第七章 细胞骨架与细胞的运动

第七章细胞骨架与细胞的运动 细胞骨架（cytoskeleton）：是指真核细胞质中，对于细胞的形状、细胞的运动、细胞内物质的运输、染色体的分离和细胞分裂等均起重要作用的蛋白质纤维网架体系。细胞骨...

第七章 细胞骨架与细胞的运动

• 微管
  • 微管蛋白与微管的结构
    • 分布特点：在光镜下可观察到由内向外呈辐射状分布的微管结构；由核周向外呈辐射状分布
    • 亚显微结构特点：呈不分支的中空管状结构，外径约24~26nm，内径约15nm，管壁厚约5nm；长度变化很大；在大多数细胞中，仅有几微米，但在某些特定的细胞如中枢神经系统的运动神经元，他们可长达数厘米。
  • 化学组成
    • 由13根原纤丝排列围成，原纤丝由微管蛋白异二聚体头尾相接而成。微管由微管蛋白和微管结合蛋白（MAP）组成
    • 微管蛋白
      • 呈球状，是一类酸性蛋白，占微管总蛋白质含量的80%~95%。微管由α，β和γ微管蛋白分子组成
      • α，β微管蛋白
        • 理化性质相似，C端均含有酸性氨基酸序列，使微管表面带有较强的负电荷。
        • 形成异二聚体，是胞质内游离态微管蛋白的主要存在形式，也是微管装配的基本单位。
        • 微管蛋白二聚体有2个GTP结合位点。α微管蛋白GTP结合位点不可替换；β微管蛋白在微管蛋白二聚体组装形成微管后即可被水解成GDP。
        • 二聚体存在镁离子，钙离子；秋水仙素；长春花碱结合位点
      • γ微管蛋白
        • 约占微管蛋白质总量的1%
        • γ微管蛋白一般形成γ-管蛋白环形复合体，它可刺激微管核心形成，并包裹微管蛋白的负端防止微管蛋白的渗入
        • γ微管蛋白通常位于微管组织中心（MTOC），为微管的形成、微管的数量和位置、微管极性的确定及细胞分裂起重要作用
      • 微管结合蛋白
        • 同微管相结合的辅助蛋白，它们不是构成微管壁的基本构件，而是在微管蛋白组装成微管之后，结合在微管的表面
        • 微管相关蛋白主要包括MAP1、MAP2、MAP4、Tau等
        • 微管结构域：该结构域带正电荷，能与带负电荷的微管表面相互作用，具有稳定微管的作用
        • 向外突出的结构域：该结构域带负电，其突出部位伸到微管外与相邻的微管或细胞结构相作用，突出区域的长度决定微管在成束时的间距大小
  • 存在形式
    • 单管：13条原纤维组成，细胞质中大部分微管为单管
    • 二联管：两根微管组成，分为A管、B管；A管和B管共用3跟原纤维，共含23根原纤维，主要构成鞭毛和纤毛
    • 三联管：由A、B、C三根微管组成，各共用3根原纤维，共含33根原纤维，主要构成中心粒、鞭毛和纤毛的基体中
  • 装配与动力学
    • 成核期
      • α-微管蛋白与β-微管蛋白结合形成αβ异二聚体
      • αβ异二聚体首位顺序相连，形成极性链状结构——原纤丝；该过程也被称为成核反应
      • 原丝之间通向侧面结合，形成包含13根原纤丝的片层结构
    • 聚合期
      • 细胞内高浓度的游离微管蛋白聚合速度大于解聚速度
      • 新的异二聚体不断在微管正端聚合，微管得以不断的生长、延长
    • 稳定期
      • 游离微管蛋白达到临界浓度
      • 一端微管的组装速度与解聚速度相同，微管的长度趋于相对稳定
      • 当微管体外组装时，处于平衡期时，能够观察到“踏车现象”
    • 微管组织中心（微管装配的起始点）
      • 微管组织中心微管形成的核心位点，微管的组装由此开始。常见的微管组织中心为中心体和纤毛的基体
      • 帮助细胞质中的微管在装配过程中成核，接着微管从微管组织中心开始生长
      • 中心体
        • 基本结构：位于细胞核附近，在细胞有丝分裂时位于细胞两级；包括两个中心粒和中心粒旁物质；是细胞内重要的微管组织中心
