分子细胞生物学细胞骨架2

YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiology第八章细胞骨架云南农业大学动物科技学院2003.9-2010.9李莲军博士YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiology第二节细胞质骨架第一节细胞质溶质(溶胶)第三节微丝第四节微管第五节中间纤维YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiology第四节微管YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiology微管(microtubule)是由微管蛋白和微管结合蛋白组成的管状结构，在胞质中形成网状，主要参与细胞形态的维持、细胞运动、胞内物质运输、细胞分裂和细胞分化等重要活动。微管对低温、高压和秋水仙素敏感。YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiology微管是由微管蛋白二聚体装配成的中空的长管状细胞器，平均外径为24nm，内径15nm，微管壁由13根原纤维排列构成。微管长度不等，在细胞内呈网状或束状分布。微管可装配成单管，二联管及三联管，并能与其他蛋白共同装配成纺锤体、基粒、中心粒、鞭毛、纤毛、轴突、神经管等亚细胞结构。一、微管的形态结构YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiology二、微管的化学组成微管是由α微管蛋白(α-tubulin)和β微管蛋白(β-tubulin)以及少量微管结合蛋白所组成。微管附属结构主要由微管相关蛋白组成，具有稳定微管结构和特殊排列，构成微管间及微管与其它细胞结构的连接，产生动力等功能。YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiology三、分子结构微管是由13条原纤维(protofilament)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。二聚体由结构相似的α和β球蛋白构成，两种亚基均可结合GTP，α球蛋白结合的GTP从不发生水解或交换，β球蛋白结合的GTP可发生水解，结合的GDP可交换为GTP。YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiologyα-tubulin含450AA，β-tubulin含455AA，每一种蛋白的分子量约为50kD，α和β-tubulin均含酸性C端序列。α和β-tubulin形成异二聚体，是微管装配的基本单位。微管蛋白二聚体含有鸟嘌呤核苷酸的两个结合位点，二价阳离子亦能结合于微管蛋白二聚体上。此外，微管蛋白二聚体上具有一个秋水仙素结合位点，一个长春花碱结合位点。YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiology微管纤维YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiology四、微管的特性在合适的条件下，微管能进行自我装配，其装配受到微管蛋白浓度、pH值和温度的影响。1、自我装配YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiology2、微管组织中心微管的装配总是先由一定的区域开始的，该区域即微管组织中心(microtubuleorganizingcenter,MTOC)着丝粒、中心体、基体均有微管组织中心的功能。微管组织中心都具有γ-tubulin。γ-tubulin分子量也是50KD，其含量不足微管蛋白总量的1％。γ-tubulin帮助α和β-tubulin成核并聚合为微管纤维。微管组织中心除启动微管组装外，还决定微管的极性。微管负极一般与微管组织中心相联。YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiologyα和β异二聚体均按一定的方向排列，使微管具有极性，即微管两端在结构上不相同。(+)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。3、微管的极性微管形成的有些结构比较稳定，如神经细胞轴突、纤毛和鞭毛中的微管纤维，是由于微管结合蛋白的作用和酶修饰的原因。大多数微管纤维处于动态的组装和去组装状态，这是实现其功能所必需的过程(如纺锤体)。4、微管的稳定性YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiologyα微管蛋白和β微管蛋白形成异二聚体。异二聚体形成较短的原纤维，然后在原纤维的两端和侧面增加新的异二聚体而扩展为具有一定长度的片状带，当片状带加宽至13根原纤维时，合拢形成一段微管。新的二聚体再不断加到微管的两端使之继续延长，最终微管蛋白与微管达到平衡。1、体外微管装配五、微管的组装YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiologyαβ异二聚体聚合方式为αβ→αβ→αβ，即头→尾方向。微管中这种亚单位排列即构成微管的极性，所有的微管都有确定的极性。微管的两个末端在结构上不等同，这是非常重要的结构特征。装配快的一端为(＋)极，另一端为(－)极。微管蛋白加上或释放主要发生于(＋)极，微管的延长主要依靠在(＋)极装配结合有GTP的微管蛋白，它和微管末端有较大的亲和性。微管的缩短是由于GTP微管的GTP水解为GDP，而结合GDP的微管蛋白对微管末端的亲和性小，易从末端解聚。YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiology在一定条件下，微管一端发生装配使微管延长，而另一端发生去装配而使微管缩短，实际上是微管正极的装配速度快于微管负极的装配速度，这种现象称为踏车现象。YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiology2、体内微管装配细胞内的微管蛋白的合成与其它生物大分子合成一样，是细胞根据自身生理功能的需要进行自我调节的。微管蛋白单体可通过结合于合成微管蛋白的核糖体上，造成微管蛋白mRNA降解，从而调节细胞内微管蛋白亚单位库和微管的平衡。YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiology微管在体内的装配和去装配在时间和空间上是高度有序的。在时间上，随细胞周期时相的变化而变化，在特定的时期通过微管的装配和去装配，出现特殊的细胞结构。在空间上，表现为微管的装配发生在细胞、细胞器或细胞结构的一定空间部位。如：有丝分裂器的形成首先是在中心体形成星体微管、极微管，然后和染色体着丝点相连形成牵引微管。YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiology单管：由13根原纤维组成，是细胞质中常见的形式，其结构不稳定，易受环境因素影响而降解。二联管：由A，B两根单管组成，A管由13根原纤维，B管有10根原纤维，与A管共用3根原纤维，主要分布于纤毛、鞭毛内。三联管：由A，B，C三根单管组成，A管有13根原纤维，B、C各有10根原纤维，主要分布于中心粒及鞭毛和纤毛的基体中。3、微管在细胞中的存在形式YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiology六、微管结合蛋白与微管相结合的辅助蛋白称微管结合蛋白(microtubuleassociatedproteinsMAPs)。微管结合蛋白包括I型和II型两大类，I型对热敏感，如MAP1a、MAP1b，主要存在于神经细胞。II型热稳定性高，包括MAP2a、b、c，MAP4和tau蛋白。其中MAP2只存在于神经细胞，MAP2a的含量减少影响树突的生长。YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiology①促进微管聚集成束②增加微管稳定性或强度③促进微管组装微管结合蛋白主要功能YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiology抑制微管组装：秋水仙素(colchicine)结合的微管蛋白可加合到微管上，但阻止其他微管蛋白单体继续添加，长春花碱具有类似的功能。稳定微管：紫杉酚/紫杉醇(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。以上药物均可以阻止细胞分裂，及用于癌症的治疗。七、微管的特异性药物YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiology八、微管的功能1、维持细胞形态2、细胞器定位3、细胞内物质运输4、形成中心体及纺锤体5、形成纤毛和鞭毛YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiology九、微管形成的细胞器1、中心体2、有丝分裂器3、鞭毛和纤毛微管可装配成单管(有丝分裂器),二联管(纤毛和鞭毛中),三联管(中心粒和基体中)。YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiology中心体(centrosome)常位于间期细胞核一侧的胞质中。中心体包含一对相互垂直的中心粒(centriole)及其周围的中心粒周物质(PCM，pericentriolarmaterial)。中心粒是一个短小的中空圆柱体，直径0.2μm，长0.4μm，壁由9组3联微管构成。中心粒周物质约由100多种蛋白质组成，其精确成分至今尚不清楚。1、中心体YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiology中心体组成蛋白可分为三类：★中心体长驻蛋白，如α/β/γ/δ/ε微管蛋白，中心体蛋白centrin，中心粒周蛋白(pericentrin)等；★中心体过客蛋白，它们只在M期才定位于中心体，如POPA，NuMa等：★中心体调节蛋白，如CDK2、cyclinB1、cyclinA等。中心体的组成蛋白YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiology在动物细胞中，中心粒随细胞周期完成其本身的发育周期。G1晚期，两个中心粒稍微分开。S期，在每个母中心粒旁与其垂直的方向复制出一个子中心粒，子中心粒不断延长。在G2期，中心体内含有两对中心粒。在M早期，中心体分成两部分，各自形成1个中心体，并从其周围发出微管形成星状体，星状体不断向两极移动，形成纺锤体的两极。经过M期，每个子细胞的中心体各获得一对中心粒。中心体周期(centrosomecycle)YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiology中心粒的复制有丝分裂之后，很快原中心粒(procentriole)变成与亲本中心粒垂直。原中心粒与成熟的亲本中心粒有相同的结构，但其长度仅为亲本中心粒一半。在随后的细胞间期，被延伸到整个长度。原中心粒在下一次有丝分裂中不起作用，但当将要被分配到子细胞中时，它成为亲本中心粒。有丝分裂中，亲本中心粒在两极的定位负责建立纺锤体方向。YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiology中心粒如何复制？原中心粒与亲本中心粒近似的精确结构表明涉及一些类型模板功能。没有发现亲本中心粒的自我复制或分裂，但它可以提供一些成核的结构，微管蛋白质二聚体集合到这些结构上延伸原中心粒。没有预先存在的中心粒，中心粒能否被装配?与中心粒复制的相关问题YunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiology有丝分裂中中心粒的功能还不清楚。中心粒不直接参与微管的形成。