(1011)细胞生物学

张岸平教授MedicaimolecularbiologyTHECYTOSKELETONCytoskeletonandsports狭义：细胞质骨架，包括微管、微丝和中间纤维。广义：细胞核骨架、细胞质骨架、细胞膜骨架和细胞外基质。细胞骨架（cytoskeleton）：蛋白纤维交织而成的立体网架结构。1.微管3.微丝2.中间纤维一、细胞骨架是以蛋白纤维为主要成分的网络结构内质网核糖体线粒体第一节细胞骨架（cytoskeleton）概述细胞质骨架均由单体蛋白以较弱的非共价键结合在一起，构成纤维型多聚体。Thethreetypesofprotein•二、细胞骨架在细胞的形态维持、运动和•信息传递中具有重要作用•例如：微丝确定细胞表面特征，使细胞能够运动和收缩；微管确定膜性细胞器的位置和作为膜泡运输的导轨；中间纤维使细胞具有张力和抗剪切力。第二节微管Microtubule,MT•微管是Slautlerback和Porter于1963年首次在动物和植物细胞中发现并命名的在胞质中形成网络结构，作为运输路轨并起支撑作用。Afluorescentlystainedimageofculturedepithelialcellsshowingthenucleus(yellow)andmicrotubules(red)（一）微管是由微管蛋白组成的中空小管•微管是由13条原纤维构成的中空管状结构，直径22~25nm。•每一条原纤维由微管蛋白二聚体线性排列而成•微管蛋白二聚体由结构相似的α和β球蛋白构成。•微管蛋白：球形、酸性、450个左右的氨基酸、结合位点1.微管的形态结构与分子组成•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。秋水仙素长春花碱γ-微管蛋白（γ-TuRC）•以25S复合物形式存在于微管组织中心•作用：促进微管核心的形成，使微管的负端稳定γ-微管蛋白环状复合物上的附属蛋白(P75、P109、P133和P195)ABC三联管AB二联管12345678910111213单管2.微管的存在形式•1.微管结合蛋白种类和特点MAP分子至少包含一个碱性微管结合区和一个向外突出的酸性结构域。突出部位伸到微管外与其它细胞组分（如微管束、中间纤维、质膜）结合。•微管结合蛋白：MAP-1；MAP-2；Tau和MAP-4。（二）微管结合蛋白microtubuleassociatedproteinsMAPs2.微管结合蛋白的功能•①促进微管组装；•②增加微管稳定性和强度；•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。•微管具有极性，(+)极生长速度快，(-)极生长速度慢。•(+)极的最外端是β球蛋白，(-)极的最外端是α球蛋白。•微管和微丝一样具有踏车行为。•微管形成的有些结构是比较稳定，是由于微管结合蛋白的作用和酶修饰的原因。如轴突、纤毛、鞭毛。二、微管的自我装配是一种高度有序的生命活动过程•（一）微管的自我装配•三个时期：延迟期（成熟期）聚合期稳定期原纤维二聚体聚合微管（13）1.微管的体外组装1972年Weisenberg首次在小鼠脑组织中分离出微管蛋白+-踏车2.微管的体内组装TheOrientationofMicrotubulesinaCell•⑴微管组织中心（MTOCs，microtubuleorganizingcenter）是微管进行组装的区域，MTOC可以包埋微管的负端暴露微管的正端，如：中心体、动粒、鞭毛和纤毛的基体等。•中心体由两个相互垂直的中心粒和周围是一些无定形物质，叫做中心粒外周物质（PCM）所构成。•中心粒由9组3联微管构成，具有召集PCM的作用。•⑵都具有γ微管球蛋白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，适宜的温度，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。(二)很多因素影响微管组装与解聚•大多数微管处于动态组装和去组装状态（如纺锤体）。•GTP和微管蛋白浓度、适宜的T和PH、Ca+离子浓度、Mg2+离子等。•秋水仙素、长春花碱抑制微管装配。•紫杉酚(醇)能促进微管的装配,并使已形成的微管稳定。•ThefunctionofGTP-tubulincap•GTPhydrolysisisnotrequiredformicrotubuleassembly，WHY？三、微管组装的动态调节模型•MicrotubuledisassemblewhenGDP-tubulinareexposed微管组装的非稳态动力学模型体外实验:微管蛋白二聚体结合2分子GTP，一个GTP分子结合在α-微管蛋白的N位点，它不被水解，与微管蛋白的结构有关；另一个GTP分子结合在β-微管蛋白的E位点，它可被水解，还可以在GDP与GTP间置换。结合GTP的微管蛋白对微管末端的亲和性大，易聚合。NGTP它不被水解，可能与微管蛋白的结构有关。EGTPGDP+PiGTPGDP置换结合GTP的微管蛋白对微管的亲合性大，易聚合。—GTP帽。四、微管的功能•（一）网状支架并维持细胞的形态Afluorescentlystainedimageofculturedepithelialcellsshowingthenucleus(yellow)andmicrotubules(red)•（二）参与细胞内物质运输•是胞内物质运输的路轨。