【细胞生物学】细胞骨架和细胞运动
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32
分子发动机
轨道：微管或微丝； 运输工具：肌球蛋白、驱动蛋白和动力蛋白家族； 货物：小泡、线粒体、溶酶体等 33
分子发动机的类型 ◆ Motor proteins can be grouped into three broad families:
●肌球蛋白(myosins)家族
To move along microfilaments.
◆细胞松弛素B(cytochalasins B)
◆鬼笔环肽(phalloidin)
微丝的动态平衡
？
10.3.3 Actin-binding proteins
微丝结合蛋白的类型 ◆单体隔离蛋白 (monomer-sequestering protein) ◆加帽蛋白(capping protein) ◆交联蛋白(cross-linking protein) ◆纤维割断蛋白(filament-severing protein) ◆膜结合蛋白(membrane-binding Protein)
组成纤毛和鞭毛的轴丝(axoneme)
◆轴丝的微管结构:9+2 ●外围:质膜包裹 ●外周 :9 组双联管 ,A 管 与 B管 ●中央:中央鞘包裹一对 微管 ◆双联管的结构特点 ● A 管 : 完全微管、内外 动力臂、 放射辐条 ●B管:不完全微管
纤毛的基体结构
◆轴丝微管组成与排列特点
●9组三联管:基体(basal body)
◆由长的、似杆状的纤维蛋白亚基装配而成 ◆结构相对较为稳定 ◆不同组织由不同的亚基组成，如角蛋白（表皮） 波形蛋白 （成纤维）
和神经丝蛋
白（神经元）
中间纤维的装配
中间纤维结合蛋白（IFPA）
◆IFPAs能够将中间纤维相互交联成束
◆Plectin(网蛋白)的交联作用
中间纤维的功能
◆给细胞提供机械强度 ◆参与细胞连接
●驱动蛋白(kinesins)家族 To move along microtubules ●动力蛋白(dyneins)家族 To move along microtubules
34
分子发动机移动的主要特点
◆运输的单向性 ●驱动蛋白:从(-)端向(+)端的运输
●动力蛋白:从(+)端向(-)端运输
◆消耗ATP作为其能量 ◆经历一系列构象的改变，来实现逐步的运输
24
管 装 配 中 的 作 用
γ微管蛋白的作用
25
影响微管装配的因素
◆造成微管不稳定性的因素很多，包括GTP 浓度、 Ca2+ 、 Mg2+ 压力、温度 ( 最适温度 37℃) 、 pH( 最适 pH=6.9) 、微管蛋白临界
浓度(critical concentration)。
◆药物：秋水仙素与紫杉醇
35
改变构象逐步行进
36
驱动蛋白
37
动力蛋白
38
微管的功能
支架作用 细胞内物质运输的轨道
◆轴突运输(axonal transport)
◆鱼的色素细胞(fish pigment cells) 构成鞭毛和纤毛 形成纺锤体
作 为 色 素 颗 粒 运 输 轨 道
40
微管介导的物质运输
41
肌动蛋白(actin)
微管的聚合和解聚
肌动蛋白纤维装配 ◆ 微 管 蛋 白 是 GTPase ， 肌 动 蛋 白 是 ATPase ， ATP 在微丝组装过程中发挥 着类似的作用 ◆装配过程
●成核(nucleation) ●延伸(elongation) ●稳定状态(steady state)
Microfilament Assembly
12
微管的结构 ◆微管是由α和β微管蛋白异源二聚体为 基本构件,螺旋盘绕形成微管的壁
