细胞生物学第四细胞骨架详解演示文稿

细胞生物学第四版细胞骨架详解演示文稿现在是1页\一共有89页\编辑于星期三（优选）细胞生物学第四版细胞骨架现在是2页\一共有89页\编辑于星期三第一节微丝与细胞运动

微丝（microfilament,MF）又称肌动蛋白丝（actinfilament）或纤维状肌动蛋白（fibrous,F-actin），是真核细胞中由肌动蛋白单体组装而成的，直径为7nm的纤维状结构。微丝网络的空间结构与功能取决于微丝的组装/去组装以及与之相结合的微丝结合蛋白（MFbindingprotein）。微丝功能几乎与所有形式的细胞运动有关，诸如参与细胞变形运动、胞质分裂、吞噬作用、细胞迁移、肌肉收缩以及细胞内物质运输等活动。一、微丝的组成及其组装二、微丝网络结构的调节与细胞运动三、肌球蛋白：依赖于微丝的分子马达四、肌细胞的收缩运动现在是3页\一共有89页\编辑于星期三一、微丝的组成及其组装（一）微丝的结构与成分（二）微丝的组装及其动力学特性（三）影响微丝组装的特异性药物现在是4页\一共有89页\编辑于星期三（一）微丝的结构与成分微丝的主要结构成分：肌动蛋白（actin）。肌动蛋白在细胞内有2种存在形式：①球状肌动蛋白（G-actin）：肌动蛋白单体；②纤维状肌动蛋白（F-actin）：由多个单体组装而成。肌动蛋白单体：球状，但中间有一裂缝。裂缝内部有1个核苷酸（ATP或ADP，但常为ATP）的结合位点和1个二价阳离子（Mg2+或Ca2+，但常为Mg2+）结合位点。微丝是一条直径约为7nm的扭链，由肌动蛋白单体组装而成：在电镜下观察，整根微丝在外观上是由2股纤维以右手螺旋同向盘绕而成，螺距为36nm。在纤维内部，每个肌动蛋白单体周围都有4个单体，上、下各1个，另外2个位于一侧。现在是5页\一共有89页\编辑于星期三微丝在结构上具有极性：肌动蛋白分子上的裂缝使得该蛋白本身在结构上具有不对称性，在整根微丝上每一个单体上的裂缝都朝向微丝的同一端，从而使微丝在结构上具有极性。具有裂缝的一端为负极，而相反一端为正极。在哺乳动物和鸟类中至少已分离到6种肌动蛋白：4种为α-肌动蛋白，分别为横纹肌、心肌、血管平滑肌和肠道平滑肌所特有，它们均组成细胞的收缩性结构；另2种为β-肌动蛋白和γ-肌动蛋白，存在于所有肌细胞和非肌细胞中。其中β-肌动蛋白通常位于细胞的边缘，而γ-肌动蛋白与张力纤维有关。对于一个正在迁移的细胞，β-肌动蛋白在细胞的前缘组成微丝。肌动蛋白在进化上高度保守但功能上差异大：尽管来源于不同生物的肌动蛋白具有很高的同源性，但微小的差异可能会导致功能上的变化。微丝与微丝结合蛋白互作：在细胞内，多种微丝结合蛋白与微丝的表面相互作用，调节微丝的结构和功能。现在是6页\一共有89页\编辑于星期三肌动蛋白和微丝的结构（图10-2）现在是7页\一共有89页\编辑于星期三（二）微丝的组装及其动力学特性微丝的功能依赖于肌动蛋白的组装与去组装的动态平衡。通常，只有结合ATP的G-肌动蛋白才能参与F-肌动蛋白的组装；微丝正极（＋）的组装速度比负极（－）快。肌动蛋白单体组装成微丝的过程：①缓慢成核期：肌动蛋白单体与起始复合物结合，缓慢形成一段可供肌动蛋白继续组装的寡聚体（至少2~3个单体）。Arp2/3起始复合物包括2种肌动蛋白相关蛋白（Arp2/3）和5种其它蛋白。②快速延长期：肌动蛋白单体具有ATP酶活性，可利用水解ATP释放的能量来快速组装单体。当微丝的组装速度快于肌动蛋白水解ATP的速度时，在延长的微丝末端形成一个由肌动蛋白-ATP亚基组成的帽，使微丝比较稳定，利于继续组装；相反，当末端的肌动蛋白亚基所结合的是ADP时，则利于解聚。③稳定期：即组装与去组装的肌动蛋白数目相当，微丝的长度保持不变。现在是8页\一共有89页\编辑于星期三临界浓度（Cc）：当纤维正极组装的速度与负极解聚的速度相同即纤维的长度保持不变时，组装体系中肌动蛋白单体的浓度称为临界浓度。踏车行为（treadmilling）：在体外组装过程中有时可以见到微丝正极由于肌动蛋白亚基的不断组装（添加）而延长，负极则由于肌动蛋白亚基去组装（解聚）而缩短，这种现象称为踏车行为。现在是9页\一共有89页\编辑于星期三肌动蛋白组装过程中发生的踏车行为（图10-3）

