細胞骨架與細胞運動

細胞骨架與細胞運動第1頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月☆概念細胞骨架：是指存在于真核細胞中的蛋白纖維網(wǎng)架體系。

有狹義和廣義兩種概念：◆狹義的指細胞質(zhì)骨架，包括微絲、微管和中間纖維?！魪V義的包括細胞核骨架、細胞質(zhì)骨架、細胞膜骨架和細胞外基質(zhì)。第2頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月●分布◆微管主要分布在核周圍,并呈放射狀向胞質(zhì)四周擴散?！粑⒔z主要分布在細胞質(zhì)膜的內(nèi)側(cè)?！糁虚g纖維則分布在整個細胞中。10.1細胞骨架(cytoskeleton)的組成和功能10.1.1細胞骨架的組成和分布●組成微管、微絲（肌動蛋白纖維）和中間纖維。第3頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月第4頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月10.1.2細胞骨架的功能●作為支架(scaffold)●在細胞內(nèi)形成一個框架(framework)結(jié)構(gòu)●為細胞器的運動和細胞內(nèi)物質(zhì)運輸提供機械支持●為細胞從一個位置向另一位置移動，纖毛和鞭毛●為信使RNA提供錨定位點，促進mRNA翻譯成多肽●參與細胞的信號傳導●是細胞分裂的機器，核分裂和胞質(zhì)分裂第5頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月■熒光顯微鏡在細胞骨架研究中的應(yīng)用■電視顯微鏡(videomicroscopy)■電子顯微技術(shù)的應(yīng)用10.1.3細胞骨架的研究方法相同細胞中微管、微絲和中間纖維的熒光定位用電視顯微鏡觀察到的微管發(fā)動機的運動示意圖細胞骨架的電子顯微鏡檢查第6頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月10.2微管（Microtubules）10.2.1微管結(jié)構(gòu)和類型（一）成分：α，β微管蛋白，其二聚體是微管裝配的基本單位，α，β微管蛋白都長4nm,二聚體為8nm。

兩個GTP結(jié)合位點：α上的GTP是不能水解β結(jié)合的GTP水解成GDP（二）形態(tài)：長管狀結(jié)構(gòu)，外徑24nm，內(nèi)徑15nm，其壁包括13條原纖維。第7頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）類型：單管：又稱單體二聯(lián)管：又稱雙聯(lián)體(纖毛和鞭毛中)三聯(lián)管：稱三聯(lián)體(中心粒和基體中)第8頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月10.2.2微管裝配的動力學◆微管裝配的起點：微管組織中心◆概念:存在于細胞質(zhì)中決定微管在生理狀態(tài)或?qū)嶒炋幚斫饩酆笾匦陆M裝的結(jié)構(gòu)叫微管組織中心。微管從微管組織中心向外生長第9頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月常見微管組織中心：◆間期細胞MTOC：中心體(動態(tài)微管)◆分裂細胞MTOC：有絲分裂紡錘體極(動態(tài)微管）◆鞭毛纖毛細胞MTOC：基體(永久性結(jié)構(gòu))第10頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月中心粒結(jié)構(gòu)●MTOCs與微管的方向靠近MTOCs的一端由于生長慢而稱之為負端(minusend)遠離MTOCs一端的微管生長速度快,被稱為正端(plusend)

γ微管蛋白的作用：第11頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月①α-微管蛋白和β-微管蛋白形成αβ二聚體。②αβ二聚體平行于長軸重復排列形成原纖維。③進一步經(jīng)過側(cè)面增加二聚體而擴展為螺旋帶,當螺旋帶加寬至13根原纖維時,即合攏形成一段微管。④然后在端部不斷添加二聚體使微管延長。

◆微管裝配過程第12頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月◆微管的極性

①裝配的方向性，有“頭”、“尾”之分。

②生長速度的快慢

正端生長得快,負端則慢,同樣,如果微管去組裝也是正端快負端慢。第13頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月●1972年，Weisenberg首次體外組裝,組裝的基本條件:Mg2+、GTP和EGTA和適當?shù)臏囟??！裨斐晌⒐懿环€(wěn)定性的因素GTP濃度、壓力、溫度(最適溫度37℃)、pH(最適pH=6.9)、微管蛋白臨界濃度(criticalconcentration)、藥物等(圖)?！鲇绊懳⒐芙M裝和去組裝的因素第14頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月◆影響微管穩(wěn)定性的藥物◆秋水仙素(colchicine)：秋水仙素同未聚合的微管蛋白二聚體結(jié)合,形成的復合物可以阻止微管的成核反應(yīng)，阻止微管聚合。