◆在每根微管中二聚体头尾相接, 形
成细长的原纤维(protofilament)
◆13条原纤维纵向排列组成微管的壁
13
微管蛋白(tubulin)
◆微管蛋白类型： ◆α和β微管蛋白形成长度为8nm的异源二聚体 ◆每一个微管蛋白二聚体有两个GTP结合位点
●α亚基为不可逆的GTP结合位点
●β亚基GTP结合点是可交换位点(exchangeable site)。 ◆γ-微管蛋白的功能是帮助αβ微管的聚合。
14
微 管 蛋 白
15
微管的类型
◆根据组成: ●分为单管、双联管、三联管 ◆根据稳定性: ●短寿的不稳定微管和长寿的稳定微管
16
微管装配的动力学
●9组双联管:近基体
●9+2:轴丝 ●单管:纤毛顶部
微管滑动模型
45
10.3 Microfilament
◆又称肌动蛋白纤维(actin filament)
◆直径8nm，由球状肌动蛋白组成。
形态结构和装配
微丝的形态结构
◆F-actin（纤维状肌动蛋白）: ●F-肌动蛋白呈双股螺旋状,直径为8nm 螺旋间的距离为37nm。 ◆G-actin（结构单位）三个结合位点: ●高度保守的基因编码 ●一个ATP结合位点 ●两个结合蛋白的结合位点
◆维持细胞核的形态
细胞内的中间纤维
IFs参与细胞连接
角蛋白
中间纤维稳定肌节的结构 骨架蛋白
同型蛋
桥粒蛋白
18
中心体与基体中的组织中心
19
神经细胞中微管的方向
20
Assembly of microtubules ◆微管的装配 ●成核 ●延伸 体内装配过程： ◆ αβ二聚体形成原纤维 ◆片状结构的形成 ◆合拢形成微管 ◆GTP帽(GTP Cap)
21
微管的装配
22
微管装配与GTP帽
23
γ微 管 蛋 白 在 微
26
影响微管稳定的因素
27
紫杉醇和红豆杉
28
微管的动力学
游离微管蛋白的浓度和GTP水解的速度？ 微管装配的动力学现象 ◆踏车现象(treadmilling)
又称轮回现象, 是微管组装后处于动态平衡的一 种现象。
◆动态不稳定性(dynamic instability) 微管随反应体系中结合 GTP的游离αβ二聚体的浓 度变化而发生的生长状态和缩短状态的转变。
微管组织中心(MTOC)
胞质中决定微管生理状态或实验处理解聚后重新装 配的结构 ◆中心体(Centrosome): 与纺锤体的形成密切相关
◆中心粒(Centriole)
◆中心粒旁基质
◆基体(basal body): 纤毛和鞭毛的组织中心
微管的极性
◆装配的方向性
◆生长速度的快慢
17
MTOC与微管的发生
微丝结合蛋白
膜 结 合 蛋 白
踝蛋白
微丝切断蛋白
微丝发动机蛋白:肌球蛋白(myosin)
◆肌球蛋白的结构 由一个重链和几个轻链组成，并组成三个结构域∶ ●头部：含有与肌动蛋白、 ATP 结合的位点，负责产 生力。
●颈部：颈部通过同钙调素或类似钙调素的调节轻链 亚基的结合来调节头部的活性。
●尾部：含有
5
支架作用
6
在 细 胞 中 的 运 输 作 用
细胞 骨架 介导 细胞 运动
8
mRNA定向
9
粘 着 斑 和 桥 粒
有丝分裂器
11
10.2 微管Microtubule
微管的形态
◆中空管状结构 ◆内径14nm,外径24nm－26nm ◆微管的长度变化不定
◆组装成纺锤体、基体、中心粒、鞭毛等
◆参与细胞的连接（黏着带，黏着斑） ◆细胞内运输作用 ◆胞质环流(cytoplasmic streaming) ◆细胞爬行(cell crawling) ●单细胞爬行:amoeboid motion ●多细胞的爬行
粘着斑
微丝在细胞中的运输作用
?
