第10章-細胞骨架

細胞除了具有遺傳和代謝的特性外，還具有運動性和維持一定的形態(tài)的兩個特性。細胞所有的運動都是機械運動，將ATP中的能量轉(zhuǎn)變成動力。細胞骨架是細胞運動的軌道，也是細胞形態(tài)的維持和變化的支架。細胞骨架是細胞內(nèi)以蛋白質(zhì)纖維為主要成分的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，包括微絲、微管和中間絲。第一頁，共69頁。微管(microtubule)微絲(microfilament)中間絲(intermediatefilament)主要分布在核周。主要分布在細胞質(zhì)膜的內(nèi)側(cè)。分布在整個細胞。第二頁，共69頁。細胞骨架不是一種永久不變的堅硬結(jié)構(gòu)，實際上是一種動態(tài)結(jié)構(gòu)，很快的組裝與去組裝，排列與再排列，以適應經(jīng)常變動的細胞質(zhì)狀態(tài)。細胞生物學中最為活躍的研究領(lǐng)域之一。細胞骨架不僅在維持細胞形態(tài)，保持細胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)的有序性中起重要作用，而且與細胞運動、物質(zhì)運輸、能量轉(zhuǎn)換、信息傳遞、細胞分裂、基因表達、細胞分化等生命活動密切相關(guān)。第三頁，共69頁。10.1微管(microtubules)

第四頁，共69頁。

Interphase(間期）第五頁，共69頁。10.2.1結(jié)構(gòu)和組成微管通常是直的，有時呈弧形。在細胞內(nèi)呈網(wǎng)狀或束狀結(jié)構(gòu)。微管是中空管狀結(jié)構(gòu)。外徑約為25nm，內(nèi)徑約為14nm，長度變化不定。第六頁，共69頁。α微管蛋白（α-tubulin）β微管蛋白（β-tubulin）γ微管蛋白（γ-tubulin）微管的基本構(gòu)件--微管蛋白（tubulin）第七頁，共69頁。微管蛋白異二聚體---α，β異二聚體，螺旋盤繞而成。頭尾相接，形成細長的原纖維（protofilaments），13條原纖維縱向排列組成微管的壁。微管具有極性:

正極(plusend)最外端是β-微管蛋白;

負極(minusend)最外端是α-微管蛋白。第八頁，共69頁。α，β異二聚體兩種亞基均可結(jié)合GTP。

α-微管蛋白結(jié)合的GTP從不發(fā)生水解或交換。

β-微管蛋白結(jié)合的GTP可發(fā)生水解，結(jié)合的GDP可交換為GTP。第九頁，共69頁。10.2.2微管的類型單管(singlet):大部分細胞質(zhì)微管，

不穩(wěn)定二聯(lián)管(doublet):鞭毛、纖毛的軸絲微管，穩(wěn)定。三聯(lián)管(triplet)中心體，鞭毛、纖毛的基體，穩(wěn)定。第十頁，共69頁。

微管的組裝及其動力學性質(zhì)

1體外微管的組裝第十一頁，共69頁。2微管組裝的動力學性質(zhì)：

動態(tài)不穩(wěn)定性GTP-異二聚體濃度高GTP-異二聚體濃度低微管的延長---GTP帽微管的縮短—GDP帽第十二頁，共69頁。MT的延長---MT的縮短—GDP帽GTP帽微管裝配與GTP帽第十三頁，共69頁。微管動態(tài)不穩(wěn)定性第十四頁，共69頁。踏車行為第十五頁，共69頁。低溫促進解聚，適宜的溫度（37℃）促進組裝。反應體系加入微管碎片（種子），可以加速微管的組裝。存在GTP、Mg2+的條件下能自發(fā)的組裝成微管。適當pH(6.9)和游離的微管蛋白異二聚體濃度促進組裝。某些微管結(jié)合蛋白（MAP)、藥物以及修飾微管的酶，抑制解聚3影響微管組裝的因素第十六頁，共69頁。10.2.4作用于微管特異性藥物秋水仙素(colchicine)：結(jié)合到未聚合的微管蛋白二聚體上，當秋水仙素-微管蛋白二聚體復合物加到微管的正負兩端后，抑制微管組裝，促進解聚。當高濃度的秋水仙素處理細胞---中期核型分析。低濃度的秋水仙素處理細胞---誘變植物多倍體Ca2+

