6细胞骨架-PPT文档资料.ppt

一、细胞膜骨架,细胞膜下由蛋白质纤维组成的网架结构。 一方面与膜蛋白结合；另一方面与细胞质骨架相连。 参与维持细胞膜的形态，并协助细胞膜完成多种生理功能。,在细胞质基质中包括微丝、微管和中间纤维。 在细胞核中存在核骨架-核纤层体系。核骨架 、核纤层与中间纤维在结构上相互连接, 贯穿于细胞核和细胞质的网架体系。,二、细胞质骨架,The three types of protein filaments that form the cytoskeleton.,微丝(microfilament, MF)：由肌动蛋白组成的实心较细结构 微管（microtubules，MT）：由微管蛋白亚基组成的刚性管状结构 中间纤维（intermediate filament,IF)：多个相关蛋白组成的坚韧的绳索状纤维,（一）、微丝(microfilament, MF),又称肌动蛋白纤维 (F-actin) ( actin filament), 是指真核细胞中由ATP,肌动蛋白单体（G-actin）组成双股螺旋, 直径为7-8nm的骨架纤维。,成 分,肌动蛋白(actin)是微丝的结构成分,外观呈哑铃状, 直径7nm，肌动蛋白单体有极性，以头尾相连的方式组成的微丝也有极性。 单体渗入微丝前先结合一分子ATP，所以肌动蛋白也是ATP酶，结合ATP，使末端含有肌动蛋白-ATP帽，阻止纤维去组装，有利于组装。,肌动蛋白单体形成多聚体,聚合（组装）,解聚（去组装）,装 配,MF是由肌动蛋白单体形成的多聚体，肌动蛋白单体具有极性, 装配时呈头尾相接, 故微丝具有极性，既正极与负极之别。 体外实验（高浓度的带标记的肌动蛋白-ATP与微丝一起温育）表明，MF正极与负极都能生长，生长快的一端为正极，慢的一端为负极；去装配时，负极比正极快。由于G-actin 在正极端装配，负极去装配，从而表现为踏车行为,组装：在一定条件下，微丝的正极端因聚集而伸长；负极则由于解聚而缩短。,含ATP和Ca2+及低Na+和K+溶液中，趋向解聚成肌动蛋白单体；Mg2+存在和高K+及Na+溶液，趋向组装称微丝并延伸。,体内装配时，MF呈现出动态不稳定性，主要取决于F-actin结合的ATP水解速度与游离的G-actin单体浓度之间的关系。,MF动态变化与细胞生理功能变化相适应。在体内, 有些微丝是永久性的结构, 有些微丝是暂时性的结构。,微丝特异性药物,细胞松弛素：可以切断微丝,并结合在微丝正极阻抑肌动蛋白聚合,因而导致微丝解聚。 鬼笔环肽：与微丝侧面结合,防止MF解聚。 影响微丝装配动态性的药物对细胞都有毒害，说明微丝功能的发挥依赖于微丝与肌动蛋白单体库间的动态平衡。这种动态平衡受actin单体浓度和微丝结合蛋白的影响。,细胞松弛素对含肌动蛋白纤维的结构的影响,海胆的线状伪足被细胞松弛素D处理30s（a）和5min（b）,微丝结合蛋白,微丝正常的结构及功能的维持还需要微丝结合蛋白。整个骨架系统结构和功能在很大程度上受到不同的细胞骨架结合蛋白的调节。 肌肉收缩有关的肌球蛋白、原肌球蛋白、肌钙蛋白； 影响微丝组装的封端蛋白、抑制蛋白； 使微丝交联的绒毛蛋白、细丝蛋白、a-辅肌动蛋白等。,原肌球蛋白,微丝马达蛋白,又称为肌球蛋白（myosin），有十几种，属于一个蛋白超家族。有搬运膜泡、参与肌肉收缩等功能，需要ATP提供能量。 由1-2条重链和几条轻链组成。