《细胞生物学》教案（第15次课2学时）、授课题目第八章细胞骨架二、教学目的和要求1.熟练掌握微管，微丝和中间纤维的形态结构和化学组成：2.掌握微管，微丝和中间纤维的功能；3.了解微管.微丝和中间纤维的装配过程：4.熟悉细胞核骨架的结构和功能。三、教学重点和难点教学重点：1细胞骨架的狭义及广义概念2细胞骨架各成分性质、结构与功能教学难点：细胞骨架各成分之间的关系四、主要参考资料翟中和．细胞生物学，第四版．北京：高等教育出版社，2011五、教学过程不25nmnm￥1MitoticcellnMotubulesN10mmβ-tubulinα-tubulinMicrotubules reorganizeduring the cell cyclePhoto courtesy of Lynne Cassimeris, Lehiah University
《细胞生物学》教案 （第 15 次课 2 学时） 一、授课题目 第八章 细胞骨架 二、教学目的和要求 1.熟练掌握微管,微丝和中间纤维的形态结构和化学组成； 2.掌握微管,微丝和中间纤维的功能； 3.了解微管,微丝和中间纤维的装配过程； 4.熟悉细胞核骨架的结构和功能。 三、教学重点和难点 教学重点：1 细胞骨架的狭义及广义概念 2 细胞骨架各成分性质、结构与功能 教学难点：细胞骨架各成分之间的关系 四、主要参考资料 翟中和． 细胞生物学， 第四版．北京：高等教育出版社，2011 五、教学过程
第二节微管及其功能（microtubule）一形态结构及化学组成(一)形态结构：微管是细胞质中细长而具一定硬性的圆管状结构（中空圆筒状），外径24~25nm：内径15nm，长度变化不等，可达数微米。它是一种蛋白质性质的细胞器，广泛存在于真核细胞中（近来在少数细菌中也有发现）。在胞内呈网状或束状分布，并能与其他蛋白共同组装成纺锤体、基粒、中心粒、鞭毛、纤毛、轴突等结构，参与细胞形态的维持、细胞运动和细胞分裂。1967一1968年发现组成微管的化学成分主要是微管蛋白（tubulin），是一种酸性蛋白质。1971年知道这种蛋白质有两个亚基（两型）一一a型和β型。通常情况下，二者结合在一起，成为异二聚体，是构成微管的基本单位。Dimerα-TubulinGTPGDPβ-Tubulin8nm(-) end(+)endProtofilament125nmSeam微管（microtubule.MT）：一种内/外径分别为15/24nm的中空的管状细胞骨架纤维，由a/β微管蛋白形成的异二聚体组装而成。大部分微管在细胞质内形成暂时性的结构。微管的主要功能：微管参与细胞形态的发生和维持、细胞内物质运输、细胞分裂和细胞运动等过程。微管蛋白（tubulin）：一个能聚合形成微管的球状细胞骨架蛋白家族。a/β-微管蛋白异二聚体是微管组装的基本单位，它们相互作用的界面上呈互补关系。a/β-微管蛋白上都有一个GTP结合位点，但a-微管蛋白上结合的GTP不能被水解，称为不可交换位点N位点），而β-微管蛋白上结合的GTP可水解，直接参与微管组装，称为可交换位点（E位点）。此外，微管蛋白上还有二价阳离子结合位点，一个秋水仙素结合位点，一个长春花碱结合位点。微管蛋白的C端均含有酸性氨基酸序列，因此微管表面带有较强的负电荷。有些微管蛋白亚基上特定的氨基酸残基可被乙酰化修饰。哺乳动物中至少有6个编码微管蛋白的基因：细菌和古细菌中的FtsZ蛋白与微管蛋白同源。1
