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1 第十章 细胞骨架 (Cytoskeleton) 重点 : 微管 微丝 中间丝的结构特点 组成成分类别 和作用 组装的特点及功能

2 1962 年 slauterback 改用戊二醛作固定剂, 才在电镜下发现细胞骨架 细胞骨架 : 真核细胞中细胞核和质膜之间的由蛋白质组成的纤维网状结构, 包括微管 微丝 中等纤维, 与细胞运动和细胞形状的支持 物质运输 细胞分裂等有关

3

4 微管分布在核周围, 并呈放射状向胞质四周扩散 微丝分布在细胞质膜的内侧 中间纤维则分布在整个细胞中

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6 第一节微丝和细胞运动 微丝是细胞骨架中最细的一种, 直径约 8nm 微丝的化学成分是肌动蛋白, 故又称肌动蛋白丝

7 一 肌动蛋白和微丝的结构 ( 一 ) 肌动蛋白分子结构 肌动蛋白是含量最高的细胞质蛋白, 有 6 种 : α 肌动蛋白 :4 种, 分别为横纹肌 心肌 血管平滑肌 肠道平滑肌所特有 ; β γ 肌动蛋白 :2 种, 存在于所有真核细胞

8 肌动蛋白分子接近球形, 也称 G- 肌动蛋白, 有 ATP 结合位点, 且分子有极性 相对分子量 45KD, 分为两叶, 两叶间为一裂隙, 每页两个亚域,N,C 端均在 1 亚域

9 ADP/ATP exchange - 端 + 端

10 ATP 与 ADP 的转换在肌动蛋白丝装配中发挥重要作用

11 ( 二 ) 微丝的结构 微丝 (microfilament,mf), 又称肌动蛋白纤维 (actin filament), 是由两条线性排列的肌动蛋白链形成的螺旋, 形状如双线捻成的绳子, 直径约 7nm 单体为 G-actin, 丝状聚合物为 F-actin, 有极性

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13 箭头端 箭尾端

14 分布于 微绒毛 质膜下方微丝平行排列成束形成张力纤维 丝状伪足 片状伪足 肌细胞中的细丝 神经细胞树突和轴突中的神经丝 细胞收缩环大部分在质膜下方的外质中

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16 ( 三 ) 肌动蛋白丝的聚合过程 : 需 G-actin ATP Mg ++ 较高浓度的 Na +,K + 等条件 成核期 : 限速步骤, 三聚体种子延长期 : 种子两端延长, 延长快的为正极 ATP 在此期其主要调节作用平衡期 : 肌动蛋白掺入微丝的速度与从微丝上解离的速度达到平衡, 微丝长度基本不变, 并仍进行聚合与解聚活动

17 微丝的动态组装 成核期延长期稳定期

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19 临界浓度 Cc: 添加与解离的速率达到平衡

20 ( 四 ) 肌动蛋白结合蛋白对肌动蛋白丝装配的调控 100 多种, 主要调控微丝的装配及功能 1 横连蛋白 : 将肌动蛋白丝横连成束或将其联到质膜上, 例 : 丝束蛋白, 细丝蛋白 2 戴帽蛋白 : 结合到肌动蛋白丝的一端对其长度有调节作用. 例 : 凝溶胶蛋白 (galsolin), 片段化蛋白 (fragmin) 3 单体稳定蛋白 : 与单体肌动蛋白结合调节其聚合有单体 - 聚合蛋白 : 抑丝蛋白 (profilin) 单体 - 隔离蛋白 : 胸腺素 (thymosin)

21 切丝蛋白 胸腺素 抑丝蛋白循环

22 Profilin ( 抑丝蛋白 ) 连到 G-actin 帮助它聚合成 F-actin

23

24 凝溶胶蛋白 (Gelsolin)

25 成束蛋白 细丝蛋白

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27 二 肌动蛋白丝的装配方式 ( 一 ) 形成蛋白 formin 可启动不分支肌动蛋白丝的装配 ( 二 ) 肌动蛋白相关蛋白 (actin related protein, Arp)Arp2/3 复合物核聚分支肌动蛋白丝的装配

