细胞骨架(笔记)

细胞骨架（Cytoskeleton）细胞骨架（Cytoskeleton）是真核细胞中的蛋白质纤维网架体系，它对于维持细胞的形状、细胞的运动、细胞内的物质运输、染色体的分离和细胞的分裂起着重要的作用。细胞骨架细胞骨架由以下组分构成微丝（microfilament，MF）微管（microtubule,MT）中间纤维（intemediatefilament,IT）广义的细胞骨架还包括核骨架（nucleoskeleton）核纤层（nuclearlamina）细胞外基质（extracellularmatrix）形成贯穿于细胞核、细胞质、细胞外的一体化网络结构。

微丝，又叫肌动蛋白纤维，是由肌动蛋白构成的两股螺旋形成的细丝，普遍存在于真核细胞中微管，是由微管蛋白单体构成的基本组件形成的中空的管状结构。普遍存在于真核细胞中中间纤维，又叫中间丝，粗细位于微丝和肌球蛋白粗丝之间，普遍存在于真核细胞中，是三种骨架系统中结构最为复杂的一种微丝（microfilament，MF）确定细胞表面特征，使细胞能够运动和收缩。微管（microtubule,MT）确定膜性细胞器的位置和作为膜泡运输的导轨。中间纤维（intemediatefilament,IT）使细胞具有张力和抗剪切力。第一节微丝微丝（microfilament，MF）是由肌动蛋白(actin)组成的直径约7nm的骨架纤维，又称肌动蛋白纤维actinfilament。微丝和它的结合蛋白（associationprotion）以及肌球蛋白（myosin）三者构成化学机械系统，利用化学能产生机械运动。

细胞中微丝参与形成的结构除肌原纤维、小肠上皮细胞微绒毛轴心）等属于稳定结构外，其他大都处于动态的组装和去组装过程中，并通过这种方式实现其功能。

一、微丝的结构（其组成单位在哺乳动物和鸟类细胞中的肌动蛋白分为6种肌动蛋白，归为3类：4种α分布于各种肌肉细胞中β和γ分布于肌细胞和非肌细胞中。actin在进化上高度保守，酵母和兔子肌肉的肌动蛋白有88%的同源性

1.肌动蛋白（actin）4种α-actin→横纹肌

心肌

血管平滑肌

肠道平滑肌β-actin

γ-actin→所有肌肉细胞和非肌细胞6种G-actin*存在形式（两种）actin单体外观呈哑铃形，称球形肌动蛋白G-actin具ATP结合位点。多聚体actin称为纤维形肌动蛋白F-actin，即MF肌动蛋白纤维是由两条线性排列的肌动蛋白链形成的螺旋，状如双线捻成的绳子1.肌动蛋白（actin）*4个亚单位组成有裂口构象可改变与微丝的组装与解离有关*极性结构正端（＋）负端（－）（+）（—）结构2.微丝

结构：由肌动蛋白单体聚合形成双螺旋微丝是由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多数非肌细胞中,微丝是一种动态结构,持续进行装配/解聚，与细胞形态的维持及细胞运动有关;细胞内许多微丝结合蛋白参与调节微丝的装配MF/F-actinG-actin体内

