10第十章细胞骨架

1、第第十十章章 细细 胞胞 骨骨 架架（cytoskeleton）细胞骨架细胞骨架是是真核真核细胞中的细胞中的蛋白纤维网架体系蛋白纤维网架体系包括包括细胞质骨架细胞质骨架和和核骨架核骨架： 细胞质骨架细胞质骨架包括包括微管微管、微丝微丝和和中间纤维中间纤维 核骨架核骨架包括包括核纤层核纤层、核基质核基质和和染色体骨架染色体骨架 核纤层核纤层与与中间纤维中间纤维在结构上相互在结构上相互连接连接，形成，形成 贯穿于细胞贯穿于细胞核核和细胞和细胞质质之间的之间的网架网架体系体系细胞质骨架细胞质骨架细胞核骨架细胞核骨架第一节第一节 细胞质骨架细胞质骨架微丝（微丝（microfilament，mf）微管（

2、微管（microtubules ，mt）中间纤维（中间纤维（intermediate filament，if）第二节第二节 细胞核骨架细胞核骨架核基质（核基质（nuclear matrix）染色体骨架染色体骨架核纤层（核纤层（nuclear lamina ）一、微一、微 丝丝（microfilament，mf） 又称又称肌动蛋白纤维肌动蛋白纤维（actin filament），是，是真核真核细胞细胞中由中由肌动蛋白肌动蛋白（actin）组成、直径为组成、直径为7nm的的骨架纤维骨架纤维 成分成分 装配装配 微丝特异性药物微丝特异性药物 微丝结合蛋白微丝结合蛋白 微丝的功能微丝的功能 肌肉收缩（

3、肌肉收缩（muscle contraction）成成 分分肌动蛋白肌动蛋白（actin）是）是微丝微丝的结构的结构成分成分， 外观呈外观呈哑铃状哑铃状，这种，这种actin又叫又叫g-actin g-actin形成的微丝又称为形成的微丝又称为f-actin装装 配配mf是由是由g-actin单体单体形成的形成的多聚体多聚体，肌动蛋白单体肌动蛋白单体具有具有极性极性 装配时呈装配时呈头尾相接头尾相接，故微丝具有，故微丝具有极性极性，即，即正极正极与与负极负极之别之别体外实验体外实验表明，表明，mf正极与负极都能正极与负极都能生长生长，生长快的一端为，生长快的一端为 正极正极，慢的一端为，慢的一端

4、为负极负极；去装配去装配时，负极比正极快。由于时，负极比正极快。由于 g-actin在正极端在正极端装配装配，负极，负极去装配去装配，表现出，表现出踏车行为踏车行为体内装配体内装配时，时，mf呈现出呈现出动态不稳定性动态不稳定性，主要取决于，主要取决于f-actin 结合的结合的atp水解速度水解速度与游离的与游离的g-actin单体浓度单体浓度之间的之间的关系关系 mf动态动态变化与细胞生理变化与细胞生理功能功能变化相变化相适应适应：体内的微丝结构：体内的微丝结构 有有永久性永久性和和暂时性暂时性的的结构结构微丝特异性药物微丝特异性药物细胞松弛素细胞松弛素（cytochalasins）：可以

5、）：可以切断切断微丝，并结微丝，并结 合在微丝合在微丝正极阻止正极阻止肌动蛋白肌动蛋白聚合聚合，导致微丝，导致微丝解聚解聚鬼笔环肽鬼笔环肽（philloidin）：与微丝）：与微丝侧面侧面结合，结合，防止防止mf 解聚解聚影响影响微丝微丝动态性动态性装配的装配的药物药物对细胞都有对细胞都有毒害毒害，说明，说明 微丝微丝功能发挥功能发挥依赖依赖微丝微丝与肌动蛋白与肌动蛋白单体单体库间的动态库间的动态 平衡。平衡。动态平衡动态平衡受受单体浓度单体浓度和和微丝结合蛋白微丝结合蛋白的影响的影响 微丝结合蛋白微丝结合蛋白 整个整个骨架骨架系统系统结构结构和和功能功能在很大程度上受到在很大程度上受到 不同

6、细胞骨架不同细胞骨架结合蛋白结合蛋白的的调节调节actin单体结合蛋白单体结合蛋白 这些这些小分子小分子蛋白与蛋白与actin单体单体结合，结合，阻止阻止其添加到其添加到 微丝微丝末端末端，当细胞需要单体时才释放，主要用于，当细胞需要单体时才释放，主要用于 actin装配装配的的调节调节，如，如profilin等等微丝结合蛋白微丝结合蛋白微丝结合蛋白微丝结合蛋白将微丝将微丝组织组织成以下成以下三种主要形式三种主要形式 mf同向平行排列同向平行排列：如：如微绒毛微绒毛和丝状和丝状伪足伪足 mf反向平行排列反向平行排列：如：如应力纤维应力纤维和和收缩环收缩环 mf相互交错排列相互交错排列：如：如皮

7、层皮层细胞中微丝细胞中微丝微微 丝丝 的的 功功 能能维持细胞形态维持细胞形态细胞运动细胞运动微绒毛（微绒毛（microvillus）应力纤维（应力纤维（stress fiber）参与胞质分裂参与胞质分裂肌肉收缩肌肉收缩成纤维细胞成纤维细胞爬行与微丝爬行与微丝装配装配和和解聚解聚相关相关 细细 胞胞 运运 动动 小肠小肠上皮细胞的上皮细胞的指状突起指状突起，增加，增加小肠上皮细胞小肠上皮细胞表面积表面积，以利于营养的，以利于营养的快速吸收快速吸收微微 绒绒 毛毛（microvillus） 应应 力力 纤纤 维维（stress fiber）分布分布：广泛存在于：广泛存在于真核细胞真核细胞成分成分

8、：肌动肌动蛋白、蛋白、肌球肌球蛋白、蛋白、原肌球原肌球蛋白和蛋白和 -辅辅肌动肌动蛋白蛋白作用作用：介导：介导细胞间细胞间或或细胞细胞与与基质基质表面的表面的粘着粘着。细胞。细胞贴壁贴壁与粘与粘 着着斑的形成相关，在形成斑的形成相关，在形成粘着斑粘着斑的质膜下，微丝紧密的质膜下，微丝紧密 平行平行排列排列成束成束，形成，形成应力纤维束应力纤维束，具有，具有收缩收缩功能功能 收缩环收缩环由大量由大量反向平行反向平行排列的微排列的微丝组成，收缩机制是丝组成，收缩机制是肌动肌动蛋白和蛋白和肌球肌球蛋白间的蛋白间的相对滑动相对滑动肌肌 肉肉 收收 缩缩（muscle contraction） 肌肉肌肉

9、可看作一种富含可看作一种富含细胞骨架细胞骨架的高效的高效 能量转换器能量转换器，直接将，直接将化学能化学能转变为转变为机械能机械能 肌肉收缩肌肉收缩的的滑动模型滑动模型由神经冲动诱发的肌肉收缩基本过程由神经冲动诱发的肌肉收缩基本过程由神经冲动诱发的肌肉收缩基本过程由神经冲动诱发的肌肉收缩基本过程 动作电位动作电位的传导的传导 ca2+的的释放释放 肌动肌动与与肌球肌球蛋白丝蛋白丝相对相对滑动滑动 ca2+的的回收回收 二、微二、微 管管（microtubules，mt）微管的组成与结构微管的组成与结构装配装配微管特异性药物微管特异性药物微管组织中心（微管组织中心（mtoc） 微管结合蛋白（微管

10、结合蛋白（map）微管的功能微管的功能微管的组成与结构微管的组成与结构 微管可装配成微管可装配成单管单管二联管二联管（纤毛纤毛和和鞭毛鞭毛）三联管三联管（中心体中心体和和基体基体）装装 配配装配方式装配方式所有所有微管微管都有确定的都有确定的极性极性微管装配是一个动态不稳定过程微管装配是一个动态不稳定过程 和和 微管蛋白形成微管蛋白形成 二聚体二聚体， 二聚体二聚体先平行于长轴重复排列成先平行于长轴重复排列成原纤维原纤维，经，经侧面增加侧面增加二聚体二聚体而扩展为而扩展为片层片层，当扩展加宽至，当扩展加宽至13根根原纤原纤维时，即维时，即合拢合拢形成一段形成一段微管微管 微管装配微管装配动态动

11、态不稳定性是指微管不稳定性是指微管装配生长装配生长与与 快速快速去装配去装配的一个的一个交替变换交替变换过程过程 动力学动力学不稳定性产生的不稳定性产生的原因原因 微管两端具有微管两端具有gtp帽帽，微管将继续，微管将继续组装组装，无无 gtp帽则帽则解聚解聚微管特异性药物微管特异性药物秋水仙素秋水仙素（colchicine）阻断阻断微管蛋白微管蛋白组装组装 成微管，可成微管，可破坏破坏纺锤体纺锤体结构结构紫杉酚紫杉酚（taxol）能）能促进促进微管的微管的装配装配，并使，并使 已形成的微管更加已形成的微管更加稳定稳定微管微管动力学不稳定性动力学不稳定性是其功能发挥的是其功能发挥的基础基础微管

