilam
2、ent,第一节,微丝和它的结合蛋白以及肌球蛋白（myosin）三者构成化学机械系统，利用化学能产生机械运动。,讨论2 你怎样理解“微丝和它的结合蛋白以及肌球蛋白三者构成化学机械系统” ？,第九章 细胞骨架 第一节 微丝,一 微丝的组成和装配,1 微丝的结构和成分,肌动蛋白纤维由许多肌动蛋白分子以螺旋形式排列而成，其形状如双线捻成的绳子。,fibrous actin,第九章 细胞骨架 第一节 微丝,微丝纤维的负染电镜照片,肌动蛋白单体外观呈哑铃形，称球形肌动蛋白G-actin；多聚体称为纤维形肌动蛋白F-actin。,第九章 细胞骨架 第一节 微丝 一 微丝的组成和装配,高等动物细胞肌动蛋白据等
3、电点分为3类,分布于各种肌肉细胞中,分布于肌细胞和非肌细胞中,分布于肌细胞和非肌细胞中,globular actin,Actin polymerization,2 微丝的装配,第九章 细胞骨架 第一节 微丝 一 微丝的组成和装配,三个actin聚集成一个核心,随后actin分子向核心两端加合,微丝具极性，肌动蛋白单体加到（+）极的速度比加到（-）极的速度快十倍。,微丝极性,第九章 细胞骨架 第一节 微丝 一 微丝的组成和装配,第九章 细胞骨架 第一节 微丝 一 微丝的组成和装配,Treadmilling,ATP-肌动蛋白浓度影响组装速度。当处于临界浓度时，ATP-actin可能继续在（+）端添
4、加、而在（-）端分离，表现出一种“踏车”现象。,微丝组装视频,3 影响微丝装配的特异性药物,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。 与微丝侧面结合,防止解聚。荧光标记的鬼笔环肽能特异地染出微丝的结构。,第九章 细胞骨架 第一节 微丝 一 微丝的组成和装配,第九章 细胞骨架 第一节 微丝 一 微丝的组成和装配,philloidin,cytochalasin,细胞松弛素,鬼笔环肽,二 微丝结合蛋白,第九章 细胞骨架 第一节 微丝 二 微丝结合蛋白,分离出100多种。结构不同，功能各异；文献里中文译名不尽相同，分类亦出现差别。,核化蛋白 nucleating protei
5、n,单体隐蔽蛋白 monomer sequestering protein,封端蛋白 end-blocking protein,单体聚合蛋白 monomer polymerizing protein,微丝解聚蛋白 actin-filament depolymerizing protein,交联蛋白 cross-linking protein,纤维切断蛋白 filament severing protein,膜结合蛋白 membrane-binding protein,微丝结合蛋白作用方式,成束蛋白将肌动蛋白纤丝交联成平行的一排成一束结构,三 微丝的功能,第九章 细胞骨架 第一节 微丝 二 微丝
6、结合蛋白,1 形成细胞皮层 cell cortex,细胞内大部分微丝分布在紧贴质膜的细胞质区域，由微丝结合蛋白交联形成凝胶状三维网络结构，称为细胞皮层。 提供质膜强度和韧性，使细胞能够抗张外界压力，维持一定的形状；参与细胞运动。,2 形成应力纤维 stress fiber,第九章 细胞骨架 第一节 微丝 三 微丝的功能,真核细胞广泛存在的微丝束，反向平行方式排列。,应力纤维结构模型,由肌动蛋白 和myosin II、原肌球蛋白、filamin等形成。,体外培养的成纤维细胞具丰富的应力纤维，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
7、管绿色）,第九章 细胞骨架 第一节 微丝 三 微丝的功能,3 细胞伪足形成与迁移运动,第九章 细胞骨架 第一节 微丝 三 微丝的功能,单细胞生物的变形运动； 多细胞生物中的细胞爬行； 发育过程中一些细胞的迁移运动。,变形运动视频,单细胞生物变形运动,Three types of cortical arrays of actin filaments,讨论3 形成应力纤维、细胞皮层和伪足中，微丝的排列有什么不同？,4 形成微绒毛,第九章 细胞骨架 第一节 微丝 三 微丝的功能,5 胞质分裂环,第九章 细胞骨架 第一节 微丝 三 微丝的功能,由平行排列微丝组成。细胞松驰素使胞质分裂环不能形成，因此形
