医学细胞生物学：第六章 细胞骨架与细胞运动

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1、第六章第六章 细胞骨架与细胞运动细胞骨架与细胞运动细胞生物学主要大纲 细胞骨架的概念、分布 微管的组成、结构、组装及功能 微丝的组成、结构、组装及功能 中间丝的结构、类型、功能细胞骨架的概念细胞骨架(cytoskeleton) 指真核细胞中与保持细胞形态结构和细胞运动有关的纤维网络，包括微管、微丝和中间丝 。微管(microtubule，MT) 25nm 微丝 (microfilament，MF) 57nm中间丝 (intermediate filament，IF) 10nm 广义：细胞质骨架，核骨架（nuclear skeleton），核纤层（nuclear lamina），细胞外基质（ex

2、tracellular matrix）概概 念念分分 布布微丝 主要分布在细胞质膜的内侧微管 主要分布在核周围，并呈放射状向胞质四周扩散中间纤维 分布在整个细胞中MFMTIFMerge细胞骨架的功能1、维持细胞形态2、定位细胞器3、参与细胞运动4、参与物质运输5、参与细胞活动6、参与信息传递 功功 能能1. 微 管2. 微 丝3. 中间丝4. 骨架异常与疾病微微 管管一、微管是由微管蛋白组成的不分支的中空小管动态结构，呈网状或束状相对稳定的“永久性”结构（中心体、基体、鞭毛、纤毛）构成微管的基本成分微管蛋白占 80-95%，-微管蛋白（-tubulin）-微管蛋白（-tubulin）-微管蛋白

3、（ -tubulin）微微 管管-微管蛋白（-tubulin） & -微管蛋白（-tubulin）450aa，C末端呈酸性，表面强负电荷，形成异二聚体，是微管组装的基本结构单位各有一个GTP结合位点Mg2+、Ca2+结合位点 秋水仙素、长春碱、紫杉醇结合位点异二聚体微管原丝13根原丝构成微管微微 管管微管形成-tubulin微管的存在形式单管胞质微管的主要存在形式二联管主要分布在纤毛和鞭毛的杆状部分 三联管主要分布在中心粒，纤毛和鞭毛的基体中 微微 管管二、微管相关蛋白是维持微管结构和功能的重要成分 (microtubule- associated protein，MAP)决定不同类型微管的独

4、特属性1MAP的种类和特点碱性区域结合微管蛋白酸性区域以横桥形式连接其他骨架微微 管管碱性结合区 酸性区域 MAP-1、MAP-2、Tau 主要存在于神经元中MAP-4广泛存在于各种细胞中 ，具有保守性各种MAP的活性主要通过蛋白激酶和磷酸酶控制2MAP的功能（1）调节微管装配（2）增加微管的稳定性和强度 （3）在细胞内沿微管转运囊泡和颗粒 （4）作为细胞外信号的靶位点参与信号转导 微微 管管MAP-1存在于神经元轴突和树突中，控制微管延长MAP-2在神经元胞体和树突，在微管之间和微管与中间丝之间形成横桥促使微管成束Tau存在于神经元轴突，增加微管组装的起始点，促进二聚体-多聚体三、微管的组装

5、和去组装是一种高度有序的生命活动过程组装过程分三个时期：成核期（延迟期）核心形成、-tubulin聚合成一个短的寡聚体结构聚合期（延长期）微管延长微管蛋白聚合速度大于解聚速度稳定期（平衡期）微管恒定游离微管蛋白浓度下降至临界浓度，微管的组装与去组装速度相等微微 管管（一）微管的体外组装受多种因素影响组装条件 ：微管蛋白达到临界浓度、有Mg2+存在（无Ca2+）、pH6.9、37、GTP提供能量。 极性装配 ： 装配快的一端（-tubulin）为（+）极装配慢的一端（-tubulin）为（-）极 踏车现象（tread milling）：在一定条件下，在同一条微管上常可发生微管的正极因组装而延长，

