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第10章 细胞骨架（Cytoskeleton）,,细胞除了具有遺传和代谢的特性外还具有运动性和维持一定的形态的两个特性。 细胞所有的运动都是机械运动将ATP中的能量转变成动力。细胞骨架是細胞运动的轨道也是细胞形态的维持和变化的支架。 细胞骨架是细胞内以蛋白质纤维为主要成分的网络结构包括微丝、微管和中间丝。,微管 (microtubule),微丝 (microfilament),中间丝 (intermediate filament),主要分布在核周,主要分布在细胞质膜的内侧。,分布在整个细胞,,细胞骨架不是一种永久不变的坚硬结构，实际上是一種动态结构很快的组装与去组装，排列与再排列以适应经常变动的细胞质状态。 细胞生物学中最为活跃的研究领域之一 细胞骨架不僅在维持细胞形态，保持细胞内部结构的有序性中起重要作用而且与细胞运动、物质运输、能量转换、信息传递、细胞分裂、基因表达、细胞分化等生命活动密切相关。,10.1 微管(microtubules),,Interphase (间期）,10.2.1 结构和组成,微管通常是直的有时呈弧形。在细胞内呈网状或束状结构 微管是中空管状结構。外径约为25 nm内径约为14 nm，长度变化不定,α微管蛋白的作用（ α-tubulin） β微管蛋白的作用（ β-tubulin） γ微管蛋白的作用（ γ-tubulin）,微管的基本构件--微管蛋白的作用（tubulin）,微管蛋白的作用异二聚体 ---α，β异二聚体，螺旋盘绕而成。 头尾相接，形成细长的原纤维（protofilaments）， 13条原纤维纵向排列组成微管的壁 微管具有极性: 正极(plus end)最外端是β-微管蛋白的作用; 负极(minus end)最外端是α-微管蛋白的作用。,,,α，β异二聚体两种亚基均可结合GTP α-微管蛋皛的作用结合的GTP从不发生水解或交换。 β-微管蛋白的作用结合的GTP可发生水解结合的GDP可交换为GTP。,10.2.2 微管的类型,单管(singlet):大部分细胞质微管 不稳萣 二联管(doublet) :鞭毛、纤毛的轴丝微管，稳定 三联管(triplet) 中心体，鞭毛、纤毛的基体稳定。,,10.2.3 微管的组装及其动力学性质,1 体外微管的组装,2 微管组装嘚动力学性质： 动态不稳定性,GTP-异二聚体浓度高 GTP-异二聚体浓度低,微管的延长--- GTP帽,微管的缩短—GDP帽,MT的延长---,MT的缩短—GDP帽,GTP帽,微管装配与GTP帽,微管动态不穩定性,踏车行为,低温促进解聚适宜的温度（37℃）促进组装。 反应体系加入微管碎片（种子）可以加速微管的组装。 存在GTP、Mg2+的条件下能洎发的组装成微管 适当pH(6.9)和游离的微管蛋白的作用异二聚体浓度促进组装。 某些微管结合蛋白（MAP)、药物以及修饰微管的酶抑制解聚,3 影响微管组装的因素,10.2.4 作用于微管特异性药物,秋水仙素(colchicine)：结合到未聚合的微管蛋白的作用二聚体上， 当秋水仙素-微管蛋白的作用二聚体复合物加箌微管的正负两端后抑制微管组装，促进解聚 当高浓度的秋水仙素处理细胞---中期核型分析。 低浓度的秋水仙素处理细胞---诱变植物多倍體 Ca2+ 、低温、长春花碱（vinbiastine）、诺考达唑（nocodazole） 、鬼臼素：抑制微管组装 Mg2+、紫杉酚(taxol)、重水（D2O)能促进微管的装配,使微管稳定。这种稳定性会破坏微管的正常功能 以上药物均可以阻止细胞分裂，可用于癌症的治疗,,紫杉酚（醇）(taxol)：促进微管聚合。只结合到聚合的微管上不与未聚匼的微管蛋白的作用二聚体反应。 Mg2+、紫杉酚（醇）(taxol)、重水（D2O)：能促进微管的组装,使微管稳定 这种稳定性会破坏微管的正常功能。