第4讲细胞骨架1
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细胞骨架课件
2023
细胞骨架课件
contents
目录
• 细胞骨架的概述 • 微管在细胞中的角色 • 微丝在细胞中的角色 • 中间纤维在细胞中的角色 • 细胞骨架与疾病的关系 • 细胞骨架的研究方法
01
细胞骨架的概述
细胞骨架的定义
细胞骨架是由蛋白纤维组成的网架结构，主要分为微管、微 丝和中间纤维三种类型。
细胞骨架在细胞分裂、细胞生长、细胞物质运输以及细胞形 态维持等方面发挥着重要作用。
微丝在细胞运动中的功能
细胞运动是生命活动中的另一个重要环节，微丝在细胞运动 中也起着关键作用。
微丝可以与细胞膜连接，通过改变微丝的排列和聚合状态， 影响细胞形状和运动方向，从而参与细胞分裂、细胞迁移和 细胞物质运输等过程。
04
中间纤维在细胞中的角色
中间纤维的结构
结构组成
中间纤维是由3条相同的多肽链形成的三 股螺旋结构，通过二硫键交联形成二聚体 ，再组装形成原纤维，进而形成中间纤维 。
VS
类型
中间纤维分为6种类型，包括Ⅰ型、Ⅱ型 、Ⅲ型、Ⅳ型、Ⅴ型和Ⅵ型，每种类型都 有其特定的分布和功能。
中间纤维在细胞分化中的功能
维持细胞形态
中间纤维构成细胞骨架的主要 成分，与微管和微丝共同维持 细胞的形态和结构的稳定性。
参与细胞运动
中间纤维在细胞分裂、细胞生长 和细胞迁移中发挥重要作用，可 协助细胞运动。
抗癌药物靶点
许多抗癌药物通过影响细胞骨架的组装和功能发挥其抗癌作用，如紫杉醇类药物可以干扰微管的动态平衡。
细胞骨架与神经退行性疾病
要点一
神经元轴突运输
要点二
神经元突触可塑性
细胞骨架组成的轴突网络是神经元结 构和功能的基础，神经元轴突的运输 依赖于细胞骨架。
细胞骨架课件
contents
目录
• 细胞骨架的概述 • 微管在细胞中的角色 • 微丝在细胞中的角色 • 中间纤维在细胞中的角色 • 细胞骨架与疾病的关系 • 细胞骨架的研究方法
01
细胞骨架的概述
细胞骨架的定义
细胞骨架是由蛋白纤维组成的网架结构，主要分为微管、微 丝和中间纤维三种类型。
细胞骨架在细胞分裂、细胞生长、细胞物质运输以及细胞形 态维持等方面发挥着重要作用。
微丝在细胞运动中的功能
细胞运动是生命活动中的另一个重要环节，微丝在细胞运动 中也起着关键作用。
微丝可以与细胞膜连接，通过改变微丝的排列和聚合状态， 影响细胞形状和运动方向，从而参与细胞分裂、细胞迁移和 细胞物质运输等过程。
04
中间纤维在细胞中的角色
中间纤维的结构
结构组成
中间纤维是由3条相同的多肽链形成的三 股螺旋结构，通过二硫键交联形成二聚体 ，再组装形成原纤维，进而形成中间纤维 。
VS
类型
中间纤维分为6种类型，包括Ⅰ型、Ⅱ型 、Ⅲ型、Ⅳ型、Ⅴ型和Ⅵ型，每种类型都 有其特定的分布和功能。
中间纤维在细胞分化中的功能
维持细胞形态
中间纤维构成细胞骨架的主要 成分，与微管和微丝共同维持 细胞的形态和结构的稳定性。
参与细胞运动
中间纤维在细胞分裂、细胞生长 和细胞迁移中发挥重要作用，可 协助细胞运动。
抗癌药物靶点
许多抗癌药物通过影响细胞骨架的组装和功能发挥其抗癌作用，如紫杉醇类药物可以干扰微管的动态平衡。
细胞骨架与神经退行性疾病
要点一
神经元轴突运输
要点二
神经元突触可塑性
细胞骨架组成的轴突网络是神经元结 构和功能的基础，神经元轴突的运输 依赖于细胞骨架。
细胞骨架课件
治疗性人类器官 克隆的应用前景
肌钙蛋白
原肌球蛋白
单体
微
丝
微 管
中间纤维
细胞质膜流动
动力蛋白沿微管滑动----膜泡 运动模型
医学全在线 ( )
动力蛋白
