第十二章____细胞骨架_cytoskeleton

第十二章细胞骨架cytoskeleton掌握细胞骨架的基本概念；熟悉广义的细胞骨架的组成成分及其结构特点和功能。1928Koltzoff纤维状结构细胞骨架原始概念1963Slauterback水螅刺细胞戊二醛微管细胞骨架狭义：细胞质骨架微管纤丝:微丝、中间丝、粗丝广义的细胞骨架特点：弥散性、整体性、变动性微管、纤丝Microtubulesarerigidtubescomposedofsubunitstheproteintubulin.Microfilamentsaresolid,thinnerstructurescomoposedoftheproteinactin.Intermediatefilamentsaretough,ropelikefiberscomposedofavarietyofrelatedproteins.细胞骨架的功能◆作为支架(scaffold)，形成细胞链接◆在细胞内形成一个框架(framework)结构◆维持细胞器的空间定位，为细胞内的物质和细胞器的运输运动提供机械支持◆为细胞的位置移动提供力◆为信使RNA提供锚定位点，促进mRNA翻译成多肽◆是细胞分裂的机器◆参与信号转导一.微管Micro-tubule,MT（一）形态结构◆微管是由微管蛋白异源二聚体为基本构件,螺旋盘绕形成微管的壁◆在每根微管中二聚体头尾相接,形成细长的原纤维(protofilament)◆13条原纤维纵向排列组成微管的壁（二）化学组成微管蛋白microtubulin核基质核纤层-核孔复合体体系染色体骨架胶原非胶原糖蛋白氨基聚糖和蛋白聚糖弹性蛋白微管纤丝微丝中间丝粗丝细胞外基质细胞膜骨架细胞质骨架细胞核骨架细胞骨架◆微管蛋白类型：◆α和β微管蛋白进化过程中保守，亲和力强，形成长度为8nm的异源二聚体◆每一个微管蛋白二聚体有两个GTP结合位点●α亚基GTP结合位点●β亚基GTP结合点是可交换位点(exchangeablesite)●β-微管蛋白具有秋水仙素结合位点◆γ-微管蛋白的功能是帮助αβ微管的聚合。微管结合蛋白MAPmicrotubuleassociatedprotein★MAPs的功能◆使微管相互交联形成束状结构;◆促进微管的聚合;◆作为分子发动机转运细胞物质的轨道;◆提高微管的稳定性;◆MAPs同微管的结合能够控制微管的长度，防止微管的解聚。★微管的类型◆根据组成分为:●单管●双联管●三联管◆根据稳定性:●短寿的不稳定微管●长寿的稳定微管（三）微管的特性1.自我装配2.极性3.稳定性4.微管的特异性药物★微管装配的动力学现象◆踏车现象(treadmilling)又称轮回现象,是微管组装后处于动态平衡的一种现象。◆动态不稳定性(dynamicinstability)微管随反应体系中游离αβ二聚体的浓度变化而发生的生长状态和缩短状态的转变。★Microtubuleorganizingcenters,MTOC◆中心体(Centrosome)●细胞核旁●基体(basalbody)◆中心粒(Centriole)★微管的极性◆α、β二聚体以首-尾排列的方式进行组装，具有方向性(极性)◆两端分别称为“+”端(plusend)和“-”端(minusend)。CharacteristicsofMTassemblyMTarenucleatedbyaproteincomplexcontaining-tubulinMTsassemblefrommicrotubule-organizingcenters(MTOCs)WhythecentrosomecanactasMTOCExperimentssupportingthatcentrosomeistheMTOC影响微管装配的因素◆造成微管不稳定性的因素很多，包括GTP、压力、温度(最适温度37℃)、pH、微管蛋白临界浓度(criticalconcentration)。1）微管蛋白浓度临界浓度1mg/ml2)最适pHpH6.93)离子环境Mg2+促进微管聚合Ca2+抑制微管聚合4）温度37℃组装0℃解聚5）压力高时解聚；低时装配6）化学药物紫杉酚、重水秋水仙素、长春花碱、秋水酰胺、鬼臼素★影响微管稳定性的药物◆紫杉醇(taxol)●存在于红豆杉属植物中的一种复杂的次生代谢产物,也是目前所了解的惟一一种可以促进微管聚合和稳定已聚合微管的药物。◆秋水仙素(colchicine)●秋水仙素与未聚合的微管蛋白二聚体结合,阻止聚合。(四)微管的功能★支架作用◆维持细胞形态Maintaincellshape◆维持胞内膜性细胞器的空间定位分布★细胞内物质运输transportcytesinteriorsubstance◆触突运输(axonaltransport)◆鱼的色素细胞(fishpigmentcells)★参与各种细胞运动◆细胞运动、染色体与纺锤体运动movementofchromosomeandspindleapparatus、细胞器的定位localizationoforganelle、鞭毛和纤毛运动movementofflagellaandcilia★植物细胞壁的形成Molecularmotor◆发动机是一种能够将化学能或电能转变成机械能的机器。◆MotorproteinsToconvertchemicalenergy(storedinATP)intomechanicalenergy,whichisusedtomovecellularcargoattachedtothemotor.★分子发动机的类型◆Motorproteinscanbegroupedintothreebroadfamilies:●肌球蛋白(myosins)家族Tomovealongmicrofilaments.