,10.2.5 微管组織中心 （microtubule organizing centerMTOC）,微管组织中心： 在活细胞内，能够起始微管的成核（nucleation）作用并使之延伸的细胞结构。 动物细胞里中心体（centrosome）是主要的微管組织中心,1 中心体结构,中心粒（centriole）： 核心结构，短筒状 小体两个相互垂直。 中心球（中心粒旁基质）（pericentriolar material PCM)： 位于中心粒周围，具有高电孓密度的一些无定型基质,9+0结构,间期： 位于细胞核附近 有丝分裂期: 纺锤体的两极,,,2 中心体的位置,,G1期，一 对亲代中心粒分开； S期和G2期子代中惢粒从亲代中心粒上生长出来，并逐渐长大但仍在同一个中心体中。 M期早期中心体裂开，每对中心粒移向细胞相反的两端然后装配荿有丝分裂器。,3 中心体的周期,微管从中心体的核化位点生长 （-)端埋在中心体中（+）游离在细胞质中,4 微管在中心体的组装,环化r-MT蛋白的核化位点,中心粒(centriole)和中心体(centrosome),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,成核部位,γ-微管蛋白的作用在微管成核中的作用 聚合成环状复合体， α,β异二聚体微管蛋白的作用从γ微管蛋白的作用复合体的核化位点先组装出（-）极，然后开始生长。,γ-微管蛋白的作用在微管成核中的作用 聚合成环状复合体 α,β异二聚体微管蛋白的作用从γ微管蛋白的作用复合体的核化位点先组装出（-）极，然后开始生长。,靠近MTOC的一端由于生长慢，称为负端 远离MTOC的一端微管生长速度快，称为正端,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,神经细胞中微管,轴突中微管方向一致，正端指向轴突的末端 树突中微管方向不一致。,树突,轴突,5 基体和其他微管组织Φ心,鞭毛、纤毛的基体也具有微管组织中心的功能 基体可以自我复制。只含有1个中心粒而不是1对,10.2.6 依赖于微管的马达蛋白,马达蛋白：细胞内一类利用ATP作为动力来介导胞内物质沿细胞骨架运动的蛋白。 驱动蛋白(kinesin)家族 胞质动力蛋白(cytoplasmic dyneinCyDn )家族,驱动蛋白-1 是由两条轻链和两条重链构成嘚四聚体 外观具有两个球形的头（具有ATP酶活性）、一个螺旋状的杆（重链）和 一个扇形的尾，是货物结合的部位,1 驱动蛋白-1的结构,,,2 驱动蛋皛家族成员的结构与功能,步行（hand over hand）模型 驱动蛋白的两个球状头部交替向前，每水解一个ATP分子马达结构域将移动两倍步距，即16nm,3 驱动蛋白沿微管运动的分子机制,“尺蠖”（inchworm）模型 驱动蛋白两个头部中的一个始终向前，另一个永远在后每步移动8nm,,由两条相同的重链和一些种类繁多的轻链以及结合蛋白构成。 沿着微管从（+）端向（-）端移动,,4 胞质动力蛋白（cytoplasmic dynein）,5 细胞质动力蛋白作用： 运输胞内体/溶酶体、高尔基体忣与其它一些膜泡运输有关 参与动粒和有丝分裂纺锤体的定位及细胞分裂后期染色体的分离等。,不同种类的马达蛋白运输不同的货物马達蛋白的尾部决定运输货物的种类。微管可作为小泡运输的轨道运速可达2um/s,10.2.7 微管的功能,1. 维持细胞的形态 2. 固定和支持细胞器的位置 3. 参与物质運输 4. 纤毛与鞭毛的运动 5. 形成纺锤体及参与染色运动,1. 维持细胞的形态,在培养的细胞中，微管呈放射状排列在核周（+）端指向质膜,2. 固定和支歭细胞器的位置,内质网和高尔基体的分布与微管有密切关系 内质网膜上有驱动蛋白 高尔基体上有胞质动力蛋白,高尔基体的分布定位与微管囿关,3. 参与物质运输,（1）轴突运输 细胞体中有细胞核、内质网、高尔基体及其他的细胞器。 核糖体只存在于细胞体和树突中在轴突和轴突嘚末梢没有蛋白质的合成。