细胞生物学细胞骨架

细胞生物学细胞骨架，细胞生物学各章知识总结

细胞骨架

• 微丝与细胞运动
  • 微丝的组成及其组装
    • 结构与成分
      • 微丝的主要结构成分是肌动蛋白。在细胞中，肌动蛋白以两种形式存在：单体和多聚体，即微丝是由肌动蛋白单体（G-actin）装而成的纤维状多聚体（F-actin）。
      • 单体肌动蛋白结构
        • 由一条多肽链构成的球形分子。X 射线衍 射分析显示有一个裂缝将肌动蛋白分成两瓣，每个瓣有两个结构域。在裂缝内部有一个核苷酸（ATP 或 ADP）和一个二价阳离子（Ca2+或 Mg2+）的结合位点
      • 7 nm 纤维
        • F-肌动蛋白呈双股螺旋状，直径为 7 nm
      • 微丝由两条肌动蛋白单链螺旋盘绕形成的纤维，肌动蛋白纤维像一个右手螺旋的双链串珠，每个肌动蛋白单体周围都有 4 个亚单位，呈上、下及两侧排列
    • 微丝的体外组装及其动力学特征
      • 肌动蛋白单体体外组装成微丝的过程
        • 成核反应
        • 纤维的延长
        • 稳定期
      • 微丝体外组装的动力学特征
        • 微丝是一种极性分子
          • 具有两个不同的末端，结合 ATP 豁口的一端为负极（－），另外一端为正极 （+）。组装时，正极组装速度较负极快
        • 临界浓度时，达到动态平衡
          • 在微丝装配时，若 G-actin 添加到 F-actin 上的速度正好等于 G-actin 从 F-actin 上失去的速度时，微丝净长度没有改变，组装过程达到一个稳定的动态平衡状态。此时体系中 G-actin 的浓度称为临界浓度（Cc），在数值上等于解聚速度常数和组装速度常数的比值，即 Cc =Koff/Kon
        • 在试管中可以看到单根微丝的踏车行为
          • 踏车行为，即在体外组装过程中见到的微丝的正极端由于肌动蛋白亚基的 不断添加而延长，负极端则由于肌动蛋白亚基去组装而缩短，微丝长度几乎保持不变的现象
    • 影响微丝组装的特异性药物
      • 细胞松弛素 B
        • 用细胞松弛素处理活细胞，细胞质中微丝骨架坍塌，动物细胞的各种活动瘫痪，包括运动、吞噬、胞质分裂等。细胞松弛素对肌肉收缩没有影响
      • 鬼笔环肽
        • 阻止微丝解体
        • 用荧光标记的鬼笔环肽对细胞进行染色可以在荧光显微镜下观察微丝在细胞中的分布
  • 微丝网络动态结构的调节与细胞运动
    • 非肌肉细胞内的微丝结合蛋白
      • 微丝结合蛋白
        • 泛指那些与肌动蛋白结合的蛋白，具有稳定微丝的作用，并影 响微丝的交联以及微丝与其它细胞器的相互作用等
      • 细胞内微丝网络的存在形式和功能通常取决于微丝结合蛋白，而不是微丝本身
      • 微丝结合蛋白的类型
        • 肌动蛋白的单体结合蛋白
          • 胸腺嘧素和抑制蛋白能够与单体 G-肌动蛋白结合，抑制 G-肌动蛋白的聚合，因此将这些蛋白称为肌动蛋白单体隔离蛋白，此类蛋白在非肌细胞中负责维持细胞质中单体肌动蛋白的浓度
        • 成核蛋白
          • 在细胞内，肌动蛋白的组装受胞外信号的调控，其成核过程受成核蛋白 Arp2/3 复合物的催化，活化的 Arp2/3 复合物与细胞膜或其他细胞结构结合，提供一个肌动蛋白的结合位点，新的肌动蛋白亚基在正极加入，Arp2/3 复合物则位于纤维的负极。Arp2/3 复合物也可以结合在已有的微丝上启动新的微丝组装，新形成的微丝与原有的微丝纤维呈 70°夹角
        • 加帽蛋白
          • 与微丝末端结合阻止微丝解聚或过度组装的蛋白称为加帽蛋白
        • 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
        • 割断和解聚蛋白
          • 与已经存在的肌动蛋白纤维结合并将它一分为二。由于纤维切割蛋白能够控制微丝的长度，因此大大降低了微丝在细胞中的粘度，经纤维切割蛋白作用产生的新末端能够作为生长点，促使 G-actin 的装配
