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1.碱性的微管结合域,加速微管成核作用;
2.酸性的突出区域,以横桥形式跟其它骨架纤维连接,突出区域的长度决定微管成束时间距的大小
∆MAPs包括:
MAP1、MAP2、MAP4和tau
∆MAP1-2和tau只存在于脑组织;
MAP-4哺乳动物非神经元、神经元细胞中,在进化上具有保守性。
tau只存在于轴突;
MAP-2分布于神经元胞体和树突中。
∆tau蛋白的高度磷酸化,导致几种致死性退化性神经疾病,包括Alzheimer‘sdisease;
因为磷酸化的tau不能结合微管,导致神经纤维缠结
∆功能:
①使微管相互交联成束,使微管同其它细胞结构交联,如质膜、微丝和中间丝等②与微管成核点的作用,促进微管的聚合③与微管壁的结合,提高微管的稳定性
3.微管的装配与动力学
✓动力学性质:
大多数微管都是不稳定的,能够很快地组装或去组装。
✓动态不稳定性dynamicinstability微管的装配主要表象为动态不稳定性,即增长的微管末端有微管蛋白-GTP帽(tubulin-GTPcap),在微管组装期间或组装后GTP被水解成GDP,从而使GDP-微管蛋白称为微管的主要成分。
微管蛋白-GTP帽及短小的微管原纤维从微管末端脱落,则微管解聚。
✓微管的装配过程分为三个时期:
1.成核期nucleationphase=延迟期lagphase:
核心形成→片状带→(13根原纤维)→合拢成微管。
核心形成:
α和β微管蛋白聚合成短的寡聚体oligmer。
片状带:
二聚体在其两端和侧面增加使之拓张成片状带。
2.聚合期polymerizationphase=延长期elongationphase:
高浓度游离的微管蛋白聚合速度>解聚速度,新的二聚体不断加到微管正端,微管延长,直至游离微管蛋白浓度降低。
3.稳定期steadystatephase=平衡期equilibriumphase:
胞质中游离的微管蛋白达到临界浓度,微管的组装(聚合)=去组装(解聚)速度。
(1)微管装配的起始点是微管组织中心
Ø
MTOC:
微管的聚合从特异性核心形成位点开始,主要是中心体、纤毛的基体,称:
微管组织中心microtubuleorganizingcenter,MTOC
MTOC作用:
帮助微管装配的成核nucleation
微管从微管组织中心开始生长,是微管装配的独特性质
γ-微管蛋白环形复合体(γ-tubulinringcomplex,γ-TuRC)可形成10~13个γ-微管蛋白分子的环形结构(螺旋化排列),组成一个开放的环状模板,与微管具有相同直径,可刺激微管核心形成,包裹微管负端,阻止微管蛋白渗入,还能影响微管从中心粒上释放。
13个γ-tubulin亚基螺旋化排列,组成一个开放的环状模板,与微管具有相同直径。
γ-TuRC由MTOC提供的物质固定其位置,从而决定微管的极性。
中心体centrosome是动物细胞中决定微管形成的一种细胞器,包括:
中心粒centriole和中心粒旁物质pericentriolarmaterial,PCM。
在细胞间期,中心体位于细胞核附近,在有丝分裂期,位于纺锤体的两极。
中心体的结构:
2个桶状垂直排列的中心粒,包埋在中心粒旁物质中,每个中心粒由9组三联管组成。
中心粒旁物质含有50拷贝以上的γ-TuRC。
微管的极性总是相同的:
负端与中心体结合,正端远离中心体。
产生:
基体basalbody:
纤毛或鞭毛起源于基体;
基体与中心粒可互相产生(如:
精子)
新生微管从中心体发出星形结构称为星状体Aster,及而入伸长达到细胞的边沿,指导再形成原有的微管网架结构
(2)微管的体外装配
§
体外适当条件下,现存微管可进行自我装配,其装配受到诸多因素影响
聚合条件:
(最重要)微管蛋白浓度、GTP存在,因为微管的不稳定行为的发生需要水解GTP供能
最适条件:
游离微管蛋白浓度达到1mg/ml临界浓度;
pH6.9,温度37℃,加入Mg2+、GTP和EDTA(Ca2+的螯合剂,去除Ca2+的抑制聚合作用)
微管的增长:
当α/β异二聚体均结合GTP时,聚合成的微管呈直线型,GTP水解成GDP;
当微管蛋白聚合迅速时,新生成的微管上全是GTP-微管蛋白亚基,结合比较牢固,形成GTP帽,防止解聚
微管的缩短:
当微管生长缓慢时,β微管蛋白上的GTP水解为GDP后,微管蛋白构象变化,微管原纤维弯曲,亚基结合不紧密,微管趋于解聚、缩短
综上,微管两端的微管蛋白具有GTP帽时,微管继续组装;
而具有GDP帽时,原纤维弯曲,微管解聚。
原纤维中微管蛋白异二聚体亚单位重复排列具有极性,所以微管具有极性;
尤其当两端组装速度不同时,有明显极性
“踏车运动”treadmilling:
微管的聚合与解聚持续进行,经常是一端聚合,为正端;
另一端解聚,是负端,这种微管装配方式,称treadmilling
(3)微管的体内装配
γ-TuRC由MTOC提供的物质固定其位置,从而决定微管的极性。
γ-TuRC组织微管形成的能力受细胞周期调节。
间期此能力被关闭,G2期到M期,受细胞周期调节激酶作用,磷酸化γ-TuRC成分,开放微管组织能力.
(4)很多因素影响微管的组装与解聚
很多因素影响微管的稳定性,比如:
GTP浓度、压力、温度、pH、离子浓度、微管蛋白临界浓度、药物等。
紫杉醇是红豆杉属植物的次生代谢产物,紫杉醇只结合到聚合的微管上,维持了微管的稳定,已用于癌症临床化疗。
秋水仙素,长春花碱或长春新碱、诺可唑,结合并稳定游离的微管蛋白,抑制微管的聚合
4.微管的功能
(1)微管构成细胞内的网状支架,支持和维持细胞的形态
·
微管本身不能收缩,有一点的强度,抗压力、抗弯曲,为细胞提供机械支持力
微管对细胞突起部分,如纤毛、鞭毛、轴突形成和维持起重要作用(支持和维持细胞的形态)。
Eg血小板中的环形微管束(血小板骨架主要组成成分),维持血小板的圆盘形结构;
当暴露于低温中,环形微管解聚,血小板变成不规则球形
(2)微管参与中心粒、纤毛、鞭毛的形成
中心粒是9组三联体微管围成的圆筒状结构。
纤毛、鞭毛是细胞表面的特化结构,在来源和结构上基本相同,两者主干部分都是9组二联管构成,中央是两条微管——中央微管。
(3)微管参与细胞内物质运输
细胞内各细胞器和所有的物质转运都与微管密切相关;
微管的物质运输由微管动力蛋白(或称马达蛋白)完成,共有几十种,可分为三大家族
马达蛋白
Motorprotein
轨道
移动方向
头部
分子量
动力蛋白家族
Dynein
微管
+→-
ATP酶(水解活性)
1000kD
驱动蛋白家族
Kinesin
-→+
380kD
肌球蛋白家族
Myosin
肌动蛋白纤维
尾部
球状与微管专一结合
结合小泡/细胞器(货物)物质运输
