细胞生物学-细胞骨架

细胞骨架是细胞内以蛋白质纤维为主要成分的网络结构,
由主要的三类蛋白纤维构成，包括微管、肌动蛋白纤维和中 间纤维。
1
广义的细胞骨架还包括核骨架、核纤层和细胞外基质，形成
贯穿于细胞核、细胞质、细胞外的一体化网络结构。
胞质骨架 cytoskeleton
微丝(microfilament) 微管(microtubule) 中间纤维(intermediate filament)
19
封端蛋白
单体隐蔽蛋白
交联蛋白
膜结合蛋白
微丝解聚蛋白
微丝结合蛋白功能示意图
20
微丝特异性药物
细胞松弛素:它是真菌分 泌的生物碱。在细胞内 同微丝的正端结合, 并 引起微丝解聚，阻断亚 基的进一步聚合。
21
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。
细胞骨架 cell skeleton
细胞核骨架(nuclear skeleton) 细胞膜骨架(membrane skeleton)
细胞外骨架(exocytoskeleton)
2
3
细胞骨架在细胞中的分布
肌动蛋白纤维主要分布在细胞质膜的内侧。 微管主要分布在核周围, 并呈放射状向胞质四周扩散。 中间纤维则分布在整个细胞中。
22
四、微丝的功能
1 维持细胞形态，赋予质膜机械强度
23
2 形成微绒毛(microvilli)
微绒毛是一些动物细胞表面的指状突起，由几十个成束平行 排列的肌动蛋白纤维支持并定向。微绒毛中肌动蛋白纤维的 排列方向相同，(+)端指向微绒毛的尖端。
24
Freeze-etch electron micrograph of an intestinal epithelial cell, showing the terminal web beneath the apical plasma membrane. Bundles of actin filaments formiBaidu Nhomakorabeag the core of microvilli extend into the terminal web, where they are linked together by a complex set of cytoskeletal proteins that includes spectrin and myosin-II. Beneath the terminal web is a layer of intermedia2t5e filaments. (From N. Hirokawa et al., J. Cell Biol. 91:399-409)
肌动蛋白以单体和多聚体两种形式存在。单体的肌动蛋 白是由一条多肽链构成的球形分子, 又称球状肌动蛋白 (globular actin, G-actin),肌动蛋白的多聚体形成肌动蛋白丝, 称为纤维状肌动蛋白(fibros actin, F-actin)。
8
9
肌动蛋白单体具有极性，装配时呈头尾相接, 故微丝具有极
原肌球蛋白, Tm
长杆状的分子
调节微丝同肌球蛋白 的头部结合
肌钙蛋白,Tn
复合物，可同Ca2+结合
控制原肌球蛋白在微丝 上的位置
43
Ca2+离子对肌收缩的调节作用
当Ca2+离子很低时, 肌动蛋白上与肌球蛋白结合的位点被原 肌球蛋白占据, Ca2+离子浓度高时,同肌钙蛋白肌钙蛋白Tn-C 亚基的结合, 改变原肌球蛋白在肌动蛋白纤维中的结合部位, 暴露出与肌球蛋白结合的位点。
44
肌肉收缩的原理——滑动丝模型
肌肉的收缩是由于粗肌丝（肌球蛋白）与细肌丝之间相互滑动的 结果，粗肌丝上伸出的横桥与相邻细肌丝连接，在肌细胞收缩时横桥 可推动肌动蛋白（细丝）与粗丝（肌球蛋白）的滑行。
45
46
兴奋收缩偶联过程
47
由ATP同肌球蛋白头部 的ATP结合位点结合， 并通过ATP的水解提供 能量，以及肌球蛋白头 部构型的变化，引起粗 肌丝与细肌丝间的滑动， 产生肌肉的收缩。
14
微丝的动态平衡
细胞中微丝参与形成的结构除肌原纤维、微绒毛等属于 稳定结构外，其他微丝结构大都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。
15
16
二、微丝结合蛋白
纯化的肌动蛋白在体外能够聚合形成肌动蛋白纤维，但是 这种纤维不具有相互作用的能力，也不能行使某种功能, 原因 是缺少微丝结合蛋白。至少已分离出100多种，分为以下类型：
28
29
6 形成应力纤维（stress fiber）
应力纤维是由微丝与肌球蛋白-II组装的一种不稳定性收 缩束，结构类似肌原纤维，使细胞具有抗剪切力。
30
培养的上皮细胞中的应力纤维（微丝红色、微管绿色）