◆紫杉酚(taxol)：紫杉醇只結(jié)合到聚合的微管上,維持了微管的穩(wěn)定，阻止微管解聚。

第15頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月●踏車現(xiàn)象(treadmilling)又稱輪回現(xiàn)象,是微管組裝后處于動態(tài)平衡的一種現(xiàn)象。即微管的總長度不變，但結(jié)合上的二聚體從(+)端不斷向(-)端推移,最后到達負端(受各種物質(zhì)濃度和生理狀態(tài)的影響)。◆微管組裝的動力學現(xiàn)象:第16頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月微管隨反應(yīng)體系中游離αβ二聚體的濃度變化而發(fā)生的生長狀態(tài)和縮短狀態(tài)的轉(zhuǎn)變◆動態(tài)不穩(wěn)定性(dynamicinstability)第17頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月10.2.3微管結(jié)合蛋白(microtubule-associatedproteins,MAPs)蛋白質(zhì)相對分子質(zhì)量(kDa)來源MAP350神經(jīng)組織MAP1B(MPA5)325神經(jīng)組織MAP，MPA2B270神經(jīng)組織MAP70神經(jīng)組織Tau蛋白50-65神經(jīng)組織MAP4200廣泛存在MAP3180廣泛存在發(fā)動蛋白(dynamin)100神經(jīng)組織■微管結(jié)合蛋白的種類和結(jié)構(gòu)特點MAPs家族：具有兩個結(jié)構(gòu)域,一個是堿性的微管蛋白結(jié)合結(jié)構(gòu)域,另一個是酸性的外伸的結(jié)構(gòu)域。第18頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月①使微管相互交聯(lián)形成束狀結(jié)構(gòu)，也可以使微管同其它細胞結(jié)構(gòu)交聯(lián),這些結(jié)構(gòu)包括質(zhì)膜、微絲和中間纖維等；②通過與微管成核點的作用促進微管的聚合；③在細胞內(nèi)沿微管轉(zhuǎn)運囊泡和顆粒，因為一些分子發(fā)動機能夠同微管結(jié)合轉(zhuǎn)運細胞內(nèi)的物質(zhì)；④提高微管的穩(wěn)定性。■MAPs的功能第19頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月概念：細胞內(nèi)有一類蛋白質(zhì)能夠用ATP供能,產(chǎn)生推動力，進行細胞內(nèi)的物質(zhì)運輸，這種蛋白分子稱為分子發(fā)動機或發(fā)動機蛋白(motorproteins)。10.2.4分子發(fā)動機(molecularmotor)機械發(fā)動機發(fā)動機蛋白第20頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月分子發(fā)動機移動的主要特點

◆第一：運輸是單方向的，一種發(fā)動機只能引導一個方向的運輸發(fā)動機蛋白單向運輸?shù)?1頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月◆第二：運輸是逐步進行而非連續(xù)進的：●能源是ATP●通過構(gòu)像的變化才能完成行進的動作第22頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月分子發(fā)動機的類型

驅(qū)動蛋白(kinesins)家族：

Tomovealongmicrotubules

動力蛋白(dyneins)家族:Tomovealongmicrotubules肌球蛋白(myosins)家族:

Tomovealongmicrofilaments第23頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月●分子結(jié)構(gòu)：四聚體，兩條重鏈（球形的頭部，ATP結(jié)合位點，供能，稱為“引擎”）和2條輕鏈（構(gòu)成扇形的尾部，貨物結(jié)合位點）●運輸方向：從微管的(-)端移向微管的(+)端●運輸速度：驅(qū)動蛋白每跨一步的長度為8nm,正好是一個αβ微管二聚體的長度。速度高時可達每秒900nm驅(qū)動蛋白(kinesins)的結(jié)構(gòu)和功能：第24頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月◆胞質(zhì)動力蛋白是一個巨大的分子◆包括兩條重鏈和幾條輕鏈◆沿微管的正端（+）向負端（-）移動◆功能●參與細胞分裂●運輸小泡和各種膜結(jié)合細胞器胞質(zhì)動力蛋白