具有头、颈和尾结构域,微丝功能,肌肉收缩(muscle contraction) 细胞质运动及细胞移动 胞质分裂环 微绒毛(microvillus),肌肉收缩(muscle contraction),肌肉可看作一种特别富含细胞骨架的效力非常高的能量转换器，它直接将化学能转变为机械能。 肌原纤维是肌细胞收缩单位，由细肌丝和粗肌丝组成。 细肌丝是有微丝及两种微丝结合蛋白（原肌球蛋白、肌钙蛋白）构成。 粗肌丝是由另一种微丝结合蛋白肌球蛋白构成。 粗、细肌丝的相对滑动使肌肉产生收缩活动。,骨骼肌,肌丝,细胞核,肌小节,A带长度保持不变，H带和I带宽度变窄，最后消失Z线接触到A带边缘,原肌球蛋白, Tm and 肌钙蛋白, Tn,调节肌动蛋白与肌球蛋白头部的结合 伸长分子，7个肌动蛋白亚基结合,Tn-C特异性与Ca2+结合； Tn-T与Tm高度亲和 Tn-I抑制肌球蛋白ATPase的活性,细肌丝分子结构,肌动蛋白,原肌球蛋白,肌钙蛋白,粗肌丝上的肌球蛋白头部具有ATPase活力，参与肌丝的滑动,肌肉收缩骨骼肌细胞的收缩单位: 肌原纤维(myofibrils) 粗肌丝-肌球蛋白细肌丝-肌动蛋白(主)+原肌球蛋白+肌钙蛋白,来自脊髓运动神经元的神经冲动 轴突传递 肌肉细胞膜去极化(动作电位产生) T-小管 肌质网: 肌细胞中特化的光面内质网(钙库) 肌质网去极化释放Ca2+至肌浆中 Ca2+/肌钙蛋白Tn-C结合引起构象变化actin与Tn I脱离, 变成应力状态; Tn T使原肌球蛋白(Tm)移到actin蛋白螺旋沟深处, 消除actin If Ca2+ still 存在继续下一个循环, myosin沿肌动蛋白细丝滑动 Ca2+回收:神经冲动一经停止, 肌质网主动运输回收Ca2+, 收缩周期停止。,Actin(细肌丝)&myosin(粗肌丝)的相对滑动 actin附着到myosin头部(ATPase, myosin on a prehydrolysis ATP state unbound to actin), 结合后引起myosin头部弯曲, 同时水解ATPADP+Pi+能量 产生一获能的myosin头部(an ADP-Pi-myosin state bound to actin), 发生旋转(pivot), 在依赖Ca2+条件下, 头部结合在相邻的另一个新的actin亚基上 在Pi, ADP相继释放过程中, myosin头部又发生构象变化, 拉动肌动蛋白纤维, 使肌动蛋白纤维细丝与myosin发生相对滑动。,1结合ATP的水解2激活头部，使其微弱的结合在肌动蛋白纤维上3。Pi的释放使肌球蛋白头部更加牢固地连接在细丝上，并引起动力冲程4，滑动的细丝向肌节中央移动。ADP的释放5建立新的循环。 机械运动周期：涉及肌球蛋白头部的附着、移动和解离。 化学周期：涉及ATP结合、水解和ADP和Pi的释放,头部具有ATP酶的活性，偶联ATP水解时，引起肌球蛋白分子沿着微丝运动。,粗纤维,肌动蛋白细纤维,肌球蛋白头,核苷酸连接,头部从纤维上分离,水解作用,头部旋转并与新的肌动蛋白亚基连接,Pi释放,头部转动，并滑动纤维运动,ADP释放,参与细胞质运动及细胞移动 细胞松弛素B处理，可破坏胞质环流等细胞质运动。 参与一些细胞（巨噬细胞、变形虫）的变形移动过程。,收缩环由大量反向平行排列的微丝组成，其收缩机制是肌动蛋白和肌球蛋白相对滑动。