细胞骨架10-7.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第五章,细胞骨架,cytoskeleton,引言,概述,细胞骨架,(,Cytoskeleton,),的概念,是指真核细胞中由蛋白纤维构成的网架结构体系,细胞骨架的功能,维持细胞形态；保持细胞内结构的有序性；与细胞运动、物质运输、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。,概述,细胞骨架,1.,细胞质骨架,核骨架-核纤层与中等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。,在细胞核中存在核骨架,-,核纤层体系。,由核纤层,-,核孔复合体、残存的核仁和一个不溶的网络状结构组成。,在细胞质基质中，由微管、微丝和中间纤维组成。,2.,核骨架（核基质）,概述,真核细胞中的蛋白纤维网架体系,微丝,1,微丝,1,微管,2,中间纤维,3,细胞骨架与疾病,4,微丝,G-actin,F-actin,游离的可溶性球形单体,（,G,lobular actin,G-actin,),聚合态纤维状多聚体,（,F,ilamentous actin,F-actin,),ATP-G-actin,ADP-G-actin,ATP-F-actin,ADP-F-actin,肌动蛋白存在方式,:,微丝,1.3 微丝的组装,微丝是由,G-actin,单体构成的螺旋状纤维，肌动蛋白单体具有极性，装配时头尾相接,故微丝也具有,极性,，结合,ATP,的一端为负极，另一端为正极。,在装配过程中，正极装配较负极快,5,10,倍。,微丝,1.3.1 微丝的体外组装,一定的盐浓度（主要是,Mg,2+,），一定的,G-,actin,浓度，,ATP,，,pH,7.0,。,1.3.1.1,条件,G-actin,F-actin,Mg,2+,、,高,Na,+,、,高,K,+,Ca,2+,、,低,Na,+,、,低,K,+,微丝,1.3.1.2,过程,微丝,延长期,(,Elongation,phase),正端快，为负端的,10,倍。,成核期,(,Nucleation phase),限速过程，又称延迟期。,二聚体（不稳定）三聚体（核心形成）,平衡期,(,Equilibrium phase),聚合速度,=,解聚速度。,1.3.1.2,过程,微丝,1.3.1.2 过程,微丝,1.3.1.3 踏车现象（,treadmilling,）,由,G-actin,单体的临界浓度决定,正极的肌动蛋白聚合速率,等于,负极的解聚速率时，踏车现象出现,2.,G-actin,单体聚合成,F-actin,，,F-actin,组成肌动,蛋白微丝,3.,正极与负极都能生长，正极生长速度快，,负极生长速度慢；由于,G-actin,在正极端,装配，负极去装配，从而表现为,踏车现象,微丝,1.,条件：一定的盐浓度(主要是,Mg,2+,)，一定的,G,-,actin,浓度，,ATP,，,pH,7.0,1.3.1 微丝的体外组装,微丝,1.3.2 微丝的体内组装,2.,有,结合蛋白,参与,3.,具有,动态不稳定性,，并与细胞功能相适应,1.,成核期：没有固定的中心，根据细胞需要,4.,特异性药物,微丝,动物细胞中主要的肌动蛋白结合蛋白及功能,类 型,功 能,调节蛋白,1.,原肌球蛋白,与肌动蛋白相连，调节肌动蛋白与肌球蛋白的结合。,2.,钙调蛋白,与,Ca,2+,结合，活化肌球蛋白轻链激酶,连接蛋白,1.,-,辅肌动蛋白 参与微丝与质膜的结合,2.,纽带蛋白 肌动蛋白纤维端点与细胞膜之间结合的中介,交联蛋白,1.,毛缘蛋白 使纤维状多聚体肌动蛋白平行连接成束,2.,细丝蛋白 与,F-actin,结合，使之形成三维网状结构,3.,血影蛋白,与锚蛋白结合，并与肌动蛋白交联,4.,锚定蛋白,血影蛋白与膜上的带,III,蛋白相连的中介,间隔蛋白,抑制蛋白 结合于,G-actin,单体，可逆性抑制微丝聚合,切断和封端蛋白,1.,凝溶胶蛋白和绒毛蛋白 低,Ca,2+,促进微丝装配成核心，高,Ca,2+,将微丝切成片段,2.,封端蛋白,结合于微丝(,+,)端，阻止,G-actin,加上或脱落,微丝,微丝,微丝组装的动态不稳定性,微丝,微丝的动态变化与细胞生理功能变化相适应,微绒毛 应力纤维 伪足 收缩环,微丝,特异性药物,1.,细胞松弛素,B,(cytochalasins,B,),：,可以结合在微丝正极,阻抑肌动蛋白聚合,导致微丝解聚。