细胞骨架

第七章细胞骨架cytoskeleton•细胞骨架真核细胞中由微管、微丝和中间纤维构成的相互作用的网络。–广义的细胞骨架包括核骨架、核纤层和细胞外基质，形成贯穿于细胞核、细胞质、细胞外的一体化网络结构。•细胞骨架真核细胞中由微管、微丝和中间纤维构成的相互作用的网络。–广义的细胞骨架包括核骨架、核纤层和细胞外基质，形成贯穿于细胞核、细胞质、细胞外的一体化网络结构。•微管主要分布在核周围，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。•中间纤维分布在整个细胞中。MicrotubuleMicrofilamentIntermediatefilament第一节微管上世纪50年代，首次在超薄切片中观察到微管(microtubule)。(a)脑细胞微管的电镜照片(b)微管横截面的电镜照片(c)微管纵切面模式图一、微管的结构与组成•微管的外径24nm，管壁厚度约5nm，跨越细胞的整个长度或宽度。–管壁由纵向排列的13条原纤维构成。•原纤维由,微管蛋白球状亚基组成的异二聚体装配而成。•每个装配单位一端是α微管蛋白，另一端是β微管蛋白。所以原纤维不对称。微管在细胞中的存在形式单管：细胞质微管，结构不稳定。三联管：13+10+10存在于中心粒、基体，结构稳定。131310131010二联管：13+10见于特化的细胞结构纤毛和鞭毛的轴丝内。结构比较稳定。二、微管结合蛋白•微管结合蛋白(microtubuleassociatedprotein,MAP)–结合在微管表面的一种辅助蛋白(accessoryproteins)，提高微管的稳定性；改变其刚性或影响组装速率；介导微管与其他细胞器的连接。–MAP具有两个结构域(domain)•一个结构域结合到微管蛋白侧面，加速微管的成核。•另一个结构域从微管蛋白表面向外延伸，与其他骨架纤维连接。–MAP1,MAP2,Tau只存在于神经元细胞。–MAP4广泛分布在哺乳动物非神经元细胞中。*结构域——蛋白质中在结构和功能上相对独立的区域。神经细胞中的MAPs•MAP2有3个微管蛋白结合位点，彼此分开，与微管壁的3个不同微管蛋白亚基结合。•MAP2的尾部向外伸出，拥有较长的突出结构域，以便与其他骨架纤维相互作用。–突出结构域的长度决定微管束中微管的间距。突出结构域神经细胞中的MAPs•MAP2有3个微管蛋白结合位点，彼此分开，与微管壁的3个不同微管蛋白亚基结合。•MAP2的尾部向外伸出，拥有较长的突出结构域，以便与其他骨架纤维相互作用。•Tau拥有较短的突出结构域。•细胞过量表达MAP2,Tau–MAP2过量表达的细胞，保持有较宽空间的微管束。–Tau过量表达，形成包裹得更紧密的微管束。三、微管的装配与动力学•微管在正常情况下装配和去装配，以适应细胞在不同时间的变化需要。•微管的装配分为三个时期–成核期(nucleationphase)•,微管蛋白聚合，形成一个短的寡聚体/核心。–聚合期(polymerizationphase)•,微管蛋白异二聚体不断加到微管正端，使微管延长。–稳定期(steadystatephase)•游离微管蛋白水平下降，装配与去装配达到动态平衡。（一）微管装配的起始点是微管组织中心•在体内，微管的成核和组织过程与一些特异的结构相关，这些结构被称为微管组织中心(microtubule-organizingcenter,MTOC)。•MTOC是微管装配的起始点①控制微管的数目、极性②控制组成微管壁的原纤维数目③控制微管组装的时间和地点•常见微管组织中心–间期细胞：中心体（动态微管）–鞭毛、纤毛细胞：基体，永久性结构中心体(centrosome)•在动物细胞中，细胞骨架微管一般与中心体结合，组成一个复合结构。–含有2个桶状的中心粒•由9组三联管构成–成对的中心粒垂直排列，包埋在中心粒旁物质(pericentriolarmaterial,PCM)中。