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医用细胞生物学第七章
医用细胞生物学第七章提纲及细节考点一览图，包括口诀！（第一编完成，后面逐步精简，并添加大体内容） 作者：中山大学光华口腔大一张同学
编辑于2019-11-20 23:56:11
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第七章
第一节 微管
微管的结构
微管是细胞中由蛋白质组成的外形笔直、中空且有一定刚性和弹性的管状结构。
微管的存在形式
单管--胞质微管的主要存在形式，不稳定
二联管--主要分布在纤毛和鞭毛的杆状部分，较稳定
三联管--主要分布在中心粒，纤毛和鞭毛的基体中，较稳定
微管蛋白
含量80％
分类
α-微管蛋白（α-tubulin)
β-微管蛋白（β-tuβulin)
γ-微管蛋白（γ-tubulin)
概要
特性
α-微管蛋白&β-微管蛋白
450aa,C未端呈酸性，表面强负电荷，
形成异二聚体，是微管组装的基本结构单位
各有一个GTP结合位点(α-N位点，β-E位点）
Mg2+、Ca2+结合位点
·秋水仙素、长春碱、紫杉醇结合位点
C酸强负电，镁钙春秋紫。
α-微管蛋白的GTP不进行水解也不交换；
β-微管蛋白的GTP可水解成GDP,而此GDP也可换成GTP,这一变换对微管的动态性有重要作用
γ微管蛋白环状复合物
由γ微管蛋白和一些其他相关蛋白构成，是微管的一种高效的集结结构，在中心体中是微管装配的起始结构。
微管结合蛋白
含量20％
区域分布
碱性的微管蛋白结构域（与微管结合）
酸性的突出结构域(与质膜、中间纤维和其它细胞组分结合）
碱管酸膜中纤他
种类
MAP-1、MAP-2、Tau(神经元）
tau只存在于轴突中
MAP-2分布于胞体和树突中
差异与神经细胞树突和轴突区域化以及感受传递信息有关
MAP-4(广泛存在于各种细胞）,具有保守性
微管装配与动力学
步骤
成核期（延迟期）一一核心形成。α、β-tubulin聚合成一个短的寡聚体结构，首尾相接和侧面相连，当片状带加宽到13根原纤维，合拢成一段微管；是微管聚合的开始，速度较慢一一限速过程
聚合期（延长期）--微管延长。高浓度游离的微管蛋白，聚合速度大于解聚速度，新的二聚体不断加到微管正端，微管延长，直至游离微管蛋白浓度降低
稳定期（平衡期）--微管恒定。游离微管蛋白浓度下降至临界浓度，微管的组装与去组装速度相等
概要
微管装配的起始点是微管组织中心
在空间上为微管装配提供始发区域控制着细胞质中微管的数量、位置及方向。包括：中心体、纤毛和鞭毛的基体γ微管蛋白环
γ-微管蛋白环形复合体
刺激微管核心形成
微管的体外装配
条件
受到温度、pH、微管蛋白的浓度等影响
α-β微管蛋白异二聚体浓度1mg/ml
pH6.9
有Mg2+无Ca2+
温度37℃
GTP提供能量
组装条件
微管蛋白达到临界浓度、有Mg2+存在（无Ca2+)、pH6
极性装配
装配快的一端（β-tubulin)为（+)极装配慢的一端（α-tubulin)为（-)极
踏车运动
在一定条件下，在同一条微管上常可发生微管的正极因组装而延长，而其负极则因去组装而缩短的现象，这种现象导致微管的长度保持稳定。
踏车现象实际上是一种动态稳定现象：微管的总长度不变，但结合上的二聚体不断使微管发生位移
图示
微管的体内装配
起始点：微管组织中心
