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1、第五章 细胞骨架系统,第一节 微管,第二节 微丝,第三节 中间丝,细胞骨架系统,细胞骨架（cytoskeleton）：真核细胞内由微管、微丝、中间丝等蛋白纤维组成的网状结构系统。这些网络结构对细胞的形态结构、运动、物质运输、信息传递及增殖与分化等都有重要作用。Kolzoff(1928)提出细胞骨架概念。Shanterback(1963)在水螅细胞中发现微管。目前，细胞骨架研究已进入分子水平。,微丝 微管 中间纤维,用一定的药物处理细胞，在显微镜下可见一网架结构（如图），证实了细胞骨架的存在。,光镜下细胞骨架：红色荧光显示微丝、黄色显示微管、兰色显示细胞核。,电镜下显示微丝,光镜下细胞骨架：黄色
2、荧光显示微管,特点：弥散性、整体性和变动性,第一节 微管,分散在细胞质中（多数细胞）存在于所有真核细胞 胞内呈网状或束状分布 平行成束排列（神经细胞）排列为一定的几何图形样结 构（中心粒、鞭毛、纤毛）,一、微管的形态结构和存在形式,中空、管状纤维，外径2426nm，内径15nm，管壁厚5nm，长短不一。,1.结构：微管蛋白、亚基聚合成异二聚体，异二聚体相连排列而成原纤维。,由13根原纤维围成中空的微管，每条原纤维由微管蛋白、相间排列而成。,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1112 13,微管结构模式,2.存在形式,单管：质膜下的微管，不稳定二联管：鞭毛、纤毛的杆部，稳定三联管：中心粒
3、、鞭毛、纤毛的基体部，稳定,二、微管的分子组成,微管主要由微管蛋白构成，包括微管蛋白、。、微管蛋白占微管总蛋白量8095%，通常以、异二聚体存在。微管蛋白存在于微管组织中心（微管装配始发区域，微管极性的确定及在细胞分裂中起作用）。,三、微管的组装及调节,（一）微管的体外装 装配条件：、异二聚体达临界浓度(约1mg/ml)，有Mg2+、无Ca2+、pH6.9、37，GTP提供能量。（+）装配快（）装配慢。踏车运动：一定条件下，（+）组装（）去组装。,Characteristics of MT assembly,Dynamic instability due to the structural d
4、ifferences between a growing and a shrinking microtubule end.GTP cap;Catastrophe:accidental loss of GTP cap;Rescue:regain of GTP cap,（二）微管的体内装配,遵循体外装配规律，还受严格时间、空间控制。时间控制：如纺锤丝微管的聚合与解聚发生在细胞 分裂期，这是生命活动的特殊时刻。空间控制：微管组织中心，微管装配的特殊始发区 域，包括中心体、基体、动粒 正常生理状态下，装配先由微管组织中心开始。,微管组织中心：活细胞中，微管组装时，总是以某部位为中心开始聚集，这 个中心
5、称为微管组织中心,包括中心粒、星体和动粒等。微管组织中心决定细胞微管的极性，微管的负端指向微管组织中心，正端离开微管组织中心。TuRC存在于微管组织中心，就像一颗种子，成为更多异二聚体结合上去的核心，微管从此生长、延长。,MT are nucleated by a protein complex containing-tubulin,The centrosome is the major MTOC of animal cells,（三）微管装配的调节 体内微管蛋白的合成是可以自我调节的多余的微管蛋白单体结合于合成微管蛋白的核糖体上，导致微管蛋白mRNA降解。微管在体内的装配和去装配，在时间和空
6、间上高度有序。如：细胞分裂期微管的装配、去装配。微管蛋白或 TuRC中的某些蛋白质被磷酸化，从而打开 TuRC组织形成微管的能力。,（四）微管敏感的药物 紫杉酚（加速聚合）秋水仙素（解聚）长春碱（抑制聚合）nocodazole（阻断聚合）等,四、微管结合蛋白,微管结合蛋白：一些同微管结合的辅助蛋白，总与微管共存，参与微管装配，是微管的结构和功能所必需的成分。（1）碱性的微管结合区域：与微管结合，加速微管成核作用。（2）酸性的突出区域：以横桥的方式与其他骨架纤维相连接。,高等生物的微管结合蛋白有：MAP1：MAP2：使微管成束时保持较宽的间隔。MAP4：Tau：使微管成束时紧密。,五、微管的主要
7、功能,（一）构成细胞内的网状支架，支持和维持细胞形态,（二）参与中心粒、纤毛和鞭毛形成,1、中心粒：9组三联管围成圆筒状结构。动物细胞中主要的微管组织中心。,中心粒为成对存在且相互垂直短筒状小体。每个短筒状小体由9组三联体微管斜向排列呈风车状排列而成，为(9*3)结构,纵切面,横切面,示 1对中心粒电镜照片,2、鞭毛和纤毛：9组二联管+2个中央微管。,纤毛和鞭毛形成,纤毛运动,（三）维持细胞内细胞器的定位和分布 使内质网在细胞质中展开分布，使高尔基体靠近细胞核，染色体向两极移动等。（四）为细胞内物质运输提供轨道 细胞内物质的定向运送，特别是膜泡运输，与微管的存在有关。例如神经递质、细胞分泌颗粒
