《医学细胞生物学》本科教学课件
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第八章 细胞骨架与细胞运动医学细胞生物学医学细胞生物学学习目的和要求掌握细胞骨架的概念、三种细胞骨架的组成及结构。(1)(2)了解细胞骨架异常与疾病的关系。(3)熟悉微丝、微管在体内的组装模式及细胞骨架与细胞运动的关系。授课内容1 微丝微丝2微管微管3中间纤维中间纤维细胞的运 动第一节 微丝细胞骨架(cytoskeleton):是在细胞质内存在的纤维网架结构,是细胞重要的组成成分。细胞骨架主要包括:微丝(microfilament)微管(microtubule)中间纤维(intermediate filament)微丝的组成1微丝的结构2微丝的组装及动态调节3微丝的功能4第二节第二节微微丝丝microfilament,MF一一 微微丝的的组成成 基本基本单位位肌动蛋白(肌动蛋白(actinactin)(极性:正)(极性:正/负端)负端)6种种亚型型 肌动蛋白肌动蛋白 骨骼肌型肌骨骼肌型肌动蛋白动蛋白 心肌型肌动蛋白心肌型肌动蛋白 血管型肌动蛋白血管型肌动蛋白 肌动蛋白肌动蛋白 肌动蛋白肌动蛋白 细胞质型肌动蛋细胞质型肌动蛋白白 肠型肌动蛋白肠型肌动蛋白 存在方式存在方式:球状肌动蛋白(球状肌动蛋白(globular actin,G-actinglobular actin,G-actin)纤维状肌动蛋白(纤维状肌动蛋白(filamentous actin,F-filamentous actin,F-actinactin)肌动蛋白和微丝的结构v每个G-肌动蛋白亚基与四个相邻的亚基相互作用(上下各一个,侧面2个),1分子核苷酸(ATP或ADP)和1分子二价阳离子(Mg 2+或Ca 2+)结合于肌动蛋白分子中间的裂缝中,是肌动蛋白ATP酶(ATPase)的活性部位。图图10-34G-肌动蛋白与肌动蛋白与F-肌动蛋白模式图肌动蛋白模式图(B)G-肌动蛋白肌动蛋白;(C)F-肌动蛋白肌动蛋白二、微丝的结构二、微丝的结构v在电镜下是一种细丝状结构,直径7nm,整根微丝在外观上类似于由二股纤维呈右手螺旋盘绕而成,螺距为36nm,可成束地分散在细胞质中,这样比孤立的单根纤维要结实。v在不同的细胞类型中,微丝可组成不同的结构,在不同的细胞类型中,微丝可组成不同的结构,如如张力丝(张力丝(tonfilament)、肌丝(肌丝(myofilament)和和神经丝(神经丝(neurofilament)等。等。三、微丝的组装及动态调节三、微丝的组装及动态调节(一)(一)微丝的组装 微丝组装的知识多来自体外实验的结果。v原料:结合ATP的肌动蛋白。v溶液中含有ATP、Mg2+和较高的Na+、K+时。溶液中肌动蛋白单体则可装配成微丝。微丝组装可以在任何一端添加肌动蛋白单体的方式增长,由于纤维两端在结构上存在差异,使微丝具有极性,新的肌动蛋白单体加到微丝两端的速度不同,速度快的一极为正端(+),速度慢的一极为负端(-)。微丝组装可分三个阶段:v成核阶段(nucleation phase):三聚体核心三聚体核心v延长阶段(elongation phase):正极正极快于快于负极(负极(ATPATP调节)调节)v稳定期阶段(steady-state phase):形成速度:形成速度等等于于解离速度解离速度微丝的组装过程影响组装与去组装因素影响组装与去组装因素 组装组装:TPTP和和Mg2+Mg2+,Na+,+-肌动蛋白浓度肌动蛋白浓度,鬼笔环肽,鬼笔环肽 -肌动蛋白微丝肌动蛋白微丝解聚解聚:CaCa2+2+-肌动蛋白浓度肌动蛋白浓度,细胞松弛素,细胞松弛素B B 四动态调节:四动态调节:(二)影响微丝组装的药物v鬼笔环肽(phalloidin)是由毒蕈提取的剧毒生物碱,与肌动蛋白纤维结合并使之稳定,抑制微丝的解聚作用,使其保持稳定状态。v细胞松弛素(cytochalasin)是真菌所分泌的代谢产物,结合在肌动蛋白纤维的正端,抑制肌动蛋白聚合,阻止细胞运动,导致细胞的各种活动瘫痪。(三)(三)微丝结合蛋白微丝结合蛋白v微丝结合蛋白(microfilament-associated protein)v体内肌动蛋白组装在受微丝结合蛋白的调节:可溶性肌动蛋白存在的状态 微丝结合蛋白的种类及其存在状态。在不同的细胞,甚至是同一细胞的不同部位,由于微丝结合蛋白的种类和存在状态不同,微丝的网络结构可能完全不同。微丝结合蛋白及其功能微丝结合蛋白及其功能是细胞内存在的一大类能与肌动蛋白单体或肌动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蛋白纤维结合的、能改变其特性的蛋白。种类:种类:按其功能可分为三大类:按其功能可分为三大类:与与F-肌动蛋白的聚合有关的蛋白;肌动蛋白的聚合有关的蛋白;与微丝结构有关的蛋白;与微丝结构有关的蛋白;与微丝收缩有关的蛋白与微丝收缩有关的蛋白;功能:功能:调节肌动蛋白单体调节肌动蛋白单体肌动蛋白多聚体肌动蛋白多聚体微丝微丝以不同方式与肌动蛋白相结合,形成多种不同以不同方式与肌动蛋白相结合,形成多种不同的亚细胞结构,执行不同的功能。的亚细胞结构,执行不同的功能。各种类型的微丝结合蛋白及其功能1.单体隔离蛋白 前纤维蛋白(profilin):阻碍肌动蛋白单体的负端与微丝正常结合。胸腺蛋白(thymosin):使肌动蛋白不能结合到微丝的正端或负端,封闭肌动蛋白的结合位点。丝切蛋白(cofilin):按11的比例与肌动蛋白单体结合,使肌动蛋白不稳定。2.切割蛋白 凝溶胶蛋白(gelsolin):将肌动蛋白纤维切断。3.交联蛋白 细丝蛋白(filamin):形成“V”型连接,横向交联相邻微丝,使微丝成束成网,并介导微丝连接到质膜上。血影蛋白(spectrin):横向连接相邻微丝形成二维网络,并通过周膜蛋白结合位点与质膜相连,形成坚实细胞皮层。4.封端蛋白 CapZ:定位在肌细胞Z线,阻止肌动蛋白纤维正端的解聚,维持肌动蛋白纤维的稳定。ARP复合物:负端的封端蛋白,负责微丝的成核作用。5.侧面结合蛋白 肌球蛋白I(myosin I):又称110K蛋白,侧向连接肌动蛋白,可以产生动力使小泡移远。6.马达蛋白 肌球蛋白(myosin):存在于应力纤维和可收缩的结构中,使微丝产生相对滑动。7.成束蛋白 毛缘蛋白(fimbrin):微丝成束。-辅肌动蛋白(-actinin):使正端微丝成束。绒毛蛋白(villin):形成紧密的微丝束。微丝结合蛋白微丝结合蛋白调节调节肌肌动动蛋白蛋白单单体体肌肌动动蛋白多聚体蛋白多聚体微微丝丝核化蛋白核化蛋白微丝解聚微丝解聚蛋白蛋白单体聚合蛋白单体聚合蛋白四、微丝的功能1 维持细胞的形态维持细胞的形态 1)微绒毛(microvilli)2)细胞质膜下的肌动蛋白纤维可维持细胞形态和影响细胞发育 3)应力纤维(stress fiber)微绒毛中的微丝和微丝交联蛋白 细胞皮层:细胞膜下,由微丝和微丝结合蛋白组成网状结构细胞皮层:细胞膜下,由微丝和微丝结合蛋白组成网状结构培养的上皮细胞(微丝红色、微管绿色)微绒毛微绒毛应力纤维的形态及组成 2参与细胞运动:参与细胞运动:参与细胞的各种运动参与细胞的各种运动,如如变形运动变形运动,细胞的内吞和外吐等细胞的内吞和外吐等微丝可以两种不同的方式产生运动:微丝可以两种不同的方式产生运动:滑动机制,如微丝与肌球蛋白丝相互滑动滑动机制,如微丝与肌球蛋白丝相互滑动微丝束的聚合和解聚微丝束的聚合和解聚3参与细胞内物质运输参与细胞内物质运输与微管一道进行细胞内物质运输与微管一道进行细胞内物质运输 肌球蛋白的功能肌球蛋白的功能(a)运输小泡;运输小泡;(b)运输微丝。运输微丝。4参与细胞质分裂参与细胞质分裂收缩环(大量平行排列、不同极性微丝组成收缩环(大量平行排列、不同极性微丝组成)胞质分裂中收缩环的形成及作用 5参与肌肉收缩参与肌肉收缩肌小节肌小节肌原纤维:粗肌丝(肌球蛋白)肌原纤维:粗肌丝(肌球蛋白)+细肌丝(细肌丝(肌动肌动蛋白蛋白+原肌球蛋白原肌球蛋白+肌钙蛋白)肌钙蛋白)粗肌丝由肌球蛋白组成,粗肌丝由肌球蛋白组成,细细肌丝由三种蛋白组成,肌丝由三种蛋白组成,肌肉收缩是粗肌丝和细肌丝相肌肉收缩是粗肌丝和细肌丝相互滑动的结果互滑动的结果6.微丝参与受精作用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。精子头端启动微丝组装,形成顶体刺突完成受精。7.微丝参与细胞内信息传递微丝参与细胞内信息传递细胞外的某些信号分子与细胞膜上的受体结合,可触细胞外的某些信号分子与细胞膜上的受体结合,可触发膜下肌动蛋白的结构变化,从而启动细胞内激酶变发膜下肌动蛋白的结构变化,从而启动细胞内激酶变化的信号转导过程。化的信号转导过程。主要参与主要参与Rho蛋白家族有关的信号转导蛋白家族有关的信号转导第二节第二节 微管微管微管(微管(microtubule,MT)v由由微管蛋白微管蛋白和和微管结合蛋白微管结合蛋白组成的组成的中空中空圆柱状结构圆柱状结构;v存在于细胞质中;存在于细胞质中;v是一种是一种动态结构动态结构。