    • 细胞皮层
      • 紧贴细胞质膜的细胞质区域由微丝结合蛋白将微丝交联形成的凝胶状三维网络结构
      • 细胞的多种运动方式（如胞质环流、阿米巴运动即变形虫运动、变皱膜运动、细胞吞噬）都与细胞皮层内肌动蛋白的凝胶状态和溶胶状态之间的转化有关
    • 应力纤维
      • 也称为张力纤维
      • 维具有收缩功能，但不运动，用于维持细胞的形状和赋予细胞韧性和强度。培养的成纤维细胞中具有丰富的应力纤维，并通过粘着斑固定在基质上。在体内应力纤维使细胞具有抗剪切力
    • 细胞伪足的形成与细胞迁移
    • 微绒毛
      • 微绒毛对扩大小肠的表面积、增强消化和吸收功能具有重要意义
    • 胞质分裂环
      • 有丝分裂的末期，两个即将分离的子细胞内产生收缩环（contractile ring）或称胞质分裂环，由平行排列的微丝和肌球蛋白（myosin II）组成，通过肌动蛋白与肌球蛋白分子的相互作用产生收缩的动力，使收缩环收缩，形成分裂沟，细胞一分为二
  • 肌球蛋白：依赖于微丝的分子马达
    • 肌球蛋白是将微丝作为运行的轨道， 驱动蛋白和动力蛋白则是以微管作为运行的轨道
    • 肌球蛋白的结构
      • 由一条重链和几条轻链组成
      • 肌球蛋白重链一般含有 3 个功能结构域，分别是：与运动相关的马达结构域、调控结构域以及与肌球蛋白复合体的组装相关或者是选择性地和所运输的“货物”结合 的尾部结构域
        • 马达结构域位于肌球蛋白的头部，包含一个肌动蛋白丝结合位点和一个具有 ATP 酶活性的ATP 结合位点。马达结构域是肌球蛋白超家族各成员之间高度保守，是肌球蛋白定性和分类的依据，负责将 ATP 水解释放的化学能转变为机械能
    • 肌球蛋白的种类
      • 除了 VI 型肌球蛋白向负极 运动外，其余的肌球蛋白趋向微丝的正极运动
      • Ⅰ型肌球蛋白
        • 单头分子马达蛋白，在体外不能组装成纤维。
      • Ⅴ型肌球蛋白
        • Ⅴ肌球蛋白的两个头交替与微丝结合确保整个分子始终与微丝相连。Ⅴ型肌球蛋白主要负责细胞内短距离的膜泡运输
      • Ⅱ型肌球蛋白及其运动的证据
  • 肌细胞的收缩运动
    • 肌纤维的结构
      • 一个肌细胞（肌纤维）中含有许多肌原纤维
      • 肌原纤维由粗肌丝和细肌丝装配形成
      • 粗肌丝的主要成分是肌球蛋白
      • 细肌丝的主要成分是肌动蛋白、原肌球蛋白和肌钙蛋白
    • 细肌丝的分子结构
      • 原肌球蛋白
        • 加强和稳定肌 动蛋白丝，抑制肌动蛋白与肌球蛋白结合
      • 肌钙蛋白
    • 肌肉收缩的滑动模型
      • 肌肉收缩的基本过程
        • 动作电位的产生
        • Ca2+释放：肌细胞上的动作电位引起肌质网 Ca2+电压门通道开启，肌浆中 Ca2+浓度升高
        • 原肌球蛋白位移：肌钙蛋白与 Ca2+结合，引发原肌球蛋白构象改变，暴露出肌动蛋白与肌球蛋白的结合位点，肌球蛋白得以与激动蛋白结合
        • 粗肌丝和细肌丝的相对滑动：肌球蛋白头部马达结构域通过结合 ATP、水解 ATP 引起头部、颈部构象变化，导致肌球蛋白头部在细肌丝表面的位移， 从而引起粗肌丝和细肌丝间的相对滑动，肌节缩短
        • Ca2+的回收：到达肌肉细胞的一系列冲动一经停止，肌质网就通过主动运输（Ca2+泵）回收 Ca2+，于是收缩周期停止
      • 肌球蛋白工作原理
        • 在初始状态，组成粗肌丝的肌球蛋白头部（马达结构域）没有结合 ATP 时，突出于粗肌丝表面的头部与细肌丝上的肌动蛋白亚基紧密结合，肌球蛋白头部呈僵直构象
• 中间丝
  • 概况
    • 最稳定的细胞骨架成分，它主要起支撑作用
    • 具有很强的抗拉能力，主要功能是使细胞在被牵伸时能经受住机械力的作用
    • 中间丝在细胞中围绕着细胞核分布，成束成网，并扩展到细胞质膜，与质膜相连结
  • 主要类型和组成成分
    • 中间丝蛋白结构