1 第二节 微管及其功能（microtubule） 一 形态结构及化学组成 ㈠形态结构： 微管是细胞质中细长而具一定硬性的圆管状结构（中空圆筒状），外径 24~25nm；内径 15nm，长度变化不等，可达数微米。它是一种蛋白质性质的细胞器，广泛存在于真核细胞 中（近来在少数细菌中也有发现）。在胞内呈网状或束状分布，并能与其他蛋白共同组装 成纺锤体、基粒、中心粒、鞭毛、纤毛、轴突等结构，参与细胞形态的维持、细胞运动和 细胞分裂。 1967—1968 年发现组成微管的化学成分主要是微管蛋白（tubulin），是一种酸性蛋白质。 1971 年知道这种蛋白质有两个亚基（两型）——α型和β型。通常情况下，二者结合在一 起，成为异二聚体，是构成微管的基本单位。 微管（microtubule, MT）：一种内/外径分别为 15/24 nm 的中空的管状细胞骨架纤维，由 α/β微管蛋白形成的异二聚体组装而成。大部分微管在细胞质内形成暂时性的结构。 微管的主要功能：微管参与细胞形态的发生和维持、细胞内物质运输、细胞分裂和细胞运 动等过程。 微管蛋白（tubulin）：一个能聚合形成微管的球状细胞骨架蛋白家族。 α/β-微管蛋白异 二聚体是微管组装的基本单位，它们相互作用的界面上呈互补关系。α/β-微管蛋白上都 有一个 GTP 结合位点，但α-微管蛋白上结合的 GTP 不能被水解，称为不可交换位点（N 位点），而β-微管蛋白上结合的 GTP 可水解，直接参与微管组装，称为可交换位点（E 位点）。此外，微管蛋白上还有二价阳离子结合位点，一个秋水仙素结合位点，一个长春 花碱结合位点。微管蛋白的 C 端均含有酸性氨基酸序列，因此微管表面带有较强的负电 荷。有些微管蛋白亚基上特定的氨基酸残基可被乙酰化修饰。哺乳动物中至少有 6 个编码 微管蛋白的基因；细菌和古细菌中的 FtsZ 蛋白与微管蛋白同源
α TubulinβTubulinGDPGTPTaxol（微管蛋白：GTP结合位点（不可交换位点/可交换位点）二价阳离子结合位点秋水仙素结合位点：长春花碱结合位点）p-tubulin(microtubulesubunit)orototilamentplusIC(Bmicrotubulea-tubulin请你仔细找一下微管的“接缝”！原纤丝（protofilament）：微管的横截面是由13个球形蛋白亚基构成的环状结构。微管的管壁是由a/β-微管蛋白异二聚体纵向排列而成的13根原纤丝合拢而成。由于相邻的原纤丝之间在排列上存在1nm左右的交错，以至微管蛋白沿微管的圆周呈螺旋状排列，在微管合拢的位置微管蛋白构成的螺旋被终止，出现α-微管蛋白和β-微管蛋白之间的横向结合，并产生纵贯长轴的“接缝”。每一根原纤丝的两端都是不对称的，它们在微管的某-端都是α-微管蛋白，而在另一端都是β-微管蛋白，从而使得整根微管在结构上呈极性状态。人们通常将微管组装较快的一端称为正极（拥有β-微管蛋白），而另一端称为负2
2 （微管蛋白；GTP 结合位点（不可交换位点/可交换位点)二价阳离子结合位点 秋水仙素结合位点；长春花碱结合位点） 请你仔细找一下微管的“接缝”！ 原纤丝（protofilament）：微管的横截面是由 13 个球形蛋白亚基构成的环状结构。微管的 管壁是由α/β-微管蛋白异二聚体纵向排列而成的 13 根原纤丝合拢而成。由于相邻的原 纤丝之间在排列上存在 1nm 左右的交错，以至微管蛋白沿微管的圆周呈螺旋状排列，在 微管合拢的位置微管蛋白构成的螺旋被终止，出现α-微管蛋白和β-微管蛋白之间的横向 结合，并产生纵贯长轴的“接缝”。每一根原纤丝的两端都是不对称的，它们在微管的某 一端都是α-微管蛋白，而在另一端都是β-微管蛋白，从而使得整根微管在结构上呈极性 状态。人们通常将微管组装较快的一端称为正极（拥有β-微管蛋白），而另一端称为负
