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1 第九章细胞骨架与 细胞运动 重点 : 微管 粗丝 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 微管 (Microtubule) 狭义的细胞骨架 ( 细胞质骨架 ) 微丝纤丝中间丝粗丝 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 中间丝 粗丝, 与细胞运动和细胞 中间纤维 形状的支持 物质运输 细胞分裂等有关

3 一个培养细胞的细胞骨架培养细胞经固定后用考马斯亮蓝染色, 显示遍布整个细胞内的各种蛋白质性的丝状结构

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6 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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10 第一节纤丝 (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

11 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

12 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 在非肌细胞中主要起支撑作用

13 一 微丝与细胞运动 ( 普遍性 ) 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

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15 ( 一 ) 微丝的形态结构及成分 : 肌动蛋白 肌动蛋白是含量最高的细胞质蛋白, 有 6 种 : 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

16 actin 单体外观呈哑铃形, 称球形肌动蛋白 G- actin; 多聚体称为纤维形肌动蛋白 F-actin

17 ADP/ATP exchange - 端 + 端

18

19 微绒毛张力纤维伪足收缩环

20 ( 二 ) 微丝的装配 体外组装 : 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 在此期起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

21 微丝的动态组装 成核期延长期稳定期

22 溶液中 ATP- 肌动蛋白的浓度处于临界浓 度时,ATP- 肌动蛋白在 (+) 端添加, 而 从 (-) 端分离, 表现出 踏车 现象

23

24 ( 三 ) 微丝结合蛋白 整个骨架系统结构和功能在很大程度上受到不同的细胞骨架结合蛋白的调节

25 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包括单体 - 聚合蛋白 : 促丝蛋白 ; 单体 - 隔离蛋白 : 胸腺素

26 封端 ( 加帽 ) 蛋白 交联蛋白 单体 隔离蛋白 膜结合蛋白 纤维 切割蛋白肌动蛋白纤维解聚蛋白

27

28 ( 四 ) 微丝的特异性药物 细胞松弛素 (cytochalasin) 可切断微丝纤维, 并结合在微丝正端抑制肌动蛋白加合到微丝纤维上, 特异性的破坏微丝功能 鬼笔环肽 (phalloidin) 与微丝能够特异性的结合, 使微丝纤维稳定而抑制其解聚 荧光标记的鬼笔环肽可特异性的显示微丝

29 二肌细胞的收缩活动

30 Muscle 肌纤维束 肌腱 肌原纤维 Nucleus Single myofibril 肌膜 Sarcomere 肌节 肌纤维 Thick filaments Thin filaments

31

32

33 Sarcomere 肌节

34 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

35

36 ( 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)

37 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 N- 端

38 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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40 胰蛋白酶 酶解肌球蛋白 木瓜蛋白酶 S1 S2

41 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

42 (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 两条 F-actin 缠绕成细肌丝

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

44 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

45 (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

46 ( 二 ) 肌肉收缩的机制

47 滑动学说 : 动作电位的产生 Ca 2+ 的释放 原肌球蛋白移位 肌动球蛋白复合物形成 Ca 2+ 的回收

48

49 动作电位产生

50

51 原肌球蛋白 肌钙蛋白 TnC 肌球蛋白结合部位

52 肌动蛋白丝 肌球蛋白 肌动球蛋白复合物

53 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 ;

54 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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56

57 ( 三 ) 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

58 三 微丝的功能 胞质凝胶层 紧靠质膜下方含有大量网络状的微丝的细胞质, 该微丝网使质膜具有一定强度和韧度, 对驱动细胞质环流 维持细胞外形和细胞运动具有特别重要的意义