v基本功能:维持细胞形态,参与细胞运动和物质运输基本功能:维持细胞形态,参与细胞运动和物质运输 v组成的细胞器:纤毛、鞭毛、纺锤体、中心体组成的细胞器:纤毛、鞭毛、纺锤体、中心体微管的组成1微管的结构2微管的组装及动态调节3微管的功能4一、微管的组成一、微管的组成微管蛋白单体微管蛋白单体 微管蛋白单体微管蛋白单体 微管蛋白位于微管组织中心,微管蛋白位于微管组织中心,影响微管成核、定位及极性等影响微管成核、定位及极性等(一)微管蛋白(tubulin)异二聚体异二聚体微管微管常以常以微管蛋白微管蛋白异二聚体形式存在异二聚体形式存在-微管蛋白微管蛋白-微管蛋白微管蛋白 微管蛋白二聚体由结构相似的和球蛋白构成,有GTP,二价阳离子、秋水仙素和紫杉醇的结合位点。两个GTP结合位点,分别位于和亚基上。v 亚基上的GTP从不发生水解或交换称为不可交换位点。v 亚基上的GTP能够被水解成GDP,结合的GDP又可交换为GTP,称为可交换的位点。微管分子模型和结构模型(二)微管结合蛋白(microtubule associated protein,MAP):结合在微管表面的辅助蛋白结合在微管表面的辅助蛋白结构区域功能:结构区域功能:碱性的微管结合区域加速微管成核作用;碱性的微管结合区域加速微管成核作用;酸性的突出区域与其他骨架纤维联系酸性的突出区域与其他骨架纤维联系主要类型主要类型MAP-1MAP-1(轴突和树突中)(轴突和树突中)MAP-2MAP-2(胞体和树突中)(胞体和树突中)tautau(只存在(只存在于轴突中)于轴突中)MAP-4MAP-4(大多数细胞中)(大多数细胞中)神经元神经元细胞细胞(二)微管结合蛋白(二)微管结合蛋白MAP的主要功能是:促进微管聚集成束;增加微管稳定性或强度;促进微管组装。二、微管的结构二、微管的结构v中空管状结构,其内外径分别为15nm和25nm。v微管是由13条原纤维(protofilament)构成的中空管状结构。v和和微管蛋白首尾相接,具有极性微管蛋白首尾相接,具有极性v细胞内微管可组装成单管、二联管和三联管三种类型 有三种存在形式:有三种存在形式:单管单管、二联管二联管和和三联管。三联管。胞质中大部分微管 纤毛和鞭毛的周围小管 中心粒和纤毛鞭毛的基体 不稳定 稳定 稳定纤毛结构模式图(二联管和三联管)三、微管的组装及动态调节三、微管的组装及动态调节v除了特化细胞的微管外,大多数细胞质微管都是不稳定的,能够很快地组装(assembly)和去组装(disassembly)。微管蛋白亚基微管蛋白亚基结合紧密结合紧密组装组装水解水解微管蛋白亚基微管蛋白亚基易脱落易脱落解聚解聚微管组装过程:微管组装过程:成核期(延迟期):成核期(延迟期):异二聚体异二聚体寡聚体侧面增加片状带寡聚体侧面增加片状带 合拢一段微管合拢一段微管聚合期(延长期)聚合期(延长期):聚合速度大于解聚速度聚合速度大于解聚速度稳定期稳定期 :聚合速度等于解聚速度聚合速度等于解聚速度微管的组装:微管的组装:(一一)体外组装体外组装:微管蛋白的浓度和微管蛋白的浓度和GTP是调节微管组装的物质。是调节微管组装的物质。pH6.9和和微管蛋白微管蛋白37,有有GTP和和Mg2+微管微管微管的体外组装过程与踏车现象模式微管的体外组装过程与踏车现象模式(二)体内组装 1.微管组织中心微管组织中心 微管组织中心(microtubule organizing center MTOC)存在于细胞质中决定微管在生理状态或实验处理解聚后重新组装的结构叫微管组织中心。微管从微管组织中心向外生长微管组织中心微管组织中心是微管形成的核心位点,微管的组装是微管形成的核心位点,微管的组装的起始的起始点,点,常见常见的微管组织中心的微管组织中心有:有:中心体中心体、鞭毛和纤毛基体、鞭毛和纤毛基体 微管蛋白环行复合体微管蛋白环行复合体是集是集结结异二聚体的核心,微管从此生长异二聚体的核心,微管从此生长和延长,它与微管的和延长,它与微管的负端负端结合,结合,使负端稳定。使负端稳定。微管在中心体部位的成核模型微管在中心体部位的成核模型The Orientation of Microtubules in a Cell 2.中心体中心体(centrosome)v动物细胞中决定微管形成的一种细胞器。v间期位于细胞核的附近 有丝分裂期位于纺锤体的两极。v结构:中心粒(centriole)两个,相互垂直 中心粒周围基质一些无定形或纤维形、高电子密度的物质 中心粒v直径为0.2m ,长为0.4 m,是中空的短圆柱状结构。v壁由9组间距均匀的三联管组成,v9组三联管串联在一起,形成一个由短臂连起来的齿轮状环形结构。中心体和中心粒的结构A亚纤维亚纤维B亚纤维亚纤维C亚纤维亚纤维桥桥3.3.微管组装的过程微管组装的过程v 微管在中心体部位的成核模型微管在中心体部位的成核模型 :13个个-微管蛋白在中心体的无定形基质中呈螺旋排列微管蛋白在中心体的无定形基质中呈螺旋排列成一个开放的环状复合物。成一个开放的环状复合物。微管组装时,游离的微管组装时,游离的/-/-微管蛋白二聚体有序地加到微管蛋白二聚体有序地加到-微管蛋白组成的环上,而且微管蛋白组成的环上,而且-微管蛋白只与二聚体中微管蛋白只与二聚体中的的微管蛋白结合(负极端)。微管蛋白结合(负极端)。v细胞内微管的组装过程可以看成是微管的延长,而去组装则是细胞内微管的组装过程可以看成是微管的延长,而去组装则是微管的缩短。微管的缩短。v微管的组装和去组装是一种动态过程,其中这一现象是微管组微管的组装和去组装是一种动态过程,其中这一现象是微管组装的动力学特征,即装的动力学特征,即“动态不稳定性动态不稳定性(dynamic instability)”。(四)微管组装和去组装的影响因素组装:组装:37370 0C,C,有有GTPGTP和和MgMg2+2+游离游离GTP-GTP-微管蛋白浓度微管蛋白浓度 紫杉醇紫杉醇 和和微管蛋白微管微管蛋白微管 解聚:解聚:4 40 0C,C,或或CaCa2+2+,游离游离GTP-GTP-微管蛋白浓度微管蛋白浓度 秋水仙碱和长春新碱秋水仙碱和长春新碱 微管的聚合与微管的聚合与GTP-GTP-微管蛋白浓度呈正比微管蛋白浓度呈正比v秋水仙素(colchicine):结合的微管蛋白可结合到微管上,但阻止其它微管蛋白单体继续添加,从而破坏纺锤体结构,v长春花碱:功能与秋水仙素相似。v紫杉酚(taxol):能促进微管的装配,并使已形成的微管稳定,但这种稳定性会破坏微管的正常功能。均可以阻止细胞分裂,可用于癌症的治疗。四、微管的功能四、微管的功能 (一)一)支架作用支架作用 (二)二)细胞内运输细胞内运输微管起细胞内物质运输的路轨作用破坏微管会抑制细胞内的物质运输。与微管结合而起运输作用的马达蛋白有两大类:v驱动蛋白(kinesin)v动力蛋白(dynein)马达蛋白:介导细胞内物质沿细胞骨架运动的蛋白。马达蛋白:介导细胞内物质沿细胞骨架运动的蛋白。动力蛋白动力蛋白MT(+)MT(-)驱动蛋白驱动蛋白MT(-)MT(+)肌球蛋白肌球蛋白(MF)Dynein(动力蛋白)Kinesin(驱动蛋白)细胞中微管介导的物质运输细胞中微管介导的物质运输 (三)维持细胞器的定位与分布 线粒体的分布与线粒体的分布与MTMT平行;游离核糖体位于平行;游离核糖体位于MTMT和和MFMF的交叉点上;的交叉点上;ERER沿微沿微管在细胞质中展开管在细胞质中展开;GcGc沿沿MTMT向核区牵拉,定位于细胞中央。向核区牵拉,定位于细胞中央。(四)构成纤毛、鞭毛和中心粒,参与细胞运动(四)构成纤毛、鞭毛和中心粒,参与细胞运动纤毛纤毛和鞭毛和鞭毛是微管形成的细胞特化结构,是细胞能收是微管形成的细胞特化结构,是细胞能收缩的缩的附属物。附属物。纤毛纤毛短而多;短而多;鞭毛鞭毛少而长少而长 中心粒中心粒:参与微管蛋白的合成与微管的参与微管蛋白的合成与微管的聚合,聚合,与与细胞分裂、能量代谢有关。细胞分裂、能量代谢有关。鞭毛鞭毛纤毛纤毛(五)参与染色体的运动,调节细胞分裂(六)参与细胞内信号传导(六)参与细胞内信号传导第三节第三节 中间纤维中间纤维(intermediate filament,IF)v是在哺乳动物细胞中发现的直径约为10 nm的纤维骨架。v因直径介于微丝与微管之间。v一种坚韧耐久的蛋白纤维,最稳定的细胞骨架成分。v不易受药物的影响v分布有组织特异性 中间纤维的组成1中间纤维的结构和类型2中间纤维的组装及动态调节3中间纤维的功能4 一、中间纤维的组成成分复杂 中间纤维蛋白是组成中间纤维的亚单位。具有螺旋的IF蛋白装配成的直径10nm的绳索样纤维。由杆状区、头部和尾部构成长的长的线性线性蛋白蛋白(二)中间纤维的类型至少由至少由5050多种异源性纤维状蛋白多种异源性纤维状蛋白 ,分为六大类。分为六大类。具有具有组织特异性组织特异性,不同类型细胞含有不同,不同类型细胞含有不同IF。通通常常一一种种细细胞胞含含有有一一种种中中间间纤纤维维,少少数数含含有有2种种以以上。