,参与胞质分裂，形成胞质分裂环,是肠上皮细胞的指状突起，用以增加肠上皮细胞表面积，以利于营养的快速吸收。 微丝通过微丝结合蛋白平行交联成束。微丝束队微绒毛起机械支持作用，以维持微绒毛的形状。,维持微绒毛(microvillus)的形状,微丝遍及胞质各处，集中分布于质膜下，和其结合蛋白形成网络结构，维持细胞形状和赋予质膜机械强度，如哺乳动物红细胞膜骨架的作用。,微丝遍及胞质各处，集中分布于质膜下，和其结合蛋白形成网络结构，维持细胞形状和赋予质膜机械强度，如哺乳动物红细胞膜骨架的作用。,（二）微 管（Microtubules）,中空的管状结构，24nm 微管结构与化学组成 装配 微管特异性药物 微管组织中心(MTOC) 微管结合蛋白(MAP) 微管功能,1.化学组成与微管结构,微管可装配成单管,二联管(纤毛和鞭毛中),三联管(中心粒和基体中)。,由、两种微管蛋白组成，直径24nm的中空长管状结构。 、微管蛋白先结合成异二聚体，再以此为单位，聚合组装称微管（13根原纤维）。,有极性，正端（快速增长端）最末为微管蛋白；负端（慢速增长端）最末为微管蛋白,Singlet,Double,Triplet,A,B,A,B,C,纤毛和鞭毛,中心粒和基体,装 配,装配方式：-微管蛋白和-微管蛋白形成二聚体,二聚体先形成环状核心,经过侧面增加二聚体而扩展为螺旋带,二聚体平行于长轴重复排列形成原纤维(protofilament)。当螺旋带加宽至13根原纤维时,即合拢形成一段微管。 -微管蛋白结合GTP和-微管蛋白结合GTP组装，结合GDP去组装 所有的微管都有确定的极性：正极端组装速度大于负极端 微管装配是一个动态不稳定过程,·微管装配的动力学不稳定性是指微管装配生长与快速去装配的一个交替变换的现象 ·动力学不稳定性产生的原因： 微管两端具GTP帽(取决于微管蛋白浓度),微管将继续组装,反之,无GDP帽则解聚。,微管特异性药物,秋水仙素(colchicine) 阻断微管蛋白组装成微管，可破坏纺锤体结构。 紫杉酚(taxol)能促进微管的装配,并使已形成的微管稳定。对细胞有害，使细胞周期停止于分裂期，但对于癌细胞 为行使正常的微管功能,微管动力学不稳定性是其功能正常发挥的基础。,微管组织中心(MTOC),概念：微管在生理状态或实验处理解聚后重新装配的发生处称为微管组织中心(microtubule organizing center, MTOC)。 体外实验表明，在低温（0-4）或Ca2+存在时，微管趋于解聚合。 常见微管组织中心：动物细胞中心体(centrosome)，产生微管并控制微管的极性，一般认为微管负极指向MTOC,正极远离MTOC,常见微管组织中心,间期细胞MTOC： 中心体(动态微管) 分裂细胞MTOC：有丝分裂纺锤体极(动态微管) 鞭毛纤毛细胞MTOC：基体(永久性结构),中心体(centrosome),·中心体(centrosome)结构 ·中心体复制周期,中心粒外周物质PCM,管蛋白：位于中心体周围的基质中，环形 结构，结构稳定，为微管蛋白二聚体提供起始装配位点，所以又叫成核位点,无定型的中心粒外周物质包围,微管结合蛋白 (Microtubule Associated Protein, MAP),也有一些蛋白质结合微管，他们参与微管的连接。 有些阻止或促进细胞质微管解聚 有些将微管组织成束状，或将它们交联到细胞膜、中间纤维上，或把两者交联起来。,2.