1、第十章 细胞骨架,西南大学生命科学学院 冯全义,第十章 细胞骨架,胞质骨架 1 微丝 2 微管 3 中间纤维 核骨架（nucleoskeleton）又叫核基质（nuclear matrix ）（见第八章第六节 核基质与核体 ）,第十章 细胞骨（cytoskeleton）,细胞骨架:指真核细胞中的蛋白纤维网络结构 1、分类 狭义细胞骨架由微丝（microfilament）、微管（microtubule）和中间纤维（intemediate filament）构成 广义的细胞骨架还包括核骨架（nucleoskeleton）、核纤层（nuclear lamina）和细胞外基质（extracellula
2、r matrix），形成贯穿于细胞核、细胞质、细胞外的一体化网络结构,2、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中间纤维则分布在整个细胞中,3、细胞骨架的功能, 作为支架(scaffold),为维持细胞的形态提供支持结构 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 为细胞器的运动和细胞内物质运输提供机械支持。 为细胞从一个位置向另一位置移动。如伪足的形成 为信使RNA提供锚定位点，促进mRNA翻译成多肽。 参与细胞的信号传导 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
3、研究方法(不讲),细胞骨架的研究是近代细胞生物学中最活跃的研究领域之一。 荧光显微镜在细胞骨架研究中的应用 电视显微镜(video microscopy) 电子显微技术的应用,第一节 微丝 （microfilament，MF）,微丝：是由肌动蛋白(actin)组成的直径约7nm的骨架纤维，又称肌动蛋白纤维actin filament 肌动蛋白纤维是一种极性分子, 具有两个不同的末端，一个是正端，另一个是负端,细胞中成束的肌动蛋白纤维 （a）微绒毛 (b)细胞质中的收缩束； （c）运动细胞前缘的鞘和指 (d)细胞分裂时的收缩环。,一、分子结构,1 根据等电点的不同可将高等动物细胞内的肌动蛋白分为
4、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 2 在电子显微镜下, F-肌动蛋白呈双股螺旋状, 直径为7nm, 螺旋间的距离为37nm 3 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(上) 微丝纤维结构模型 (下),微丝的装配动力学,G-肌动蛋白的形态结构 球形的肌动蛋白是由两个小叶(lobe)构成的, 像是两扇门, 中间有一个豁口(cleft) 豁口和小叶是肌动蛋白的ATPase的活性部位, 能够结合ATP和Mg2+。G-肌动蛋白的两个
5、小叶具有弹性, 能够开与合 ATP的作用 F-肌动蛋白是由G-肌动蛋白装配而成的, 在装配中ATP具有重要作用。每一个G-肌动蛋白通常都是结合有Mg2+以及ATP或ADP的复合物 肌动蛋白通常有四种存在状态:ATP-G-肌动蛋白、ADP-G-肌动蛋白、ATP-F-肌动蛋白、ADP-F-肌动蛋白, 在细胞中主要是以ATP-G-肌动蛋白和ATP-F-肌动蛋白两种形式存在,G-肌动蛋白与F-肌动蛋白模式 (b)G-肌动蛋白; (cd)F-肌动蛋白,肌动蛋白纤维的装配,第一个过程是成核作用(nucleation), G-肌动蛋白慢慢地聚合形成短的、不稳定的寡聚体，(也可有核化蛋白的参与,一种微丝结合蛋
6、白)该过程较慢。一旦寡聚体达到某一种长度(约34个亚基) 第二个过程快速延长阶段。在延长阶段，G-肌动蛋白单体快速地从短纤维的两端添加上去。随着F-肌动蛋白的不断生长，游离的G-肌动蛋白单体的浓度越来越低，一直到同F-肌动蛋白纤维的浓度相平衡。一旦达到这种平衡，F-肌动蛋白的装配进入第三阶段 第三阶段稳定期(steady state)。在这个时期，G-肌动蛋白同F-肌动蛋白纤维末端上的亚基进行交换，但不改变F-肌动蛋白纤维的量,影响装配的因素,微丝的装配受G-肌动蛋白临界浓度的影响 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
7、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 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F-肌动蛋白丝具有方向性, 结合ATP豁口的一端为负端(-), 另外一端为正端(+)。 (+)端生长快，(-)端生长慢,用肌动蛋白封端蛋白封住负端, 微丝继续快速加长, 用封端蛋白封住正端, F-肌动蛋白加长的速率非常慢,踏车现象(treadmilling),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,
