1、,第五章 细胞骨架,细胞骨架(cytoskeleton)是普遍存在于细胞中由蛋白纤维组成的网架结构，真核细胞的细胞骨架包括微管（MT）、微丝（MF）和中间纤维(IF)。,对细胞运动、细胞分裂、信息传递、能量转换及维持细胞形态、固定细胞器等有关。,光镜下细胞骨架：黄色荧光显示微管,光镜下显示细胞骨架：,红色显示微丝，绿色显示微管,第一节 微丝,一、微丝的组成和装配 由肌动蛋白组成的实心纤维细丝。 6-7nm，长短不一。在细胞中：微丝可成束、成网或纤维状分散分布。 （一）肌动蛋白,微丝纤维的负染电镜照片,微丝纤维结构模型,电镜下显示微丝,肌动蛋白在真核细胞进化上高度保守，含量最丰富。,二、微丝的装
2、配,1.微丝的装配过程,成核期、延长期、稳定期。,影响微丝组装的有关因素：,在含有ATP和Ca2+、低浓度的单价离子(Na+、K+等)溶液中微丝趋向解聚G-actin 。,2.微丝组装的“踏车现象”,3.微丝的动态平衡,4.影响肌动蛋白单体聚合与解聚的药物,细胞松弛素B：与微丝正极结合，抑制微丝聚合。 红海海绵素：只与G-actin结合，抑制微丝组装。 鬼笔环肽：只与F-actin结合，稳定微丝、抑制微丝解体，破坏微丝的动态平衡。,（三）肌动蛋白结合蛋白,肌细胞： 原肌球蛋白，结合于肌肉细肌丝, 调节肌动蛋白与肌球蛋白头部结合。 肌钙蛋白（Tn），含3个亚基 Tn-C: 特异地与Ca2+结合;
3、 Tn-T: 与原肌球蛋白(Tm)有高度亲和力; Tn-I: 抑制myosin ATPase的活性。,非肌细胞：单体结合蛋白集束蛋白凝胶蛋白封帽蛋白和切割蛋白锚定蛋白,微丝结合蛋白,2.隔绝蛋白,3.封端蛋白,6.集束蛋白,连接蛋白,9.锚定蛋白,解聚蛋白,4.截断蛋白,三、微丝的生物学功能,（一）微丝与肌肉收缩,（二）细胞运动,（三）维持细胞形态,（四）参与细胞分裂,细肌丝：粗肌丝：肌球蛋白细肌丝和粗肌丝间滑动的机理,F-肌动蛋白(F-actin) 原肌球蛋白 肌钙蛋白,接触 做功 分离 复原,（一）微丝与肌肉收缩,肌原纤维,肌纤维,肌束,肌纤维,肌束,肌原纤维,肌纤维,肌束,肌小节,(收缩
4、),(松驰),肌肉收缩的滑动模型,1.结合：肌球蛋白头部与细肌丝（肌动蛋白）结合，过程短暂；ATP与肌球蛋白头部很快结合。 2.释放：肌球蛋白与与肌动蛋白分开。 3.直立： ATP水解，肌球蛋白头部水解。肌球蛋白沿细肌丝移动5nm。 4.产力：肌球蛋白头部与肌动蛋白新位点结合，ADP释放；二者再次结合，细肌丝沿粗肌丝向肌节中央移动5nm。,A、白细胞和成纤维细胞定向运动； B、胚胎细胞、癌细胞向附近组织转移； C、吞噬细胞； D、跨膜运动； E、精子与卵子细胞融合时的顶体运动； F、红细胞与血小板的变形运动。,（二）细胞运动,（三）维持细胞形态,存在于细胞膜下微丝网中的微丝，与肌球蛋白、原肌球
