第十二章____细胞骨架_cytoskeleton

掌握细胞骨架的基本概念；熟悉广义的细胞骨架的组成成分及其结构特点和功能。 1928 Koltzoff 纤维状结构 细胞骨架原始概念 1963 Slauterback 水螅刺细胞 戊二醛 微管 细胞骨架 狭义：细胞质骨架 微管

纤丝: 微丝、中间丝、粗丝 广义的细胞骨架

胶原

细胞外基质

非胶原糖蛋白 氨基聚糖和蛋白聚糖 弹性蛋白

细胞膜骨架

细胞骨架

细胞质骨架

微管 核基质

细胞核骨架

核纤层-核孔复合体体系 染色体骨架

微丝

纤丝

中间丝 粗丝

特点：弥散性、整体性、变动性 微管、纤丝

• Microtubules are rigid tubes composed of subunits the protein tubulin.

• Microfilaments are solid ,thinner structures comoposed of the protein actin. • Intermediate filaments are tough,ropelike fibers composed of a variety of related proteins. 细胞骨架的功能

◆作为支架(scaffold)，形成细胞链接 ◆在细胞内形成一个框架(framework)结构

◆维持细胞器的空间定位，为细胞内的物质和细胞器的运输运动提供机械支持 ◆为细胞的位置移动提供力

◆为信使RNA提供锚定位点，促进 mRNA翻译成多肽 ◆是细胞的机器 ◆参与信号转导

一. 微管 Micro-tubule, MT （一）形态结构

◆微管是由微管蛋白异源二聚体为基本构件,螺旋盘绕形成微管的壁

◆在每根微管中二聚体头尾相接, 形成细长的原纤维(protofilament) ◆13条原纤维纵向排列组成微管的壁 （二）化学组成 微管蛋白microtubulin ◆微管蛋白类型：

◆α和β微管蛋白进化过程中保守，亲和力强，形成长度为8nm的异源二聚体 ◆每一个微管蛋白二聚体有两个GTP结合位点 ●α亚基GTP结合位点

●β亚基GTP结合点是可交换位点(exchangeable site) ● β-微管蛋白具有秋水仙素结合位点

◆γ-微管蛋白的功能是帮助αβ微管的聚合。

微管结合蛋白 MAP microtubule associated protein ★MAPs的功能

◆使微管相互交联形成束状结构; ◆促进微管的聚合;

◆作为分子发动机转运细胞物质的轨道; ◆提高微管的稳定性; ◆MAPs同微管的结合能够控制微管的长度，防止微管的解聚。 ★微管的类型

◆根据组成分为: ●单管●双联管●三联管

◆根据稳定性: ●短寿的不稳定微管●长寿的稳定微管 （三）微管的特性

1.自我装配 2.极性 3.稳定性 4.微管的特异性药物 ★微管装配的动力学现象

◆踏车现象(tread milling)又称轮回现象, 是微管组装后处于动态平衡的一种现象。 ◆动态不稳定性(dynamic instability)

微管随反应体系中游离αβ二聚体的浓度变化而发生的生长状态和缩短状态的转变。 ★Microtubule organizing centers, MTOC

◆中心体(Centrosome) ●细胞核旁 ●基体(basal body) ◆中心粒(Centriole) ★微管的极性

◆α、β二聚体以首-尾排列的方式进行组装，具有方向性(极性) ◆两端分别称为“+”端(plus end)和“-”端(minus end)。 Characteristics of MT assembly  MT are nucleated by a protein complex containing -tubulin MTs assemble from microtubule-organizing centers (MTOCs)  Why the centrosome can act as MTOC  Experiments supporting that centrosome is the MTOC 影响微管装配的因素