12、组织中心微管组织中心（mtoc）概念概念常见的微管组织中心常见的微管组织中心中心体（中心体（centrosome）基体（基体（basal body） 解聚解聚后的微管后的微管重新装配重新装配的发生的发生处称为处称为微管组织中心微管组织中心（microtubule organizing center，mtoc）常见的微管组织中心常见的微管组织中心间期细胞间期细胞mtoc：中心体中心体（动态微管）（动态微管）分裂期细胞分裂期细胞mtoc：纺锤体两极纺锤体两极（动态微管）（动态微管）鞭毛纤毛鞭毛纤毛中中mtoc：基体基体（永久性结构）（永久性结构） 中中 心心 体体（centrosome） 中心体中

13、心体（centrosome）结构结构 中心体复制周期中心体复制周期 微管蛋白微管蛋白：位于：位于中心体中心体周围周围基质基质中，中，环形环形 结构，结构结构，结构稳定稳定，为，为微管蛋白微管蛋白二聚体二聚体提供提供 装配的装配的起始位点起始位点，所以又叫，所以又叫成核位点成核位点 基基 体体（basal body） 位于位于鞭毛鞭毛和和纤毛纤毛根部根部类似结构类似结构称为称为 基体基体（basal body） 基体基体也具有也具有自我复制自我复制的性质的性质微管结合蛋白微管结合蛋白（microtubule associated protein，map） 蛋白蛋白：轴突轴突中多中多 map1：轴

14、突轴突和和树突树突中中 map2：树突树突中中 map4：各种：各种细胞细胞中中微微 管管 的的 功功 能能维持细胞形态维持细胞形态细胞内物质的运输细胞内物质的运输纤毛（纤毛（cilia）和鞭毛（）和鞭毛（flagella）运动）运动纺锤体和染色体运动纺锤体和染色体运动维持细胞形态维持细胞形态 用用秋水仙素秋水仙素处理细胞处理细胞破坏破坏微管，导致细胞微管，导致细胞 变圆变圆，说明微管对维持细胞的不对称，说明微管对维持细胞的不对称形状形状是重是重要的。对于要的。对于细胞突起细胞突起部分，如纤毛、鞭毛、轴部分，如纤毛、鞭毛、轴突的突的形成形成和和维持维持，微管亦起，微管亦起关键关键作用作用细胞内

15、物质的运输细胞内物质的运输 真核真核细胞内部是高度细胞内部是高度区域化区域化的体系，细胞中合成的的体系，细胞中合成的 物质、一些细胞器等必须经过物质、一些细胞器等必须经过细胞内运输细胞内运输过程。这种运过程。这种运 输过程与输过程与细胞骨架细胞骨架体系中体系中微管微管及其及其motor protein有关有关 motor proteins 神经元轴突运输的类型神经元轴突运输的类型 色素颗粒的运输色素颗粒的运输motor proteins 目前已鉴定的目前已鉴定的motor proteins有数十种。根据其有数十种。根据其结合的结合的骨架骨架纤维和运动纤维和运动方向方向及携带的转运物不同而分及携

16、带的转运物不同而分为不同为不同类型类型。胞质中。胞质中微管微管motor protein分两大类：分两大类：驱动蛋白驱动蛋白（kinesin）：通常向微管）：通常向微管正极正极方向运动方向运动动力蛋白动力蛋白（cytoplasmic dynein）：向微管）：向微管负极负极运动运动 驱动蛋白驱动蛋白的的分子结构分子结构 驱动蛋白驱动蛋白和和动力蛋白动力蛋白的的运输方式运输方式神经元轴突运输的类型神经元轴突运输的类型纤毛纤毛（cilia）和鞭毛和鞭毛（flagella）运动运动纤毛纤毛和和鞭毛鞭毛的的结构结构 纤毛纤毛运动机制运动机制三、中三、中 间间 纤纤 维维（intermediate fi

17、lament，if） 10nm纤维，其纤维，其直径直径介于介于微管微管和和微丝微丝之间，故被命名之间，故被命名 为为中间纤维中间纤维。if几乎分布于所有几乎分布于所有动物动物细胞，往往形成一细胞，往往形成一 个个网络网络结构，特别是在需要承受结构，特别是在需要承受机械压力机械压力的细胞中含量的细胞中含量 相当相当丰富丰富（如（如上皮细胞上皮细胞） 中间纤维的装配中间纤维的装配 中间纤维的成分与分布中间纤维的成分与分布 中间纤维结合蛋白中间纤维结合蛋白（ifap）及其判定标准及其判定标准 中间纤维的功能中间纤维的功能中间纤维的装配中间纤维的装配中间纤维中间纤维的的装配装配过程过程if装配与装配与

