細(xì)胞骨架作用機(jī)理

1、細(xì)胞骨架,細(xì)胞骨架：真核細(xì)胞中的蛋白纖維立體網(wǎng)架體系。 狹義：指細(xì)胞質(zhì)骨架：微絲microfilament、微管microtubule、中間絲intemediate filament 廣義：核骨架、細(xì)胞質(zhì)骨架、細(xì)胞膜骨架、細(xì)胞外基質(zhì)特點(diǎn)：彌散性、整體性、變動(dòng)性功能：維持細(xì)胞形態(tài)，保持細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)的有序性細(xì)胞運(yùn)動(dòng)、物質(zhì)運(yùn)輸、能量轉(zhuǎn)換、信息傳遞、細(xì)胞分裂、基因表達(dá)、細(xì)胞分化,概 述,Microtubules,Microfi

2、lamemts,Intermediate filaments,,Low-magnification image of epithelial cells stained to show actin (in red), microtubules (in green) and DNA (in blue).  Note the four rounded cells undergoing cell division.,Cytoskele

3、ton of a cultured epithelial cell. Microtubules are shown in green, actin is shown in red and DNA is in blue. Image by Steve Rogers. (Fluorescence Microscope),微絲確定細(xì)胞表面特征，使細(xì)胞能夠運(yùn)動(dòng)和收縮。微管確定膜性細(xì)胞器的位置和作為運(yùn)輸導(dǎo)軌。中間纖維使細(xì)胞具有張力和抗剪

4、切力。,The three types of protein,第一節(jié) 微管microtubule,MT,微管普遍存在于真核細(xì)胞的胞質(zhì)中，分布于核周圍，呈放射狀向四周擴(kuò)散。在胞質(zhì)中形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，作為運(yùn)輸路軌并起支撐作用。微管是由微管蛋白組成的管狀結(jié)構(gòu)，對(duì)低溫、高壓和秋水仙素敏感。,A fluorescently stained image of cultured epithelial cells showing the nucleus (

5、yellow) and microtubules (red),光鏡下黃色熒光顯示微管,光鏡下的微管,,電鏡下的微管,真核細(xì)胞中微管所處的三種位置。,特點(diǎn)和功能：存在于所有真核細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中；是真核細(xì)胞特有的保守性結(jié)構(gòu)；出現(xiàn)于細(xì)胞周期特定時(shí)刻或某一特定發(fā)育過(guò)程。在不同細(xì)胞有相同形態(tài)。是一種動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，通過(guò)其亞單位的裝配和去裝配能適應(yīng)細(xì)胞的變化。呈網(wǎng)狀或束狀分布,與其他蛋白裝配成紡錘體、中心粒、鞭毛、纖毛、軸突和神經(jīng)管等結(jié)構(gòu)，參與細(xì)胞

6、形態(tài)的維持，細(xì)胞內(nèi)運(yùn)動(dòng)和細(xì)胞分裂。,一、分子結(jié)構(gòu),形態(tài)結(jié)構(gòu)：是由微管蛋白二聚體裝配成的長(zhǎng)管狀細(xì)胞器結(jié)構(gòu)，大小均勻一致，外徑25nm，內(nèi)徑15nm，微管壁由13條原纖維螺旋盤繞一周構(gòu)成。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Singlet,Double,Triplet,A,B,A,B,C,In cilia and flagella,I

7、n centrioles and basal bodies,微管有單管、二聯(lián)管和三聯(lián)管三種存在形式。,二、微管的化學(xué)組成,化學(xué)組成：微管蛋白和微管相關(guān)蛋白。（一）微管蛋白tubulinα微管蛋白和β微管蛋白(球形酸性蛋白)是裝配成微管的基本亞單位。三級(jí)結(jié)構(gòu)相似，能緊密聯(lián)結(jié)在一起形成異二聚體，在進(jìn)化上高度保守。,每條原纖維由微管蛋白二聚體線性排列而成。二聚體由結(jié)構(gòu)相似的α和β球蛋白構(gòu)成，均可結(jié)合GTP。α球蛋白結(jié)合的GTP從不發(fā)生

8、水解或交換。β球蛋白也是一種G蛋白，結(jié)合的GTP可發(fā)生水解，結(jié)合的GDP可交換為GTP。,二、微管相關(guān)蛋白microtubule associated proteins,MAPs,1.概念： 2.MAP由兩個(gè)區(qū)域組成： (1)堿性的微管結(jié)合結(jié)構(gòu)域 (2)酸性的突出結(jié)構(gòu)域,I型：MAP1；分布于神經(jīng)細(xì)胞的軸突和樹突中，在其他非神經(jīng)細(xì)胞中也有。II型：MAP2，存在于樹突 MAP4，存在于神經(jīng)細(xì)胞核非神經(jīng)

9、細(xì)胞 Tau，存在于軸突和樹突MAPs可與其它細(xì)胞組分（如微管束、中間纖維、質(zhì)膜）結(jié)合。,3.種類：,4.功能：①促進(jìn)微管組裝。②增加微管穩(wěn)定性。③促進(jìn)微管聚集成束。,具有極性，(+)極生長(zhǎng)速度快，(-)極生長(zhǎng)速度慢。(+)極的最外端是β球蛋白，(-)極是α球蛋白?？尚纬煞€(wěn)定結(jié)構(gòu)，如軸突、纖毛、鞭毛。是微管結(jié)合蛋白的作用和酶修飾的原因。大多數(shù)微管處于動(dòng)態(tài)組裝和去組裝狀態(tài)（如紡錘體），具有踏車行為。秋水仙素、長(zhǎng)

10、春花堿抑制微管裝配。 紫杉酚能促進(jìn)微管的裝配, 并使已形成的微管穩(wěn)定。,成核期（延遲期）：?和?微管蛋白聚合成短 的寡聚體，核心形成。聚合期（延長(zhǎng)期）：微管蛋白聚合速度大于 解聚速度，為微管延長(zhǎng)。穩(wěn)定期（平衡期）：微管蛋白濃度達(dá)到臨界濃度，微管的組裝與去組裝速度相等。,三、微管的裝配,,微管的組裝分三個(gè)時(shí)期：,（一）微管組織中心是微管裝配的起始點(diǎn),1、微管組織中心microtubule orga

11、nizing center, MTOCs,是微管進(jìn)行組裝的區(qū)域，都具有γ微管球蛋白 ，如：中心體、鞭毛基體。,MT are nucleated by a protein complex containing ?-tubulin,The centrosome is the major MTOC of animal cells,中心體由兩個(gè)相互垂直的中心粒構(gòu)成。周圍是無(wú)定形物質(zhì)，叫做外中心粒物質(zhì)（PCM）。中心粒由9組3聯(lián)微管構(gòu)成，具有召

12、集PCM的作用。MTOC處微管蛋白以環(huán)狀的γ球蛋白復(fù)合體為模板核化、先組裝出（-）極，然后開始生長(zhǎng)。提純的微管，在微酸性環(huán)境，適宜溫度，存在GTP、Mg2+和去除Ca2+的條件下能自發(fā)的組裝成11條原纖維的微管。,（二）微管的體外組裝1. 微管的組裝：條件：微管蛋白濃度、GTP、 37℃、pH6.9。,微管的裝配過(guò)程,2. 微管組裝—?jiǎng)討B(tài)不穩(wěn)定性模型,(1)GTP-微管蛋白與微管末端親和性大—微管蛋白聚集。(2)GDP-微管蛋

13、白與微管末端親和性小—微管蛋白解聚。,GTP微管蛋白,GDP微管蛋白,(3)當(dāng)GTP-微管蛋白的組裝速度大于GTP的水解速度時(shí)，形成一GTP帽,微管延長(zhǎng)。,(4) 隨著GTP-微管蛋白濃度下降，不穩(wěn)定性。,GTP微管蛋白,GDP微管蛋白,The function of GTP-tubulin cap,GTP hydrolysis is not required for microtubule assembly，WHY？,（三）微管的體內(nèi)