◆造成微管不稳定性的因素很多，包括GTP、压力、温度(最适温度37℃)、pH、微管蛋白临界浓度(critical concentration)。

1）微管蛋白浓度 临界浓度 1mg/ml 2) 最适pH pH6.9

3) 离子环境 Mg2+促进微管聚合 Ca2+抑制微管聚合 4）温度 37℃组装 0℃解聚 5）压力 高时解聚；低时装配

6）化学药物 紫杉酚、重水 秋水仙素、长春花碱、秋水酰胺、鬼臼素

★影响微管稳定性的药物

◆紫杉醇(taxol) ● 存在于红豆杉属植物中的一种复杂的次生代谢产物, 也是目前所了解的惟一一种可以促进微管聚合和稳定已聚合微管的药物。

◆秋水仙素(colchicine) ●秋水仙素与未聚合的微管蛋白二聚体结合,阻止聚合。 (四)微管的功能 ★支架作用

◆ 维持细胞形态Maintain cell shape ◆ 维持胞内膜性细胞器的空间定位分布

★细胞内物质运输transport cytes interior substance ◆触突运输(axonal transport)

◆鱼的色素细胞(fish pigment cells) ★参与各种细胞运动

◆细胞运动、染色体与纺锤体运动movement of chromosome and spindle apparatus 、细胞器的定位localization of organelle、鞭毛和纤毛运动movement of flagella and cilia ★植物细胞壁的形成 Molecular motor

◆发动机是一种能够将化学能或电能转变成机械能的机器。

◆Motor proteins To convert chemical energy (stored in ATP) into mechanical energy, which is used to move cellular cargo attached to the motor. ★分子发动机的类型

◆Motor proteins can be grouped into three broad families: ●肌球蛋白(myosins)家族To move along microfilaments. ●驱动蛋白(kinesins)家族To move along microtubules ●动力蛋白(dyneins)家族To move along microtubules ★分子发动机移动的主要特点

◆Motor proteins move unidirectionally along their cytoskeletal track ●驱动蛋白:从(-)端向(+)端的运输 ●动力蛋白:从(+)端向(-)端运输 ◆In a stepwise manner ◆The fuel is ATP

◆To undergo a series of conformational changes that constitute a mechanical cycle ★驱动蛋白(kinesins) ◆Structure

●kinesin is a tetramer constructed from two identical heavy chains and two identical light chains

●A kinesin molecule has a pair of globular heads that bind a microtubule and acts as ATP-hydrolyzing, force-generating “engines.\"

●a fan-shaped tail that binds cargo to be hauled●Each head is connected to a neck, a rodlike stalk ◆驱动蛋白功能特点

●Kinesin is a plus end-directed microtubular motor

●Each step is approximately 8 nm in length, which is also the spacing between tubulin dimers along a protofilament

●移动的速度与ATP的浓度有关 ●速度高时,可达到每秒900nm ★Cytoplasmic dyneins

◆Cytoplasmic dynein is a huge protein : molecular mass of approximately 1.5 million daltons

◆Composed of two identical heavy chains and a variety of intermediate and light chains ◆To move along a microtubule toward the polymer's minus end ◆功能

●参与细胞

●运输小泡和各种膜结合细胞器 （五）微管组成的细胞器 1.中心体(centrosome)

中心粒和中心粒周围物质组成中心粒：9组三联体微管→圆筒状结构2.鞭毛和纤毛(flagellum,flagella (cilium,cilia) 纤毛结构

• 纤毛本体 • 纤毛基体 • 纤毛小根

★组成纤毛和鞭毛的轴丝(axoneme) ◆轴丝的微管结构:9+2 ●外围:质膜包裹

●外周:9组双联管,A管与B管 ●:鞘包裹一对微管 ◆双联管的结构特点

●A管:完全微管、内外动力臂、放射辐条 ●B管:不完全微管

◆轴丝微管组成与排列特点 ●9组三联管:基体(basal body) ●9组二联管:近基体 ●9+2:轴丝 ●单管:纤毛顶部 化学组成

• 微管蛋白(tubulin) • 动力蛋白(dynein) • 连接蛋白(nexin)

◆纤毛动力蛋白(ciliary dynein) ●是多头的动力蛋白 ●基部同A管相连

●头部同相邻的B管相连

●头部具有ATP结合位点，能够水解ATP。 ◆纤毛和鞭毛的运动机制

微管滑动模型(sliding-microtubule model)