8、成双核细胞。,6 肌细胞收缩运动,第九章 细胞骨架 第一节 微丝 三 微丝的功能,主要成分,细肌丝的组成,原肌球蛋白,肌钙蛋白,由两个分子量约200KD的重链和4个各20KD的轻链组成，重链形成一个双股螺旋，一半呈棒状，另一半与轻链一起折叠成两个球形区域，位于分子一端。,动力结合蛋白,第九章 细胞骨架 第一节 微丝 三 微丝的功能,又称肌球蛋白myosin,多种类型。 myosin II构成肌纤维的粗肌丝。,球形的头部具有ATP酶活性,肌球蛋白离体实验视频,讨论4 什么叫称分子马达？,Sarcomere,运动模型视频,胞质中的网络结构，起支撑作用，如同建筑物中的栋梁。微管是由微管蛋白组成的管状
9、结构。,微管,第九章 细胞骨架,microtubule,第二节,A fluorescently stained image of cultured epithelial cells showing the nucleus (yellow) and microtubules (red),一 微管的组成与结构,1 形态,第九章 细胞骨架 第二节 微管,管状结构，直径为2225nm。,外围为致密的皮层，中心染色浅。,微管皮层由13条原纤丝（protofilament）构成,微管可以组装成单管，二联管和三联管。,第九章 细胞骨架 第二节 微管 一 微管的组成与结构,2 成分,第九章 细胞骨架 第二节
10、微管 一 微管的组成与结构,微管蛋白具有三种亚基。,微管由和两个亚基组成，,与微管组装有关。,微管蛋白二聚体含有与GDP和GTP的结合位点，与GTP的结合疏松，很快发生交换。,有与秋水仙素和长春花碱的结合位点。,第九章 细胞骨架 第二节 微管 一 微管的组成与结构,二 微管的组装,微酸性环境（pH6.9），适宜温度、GTP、Mg2+和去除Ca2+。,装配条件,装配过程, 二聚体头尾相接先形成环状； 环解开形成一直线状原纤维； 13条原纤丝并列成一层薄片； 原纤丝层卷成一条微管； 二聚体在两端添加使微管延长。,自发组装,第九章 细胞骨架 第二节 微管 二 微管的组装,第九章 细胞骨架 第二节 微
11、管 二 微管的组装,微管也有极性。微管蛋白在（+）极的添加速度大大高于（-）极， 当微管蛋白的浓度低到一定程度时，负极表现为去组装，而正极仍缓慢添加，表现为一种“踏车现象”。,第九章 细胞骨架 第二节 微管 二 微管的组装,第九章 细胞骨架 第二节 微管 二 微管的组装,结合秋水仙素的微管蛋白亚基可加合到微管上，阻止其他微管蛋白单体继续添加，但不影响去组装，从而破坏纺锤体结构。,作用于微管的特异性药物,第九章 细胞骨架 第二节 微管 二 微管的组装,秋水仙素,紫杉酚,与微管蛋白结合后，阻止微管去组装，但不影响微管的装配, 因而使已形成的微管稳定。但这种稳定性会破坏微管的正常功能，如细胞周期运转
12、被终止。,二者均可以阻止细胞分裂，用于癌症的治疗。,colchicine,taxol,微管开始进行组装的区域,三 微管组织中心,微管组织中心,microtubule organizing center MTOC,第九章 细胞骨架 第二节 微管,动物中主要的MTOC是中心体，MTOC决定微管的极性，微管（）极指向中心体,（+）级远离中心体,第九章 细胞骨架 第二节 微管,MTOC,第九章 细胞骨架 第二节 微管 三 微管组织中心,第九章 细胞骨架 第二节 微管 四 微管结合蛋白,四 微管结合蛋白,微管结合蛋白,microtubule associated protein （MAP）,I 型和II
13、型两大类。呈组织细胞特异性分布。,MAP主要功能:,五 微管的功能,第九章 细胞骨架 第二节 微管 四 微管结合蛋白,细胞内强有力的支持系统。对维持细胞形态、细胞极性是不可少的。,第九章 细胞骨架 第二节 微管 五 微管的功能,1 支架与空间组织,以细胞核为中心向外放射状排列的微管纤维,胞内物质运输轨道，破坏微管会抑制胞内物质运输。,2 细胞内运输,第九章 细胞骨架 第二节 微管 五 微管的功能,与微管结合而起运输作用的马达蛋白有两大类,第九章 细胞骨架 第二节 微管 五 微管的功能,驱动蛋白：结构,两条轻链和两条重链构成,两个球形头部,一个螺旋状杆部,两个扇状尾尾部,驱动蛋白：运动模型,通过
14、结合和水解ATP，导致颈部发生构象改变，使两个头部交替与微管结合，从而沿微管“行走”，将“尾部”结合的“货物”（小泡或细胞器）转运。,讨论5 驱动蛋白在微管上是怎样行走的？,动力蛋白,第九章 细胞骨架 第二节 微管 五 微管的功能,两条相同的重链,种类繁多的轻链,结合蛋白,作用,推动染色体分离,驱动鞭毛运动,向微管（）极运输小泡,构成,3 鞭毛和纤毛的运动,纤毛与鞭毛是相似的两种细胞外长物，前者较短约510um，后者较长约150um，直径相似，均为0.150.3um。,第九章 细胞骨架 第二节 微管 五 微管的功能,动力蛋白臂水解ATP，构象改变，相邻两管相互滑动。,男性不育症,运动机制,疾病