6、而其负极则因去组装而缩短的现象，这种现象导致微管的长度保持稳定。微微 管管踏车现象实际上是一种动态稳定现象：微管的总长度不变，但结合上的二聚体不断使微管发生位移微微 管管（二）微管的体内装配 微管组织中心（microtubule organizing center，MTOC）在空间上为微管装配提供始发区域控制着细胞质中微管的数量、位置及方向。包括：中心体、纤毛和鞭毛的基体 微管在中心体部位的成核模型微微 管管衣藻鞭毛及基体 -tubulin DAPI -tubulin有丝分裂中期细胞间期中心体(centrosome)动物细胞中重要的MTOC包括：中心粒和中心粒旁物质 在细胞间期，位于于细胞核

7、附近，在有丝分裂期，位于纺锤体的两极微微 管管-微管蛋白环状复合物(-tubulin ring complex, -TuRC) 微管的核心形成 是微管组装的限速步骤13个 -tubulin在MTOC形成环形结构（螺旋化排列），组成一个开放的环状模板，与微管具有相同直径，称为-微管蛋白环状复合体。作用：可刺激微管核心形成，是微管生长的起点与-tubulin结合，包裹（决定）微管负端阻止微管蛋白渗入，影响微管从中心粒上释放（三）微管组装的动态调节-非稳态动力学模型（dynamic instability model）该模型认为，微管组装过程不停地在增长和缩短两种状态中转变，表现动态不稳定性。 微微

8、 管管微管在体外组装时，影响稳定性的主要因素为：游离微管蛋白的浓度高浓度适合微管组装GTP水解成GDP的速度水解比组装速度慢，微管组装当GTP微管蛋白异二聚体添加到微管正极（+）组装速度大于GDP的水解速度时，形成GTP帽，微管延长; 当GTP的微管蛋白聚合速度小于GTP的水解速度， GTP帽不断缩小暴露出GDP微管蛋白，并迅速脱落，使微管缩短，导致微管结构上的不稳定。微管在体内组装时，影响稳定性的主要因素除了以上两种外，还受微管相关蛋白或细胞结构等的调节。微微 管管微管组装动力学不稳定性的意义促进新形成胞质区域的微管形成使微管更有效地寻找三维空间，找到特异靶点（寻找-捕获模型）微微 管管（四

9、）特异性药物可以影响细胞内微管的组装和去组装秋水仙素：抑制微管的组装紫衫醇：阻止微管的去组装，微管稳定不解聚秋水仙素与紫衫醇的分子结构微微 管管四、微管的功能：形态维持、细胞运动、物质运输（一）构成细胞的网状支架，支持和维持细胞的形态微微 管管鞭毛纤毛神经细胞 tubulin微管围绕细胞核向外呈放射状分布，维持细胞的形态 未激活血小板圆盘状，中间稍凸起微管束构成血小板边缘带，支撑其形态。微微 管管体外微管解聚的血小板（二）微管为细胞内物质的运输提供轨道马达蛋白（motor protein）是微管参与物质运输的介质是一类利用ATP水解产生的能量驱动自身携带运载物沿着微管或肌动蛋白丝运动的蛋白质。

10、可分为三个不同的家族： 驱动蛋白（kinesin） 动力蛋白（dynein） 肌球蛋白（myosin）以微丝作为运行轨道微微 管管微微 管管驱动蛋白和动力蛋白结构特点两个球状头部具有ATP结合位点和微管结合位点，结合、水解ATP使头部与微管相互结合、解离一个尾部结合特定货物驱动蛋白kinesin动力蛋白dynein驱动蛋白：介导沿微管的（-）极或（+）极的运输动力蛋白：介导从微管的两极的运输微微 管管胞质动力蛋白与膜泡的附着微微 管管驱动蛋白和动力蛋白参与物质运输（三）维持细胞内细胞器的空间定位和分布 参与内质网、高尔基复合体 、纺锤体的定 位及分裂期染色体位移 （四）微管参与细胞运动细胞的变