How does kinesin walk along a MT protofilament? Pipecleaner and rubber tubing animations by Minia Alonso These are unavoidably big, E mail me if you need the files. Floppy logic model [Non-equivalent steps]
成纤维细胞 氨基聚糖与 蛋白聚糖
弹性纤维
皮肤结缔组织中的ECM
纤粘连蛋白 细胞外基质的分布： 胶原
层粘连蛋白
蛋白聚糖
上皮、肌肉、脑、脊髓中含量少
结缔组织中含量高
细胞外基质的组成：主要有胶原、氨基聚糖和蛋白 聚糖、弹性蛋白以及非胶原糖蛋白等四类； 细胞外基质与细胞的形态构建、生长分化、信号转 导、识别通讯以及发育等细胞生命行为具有重要意义。
质膜(主体)、 细胞外被、 胞质溶胶
细胞表面结构示意图
淋巴细胞表面的电镜照片
细胞表面功能： 1. 保护细胞 2. 物质和能量的交换运输 3. 细胞识别、信息的接收和传递 4. 细胞运动 5. 维护细胞形态
（二）细胞外基质(ECM)
由细胞合成并分泌到
细胞外，分布在细胞表
胶原纤维
面或细胞之间的大分子， 它们构成了结构精细而 错综复杂的网络，这种 结构称为ECM。
细胞核
电镜：圆柱状小体——中心粒
细胞骨架-医学课件
要点三
细胞骨架与干细胞治 疗
细胞骨架可以影响干细胞的迁移和黏 附，在干细胞治疗中具有潜在的应用 价值。同时，对干细胞中细胞骨架的 研究也将有助于深入探讨其生物学特 性及潜在应用前景。
THANKS
谢谢您的观看
物质运输
细胞骨架参与细胞内物质的运输，如微管和微丝 参与细胞器的移动和运输，中间纤维连接细胞膜 和细胞器，参与物质的跨膜运输。
参与细胞运动
细胞骨架参与细胞的移动和运动，如微管和微丝 参与细胞器的移动，中间纤维参与细胞的连接和 牵引。
信号转导
细胞骨架可以感受外界刺激，参与信号转导过程 ，如微丝和中间纤维在细胞内形成应力纤维，感 受力学信号刺激并参与信号转导。
细胞骨架在药物研发中的重要性
药物筛选
细胞骨架成分的异常表达与多种 疾病的发生有关，因此可作为药 物筛选的靶点。
药物传输
细胞骨架在药物传输中发挥重要 作用，可帮助药物在体内定向传 输，提高药物治疗效果。
药物作用机制
一些药物可通过影响细胞骨架的 成分和组装来发挥治疗作用，如 紫杉醇等抗癌药物可通过影响微 管蛋白的组装来抑制癌细胞的增 殖。
细胞骨架与细胞内信 息传递
细胞骨架通过与细胞内信息分子和信 号转导途径的相互作用，调节细胞增 殖、分化和凋亡等生物学过程。
细胞骨架在干细胞研究中的应用
要点一
细胞骨架与干细胞自 我更新
细胞骨架对干细胞的自我更新具有重 要作用，可以调节干细胞的增殖和分 化过程。
要点二
细胞骨架与干细胞分 化
细胞骨架可以影响干细胞的分化方向 和分化速度，通过调节细胞骨架的组 装和分布，可以诱导干细胞的定向分 化。
微丝与肌肉收缩
肌肉收缩
微丝是肌肉收缩的主要参与者之一。在肌肉收缩过程中，微丝通过与粗肌丝 的相互作用，产生力量并调节肌肉的收缩强度。
高中生物竞竞赛教程04-细胞骨架
●成分
●装配
●微丝特异性药物
●微丝结合蛋白 ●微丝功能
肌肉收缩(muscle contraction)
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。
◆肌肉的细微结构(以骨骼肌为例)
◆肌小节的组成
◆肌肉收缩系统中的有关蛋白
◆肌肉收缩的滑动模型
肌节模式图
原肌球蛋白
微管组织中心(MTOC)
概念： 常见微管组织中心 中心体(centrosome) 基体(basal body)
微管在生理状态或实验处理解聚后重新装配的 发生处称为微管组织中心(microtubule organizing center, MTOC)。