成对相互垂直排列 功能:细胞运动 物质运输

3.有丝器(mitotic spindle) 4. 轴足(axopodia) 二、纤丝(filament)

微丝(microfilament) 中间丝(intermediate filament) 粗丝(thick filament) （一）横纹肌的结构及收缩机制 Muscle contraction ★骨骼肌细胞的基本结构 ◆肌纤维(muscle fibers) ◆肌原纤维(myofibrils)

◆I带与A带(I band and A band) ●I带(isotropic band, I band) ●A带(anisotropic band, A band) ◆Z线(Z disk) ◆H带(H zone)

Structure of myofibrils ◆粗肌丝(thick filament)

由250-360个肌球蛋白Ⅱ聚合而成的肌球蛋白丝 ◆细肌丝(thin filament)

●肌动蛋白(actin )，它约占肌原纤维的总蛋白的25%； ●原肌球蛋白(tropomyosin, Tm)

●肌钙蛋白(troponin. Tn)∶TnT,TnC,TnI ◆肌节(sarcomere)

●明带(light zones),I带 ●暗带(dark bands),A带 ◆其他:肌联蛋白、伴肌动蛋白

粗肌丝基本成分：肌球蛋白（myosin） ★肌收缩机制--滑动纤维模型 ◆实验观察∶

在肌肉收缩过程中: ●肌节几乎缩短50%，

●A带的长度并没有发生变化 ●I带几乎消失 ◆机理：

滑动丝模型(sliding filament model) 肌肉收缩的机制

滑丝学说肌肉收缩的五个步骤： 1）动作电位的产生 2）Ca2+的释放

3）原肌球蛋白的位移

4）肌动球蛋白复合物的形成 5） Ca2+的回收

★Ca2+在肌收缩中的作用 ◆Ca2+释放

●运动神经信号引起肌细胞膜电位去极化 ●T管(transverse tubules,T tubules) ∶ ●运动神经信号通过T管打开Ca2+通道 ◆Ca2+对肌收缩的调节作用

●Ca2+与肌钙蛋白结合解除原肌球蛋白的 抑制作用

●肌动蛋白与肌球蛋白头部结合形成交联桥 ●利用ATP进行滑动

（二）平滑肌收缩的机制 （三）非肌细胞中的微丝 1、 微丝的组成

肌动蛋白纤维 actin filament ø5-7nm 成分：肌动蛋白 actin MW 43Kdal

存在状态：哑铃形单体 有极性纤维状多聚体 微丝分子结构：一条哑铃状肌动蛋白单体链 右手螺旋

★微丝的形态结构 ◆F-actin:

●F-肌动蛋白呈双股螺旋状,直径为8nm, 螺旋间的距离为37nm。 ◆G-actin:三个结合位点: ●一个ATP结合位点

●两个肌动蛋白结合蛋白的结合位点。 2、微丝的装配

微丝组装条件：一定浓度镁离子,高浓度钠离子、 钾离子，ATP 装配：踏车行为(tread milling) 永久性结构：端网 暂时性结构：刺突 ★肌动蛋白纤维装配

◆ATP的作用 Actin is an ATPase, just as tubulin is a GTPase, and the role of ATP in actin assembly is similar to that of GTP in microtubule assembly ◆装配过程

●成核(nucleation) ●延伸(elongation)

●稳定状态(steady state)

assembly and disassembly (装配与去装配)

Within a MF, all the actin monomers are oriented in the same direction, so MF has a polarity. Monomers of G-actin bind ATP and reversibly polymerize into a double stranded filament. ★影响装配的因素

◆G-肌动蛋白临界浓度 ◆离子的影响

●在含有ATP和Ca2+, 以及很低的Na+、K+ 等阳离子的溶液中,微丝趋向于解聚成G-肌动蛋白。 ●在Mg2+和高浓度K+或Na+的诱导下, G-肌动蛋白则装配成纤维状肌动蛋白

★微丝的动态性质 ◆极性

◆踏车现象(treadmilling) ◆微丝的动态平衡

Dynamic equilibrium between the G-actin and polymeric forms, which is regulated by ATP hydrolysis and G-actin concentration.

