细胞生物学细胞骨架专题宣讲课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。,细胞骨架,(cytoskeleton),是指真核细胞中的蛋白纤维网架体系,广义的细胞骨架包括细胞核骨架、细胞质骨架、细胞膜骨架、细胞外基质,狭义的细胞骨架指细胞质骨架，包括微丝、微管和中间纤维,细胞骨架,细胞质骨架,细胞核骨架,微丝,微管,中间纤维,核基质,核纤层,染色体支架,细胞质骨架,微丝,微管,中间纤维,一个培养细胞的细胞骨架,遍布于整个细胞内的各种蛋白质性的丝状结构,微丝是,比 微管细的实心纤维状结构.,定义：又称为肌动蛋白纤维，是指真核细胞中由肌动蛋白组成，直径为7,nm的骨架纤维。由哑铃形肌动蛋白单体形成的多聚体。具有支持和收缩作用。,微丝(microfilament,MF),微丝(microfilament,MF),微丝又称,肌动蛋白纤维,(actin filament),，,是指真核细胞中由肌动蛋白组成、直径为,7 nm,的骨架纤维。,球形肌动蛋白,(,globular actin,G-actin),是微丝的结构成分，外观呈哑铃状，,由,G-actin,形成的多聚体,(,微丝,),也称为,纤维形肌动蛋白,(,fibrous actin,F-actin),微丝,形态与组分,形态：,是一类由蛋白纤维组成的实心纤维细丝。,6-7nm，长短不一。,在细胞中：微丝可成束、成网或纤维状分散分布,化学成分：,球状肌动蛋白(肌动蛋白单体 G-actin)肌动蛋白),肌肉细胞中的微丝为,永久性微丝。,非肌肉细胞中：,永久性微丝：,肠上皮细胞微绒毛中的轴心微丝。,暂时性微丝,：,如胞质分裂环中的微丝,。,动态结构的微丝：在多数非肌肉细胞中，微丝是一种,动态结构，,持续进行装配和解聚，与细胞形态维持及细胞运动有关。,胞质分,裂 环,永久性结构,暂时性结构,微绒毛,MF,动态变化与细胞生理功能变化相适应,在体内，有些微丝是永久性的结构，如肌肉中的细丝、肠上皮细胞微绒毛中的轴心微丝等；,有些微丝是暂时性的结构，如胞质分裂环中的微丝,非肌细胞中的微丝,质膜下方(外质),微绒毛,片足,微丝在各种真核细胞中的几种分布形式图解,应力纤维,微丝,装配,肌动蛋白单体具有极性，装配时呈头尾相接，故微丝具有极性，既正极与负极之别,传统模型认为微丝是由两条肌动蛋白单链螺旋盘绕形成的纤维，近年来则认为是一条肌动蛋白单体链形成的螺旋,微丝,装配,体外实验表明，,MF,正极与负极都能生长，生长时正极比负极快，去装配时，负极比正极快。,踏车现象,(tread milling),一定条件下，,球形肌动蛋白,(G-actin),在正极端装配、负极去装配,“+”极,“-”极,6个球形肌动蛋白 首先形成装配核心,G-actin,F-actin,+,-,踏 车,微丝,装配,微丝的装配,G-,肌动蛋白,F-肌动蛋白(微丝)的右手螺旋结构,“+”极,“-”极,“-”极,“+”极,肌动蛋白,单 体,微丝装配的踏车现象,微丝,装配,体内装配时，MF呈现出动态不稳定性，主要取决于,纤维形肌动蛋白,(F-actin)结合的ATP水解速度与游离的,球形肌动蛋白,(G-actin),单体浓度之间的关系，还有微丝横向连接成束或成网的程度,微丝,特异性药物,细胞松弛素(cytochalasins)，可以切断微丝，并结合在微丝正极阻抑肌动蛋白聚合，破坏微丝的三维网络，但不明显导致微丝解聚,鬼笔环肽(philloidin)与微丝侧面结合，防止MF解聚,微丝的特异性药物,(2)鬼笔环肽(phalloidin),(1)细胞松弛素(cytochalasins),与微丝具有强烈的亲合作用,可紧密地结合在微丝上，因而能抑制微丝的解聚从而,稳定,微丝,通过切断微丝并结合在微丝的正端,抑制,其组装，从而导致微丝解聚,微丝,微丝结合蛋白,单体隔离蛋白,(monomer-,sequenstering,protein),，,与,G-actin,结合后抑制它们的聚合，维持高浓度的单体,膜结合蛋白,(membrane-binding protein),，,非肌细胞质膜下方产生收缩的机器,末端阻断蛋白,(end blocking protein),，,通过与肌动蛋白纤维的一端或两端结合调节肌动蛋白纤维的长度,微丝,微丝结合蛋白,交联蛋白,(cross-linking protein),使肌动蛋白纤维形成网络结构,纤维切割蛋白,(filament-severing protein),，,同肌动蛋白纤维结合并将其一分为二，控制肌动蛋白纤维的长度，降低黏度,肌动蛋白纤维去聚合蛋白,(actin filament,depolymerizing,protein),，,将肌动蛋白纤维快速去聚合形成,G-actin,发动机蛋白，如肌球蛋白,微丝,微丝性细胞骨架的功能,微丝遍及胞质各处，集中分布于质膜下，和其结合蛋白形成网络结构,(,溶胶,),，维持细胞形状和赋予质膜机械强度,(,如红细胞膜骨架,),，细胞的多种运动如,胞质环流,、,阿米巴运动,、,变皱膜运动,及,吞噬,等都与其有关，这些运动能为细胞松弛素所抑制,微丝,微丝性细胞骨架的功能,肌动蛋白在微丝结合 蛋白的协同下，形成独特的微丝性骨架结构，与细胞中许多重要的功能活动有关，如肌肉收缩、变形运动、胞质分裂等,细胞质运动,以轮藻的胞质环流为例。,微丝,微丝性细胞骨架的功能,胞质分裂环,：有丝分裂末期，两个即将分裂的子细胞之间产生收缩环。由大量平行排列的微丝组成，分裂末期胞质中的肌动蛋白能迅速装配成收缩环并进一步收缩,(,肌动蛋白与肌球蛋白的相对滑动,),，,使两个子细胞分开；胞质分裂后，收缩环迅速去装配,肌肉收缩,：肌肉可看作一种特别富含细胞骨架的效率非常高的能量转换器，它直接将化学能转变为机械能,微丝,微丝性细胞骨架的功能,肠上皮细胞,微绒毛,(microvillus),的,轴心微丝是非肌肉细胞中高度有序微丝束的代表，微丝束同向平行排布，下端终止于端网结构,(terminal web),，,维持微绒毛形状，无收缩功能,应力纤维,(stress fiber),广泛存在于真核细胞，由大量平行排列的微丝组成,成分为肌动蛋白、肌球蛋白、原肌球蛋白和,-,辅肌动蛋白,介导细胞间或细胞与基质表面的粘着，可能在细胞形态发生、细胞分化和组织形成等方面具有重要作用,微丝,肌肉收缩,骨骼肌的超微结构,骨骼肌,(skeletal muscle),肌细胞,(,肌纤维,myofiber,),肌原纤维,(myofibrils),肌小节,(,sarcomere,),微丝,肌肉收缩,肌小节,包括,粗肌丝,(thick filament),即,肌球蛋白,(myosin),、,细肌丝,(thin filament),即,肌动蛋白,，肌动蛋白的正极端锚定在,Z,线,(Z disk,纤维网状结构,),上,微丝,肌肉收缩,肌肉收缩系统中的有关微丝结合蛋白,肌球蛋白(myosin)，头部具ATP酶活力，沿微丝从负极到正极进行运动。,Myosin主要分布于肌细胞，有两个球形头部结构域(具有ATPase活性)和尾部链，多个Myosin尾部相互缠绕，形成粗肌丝,微丝,肌肉收缩,肌肉收缩系统中的有关微丝结合蛋白,原肌球蛋白(tropomyosin,Tm)由两条平行的多肽链形成-螺旋构型，位于肌动蛋白螺旋沟内，一个Tm分子的长度相当于7个肌动蛋白。Tm结合于细肌丝，调节肌动蛋白与肌球蛋白头部的结合,肌钙蛋白(Troponin,Tn)为复合物，包括三个亚基：Tn-C(Ca,2+,敏感性蛋白)能特异与Ca,2+,结合，Tn-T与原肌球蛋白结合；Tn-I抑制肌球蛋白ATPase活性。细肌丝中每隔40 nm有一个Tn复合体结合到原肌球蛋白上,微丝,肌肉收缩,神经冲动诱发的肌肉收缩的基本过程,动作电位的产生,，神经冲动经轴突传到神经肌肉接点运动终板，肌肉细胞膜去极化，经T小管传至肌质网,Ca,2+,的释放,，肌质网去极化后释放Ca,2+,至肌浆中，阈浓度为10,-6,mol/L,原肌球蛋白位移,，Ca,2+,与Tn-C结合，引起构象变化，Tn-C与Tn-I、Tn-T结合力增强，Tn-I与肌动蛋白结合力削弱而脱离；同时Tn-T使原肌球蛋白移动到肌动蛋白双螺旋沟的深处，消除肌动蛋白与肌球蛋白结合的障碍,微丝,肌肉收缩,神经冲动诱发的肌肉收缩的基本过程,肌动蛋白丝与肌球蛋白丝的相对滑动：,A 肌球蛋白头部与肌动蛋白结合，ATP结合位点闲置，结合ATP后头部构象变化，脱离肌动蛋白B 头部的ATP酶水解ATP，头部弯曲C 头部释放Pi，与肌动蛋白另一亚基结合D 头部释放ADP，恢复原状，导致滑动,Ca,2+,的回收,，到达肌肉细胞的一系列冲动一经停止，肌质网就通过主动运输重吸收Ca,2+,，于是收缩周期停止,微丝,肌肉收缩,肌肉收缩系由肌动蛋白丝与肌球蛋白丝的相对滑动所致,肌球蛋白,肌动蛋白,微管,形态、结构与组成,微管,(microtubule),是由微管蛋白,(,tubulin,),装配而成的长管状细胞器结构，平均外径,24 nm,，,内径,15 nm,微管壁由,13,根原纤维,(,protofilament,),排列构成，原纤维由,微管蛋白和,微管蛋白交替排列而成,微管,形态、结构与组成,微管可装配成单管、二联管(纤毛和鞭毛中)、三联管(中心粒和基体中)，在细胞中呈网状或束状分布，并能与其他蛋白共同装配成纺锤体、基粒、中心粒、鞭毛、纤毛、轴突、神经管等结构，,参与细胞形态的维持、细胞运动和细胞分裂,微管存在于所有真核细胞中(极少数例外，如红细胞)，而所有原核细胞中都没有微管,15nm,一.微管的形态结构与化学组成,微管的形态结构：,24-26nm,5-9nm,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,微管横断面,细长中空的圆柱状结构。,横断面上看：,它是由,13,根原纤维纵向围绕而成,(一)微管的化学组成：,1.微管蛋白,微管蛋白,(55KD 450aa),微管蛋白,(55KD 550aa),异二聚体,2个鸟嘌呤核苷酸结合位点。,可与秋水仙素、长春花碱结合。,微管蛋白,微管蛋白,异二聚体,聚合,首位相连,原纤维,微管,（13）,微管装配,鸟嘌呤核苷酸的,2,个结合位点,微管蛋白异二聚体,长春花碱、秋水仙素的结合位点,（二）微管种类,单管,：,13条原纤维组成，细胞质中大部分微管为单管。,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,单管,二联管,：,两根微管组成，分为A管、B管，A管B管共用三根原纤维，主要构成鞭毛、纤毛。