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1、第十章 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。 细胞骨架的概念有狭义和广义之分： 狭义的细胞骨架指的是细胞质骨架包括微丝、微管和中间纤维。 广义的细胞骨架包括细胞核骨架、细胞质骨架、细胞膜骨架和细胞外基质。 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。,第一节、细胞质骨架 第二节、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,一、微丝(microfilament, M
2、F),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。微丝是双股螺旋的形式组成的纤维，两股肌动蛋白丝是同方向的。 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),肌肉可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,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 Ca2+的回收,肌
3、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,头部具ATP酶活力,沿微丝从负极到正极进行运动。Myosin 主要分布于肌细胞，有两个球形头部结构域(具有ATPase活性)和尾部,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;
4、 TnT(与原肌球蛋白结合); TnI(抑制肌球蛋白ATPase活性),成 分,肌动蛋白(actin)是微丝的结构成分,以两种形式存在，即单体和多聚体。单体肌动蛋白外观呈哑铃状, 这种actin又叫球状肌动蛋白（G-actin）， G-actin的多聚体形成肌动蛋白丝，称为纤维状肌动蛋白（F-actin），在电镜下F-actin呈双股螺旋状 。,装 配, 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。 装配可分为核心组织和延伸两个阶段。 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
5、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(cytochalasins)：可以切断微丝,并结合在微丝正极阻抑肌动蛋白聚合。 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
6、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。 肌肉收缩中相关的蛋白：肌球蛋白 非肌肉细胞中的微丝结合蛋白： 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。 微丝结合蛋白 微丝结合蛋白将微丝组织成以下三种主要形式,交联蛋白（cross-linking protein）：改变细胞内肌动蛋白纤维的三维结构。 末端阻断蛋白（end blocking protein）：通过与肌动蛋白纤维一端或两端的结合调节肌动蛋白纤维的长度。 纤维切割蛋白（fi
7、lament-severing protein）：能够同已经存在的肌动蛋白纤维结合并将它一分为二。 肌动蛋白纤维去聚合蛋白（actin filament depolymerizing protein）。 膜结合蛋白（membrane-binding protein）,Parallel bundle: MF同向平行排列，主要发现于微绒毛与丝状伪足。 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。 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
8、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。,细胞运动 成纤维细胞爬行与微丝装配和解聚相关,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
9、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。,二微 管（Microtubules）,微管结构与组成 装配 微管特异性药物 微管组织中心(MTOC) 微管结合蛋白(MAP) 微管功能,微管结构与组成,微管由两种类型的微管蛋白亚基、异二聚体构成。微管蛋白在进化上具有高度的保守性。 微管蛋白上的结合位点 微管的类型,微管的类型,微管可装配成单管、二联管、三联管。 大部分细胞质微管是单管微管，它在低温、Ca2+和秋水仙素作用下容易解聚，属于不稳定微管。 二联管是构成纤毛和鞭毛的周围小管，是运动类型的
10、微管，它对低温、Ca2+和秋水仙素都比较稳定。 三联管见于中心粒和基体，它对低温、 Ca2+和秋水仙素是稳定的。,装 配,微管蛋白的体外装配方式分为成核和延长两个反应 所有的微管都有确定的极性：微管的极性有两层含义，一是装配的方向，二是生长速度的快慢。 微管装配是一个动态不稳定过程,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) 结合到未聚合的微管蛋白二聚体上，阻断微管蛋白组装成微管，可破坏纺锤体结构。
11、紫杉酚(taxol)能促进微管的装配,并使已形成的微管稳定。它只结合到聚合的微管上，不与未聚合的微管蛋白二聚体反应。 为行使正常的微管功能,微管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),微管在生理状态或实验处理解聚后重新装配的发生处称为微管组织中心(microtubule organizing center, MTOC)。 MTOC的主要作用是帮助大多数细胞质微管装配过程中的成核反应。,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
12、微管) 鞭毛纤毛细胞MTOC：基体(永久性结构),中心体(centrosome),中心体(centrosome)结构：包括中心粒和中心粒周围物质，在细胞间期位于细胞核附近，在有丝分裂期，位于纺缍体的两极。 中心体复制周期 微管的体内装配需要管蛋白：位于中心体周围的基质中，它可以环成形结构，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 基体只含有一个中心粒而不是一对中心粒 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),MAP的功能： 使微管相互
13、交联形成束状结构，也可使微管同其它细胞结构交联。 通过与微管成核点的作用促进微管的聚合 在细胞内沿微管转运囊泡和颗粒 提高微管的稳定性,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,Fluorescence microscopy reveals colocalization of endoplasmic reticulum membranes and cytosolic microtubules. DiOC6, an ER-binding fluorescent dye (green), and fluores
14、cently-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,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
15、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 神经元轴突运输模式 色素颗粒的运输,分子发动机,线性发动机 以细胞骨架蛋白为轨道的分子发动机 以DNA为轨道的分子发动机 旋转式发动机：F0-F1ATP（ATP合酶） P-型运输泵（Na+-K+泵）,Motor proteins,To convert chemical energy (stored in ATP) into mechanical
16、energy, which is used to move cellular cargo attached to the motor.,以细胞骨架为轨道的分子发动机,Motor proteins can be grouped into three broad families: 肌球蛋白(myosins)家族 驱动蛋白(kinesins)家族 动力蛋白(dyneins)家族 Myosins和kinesins的协同作用 分子发动机移动的主要特点,Cytoplasmic dyneins,Cytoplasmic dynein is a huge protein :molecular mass of
17、approximately 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 .,驱动蛋白(kinesins)家族,Structure 驱动蛋白家族结构特点 驱动蛋白功能特点,structure,kinesin is a tetramer constructed from two identical heavy cha
18、ins 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,驱动蛋白功能特点,Kinesin is a plus end-directe
19、d microtubular motor Each step is approximately 8 nm in length, which is also the spacing between tubulin dimers along a protofilament 移动的速度与ATP的浓度有关 速度高时,可达到每秒900nm,分子发动机移动的主要特点,Motor proteins move unidirectionally along their cytoskeletal track 驱动蛋白:从(-)端向(+)端的运输 动力蛋白:从(+)端向(-)端运输 In a stepwise ma
20、nner The fuel is ATP,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,因其直径介于肌粗丝和细丝之间, 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。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，有以下几个特点
21、： 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，对于维持肌肉细胞的收缩装置起重要作用 神经元纤维在神
22、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,细胞核骨架是存在于真核细胞核内的以蛋白成分为主的纤维网架体系。广义的核骨架包括核基质、核纤层和核孔复合体。 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 核骨架蛋白（MAR蛋白）及核骨架结合序列 功能,形态结构,研究核骨架的分级抽提方法 1、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； 2、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
23、间纤维网能完好存留; 3、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, 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
24、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 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。 核骨架与病毒复制 核骨架与染色体构建,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
25、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证据 染色体骨架与染色体高级结构,三、核纤层(Nuclear Lamina),核纤层是位于细胞内层核膜下的纤维蛋白片层或纤维网络。它与中间纤维、核骨架相互连接，是联系细胞核、质骨架的桥梁。 核纤层分布与形态结构 成分核纤层蛋白 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 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
26、类细胞中有 核纤层蛋白A 核纤层蛋白B 核纤层蛋白C 在内层核膜上存在有核纤层蛋白B的受体，它与核纤层蛋白B相互作用，将核纤层蛋白固定在内层核膜上。,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,微丝 微管 中间纤维,