最大的、最快的分子运输蛋白
结合小泡/细胞器参与细胞器的定位和转运
Hand-over-handmodel&
Inchwormmodel最大运输速度:
1μm每秒;
Kinesin每步需要水解一分子ATP每步长8nm,等于一对α-β异二聚体的长度;
总是结合β亚基
(4)微管支持细胞内细胞器的定位和分布
微管及其相关马达蛋白在膜性细胞器的定位上起着重要作用
正常细胞高尔基体(绿色)定位在核周;
秋水仙素处理细胞,微管(橙色)解聚,高尔基体分散在整个胞质中
(5)微管参与染色体的运动、调节细胞分裂
微管是有丝分裂器的主要成分,有丝分裂前期微管聚合,核膜崩解时侵入核区,结合动粒;
姊妹染色单体的动粒分别与来自两极的微管结合,被拉到细胞两极
(6)微管参与细胞内信号传导
已证明微管参与hedgehog、JNK、Wnt、ERK、PAK蛋白激酶信号转导通路
信号分子直接或通过马达蛋白、支架蛋白等与微管作用,调节包括微管的稳定/不稳定、微管方向性、微管组织中心位置、细胞极化等
第2节微丝microfilament,MF
微丝microfilament,MF又称肌动蛋白丝actinfilament,是由肌动蛋白actin组成的细丝,普遍存在于真核细胞中,占肌肉细胞总蛋白的10%,非肌肉细胞的1-5%。
呈现束状、网状或散在分布于细胞质的特定空间位置。
1.肌动蛋白与微丝的结构
v尺寸形状结构:
肌动蛋白丝直径约8nm,由肌动蛋白(actin)单体组成双股螺旋纤维。
每个actin单体(G-actin)由两个亚基组成,每个亚基有375个氨基酸,有一个ATP/ADP结合位点。
每个G-肌动蛋白(G-actin)由两个亚基组成,具有阳离子(Mg2+、K+、Na+)、ATP(ADP)、肌球蛋白结合位点。
每个细胞内的微丝总长度比微管总长度长30倍以上
vF-肌动蛋白:
微丝是G-肌动蛋白单体形成的多聚体,也称F-肌动蛋白(F:
纤维状)
v极性:
肌动蛋白单体具有极性,装配时首尾相接,因而微丝也有极性
v生长端:
相对生长慢的一端为负端minusend,又称pointend(指向端);
而相对生长快的一端为正端plusend,又称barbedend(秃端)
v高度保守:
actin在真核生物中很保守,不同种类生物间有90%的相似性
v三种actin同源体:
哺乳类有三种actin同源体:
α、β、γ(氨基酸序列略有不同);
α-actin只存在于肌肉细胞、β、γ-actin存在于几乎所有非肌肉细胞
2.微丝蛋白及其功能
体内的肌动蛋白纤维是由不同的肌动蛋白纤维结合蛋白将肌动蛋纤维组织成各种不同的结构,从而执行不同的功能。
(1)单体隔离蛋白monomersequensteringprotein
定义:
能够与单体肌动蛋白结合,并抑制它们的聚合的蛋白。
包括:
抑制蛋白、胸腺素
功能:
这种蛋白质在非肌细胞中负责维持高浓度的单体肌动蛋白。
没有单体隔离蛋白,肌动蛋白都将组装成纤维,这些蛋白的活性和浓度,决定了肌动蛋白趋向聚合还是解聚。
(2)交联蛋白crosslinkingprotein
改变细胞内肌动蛋白纤维的三维结构
结构:
每个交联蛋白有两个或两个以上的肌动蛋白结合位点,能与两个或多个肌动蛋白纤维交联,使细胞内肌动蛋白纤维形成网络结构。
类别:
有些交联蛋白是杆状的,能弯曲,交联形成的网络具有弹性,能抵抗机械压力;
有的交联蛋白球状,促使肌动蛋白成束排列。