      • 来源于同一基因家族，具有高度相似性
  • 中间丝的组装与表达
    • 中间丝蛋白在合适的缓冲体系中能自我组装成 10nm 的丝状结构，而且不消耗能量
    • 中间丝的装配与去装配是动态的，没有表现出明显的踏车行为
  • 中间丝与其他细胞结构的联系
    • 细胞质中间丝在结构上往往起源于核膜周围，伸向细胞周缘，并于细胞质膜上的特殊结构如桥粒、半桥粒结构相连
    • 核纤层存在于细胞核膜内侧，由Ⅴ型中间丝蛋白组装而成
• 微管及其功能
  • 微管的结构组成与极性
    • 微管的结构与成分
      • 是由 αβ-微管蛋白二聚体构成
      • 2 种相似的球状蛋白亚基（α 微管蛋白和 β 微管蛋白）靠非共价键结合成 αβ-微管蛋白异二聚体
      • 每一个微管蛋白二聚体有两个 GTP 结合位点，一个位于 α 亚基，另一个位于 β 亚基上。α 亚基上的 GTP 结合位点是不可逆的结合位点，结合在 β 亚基上的GTP 能够被水解成 GDP
      • 还有一个秋水仙素结合位点，一个长春花碱的结合位点和二价阳离子 Mg2+的结合位点
      • 在生物进化上可能是最稳定的蛋白分子之一
    • 微管的组成与极性
      • αβ-微管蛋白异二聚体纵向排列→原纤丝（protofilament）→13原纤丝合拢后构成微管的管壁
      • 每一根原纤丝的一端是 α-微管蛋白，另一端是 β-微管蛋白，因此微管在结构上是有极性的
      • 微管有 3 种类型：单管（细胞质微管和体微管），二联管（纤毛和鞭毛中）和三联管（triplet）（中心粒和基体中）
  • 微管的组装与去组装
    • 除了特化细胞的微管外，大多数细胞质微管都是不稳定的，能够很快地组装（assembly）和去组装（disassembly）。低温、提高 Ca2+浓度、用某些化学试剂（如秋水仙素）处理生活细胞都会破坏细胞质微管的动态变化
    • 微管的体外组装与踏车行为
      • 体外组装
        • 分为成核（nucleation）和延长（elongation）两个阶段，其中成核反应是微管组装的限速步骤
        • 具体组装 过程可以分为：①原纤维装配；②侧面层装配；③微管延伸
      • 踏车行为
        • 在一定条件下，微管两端的装配速度不同，表现出明显 的极性。微管的正极发生 GTP-微管蛋白的添加，使微管不断延长，另一端为负极，由于 GDP-微管蛋白发生解聚而使微管缩短。当体系中αβ二聚体的浓度处于临界浓度时，微管蛋白在正极组装的速度与在负极去 组装的速度相等，此时微管的长度保持不变，微管的这种装配方式称为踏车运动
    • 作用于微管的特异性药物
      • 抑制与微管的组装和去组装有关的细胞活动
      • 秋水仙素（colchicine，与微管蛋白亚基结合，阻碍组装，但不影响解聚）
      • 诺考达唑（nocodazole）和紫杉醇（taxol，与微管结合，阻止解聚，但不影响组装）
  • 微管组织中心
    • 在活细胞内，存在于细胞质中决定微管在生理状态或实验处理解聚后重新组装的结构叫微管组织中心
    • 微管组织中心是微管组装的起始点，其主要作用是帮助大多数细胞质微管组装过程中的成核反应
    • 中心体是动物细胞中主要的微管组织中心
    • 基体是纤毛和鞭毛的微管组织中心
      • γ-微管蛋白（γ- tubulin）在微管组织中心的作用
        • γ-微管蛋白通过与 αβ-微管蛋白的相互作用帮助微管的成核反应。非微管蛋白决定螺旋形支架（基底部分），13 个 γ-微管蛋白和 1～2 个 α-微管蛋白/β-微管蛋白异二聚体结合到支架上
  • 微管的动力学性质
    • 细胞内的微管可以分为稳定微管和不稳定微管两类
  • 微管结合蛋白对微管网络结构的调节
    • 微管结合蛋白或微管相关蛋白
      • 附着于微管多聚体上，参与微管的装配并增加微管的稳定性，包括 MAPl，MAP2，MAP4，tau 蛋白等
    • 微管结合蛋白包含 2 个区域
      • 一个是碱性的微管结合区域，该结构域可以与微管结合，加速微管的成核作用