微管功能,对细胞的支架作用 参与细胞内物质的运输 参与鞭毛(flagella)运动和纤毛(cilia)运动 构成有丝分裂器 细胞器的定位,（1）对细胞的支架作用,微管具有刚性，抗压缩等，为细胞提供机械支持。用秋水仙素处理细胞破坏微管,导致细胞变圆,说明微管对维持细胞的不对称形状是重要的。对于细胞突起部分,如纤毛、鞭毛、轴突的形成和维持, 微管亦起关键作用。,（2）参与细胞内物质的运输,真核细胞内部是高度区域化的体系, 细胞中合成的物质、一些细胞器等必须经过细胞内运输过程。这种运输过程与细胞骨架体系中的微管有关。 ·神经元轴突运输：5um/s ·色素颗粒的运输,连接中间纤维的侧臂,马达蛋白,色素颗粒的运输,Motor Protein马达蛋白 1. Kinesin Family驱动蛋白：微管 2. Dynein Family动力蛋白：微管 3.Myosin肌球蛋白：微丝 与微管或微丝结合，又与一些细胞器和膜泡特异性结合，利用水解ATP产生的能量沿骨架运输货物。 没有发现利用中间纤维作为轨道的马达蛋白,kinesin,dynein,微管马达蛋白：使微管运动，或者使细胞质中被运输物沿着微管运输的一类蛋白质。ATP能量转变为机械能。,驱动蛋白： 主要转运膜泡、有丝分裂中染色体？、细胞器等,动力蛋白： 主要运输 膜泡、细胞器等，以及驱使纤毛和真核生物鞭毛搏动,ATP为马达蛋白提供能源。,1。在有丝分裂中作为纺锤体定位和染色体移动的产力装置 2。定位高尔基体和将小泡和细胞器移向负端,动力蛋白,1。从胞体向突触末端运输小泡和细胞器,动力蛋白则反向运动（向-）,动物细胞MTOC为中心体，在间期中心体位于细胞核附近，细胞的“中心”，胞质驱动蛋白依赖的顺向运输将线粒体、溶酶体，各种膜泡运到内质网或细胞周边。胞质动力蛋白依赖的反向运输将线粒体、内质网的成分，以及晚胞内体运到细胞中央。而色素颗粒能够沿着单根微管做交互式相对方向运动，两种蛋白参加相同的色素颗粒运输。膜泡运输也是两种马达蛋白合作进行，也可与微丝马达蛋白结合在微丝上运输。,膜泡,（3）参与鞭毛(flagella)运动和纤毛(cilia)运动,运动方向,纤毛击打,恢复击打,基体(basal body),·位于鞭毛和纤毛根部的类似结构称为基体 ·基体均具有自我复制性质,纤毛,中央单体微管,中央鞘,放射辐,外周二联体微管,基体微管，中央鞘,纤毛：9组二联体微管,鞭毛,连接蛋白,放射辐,基体,纤毛与鞭毛的结构 鞭杆：9+2:一对平行单管组成中央微管； 9个二联体微管环绕外周 基体 :9+0,（4）构成有丝分裂器，参与染色体运动：,包括纺锤体和星体。部分纺锤体与染色体直接相连，参与染色体在细胞分裂过程移此向两极的运动。,动力微管 极微管 星体微管,深绿：微管 浅兰：内质网 黄色：高尔基体,上图：内质网抗体染色 下图：微管抗体染色,上图：高尔基抗体染色 下图：微管抗体染色,(5)细胞器定位,（三）、中间纤维（intermediate filament,IF),10nm纤维，蛋白质，因其直径介于肌粗丝和细丝之间, 故被命名为中间纤维。IF几乎分布于所有动物细胞，往往形成一个网络结构，特别是在需要承受机械压力的细胞中含量相当丰富。如上皮细胞中。除了胞质中，在内核膜下的核纤层也属于IF。,1.中间纤维的化学组成与结构,IF成分比MF,MT复杂，具有组织特异性。 IF在形态上相似，而化学组成有明显的差别。 