极。（）化学组成组成微管的化学成分除微管蛋白外，还包括其它一些蛋白质。通称为微管关联蛋白。主要分为两类：一是微管动力蛋白（马达分子），如Kinesin驱动蛋白、Dyenin动力蛋白等。对物质延微管运动起定向驱动作用。二是微管结合蛋白，已发现两大家族，即MAP蛋白类和Tau蛋白类。它们对骨架空间构建及细胞形态建成的关系极为密切。另外，还有一种称为tau蛋白，它可以控制微管延长。白微管的类型1、微管可装配成单管、二联管、三联管。2、大部分细胞质微管是单管微管，它在低温、Ca2+和秋水仙素作用下容易解聚，属于不稳定微管。二联管是构成纤毛和鞭毛的周围小管，是运动类型的微管，它对低温、Ca2+和秋水仙素都比较稳定。三联管见于中心粒和基体，它对低温、Ca2+和秋水仙素是稳定的。OODORDoubletTripletSinglet(cilia,flagella)(basalbodies,centrioles)马达蛋白利用水解ATP产生的能量携带所运输的“货物”沿微管运动。2
3 极。 ㈡化学组成 组成微管的化学成分除微管蛋白外，还包括其它一些蛋白质。通称为微管关联蛋白。 主要分为两类：一是微管动力蛋白（马达分子），如 Kinesin 驱动蛋白、Dyenin 动力蛋白 等。对物质延微管运动起定向驱动作用。二是微管结合蛋白，已发现两大家族，即 MAP 蛋白类和 Tau 蛋白类。它们对骨架空间构建及细胞形态建成的关系极为密切。另外，还有 一种称为 tau 蛋白，它可以控制微管延长。 ㈢微管的类型 1、微管可装配成单管、二联管、三联管。 2、大部分细胞质微管是单管微管，它在低温、Ca2+和秋水仙素作用下容易解聚，属于不稳 定微管。 二联管是构成纤毛和鞭毛的周围小管，是运动类型的微管，它对低温、Ca2+和秋水仙素都 比较稳定。 三联管见于中心粒和基体，它对低温、 Ca2+和秋水仙素是稳定的。 马达蛋白利用水解 ATP 产生的能量携带所运输的“货物”沿微管运动
二微管的装配(一)微管装配的过程：分为成核(nucleation)和延长(elongation)两个阶段A.原纤维装配B.侧面层装配C.微管延伸4nmβ-微管蛋白CCP游离微管(+)末端688蛋白二聚体8nmGTP帽α-微管蛋白C-GDP微管-o-Seam(d)ht.1999nwaSon(-)末端Allrightsreserveder（原纤丝组装→侧面层组装→微管延伸：装配方式是：首先α微管蛋白和β微管蛋白形成aβ二聚体，然后二聚体首尾相接形成原纤维，进一步经过侧面增加而扩张成片层。当聚合达到13条原纤维时，合拢形成一段微管（带状→片状→筒状）。新的二聚体不断添加上去，使微管延长。）微管的体外组装的过程：①原纤丝装配：a/β-微管蛋白首先装配成原纤丝：②侧面层装配：原纤丝侧向相互作用形成片层：③微管延伸：由13根原纤丝合拢形成微管，a/β-微管蛋白从两端聚合（或解聚）使微管延长（或缩短）。当达到临界浓度时，微管的长度将保持不变。一微管装配的特点：1、与GTP结合的微管蛋白二聚体参与装配过程：2、装配形成的微管具有极性，正极为β微管蛋白，负极为α微管蛋白；3、装配速度两极不同，正极快，负极慢4、存在踏车行为(treadmilling）：一端因加亚单位而延长，另一端因亚单位脱落而减短；（当微管一端组装的速度与另一端解聚（去组装）的速度相等时，微管的长度保持稳定）)微管装配是一个动态不稳定过程（P288）微管是一种不断更新、多变的细胞器，能自行聚合（装配）和解聚（分解）。1、微管装配的动力学不稳定性是指微管装配生长与快速去装配的一个交替变换的现象A
4 二 微管的装配 ㈠微管装配的过程：分为成核(nucleation)和延长(elongation)两个阶段 (原纤丝组装→侧面层组装→微管延伸；装配方式是：首先α微管蛋白和β微管蛋白形成 αβ二聚体，然后二聚体首尾相接形成原纤维，进一步经过侧面增加而扩张成片层。当聚 合达到 13 条原纤维时，合拢形成一段微管（带状→片状→筒状）。新的二聚体不断添加 上去，使微管延长。) 微管的体外组装的过程：①原纤丝装配： α/β-微管蛋白首先装配成原纤丝；②侧面层装 配：原纤丝侧向相互作用形成片层；③微管延伸：由 13 根原纤丝合拢形成微管，α/β-微 管蛋白从两端聚合（或解聚）使微管延长（或缩短）。