经过复制的2对中心粒微管的成核作用•γ-环形蛋白复合体(γ-Tubulinringcomplex,γ-TuRC)–螺旋化排列的13个γ微管蛋白亚基组成一个开放的环状模板，在模板上第一列γ微管蛋白二聚体组装形成γ-TuRC，与微管具有相同直径。•纤维性的中心粒旁物质含有50拷贝以上的γ-TuRC•中心体是微管成核的位点。γ-TuRC由MTOC提供的物质固定其位置，从而决定微管的极性。负端与中心体结合，正端远离中心体。nucleatingsites(γ-tubulinringcomplexes)pairofcentriolesmicrotubulesgrowingformγ-tubulinringcomplexesofthecentrosome(a)(b)①微管生长时，正端以开口片状存在，结合GTP的二聚体添加其上。②快速生长阶段，微管蛋白二聚体添加速率快于微管蛋白上GTP水解的速率。微管末端形成GTP帽，有利于添加更多的亚基使微管生长。但带有开放末端的微管会产生自发反应，导致管口闭合。③管口闭合，迫使结合的GTP水解，改变微管蛋白二聚体的构像。④当原纤维向外翻卷并发生级联去组装时，GTP水解形成的张力被释放。（三）微管的体外装配•微管的体外装配条件–微管蛋白浓度：1mg/ml–最适pH：6.9–最适温度：37℃，低温微管解聚–离子：加入Mg2+、除去Ca2+–GTP提供能量•在一定条件下，微管在正端装配使微管延长，在负端去装配使微管缩短。当微管两端的装配和去装配达到平衡，其长度相对恒定不变时，该现象被称为“踏车”(treadmilling)。在试管中组装的微管11根原纤丝（四）影响微管组装和去组装的因素•对活细胞进行各种处理可使细胞骨架微管去组装，但不破坏其它细胞结构。–低温、流体静力学压力、升高的钙离子浓度–微管特异性药物•秋水仙素、长春花碱、长春新碱和紫杉醇•秋水仙素，最重要的微管工具药物。–秋水仙素结合和稳定微管蛋白，阻止微管蛋白聚合，引起微管去组装。•长春花碱和长春新碱则结合微管蛋白异二聚体，抑制微管的聚合。–细胞周期特异性抗肿瘤药，作用于G1,S&M。阻断增殖细胞纺锤体的形成，使有丝分裂停止于中期。2020/2/1619•紫杉醇(taxol)–促进微管的装配，并使已形成的微管稳定。紫杉醇所致的微管稳定性对细胞是有害的，使细胞周期停止于有丝分裂期。•紫杉醇类化合物在体内优先杀死肿瘤细胞，已用于癌症的化疗。四、微管的功能（一）支持和维持细胞的形态•作为动态支架，提供结构支撑，决定细胞形态和抵抗细胞变形。–微管从细胞的核周区域呈放射状向外伸展，各条微管逐渐弯曲并与细胞形状一致。大而扁平的培养小鼠细胞中微管的定位（二）参与中心粒、纤毛和鞭毛的形成纤毛/鞭毛轴丝的结构。可见轴心的“9＋2”结构：外周的9组二联管（13+10）和2条中央微管（完整微管）。精子轴丝动力蛋白（以区别于胞质动力蛋白）缺陷将导致不育。动力蛋白臂AB（三）参与细胞内的物质运输•细胞中的马达蛋白(motorproteins)将ATP的化学能转变为机械能，转运与马达蛋白结合的货物。–运输小泡、分泌颗粒、色素颗粒、线粒体、溶酶体和染色体等•单个细胞含有几十种不同的马达蛋白，分为三大家族：–动力蛋白(dyneins)沿微管运动–驱动蛋白(kinesin)沿微管运动–肌球蛋白(myosin)沿微丝运动•每种马达蛋白用于运输细胞特定区域的一类特定物质。–它们结合的纤维不同、移动的方向不同、携带的“货物”不同。1.动力蛋白(a)由2个产力的球状头部（具有ATP水解酶活性）、1个柄部和基部的许多小亚基组成。小亚基介导马达蛋白与要转运的“货物”结合。2.驱动蛋白•负责从胞体向轴突末端运输小泡和细胞器。•由2条重链和2条轻链组成的四聚体。•一对球状头部（水解ATP产生能量）与微管结合。每个头部与一个颈部、一个杆状的柄部和一个结合运载“货物”的扇形尾部相连。驱动蛋白沿着微管运输小泡的示意图•在体外培养的非极性细胞中，驱动蛋白和动力蛋白介导的小泡和细胞器运输的示意图。