分子细胞生物学――细胞骨架 1

YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiology第八章细胞骨架李莲军博士云南农业大学动物科技学院2003.9-2010.9YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiology第二节细胞质骨架第一节细胞质溶质(溶胶)第三节微丝第四节微管第五节中间纤维YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiology第一节细胞质溶质(溶胶)YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiology一、细胞质溶质(cytosol)主要成分：中间代谢有关的数千种酶类细胞质骨架结构细胞质溶质也称细胞质溶胶，指细胞质中除去膜界细胞器以外的主要成分，它是一个高度有序并处于动态平衡中的结构体系。YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiology胞质溶质的功能◆完成各种中间代谢过程如糖酵解过程、磷酸戊糖途径、糖醛酸途径等，蛋白质的分选与运输。◆与细胞质骨架相关的功能维持细胞形态、细胞运动、胞内物质运输及能量传递等。◆蛋白质的修饰及选择性降解蛋白质的修饰、控制蛋白质的寿命、降解变性和错误折叠的蛋白质、帮助变性或错误折叠的蛋白质重新折叠形成正确的分子构象。YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiology第二节细胞质骨架微丝微管中间纤维YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiology狭义细胞骨架，即细胞质骨架(cytoplasmcytoskeleton)是指真核细胞质中的蛋白纤维网架结构，由微丝(microfilament)、微管(microtubule)和中间纤维(intemediatefilament)构成。广义细胞骨架还包括核骨架(nucleoskeleton)、膜骨架和细胞外基质(extracellularmatrix)等形成的贯穿于细胞核、细胞质及细胞外的一体化网络结构。细胞骨架(cytoskeleton)YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiology细胞骨架细胞外基质细胞膜骨架细胞质骨架细胞核骨架胶原黏合糖蛋白糖胺聚糖和蛋白聚糖弹性蛋白微丝中间纤维微管核基质核纤层-核孔复合体体系染色体骨架YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiology细胞质骨架中，微丝确定细胞表面特征，使细胞能够运动和收缩。微管确定膜界细胞器(membraneenclosedorganelle)的位置和作为膜泡运输的导轨。中间纤维使细胞具有张力和抗剪切力。胞质骨架不仅维持细胞形态稳定，而且还参与调节细胞的重要生命活动，如细胞的物质运输、能量与信息传递、基因表达、细胞的分裂分化以及凋亡等。胞质骨架的功能YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiology胞质骨架的特点微丝、微管和中间纤维均由单体蛋白以较弱的非共价键结合在一起，构成纤维型多聚体，很容易进行组装和去组装，这正是实现其功能所必需的特点。YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiology第三节微丝/肌动蛋白丝YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiology微丝(microfilament，MF)是由肌动蛋白(actin)组成的直径约7nm的细丝，又称肌动蛋白纤维(actinfilament)。微丝和它的结合蛋白(associationprotein)以及肌球蛋白(myosin)三者构成化学机械系统，利用化学能产生机械运动。在肌肉细胞中微丝结构稳定，组成了肌细胞的收缩单位，在非肌肉细胞中，分布均散，结构与微管一样不稳定。YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiology从哺乳动物和鸟类细胞中已分离到6种actin，4种为α型，分别为横纹肌、心肌、血管平滑肌和肠道平滑肌所特有，其它2种为β和γ型，存在于所有肌肉细胞和非肌肉细胞胞质中。一、微丝的化学组成不同类型的α-actin分子一级结构(约375AA)相差4-6AA；β或γ-actin与横纹肌α-actin相差约25AA。它们在氨基酸序列上微小的差异将产生功能上明显的差别。YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiology二、微丝的分子结构肌动蛋白纤维是由两条线性排列的肌动蛋白链形成的螺旋，状如双线捻成的绳子。近年来则认为微丝是由一条肌动蛋白单体链形成的螺旋，每37nm拧成一圈。肌动蛋白的单体为球形分子，称为球形肌动蛋白G-actin(globularactin)，其多聚体称为纤维形肌动蛋白F-actin(fibrousactin)。YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiologyStructureofactinanditssubunitYunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiology3、稳定性：有些微丝为永久性结构(微绒毛)、有些为暂时性结构(胞质分裂环)，但大多数非肌肉细胞中则为动态结构，它们不停地组装和解聚，以达到维持细胞形态和细胞运动的目的。三、微丝的特点1、自组装：适宜的温度，有ATP、K+、Mg2+时，肌动蛋白单体可自组装为纤维。2、极性：肌动蛋白具有极性，由其头尾相连所组装的F-肌动蛋白微丝也具有极性。YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiology在适宜的温度，有ATP、K+、Mg2+时，肌动蛋白单体可自组装为纤维。微丝装配过程分为两个阶段，即成核和延长阶段。成核是指由G-actin形成不稳定的二聚体至稳定的三聚体，延长是指在形成的三聚体两端添加G-actin，使微丝长度增加。四、微丝的组装细胞内许多微丝结合蛋白参与调节肌动蛋白的装配。肌动蛋白也可在体外装配成微丝，其结构与直接从生物细胞中分离出来的微丝相同。YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiology装配时，肌动蛋白单体加到两极的速度不同，加到(+)极的速度要比加到(-)极的速度快5-10倍。当处于临界浓度时，ATP-actin可能继续在(+)端添加，而在(-)端开始分离，表现出一种“踏车”现象。体内肌动蛋白的装配在两个水平上受到结合蛋白的调节：①游离肌动蛋白单体的浓度；②微丝横向连接成束或成网的程度。YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiology微丝结合蛋白的种类、数量和活性状态不同，导致微丝具有不同结构与功能。如应力纤维、肌肉细丝、微绒毛的轴丝、精子顶体的刺突等等。五、微丝结合蛋白YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiology已经分离出来的微丝结合蛋白有100多种，可分为以下多种类型：1核化蛋白(nucleatingprotein)2单体隐蔽蛋白(monomersequesteringprotein)3封端蛋白(end-blockingprotein)4单体聚合蛋白(monomerpolymerizingprotein)5微丝解聚蛋白(actin-filamentdepolymerizingprotein)6交联蛋白(cross-linkingprotein)7纤维切断蛋白(filamentseveringprotein)8膜结合蛋白(membrane-bindingprotein)YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiology1、与收缩有关的微丝结合蛋白①肌球蛋白(myosin)分子量约为480kD，由六条多肽链组成。其中两条重链的大部分互相盘绕形成一个双股α-螺旋尾部，长约140nm，直径2nm，其余部分与四条轻链一起形成两个球形头部。肌球蛋白分子尾对尾平行成束排列形成粗丝的主体，而头部环绕粗丝的主体形成许多侧突，构成粗丝的横桥。肌球蛋白头部都具ATP酶活性，是与肌动蛋白分子结合的位置。YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiology肌球蛋白最早发现于肌肉组织(myosinII)，1970s后逐渐发现许多非肌细胞的myosin。目前已知的有15余种类型(myosinI~myosinXV)，其中II型肌球蛋白的主要功能是参与肌丝滑动，I型和V型肌球蛋白参与细胞骨架和细胞膜的相互作用，如膜泡运输等。YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiology②原肌球蛋白(tropomyosin,Tm)分子量约为64kD，由两条平行的多肽链形成α螺旋，每个Tm的长度相当于7个肌动蛋白，呈长杆状。一个原肌球蛋白分子的长度相当于7个肌动蛋白单体。原肌球蛋白与肌动蛋白紧密相连，位于肌动蛋白螺旋沟内，主要作用是加强和稳定肌动蛋白丝，抑制肌动蛋白与肌球蛋白结合。YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiology③肌钙蛋白(troponin，Tn)是一种较大的球蛋白，分子量约为80kD，由3个亚基组成复合体，分别为Tn-C、Tn-T和Tn-I。Tn-C特异与Ca2+结合，Tn-T与原肌球蛋白有高度亲和力；Tn-I抑制肌球蛋白ATPase的活性。细肌丝中每隔40nm有一个肌钙蛋白复合体结合到原肌球蛋白上。YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiologyCapZ和原调蛋白：均为封端蛋白。CapZ由分子量为32kDa和36kDa两个亚基构成，在Z盘结合于肌动蛋白纤维正端，原调蛋白结合在负端，阻止在微丝末端加上或脱落肌动蛋白单体，使细丝保持稳定。α-辅肌动蛋白(α-actinin)；分子量为200kD，以二聚体形式存在。是骨骼肌Z盘、平滑肌细胞质板及心肌闰盘主要组分之一，可横向连接微丝成束和介导微丝与细胞膜的结合。纽蛋白(vinculin)：分子量为116kD，见于平滑肌细胞质板、心肌闰盘，通过结合于α-辅肌动蛋白，介导微丝结合于细胞膜。YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiology肌联蛋白(connectin)：分子量约为2700kD，是一种由25000个氨基酸组成的、具有弹性的长纤维大分子，它从Z盘至M线与粗丝相连，在肌肉收缩或舒张时将粗丝定位于肌小节中央。伴肌动蛋白(nebulin)：分子量约为700kD，是一条长而无弹性纤维，从Z盘伸出至微丝的负端并与之结合，其长度与微丝一致，可能参与调节微丝的装配长度。肌营养不良蛋白(dystrophin)：分子量约为400kD，可能有将微丝锚定于质膜、防止肌纤维退化的功能。YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiology2、非肌肉细胞中的微丝结合蛋白非肌肉细胞中亦存在肌球蛋白、原肌球蛋白、α辅肌动蛋白等；而肌钙蛋白在非肌肉细胞中尚未发现。近年来在非肌肉细胞中分离鉴定了几十种微丝结合蛋白，与微丝装配及功能有密切关系。YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecular