细胞生物学-细胞质骨架和细胞运动
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❖ F-actin-ADP发生解聚， 成为G-actin-ADP
❖ G-actin释放ADP，并 结合ATP
G-actin-ATP polymerization
F-actin-ATP Pi
F-actin-ADP depolymerization
G-actin-ADP ADP/ATP exchange
驱动蛋白或动力蛋白 ❖ 鞭毛和纤毛运动
9+2结构， 鞭毛滑动机制 ❖ 有丝分裂中纺锤体的形成和染色体移动 ❖ 形成基体和中心体
纺锤体 Mitotic spindle
染色体移动
微管的功能
❖ 维持细胞形态 ❖ 细胞内物质运输--------颗粒和囊泡
驱动蛋白或动力蛋白 ❖ 鞭毛和纤毛运动
9+2结构， 鞭毛滑动机制 ❖ 有丝分裂中纺锤体的形成和染色体移动 ❖ 形成基体和中心体
❖ 哺乳动物有约45种驱动蛋白 ❖ 它们头部是相似的马达结构域,与ATP结合,在微管上移动 ❖ 他们的尾部是不同的,用于带动不同的物质移动
Structure of Kinesin motor protein
Kinesin is a (+) end-directed motor
•At least one of the heads is attached to the microtubule at all times •This allows kinesin motors to move along a microtubule for long distances without falling off •well-suited for transporting cargo over long-distances
❖ 体内装配
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。
细胞内存在一些非常稳定的微管结构，如纤毛、鞭毛等，
也存在微管
微管蛋白之间的动态变化
基体
鞭毛和纤毛 中心体
微管组织中心
❖ 细胞内微管呈网状或束状分布
❖ 单管、双联管（鞭毛、纤毛）和三联管（中心粒、 基体）
MT’s dynamic instability
膜内侧 ❖ IF 中间纤维 10nm ❖ 由多种蛋白组成 ❖ 柔软的,呈杆状 ropelike
fibers ❖ 给予细胞机械张力 ❖ MT 微管 24nm ❖ 由微管蛋白tubulin组成的中空
圆柱体 ❖ 长、直、坚硬 ❖ 与微管组织中心 (MTOC)相连
微管蛋白
*α-tubulin上的 GTP是nonexchangable
❖ 微管（microtubule, MT） ❖ 微丝（microfilament , MF） ❖ 中间纤维（intermediate filament, IF） ❖ Cells need a cytoskeleton to:
❖create shape ❖change shape ❖allow movement
ห้องสมุดไป่ตู้
G-actin-ATP
Each actin is bound to either ATP or ADP In solution: G-actin-ATP or G-actin-ADP In filament: F-actin-ATP or F-actin-ADP
Polymerization of actin monomers occurs at a much greater rate at the (+) end
EXPERIMENT
•将荧光标记的tubulin 显微注射到细胞内 低温下解聚细胞内存在 的微管，升温后重新组 装微管，使 labelled tubulin掺入MT •Observe a specific region of the cell at regular timepoints •RESULT Several MT elongate and shorten!
