细胞骨架与细胞运动

第九章：细胞骨架与细胞运动一、主要内容1．细胞骨架的组成和功能2．微管3．微丝4．中间纤维二、计划学时及安排本章计划4学时:1～2、3～4节各2学时。学习的重点和难点细胞骨架是细胞内由蛋白质纤维构成的网络结构,包括微管、肌动蛋白纤维、中间纤维。细胞骨架有多种功能：作为支架维持细胞的形态、参与细胞的信号传导、参与细胞分裂、细胞的运动等。本章主要介绍和讨论细胞骨架的三类主要成分的结构和功能。1.第一节从总体上介绍细胞骨架的组成和功能,包括细胞骨架的组成、分布和基本功能;同时介绍了细胞骨架的研究方法。在这一节的学习过程中要建立这样一种概念：细胞是一种三维结构，并且是可以变幻的结构。2.微管是细胞骨架的主要结构,对于微管的学习要掌握微管的结构和微管的基本构件--微管蛋白的特性、微管的动力学特性、微管的组装过程、微管结合蛋白和分子发动机、微管的功能等。重点是微管的动力学和分子发动机的工作原理。3.微丝的结构和功能,包括微丝的组装、微丝结合蛋白、微丝在肌收缩中的作用及肌收缩的滑动丝模型及分子基础、微丝在非肌细胞中的功能等是本章的重点内容。4.中间纤维是细胞骨架中了解最不清楚的结构，其原因是目前尚无作用于中间纤维的特异性药物。由于对中间纤维的研究远没有对微管和微丝的研究清楚,故只作简略介绍,对其结构和功能有基本的了解即可。本章的核心内容有：各种分子发动机的结构和功能特点、肌收缩的机理和滑动模型。与本章有关联的章节有：第四章（细胞连接）、第十一章（核纤层蛋白）、第十二章（细胞分裂）等。9.细胞骨架与细胞运动细胞除了含有各种细胞器外,在细胞质中还有一个三维的网络结构系统，这个系统被称为细胞骨架(图)。9.1细胞骨架(cytoskeleton)的组成和功能细胞除了具有遗传和代谢两个主要特性之外,还有两个特性,就是它的运动性和维持一定的形态。细胞骨架是细胞运动的轨道,也是细胞形态的维持和变化的支架。细胞骨架系统9.1.1细胞骨架的组成和分布●组成细胞骨架是细胞内以蛋白质纤维为主要成分的网络结构,由主要的三类蛋白纤丝(filamemt)构成，包括微管、微丝（肌动蛋白纤维）和中间纤维。●分布微管主要分布在核周围,并呈放射状向胞质四周扩散。微丝主要分布在细胞质膜的内侧。而中间纤维则分布在整个细胞中(图)。细胞骨架的三类主要成分及其分布9.1.2细胞骨架的功能●作为支架(scaffold),如红细胞质膜膜骨架结构维持。●在细胞内形成一个框架(framework)结构,为细胞内的各种细胞器提供附着位点。细胞骨架是胞质溶胶的组织者，将各种细胞器组成不同的体系和区域的网络结构。●为细胞器的运动和细胞内物质运输提供机械支持。细胞骨架作为细胞内物质运输的轨道；如染色体向两极的移动，含神经递质的小泡向神经细胞末端的运输。●为细胞从一个位置向另一位置移动。如伪足的形成也是由细胞骨架提供机械支持。纤毛和鞭毛等运动器官主要是由细胞骨架构成的。●为信使RNA提供锚定位点，帮助mRNA翻译成多肽。用非离子去垢剂提取细胞成分可发现细胞骨架相当完整，许多与蛋白质合成有关的成分同不被去垢剂溶解的细胞骨架结合在一起。●参与细胞的信号传导。有些细胞骨架成分常同细胞质膜的内表面接触，这对于细胞外环境中的信号在细胞内的传导起重要作用。●是细胞分裂的机器。有丝分裂的两个主要事件,核分裂和胞质分裂都与细胞骨架有关。细胞骨架是一种高度动态的组织，它们的组装、去组装和再组装都很快。细胞骨架的动态性质是至关重要的。9.1.3细胞骨架的研究方法■荧光显微镜在细胞骨架研究中的应用●可用荧光显微镜研究细胞骨架的动力学，包括组装、去组装和物质运输等。这种方法还有一个好处，就是在活细胞时就可以观察。●可用荧光抗体研究以很低浓度存在的蛋白质在细胞内的位置,因为标记的荧光抗体同特异的蛋白具有很高的亲和性,只要有相应的蛋白存在,就一定会有反应,因为这种反应是特异的,通过荧光显微镜观察就可确定。