化学组成不同，有角蛋白纤维（皮肤外层死亡的表皮细胞）、波形纤维、结蛋白纤维、神经元纤维、神经胶质纤维等五种。 中间纤维蛋白的表达具有严格的组织特异性（一种细胞只含一种类型中间纤维） 分子结构上具有高度同源性：头部、杆部、尾部三部分，杆部由长度及顺序保守的约310个氨基酸残基组成的a-螺旋（45nm）区组成。两条多肽构成绳状二聚体（C端和N端）,中间纤维的装配,中间纤维（32条多肽链）装配过程：先通过两条多肽链杆部的a-螺旋区结合成二聚体，一对二聚体聚合为四聚体，再由四聚体进一步聚合成一根完整的中间纤维。稳定状态存在于细胞中。,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。,单体,二聚体,四聚体,2.中间纤维的功能,（1）中间纤维与微管、微丝一起形成一个完整的骨架体系，对细胞起支撑作用。同时参与桥粒的形成，对组织起机械支持及加固作用。 （2）中间纤维外连细胞膜，内与核内核纤层相通，细胞内信息传递过程中可能起重要作用。 （3）在不同的组织细胞中，组成中间纤维的蛋白成分由明显差异，这种严格的组织特异性表明，中间纤维的表达与细胞分化密切相关。,胞质骨架三种组分的比较,（四）微梁系统（microtrabecular system),直径2-3nm左右的纤维相互连接而形成细密的立体网络，称之为微梁系统。 与微丝、微管、中间纤维共同参与维持细胞形态、细胞内运输等生理活动。,三 细胞核骨架,核基质(Nuclear Matrix) 染色体骨架 核纤层(Nuclear Lamina ),1.化学组成及结构,研究核骨架的分级抽提方法：非离子去垢剂溶解膜结构系统,胞质中可溶性成分随之流失; 再用Tween40和脱氧胆酸钠处理,胞质中的微管、微丝与一些蛋白结构被溶去,胞质中只有中间纤维网能完好存留;然后用核酸酶与0.25mol/L硫酸铵处理,染色质中DNA、RNA和组蛋白被抽提, 最终核内呈现一个精细发达的核骨架网络, 结合非树脂包埋-去包埋剂电镜制样方法,可清晰地显示核骨架-核纤层-中间纤维结构体系。,（一）核基质(Nuclear Matrix),化学成分,核骨架不象胞质骨架那样由非常专一的蛋白成分组成,核骨架的成分比较复杂,主要成分是非组蛋白及纤维蛋白构成,并含有少量RNA。 非组蛋白 纤维蛋白 附着有结合蛋白，如DNA聚合酶、RNA聚合酶、一些重要的细胞调节蛋白等。,功 能,核骨架与DNA复制：合成起始的结构支持；复制中合成的两条子DNA链与母链的分开的物理支持；真核细胞的DNA负直接核于核基质上进行，为复制提供空间支架。 与基因表达调控方面具有重要作用 大量研究工作表明真核细胞中RNA的转录和加工均 与核骨架有关。具有转录活性的基因是结合在核骨架上 的; RNA聚合酶在核骨架上具有结合位点。 核骨架与染色体构建：高度螺旋折叠的螺线管结合于由核基质形成的轴心支架上。对DNA螺旋化其重要作用。,（二）、核纤层(Nuclear Lamina),细胞核内膜下一层高电子密度的蛋白纤维层 化学组成及结构成核纤层蛋白(Lamin),成分核纤层蛋白(Lamin),哺乳动物和鸟类细胞中有 核纤层蛋白A 核纤层蛋白B 核纤层蛋白C,核纤层蛋白的分子结构及 其与中间纤维蛋白的关系,核纤层与中间纤维之间的共同点 ·两者均形成10nm纤维; ·两者均能抵抗高盐和非离子去垢剂的抽提; ·某些抗中间纤维蛋白的抗体能与核纤层发生交叉反应 ·LaminA和LaminC的cDNA克隆推导出核纤层蛋白的氨基酸顺序与中间纤维蛋白高度保守的-螺旋区有很强的同源性, 说明核纤层蛋白是中间纤维蛋白.,核纤层在细胞周期中的变化,A型核纤层蛋白在组装核纤层时通过蛋白水解失去C端(异戊二烯化 ,isoprenylation)。