,A,B,二联管,三联管,：,由A、B、C三根微管组成，A与B、B与C各共用三根纤维，共含33根原纤维，主要构成中心粒。,A,B,C,三联管,二.微管的组装,1微管的体外组装,1972年Weisenberg小鼠分离微管蛋白体外组装,+,-,踏 车,微管,微管结合蛋白,微管结合蛋白,(microtubule associated protein,MAP)-,附着于微管多聚体上，参与微管的组装并增加微管的稳定性,-MAP,分子至少包含一个结合微管的结构域和一个向外突出 的结构域，突出部位伸到微管外与其他细胞组分如微管束、中间纤维、质膜等结合,-,MAP,的主要功能：,促进微管聚集成束；,增加微管稳定性或强度；,促进微管组装,微管,特异性药物,微管特异性药物,-,秋水仙素,(colchicine),，与微管蛋白结合 后装配到微管末端，阻止其他微管蛋白 的加入，阻断微管蛋白装配成微管，可 破坏纺锤体结构,-,紫杉酚,(taxol),，能促进微管的装配，并 使已形成的微管稳定,.,这种稳定对细胞是有,害的，这使细胞周期停止于有丝分裂期。,微管,功能,维持细胞形态,，用秋水仙素处理细胞破坏微管，导致细胞变圆，说明微管对维持细胞的不对称形状是重要的,微管,功能,细胞运输,，微管起细胞内物质运输的路轨作用，与微管结合而起运输作用的马达蛋白有两大类：驱动蛋白,(,kinesin,),和胞质动力蛋白,(,dynein,),，,两者均需,ATP,提供能量,微管,功能(,纤毛和鞭毛的运动,),纤毛,(,cillum,),和鞭毛,(flagellum),并无绝对界限：少而长者称鞭毛，波浪式摆动；短而多者称纤毛，无规则运动,纤毛和鞭毛都含有一个规则排列的由微管相互连接形成的骨架，即轴丝,(,axoneme,),，,9,2,结构，相关蛋白结构：,-,微管蛋白二聚体,-,动力臂蛋白,(,dynein,arms)-,微管连接蛋白,(,nexin,)-,放射辐条,(radial spoke)-,内鞘,(central sheath),运动机制,滑动学说,微管,功能(纤毛和鞭毛的运动),微管,功能(,纺锤体和染色体运动,),细胞从间期进入分裂期时，细胞胞质微管网架崩解，微管解聚为微管蛋白，经重装配形成纺锤体，介导染色体的运动；分裂末期，纺锤体微管解聚为微管蛋白，经重装配形成胞质微管网,微管,功能(,纺锤体和染色体运动,),纺锤体微管包括：,动粒微管，连接动粒与两极的微管；,极微管，从两极出发，在纺锤体中部交错重叠的微管；星体微管，组成星体的微管,关于染色体运动分子机制的两种学说：,动力平衡学说，认为染色体运动与微管的装配-去装配有关；,滑行学说，认为染色体运动与微管间的相互滑动有关,微管,功能(,中心体和基体,),中心体,(,centrosome,),由一对相互垂直的中心粒,(,centrioles,),及周围基质构成，位于鞭毛和纤毛根部的类似结构,(,单个,),称为基体或基粒,(basal body),，,均由三联体微管组成,微管,功能(,中心体和基体,),中心体是主要的微管组织中心，纺锤体微管和胞质微管由中心体基质囊多个,管蛋白,(,为,微管蛋白二聚体提供起始装配位点,),形成的环状核心放射出来,中心体,(centrosome),草履虫中心粒的横切面和立体结构,三联体微管,风车状,中心粒横切面的电镜图象,中心粒结构,横切面图解,立体结构,模式图,中心体,中心粒,中心粒周围物质,起始端,(负端),正端,星体,两个相互垂直的由9组三联管微管组成，,中心粒外的细胞质区，其内无线粒体、高尔基体、核糖体，折光率高。