59 维持细胞外形胞质环流变形运动支持微绒毛形成应力纤维胞质分裂肌肉收缩

60 1 维持细胞外形锚蛋白

61 Free clotting clot retraction

62 神经细胞树突和轴突中的神经丝, 具有支架作用

63 2 胞质环流 内质 外质

64 肌球蛋白 内质

65 3 变形运动 肌动蛋白皮层 片足 片足向前延伸 溶胶变为凝胶 点接触

66 4 支持微绒毛 不可收缩

67 5 收缩束上皮细胞中形成应力纤维 肌动蛋白束构成的线状胞质纤维 含肌球蛋白 原肌球蛋白 α - 辅肌动蛋白 可收缩

68 黏着斑结构模式图 Actin filament 辅肌动蛋白 Capping protein 纤粘连蛋白 整连蛋白 黏着斑蛋白桩蛋白踝蛋白

69 胞质分裂 收缩环 临时结构 可收缩

70 细胞层弯曲成管

71 四 中间丝 中间丝特点 直径 10nm 中空管状丝 是细胞骨架中最复杂的, 种类多, 有组织特异性 是最稳定的 最坚韧的骨架成分, 赋予细胞强大的机械强度 中间丝的组装不需要 ATP GTP

72 ( 一 ) 中间丝的类型根据组织来源和免疫原性, 中间丝分六类 : 角蛋白丝 : 上皮细胞及衍生物中 波形蛋白丝 : 间质细胞和中胚层来源的细胞 体外培养的细胞 结蛋白丝 : 肌肉细胞 神经蛋白丝 : 神经元 神经胶质蛋白丝 : 神经胶质细胞, 星形细胞 核纤层蛋白丝 : 真核细胞核纤层

73 ( 二 ) 中间丝的结构 结构相似, 分头部 杆部 尾部 头部 杆部 杆状 a 螺旋区 尾部

74 ( 三 ) 中间丝的装配 过程复杂, 见下图

75 单体 二体 四聚体 八聚体 ( 原丝 ) 若干八聚体纽缠为中间丝

76 ( 四 ) 中间丝结合蛋白 (intermediate filament associated protein, IFAP) 中间丝发挥正常功能需中间丝结合蛋白, 有细胞和组织特异性, 主要功能是将中间丝结合在一起 或固定在桥粒 半桥粒上, 并使中间纤维和微丝 微管连接

77 绿色 : 网蛋白 ; 蓝色 : 中间丝 ; 红色 : 微管

78 ( 五 ) 中间丝的功能 1 中间纤维在细胞内形成一个完整的网状骨架系统外与细胞膜 细胞外基质直接联系 内与核膜 核基质联系, 对维持细胞质的整体结构, 特别是核的定位有关 2 参与细胞连接, 增强细胞的机械应力, 维持组织的完整性角蛋白丝参与桥粒连接维持上皮细胞的完整性

79

80 中间丝在桥粒和半桥粒处紧紧锚在质膜上 胞质斑 桥粒相关转膜糖蛋白 网蛋白 钙黏蛋白

81

82 3 中间丝参与物质运输外与细胞膜 细胞外基质直接联系 内与核膜 核基质联系, 形成跨膜的信息通道 4 维持细胞核膜稳定核纤层蛋白对维持细胞核形态起重要作用 而核纤层蛋白是中间纤维的一种

83 5 中间纤维参与细胞分化 微管 微丝在各种细胞中都相同, 而中间纤维有组织特异性, 表明中间纤维与细胞分化有关 表皮细胞的分化很好地说明中间纤维与组织分化的关系 : 细胞分化发生在深部的生发层, 细胞一边分化, 一边向表层运动, 直至最后脱落, 生发层细胞有大量中间纤维束, 其成分是前角质蛋白, 随着细胞分化, 他们逐渐表达出不同的角质蛋白

84 第二节微管 (microtuble) 一 微管的形态结构

85 微管是外径 24-26nm, 内径 15nm 的中空管状结构, 微管壁由 13 条原丝围成, 每根原丝由微管蛋白 β 异二聚体首尾相接而成 微管有三种存在形式 : 单管 : 分散于细胞质中或成束, 不稳定二联管 : 主要分布于纤毛和鞭毛中三联管 : 主要分布于中心粒和纤毛的基体中