现在是10页\一共有89页\编辑于星期三（三）影响微丝组装的特异性药物细胞松弛素（cytochalasin）：一组真菌的代谢产物，切断微丝，结合末端，阻抑聚合，对解聚无明显影响，用于是破坏微丝网络，阻止细胞运动。鬼笔环肽（phalloidin）：一种毒蘑菇产生的双环杆肽，只与F-肌动蛋白结合，阻止微丝解聚，保持微丝稳定，用于显示微丝分布，阻止细胞运动。现在是11页\一共有89页\编辑于星期三二、微丝网络结构的调节与细胞运动（一）非肌肉细胞内微丝的结合蛋白（二）细胞皮层（三）应力纤维（四）细胞伪足的形成与细胞迁移（五）微绒毛（六）胞质分裂环现在是12页\一共有89页\编辑于星期三（一）非肌肉细胞内微丝的结合蛋白大多数非肌细胞的微丝是一种动态结构，它们持续地进行组装和去组装，这与细胞形态的持续变化和细胞运动有密切的关系。肌动蛋白结合蛋白（actinbindingprotein）：与肌动蛋白单体或肌动蛋白丝结合的蛋白，对微丝的组装、物理性质及其功能具有调控作用。现在是13页\一共有89页\编辑于星期三体内肌动蛋白的组装在2个水平上受到微丝结合蛋白的调节：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。细胞内微丝网络的组织形式和功能通常取决于与其结合的微丝结合蛋白，而不是微丝本身。根据微丝结合蛋白作用方式的不同，可将其分成如下几种类型：现在是14页\一共有89页\编辑于星期三1.肌动蛋白单体结合蛋白：储存在细胞内的肌动蛋白单体常与单体结合蛋白结合在一起，只在存在需求信号时才加以利用。

胸腺素β4是由仅43个氨基酸残基组成的小肽，主要与（带ATP的）肌动蛋白单体结合并封闭其聚合位点，使单体隔离，阻断微丝的正、负极两端的组装。

前纤维蛋白（抑制蛋白）（profilin）主要与肌动蛋白单体底部（正极端）结合，阻断负极端的组装，相对促进正极端的组装。现在是15页\一共有89页\编辑于星期三

2.成核蛋白：成核过程受Arp2/3复合物和形成蛋白等的催化。

Arp（肌动蛋白相关蛋白）2/3复合物：Arp2/3复合物中的Arp2/3类似于微丝正极端肌动蛋白2个亚基的结构，从而可启动肌动蛋白的成核过程，新的肌动蛋白亚基在正极端加入，而Arp2/3复合物则位于纤维的负极端；Arp2/3复合物可结合在微丝的中部启动分支的组装，促进微丝网络的形成。

形成蛋白（formin）：该蛋白家族启动肌动蛋白的成核和组装过程，结合于正极提高微丝的组装速度，保护正极端免受加帽蛋白的干扰。现在是16页\一共有89页\编辑于星期三肌动蛋白结合蛋白与微丝的组装（图10-4）现在是17页\一共有89页\编辑于星期三微丝的成核与加帽（图10-5）现在是18页\一共有89页\编辑于星期三3.加帽蛋白：与微丝的末端结合从而阻止微丝解聚或过度组装的蛋白。在微丝的负极端常有Arp2/3复合物或原肌球调节蛋白（tropomodulin）结合而稳定；在微丝的正极端常有CapZ或凝溶胶蛋白（gelsolin）结合而加帽。

4.交联蛋白：决定微丝排列成束状还是网状。成束蛋白将相邻的微丝交联成束状结构。成束蛋白的2个肌动蛋白结合域之间的区域都是僵直的。丝束蛋白（fimbrin）和绒毛蛋白（villin）等交联而成的微丝束为紧密包装型，肌球蛋白不能进入，因而没有收缩能力。α-辅肌动蛋白交联形成的微丝束相邻的纤维之间比较宽松，肌球蛋白可以进入与微丝相互作用，这种类型的微丝束是可收缩的。

成网的蛋白将微丝交联成网状或凝胶样结构。细丝蛋白（filamin）和血影蛋白（spectrin）的2个肌动蛋白结合域之间的区域都是柔软的，或者本身就是弯曲的。现在是19页\一共有89页\编辑于星期三交联蛋白与微丝的相互作用（图10-6）