上。肿瘤细胞转移后仍保留源细胞的肿瘤细胞转移后仍保留源细胞的IF。杆状区的长度和氨基酸的顺序是高度保守的。杆状区两端分别是非螺旋状的N-端头部区和C-端尾部区,头尾两端的氨基酸组成和化学性质差异很大。不同细胞内中等纤维分子量大小和性质上的差异主要取决于其头尾端的氨基酸序列。(三)中间纤维结合蛋白(三)中间纤维结合蛋白(intermediate filament associated protein,IFAP)是是一一类在在结构和功能上与中构和功能上与中间丝有密切有密切联系,系,但但其本身不是中其本身不是中间丝结构构组分的蛋白。分的蛋白。已知的IFAP约15种左右,分别与特定的中间纤维结合 功能是:中间纤维交联成束、成网;并把中间纤维交联到质膜或其它骨架成分上v中间纤维的结合蛋白的共同特点:具有中间纤维特异性。表达有细胞专一性。不同的中间纤维结合蛋白可存在于同一细胞中与不同的中间纤维组织状态相联系。在细胞中某些中间纤维结合蛋白的表达与细胞的功能和发育状态有关。三、中间纤维的组装及动态调节三、中间纤维的组装及动态调节v中间纤维亚基蛋白合成后,基本上全部用于组装成中等纤维,游离的单体很少。v体内:装配与其蛋白质氨基末端头部结构域内特殊丝氨酸残基的磷酸化有关v体外:低离子强度和微碱性时明显解聚,低离子强度和微碱性时明显解聚,离离子强度子强度和和pHpH恢复生理水平恢复生理水平时装配成时装配成IFIF。(一)中间纤维的组装分为四个步骤:v两个中间纤维蛋白单体以相同的方向组成一个双股螺旋的二聚体(角蛋白为异二聚体);v两个二聚体以相反的方向组装成四聚体;v四聚体首尾相连组装成原纤维;v八根原纤维形成中间纤维,最后形成的中间纤维在横切面上共有32条多肽。v备注:由于二聚体反向平行排列呈四聚体,因而在四聚体以及由其形成的高级结构的中等纤维均没有极性。组装组装(二)中间纤维的动态调节(二)中间纤维的动态调节细胞内的中间纤维蛋白绝大部分组装成中间纤维,而不象微丝和微管那样存在蛋白库。再者中间纤维的装配与温度和蛋白浓度无关,不需要ATP或GTP。四、中间纤维的功能四、中间纤维的功能(一一)具有具有支持作用:在细胞内形成一个完整的网状骨架系统支持作用:在细胞内形成一个完整的网状骨架系统 (二)提供细胞机械强度(二)提供细胞机械强度作用:作用:比比微管、微丝更耐剪切力,变形时不断裂微管、微丝更耐剪切力,变形时不断裂。(三)中等纤维在细胞内的运输作用(三)中等纤维在细胞内的运输作用(四)中等纤维的信息传递作用(四)中等纤维的信息传递作用(五)在相邻细胞、细胞与基膜之间形成连接结构(五)在相邻细胞、细胞与基膜之间形成连接结构(六)参与细胞的分化(六)参与细胞的分化(七)维持细胞核膜稳定,与(七)维持细胞核膜稳定,与DNADNA的复制有关的复制有关Keratin filaments of epithelial cells are tightly anchored to the plasmamembranes at desmosmes and hemidesmosomesv胞质骨架三种组分的比较胞质骨架三种组分的比较微丝微丝微管微管中间纤维中间纤维单体单体肌动蛋白肌动蛋白、微管蛋白微管蛋白杆状蛋白杆状蛋白结合核苷酸结合核苷酸ATPGTP无无纤维直径纤维直径7nm25nm10nm结构结构双链螺旋双链螺旋13根源纤丝组成空心根源纤丝组成空心管状纤维管状纤维8个个4聚体或聚体或4个个8聚体组成聚体组成的空心管状纤维的空心管状纤维极性极性有有有有无无组织特异性组织特异性无无无无有有蛋白库蛋白库有有有有无无踏车形为踏车形为有有有有无无动力结合蛋白动力结合蛋白肌球蛋白肌球蛋白动力蛋白,驱动蛋白动力蛋白,驱动蛋白无无特异性药物特异性药物细胞松驰素细胞松驰素鬼笔环肽鬼笔环肽秋水仙素,长春花碱,秋水仙素,长春花碱,紫杉酚紫杉酚微管与细胞的运动1微丝与细胞的运动2细胞运动的调节机制3第四节第四节 细胞的运动细胞的运动v细胞运动(cell motility)是生命进化的最重要成果之一。v原始的细胞可能不能主动运动,它们漂浮在液体环境中,代谢物靠扩散作用在细胞内分布。v但是随着细胞体积的增大以及功能的越来越复杂,逐渐形成了细胞的运动器,使细胞能够转移到更适合其生长的地点。一、微管与细胞的运动一、微管与细胞的运动鞭毛和纤毛的运动鞭毛和纤毛的运动1.纤毛和鞭毛的结构就一个细胞而论,纤毛短而多,而鞭毛则长而少。纤毛和鞭毛都是以微管为主要成分构成的,并且有特殊的结构形式。鞭毛和纤毛均由基体和鞭杆两部分构成,鞭秆中的微管为9+2结构,即由9个二联微管和一对中央微管构成。鞭毛轴丝结构2.纤毛和鞭毛的运动机理纤毛和鞭毛的摆动是通过A管动位蛋白臂水解ATP释放能量,促使动位蛋白沿相邻的B管朝(一)端走动。从而引起二联管之间相互滑动而出现的。鞭毛的摆动二、微丝与细胞的运动二、微丝与细胞的运动(一)肌肉的收缩1.肌肉的组成肌小节(1)肌球蛋白(myosin)目前已知的有15种类型(myosin I-XV)。myosin II(2)原肌球蛋白(3)肌钙蛋白细肌丝的组成2.肌肉收缩机理肌细胞上的动作电位引起肌质网Ca2+电位门通道开启,肌浆中Ca2+浓度升高,肌钙蛋白与Ca2+结合,引发原肌球蛋白构象改变,暴露出肌动蛋白与肌球蛋白的结合位点。肌动蛋白通过结合与水解ATP、不断发生周期性的构象改变、引起粗肌丝和细肌丝的相对滑动。v肌动蛋白的工作原理可概括如下:肌球蛋白结合ATP,引起头部与肌动蛋白纤维分离。ATP水解,引起头部与肌动蛋白弱结合。Pi释放,头部与肌动蛋白强结合,头部向M线方向弯曲(微丝的负极),引起细肌丝向M线移动。ADP释放ATP结合上去,头部与肌动蛋白纤维分离。(二)细胞的变形运动分为四步:伸展 黏附移位 去黏附三、细胞运动的调节机制三、细胞运动的调节机制(一)一)G蛋白的作用蛋白的作用(二)组胞外分子的趋化作用(二)组胞外分子的趋化作用(三)(三)Ca 2+梯度梯度(四)影响细胞骨架与运动的药物(四)影响细胞骨架与运动的药物第五节第五节细胞骨架与疾病细胞骨架与疾病一细胞骨架与肿瘤一细胞骨架与肿瘤(一)细胞骨架在肿瘤细胞中的变化:(一)细胞骨架在肿瘤细胞中的变化:恶性肿瘤细胞的细胞骨架被破坏恶性肿瘤细胞的细胞骨架被破坏微管减少甚至缺如。微管减少甚至缺如。肌动蛋白小体的出现肌动蛋白小体的出现高转移表型高转移表型(二)微管和微丝与肿瘤化疗(二)微管和微丝与肿瘤化疗长春新碱、秋水仙素(与纺锤体微管蛋白结合)长春新碱、秋水仙素(与纺锤体微管蛋白结合)抑制细胞增殖抑制细胞增殖(三)中间纤维与肿瘤诊断:(三)中间纤维与肿瘤诊断:1.1.不同类型的中间纤维严格分布在不同类型的细胞中,不同类型的中间纤维严格分布在不同类型的细胞中,用于区分上皮细胞、肌细胞、间质细胞、胶质用于区分上皮细胞、肌细胞、间质细胞、胶质细胞细胞、神经细胞。神经细胞。2 2细胞出现转化时仍保持原来细胞的特征性中间纤维细胞出现转化时仍保持原来细胞的特征性中间纤维 3 3具有与原来组织相关的特异性抗原具有与原来组织相关的特异性抗原 4 4用于区分肿瘤细胞的类型及来源用于区分肿瘤细胞的类型及来源v二二细胞骨架蛋白与神胞骨架蛋白与神经系系统疾病疾病 阿尔茨海默氏病阿尔茨海默氏病大量损伤的神经元纤维(微管大量损伤的神经元纤维(微管蛋白聚集缺陷蛋白聚集缺陷 信号传递紊乱)信号传递紊乱)v三三细胞骨架与胞骨架与遗传性疾病性疾病v神经元是一种具有特别形状的细胞,其轴突可长达数米。由于核糖体只存在于神经元的胞体和树突中,因此,在胞体中合成的蛋白质、神经递质、小分子物质以及线粒体等膜性结构都必须沿轴突运输到神经末梢;同理,一些物质也要运回胞体。v研究发现阿尔茨海默氏病(AD)患者大脑新皮层和海马中突触丧失,突触丧失中断了脑内很多功能通路中的联系。而AD的神经元中微管是缺乏的或是扭曲变形的。Cytoskeltonanddiseaseofnervesystem:AlzheimersdiseasesCytoskeltonanddiseaseofnervesystem:AmyotrophicLateralSclerosis,ALS肌萎缩性脊髓侧索硬化 Cytoskeltonanddiseaseofnervesystem:HuntingtonDisease,HDCytoskeleton and Hereditary DiseasesEpidermolysis bullosa simplexWiskott Aldrich syndrome,WASImmotile cilia syndrome v微管动力蛋白的改变与纤毛不动综合症 动力蛋白臂缺乏可引起严重的纤毛和鞭毛运动性疾病,即纤毛不动综合症(Kartagener),又称支气管扩张一鼻窦炎一内脏转位综合征,全内脏转位支气管扩张一鼻窦病变三联综合征,右位心支气管扩张鼻窦异常综合征。该病原发性纤毛活动障碍,纤毛无活动综合征和家族性支气管扩张等。