MTOC的主要作用是帮助大多数细胞质微管装 配过程中的成核反应。
装配
微管蛋白的体外装配方式分为成核和延长两个反应 所有的微管都有确定的极性：微管的极性有两层含 义，一是装配的方向，二是生长速度的快慢。 微管装配是一个动态不稳定过程
·微管装配的动力学不稳定性是指微管装配 生长与快速去装配的一个交替变换的现象
·动力学不稳定性产生的原因： 微管两端具GTP帽(取决于微管蛋白浓度),微 管将继续组装,反之,无GTP帽则解聚。
收缩环由大量反 向平行排列的微丝组 成，其收缩机制是肌 动蛋白和肌球蛋白相 对滑动。
二．微 管（Microtubules）
微管结构与组成 装配 微管特异性药物 微管组织中心(MTOC) 微管结合蛋白(MAP) 微管功能
微管结构与组成
微管由两种类型的微管蛋白亚基α、β异二聚体构成。微管 蛋白在进化上具有高度的保守性。 微管蛋白上的结合位点 微管的类型
以细胞骨架为轨道的分子发动机
Motor proteins can be grouped into three broad families: ●肌球蛋白(myosins)家族：依赖于微丝 ●驱动蛋白(kinesins)家族：朝微管的正极方向运动 ●动力蛋白(dyneins)家族：朝微管的负极运动
细胞骨架医学课件
02
微管骨架
微管的组成
微管蛋白
微管是由微管蛋白组成的，这些 蛋白通过聚合形成微管的主体结 构。
微管蛋白的亚单位
微管蛋白的亚单位包括α-微管蛋 白和β-微管蛋白，它们在微管的 结构和功能中具有重要作用。
微管的极性
负极
微管的负极位于细胞的中心，是微管 组装和扩展的起点。
正极
微管的正极指向细胞的边缘，是微管 组装的终点。
细胞骨架参与了细胞的物质运输、胞质流动和细胞迁移等过程 ，对细胞的移动和迁徙起到关键作用。
细胞骨架在细胞分裂过程中起到了关键作用，如微管参与了纺 锤体的形成，中间纤维参与了染色体的排列和分配。
细胞骨架在细胞的分化过程中也起到了重要作用，如中间纤维 参与了细胞的形态维持和信息传递，影响细胞的分化方向。
FRET技术可用于研究细胞骨架蛋白质的动态变化和相互作 用，如肌动蛋白丝和微管蛋白的相互作用、蛋白质磷酸化 和去磷酸化的状态等。通过FRET技术可以获得细胞骨架蛋 白质的实时动态信息，从而更深入地了解细胞活动的调控 机制。
活细胞实时观察技术
原理
活细胞实时观察技术是一种在活细胞状态下实时观察细 胞活动的方法。通过将细胞接种在特殊的载玻片上，利 用显微镜对细胞进行观察和记录。
VS
药物筛选和优化
通过计算机模拟和实验室实验，研究者正 在筛选和优化一些能够干扰癌细胞骨架的 药物，以期开发出更有效的抗癌药物。
细胞骨架与医学研究的前沿领域
细胞骨架与基因表达
最新研究表明，细胞骨架的改变可以影响基 因的表达，从而影响细胞的功能和命运。这 一领域的研究将有望揭示更多关于细胞生物 学和疾病发生发展的奥秘。
肌丝在细胞内的分布和功能
分布
粗肌丝和细肌丝分别位于肌细胞的表面和内部，它们相互交织形成肌纤维。
细胞骨架 PPT课件
2 微丝的装配
三个actin聚集成一个核心 随后actin分子向核心两端加合
第九章 细胞骨架
第一节 微丝 一 微丝的组成和装配
微丝极性
微丝具极性，肌动蛋白单体加到（+）极 的速度比加到（-）极的速度快十倍。
第九章 细胞骨架
第一节 微丝 一 微丝的组成和装配
Treadmilling
ATP-肌动蛋白浓度影响组装速度。当处于临界浓 度时，ATP-actin可能继续在（+）端添加、而在 （-）端分离，表现出一种“踏车”现象。
步行模型 水解一个ATP hand over hand 行走16nm 讨论5 驱动蛋白在微管上 是怎样行走的？ “尺蠖”模型 水解一个ATP inchworm 行走8nm
