细胞生物学-第10章-细胞骨架(翟中和第四版)

翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）第10章细胞骨架细胞为什么能维持一定的形态？“人”有一定的形态是由于有骨骼系统作为支架。细胞质：微丝微管中间丝细胞核：核骨架上皮细胞（红色：微丝；绿色：微管）细胞骨架(cytoskeleton):是指真核细胞中由微管、微丝和中间纤维等蛋白质成分构成的一个复合的网架系统。作用：•维持细胞一定的形状•空间组织者•物质运输•细胞运动•细胞收缩•细胞骨架的发现过程最初人们认为细胞质中无有形结构，但许多生命现象，如细胞运动、细胞形状的维持等，难以得到解释。1928年，Klotzoff提出了细胞骨架的原始概念。1954年，在电镜下首次看到了细胞中的微管，但在此时，电镜制片还只能用锇酸或高锰酸钾在低温条件下来固定，在这样的条件下细胞骨架常发生聚集现象，因而被破坏。1963年，采用戊二醛常温固定后，才广泛的地观察到种类细胞骨架的存在，并正式命名为一种细胞器。•细胞骨架由以下组分构成–微丝（microfilament）–微管（microtubule）–中间纤维（intemediatefilament）•广义的细胞骨架还包括–核骨架（nucleoskeleton）–核纤层（nuclearlamina）–细胞外基质（extracellularmatrix）•形成贯穿于细胞核、细胞质、细胞外的一体化网络结构。广义细胞骨架血影蛋白、锚蛋白带4.1蛋白等胶原蛋白、层/纤粘连蛋白、弹性蛋白、蛋白聚糖等细胞核骨架细胞质骨架细胞膜骨架细胞外基质核基质（狭义核骨架）核纤层、核孔复合体（广义核骨架）微丝、微管、中间纤维（狭义细胞骨架）微丝，又叫肌动蛋白纤维，是由肌动蛋白构成的两股螺旋形成的细丝，普遍存在于真核细胞中微管，是由微管蛋白单体构成的基本组件形成的中空的管状结构。普遍存在于真核细胞中中间纤维，又叫中间丝，粗细位于微丝和肌球蛋白粗丝之间，普遍存在于真核细胞中，是三种骨架系统中结构最为复杂的一种微丝与细胞运动微丝与细胞运动微管及其功能中间纤维细胞骨架与疾病本章主要内容第一节微丝与细胞运动•微丝（microfilament,MF）•球状肌动蛋白（G-actin）：肌动蛋白单体•纤维状肌动蛋白（F-actin）：由多个单体组装而成。•直径7nm•存在于所有真核细胞中Neuronalgrowthconephotos©Schaefer,Kabir,andForscher,2002.OriginallypublishedinTheJournalofCellBiology,158:139-152.一、微丝的组成及其组装在电镜下观察，整根微丝在外观上是由2股纤维以右手螺旋同向盘绕而成，螺距为36nm。微丝是一条直径约为7nm的扭链，由肌动蛋白单体组装而成。（一）结构与成分•肌动蛋白（actin）–球状G-actin–纤维状F-actin•裂缝/极性•ATP/ADP结合位点•二价阳离子（Mg2+或Ca2+）结合位点负极正极肌动蛋白分子上的裂缝使得该蛋白本身在结构上具有不对称性，在整根微丝上每一个单体上的裂缝都朝向微丝的同一端，从而使微丝在结构上具有极性。具有裂缝的一端为负极，而相反一端为正极。（一）结构与成分微丝是由G-actin单体构成的螺旋状纤维，肌动蛋白单体具有极性，装配时头尾相接,故微丝也具有极性，结合ATP的一端为负极，另一端为正极。在装配过程中，正极装配较负极快5～10倍。（二）微丝的组装及其动力学特性微丝的体外组装•一定的盐浓度（主要是Mg2+），一定的G-actin浓度，ATP，pH7.0。1条件G-actinF-actinMg2+、高Na+、高K+Ca2+、低Na+、低K+2过程临界浓度（Cc）：当纤维正极组装的速度与负极解聚的速度相同即纤维的长度保持不变时，组装体系中肌动蛋白单体的浓度称为临界浓度。延长期(Elongationphase)–正端快，为负端的10倍。