第10章细胞骨架

翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）第10章细胞骨架上皮细胞（红色：微丝；绿色：微管）细胞骨架(cytoskeleton):是指真核细胞中由微管、微丝和中间纤维等蛋白质成分构成的一个复合的网架系统。作用：•维持细胞一定的形状•网络各游离的细胞器•与细胞的运动有关•细胞骨架由以下组分构成–微丝（microfilament）–微管（microtubule）–中间纤维（intemediatefilament）•广义的细胞骨架还包括–核骨架（nucleoskeleton）–核纤层（nuclearlamina）–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。微丝，又叫肌动蛋白纤维，是由肌动蛋白构成的两股螺旋形成的细丝，普遍存在于真核细胞中微管，是由微管蛋白单体构成的基本组件形成的中空的管状结构。普遍存在于真核细胞中中间纤维，又叫中间丝，粗细位于微丝和肌球蛋白粗丝之间，普遍存在于真核细胞中，是三种骨架系统中结构最为复杂的一种微丝与细胞运动微丝与细胞运动微管及其功能中间纤维细胞骨架与疾病本章主要内容第一节微丝与细胞运动•微丝（microfilament,MF）•肌动蛋白丝（actinfilament）•纤维状肌动蛋白（fibrousactin,F-actin）•直径7nm•存在于所有真核细胞中•微丝结合蛋白（microfilamentbindingprotein）Neuronalgrowthconephotos©Schaefer,Kabir,andForscher,2002.OriginallypublishedinTheJournalofCellBiology,158:139-152.一、微丝的组成及其组装（一）结构与成分•肌动蛋白（actin）–球状G-actin–纤维状F-actin•裂缝/极性•ATP/ADP结合位点•二价阳离子（Mg2+或Ca2+）结合位点负极正极（一）结构与成分•直径约7nm扭链•肌动蛋白单体组装•右手螺旋•极性–具有裂缝的一端为负极，相反一端为正极微丝是由G-actin单体构成的螺旋状纤维，肌动蛋白单体具有极性，装配时头尾相接,故微丝也具有极性，结合ATP的一端为负极，另一端为正极。在装配过程中，正极装配较负极快5～10倍。•一定的盐浓度（主要是Mg2+），一定的G-actin浓度，ATP，pH7.0。1条件G-actinF-actinMg2+、高Na+、高K+Ca2+、低Na+、低K+（二）微丝的组装及其动力学特性2过程延长期(Elongationphase)–正端快，为负端的10倍。成核期(Nucleationphase)–限速过程，又称延迟期。二聚体（不稳定）三聚体（核心形成）平衡期(Equilibriumphase)–聚合速度=解聚速度。踏车行为（treadmilling）•在体外组装过程中，微丝正极由于肌动蛋白亚基不断添加而延长，负极由于肌动蛋白亚基去组装而缩短的现象由G-actin单体的临界浓度决定正极的肌动蛋白聚合速率等于负极的解聚速率时，踏车现象出现•微丝的任何一端都可以以添加肌动蛋白单体的方式增长，不过由于极性，两端的速度不同，速度快的一端为正端，速度慢的一端为负端，表现为踏车现象。•当到达平衡期，肌动蛋白分子添加到肌动蛋白丝上的速度正好等于肌动蛋白分子从肌动蛋白上失去的速度，微丝的净长度没有改变，这种过程称为微丝的踏车行为。动物细胞中主要的肌动蛋白结合蛋白及功能类型功能调节蛋白1.原肌球蛋白与肌动蛋白相连，调节肌动蛋白与肌球蛋白的结合。2.钙调蛋白与Ca2+结合，活化肌球蛋白轻链激酶连接蛋白1.α-辅肌动蛋白参与微丝与质膜的结合2.纽带蛋白肌动蛋白纤维端点与细胞膜之间结合的中介交联蛋白1.毛缘蛋白使纤维状多聚体肌动蛋白平行连接成束2.