5.割断及解聚蛋白：凝溶胶蛋白（gelsolin）可能将较长微丝切成片段，使肌动蛋白由凝胶状态向溶胶状态转化。微丝片段的形成或加速微丝的解聚或加速微丝的组装。丝切蛋白/肌动蛋白解聚因子（cofilin/ADF）能与肌动蛋白单体或微丝结合，提高微丝的解聚速度。现在是20页\一共有89页\编辑于星期三

（二）细胞皮层

细胞内微丝主要集中在紧贴细胞质膜的细胞质区域，并由微丝交联蛋白交联成凝胶态三维网络结构，该区域通常称为细胞皮层（cellcortex）。细胞皮层有助于维持细胞形状。皮层内一些微丝与质膜蛋白连接，从而限制膜蛋白的流动性。细胞的多种运动，如胞质环流、阿米巴运动、变皱膜运动、吞噬以及膜蛋白的定位等都与皮层内肌动蛋白的凝胶态-溶胶态转化相关。现在是21页\一共有89页\编辑于星期三（三）应力纤维

应力纤维（stressfiber）指紧贴在黏着斑的细胞质膜内侧的大量成束状排列的微丝。应力纤维中相邻的微丝呈反向平行排列并且呈现周期性带纹。应力纤维通过黏着斑与细胞外基质相连，可能在细胞形态发生、细胞分化和组织建成等方面发挥作用。现在是22页\一共有89页\编辑于星期三星形胶质细胞内应力纤维和黏着斑的分布（图10-7）现在是23页\一共有89页\编辑于星期三（四）细胞伪足的形成与细胞迁移以成纤维细胞为例，细胞在基质表面或相邻细胞表面的迁移过程通常包含以下几个相继发生的事件：①细胞前端伸出突起；②突起附着在基质表面；③以附着点为支点前移；④细胞后部的附着点与基质脱离使细胞尾部前移。片状伪足（lamellipodium）：指迁移（运动）的成纤维细胞的前缘，因微丝组装形成的宽而扁平的凸起。丝状伪足（filopodium）：片状伪足常呈波形运动，在其前端还有一些比较纤细的突起，称为丝状伪足。丝状伪足内的微丝是同向紧密排列的平行束。片状伪足和丝状伪足的形成依赖于肌动蛋白的聚合（组装），并由此产生推动细胞运动的力。现在是24页\一共有89页\编辑于星期三动物细胞边缘的伪足及其微丝的排列方式（图10-8）现在是25页\一共有89页\编辑于星期三非肌细胞前缘肌动蛋白聚合和伪足形成（9）

WASP（Wiskott-Aldrichsyndromeprotein）：即Wiskott-Aldrich综合症蛋白，能激活Arp2/3复合物。

1.信号转导；2.启动微丝的组装；3.微丝延伸；4.启动微丝侧支的组装；5.微丝不断延伸而形成伪足；6.微丝解聚现在是26页\一共有89页\编辑于星期三（五）微绒毛在小肠上皮细胞的游离面存在大量的微绒毛（microvilli），其轴心是一束平行排列的微丝，微丝束正极指向微绒毛的顶端，其下端终止于中间丝形成的端网结构（terminalweb）。（六）胞质分裂环胞质分裂环（收缩环）是有丝分裂末期在2个即将分裂的子细胞之间的质膜内侧形成的一个起收缩作用的环形结构。胞质分裂环是由大量平行排列的但极性相反的微丝组成。胞质分裂的动力来源于收缩环上肌球蛋白所介导的极性相反的微丝之间的滑动。随着收缩环的收缩，两个子细胞被缢缩分开。胞质分裂完成后，收缩环即消失。现在是27页\一共有89页\编辑于星期三微绒毛的微丝和微丝交联蛋白（图10-10）A：微绒毛结构模式图B：小肠上皮细胞表面微绒毛C：耳蜗毛细胞顶端的微绒毛（实心箭头示微丝断面，空心箭头示微绒毛膜）现在是28页\一共有89页\编辑于星期三胞质分裂环（图10-11）A：胞质分裂环和细胞皮层（均为红色）B：胞质分裂环模式图现在是29页\一共有89页\编辑于星期三三、肌球蛋白：依赖于微丝的分子马达

在细胞内参与物质运输的马达蛋白（motorprotein），即能够利用水解ATP释放的能量驱动自身有规则地沿微丝或微管定向运动的蛋白，如沿微丝运动的肌球蛋白（myosin）、沿微管运动的驱动蛋白（kinesin）和动力蛋白（dynein）。马达蛋白具有2种结构域：①与微丝或微管结合的马达结构域；②与大分子复合物或膜性细胞器特异结合的“货物”结构域。