11、形运动、纤毛、鞭毛运动微微 管管轴丝“9+2”二联管基底“9+0”三联管微微 管管呼吸道上皮的纤毛运动纤毛和鞭毛弯曲运动的机制：微管滑动模型微微 管管sliding-microtubule model （五）微管参与染色体的运动，调节细胞分裂（六）微管参与细胞内信号传递如hedgehog、JNK、Wnt、ERK及PAK蛋白激酶信号通路。信号分子直接或通过马达蛋白、支架蛋白等与微管作用，调节包括微管的稳定/不稳定、微管方向性、微管组织中心位置、细胞极化等。1. 微 管2. 微 丝3. 中间丝4. 骨架异常与疾病微微 丝丝一、微丝是肌动蛋白亚单位构成的纤维状结构呈网状或束状，直径5-7nm动态结构

12、：收缩环、伪足中临时微丝束稳定结构：肌肉中的细肌丝，肠上皮细胞的微绒毛中的轴心微丝等构成微丝的基本成分-肌动蛋白（-actin）横纹肌、心肌、血管平滑肌、肠道平滑肌-肌动蛋白（-actin）-肌动蛋白（ -actin）所有细胞肌动蛋白的存在形式球状肌动蛋白： G-肌动蛋白（G-actin）纤丝状肌动蛋白：F-肌动蛋白（F-actin）G-actin由单条肽链折叠而成，外观呈哑铃形，具有极性：含ATP（或ADP）结合位点和二价阳离子Mg2+（或Ca2+）结合位点微微 丝丝A. G-actin三维结构 B.F-actin分子模型C. F-actin电镜照片G-actin头尾相连呈螺旋状排列，即为肌

13、动蛋白单链（F-actin）每条微丝由2条平行的单链以右手螺旋方式相互盘绕而成 ，具有极性 微微 丝丝二、微丝的组织与行为由肌动蛋白结合蛋白严格控制肌动蛋白结合蛋白(actin-binding protein）是细胞内存在的一大类能与肌动蛋白单体或肌动蛋白纤维结合的、能改变其特性的蛋白 。按其功能可分为三大类： 与F-肌动蛋白的聚合有关的蛋白：结合G-actin，抑制聚合，其中抑制蛋白与G-actin的结合具有促ADP-ATP的作用，最终促进聚合 与微丝结构有关的蛋白：片段化或形成交联 与微丝收缩有关的蛋白 ：参与肌肉收缩微微 丝丝肌动蛋白结合蛋白功能示意图 微微 丝丝 三、微丝的装配和调控受

14、多种因素调节当溶液中含有ATP、Mg2+以及较高浓度的K+或Na+时，G-actin可自组装成F-actin；当溶液中含有适当浓度的Ca2+以及低浓度的Na+、K+时，肌动蛋白纤维趋向于解聚成肌动蛋白单体。 微微 丝丝（一）微丝的体外组装过程分三个阶段： 成核期（延迟期）：二聚体三聚体 “核心形成” 延长期： “正极快速延长” 稳定期：两级平衡 “踏车”现象成核期 延长期 稳定期微微 丝丝微微 丝丝（二）微丝的体内组装的调节 微丝体内组装受一系列肌动蛋白结合蛋白的调节， 成核因子通过成核作用来加速肌动蛋白的聚合微丝成核蛋白 Arp2/3复合物：促使形成微丝网络结构，由Arp2、Arp3和其他5

15、种附属蛋白组成，具有与微管成核时-TuRC相似的作用，是微丝组装的起始复合物。 微微 丝丝微丝装配的成核作用及微丝网络的形成 A.纤丝状肌动蛋白纤维的成核作用； B.微丝成网过程 成核蛋白formin：启动细胞内不分支微丝的形成， 共有15种共同特征是含有FH1和FH2同源结构域 ：FH1结构域可与抑制蛋白（profilin）结合，FH2结构域启动肌动蛋白的成核聚合。当新成核的微丝纤维生长时，formin二聚体保持结合在快速生长的正端，保护正极在延伸过程中不受加帽蛋白的影响，并通过直接与抑制蛋白（profilin）的结合提高延伸速度。 微微 丝丝微微 丝丝（三）cofilin /ADF蛋白家族