31
7 参与肌肉收缩
基本结构:肌纤维是圆柱形的肌细胞(长度可达40mm, 宽为10100μm), 并且含有许多核(可多达100个核)。
48
32
33
骨骼肌收缩的基本结构单位——肌小节
肌小节的主要成分是肌原纤维，电镜下可见肌原纤维是由两种 类型的长纤维构成, 一种是细肌丝，直径为6nm；另一种是粗 肌丝，直径为15nm。
34
粗肌丝: 组成肌节的肌球蛋白丝。 细肌丝: 组成肌节的肌动蛋白丝。
35
粗肌丝的构成---肌球蛋白（myosin）
5
微丝的存在方式与分布
肌动蛋白纤维在细胞中通常成束存在，广泛存在于肌肉细 胞和非肌细胞中。
（a）微绒毛；
(b)细胞质中的收缩束； （c）运动细胞前缘的鞘和指；
(d)细胞分裂时的收缩环。
6
微丝广泛存在于肌细胞中, 在横纹肌和心肌细胞中肌动蛋白 成束排列组成肌原纤维, 具有收缩功能。
7
微丝的结构单位：肌动蛋白
40
在肌节中除了上述的蛋白成分外,还有两种重要的蛋白:肌联蛋 白和伴肌动蛋白
41
肌钙蛋白（troponin,Tn）
肌钙蛋白由3个多肽，即肌钙蛋白T(Tn-T) 、肌钙蛋白I(Tn-I) 、 肌钙蛋白C(Tn-C)组成的复合物。Tn-T是一种长形的纤维状分 子, Tn-I和Tn-C都是球形分子。
42
•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。
4
一、微丝 Microfilament, MF
又称肌动蛋白纤维(actin filament), 是指真核细胞中由 肌动蛋白(actin)组成、直径为7-9nm的骨架纤维。
Myosin II是构成肌纤维的主要成分之一,由两个重链和4个轻链 组成，重链形成一个双股α 螺旋，一半呈杆状，另一半与轻链 一起折叠成两个球形区域，位于分子一端，球形的头部具有ATP 酶活性.
36
肌球蛋白Ⅱ能够通过杆状尾部聚合在一起，形成寡聚的
肌球蛋白纤维，头部位于两端，中间有一个裸露的带, 这种 结构参与肌肉收缩。
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，Cap Z 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
17
Contractile bundle mediated by -actinin
交联蛋白：fimbrin横向连接相邻 微丝，形成三维网络
18
Gel-like network
Filamin细丝蛋白cross-links actin filaments into a three-dimensional network with the physical properties of a gel. Loss of filamin causes abnormal cell motility
37
细肌丝:主要成分是肌动蛋白，并辅以原肌球蛋白和肌钙蛋
白，组成肌动蛋白丝。 肌钙蛋白
肌动蛋白
38
原肌球蛋白（tropomyosin.Tm）
原肌球蛋白是由两条平行的多肽链扭成螺旋，每 个Tm的长度相当于7个肌动蛋白，呈长杆状。
39
细肌丝的两端分别与两个不同的肌动蛋白加帽蛋白结合, 一 个是CapZ蛋白, 另一个是原肌球调节蛋白(tropomodulin)
性，既正极与负极之别。
微丝纤维的负染电镜照片
10
三、微丝的装配过程
微丝(F-actin)由G-actin聚合而成，单体具有极性，装配时 首尾相接。在适宜的条件下，肌动蛋白单体可自组装为纤维。 微丝的组装过程分三个步骤：即成核期、延长期、平衡期。
11
影响装配的因素
微丝的装配同样受肌动蛋白临界浓度的影响，还受一些 离子浓度的影响：在含有ATP和Mg2+, 以及很低的Na+、K+ 等阳离子的溶液中,微丝趋向于解聚成G-肌动蛋白。
12
踏车现象(treadmilling)
在微丝装配时,若G-肌动蛋白分子添加到F-肌动蛋白丝 上的速率正好等于G-肌动蛋白分子从F-肌动蛋白上失去的速 率时, 微丝净长度没有改变, 这种过程称为肌动蛋白的踏车 现象.
13
永久性微丝结构
在体内, 有些微丝是永久性结构, 如肌肉中的细丝及上皮 细胞微绒毛中的轴心微丝等。有些微丝是暂时性结构, 如 胞质分裂环中的微丝。
3 参与细胞内运输作用
26
4 参与细胞的运动
细胞整体的移动和位置改变主要是在微丝的作用下完成的，如 变形虫、巨噬细胞和白细胞以及器官发生时的胚胎细胞等。
27
5 参与细胞分裂
在有丝分裂的末期，细胞膜沿赤道面向内收缩，这一过 程主要是在由大量反向平行 排列的微丝组成收缩环的作 用下完成的。其收缩机制是 肌动蛋白和肌球蛋白相对滑 动。