驅(qū)動蛋白與動力蛋白第25頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月10.2.5微管的功能：◆支架作用◆細胞內(nèi)物質(zhì)的運輸◆鞭毛(flagella)運動和纖毛(cilia)運動◆紡錘體與染色體運動◆1、支架作用培養(yǎng)的動物細胞中的微管第26頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月◆2、細胞內(nèi)物質(zhì)的運輸：神經(jīng)元軸突的運輸順向運輸：從細胞體到軸突和軸突末梢，靠驅(qū)動蛋白，如分泌泡和神經(jīng)遞質(zhì)逆向運輸：從軸突和軸突末梢到細胞體到，靠動力蛋白，如內(nèi)吞泡和營養(yǎng)物質(zhì)第27頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月3、◆色素顆粒的運輸：微管依賴性的魚的色素細胞中色素分子的分散與聚集第28頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月◆MTOC（－）位于高爾基體附近，向外發(fā)射（+）?！鬋OPⅡ被膜小泡：需要胞質(zhì)動力蛋白◆COPⅠ被膜小泡：需要胞質(zhì)驅(qū)動蛋白◆披網(wǎng)格蛋白小泡：需要胞質(zhì)驅(qū)動蛋白運輸細胞中微管介導的物質(zhì)運輸：◆包括胞質(zhì)驅(qū)動蛋白（－到+）：主要運輸小泡◆紡錘體驅(qū)動蛋白（－到+）：運輸紡錘體和星微管、中心粒和動?！舭|(zhì)動力蛋白（+到－

）：運輸小泡和動?！糨S絲動力蛋白（+到－

）：鞭毛和纖毛中的單管的運動第29頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月4、◆鞭毛(flagella)和纖毛(cilia)運動功能：

◆使細胞錨定在某一個地方不易移動◆使細胞在液體介質(zhì)中運動◆鞭毛：長而細，長150微米，以波浪式擺動◆纖毛：短而粗，5-10微米，運動復雜無規(guī)則第30頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月典型的真核細胞的纖毛或鞭毛結(jié)構(gòu)組成微管組成的軸絲結(jié)構(gòu)：◆9組（二聯(lián)管）+2個（中央單管）圍成9+2的微管形式◆其中9組二聯(lián)管中每組由靠內(nèi)的A管和靠外的B管組成，A管上有2個動力蛋白臂鞭毛和纖毛的運動機制：微管滑動模型◆由軸絲中微管蛋白動力臂相互滑動引起的彎曲運動◆動力蛋白頭部與相鄰二聯(lián)管的B管接觸，通過動力蛋白水解ATP產(chǎn)生A管與B管的相互滑動第31頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月基體與纖毛/鞭毛軸絲中心體：9組三聯(lián)管第32頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月◆紡錘體與染色體運動有絲分裂的中期：染色體要排列在赤道板上有絲分裂后期：染色單體要均分到細胞的兩極依賴于紡錘體微管的裝配和解聚而實現(xiàn)紡錘體微管的變化必須依靠分子發(fā)動機第33頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月10.3微絲(microfilament)◆微絲的形態(tài)和組成◆微絲的裝配動力學◆微絲結(jié)合蛋白◆肌細胞：特化的肌收縮功能◆肌動蛋白和肌球蛋白在非肌細胞中的作用第34頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月概念：又稱肌動蛋白纖維(actinfilament),是指真核細胞中由肌動蛋白(actin)組成、直徑為7-9nm的骨架纖維。10.3.1微絲的形態(tài)和組成■微絲的存在方式與分布●存在方式：由肌動蛋白(actin)組成的●分布：肌細胞,如橫紋肌和心肌細胞，以及非肌細胞中第35頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月■微絲的結(jié)構(gòu)單位:肌動蛋白●肌動蛋白(actin)

肌動蛋白以兩種形式存在：單體和多聚體。

◆單體的肌動蛋白是由一條多肽鏈構(gòu)成的球形分子,又稱球狀肌動蛋白(globularactin,G-actin)，◆多聚體形成肌動蛋白絲,稱為纖維狀肌動蛋白(fibrosactin,F-actin)。