用这种方法对微管、肌动蛋白纤维、中间纤维进行了成功定位(图)。图相同细胞中微管、微丝和中间纤维的荧光定位三种不同荧光染料探针同相应的蛋白纤维结合从而使细胞内的纤维被染色。(a)含有肌动蛋白的纤维被蘑菇毒素鬼笔环肽标记;(b)含微管蛋白的微管被微管蛋白的抗体标记;(c)中间纤维被抗波形蛋白的抗体标记。三种混合的荧光标记物,各自的光都不强,并且各自的荧光波长不同。检查时,用不同的滤光片,每次滤去两种光。■电子显微技术的应用细胞骨架的一个很特别的性质是在非离子去垢剂，如TritonX-100处理时保持非溶解状态。当用这类去垢剂处理细胞时，可溶性的物质、膜成分被抽提出来，留下细胞骨架，并且同活细胞中的结构完全一样。根据这一特性，采用金属复型技术在电子显微镜下观察到细胞骨架的基本排列(图)。细胞骨架的电子显微镜检查用非离子去垢剂TritonX-100处理成纤维细胞,并进行冰冻干燥和金属复型的细胞骨架。SF表示的是成束的微丝,MT表示微管;R是多聚核糖体。9.1微丝(microfilament)微丝又称肌动蛋白纤维(actinfilament)，由肌动蛋白组成的、直径为7－9nm的纤维。微丝是双股肌动蛋白丝以螺旋的形式组成的纤维。肌动蛋白纤维也是一种极性分子,具有两个不同的末端，一个是正端，另一个是负端。9.3.1微丝的形态和组成■微丝的存在方式与分布●存在方式微丝主要是由肌动蛋白(actin)组成的。微丝比微管细，更具有弹性，通常比微管短。细胞中肌动蛋白纤维的数量比微管多，全部肌动蛋白纤维加起来，其总长度大约是微管的30倍。肌动蛋白纤维在细胞中通常成束存在(图)，这种成束的肌动蛋白纤维比单个的肌动蛋白纤维的强度大。●分布微丝首先发现于肌细胞中,在横纹肌和心肌细胞中肌动蛋白成束排列组成肌原纤维,具有收缩功能。微丝也广泛存在于非肌细胞中。在细胞周期的不同阶段或细胞流动时,它们的形态、分布可以发生变化。因此,非肌细胞的微丝同胞质微管一样,在大多数情况下是一种动态结构,以不同的结构形式来适应细胞活动的需要。细胞中成束的肌动蛋白纤维（a）微绒毛；(b)细胞质中的收缩束；（c）运动细胞前缘的鞘和指；(d)细胞分裂时的收缩环。■微丝的结构单位:肌动蛋白●肌动蛋白的两种存在方式肌动蛋白以两种形式存在（图）,即单体和多聚体。单体的肌动蛋白是由一条多肽链构成的球形分子,又称球状肌动蛋白(globularactin,G-actin),肌动蛋白的多聚体形成肌动蛋白丝,称为纤维状肌动蛋白(fibrosactin,F-actin)。在电子显微镜下,F-肌动蛋白呈双股螺旋状,直径为8nm,螺旋间的距离为37nm。单体G-肌动蛋白和纤维状F-肌动蛋白的结构(a)非肌细胞中β-Actin单体的结构模型,像是扁平的分子,由体积相等的两个部分组成,中间有一个裂口,并且有四个亚结构域,用Ⅰ-Ⅳ表示。ATP在裂口的地方与肌动蛋白结合。N端和C末端位于亚结构域Ⅰ。(b)电子显微镜观察的经负染的丝状肌动蛋白的形态。(c)肌动蛋白纤维亚基的装配模型。●肌动蛋白的分子组成肌动蛋白是一种中等大小的蛋白质,由375个氨基酸残基组成,并且是由一个大的、高度保守的基因编码。单体肌动蛋白分子的分子量为43kDa,主要有三个结合位点：一个是ATP结合位点,另两个都是与肌动蛋白结合的结合蛋白结合位点。●肌动蛋白的编码基因某些单细胞生物,如酵母、阿米巴虫等只有一个肌动蛋白基因,而一些多细胞的生物含有多个肌动蛋白基因。如人就有6个肌动蛋白基因,每一个编码一种肌动蛋白异构体。某些植物含有多达60个肌动蛋白基因。肌动蛋白是非常保守的,可与组蛋白相比。●肌动蛋白的修饰肌动蛋白也要经过翻译后修饰,主要是进行N-末端的酰基化和一个组氨酸残基的甲基化,这种修饰作用增加了功能的多样性。●肌动蛋白的极性其一端氨基和羧基端的暴露，称为＋端，另一端为－端。9.3.2微丝的装配动力学条件：ATP、适宜的温度、存在K+和Mg2+离子。