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1、第七章 细胞骨架,生命科学学院 刘永章,微 管（microtubules,MT）微丝（microfilament,MF）中间纤维（intermediate filament,IF）细胞运动机制,细胞骨架 Cytoskeleton,细胞骨架的定义,细胞骨架(cytoskeleton)是由细胞内蛋白质成分组成的一个复合的网架系统，包括微管(microtubule)、微丝(microfilament)和中间丝(intermediate filament)。,功能：维持细胞形态和区域化的网架，保持细胞内部结 构的有序性；参与细胞运动、参与物质运输、参与细胞分裂、参与细胞内信息传递等生命活动密切相关。,
2、研究方法:1、电子显微镜技术（1）透射电镜（2）超高压电镜（3）免疫电镜（4）整装电镜技术（5）快速冷冻深度蚀刻技术2、免疫荧光显微镜技术3、活细胞荧光显微成像技术,第一节 微管 Microtubule,MT,一、微管的结构和化学组成 1、微管的形态结构：微管呈中空圆筒状，能动态组装与去组装，对低温、高压和秋水仙素等药物敏感。,A fluorescently stained image of cultured epithelial cells showing the nucleus(yellow)and microtubules(red),2、微管的化学组成,微管蛋白(tubulin)-80%
3、微管结合蛋白-20%,（1）微管蛋白(tubulin),微管蛋白以异二聚体(heterodimer)的形式存在,由和两个亚单位组成。,(2)微管结合蛋白,微管结合蛋白分为两大类：微管相关蛋白 MAPs 微管聚合蛋白 Tau蛋白,与微管结合，并与微管蛋白共同组成微管系统。,主要功能：促进微管组装。增加微管稳定性。促进微管聚集成束。,GTP Mg2+秋水仙素 长春花碱等：,(3)与微管结合的有关分子,可阻断微管组装，破坏纺锤体。,二、微管的类型,singlet doublet triplet大多数微管 鞭毛，纤毛 中心体，基体,微管组成的细胞结构,1.中心粒(centriole),中心体(cent
4、rosome)=2个垂直的中心粒+周围物质,中心粒结构,短筒状小体，成对存在且相互垂直。,每个中心粒由9组三联体微管斜向排列呈风车状包围而成，为(90)结构,微管组织中心（MTOC），参与有丝分裂。,2.纤毛和鞭毛,鞭毛少而长，纤毛短而多。,9组二联管+一对中央单管，（9+2）结构。,鞭毛与纤毛轴丝以基体为MTOC组装而成，基体结构同中心粒。,在细胞中微管是一种动态结构，微管与微管蛋白单体之间存在可逆的动态平衡。,根据组装与去组装的速度不同可将微管分为：动态微管，如纺锤体稳定微管，如纤毛,三、微管的组装和极性,微管的体外装配：,极性装配:,在（）极端发生装配使微管伸长在（）极端发生去组装使微管
5、缩短,异二聚体首尾相接，组装成的微管具有极性；,-踏车行为,2.微管的体内装配：,微管组织中心（microtubule organizing center,MTOC）：活细胞内微管组装时总是以某部位为中心开始聚集，这个中心称为微管组织中心,包括中心体、基体和着丝粒等。,装配过程及极性规律同体外组装。,3、作用于微管的特异性药物,特异性药物：1、秋水仙素、长春花碱等抑制微管组装；2、紫杉醇能抑制微管的去组装，增强微管的稳定性。其它影响微管装配的因素：微管蛋白的浓度温度：20 促进组装Ca2+：低则促进组装,高则趋向解聚压力：高则趋向解聚pH值：调节组装,1、构成细胞的支架并维持细胞形态；2、参与