第九章 细胞骨架
第二节 微管
五 微管的功能
动力蛋白
构成 两条相同的重链 种类繁多的轻链 结合蛋白
作用 推动染色体分离 驱动鞭毛运动 向微管（−）极运输小泡
动力蛋白臂
疾病
第九章 细胞骨架
第二节 微管
五 微管的功能
4 纺锤体与染色体运动
C 形成纺锤体，在细胞分裂中牵引染色体到达分裂极。 纺锤体是一 种微管构成
的动态结构， 其作用是在 分裂细胞中 牵引染色体 到达分裂极。
染色体运动机制
+ + + + + 染色体 动力蛋白 动粒 双极驱动蛋白四聚体 − + + + + + + + − + + + +
核化蛋白nucleatingprotein单体隐蔽蛋白monomersequesteringprotein封端蛋白endblockingprotein单体聚合蛋白monomerpolymerizingprotein微丝解聚蛋白actinfilamentdepolymerizingprotein交联蛋白crosslinkingprotein纤维切断蛋白filamentseveringprotein膜结合蛋白membranebindingprotein封端加帽交联封端加帽交联单体隔离微丝结合蛋白作用方式单体膜结合解聚切断成束长纤维成核成束蛋白将肌动蛋白纤丝交联成平行的一排成一束结构联成平行的一排成一束结构三微丝的功能形成细胞皮层形成应力纤维形成细胞皮层形成应力纤维细胞伪足形成与迁移运动物理功能强度韧性固定维持形状物理功能强度韧性固定维持形状细胞伪足形成与迁移运动形成微绒毛胞质分裂环肌细胞收缩运动物质运输顶体反应细胞器运动生物学功能细胞各种运动有关形成微绒毛胞质分裂环肌细胞收缩运动物质运输顶体反应细胞器运动生物学功能细胞各种运动有关第九章细胞骨架第一节微丝二微丝结合蛋白1形成细胞皮层cellcortex细胞内大部分微丝分布在紧贴质膜的细胞质区域由微丝结合蛋白交联形成细胞内大部分微丝分布在紧贴质膜的细胞质区域由微丝结合蛋白交联形成凝胶状三维网络结构称为细胞皮层
高中生物 细胞骨架课件 精品
细胞壁 胞间层 初生壁
次生壁
主要成分 果胶 纤维素、果胶、 纤维素、半纤 半纤维素 维素、木质素
形成时期
停止生长前
停止生长后
2.保护和支持细胞和整个植物体
微丝纤维结构模型
⑵组装和去组装
球形肌 动蛋白
组装（含Mg2+和高 浓度Na+、K+溶液）
⑶功能
去组装（含ATP、Ca+及 低浓度Na+、K+溶液）
纤维状肌 动蛋白
①与肌肉收缩密切相关
肌原纤维由粗丝（肌球蛋白）和细丝（肌动蛋白辅 以原肌球蛋白和肌钙蛋白）组成，肌肉收缩是肌球 蛋白和肌动蛋白丝相对滑动所致。
真核细胞核中也存在着一个以蛋白质为主要结构成分 的网架体系，称为核骨架。狭义地讲，核骨架就是指 核基质，广义地讲，核骨架则包括了核基质、核纤层 和核孔复合体等。核基质为DNA复制提供空间支架， 对DNA超螺旋化的稳定起重要作用。核纤层为核被膜 及染色质提供结构支架。
六、细胞壁
1.主要由纤维素和果胶构成的多孔性网状结构，依 据形成先后顺序分为：胞间层、初生壁和次生壁
2）微管：
⑴它是中空的圆筒状结构，直径为18nm～25nm，长 度变化很大，可达数微米以上。构成微管的主要成分 是微管蛋白。这种蛋白既有运动功能又具有ATP酶的 作用，使ATP水解，获得运动所需的能量。 除了独立存在于细胞质中的微管外，纤毛、鞭毛、中 心粒等基本上也是由许多微管聚集而成，细胞分裂时 出现的纺锤丝也是由微管组成。此外，微管常常分布 在细胞的外线，起细胞骨架的作用。 微管功能在不同类型的细胞内并不完全相同，组成纤 毛、鞭毛的微管主要与运动有关，而神经细胞中的微 管可能与支持和神经递质的运输有关。