微管的功能
❖ 维持细胞形态 ❖ 细胞内物质运输--------颗粒和囊泡
驱动蛋白或动力蛋白 ❖ 鞭毛和纤毛运动
9+2结构， 鞭毛滑动机制 ❖ 有丝分裂中纺锤体的形成和染色体移动 ❖ 形成基体和中心体
鞭毛和纤毛的结构
❖ 9个双联管和2个单管 ❖ 动力蛋白臂和辐条 ❖ 中央鞘
微管的功能
❖ 维持细胞形态 ❖ 细胞内物质运输--------颗粒和囊泡
Cellular distribution of intermediate filaments and microtubules is similar
three cytoskeletal filament types
❖ AF 微丝 7nm ❖ 由肌动蛋白Actin组成的双股
螺旋 ❖ 柔软的,呈束状或网络状 ❖ 分布于整个细胞内,集中在细胞
❖ 异二聚体头尾相连形成原纤维protofilament ❖ 13根原纤维侧向连接形成外径24—26nm中空的圆柱体
微管的装配
❖ 1972年，Richard实验室提出： 核心（ring）、延伸二步骤装配过程
The steps of microtubule assembly
The gamma-tubulin ring complex nucleates MT
Actin的种类
❖ 有6种actin ❖ 4种α肌动蛋白：
分别为横纹肌、心肌、血管平滑肌和 肠道平滑肌所特有 ❖ β肌动蛋白 所有肌肉细胞和 ❖ γ肌动蛋白 非肌肉细胞都有
❖ G-actin-ATP可以聚合 形成 F-actin-ATP
❖ F-actin可以水解ATP ADP + Pi ，并释放 Pi
actin-ADP
actin-ATP
+
肌动蛋白单体具有极性，装配时呈头尾相接， 故微丝也具有极性，具有踏车现象
G-actin polymerizes to F-actin
❖ 以3个actin 单体亚单 位为核心“nucleation” site
❖ (+) 极装配比(–) 极快
ADP ADP
ATP ADP ADP
❖ MTOC决定微管的极性，负极指向MTOC， 正极背向MTOC
The centrosome functions as the major MTOC in animal cells
❖ 一个中心体有2个 中心粒组成
❖ 2个中心粒互相垂 直排列
❖ 中心粒有9个三联 管呈辐射状排列
Cellular orientation of the microtubules
❖ αβ αβ的排列方式构成了微管的极性。
❖ 微管（+）极的装配速度快于（—）极的 装配速度；或微管一端发生装配使微管 延长，而另一端发生去装配使微管缩短， 这种现象称为踏车行为。
踏车行为 treadmilling
微管的体内外装配
❖ 体外装配 聚合： 微管蛋白浓度≥1mg/mL、
370C、有Mg2+、有GTP供应 （高Na+ K+） 解聚： 低温、高压、高Ca2+（低Na+ K+）
A. RESTING CELLS
B. CLOTTING AGENTS
C. CELLS SPREAD
CAUSE CELLS TO SETTLE
AND EXTEND FILOPODIA
微丝结合蛋白（MFAP）
❖ 有40多种，功能多样 ❖ α辅肌动蛋白：参与微丝与膜的结合，可横向连接微
丝形成束。 ❖ 纽蛋白： 介导微丝结合于细胞膜 ❖ 绒毛蛋白：在微绒毛的发生中起关键作用 ❖ 毛缘蛋白：形成微丝束 ❖ 封端蛋白：结合于纤维一端，阻止肌动蛋白单体的增
Dynein is a (-) end-directed motor
❖ 动力蛋白可以将细 胞器从细胞边缘向 细胞中央转移 如：胞内体、溶 酶体、ER膜泡、 HIV病毒等
General model of kinesin and dynein mediated transport
•Any plus-end directed (outward the MTOC ) traffic is kinesin mediated •minus-end directed traffic (towards the MTOC ) is dynein-mediated
微管的功能
❖ 维持细胞形态 ❖ 细胞内物质运输--------颗粒和囊泡
驱动蛋白或动力蛋白 ❖ 鞭毛和纤毛运动
9+2结构， 鞭毛滑动机制 ❖ 有丝分裂中纺锤体的形成和染色体移动 ❖ 形成基体和中心体
细胞内的物质运输
驱动蛋白
驱动蛋白二聚体 头部结合ATP和MT (responsiblefor motor activity) 尾部结合膜泡或颗粒
* β-tubulin上的 GDP是 exchangable with soluble GTP
❖ 微管由微管蛋白tubulinα、β异二聚体装配而成 ❖ tubulin 二聚体有2个GTP结合位点，二价阳离子
结合位点，1个秋水仙素、1个长春花碱和1个紫杉 醇结合位点
Organization of tubulin into MT
Visualization of dynamic instability in vivo
The GTP cap model
如果在正极，GTP水解速度超过聚合速度， 则微管发生解聚
微管组织中心（MTOC）
❖ 微管在生理状态以及实验处理解聚后重新装 配的发生处称为微管组织中心。
❖ 多数微管的一端固着MTOC， 如基体（basal body）或中心体 （centrosome），
微丝 (microfilament)
微丝的结构
❖ 微丝是由肌动 蛋白（actin） 组成的直径为 7nm 的骨架纤 维
肌动蛋白的结构
globular monomer (G-actin)
filamentous polymer (F-actin)
Actin monomer有ATP or ADP结合位点在其深沟里 AF由两根原纤丝组成, 呈螺旋状
Different conformations of motor protein
ATP的水解引起： •可逆的构象改变 •单方向的移动
Model of cytosolic dynein
•动力蛋白由多种蛋白组成 (2-3 HC, numerous IC and LC) •动力蛋白的轻链通过 dynamtin, 与膜泡或染色体相连
Monomers allow for rapid changes in cell
cytoskeltal filaments
EXAMPLE of actin polymerization-induced shape change:
Platelet activation (blood clotting)
The Cytoskeleton is Involved in
Everything that a Cell Does!
Including…
❖ 细胞内物质和细胞器的运动 ❖ 细胞的运动和定位 ❖ 肌肉收缩 (心肌, 平滑肌, 骨骼肌) ❖ 细胞形状和大小的调节 ❖ 组织发生过程中细胞形态的改变 ❖ 伤口闭合中收缩力的产生 ❖ 细胞与其周围环境之间的黏附 ❖ 细胞极性的调节 ❖ 细胞分裂 ❖ 对外界机械和化学刺激的反应
细胞质骨架 和细胞运动
（Cytoskeleton and movement）
真核细胞三大基本结构 和功能体系
❖ 生物膜体系 ❖ 遗传信息体系 ❖ 细胞骨架体系
细胞质骨架 cytoskeleton ,60年代 细胞核骨架 nuclear skeleton，80年代
What is the Cytoskeleton?
微管结合蛋白（MT-associated proteins，MAPs）和τ蛋白
❖稳定微管的空间结构 ❖促使微管蛋白/微管的平衡趋于装
配
MAP1存在于轴突和树突 MAP2存在于树突 MAP4广泛存在于各种细胞中 τ蛋白存在于轴突
微管特异性药物
❖ 秋水仙素、长春花碱——阻止微管装配 ❖ 紫杉醇——阻止微管解聚
踏车行为
ATP ATP
ATP ATP
微丝的装配
❖ 体外装配 解聚：有ATP、Ca2+和低浓度的Na+、K+阳离子 组装：有Mg2+和高浓度的Na+、K+阳离子 ❖ 体内装配
在体内，有些微丝是永久性的结构，如肌细胞中的 细丝和小肠上皮细胞微绒毛中的微丝等。 有些微丝是暂时性的结构，如胞质分裂时的收缩环、 血小板激活时丝状突起中的微丝等。通常微丝是一 种动态结构，不断进行装配和解聚。
❖ G-actin释放ADP，并 结合ATP
G-actin-ATP polymerization
F-actin-ATP Pi
F-actin-ADP depolymerization
G-actin-ADP ADP/ATP exchange
驱动蛋白或动力蛋白 ❖ 鞭毛和纤毛运动
9+2结构， 鞭毛滑动机制 ❖ 有丝分裂中纺锤体的形成和染色体移动 ❖ 形成基体和中心体
纺锤体 Mitotic spindle
染色体移动
微管的功能
❖ 维持细胞形态 ❖ 细胞内物质运输--------颗粒和囊泡
驱动蛋白或动力蛋白 ❖ 鞭毛和纤毛运动
9+2结构， 鞭毛滑动机制 ❖ 有丝分裂中纺锤体的形成和染色体移动 ❖ 形成基体和中心体
❖ 哺乳动物有约45种驱动蛋白 ❖ 它们头部是相似的马达结构域,与ATP结合,在微管上移动 ❖ 他们的尾部是不同的,用于带动不同的物质移动
Structure of Kinesin motor protein
Kinesin is a (+) end-directed motor
•At least one of the heads is attached to the microtubule at all times •This allows kinesin motors to move along a microtubule for long distances without falling off •well-suited for transporting cargo over long-distances
❖ 体内装配
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。
细胞内存在一些非常稳定的微管结构，如纤毛、鞭毛等，
也存在微管
微管蛋白之间的动态变化
基体
鞭毛和纤毛 中心体
微管组织中心
❖ 细胞内微管呈网状或束状分布
❖ 单管、双联管（鞭毛、纤毛）和三联管（中心粒、 基体）
MT’s dynamic instability
膜内侧 ❖ IF 中间纤维 10nm ❖ 由多种蛋白组成 ❖ 柔软的,呈杆状 ropelike
fibers ❖ 给予细胞机械张力 ❖ MT 微管 24nm ❖ 由微管蛋白tubulin组成的中空
圆柱体 ❖ 长、直、坚硬 ❖ 与微管组织中心 (MTOC)相连
微管蛋白
*α-tubulin上的 GTP是nonexchangable
❖ 微管（microtubule, MT） ❖ 微丝（microfilament , MF） ❖ 中间纤维（intermediate filament, IF） ❖ Cells need a cytoskeleton to:
❖create shape ❖change shape ❖allow movement
ห้องสมุดไป่ตู้
G-actin-ATP
Each actin is bound to either ATP or ADP In solution: G-actin-ATP or G-actin-ADP In filament: F-actin-ATP or F-actin-ADP
Polymerization of actin monomers occurs at a much greater rate at the (+) end
EXPERIMENT
•将荧光标记的tubulin 显微注射到细胞内 低温下解聚细胞内存在 的微管，升温后重新组 装微管，使 labelled tubulin掺入MT •Observe a specific region of the cell at regular timepoints •RESULT Several MT elongate and shorten!