8、、色素颗粒及线粒体的快速运动都是沿微管进行的。马达蛋白：胞质动力蛋白、驱动蛋白,马达蛋白,动力蛋白沿微管滑动-膜泡运动模型,马达蛋白,驱动蛋白,动力蛋白,第二节 微丝,一、微丝的形态结构和存在形式：在真核细胞中由肌动蛋白（actin）组成的细丝,实心纤维，直径57nm，成束或弥散分布。肌细胞中，微丝形成稳定结构；非肌细胞中，微丝常分布质膜下，是动态结构。,光镜下上皮细胞,红色显示微丝,光镜下绿色显示肌动蛋白,二、微丝的分子组成,G肌动蛋白（肌动蛋白单体，呈哑铃形）ATP（或ADP）Mg2+和K+或Na+F肌动蛋白（丝形肌动蛋白）,肌动蛋白分子球形，直径为2-3nm，有三类，即、，有极性。单体存
9、在于肌细胞中；和单体存在于非肌细胞中。,球形单体 G-肌动蛋白的两个亚基。,肌动蛋白纤维：“T型”纤维：倾向于组装。与ATP结合“D型”纤维：倾向于去组装。与ADP结合 鬼笔环肽抑制微丝解聚，稳定肌动蛋白纤维；细胞松弛素抑制肌动蛋白的聚合。,三、微丝的组装及其调节,极性组装：组装速度快的一极为正端，组装速度慢的为负端。在一定条件下，微丝正端组装，负端去组装，表现出踏车现象。微丝体内装配有成核作用。微丝装配受ATP、Ca2+、Na+、K+、功能、外部信号影响。,(2)In vitro,(Polymerization)both ends of the MF grow,but the plus en
10、d faster than the minus.Because actin monomers tend to add to a filaments plus end and leave from its minus end-“Tread-milling”,(3)Dynamic equilibrium between the G-actin and polymeric forms,which is regulated by ATP hydrolysis and G-actin concentration.,微丝的组装,四、微丝结合蛋白,（一）肌细胞中的微丝结合蛋白 1、原肌球蛋白：由两条平行的多
11、肽链形成的-螺旋结构，长约40nm，位于肌动蛋白纤维的螺旋沟内。2、肌钙蛋白：是一种特大的球蛋白，由3个亚基组成。3、肌球蛋白：是一种收缩蛋白，有多种类型。,原肌球蛋白和肌钙蛋白在横纹肌细肌丝中与肌动蛋白的结合,5-11,肌动蛋白结合蛋白，有40多种，最重要的是肌球蛋白,肌球蛋白常聚合为两极纤维,（二）非肌细胞中微丝结合蛋白,有 40多种，主要与微丝装配及功能有关。大多以简单的方式与肌动蛋白相结合，形成多种不同的亚细胞结构，并具有多种功能。如：血影蛋白、绒毛蛋白。,五、微丝的主要功能,（一）支撑作用 1、形成应力纤维 2、支持微绒毛（二）参与细胞运动 1、变形运动 2、细胞分裂 3、肌肉收缩（
12、三）参与胞内信息传递,动画演示运动功能,肌肉的收缩运动,Thick and thin filaments sliding model,Excitation-contraction coupling process,Action potential,Ca2+rise in cytosol,Tn,Tm,Sliding,第三节 中间丝,中间丝直径直径810nm，介于微管和微丝之间，也称中间纤维、中等纤维。是细胞骨架的一种主要成分在细胞构建、分化等多种生命活动中起重要的作用。,一、中间丝的形态结构和分布,中空管状结构结构极稳定分布具有高度的组织特异性。,二、中间丝的化学组成和分类,（一）化学组成 中间
13、丝蛋白是一个多基因家族、具高度同源性，化学性质各不相同，结构上具有多形性，受发育阶段的调节。头部：位于N-末端，非螺旋 结构，球形区域；杆部：四段高度保守螺旋 形成的超螺旋；尾部：C-末端球形区域。,中间丝的分子结构,（二）分类 1、角蛋白纤维：上皮细胞、毛发、指甲。2、神经元纤维：神经元轴突等。3、波形蛋白样纤维：间质细胞、肌肉细胞、胶质细胞等。4、核纤层蛋白：细胞内层核膜。,上皮细胞 角蛋白Keratin,波形蛋白（Vimentin）分布于间质细胞,三、中间丝的组装及其调节,组装：(1)二聚体（两相邻亚基对应螺杆区形成双股超螺旋）。(2)四聚体亚单位（指向相反的超螺旋二聚体交错排列而成）。
14、(3)八聚体原纤维（四聚体组装成）。(4)中空管状中间丝（八聚体疏水侧面相互作用组装成中空管状的中间丝）。,原纤维,四聚体,二聚体,中间纤维,中间丝组装模型,IFs assemble from fibrous subunits,调节：中间丝组装、去组装机制不清楚，正常条件下，蛋白质磷酸化调节中间去组装。中间丝装配的特点：螺旋是反向平行排列，两端对称，无极性；遵循半分子长度交错原则进行装配；蛋白纤维可形成同种聚合体或异种聚合体；体外装配无需其他物质参与；中等纤维蛋白绝大部分装配成中等纤维；中间丝头尾非螺旋区起稳定中间丝和连接其他结构的作用，是中间丝组装毕不可少的。,四、中间丝结合蛋白,非中间丝组