16、单体剪切并催化肌动蛋白纤维的解聚cofilin /ADF蛋白家族通过两种方式加速解聚 增加肌动蛋白单体从纤维末端（负端）的解离速度； 剪切肌动蛋白纤维，使之片段化。（四）多种药物影响微丝组装I 细胞松弛素(cytochalasin)抑制组装 真菌的一种代谢产物 切断MF，结合在MF末端，阻抑actin聚合 破坏微丝的三维网络II 鬼笔环肽(philloidin)稳定微丝 毒蕈产生的双环杆肽 与微丝有强亲合作用，稳定微丝，抑制解聚 只与F-actin/MF结合，不与G-actin结合，标记细胞中的微丝微微 丝丝四、微丝的功能 细胞运动、分裂和信号转导（一）构成细胞的支架并维持细胞的形态 如，细胞

17、皮层、应力纤维、微绒毛等 微微 丝丝小肠上皮细胞横切图（微绒毛的中轴由微丝构成）应力纤维A. 微绒毛低温电镜图象; B. 微绒毛结构示意图微微 丝丝（二）微丝参与细胞的运动参与细胞的多种运动形式：变形运动、胞质环流、细胞内吞和外吐、胞内物质运输等；运动机制：滑动机制 微丝束聚合解聚细胞变形运动 ：肌动蛋白的聚合形成伪足 伪足与基质之间形成新的 锚定点（黏着斑）；以附着点为支点向前移动 （肌动蛋白纤维的解聚）。 微微 丝丝微微 丝丝（三）微丝作为运输轨道参与细胞内物质运输肌球蛋白（myosin）：马达蛋白家族成员，它们以微丝作为运输轨道参与物质运输活动。马达结构域头部：含 微丝结合位点 和 AT

18、P结合位点 运输方向：负极正极型肌球蛋白分子结构微微 丝丝（四）微丝参与细胞质的分裂胞质分裂通过质膜下由微丝束形成的收缩环完成 微微 丝丝（五）微丝参与肌肉收缩肌细胞（纤维）数百个肌原纤维 一连串肌节（收缩单位）由细肌丝和粗肌丝形成微微 丝丝肌动蛋白肌动蛋白 肌钙蛋白肌钙蛋白 原肌球蛋白原肌球蛋白 细肌丝，即肌动蛋白丝细肌丝，即肌动蛋白丝粗肌丝由粗肌丝由肌球蛋白肌球蛋白II组成组成Ca离子浓度升高暴露肌球蛋白结合位点触发肌肉收缩肌肉收缩是粗肌丝和细肌丝相互滑动的结果微微 丝丝肌节在肌肉松弛与收缩状态中的差别I带只含细丝H区只含粗丝A带代表重叠区域，含有粗丝和细丝在收缩过程中，肌球蛋白交联桥与周

19、围的细肌丝接触，水解ATP，产生力量，细肌丝被迫向肌节中央滑动收缩的分子基础接合 肌球蛋白头部结合在肌动蛋白纤维 ATP与肌球蛋白头部结合释放 ATP的结合诱导肌动蛋白结合位点上的肌球蛋白构像变化，肌球蛋白头部对细丝的亲和力下降，脱离肌动蛋白纤维产生间隙 直立 结合的ATP水解激活头部，使其微弱地结合在肌动蛋白纤维上产力 Pi的释放使肌球蛋白头部更加牢固地连结在细丝上，并引起动力冲程，滑动微丝向肌节中央（正端）移动再接合 释放ADP，结合新的ATP，建立新的循环（六）微丝参与受精作用 精子头端启动微丝组装，形成顶体刺突完成受精。（七）微丝参与细胞内信息传递 细胞外的信号分子细胞膜受体膜下肌动蛋

