大学精品课件：七年制-细胞骨架.ppt

1、第七章 细胞骨架与细胞运动,cytoskeleton and cell motility,学习目的与要求,掌握细胞骨架的概念及基本组成成分。 掌握微管、微丝、中间纤维的结构、组成、装配及其功能。 熟悉微管、微丝、中间纤维的形态及影响其组装的因素。,细胞骨架（cytoskeleton）:是指真核细胞中与保持细胞形态结构和细胞运动有关的纤维网络，包括微管、微丝和中间丝 。 微管（microtubule, MT） 微丝（microfilament, MF） 中间纤维（intermediate filament, IF）,第一节 微 管（microtubule, MT） 由微管蛋白和微管结合蛋白组成的

2、中空圆柱状结构，存在于细胞质中； 动态结构 基本功能：维持细胞形态，参与细胞运动和物质运输 组成的细胞器：纤毛、鞭毛、纺锤体、中心体,微管蛋白单体 微管蛋白单体 微管蛋白 位于微管组织中心， 影响微管成核、定位及极性等,一组成：微管蛋白（tubulin）,异二聚体,微管,常以微管蛋白异二聚体形式存在,-微管蛋白,-微管蛋白,二形态结构：中空圆柱状结构，13根原纤维围成一周， 和微管蛋白首尾相接，具有极性。,tubulin and tubule,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1112 13,有三种存在形式： 单管、二联管和三联管。,三微管相关蛋白：（microtubule-assoc

3、iated protein, MAP） 结合在微管表面的辅助蛋白 结构区域 功能： 碱性的微管结合区域 加速微管成核作用； 酸性的突出区域 与其他骨架纤维联系 主要类型： MAP-1（轴突和树突中） MAP-2（胞体和树突中） tau （只存在 于轴突中） MAP-4（大多数细胞中）,神经元细胞,四微管的组装：,微管蛋白亚基 结合紧密组装 水解 微管蛋白亚基 易脱落 解聚 微管组装过程： 成核期（延迟期）： 异二聚体寡聚体 侧面增加 片状带 合拢 一段微管 聚合期（延长期）：聚合速度 大于 解聚速度 稳定期 ：聚合速度 等于 解聚速度,(一) 体外组装: 微管蛋白的浓度和GTP 是调节微管组装

4、的物质。,pH6.9,和微管蛋白,37,有GTP和Mg2+,微管,微管的体外组装过程与踏车现象模式,（二）体内组装： 微管装配的起始点是微管组织中心（中心体、鞭毛 和纤毛基体） 微管蛋白环行复合体是集结 异二聚体的核心，微管从此生长 和延长，它与微管的负端结合， 使负端稳定。,微管在中心体部位的成核模型,微管组织中心（microtubule organizing center, MTOCs）,是微管形成的核心位点，微管的组装由此开始，常见的微管组织中心有：中心体、鞭毛基体、动粒。 都具有微管蛋白，形成微管蛋白环形复合体，刺激微管核心的形成，包裹微管蛋白的负端，防止微管蛋白的掺入。 在空间上提供

5、微管装配的始发区域。,The Orientation of Microtubules in a Cell,微管组装的动态调节-非稳态动力学模型,（三）影响微管组装和去组装因素,组装：370C,有GTP和Mg2+ 游离GTP-微管蛋白浓度 紫杉醇 和微管蛋白 微管 解聚：40C,或Ca2+, 游离GTP-微管蛋白浓度 秋水仙碱和长春新碱 微管的聚合与GTP-微管蛋白浓度呈正比,六微管的功能,（一）形成网状支架，支持和维持细胞的形态,（二）参与细胞内物质运输,马达蛋白：介导细胞内物质沿细胞骨架运动的蛋白。 动力蛋白 MT(+) MT(-) 驱动蛋白 MT(-) MT(+) 肌球蛋白(MF),细胞中

6、微管介导的物质运输,（三）维持细胞器的定位与分布 线粒体的分布与MT平行；游离核糖体位于MT和MF的交叉点上； ER沿微管在细胞质中展开；Gc沿MT向核区牵拉，定位于细胞中央。,（四）构成纤毛、鞭毛和中心粒，参与细胞运动 纤毛和鞭毛是微管形成的细胞特化结构，是细胞 能收缩的附属物。 纤毛短而多；鞭毛少而长 中心粒：成对出现的圆柱形小体，彼此垂直排列。 功能：参与微管蛋白的合成与微管的聚合， 与细胞分裂、能量代谢有关。,（五）参与染色体的运动，调节细胞分裂,（六）参与细胞内信号传导,第二节 微 丝 microfilament , MF,一组成： 基本单位肌动蛋白（actin）（极性：正/负端）

7、6种亚型 肌动蛋白 骨骼肌型肌动蛋白 心肌型肌动蛋白 血管型肌动蛋白 肌动蛋白 肌动蛋白 细胞质型肌动蛋白 肠型肌动蛋白,存在方式: 球状肌动蛋白（globular actin, G-actin） 纤维状肌动蛋白（filamentous actin, F- actin）,图10-34 G-肌动蛋白与F-肌动蛋白模式图 (B) G-肌动蛋白; (C) F-肌动蛋白,微丝结合蛋白及其功能,是细胞内存在的一大类能与肌动蛋白单体或肌动 蛋白纤维结合的、能改变其特性的蛋白 。,种类：按其功能可分为三大类： 与F-肌动蛋白的聚合有关的蛋白； 与微丝结构有关的蛋白； 与微丝收缩有关的蛋白 ；,功能：调节肌动

8、蛋白单体肌动蛋白多聚体微丝 以不同方式与肌动蛋白相结合，形成多种不同 的亚细胞结构，执行不同的功能。,二结构： 可弯曲性蛋白纤维，双螺旋结构/单根， 具有极性，位于细胞膜内侧细胞皮质区,三体外组装： 需ATP和K+、Mg2+存在及适宜的温度,成核期 ：三聚体核心 生长期 ：正极快于负极（ ATP调节） 平衡期 ：形成速度等于解离速度,踏车模型,微丝组装的动态调节-踏车模型,微丝装配时，肌动蛋白分子添加到肌动蛋白丝上的速率正好等于肌动蛋白分子从肌动蛋白丝上解离的速率时，微丝的净长度不变，这种过程称为肌动蛋白的踏车行为。,非稳态动力学模型,ATP是调节微丝组装的主要因素， ATP-肌动蛋白浓度 与

9、其聚合速度呈正比。,A肌动蛋白 结合紧密组装 水解 A肌动蛋白 易脱落 解聚,微丝的体内组装的调节,微丝体内组装受一系列肌动蛋白结合蛋白的调节,微丝成核蛋白 （nucleating protein）,Arp2/3复合物,成核蛋白formin,影响组装与去组装因素 组装：TP和Mg2+，Na+/+ -肌动蛋白浓度，鬼笔环肽 -肌动蛋白 微丝 解聚：Ca2+ Na+/+ -肌动蛋白浓度，细胞松弛素B,四动态调节：,五功能： 1构成细胞支架、维持细胞形态 细胞皮层：细胞膜下，由微丝和微丝结合蛋白组成网状结构,培养的上皮细胞 （微丝红色、微管绿色）,微绒毛,细胞皮层（cell cortex）：质膜下具

10、有较高密度、由微丝和各种微丝结合蛋白组成的网状结构。该结构具有很高的动态性，为细胞膜提供强度和韧性，维持细胞的形态。,A.微绒毛； B.细胞质中的收缩束； C.运动细胞前缘的片状伪足和丝状伪足；D.细胞分裂时的收缩环,2参与细胞运动：参与细胞的各种运动, 如 变形运动,细胞的内吞和外吐等 微丝可以两种不同的方式产生运动： 滑动机制，如微丝与肌球蛋白丝相互滑动 微丝束的聚合和解聚,培养的动物细胞爬行过程模式图,肌球蛋白的功能 （a） 运输小泡；(b)运输微丝。,3参与细胞内物质运输 与微管一道进行细胞内物质运输,4参与细胞质分裂 收缩环（大量平行排列、不同极性微丝组成),5参与肌肉收缩 肌小节肌

11、原纤维：粗肌丝（肌球蛋白）+ 细肌丝（肌动蛋白+原肌球蛋白+肌钙蛋白）,粗肌丝由肌球蛋白组成， 细肌丝由三种蛋白组成，,肌肉收缩是粗肌丝和细肌丝相 互滑动的结果,6. 微丝参与受精作用,精子头端启动微丝组装，形成顶体刺突完成受精。,7. 微丝参与细胞内信息传递 细胞外的某些信号分子与细胞膜上的受体结合，可触发膜下肌动蛋白的结构变化，从而启动细胞内激酶变化的信号转导过程。 主要参与Rho蛋白家族有关的信号转导,第三节 中间丝,直径介于微丝和微管之间，位于核膜下核纤层（坚固）， 胞质中网架结构。 赋予细胞强大的机械强度，维持细胞的形态结构和功能。,一化学组成：至少由50多种异源性纤维状蛋白 组成，

12、 分为六大类。,具有组织特异性，不同类型细胞含有不同IF。 通常一种细胞含有一种中间纤维，少数含有2种以上。 肿瘤细胞转移后仍保留源细胞的IF。,二中间纤维结合蛋白 (intermediate filament associated protein，IFAP) 是一类在结构和功能上与中间丝有密切联系，但其本身不是中间丝结构组分的蛋白。 使中间纤维交联成束、成网， 把中间纤维交联到质膜或其它骨架成分上 特点：具有细胞特异性,三形态结构： 长的线性蛋白。由螺旋化杆状区，以及两端非螺旋化的球形头（N端） 尾（C端）部构成。,角蛋白keratin 波形纤维蛋白vimentin 神经纤维蛋白neurof