,2.,鬼笔环肽,(philloidin),：,只与,F-actin,结合以稳定微丝防止微丝的解聚。,微丝,1.4,微丝的生物学功能,3,.,细胞运动,4,.,参与细胞分裂,2,.,维持细胞形态,1,.,肌肉收缩,微丝,1.4.,1,肌肉收缩,肌肉细胞利用肌动蛋白和肌球蛋白产生有力的单向运动。,肌肉可以看作是一种特定的富含细胞骨架的高效能量转换装置。,化学能转变为机械能,微丝,肌小节结构示意图,粗肌丝,细肌丝,明带 暗带 明带,微丝,粗肌丝,肌球蛋白,(myosin),形态：由轻链和重链组成。,豆芽状：两个椭圆形的头部，一根长杆状的尾,头部：,ATP,酶活性,位点,actin,结合位点,；,尾部：由两条重链相互盘绕形成一个双股,螺旋,微丝,肌球蛋白,(myosin),目前已知的,唯一,沿肌动蛋白进行运动的马达蛋白,为细胞内组分的运动提供动力，使它们能够沿着肌动蛋白纤维和微管朝向两极运动。,目前已鉴定的马达蛋白多达数十种。根据其结合的,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。,马达蛋白 Motor proteins,微丝,肌动蛋白（,actin,）提供动力,原肌球蛋白（,tropomyosin,）,肌钙蛋白（,troponin,）,细肌丝,调控,微丝,由神经冲动诱发的肌肉收缩基本过程,动作电位的产生,Ca,2+,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,Ca,2+,的回收,微丝,The coupling of ATP hydrolysis to movement of myosin along an actin filament.,肌肉收缩的滑动模型,微丝,The sliding-filament model of contraction in striated muscle.,微丝,1.4.,2,维持细胞形态,细胞皮质,（,cell cortex,）,细胞膜下由,微丝,和各种微丝结合蛋白,交错排列,组成的网状结构。具有很高的动态性，为细胞膜提供强度和韧度，维持细胞的形态。,微丝,应力纤维,(Stress fiber),许多细胞中有一种由较稳定的肌动蛋白纤维束组成的应力纤维，在细胞膜下沿长轴平行分布，质膜上有附着点，对细胞起支撑作用。,微丝,微绒毛,(,microvilli),微丝,变形运动,(amoiboid motion),细胞移动,(migration),细胞的吞噬运动,(phagocytosis),精子与卵子细胞融合时的顶体运动,血小板的变形运动,细胞膜收缩环运动（参与细胞质分裂）,肌肉细胞的收缩,1.4.,3,参与细胞运动,微丝,Cell locomotion,细胞移动,微丝,精子与卵子融合时的顶体运动过程结构模式图,微丝,Platelets change shape during blood clotting,微丝,1.4.,4,参与细胞分裂,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。,微管,2,微丝,1,微管,2,中间纤维,3,细胞骨架与疾病,4,微管,2.1 概述,微管：,microtubule,，,MT,由微管蛋白,（,tubulin,）,装配而成,呈中空的管状，在不同的细胞中具有相同的形,态，呈网状或束状分布,能与其它蛋白共同组装成纺锤体、鞭毛和纤毛、,中心粒等结构,是一种动态的结构，具有组装和去组装的功能,微管,微管,2.,2,微管的类型,不稳定：单管。管壁由,13,条原纤维包围而成，长,短不一。微管外径为,25nm,，内径为,15nm,。,稳定：二、三联管。见于特化的细胞结构，如鞭,毛、纤毛、中心粒、基体等。,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,单管,A,B,二联管,A,B,C,三联管,13,根原纤维,23,根原纤维,33,根原纤维,微管,间期,微管自核发出，向核四周伸展 止于细胞质膜；或延伸至细胞伪足。,单管：不稳定,有丝分裂期,形成纺锤丝，把染色体拉向两极；细胞分裂后，纺锤丝消失。子细胞出现新组装的微管。,微管,二联管、三联管,微管,2.3 分子组成,组成,微管蛋白,：,微管结合蛋白,有,、,、,三种,微管,2.,3,.1,微管蛋白（,Tubulin,）,微管蛋白由,、,、,三种组成。