8、这种过程称为肌动蛋白的踏车现象 肌动蛋白踏车现象是由G-肌动蛋白单体的临界浓度决定的,影响肌动蛋白单体-多聚体平衡的毒素, 细胞松弛素B(cytochalasins B) ：是第一个用于研究细胞骨架的药物，它是真菌分泌的生物碱细胞松弛素(细胞松弛素B及其衍生物)在细胞内同微丝的正端结合, 并引起F-肌动蛋白解聚，阻断亚基的进一步聚合。 鬼笔环肽(phalloidin) 从一种毒性菇类中分离的剧毒生物碱 同细胞松弛素的作用相反, 只与聚合的微丝结合, 它同聚合的微丝结合后, 抑制了微丝的解体 因而破坏了微丝的聚合和解聚的动态平衡,细胞松弛素B的结构,二、微丝结合蛋白,肌肉收缩系统中的有关蛋白 肌
9、肉收缩系统中的有关蛋白(不讲),三、肌肉的收缩机制, 骨骼肌细胞的基本结构 肌纤维(myofibers) 肌纤维(myofibers)是圆柱形的肌细胞(长度40mm, 宽10-100m), 并含有许多核(达100个核)。每个肌纤维被一层细胞质膜包被，这种细胞膜称作肌纤维膜(sarcolemma)。 肌原纤维(myofibril) 肌原纤维是横纹肌中长的、圆柱形的结构。肌原纤维有明暗相间的带，明带称为I带(I band)，暗带称为A带(A band)。在I带中有一条着色较深的线, 叫Z线 肌节(sarcomere) 肌节是Z线将肌原纤维分成的一系列的重复单位,含有一个完整的A带和两个二分之一I带
10、, 肌节是肌收缩的单位,肌原纤维的结构 M线,两种类型的长纤维构成 1、一种是细肌丝，直径为6nm；肌动蛋白、原肌球蛋白和肌钙蛋白（结合蛋白） 2、另一种是粗肌丝，直径为15nm。肌球蛋白丝组成 明带只含有细肌丝，所以比较亮， 细肌丝的两端分别与两个不同的肌动蛋白加帽蛋白结合,一个是CapZ蛋白, 另一个是原肌球调节蛋白 暗带之所以暗，是因为有粗肌丝和细肌丝的重叠。粗肌丝的长度占据整个A带 细肌丝没有伸展到A带的中央区，所以A带的中央区也比较明亮，该区叫H带,肌原纤维的结构,CapZ蛋白结合在肌动蛋白的(+)端, 位于Z线。原肌球调节蛋白结合在肌动蛋白的(-)端。这两种蛋白的结合有利于细肌丝的
11、稳定, 防止去聚合,（一）肌球蛋白（myosin） 粗肌丝组分.属于马达蛋白，可利用ATP产生机械能，趋向微丝的（+）极运动 最早发现于肌肉组织(myosin II) 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,它们能够以微丝为轨道运输小泡 Myosin II由两个重链和4个轻链组成，重链形成一个双股螺旋，一半呈杆状，另一半与轻链一起折叠成两个球形区域，位于分子一端，球形的头部具有ATP酶活性,myosin II结构模型,ATP水解与肌球蛋白沿肌动蛋白丝移动偶联模型 肌球蛋白的运动机理 :滑动模型，认为单个ATP分子的水解同肌球蛋白运动的一次循环相偶联。该模型的核心是肌球蛋白的头
12、部随着ATP的结合和水解不断产生构型的变化，从而引起在微丝上的移动,（二）原肌球蛋白 (tropomyosin, Tm),细肌丝组分 原肌球蛋白由两条平行的多肽链组成螺旋构型， 原肌球蛋白与肌动蛋白结合，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，抑制肌动蛋白与肌球蛋白结合 每一条原肌球蛋白有7个肌动蛋白结合位点 （三） 肌钙蛋白(troponin. Tn) 细肌丝组分 含三个亚基，肌钙蛋白C（TnC）特异地与钙结合，肌钙蛋白T （TnT）与原肌球蛋白有高度亲和力，肌钙蛋白I （TnI）抑制肌球蛋白的ATP酶活性， 细肌丝中每隔40nm就有一个肌钙蛋白复合体,细肌丝的组成,（三）
13、肌肉的收缩机制,一、肌细胞上的动作电位引起肌质网Ca2+电位门通道开启，肌浆中Ca2+浓度升高 二、肌钙蛋白C（TnC）与Ca2+结合，引发肌钙蛋白构象改变， TnC、 TnT、 TnI结合紧密。 TnT使原肌球蛋白移动，从而暴露出肌动蛋白与肌球蛋白的结合位点。 TnI与肌动蛋白脱离，使肌动蛋白成应力状态 三、肌球蛋白通过结合与水解ATP、不断发生周期性的构象改变、引起粗细肌丝相对滑动 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（H带）方向弯曲（微丝的负极），引起细肌丝向M线（H带）移动； ADP释放ATP
14、结合上去，头部与肌动蛋白纤维分离。如此循环 四、 Ca2+回收，收缩停止,四、微丝的功能,微丝除参与形成肌原纤维 形成应力纤维（stress fiber）存在部位在培养细胞与基底面接触的粘合斑的细胞质膜的下方有肌动蛋白成束状排列。形成微绒毛 细胞的变形运动 （伪足） 胞质分裂；丝分裂末期，两个即将分离的子细胞内产生收缩环 细胞内运输作用 胞质环流(cytoplasmic streamting)胞质环流是菌类、藻类和高等植物细胞中非常活跃的运动现象,（a）微绒毛 (b)细胞质中的收缩束 （c）运动细胞前缘的鞘和指 (d)细胞分裂时的收缩环,第二节 微管,微管是1963年首先由Slautterba