在空间上为微管装配提供始发区域控制着细胞质中微管的数量、位置及方向。包括：中心体、纤毛和鞭毛的基体γ微管蛋白环
中心体（centrosome) 动物细胞中重要的MTOC包括
中心粒和中心粒旁物质在细胞间期，位于细胞核附近，在有丝分裂期，位于纺锤体的两极
微管在中心体上的聚合
A中心体的无定形蛋白基质（含有γ微管蛋白环）是微管生长的起始部位；
B中心体上的γ微管蛋白环；
C中心体与附着其上的微管，负端被包围在中心体中，正端游离在细胞质中；
13个γ-tubulin在MTOC形成环形结构（螺旋化排列）,组成一个开放的环状模板，与微管具有相同直径，称为γ-微管蛋白环状复合体。
很多因素影响微管组装和解聚 （图为不稳定模型的图示）
GTP浓度‘
img10GTP微管蛋白异二聚体的组装
压力
温度
pH
离子浓度
微管蛋白浓度
药物
动力学不稳定性地意义
促进新形成胞质区域的微管形成
使微管更有效地寻找三维空间找到特异靶点
影响微管稳定性的药物
秋水仙素与二聚体结合而抑制微管的聚合。
紫杉酚能和微管紧密结合防止微管蛋白亚基的解聚。由于新的微管蛋白仍可加上去结果微管只增长不缩短。
微管的功能
微管构成细胞内的网状支架，支持和维持细胞形态
微管围绕细胞核向外呈放射状分布，维持细胞的形态
微管本身不能收缩，有一定的强度，抗压力、抗弯曲，为细胞提供机械支持力
微管对细胞突起部分，如纤毛、鞭毛、轴突形成和维持起重要作用
如血小板中的环形微管束（血小板骨架主要组成成分）,维持血小板的圆盘形结构；当暴露于低温中，环形微管解聚，血小板变成不规则球形
微管束构成血小板边缘带，支撑其形态。
微管参与中心粒、纤毛与鞭毛的形成
纤毛与鞭毛的结构
(1)纤毛本体：细胞表面突出部分，结构图示9×2+2
(2)基体：质膜下圆筒结构，来源于中心粒，结构图示9×3+0
(3)纤毛小根：有横纹，具固定和收缩功能
纤毛本体横切面结构组成
(1)二联体：A、B微管；
(2)内外臂：动力蛋白构成（实为ATP酶）
(3)中央微管和鞘连接蛋白：二联体微管的连桥及中央微管的横桥之中。
概要
中心粒
电镜结构：一对圆柱状小体，彼此相互垂直排列；·结构图示：9*3+0
功能
(1)组织形成鞭毛和纤毛
(2)参与细胞有丝分裂
(3)中心粒上的ATP酶为细胞运动和染色体移动提供能量
微管参与细胞内物质运输
微管的物质运输由微管动力蛋白（或称马达蛋白，motorprotein)完成，共有几十种。是微管参与物质运输的介质，是一类利用ATP水解产生的能量驱动自身携带运载物沿着微管或肌动蛋白丝运动的蛋白质。
可分为三个不同的家族
驱动蛋白（kinesin)
动力蛋白（dynein)
概要
肌球蛋白（myosin)
驱动蛋白和动力蛋白结构特点：驱动蛋白与动力蛋白的两个球状头部，是与微管专一结合，具有ATP酶活性，水解ATP供能完成与微管结合、解离、再结合动作。
·驱动蛋白kinesin(380KD)
1985年首先从鱼鱼巨大轴突中分离得到，由两条重链和两条轻链组成
Kinesin的运输模式
最大运输速度：1um每秒；
Kinesin每秒需要水解一分子ATP
每步长8nm,等于一对α-β异二聚体的长度；总是结合β亚基
动力蛋白dynein(1000KD)
目前所知最大的、最快的分子运输蛋白·由两条相同的重链和几种中等链、轻链组成，头部具有ATP水解酶活性
沿着微管的正端向负端移动
为物质运输也为纤毛运动提供动力；分裂间期，参与细胞器定位和转运