→①永久性微丝:eg.肌肉中细丝MF;肠上皮细胞微绒毛中MF

→②暂时性微丝,只在需要时装配:eg.胞质分裂环中MF；无脊椎动物精子细胞顶体反应中MFATP组装：条件：ATP

盐浓度K+Mg++过程（三个阶段）：成核期—微丝组装的限速过程生长期—肌动蛋白在核心两端聚合正端快，负端慢平衡期—聚合速度与解离速度达到平衡，微丝可以随环境不同发生装配和解聚动态调节：踏车模型（treadmillingmodel）：当G-actin处于临界浓度时，MF的装配可以表现出ATP-actin继续在（+）端添加而延长，而在（-）端脱落而缩短，表现出一种“踏车”现象。ATP-actin（结合ATP的肌动蛋白)对微丝纤维末端的亲和力高，ADP-actin对纤维末端的亲和力低，容易脱落。当溶液中ATP-actin浓度高时，微丝快速生长，在微丝纤维的两端形成ATP-actin“帽子”，这样的微丝有较高的稳定性。伴随着ATP水解，微丝结合的ATP就变成了ADP，当ADP-actin暴露出来后，微丝就开始去组装而变短。微丝具有极性，肌动蛋白单体加到（+）极的速度要比加到（-）极的速度快5-10倍。溶液中ATP-肌动蛋白的浓度也影响组装的速度。当处于临界浓度时，ATP-actin可能继续在（+）端添加、而在（-）端开始分离，表现出一种“踏车”现象。(达平衡状态）体内①永久性微丝

②暂时性微丝

在大多数非肌细胞中，微丝是一种动态结构，它们持续地进行组装和去组装。微丝的动态不稳定性与细胞形态的维持及细胞运动有密切的关系，其组装在两个水平上受到调控：①可溶性肌动蛋白的存在状态②微丝结合蛋白的种类及其存在状态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。MF的不同存在形式与微丝结合蛋白的种类有关。细胞内各种微丝结合蛋白通过影响微丝的组装与去组装，介导微丝与其他结构之间的相互作用来决定微丝的组织行为。3.微丝结合蛋白与肌动蛋白纤维结合，调节其性质和功能，影响微丝长度，稳定性和构型。分类：核化蛋白（nucleatingprotein）交联蛋白（cross-linkprotein）封端蛋白

（endblockingprotein）单体聚合蛋白（monomerpolymerizingprotein）微丝解聚蛋白（actin-filamentdepolymerizingprotein）纤维切断蛋白（filamentseveringprotein）膜结合蛋白（membrane-bindingprotein）二、微丝的功能（一）肌肉收缩》肌肉》肌纤维束》肌纤维（肌细胞）myofiber》肌原纤维myofibrils(粗肌丝、细肌丝)肌肉由肌原纤维组成，肌原纤维由粗肌丝和细肌丝组成，粗肌丝的主要成分是肌球蛋白，而细肌丝的主要成分是肌动蛋白、原肌球蛋白和肌钙蛋白。1.肌肉收缩的有关蛋白（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。属于马达蛋白，可利用ATP产生机械能，趋向微丝的（+）极运动，最早发现于肌肉组织(myosinII)，1970s后逐渐发现许多非肌细胞的myosin，目前已知的有15种类型（myosinI-XV）

肌肉的主要组成蛋白质，占肌原纤维总蛋白质的60％。

Motorproteins马达蛋白、引擎蛋白：利用水解ATP提供的能量可沿微丝、微管等多聚分子移动的蛋白质，如myosin（肌球蛋白，依赖于微丝）；kinesin(驱动蛋白)、动力蛋白（dynein)（后两者依赖于微管）MyosinII是构成肌纤维的主要成分之一。由两个重链和4个轻链组成，重链形成一个双股α螺旋，一半呈杆状，另一半与轻链一起折叠成两个球形区域，位于分子一端，球形的头部具有ATP酶活性。MyosinV结构类是于myosinII，但重链有球形尾部。（外形像豆芽）MyosinI由一个重链和两个轻链组成。MyosinI、II、V都存在于非肌细胞中，II型参与形成应力纤维和胞质收缩环，I、V型结合在膜上与膜泡运输有关，神经细胞富含myosinV。（2）原肌球蛋白

每个Tm的长度相当于7个肌动蛋白，呈长杆状。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》为复合物，包括三个亚基：主要作用是调节肌肉收缩。2.肌肉收缩过程

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（细肌丝）与肌球蛋白丝（粗肌丝）的相对滑动：Ca2+的回收：（二）微丝的其他功能1.构成细胞的支架，维持细胞的形态(1)细胞皮层（cellcortex）也叫肌动蛋白皮层（actincortex）

