THE CYTOSKELETON.docx

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THECYTOSKELETON

THECYTOSKELETON

第七章细胞骨架

细胞骨架（Cytoskeleton）是指存在于真核细胞中的蛋白纤维网架体系。

有狭义和广义两种概念

在细胞质基质中包括微丝、微管和中间纤维构成细胞质骨架。

广义的细胞骨架还包括核骨架（nucleoskeleton）、核纤层（nuclearlamina）和细胞外基质（extracellularmatrix），形成贯穿于细胞核、细胞质、细胞外的一体化网络结构。

细胞质骨架

核骨架

一、细胞质骨架

●微丝（microfilament,MF）

●微管（microtubules）

●中间纤维（intermediatefilament,IF）

●细胞骨架结构与功能总结

二、细胞核骨架

●核基质（NuclearMatrix）

●染色体骨架

●核纤层（NuclearLamina）

概述细胞骨架

定义：

指真核细胞中的蛋白纤维网络。

广义：

膜骨架、细胞质骨架、核纤层、核骨架、细胞外

基质，构成细胞内外的一体化网络结构。

狭义：

就指胞质骨架，位于细胞质中，由微丝、微管、

中间纤维构成纤维型的网络结构。

组成成分及分布：

微丝：

主要分布于细胞质膜的内侧

微管：

主要分布于核周围，并呈放射状像报纸四周扩散

中间纤维：

分布于整个细胞中。

细胞骨架的功能：

1结构与支持作用；2胞内运输作用；3收缩和运动；4空间组织作用

Cytoskeleton

Adynamicstructuralandfunctionalframework

Threetypesoffilaments:

A.Intermediate中间纤维

B.Microtubules微管

C.Microfilaments微丝

细胞骨架的基本类型与主要功能示意图

分子组成与结构

装配

微丝结合蛋白

微丝的功能

单体：

特点

分子模型

踏车现象

装配步骤

交联蛋白---成网成束

与微丝装配相关的蛋白

膜结合蛋白

参与形成化学机械装置系统的结合蛋白

肌肉的收缩

形成应力纤维

微绒毛

细胞的变形运动

形成胞质环

影响微丝平衡的毒素

微丝

第一节微丝（microfilament，MF）

知识结构简图

第一节微丝

（microfilament，MF）

定义：

由肌动蛋白单体（G-actin）组成的骨架纤维，亦称肌动蛋白纤维（F-actin）。

分子组成与结构：

肌动蛋白纤维结构模型：

由两条头尾相连的线性排列的肌动蛋白链形成的双股螺旋。

具有极性。

肌动蛋白单体：

呈哑铃形；

具有极性和保守性的特点。

Microfilament,MF

Thebasicstructureofmicrofilament

Actinmonomer：

Globular（G-）actin

MW:

43kDa,375aa,1boundATPorADP

Subdomains

G-actinhastwolobesseparatedbyadeepcleftwhereATPbinds.

Microfilamentassemblyanddisassembly

G-actin（globularactin）,withboundATP,canpolymerizetoformF-actin（filamentous）.

F-actinmayhydrolyzeboundATPADP+Pi&releasePi.

ADPreleasefromthefilamentdoesnotoccurbecausethecleftopeningisblocked.

ADP/ATPexchange:

G-actincanreleaseADP&bindATP,whichisusuallypresentathigherconcentrationthanADPinthecytosol.

TheprocessofmicrofilamentsPolimerization

Threephases:

1.Lagphase:

nucleation（成核）

2.Elongation（延长）

3.Equilibrium（平衡）

Microfilamentassemblyanddisassembly

Invitro,（Polymerization）bothendsoftheMFgrow,buttheplusendfasterthantheminus.