驱动蛋白：介导沿微管的（-)极向（+)极的运输 动力蛋白：介导从微管的（+)极向（-)极的运输
负正驱动正负
微管维持细胞内细胞器的定位和分布
参与内质网、高尔基复合体、纺锤体的定位及分裂期染色体位移微管及其相关马达蛋白在膜性细胞器的定位上起着重要作用
正常细胞高尔基体（绿色）定位在核周；秋水仙素处理细胞，微管(橙色）解聚，高尔基体分散在整个胞质中
微管参与染色体的运动，调节细胞分裂
微管是有丝分裂器的主要成分，有丝分裂前期微管聚合，核膜崩解时侵入核区，结合动粒；妹妹染色单体的动粒分别与来自两极的微管结合，被拉到细胞两极。
微管参与细胞内信号传导
如hedgehog、JNK、Wnt、ERK及PAK蛋白激酶信号通路。
不稳定、微管方向性、微管组织中心位置、细胞极化等。
第二节 微丝
驱动蛋白与微丝的结构
微丝是肌动蛋白亚单位构成的纤维状结构
呈网状或束状或散在分布于细胞质的特定空间位置，直径5-7nm
动态结构：收缩环、伪足中临时微丝束
稳定结构：肌肉中的细肌丝，肠上皮细胞的微绒毛中的轴心微丝等
构成微丝的基本成分：肌动蛋白（actin)
在真核生物中很保守，不同种类生物间有90%的相似性
哺乳类有三种αctin同源体：α、β、γ(氨基酸序列略有不同）
α-肌动蛋白（α-actin)
横纹肌、心肌、血管平滑肌、肠道平滑肌
β-肌动蛋白（β-actin)
·γ-肌动蛋白（γ-actin)
所有细胞
肌动蛋白的存在形式
球状肌动蛋白（游离单体）:G-肌动蛋白（G-actin)
G-actin由单条肽链折叠而成，由两个亚基组成，外观呈哑铃形，肌动蛋白单体具有极性，装配时首尾相接，具有极性：含ATP(或ADP)结合位点和二价阳离子Mg2+(或Ca2+)结合位点
G-actin头尾相连呈螺旋状排列，即为肌动蛋白单链（F-actin)每条微丝由2条平行的单链以右手螺旋方式相互盘绕而成，具有极性
纤维状肌动蛋白（多聚体）:F-肌动蛋白（F-actin)
概要
相对生长慢的一端为负端minusend,又称pointend(指向端）;而相对生长快的一端为 正端plusend,又称barbedend(秃端)
微丝结合蛋白及其功能
单体隔离蛋白
包括抑制蛋白、胸腺素等，与肌动蛋白单体结合，抑制聚合，凡是这种作用的蛋白，均是单体隔离蛋白
没有单体隔离蛋白，肌动蛋白都将组装成纤维，这些蛋白的活性和浓度，决定了肌动蛋白趋向聚合还是解聚
交联蛋白
主要功能是改变细胞内肌动蛋白纤维的三维结构
每个交联蛋白有两个或两个以上的肌动蛋白结合位点，能与两个或多个肌动蛋白纤维交联，使细胞内肌动蛋白纤维形成网络结构
有些交联蛋白是杆状的，能弯曲，交联形成的网络具有弹性，能抵抗机械压力；有的交联蛋白球状，促使肌动蛋白成束排列
末端阻断蛋白
与肌动蛋白纤维的一端或两端结合，调节或维持肌动蛋白纤维的长度
结合肌动蛋白未端，相当于加上了帽子，抑制微丝生长，导致胞内出现较多短的微丝
纤维结构蛋白
与肌动蛋白纤维结合并切断它；由于能控制肌动蛋白丝的长度，可大大降低细胞中的黏度
切割产生的新末端可作为生长点，促进肌动蛋白装配·切割蛋白也可作为帽子封住肌动蛋白纤维的未端
肌动蛋白纤维解聚蛋白
存在于肌动蛋白丝骨架快速变化的部位，结合肌动蛋白丝，并引起肌动蛋白丝的快速解聚
膜结合蛋白
是非肌细胞质膜下方产生收缩的机器
剧烈活动的时候，由收缩蛋白作用于质膜产生的的粒引起质膜向外或向内移动（吞噬作用或胞质分裂）