（一）肌球蛋白的种类（二）肌球蛋白的结构现在是30页\一共有89页\编辑于星期三（一）肌球蛋白的种类Ⅱ型肌球蛋白（myosinⅡ）：由2条具有马达结构域和“货物”结构域的重链和4条起调节作用的轻链构成，形成一个高度不对称的结构（形似黄豆芽）。肌球蛋白的头部和组成微丝的肌动蛋白亚基之间的相互作用导致粗丝与细丝之间的滑动。肌球蛋白分子的结构特征：所有的肌球蛋白分子都具有相似的马达结构域，但它们的C端和某些成员的N端扩展部分却是多种多样的。基于马达结构域多肽链一级结构的同源性进行分类：至少可以将肌球蛋白超家族的成员分成18种家族，一些类群还可以进一步分成多个呀家族。现在是31页\一共有89页\编辑于星期三Ⅱ型肌球蛋白分子（A）和粗肌丝的结构（B）示意图（图10-12）现在是32页\一共有89页\编辑于星期三部分肌球蛋白超家族成员的结构示意图（图10-13）

注意：Ⅵ型是唯一向微丝负极端移动的肌球蛋白成员现在是33页\一共有89页\编辑于星期三在进化过程中，不同类型肌球蛋白成员逐步适应于特殊的细胞功能：（1）Ⅰ型：将膜脂和微丝结构相连接，在一些细胞膜突起的形成过程中发挥作用；参与内吞作用以及吞噬泡的运输；某些成员对Ca2+通道的活性具有调控作用。（2）Ⅱ型：在骨骼肌、心肌和平滑肌中能产生强大的收缩力；也在收缩环和张力纤维等具有收缩能力的细胞结构中发挥作用。（3）Ⅲ型：与光感受器的信号分子相互作用。（4）Ⅴ型：在细胞内膜泡和其它细胞器的运输方面发挥作用。。现在是34页\一共有89页\编辑于星期三（5）Ⅵ型：参与内吞作用以及吞噬泡的运输；与耳朵感觉细胞中的微丝结构相关。（6）Ⅶ型：参与黏着斑的动态变化；与耳朵感觉细胞中的微丝结构相关。（7）Ⅸ和Ⅹ型：参与内吞作用以及吞噬泡的运输。（8）XV型：一些成员与耳朵感觉细胞中的微丝结构相关，基因突变有可能造成听力障碍现在是35页\一共有89页\编辑于星期三（二）肌球蛋白的结构

肌球蛋白是沿微丝运动的分子马达，通常含有3个功能结构域：与运动相关的马达结构域（头部）和调控结构域（颈部）；与肌球蛋白复合体的组装相关或选择性地与所运输的“货物”结合的“货物”结构域（尾部）。①头部的马达结构域：包含1个肌动蛋白亚基结合位点（有一个裂隙）和1个具有ATP酶活性的ATP结合位点，负责将ATP水解所释放的化学能转换成机械能。当ATP与肌球蛋白结合时，头部的裂隙稍稍开启，马达结构域与微丝的亲和力下降。②颈部的调控结构域：即连接马达结构域和尾部杆状区的一段α螺旋，这里正是轻链（钙调蛋白家族）的结合部位，它在肌球蛋白分子上发挥杠杆作用；③尾部的“货物”结构域：位于尾部杆状区的最末端区域，主要是携带要运输的“货物”。现在是36页\一共有89页\编辑于星期三

除Ⅵ型肌球蛋白外，所有类型的肌球蛋白都是沿微丝向正极端移动的。

1.传统型肌球蛋白：Ⅱ型肌球蛋白由头、颈、尾三部组成的形似“黄豆芽”Ⅱ型肌球蛋白，①用胰蛋白酶处理后，可产生重酶解肌球蛋白（HMM）（包括头部、颈部和前杆部）和轻酶解肌球蛋白（LMM）（后杆部）；②重酶解肌球蛋白（HMM）经木瓜蛋白酶处理后，形成肌球蛋白头部（HMM-S1）和前杆部（HMM-S2）。当反应体系中有ATP存在时，固定在盖玻片上的S1片段可以驱动肌动蛋白丝移位。

Ⅱ型肌球蛋白分子的尾部主要起结构支撑作用。双极肌球蛋白纤维组装时其尾部位于纤维的中央，而头部则朝向两侧（如粗肌丝）。现在是37页\一共有89页\编辑于星期三肌球蛋白的体外运动实验模式图（图10-14）现在是38页\一共有89页\编辑于星期三2.非传统型肌球蛋白

Ⅰ型肌球蛋白：只有1个头部（马达结构域）和1个尾部（不能组装成纤维；其多样性与所运输“货物”的种类不同有关）。参与膜泡运输和与质膜结合而牵引质膜和皮层微丝相对运动。