SummaryofChapterSixTheabilityofeucaryoticcellstoadoptavarietyofshapesandtocarryoutcoordinatedanddirectedmovementsdependonthecytoskeleton,acomplexnetworkofproteinfilamentsthatextendsthroughoutthecytoplasm.Itisdirectlyresponsibleforthecrawlingofcells,musclecontractionetal;italsoprovidesthemachineryforactivelymovingorganellesfromoneplacetoanotherinthecytoplasm.Itsdiverseactivitiesdependonjustthreeprincipaltypesofproteinfilaments:actinfilaments,micortubulesandintermediatefilaments.Actinisthemostabundent(丰富)(丰富)protieninmanyeycaryoticcells,oftenconstituting5%ormoreofthetotalcellprotein.Whileactinisdistributedthroughoutthecytoplasm,mostanimalcellspossessanespeciallydensenetworkofactinfilamentsandassociatedproteinsjustbeneaththePM.Thisnetworkconstitutesthecellcortex,whichgivesmechanicalstrengthtothesurfaceofthecellandenablesthecelltochangeitsshapeandtomove.Bothactinandtubulin(微管蛋白微管蛋白)aremajorproteinsinnearlyalleucaryoticcells.However,tubulinisgenerallypresentinsmallamounts.Sinceamicrotubulehasagreaterdiameterthananactinfilament,amassofabout10timesmoretubulinthanactinisrequiredtomakethesamelengthofpolymer.Consequently,thetotallengthoftheactinfilamentsinacellisatleast30timesgreaterthanthetotallengthofthemicrotubules,-reflectingafundamentaldifferenceintheorganizationandfunctionofthesetwocytoskeletalpolymers.Mostofmicrotubulesinanimalcellsgrowfromthecentrosome,whichactsasamicrotubule-organizingcenter.Thetransportoforganellesinthecytoplasmisoftenguidedbymicrotubules.Beside,microtubulesarehighlylabilestructuresthataresensitivetospecificantimitoticdrugs.Microtuble-organizing center(MTOC)is a structure found in eukaryotic cells from which microtubles emerge.It is the site of microtuble mucleation phase.In animals,the two most important types of MTOCs are the basal bodies and the centrosomes.Intermediatefilamentshaveanaveragediameterof about 10 nm and are made of several proteinsdependonthecellortissuetype.Theproteinsdifferchemicallyandintheircellularroles.1.Keratins are a family of proteins(40-68 kDa)foundinmostepithelialcells.Thevarietyofkeratinsspeakstothevarietyoffunctionsperformedbyskin,hair,nailsinprotectionabrasionanddesiccation.2.Vinmentin(56-58 kDa)filaments are found incells of mesenchymal origin such as fibroblasts,macrophagesandendothelialcells.3.Desmin(53-55kDa)isfoundinsmoothmuscleandintheZlinesofskeletalandcardiacmuscle.4.GlialFibrillaryAcidicProtein(51kDa)isonlyfoundinglialcells(astrocytes).5.Neurofilamentsarefoundinmostneuronsandarecomposedofatleastthreepolypeptides(68,140and210kDa).6.NuclearLaminins(65-75kDa)arefoundinthenuclearlaminaofcells.TheBasicfeatureofIFare:i.animalcellscansurvivewithoutcytoplasmicIF;ii.IFsprovidemechanicalsupporttothecellanditsnucleus;iii.Formtranscellularnetworkinepitheliatoresistexternalforce;iv.Neurofilamentsprotectnervecellsfrombreakbyresistingstressescausedbythemotion;Otherfunctionstobefurtherclarified.FunctionsofIntermediatefilamentsvforming an intergrated skeleton systemvproiding mechaniscal supportvinvolving the cell junctionvtransduction of signals and transport of substancesvstabilizing nuclear envelope vparticipating in cell differentiation复 习v细胞骨架是细胞质中存在的蛋白纤维网架结构。真核细胞的细胞骨架包括微丝、微管和中间纤维。v微丝是由肌动蛋白组成的直径约7nm的骨架纤维。主要分布在细胞质膜的内侧,与细胞中许多重要的功能活动有关。v微管是由微管蛋白装配而成的中空圆柱状结构,外径约25nm。存在于所有真核细胞中,主要分布在细胞核周围,并呈放射状向胞质四周扩散。v中间纤维直径介于微丝和微管之间,约为10nm,。中间纤维是一种坚韧、耐久的蛋白纤维。与微丝和微管相比,它更为稳定。中间纤维的分布具有严格组织特异性,可用于临床诊断肿瘤细胞来源。v三种细胞骨架成分的结构和功能各异,但三者之间存在着密切联系,可在细胞质内形成相对稳定的动态系统,几乎参与细胞内的一切生命活动。第九章第九章 细胞核细胞核CellNucleus细胞核:细胞核:1最大的细胞器最大的细胞器2遗传物质储存、复制和转录的场所遗传物质储存、复制和转录的场所3生命活动的控制中心生命活动的控制中心4真核生物与原核生物最大的区别真核生物与原核生物最大的区别核质比核质比正常细胞正常细胞NP0.5;分裂期细胞;分裂期细胞NP0.5;衰老细胞;衰老细胞NP0.5。形态:形态:随细胞的增殖过程呈现周期性的变化。间期可以随细胞的增殖过程呈现周期性的变化。间期可以 观察细胞核的完整结构。一般与细胞的形态相适观察细胞核的完整结构。一般与细胞的形态相适 应应,圆形、椭圆形、杆状、分叶状。圆形、椭圆形、杆状、分叶状。