胞质环流
微 丝 与 胞 质 环 流
细 胞 爬 行
29
踏 车 行 为
30
微 管 动 态 不 稳 定 性
31
分子发动机（Molecular motor）
◆微管结合蛋白（ MAP ）：与微管蛋白特 异性结合的蛋白质。 ◆使微管交联成束、促进微管聚合、提供 微管稳定性。
◆分子发动机（Motor proteins）：将化学 能（ATP）转化为机械能，并用来在胞内 运送物质的一类蛋白质。
细胞骨架和细胞运动
cell cytoskeleton and cell motility
1
OUTLINE
ANIZATION AND FUNCTIONS OF THE CYTOSKELETON 细胞骨架
2.MICROTUBULES 微管
3.MICROFILAMENTS 微丝 4.INTERMEDIATE FILAMENTS 中间纤维
模型。
Ca2+在肌收缩中的作用
◆Ca2+释放
●运动神经信号引起肌细胞膜电位去极化
●T管(transverse tubules,T tubules) ●运动神经信号通过T管打开Ca2+通道 ◆Ca2+对肌收缩的调节作用 ●Ca2+与肌钙蛋白结合解除原肌球蛋白的抑制 作用 ●肌动蛋白与肌球蛋白头部结合形成交联桥 , 利用ATP进行滑动
2
三种细胞骨架
◆微管主要分布在核周围 , 并呈放射状向胞 质四周扩散
◆肌动蛋白纤维主要分布在细胞质膜的内侧
◆中间纤维则分布在整个细胞中
3
细胞骨架的组成和分布
4
细胞骨架的功能
◆支架作用，并为细胞器提供附着位点 ◆为细胞内的物质和细胞器的运输和运动提 供机械支持 ◆为细胞的位置移动提供力 ◆为mRNA提供锚定位点，促进其翻译 ◆参与细胞连接 ◆参与信号转导 ◆细胞分裂的机器
影响装配的因素
◆G-肌动蛋白临界浓度
◆离子的影响
●在含有ATP和Ca2+, 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。
●在 Mg2+ 和高浓度 K+ 或 Na+ 的诱导下 , G肌动蛋白则装配成纤维状肌动蛋白。
微丝的动态性质 ◆极性（结构和功能） ◆踏车现象 (treadmilling) ： G 肌动蛋白 临界浓度 ◆微丝的动态平衡 影响微丝的药物
●明带(light zones),I带
●暗带(dark bands),A带 ◆其他:肌联蛋白、伴肌动蛋白
肌节
细 肌 丝 的 结 构
肌动蛋白 原肌球蛋白 肌钙蛋白
肌收缩机制--滑动纤维模型 ◆实验观察，在肌肉收缩过程中: ●肌节几乎缩短50%， ●A带的长度并没有发生变化
●I带几乎消失
◆机理：滑动丝
决定尾部是否
同膜结合还是 同其它的尾部 结合的位点。
肌球蛋白超家族
三 类 主 要 肌 球 蛋 白 的 结 构
◆肌球蛋白的功能
不同种类肌球蛋白的特殊功能由它们的尾 部决定： ●肌球蛋白Ⅰ:运输作用 ●肌球蛋白Ⅴ:运输作用
●肌球蛋白Ⅱ:肌收缩、胞质分裂
肌球 蛋白 运动 的机 理： 滑动 模型
微丝在非肌细胞中作用
钙的释放
钙对肌肉收缩的调节作用
肌肉收缩的分子机制
动;释放
结合Ca2+的肌钙蛋白接触原肌球蛋白的抑制 肌动球蛋白复合物的形成
Ca2+的回收
10.4 中间纤维 intermediate filaments,IFs
◆中间纤维的平均直径为 10nm，介于微管和微丝 之间,故称为中间纤维
肌肉收缩
骨骼肌细胞的基本结构 ◆肌纤维(muscle fibers)肌细胞 多核、肌质网、肌动球蛋白 ◆肌原纤维(myofibrils)
◆I带与A带(I band and A band)
◆Z线(Z disk)
◆H带(H zone)
肌纤维结构
◆粗肌丝(think filament)
由250-360个肌球蛋白Ⅱ聚合而成的肌球蛋白丝 ◆细肌丝(thin filament) ●肌动蛋白，它约占肌原纤 维的总蛋白的25%； ●原肌球蛋白(tropomyosin, Tm) ●肌钙蛋白(troponin. Tn)： ◆肌节(sarcomere)
分子发动机
轨道：微管或微丝； 运输工具：肌球蛋白、驱动蛋白和动力蛋白家族； 货物：小泡、线粒体、溶酶体等 33
分子发动机的类型 ◆ Motor proteins can be grouped into three broad families:
●肌球蛋白(myosins)家族
To move along microfilaments.