成核期(Nucleationphase)–限速过程，又称延迟期。二聚体（不稳定）三聚体（核心形成）平衡期(Equilibriumphase)–聚合速度=解聚速度。p195踏车行为（treadmilling）•在体外组装过程中，微丝正极由于肌动蛋白亚基不断添加而延长，负极由于肌动蛋白亚基去组装而缩短的现象由G-actin单体的临界浓度决定正极的肌动蛋白聚合速率等于负极的解聚速率时，踏车现象出现2.G-actin单体聚合成F-actin，F-actin组成肌动蛋白微丝3.正极与负极都能生长，正极生长速度快，负极生长速度慢；由于G-actin在正极端装配，负极去装配，从而表现为踏车现象1.条件：一定的盐浓度(主要是Mg2+)，一定的G-actin浓度，ATP，pH7.0微丝的体外组装2微丝的体内组装2.有结合蛋白参与p1953.具有动态不稳定性，并与细胞功能相适应1.成核期：没有固定的中心，根据细胞需要动物细胞中主要的肌动蛋白结合蛋白及功能类型功能调节蛋白1.原肌球蛋白与肌动蛋白相连，调节肌动蛋白与肌球蛋白的结合。2.钙调蛋白与Ca2+结合，活化肌球蛋白轻链激酶连接蛋白1.α-辅肌动蛋白参与微丝与质膜的结合2.纽带蛋白肌动蛋白纤维端点与细胞膜之间结合的中介交联蛋白1.毛缘蛋白使纤维状多聚体肌动蛋白平行连接成束2.细丝蛋白与F-actin结合，使之形成三维网状结构3.血影蛋白与锚蛋白结合，并与肌动蛋白交联4.锚定蛋白血影蛋白与膜上的带III蛋白相连的中介间隔蛋白抑制蛋白结合于G-actin单体，可逆性抑制微丝聚合切断和封端蛋白1.凝溶胶蛋白和绒毛蛋白低Ca2+促进微丝装配成核心，高Ca2+将微丝切成片段2.封端蛋白结合于微丝(+)端，阻止G-actin加上或脱落微丝组装的动态不稳定性微丝的动态变化与细胞生理功能变化相适应微绒毛应力纤维伪足收缩环细胞中大多数微丝结构处于动态的组装和去组装过程中，并通过这种方式实现其功能（三）影响微丝组装的特异性药物•细胞松弛素（cytochalasin）–与微丝结合后将微丝切断，并结合在微丝末端阻抑肌动蛋白在该部位的聚合，但对微丝解聚没有明显影响–破坏微丝网络结构，并阻止细胞的运动•鬼笔环肽（phalloidin）–与微丝表面有强亲和力，不与肌动蛋白单体结合–阻止微丝的解聚，使其保持稳定状态二、微丝的网络结构的调节与细胞运动（一）非肌肉细胞内微丝的结合蛋白（二）细胞皮层（三）应力纤维（四）细胞伪足的形成与细胞迁移（五）微绒毛（六）胞质分裂环（一）非肌肉细胞内微丝的结合蛋白•大多数非肌细胞的微丝是一种动态结构，它们持续地进行组装和去组装，这与细胞形态的持续变化和细胞运动有密切的关系。•肌动蛋白结合蛋白（actinbindingprotein）：与肌动蛋白单体或肌动蛋白丝结合的蛋白，对微丝的组装、物理性质及其功能具有调控作用。•体内肌动蛋白的组装在2个水平上受到微丝结合蛋白的调节：①可溶性肌动蛋白的存在状态；②微丝结合蛋白的种类及其存在状态。1.肌动蛋白单体结合蛋白2.成核蛋白3.加帽蛋白4.交联蛋白5.割断及解聚蛋白根据微丝结合蛋白作用方式的不同，可将其分成肌动蛋白结合蛋白与微丝的组装微丝的成核与加帽交联蛋白与微丝的相互作用细胞内微丝主要集中在紧贴细胞质膜的细胞质区域，并由微丝交联蛋白交联成凝胶态三维网络结构，该区域通常称为细胞皮层（cellcortex）。•细胞皮层有助于维持细胞形状。•皮层内一些微丝与质膜蛋白连接，从而限制膜蛋白的流动性。•细胞的多种运动，如胞质环流、阿米巴运动、变皱膜运动、吞噬以及膜蛋白的定位等都与皮层内肌动蛋白的凝胶态-溶胶态转化相关。（二）细胞皮层（二）细胞皮层应力纤维(Stressfiber)体外培养的细胞在基质表面铺展时，常在细胞质膜的特定区域与基质之间形成紧密黏附的黏着斑。在紧贴黏着斑的细胞质膜内侧有大量成束状排列的微丝，这种微丝束称为应力纤维（stressfiber）；应力纤维通过黏着斑与细胞外基质相连，可能在细胞形态发生、细胞分化和组织建成等方面发挥作用。