(3)末端阻断蛋白endblockingprotein(加帽蛋白)
通过与肌动蛋白纤维的一端或两端的结合调节肌动蛋白纤维的长度。
作用方式:
结合肌动蛋白末端,相当于加上了帽子,抑制微丝生长,导致胞内出现较多短的微丝。
(4)纤维切割蛋白filamentseveringprotein
与肌动蛋白纤维结合并切断它;
由于能控制肌动蛋白丝的长度,可大大降低细胞中的黏度。
切割产生的新末端可作为生长点,促进肌动蛋白装配。
切割蛋白也可作为帽子封住肌动蛋白纤维的末端。
(5)肌动蛋白纤维解聚蛋白Actinfilamentdepolymerizingproteins
存在于肌动蛋白丝骨架快速变化的部位,结合肌动蛋白丝,并引起肌动蛋白丝的快速解聚
(6)膜结合蛋白membranebindingprotein
单体
3.微丝的装配机制
在非肌肉细胞,微丝是动态结构,不断组装和解聚,与维持细胞形态和运动有关
(1)微丝的组装过程分为成核、聚合、稳定三个阶段
球形肌动蛋白组装成肌动蛋白纤维需要ATP和一定的Mg2+和K+浓度
组装分成三个阶段:
成核期、聚合期、稳定期
1)成核期nucleationphase(延迟期lagphase):
成核作用发生在质膜下,由ARP2/3复合物催化,是微丝组装的限速过程
2)聚合期polymerizationphase(生长期growthphase):
微丝两端的组装速度有差异,快速增长的一端是正端,缓慢增长的一端是负端,正端添加单体的速率是负端10倍以上。
3)平衡期equilibriumphase:
肌动蛋白聚合微丝的速度与其解离微丝的速度达到平衡,微丝长度不变,仍进行着聚合、解聚活动steadyphase
(2)微丝的组装可用踏车模型&
非稳态动力学模型来解释
✧踏车行为:
在微丝装配时,当肌动蛋白分子添加到肌动蛋白丝上的速率正好等于肌动蛋白分子从肌动蛋白丝上解离的速率时,微丝净长度没改变,这种过程称“踏车行为”。
✧非稳态动力学模型:
ATP是调节微丝组装的动力学不稳定性的主因。
结合了ATP的球状肌动蛋白,对纤维状肌动蛋白末端亲和性高;
当ATP-肌动蛋白结合微丝末端后,肌动蛋白构象变化,ATP水解成ADP,亲和性降低,容易脱落,倾向解聚。
ATP-肌动蛋白浓度与聚合速度呈正比。
✧微丝的体内装配也有成核作用,只是发生在质膜
✧细胞皮层:
许多细胞的质膜下有一层由微丝、各种微丝结合蛋白组成的网状结构,密度较高,称:
细胞皮层。
在细胞皮层内,肌动蛋白丝为质膜提供强度和韧性,维持细胞形态;
在细胞皮层内,可形成突出细胞表面的微刺、伪足、片状伪足。
(3)微丝的组装受多种因素影响
微丝的组装除了受G-肌动蛋白临界浓度影响,还受ATP及一些离子、药物的影响:
v有Mg2+存在,Na+↑,K+↑,G-actin组装成微丝-----------------------------组装
v有Ca2+存在,Na+↓,K+↓,微丝解聚成G-actin-----------------------------解聚
v细胞松弛素B:
从霉菌中提取,与微丝正端结合,抑制微丝的聚合------解聚
v鬼笔环肽:
从有毒蘑菇中提取,结合聚合型微丝,稳定微丝,抑制解聚--组装
4.微丝的功能
(1)微丝构成细胞的支架并维持细胞的形态
微丝在细胞内构成网络、或成束才能发挥作用;
细胞的特化结构包括微绒毛、应力纤维