Actin-binding proteins The structures and functions of cytoskeleton are mainly controlled by its binding proteins ★微丝结合蛋白的类型

◆单体隔离蛋白(monomer-sequestering protein) ◆加帽蛋白(capping protein)

◆交联蛋白(cross-linking protein)

◆纤维割断蛋白(filament-severing protein) ◆膜结合蛋白(membrane-binding protein) ★微丝发动机蛋白:肌球蛋白(myosin)

◆肌球蛋白的结构 由一个重链和几个轻链组成，并组成三个结构域∶ ●头部 含有与肌动蛋白、ATP结合的位点，负责产生力。

●颈部 颈部通过同钙调素或类似钙调素的调节轻链亚基的结合来调节头部的活性。 ●尾部 含有决定尾部是否同膜结合还是同其它的尾部结合的位点

◆肌球蛋白的功能 不同种类肌球蛋白的特殊功能由它们的尾部决定： ●肌球蛋白Ⅰ:运输作用 ●肌球蛋白Ⅴ:运输作用

●肌球蛋白Ⅱ:肌收缩、胞质

作用于微丝和微管的特异性药物Specific drugs affect polymer dynamics 特异性药物 作用机制 肌动蛋白特异性药物 鬼笔环肽（philloidin） 结合并稳定纤维 细胞松弛素（cytochalasin） 结合在纤维正极阻止肌动蛋白聚合 Swinholide 切断纤维 Latrunculin 与亚基结合，阻止其聚合 微管特异性药物 紫杉醇（taxol） 结合并稳定微管 秋水仙素(colchicines)， 与亚基结合，阻止其聚合 秋水酰胺(colcemid) 与亚基结合，阻止其聚合 长春花碱(vinblastine)， 与亚基结合，阻止其聚合 长春新碱(vincristine) 与亚基结合，阻止其聚合 Nocodazole • Cytochalasins(细胞松弛素): Prevent the addition of new monomers to existing MFs, which eventually depolymerize.

• Phalloidin(鬼笔环肽): A cyclic peptide from the death cap fungus, blocks the depolymerization of MF

Those drugs disrupt the monomer-polymer equilibrium, so are poisonous to cells Maintain

cell’s shape and enforce PM 微丝在非肌细胞中作用

◆形成应力纤维，维持细胞外形，支持微绒毛，参与细胞的连接； ◆细胞内运输作用；

◆细胞质流动(cytoplasmic streaming)，胞质环流(cyclosis)； ◆细胞爬行(cell crawling)，变形运动( amoeboid movement) ●单细胞爬行:amoeboid motion ●多细胞的爬行

◆胞质(cytokinesis) ◆ 参与信息传递

◆细胞运动过程中力产生的机制

●通过微丝的装配，将质膜向前推进 ●通过肌球蛋白和肌动蛋白相互作用

（四）中间丝 intermediate filament,IF

◆真核细胞中第三种细胞骨架成分

◆这种纤维的平均直径介于微管和微丝之间,故称为中间纤维 ◆它的直径为10nm, 故又称10nm 纤维 ◆由长的、似杆状的蛋白装配而成

IFs are the most abundant and stable components of the cytoskeleton 中间纤维的结构

◆IFs are a chemically heterogeneous group of structures ◆In humans, IFs are encoded by at least 50 different genes

◆The polypeptide subunits of IFs can be divided into six major classes based on their tissue distribution

• 中间纤维蛋白分子由一个310个氨基酸残基形成的α螺旋杆状区，以及两端非螺旋化的球形头（N端）尾（C端）部构成。

• 杆状区是高度保守的，由螺旋1和螺旋2构成，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（图9-26）。

• 头部和尾部的氨基序列在不同类型的中间纤维中变化较大，可进一步分为①H亚区：同源区；②V亚区：可变区；③E亚区：末端区。 ★中间丝的类型

1）角蛋白丝 keratin filament 2）波形蛋白丝 vimentin filament 3）结蛋白丝 desmin filament 4）神经丝 neurofilament