、低溫、長春花堿（vinbiastine）、諾考達唑（nocodazole）、鬼臼素：抑制微管組裝。Mg2+、紫杉酚(taxol)、重水（D2O)能促進微管的裝配,使微管穩(wěn)定。這種穩(wěn)定性會破壞微管的正常功能。以上藥物均可以阻止細胞分裂，可用于癌癥的治療。

第十七頁，共69頁。紫杉酚（醇）(taxol)：促進微管聚合。只結(jié)合到聚合的微管上，不與未聚合的微管蛋白二聚體反應。

Mg2+、紫杉酚（醇）(taxol)、重水（D2O)：能促進微管的組裝,使微管穩(wěn)定。

這種穩(wěn)定性會破壞微管的正常功能。第十八頁，共69頁。10.2.5微管組織中心

（microtubuleorganizingcenter，MTOC）微管組織中心：在活細胞內(nèi)，能夠起始微管的成核（nucleation）作用，并使之延伸的細胞結(jié)構(gòu)。

動物細胞里中心體（centrosome）是主要的微管組織中心。第十九頁，共69頁。1中心體結(jié)構(gòu)中心粒（centriole）：核心結(jié)構(gòu)，短筒狀小體，兩個相互垂直。中心球（中心粒旁基質(zhì)）（pericentriolarmaterial，

PCM)：位于中心粒周圍，具有高電子密度的一些無定型基質(zhì)。第二十頁，共69頁。9+0結(jié)構(gòu)第二十一頁，共69頁。間期：位于細胞核附近有絲分裂期:紡錘體的兩極2中心體的位置第二十二頁，共69頁。G1期，一對親代中心粒分開；S期和G2期，子代中心粒從親代中心粒上生長出來，并逐漸長大，但仍在同一個中心體中。M期早期，中心體裂開，每對中心粒移向細胞相反的兩端，然后裝配成有絲分裂器。3中心體的周期第二十三頁，共69頁。微管從中心體的核化位點生長（-)端埋在中心體中，（+）游離在細胞質(zhì)中4微管在中心體的組裝環(huán)化r-MT蛋白的核化位點第二十四頁，共69頁。中心粒(centriole)和中心體(centrosome)成核部位γ-微管蛋白在微管成核中的作用聚合成環(huán)狀復合體，α,β異二聚體微管蛋白從γ微管蛋白復合體的核化位點先組裝出（-）極，然后開始生長。第二十五頁，共69頁。γ-微管蛋白在微管成核中的作用聚合成環(huán)狀復合體，α,β異二聚體微管蛋白從γ微管蛋白復合體的核化位點先組裝出（-）極，然后開始生長。第二十六頁，共69頁?？拷麺TOC的一端由于生長慢，稱為負端。遠離MTOC的一端微管生長速度快，稱為正端。+++++++++++第二十七頁，共69頁。神經(jīng)細胞中微管軸突中微管方向一致，正端指向軸突的末端。樹突中微管方向不一致。樹突軸突第二十八頁，共69頁。5基體和其他微管組織中心鞭毛、纖毛的基體也具有微管組織中心的功能?；w可以自我復制。只含有1個中心粒而不是1對。