大小:大小:10m10m数目:数目:1 1个、个、2 2个(肝、肾细胞)、数百(破骨细胞)个(肝、肾细胞)、数百(破骨细胞)位置:位置:细胞中央或偏于某一端细胞中央或偏于某一端组成部分:核被膜组成部分:核被膜 核仁核仁 染色质染色质 核基质核基质 染色质染色质核仁核仁中心体中心体染色质染色质微管微管内质网内质网中间纤维中间纤维核孔核孔核纤层核纤层内核膜内核膜外核膜外核膜核膜核膜Nucleus structure第一节第一节核膜核膜(nuclearenvelope)一、核膜的化学组成一、核膜的化学组成蛋白质、脂类、少量蛋白质、脂类、少量DNA和和RNA核被膜的化学组成与内质网相似核被膜的化学组成与内质网相似二、核膜的结构二、核膜的结构(电镜)(电镜)构成:构成:内核膜(内核膜(innernuclearmembrane)外核膜(外核膜(outernuclearmembrane)核周隙(核周隙(perinuclearspace)The nuclear envelope1.外核膜:外核膜:面向胞质,面向胞质,与粗面内质网膜连续与粗面内质网膜连续有核糖体附着有核糖体附着表面有中间纤维表面有中间纤维2.内核膜:内核膜:面向核质面向核质外表面无核糖体,内表面附有核外表面无核糖体,内表面附有核纤层(有核纤层蛋白纤层(有核纤层蛋白B受受体,为核纤层蛋白体,为核纤层蛋白B提供结合位点。)提供结合位点。)3.核周隙:核周隙:与粗面内质网腔相通与粗面内质网腔相通宽:宽:20-40nm 4.核核 孔孔:内外核膜融合所致,:内外核膜融合所致,3000-4000个个/细细胞胞CytoplasmicCytoplasmic face face cytoplasmiccytoplasmic particles particlesNuclear faceNuclear face basket inner complex basket inner complex核孔复合体(核孔复合体(nuclearporecomplex,NPC):):捕鱼笼式核孔复合体:捕鱼笼式核孔复合体:胞质环胞质环核质环核质环辐辐中央栓中央栓功能:功能:介导细胞核与介导细胞核与细胞质间的物质运输细胞质间的物质运输柱状亚单位柱状亚单位:连接支撑内外环连接支撑内外环腔内亚单位腔内亚单位:跨膜入腔固定跨膜入腔固定环带亚单位环带亚单位:核孔中心连辐的环核孔中心连辐的环5.核纤层核纤层 位于内核膜内侧与染色质之间的一层由高电子密度位于内核膜内侧与染色质之间的一层由高电子密度纤维蛋白质组成的网络片层结构。分三种核纤层蛋白纤维蛋白质组成的网络片层结构。分三种核纤层蛋白(A、B、C)属于中间丝。)属于中间丝。核纤层的功能:核纤层的功能:1)支持和固定核膜,稳定核的形状)支持和固定核膜,稳定核的形状 2)与染色质凝集成染色体相关)与染色质凝集成染色体相关 3)参与核膜的崩解和重建)参与核膜的崩解和重建 4)参与)参与DNA的复制的复制三、核被膜的主要功能三、核被膜的主要功能 1.区域化作用区域化作用 为基因表达提供了时空隔离屏障为基因表达提供了时空隔离屏障 保证相对稳定的内环境保证相对稳定的内环境 遗传信息的表达得到得到更为精确的控制遗传信息的表达得到得到更为精确的控制2.合成生物大分子合成生物大分子-蛋白质蛋白质3.控制核质间的物质流和信息流控制核质间的物质流和信息流 核膜双层核膜双层 核孔复合体核孔复合体 核定位序列核定位序列 核孔复合体介导核核孔复合体介导核-质间的物质交换质间的物质交换被被动扩动扩散:散:转转运成分:运成分:无机离子、小分子及直径小于无机离子、小分子及直径小于10nm的物的物质质,如,如水分子、水分子、K+、Cl-、Ca2+、Mg2+、单单糖、氨基酸等。糖、氨基酸等。转转运特点:运特点:通通过过直径直径910nm的的亲亲水性通道自由水性通道自由转转运。运。主主动动运运输输转转运成分:运成分:大分子物大分子物质质,如,如RNA、核糖体、蛋白、核糖体、蛋白质质等。等。转转运特点:运特点:具有具有选择选择性;性;直径大小是可直径大小是可调节调节;信号信号识别识别与与载载体介体介导导;消耗能量;消耗能量;双向性。双向性。亲亲核蛋白(核蛋白(karyophilicprotein):在):在细细胞胞质质内合成内合成后,需要或能后,需要或能够进够进入入细细胞核内胞核内发挥发挥功能的一功能的一类类蛋白蛋白质质。核定位信号(核定位信号(nuclearlocalizationsignal,NLS):存):存在于在于亲亲核蛋白内的特殊氨基酸序列,可引核蛋白内的特殊氨基酸序列,可引导导蛋白蛋白质质通通过过核孔复合体被核孔复合体被转转运到核内。运到核内。z亲核蛋白通过核孔复合体转运入核亲核蛋白通过核孔复合体转运入核转转运条件:运条件:核定位信号核定位信号(nuclearlocalizationsignal,NLS);核核转转运受体运受体(输输入蛋白):入蛋白):入核素入核素存在于胞存在于胞质质中,中,既可以与核孔复合体既可以与核孔复合体结结合,又可以与被合,又可以与被转转运物运物质结质结合。合。RanGTP酶酶:水解水解GTP,为为核核转转运提供能量;激活入核运提供能量;激活入核素,使其素,使其释释放放亲亲核蛋白至核内。核蛋白至核内。亲核蛋白的入核转运亲核蛋白的入核转运亲核蛋白的入核转运亲核蛋白的入核转运zRNA及核糖体亚基的核输出及核糖体亚基的核输出核孔复合体除了把亲核蛋白输入核内以外,还要核孔复合体除了把亲核蛋白输入核内以外,还要把新合成的核糖体大小亚基、把新合成的核糖体大小亚基、mRNA和和tRNA等输等输出到细胞质。出到细胞质。核孔复合体上的受体识别被转运的核孔复合体上的受体识别被转运的RNA分子(输分子(输出蛋白,出蛋白,exportin)。)。大分子物质的出核转运与入核转运大分子物质的出核转运与入核转运第二节第二节染色质染色质(chromatin)与染色体与染色体(chromosome)染色质染色质(chromatin)是指间期细胞核内由是指间期细胞核内由DNADNA、组蛋、组蛋白、非组蛋白及少量白、非组蛋白及少量RNARNA组成的能被碱性染料染色的物组成的能被碱性染料染色的物质,是间期遗传物质在细胞内的存在形式质,是间期遗传物质在细胞内的存在形式。染色质和染色体是同一物质在细胞周期的不同阶段的染色质和染色体是同一物质在细胞周期的不同阶段的不同表现形态不同表现形态染色质(间期)染色质(间期)染色体(分裂期)染色体(分裂期)一染色质的化学组成一染色质的化学组成 组成:组成:DNA 组蛋白组蛋白 非组蛋白非组蛋白 RNA 比例:比例:1 1 (0.5-1.5)0.05 1染色体(质)染色体(质)DNA基因组(基因组(genomegenome):真核细胞单倍染色体组中所含有的全真核细胞单倍染色体组中所含有的全 部遗传信息为部遗传信息为1 1个基因组个基因组 。人基因组:人基因组:2222条常染色体条常染色体+2+2条性染色体条性染色体单一序列(单一序列(uniquesequence)中度重复序列(中度重复序列(middlerepetitivesequence)在基因组中仅有一个或几个拷贝,负责蛋白质氨基酸在基因组中仅有一个或几个拷贝,负责蛋白质氨基酸组成的信息,以三联体密码方式进行编码。大多数编组成的信息,以三联体密码方式进行编码。大多数编码蛋白质码蛋白质(酶酶)的结构基因属这种结构形式的结构基因属这种结构形式 。重复次数在重复次数在10-1010-105 5之间。多数是不编码的序列,构之间。多数是不编码的序列,构成基因的间隔序列,在基因调控中起重要作用。有一些成基因的间隔序列,在基因调控中起重要作用。有一些是有编码功能的基因,如是有编码功能的基因,如rRNArRNA基因,基因,tRNAtRNA基因,组蛋白基因,组蛋白的基因、核糖体蛋白的基因等。的基因、核糖体蛋白的基因等。高度重复序列(高度重复序列(highlyrepetitivesequence)由一些短的由一些短的DNA序列呈串联重复排列,一般为几个、序列呈串联重复排列,一般为几个、十几个或几十个十几个或几十个bp,但重复拷贝数超过,但重复拷贝数超过105,在染色体,在染色体的端粒、着丝粒,构成结构基因的间隔,维系染色体的端粒、着丝粒,构成结构基因的间隔,维系染色体结构,与减数分裂中同源染色体联会配对有关。结构,与减数分裂中同源染色体联会配对有关。染色质染色质DNA的三类功能序列的三类功能序列 1)复制源复制源(replication origin):DNA复制的起点有多个复制的起点有多个 不同区域多点同时进行不同区域多点同时进行。2)着丝粒着丝粒(centromer):两条染色单体连接部位,两条染色单体连接部位,分裂期与纺锤丝相连,保证染色体平均分配分裂期与纺锤丝相连,保证染色体平均分配。3)端粒端粒(telomere):染色体末端富含染色体末端富含G重复序列,重复序列,保证保证 DNA分子的完整性。分子的完整性。