1、第十章細胞骨架講義細胞骨架是指存在于真核細胞中的蛋白纖維網架體系 有狹義和廣義兩種概念 在細胞質基質中包括微絲、微管和中間纖維。在細胞核中存在核骨架-核纖層體系。核骨架 、核纖層與中間纖維在結構上相互連接,貫穿于細胞核和細胞質的網架體系。細胞質骨架 細胞骨架的組成和分布微管主要分布在核周圍,并呈放射狀向胞質四周擴散；微絲主要分布在細胞質膜的內側和細胞核膜的內側；中間纖維則分布在整個細胞中。第一節 細胞質骨架微絲(microfilament, MF)微 管（microtubules）中間纖維（intermediate filament,IF)一、微絲(microfilament, MF) 又稱肌

2、動蛋白纖維(actin filament), 是指真核細胞中由肌動蛋白(actin)組成、直徑為7nm的骨架纖維。Aside: How bigis a nanometer?One nanometer is to ameterone inch is to 15,783miles (half the distancearound the equator!(一)微絲的形態結構成分及形態結構F-actin: F-肌動蛋白呈雙股螺旋狀,直徑為8nm, 螺旋間的距離為37nm。G-actin:三個結合位點: 一個ATP結合位點 兩個肌動蛋白結合蛋白的結合位點。G-肌動蛋白與F-肌動蛋白模式圖(二)肌動蛋白

3、纖維的裝配裝配過程 成核(nucleation) 延伸(elongation) 穩定狀態(steady state)微 絲 的 裝 配影響裝配的因素G-肌動蛋白臨界濃度離子的影響 在含有ATP和Mg2+, 以及很低的Na+、K+ 等陽離子的溶液中,微絲趨向于解聚成G-肌動蛋白。 在Mg2+和高濃度K+或Na+的誘導下, G-肌動蛋白則裝配成纖維狀肌動蛋白。微絲的動態性質 極性 踏車現象(tread milling) 微絲的動態平衡極 性微絲的踏車現象微絲的動態平衡作用于微絲的藥物細胞松弛素B(cytochalasins B) :切斷微絲，結合在微絲末端阻抑肌動蛋白聚合，對解聚沒有明顯影響鬼筆環

4、肽(phalloidin)：與微絲有強親合作用，使肌動蛋白穩定，抑制解聚，只與F肌動蛋白結合，不與G肌動蛋白結合。(三)微絲結合蛋白微絲結合蛋白的類型單體隔離蛋白 (monomer-sequestering protein)加帽蛋白(capping protein)交聯蛋白(cross-linking protein)纖維割斷蛋白(filament-severing protein)膜結合蛋白(membrane-binding protein) 微絲結合蛋白的作用方式肌球蛋白(myosin) :肌動蛋白纖維的分子發動機肌球蛋白的結構 由一個重鏈和幾個輕鏈組成，并組成三個結構域 頭部 含有與肌動

5、蛋白、ATP結合的位點，負責產生力。 頸部 頸部通過同鈣調素或類似鈣調素的調節輕鏈亞基的結合來調節頭部的活性。 尾部 含有決定尾部是否同膜結合還是同其它的尾部結合的位點肌球蛋白的結構三類主要肌球蛋白的結構?肌球蛋白的功能 不同種類肌球蛋白的特殊功能由它們的尾部決定：肌球蛋白:運輸作用肌球蛋白:運輸作用肌球蛋白:肌收縮、胞質分裂微絲的功能維持細胞形態，賦予質膜機械強度細胞運動胞質環流微絨毛(microvillus)應力纖維(stress fiber)參與胞質分裂肌肉收縮(muscle contraction)骨骼肌的收縮過 程肌絲滑行理論 myofilament sliding theory1.

6、骨骼肌細胞的結構： 1)肌原纖維myofibril 肌節 sarcomere： 每兩個相鄰 Z 線之間的區域，是肌肉收縮和舒張的基本單位。長2.02.2m,變動在1.53.5m肌束肌原纖維縱橫2)肌管系統 sarcotubular system： 橫管 transverse tubule （T管） 縱管 longitudinal tubule（肌質網） 縱行肌質網 LSR 連接肌質網 JSR終池三聯管triad： 骨骼肌的T管與其兩側的終池2.肌原纖維及其肌絲的分子組成1）粗肌絲thick filament 肌球蛋白(myosin),屬收縮蛋白 桿狀部朝向M線成主干 頭部橫橋cross-bri