细胞靠近质膜处的一层由微丝和各种微丝结合蛋白构成的网状结构免疫荧光染色，细胞内大部分微丝都集中在紧贴细胞质膜的细胞质区域，并由微丝交联成凝胶状的三维网络结构。该区域称为细胞皮层。皮层内的一些微丝还与细胞质膜上的蛋白有连接，使膜蛋白的流动性收到某种程度的限制。(2)微穗（microspike）内含肌动蛋白纤维细胞表面伸展出的细而坚硬的突起，可快速形成和回缩，可作为探针使细胞感受环境，更长的微穗成为丝状伪足（filopodium）神经细胞、成纤维细胞片状伪足（lamellipodium）成纤维细胞这些运动并不涉及肌球蛋白的活动，仅仅是通过肌动蛋白的融合及其他细胞结构组分的相互作用来实现的。(3)微绒毛（microvilli）是质膜顶端表面的指状形突起。分布：存在于许多动物细胞表面的指状结构，在上皮细胞中特别丰富，可增加细胞表面积。小肠吸收上皮细胞最多结构组成微丝微丝形成的微丝束构成了微绒毛骨架微丝结合蛋白调节长度保持形状(4)应力纤维（stressfiber）也叫张力纤维，是真核细胞中广泛存在的由微丝束构成的较为稳定的纤维状结构，位于细胞内紧邻质膜下方内含肌动蛋白纤维和肌球蛋白纤维有收缩功能，但不产生运动维持细胞的扁平铺展和特异形状并赋予细胞韧性和强度2.参与细胞分裂细胞分裂中形成收缩环（内含肌动蛋白纤维和肌球蛋白纤维）有丝分裂末期，两个即将分离的子细胞内产生收缩环，收缩环由平行排列的微丝和myosinII组成。随着收缩环的收缩，两个子细胞的胞质分离。在细胞松驰素存在的情况下，不能形成胞质分裂环，因此形成双核细胞。3.参与细胞运动胞质环流变形运动吞噬细胞的变形运动分为四步：①：微丝纤维生长，使细胞表面突出，形成片足(lamellipodium)；②在片足与基质接触的位置形成粘着斑；③在myosin的作用下微丝纤维滑动，使细胞主体前移；④解除细胞后方的粘和点。如此不断循环，细胞向前移动。白细胞、成纤维细胞都能以这种方式运动。4.参与细胞内物质运输，参与细胞内信号转导三.药物对微丝的作用细胞松弛素B(cytochalasinB)—真菌的一种代谢产物

—切断MF,结合在MF末端,阻抑actin聚合

—破坏微丝的三维网络可以切断微丝,并结合在微丝正极阻抑肌动蛋白聚合,因而特异性的抑制微丝的装配。微丝特异性药物

》鬼笔环肽(phalloidin)—毒蕈产生的双环杆肽

—与微丝有强亲合作用,稳定微丝,抑制解聚

—只与F-actin/MF结合,不与G-actin结合,标记细胞中的微丝特异性与微丝侧面结合,增强其稳定性，抑制MF解聚。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。第二节微管Microtubule微管：是细胞质中由微管蛋白（tubulin）装配成的细长而具一定硬性的长管状结构（中空圆筒状），外径24~25nm；内径15nm，长度变化不等，可达数微米。对细胞形态的维持、细胞运动和细胞分裂有重要作用。

一、结构1.微管蛋白（tubulin）α管蛋白β管蛋白γ微管蛋白-微管组织中心（MTOC）α球蛋白结合的GTP从不发生水解或交换(N位点）。β球蛋白也是一种G蛋白，结合的GTP可发生水解（E位点）异二聚体→原丝→微管（极性结构）内径：15nm2.微管（tubule）

由微管蛋白亚基组装而成，一般由13条原纤维（protofilament）构成的中空管状结构。

单微管（细胞质、纺锤体微管）二联微管（13+10）（纤毛、鞭毛）三联微管（13+10+10）（基体、中心粒）1313+1013+10+10单管（细胞质微管或纺锤体微管）