酵母人工染色体酵母人工染色体(YAC):含上述:含上述3种成分,用于转基因种成分,用于转基因2染色体(质)蛋白染色体(质)蛋白(1)组蛋白()组蛋白(histone)1)1)碱性蛋白碱性蛋白,共共5 5种种 核小体组蛋白(核小体组蛋白(core core histonehistone):):H H2 2A A、H H2 2B B、H H3 3、H H4 4 高度保守高度保守,与与DNADNA盘绕形成核小体盘绕形成核小体 连接组蛋白(连接组蛋白(linker linker histonehistone):):H H1 1 具有种属和组织特异性具有种属和组织特异性 2)2)构建染色体的高级结构。构建染色体的高级结构。3)3)合成于合成于S S期,与期,与DNADNA合成同时进行,合成同时进行,4)4)合成后立即进入核内与合成后立即进入核内与DNADNA装配成染色质。装配成染色质。5)5)与与DNADNA紧密结合可抑制紧密结合可抑制DNADNA的复制和的复制和RNARNA的转录。的转录。(2)非组蛋白)非组蛋白(nonhistone)酸性蛋白酸性蛋白,序列特异性序列特异性DNA结合蛋白结合蛋白,有种属或组织有种属或组织特异性,整个周期都能合成特异性,整个周期都能合成。功能:功能:1)帮助帮助DNA分子折叠以维持染色质的结构分子折叠以维持染色质的结构 2)协助启动)协助启动DNA的复制的复制 3)控制基因的转录和调节基因的表达)控制基因的转录和调节基因的表达3RNA:含量很低:含量很低组蛋白与非组蛋白组蛋白与非组蛋白非组蛋白非组蛋白组蛋白组蛋白有种属和组织的特异性有种属和组织的特异性核心组蛋白核心组蛋白没有组织特异性没有组织特异性活动的染色质中含量高活动的染色质中含量高含量恒定含量恒定在整个细胞周期中都可合成在整个细胞周期中都可合成在在S S期合成期合成与与DNADNA结合,对基因表达有结合,对基因表达有正调控作用正调控作用与与DNADNA结合,有抑制基因结合,有抑制基因表达的作用表达的作用二、二、染色质的种类染色质的种类常染色质常染色质异染色质异染色质Euchromatinheterochromatin结构松散结构松散结构紧密结构紧密着色较浅着色较浅着色较深着色较深螺旋化程度低螺旋化程度低螺旋化程度高螺旋化程度高有功能,可活跃有功能,可活跃转录不活跃转录不活跃地进行复制和转录地进行复制和转录均匀分布在核内均匀分布在核内位于核的边缘位于核的边缘多位于中央多位于中央部分与核仁结部分与核仁结合合组成性异染色质组成性异染色质:在所有的细胞中在所有的细胞中,在整个细胞周期中都处于凝集状在整个细胞周期中都处于凝集状态,既不转录也不编码蛋白,为高度重复序列,态,既不转录也不编码蛋白,为高度重复序列,见于着丝粒、端粒、次缢痕等部位,在见于着丝粒、端粒、次缢痕等部位,在S期合成期合成。兼性异染色质:兼性异染色质:只在特定阶段凝集而成(由原来的常染色质因丧失只在特定阶段凝集而成(由原来的常染色质因丧失基因转录活性而来)基因转录活性而来)常常/异染色质的化学本质相同,异染色质的化学本质相同,但以不同的状态存在而已,但以不同的状态存在而已,一定条件下可互相转化。一定条件下可互相转化。l巴氏小体(巴氏小体(barrbody)三染色体的组装三染色体的组装 6109DNA碱基对碱基对/细胞细胞/46条染色体条染色体/人人 5/DNA/染色体染色体/条条 总长度总长度174cm 5m/核直径核直径 需要包装、压缩、折叠需要包装、压缩、折叠染色单体(几微米)染色单体(几微米)(一)染色质的一级结构(一)染色质的一级结构核小体核小体(nucleosome)基本结构单位基本结构单位 八聚体八聚体/组蛋白(组蛋白(H H3 3 H H4 4和和H H2 2A HA H2 2B B)+140bpDNA分子分子 (缠绕(缠绕1.75圈)圈)核心颗粒核心颗粒 之间为之间为60bp60bp的连接的连接DNADNA片段片段 直径直径11nm11nm圆盘状颗粒圆盘状颗粒核小体核小体(压缩压缩1/7)1/7)多级螺旋结构模型多级螺旋结构模型(二)染色质的二级结构(二)染色质的二级结构 螺线管螺线管 H1参与下,核小体紧密连接、螺旋缠绕(参与下,核小体紧密连接、螺旋缠绕(6个个/圈)圈)染染 色质纤维(色质纤维(30nm)(压缩压缩1/6)1/6)30nm(三)染色质的三级结构(三)染色质的三级结构超螺线管超螺线管(压缩压缩1/40)1/40)进一步盘绕形成,直径进一步盘绕形成,直径400nm(四)染色质的四级结构(四)染色质的四级结构染色单体染色单体(压缩压缩1/5)1/5)再次折叠而成再次折叠而成chromatid (长(长2-10uM)5/DNA2-10m/染色单体染色单体长度压缩了近万倍长度压缩了近万倍四级结构螺旋模型四级结构螺旋模型DNADNA核小体核小体核小体核小体螺线管螺线管螺线管螺线管超螺线管超螺线管超螺线管超螺线管染色单体染色单体染色单体染色单体压缩压缩压缩压缩7 7 7 7倍倍倍倍压缩压缩压缩压缩6 6 6 6倍倍倍倍压缩压缩压缩压缩40404040倍倍倍倍压缩压缩压缩压缩5 5 5 5倍倍倍倍一级结构一级结构一级结构一级结构二级结构二级结构二级结构二级结构三级结构三级结构三级结构三级结构四级结构四级结构四级结构四级结构染色体多级螺旋模型染色体多级螺旋模型染色体多级螺旋模型染色体多级螺旋模型染色体四级结构模型染色体四级结构模型染色体四级结构模型染色体四级结构模型 染色质纤维(染色质纤维(染色质纤维(染色质纤维(30nm30nm30nm30nm)折叠折叠折叠折叠袢环结构域(沿染色体纵轴袢环结构域(沿染色体纵轴袢环结构域(沿染色体纵轴袢环结构域(沿染色体纵轴 向中央四周伸出,形成放射环)向中央四周伸出,形成放射环)向中央四周伸出,形成放射环)向中央四周伸出,形成放射环)再多次折叠盘曲再多次折叠盘曲再多次折叠盘曲再多次折叠盘曲染色单体染色单体染色单体染色单体染色体骨架染色体骨架-放射环结构模型放射环结构模型放射环模型(放射环模型(loopmodel)染色体支架(非组蛋白)染色体支架(非组蛋白)袢环(袢环(30nm螺线管螺线管)123456789101112131415161718四染色体的形态特征四染色体的形态特征1中期染色体的形态结构中期染色体的形态结构 (1)染色单体:)染色单体:(2)着丝粒和主缢痕:)着丝粒和主缢痕:主缢痕主缢痕:指中期染色体的两条姐妹染色单体的连接处,指中期染色体的两条姐妹染色单体的连接处,一向内凹陷、着色较浅的缢痕。一向内凹陷、着色较浅的缢痕。着丝粒着丝粒:两条染色单体相连的中心部位,两条染色单体相连的中心部位,一段高度重复的一段高度重复的 DNADNA序列,不与组蛋白结合,而与纺锤丝结合参与序列,不与组蛋白结合,而与纺锤丝结合参与 染色体向两极的移动染色体向两极的移动。动粒动粒(着丝点)(着丝点):位于主缢痕两侧的特化的圆盘状结构,由蛋白质构位于主缢痕两侧的特化的圆盘状结构,由蛋白质构 成,是纺锤丝微管的附着部位,参与分裂后期染色成,是纺锤丝微管的附着部位,参与分裂后期染色 体向两极的迁移。体向两极的迁移。动粒域动粒域-外,支配染色体的运动和分离外,支配染色体的运动和分离着丝粒着丝粒-动粒复合体动粒复合体 中央域中央域-中,中,高度重复的高度重复的DNADNA序列序列 配对域配对域-内,连接姐妹染色单体内,连接姐妹染色单体中央着丝粒染色体(中央着丝粒染色体(1/25/8)分类分类亚中着丝粒染色体(亚中着丝粒染色体(5/87/8)长臂(长臂(q),短臂(短臂(p)近端着丝粒染色体(近端着丝粒染色体(7/81)端着丝粒染色体(末端)端着丝粒染色体(末端)(3)次缢痕和随体:)次缢痕和随体:次缢痕次缢痕:指染色体上除主缢痕之外的缢缩部位,数量、指染色体上除主缢痕之外的缢缩部位,数量、位置和大小可作鉴别染色体的标记。位置和大小可作鉴别染色体的标记。近端着丝粒染色体(近端着丝粒染色体(13,14,15,21,22)的短臂上,与核仁的形成有关的染色体次缢痕部的短臂上,与核仁的形成有关的染色体次缢痕部 位位核仁组织区(核仁组织区(NOR)。随随 体体:染色体末端、与次缢痕相连的棒状小体染色体末端、与次缢痕相连的棒状小体 (satellite),由异染色质组成,是识别染色体由异染色质组成,是识别染色体 形态的重要特征之一形态的重要特征之一。(4)端粒()端粒(telomere)染色体末端的特化部位染色体末端的特化部位 由高度重复序列组成(人:由高度重复序列组成(人:TTAGGG)保证染色体复制的完整性保证染色体复制的完整性 维持染色体结构的稳定性,防止末端的相互粘连维持染色体结构的稳定性,防止末端的相互粘连 正常染色体每复制一次丢失正常染色体每复制一次丢失50-100bp 细胞的生命钟,衰老的标志细胞的生命钟,衰老的标志 肿瘤细胞因具有端粒酶活性而自行合成端粒肿瘤细胞因具有端粒酶活性而自行合成端粒细胞无限繁殖细胞无限繁殖 stop端端 粒粒 长长 度度原位原位杂杂交交实验显实验显示位于人染色体末端的端粒示位于人染色体末端的端粒(以含有(以含有TTAGGG序列的序列的DNA作作为为探探针针)五、染色体的核型与带型五、染色体的核型与带型核型(核型(karyotype):):一个体细胞中的全部染色体,按其大小和每条染色体一个体细胞中的全部染色体,按其大小和每条染色体 的形态特征顺序排列所构成的图像。