膜结合蛋白&膜整合蛋白结合
膜结合蛋白&外周蛋白结合
微丝的装配机制
多种因素调节
当溶液中含有ATP、Mg2+以及较高浓度的K+或Na+时，G-actin可自组装成F-actin;
当溶液中含有适当浓度的Ca2+以及低浓度的Na+、K+时，肌动蛋白纤维趋向于解聚成肌动蛋白单体。
微丝的组装过程分为成核、聚合和稳定三个阶段
体外
①成核期（延迟期）:二聚体--三聚体“核心形成”
②延长期：“正极快速延长”，微丝两端的组装速度有差异，快速增长的一端是正端，缓慢增长的一端是负端。
③稳定期：两极平衡“踏车”现象，肌动蛋白聚合微丝的速度与其解离微丝的速度达到平衡，微丝长度不变，仍进行着聚合、解聚活动。
体内
微丝体内组装受一系列肌动蛋白结合蛋白的调节
img17肌动蛋白结合蛋白
成核因子通过成核作用来加速肌动蛋白的聚合--微丝成核蛋白
img18微丝装配的成核作用以及微丝网络的形成
①Arp2/3复合物：促使形成微丝网络结构，由Arp2、Arp3和其他5种附属蛋白组成，具有与微管成核时γ-TuRC相似的作用，是微丝组装的起始复合物。
②成核蛋白formin
启动细胞内不分支微丝的形成，共有15种
共同特征是含有FH1和FH2同源结构域：FH1结构域可与抑制蛋白（profilin)结合，FH2结构域启动肌动蛋白的成核聚合。
当新成核的微丝纤维生长时，二聚体保持结合在快速生长的正端，保护正极在延伸过程中不受加帽蛋白的影响，并通过直接与抑制蛋白(profilin)的结合提高延伸速度
微丝的组装可用踏车模型和非稳态动力学解释
微丝的组装受多种因素影响
cofilin/ADF蛋白家族单体剪切并催化肌动蛋白纤维的解聚
ADF蛋白家族通过两种方式加速解聚一一
①增加肌动蛋白单体从纤维末端（负端）的解离速度；
②剪切肌动蛋白纤维，使之片段化。
多种药物影响微丝组装
1细胞松弛素（cytochalasin)--抑制组装
真菌的一种代谢产物
切断MF,结合在MF未端，阻抑actin聚合一破坏微丝的三维网络
2鬼笔环肽（phalloidin)--稳定微丝
毒草产生的双环杆肽
-与微丝有强亲合作用，稳定微丝，抑制解聚
MF结合，不与G-actin结合，标记细胞中的微丝
微丝的功能
微丝构成细胞的支架并维持细胞的形态
如细胞皮层、应力纤维、微绒毛等
应力纤维，是在细胞膜下方由微丝束构成的纤维状结构，常与细胞的长轴平行，往往一端与细胞膜连接，另一端插入胞质，或与中间丝结合，应力纤维赋予细胞韧性和强度。
微丝在细胞内构成网络、或成束才能发挥作用；如20~30个成束的微丝及微丝结合蛋白构成微绒毛的核心。
微丝参与细胞运动
参与细胞的多种运动形式：变形运动、胞质环流、细胞内吞和外吐、胞内物质运输等；
运动机制：滑动机制微丝束聚合解聚
img20微丝参与细胞的运动
细胞变形运动：
①肌动蛋白的聚合形成伪足
②伪足与基质之间形成新的锚定点（黏着斑）;
③以附着点为支点向前移动(肌动蛋白纤维的解聚）。
微丝参与细胞分裂
胞质分裂通过质膜下由微丝束形成的收缩环完成
微丝参与肌肉收缩
肌细胞（纤维）--数百个肌原纤维---连串肌节（收缩单位）--由细肌丝和粗肌丝形成
具体过程
微丝参与细胞内物质运输
肌球蛋白（myosin):马达蛋白家族成员，它们以微丝作为运输轨道参与物质运输活动。
马达结构域头部：含微丝结合位点和ATP结合位点运输方向：负极--正极
微丝参与细胞内信号传导
细胞外信号分子--细胞膜受体--细胞内激酶变化--膜下肌动蛋白的结构变化