18、mf、mt装配装配相比相比，有以下几个，有以下几个特点特点： if的的单体单体是是纤维状蛋白纤维状蛋白（mf和和mt单体单体呈呈球形球形） 反向反向平行平行的的四聚体四聚体导致导致if不具有极性不具有极性 if在在体外装配体外装配时不需要核苷酸或结合蛋白时不需要核苷酸或结合蛋白辅助辅助 在在体内装配体内装配后，细胞中几乎不存在后，细胞中几乎不存在if单体单体中间纤维的成分与分布中间纤维的成分与分布 if成分成分比比mf、mt复杂复杂，具有，具有组织特异性组织特异性 if在在形态上相似形态上相似，而，而化学组成化学组成有明显有明显差别差别 中间纤维中间纤维的的类型类型与与分布分布 中间纤维蛋白表

19、达中间纤维蛋白表达的的组织特异性组织特异性中间纤维的功能中间纤维的功能增强细胞增强细胞抗机械压力抗机械压力的能力的能力 角蛋白纤维参与桥粒的形成和维持角蛋白纤维参与桥粒的形成和维持 结蛋白结蛋白纤维维持纤维维持肌肉肌肉细胞细胞收缩装置收缩装置神经元神经元纤维参与纤维参与神经神经细胞细胞轴突运输轴突运输中间纤维中间纤维参与参与传递传递细胞内细胞内分子信息分子信息中间纤维中间纤维与与mrna运输运输和和定位定位有关有关第二节第二节 细胞核骨架细胞核骨架核基质（核基质（nuclear matrix）染色体骨架染色体骨架核纤层（核纤层（nuclear lamina）一、核一、核 基基 质质（nucle

20、ar matrix） 形态结构形态结构成分成分核骨架结合序列核骨架结合序列核骨架的功能核骨架的功能形形 态态 结结 构构 研究核骨架的分级抽提方法研究核骨架的分级抽提方法 非离子去垢剂非离子去垢剂溶解膜溶解膜结构系统，胞质中可溶性成结构系统，胞质中可溶性成分随之流失；再用分随之流失；再用tween40和脱氧胆酸钠处理，胞质和脱氧胆酸钠处理，胞质中的中的微管微管、微丝微丝与一些蛋白结构被溶去，胞质中只有与一些蛋白结构被溶去，胞质中只有中间纤维网能完好存留；用核酸酶与硫酸铵处理，染中间纤维网能完好存留；用核酸酶与硫酸铵处理，染色质中色质中dna、rna和和组蛋白组蛋白被抽提，核内呈现一个精被抽提，

21、核内呈现一个精细发达的核骨架网络，结合非树脂包埋细发达的核骨架网络，结合非树脂包埋 去包埋剂去包埋剂电镜电镜制样方法，可清晰显示制样方法，可清晰显示核骨架核骨架 中间纤维中间纤维结构体系结构体系成成 分分核骨架核骨架不象胞质骨架那样由非常专一蛋白组不象胞质骨架那样由非常专一蛋白组成，核骨架成，核骨架成分成分比较比较复杂复杂，主要成分是，主要成分是核骨架蛋白核骨架蛋白及及骨架结合蛋白骨架结合蛋白，并含有，并含有少量少量rna 核骨架蛋白核骨架蛋白 骨架结合蛋白骨架结合蛋白 其他蛋白其他蛋白核骨架结合序列核骨架结合序列dna序列中的序列中的核骨架结合序列核骨架结合序列（matrix associa

22、ted region， mar），这部分），这部分dna与与核骨架蛋白核骨架蛋白的结合，在基因表达的结合，在基因表达 中有中有调控调控作用作用核骨架结合序列的基本特征核骨架结合序列的基本特征 mar的功能的功能 通过与核骨架蛋白结合，将通过与核骨架蛋白结合，将dna放射环放射环锚定锚定核骨架核骨架上上 作为许多功能性基因作为许多功能性基因调控蛋白调控蛋白的的结合位点结合位点核骨架结合序列的基本特征核骨架结合序列的基本特征 富含富含at 富含富含dna 解旋元件解旋元件（dna unwinding elements） 富含富含反向重复序列反向重复序列（inverted repeats） 含有含有转录因子转录因子结合位点结合位点核骨架的功能核骨架的功能dna复制复制基因表达基因表达 真核中真核中rna转录转录和和加工加工均与核骨架有关，有均与核骨架有关，有 转录活性转录活性的的基因基因是结合在是结合在核骨架核骨架上的；上的；rna 聚合酶聚合酶在核骨架上具有在核骨架上具有结合位点结合位点 病毒复制病毒复制染色体构建染色体构建二、染二、染 色色 体体 骨骨 架架染色体骨架与染色体骨架与放射环模型放射环模型染色体骨架的染色体骨架的成分成分 染色体骨架与染色体骨架与核基质核基质的的关系关系三、核三、核 纤纤 层层（nuclear lamina）核纤层分布与形态结构核纤层分布与形态结构