2.细胞膜骨架
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肌动蛋白结合蛋白的种类
① 成核蛋白
Arp2/3 complex
Formin
细胞变形运动过程中膜的突起
Listerium在细胞内的运动
25-2
10ห้องสมุดไป่ตู้90 um/min
VirG and Cdc42 bind to N-WASP, N-WASP becomes activated and, in turn, recruits the Arp2/3 complex
（1）细胞形态维持 （2）细胞运动 （3）细胞分裂 （4）肌肉收缩
（1）细胞形态维持
构成细胞表面或内部结构的 支架，维持细胞的形态。
微绒毛（microvilli）
成纤维细胞中的微丝结构
lamellipodium
（2）细胞运动
细胞内物质运输
胞质环流
60 um/s
细胞变形运动
鱼鳞表皮细胞的运动 最快可达30 m/sec。以微丝解聚药物处理后，细胞则立即停止运动。
鬼笔环肽（phalloidin）： 毒蘑菇产生的双环肽，能结合微丝侧面并稳定微丝。
荧光鬼笔环肽标记活细胞中的微丝
6.2 微管（microtubule）
管蛋白（tubulin）组成 的管状结构。
6.2.1 微管的结构与组成
微管：由13根原丝平行 排列组成的圆柱形管状结构。
原丝由管蛋白二聚体组 成。
肌肉收缩中的其它蛋白
原肌球蛋白
肌钙蛋白
神经冲动引起肌肉收缩的机理
16.10-muscle_contra
6.1.6 微丝研究常用特异性药物
细胞松弛素（cytochlasin）： 真菌的代谢物，能结合微丝的正端而解聚微丝。
Latrunculin： 海洋生物中新发现的一类可以结合G-肌动蛋白， 使微丝解聚的药物。
6.1.4 微丝的马达蛋白-肌球蛋白
马达蛋白：依赖于细胞骨架、 能通过水解ATP，将化学能转变为机 械能的一类蛋白质。
肌球蛋白(myosin)
Myosin-II的结构
480 kD，含2条重链和4条轻链。 每个头部可以结合1个肌动蛋白和1个ATP分子。
肌球蛋白头部标记的微丝
正端
负端
微丝与肌球蛋白的相对运动
微管聚合与GTP
GTP帽结构
16-1
微管在细胞内总是从中心发出
微管结构的种类
单管
二联体
三联体
（细胞质微管） （纤毛和鞭毛） （中心粒和基体）
微管的组成
微管由a-tubulin和-tubulin组成的异二聚体为基 本单位组成。每个二聚体可以结合2个GTP。
6.2.2 微管的聚合(装配)
（1）异二聚体形成多聚体原丝 （2）原丝以螺旋状并列成较稳定的片状结构 （3）片状物合拢成一个圆柱体，形成微管的一段 （4）二聚体加到微管的两端，使微管延长
互相平行排列的束状结构 二维网状结构 三维网络结构
微丝在多数细胞中是高度动态的结构
6.1.3 肌动蛋白结合蛋白
（Actin Binding Proteins）
目前已发现有100多种，根据功能分为以下类型：
① 成核蛋白：使游离G-actin成核，启动组装。 ② 单体封存蛋白：结合游离G-actin并阻止其聚合。 ③ 封端蛋白：结合F-actin端部，使微丝稳定。 ④ 单体聚合蛋白：结合游离G-actin，促进其聚合。 ⑤ 微丝解聚蛋白：结合F-actin，使微丝去组装。 ⑥ 交联蛋白：同时结合2根F-actin，使微丝成网络。 ⑦ 成束蛋白：同时结合2根F-actin，使微丝成束。 ⑧ 微丝剪切蛋白：切断F-actin 。 ⑨ 膜结合蛋白：同时连接微丝与膜结构。
VirA的作用－解聚运动前端的微管
VirA has cysteine protease–like activity and α-tubulin binding domain.
