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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 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,细胞骨架的组成和分布 微管主要分布在核周围,并呈放射状向胞质四周扩散； 微丝主要分布在细胞质膜的内侧和细胞核膜的内侧； 中间纤维则分布在整个细胞中。,第一节 细胞质骨架,微丝(microfilament, MF) 微 管（microtubules） 中间纤维（intermediate filament,IF),一、微
2、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。,Aside: How big is a nanometer? One nanometer is to a meter one inch is to 15,783 miles (half the distance around the equator!,(一)微丝的形态结构,成分及形态结构 F-actin: F-肌动蛋白呈双股螺旋状,直径为8nm, 螺旋间的距离为37nm。 G-actin:三个结合位点: 一个ATP结合位点 两个肌
3、动蛋白结合蛋白的结合位点。,G-肌动蛋白与F-肌动蛋白模式图,(二)肌动蛋白纤维的装配 装配过程 成核(nucleation) 延伸(elongation) 稳定状态(steady state),微 丝 的 装 配,影响装配的因素 G-肌动蛋白临界浓度 离子的影响 在含有ATP和Mg2+, 以及很低的Na+、K+ 等阳离子的溶液中,微丝趋向于解聚成G-肌动蛋白。 在Mg2+和高浓度K+或Na+的诱导下, G-肌动蛋白则装配成纤维状肌动蛋白。,微丝的动态性质 极性 踏车现象(tread milling) 微丝的动态平衡,极 性,微丝的踏车现象,微丝的动态平衡,作用于微丝的药物 细胞松弛素B(cy
4、tochalasins B) :切断微丝，结合在微丝末端阻抑肌动蛋白聚合，对解聚没有明显影响 鬼笔环肽(phalloidin)：与微丝有强亲合作用，使肌动蛋白稳定，抑制解聚，只与F肌动蛋白结合，不与G肌动蛋白结合。,(三)微丝结合蛋白 微丝结合蛋白的类型 单体隔离蛋白 (monomer-sequestering protein) 加帽蛋白(capping protein) 交联蛋白(cross-linking protein) 纤维割断蛋白(filament-severing protein) 膜结合蛋白(membrane-binding protein) ,微丝结合蛋白的作用方式,肌球蛋白(
5、myosin) :肌动蛋白纤维的分子发动机 肌球蛋白的结构 由一个重链和几个轻链组成，并组成三个结构域 头部 含有与肌动蛋白、ATP结合的位点，负责产生力。 颈部 颈部通过同钙调素或类似钙调素的调节轻链亚基的结合来调节头部的活性。 尾部 含有决定尾部是否同膜结合还是同其它的尾部结合的位点,肌球蛋白的结构,三类主要肌球蛋白的结构,?,肌球蛋白的功能 不同种类肌球蛋白的特殊功能由它们的尾部决定： 肌球蛋白:运输作用 肌球蛋白:运输作用 肌球蛋白:肌收缩、胞质分裂,微丝的功能,维持细胞形态，赋予质膜机械强度 细胞运动 胞质环流 微绒毛(microvillus) 应力纤维(stress fiber)
6、参与胞质分裂 肌肉收缩(muscle contraction),骨骼肌的收缩过 程肌丝滑行理论 myofilament sliding theory,1.骨骼肌细胞的结构： 1)肌原纤维myofibril 肌节 sarcomere： 每两个相邻 Z 线之间的区域，是肌肉收缩和舒张的基本单位。 长2.02.2m,变动在1.53.5m,肌束,肌原纤维,纵,横,2)肌管系统 sarcotubular system： 横管 transverse tubule （T管） 纵管 longitudinal tubule（肌质网） 纵行肌质网 LSR 连接肌质网 JSR终池 三联管triad： 骨骼肌的T管与
7、其两侧的终池,2.肌原纤维及其肌丝的分子组成,1）粗肌丝thick filament 肌球蛋白(myosin),属收缩蛋白 杆状部朝向M线成主干 头部横桥cross-bridge : 可与肌动蛋白可逆性结合, 具有ATP酶活性 2）细肌丝thin filament (构成主干) 肌动蛋白(actin):属收缩蛋白 肌钙蛋白(troponin):属调节蛋白 原肌球蛋白(tropomyosin):属调节蛋白,-,肌球蛋白,原肌球蛋白,肌动蛋白,有位阻效应,原肌球蛋白,肌球蛋白,肌动蛋白,粗肌丝分子组成,肌钙蛋白,Cross-Bridge Formation in Muscle Contractio
8、n,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,3.肌肉的收缩过程： 肌肉舒张状态时,横桥结合的ATP分解(ADP和Pi仍留在头部)蓄积能量而处于高势能状态。 当终末池释放Ca2+ 肌浆内Ca2+与肌钙蛋白结合原肌球蛋白构型改变解除位阻效应横桥与肌动蛋白结合横桥向M线方向摆动拖动细肌丝滑行肌小节变短肌肉收缩。,在横桥变构与摆动同时,ADP及Pi与横桥 分离横桥再结合ATP横桥与肌动蛋白 亲合力并与肌动蛋白解离。解离后的 横桥随即将ATP分解,进入下一横桥周期。 如胞浆内Ca2+Ca2+与肌钙蛋白解 离原肌球
