第九章 细胞骨架

第九章细胞骨架主要内容1、概述2、细胞质骨架微丝、微管、中间丝3、细胞核骨架第一节概述一、细胞骨架（cytoskeleton）的定义——狭义真核细胞中蛋白纤维网架体系二、组成广义细胞骨架血影蛋白、锚蛋白带4.1蛋白等胶原蛋白、层/纤粘连蛋白、弹性蛋白、蛋白聚糖等细胞核骨架细胞质骨架细胞膜骨架细胞外基质核基质（狭义核骨架）核纤层、核孔复合体（广义核骨架）微丝、微管、中间纤维微梁（不能确定）（狭义细胞骨架）三、功能1、维持细胞外形2、保持细胞内部结构的有序性3、构成某种细胞器4、与细胞的生命活动密切相关一、微丝(microfilament,MF)又称肌动蛋白纤维(actinfilament),是指真核细胞中由肌动蛋白(actin)组成、直径为7nm的骨架纤维。第二节细胞质骨架1、微丝的成分肌动蛋白(actin)是微丝的结构成分,外观呈哑铃状,这种actin又叫G-actin，将

G-actin形成的微丝又称为F-actin。2、微丝的装配◆MF是由G-actin单体形成的多聚体，肌动蛋白单体具有极性,装配时呈头尾相接,故微丝具有极性，既正极与负极之别。◆体外实验表明，MF正极与负极都能生长，生长快的一端为正极，慢的一端为负极；去装配时，负极比正极快。由于G-actin在正极端装配，负极去装配，从而表现为踏车行为。◆体内装配时，MF呈现出动态不稳定性，主要取决于F-actin结合的ATP水解速度与游离的G-actin单体浓度之间的关系。 ◆MF动态变化与细胞生理功能变化相适应。在体内,有些微丝是永久性的结构,有些微丝是暂时性的结构。1)装配过程：两种可能①G-actinF-actin

形成螺旋②G-actinF-actin

螺旋，单体周围有

4个亚基2)体外（invitro）的影响装配因素①ATP，Ca2+，低[Na+]和[K+]→解聚成G-actin②Mg2+，高[Na+]和[K+]，actin→MF3)体内（invivo）影响装配因素①游离actin单体的浓度②MF交织成网的程度③MF结合蛋白的调节n个首尾连接2条n个首尾连接1条踏车行为动态不稳定性暂时性结构3、微丝特异性药物◆细胞松弛素(cytochalasins)：可以切断微丝,并结合在微丝正极阻抑肌动蛋白聚合,因而导致微丝解聚。◆鬼笔环肽(philloidin)：与微丝侧面结合,防止MF解聚。◆影响微丝装配动态性的药物对细胞都有毒害，说明微丝功能的发挥依赖于微丝与肌动蛋白单体库间的动态平衡。这种动态平衡受actin单体浓度和微丝结合蛋白的影响。4、微丝结合蛋白 整个骨架系统结构和功能在很大程度上受到不同的细胞骨架结合蛋白的调节。◆actin单体结合蛋白 这些小分子蛋白与actin单体结合，阻止其添加到微丝末端，当细胞需要单体时才释放，主要用于actin装配的调节，如proflin等。◆微丝结合蛋白◆微丝结合蛋白将微丝组织成以下三种主要形式：

微丝结合蛋白

1）Parallelbundle:MF同向平行排列，主要发现于微绒毛与丝状伪足。微丝的三种组织形式：2）Contractilebundle:MF反向平行排列，主要发现于应力纤维和有丝分裂收缩环。

3）Gel-likenetwork:细胞皮层(cellcortex)中微丝排列形式，MF相互交错排列。5、微丝的功能1）维持细胞形态，赋予质膜机械强度微丝遍及胞质各处，集中分布于质膜下，和其结合蛋白形成网络结构，维持细胞形状和赋予质膜机械强度，如哺乳动物红细胞膜骨架的作用。2）细胞运动成纤维细胞爬行与微丝装配和解聚相关3）微绒毛(microvillus)是肠上皮细胞的指状突起，用以增加肠上皮细胞表面积，以利于营养的快速吸收。4）应力纤维(stressfiber)应力纤维（stressfiber）:广泛存在于真核细胞。成分：肌动蛋白、肌球蛋白、原肌球蛋白和-辅肌动蛋白。介导细胞间或细胞与基质表面的粘着。（细胞贴壁与粘着斑的形成相关，在形成粘合斑的质膜下，微丝紧密平行排列成束，形成应力纤维,具有收缩功能。）

5）参与胞质分裂

收缩环由大量反向平行排列的微丝组成，其收缩机制是肌动蛋白和肌球蛋白相对滑动。6、肌肉收缩(musclecontraction) 肌肉可看作一种特别富含细胞骨架的效力非常高的能量转换器，它直接将化学能转变为机械能。1）肌肉的细微结构(以骨骼肌为例)2）肌小节的组成3）肌肉收缩系统中的有关蛋白①肌球蛋白(myosin)—所有actin-dependentmotorproteins都属于该家族，其头部具ATP酶活力,沿微丝从负极到正极进行运动。

·MyosinⅡ主要分布于肌细胞，有两个球形头部结构域(具有ATPase活性)和尾部链,多个Myosin尾部相互缠绕，形成myosinfilament,即粗肌丝。②原肌球蛋白(tropomyosin,Tm)由两条平行的多肽链形成α-螺旋构型,位于肌动蛋白螺旋沟内,结合于细丝,调节肌动蛋白与肌球蛋白头部的结合。③肌钙蛋白(Troponin,Tn)为复合物，包括三个亚基：TnC(Ca2+敏感性蛋白)能特异与Ca2+结合;TnT(与原肌球蛋白结合);TnI(抑制肌球蛋白ATPase活性)4）肌肉收缩的滑动模型5）由神经冲动诱发的肌肉收缩基本过程

·动作电位的产生

·Ca2+的释放

·原肌球蛋白位移

·肌动蛋白丝与肌球蛋白丝的相对滑动

·Ca2+的回收二、微管（Microtubules）1、微管结构与组成微管是存在于所有真核细胞中由微管蛋白（tubulin）装配成的长管状细胞器结构。微管由微管蛋白亚基组装而成。1）装配过程：αβαβ异二聚体n个首尾连接原丝13根微管n个二联管（纤毛和鞭毛）三联管（中心粒和基粒）2）αβ异二聚体上的结合位点①2个鸟嘌呤核苷酸GTP、GDP②2价阳离子③长春花碱④秋水仙素2、微管的组装和去组装1）微管的装配－－踏车行为两端具GTP帽（取决于微管蛋白浓度）继续装配，具GDP帽则解聚，在一定条件下，微管一段发生装配使微管延长，另一段发生去装配而使微管缩短，实际上是微管正极的装配速度快于微管负极的装配速度，这种现象称为踏车现象（treadmilling）。2）装配条件①体外：a、GTP提供能量

b、Mg2+存在

c、tubulin浓度<1mg/mL时不装配

d、最适pH＝6.9f、温度37℃适宜；0℃解聚

g、[Ca2+]浓度上升解聚，下降促进装配②体内装配的调节多余的蛋白单体与核糖体结合，导致微管蛋白mRNA降解3）微管的特异性药物A、抑制微管装配的药物：1、eg：秋水仙素，秋水酰胺、鬼臼素，长春花碱，美登本等等。2、原理：药物与微管蛋白二聚体形成络合物，改变二聚体的结构，当被添加到微管的生长端时，可有效的阻止二聚体的进一步添加。B、稳定微管的药物：1、紫杉醇，重水等2、对细胞有害，使细胞周期停止于有丝分裂期。3、微管组织中心1）概念：微管在生理状态或实验处理解聚后重新装配的发生处称为微管组织中心(microtubuleorganizingcenter,MTOC)。2）常见微管组织中心◆间期细胞MTOC：中心体(动态微管)◆分裂细胞MTOC：有丝分裂纺锤体极(动态微管)◆鞭毛纤毛细胞MTOC：基体(永久性结构)3）中心体a/结构b/γ管蛋白：位于中心体周围的基质中，环形结构，结构稳定，为αβ微管蛋白二聚体提供起始装配位点，所以又叫成核位点。4、微管结合蛋白1）MAP的种类MAP1、

MAP2、

MAP4、τ(tau)蛋白可以分为两种类型：如下Ⅰ型MAPs往往通过结合结构域与微管结合，通过突出结构域在微管间形成横桥（crossbridge）。Ⅱ型MAPs的微管结合结构域中具有3~4个18个氨基酸残基的重复序列。Ⅱ型MAPs可将微管交联成粗的微管束。

黄色为微管结合结构域含有KKEX（Lys-Lys-Glu-X）重复序列，红色为突出结构域。

MAP4是一个非神经元微管结合蛋白，与细胞间期和有丝分裂期的微管共定位。2）功能：①调节MT的装配MAP-2-抑制MT装配

MAP1和tau蛋白控制MT延伸②横向连接MT,对其空间结构起稳定作用，从而使MT抵御化学物质（秋水仙素）和物理因子（冷）的影响。

τ蛋白→横向连接相邻MT→稳定MT均具热稳定性MAP1(对热敏感)→横向连接MT,不使MT成束

MAP2→横向连接MT,使MT成束③调节自身与tubulin及肌动蛋白的相互作用；④使MT与其它MT、细胞器或膜结构相互作用⑤产生动力动力蛋白→纤毛中的动力蛋白臂P5、微管的功能1）维持细胞形态用秋水仙素处理细胞破坏微管,导致细胞变圆,说明微管对维持细胞的不对称形状是重要的。对于细胞突起部分,如纤毛、鞭毛、轴突的形成和维持,微管亦起关键作用。2）维持有关细胞器的空间定位分布用抗体染色后，显示出内质网分布与MT分布一致深绿：微管浅兰：内质网黄色：高尔基体上图：内质网抗体染色下图：微管抗体染色上图：高尔基抗体染色下图：微管抗体染色3）细胞内物质的运输