5）神经胶质丝 neuroglial filament 6）核纤层蛋白丝laminin filament

Acording to amino acids sequence homology Intermediate filament 6 types and distribute

顺序类型 名称 分子量(kD) 多肽数 组织分布 I 酸性角蛋白 40-57 15 上皮细胞 II 中性和碱性角蛋白 53-67 15 上皮细胞 III 结蛋白 53 1 肌细胞

胶质纤维酸性蛋白 50 1 胶质细胞和星形细胞 波形蛋白 57 1 间充质细胞 外周蛋白 57 1 神经元 IV 神经纤维蛋白 62-110 3 成熟的外周和中枢神经元

Internexin 66 1 发育中的中枢神经系统 V 核纤层蛋白A.B.C 60-70 3 真核细胞 VI nestin 240 1 中枢神经系统干细胞

◆中间纤维装配过程

◆IF装配与MF,MT装配相比，有以下几个特点：

·IF装配的单体是纤维状蛋白(MF,MT的单体呈球形)；·反向平行的四聚体导致IF不具有极性； ·IF在体外装配时不需要核苷酸或结合蛋白的辅助，在体内装配后，细胞中几乎不存在IF单体(但IF的存在形式也可以受到细胞调节，如核纤层的装配与解聚)。

• 细胞内的中间纤维蛋白绝大部分组装成中间纤维，而不像微丝和微管那样存在蛋白库，仅约

50%左右的处于装配状态。再者IF的装配与温度和蛋白浓度无关，不需要ATP或GTP。 IF intermediate filament associated protein， IFAP （中间纤维的结合蛋白）

中间纤维的结合蛋白（intermediate filament associated protein，IFAP）的功能是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，已知的IFAPs约15种左右，分别与特定的中间纤维结合，如：flanggrin使角蛋白交联成束。 Plectin将波形蛋白纤维与微管交联在一起。 Ankyrin 把结蛋白纤维与质膜连在一起。

IFAPs的共同特点是：①具有中间纤维特异性。②表达有细胞专一性。③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。④在细胞中某些IFAP的表达与细胞的功能和发育状态有关。

IFAPs的判定标准： ①在细胞内与中间纤维共分布；②抗高盐与非离子去垢剂抽提，与中间纤维共分离； ③与中间纤维经历相同的解聚和装配周期； ④在体外能与中间纤维结合。 Functions of Intermediate Filaments ◆给细胞提供机械强度,保持细胞的整体性; ◆参与细胞连接 ◆参与物质运输

◆对纺锤体和染色体的空间定向有支持作用,负责子细胞中细胞器的分配、细胞器在子细胞中的定位,维持细胞核的形态 ◆参与信息传递 ◆参与mRNA的运输

表 胞质骨架三种组分的比较 单体 微丝 球蛋白 微管 αβ球蛋白 中间纤维 杆状蛋白 结合核苷酸 纤维直径 结构 纤维极性 组织特异性 ATP ~7nm 双链螺旋 有 无 GTP 无 ~25nm 10nm 13根源纤丝组成空8个4聚体或4个8聚体组成心管状纤维 的空心管状 有 无 有 无 有 无 蛋白\\踏车行为 有 动力结合蛋白 肌球蛋白 特异性药物 动力蛋白，驱动蛋白 无 细胞松驰素秋水仙素，紫杉酚 鬼笔环肽

思考题

 广义的细胞骨架包括哪几部分？ 有何分子结构特点和功能？ 微丝、微管特异性抑制剂分别是什么？

 微管的形态结构如何?其装配有何特点?

 微管构成的细胞器有哪些？ 有何结构特点和功能？  纤毛运动的机制如何？

 粗肌丝和细肌丝的分子结构特点如何？  肌球蛋白有哪几个酶解位点？有何意义？  中间纤维根据化学性质不同可分为哪几种？  为什么说细胞质骨架是细胞质的组织者？

 各种细胞骨架成分是如何相互联系使细胞形成一个有机的整体的？