,、,-,微管蛋白,是微管的主要结构分子；,-,微管蛋白不是构成微管主要结构成分，但它是微管执行功能必不可少的成分。,微管,2.,3,.2,微管结合蛋白,(Microtubule,associated proteins,MAPs),定义,：一类可与微管结合并与微管蛋白共同组成微管系统的蛋白。,主要功能,：调节微管的稳定性，影响微管的结构和功能。,微管,2.4,微管的装配,-2.4.1,微管的体外组装,-2.4.2,微管的体内组装,微管,2.4.1,微管的体外组装,-,成核期,(nucleation):,延迟期,(lag phase),-,聚合期,(polymerization phase):,延长期,(elongation),-,稳定期,(steady state phase),微管,Microtubule exhibits polarity,a,和,b,微管蛋白,GTP,Mg,2+,适宜温度：,37 C,条件：,微管,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,单管,A,B,二联管,微管蛋白,微管蛋白,异二聚体,聚合,首尾相连,原纤维,A,B,C,三联管,微管,（,13,）,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,微管横断面,微管,微管组装的动力学不稳定性,1,、指微管装配生长与快速去装配的一个交替变换的现象,2,、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,G,T,P,帽则解聚。,微管延长,:,微管蛋白的浓度,临界浓度,微管缩短,:,微管蛋白的浓度,临界浓度,微管,微管,2.4.2,微管的体内组装,2.,有结合蛋白参与,3.,具有动态不稳定性，并与细胞功能相适应,1.,没有成核期，快速装配。有,微管组织中心,4.,特异性药物,微管组织中心,(microtubule organizing center,MTOC),微管,概念：微管在生理状态或实验处理解聚后重新装配,的启动位置。,MTOC,决定着微管的极性。,MTOC,近端的微管为负极，远端为正极。,因此微管正极常指向细胞质基质并止于近质膜处。,微管,-,TuRC,g,微,管蛋白环状复合体,微管,常见的,MTOC,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,MTOC,基体,(,永久性结构,),微管,常见的,MTOC,中心体,(,动态微管,),有丝分裂纺锤体极,(,动态微管,),基体,(,永久性结构,),微管,圆柱状小体,0.16-0.26um,长度,0.16-5.6um,双心体,中心体,(,centrosome,),神秘的细胞器,微管,分裂中期的细胞有丝分裂纺锤体极的形成,微管,中心体复制周期,微管,基体(basal body),位于鞭毛和纤毛根部的特殊结构,微管,紫杉醇,阻止微管蛋白的解离,秋水仙素,阻止微管聚合,微管,长春碱,促进微管降解,均可作为化疗药物使用,2.5 微管功能,微管,1,、,维持细胞形态,2,、,参与细胞内物质的运输,3,、参与细胞器的运动,鞭毛,(,flagella,),和纤毛,(,cilia,),运动,纺锤体与染色体运动,4,、,细胞器定位,例如：体外培养的神经细胞，其轴突的伸长依赖于微管，用秋水仙素、低温等方法处理细胞，微管解聚，细胞变圆。,微管对维持细胞的形状是重要的。,维持细胞形态,微管,微管,细胞中的小泡和蛋白质颗粒经过长距离运输到达特定区域。,-,神经元轴突运输,-,色素颗粒的运输,细胞内物质的运输,微管,马达蛋白,Motor proteins,根据其结合的,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。,驱动蛋白,(,kinesin,),：,通常朝,微管,的,正极,方向运动,动力蛋白,(,dynein,),：,朝,微管,的,负极,运动,肌球蛋白,(,myosin,),：,唯一,沿,微丝,运动的,微管,是细胞内一类以细胞骨架为轨道，利用,ATP,供能，产生推动力，进行细胞内的物质运输或细胞运动的蛋白质分子。,驱动蛋白,微管,动力蛋白,微管,神经元的轴突运输,Dyneins,kinesins,微管,色素颗粒的运输,微管,鞭毛与纤毛是伸出细胞表面并能运动的特化结构。