15、成蛋白，但在结构和功能上与中间丝有密切联系。如：使角蛋白成束的filaggrin，使波形蛋白成束的plectin。另外还有MAP2、血影蛋白、ankyrin、desmoplakin,五、中间丝的功能,（一）细胞内支撑作用（二）参与相邻细胞间、细胞与基膜间的连接（三）参与细胞内信息传递及物质运输（四）与细胞分化有关,Summary:Cytoskeletal functions,微管 微丝 中间纤维组成 微管蛋白 肌动蛋白 角蛋白、结蛋白、微管相关蛋白 微丝结合蛋白 波形蛋白、胶原纤维蛋白 神经丝蛋白直径 20-30nm 6-7nm 7-11nm结构 管状 双螺旋状 管状组装能量 GTP ATP
16、无作用因素 秋水仙素 细胞松驰素 秋水仙素 鬼笔环肽 胰酶 功能 细胞支架、支架、细胞器定位等 运动等 胞内运输等,微管、微丝、中间纤维的比较,细胞骨架与疾病,1.男性不育 2.老年痴呆 3.进行性肌萎缩,Alzheimers disease,neurofibrillary tangle.The neurons demonstrate intracytoplasmic proliferation of twisted filaments producing the visible neurofibrillary tangle under the microscope.These are com
17、monly found in the pyramidal cells of the Hippocampus and the cerebral cortex.H and E stain,microscopic.,Alzheimers disease,neurofibrillary tangle.The tangles are best demonstrated with Bielschowsky silver stain as shown here,microscopic,球形红细胞症,复习重点,细胞骨架（cytoskeleton）由微管、微丝、中间丝等蛋白纤维组成的网状结构系统。第一节 微管
18、存在于所有真核细胞，胞内呈网状或束状分布。1、微管形态结构：中空、管状纤维，直径2426nm，管壁厚5nm。由13根原纤维围成，每条原纤维由微管蛋白、相间排列而成。2、微管存在形式：单管、二联管、三联管。,微管的分子组成 微管主要由微管蛋白构成，包括微管蛋白、。通常以、异二聚体存在，微管蛋白存在于微管组织中心。微管的组装及其调节（一）微管的体外装配装配快(+)()装配慢。踏车运动：一定条件下，组装（+）（）去组装。（二）微管的体内装配：还受严格时间、空间控制。微管结合蛋白：一些同微管结合的辅助蛋白，总与微管共存，参与微管装配，是微管的结构和功能所必需的成分。,微管的主要功能（一）构成细胞内的网
19、状支架，支持和维持细胞形态（二）参与中心粒、纤毛和鞭毛形成：1、中心粒：9组三联管围成圆筒状结构。2、鞭毛和纤毛：9组二联管+2个中央微管。（三）维持细胞内细胞器的定位和分布（四）细胞内物质运输轨道 马达蛋白,第二节 微丝一、微丝的形态结构和存在形式：实心纤维，直径57nm，成束或弥散分布。肌细胞中，微丝形成稳定结构，非肌细胞中，微丝常分布质膜下，是动态结构。二、微丝的分子组成G肌动蛋白（肌动蛋白单体，呈哑铃形）ATP（或ADP）Mg2+和K+或Na+F肌动蛋白（丝形肌动蛋白）三、微丝的组装及其调节：极性组装：组装速度快一极为正端，组装速度慢的为负端。,四、微丝结合蛋白：（一）肌肉收缩系统中的
20、微丝结合蛋白：1、原肌球蛋白。2、肌钙蛋白。3、肌球蛋白。（二）非肌细胞中微丝结合蛋白：40多种。五、微丝的主要功能（一）支撑作用：1、形成应力纤维。2、支持微绒毛。（二）参与细胞运动：1、变形运动。2、细胞分裂。3、肌肉收缩。（三）参与胞内信息传递,第三节 中间丝 中间丝直径介于微管和微丝之间，也称中间纤维、中等纤维。一、中间丝的形态结构和分布：中空管状结构，直径810nm。结构极稳定，分布有高度的组织特异性。（一）中间丝的化学组成：中间丝蛋白（多基因家族、具高度同源性），一般可分为头部、杆部和尾部。其中头部：位于N-末端，非螺旋结构，球形区域；杆部：四段高度保守螺旋形成的超螺旋；尾部：C-末端球形区域。,（二）中间丝的分类：1、角蛋白纤维。2、神经元纤维。3、波形蛋白样纤维。4、核纤层蛋白 三、中间丝的组装(1)二聚体。(2)四聚体。(3)八聚体原纤维。(4)中空管状中间丝。五、中间丝的功能（一）细胞内支撑作用（二）参与相邻细胞间、细胞与基膜间的连接（三）参与细胞内信息传递及物质运输（四）与细胞分化有关,