的形态特征顺序排列所构成的图像。核型分析:核型分析:对待测细胞的核型进行染色体数目、形态特征的分析。对待测细胞的核型进行染色体数目、形态特征的分析。正常人核型:正常人核型:46,XX(女);(女);46XY(男)(男)带型指将染色体经过一定处理、用特定的染料染色后,带型指将染色体经过一定处理、用特定的染料染色后,使染色体沿其长轴显示深浅各异、宽窄不等的带纹。使染色体沿其长轴显示深浅各异、宽窄不等的带纹。第三节第三节核仁核仁(nucleolus)在间期细胞的核中最明显,光镜下为均匀、海绵状的球体在间期细胞的核中最明显,光镜下为均匀、海绵状的球体1-21-2个个/细胞,细胞,与蛋白质的合成密切相关与蛋白质的合成密切相关在核中的位置不固定在核中的位置不固定 无膜包裹无膜包裹一一.核仁的形态结构和化学组成核仁的形态结构和化学组成 组成:组成:蛋白质占蛋白质占80%RNA占占1111%DNA DNA占占8 8%形态结构:形态结构:(电镜下)电镜下)1纤维中心纤维中心:浅染的低电子密度的圆形结构,浅染的低电子密度的圆形结构,是是 rRNA基因的基因的rDNA存在部位,存在部位,位于位于5对染色体上对染色体上(13、14、15、21、22),),共同构成核仁组织区(次缢痕部位)共同构成核仁组织区(次缢痕部位)。2致密纤维成分致密纤维成分:核仁内电子密度最高的的区域,核仁内电子密度最高的的区域,位于浅染区的周围位于浅染区的周围 含有正在含有正在 转录转录 的的rRNA分子分子 含有一些特异性的含有一些特异性的RNA结合蛋白(核结合蛋白(核 仁素仁素 nucleolin:可使:可使核仁被特征性地银染)核仁被特征性地银染)rDNArRNA转录单位转录单位3nm间隔间隔片段片段转录的起点转录的起点转录的终点转录的终点RNA聚合酶聚合酶蛋白质颗粒蛋白质颗粒rDNA转录转录rRNA(45SrRNA前体、纤维状前体、纤维状)颗粒状颗粒状(18s5.8s28srRNA、蛋白、蛋白质颗粒)质颗粒)剪切、加工剪切、加工加工、包装加工、包装核糖体的亚基核糖体的亚基 3.颗粒成分颗粒成分:核仁的外周,致密的颗粒核仁的外周,致密的颗粒成熟核糖体亚单位前体成熟核糖体亚单位前体核糖体大、小亚基的组装核糖体大、小亚基的组装二核仁的功能二核仁的功能 1)合成)合成rRNA;2)装配核糖体的大、小亚基)装配核糖体的大、小亚基三核仁周期三核仁周期(nucleolarnucleolarcyclecycle):):):):在在进进行有行有丝丝分裂的分裂的细细胞中,核仁出胞中,核仁出现现一系列一系列结结构与功构与功能的周期性能的周期性变变化。化。前期:前期:核仁核仁变变小,染色小,染色质质凝集,凝集,RNA合成停止;合成停止;中期和后期:中期和后期:核仁消失;核仁消失;末期:末期:rRNA重新开始合成,形成小核仁;重新开始合成,形成小核仁;极小的核仁极小的核仁进进一步合并最一步合并最终终形成核仁。形成核仁。第四节第四节 核骨架(核骨架(核基质)核基质)除核被膜、染色质和核仁以外的网架系统,又称核骨架除核被膜、染色质和核仁以外的网架系统,又称核骨架(nucleaskeleton)。是非组蛋白构成的纤维状结构。是非组蛋白构成的纤维状结构。(一一)核基质的形态结构和化学组成核基质的形态结构和化学组成 纤维蛋白成分构成的纤维网架结构,纤维蛋白成分构成的纤维网架结构,分布于核空间,分布于核空间,与核纤层和核孔复合体相连。与核纤层和核孔复合体相连。(二二)核基质的功能核基质的功能1.为为DNA的复制提供支架的复制提供支架2.是基因转录加工的场所是基因转录加工的场所3.与染色体构建、核膜的重建有关与染色体构建、核膜的重建有关4.与细胞分化相关与细胞分化相关细胞核与疾病细胞核与疾病一一、细胞核形态异常与肿瘤细胞核形态异常与肿瘤肿瘤细胞:肿瘤细胞:高核高核/质比;异型核结构;染色质近核质比;异型核结构;染色质近核膜处,颗粒状;核仁膜处,颗粒状;核仁rRNA高转录活性,高转录活性,体积大,数目多;组蛋白磷酸化高,体积大,数目多;组蛋白磷酸化高,结合结合DNA能力下降;核孔数目增多显著。能力下降;核孔数目增多显著。二、二、染色体异常与肿瘤染色体异常与肿瘤数目异常:数目异常:超二倍体、亚二倍体和多倍体超二倍体、亚二倍体和多倍体结构异常:结构异常:易位、重复、缺失、倒位、环状易位、重复、缺失、倒位、环状 慢粒慢粒:费城小体费城小体2222号、长臂与号、长臂与9 9号长臂部分区段异号长臂部分区段异 位标记染色体(位标记染色体(95%95%)视网膜母细胞瘤:视网膜母细胞瘤:1313号长臂中间缺失号长臂中间缺失 WilmsWilms瘤:瘤:1111号染色体短臂中间缺失号染色体短臂中间缺失 Down syndromeCriduchatsyndrome(5p)基因突变引起基因病基因突变引起基因病由由基因突变基因突变引起的疾病称为基因病,包括单基因病、引起的疾病称为基因病,包括单基因病、多基因病。多基因病。Three key regions of a chromosome随体随体(3)次次缢缢痕痕和和随随体体:次次缢缢痕痕:近近端端着着丝丝粒粒染染色色体体(13,14,15,21,22)的的.Nucleolus 形态结构:形态结构:(电镜下)电镜下)Summary of Chapter 8The nucleus is a spherical,sometimes elongated structure that contains the genetic material,the DNA of the cell.The highly organized chromatin is enveloped by a nuclear membrane that contains numerous pores for the transport of large macromolecules and ribosomal subunits to the cytoplasm.The nuclear envelope is actually two parallel unit membranes with an intervening space.Ribosomes are often attached to the outside membrane and it is sometimes continuous with the rough ER.Functional aspects of nuclearIt is the largest organelle in the cell and the place for genetic storage,replication and transcription.It is the control center of living activity and the hallmark to distinguish eucaryotic cells from prokaryotic ones.Chromatin consists of coiled DNA bound to basic proteins called histones and non-histone proteins.The degree of coiling of the chromatin varies during cell activity.From microscopic examination,two types of chromatin can be seen:1)dark,dense heterochromatin and 2)light euchromatin.Cells with light nuclei/uncoiled chromatin are more active than those with condensed,dark nuclei.Lightly coiled DNA facilitates transcription because there is more surface area available.A DNA molecule is an enormously long,unbranched,linear polymer that can contain many millions of nucleotides arranged in an irregular but nonrandom sequence.The genetic information is contained in the linear order of the nucleotides.Each DNA molecule is packaged in a separate chromosome,and the total genetic information stored in the chromosomes of an organism is said