真核细胞内部是高度区域化的体系,细胞中合成的物质、一些细胞器等必须经过细胞内运输过程。这种运输过程与细胞骨架体系中的微管及其Motorprotein有关。a/Motorproteins：目前已鉴定的Motorproteins多达数十种。根据其结合的骨架纤维以及运动方向和携带的转运物不同而分为不同类型。胞质中微管motorprotein分为两大类：驱动蛋白(kinesin):通常朝微管的正极方向运动动力蛋白(cytoplasmic

dynein)：朝微管的负极运动

Kinesin与Dynein的分子结构

Kinesin与Dynein的运输方式Kinesin与Dynein的分子结构Kinesin-dept.transport:conyeys

Mit(by

KIF),Lys,MvERorperiphery.

Cytosolic

dynein-depttransport:conyeys

elementsofER,lateendosome,LyscellcenterKinesin与Dynein的运输方式b/神经元轴突运输c/色素颗粒的运输4）鞭毛和纤毛运动a/结构b/运动形式c/运动机制5）纺锤体与染色体运动MT中心粒（体）三联体MT

纺锤体，牵引染色体运动三、中间丝1、定义

10nm纤维,因其直径介于肌粗丝和细丝之间,故被命名为中间纤维。IF几乎分布于所有动物细胞，往往形成一个网络结构，特别是在需要承受机械压力的细胞中含量相当丰富。如上皮细胞中。除了胞质中，在内核膜下的核纤层也属于IF。2、类型：根据组织来源及免疫原性中间纤维分类与分布3、结构：头N-杆-C尾4、装配1）过程：2）中间纤维结合蛋白（IFAP）(自学)5、IF的功能1）保持细胞的完整性在细胞骨架中起到广泛的作用2）参与桥粒与半桥粒的形成——支架作用3）增强细胞机械压力

eg：大泡性表皮松懈症（遗传病）：表皮松懈脱落，是由于角蛋白基因发生突变造成的。4）结蛋白纤维是肌肉Z盘的重要结构组分，对于维持肌肉细胞的收缩装置起重要作用5）神经元纤维在神经细胞轴突运输中起作用6）参与传递细胞内机械的或分子的信息微管微丝中间丝成分微管蛋白肌动蛋白6类中间纤维蛋白纤维直径22nm7nm10nm纤维结构13根原纤维组成的空心管状纤维双股螺旋多级螺旋极性有有无单体蛋白库有有无踏车现象有有无特异性药物秋水仙素细胞松弛素B长春花碱鬼笔环肽紫杉酚结合蛋白有有有细胞质骨架主要成分的比较第三节细胞核骨架一、定义<一>狭义：1、定义：指存在真核细胞核内的以蛋白质成分为主的纤维网架体系。2、即广义中的核基质（neuclearmatrix）<二>广义：核基质、核纤层——核孔复合体系、残存的核仁核染色体骨架。二、核基质1、形态结构◆研究核骨架的分级抽提方法 非离子去垢剂溶解膜结构系统,胞质中可溶性成分随之流失;再用Tween40和脱氧胆酸钠处理,胞质中的微管、微丝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;然后用核酸酶与0.25mol/L硫酸铵处理,染色质中DNA、RNA和组蛋白被抽提,最终核内呈现一个精细发达的核骨架网络,结合非树脂包埋-去包埋剂电镜制样方法,可清晰地显示核骨架-核纤层-中间纤维结构体系。2、化学组成蛋白质：79％少量RNA：维持核基质的三维网络结构。少量DNA：存在核基质结合序列（MAR），不为高盐溶液破坏。3、核基质蛋白分类及其功能1）核基质蛋白D、E、F、G和4等：核基质上DNA袢环的结合蛋白。2）Nuc2+蛋白：与富含AT的DNA序列有特异的亲合性，可能在分裂期染色体的分离过程中起重要作用。3）核内肌动蛋白：可能在mRNA合成过程中起主要作用。4）附着区结合蛋白（ARBP）：与富含AT的基质连接区（MAR）序列结合，在转录过程中可能与维持DNA的特定拓扑结构有关。5）其他核基质结合蛋白（自学）即一些与DNA和RNA代谢密切相关的酶类，细胞信号识别因子和细胞周期的调控因子。eg：酶、转录因子、受体、供体。4、核基质的结合序列（MAR）1）存在于DNA中位于DNA放射环或活性转录基因的两端。2）基本特征·富含AT·富含DNA解旋元件(DNAunwindingelements)·富含反向重复序列(InvertedRe