细丝蛋白与F-actin结合，使之形成三维网状结构3.血影蛋白与锚蛋白结合，并与肌动蛋白交联4.锚定蛋白血影蛋白与膜上的带III蛋白相连的中介间隔蛋白抑制蛋白结合于G-actin单体，可逆性抑制微丝聚合切断和封端蛋白1.凝溶胶蛋白和绒毛蛋白低Ca2+促进微丝装配成核心，高Ca2+将微丝切成片段2.封端蛋白结合于微丝(+)端，阻止G-actin加上或脱落微丝的动态变化与细胞生理功能变化相适应微绒毛应力纤维伪足收缩环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（三）影响微丝组装的特异性药物•细胞松弛素（cytochalasin）–与微丝结合后将微丝切断，并结合在微丝末端阻抑肌动蛋白在该部位的聚合，但对微丝解聚没有明显影响–破坏微丝网络结构，并阻止细胞的运动•鬼笔环肽（phalloidin）–与微丝表面有强亲和力，不与肌动蛋白单体结合–阻止微丝的解聚，使其保持稳定状态二、微丝的生物学功能3.细胞运动4.参与细胞分裂2.维持细胞形态1.肌肉收缩1肌肉收缩肌肉细胞利用肌动蛋白和肌球蛋白产生有力的单向运动。肌肉可以看作是一种特定的富含细胞骨架的高效能量转换装置。化学能转变为机械能p203肌球蛋白(myosin)目前已知的唯一沿肌动蛋白进行运动的马达蛋白为细胞内组分的运动提供动力，使它们能够沿着肌动蛋白纤维和微管朝向两极运动。目前已鉴定的马达蛋白多达数十种。根据其结合的骨架纤维以及运动方向和携带的转运物不同而分为不同类型。马达蛋白Motorproteinsp201肌球蛋白：依赖于微丝的分子马达•马达蛋白(motorprotein)可以分为3类–沿微丝运动的肌球蛋白（myosin）–沿微管运动的驱动蛋白（kinesin）–沿微管运动的动力蛋白（dynein）•能量转换：利用水解ATP所提供能量有规则地沿微管或微丝等细胞骨架纤维运动粗肌丝肌球蛋白(myosin)•形态：由轻链和重链组成。豆芽状：两个椭圆形的头部，一根长杆状的尾–头部：ATP酶活性位点,actin结合位点；–尾部：由两条重链相互盘绕形成一个双股螺旋肌球蛋白的结构•3个功能结构域–马达结构域：负责将ATP水解所释放的化学能转变成机械能–调控结构域：轻链的结合部位，发挥杠杆作用–尾部结构域：选择性与所运输的“货物”结合肌动蛋白（actin）提供动力原肌球蛋白（tropomyosin）肌钙蛋白（troponin）细肌丝调控肌肉的组成•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：肌动蛋白（actin）提供动力原肌球蛋白（tropomyosin）肌钙蛋白（troponin）细肌丝调控肌纤维TEM照片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。Sarcomere肌小节模式图肌肉收缩(musclecontraction)肌肉可看作一种特别富含细胞骨架的效力非常高的能量转换器，它直接将化学能转变为机械能。•肌细胞在进化的过程中形成了一种高度特化的的功能:肌收缩(musclecontraction)。在肌细胞中,肌动蛋白和肌球蛋白联合形成一种复合物:称为肌动球蛋白(actomyosin),一种高度有序的结构,并能高效地工作。•■肌球蛋白(myosin)∶肌动蛋白纤维的分子发动机•肌球蛋白是一种分子发动机（属于马达蛋白），肌动蛋白纤维是肌球蛋白运行的轨道。肌球蛋白也是ATPase,通过ATP的水解导致构型的变化从而在肌动蛋白丝上移动。•●肌球蛋白的类型•最早发现于肌肉组织(myosinII)，目前已知的有15种类型（myosinI-XV）。已鉴定了三种主要类型肌球蛋白:肌球蛋白Ⅰ、肌球蛋白Ⅱ和肌球蛋白Ⅴ。Myosin:TheactinmotorporteinATPaseBindingsitesMyosinII--DimerMainlyinmusclecellsThickfilamemts三种类型的肌球蛋白的结构比较肌球蛋白的功能（a）运输小泡；(b)运输微丝。