      • 一个是酸性的突出区域，以横桥的方式与其他骨架纤维相连接，突出区域的长度决定微管在成束时的间距大小
  • 微管的功能
    • 微管对细胞结构的组织作用
      • 在神经细胞的轴突和树突中，微管束沿长轴排列，起支撑作用，在胚胎发育阶段微管帮助轴突生长，突入周围组织，在成熟的轴突中，微管是物质运输的路轨
      • 在培养的细胞中，微管呈放射状排列在核外，正极（+）指向质膜，形成平贴在培养皿上的形状
    • 细胞内依赖于微管的物质运输
      • 微管再细胞内物质运输中起路轨作用，单根微管上的物质运输可以是双向的，破坏微管会抑制细胞内的物质运输
      • 细胞内依赖于微管的物质运输需要两类马达蛋白
        • 驱动蛋白
          • 驱动蛋白的分子结构及其功能
            • 两个球形的头、一个螺旋状的杆和两个扇子状的尾
            • 划分为 14 个家族和一个暂时无法归类的“orphan kinesin”
            • 根据马达结构域在整个驱动蛋白分子中的位置，14 个家族的成员归为 3 大类
              • 氨基端驱动蛋白（N-kinesin）：位于氨基端
              • 羧基端驱动蛋白（C-kinesin）：位于羧基端
              • 中间型驱动蛋白（M-kinesin）：位于中间部位
            • 一般来说，N-kinesins 从微管负极向正极移动，即细胞中心向细胞的外围运动或者沿着神经元细胞向着轴突末端运动；C-kinesins 从微管正极向负极移动，即向着细胞的中心运动；M-kinesin 的作用是使微管解聚
            • 大多数N-kinesin均以同源二聚体的形式存在
          • 驱动蛋白沿微管运动的分子机制
            • “步行”模型和“尺蠖”爬行模型
        • 胞质动力蛋白
          • 细胞质动力蛋白存在于所有的真核细胞中，其典型的重链形成同源二聚体，两个巨大的马达结构域作为头部，负责细胞内囊泡向微管负极运输以及高尔基体的定位
    • 纤毛和鞭毛
      • 是细胞表面相似的两种细胞特化结构，具有运动功能。纤毛、鞭毛中存在的依赖于 微管的马达蛋白为轴丝动力蛋白
      • 纤毛的结构
        • 外部包裹的纤毛膜是质膜特化部分，内部是微管及其附属蛋白组装而成的轴丝
        • 轴丝微管主要有 3 种模式：9+2； 9+0； 9+4；
        • 基体：9 组三联体
      • 纤毛的组装
        • 一个从高尔基体上分离的膜泡形成中心粒膜泡（CV），包裹在成熟的母中心粒的顶端， 一些中心体蛋白从母中心粒的的顶端移除
        • 母中心粒开始延伸并获取成为基体所需的附属结构，初生轴丝开始显现。CV 最终成为次级中心粒膜泡（SCV）
        • 母中心粒随同 SCV 向质膜下移，当母中心粒锚定在纤毛组装位点时，SCV 与质膜融合形成纤毛项链
        • 在鞭毛内运输复合物的介导下，原生纤毛进一步装配并延长
      • 鞭毛和纤毛的运动机制
        • 滑动学说认为纤毛运动由相邻二联体微管之间相互滑动所致
    • 纺锤体和染色体运动
      • 纺锤体：一种由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当细胞从间期进入分裂期时，间期细胞的胞质微管网架崩解，微管解聚为微管蛋白，经重装配形成纺锤体，介导染色体的运动；分裂末期，纺锤体微管解聚为微管蛋白，经重装配形成胞质微管网
      • 纺锤体微管可分为 3 类
        • 动粒微管：连接动粒与两极的微管
        • 极微管：从两极发出，在纺锤体中部互相交错重叠的微管
        • 星微管：从中心体向周围呈辐射状分布，形成星体
      • 染色体运动的分子机制曾有 2 种学说
        • 动力平衡学说：认为染色体的运动与微管的装配-去装配有关
        • 滑行学说：认为染色体的运动与微管间的相互滑动有关