•涉及两大类马达蛋白：驱动蛋白kinesin，动力蛋白dyenin，均需ATP供能。•Kinesin发现于1985年，是由两条轻链和两条重链构成的四聚体，分子量380KD,重链尾部和轻链形成扇形结构与运输小泡结合，两条球形的重链头部能沿微管运动，由微管的（-）极向着微管（+）极运输小泡。•Kinesinwalkalongmicrotubuletowardsplusend•Dynein发现于1963年，因与鞭毛和纤毛的运动有关而得名。•由两条相同的重链和一些种类繁多的轻链以及结合蛋白构成（10万）。•作用：1.在细胞分裂中推动染色体的分离、2.驱动鞭毛的运动，3.向着微管的（-）极运输小泡。•（三）微管维持细胞内细胞器的定位和分布•驱动蛋白与内质网膜-向周边牵拉•动力蛋白与Golgi.C-向近核区牵拉•形成纺锤体在细胞分裂中牵引染色体到达分裂极。•（四）微管与细胞运动关系密切•纤毛与鞭毛是相似的两种细胞外长物。–由基体和鞭杆两部分构成。–基体中的微管为9+0结构–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。鞭毛和纤毛的运动原理：动力蛋白臂的dynein水解ATP作功，使相邻的二联微管相互滑动（P….）。•（五）参与染色体运动，调节细胞分裂；•（六）参与细胞内信号转导。第三节微丝microfilament,MFⅣⅢⅡⅠ•又称肌动蛋白纤维actinfilament，是由一条线性排列的肌动蛋白链形成的螺旋，形状如双线捻成的绳子，直径约7nm。ⅠⅡⅢⅣ结合槽一、微丝的分子结构（microfilament，MF）肌动蛋白单体和多聚体G-肌动蛋白F-肌动蛋白负端正端ADPATPPiATPADP2个结构域，每个结构域有两个部分简化G-肌动蛋白:一条多肽链，（375AA）,43KD、3个结合位点肌动蛋白两种存在形式G-actinF-actin球形单体分子纤维状ATP、Ca2+低[Na+、K+]ATP、Mg2+高[Na+、K+]actin单体外观呈哑铃形，称球形肌动蛋白G-actin；多聚体称为纤维形肌动蛋白F-actin。•根据等电点分为3类：α分布于肌肉细胞；β和γ分布于肌细胞和非肌细胞。•actin在进化上高度保守，酵母和兔子肌肉的肌动蛋白有88%的同源性。•肌动蛋白要经过翻译后修饰，如N-端乙酰化或组氨酸残基的甲基化。二、微丝在多种因素调节下的装配(一)微丝的组装过程：成核、生长、平衡。•条件：ATP、适宜的温度、存在K+和Mg2+离子。•过程：2-3个actin聚集成一个核心（核化）；ATP-actin分子向核心两端加合。微丝具有极性，ATP-actin加到(+)极的速度要比加到(-)极的速度快5-10倍。球形单体分子三聚体+-•溶液中ATP-肌动蛋白的浓度处于临界浓度时，ATP-肌动蛋白在(+)端添加，而从(-)端分离，表现出“踏车”现象。•细胞中大多数微丝结构处于动态的组装和去组装过程中，并通过这种方式实现其功能。Treadmilling•（二）多种因素影响微丝的组装•ATP、适宜的T、存在K+和Mg2+离子、G-actin浓度•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，特异性的抑制微丝功能。•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。+-•（三）两种模型说明微丝组装的动态调节机制•1.溶液中ATP-肌动蛋白的浓度处于临界浓度时，ATP-肌动蛋白在(+)端添加，而从(-)端分离，表现出“踏车”现象；•2.非稳态动力学结构模型。Treadmilling三、微丝结合蛋白•已知的的微丝结合蛋白有100多种，分为以下类型：•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：使微丝去组装，cofilin•6．交联蛋白：fimbrin•7．纤维切断蛋白：将微丝切断，gelsolin•8．膜结合蛋白：vinculin•…….核化蛋白单体聚合蛋白微丝解聚蛋白•1．核化蛋白(Arp)：使游离actin核化，开始组装，•4．单体聚合蛋白(profilin)：将结合的单体安装到纤维，•5．微丝解聚蛋白(cofilin)：使微丝去组装，纤维切断蛋白交联蛋白四、微丝的功能•（一）微丝构成细胞的支架并维持细胞形态细胞皮层（cellcortex）。形成应力纤维（stressfiber）形成微绒毛（microvilli）带状桥粒（bletdesmosome）培养的上皮细胞中的应力纤维（微丝红色、微管绿色）•（二）微丝参与细胞的运动。•（三）微丝参与胞质分裂；•（四）微丝参与受精作用（顶体反应）；•（五）微丝参与细胞内信息传递；(六)、微丝参与肌肉收缩•肌肉由肌原纤维组成，肌原纤维包括粗肌丝和细肌丝，粗肌丝主要成分是肌球蛋白，细肌丝的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）、H区：、I带（明带）、Z线。•肌小节（sarcomere）是相邻两Z线间的单位。–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。•肌球蛋白（myosin）属于马达蛋白，趋向微丝的（+）极。已知15类（myosinI-XV）。•MyosinII构成粗肌丝。由2个重链和4个轻链组成，外观具有两个球形的头和一个螺旋化的干，头部有ATP酶活性。MyosinIIstructure•Twoheavychains,twoesse