第7章细胞骨架

一个神经细胞正在伸 长的轴突部分的荧光照片 (红色荧光显示的是细胞 骨架成分之一微管)
小肠上皮 细胞微绒毛
突起的电镜 照片
人血红细胞的 电镜扫描照片
7.1 细胞骨架的结构和组成
微丝 (microfilament, MF) 实心丝状纤维，最细(直径7nm); 有极性(正极、负极) 细胞骨架 微管 (microtuble, MT) 中空的管状纤维, 最粗(外径24nm); 有 极性(正极、负极)
(p124)
7.2.2 微管(microtubule, MT)的装配
微管蛋白异二聚体(,-tubulin)是微管(MT)装配的基本单位 —: -tubulin上有一个GTP结合位点, 不可逆结合, 不能水解; 第2 个GTP结合位点在, 可水解GTP(exchangeable-site) -tubulin + -tubulin ,-tubulin二聚体 2个GTP结合位点， -tubulin上, 可逆结合 首先装配成原纤维(protofilaments) 侧面增加扩展为片层(sheet assembly) 13根原纤维时合拢形成一段中空的微管 新的游离的GTP- ,-tubulin不断加到微管的两端使之延长
肌球蛋白家族 驱动蛋白 动力蛋白
7.5.1 微丝的马达蛋白(motor protein) －肌球蛋白(myosin
肌球蛋白(myosin II)-肌肉总量的一半, 已发现十多种 头部 2结合位点(ATP-binding site, actin-binding site), 产生能 量, 最保守区域; 所有myosin头部都是一个ATPase, 水解ATP, 并且ATPase活性actin-activated 颈部(-helical neck region): -螺旋, associated with the
7.5.2.1 驱动蛋白(kinesin)
tail
驱动蛋白：两条重链、 两条轻链构成，MW为 380 kD 的四聚体。 两个球状头部，一个柄， 一个尾组成。
head
CK-MT
mutation
CK-Mito.
缺少驱动蛋白(kinesin superfamilly)的成员，细胞表型的变化： 9天的老鼠胚细胞，a为绿色微管， c为红色线粒体，明显说明线 粒体是沿着微管的走向在细胞中定位的。缺少kinesin 家族成员 KIF5B后，线粒体成簇排列在细胞的中央。
control
taxol teatment
The natural source of taxol
Figure 16-19 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
7.5 马达蛋白 Motor protein: p133-137
与微管、微丝结合的一类蛋白，具有ATPase活性， 水解ATP，将化学能转化成机械能，驱动沿与微管、 微丝有关的细胞内物质运输或运动(细胞周期中染色体 运动－微管、细胞变形运动－微丝等)。
组成成分
(p120表7-1)
•角蛋白(keratin): 上皮细胞，如表皮细胞衍生的指甲、 毛发及体内组织的表皮
• 波形蛋白(vimentin): 间质细胞、中胚层来源的细胞 中，如白细胞、血管内皮、成纤维细胞等 •结蛋白(desmin): 肌细胞
•神经丝蛋白(neurofilament protein): 神经元轴突
神经胶质蛋白：神经胶质细胞 •核纤层蛋白(lamin) ：各种类型细胞的细胞核 不同种类的中间纤维有很强的组织特异性
7.2 细胞骨架的组装及其模式图
微管(MT)
组成蛋白tubulin
微丝(MF)
中间纤维(IF)
组成蛋白actin 组成蛋白多种
成核阶段
延长阶段
表观稳定阶段
微丝/微管体外的装配(聚合) 的三个阶段
微丝
肌钙蛋白
原肌球蛋白
-Ca2+
off
+ Ca2+ on
3-dimensional electron-microscopic reconstructions of the TM helix (yellow) on a thin filament (F-actin) from scallop muscle. Tm in its “off” state shifts to the “on” state when the Ca2+ concentration increases.