6、细胞内物质运输（见细胞运动）；3、维持细胞内细胞器的空间定位和分布；4、构成鞭毛与纤毛的主体结构成分；5、组装成纺锤体（见染色体分离），参与有丝分裂中染色体的定向移动；6、参与细胞内信号传递。,四、微管的主要功能,2、参与细胞内物质运输,所有的细胞运动都和细胞内的细胞骨架体系（尤其是微管、微丝）有关，同时需要ATP和马达蛋白（motor protein.分解ATP释放能量）。P203 P214马达蛋白（特殊的酶）：水解ATP 获得能量，沿着微丝或微管移动。,马达蛋白（motor protein）,肌球蛋白（myosin）与微丝运动有关 驱动蛋白（kinesin）和动力蛋白（dynein）与微管
7、运动有关,以细胞骨架为轨道，ATP提供能量。,结合肌动蛋白与ATP，水解ATP产生动力,结合钙调素等轻链，调节头部活性,决定肌球蛋白是单体或二聚体，是否与膜结合,肌球蛋白：1条重链+数条轻链,P214,驱动蛋白及动力蛋白以微管为轨道，微管马达蛋白的运输是单方向：驱动蛋白朝微管（+）端运动 动力蛋白朝微管（）端运动,P204,驱动蛋白：2条重链+2条轻链,动力蛋白,动力蛋白,4.鞭毛和纤毛运动的机制 P205,鞭毛结构为：92+2（9组二联管围绕一对单管）每组二联管的A管伸出动力蛋白臂指向B管，水解释放能量，促使动力蛋白沿相邻的B管朝（）端走动，从而引起二联管之间相互滑动。,动力蛋白,5、参与染
8、色体分离 P206,纺锤体 微管有三种:动粒微管 极微管 星体微管,第二节 微丝 Microfilament,MF,（a）微绒毛；(b)细胞质中的收缩束；（c）运动细胞前缘的鞘和指；(d)细胞分裂时的收缩环。,一、微丝的结构和分子组成：,图示,1、微丝的结构 由肌动蛋白(actin)组成的实心螺旋状纤维,又称肌动蛋白纤维(actin filament)，直径约nm。两条线性排列的肌动蛋白链形成螺旋，形状如双线捻成的绳子。Actin首尾相连，微丝具有极性。,2、微丝的分子组成,肌动蛋白(actin)肌动蛋白结合蛋白(actin-binding protein)已知 40 余种,（1）肌动蛋白 a
9、ctin,单体为球形肌动蛋白，称G-actin(globular actin)；多聚体为纤维状肌动蛋白，称F-actin(fibrous actin)。每个actin单体由两个亚基组成，外观呈哑铃形。有阳离子（Mg2+、K+、Na+）、ATP/ADP和肌球蛋白结合位点。具有极性：正端和负端,（2）肌动蛋白结合蛋白 actin-binding protein,以不同方式与肌动蛋白结合，形成多种不同的亚细胞结构，执行不同功能，已知的微丝结合蛋白有40多种。如：原肌球蛋白（tropomyosin,Tm）、肌球蛋白(myosin)、肌钙蛋白(troponin,Tn)、非肌细胞中肌动蛋白结合蛋白等。,原
10、肌球蛋白和肌钙蛋白在横纹肌细肌丝中与肌动蛋白结合,示,二、微丝的组装,体外：肌动蛋白可以在适宜条件下装配成肌动蛋白丝。胞内：依其功能的改变而发生动态变化，受不同物质调 控，有踏车行为。,影响微丝组装的药物,药物：1、细胞松驰素B特异性地破坏微丝组装；2、鬼笔环肽抑制微丝解聚，增强微丝的稳定性。其它影响微丝装配的因素：G-肌动蛋白浓度ATP、适宜的温度、K+和Mg2+等离子的存在促进微丝组装。细胞内部分肌动蛋白结合蛋白可抑制微丝组装。,三、微丝的类型,张力丝（tonfilament）：存在于一般细胞中，常位于膜内侧，其基部构成细胞间连接装置如桥粒。起支架作用，使细胞有韧性及弹性。肌丝（myofi