微管的功能
❖ 维持细胞形态 ❖ 细胞内物质运输--------颗粒和囊泡
驱动蛋白或动力蛋白 ❖ 鞭毛和纤毛运动
9+2结构， 鞭毛滑动机制 ❖ 有丝分裂中纺锤体的形成和染色体移动 ❖ 形成基体和中心体
鞭毛和纤毛的结构
❖ 9个双联管和2个单管 ❖ 动力蛋白臂和辐条 ❖ 中央鞘
微管的功能
❖ 维持细胞形态 ❖ 细胞内物质运输--------颗粒和囊泡
Cellular distribution of intermediate filaments and microtubules is similar
three cytoskeletal filament types
❖ AF 微丝 7nm ❖ 由肌动蛋白Actin组成的双股
螺旋 ❖ 柔软的,呈束状或网络状 ❖ 分布于整个细胞内,集中在细胞
❖ 异二聚体头尾相连形成原纤维protofilament ❖ 13根原纤维侧向连接形成外径24—26nm中空的圆柱体
微管的装配
❖ 1972年，Richard实验室提出： 核心（ring）、延伸二步骤装配过程
The steps of microtubule assembly
The gamma-tubulin ring complex nucleates MT
Actin的种类
❖ 有6种actin ❖ 4种α肌动蛋白：
分别为横纹肌、心肌、血管平滑肌和 肠道平滑肌所特有 ❖ β肌动蛋白 所有肌肉细胞和 ❖ γ肌动蛋白 非肌肉细胞都有
❖ G-actin-ATP可以聚合 形成 F-actin-ATP
❖ F-actin可以水解ATP ADP + Pi ，并释放 Pi
actin-ADP
actin-ATP
+
肌动蛋白单体具有极性，装配时呈头尾相接， 故微丝也具有极性，具有踏车现象
G-actin polymerizes to F-actin
❖ 以3个actin 单体亚单 位为核心“nucleation” site
❖ (+) 极装配比(–) 极快
ADP ADP
ATP ADP ADP
❖ MTOC决定微管的极性，负极指向MTOC， 正极背向MTOC
The centrosome functions as the major MTOC in animal cells
❖ 一个中心体有2个 中心粒组成
❖ 2个中心粒互相垂 直排列
❖ 中心粒有9个三联 管呈辐射状排列
Cellular orientation of the microtubules
❖ αβ αβ的排列方式构成了微管的极性。
❖ 微管（+）极的装配速度快于（—）极的 装配速度；或微管一端发生装配使微管 延长，而另一端发生去装配使微管缩短， 这种现象称为踏车行为。
踏车行为 treadmilling
微管的体内外装配
❖ 体外装配 聚合： 微管蛋白浓度≥1mg/mL、
370C、有Mg2+、有GTP供应 （高Na+ K+） 解聚： 低温、高压、高Ca2+（低Na+ K+）
A. RESTING CELLS
B. CLOTTING AGENTS
C. CELLS SPREAD
CAUSE CELLS TO SETTLE
AND EXTEND FILOPODIA
微丝结合蛋白（MFAP）
❖ 有40多种，功能多样 ❖ α辅肌动蛋白：参与微丝与膜的结合，可横向连接微
丝形成束。 ❖ 纽蛋白： 介导微丝结合于细胞膜 ❖ 绒毛蛋白：在微绒毛的发生中起关键作用 ❖ 毛缘蛋白：形成微丝束 ❖ 封端蛋白：结合于纤维一端，阻止肌动蛋白单体的增
Dynein is a (-) end-directed motor
❖ 动力蛋白可以将细 胞器从细胞边缘向 细胞中央转移 如：胞内体、溶 酶体、ER膜泡、 HIV病毒等
General model of kinesin and dynein mediated transport
•Any plus-end directed (outward the MTOC ) traffic is kinesin mediated •minus-end directed traffic (towards the MTOC ) is dynein-mediated
微管的功能