5、蛋白和辅肌蛋白协同作用，在两个附着点之间进行等位收缩而不运动，收缩时产生的力为细胞膜提供一定的强度和韧性，抵抗细胞内外的压力，维持细胞的形状。如红细胞的双凹圆盘形。,(原肌球蛋白),(微丝),(血型糖蛋白),(血影蛋白) (间距因子),(锚定蛋白),收缩环：在分裂末期的细胞质中，肌动蛋白组装成大量平行排列的微丝，它们在分裂沟的质膜下方，卷曲形成的环状结构。,(四)参与细胞质分裂,细胞外一个信息 膜受体 跨膜 膜下微丝 核膜 核内骨架 DNA合成、转录,微丝与信息传递,第二节 微管,一、微管的组成与形态,由微管蛋白装配而成的中空管状结构，内外直径分别为15nm-24nm。它是由13根原纤维纵向螺
6、旋排列而成。,微管所处的位置,5-9nm,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,微管横断面,（一）微管蛋白,二联管（纤毛和鞭毛）,三联管（中心粒和基体）,（二）微管的形态,单管：13条原纤维组成，细胞质中大部分微管为单管。 二联管：两根微管组成，分为A管、B管， A管B管共用三根原纤维，主要构成鞭毛、纤毛。 三联管：由A、B、C三根微管组成，A与B、B与C各共用三根纤维，共含33根原纤维，主要构成中心粒和基体。,二联管,三联管,二、 微管的装配 多以单管形式存在，是一种动态结构，可很快组装与去组装。,+,-,踏 车,（一）微管装配过程,基体是纤毛和鞭毛的微管组织中心。,微
7、管在生理状态及实验处理解聚后重新组装 的启动之处称为微管组织中心（MTOC）。,中心体是动物细胞中主要的微管组织中心，由一对相互垂直的中心粒和中心粒周围基质组成，位于细胞核的附近。,（二）微管组织中心,（三）微管特异性药物,秋水仙素与微管蛋白二聚体结合，阻止微管的成核反应。 紫杉醇结合到聚合的微管上，阻止微管的解聚。,三.微管相关蛋白 同微管相结合的辅助蛋白，它们不是构成微管壁的基本构件，而是在微管蛋白组装成微管之后，结合在微管的表面。 微管结合蛋白是微管系统结构和功能所必需的组分，它们与运动的产生、微管组装和去组装的调节、微管和其他细胞组分之间的连接等密切相关。,四、微管的功能,用秋水仙素处
8、理培养细胞，发现细胞丧失原有的形态而变圆。说明微管对维持细胞的不对称形状是重要的。 微管具有一定刚性，可自然取直，在保持细胞外形方面起支撑作用。 细胞突起部分，如伪足、鞭毛、纤毛、神经轴突的形成和维持，都是微管在起关键作用。,（一）支架作用,(二)参与物质的运输,快速运输：速度为50400/，线粒体、突触小泡、前溶酶体小泡、内吞小泡等，与膜更新有关的蛋白质，都是通过此方式运输的。 慢速运输：速度为028/运输量大，在游离核糖体合成的结构蛋白质，如微管蛋白、肌动蛋白、神经丝蛋白等，都是通过此方式运输的。,快速运输的机制： 微管在快速运输中充当“轨道”的作用。 物质沿着单根微管进行双向运输。 不同
9、方向的运输所需提供动力的蛋白质不同。一种是驱动蛋白，利用ATP水解释放的能量向微管的(+)极运输；另一种是胞质动力蛋白，它利用ATP水解释放的能量向微管的(-)极运输；,(驱动蛋白) (向着远离神经细胞体的方向运输),（三）作为纤毛和鞭毛运动的元件,(动力蛋白产生微管滑动),(动力蛋白引起微管弯曲),二联管间滑动的做功过程可分为四步：,接触：动力蛋白臂头部携带上一次ATP水解产物ADP+P与相邻二联管的B管接触； 做功：有动力蛋白臂头部释放ADP+P，引起头部与二联管间角度改变，同时推动相邻二联管滑动； 分离：动力蛋白臂头部与新的ATP结合，引起头部与B管的分离； 复原： ATP水解为ADP+