当达到临界浓度时，微管的长度将 保持不变。 ㈡微管装配的特点： 1、与 GTP 结合的微管蛋白二聚体参与装配过程； 2、装配形成的微管具有极性，正极为β微管蛋白，负极为α微管蛋白； 3、装配速度两极不同，正极快，负极慢； 4、存在踏车行为(tread milling）：一端因加亚单位而延长，另一端因亚单位脱落而减短； （当微管一端组装的速度与另一端解聚（去组装）的速度相等时，微管的长度保持稳定） ㈢微管装配是一个动态不稳定过程（P288） 微管是一种不断更新、多变的细胞器，能自行聚合（装配）和解聚（分解）。 1、 微管装配的动力学不稳定性是指微管装配生长与快速去装配的一个交替变换的现象
(a)Assembly(elongation)(b)Disassembly(shrinkage)Frayed ends（一段一段地掉）微管是一种不断更新、多变的细胞器，能自行聚合（装配）和解聚（分解）微管的动态不稳定性依赖于微管末端β-微管蛋白上GTP的有无：当体系中a/β-微管蛋白浓度大于临界浓度时，微管末端新的微管蛋白加入的速度大于GP水解的速度，未端的β-微管蛋白上带有GTP，组装快于解聚：反之，则发生原纤丝弯曲，微管的末端倾向于解聚。微管去稳定蛋白（stathmin）：去磷酸化的stathmin结合一对a/β-微管蛋白，降低a/β微管蛋白的有效浓度，促进解聚：磷酸化的stathmin则失去与微管蛋白结合的活性，提高a/β-微管蛋白的有效浓度，促进组装。细胞可以通过调节局部stathmin的磷酸化状态来调控微管的组装与分布。实际上，微管的快速组装与去组装行为对于微管行使其功能极为重要：但有些微管与某些蛋白质或细胞结构结合而保持相对稳定5
5 (一段一段地掉) 微管是一种不断更新、多变的细胞器，能自行聚合（装配）和解聚（分解） 微管的动态不稳定性依赖于微管末端β-微管蛋白上 GTP 的有无：当体系中α/β-微管蛋 白浓度大于临界浓度时，微管末端新的微管蛋白加入的速度大于 GTP 水解的速度，末端 的β-微管蛋白上带有 GTP，组装快于解聚；反之，则发生原纤丝弯曲，微管的末端倾向 于解聚。 微管去稳定蛋白（stathmin）：去磷酸化的 stathmin 结合一对α/β-微管蛋白，降低α/β -微管蛋白的有效浓度，促进解聚；磷酸化的 stathmin 则失去与微管蛋白结合的活性，提 高α/β-微管蛋白的有效浓度，促进组装。细胞可以通过调节局部 stathmin 的磷酸化状 态来调控微管的组装与分布。 实际上，微管的快速组装与去组装行为对于微管行使其功能极为重要；但有些微管与某 些蛋白质或细胞结构结合而保持相对稳定
10um125$307$时闻0669s（在注射了罗丹明标记的微管蛋白的蝶螈肺上皮细胞内，细胞边缘的微管的动态不稳定性）2、动力学不稳定性产生的原因：微管两端具GTP帽（取决于微管蛋白浓度）.微管将继续组装,反之,无GDP帽则解聚。Tubulin withTubulin withboundGDPbound GTp()(+)PreexistingmicrotubuleAddition ofGTP-boundtubulinGTPcapHighconcentrationLowconcentrationof GTP-boundofGTP-boundfree tubulinfree tubulin00000066StableUnstableGDPcap(Catastrophe: accidental loss of GTPcap; Rescue: regain of GTP cap)微管的特性（properties）微管对某些外界因子敏感首先低温、静水压和高钙可促进微管分解。此外，每一异二聚体上有秋水仙素和长春花碱等的结合位点，一且结合则阻止微管聚合，并引起原有微管解聚。所以秋水仙素是微管的专一性抑制剂，常用作细胞分裂的阻断剂。秋水仙素（colchicine)：结合到未聚合的微管蛋白二聚体上，阻断微管蛋白组装成微管，可破坏纺锤体结构（抑制细胞的有丝分裂）。长春花碱具有类似的功能。6