13、ilament protein,四组装,五组装的动态调节： 体内：中间纤维蛋白丝氨酸和苏氨酸的磷酸化 体外：低离子强度和微碱性时明显解聚， 当离子强度和pH恢复生理水平时， 装配成中间纤维。,六中间纤维的功能： 1在细胞内形成一个完整的网状骨架系统 2提供细胞机械强度作用：比微管、微丝更耐剪切力， 变形时不断裂。 3参与细胞的分化 4参与细胞连接 5参与细胞内的信息传递与物质运输 6维持细胞核膜稳定，与DNA的复制有关,*胞质骨架三种组分的比较*,第五节 细胞骨架与疾病 一细胞骨架与肿瘤 （一）细胞骨架在肿瘤细胞中的变化： 恶性肿瘤细胞的细胞骨架被破坏 微管减少甚至缺如。 肌动蛋白小体的出现高

14、转移表型 （二）微管和微丝与肿瘤化疗 长春新碱、秋水仙素（与纺锤体微管蛋白结合） 抑制细胞增殖,（三）中间纤维与肿瘤诊断： 1.不同类型的中间纤维严格分布在不同类型的细胞中， 用于区分上皮细胞、肌细胞、间质细胞、胶质细胞、 神经细胞。 2细胞出现转化时仍保持原来细胞的特征性中间纤维 3具有与原来组织相关的特异性抗原 4用于区分肿瘤细胞的类型及来源,二细胞骨架蛋白与神经系统疾病 阿尔茨海默氏病大量损伤的神经元纤维（微管蛋白聚集缺陷 信号传递紊乱） 三细胞骨架与遗传性疾病 细胞骨架蛋白的基因发生突变会引起遗传病的发生，如单纯性疱性表皮松懈症即由于角蛋白突变所致。,Cytoskelton and d

15、isease of nerve system: Alzheimers diseases,Cytoskelton and disease of nerve system: Amyotrophic Lateral Sclerosis, ALS,Cytoskelton and disease of nerve system: Huntington Disease，HD,Cytoskeleton and Hereditary Diseases,Epidermolysis bullosa simplex,Wiskott Aldrich syndrome,WAS,Immotile cilia syndro

16、me,鞭毛,纤毛,A亚纤维,B亚纤维,C亚纤维,桥,Keratin filaments of epithelial cells are tightly anchored to the plasmamembranes at desmosmes and hemidesmosomes,Summary of Chapter Six The ability of eucaryotic cells to adopt a variety of shapes and to carry out coordinated and directed movements depend on the cytoskelet

17、on, a complex network of protein filaments that extends throughout the cytoplasm. It is directly responsible for the crawling of cells, muscle contraction et al; it also provides the machinery for actively moving organelles from one place to another in the cytoplasm. Its diverse activities depend on

18、 just three principal types of protein filaments: actin filaments, micortubules and intermediate filaments.,Actin is the most abundent（丰富） protien in many eycaryotic cells, often constituting 5% or more of the total cell protein. While actin is distributed throughout the cytoplasm, most animal cells

19、 possess an especially dense network of actin filaments and associated proteins just beneath the PM. This network constitutes the cell cortex, which gives mechanical strength to the surface of the cell and enables the cell to change its shape and to move.,Both actin and tubulin （微管蛋白）are major prote

20、ins in nearly all eucaryotic cells. However, tubulin is generally present in small amounts. Since a microtubule has a greater diameter than an actin filament, a mass of about 10 times more tubulin than actin is required to make the same length of polymer. Consequently, the total length of the actin

21、filaments in a cell is at least 30 times greater than the total length of the microtubules, -,reflecting a fundamental difference in the organization and function of these two cytoskeletal polymers. Most of microtubules in animal cells grow from the centrosome, which acts as a microtubule-organizing

22、 center. The transport of organelles in the cytoplasm is often guided by microtubules. Beside, microtubules are highly labile structures that are sensitive to specific antimitotic drugs.,Intermediate filaments have an average diameter of about 10 nm and are made of several proteins depend on the cel

23、l or tissue type. The proteins differ chemically and in their cellular roles. 1. Keratins are a family of proteins (40-68 kDa) found in most epithelial cells. The variety of keratins speaks to the variety of functions performed by skin, hair, nails in protection abrasion and desiccation. 2. Vinmenti

24、n (56-58 kDa) filaments are found in cells of mesenchymal origin such as fibroblasts, macrophages and endothelial cells.,3. Desmin (53-55 kDa) is found in smooth muscle and in the Z lines of skeletal and cardiac muscle. 4. Glial Fibrillary Acidic Protein (51 kDa) is only found in glial cells (astroc

25、ytes). 5. Neurofilaments are found in most neurons and are composed of at least three polypeptides (68, 140 and 210 kDa). 6. Nuclear Laminins (65-75 kDa) are found in the nuclear lamina of cells.,The Basic feature of IF are: i. animal cells can survive without cytoplasmic IF; ii. IFs provide mechanical support to the cell and its nucleus; iii. Form transcellular network in epithelia to resist external force; iv. Neurofilaments protect nerve cells from break by resisting stresses caused by the motion; Other functions to be further clarified.,