p199（三）应力纤维•应力纤维中相邻的微丝呈反向平行排列并且呈现周期性带纹。Actinstressfibers(red)terminateinfocaladhesions(green).Nucleiareinblue星形胶质细胞内应力纤维和黏着斑的分布（四）细胞伪足的形成与细胞迁移•以成纤维细胞为例，细胞在基质表面或相邻细胞表面的迁移过程通常包含以下几个相继发生的事件：①细胞前端伸出突起；②突起附着在基质表面；③以附着点为支点前移；④细胞后部的附着点与基质脱离使细胞尾部前移。•片状伪足（lamellipodium）：指迁移（运动）的成纤维细胞的前缘，因微丝组装形成的宽而扁平的凸起。•丝状伪足（filopodium）：片状伪足常呈波形运动，在其前端还有一些比较纤细的突起，称为丝状伪足。丝状伪足内的微丝是同向紧密排列的平行束。•片状伪足和丝状伪足的形成依赖于肌动蛋白的聚合（组装），并由此产生推动细胞运动的力。CellcrawlingFigure16-91MolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)细胞运动过程中力产生机制微丝装配将质膜向前推进肌球蛋白Myosin和肌动蛋白Actin相互作用动物细胞边缘的伪足及其微丝的排列方式非肌细胞前缘肌动蛋白的聚合和伪足的形成WASP（Wiskott-Aldrichsyndromeprotein）：即Wiskott-Aldrich综合症蛋白，能激活Arp2/3复合物。1.信号转导；2.启动微丝的组装；3.微丝延伸；4.启动微丝侧支的组装；5.微丝不断延伸而形成伪足；6.微丝解聚（五）微绒毛p200在小肠上皮细胞的游离面存在大量的微绒毛（microvilli），其轴心是一束平行排列的微丝，微丝束正极指向微绒毛的顶端，其下端终止于中间丝形成的端网结构。微丝束对微绒毛的形态起支撑作用。由于微丝束内不含肌球蛋白、原肌球蛋白和α-辅肌动蛋白，因而该微丝束无收缩功能。•由大量反向平行排列的微丝组成•动力来源于肌球蛋白所介导的极性相反微丝间的滑动（六）胞质分裂环有丝分裂末期在2个即将分裂的子细胞之间的质膜内侧形成的一个起收缩作用的环形结构。微丝的功能1、支架功能：保持细胞一定形态。2、运动作用：（1）细胞移动（变形运动、变皱膜运动）（2）细胞质运动（丽藻细胞的胞质环流）（3）肌肉收缩运动3.微绒毛和应力纤维4.细胞内运输：MT具有从内质网上排除小泡以及阻止它们在某些部位与质膜融合。5.胞质分裂环三肌球蛋白(myosin)目前已知的唯一沿肌动蛋白进行运动的马达蛋白为细胞内组分的运动提供动力，使它们能够沿着肌动蛋白纤维和微管朝向两极运动。目前已鉴定的马达蛋白多达数十种。根据其结合的骨架纤维以及运动方向和携带的转运物不同而分为不同类型。马达蛋白Motorproteinsp201肌球蛋白：依赖于微丝的分子马达•马达蛋白(motorprotein)可以分为3类–沿微丝运动的肌球蛋白（myosin）–沿微管运动的驱动蛋白（kinesin）–沿微管运动的动力蛋白（dynein）•能量转换：利用水解ATP所提供能量有规则地沿微管或微丝等细胞骨架纤维运动粗肌丝——肌球蛋白(myosin)•形态：由轻链和重链组成。豆芽状：两个椭圆形的头部，一根长杆状的尾–头部：ATP酶活性位点,actin结合位点；–尾部：由两条重链相互盘绕形成一个双股螺旋Ⅱ型肌球蛋白分子（A）和粗肌丝的结构（B）示意图肌球蛋白的结构•3个功能结构域–马达结构域：负责将ATP水解所释放的化学能转变成机械能–调控结构域：轻链的结合部位，发挥杠杆作用–尾部结构域：选择性与所运输的“货物”结合肌动蛋白（actin）提供动力原肌球蛋白（tropomyosin）肌钙蛋白（troponin）细肌丝调控肌小节结构示意图粗肌丝细肌丝明带暗带明带肌原纤维的结构由神经冲动诱发的肌肉收缩基本过程1.动作电位的产生2.Ca2+的释放3.原肌球蛋白位移4.