在结构上，微管是由13条（极少数情况下由11或15条）原纤维构成的中空管状结构，外径22~25nm，内径15nm。》在低温、Ca2+、秋水仙素下容易解聚，属不稳定微管。二联管（鞭毛纤毛的轴丝微管）》是构成鞭毛和纤毛轴丝的小管，对低温、Ca2+、秋水仙素都比较稳定。》组成二联体的单管分别称为A管和B管，A管是由13根原纤维（完全微管）；B管有10根原纤维（不完全微管）。如鞭毛、纤毛鞭毛三联管（存在于中心体或基体的微管）》见于中心体(Centriole)和基体(Basalbody)。对低温、Ca2+、秋水仙素都比较稳定。》每组三联管由A、B、C三个单管组成。A:13根原纤维；B/C：10根原纤维。基体纤毛、鞭毛内部的微管起源于基体A.分布1.真核细胞中普遍存在（脊椎动物脑组织）2.主要位于细胞质中，控制着膜性细胞器的定位和胞内物质运输3.细胞特殊结构纤毛、鞭毛、基体、中心体、纺锤体B.组装成核期（nucleationphase）管蛋白聚合成短的寡聚体（核心）片状微管聚合期（polymerizationphase）-延伸期（elongationphase）聚合速度大于解聚速度稳定期（steadyphase）：聚合速度等于解聚速度（游离管蛋白达到临界浓度）组装的动态调节踏车模型（胞外）在细胞内，微管的一端通常都与一些细胞结构如中心体等结合，因此细胞内是否也存在踏车行为不可知。GTP是调节微管体内外组装的主要物质GTP-管蛋白对微管末端的亲和力大GDP-管蛋白对微管末端的亲和力小管蛋白浓度微管的组装同样与其底物（携带GTP的α微管蛋白β微管蛋白二聚体）的浓度有关，底物浓度较高时，在微管的末端组装速度快，使微管延长。当结合在末端β管蛋白上的GTP被水解为GDP时，易解聚。负反馈调节：当微管蛋白亚基浓度过高时，就与合成微管蛋白的核糖体结合，导致微管蛋白mRNA降解。C微管组织中心（MTOC）微管的聚合从特异性的核心形成位点开始，这些核心形成位点主要是中心体和纤毛的基体，称为微管组织中心功能：帮助大多数细胞微管装配过程中成核中心体（centrosome）是动物细胞中决定微管形成的一种细胞器组成：中心粒（centriole）中心粒旁物质（pericetriolarmaterial）位置：间期：细胞核附近有丝分裂期：位于纺锤体的两极中心粒：成对存在，互相垂直间期：形成微管，构成细胞骨架系统的主要纤维系统，一方面参与物质运输另一方面维持细胞形状分裂期：形成纺锤体的两极，指导有丝分裂进行基体是纤毛器的基本结构基体与中心粒具同源性，结构、功能可以互换3.微管结合蛋白（microtubuleassociatedproteinsMAPs）①促进微管聚集成束；②增加微管稳定性或强度；③促进微管组装。

MAP-1MAP-2tauMAP-4微管特异性药物

》秋水仙素(colchicine)阻断微管蛋白组装成微管，可破坏纺锤体结构。》长春花碱也能抑制微管的装配。》紫杉酚(taxol)能促进微管的装配,并使已形成的微管稳定。但这种稳定对细胞有害。周用紫杉醇的基本原理是作用于微管来抑制细胞的有丝分裂，高频率（每周）给与适当剂量，可以使正在分裂的肿瘤细胞更持久的暴露于紫杉醇的这种细胞毒性之下，这样比每三周给标准剂量所起的效用更大。此治疗方法可以抑制肿瘤再生长和限制抗化疗恶性细胞群的出现，频繁加入紫杉醇也能增加其凋亡和抗血管生成作用。紫杉醇的抗癌活性与p53的功能活性无关，与其他抗癌药物损伤DNA相比，p53功能正常时，紫杉醇会有更好的疗效。周用疗法从提高紫杉醇疗效指数方面来说也是有利的。临床实验表明，周用紫杉醇效果明显且毒性在可接受范围之内，单用紫杉醇治疗乳腺癌的显效率为21%～86%，卵巢癌为20%～65%，非小细胞肺癌为30%～56%。