主要参与Rho蛋白家族有关的信号转导：
激活Cdc42,触发肌动蛋白的聚合成束，形成丝状伪足等；
激活Rac,启动肌动蛋白在细胞外周聚合成片状伪足和褶皱；
激活Rho,促进应力纤维、黏着斑形成
img21Rho
第三节 中间纤维
中间纤维的结构和类型
中间纤维是丝状蛋白多聚体
中间纤维（intermediatefilaments,IF)广泛存在于真核细胞中，最早在平滑肌细胞中发现，介于肌肉细胞的actin细丝和肌球蛋白粗丝之间，是最复杂的一种细胞骨架纤维。
中间纤维是一种坚韧、持久的直径10nm的蛋白质纤维，不受细胞松弛素或秋水仙素的影响。
中间丝的蛋白质分子复杂，不同来源的组织细胞表达不同类型的中间丝蛋白，是三类骨架纤中化学成分最复杂的一种。
碱性角蛋白、非上皮细胞的中间纤维蛋白、神经丝蛋白、核纤层蛋白、巢蛋白。
img22中间丝蛋白 的种类
中间纤维的种类、成分，可随细胞的生长或成熟而改变。
中间纤维蛋白的类型和分布较为复杂
img23中间丝蛋白的分子结构
中间纤维的装配与调节
IFAP
是一类在结构和功能上与中间丝有密切联系，但其本身不是中间丝结构组分的蛋白。
目前已知约15种，是中间丝超分子结构的调节者
如：flanggrin(聚纤蛋白）、plectin(网蛋白）、ankyrin(锚蛋白）等--具有细胞特异性。介导中间丝之间交联成束、成网，把中间丝交联到质膜或其他骨架成分上。（没有中间丝切割蛋白，加帽蛋白和马达蛋白）
共同特征
①具有中间丝类型特异性；
②表达有细胞专一性；
③不同的IFAP可存在于同一个细胞中与不同的中间丝组织状态相联系；
④在细胞中某些IFAP的表达与细胞的功能和发育状态有关。
具体过程
img24中间丝的组装
img24中间丝的组装 (2)
中间纤维的功能
中间纤维在细胞内形成一个完整的网状骨架系统
构成细胞完整的支撑网架系统，还与细胞核的形态支持和定位、相邻细胞之间、细胞与基膜之间连接结构的形成
中间纤维为细胞提供机械支撑
在容易受到机械应力的细胞中，中间纤维特别丰富。
体外实验表明，中间纤维比微管、微丝更耐受剪切力，在受到较大剪切力时不易断裂，在维持细胞机械强度方面有重要作用。
中间纤维参与细胞连接
一些器官和皮肤的表皮细胞是通过桥粒和半桥粒连接在一起，中间纤维参与黏着连接的桥粒、半桥粒，在细胞中形成一个网络，既能保持细胞形态，又能提供支持力。
中间纤维参与细胞内信息传递和物质运输
1中间纤维在体外与单链DNA有高度亲和性，在细胞内明显聚集在核周围，可能与DNA复制、转录有关。
2近年来发现中间纤维与mRNA运输有关，且胞质mRNA锚定于中间纤维，可能对其定位、是否翻译起作用。
中间纤维维持细胞核膜稳定
中间纤维参与细胞分化
1不同类型的IF严格地分布在不同类型的细胞中，具有组织细胞的特异性。
2发育不同阶段的细胞，会表达不同类型的中间纤维，是细胞分化的标志。
第四节 细胞的运动
微管与细胞运动
细胞运动鞭毛和纤毛的摆动：微管滑动模型
img15微管滑动模型
微丝与细胞运动
细胞变形运动：细胞运动是高度协同的复杂过程，依赖微丝与微丝结合蛋白相互作用，进行细胞的移动
过程
前沿伸出突起--形成伪足；
②伪足与基质之间形成新的锚定点（黏着斑）,附着在细胞的表面上；
③以附着点为支点向前移动（肌动蛋白纤维的解聚）。
爬行
第一步中，细胞爬行过程中，前缘膜下肌动蛋白聚合，正端接近细胞膜，使细胞膜形成突起一一板状、丝状伪足。