9、蛋白构型复原位阻效应恢 复横桥不能与肌动蛋白结合细肌丝 回位肌肉舒张。 胞浆中升高的Ca2+ ,由肌质网膜上的Ca2+泵泵回肌质网(包括终池),Motor Unit,Single motor neuron & muscle fibers Eye muscles 1:1 muscle/nerve ratio Hamstrings （腿窝） 300:1 muscle/nerve ratio,The Sliding Filament Model of Muscle Contraction,微丝在非肌细胞中作用,应力纤维:与细胞间或下与基质表面的粘着有密切关系，在细胞形态发生、细胞分化、组织形成等方面
10、有重要作用 细胞内运输作用 细胞质流动(cytoplasmic streaming) 细胞爬行(cell crawling) 胞质分裂环：有丝分裂末期，即将分裂的两子细胞之间产生一个收缩环，分裂后消失。它是非肌肉细胞中具有收缩功能的微丝束的典型代表。,细胞运动过程中力产生的机制 通过微丝的装配，将质膜向前推进 通过肌球蛋白和肌动蛋白相互作用,微丝在细胞中的运输作用,?,Cytoplasmic streaming,微丝与胞质环流,微丝与细胞的变形运动,细胞爬行,二、微管（ Microtubule）,（一） 微管的结构和类型 形态 微管是中空的管状结构 外径为24nm 内径为14nm 微管壁厚约5
11、 nm 微管的长度变化不定,微管的结构 微管是由微管蛋白异源二聚体为 基本构件,螺旋盘绕形成的 在每根微管中二聚体头尾相接, 形 成细长的原纤维(protofilament) 13条原纤维纵向排列组成微管的壁,微管的结构,微管蛋白(tubulin) 微管蛋白类型： 和微管蛋白形成长度为8nm的异源二聚体 每一个微管蛋白二聚体有两个GTP结合位点 亚基GTP结合位点 亚基GTP结合点是可交换位点(exchangeable site)。 -微管蛋白的功能是帮助微管的聚合。,微管蛋白,微管的类型 根据组成: 分为单管 双联管 三联管 根据稳定性: 短寿的不稳定微管 长寿的稳定微管,三种形式的微管,（
12、二）微管装配的动力学,微管组织中心（ MTOC） 中心体(Centrosome) 中心粒旁基质（pericentriolar matrix） 中心粒(Centriole) 微管的极性 、二聚体以首-尾排列的方式进行组装，具有方向性(极性) 两端分别称为“+”端(plus end)和“-”端 (minus end)。,中心粒,中心体结构(电镜照片),中心体与基体中的中心粒,（三）微管的装配 （Assembly of microtubules） 原纤维装配 片状结构的形成 微管的形成 GTP帽(GTP Cap),微管的装配,影响微管装配的因素 造成微管不稳定性的因素很多，包括GTP、压力、温度(最
13、适温度37)、pH(最适pH=6.9)、微管蛋白临界浓度(critical concentration)。,影响微管稳定的因素,微管的动力学,微管装配的动力学现象 踏车现象(tread milling) 又称轮回现象, 是微管组装后处于动态平衡的一种现象。 动态不稳定性(dynamic instability) 微管随反应体系中游离二聚体的浓度变化而发生的生长状态和缩短状态的转变。,踏车行为,微管动态不稳定性,（四）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。 紫杉醇(taxol)能促进微管的装配, 并使已形成的微管稳定。,(五) 微管的功能,
14、支架作用 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,作为色素颗粒运输轨道,组成纤毛和鞭毛的轴丝(axoneme) 轴丝的微管结构:9+2 外围:质膜包裹 外周:9组双联管,A管与B管 中央:中央鞘包裹一对微管 双联管的结构特点 A管:完全微管、内外动力臂、 放射辐条 B管:不完全微管,轴丝微管组成与排列特点 9组三联管:基体(basal body) 9组双联管:近基体 9+2:轴丝 单管:纤毛顶部,鞭毛与纤毛,鞭毛的结构,纤毛动力蛋白(ciliary dynein) 是多头的动力蛋白 基部同A管相连 头部同相邻的B管相连 头部具有
15、ATP结合位点，能够水解ATP。,纤毛和鞭毛的运动机制 微管滑动模型 (sliding-microtubule model) 纺锤体和染色体运动,1. 概念： 2. MAP由两个区域组成： (1)碱性的微管结合结构域 (2)酸性的突出结构域,二、微管结合蛋白 （microtubule-associated protein，MAP ）,4. 功能： 促进微管组装; 增加微管稳定性; 促进微管聚集成束。,3. 种类： MAP-1 MAP-2 Tau MAP-4主要存在神经元和非神经元细胞中。,主要存在神经元细胞中。,在细胞内，微管作为内物质运输的轨道。 具体功能由马达蛋白（ motor prote
16、in ） ： 主要分为三类: 1.动力蛋白（cytoplasmic dynein ） 2.驱动蛋白(kinesin) 3.肌球蛋白（myosin) 将物质沿微丝运输,微管参与细胞内物质运输,将物质沿微管运输,1.驱动蛋白kinesin超家族：,结构：两个球形的头部：具有ATP活性，水解ATP产生能量，与微管结合；尾部与被转运分子结合。 方向性：由微管的负端向正端 ，蛋白的运动是一步一步地进行的。,2.微管动力蛋白（cytoplasmic dynein）超家族,由微管的正端向负端运动 动力蛋白通过可溶的多亚基蛋白复合体与被运输物结合,多亚基蛋白,动力蛋白,驱动蛋白,驱动蛋白,动力蛋白,沿微管运输
