1、第 七 章 细胞骨架,（cytoskeleton）,一、概述 二、微管结构、组装及其功能 三、微丝结构、组装及其功能 四、中间纤维 五、细胞骨架和疾病,内 容,细胞骨架是细胞内蛋白纤维组成的一个网架系统。 广义的细胞骨架应包括细胞质骨架、细胞膜骨架、核纤层、细胞核骨架和细胞外基质等纤维体系。 狭义的细胞骨架是指细胞质骨架，主要有三种成分：微丝（7nm）、微管（25nm）和中间纤维（10nm）。,一、概述,细胞骨架概述,其功能主要表现为：决定细胞的形状，赋予其强度、支撑作用；维持细胞内部区域化，并在细胞运动、膜泡运输、细胞分裂、肌肉收缩、信号转导中起重要作用。,细胞骨架概述,A fluoresc
2、ently stained image of cultured epithelial cells showing the nucleus (yellow) and microtubules (red),1.形态：中空圆筒状，外径25nm，内径14nm。长度变化大。 大多数微管管壁由13条原纤维纵行螺旋排列而成。,二、微管（microtubule，MT）,微管形态,2. 微管的化学组成1）微管蛋白：微管蛋白（-tubulin）与-tubulin形成二聚体。微管蛋白（-tubulin）与-tubulin形成二聚体。微管蛋白（-tubulin）促进微管核心形成, 稳定负端。,GTP结合位点 (N s
3、ite & E site )、 二价阳离子结合位点、秋水仙素结合位点、长春花碱结合位点（可抑制微管蛋白组装成微管）。,微管化学组成,E-site,N-site,微管化学组成,微管的存在形式： 单管 （singlet） 二联管（A、B，doublet） 三联管（A、B、C，triplet）,微管化学组成,Doublet cilla, flagella,Triplet basal bodies, centrioles,2）微管结合蛋白 (microtubule-associated protein，MAP)主要功能: 促进微管聚集成束； 增加微管稳定性或强度； 促进其与其他细胞组分连接。分类：MA
4、P-1(MAP-1A和MAP-1B，神经元的轴突和树突)MAP-2(神经元的胞体和树突中)MAP-4(各类细胞) Tau (神经细胞轴突),微管化学组成,1）微管的极性,3. 微管的组装和极性,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)，这样, 组装成的微管的一端是-微管蛋白亚基组成的环，而相对的一端是以-微管蛋白亚基组成的环。 极性的另一层涵义是两端的组装速度是不同的, 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,成核期,延迟期,聚合期,稳定期,2）体外组装,微管组装,踏车（treadmi
5、lling）,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。 踏车现象实际上是一种动态稳定现象。,影响微管稳定性的某些条件,微管组装,3）体内组装（时间、空间控制）,微管组织中心（microtubule organizing center ，MTOC）微管进行组装的区域，中心体、基体均具有微管组织中心的功能。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，可聚合成环状复合体，像模板一样参与微管蛋白的核化，帮助和球蛋白聚合为微管纤维。,微管组装,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 (动态微管) 鞭
6、毛纤毛MTOC 基体 (永久性结构),微管组装,影响微管组装的因素：温度、Ca2+浓度、pH、压力等，秋水仙素可抑制微管聚合。,秋水仙素(colchicine)结合的微管蛋白可加合到微管上，但阻止其他微管蛋白单体继续添加，从而破坏纺锤体结构。长春花碱（vinblastine）具有类似的功能。紫杉酚(taxol)能阻止微管去组装, 并使已形成的微管稳定。但这种稳定性会破坏微管的正常功能。,微管组装,以上药物均可以阻止细胞分裂。可用于癌症的治疗。,4. 微管的功能,1) 构成细胞支架并维持细胞形态,微管功能,2）参与细胞内物质运输,细胞内物质（运输小泡、分泌颗粒、色素颗粒等）运输的路轨。破坏微管会
