第十章细胞骨架.ppt

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　　THE CYTOSKELETON

　　第十章细胞骨架

　　成分：microfilament、microtubule、intemediate filament。单体非共价结合，构成纤维型多聚体。微丝确定细胞表面特征，使细胞能够运动和收缩。微管确定膜性细胞器的位置和作为运输导轨。中间纤维使细胞具有张力和抗剪切力。其它骨架成分：核骨架、核纤层、膜骨架、细胞外基质。

　　The three types of protein

　　第一节微丝

　　又称肌动蛋白纤维actin filament，是由两条线性排列的肌动蛋白链形成的螺旋，形状如双线捻成的绳子，直径约7nm 。

　　Microfilament , MF

　　一、结构与装配

　　根据等电点分3类：α-actin分布于肌细胞;β-和γ-分布于所有细胞。单体呈哑铃形，称G-actin;多聚体称F-actin。结构保守，酵母和兔子actin有88%的同源性。需要翻译后修饰，如N-端乙酰化或组氨酸残基的甲基化。

　　微丝的装配

　　条件：ATP、适宜温度、K+和Mg2+。过程：核化;ATP-actin向核心两端加合。极性：ATP-actin加到(+)极的速度要比加到(-)极的速度快5-10倍。踏车行为：

　　Tread milling

　　细胞中大多数微丝结构处于动态组装和去组装过程中，并通过这种方式实现其功能。特异性药物：细胞松弛素(cytochalasin); 鬼笔环肽(phalloidin)。

　　三角帆蚌卵母细胞鬼笔环肽染色

　　二、微丝结合蛋白

　　已知100多种，包括：核化蛋白与单体聚合蛋白

　　微丝解聚蛋白

　　单体隐蔽蛋白与纤维切断蛋白

　　gelsolin

　　thymosin

　　交联蛋白

　　封端蛋白与膜结合蛋白

　　三、肌肉的组成

　　由肌原纤维组成; 粗肌丝主要成分是肌球蛋白; 细肌丝主要成分是肌动蛋白、原肌球蛋白和肌钙蛋白; 肌肉收缩的基本单位是肌小节sarcomere。

　　Sarcomere

　　(一)肌球蛋白(myosin)

　　属于马达蛋白，多数趋向微丝的(+)极。 Myosin II构成粗肌丝。在非肌细胞中，II型参与形成应力纤维和胞质收缩环 I、V型结合在膜上与膜泡运输有关。

　　Myosin II structure

　　Myosin II

　　Myosin II structure

　　Myosin I

　　Myosin II structure

　　Myosin V

　　Myosin II structure

　　Myosin function

　　(二)原肌球蛋白(tropomyosin.Tm) 组成两条平行纤维，位于肌动蛋白双螺旋的沟中，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。 (三)肌钙蛋白(troponin,Tn)，含三个亚基，C亚基结合钙，T亚基与原肌球蛋白有高度亲和力，I亚基抑制肌球蛋白的ATP酶活性。

　　Tropomyosin, actin and troponin

　　(四)肌肉的收缩

　　①肌球蛋白结合ATP，引起头部与肌动蛋白纤维分离; ②ATP水解，引起头部与肌动蛋白弱结合;

　　Myosin movement (continued)

　　③Pi释放，头部与肌动蛋白强结合，头部向M线方向弯曲，引起细肌丝向M线移动; ④ADP释放ATP结合上去，头部与肌动蛋白纤维分离。如此循环

　　四、微丝的功能

　　微丝除参与形成肌原纤维外还具有以下功能： 1.形成应力纤维(stress fiber)：结构类似肌原纤维，使细胞具有抗剪切力。

　　培养的上皮细胞中的应力纤维(微丝红色、微管绿色)

　　2.形成微绒毛。 3.细胞的变形运动。

　　4. 胞质分裂; 5. 顶体反应(海胆 ); 6. 胞质环流。

　　第二节微管

　　微管在胞质中形成网络结构，作为运输路轨并起支撑作用。微管是由微管蛋白组成的管状结构，对低温、高压和秋水仙素敏感。

　　A fluorescently stained image of cultured epithelial cells showing the nucleus (yellow) and microtubules (red)

　　Microtubule, MT

　　DT. Woodrum 1980

　　Microtubule, MT

　　一、分子结构

　　13条原纤维构成的中空管状结构，直径22~25nm。原纤维由二聚体线性排列而成。二聚体由结构相似的α和β球蛋白构成，均可结合GTP。 α球蛋白结合的GTP从不发生水解或交换。 β球蛋白也是一种G蛋白。

　　具有极性， (+)极的最外端是β球蛋白，(-)极是α球蛋白。可形成稳定结构，如轴突、纤毛、鞭毛。是微管结合蛋白的作用和酶修饰的原因。大多数处于动态组装和去组装状态(如纺锤体)，具有踏车行为。特异性药物：秋水仙素、长春花碱、紫杉酚。

　　The function of GTP-tubulin cap

　　GTP hydrolysis is not required for microtubule assembly，WHY?