,中心粒,中心球,中心体,星射线,动粒微管,极微管,星体微管,中心体,中心粒的功能：,确定动物细胞的分裂极，是动物细胞中主要的微管组织中心。,中心粒在细胞内具有自我复制的能力：,G1期 S期 G2期 分裂前期,两个中心粒略分开,每个中心粒一端附近出现前中心粒,前中心粒延长,前中心粒继续延长形成成熟的中心粒，与原来的垂直。,染色体,中心粒,中心粒,纺锤体微管,动粒微管,动粒,星体,有丝分裂器的模式图解,5组成纺锤体并介导染色体的运动,中间纤维,(intermediate filament,IF),直径,10 nm,左右，介于微丝,(7 nm),和微管,(24 nm),之间，中间纤维是最稳定的细胞骨架成分，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，主要起支撑作用,按组织来源及免疫原性可分为,5,类，分布有严格的组织特异性角蛋白纤维：存在于上皮细胞中波形纤维：存在于间质细胞和中胚层来源的细胞中结蛋白纤维：存在于肌细胞中神经元纤维：存在于神经元中神经胶质纤维，存在于神经胶质细胞,中间纤维,形态、结构与组成,中等纤维的基本组成单位,中等纤维单体,中等纤维单体共同结构域,-螺旋杆状区,非螺旋区,：310个氨基酸残基组成。,头部（N-端）,尾部（C-端）,杆状 区,头部,（N-端,）,尾部,（C-端）,中间纤维,形态、结构与组成,中间纤维蛋白分子由一个310个氨基酸残基形成的螺旋杆状区以及两端非螺旋化的球形头部(N端)、尾部(C端)构成，杆状区高度保守，头部和尾部的氨基酸序列在不同类型的中间纤维中变化较大,中间纤维,装配,两条中间纤维多肽链形成超螺旋二聚体(dimer),两个二聚体反向(或顺向)平行以半交叠方式构成四聚体(tetramer)，可能是中间纤维解聚的最小亚单位,四聚体首尾相连形成原纤维(protofilament),8根原纤维构成直径10 nm圆柱状的纤维,中间纤维的功能至今仍不清楚，,一般认为在细胞质中起支架作用，,并与细胞核定位有关,1.,增强细胞抗机械压力的能力。,2.,中间纤维的支持作用,对细胞核起固定作用，使核在细胞,内占据一定的空间,3.,参与细胞内物质运输,4.,参与细胞器的定位,纺锤体与染色体空间定向；,子细胞中细胞器的定位,5.,参与信息传递,中间纤维,功能,细胞核骨架,核基质,染色体骨架,核纤层,狭义的细胞核骨架,(,nucleoskeleton,),仅指,核基质,(nuclear matrix),，,是指除核被膜、染色质、核纤层及核仁以外的核内网架体系,核骨架的成分比较复杂，,主要成分,是核骨架蛋白及核骨架结合蛋白，并含有少量,RNA,核基质,形态、结构与组成,核基质,形态、结构与组成,核骨架蛋白,与DNA的核骨架结合序列(matrin association region,MAR)结合，又称为MAR结合蛋白，可区分MAR和非MAR DNA，无严格的特异性，已鉴定的MAR结合蛋白如DNA拓扑异构酶(DNA topoisomerase)、核基质蛋白(nuclear matrin)、组蛋白H1等,核骨架结合蛋白,如转录因子、酶、受体、供体等,DNA,序列中存在,核骨架结合序列,(MAR),，,MAR,一般位于,DNA,放射环或活性转录基因的两端，在基因表达调控中有作用,核骨架结合序列的基本特征,：,富含,AT,富含,DNA,解旋元件,(DNA unwinding elements),富含反向重复序列,(inverted repeats),含有转录因子结合位点,MAR,的功能,：,通过与核骨架蛋白的结合，将,DNA,放射环锚定在核骨架上作为许多功能性基因调控蛋白的结合位点,核基质,核骨架结合序列,核骨架与,DNA,复制,，,DNA,聚合酶结合于核骨架上并因此被激活，,DNA,复制起点是,MAR,，,核骨架是,DNA,复制的空间支架,核骨架与基因表达,，包括核骨架与基因转录活性的关系和核骨架与,RNA,加工修饰的关系。