二.微管功能1.维持细胞的形态细胞中的微管起支撑作用，在培养的细胞中，微管呈放射状排列在核外，（+）端指向质膜，形成平贴在培养皿上的形状。在神经细胞的轴突和树突中，微管束沿长轴排列，起支撑作用，在胚胎发育阶段微管帮助轴突生长，突入周围组织，在成熟的轴突中，微管是物质运输的路轨。2.细胞内依赖于微管的物质运输

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。驱动蛋白kinesin动力蛋白dynein

微管起细胞内物质运输的路轨作用，破坏微管会抑制细胞内的物质运输。

Kinesin发现于1985年，是由两条轻链和两条重链构成的四聚体，外观具有两个球形的头（具有ATP酶活性）、一个螺旋状的杆和两个扇子状的尾。通过结合和水解ATP，导致颈部发生构象改变，使两个头部交替与微管结合，从而沿微管“行走”（从负极到正极），将“尾部”结合的“货物”（运输泡或细胞器）转运到其它地方。CytoplasmDynein胞质动力蛋白：Dynein，发现于1963年，因与鞭毛和纤毛的运动有关而得名。•由两条相同的重链和一些种类繁多的轻链以及结合蛋白构成。•作用：在细胞分裂中推动染色体的分离、驱动鞭毛的运动、向着微管（-）极运输小泡。3.鞭毛运动和纤毛运动

纤毛Cilia与鞭毛Flagellae是相似的两种细胞外长物，前者较短，约5~10um；后者较长，约150um，两者直径相似，均为0.15~0.3um。纤毛和鞭毛的运动是依靠动力蛋白（dynein）水解ATP，使相邻的二联微管相互滑动。4.调节细胞分裂（纺锤体的形成和染色体的分离）微管是构成有丝分裂器的主要成分动粒微管染色体排于赤道板纺锤体极微管染色体移向两极药物对微管的作用秋水仙素—阻止聚合紫杉醇—促进聚合第三节中间纤维1.概述中间纤维（intermediatefilaments，IF）直径10nm左右，介于微丝和微管之间。与微管不同的是中间纤维是最稳定的细胞骨架成分，它主要起支撑作用。中间纤维在细胞中围绕着细胞核分布，成束成网，并扩展到细胞质膜，与质膜相连结。

微管与微丝都是由球形蛋白装配起来的，而中间纤维则是由长的、杆状的蛋白装配的。中间纤维是三种骨架纤维中最复杂、最稳定的一种。

2.中间纤维的组装和微丝微管不同的是，它没有极性。另外，细胞内的中间纤维蛋白绝大部分组装成中间纤维，而不象微丝和微管那样存在蛋白库，仅约50%左右的处于装配状态。再者IF的装配与温度和蛋白浓度无关，不需要ATP或GTP。》IF装配与MF,MT装配相比，有以下几个特点：－装配与温度和蛋白浓度无关；－IF装配的单体是纤维状蛋白(MF,MT的单体呈球形)；－反向平行的四聚体导致IF不具有极性；－IF在体外装配时不需要核苷酸或结合蛋白的辅助，－在体内装配后，细胞中几乎不存在IF单体，即不存在单体蛋白库。3.功能举例为细胞提供机械支持微丝

单体：肌动蛋白

组装：成核期—三聚体（限速期）

生长期—聚合﹥解聚

平衡期—聚合=解聚

结合蛋白：肌球蛋白头部

尾部

功能：维持细胞形态微绒毛(肌动蛋白）

微穗

(肌动蛋白）