◆细胞松弛素B(cytochalasins B)
◆鬼笔环肽(phalloidin)
微丝的动态平衡
？
10.3.3 Actin-binding proteins
微丝结合蛋白的类型 ◆单体隔离蛋白 (monomer-sequestering protein) ◆加帽蛋白(capping protein) ◆交联蛋白(cross-linking protein) ◆纤维割断蛋白(filament-severing protein) ◆膜结合蛋白(membrane-binding Protein)
组成纤毛和鞭毛的轴丝(axoneme)
◆轴丝的微管结构:9+2 ●外围:质膜包裹 ●外周 :9 组双联管 ,A 管 与 B管 ●中央:中央鞘包裹一对 微管 ◆双联管的结构特点 ● A 管 : 完全微管、内外 动力臂、 放射辐条 ●B管:不完全微管
纤毛的基体结构
◆轴丝微管组成与排列特点
●9组三联管:基体(basal body)
◆由长的、似杆状的纤维蛋白亚基装配而成 ◆结构相对较为稳定 ◆不同组织由不同的亚基组成，如角蛋白（表皮） 波形蛋白 （成纤维）
和神经丝蛋
白（神经元）
中间纤维的装配
中间纤维结合蛋白（IFPA）
◆IFPAs能够将中间纤维相互交联成束
◆Plectin(网蛋白)的交联作用
中间纤维的功能
◆给细胞提供机械强度 ◆参与细胞连接
●驱动蛋白(kinesins)家族 To move along microtubules ●动力蛋白(dyneins)家族 To move along microtubules
34
分子发动机移动的主要特点
◆运输的单向性 ●驱动蛋白:从(-)端向(+)端的运输
●动力蛋白:从(+)端向(-)端运输
◆消耗ATP作为其能量 ◆经历一系列构象的改变，来实现逐步的运输
24
管 装 配 中 的 作 用
γ微管蛋白的作用
25
影响微管装配的因素
◆造成微管不稳定性的因素很多，包括GTP 浓度、 Ca2+ 、 Mg2+ 压力、温度 ( 最适温度 37℃) 、 pH( 最适 pH=6.9) 、微管蛋白临界
浓度(critical concentration)。
◆药物：秋水仙素与紫杉醇
35
改变构象逐步行进
36
驱动蛋白
37
动力蛋白
38
微管的功能
支架作用 细胞内物质运输的轨道
◆轴突运输(axonal transport)
◆鱼的色素细胞(fish pigment cells) 构成鞭毛和纤毛 形成纺锤体
作 为 色 素 颗 粒 运 输 轨 道
40
微管介导的物质运输
41
肌动蛋白(actin)
微管的聚合和解聚
肌动蛋白纤维装配 ◆ 微 管 蛋 白 是 GTPase ， 肌 动 蛋 白 是 ATPase ， ATP 在微丝组装过程中发挥 着类似的作用 ◆装配过程
●成核(nucleation) ●延伸(elongation) ●稳定状态(steady state)
Microfilament Assembly
12
微管的结构 ◆微管是由α和β微管蛋白异源二聚体为 基本构件,螺旋盘绕形成微管的壁
◆在每根微管中二聚体头尾相接, 形
成细长的原纤维(protofilament)
◆13条原纤维纵向排列组成微管的壁
13
微管蛋白(tubulin)
◆微管蛋白类型： ◆α和β微管蛋白形成长度为8nm的异源二聚体 ◆每一个微管蛋白二聚体有两个GTP结合位点
●α亚基为不可逆的GTP结合位点
●β亚基GTP结合点是可交换位点(exchangeable site)。 ◆γ-微管蛋白的功能是帮助αβ微管的聚合。