15、,慢性支气管炎,动力蛋白臂,C 形成纺锤体，在细胞分裂中牵引染色体到达分裂极。,第九章 细胞骨架 第二节 微管 五 微管的功能,4 纺锤体与染色体运动,纺锤体是一种微管构成的动态结构，其作用是在分裂细胞中牵引染色体到达分裂极。,染色体运动机制,中间纤维为直径10nm的索状结构，介于微丝和微管之间。是最稳定的细胞骨架成分，主要起支撑作用。,中间纤维,第九章 细胞骨架 第三节 中间纤维,第三节,intermediate filaments,一 中间纤维类型,第九章 细胞骨架 第三节 中间纤维,根据组织来源的免疫原性分为,二 中间纤维组装,两个单体形成超螺旋二聚体（角蛋白为异二聚体）,两个二聚体反向
16、平行组装成四聚体,三个四聚体长向连成原丝；两个原丝组成原纤维,4根原纤维组成中间纤维,三 中间纤维功能,第九章 细胞骨架 第三节 中间纤维 五 中间纤维功能,1 支架作用,在细胞内，中间纤维沿核周围分布，扩展到质膜，并与质膜相连。,在细胞间，中间纤维参与形成桥粒，维持表皮组织的连续性。,在肌肉中结蛋白纤维参与Z盘构造。,在核膜下形成核纤层,Keratin filaments of epithelial cells are tightly anchored to the plasmamembranes at desmosmes and hemidesmosomes,在神经细胞中分布的神经IF丝蛋
17、白，其末端带有电荷，可以使带电荷的其它分子沿神经轴传输，参与运送营养物质。,2 传输作用,第九章 细胞骨架,与细胞运动、细胞运输、能量转换、信息传递、细胞分裂、基因表达、细胞分化等生命活动密切相关。,细胞骨架功能,细胞骨架不仅在维持细胞形态，保持细胞内部结构的有序性中起重要作用，,总结,复 习,1 细胞骨架涵义 2 微丝：成分，装配，结合蛋白，功能 3 微管：成分，装配，发生，功能。 4 了解：中间纤维。 5 cytoskeleton, microfilament, microtubule, centrosome 6 思考：通过本章学习，对细胞生命活动的组织有何新的认识？,第九章 细胞骨架,T
18、HE END,第九章 细胞骨架,THANK YOU,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。 溶液中ATP-actin浓度高时，微丝快速生长，在微丝纤维两端形成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ADP，当ADP-actin暴露出来后，微丝就开始去组装而变短。,第九章 细胞骨架 第一节 微丝 一 微丝的组成和装配,微丝的装配,微丝结合蛋白,单体隔离蛋白，末端阻断蛋白，交联蛋白，成束蛋白，纤维切割蛋白，肌动蛋白纤维去聚合蛋白，膜结合蛋白，膜桥蛋白，等等,第九章
19、 细胞骨架 第一节 微丝 二 微丝结合蛋白,肌细胞和非肌细胞共分离出100多种。结构不同，功能各异；文献里中文译名不尽相同，分类亦出现差别。,第九章 细胞骨架 第一节 微丝 二 微丝结合蛋白,1 核化蛋白 nucleating protein,核化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 mon
20、omer sequestering protein,细胞中约有50%的肌动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。 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。 如：thymosin与actin结合可阻止其向纤维添加，抑制其水解或交换结合的核苷酸。,第九章 细胞骨架 第一节 微丝 二 微丝结合蛋白,3 封端蛋白 end-blocking protein,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。,第