　　Treadmilling

　　Antimitosis drugs

　　二、微管结合蛋白 microtubule associated proteins MAPs

　　MAP功能：①促进微管组装。②增加微管稳定性。③促进微管聚集成束。

　　三、微管组织中心microtubule organizing center, MTOCs

　　是微管进行组装的区域，都具有γ微管球蛋白，如：中心体、鞭毛基体。

　　中心体由两个相互垂直的中心粒构成。周围是无定形物质，叫做外中心粒物质(PCM)。中心粒由9组3联微管构成，具有召集PCM的作用。 MTOC处微管蛋白以环状的γ球蛋白复合体为模板核化、先组装出(-)极，然后开始生长。提纯的微管，在微酸性环境，适宜温度，存在GTP、Mg2+和去除Ca2+的条件下能自发的组装成11条原纤维的微管。

　　The Orientation of Microtubules in a Cell

　　五、微管的功能

　　1. 支架作用

　　2. 细胞内运输

　　发现于1985年

　　Kinesin

　　发现于1963年

　　Dynein

　　Kinesin and Dynein

　　3. 形成纺锤体

　　Spindle

　　4. 形成鞭毛和纤毛

　　第三节中间纤维

　　直径10nm左右，介于微丝和微管之间，故名。 IF是最稳定的细胞骨架成分，主要起支撑作用。 IF在细胞中围绕着细胞核分布，成束成网，并扩展到细胞质膜，与质膜相连结。

　　intermediate filaments，IF

　　一、类型

　　分5类：角蛋白、结蛋白、胶质原纤维酸性蛋白、波形纤维蛋白、神经纤丝蛋白。具有组织特异性，不同细胞含有不同IF。通常一种细胞含一种IF，少数含2种以上。肿瘤细胞转移后仍保留源细胞的IF。

　　(一)角蛋白keratin

　　α型构成头发、指甲，β型存在于细胞中。单体分为：酸性角蛋白(I型)、中性或碱性角蛋白(II型)。通过两者的异二聚体形成角蛋白纤维。

　　Clinical phenotypes arising from karatin mutations，EB Lane , WHI McLean 2004

　　Desminopathy Harald Herrmann et al. 2007

　　50um

　　500nm

　　(二)结蛋白desmin 功能是使肌纤维连在一起。

　　(三)胶质原纤维酸性蛋白glial fibrillary acidic protein，存在于星形神经胶质细胞和许旺细胞。起支撑作用。 (四)波形纤维蛋白vimentin，存在于间充质细胞及中胚层来源的细胞中。 (五)神经纤丝蛋白neurofilament protein，是由三种分子量不同的多肽组成的异聚体，功能是提供弹性使神经纤维易于伸展和防止断裂。

　　二、结构与装配

　　(一)结构由螺旋化杆状区、球形头部(N端)和尾部(C端)构成。杆状区高度保守，由螺旋1和螺旋2构成，每个螺旋区分为A、B两个亚区。

　　intemediate filaments，IF

　　(二)IF的装配

　　过程： ①两个单体形成超螺旋二聚体; ②两个二聚体反向平行组装成四聚体; ③四聚体组成原纤维; ④8根原纤维组成中间纤维。特点：无极性;无动态蛋白库;装配与温度和蛋白浓度无关;不需要ATP、GTP或结合蛋白的辅助。

　　Assembly of the IF

　　三、IF的结合蛋白 IFAP

　　功能：使中间纤维交联成束、成网;把中间纤维交联到质膜或其它骨架成分上。已知的IFAPs约15种左右，分别与特定的中间纤维结合，如：Ankyrin。特点：具有细胞特异性。

　　胞质骨架三种组分的比较

　　第四节细菌细胞骨架

　　细菌也具有细胞骨架。细菌的FtsZ、MreB和CreS三种骨架蛋白，分别对应于真核细胞的微管蛋白、肌动蛋白丝和中间纤维，在细菌分裂、形态构建、染色体分离等方面发挥重要的作用。

　　一、FtsZ——细菌的微管蛋白