14
微 管 蛋 白
15
微管的类型
◆根据组成: ●分为单管、双联管、三联管 ◆根据稳定性: ●短寿的不稳定微管和长寿的稳定微管
16
微管装配的动力学
●9组双联管:近基体
●9+2:轴丝 ●单管:纤毛顶部
微管滑动模型
45
10.3 Microfilament
◆又称肌动蛋白纤维(actin filament)
◆直径8nm，由球状肌动蛋白组成。
形态结构和装配
微丝的形态结构
◆F-actin（纤维状肌动蛋白）: ●F-肌动蛋白呈双股螺旋状,直径为8nm 螺旋间的距离为37nm。 ◆G-actin（结构单位）三个结合位点: ●高度保守的基因编码 ●一个ATP结合位点 ●两个结合蛋白的结合位点
◆维持细胞核的形态
细胞内的中间纤维
IFs参与细胞连接
角蛋白
中间纤维稳定肌节的结构 骨架蛋白
同型蛋
桥粒蛋白
18
中心体与基体中的组织中心
19
神经细胞中微管的方向
20
Assembly of microtubules ◆微管的装配 ●成核 ●延伸 体内装配过程： ◆ αβ二聚体形成原纤维 ◆片状结构的形成 ◆合拢形成微管 ◆GTP帽(GTP Cap)
21
微管的装配
22
微管装配与GTP帽
23
γ微 管 蛋 白 在 微
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影响微管稳定的因素
27
紫杉醇和红豆杉
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微管的动力学
游离微管蛋白的浓度和GTP水解的速度？ 微管装配的动力学现象 ◆踏车现象(treadmilling)
又称轮回现象, 是微管组装后处于动态平衡的一 种现象。
◆动态不稳定性(dynamic instability) 微管随反应体系中结合 GTP的游离αβ二聚体的浓 度变化而发生的生长状态和缩短状态的转变。
微管组织中心(MTOC)
胞质中决定微管生理状态或实验处理解聚后重新装 配的结构 ◆中心体(Centrosome): 与纺锤体的形成密切相关
◆中心粒(Centriole)
◆中心粒旁基质
◆基体(basal body): 纤毛和鞭毛的组织中心
微管的极性
◆装配的方向性
◆生长速度的快慢
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MTOC与微管的发生
微丝结合蛋白
膜 结 合 蛋 白
踝蛋白
微丝切断蛋白
微丝发动机蛋白:肌球蛋白(myosin)
◆肌球蛋白的结构 由一个重链和几个轻链组成，并组成三个结构域∶ ●头部：含有与肌动蛋白、 ATP 结合的位点，负责产 生力。
●颈部：颈部通过同钙调素或类似钙调素的调节轻链 亚基的结合来调节头部的活性。
●尾部：含有
5
支架作用
6
在 细 胞 中 的 运 输 作 用
细胞 骨架 介导 细胞 运动
8
mRNA定向
9
粘 着 斑 和 桥 粒
有丝分裂器
11
10.2 微管Microtubule
微管的形态
◆中空管状结构 ◆内径14nm,外径24nm－26nm ◆微管的长度变化不定
◆组装成纺锤体、基体、中心粒、鞭毛等
◆参与细胞的连接（黏着带，黏着斑） ◆细胞内运输作用 ◆胞质环流(cytoplasmic streaming) ◆细胞爬行(cell crawling) ●单细胞爬行:amoeboid motion ●多细胞的爬行
粘着斑
微丝在细胞中的运输作用
?