28 Formin 有 FH1 domain 结合 profilin; FH2 domain 核聚两个肌动蛋白单体 结合 + 端阻挡戴帽蛋白结合 b 图箭头所示为形成蛋白

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31 自我抑制构象

32 体内组装 : 1 成核作用发生在细胞皮层区 ( 紧贴细胞膜的细胞质区, 大部分微丝集中在此区域并与微丝结合蛋白交联成凝胶状三维网络 ) 肌动蛋白丝上 ; 由 ARP2/3 复合体来催化, 其作用类似 γ-turc 2 延长 : 只在一端延长, 以 70 角形成树枝状网络

33

34 二 肌动蛋白丝构成的细胞结构 丝束蛋白辅肌动蛋白血影蛋白细丝蛋白肌营养不良蛋白 微绒毛丝足粘合斑

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36 第二节纤丝 (filament) 广泛存在于真核细胞中的一类丝状结构, 对细胞具有多种重要功能

37 纤丝的种类 : 微丝, 中间丝, 粗丝 (1) 微丝 : 直径 6~7nm, 由肌动蛋白组成, 多在近细胞膜的下方 ; 肌动蛋白丝 (2) 中间丝 : 直径 10nm, 成分种类多 ; (3) 粗丝 : 直径 15nm, 仅存于肌肉细胞中, 由肌球蛋白组成 肌球蛋白丝

38 微丝具有多种功能, 在不同细胞的表现不同 : 在肌细胞组成细肌丝, 跟粗肌丝配合可以收缩 ( 收缩蛋白 ), 在非肌细胞中主要起支撑作用

39 本节主要内容 : 1 横纹肌的结构及收缩机制 2 平滑肌的收缩机制 3 非肌细胞中的微丝 4 中间丝

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43 Sarcomere

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45 fiber fibrile filament 纤维原纤维丝 粗, 细胞细, 胞内最细, 胞内

46 一 横纹肌的结构及收缩机制 由肌原纤维组成, 肌原纤维包括粗肌丝和细肌丝 肌肉收缩的基本单位是肌小节 (sarcomere) 肌小节是相邻两 Z 线间的单位 主要结构有 : 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 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

47 ( 一 ) 肌丝的分子结构 粗肌丝 肌球蛋白 (myosin) 细肌丝 原肌球蛋白 (Tm) 肌钙蛋白 (Tn) 肌动蛋白 (actin)

48 1 粗肌丝 * 成分 : 肌球蛋白 (myosin) * 杆状 : 长 160nm, 直径 2nm * 组成 : 六条多肽链 头部 (20nm) 4 条轻链 尾部 (150nm) 2 条重链 肌球蛋白分子结构

49 粗肌丝结构图解 约 4000 个肌球蛋白分子排列而成 1 个粗肌丝

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52 酶解肌球蛋白 肌球蛋白分子的多肽链上具有 2 个水解蛋白酶的敏感性位点 ( 关节区 ) 胰蛋白酶可将其水解为重轻 ( 大小 ) 两段, 重段包含头部, 具 ATP 酶活性 木瓜蛋白酶可将重段水解为两段 F1 F2,F1 具 ATP 酶活性

53 胰蛋白酶 木瓜蛋白酶

54

55 2 细肌丝 * 直径 :6nm * 主要成分 : 肌动蛋白 (actin) 肌动蛋白结合蛋白 其他结合蛋白

56 (1) 肌动蛋白 (actin) 球形 - 肌动蛋白 (G-actin ) 纤维 - 肌动蛋白 (F-actin ) 缺乏离子, 球型单体,G actin 中性盐溶液, 长链双螺旋,F actin 纤维

57 (2) 肌动蛋白结合蛋白 肌球蛋白 (myosin); 原肌球蛋白 (tropomyosin,tm); 肌钙蛋白 (troponin, Tn) 钙结合亚基 (TnC) 抑制亚基 (TnI) 原肌球蛋白结合亚基 (TnT)

58 细肌丝中原肌球蛋白 肌钙蛋白 肌动蛋白的相互关系 肌动蛋白 肌钙蛋白复合物原肌球蛋白

59 (3) 其他结合蛋白 如 CapZ 原调蛋白 黏着斑蛋白 a- 辅 肌动蛋白 nebulin 结蛋白

60 ( 二 ) 肌肉收缩的机制

61 滑动学说 : 动作电位的产生 Ca2+ 的释放 原肌球蛋白移位 肌动球蛋白复合物形成 Ca2+ 的回收

62

63 1 肌球蛋白结合 ATP, 引起头部与肌动蛋白纤维分离 ; 2ATP 水解, 引起头部与肌动蛋白弱结合 ;