Arp2/3在植物中的作用
玉米叶表皮细胞
Formin（形成素）
Profilin
actin
Woychik et al. Nature, 1985
⑥ 交联蛋白
细丝蛋白（Filamin）： 可连接相邻微丝，形成三维网络结构。
丧失filamin引起的非正常运动
含有低水平filamin的黑素瘤细胞 表达filamin的相同类型细胞
⑧ 剪切蛋白
凝溶胶蛋白（Gelsolin）: 可以结合到微丝的侧端，使微丝断裂成两段。
多种肌动蛋白结合蛋白的协同作用
核的作用
ATP在肌动蛋白聚合中的作用
ATP帽的形成
微丝正端聚合速度通常大于ATP水解的速度, 因此会在正端形成一个ATP帽。
微丝聚合的动态平衡-踏车模型
当肌动蛋白浓度高于正端临界浓度，而低于负端临界浓度时， 微丝可以表现出在正端因加入肌动蛋白而延长，而在负端因肌动 蛋白脱落而缩短。
微丝在细胞中的基本结构
肌动蛋白和微丝的分子结构
负端
正端
肌动蛋白是由一条多肽链构成的球形蛋白质，43 kD。 裂痕处结合1个ATP/ADP分子和1个二价阳离子。
肌动蛋白头尾相连组成微丝，具有极性。
多基因家族编码：
脊椎动物有6个基因： a-actin(4)：横纹肌、心肌、血管平滑肌、肠道平滑肌 -actin：应力纤维结构 -actin：细胞周质、运动细胞的前缘
MCB1804 16-8
微
丝
与
①肌球蛋白结合ATP，引起头
肌 球
部与肌动蛋白丝分离；
蛋
②ATP水解，引起头部构像改
白
变而向正端方向移位；
丝
的
③Pi释放，头部与肌动蛋白丝
作
结合。
用
④ADP释放，引起头部构像改
模
变而向负端方向移位；
式
结果：肌动蛋白丝向负端方向位移
6.1.5 微丝在细胞中的功能
第6章 细胞骨架 （Cytoskeleton）
真核细胞中由纤维状蛋白质组成的网络系统
微丝
中间纤维
微管
6.1 微丝（microfilament）
微丝（F-actin）是由肌动蛋白单体 （G-actin）聚合而成的纤维状结构。
6.1.1 微丝的结构与组成
微丝：7-9 nm 螺旋：28个肌动蛋白，74 nm长
01-1，MCB1801A
细胞运动过程图解
1. 前缘伸出片状伪足 2. 通过点状粘连接触基质 3. 大量细胞质流向前缘 4. 尾部收缩
MCB1803V MCB1801N
（3）胞质分裂
微丝 肌球蛋白
MCB1901
（4）肌肉收缩
肌纤维
肌原纤维
肌小节
肌小节的收缩装置
微丝和肌球蛋白丝的相对滑动
16-6
含量丰富：
肌细胞: ～10％（总蛋白） 非肌细胞: ～ 5％（总蛋白）
植物细胞: ～ 1％（总蛋白）
6.1.2 微丝的组装
条件：一定浓度的G-actin在高K＋、Mg2+、ATP 条件下趋向于聚合。
过程：成核、延长、动态稳定。
MCB1802
肌动蛋白聚合的动力学曲线
临界浓度
肌动蛋白能够聚合成丝的最低浓度称为临界浓度（Cc）