7、抑制细胞内的物质运输。,微管功能,与微管结合而起运输作用的马达蛋白有两大类： 驱动蛋白kinesin，动力蛋白dynein，两者均需ATP提供能量。,A. 驱动蛋白：由两条轻链和两条重链构成的四聚体，外观具有两个球形的头（具有ATP酶活性）、一个螺旋状的杆和两个扇子状的尾。向着微管（+）极运输小泡。,微管功能,B.动力蛋白：由两条相同的重链和一些种类繁多的轻链以及结合蛋白构成。其作用主要有以下几个方面：向着微管（-）极运输小泡、在细胞分裂中推动染色体的分离、驱动鞭毛的运动。,微管功能,3）维持细胞内细胞器的空间定位和分布。4）参与细胞运动，收缩变形运动及鞭毛、纤毛的摆动。,鞭毛和纤毛结构： 由
8、基体和鞭杆两部分构成；鞭杆中由微管组成9+2结构；二联微管A管由13条原纤维组成，B管由10条原纤维组成；A管向相邻B管伸出两条动力蛋白臂，并向鞭毛中央发出放射辐条。基体的微管组成为9+0。,微管功能,微管功能,微管功能,鞭毛和纤毛运动原理： 动力蛋白臂的dynein水解ATP作功，使相邻的二联微管相互滑动。,5）参与染色体运动，调节细胞分裂。动粒微管，极微管，星体微管,6）参与细胞内信号传递。,微管功能,1.形态：一种实心的细丝状结构，直径7nm，由肌动蛋白组成的骨架纤维。普遍存在于真核细胞中，特别在有运动功能的细胞中。,三、微丝（microfilament，MT）,微丝形态,2. 微丝的结
9、构和肌动蛋白 肌动蛋白（actin）：球形单体G-肌动蛋白。纤维状多聚体F-肌动蛋白。 G-actin串联形成纤维型肌动蛋白(fibrous actin, F-actin)，两条F-actin以右手螺旋方式相互盘绕形成微丝。螺距36nm。,微丝化学组成,3. 肌动蛋白结合蛋白, 与F肌动蛋白聚合有关的蛋白:如胸腺素(thymosin)， 阻止肌动蛋白聚合；前纤维蛋白(profilins), 促进肌动蛋白聚合。 与微丝结构有关的蛋白:如截断蛋白(fragmenting protein)，打断肌动蛋白纤维。细丝蛋白(filamin), 可将微丝连接成网。 与微丝收缩有关的蛋白:如肌球蛋白(myos
10、in)、原肌球蛋白(tropomyosin)和肌钙蛋白(troponin)。,约70多种，与肌动蛋白结合形成具有不同功能的亚细胞结构。按其功能可分为三大类:,细胞中大多数运动如肌肉收缩等都靠肌动蛋白和肌球蛋白相互作用完成。,微丝化学组成,G-actin- F-actin 在适宜的温度，存在ATP、K+、Mg2+的条件下，肌动蛋白单体可自组装为纤维。ATP-G-actin对微丝纤维末端的亲和力高，ADP-G-actin对纤维末端的亲和力低，容易脱落。当溶液中ATP-G-actin浓度高时，就加入到微丝的末端，微丝快速生长，这时微丝有较高的稳定性，可以持续组装。伴随着ATP水解，微丝结合的ATP就
11、变成了ADP，当ADP-G-actin暴露出来后，微丝就开始去组装而变短。,3.微丝的组装,微丝组装,肌动蛋白在正极掺入（装配）速度与其从微丝负极上解离（去装配）速度相等，踏车现象。,微丝组装,肌动蛋白纤维组装过程分成核期、生长期或延长期，和平衡期。,影响微丝组装的药物,细胞松弛素（cytochalasins）：真菌的一种代谢产物，可以切断微丝，并结合在微丝末端抑制肌动蛋白聚合，抑制组装过程。但对解聚没有明显影响。可以破坏微丝的三维网络、抑制功能。 鬼笔环肽（phalloidin）是一种由毒蘑菇产生的双环杆肽，与微丝有强亲合作用，抑制解聚，使肌动蛋白纤维稳定。鬼笔环肽只与F-肌动蛋白结合，而不
12、与G-肌动蛋白结合，因此荧光标记的鬼笔环肽可清晰地显示细胞中的微丝。,小鼠胚胎主动脉细胞,人胚胎心肌祖细胞,毒蕈,微丝组装,1）构成细胞支架并维持细胞形态细胞皮层、应力纤维和微绒毛,应力纤维是真核细胞中广泛存在的微丝束结构，由大量平行排列的微丝组成，对抗细胞表面张力维持细胞形态，为细胞膜提供一定的强度和韧性。,小肠上皮细胞微绒毛中心的轴丝是由微丝通过微丝结合蛋白平行交联成束，起到维持绒毛形状的作用。,. 微丝的功能,微丝功能,2）肌肉收缩骨骼肌细胞的收缩单位是肌原纤维（myofibrils），肌原纤维由肌小节组成。每个肌小节由粗肌丝和细肌丝组装形成，粗肌丝的成分是肌球蛋白，细肌丝的主要成分是肌
13、动蛋白、原肌球蛋白和肌钙蛋白。,肌肉的收缩单位 肌小节：相邻两Z线间的单位。 主要结构： A带（暗带）：为粗肌丝所在。H区：A带中央色浅部份，此处只有粗肌丝。H区中部有M线。 I带（明带）：只含细肌丝部分。Z线：细肌丝一端游离，一端附于Z线 。,微丝功能,粗肌丝的主要成分是 肌球蛋白（myosin）， 外形似豆芽， 分为头部和杆部。 尾对尾向相反方向平行排列成束，双极性结构。头部露在外部，与细肌丝接触。,微丝功能,细肌丝的主要成分是肌动蛋白、原肌球蛋白和肌钙蛋白。,肌肉收缩系由肌动蛋白丝与肌球蛋白丝的相对滑动所致。,微丝功能,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