Ⅴ型肌球蛋白：结构似Ⅱ型肌球蛋白，但3倍颈长。在运动过程中，Ⅴ型肌球蛋白的步幅正好是微丝上由13个肌动蛋白亚基所组成的重复结构的长度。参与膜泡或细胞器的短距离运输。现在是39页\一共有89页\编辑于星期三四、肌细胞的收缩运动（一）肌纤维的结构（二）肌肉收缩的滑动模型现在是40页\一共有89页\编辑于星期三（一）肌纤维的结构肌纤维（musclefiber）：即一个骨骼肌细胞，内含由数百条更细的肌原纤维组成的集束，具有多个细胞核，外形呈纤维状。肌原纤维（myofibril）：每根肌原纤维由呈线性重复排列的肌节组成肌节（sarcomere）：肌原纤维的收缩单元，主要由粗肌丝和细肌丝组成。由于它们具有带状与条纹状图案，从而使得骨骼肌细胞呈现出横纹状外观。粗肌丝（thickfilament）：组成肌节的两种特征性纤维之一，主要由肌球蛋白构成。在横切面上粗肌丝被呈六角形排列的6根细肌丝所包围。细肌丝（thinfilament）：组成肌节的两种特征性纤维之一，主要由肌动蛋白，辅以原肌球蛋白和肌钙蛋白构成。在横切面上细肌丝按六角形排列包围在粗肌丝周围。粗肌丝与细肌丝之间有横桥：肌球蛋白的头部突出于粗肌丝的表面，并与细肌丝上肌动蛋白亚基结合，构成粗肌丝与细肌丝之间的横桥。现在是41页\一共有89页\编辑于星期三肌原纤维的结构（图10-15）现在是42页\一共有89页\编辑于星期三骨骼肌细胞中肌球蛋白（粗肌丝）与肌动蛋白（细肌丝）间的横桥（图10-16）现在是43页\一共有89页\编辑于星期三原肌球蛋白（tropomyosin,Tm）：由2条平行的长度40nm的多肽链绕成α螺旋构型。Tm镶嵌于肌动蛋白丝的螺旋状沟槽内，覆盖相当于7个肌动蛋白单体的长度，对肌动蛋白与肌球蛋白头部的结合行使调节功能。肌钙蛋白（troponin,Tn）：含3种亚基，其中Tn-C能与Ca2+结合，Tn-T与原肌球蛋白有高度亲和力，Tn-I能抑制肌球蛋白马达结构域的ATP酶活性。细肌丝中每隔40nm有一个肌钙蛋白复合体结合到原肌球蛋白上。将细肌丝锚定于Z盘或质膜上的蛋白质有：①CapZ：异二聚体，定位于Z盘，与肌动蛋白丝正极端结合，起稳定作用；②α-辅肌动蛋白：Z盘主要成分之一，可将微丝横向连接成束；③纽蛋白：存在于非骨骼肌中，介导微丝与细胞质膜结合。在肌节中起结构作用的蛋白质还有：①肌联蛋白（titin）：质量约百万，长度达1μm，具有弹性，连接粗肌丝与Z盘，使粗肌丝定位于肌节中央；②伴肌动蛋白（nebulin）：从Z盘伸出，与肌动蛋白丝伴行，并调节其组装；③肌营养不良蛋白（dystrophin）：可能参与微丝与质膜的锚定作用，对防止肌纤维退化也很重要。现在是44页\一共有89页\编辑于星期三细肌丝的分子结构示意图（图10-17）现在是45页\一共有89页\编辑于星期三（二）肌肉收缩的滑动模型肌肉收缩的滑动学说（slidingtheory）：肌肉收缩时肌节缩短，不是肌节内的粗/细肌丝长度的缩短，而只是由神经冲动引发的粗/细肌丝之间的滑动所致。肌肉收缩的分子机制：

1.动作电位的产生：神经冲动通过神经-肌肉接点传到肌细胞，经T小管再传至肌质网。神经-肌肉接点（neuromuscularjunction）：神经元轴突末与肌纤维之间的连接位点，同时也是神经冲动从轴突经突触间隙向肌纤维传递的位点。

2.Ca2+的释放：神经冲动触发肌质网释放Ca2+至肌浆中。

3.原肌球蛋白移位：

Ca2+通过Tn复合体使原肌球蛋白移位到肌动蛋白螺旋沟槽的深处，暴露出细肌丝肌动蛋白与横桥结合活化位点。

4.细肌丝与粗肌丝之间的相对滑动：在肌丝的滑动过程中，肌球蛋白将ATP中储存的化学能转换成肌丝滑动的机械能。详见滑动模型（下一张片）。到达肌质网的神经冲动一旦停止，肌质网就通过Ca2+泵将Ca2+回收，收缩周期停止。现在是46页\一共有89页\编辑于星期三肌肉收缩过程图解（图10-18）滑动模型1.ATP结合（1和2步）：肌球蛋白头部与肌动蛋白分开2.ATP水解（3和4步）：肌球蛋白头部向前抬升并结合到靠近细肌丝正极端方向的一个肌动蛋白亚基上3.Pi释放（5步）：肌球蛋白颈部扭转并拉动细肌丝相对粗肌丝的滑动4.ADP释放（6步）：肌球蛋白头部与细肌丝之间又回到僵直状态现在是47页\一共有89页\编辑于星期三第十章细胞骨架