light chains, 调节头部的活性(activity)
尾部(tail domain)
特异性区域(determine the specific role of particular myosin), 根据各自不同的功能结合不同的东西
Myosin体外运动实验模式图
纯化的myosin头部固定在盖玻片上，体系中加入荧光标记的 微丝，当加入ATP时，荧光显微镜下可以观察到微丝在玻片 上的滑动。
Actin/myosin相对滑动:水解ATP, 化学能转化为机械能; If Ca2+ still 存在继续下一个循环, myosin沿肌动蛋白细丝滑动 Ca2+回收:神经冲动一经停止, 肌质网主动运输回收Ca2+, 收缩周 期停止。
p122
7.2.1 微丝(MF)的装配
微丝是由G-actin单体形成的多聚体 F-actin
体外
通常高盐浓度聚合，低盐条件解聚
MF/F-actin G-actin临界浓度, ATP Ca2+, Mg2+,Na+, K+离子浓度 G-actin
体内 永久性微丝: eg. 肌肉中细丝MF; 肠上皮细胞微绒毛中MF
典型的肌细胞是圆柱形多核长细胞，在细胞质中有成 束的肌原纤维(myofibril)。
肌肉收缩系统中的微丝结合蛋白 1) myosin II-粗肌丝
2) 原肌球蛋白(tropomyosin, Tm):肌肉细肌丝中actin的结合蛋 白，封闭actin and myosin头部的结合 3) 肌钙蛋白(troponin, Tn) 含3个亚基，其中Tn-C: 特异地与Ca2+结合;高浓度的Ca2+ 解除Tm对actin的抑制；Tn-T: 与原肌球蛋白Tm有高度 亲和力;
鞭毛、纤毛中的轴丝动 力蛋白Axonemal dynein， 主要在鞭毛运动中起作用。
dynein 3 heavy chains 2 intermediate chains Several light chains
7.6 细胞骨架的功能
1 肌肉收缩 —骨骼肌细胞的收缩单位: 肌原纤维(myofibrils) 它由2种类型的长纤维构成： 粗肌丝-肌球蛋白 myosin II 细肌丝-肌动蛋白 actin(主)+原肌球蛋白+肌钙蛋白
肌肉收缩
来自脊髓运动神经元的神经冲动 轴突传递 肌肉细胞膜去极化(动作电位产生) 质膜向cytosol内陷所形成的横管T-小管,其末端靠近ER 肌质网: 肌细胞中特化的光面内质网(钙库)，
释放Ca2+至肌浆中

Ca2+/肌钙蛋白Tn结合引起构象变化解除原肌球蛋白(Tm) 对actin的抑制，使actin与myosin头部结合。
微管的动态不稳定性(Microtubule dynamic instability)
(p124)
微管的脚踏车运动 (Microtubule treadmilling)
微丝特异性药物
I 细胞松弛素(cytochalasins)
—真菌的一种代谢产物 —切断MF, 阻抑actin聚合 —破坏微丝的网络结构
中间纤维(intermediate filament, IF)
实心线状，粗细居中(直径10nm), 无极性
7.1.1 微丝(Microfilament, MF)
*直径7nm
肌动蛋白纤维(Actin filament, F-actin) 组成蛋白：球形肌动蛋白(G-actin)
G-actin and F-actin
7.5.2 微管的马达蛋白(motor protein)
具有ATPase活性, 水解ATP, 化学能转化为机械能, 驱 动与微管有关的物质运输(intracellular transport)。
(1)驱动蛋白(kinesin, is a (+) end-directed microtuble motor protein); (2)动力蛋白(dynein, is a (-) end-directed MT motor protein)：有两种 细胞质动力蛋白(Cytoplasmic dynein) 鞭毛、纤毛中的轴丝动力蛋白Axonemal dynein
暂时性微丝, 只在需要时装配: eg. 胞质分裂环中MF；
• 微丝是由G-actin单体形成的多聚体 • actin单体具极性, 装配时头尾相接微丝(F-actin)也具极性; G-actin可加到MF两端,但其正极装配速度比负极快
微丝的脚踏车模型（treadmilling）
0.60M
0.12M
基体：鞭毛、纤毛根部类似结构
微管结构示意图
7.1.3 中间纤维(intermediate filament, IF)
—直径10nm vs (MF 7nm, MT 24nm) 其组成蛋白不与核苷酸结合 (tubulin-GTP/GDP; actin-ATP/ADP) 结构很稳定，在去垢剂、高盐作用下仍保持完整 (MTs/F-actin则解聚并溶解)
谢产物, 也是目前所了解的惟一一种可以促进微管聚 合和稳定已聚合微管的药物。
◆秋水仙素(colchicine)
秋水仙素结合到游离的微管蛋白二聚体, 阻止微管聚 合 长春花碱(vinblastine)、除草剂(植物细胞微管研究)