11、lament）：存在于肌细胞中，有收缩作用。神经丝（neurofilament）：存在于树突及轴突中，与乙酰胆碱（Ach）运输有关。,四、微丝的主要功能,1、组成细胞骨架，维持细胞形态 2、参与细胞运动：变形虫的胞质运动，胞 吞、胞吐作用，膜泡运输作用等。3、微丝参与胞质分裂 4、参与受精作用 5、参与细胞内信息传导等 6、参与肌肉收缩,2、参与细胞运动:,成纤维细胞的运动（慢速）（图）（1）线状足或片状足粘着斑防止回缩向前移动（2）肌动蛋白组装,P213,3、微丝参与胞质分裂（有丝分裂后末期、以断裂方式分开）：,微丝收缩形成收缩环,肌球蛋白参与,微丝收缩,细胞凹陷产生分裂沟并最终分离,P21
12、5,4、参与受精作用 P215,由肌动蛋白的组装与去组装引起,顶体反应（acrosomal reaction）精子细胞伸出顶体突起，穿透卵细胞胶质层与卵黄层，促使精卵结合完成。肌动蛋白聚合成微丝束 顶体突起伸长,5、参与细胞内信息传导,生长因子成纤维细胞（激活G蛋白相关的信号传递途径）生长分裂。两种Ras相关的G蛋白（Rac和Rho）：Rac能激活PIP2代谢途径，引起细胞移动的早期事件（肌动蛋白聚合，膜变皱等）。Rho激活酪氨酸激酶，引起细胞运动的后期事件（张力丝、粘着斑形成等）。,6、参与肌肉收缩（P216）,肌肉收缩：（1）横纹肌：肌原纤维（电镜）（图）粗丝肌球蛋白丝，肌节的A带 细丝肌
13、动蛋白丝，结合有原肌球蛋白（TM）、肌钙 蛋白（TN），形成I带。（2）肌肉收缩时粗丝横桥拉动细丝朝中央移动，肌节缩短，但粗丝和细丝的长度保持不变。（3）细胞质Ca2+触发肌肉收缩,肌球蛋白头部结合在微丝（肌动蛋白丝）上 水解1分子ATP 朝微丝（+）端移动2个肌动蛋白亚基距离产生力量引起膜泡运输、肌细胞中粗细肌丝的滑动。,以肌球蛋白为例说明肌肉收缩机制:,肌球蛋白结合ATP，引起头部与肌动蛋白纤维分离；ATP水解，引起头部与肌动蛋白弱结合；,Pi释放，头部与肌动蛋白强结合，头部弯曲，引起细肌丝向(+)端移动；ADP释放。进入新一轮循环。,第三节 中间丝(intermediate filame
14、nt)（了解与自学部分）,中间纤维也称居间纤维或中等纤维，是由不同的蛋白质组成的空心纤维结构，直径10nm，介于微管和微丝之间，故名。IF是最稳定的细胞骨架成分，主要起支撑作用。IF在细胞中围绕着细胞核分布，成束成网，并扩展到细胞质膜，与质膜相连结。,不同细胞中中间丝的化学组成不一样，但结构相似。,细胞骨架3种成分的比较（表2-6-7）,第四节 细胞骨架与疾病,（二）阿尔茨海默病（神经系统疾病）Tau蛋白被异常磷酸化 形成神经纤维缠结NFT 失去和微管结合的活性 导致正常微管解聚 轴突转运受损。,（三）纤毛、鞭毛不动综合症（遗传性疾病）由纤毛结构缺陷引起，表现为慢性鼻炎、中耳炎、支气管炎、男性不育等。,（一）细胞骨架与肿瘤不同类型细胞具有不同类型中间丝，可作为细胞类型区分的标志之一。因此可作为肿瘤来源诊断和分类鉴别的工具。,问答：1、简述微管的化学组成及其结构。2、细胞运动有哪两种机制？3、简述肌球蛋白介导细胞运动的机制。4、简述染色体分离机制。,思考题,名词解释：1、马达蛋白（motor protein）2、微管组织中心（microtubule organizing center,MTOC）3、肌球蛋白（myosin）4、肌动蛋白（actin）5、动力蛋白（kinesin）,The End,