•●原肌球蛋白(tropomyosin,Tm)•原肌球蛋白是细肌丝中肌动蛋白的结合蛋白，由两条平行的多肽链组成α螺旋构型，每条原肌球蛋白首尾相接形成一条连续的链同肌动蛋白细肌丝结合,正好位于双螺旋的沟中。每一条原肌球蛋白有7个肌动蛋白结合位点，因此Tm同肌动蛋白细肌丝中7个肌动蛋白亚基结合。主要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。●肌钙蛋白(troponin.Tn)•肌钙蛋白分子量80KD，由3个多肽。Tn-T是一种长形的纤维状分子,Tn-I和Tn-C都是球形分子。•肌钙蛋白C特异地与钙结合，肌钙蛋白T与原肌球蛋白有高度亲和力，肌钙蛋白I抑制肌球蛋白的ATP酶活性，原肌球蛋白及其结合蛋白a)原肌球蛋白的螺旋结构;(b)原肌球蛋白的序列特征,C是保守区,V是可变区,不同来源的原肌球蛋白的V区序列可能不同;非肌细胞中的原肌球蛋白的长度要短些,但保守区的组成相同;(c)原肌球蛋白、肌钙蛋白和肌动蛋白的结合关系。•（四）骨骼肌的收缩机理•滑行学说的提出：根据骨骼肌的微细结构的形态特点以及它们在肌肉收缩时的改变，Huxley等在50年代初就提出了用肌小节中粗、细肌丝的相互滑行来说明肌肉收缩的机制，被称为滑行学说（slidingtheroy)。肌收缩时肌节的收缩(a)肌收缩时肌节长度变化及肌节结构差异示意图。在肌收缩时,肌球蛋白的交联桥(cross-bridge)与周围的细肌丝接触,细肌丝被推动滑向肌节的中心。(b)肌收缩时的电子显微镜照片。（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（微丝的负极），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。•如此循环由神经冲动诱发的肌肉收缩基本过程1.动作电位的产生2.Ca2+的释放3.原肌球蛋白位移4.细肌丝（肌动蛋白丝）与（粗肌丝）肌球蛋白丝的相对滑动5.Ca2+的回收P205微丝ThecouplingofATPhydrolysistomovementofmyosinalonganactinfilament.肌肉收缩的滑动模型P205图10-182维持细胞形态细胞皮层（cellcortex）细胞膜下由微丝和各种微丝结合蛋白交错排列组成的网状结构。具有很高的动态性，为细胞膜提供强度和韧度，维持细胞的形态。p199细胞内大部分微丝都集中在紧贴细胞质膜的细胞质区域，并由微丝交联蛋白交联成凝胶态三维网络结构，该区域通常称为细胞皮层.皮层内密布的微丝网络可以为细胞质膜提供强度和韧性，有助于维持细胞形状，细胞的多种运动，如胞质环流、阿米巴运动、变皱膜运动、吞噬（以及膜蛋白的定位等。应力纤维(Stressfiber)体外培养的细胞在基质表面铺展时，常在细胞质膜的特定区域与基质之间形成紧密黏附的黏着斑。在紧贴黏着斑的细胞质膜内侧有大量成束状排列的微丝，这种微丝束称为应力纤维（stressfiber）；应力纤维通过黏着斑与细胞外基质相连，可能在细胞形态发生、细胞分化和组织建成等方面发挥作用。p199Actinstressfibers(red)terminateinfocaladhesions(green).Nucleiareinblue微绒毛在小肠上皮细胞的游离面存在大量的微绒毛(microvilli)，其轴心是一束平行排列的微丝，微丝束正极指向微绒毛的顶端，其下端终止于端网结构.微丝束对微绒毛的形态起支撑作用。由于微丝束内不含肌球蛋白、原肌球蛋白和α-辅肌动蛋白，因而该微丝束无收缩功能。变形运动(amoiboidmotion)细胞迁移(migration)细胞的吞噬运动(phagocytosis)精子与卵子细胞融合时的顶体运