to constitute its genome.Each chromosome is formed from a single long DNA molecule.Each DNA molecule that forms a chromosome must contain a centromere,two telomeres and replicating origins.Most chromosomal DNA does not code for essential proteins or RNAs.Therefore,only a few percent of mammalian genome can be involved in regulating or encoding essential proteins.Besides these nonessential DNA sequences,even the essential coding regions are often interrupted by long stretches of noncoding DNA.Chromosomes contain a variety of proteins bound to specific DNA sequences.Histones are the principal structural proteins of eucaryotic chromosomes.200bp of DNA wraps around a core of histone proteins,the structure is referred to as a nucleosomes,a“bead-on-a-string”unit particle of chromatin.Nucleosomes are usually packed together to form regular higher-order structures.rRNA synthesis can proceed through nucleosomes.ChromatinisacomplexofDNA,histonesandnonhistoneproteins.Condensationofchromatinduringmitosisyieldsthevisiblemetaphasechromosomes.ChromatrinChromatrinisdividedintotwoforms:heterochromatinisdividedintotwoforms:heterochromatinandandeuchromatineuchromatin.1)1)EuchromatinEuchromatin:isalightlypackedformofchromatin:isalightlypackedformofchromatinandisoftenunderactivetranscription.Itgenerallyandisoftenunderactivetranscription.Itgenerallyappearsaslight-coloredbandswhenstainedandthisappearsaslight-coloredbandswhenstainedandthislighterstainingisduetothelesscompactstructureoflighterstainingisduetothelesscompactstructureofeuchromatineuchromatin.Heterochromatin:ItisatightlypackedformofDNA.Heterochromatin:ItisatightlypackedformofDNA.ItsmajorcharacteristicItsmajorcharacteristic isthattranscriptionisisthattranscriptionislimited.limited.Itstainsintensely,indicatingtighterpacking.ItisItstainsintensely,indicatingtighterpacking.Itisusuallylocalizedtotheperipheryofthenucleusandusuallylocalizedtotheperipheryofthenucleusandmainlyconsistsofgeneticallyinactivesatellitemainlyconsistsofgeneticallyinactivesatellitesequencesandmanygenesarerepressedtovarioussequencesandmanygenesarerepressedtovariousextents.Bothextents.Bothcentromerescentromeresandtelomeresareandtelomeresareheterochromatic,asistheBarrbodyofthesecondheterochromatic,asistheBarrbodyofthesecondinactivatedXchromosomeinafemale.inactivatedXchromosomeinafemale.Organization of chromosome 1)Nucleosome:thebasicunitsofchromatinstructure.Anindividualnucleosomecoreparticleconsistsofacomplexofeighthistoneproteins-twomoleculeseachofhistonesH2A,H2B,H3,H4-andadouble-strandedDNAofabout146bpthatwindsaroundthishistoneoctamer.EachnucleosomecoreparticleisseparatedfromthenextbyaregionoflinkerDNA(60bp).2)Solenoid:WithadditionofH1,thenucleosomalarrayscoilsintoa30nmdiameterhelicalstructureknownasthe30nmfibrewithapproximatelysixnucleosomesperturn.3)Supersolenoid4)ChromatidMain structures of metaphase chromosomes l1.Chromatidl2.Centromereandprimaryconstriction:TheThecentromereisthepartofachromosomethatlinkssisterchromatids.l3.Secondaryconstrictionisseenatthechromosomeisseenatthechromosomeinadditiontoprimaryconstrictionandisusefulininadditiontoprimaryconstrictionandisusefulinidentifyingachromosome.identifyingachromosome.SomepartsoftheseSomepartsoftheseconstrictionsindicatessitesofnucleolusformation.constrictionsindicatessitesofnucleolusformation.l4.TelomereisaregionofrepetitiveDNAattheendsofchromosomes,whichprotectstheendofthechromosomefromdestruction.lSatellite:ChromosomeshavingasatellitearecalledChromosomeshavingasatellitearecalledSATchromosomes.SATchromosomes.l4.TelomereisaregionofrepetitiveDNAattheendsofchromosomes,whichprotectstheendofthechromosomefromdestruction.l5.Satellite:ChromosomeshavingasatellitearecalledChromosomeshavingasatellitearecalledSATchromosomes.SATchromosomes.
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