64 3Pi 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 ; 4ADP 释放 ATP 结合上去, 头部与肌动蛋白纤维分离 如此循环

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67 二 平滑肌的收缩机制 平滑肌中不含有肌钙蛋白, 而含有在结构与功能上与肌钙蛋白极为相似的钙调蛋白 (CaM) 磷酸化学说 平滑肌收缩过程 6 步 P272

68 收缩过程大致如下 : ⑴ 肌细胞兴奋, 肌质 [Ca2+ ] 升高 ⑵ 形成 Ca2+ - 钙调蛋白复合物,CaM 分子发生构象变化 ⑶ CaM 与 MLCK 相互作用, 形成 Ca2+. CaM. MLCK 三合一复合物

69 ⑷ 具有活性的激酶催化肌球蛋白的 2 个 20kDa9(LC20) 使其第 19 位的丝氨酸磷酸化 ⑸ 磷酸化反应引起蛋白分子构象发生变化, 从而引起肌球蛋白 Mg2+ -ATP 酶所激活, 增强了横桥循环速率 ⑹ 肌质网回收 Ca2+

70 第三节非肌细胞肌动蛋白丝的作用 维持细胞外形 形成微绒毛 形成应力纤维, 参与黏着斑, 黏着带的形成 胞质环流与微丝有关

71 参与变形运动 变皱膜运动 细胞的吞噬活动 胞质分裂 参与信号转导 参与细胞内物质运输 : 微丝与微管一起为细胞内物质运输提供轨道

72 一 肌动蛋白丝在细胞中的各种结构形式 成束蛋白 细丝蛋白 肌动蛋白丝常组织成丝束或丝网, 可通过衔接蛋白与质膜结合在一起

73 肌动蛋白丝组成的结构因细胞外信号的诱导和细胞内的生理变化而不断发生变化, 因此, 肌动蛋白丝结构可在许多细胞活动中发挥作用 ( 一 ) 细胞迁移 ( 二 ) 胞质环流 ( 三 ) 收缩束 ( 四 ) 微绒毛支持结构

74 ( 一 ) 细胞迁移 1. 片足的形成

75 2. 趋化现象 细胞沿分子化学梯度向分子的发源部位迁移, 称为趋化性 如 : 伤口处血小板可分泌 PDEF, 吸引成纤维细胞核表皮细胞向伤口转移并修复伤口

76 3. Rho 蛋白配合调节作用

77 丝足片足应力纤维和回缩

78

79 ( 二 ) 胞质环流植物细胞中, 细胞质的流动是围绕中央液泡进行的环形流动称胞质环流 (cyclosis) 在胞质环流中, 细胞外质相对不流动的, 只是靠内层部分的胞质溶胶在流动 胞质环流是由肌动蛋白和肌球蛋白相互作用引起的 胞质环流能够不断的分配各种营养物和代谢物, 使它们在细胞内均匀分布

80 细胞松弛素 B 抑制微丝 ; 秋水仙素抑制微管

81 ( 三 ) 收缩环与细胞质分裂 收缩环有肌动蛋白丝和肌球蛋白丝构成, 逐渐收缩, 细胞质内陷, 细胞分裂

82 ( 四 ) 微绒毛支持结构 微绒毛 : 由微丝形成的包有一层质膜的指状突起

83 ( 五 ) 形成应力纤维 上皮细胞的细胞膜内表面, 微丝束的基部参与构成黏着连接

84 参与黏着带的形成

85 参与黏着斑的形成

86 ( 六 ) 参与细胞内物质运输和信号转导

87

88 ( 七 ) 维持细胞外形神经细胞树突和轴突中的神经丝, 具有支架作用

89 Free clotting clot retraction

90 二 作用于肌动蛋白丝的特异性药物 ( 表 10-1) 细胞松弛素 B D 与微丝正端结合, 抑制微丝聚合而使其解聚, 因而可抑制细胞移动 吞噬作用 胞质分裂等 鬼笔环肽与聚合的微丝结合, 结合在 actin 单体之间, 抑制微丝的解体而使微丝保持稳定

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