86

87 二 微管的化学组成 微管蛋白 (tubulin): 占微管总蛋白的 80-95%, 有 α,β,γ,δ,ε,ξ,η 等类型 微管结合蛋白 (microtubule-associated protein, MAP):tau 蛋白, MAP1,MAP2, MAP4 微管蛋白结合蛋白

88 ( 一 ) 微管蛋白 (Tubulin) α- 微管蛋白异二聚体 β- 微管蛋白 原丝

89

90 ( 二 ) 微管结合蛋白 (microtubule-associated proteins, MAPs) 占微管总蛋白的 10-15%, 是结合于微管表面的辅助蛋白 微管结合蛋白有两个结构域 : 微管结合区, 可与微管结合 ; 突出区, 以横桥方式界定成束微管之间的间距

91 调节微管装配

92 Tau 的作用 : 有多个磷酸位点, 可以促进微管的形成

93

94 三 微管的特性 自我装配 微管组织中心 极性 动态不稳定性

95 1 自我装配 ( 1 ) 体外装配条件 : A : 微管蛋白浓度 1mg/ml; B: 最适 PH6.9;C: 温度,37 装配,0 解聚 ;D:Mg 2+ 必须, 钙离子尽可能除去 ;E: 需要 GTP 供能 (2) 体内装配 : 具有严格时空性稳定微管 : 纤毛 鞭毛 ; 不稳定微管 : 纺锤体

96 (3) 体外装配方式 : α,β 微管蛋白 异二聚体 原纤维 ( 原丝 ) 片状原纤维 微管 踏车现象 : 在一定条件下, 微管的一端发生装配, 使微管不断延长, 而在另一端发生解聚而使微管缩短

97

98 微管组装的过程 1 成核期 2 延长期 3 稳定期

99 2 微管组织中心(Microtubule Orgnanizing Center, MTOC) 正常生理条件下的体内组装 : 微管的装配总是先由一定区域开始的, 该区域为 MTOC 微管的负端附在微管组织中心 γ -TuRC 上受到保护, 微管的延长和缩短变化发生在正端 所有动物细胞中, 中心体 (centrosome) 是主要的微管组织中心 真正起 MTOC 作用的可能是位于中心粒周围的一些蛋白质成分

100 3 极性 (Polarity) 结构有极性 : 微管两端结构不同,β 微管蛋白所处的一端为正极 (+), 以装配为主 ;α 微管蛋白所处的一端为负极 (-) 生长有极性 : MTOC 处为负极, 背向 MTOC 处为正极 生长端为 +, 起始端为 -

101 微管有极性

102 4 稳定性与微管蛋白浓度及 GTP 的存在有关 GTP 微管蛋白 GDP 微管蛋白

103

104 微管的动态变化

105

106

107 微管戴帽蛋白的调节作用 驱动蛋白 13

108 微管去稳蛋白

109 四 微管的特异性药物 1 抑制微管组装药物: 秋水仙素 秋水仙胺 鬼臼素 长春花碱等 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, 长春花碱具有类似的功能 2 稳定微管的药物: 紫杉醇 重水 紫杉醇 (taxol) 等能促进微管的装配, 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

110 五 微管的功能 支持和维持细胞的形态 维持胞内膜性细胞器的空间定位分布 细胞内运输 细胞运动 纺锤体与染色体运动 植物细胞壁形成 纤毛和鞭毛运动

111 1. 支持和维持细胞形态

112 蝾螈红细胞膜下的微管束

113 2. 维持细胞内的膜性细胞器的空间定位分布 深绿 : 微管浅兰 : 内质网黄色 : 高尔基体 上图 : 内质网抗体染色下图 : 微管抗体染色 上图 : 高尔基抗体染色下图 : 微管抗体染色