细胞骨架（cytoskeleton）是指存在于真核细胞中、由蛋白质亚基组装而成的纤维状网络体系，主要包括微丝（microfilament,MF）、微管（microtubule,MT）和中间丝（intermediatefilament,IF）等结构组分。在细胞生命活动过程中，细胞骨架是细胞结构和功能的组织者，它们通过蛋白亚基的组装/去组装过程来调节细胞内骨架网络的分布和结构，通过与细胞骨架结合蛋白、马达蛋白等的相互作用来行使其生物学功能。细胞骨架具有为细胞提供结构支架、维持细胞形态、负责细胞内生物大分子和细胞器转运和极性分布、细胞分化和细胞运动等功能。第一节微丝与细胞运动第二节微管及其功能第三节中间丝现在是48页\一共有89页\编辑于星期三细胞骨架的基本类型及其分布（图10-1）A：微丝B：微管C：中间丝D：三种细胞骨架结构的叠加现在是49页\一共有89页\编辑于星期三第一节微丝与细胞运动

微丝（microfilament,MF）又称肌动蛋白丝（actinfilament）或纤维状肌动蛋白（fibrous,F-actin），是真核细胞中由肌动蛋白单体组装而成的，直径为7nm的纤维状结构。微丝网络的空间结构与功能取决于微丝的组装/去组装以及与之相结合的微丝结合蛋白（MFbindingprotein）。微丝功能几乎与所有形式的细胞运动有关，诸如参与细胞变形运动、胞质分裂、吞噬作用、细胞迁移、肌肉收缩以及细胞内物质运输等活动。一、微丝的组成及其组装二、微丝网络结构的调节与细胞运动三、肌球蛋白：依赖于微丝的分子马达四、肌细胞的收缩运动现在是50页\一共有89页\编辑于星期三一、微丝的组成及其组装（一）微丝的结构与成分（二）微丝的组装及其动力学特性（三）影响微丝组装的特异性药物现在是51页\一共有89页\编辑于星期三（一）微丝的结构与成分微丝的主要结构成分：肌动蛋白（actin）。肌动蛋白在细胞内有2种存在形式：①球状肌动蛋白（G-actin）：肌动蛋白单体；②纤维状肌动蛋白（F-actin）：由多个单体组装而成。肌动蛋白单体：球状，但中间有一裂缝。裂缝内部有1个核苷酸（ATP或ADP，但常为ATP）的结合位点和1个二价阳离子（Mg2+或Ca2+，但常为Mg2+）结合位点。微丝是一条直径约为7nm的扭链，由肌动蛋白单体组装而成：在电镜下观察，整根微丝在外观上是由2股纤维以右手螺旋同向盘绕而成，螺距为36nm。在纤维内部，每个肌动蛋白单体周围都有4个单体，上、下各1个，另外2个位于一侧。现在是52页\一共有89页\编辑于星期三微丝在结构上具有极性：肌动蛋白分子上的裂缝使得该蛋白本身在结构上具有不对称性，在整根微丝上每一个单体上的裂缝都朝向微丝的同一端，从而使微丝在结构上具有极性。具有裂缝的一端为负极，而相反一端为正极。在哺乳动物和鸟类中至少已分离到6种肌动蛋白：4种为α-肌动蛋白，分别为横纹肌、心肌、血管平滑肌和肠道平滑肌所特有，它们均组成细胞的收缩性结构；另2种为β-肌动蛋白和γ-肌动蛋白，存在于所有肌细胞和非肌细胞中。其中β-肌动蛋白通常位于细胞的边缘，而γ-肌动蛋白与张力纤维有关。对于一个正在迁移的细胞，β-肌动蛋白在细胞的前缘组成微丝。肌动蛋白在进化上高度保守但功能上差异大：尽管来源于不同生物的肌动蛋白具有很高的同源性，但微小的差异可能会导致功能上的变化。微丝与微丝结合蛋白互作：在细胞内，多种微丝结合蛋白与微丝的表面相互作用，调节微丝的结构和功能。现在是53页\一共有89页\编辑于星期三肌动蛋白和微丝的结构（图10-2）现在是54页\一共有89页\编辑于星期三（二）微丝的组装及其动力学特性微丝的功能依赖于肌动蛋白的组装与去组装的动态平衡。通常，只有结合ATP的G-肌动蛋白才能参与F-肌动蛋白的组装；微丝正极（＋）的组装速度比负极（－）快。肌动蛋白单体组装成微丝的过程：①缓慢成核期：肌动蛋白单体与起始复合物结合，缓慢形成一段可供肌动蛋白继续组装的寡聚体（至少2~3个单体）。Arp2/3起始复合物包括2种肌动蛋白相关蛋白（Arp2/3）和5种其它蛋白。②快速延长期：肌动蛋白单体具有ATP酶活性，可利用水解ATP释放的能量来快速组装单体。当微丝的组装速度快于肌动蛋白水解ATP的速度时，在延长的微丝末端形成一个由肌动蛋白-ATP亚基组成的帽，使微丝比较稳定，利于继续组装；相反，当末端的肌动蛋白亚基所结合的是ADP时，则利于解聚。③稳定期：即组装与去组装的肌动蛋白数目相当，微丝的长度保持不变。现在是55页\一共有89页\编辑于星期三临界浓度（Cc）：当纤维正极组装的速度与负极解聚的速度相同即纤维的长度保持不变时，组装体系中肌动蛋白单体的浓度称为临界浓度。踏车行为（treadmilling）：在体外组装过程中有时可以见到微丝正极由于肌动蛋白亚基的不断组装（添加）而延长，负极则由于肌动蛋白亚基去组装（解聚）而缩短，这种现象称为踏车行为。现在是56页\一共有89页\编辑于星期三肌动蛋白组装过程中发生的踏车行为（图10-3）