        • 重要功能：决定微管形成；与细胞有丝分裂关系密切；主要参与纺锤体的形成
    • 微管的体外装配
      • 在适当的情况下，微管可以在体外组装，微管组装的动态调节有两个理论模型，即微管踏车模型和非稳态动力学模型
    • 微管的体内装配
    • 影响因素
      • GTP浓度、温度、压力、pH值、离子浓度、微管蛋白临界浓度等
      • 药物因素：紫杉醇、秋水仙素
  • 主要功能
    • 支持和维持细胞的形态
    • 参与细胞内物质运输
    • 参与中心粒、纤毛和鞭毛的形成
    • 维持细胞内细胞器的定位和分布
    • 参与染色体的运动，调节细胞分裂
• 微丝
  • 概述
    • 成分：又称肌动蛋白丝，是由肌动蛋白亚单位组成的螺旋状纤维
    • 分布：在肌肉细胞中占细胞总蛋白的10%，结构稳定，组成了肌细胞的收缩单位。在非肌肉细胞中占细胞总蛋白的1%~5%，结构通常不稳定。、
    • 结构：由两条平行的蛋白单链以右手螺旋方式缠绕组成的实心纤维细丝，直径约为6~7nm
  • 化学组成
    • 肌动蛋白结构：375aa，43KDa；外观呈哑铃状；具有ATP/ADP的结合位点；具有二价阳离子的结合位点；具有肌球蛋白结合位点；具有极性
    • 肌动蛋白类型：α肌动蛋白、β肌动蛋白、γ肌动蛋白（等电点的不同）；球状肌动蛋白，纤维状肌动蛋白（细胞内的存在形式）
  • 装配与动力学
    • 成核期：首先形成G-actin的2-3寡糖聚体核心；微丝组装的限速步骤；成核过程需要Arp2/3（成核蛋白）复合物的参与）
    • 聚合期：G-actin具有ATP活性；微丝组装速度快于G-actin水解ATP的速度时，形成肌动蛋白-ATP亚基构成的ATP帽；“+”>“-”，微丝延长
    • 稳定期：微丝组装到一定长度时；肌动蛋白亚基组装和去组装的速度达到平衡状态；“+”添加G-actin不断延长；同时“-”不断解聚缩短，“踏车模型”
    • 组装的动态调节：踏车模型、非稳态动力学模型
    • 相关蛋白：微丝结合蛋白：单体结合蛋白，单体隔离蛋白，末端阻断蛋白，交联蛋白，纤维切割蛋白肌动蛋白纤维解聚蛋白，膜结合蛋白。
    • 影响因素：常见因素（镁离子，高浓度钠离子钾离子、ATP、钙离子以及低浓度的钠离子钾离子）、药物（细胞松弛素、鬼比环肽）
  • 功能
    • 构成细胞支架，维持细胞形态
    • 参与细胞运动
    • 参与细胞分裂
    • 参与肌肉收缩
    • 参与细胞内物质运输
• 中间纤维
  • 概述
    • 特点：直径10nm左右，介于微丝和微管之间，是最稳定的细胞骨架成分。
    • 功能：主要起支撑作用
    • 分布：在细胞中围绕着细胞核成束成网分布，并扩展到细胞质膜，与细胞质膜相连结
  • 中间纤维是丝状蛋白多聚体
  • 中间纤维的类型
  • 中间纤维的装配和调节
    • 装配
      • 两个平行排列的中间纤维蛋白分子形成螺旋状的二聚体
      • 由两个二聚体反向平行排列成一个四聚体
      • 两个四聚体组装成一个八聚体
      • 两个八聚体组装成中间纤维
      • 中间纤维两端是对称的，不具有极性的
    • 调节
      • 中间纤维的组装和去组装是通过磷酸化和去磷酸化进行控制的
      • 中间纤维蛋白丝氨酸和苏氨酸残基的磷酸化作用是中间纤维动态调节最常见最有效的调节方式
    • 功能
      • 在细胞内形成一个完整的网状骨架系统
      • 为细胞提供机械强度支持
      • 参与细胞连接
      • 参与细胞内信息传递及物质运输
      • 维持细胞核膜稳定
      • 参与细胞分化
• 细胞骨架与疾病
  • 细胞骨架与肿瘤
  • 细胞骨架蛋白与神经系统疾病
  • 细胞骨架与遗传性疾病