胞质环流
微 丝 与 胞 质 环 流
细 胞 爬 行
29
踏 车 行 为
30
微 管 动 态 不 稳 定 性
31
分子发动机（Molecular motor）
◆微管结合蛋白（ MAP ）：与微管蛋白特 异性结合的蛋白质。 ◆使微管交联成束、促进微管聚合、提供 微管稳定性。
◆分子发动机（Motor proteins）：将化学 能（ATP）转化为机械能，并用来在胞内 运送物质的一类蛋白质。
细胞骨架和细胞运动
cell cytoskeleton and cell motility
1
OUTLINE
ANIZATION AND FUNCTIONS OF THE CYTOSKELETON 细胞骨架
2.MICROTUBULES 微管
3.MICROFILAMENTS 微丝 4.INTERMEDIATE FILAMENTS 中间纤维
模型。
Ca2+在肌收缩中的作用
◆Ca2+释放
●运动神经信号引起肌细胞膜电位去极化
●T管(transverse tubules,T tubules) ●运动神经信号通过T管打开Ca2+通道 ◆Ca2+对肌收缩的调节作用 ●Ca2+与肌钙蛋白结合解除原肌球蛋白的抑制 作用 ●肌动蛋白与肌球蛋白头部结合形成交联桥 , 利用ATP进行滑动
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三种细胞骨架
◆微管主要分布在核周围 , 并呈放射状向胞 质四周扩散
◆肌动蛋白纤维主要分布在细胞质膜的内侧
◆中间纤维则分布在整个细胞中
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细胞骨架的组成和分布
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细胞骨架的功能
◆支架作用，并为细胞器提供附着位点 ◆为细胞内的物质和细胞器的运输和运动提 供机械支持 ◆为细胞的位置移动提供力 ◆为mRNA提供锚定位点，促进其翻译 ◆参与细胞连接 ◆参与信号转导 ◆细胞分裂的机器
影响装配的因素
◆G-肌动蛋白临界浓度
◆离子的影响
●在含有ATP和Ca2+, 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。
●在 Mg2+ 和高浓度 K+ 或 Na+ 的诱导下 , G肌动蛋白则装配成纤维状肌动蛋白。
微丝的动态性质 ◆极性（结构和功能） ◆踏车现象 (treadmilling) ： G 肌动蛋白 临界浓度 ◆微丝的动态平衡 影响微丝的药物
●明带(light zones),I带
●暗带(dark bands),A带 ◆其他:肌联蛋白、伴肌动蛋白
肌节
细 肌 丝 的 结 构
肌动蛋白 原肌球蛋白 肌钙蛋白
肌收缩机制--滑动纤维模型 ◆实验观察，在肌肉收缩过程中: ●肌节几乎缩短50%， ●A带的长度并没有发生变化
●I带几乎消失
◆机理：滑动丝
决定尾部是否
同膜结合还是 同其它的尾部 结合的位点。
肌球蛋白超家族
三 类 主 要 肌 球 蛋 白 的 结 构
◆肌球蛋白的功能
不同种类肌球蛋白的特殊功能由它们的尾 部决定： ●肌球蛋白Ⅰ:运输作用 ●肌球蛋白Ⅴ:运输作用
●肌球蛋白Ⅱ:肌收缩、胞质分裂
肌球 蛋白 运动 的机 理： 滑动 模型
微丝在非肌细胞中作用
钙的释放
钙对肌肉收缩的调节作用
肌肉收缩的分子机制
动;释放
结合Ca2+的肌钙蛋白接触原肌球蛋白的抑制 肌动球蛋白复合物的形成
Ca2+的回收
10.4 中间纤维 intermediate filaments,IFs
◆中间纤维的平均直径为 10nm，介于微管和微丝 之间,故称为中间纤维
肌肉收缩
骨骼肌细胞的基本结构 ◆肌纤维(muscle fibers)肌细胞 多核、肌质网、肌动球蛋白 ◆肌原纤维(myofibrils)
◆I带与A带(I band and A band)
◆Z线(Z disk)
◆H带(H zone)
肌纤维结构
◆粗肌丝(think filament)
由250-360个肌球蛋白Ⅱ聚合而成的肌球蛋白丝 ◆细肌丝(thin filament) ●肌动蛋白，它约占肌原纤 维的总蛋白的25%； ●原肌球蛋白(tropomyosin, Tm) ●肌钙蛋白(troponin. Tn)： ◆肌节(sarcomere)