现在是57页\一共有89页\编辑于星期三（三）影响微丝组装的特异性药物细胞松弛素（cytochalasin）：一组真菌的代谢产物，切断微丝，结合末端，阻抑聚合，对解聚无明显影响，用于是破坏微丝网络，阻止细胞运动。鬼笔环肽（phalloidin）：一种毒蘑菇产生的双环杆肽，只与F-肌动蛋白结合，阻止微丝解聚，保持微丝稳定，用于显示微丝分布，阻止细胞运动。现在是58页\一共有89页\编辑于星期三二、微丝网络结构的调节与细胞运动（一）非肌肉细胞内微丝的结合蛋白（二）细胞皮层（三）应力纤维（四）细胞伪足的形成与细胞迁移（五）微绒毛（六）胞质分裂环现在是59页\一共有89页\编辑于星期三（一）非肌肉细胞内微丝的结合蛋白大多数非肌细胞的微丝是一种动态结构，它们持续地进行组装和去组装，这与细胞形态的持续变化和细胞运动有密切的关系。肌动蛋白结合蛋白（actinbindingprotein）：与肌动蛋白单体或肌动蛋白丝结合的蛋白，对微丝的组装、物理性质及其功能具有调控作用。现在是60页\一共有89页\编辑于星期三体内肌动蛋白的组装在2个水平上受到微丝结合蛋白的调节：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。细胞内微丝网络的组织形式和功能通常取决于与其结合的微丝结合蛋白，而不是微丝本身。根据微丝结合蛋白作用方式的不同，可将其分成如下几种类型：现在是61页\一共有89页\编辑于星期三1.肌动蛋白单体结合蛋白：储存在细胞内的肌动蛋白单体常与单体结合蛋白结合在一起，只在存在需求信号时才加以利用。

胸腺素β4是由仅43个氨基酸残基组成的小肽，主要与（带ATP的）肌动蛋白单体结合并封闭其聚合位点，使单体隔离，阻断微丝的正、负极两端的组装。

前纤维蛋白（抑制蛋白）（profilin）主要与肌动蛋白单体底部（正极端）结合，阻断负极端的组装，相对促进正极端的组装。现在是62页\一共有89页\编辑于星期三

2.成核蛋白：成核过程受Arp2/3复合物和形成蛋白等的催化。

Arp（肌动蛋白相关蛋白）2/3复合物：Arp2/3复合物中的Arp2/3类似于微丝正极端肌动蛋白2个亚基的结构，从而可启动肌动蛋白的成核过程，新的肌动蛋白亚基在正极端加入，而Arp2/3复合物则位于纤维的负极端；Arp2/3复合物可结合在微丝的中部启动分支的组装，促进微丝网络的形成。