10、P，动力蛋白臂角度复原。,二联管间滑动的力是动力蛋白臂水解ATP产生的。 实验发现，如从裸露的轴索中选择性地抽提动力蛋白臂轴索的运动减弱直至动力蛋白臂全部被提取轴索的运动完全停止。这一过程可以逆转。如：临床发现一种男性不育症，是由于患者精子轴索中缺少动力蛋白臂遗传性支气管炎，其大原因是由于支气管纤毛轴索中缺乏动力蛋白臂不能运动，丧失了清除异物的能力。,（四）参与纺锤体的形成与染色体的运动,直径介与微管与微丝之间，故得名中等纤维（中间纤维 IF） 810nm。 IF结构稳定:既不受秋水仙素也不受细胞松弛素B影响，并且也没有极性。分布具有严格的组织特异性，临床上应用于鉴定肿瘤细胞的组织来源。,第三
11、节 中等纤维,一、中等纤维的组成与结构,（一）中等纤维蛋白,中间纤维是一类中空的纤维状结构。单根或成束分布于细胞质中，常形成精细发达的纤维网络，外与细胞膜有细胞外基质相连，内与核纤层有直接的联系。中间纤维与微丝、微管及其他细胞器也有着错综复杂的纤维联络。,中间纤维蛋白的类型和分布,角蛋白纤维 40-68 上皮细胞,波形蛋白纤维 55 间充质细胞,结蛋白纤维 53 肌细胞,胶质纤维酸性蛋白 51 神经胶质细胞,神经丝 68 神经元,中间纤维的基本组成单位中间纤维单体,中等纤维单体共同结构域,-螺旋杆状区,非螺旋区,：310个氨基酸残基组成的螺旋杆部(这是一个高度保守的二级结构)。,头部（N-端）
12、,尾部（C-端）,（二）中等纤维的结构,(高度可变),编码中等纤维蛋白质的基因为同一基因家族，它们之间高度同源；表达具有严格组织特异性，临床上应用于鉴定肿瘤细胞的组织来源。,COOH,单体,COOH,COOH,二聚体,四聚体,原纤维,八聚体,原纤维,二、中等纤维的装配,（一）支持作用：对细胞器及细胞核起固定作用，使核在细胞内占据一定的空间。 （二）在细胞内的物质运输： 如神经细胞中的神经蛋白纤维参与神经轴突营养物质的运输。 （三）信息传递：可能是一种信息分子，与DNA的转录和复制有关。 （四）在相邻细胞、细胞与基膜之间形成连接结构：桥粒中的角蛋白丝 。,三、中间纤维的生物学功能,胞质骨架三种组
13、分的比较,肿瘤细胞中细胞骨架的改变肿瘤细胞中的微管数目急剧减少；微丝减少甚至消失；中间纤维其化学组成上有所改变，但其结构和免疫学特征方面均与正常细胞表现相同。,细胞骨架与医学,关于细胞骨架研究的临床应用微管特异性药物进行抗癌治疗准确地鉴别来源于不同组织的肿瘤中间纤维的显微技术还可与羊膜穿刺技术联合，应用于产前诊断,微管特异性药物进行抗癌治疗,如紫杉醇常被用来治疗乳腺癌、卵巢癌、淋巴癌和多发性骨髓瘤。,准确地鉴别来源于不同组织的肿瘤,由于中间纤维具有严格的组织特异性，大多肿瘤细胞通常继续表达其来源细胞的特征性中间纤维的种类，所以，可以用中间纤维的免疫专一性来鉴别。,中间纤维的显微技术还可与羊膜穿刺技术联合，应用于产前诊断,如当发现羊水中含有神经胶质纤维或神经丝的细胞时，就能指出胎儿具有中枢神经系统的畸形。,