❖ 维持细胞形态 ❖ 细胞内物质运输--------颗粒和囊泡
驱动蛋白或动力蛋白 ❖ 鞭毛和纤毛运动
9+2结构， 鞭毛滑动机制 ❖ 有丝分裂中纺锤体的形成和染色体移动 ❖ 形成基体和中心体
细胞内的物质运输
驱动蛋白
驱动蛋白二聚体 头部结合ATP和MT (responsiblefor motor activity) 尾部结合膜泡或颗粒
* β-tubulin上的 GDP是 exchangable with soluble GTP
❖ 微管由微管蛋白tubulinα、β异二聚体装配而成 ❖ tubulin 二聚体有2个GTP结合位点，二价阳离子
结合位点，1个秋水仙素、1个长春花碱和1个紫杉 醇结合位点
Organization of tubulin into MT
Visualization of dynamic instability in vivo
The GTP cap model
如果在正极，GTP水解速度超过聚合速度， 则微管发生解聚
微管组织中心（MTOC）
❖ 微管在生理状态以及实验处理解聚后重新装 配的发生处称为微管组织中心。
❖ 多数微管的一端固着MTOC， 如基体（basal body）或中心体 （centrosome），
微丝 (microfilament)
微丝的结构
❖ 微丝是由肌动 蛋白（actin） 组成的直径为 7nm 的骨架纤 维
肌动蛋白的结构
globular monomer (G-actin)
filamentous polymer (F-actin)
Actin monomer有ATP or ADP结合位点在其深沟里 AF由两根原纤丝组成, 呈螺旋状
Different conformations of motor protein
ATP的水解引起： •可逆的构象改变 •单方向的移动
Model of cytosolic dynein
•动力蛋白由多种蛋白组成 (2-3 HC, numerous IC and LC) •动力蛋白的轻链通过 dynamtin, 与膜泡或染色体相连
Monomers allow for rapid changes in cell
cytoskeltal filaments
EXAMPLE of actin polymerization-induced shape change:
Platelet activation (blood clotting)
The Cytoskeleton is Involved in
Everything that a Cell Does!
Including…
❖ 细胞内物质和细胞器的运动 ❖ 细胞的运动和定位 ❖ 肌肉收缩 (心肌, 平滑肌, 骨骼肌) ❖ 细胞形状和大小的调节 ❖ 组织发生过程中细胞形态的改变 ❖ 伤口闭合中收缩力的产生 ❖ 细胞与其周围环境之间的黏附 ❖ 细胞极性的调节 ❖ 细胞分裂 ❖ 对外界机械和化学刺激的反应
细胞质骨架 和细胞运动
（Cytoskeleton and movement）
真核细胞三大基本结构 和功能体系
❖ 生物膜体系 ❖ 遗传信息体系 ❖ 细胞骨架体系
细胞质骨架 cytoskeleton ,60年代 细胞核骨架 nuclear skeleton，80年代
What is the Cytoskeleton?
微管结合蛋白（MT-associated proteins，MAPs）和τ蛋白
❖稳定微管的空间结构 ❖促使微管蛋白/微管的平衡趋于装
配
MAP1存在于轴突和树突 MAP2存在于树突 MAP4广泛存在于各种细胞中 τ蛋白存在于轴突
微管特异性药物
❖ 秋水仙素、长春花碱——阻止微管装配 ❖ 紫杉醇——阻止微管解聚
踏车行为
ATP ATP
ATP ATP
微丝的装配
❖ 体外装配 解聚：有ATP、Ca2+和低浓度的Na+、K+阳离子 组装：有Mg2+和高浓度的Na+、K+阳离子 ❖ 体内装配
在体内，有些微丝是永久性的结构，如肌细胞中的 细丝和小肠上皮细胞微绒毛中的微丝等。 有些微丝是暂时性的结构，如胞质分裂时的收缩环、 血小板激活时丝状突起中的微丝等。通常微丝是一 种动态结构，不断进行装配和解聚。