,鞭毛与纤毛在来源和结构上基本相同,少而长的叫鞭毛,flagella,多而短的叫纤毛,cilia,鞭毛与纤毛的运动,微管,微管,纤毛的结构示意图,微管滑动学说,1.,动力蛋白头部与相邻二联体上,B,微管结合，促进,ATP(,水解,),ADP+Pi(,释放,),，,同时动力蛋白头部构象变化角度改变，牵引相邻,B,微管向纤毛顶部滑动。,2.,新的,ATP,结合于动力蛋白上，使头部与相邻的二联体,B,微管脱离。,3.,结合的,ATP,水解，其释放的能量使头部的角度复原。,4.,带有水解产物的头部与,B,微管的另一个位点结合，开始又一次循 环。,微管,纤毛运动的滑动学说,微管,纺锤体与染色体运动,微管,星体微管 动粒微管 极间微管,微管,深绿：微管,浅兰：内质网,黄色：高尔基体,细胞器的定位,微丝,1,微管,2,中间纤维,3,细胞骨架与疾病,4,中间纤维,3,中间纤维（intermediate filament，IF）,直径8-10nm。,介与微管与微丝之间，故得名中间纤维,结构稳定：既不受秋水仙素也不受细胞松弛B素影响，并且也,没有极性,。,中间纤维,3.1,概述,中间纤维是由,多种异源性纤维状蛋白,组成，至少有,50,种，根据这些蛋白的细胞分布和组织来源，将它们分类,3.2,中间纤维的分子组成,中间纤维,中间纤维蛋白分类及分布,纤维类型,蛋白亚基,细胞定位,组织来源,角蛋白纤维,角蛋白，,19-22,种多肽,细胞质,上皮细胞,波形纤维,波形纤维蛋白，,一种多肽,细胞质,间质细胞和中胚层来源的细胞,结蛋白纤维,结蛋白，,一种多肽,细胞质,肌细胞,神经元纤维,神经元纤维蛋白，三种多肽,细胞质,神经元,神经胶质纤维,胶质纤维酸性蛋白，,一种多肽,细胞质,神经胶质细胞,核纤层,核纤层蛋白,（,lamina,、,）,细胞核,大部分细胞,中间纤维,严格的组织时空特异性,中间纤维,平行且对齐,反向平行,四聚体（原纤维）,进一步组装,3.3,中间纤维的装配,中间纤维装配特点,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,),；,反向平行的四聚体是其组装的基本单位，并且导致,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,),。,目前,尚未发现,沿,IF,运动的马达蛋白,中间纤维,角蛋白纤维参与桥粒的形成和维持,增强细胞抗机械压力的能力,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,3.4,中间纤维的功能,中间纤维,桥粒的形成和维持,中间纤维,增强细胞抗机械压力的能力,中间纤维,单纯性大泡性表皮松懈症,表达有缺陷的细胞角质蛋白,轻微挤压使基底细胞破坏,出现水疱,中间纤维,Disruption of keratin networks causes blistering.,中间纤维,微丝,1,微管,2,中间纤维,3,细胞骨架与疾病,4,细胞骨架与疾病（自学）,4,4.1,细胞骨架与肿瘤,细胞骨架与疾病,(,一,),中间纤维与肿瘤诊断,肌肉瘤 结蛋白,非肌肉瘤 波形纤维蛋白,神经胶质瘤 神经胶质纤维酸性蛋白,交感神经来源肿瘤 神经纤维蛋白,肿瘤类型,中间纤维特征,(,二,),微管和微丝与肿瘤化疗,微丝,作为抗癌药的靶位，,细胞松弛素,为真菌的代谢产物，可与微丝正端结合，抑制其微丝聚合，导致解聚，使细胞表面松解，引起细胞表面起泡，造成微绒毛变成茬状物，细胞整体形态树枝状化，抑制各种依赖于微丝的运动，具有抗肿瘤潜能。,细胞骨架与疾病,微管,作为肿瘤化疗的动力学靶位：,具有抗有丝分裂能力的药物：,长春花碱，秋水仙素，紫杉醇,长春新碱,.,主要机制：稳定纺锤体微管动力学，在分裂中后期抑制细胞分裂，诱导细胞凋亡。,细胞骨架与疾病,4.2,细胞骨架蛋白与神经系统的疾病,Alzheimer,s disease,：,tau,蛋白异常，,导致微管聚集缺陷，使轴浆流阻塞，神经信号传递紊乱。病人的脑脊液中,tau,蛋白含量升高。,细胞骨架与疾病,4.3,细胞骨架与遗传性疾病有关,细胞骨架与疾病,The Inner Life of the Cell,Harvard University,小结,名词解释：,细胞骨架、踏车现象、马达蛋白、,微管结合蛋白、MTOC,重点：,微丝的组装、生物学功能,微管的组装、生物学功能,微管滑动学说,Thank you for your attention!,Email:,cellbiology,（下载课件）,Code:cellbiology,