过程：2-3个actin聚集成一个核心（核化）；ATP-actin分子向核心两端加合。微丝具有极性，ATP-actin加到(+)极的速度要比加到(-)极的速度快5-10倍。溶液中ATP-肌动蛋白的浓度处于临界浓度时，ATP-肌动蛋白在(+)端添加，而从(-)端分离，表现出“踏车”现象。图10-34G-肌动蛋白与F-肌动蛋白模式图(a)G-肌动蛋白;(b)F-肌动蛋白二、微丝结合蛋白（p269）已知的的微丝结合蛋白有100多种，分为以下类型：1．核化蛋白：使游离actin核化，开始组装，Arp2．单体隐蔽蛋白：阻止游离actin向纤维添加，thymosin3．封端蛋白：使纤维稳定，CapZ4．单体聚合蛋白：将结合的单体安装到纤维，profilin5．微丝解聚蛋白：使微丝去组装，cofilin6．交联蛋白：fimbrin，能够使两个或多个肌动蛋白纤维产生交联，使细胞内的肌动蛋白纤维形成网络结构7．纤维切断蛋白：将微丝切断，gelsolin8．膜结合蛋白：vinculin，又如红细胞膜骨架和细胞的整联蛋白连接核化蛋白■肌动蛋白纤维的装配体外实验表明,肌动蛋白纤维的装配分三步进行，并且是三个连续的过程。●基本过程●影响装配的因素1微丝的装配受肌动蛋白临界浓度的影响。2某些一些离子浓度的影响。●ATP的作用肌动蛋白的聚合过程伴随着ATP的水解，在聚合过程中，G-肌动蛋白先要结合ATP，然后ATP-G-肌动蛋白单体再结合到F-肌动蛋白的两端，加到F-肌动蛋白上。一旦ATP-G-肌动蛋白单体结合到F-肌动蛋白纤维上，同肌动蛋白结合的ATP就会慢慢降解为ADP，并释放出Pi（图10-36）。图10-36微丝装配过程中ATP的水解■微丝的动态性质●极性F-肌动蛋白也有结构上和功能上的极性(polarity)。由于构成F-肌动蛋白的所有亚基都是从同一个方向加到多聚体上,所以F-肌动蛋白丝具有方向性,结合ATP豁口的一端为负端(-),另外一端为正端(+)。而且,两端的生长速度是不同的,(+)端生长快，(-)端生长慢。一般而言,正端生长速度比负端快5～10倍,这种极性是由ATP决定的。体外实验证明了这种现象(图)。用肌动蛋白封端蛋白封住负端,微丝继续快速加长,但是用封端蛋白封住正端,F-肌动蛋白加长的速率非常慢。F-肌动蛋白功能上的极性是指行使功能时具有方向性,如以微丝作为运输轨道的发动机蛋白与微丝的结合是按方向识别的。F-肌动蛋白丝两端不断生长●踏车现象(treadmilling)在微丝装配时,若G-肌动蛋白分子添加到F-肌动蛋白丝上的速率正好等于G-肌动蛋白分子从F-肌动蛋白上失去的速率时,微丝净长度没有改变,这种过程称为肌动蛋白的踏车现象(图)。肌动蛋白踏车现象是由G-肌动蛋白单体的临界浓度决定的。发生踏车现象时,虽然F-肌动蛋白丝的净长度没有发生变化.但是装配与去装配仍在进行,只不过添加到微丝上的G-肌动蛋白分子与脱下来的速率相等。●微丝的动态平衡在体内,有些微丝是永久性结构,如肌肉中的细丝及上皮细胞微绒毛中的轴心微丝等。有些微丝是暂时性结构,如胞质分裂环中的微丝。在大多数动物细胞中,大约有70%的肌动蛋白是游离的单体或者和其他蛋白结合成小的复合物,在游离肌动蛋白分子和微丝之间存在着动态平衡，它们可以帮助激发和调节细胞内微丝的功能。微丝的踏车现象■影响肌动蛋白单体-多聚体平衡的毒素（p267）●细胞松弛素B(cytochalasinsB)和Latrunculin细胞松弛素B是第一个用于研究细胞骨架的药物，它是真菌分泌的生物碱(图)。细胞松弛素(细胞松弛素B及其衍生物)在细胞内同微丝的正端结合,并引起F-肌动蛋白解聚，阻断亚基的进一步聚合。●鬼笔环肽(phalloidin)从一种毒性菇类中分离的剧毒生物碱，它同细胞松弛素的作用相反,只与聚合的微丝结合,而不与肌动蛋白单体分子结合。它同聚合的微丝结合后,抑制了微丝的解体,因而破坏了微丝的聚合和解聚的动态平衡。