15、ck在水螅细胞中发现的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。 一、分子结构 由13条原纤维构成的中空管状结构，平均直径24nm。内径为15nm。微管壁大约厚5nm，微管通常是直的, 有时呈弧形 两种微管蛋白(tubulin) 微管是以微管蛋白异源二聚体构成的 球形微管蛋白是微管蛋白和微管蛋白 每一个微管蛋白二聚体有两个GTP结合位点, 一个位于亚基, 另一个位于亚基上 亚基上的GTP结合位点是不可逆的结合位点 结合在亚基上的GTP能够被水解成GDP，这个位点又称为可交换的位点,微管的结构和亚基组成 (a)微管蛋白二聚体的带型图, 显示和微管蛋白单体即它们与非交换的GTP和
16、交换型GDP的结合部位； (b)微管中微管蛋白二聚体的排列, 微管蛋白的排列具有方向性。,微管的类型, 单管(singlet) 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。单管是由13根原纤维组成，也有由11根或15根原纤维组成的微管, 如线虫神经节微管 二联管(doublet) 二联管是构成纤毛和鞭毛的周围小管, 是运动类型的微管, 它对低温、Ca2+和秋水仙素都比较稳定。组成二联管的单管分别称为A管和B管，其中A管是由13根原纤维组成，B管是由10根原纤维组成，一个二联管只有23根原纤维 三联管(triplet) 见于中心粒和基体，三联管对
17、于低温、Ca2+和秋水仙素的作用是稳定的 由A、B、C三个单管组成，A管由13根原纤维组成，B管和C管都是10根原纤维，所以一个三联管共有33根原纤维。,微管的动力学(microtubule dynamics), 微管组织中心(microtubule organizing centers, MTOC)： 存在于细胞质中决定微管在生理状态或实验处理解聚后重新组装的起始点结构叫微管组织中心 着丝粒、成膜体、中心体、基体有微管组织中心的功能 成膜体：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 中心体：是动物细胞中决定微管形成的一种细胞器, 包括中心粒和中心粒周
18、质基质。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 基体(basal body)是纤毛和鞭毛的微管组织中心 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，帮助和球蛋白聚合为微管纤维,微管的组装过程,微管蛋白的体外组装分为成核(nucleation)和延长(elongation)两个反应, 其中成核反应是微管组装的限速步骤。成核反应结束时, 形成很短的微管 微管的极性有两层涵义： 一是组装的方向性由于微管是以二聚体作为基本构件进行组装的，并且是以首-尾排列的方式进行组装，所以每一根原纤维都有相同的极性(方向性)，组装成的微管的一端是-微管蛋白亚基组成的环（-）极
19、，而相对的一端是以-微管蛋白亚基组成的环（+）极。 二是生长速度的快慢两端的组装速度是正端生长得快, 负端则慢, 同样, 如果微管去组装也是正端快负端慢,微管组装时的极性,组装的基本条件,包括GTP浓度、压力、温度(最适温度37)、pH(最适pH=6.9)、微管蛋白临界浓度、Mg2+ 、药物 （微管抑制药物） 踏车现象(treadmilling) 是微管组装后处于动态平衡的一种现象。即微管的总长度不变，但结合上的二聚体从(+)端不断向(-)端推移, 最后到达负端,影响微管稳定性的某些条件,微管的组装与去组装：踏车现象,影响微管稳定性的药物, 秋水仙素(colchicine)秋水仙素是一种生物碱
20、, 秋水仙素同二聚体的结合, 形成的复合物可以阻止微管的成核反应。秋水仙素和微管蛋白二聚体复合物加到微管的正负两端, 可阻止其它微管蛋白二聚体的加入或丢失 不同浓度的秋水仙碱对微管的影响不同。用高浓度的秋水仙素处理细胞时, 细胞内的微管全部解聚 低浓度的秋水仙素处理动物和植物细胞, 微管保持稳定, 并将细胞阻断在中期 紫杉醇(taxol)是红豆杉属植物中的一种复杂的次生代谢产物,紫杉醇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,因此维持了微管的稳定（抗癌药 ）,二、微管结合蛋白（不作重点）,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
21、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,MAP2,四、微管的功能,1、支架作用 在培养的动物细胞中, 微管围绕细胞核向外呈放射状分布, 维持细胞的形态 在植物细胞膜的下面有成束微管形成的皮层带，这种皮层带影响纤维素合成酶在细胞质膜中的定位。其结果是产生的纤维素纤维与微管平行排列,培养的动物细胞中的微管,以细胞核为中心向外放射状排列的微管纤维红色,2、细胞内运输 分子发动机(molecular motor) 细胞内有一类蛋白质能够用ATP供能,产生推动力，进行细胞内
22、的物质运输，这种蛋白分子称为分子发动机或发动机蛋白(motor proteins)。 分子发动机的类型 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。 详细运输过程（不作重点）,驱动蛋白的结构和运输方式,细胞质动力蛋白的结构与运输作用, 轴突运输(axonal transport) ： 核糖体只存在于神经细胞的细胞体和树突中, 在轴突和轴突末梢没有蛋白质的合成。所以蛋白质和膜必须在细胞体中合成, 然后运输到轴突, 这就是轴突运输 色
23、素颗粒的运输 ； 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,鱼的色素细胞中色素分子的分散与聚集,轴突中微管发动机运输的两种方式,3、形成纺锤体 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4、纤毛与鞭毛的运动,第三节 中间纤维,中间纤维（intermediate filaments，IF）直径10nm左右，介于微丝和微管之间 它主要起支撑作用 微管与微丝都是由球形蛋白装配起来的，而中间纤维则是由长
24、的、杆状的蛋白装配的 中间纤维具有组织特异性，不同类型细胞含有不同IF蛋白质。肿瘤细胞转移后仍保留源细胞的IF，因此可用IF抗体来鉴定肿瘤的来源 一、类型 根据组织来源的免疫原性分为5类： （一）角蛋白（keratin）： 出现在表皮细胞中，分为和两类。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 根据组成氨基酸的不同，可将角蛋白分为：酸性角蛋白（I型）和中性或碱性角蛋白（II型）,（二）结蛋白（desmin）： 又称骨骼蛋白skeletin，存在于肌肉细胞中，它的主要功能是使肌纤维连在一起 （三）胶质原纤维酸性蛋白（gli
25、al fibrillary acidic protein）： 又称胶质原纤维glial filament，存在于星形神经胶质细胞和周围神经的许旺细胞。它主要起支撑作用 （四）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 （五）神经纤丝蛋白(neurofilament protein) ： 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 此外细胞核中的核纤肽（lamin）也是一种中间纤维,根据中间纤维氨基酸序列的相似性，可分为六种类型,二、结构,中间纤维与其他
26、两种骨架的结构和功能差异 第一, 中间纤维是相当稳定的结构，即使用含有去垢剂和高盐溶液抽提细胞, 中间纤维仍然保持完整无缺 第二, 中间纤维在体积上与微管和微丝是不同的, 微管的直径是24nm, 微丝的直径是7nm, 而中间纤维则是10nm而且形态上也不相同,微管与微丝都是由球形蛋白装配起来的，而中间纤维则是由长的、杆状的蛋白装配的 第三,中间纤维的亚基并不与核苷酸结合,而微管的亚基与GTP或GDP结合。 微丝的亚基则与ATP或ADP结合,中间纤维的结构 ： 构成中间纤维的所有亚基的蛋白质都有共同的结构域结构:一个螺旋的中间区, 两侧是球形的N端和C端 杆状区是高度保守的，由螺旋1和螺旋2构成
27、，每个螺旋区还分为A、B两个亚区，它们之间由非螺旋式的连结区连结在一起高度可变的头部和尾部，N端的头和C端的尾都是高度可变的 ，不同类型的中间纤维的亚基在头部和尾部的大小和氨基酸组成方面有很大区别,中间纤维的装配过程,两个单体，形成两股超螺旋二聚体（角蛋白为异二聚体） 两个二聚体反向平行组装成四聚体，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。 1 由于IF是由反向平行的螺旋组成的，所以和微丝微管不同的是，它没有极性 2 细胞内的中间纤维蛋白绝大部分组装成中间纤维，而不象微丝和微管哪样存在蛋白库 3 IF的装配与温度和蛋白浓度无关，不需要ATP或GTP,三、IF的结合蛋
28、白（不作重点）,中间纤维的结合蛋白（intermediate filament associated protein，IFAP）的功能： 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 IFAPs的共同特点是： 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,中间纤维的功能, 为细胞提供机械强度支持 参与细胞连接 中间纤维参与粘着连接中的桥粒连接和半桥粒连接，能维持细胞形态，又能提供支持力 中间纤维维持细胞核膜稳定 在细胞核内膜的下面有一层由核纤层蛋白组成的网络，对于细胞核形态的维持具有重要作用,核骨架（nucleoskeleton）又叫核基质（nuclear matrix ）（见第八章第六节 核基质与核体 ）,