20、白的结构变化细胞内激酶变化的信号转导过程。主要参与Rho蛋白家族有关的信号转导：激活Cdc42触发肌动蛋白的聚合成束，形成丝状伪足等；激活Rac启动肌动蛋白在细胞外周聚合成片状伪足和褶皱；激活Rho，促进应力纤维、黏着斑形成微微 丝丝Rho蛋白家族参与黏着斑形成1. 微 管2. 微 丝3. 中间丝4. 骨架异常与疾病直径为10nm，由不同的蛋白质分子组成。结构稳定，大多数情况下，形成布满在细胞质中的网络类型名称细胞类型/胞内分布I酸性角蛋白acidic kertin上皮细胞II中性/碱性角蛋白neural/basic keratin上皮细胞 III波形蛋白Vimentin 间充质细胞结蛋白De

21、smin 肌肉细胞胶质细胞原纤维酸性蛋白Glial fibrillary acidic protein (GFAP)神经胶质细胞外周蛋白Peripherin 外周神经元IV神经丝蛋白NeurofilamentNF-L, M, H细胞核神经元V核纤层蛋白Lamin proteins A, B, C各种细胞核纤层VI巢蛋白Nestin 神经干细胞一、中间丝由不同类型的中间丝蛋白组成二、中间丝蛋白的分子结构中间纤维蛋白是长的线性蛋白由头部（N端）、杆状区（保守区）和尾部（C端）三部分组成各种中间丝蛋白之间的区别主要取决于头、尾部的长度和氨基酸顺序 中间丝中间丝三、中间丝结合蛋白与中间丝关系密切但并非

22、其组分(intermediate filament associated protein，IFAP) 目前已知约15种，是中间丝超分子结构的调节者：介导中间丝之间交联成束、成网把中间丝交联到质膜或其他骨架成分上IFAP共同特征：具有中间丝类型特异性；表达有细胞专一性；不同的IFAP可存在于同一个细胞中与不同的中间丝组织状态相联系；在细胞中某些IFAP的表达与细胞的功能和发育状态有关。中间丝中间丝四、中间丝的组装中间丝中间丝单体二聚体四聚体中间丝五、中间丝的功能 具有时空特异性 （一）参与构成细胞完整的支撑网架系统 构成细胞完整的支撑网架系统，还与细胞核的形态支持和定位、相邻细胞之间、细胞与基膜

23、之间连接结构的形成中间丝中间丝（二）为细胞提供机械强度支持中间丝中间丝参与细胞连接的形成 （三）参与细胞的分化1. 不同类型的 IF严格地分布在不同类型的细胞中，具有组织细胞的特异性。2. 发育不同阶段的细胞，会表达不同类型的中间纤维， 是细胞分化的标志。（四）参与细胞内信息传递中间纤维与DNA复制、转录和 mRNA的运输有关，胞质mRNA锚定于中间纤维，可能对其在细胞内的定位及是否翻译起重要作用。中间丝中间丝 微管微丝中间纤维基本形态中空管状直径约25nm实心纤维直径约7nm中空管状直径约10nm结构13根原纤维组成螺旋状纤维4根8聚体亚丝组成组织特异性无无有化学组成微管蛋白微管相关蛋白肌动

24、蛋白微丝结合蛋白成分复杂有严格的细胞类型分布主要单体球形异二聚体球形G肌动蛋白杆状蛋白结合核苷酸GTPATP无极性有有无踏车行为有有无胞内分布胞质胞质细胞内特异性药物秋水仙素长春花碱紫杉醇细胞松弛素B鬼笔环肽 1. 微 管2. 微 丝3. 中间丝4. 骨架异常与疾病 一、肿瘤细胞中细胞骨架结构与功能发生异常恶性转化的细胞中，细胞常表现为细胞骨架结构的破坏和微管的解聚 肿瘤细胞中中心体排列紊乱，失去相互垂直的排列 微管在胞质中的紊乱造成细胞形态异常，细胞器运动失常 肿瘤延续中间丝分布的组织特异性的特点，可用作临床肿瘤病理诊断工具 。骨架异常与疾病骨架异常与疾病二、骨架蛋白的异常表达可导致神经系统