17、的马达蛋白,+,A fluorescently stained image of cultured epithelial cells showing the nucleus (yellow) and microtubules (red),光镜下黄色荧光显示微管,光镜下的微管,电镜下的微管,三、中间纤维（intermediate filament,IF),0nm纤维,因其直径介于粗肌丝和细丝之间, 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。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
18、成分与分布 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： 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
19、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,Match the following: _ Located near the nucleus and appear as cylindrical structures consisting of a ring of nine evenly spaced bundles of three microtubules. They play a role in the formation of cilia
20、 and flagella and in separating the chromosomes during mitosis. (ans) _ Hollow tubes made of subunits of the protein tubulin. They provide structural support for the cell and play a role in cell division, cell movement, and movement of organelles within the cell. They are also components of centriol
21、es, cilia, and flagella. (ans) _ Tough fibers made of polypeptides. They help to strengthen the cytoskeleton and stabilize cell shape. (ans) _ Solid, rodlike structures composed of actin. They provide structural support, and play a roll in phagocytosis, cell and organelle movement, and cell division
22、. (ans) _ Consist of 9 fused pairs of protein microtubules with side arms of the motor molecule dynein that originate from a centriole. These form a ring around an inner central pair of microtubules that arise from a plate near the cell surface. The arrangement of microtubules is known as a 2X9+2 ar
23、rangement. This complex of microtubules is surrounded by a sheath continuous with the cytoplasmic membrane. (ans) a. microtubules b. microfilaments c. intermediate filaments d. centrioles e. flagella and cilia,Which of the following is not a true statement about the cytoskeleton? It helps support ce
24、lls. Once formed, the cytoskeleton is permanent and unchanging. It is composed of microfilaments, microtubules, and intermediate filaments. It plays an important role in cell movement. It is composed of proteins. 微丝的主要成分是( ) A.肌动蛋白 B.原肌球蛋白. C.角蛋白 D.肌钙蛋白 微丝的体外聚合有三个接阶段：_ , _ ,及_. 微管的外径约_n,内径_n,中间丝的直径是_n.微丝直径是_n,作业,比较微丝、微管和中间纤维的异同,