第36頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月10.3.2微絲的裝配動力學◆MF是由G-actin單體形成的多聚體，肌動蛋白單體具有極性,裝配時呈頭尾相接,故微絲具有極性，即正極與負極之別。●球形肌動蛋白由兩個裂片構(gòu)成，中間有ATP結(jié)合位點●肌動蛋白存在形式：ATP-G肌動蛋白、ADP-G肌動蛋白、ATP-F肌動蛋白、ADP-F肌動蛋白第37頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月■肌動蛋白纖維的裝配過程①成核作用(nucleation),G-肌動蛋白慢慢地聚合形成短的、不穩(wěn)定的寡聚體，該過程較慢。②快速延長階段③穩(wěn)定期(steadystate)■影響裝配的因素①G-肌動蛋白臨界濃度的影響；②一些離子濃度的影響。如Mg2+、K+、Na+第38頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月◆裝配的踏車現(xiàn)象(treadmilling)在微絲裝配時,若G-肌動蛋白分子添加到F-肌動蛋白絲上的速率正好等于G-肌動蛋白分子從F-肌動蛋白上失去的速率時,微絲凈長度沒有改變,這種過程稱為肌動蛋白的踏車現(xiàn)象。第39頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月微絲特異性藥物◆細胞松弛素(cytochalasins)：可以切斷微絲,并結(jié)合在微絲正極阻抑肌動蛋白聚合,因而導致微絲解聚。將其加到活細胞中，導致細胞移動、吞噬、胞質(zhì)分裂癱瘓。◆鬼筆環(huán)肽(philloidin)：與微絲側(cè)面結(jié)合,防止MF解聚。第40頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月10.3.3微絲結(jié)合蛋白(actin-bindingproteins)抑制聚合交聯(lián)蛋白其抗壓作用末端阻斷蛋白阻止微絲的生長第41頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月●肌球蛋白的類型已鑒定了三種主要類型肌球蛋白:

肌球蛋白Ⅰ肌球蛋白Ⅱ肌球蛋白Ⅴ■肌球蛋白(myosin)∶第三類分子發(fā)動機，以微絲作為運行軌道，從微絲的-端移向+端◆肌球蛋白的結(jié)構(gòu)：由一個重鏈和幾個輕鏈組成，并組成三個結(jié)構(gòu)域●頭部：含有與肌動蛋白、ATP結(jié)合的位點，具ATPase活性，負責產(chǎn)生力●頸部：頸部通過同鈣調(diào)素或類似鈣調(diào)素的調(diào)節(jié)輕鏈亞基的結(jié)合來調(diào)節(jié)頭部的活性?！裎膊浚汉袥Q定尾部是否同膜結(jié)合還是同其它的尾部結(jié)合的位點第42頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月MyosinⅡ●兩個球形頭部和一個長桿尾部●兩條相同的重鏈和四條輕鏈●用凝乳蛋白酶處理，尾部發(fā)生斷裂第43頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月◆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Ⅱ:參與肌收縮和胞質(zhì)分裂，為肌肉收縮和胞質(zhì)分裂提供力；●肌球蛋白Ⅰ:運輸作用●肌球蛋白Ⅴ:運輸作用肌球蛋白Ⅰ和Ⅴ的尾部具有與膜結(jié)合的功能，推測能進行膜泡的運輸。所以其主要涉及細胞骨架與膜之間的相互作用。第44頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月●肌球蛋白的運動機理：水解ATP的滑動模型第45頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月■骨骼肌細胞的基本結(jié)構(gòu)■肌原纖維的結(jié)構(gòu)■肌收縮的滑動絲模型(slidingfilamentmodel)及分子基礎(chǔ)■Ca2+離子在肌收縮中的作用10.3.4肌細胞:特化的肌收縮功能第46頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月■骨骼肌細胞的基本結(jié)構(gòu)●肌纖維(myofibers)●肌原纖維(myofibril)●肌節(jié)(sarcomere)肌細胞的結(jié)構(gòu)第47頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月■肌原纖維的結(jié)構(gòu)肌動蛋白細肌絲第48頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月■肌收縮的滑動絲模型及分子基礎(chǔ)肌收縮時肌節(jié)的收縮第49頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月●原肌球蛋白的抑制作用●Ca2+離子對肌收縮的調(diào)節(jié)作用●Ca2+離子濃度調(diào)節(jié):肌收縮與神經(jīng)興奮相偶聯(lián)■Ca2+離子在肌收縮中的作用細肌絲的組成:

肌動蛋白：占25%原肌球蛋白（Tm）：不速之客肌鈣蛋白(Tn)第50頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月肌鈣蛋白

(Troponin,Tn)為復合物，包括三個亞基：TnC(Ca2+敏感性蛋白亞基)能特異與Ca2+結(jié)合;TnT(與原肌球蛋白結(jié)合);

TnI(抑制肌動蛋白和肌球蛋白的結(jié)合)原肌球蛋白(tropomyosin,Tm):由兩條平行的多肽鏈形成α-螺旋構(gòu)型,位于肌動蛋白螺旋溝內(nèi),與細肌絲的肌動蛋白結(jié)合

作用：調(diào)節(jié)肌動蛋白與肌球蛋白頭部的結(jié)合。第51頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

Ca2+在調(diào)節(jié)肌鈣蛋白中胡作用：第52頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月由神經(jīng)沖動誘發(fā)的肌肉收縮基本過程●動作電位的產(chǎn)生：神經(jīng)細胞產(chǎn)生動作電位，促使肌細胞質(zhì)膜去極化，并形成T形小管，T管末端靠近肌質(zhì)網(wǎng)。

●

Ca2+的釋放：T管末端靠近肌質(zhì)網(wǎng)促發(fā)肌質(zhì)網(wǎng)上Ca2+通道釋放出Ca2+?！裨∏虻鞍孜灰疲篊a2+濃度增加，與肌鈣蛋白結(jié)合，改變肌鈣蛋白的構(gòu)型，從而帶動原肌球蛋白移位，解除原肌球蛋白對肌動蛋白的抑制作用，露出肌動蛋白與肌球蛋白結(jié)合的位點?！窦拥鞍捉z與肌球蛋白絲的相對滑動：肌動蛋白與肌球蛋白結(jié)合產(chǎn)生交聯(lián)橋，在ATP供能的條件下產(chǎn)生肌收縮。

●Ca2+的回收：一旦神經(jīng)沖動消失，Ca2+被鈣泵泵回到肌質(zhì)網(wǎng)儲存，肌肉舒張。第53頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月肌質(zhì)網(wǎng)對骨骼肌胞質(zhì)溶膠中Ca2+離子濃度的調(diào)節(jié)作用第54頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月10.3.5肌動蛋白和肌球蛋白在非肌細胞中的作用■粘著斑和微絨毛中的束狀肌動蛋白纖維■細胞內(nèi)運輸作用■胞質(zhì)環(huán)流■細胞運動■參與胞質(zhì)分裂■肌動蛋白纖維對細胞形態(tài)的影響■微絲參與胞吞與分泌■限制膜蛋白的移動第55頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月◆微絨毛(microvillus):是腸上皮細胞的指狀突起，用以增加腸上皮細胞表面積，以利于營養(yǎng)的快速吸收?！稣持吆臀⒔q毛中的束狀肌動蛋白纖維第56頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月◆應(yīng)力纖維（stressfiber）廣泛存在于真核細胞。微絲緊密平行排列成束，形成應(yīng)力纖維,具有收縮功能。成分：肌動蛋白、肌球蛋白、原肌球蛋白和-輔肌動蛋白。介導細胞間或細胞與基質(zhì)表面的粘著。第57頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月■細胞內(nèi)的運輸肌球蛋白的功能通過肌球蛋白Ⅰ進行物質(zhì)運輸：◆小泡的運輸◆微絲的運輸?shù)?8頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月■胞質(zhì)環(huán)流：植物細胞的胞質(zhì)環(huán)流胞質(zhì)環(huán)流：菌類、藻類和高等植物中非?；钴S的運動現(xiàn)象。由肌動蛋白和肌球蛋白的運動介導。第59頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月★變形運動（變形蟲式運動）：單細胞移動■細胞運動細胞爬行：第