发育中的神经细胞，甚至能长出50pm长的丝状伪足，跟板状伪足同样，帮助探索周围环境，发现到达目标的正确途径。
丝状伪足接触到表面时，就依靠细胞膜上的整合蛋白--integrin,与细胞外基质中的分子或其他细胞表面的分子结合；而integrin的膜内表面部分，与微丝相连。
第三步，细胞通过内部收缩产生拉力--肌动蛋白与肌球蛋白相互作用，利用锚着点将胞体向前拉动。
细胞运动的调节机制
细胞外信号可以引起细胞骨架的重排
肌动蛋白聚合使细胞表面形成突起
细胞的黏附
细胞胞体前体
细胞外信号可以调节微丝结合蛋白活性，是细胞骨架重排，作出应答比如：质膜镶嵌受体蛋白--RhoGTP酶家族，成员有：Cdc42、Rac、Rho等；通过此家族成员的结合GTP→GDP,控制微丝在胞膜下的聚合→解聚。
细胞运动需要在特定方向上进行极化，而细胞分裂和多细胞结构的形成都需要对细胞极化进行精密调控；细胞骨架在细胞极化中有主导作用，而触发极化的许多分子，在进化上保守。
趋化chemotaxis:在可扩散化学因子调控下，细胞向某个方向的运动·如中性粒细胞表面的受体蛋白监测到来自细菌蛋白的浓度极低的N-甲酰化肽（原核细胞ATG:甲酰甲硫氨酸）,引导细胞向靶点运动。
细胞外信号可以指导细胞运动的方向
细胞内发生的细胞运动
胞质流动
膜泡运输
物质运输
染色体分离
细胞运动的调节因素
G蛋白信号途径
趋化分子的作用
Ca2+浓度梯度
第五节 细胞骨架与疾病
细胞骨架与肿瘤
恶性转化的细胞中，细胞常表现为细胞骨架结构的破坏和微管的解聚，而肿瘤浸润转移也与某些骨架成分的改变有关。
体外培养的肿瘤细胞共同特点：微管数量减少，网架紊乱；微丝应力纤维破坏和消失，肌动蛋白重组，形成小体，聚集于细胞皮层。
微管在胞质中的紊乱造成细胞形态异常，细胞器运动失常。
肿瘤细胞中中心体排列紊乱，失去相互垂直的排列。
微管和微丝可作为肿瘤化疗的药物靶位，长春花碱、秋水仙素和细胞松弛素及其衍生物作为化疗药物，抑制细胞增殖、诱导凋亡。
绝大多数肿瘤细胞，即使转移后，依旧表达其原发肿瘤的中间纤维类型，可依此区分肿瘤来源，用于肿瘤诊断。
细胞骨架蛋白与神经系统疾病
阿尔茨海默病：高度磷酸化tau蛋白的异常积累是患者认知衰退和记忆丧失的重要原因，磷酸化的tau不能结合微管蛋白，导致神经纤维缠结帕金森病、肌萎缩性侧索硬化症、幼稚性脊柱肌肉萎缩症等都与神经丝蛋白的异常表达与异常修饰有关。
细胞骨架与遗传性疾病
单纯性大疤性表皮松解症：遗传性皮肤病，角蛋白14基因突变，皮基底细胞中的角蛋白纤维网络受到破坏，皮肤容易受到机械损伤，轻微挤压即可使患者皮肤起疤。
人类不动纤毛综合征
概述
细胞骨架的概念
组成
微管（microtubule,MT)--直径25nm
微丝（microfilament,MF)--直径5~7nm
中间丝（intermediatefilament,IF)--直径10nm
特点
由各自蛋白质亚基组成的多聚体，有不同的机械特性，3类骨架成分既分散于细胞质中，又相互联系成一个完整的骨架体系
广义概念
细胞质骨架
细胞核骨架
核纤层
细胞外基质
分布
微丝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
中间纤维分布在整个细胞中
功能
1、维持细胞形态
2、定位细胞器
3、参与细胞运动
4、参与物质运输
5、参与细胞活动
6、参与信息传递
img25总结