7、dge : 可與肌動蛋白可逆性結合, 具有ATP酶活性2）細肌絲thin filament (構成主干) 肌動蛋白(actin):屬收縮蛋白 肌鈣蛋白(troponin):屬調節蛋白 原肌球蛋白(tropomyosin):屬調節蛋白-肌球蛋白原肌球蛋白肌動蛋白有位阻效應原肌球蛋白肌球蛋白肌動蛋白粗肌絲分子組成肌鈣蛋白Cross-Bridge Formation in Muscle Contraction由神經沖動誘發的肌肉收縮基本過程動作電位的產生 Ca2+的釋放 原肌球蛋白位移 肌動蛋白絲與肌球蛋白絲的相對滑動 Ca2+的回收 3.肌肉的收縮過程：肌肉舒張狀態時,橫橋結合的ATP分解(ADP

8、和Pi仍留在頭部)蓄積能量而處于高勢能狀態。當終末池釋放Ca2+ 肌漿內Ca2+與肌鈣蛋白結合原肌球蛋白構型改變解除位阻效應橫橋與肌動蛋白結合橫橋向M線方向擺動拖動細肌絲滑行肌小節變短肌肉收縮。在橫橋變構與擺動同時,ADP及Pi與橫橋分離橫橋再結合ATP橫橋與肌動蛋白親合力并與肌動蛋白解離。解離后的橫橋隨即將ATP分解,進入下一橫橋周期。 如胞漿內Ca2+Ca2+與肌鈣蛋白解離原肌球蛋白構型復原位阻效應恢復橫橋不能與肌動蛋白結合細肌絲回位肌肉舒張。 胞漿中升高的Ca2+ ,由肌質網膜上的Ca2+泵泵回肌質網(包括終池)Motor UnitSingle motor neuron & muscle

9、 fibers Eye muscles 1:1 muscle/nerve ratioHamstrings （腿窩） 300:1 muscle/nerve ratioThe Sliding Filament Model of Muscle Contraction微絲在非肌細胞中作用應力纖維:與細胞間或下與基質表面的粘著有密切關系，在細胞形態發生、細胞分化、組織形成等方面有重要作用細胞內運輸作用細胞質流動(cytoplasmic streaming)細胞爬行(cell crawling)胞質分裂環：有絲分裂末期，即將分裂的兩子細胞之間產生一個收縮環，分裂后消失。它是非肌肉細胞中具有收縮功能的微絲束

10、的典型代表。細胞運動過程中力產生的機制通過微絲的裝配，將質膜向前推進 通過肌球蛋白和肌動蛋白相互作用微絲在細胞中的運輸作用?Cytoplasmic streaming微絲與胞質環流微絲與細胞的變形運動細胞爬行二、微管（ Microtubule）（一） 微管的結構和類型 形態 微管是中空的管狀結構 外徑為24nm 內徑為14nm 微管壁厚約5 nm 微管的長度變化不定微管的結構 微管是由微管蛋白異源二聚體為 基本構件,螺旋盤繞形成的在每根微管中二聚體頭尾相接, 形 成細長的原纖維(protofilament) 13條原纖維縱向排列組成微管的壁 微管的結構微管蛋白(tubulin)微管蛋白類型：和

11、微管蛋白形成長度為8nm的異源二聚體每一個微管蛋白二聚體有兩個GTP結合位點 亞基GTP結合位點 亞基GTP結合點是可交換位點(exchangeable site)。-微管蛋白的功能是幫助微管的聚合。 微管蛋白微管的類型根據組成: 分為單管 雙聯管 三聯管根據穩定性: 短壽的不穩定微管 長壽的穩定微管三種形式的微管（二）微管裝配的動力學微管組織中心（ MTOC）中心體(Centrosome) 中心粒旁基質（pericentriolar matrix） 中心粒(Centriole) 微管的極性、二聚體以首-尾排列的方式進行組裝，具有方向性(極性)兩端分別稱為“+”端(plus end)和“-”端

12、 (minus end)。中心粒中心體結構(電鏡照片)中心體與基體中的中心粒（三）微管的裝配（Assembly of microtubules） 原纖維裝配 片狀結構的形成 微管的形成 GTP帽(GTP Cap)微管的裝配影響微管裝配的因素造成微管不穩定性的因素很多，包括GTP、壓力、溫度(最適溫度37)、pH(最適pH=6.9)、微管蛋白臨界濃度(critical concentration)。影響微管穩定的因素微管的動力學微管裝配的動力學現象踏車現象(tread milling) 又稱輪回現象, 是微管組裝后處于動態平衡的一種現象。動態不穩定性(dynamic instability) 微

13、管隨反應體系中游離二聚體的濃度變化而發生的生長狀態和縮短狀態的轉變。踏車行為微管動態不穩定性（四）微管特異性藥物秋水仙素(colchicine) 阻斷微管蛋 白組裝成微管，可破壞紡錘體結構。紫杉醇(taxol)能促進微管的裝配, 并使已形成的微管穩定。(五) 微管的功能支架作用細胞內物質的運輸細胞器的定位鞭毛(flagella)運動和纖毛(cilia)運動紡錘體與染色體運動作為色素顆粒運輸軌道組成纖毛和鞭毛的軸絲(axoneme)軸絲的微管結構:9+2 外圍:質膜包裹 外周:9組雙聯管,A管與B管 中央:中央鞘包裹一對微管雙聯管的結構特點 A管:完全微管、內外動力臂、 放射輻條 B管:不完全微