6 （在注射了罗丹明标记的微管蛋白的蝾螈肺上皮细胞内，细胞边缘的微管的动态不稳定性） 2、动力学不稳定性产生的原因：微管两端具 GTP 帽(取决于微管蛋白浓度),微 管将继续组装,反之,无 GDP 帽则解聚。 (Catastrophe: accidental loss of GTP cap; Rescue: regain of GTP cap) 三 微管的特性（properties） 微管对某些外界因子敏感 首先低温、静水压和高钙可促进微管分解。此外，每一异二聚 体上有秋水仙素和长春花碱等的结合位点，一旦结合则阻止微管聚合，并引起原有微管解 聚。所以秋水仙素是微管的专一性抑制剂，常用作细胞分裂的阻断剂。 秋水仙素(colchicine)： 结合到未聚合的微管蛋白二聚体上，阻断微管蛋白组装成微管，可 破坏纺锤体结构（抑制细胞的有丝分裂）。长春花碱具有类似的功能
秋水仙素，一种生物碱，因最初从百合科植物秋水仙中提取出来，故名，也称秋水仙碱。纯秋水仙素呈黄色针状结晶，熔点157℃。易溶于水、乙醇和氯仿。味苦，有毒。秋水仙素能抑制有丝分裂，破坏纺锤体，使染色体停滞在分裂中期。这种由秋水仙素引起的不正常分裂，称为秋水仙素有丝分裂。在这样的有丝分裂中，染色体虽然纵裂，但细胞不分裂，不能形成两个子细胞，因而使染色体加倍。自1937年美国学者布莱克斯利（A.FBlakeslee）等，用秋水仙素加倍曼陀罗等植物的染色体数获得成功以后，秋水仙素就被广泛应用于细胞学、遗传学的研究和植物育种紫杉醇，重水（D2O），二者可促进微管装配，增加其稳定性。紫杉醇(taxol)：能促进微管的装配,并使已形成的微管稳定。它只结合到聚合的微管上，不与未聚合的微管蛋白三聚体反应。（作为抗肿瘤的药物，抑制肿瘤细胞的分裂）同位素示踪表明，紫杉醇只结合到聚合的微管上，不与未聚合的微管蛋白二聚体反应。细胞接触紫杉醇后会在细胞内积累大量的微管，这微管的积累干扰，细胞的各种功能特别是使细胞分裂停止于有丝分裂期，阻断了细胞的正常分裂。通过Ⅱ-Ⅲ临床研究，紫杉醇主要适用于卵巢癌和乳腺癌，对肺癌、大肠癌、黑色素瘤、头颈部癌、淋巴瘤、脑瘤也都有一定疗效。为行使正常的微管功能，微管动力学不稳定性是其功能正常发挥的基础。Table16-2DrugsThatAffect ActinFilaments and MicrotubulesACTIN-SPECIFICDRUGSPhalloidinbindsandstabilizesfilamentsCytochalasincapsfilamentplusendsSwinholideseversfilamentsLatrunculinbindssubunitsandpreventstheirpolymerizationMICROTUBULE-SPECIFICDRUGSTaxolbindsandstabilizesmicrotubulesColchicine,colcemidbindssubunitsandpreventstheirpolymerizationVinblastine,vincristinebindssubunitsandpreventstheirpolymerizationNocodazolebindssubunits andpreventstheirpolymerization四微管组织中心(MTOC)()概念：微管组织中心(microtubuleorganizingcenter，MTOC)：在活细胞内，能够起始微管的成核，并使之延伸的细胞结构（微管在生理状态或实验处理解聚后重新装配的发生处）。如中心体、轴突、基体和其它特殊的部位（核膜外表面、细胞的两极、高尔基体的反面膜7