114 3 细胞内的物质运输 真核细胞内部是高度区域化的体系, 细胞中合成的物质 一些细胞器等必须经过细胞内运输过程 这种运输过程与细胞骨架体系中的微管及其 Motor protein 有关

115 Motor proteins: 提供运输动力 涉及两大类马达蛋白 : 均需 ATP 供能 驱动蛋白 (kinesin), 向着微管 (+) 极运输小泡 动力蛋白 (dynein), 在细胞分裂中推动染色体的分离 驱动鞭毛的运动 向着微管 (-) 极运输小泡

116 驱动连接蛋白 驱动蛋白 kinesin

117 动力蛋白 dyenin 动力肌动蛋白复合物

118

119 摩托蛋白协同运输的细胞器

120 4. 细胞运动 : 细胞的运动器, 变形运动 5. 纺锤体与染色体的运动 : 纺锤体由微管构成 6. 植物细胞壁的形成 : 微管对植物细胞纤维素纤维形成的方向有一定的控制作用 7. 纤毛与鞭毛的运动

121

122 纺锤体与染色体的运动

123 六 微管组成的细胞器 中心体 纤毛和鞭毛 有丝分裂器

124 Singlet Double Triplet A A B B In cilia and flagella C In centrioles and basal bodies

125 ( 一 ) 中心体 中心体由两个相互垂直的中心粒构成 周围是一些无定形物质, 叫做中心粒周围物质 (PCM) 中心体 = 中心粒 + 中心粒周围物质

126

127

128 中心粒周围物质是微管组织中心

129

130 中心粒具有自我装配的能力 G1 期, 两中心粒略分开 S 期, 每一中心粒近端出现短的前中心粒分裂前期, 前中心粒延长形成成熟的中心粒

131

132 纤毛本体转变区基体 ( 二 ) 纤毛 鞭毛纤毛短多, 鞭毛长少 外周二连体

133

134 纤毛本体的轴丝 9+2 型 微管结构 外周 :9 组二联体微管外周二联体 轴丝 A 亚丝 : 整管 ; B 亚丝 :C 型半管 短臂 : 内外臂 中央 :2 条中央微管

135 纤毛轴丝为 9+2 结构

136 放射辐 中央鞘 外动力蛋白臂 中央单体微管 二联丝间连桥 内动力蛋白臂

137 纤毛 鞭毛的基体 (9+0 三联管 )

138 化学组成 微管蛋白 动力蛋白 连接蛋白

139 纤毛的运动机制 : 微管滑动假说 二联丝 A 管上的动力蛋白臂有 ATP 酶活性, 可以水解 ATP 放出能量, 动力蛋白与相邻二联丝 B 管发生时附时离的变化, 导致二联丝间相互滑动 放射辐的辐头也有 ATP 酶活性, 放射辐与中央鞘之间也可以滑动, 使纤毛弯曲, 引起纤毛摆动

140

141

142 纤毛的运动机制 有效鞭击 恢复鞭击

143 弯钩 鞭丝 定子 转子 基粒

144 ( 三 ) 有丝分裂器 纺锤体有丝分裂器 (mitotic spindle) 是细胞分裂时出现的一种微管系统, 与姊妹染色单体移向两极有关 ( 四 ) 轴足 : 原生动物轴足中的轴丝由微管构成

145 特征 单体 类型 微管微丝中间纤维 β 微管蛋白二聚体 G- 肌动蛋白杆状蛋白 细胞内分布靠近细胞核细胞质膜内侧整个细胞 结合核苷酸 GTP/ 二聚体 ATP/ 单体无 纤维直径 25nm 7nm 10nm 结构 13 根原丝组成的空心管状纤维 双股螺旋 组织特异性无无有 极性有有无 单体蛋白库有有无 踏车行为有有无 特异性药物 秋水仙胺 长春花碱 紫杉醇 细胞松弛素 B, 鬼笔环肽 结合蛋白有有有 多级螺旋 无

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