（四）维持细胞内细胞器的定位•大鼠结肠分泌黏液的杯状细胞的极化结构图•细胞器沿着从顶端到基底端的轴以确定的模式排列•正常细胞高尔基体（绿色）定位在核周围。•用秋水仙素处理细胞，微管（橙色）解聚，高尔基体分散在整个胞质中。5.细胞分裂装置的必要组分•构成有丝分裂器，介导染色体运动。第二节微丝(microfilament,MF)•又称肌动蛋白丝(actinfilament)•细胞的许多运动都依赖微丝的存在–肌肉收缩–非肌肉收缩与运动•细胞分裂•巨噬细胞的吞噬活动•微绒毛一、肌动蛋白与微丝的结构•微丝是由肌动蛋白单体（常称作G-肌动蛋白）组成的多聚体，直径约8nm。•肌动蛋白单体由2个亚基构成，每一亚基含有375个氨基酸残基。•肌动蛋白单体有ATP⁄ADP、Mg2+和K+⁄Na+以及肌球蛋白的结合位点。肌动蛋白纤维的冷冻蚀刻电镜照片双股螺旋结构一、肌动蛋白与微丝的结构•每个肌动蛋白亚基都有极性，并且肌动蛋白纤维中所有的亚基均指向同一方向，所以整条微丝都有极性。二、微丝结合蛋白及其功能•决定细胞内微丝的组织与行为–右图，运动的成纤维细胞的前导边缘电镜照片，显示高度致密的肌动蛋白纤维组织成两种不同的排列。•什么因素控制肌动蛋白纤维的组装速率、数量、长度和空间分布？微丝平行排列成束微丝以不同方向交联成网❷单体隔离❸封端加帽❶单体成核单体❻交联❹单体聚合❻交联❺解聚❼纤维切割❽膜结合（一）单体-隔离蛋白(monomer-sequesteringprotein)1.胸腺素•结合G-actin，阻止G-actin聚合。•维持非肌肉细胞中肌动蛋白单体以较高的浓度(50～200µmol/L)存在。维持单体库的稳定。2.抑制蛋白•不抑制聚合，而是在去除加帽蛋白后，促进生长中的微丝正端添加结合抑制蛋白的肌动蛋白单体，在细胞运动过程中促进肌动蛋白聚合。（二）交联蛋白(cross-linkingprotein)•改变微丝群体的三维结构。•交联蛋白有2个或2个以上与肌动蛋白结合的位点，能够将两个或两个以上分离的肌动蛋白纤维交联在一起。–细丝蛋白–绒毛蛋白–丝束蛋白细丝蛋白•呈细长柔软的杆状，促进形成近似正交相互关系的纤维松散网络。•含该网络的胞质区具有弹性凝胶特性，能抵抗局部的机械压力。成束蛋白•丝束蛋白和绒毛蛋白呈球状，促进肌动蛋白纤维束紧密地平行排列。–上皮细胞的微绒毛、内耳受体细胞突出的毛发状的静纤毛。端帽丝束蛋白绒毛蛋白肌球蛋白Ⅰ纤维正端微绒毛α辅肌蛋白和丝束蛋白成束蛋白（三）封端（加帽）蛋白[End-blocking(capping)protein]•与微丝的某一端结合形成帽，调节肌动蛋白纤维的长度。–在纤维快速增长的正端加帽，则另一端解聚，导致纤维去组装。•横纹肌的细丝由CapZ在其Z线的正端加帽，其负端则由原肌球调节蛋白加帽。（四）纤维-切割蛋白(filament-severingprotein)•与已有纤维的侧面结合，并将其一分为二。由于纤维长度缩短，胞质黏度下降。•切割蛋白能产生游离的正端，促进肌动蛋白单体的渗入，或为切割产生的片段加帽。凝溶胶转换蛋白切割、加帽（五）肌动蛋白纤维-解聚蛋白(actinfilament-depolymerizingprotein)•与微丝负端结合，促进微丝解聚成肌动蛋白单体。–结合在肌动蛋白微丝上，使之轻微扭曲变紧，易碎、易切割。拆卸细胞的衰老纤维。丝切蛋白（六）膜结合蛋白(membrane-bindingprotein)•非肌肉细胞的收缩装置大部分位于细胞质膜下方。•通过与外周膜蛋白连接，将微丝间接连在质膜上，产生细胞运动或移动。•收缩蛋白产生的力作用于质膜上使之外凸/内凹。–细胞移动过程中–吞噬作用或胞质分裂过程中红细胞膜骨架•人红细胞质膜的内表面观模型，显示出包埋在脂双层中的整合蛋白和形成膜内表面骨架的外周蛋白的排列。三、微丝的装配机制•非肌肉细胞中，微丝是一种动态结构。•G-actin渗入微丝前，先结合1分子ATP；快速组装肌动蛋白纤维时，其末端含有actin-ATP帽，阻止纤维去组装，有