14、組裝,1. 細(xì)胞內(nèi)微管組裝的特點(diǎn)：隨細(xì)胞周期和生理 狀況處于動(dòng)態(tài)變化之中，頻率高于體外。 2. γ-微管蛋白環(huán)形復(fù)合體存在微管組織中心。,（四）影響微管組裝的因素 1.促進(jìn)微管組裝的因素： 微管蛋白濃度高于Cc、 37℃、 GTP和Mg2+存在時(shí)，微管組裝；,2.抑制微管組裝的因素：微管蛋白濃度低于Cc ， 低于4℃、高Ca2 + ，微管解聚； 3.藥物： 紫杉醇：促進(jìn)微管的組裝。

15、 秋水仙素、長(zhǎng)春花堿：抑制微管的組裝。,,Antimitosis drugs,（一）、微管構(gòu)成細(xì)胞內(nèi)的網(wǎng)狀支架，支持和維持細(xì)胞的形態(tài)。微管具有一定的強(qiáng)度，能夠抗壓和抗彎曲，給細(xì)胞提供機(jī)械支持力。,五、微管的功能,維持細(xì)胞的形態(tài)固定與支持細(xì)胞器的位置,紅色顯示微絲綠色顯示微管,在細(xì)胞內(nèi)，微管作為內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸?shù)能壍?。具體功能由馬達(dá)蛋白（ motor protein ） ：主要分為三類:1.動(dòng)力蛋白（cy

16、toplasmic dynein ）2.驅(qū)動(dòng)蛋白(kinesin)3.肌球蛋白（myosin) 將物質(zhì)沿微絲運(yùn)輸,（二）、微管參與細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸,,將物質(zhì)沿微管運(yùn)輸,1.驅(qū)動(dòng)蛋白kinesin超家族：,結(jié)構(gòu)：兩個(gè)球形的頭部：具有ATP活性，水解ATP產(chǎn)生能量，與微管結(jié)合；尾部與被轉(zhuǎn)運(yùn)分子結(jié)合。方向性：由微管的負(fù)端向正端 ，蛋白的運(yùn)動(dòng)是一步一步地進(jìn)行的。,2.微管動(dòng)力蛋白（cytoplasmic dynein）超家族,△由微管的正端

17、向負(fù)端運(yùn)動(dòng) △動(dòng)力蛋白通過(guò)可溶的多亞基蛋白復(fù)合體與被運(yùn)輸物結(jié)合,多亞基蛋白,動(dòng)力蛋白,驅(qū)動(dòng)蛋白,Dynein發(fā)現(xiàn)于1963年。由兩條相同的重鏈和種類繁多的輕鏈以及結(jié)合蛋白構(gòu)成。作用：推動(dòng)染色體的分離、驅(qū)動(dòng)鞭毛的運(yùn)動(dòng)、向著微管（-）極運(yùn)輸小泡。,,驅(qū)動(dòng)蛋白,動(dòng)力蛋白,沿微管運(yùn)輸?shù)鸟R達(dá)蛋白,,,+,（三）微管維持細(xì)胞器的定位和分布 線粒體的分布與微管相伴隨。游離核糖體附著于微管和微絲的交叉點(diǎn)上。,,（四）微管參與染色體的運(yùn)

18、動(dòng)，調(diào)節(jié)細(xì)胞分裂,微管是構(gòu)成有絲分裂器的主要成分。染色體的分裂和位移與微管馬達(dá)蛋白有關(guān)。,有絲分裂時(shí)，微管形成紡錘體，牽引染色體到達(dá)分裂極,1. 形成紡錘體 。,2. 形成鞭毛和纖毛結(jié)構(gòu)：由基體和鞭桿兩部分構(gòu)成；鞭毛中的微管為9+2結(jié)構(gòu)；二聯(lián)微管A管由13條原纖維組成，B管由10條原纖維組成；A管向相鄰B管伸出兩條動(dòng)力蛋白臂，并向鞭毛中央發(fā)出一條輻；基體的微管組成為9+0。運(yùn)動(dòng)原理：動(dòng)力蛋白臂的dynein水解ATP作功，使相鄰的二