21、九章 细胞骨架 第一节 微丝 二 微丝结合蛋白,如profilin结合在actin的ATP结合位点相对的一侧，能与thymosin竞争结合actin，profilin可将结合的单体安装到纤维的（+）极。,第九章 细胞骨架 第一节 微丝 二 微丝结合蛋白,4 单体聚合蛋白 monomer polymerizing protein,5 微丝解聚蛋白 actin-filament depolymerizing protein,如cofilin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。,每一种蛋白含有2至多个微丝结合部位
22、，因此可以将2至多条纤维联系在一起形成纤维束或网络。 丝束蛋白（fimbrin）可将肌动蛋白纤丝交联成平行排列成束的结构。 成胶蛋白促使形成肌动蛋白微丝网。,第九章 细胞骨架 第一节 微丝 二 微丝结合蛋白,6 交联蛋白 cross-linking protein,此类蛋白能结合在微丝中部，将微丝切断。如溶胶蛋白（gelsolin）。,第九章 细胞骨架 第一节 微丝 二 微丝结合蛋白,7 纤维切断蛋白 filament severing protein,8 膜结合蛋白 membrane-binding protein,如粘着斑蛋白（vinculin）可将肌动蛋白纤维量接在膜上，参与构成粘合带。
23、,第九章 细胞骨架 第一节 微丝 二 微丝结合蛋白,Effects of actin binding proteins on filament assembly and disassembly,第九章 细胞骨架 第一节 微丝 二 微丝结合蛋白,细胞伪足形成与迁移运动,第九章 细胞骨架 第一节 微丝 三 微丝的功能,单细胞生物的变形运动，多细胞生物中的细胞爬行，发育过程中一些细胞的迁移运动，都与肌动蛋白的组装和去组装有关。,微丝功能,细胞的变形运动,微丝纤维生长，使细胞表面突出，形成片足。,在片足与基质接触的位置形成粘着斑。,在myosin作用下微丝纤维滑动，使细胞主体前移。,解除细胞后方的粘着
24、点。如此不断循环，细胞向前移动。,物质运输,微丝功能,受精时，微丝使顶体突出穿入卵子的胶质里，融合后受精卵细胞表面积增大，形成微绒毛，微丝参与形成微绒毛，有利于吸收营养。,顶体反应,细胞器运动,如线粒体运动表现为拉长、缩短、分支、分裂以及融合等各种形态均与微丝的活动有关。,第九章 细胞骨架 第一节 微丝 三 微丝的功能,微丝功能,微丝功能,与肌动蛋白结合，位于肌动蛋白双螺旋的沟中，主要作用是加强和稳定肌动蛋白丝。,原肌球蛋白tropomyosin,肌钙蛋白troponin,肌钙蛋白C特异地与钙结合，肌钙蛋白T与原肌球蛋白有高度亲和力，肌钙蛋白I抑制肌球蛋白的ATP酶活性，细肌丝中每隔40nm就
25、有一个肌钙蛋白复合体。,第九章 细胞骨架 第一节 微丝 三 微丝的功能,细肌丝构成,肌球蛋白结合ATP，引起头部与肌动蛋白纤维分离；ATP水解，引起头部与肌动蛋白弱结合；Pi释放，头部与肌动蛋白强结合，头部向M线方向弯曲（微丝的负极），引起细肌丝向M线移动；ADP释放ATP结合上去，头部与肌动蛋白纤维分离。如此循环,出现在表皮细胞中。角蛋白又称胞质角蛋白（cyto-keratin），分布于体表、体腔的上皮细胞中。角蛋白为头发、指甲等坚韧结构所具有。,第九章 细胞骨架 第三节 中间纤维 一 中间纤维类型,1 角蛋白keratin,2 结蛋白desmin,结蛋白又称骨骼蛋白skeletin，存在于
26、肌肉细胞中，它的主要功能是使肌纤维连在一起。,中间纤维类型,存在于星形神经胶质细胞和周围神经的许旺细胞。起支撑作用。,第九章 细胞骨架 第三节 中间纤维 一 中间纤维类型,3 胶质原纤维酸性蛋白glial fibrillary acidic protein,4 波形纤维蛋白vimentin,广泛存在于间充质细胞及中胚层来源的细胞中，波形蛋白一端与核膜相连，另一端与细胞表面处的桥粒或半桥粒相连，将细胞核和细胞器维持在特定的空间。,第九章 细胞骨架 第三节 中间纤维 一 中间纤维类型,神经纤丝蛋白的功能是提供弹性使神经纤维易于伸展和防止断裂。,5 神经纤丝蛋白neurofilament protein,中间纤维蛋白分子由螺旋杆状区，以及两端非螺旋化的球形头（N端）尾（C端）部构成。,中间纤维结构,中间纤维的通用结构图,第九章 细胞骨架 第三节 中间纤维 二 中间纤维结构,intemediate filaments,第九章 细胞骨架 第三节 中间纤维 二 中间纤维结构,中间纤维的结合蛋白（intemediate filament associated protein，IFAP）的功能是使中间纤维交联成束、成网，并把中间纤维交联到质膜或其它骨架成分上。,中间纤维结合蛋白,第九章 细胞骨架 第三节 中间纤维 四 中间纤维结合蛋白,