25、疾病阿尔茨海默病：高度磷酸化tau蛋白的异常积累是患者认知衰退和记忆丧失的重要原因，磷酸化的tau不能结合微管蛋白，导致神经纤维缠结帕金森病、 肌萎缩性侧索硬化症 、幼稚性脊柱肌肉萎缩症 等都与神经丝蛋白的异常表达与异常修饰有关。三、细胞骨架蛋白基因突变可导致遗传性疾病单纯性大疱性表皮松解症：遗传性皮肤病，角蛋白14基因突变，皮基底细胞中的角蛋白纤维网络受到破坏，皮肤容易受到机械损伤，轻微挤压即可使患者皮肤起疱。人类不动纤毛综合征 骨架异常与疾病骨架异常与疾病生物学网站生物学网站http:/www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9961/生物通 http:/ http:/

26、 http:/ http:/ http:/ http:/ http:/www.ncbi.nlm.nih.gov/掌握：细胞骨架概念、细胞骨架分布、微管蛋白与微管的结构、微管组织中心概念、-微管蛋白环形复合体概念、微管的动态不稳定性、中心体概念、微管的“踏车运动”、微管的功能、马达蛋白分为哪3个家族、肌动蛋白与微丝的结构、微丝结合蛋白的分类及其功能、微丝的功能、中间纤维的结构和类型、中间纤维的功能熟悉：微管结合蛋白的概念种类分布功能、微管装配的3个时期、微管的体外装配、微管的体内装配、微丝的组装过程分为成核、聚合和稳定三个阶段、微管的驱动蛋白与动力蛋白的运输方向及特点、微丝的组装可用踏车模型和非

27、稳态动力学模型来解释、中间纤维的组装特点、中间纤维的装配与调节了解：影响微管的组装和解聚的因素、影响微丝组装的因素、肌肉收缩的分子基础、中间纤维的发现和命名、微管与细胞运动、微丝与细胞运动、细胞运动的调节机制、细胞骨架与肿瘤、细胞骨架蛋白与神经系统疾病、细胞骨架与遗传性疾病大大 纲纲1.名词解释：细胞骨架(cytoskeleton)、微管组织中心(MTOC)、 -微管蛋白环形复合体(-TuRC)、中心体(centrosome)、踏车运动(treadmilling)2.三种骨架蛋白的分布如何？3.微管由哪三种微管蛋白组成？各有什么结构功能特点？4.哪一种微管蛋白有GTP酶活性？5.微管结合蛋白主

28、要有几种？分布和功能如何？6.为什么说微管具有动态不稳定性？7.微管的装配 分为哪三个时期？8.微管的体外装配需要哪些条件？9.微管的体内装配是怎样的？10.温度、压力、紫杉醇、秋水仙素、长春花碱对微管的稳定性如何影响的？11.微管的功能有哪些？12.哪些结构是9组三联管、9组二联管 结构？13.微管马达蛋白主要有哪两个家族？有何共同特点？14.微丝又称什么？复习题复习题15.肌动蛋白丝 直径多少？是由什么组成的什么样的结构？16.肌动蛋白的保守性如何？在不同真核生物间相似性如何？17.微丝结合蛋白共约多少种？主要有什么作用？18.微丝组装的三个阶段是什么？19.为什么说微丝有踏车行为？20.微丝装配的成核多发生在哪里？21.哪些离子、药物因素能影响微丝的组装？22.微丝的功能有哪些？23.组成肌肉粗肌丝的是哪种肌球蛋白？24.微丝马达蛋白是哪种？运动方向如何？25.中间纤维的直径？结构？类型？26.中间纤维的特点？27.中间纤维是 如何装配的？28.中间纤维的功能？29.微丝引起细胞变形运动的三个步骤是什么？30.老年痴呆症的原因是什么？31.单纯性疱性表皮松解症致病原因是什么？