核膜崩解, 核纤层解聚时, A型核纤层蛋白以可溶性单体形式弥散到胞质中。 B型核纤层蛋白则永久法尼基化(farnesylated)，与核膜小泡保持结合状态,当核膜重现时,在染色体周围重装配, 形成子细胞的核纤层。,功能:为核膜及染色质提供了结构支架。同时核纤层本身是一种动态结构，在细胞分裂中，随着细胞核的解体而解聚。而在细胞和重建过程中，核纤层的重新组装介导了核被膜的重构及整个细胞核的重建。,1.通过细胞骨架一章的学习，你对生命体的自组装原则有何认识? 2. 除支持和运动外，细胞骨架还有什么功能? 怎样理解“骨架”的概念? 3.细胞中同时存在几种骨架体系有什么意义? 是否是物质和能量的一种浪费? 4.怎样证实细胞中是否存在某一类骨架结构或组分? 可应用哪些实验方法? 5.在细胞骨架的研究中，特异性工具药起了什么作用? 假使能发现一种中间纤维特异性工具药，可用来解决哪些问题? 试设计一两个实验说明之。 6.为什么说细胞核中的骨架结构是必需的? 核骨架与染色体骨架有何区别与联系? 7. 细胞核骨架为什么长期为人们所忽视，从中你得到什么启发?,在哪些过程中有微管存在？,鞭毛摆动和细胞分裂收缩环的作用主要分别涉及细胞骨架：A微管与微丝 B中间纤维与微管 C中间纤维与微丝 D都是微管 秋水仙素对细胞的作用是： A促进细胞分裂 B抑制细胞分裂 C促进细胞融合 D破坏微管结构 形成细胞骨架的是： A.微管蛋白、本质素和驱动蛋白 B.微管、肌球蛋白和微丝 C微丝、中间纤维和微管 D.肌动蛋白、肌球蛋自和中间丝,植物细胞有丝分裂中纺锤丝由什么组成： A.微纤丝 b.微管 C.微丝 D.中间纤维,通过细胞骨架一章的学习，你对生命体的自组装原则有何认识? 除支持和运动外，细胞骨架还有什么功能? 怎样理解“骨架”的概念? 细胞中同时存在几种骨架体系有什么意义? 是否是物质和能量的一种浪费? 怎样证实细胞中是否存在某一类骨架结构或组分? 可应用哪些实验方法? 在细胞骨架的研究中，特异性工具药起了什么作用? 假使能发现一种中间纤维特异性工具药，可用来解决哪些问题? 试设计一两个实验说明之。 为什么说细胞核中的骨架结构是必需的? 核骨架与染色体骨架有何区别与联系? 细胞核骨架为什么长期为人们所忽视，从中你得到什么启发?,教学要求： 掌握各种细胞骨架的动态结构和功能特征。 细胞骨架的广义涵义（包括细胞质骨架、细胞核骨架、细胞膜骨架和细胞外基质）和狭义涵义（仅指细胞质骨架）。 细胞质骨架三大成分：微丝，微管与中间纤维。微丝的结构成分（G-actin），装配（极性），结合蛋白（myosin，Tm，Tn等），微丝性细胞骨架的功能（参与肌肉收缩、变形运动、胞质分裂等活动）。微管的结构成分（和微管蛋白），装配（微管组织中心）。微管相关蛋白（MAP，tau等）与细胞内微管网络结构。kinesin和dynein与细胞内膜泡运输，蛋白质分选。微管功能（参与细胞形态的维持、细胞运输、运动和细胞分裂）。中间纤维的成分（组织特异性分布），装配特性，中间纤维结合蛋白（IFAP），中间纤维的推测功能。,