14、管軸絲微管組成與排列特點9組三聯管:基體(basal body)9組雙聯管:近基體9+2:軸絲單管:纖毛頂部鞭毛與纖毛鞭毛的結構纖毛動力蛋白(ciliary dynein)是多頭的動力蛋白基部同A管相連頭部同相鄰的B管相連頭部具有ATP結合位點，能夠水解ATP。纖毛和鞭毛的運動機制 微管滑動模型 (sliding-microtubule model)紡錘體和染色體運動1. 概念： 2. MAP由兩個區域組成： (1)堿性的微管結合結構域 (2)酸性的突出結構域二、微管結合蛋白（microtubule-associated protein，MAP ） 4. 功能： 促進微管組裝; 增加微管穩定性

15、; 促進微管聚集成束。3. 種類：MAP-1MAP-2TauMAP-4主要存在神經元和非神經元細胞中。主要存在神經元細胞中。在細胞內，微管作為內物質運輸的軌道。具體功能由馬達蛋白（ motor protein ） ：主要分為三類:1.動力蛋白（cytoplasmic dynein ）2.驅動蛋白(kinesin)3.肌球蛋白（myosin) 將物質沿微絲運輸微管參與細胞內物質運輸將物質沿微管運輸 1.驅動蛋白kinesin超家族：結構：兩個球形的頭部：具有ATP活性，水解ATP產生能量，與微管結合；尾部與被轉運分子結合。方向性：由微管的負端向正端 ，蛋白的運動是一步一步地進行的。2.微管動力蛋

16、白（cytoplasmic dynein）超家族由微管的正端向負端運動 動力蛋白通過可溶的多亞基蛋白復合體與被運輸物結合 多亞基蛋白動力蛋白驅動蛋白驅動蛋白動力蛋白沿微管運輸的馬達蛋白+A fluorescently stained image of cultured epithelial cells showing the nucleus (yellow) and microtubules (red)光鏡下黃色熒光顯示微管 光鏡下的微管電鏡下的微管三、中間纖維（intermediate filament,IF)0nm纖維,因其直徑介于粗肌絲和細絲之間, 故被命名為中間纖維。IF幾乎分布于所有

17、動物細胞，往往形成一個網絡結構，特別是在需要承受機械壓力的細胞中含量相當豐富。如上皮細胞中。除了胞質中，在內核膜下的核纖層也屬于IF。中間纖維的裝配中間纖維的成分與分布中間纖維的功能中間纖維的裝配中間纖維裝配過程IF裝配與MF,MT裝配相比，有以下幾個特點： IF裝配的單體是纖維狀蛋白(MF,MT的單體呈球形)； 反向平行的四聚體導致IF不具有極性； IF在體外裝配時不需要核苷酸或結合蛋白的輔助， 在體內裝配后，細胞中幾乎不存在IF單體(但IF的存在 形式也可以受到細胞調節，如核纖層的裝配與解聚)。中間纖維的成分與分布IF成分比MF,MT復雜，具有組織特異性。 IF在形態上相似，而化學組成有明

18、顯的差別。中間纖維類型與分布中間纖維蛋白的表達具有嚴格的組織特異性中間纖維分類與分布中間纖維的功能增強細胞抗機械壓力的能力 角蛋白纖維參與橋粒的形成和維持 結蛋白纖維是肌肉Z盤的重要結構組分， 對于維持肌肉細胞的收縮裝置起重要作用神經元纖維在神經細胞軸突運輸中起作用參與傳遞細胞內機械的或分子的信息中間纖維與mRNA的運輸有關Match the following:_ Located near the nucleus and appear as cylindrical structures consisting of a ring of nine evenly spaced bundles of

19、 three microtubules. They play a role in the formation of cilia and flagella and in separating the chromosomes during mitosis. (ans) _ Hollow tubes made of subunits of the protein tubulin. They provide structural support for the cell and play a role in cell division, cell movement, and movement of o

20、rganelles within the cell. They are also components of centrioles, cilia, and flagella. (ans)_ Tough fibers made of polypeptides. They help to strengthen the cytoskeleton and stabilize cell shape. (ans)_ Solid, rodlike structures composed of actin. They provide structural support, and play a roll in phagocytosis, cell and organelle movement, and cell division. (ans)_ Consist of 9 fused pairs of protein microtubules with side arms of the motor molecule dynein that originate from a centriole. These form a ring around an inner central pair of microtubules that arise from a plate