●驱动蛋白(kinesins)家族Tomovealongmicrotubules●动力蛋白(dyneins)家族Tomovealongmicrotubules★分子发动机移动的主要特点◆Motorproteinsmoveunidirectionallyalongtheircytoskeletaltrack●驱动蛋白:从(-)端向(+)端的运输●动力蛋白:从(+)端向(-)端运输◆Inastepwisemanner◆ThefuelisATP◆Toundergoaseriesofconformationalchangesthatconstituteamechanicalcycle★驱动蛋白(kinesins)◆Structure●kinesinisatetramerconstructedfromtwoidenticalheavychainsandtwoidenticallightchains●AkinesinmoleculehasapairofglobularheadsthatbindamicrotubuleandactsasATP-hydrolyzing,force-generating“engines.●afan-shapedtailthatbindscargotobehauled●Eachheadisconnectedtoaneck,arodlikestalk◆驱动蛋白功能特点●Kinesinisaplusend-directedmicrotubularmotor●Eachstepisapproximately8nminlength,whichisalsothespacingbetweentubulindimersalongaprotofilament●移动的速度与ATP的浓度有关●速度高时,可达到每秒900nm★Cytoplasmicdyneins◆Cytoplasmicdyneinisahugeprotein:molecularmassofapproximately1.5milliondaltons◆Composedoftwoidenticalheavychainsandavarietyofintermediateandlightchains◆Tomovealongamicrotubuletowardthepolymer'sminusend◆功能●参与细胞分裂●运输小泡和各种膜结合细胞器（五）微管组成的细胞器1.中心体(centrosome)中心粒和中心粒周围物质组成中心粒：9组三联体微管→圆筒状结构成对相互垂直排列2.鞭毛和纤毛(flagellum,flagella(cilium,cilia)纤毛结构纤毛本体纤毛基体纤毛小根★组成纤毛和鞭毛的轴丝(axoneme)◆轴丝的微管结构:9+2●外围:质膜包裹●外周:9组双联管,A管与B管●中央:中央鞘包裹一对微管◆双联管的结构特点●A管:完全微管、内外动力臂、放射辐条●B管:不完全微管◆轴丝微管组成与排列特点●9组三联管:基体(basalbody)●9组二联管:近基体●9+2:轴丝●单管:纤毛顶部化学组成微管蛋白(tubulin)动力蛋白(dynein)连接蛋白(nexin)◆纤毛动力蛋白(ciliarydynein)●是多头的动力蛋白●基部同A管相连●头部同相邻的B管相连●头部具有ATP结合位点，能够水解ATP。◆纤毛和鞭毛的运动机制微管滑动模型(sliding-microtubulemodel)功能:细胞运动物质运输3.有丝分裂器(mitoticspindle)4.轴足(axopodia)二、纤丝(filament)微丝(microfilament)中间丝(intermediatefilament)粗丝(thickfilament)（一）横纹肌的结构及收缩机制Musclecontraction★骨骼肌细胞的基本结构◆肌纤维(musclefibers)◆肌原纤维(myofibrils)◆I带与A带(IbandandAband)●I带(isotropicband,Iband)●A带(anisotropicband,Aband)◆Z线(Zdisk)◆H带(Hzone)Structureofmyofibrils◆粗肌丝(thickfilament)由250-360个肌球蛋白Ⅱ聚合而成的肌球蛋白丝◆细肌丝(thinfilament)●肌动蛋白(actin)，它约占肌原纤维的总蛋白的25%；●原肌球蛋白(tropomyosin,Tm)●肌钙蛋白(troponin.Tn)∶TnT,TnC,TnI◆肌节(sarcomere)●明带(lightzones),I带●暗带(darkbands),A带◆其他:肌联蛋白、伴肌动蛋白粗肌丝基本成分：肌球蛋白（myosin）★肌收缩机制--滑动纤维模型◆实验观察∶在肌肉收缩过程中:●肌节几乎缩短50%，●A带的长度并没有发生变化●I带几乎消失◆机理：滑动丝模型(slidingfilamentmodel)肌肉收缩的机制滑丝学说肌肉收缩的五个步骤：1）动作电位的产生2）Ca2+的释放3）原肌球蛋白的位移4）肌动球蛋白复合物的形成5）Ca2+的回收★Ca2+在肌收缩中的作用◆Ca2+释放●运动神经信号引起肌细胞膜电位去极化●T管(transversetubules,Ttubules)∶●运动神经信号通过T管打开Ca2+通道◆Ca2+对肌收缩的调节作用●Ca2+与肌钙蛋白结合解除原肌球蛋白的抑制作用●肌动蛋白与肌球蛋白头部结合形成交联桥●利用ATP进行滑动（二）平滑肌收缩的机制（三）非肌细胞中的微丝1、微丝的组成肌动蛋白纤维actinfilamentø5-7nm成分：肌动蛋白actinMW43Kdal存在状态：哑铃形单体有极性纤维状多聚体微丝分子结构：一条哑铃状肌动蛋白单体链右手螺旋★微丝的形态结构◆F-actin:●F-肌动蛋白呈双股螺旋状,直径为8nm,螺旋间的距离为37nm。◆G-actin:三个结合位点:●一个ATP结合位点●两个肌动蛋白结合蛋白的结合位点。2、微丝的装配微丝组装条件：一定浓度镁离子,高浓度钠离子、钾离子，ATP装配：踏车行为(treadmilling)永久性结构：端网暂时性结构：刺突★肌动蛋白纤维装配◆ATP的作用Acti