Becauseactinmonomerstendtoaddtoafilament’splusendandleavefromitsminusend----“Tread-milling”（踏车现象当G-actin达到一定浓度时微丝出现一端因加G-actin单体而延长，另一端因单体的解离而缩短，肌动蛋白丝的净长度不变。

Actinassemblyinvitro

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。

结构高度保守，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：

2-3个actin聚集成核心（核化）；ATP-actin分子向核心两端加合。

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：

单体可同时在（+）端添加，在（-）端分离。

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。

细胞松弛素（cytochalasin）可切断微丝纤维，并结合在微丝末端抑制肌动蛋白加合到微丝纤维上。

鬼笔环肽（phalloidin）与微丝能够特异性的结合，使微丝纤维稳定而抑制其功能。

荧光标记的鬼笔环肽可特异性的显示微丝。

二、微丝结合蛋白

已知的的微丝结合蛋白有100多种，

1．核化蛋白：

使游离actin核化，开始组装，Arp

2．单体隐蔽蛋白：

阻止游离actin向纤维添加，thymosin

3．封端蛋白：

使纤维稳定，CapZ

4．单体聚合蛋白：

将结合的单体安装到纤维，profilin

5．微丝解聚蛋白：

cofilin

6．交联蛋白：

fimbrin

7．纤维切断蛋白：

gelsolin

8．膜结合蛋白：

vinculin

微丝结合蛋白

膜结合蛋白----把膜与微丝结合起来，确定细胞表面特征。

例如：

红细胞的膜骨架、黏着斑的整合素。

参与形成化学机械装置系统的结合蛋白----

肌球蛋白myosin的结构

肌球蛋白Myosin是肌动蛋白纤维的马达蛋白motorprotein

Motorprotein

（why‘motor’?

）

Motorproteinsthattraversethecytoskeletalfibers

Motorproteinsareaclassofmolecularmotorsthatareabletomovealongthesurfaceofasuitablesubstrate.TheyarepoweredbythehydrolysisofATPandconvertchemicalenergyintomechanicalwork.

Motorproteinscanbegroupedintothreebroadfamilies:

kineins（驱动蛋白）,dyneins（动力蛋白）,andmyosins（肌球蛋白）.Kineinsanddyneinsmovealongcytoplasmicmicrotubules.

Theycanbindtospecificfilamenttypes

2.Theycan“Walk”orslidealongcytoskeletalfibers.

Kinesinanddyneinonmicrotubules

Myosinonmicrofilaments

3.TheyUseenergyfromATPhydrolysis

Motorproteins

Myosinisamotorproteinforactinfilaments肌球蛋白是肌动蛋白纤维的马达蛋白

MyosinsareactinstimulatedATPases

Conventionalmyosin（typeII）formsbipolarfilamentsandisfoundinbothmuscleandnon-musclecells

Unconventionalmyosins（typeI;III-VII）haveasingleheadandarefoundinnon-musclecells

TypeImyosinbindstotheplasmamembrane

Proteinsplayimportantrolesinmusclecontraction

Myosin:

Theactinmotorportein

ATPase

Bindingsites

MyosinII--Dimer

Mainlyinmusclecells

Thickfilamemts

Howdomyosinswork?

ATPhydrolysisdrivesmyosinalongananactinfilament

第一步：

与ATP结合--------头部与肌动蛋白纤维脱离。

第二步：

水解-------头部转动并与新的肌动蛋白亚基结合

第三步：

Pi释放---------------头部转动

第四步：

ADP释放------------头部自然下垂

肌细胞的收缩运动

Fig.11-19StructureofMuscleCell

Muscelcellsarehighlyspecializedforasingletask,contraction.

Therearethreedistincttypesofmusclecellsinvertebrates:

skeletalmuscle,cardiacmuscle,smoothmuscle.