第二十九頁，共69頁。10.2.6依賴于微管的馬達蛋白

馬達蛋白：細胞內(nèi)一類利用ATP作為動力來介導胞內(nèi)物質(zhì)沿細胞骨架運動的蛋白。

驅(qū)動蛋白(kinesin)家族

胞質(zhì)動力蛋白(cytoplasmicdynein，CyDn)家族第三十頁，共69頁。驅(qū)動蛋白-1是由兩條輕鏈和兩條重鏈構(gòu)成的四聚體外觀具有兩個球形的頭（具有ATP酶活性）、一個螺旋狀的桿（重鏈）和一個扇形的尾，是貨物結(jié)合的部位。

1驅(qū)動蛋白-1的結(jié)構(gòu)第三十一頁，共69頁。2驅(qū)動蛋白家族成員的結(jié)構(gòu)與功能第三十二頁，共69頁。步行（handoverhand）模型驅(qū)動蛋白的兩個球狀頭部交替向前，每水解一個ATP分子，馬達結(jié)構(gòu)域?qū)⒁苿觾杀恫骄?，?6nm。

3驅(qū)動蛋白沿微管運動的分子機制“尺蠖”（inchworm）模型驅(qū)動蛋白兩個頭部中的一個始終向前，另一個永遠在后，每步移動8nm第三十三頁，共69頁。由兩條相同的重鏈和一些種類繁多的輕鏈以及結(jié)合蛋白構(gòu)成。沿著微管從（+）端向（-）端移動。4胞質(zhì)動力蛋白（cytoplasmicdynein）第三十四頁，共69頁。5細胞質(zhì)動力蛋白作用：運輸胞內(nèi)體/溶酶體、高爾基體及與其它一些膜泡運輸有關(guān)參與動粒和有絲分裂紡錘體的定位及細胞分裂后期染色體的分離等。

第三十五頁，共69頁。不同種類的馬達蛋白運輸不同的貨物，馬達蛋白的尾部決定運輸貨物的種類。微管可作為小泡運輸?shù)能壍?。運速可達2um/s第三十六頁，共69頁。10.2.7微管的功能1.維持細胞的形態(tài)2.固定和支持細胞器的位置3.參與物質(zhì)運輸4.纖毛與鞭毛的運動5.形成紡錘體及參與染色運動