✧微绒毛microvilli==质膜顶端表面的指状形突起。
20~30个成束的微丝及微丝结合蛋白构成微绒毛的核心。
微绒毛在小肠吸收上皮细胞最多,使细胞的吸收面积增大20倍,对于增强消化和吸收功能具有重要意义。
✧应力纤维stressfiber==在细胞膜下方由微丝束构成的纤维状结构,常与细胞的长轴平行,往往一端与细胞膜连接,另一端插入胞质,或与中间丝结合,应力纤维赋予细胞韧性和强度
(2)微丝参与细胞的运动
许多动物细胞位置移动时采用变形运动;
这些细胞含有丰富的微丝,通过肌动蛋白和微丝结合蛋白的相互作用,进行变形运动。
Eg在细胞表面形成片状伪足、丝状伪足:
当伪足接触到固定表面时,靠伪足膜上的跨膜蛋白——整合素,抓住表面,而向细胞内,整合素又抓住肌动蛋白丝
(3)微丝参与细胞分裂
有丝分裂的核分裂完成后,两个即将形成的子细胞间,在赤道面膜下,肌动蛋白微丝与肌球蛋白Ⅱ组装成瞬时性收缩束——收缩环contractilering,收缩产生动力,将质膜向内拉,完成一分为二后解体(Ca2+参与这个过程)
(4)微丝参与肌肉收缩
许多微丝结合蛋白都是在肌细胞中发现;
肌细胞(纤维)由数百个肌原纤维组成;
每根肌原纤维由细肌丝和粗肌丝重叠而形成。
肌肉收缩基本单位——肌小节sarcomere,由肌原纤维构成
非肌肉细胞内的收缩结构,如:
胞质收缩的收缩环、应力纤维、细胞连接的粘着带,都是肌动蛋白与肌球蛋白(myosinⅡ)作用的结果
(5)微丝参与细胞内物质运输
微丝也介导一些靠近细胞膜的远端物质运输,肌球蛋白Ⅰ——myosinⅠ,从微丝负端向正端运输货物(-)→(+)
另:
肌球蛋白Ⅰ尾部同质膜结合,利用其头部,可将微丝从一个部位运向另一个部位
(6)微丝参与细胞内信号传递
细胞膜表面的受体在受到外界信号作用时,可触发膜下肌动蛋白结构变化,启动细胞内激酶变化的信号传导
第3节中间纤维intermediatefilaments,IF
得名:
介于肌肉细胞actin细丝&
肌球蛋白粗丝之间而得名“中间”
特点:
1.最为复杂,最为坚韧、持久。
2.没有极性,少有游离四聚体,四聚体多组装为中间纤维
3.其装配与稳定、蛋白浓度无关
4.其装配不需要ATP、GTP或结合蛋白的辅助
1.中间纤维的结构&
类型
(1)中间纤维是丝状蛋白多聚体
直径10nm,是一种坚韧、持久的蛋白质纤维,不受细胞松弛素或秋水仙素的影响
中间纤维单体(亚基)是蛋白质纤维分子,已经发现50多种,具有共同的结构域:
一个α-螺旋的中间区,两侧是球形的N端和C端
✧中间区:
所有亚基中间螺旋结构域都保守,中间杆状区分为4个螺旋区,之间被3个间隔区隔开,间隔区也是保守的。
亚基装配时靠α-螺旋区配对形成二聚体。
✧两端:
N端与C端高度可变,不同亚基在N、C端大小和氨基酸组成差别很大。
中间纤维亚基的大小主要取决于C端的变化。
(2)中间纤维蛋白的类型和分布较为复杂
类型:
根据中间纤维氨基酸序列的相似性,可分为六种类型:
1.酸性角蛋白2.中性/碱性角蛋白、3.非上皮细胞的中间纤维蛋白、4.神经丝蛋白、5.核纤层蛋白6.巢蛋白。
中间纤维的种类、成分,可随细胞的生长或成熟而改变。
中间纤维结合蛋白intermediatefilamentsassociatedproteins:
已知15种左右,分别与特定中间纤维结合,如:
flanggrin(聚纤蛋白)、plectin(网蛋白)、ankyrin(锚蛋白)等——具有细胞特异性