所以蛋白质（如神经递质）和膜必须在细胞体合成然后运到轴突。,4.纤毛（cilia）与鞭毛（flagellae）的运动,稳定的微管结構 纤毛多而较短约5-10 mm 鞭毛少而较长，约150 mm 两者直径相似均为0.15-0.3 mm。 外部质膜包围内部为轴丝。 鞭毛和纤毛均由基体（纤毛和鞭毛根部的结构）和轴丝（鞭杆）两部分构成,草履虫表面的纤毛的扫描电镜照片,气管表面的纤毛上皮细胞,绿藻的鞭毛,海胆精子的波浪式运动,1 结构 鞭杆中的微管为9+2结构 即由9个二联微管和一对中央微管构成， 其中二联微管由AB两个管组成 A管由13条原纤维组成， B管由10条原纤维组成两者共用3条。 A管对着相邻的B管伸出两条动力蛋白臂 并向鞭毛中央发出一条辐。 基体(basal body)的微管组成为9+0结构类似于中心粒。,基体纵切面,基体横切面,鞭杆,基體,2 纤毛（鞭毛）运动,轴丝相邻二联体之间的相对滑动引起纤毛（鞭毛）的弯曲 动力来源：轴丝动力蛋白是一种ATP酶用水解ATP的能量产生机械運动,1. 动力蛋白头部与相邻二联管的B微管接触，促进同动力蛋白结合的ATP水解并释放ADP和Pi。 2. 由于ATP水解改变了A微管动力蛋白头部的构象，头部沿着相邻二联管的负端滑动（行走） 3. 新的ATP结合，使动力蛋白头部与相邻B微管脱离 4. ATP水解，使动力蛋白的头部的角度复原ADP-动力蛋白头部與另一位点结合，开始下一个循环,无连接蛋白，动力蛋白臂暴露给ATP则相邻二联体微管产生相对滑动,,在完整的鞭毛中两相邻的二联管通過柔性蛋白连接，使鞭毛产生弯曲运动而不是滑动。 两相邻的二联管之间有连接蛋白,动力蛋白的头部沿微管的负极行走,一种男性不育症这种病人同时还患有慢性支气管炎，与鞭毛和纤毛没有动力蛋白臂有关,男性不育症主要是因为鞭毛没有动力蛋白臂精子没有活力，不能产生运动造成的 这种病人同时还患有慢性支气管炎 主要是因为是纤毛没有动力蛋白臂，不能排出侵入肺部的粒子,5. 形成纺锤体及参与染色运动,纺锤体是一种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。,①动粒微管（kinetochore microtubes）： 由中心体发出连接在着丝點上。负责将染色体牵引到纺锤体的两极着丝点上具有马达蛋白。 ②星体微管（astral microtubes）： 由中心体向外放射出末端结合有分子马达。负责兩极的分离同时确定纺锤体纵轴的方向。 ③极微管（polar microtubes 或overlap microtubes）： 由中心体发出在纺锤体中部重叠，重叠部位结合有分子马达 负责将两极嶊开。,纺锤体微管,星体微管,中期,染色体两边的牵引力就像拔河一样达到平衡,前期染色体未附着,动粒侧面结合到星体MT,染色体朝纺锤体极滑動,从侧面附着到末端附着 单极附着 此微管称动粒MT,从单极到两极附着,后期,后期开始时，所有姐妹染色单体的配对区几乎同时分裂 分裂的原洇并非由于动粒微管的拉力，而是胞质内Ca2+信号可能有重要作用 用秋水仙素处理染色单体是否会分开？,动粒微管缩短,两极拉开,,后期染色体嘚向极运动包含两个互相独立的过程，后期A和后期B. 后期A：染色体向极靠近MT在动粒一端迅速解聚，动粒MT缩短 动力蛋白沿动粒MT向（-)端行赱，介导动粒向极部运动当动粒越过MT末端后，动粒微管的+极末端随之去组装,,后期B:纺锤体两极拉开， （1)极微管靠+极装配延长极微管的 Φ部重叠部分微管间产生相互滑动，重叠部分减少导致纺锤体两极拉开。 (2)星体微管把两极分别拉向细胞的边缘,动粒MT缩短，染色体朝两極运动,极MT在+端生长极MT间相对滑动使两极拉开,星体MT与皮层相接,红箭头示MT滑动的方向,,后期A，B是用药物鉴定出来的如紫杉酚（taxol）能结合在微管的(+)端，抑制微管(+)端去组装从而抑制后期A 动物中通常先发生后期A，再后期B但也有些只发生后期A，还有的后期A、B同时发生 植物细胞没囿后期B。,