Inbothskeletalandcardiacmuscle,thecontractileelementsofthecytoskeletonarepresentinhighlyorganizedarraysthatgiverisetocharacteristicpatternsofcross-striations.

threedistincttypesofmusclecells

肌原纤维

肌节

肌肉的组成

（肌纤维）

肌原纤维

肌小节

粗肌丝：

肌球蛋白

细肌丝：

微丝、原肌球蛋白、

肌钙蛋白

肌细胞

肌肉的组成

由肌原纤维组成，肌原纤维的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）。

肌小节是相邻两Z线间的单位。

主要结构有：

A带（暗带）：

为粗肌丝所在。

H区：

A带中央色浅部份，此处只有粗肌丝。

I带（明带）：

只含细肌丝部分。

Z线：

细肌丝一端游离，一端附于Z线。

肌小节Sarcomere

（一）肌球蛋白（myosin）

属于马达蛋白，多数趋向微丝的（+）极。

MyosinII构成粗肌丝。

由2重链和4轻链组成，具有2球形的头和1螺旋化的干，头部有ATP酶活性。

MyosinV结构类似myosinII，但重链有球形尾部。

MyosinI由一个重链和两个轻链组成。

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。

（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,actinandtroponin

（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；

Myosinmovement（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（stressfiber）：

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.其他功能：

抑制微丝的药物（细胞松弛素）可增强膜的流动、破坏胞质环流。

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。

Afluorescentlystainedimageofculturedepithelialcellsshowingthenucleus（yellow）andmicrotubules（red）

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。

每条原纤维由微管蛋白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，结合的GTP可发生水解，结合的GDP可交换为GTP。

E-site

N-site

具有极性，（+）极生长速度快，（-）极生长速度慢。

（+）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。

大多数微管处于动态组装和去组装状态（如纺锤体），具有踏车行为。

秋水仙素、长春花碱抑制微管装配。

紫杉酚能促进微管的装配,并使已形成的微管稳定。

ThefunctionofGTP-tubulincap

GTPhydrolysisisnotrequiredformicrotubuleassembly，WHY？

二、微管结合蛋白microtubuleassociatedproteinsMAPs

MAP分子包含一个结合微管的结构域和一个向外突出的结构域。

可与其它细胞组分（如微管束、中间纤维、质膜）结合。

主要功能：

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

microtubuleorganizingcenter,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。

TheOrientationofMicrotubulesinaCell

五、微管的功能

1.支架作用

2.细胞内运输

是胞内物质运输的路轨。

涉及2类马达蛋白：

kinesin、dyenin，需ATP供能。

Kinesin发现于1985年，由两条轻链和两条重链构成，向微管（+）极运输小泡。

Kinesinwalkalongmicrotubuletowardsplusend

Dynein发现于1963年。

由两条相同的重链和种类繁多的轻链以及结合蛋白构成。

作用：

推动染色体的分离、驱动鞭毛的运动、向着微管（-）极运输小泡。

3.形成纺锤体。

4.形成鞭毛和纤毛

结构：

由基体和鞭杆两部分构成；鞭毛中的微管为9+2结构；二联微管A管由13条原纤维组成，B管由10条原纤维组成；A管向相邻B管伸出两条动力蛋白臂，并向鞭毛中央发出一条辐；基体的微管组成为9+0。

运动原理：

动力蛋白臂的dynein水解ATP作功，使相邻的二联微管相互滑动。

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。

intermediatefilaments，IF

Keratinfilamentsofepithelialcellsaretightlyanchoredtotheplasmamembranesatdesmosmesandhemidesmosomes

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，不同类型细胞含有不同IF。

通常一种细胞含有一种IF，少数含2种以上。

肿瘤细胞转移后仍保留源细胞的IF。

角蛋白（表皮细胞）

中/碱性角蛋白为头发、指甲等坚韧结构所有。

酸性角蛋白位于胞内，亦称胞质角蛋白。

结蛋白亦称骨骼蛋白（肌肉细胞）

主要功能是使肌纤维连在一起。

胶质原纤维酸性蛋白（星形神经胶质细胞和许旺细胞）

主要起支撑作用。

波形纤维蛋白（间充质细胞及中胚层来源的细胞）

一端与核膜相连，另一端与细胞表面的桥粒、半桥粒相连，将细胞核和细胞器维持在特定空间。

神经纤丝蛋白（神经元纤维）

根据组织来源及免疫原性分类:

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。

intemediatefilaments，IF

二、中间纤维的组装与去组装

组装（如图）

单体

二聚体

四聚体

原纤维

3~4个四聚体头尾相接两个原丝

同向形成两股螺旋二聚体

两个二聚体反向平行组装

4根原纤维组成

中间纤维

AssemblyofIntermediateFilaments

coiled-coilsturcture

tetramersinastaggeredanti-parallelfashion

交叠反向平行排列的四聚体？

apolar

eightprotofilaments

Thedimerscouldbeassembledfromsingleortwodifferenttypesofintermediatefilamentproteins.

Becausetheyareformedfromanti-paralleltetramers,intermediatefilamentsareapolar;theydonothavedistinctplusandminusends（differentfromactinfilamentsormicrotubules）.

卷曲螺旋

二聚体

四聚体

原纤维

？

？

？

？

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：

flanggrin、Plectin、Ankyrin

特点：

具有细胞特异性

胞质骨架三种组分的比较

二、细胞核骨架

●核骨架的概念

●核基质（NuclearMatrix）

●染色体骨架

●核纤层（NuclearLamina）

细胞核骨架的概念

细胞核骨架是存在于核内的以蛋白成分为主的纤

维网架体系。

对核骨架的概念有两种理解:

狭义的核骨架仅指核基质,即细胞核内除核膜、核纤层、染色质、核仁和核孔复合体以外以纤维蛋白成分为主的纤维网架体系;

广义的核骨架包括核基质,核纤层和核孔复合

体以及染色体骨架。

（一）核基质（NuclearMatrix）

　核基质（狭义的核骨架）　一般认为核骨架是由纤维蛋白构成的纤维网络,核仁与染色质位于核骨架纤维网络中,核内骨架与核纤层有丰富的纤维联络,构成统一的核骨架网络。

。

形态结构

成分

核骨架不象胞质骨架那样由非常专一的蛋白成分组成,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。

核骨架结合序列

DNA序列中的核骨架结合序列（matrixassociatedregion,MAR）

DNA通过与核骨架蛋白的结合，将DNA放射环锚定在核骨架上；

核骨架结合序列作为许多功能性基因调控蛋白的结合位点。

功能

功能：

核骨架为细胞核内组分布局提供一个结构支架,

细胞核内许多重要的生命活动与核骨架有关：

为DNA复制提供空间支架：

研究发现,DNA以放射环的形式与DNA复制的酶及因子锚定于核骨架上形成DNA复制复合体,进行DNA复制合成。

核骨架与基因表达：

大量研究表明,在鸟类和哺乳动物细胞中,具有转录活性的基因是结合在核骨架上的。

RNA聚合酶在核骨架上具有结合位点,RNA的合成是在核骨架上进行,基因只有结合在核骨架上才能进行转录。

核骨架与病毒复制有关：

近年来发现核内病毒的发生与核骨架有密切关系,首先是发现单纯疱疹病毒的核壳在核骨架上装配。

核骨架参与染色体构建

（二）染色体骨架

染色体骨架是指染色体中由非组蛋白构成的结构支架。

有些工作证明,染色体骨架与核骨架中存在相同的蛋白组分。

染色体支架的研究对于真核细胞高级结构的建构及染色体在有丝分裂过程中周期性的凝聚与解凝聚等细胞学基本问题将起到重要作用。

（三）核纤层（NuclearLamina）

核纤层分布与形态结构

位于细胞核内层核膜下的纤维蛋白片层或纤维网络。

切面呈片层，整体呈球状网络。

成分——核纤层蛋白（Lamin）A、B、C

核纤层在细胞周期中的变化

A型核纤层蛋白在组装核纤层时通过蛋白水解失去C端。

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。

功能：

为核膜及染色质提供了结构支架

细胞外骨架

近年来在研究动物细胞的细胞外基质及细胞间相互作用的分子机理时发现,细胞“细胞间粘着和细胞一基质间粘着以及细胞运动时,