1.使中间纤维交联成束、成网。
2.把中间纤维交联到质膜或其它骨架成分上
Eg.Plectin——网蛋白,是细胞质中含量丰富的一种蛋白质(300kDa),与多种中间丝共存,与中间丝、微管和肌球蛋白粗丝的交联和锚定有关
2.中间纤维的装配&
调节
✧中间纤维蛋白单体分子大多长丝状的,称丝状蛋白fibrousprotein。
有氨基末端的头部、羧基末端的尾部、一个中间杆状区域。
中间杆状区域由展开的α-螺旋区组成,α-螺旋区含有纵排的重复组件,称七位复件(heptadrepeat)
✧过程:
单体→二聚体→四聚体→中间丝
1.单体→二聚体:
2个单体的α-螺旋区缠绕
2.二聚体→四聚体:
2个二聚体反向平行交错。
二聚体指向相反方向,四聚体失去极性
3.四聚体→中间丝:
侧向包裹在一起。
8个四聚体扭转组成中间丝。
大量亚基侧向排列,靠疏水作用相连,使得中间丝成棒状,容易弯曲但不容易折断。
8个四聚体并排、首尾衔接地相互结合→中间丝
✧中间纤维的组装调控与头部特殊丝氨酸残基磷酸化有关
✧中间纤维蛋白分子呈完全聚合态,很少游离四聚体
3.中间纤维的功能
(1)中间纤维在细胞内形成一个完整的网状骨架结构
IF与质膜和细胞外基质相连,内与核纤层相连,整个纤维网架围绕细胞核,穿过胞质终止于质膜。
中间纤维有一定可塑性,对维持细胞整体结构、功能完成有重要作用。
(2)中间纤维为细胞提供机械强度支持
在容易受到机械应力的细胞中,中间纤维特别丰富
体外实验表明,中间纤维比微管、微丝更耐受剪切力,在受到较大剪切力时不易断裂,在维持细胞机械强度方面有重要作用
(3)中间纤维参与细胞连接
一些器官和皮肤的表皮细胞是通过桥粒和半桥粒连接在一起,中间纤维参与黏着连接的桥粒、半桥粒,在细胞中形成一个网络,既能保持细胞形态,又能提供支持力
(4)中间纤维参与细胞内信息传递及物质运输
中间纤维外连质膜、细胞外基质,内穿核骨架,形成跨膜的信息通道
中间纤维在体外与单链DNA有高度亲和性,在细胞内明显聚集在核周围,可能与DNA复制、转录有关。
近年来发现中间纤维与mRNA运输有关,且胞质mRNA锚定于中间纤维,可能对其定位、是否翻译起作用
(5)中间纤维维持细胞核膜稳定
细胞核膜下有一层由核纤层蛋白组成的网络,对于维持细胞核形态有重要作用,核纤层是中间纤维的一种
(6)中间纤维参与细胞分化
中间纤维的表达有组织特异性,表明跟细胞分化可能有密切关系
网状支架,支持、维持细胞形态
中心粒、鞭毛、纤毛形成
物质运输(马达蛋白)
细胞器定位&
分布
染色体运动,调节细胞分裂
细胞内信号传导
微丝
支架、维持细胞形态
参与细胞运动
物质运输
参与肌肉收缩
参与细胞分裂
中间纤维
完整的网状骨架系统。
参与细胞连接。
维持细胞核膜稳定
提供机械强度支持
参与细胞分化
第4节细胞的运动
1.微管与细胞运动
纤毛:
以一种猛烈抽打的方式来运动,eg动物呼吸管道上皮细胞靠纤毛的规律摆动向气管外转运痰液。
鞭毛:
通常比纤毛长,用来推动整个细胞,不做抽打运动,沿着长度方向传播规律性的波动。
2.微丝与细胞运动
细胞运动是高度协同的复杂过程,依赖微丝与微丝结合蛋白相互作用,进行细胞的移动,分为三个过程:
1.细胞在它的前端或前沿伸出
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