真核细胞中,RNA,的转录和加工均与核骨架有关，,RNA,聚合酶在核骨架上具有结合位点，,RNA,的合成在核骨架上进行，基因只有结合在核骨架上才能进行转录,核骨架与病毒复制,，作为外源基因的病毒,DNA,，,复制、转录及加工均需依赖宿主细胞的核骨架,核骨架与染色体构建,，核骨架与染色体骨架的关系目前仍是不清楚的,核基质,功能,染色体骨架的真实性,近年来越来越多的工作支持染色体骨架是染色体中的真实结构，染色体的骨架,-,放射环模型在分子水平上得到实验证据,染色体骨架的成分,主要是非组蛋白，不含组蛋白,染色体骨架与核骨架的关系,染色体骨架,核纤层,(nuclear lamina),是细胞核内层核膜下的纤维蛋白片层或纤维网络，与中间纤维、核骨架相互连接，形成贯穿于细胞核与细胞质的骨架结构体系,核纤层,形态、结构与组成,核纤层纤维,直径约,10 nm,，,间期细胞中纵横排列编织成厚度为,30-100 nm,的球状或笼状网络，位于内层核膜与染色质之间；分裂期细胞中核纤层解体，以蛋白单体形式存在于细胞质中,核纤层由,核纤层蛋白,(,lamin,),构成，包括,A,、,B,、,C,三种，,A,与,C,是同一基因的不同加工产物，因此又分为,A,型,(A,C),和,B,型,(B),核纤层纤维与中间纤维,有许多共同点：均形成,10 nm,纤维；均能抵抗高盐和非离子去垢剂的抽提；某些抗中间纤维蛋白的抗体能与核纤层发生交叉反应；结构上有密切联系,Lamin,A,和,Lamin,C,的,cDNA,克隆推导出核纤层蛋白的氨基酸顺序与中间纤维蛋白高度保守的,-,螺旋区有很强的同源性,说明,核纤层蛋白属于中间纤维蛋白家族的成员,核纤层蛋白在细胞分化过程中的表达具有,细胞特异性,。,B,型,核纤层蛋白存在于所有体细胞中，,A,型核纤层蛋白仅见于分化的细胞中,核纤层,形态、结构与组成,细胞分裂过程中核纤层发生解聚和重装配，,A,型和,B,型核纤层蛋白在分裂过程中的分布明显不同,A,型核纤层蛋白在组装核纤层时通过蛋白水解失去,C,端,(,异戊二烯化，,isoprenylation,),。,核膜崩解，核纤层解聚时，,A,型核纤层蛋白以可溶性单体形式弥散到胞质中,B,型核纤层蛋白则永久法尼基化,(,farnesylated,),，,与核膜小泡保持结合状态，当核膜重现时，在染色体周围重装配，形成子细胞的核纤层,核纤层,在细胞分裂过程中的变化,核纤层与核膜、染色质及核孔复合体在结构上有密切联系，一般认为核纤层在细胞核中起支架作用，为核膜及染色质提供了结构支架,核纤层与核膜：核纤层蛋白,A,、,B,和,C,均有亲膜结合作用，,B,的结合力最强；,A,和,B,型核纤层蛋白合成后均异戊二烯化和羧甲基化，,B,型,稳定,(,保持与膜结合,),，而,A,型的,C,端被蛋白酶水解,(,以可溶性蛋白形式释放到胞质中,),；内层核膜上存在核纤层蛋白,B,受体,(P,58,),，,介导核纤层蛋白,B,与核膜结合，参与核膜的解体与重建,核纤层与染色质，,A,型,核纤层蛋白与染色质的结合能力较,B,型强，中期染色体中的染色质发生,核纤层,功能,