19、聯(lián)微管相互滑動(dòng)。,,,纖毛桿部,質(zhì)膜,,軸絲,,9 X 2 + 2,二聯(lián)體微管,中央微管,中央鞘（內(nèi)鞘）,外 臂,內(nèi) 臂,,動(dòng)力蛋白,B,A,輻條頭,輻 條,管間連接絲,,,,,,,,,,,第三節(jié) 中間纖維,直徑10nm左右，介于微絲和微管之間，故名。IF是最穩(wěn)定的細(xì)胞骨架成分，主要起支撐作用。IF在細(xì)胞中圍繞著細(xì)胞核分布，成束成網(wǎng)，并擴(kuò)展到細(xì)胞質(zhì)膜，與質(zhì)膜相連結(jié)。,intermediate filaments，IF,Kera

20、tin filaments of epithelial cells are tightly anchored to the plasmamembranes at desmosmes and hemidesmosomes,一、類 型,分5類：角蛋白、結(jié)蛋白、膠質(zhì)原纖維酸性蛋白、波形纖維蛋白、神經(jīng)纖絲蛋白。具有組織特異性，不同類型細(xì)胞含有不同IF。通常一種細(xì)胞含有一種IF，少數(shù)含2種以上。腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移后仍保留源細(xì)胞的I

21、F。,（一）角蛋白keratin表皮細(xì)胞特有，分α和β兩類，β型存在于細(xì)胞中，α型構(gòu)成頭發(fā)、指甲。單體分為：酸性角蛋白（I型）、中性或堿性角蛋白（II型）。通過(guò)兩者的異二聚體形成角蛋白纖維。（二）結(jié)蛋白desmin又稱骨骼蛋白skeletin，存在于肌肉細(xì)胞中，主要功能是使肌纖維連在一起。,（三）膠質(zhì)原纖維酸性蛋白glial fibrillary acidic protein，存在于星形神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞和許旺細(xì)胞。起支撐作用。（四

22、）波形纖維蛋白vimentin，存在于間充質(zhì)細(xì)胞及中胚層來(lái)源的細(xì)胞中。（五）神經(jīng)纖絲蛋白neurofilament protein，是由三種分子量不同的多肽組成的異聚體，功能是提供彈性使神經(jīng)纖維易于伸展和防止斷裂。,二、結(jié)構(gòu)與裝配,（一）結(jié)構(gòu)由螺旋化桿狀區(qū)、球形頭部（N端）和尾部（C端）構(gòu)成。桿狀區(qū)高度保守，由螺旋1和螺旋2構(gòu)成，每個(gè)螺旋區(qū)分為A、B兩個(gè)亞區(qū)。,intemediate filaments，IF,（二）IF的裝配,過(guò)

23、程：①兩個(gè)單體形成超螺旋二聚體；②兩個(gè)二聚體反向平行組裝成四聚體；③四聚體組成原纖維；④8根原纖維組成中間纖維。特點(diǎn)： 無(wú)極性；無(wú)動(dòng)態(tài)蛋白庫(kù)；裝配與溫度和蛋白濃度無(wú)關(guān)；不需要ATP、GTP或結(jié)合蛋白的輔助。,三、IF的結(jié)合蛋白 IFAP,功能：使中間纖維交聯(lián)成束、成網(wǎng)，把中間纖維交聯(lián)到質(zhì)膜或其它骨架成分上已知的IFAPs約15種左右，分別與特定的中間纖維結(jié)合，如：flanggrin、Plectin、Ankyrin特點(diǎn)：