14、部微弱结合到肌动蛋白丝的一个新的位点上；,Pi释放，头部与肌动蛋白强结合，头部向M线方向弯曲，引起细肌丝向M线移动； ADP释放ATP结合上去，头部与肌动蛋白纤维分离。 如此循环,微丝功能,）溶胶层和阿米巴运动,细胞膜下有一层富含肌动蛋白纤维的区域，称为溶胶。这些肌动蛋白纤维平行于质膜排列，并与膜有连接。这一纤维网络可以为细胞膜提供强度和韧性，维持细胞形状。细胞的多种运动，如胞质环流、阿米巴运动、变皱膜运动及吞噬都与肌动蛋白的溶胶与凝胶状态及其相互转化有关。这些运动能为细胞松弛素所抑制。,原生动物中的变形虫、高等动物的巨噬细胞、白细胞等可以依靠细胞体的形态变化进行阿米巴运动，这是许多细胞骨架成
15、分协同作用的结果，最直接依赖的是紧贴细胞质膜下一层含丰富微丝的区域。,微丝功能,）胞质分裂环,收缩环是非肌肉细胞中具有收缩功能的微丝束的典型代表，在很短的时间内，微丝能迅速装配与去装配以完成细胞功能，其收缩机制亦是肌动蛋白和肌球蛋白的相对滑动。,动物细胞的有丝分裂末期，两个即将分离的子细胞之间产生一个由大量平行排列的微丝束构成的缢缩环，微丝束中肌动蛋白和肌球蛋白的相对滑动引起缢缩环收缩，两个子细胞分离。,微丝功能,5）参与受精作用,6）参与信号传递,微丝主要参与Rho蛋白家族有关的信号传导。,微丝功能,微管与微丝的比较,1.形态：一种纤维结构，直径10nm。,四、中间纤维（intermedia
16、te filament，IF）,中间纤维形态,2.中间纤维的化学组成,中间纤维蛋白。主要类型：,不同来源的组织细胞表达不同类型的中间纤维蛋白。身份证。,中间纤维化学组成,中间纤维蛋白是长的线性蛋白。 共同结构为一螺旋的杆状区和两侧非螺旋的头部区（氨基区）和尾部区（羧基区）。,310个氨基酸残基,中间纤维化学组成,中间纤维结合蛋白 （intermediate filement associated protein，IFAP),凝集素（lectin） 丝连蛋白（epinemin） 丝聚蛋白（filaggrin） 纤层蛋白受体B（lamin receptor B） 网蛋白（plectin） 锚蛋白（
17、ankyrin） 斑珠蛋白（plakolobin） 桥粒斑蛋白（desmoplakin） 桥粒斑蛋白（desmoplakin） 大泡性类天疱疮抗原（BPAGI）,中间纤维化学组成, 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； 四聚体长向连成原纤维； 8根原纤维组成中间纤维。,4.中间纤维的组装,特点： 无极性；装配与温度和蛋白浓度无关；不需要ATP、GTP或结合蛋白的辅助。无动态蛋白库。,中间纤维组装,构成细胞完整的支撑网架系统 为细胞提供机械强度支持参与细胞分化 参与胞内信息传递,5.中间纤维的功能,中间纤维功能,细胞骨架三种组分的比较,五、细胞骨
18、架与疾病,细胞骨架与肿瘤,细胞骨架结构的破坏和微管解聚。 微管数量的减少是恶性转化细胞的一个重要特征。,细胞骨架与疾病,Alzheimers,细胞骨架与神经系统疾病,细胞骨架与疾病,不动纤毛综合征（immotile cilla syndrome）,慢性气管炎,精子不动,细胞骨架与遗传性疾病,细胞骨架与疾病,思 考 题 1.微管的化学组成、形态结构、组装和功能。 2.微管相关结构中心粒、纤毛和鞭毛的特点。 3.微丝的化学组成、形态结构、组装及功能 4.微丝与肌肉收缩的关系。 5.中间纤维的组成、结构、类型、组装和功能。,核基质(Nuclear Matrix),核骨架：狭义：指核内以纤维蛋白成分为
19、主的纤维网架体系，核基质或核骨架。广义：包括核基质、核纤层和核孔复合体。 形态结构 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。 核骨架结合序列 DNA序列中的核骨架结合序列(matrix associated region, MAR) DNA通过与核骨架蛋白的结合，将DNA放射环锚定在核骨架上； 核骨架结合序列作为许多功能性基因调控蛋白的结合位点。 功能核骨架与DNA复制：核骨架是DNA复制的空间支架。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。 核骨架与染色体构建,染色体骨架/放射环模型,核纤层(Nuclear Lamina) 核纤层分布与形态结构 位于细胞核内层核膜下的纤维蛋白片层或纤维网络。 切面呈片层，整体呈球状网络。 成分核纤层蛋白(Lamin)A、B、C 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。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,