7 秋水仙素，一种生物碱，因最初从百合科植物秋水仙中提取出来，故名,也称秋水仙碱。 纯秋水仙素呈黄色针状结晶，熔点 157℃。易溶于水、乙醇和氯仿。味苦，有毒。秋水 仙素能抑制有丝分裂，破坏纺锤体，使染色体停滞在分裂中期。这种由秋水仙素引起的 不正常分裂，称为秋水仙素有丝分裂。在这样的有丝分裂中，染色体虽然纵裂，但细胞 不分裂，不能形成两个子细胞，因而使染色体加倍。自 1937 年美国学者布莱克斯利 （A.F.Blakeslee）等，用秋水仙素加倍曼陀罗等植物的染色体数获得成功以后，秋水仙素 就被广泛应用于细胞学、遗传学的研究和植物育种 紫杉醇，重水（D2O），二者可促进微管装配，增加其稳定性。 紫杉醇(taxol)：能促进微管的装配,并使已形成的微管稳定。它只结合到聚合的微管上，不 与未聚合的微管蛋白二聚体反应。（作为抗肿瘤的药物，抑制肿瘤细胞的分裂） 同位素示踪表明， 紫杉醇只结合到聚合的微管上， 不与未聚合的微管蛋白二聚体反应。 细胞接触紫杉醇后会在细胞内积累大量的微管，这些微管的积累干扰了细胞的各种功能， 特别是使细胞分裂停止于有丝分裂期，阻断了细胞的正常分裂。 通过Ⅱ-Ⅲ临床研究，紫 杉醇主要适用于卵巢癌和乳腺癌，对肺癌、大肠癌、黑色素瘤、头颈部癌、淋巴瘤、脑瘤 也都有一定疗效。 为行使正常的微管功能,微管动力学不稳定性是其功能正常发挥的基础。 四 微管组织中心(MTOC) ㈠概念:微管组织中心(microtubule organizing center, MTOC)：在活细胞内，能够起始微管 的成核，并使之延伸的细胞结构（微管在生理状态或实验处理解聚后重新装配的发生处）。 如中心体、轴突、基体和其它特殊的部位（核膜外表面、细胞的两极、高尔基体的反面膜
囊区和新断的微管）等。MTOC的主要作用是帮助大多数细胞质微管装配过程中的成核反应。MTOC决定微管的极性，负极指向MTOC，正极背向MTOC。（)常见微管组织中心间期细胞(interphase(MTOC：→中心体（centrosome）（动态微管）分裂细胞（dividingcells)MTOC：>有丝分裂纺锤体（mitoticspindle)（动态微管）鞭毛纤毛细胞(ciliatedcell)MTOC：→基体(basalbody)(永久性结构)(a)(c)(e)DendriteCentrosomeMTOCAxonCell body(b)(d)(f)Basal bodySpindlepolesFigure 18-5MuellgyitC2008 W.H.Freeman and Company8
8 囊区和新断的微管）等。 MTOC 的主要作用是帮助大多数细胞质微管装配过程中的成核反应。MTOC 决定微管的 极性，负极指向 MTOC，正极背向 MTOC。 ㈡常见微管组织中心 间期细胞(interphase(MTOC：➔ 中心体（centrosome）(动态微管) 分裂细胞(dividing cells)MTOC：➔有丝分裂纺锤体(mitotic spindle)(动态微管) 鞭毛纤毛细胞(ciliated cell)MTOC：➔基体(basal body)(永久性结构)
Mitotic animal cellChromosomeMTOCCentrioleSpindle microtubulesInterphaseanimalcellBasal bodyFlagellumorciliumNucleusCentrioleMTOC（鞭毛或纤毛的基体：centriole中心粒）
9 (鞭毛或纤毛的基体；centriole 中心粒)