第三十七頁，共69頁。1.維持細胞的形態(tài)在培養(yǎng)的細胞中，微管呈放射狀排列在核周，（+）端指向質(zhì)膜第三十八頁，共69頁。第三十九頁，共69頁。2.固定和支持細胞器的位置內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體的分布與微管有密切關(guān)系內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上有驅(qū)動蛋白高爾基體上有胞質(zhì)動力蛋白MTERGolgi中心體細胞核ERMTGolgiMT第四十頁，共69頁。高爾基體的分布定位與微管有關(guān)第四十一頁，共69頁。3.參與物質(zhì)運輸（1）軸突運輸細胞體中有細胞核、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體及其他的細胞器。核糖體只存在于細胞體和樹突中，在軸突和軸突的末梢沒有蛋白質(zhì)的合成。所以蛋白質(zhì)（如神經(jīng)遞質(zhì)）和膜必須在細胞體合成，然后運到軸突。第四十二頁，共69頁。在神經(jīng)和激素的控制下，色素細胞中色素分子的分散與聚集,以適應環(huán)境的變化。（2）色素顆粒運輸?shù)谒氖?，?9頁。4.纖毛（cilia）與鞭毛（flagellae）的運動穩(wěn)定的微管結(jié)構(gòu)纖毛多而較短，約5-10mm鞭毛少而較長，約150mm兩者直徑相似，均為0.15-0.3mm。外部質(zhì)膜包圍，內(nèi)部為軸絲。鞭毛和纖毛均由基體（纖毛和鞭毛根部的結(jié)構(gòu)）和軸絲（鞭桿）兩部分構(gòu)成第四十四頁，共69頁。草履蟲表面的纖毛的掃描電鏡照片氣管表面的纖毛上皮細胞第四十五頁，共69頁。綠藻的鞭毛海膽精子的波浪式運動第四十六頁，共69頁。1結(jié)構(gòu)鞭桿中的微管為9+2結(jié)構(gòu)，即由9個二聯(lián)微管和一對中央微管構(gòu)成，其中二聯(lián)微管由AB兩個管組成，A管由13條原纖維組成，B管由10條原纖維組成，兩者共用3條。A管對著相鄰的B管伸出兩條動力蛋白臂，并向鞭毛中央發(fā)出一條輻?；w(basalbody)的微管組成為9+0，結(jié)構(gòu)類似于中心粒。第四十七頁，共69頁?；w縱切面基體橫切面鞭桿基體第四十八頁，共69頁。鞭毛與纖毛的軸絲橫切面中央管放射輻連接蛋白A管B管外動力蛋白臂內(nèi)動力蛋白臂中央鞘第四十九頁，共69頁。2纖毛（鞭毛）運動軸絲相鄰二聯(lián)體之間的相對滑動引起纖毛（鞭毛）的彎曲動力來源：軸絲動力蛋白是一種ATP酶，用水解ATP的能量產(chǎn)生機械運動第五十頁，共69頁。1.動力蛋白頭部與相鄰二聯(lián)管的B微管接觸，促進同動力蛋白結(jié)合的ATP水解，并釋放ADP和Pi。2.由于ATP水解，改變了A微管動力蛋白頭部的構(gòu)象，頭部沿著相鄰二聯(lián)管的負端滑動（行走）。3.新的ATP結(jié)合，使動力蛋白頭部與相鄰B微管脫離。4.ATP水解，使動力蛋白的頭部的角度復原。ADP-動力蛋白頭部與另一位點結(jié)合，開始下一個循環(huán)。第五十一頁，共69頁。無連接蛋白，動力蛋白臂暴露給ATP，則相鄰二聯(lián)體微管產(chǎn)生相對滑動在完整的鞭毛中兩相鄰的二聯(lián)管通過柔性蛋白連接，使鞭毛產(chǎn)生彎曲運動，而不是滑動。兩相鄰的二聯(lián)管之間有連接蛋白動力蛋白的頭部沿微管的負極行走第五十二頁，共69頁。一種男性不育癥，這種病人同時還患有慢性支氣管炎，與鞭毛和纖毛沒有動力蛋白臂有關(guān)

男性不育癥主要是因為鞭毛沒有動力蛋白臂，精子沒有活力，不能產(chǎn)生運動造成的。這種病人同時還患有慢性支氣管炎主要是因為是纖毛沒有動力蛋白臂，不能排出侵入肺部的粒子。

第五十三頁，共69頁。5.形成紡錘體及參與染色運動紡錘體是一種微管構(gòu)成的動態(tài)結(jié)構(gòu)其作用是在分裂細胞中牽引染色體到達分裂極。第五十四頁，共69頁。①動粒微管（kinetochoremicrotubes）：由中心體發(fā)出，連接在著絲點上。負責將染色體牽引到紡錘體的兩極，著絲點上具有馬達蛋白。②星體微管（astralmicrotubes）：由中心體向外放射出，末端結(jié)合有分子馬達。負責兩極的分離，同時確定紡錘體縱軸的方向。③極微管（polarmicrotubes或overlapmicrotubes）：由中心體發(fā)出，在紡錘體中部重疊，重疊部位結(jié)合有分子馬達，負責將兩極推開。紡錘體微管星體微管第五十五頁，共69頁。第五十六頁，共69頁。中期

染色體兩邊的牽引力就像拔河一樣達到平衡。第五十七頁，共69頁。第五十八頁，共69頁。前期染色體未附著動粒側(cè)面結(jié)合到星體MT染色體朝紡錘體極滑動從側(cè)面附著到末端附著單極附著此微管稱動粒MT從單極到兩極附著第五十九頁，共69頁。后期后期開始時，所有姐妹染色單