形成蛋白（formin）：该蛋白家族启动肌动蛋白的成核和组装过程，结合于正极提高微丝的组装速度，保护正极端免受加帽蛋白的干扰。现在是63页\一共有89页\编辑于星期三肌动蛋白结合蛋白与微丝的组装（图10-4）现在是64页\一共有89页\编辑于星期三微丝的成核与加帽（图10-5）现在是65页\一共有89页\编辑于星期三3.加帽蛋白：与微丝的末端结合从而阻止微丝解聚或过度组装的蛋白。在微丝的负极端常有Arp2/3复合物或原肌球调节蛋白（tropomodulin）结合而稳定；在微丝的正极端常有CapZ或凝溶胶蛋白（gelsolin）结合而加帽。

4.交联蛋白：决定微丝排列成束状还是网状。成束蛋白将相邻的微丝交联成束状结构。成束蛋白的2个肌动蛋白结合域之间的区域都是僵直的。丝束蛋白（fimbrin）和绒毛蛋白（villin）等交联而成的微丝束为紧密包装型，肌球蛋白不能进入，因而没有收缩能力。α-辅肌动蛋白交联形成的微丝束相邻的纤维之间比较宽松，肌球蛋白可以进入与微丝相互作用，这种类型的微丝束是可收缩的。

成网的蛋白将微丝交联成网状或凝胶样结构。细丝蛋白（filamin）和血影蛋白（spectrin）的2个肌动蛋白结合域之间的区域都是柔软的，或者本身就是弯曲的。现在是66页\一共有89页\编辑于星期三交联蛋白与微丝的相互作用（图10-6）

5.割断及解聚蛋白：凝溶胶蛋白（gelsolin）可能将较长微丝切成片段，使肌动蛋白由凝胶状态向溶胶状态转化。微丝片段的形成或加速微丝的解聚或加速微丝的组装。丝切蛋白/肌动蛋白解聚因子（cofilin/ADF）能与肌动蛋白单体或微丝结合，提高微丝的解聚速度。现在是67页\一共有89页\编辑于星期三

（二）细胞皮层

细胞内微丝主要集中在紧贴细胞质膜的细胞质区域，并由微丝交联蛋白交联成凝胶态三维网络结构，该区域通常称为细胞皮层（cellcortex）。细胞皮层有助于维持细胞形状。皮层内一些微丝与质膜蛋白连接，从而限制膜蛋白的流动性。细胞的多种运动，如胞质环流、阿米巴运动、变皱膜运动、吞噬以及膜蛋白的定位等都与皮层内肌动蛋白的凝胶态-溶胶态转化相关。现在是68页\一共有89页\编辑于星期三（三）应力纤维

应力纤维（stressfiber）指紧贴在黏着斑的细胞质膜内侧的大量成束状排列的微丝。应力纤维中相邻的微丝呈反向平行排列并且呈现周期性带纹。应力纤维通过黏着斑与细胞外基质相连，可能在细胞形态发生、细胞分化和组织建成等方面发挥作用。现在是69页\一共有89页\编辑于星期三星形胶质细胞内应力纤维和黏着斑的分布（图10-7）现在是70页\一共有89页\编辑于星期三（四）细胞伪足的形成与细胞迁移以成纤维细胞为例，细胞在基质表面或相邻细胞表面的迁移过程通常包含以下几个相继发生的事件：①细胞前端伸出突起；②突起附着在基质表面；③以附着点为支点前移；④细胞后部的附着点与基质脱离使细胞尾部前移。片状伪足（lamellipodium）：指迁移（运动）的成纤维细胞的前缘，因微丝组装形成的宽而扁平的凸起。丝状伪足（filopodium）：片状伪足常呈波形运动，在其前端还有一些比较纤细的突起，称为丝状伪足。丝状伪足内的微丝是同向紧密排列的平行束。片状伪足和丝状伪足的形成依赖于肌动蛋白的聚合（组装），并由此产生推动细胞运动的力。现在是71页\一共有89页\编辑于星期三动物细胞边缘的伪足及其微丝的排列方式（图10-8）现在是72页\一共有89页\编辑于星期三非肌细胞前缘肌动蛋白聚合和伪足形成（9）

WASP（Wiskott-Aldrichsyndromeprotein）：即Wiskott-Aldrich综合症蛋白，能激活Arp2/3复合物。

1.信号转导；2.启动微丝的组装；3.微丝延伸；4.启动微丝侧支的组装；5.微丝不断延伸而形成伪足；6.微丝解聚现在是73页\一共有89页\编辑于星期三（五）微绒毛在小肠上皮细胞的游离面存在大量的微绒毛（microvilli），其轴心是一束平行排列的微丝，微丝束正极指向微绒毛的顶端，其下端终止于中间丝形成的端网结构（terminalweb）。（六）胞质分裂环胞质分裂环（收缩环）是有丝分裂末期在2个即将分裂的子细胞之间的质膜内侧形成的一个起收缩作用的环形结构。胞质分裂环是由大量平行排列的但极性相反的微丝组成。胞质分裂的动力来源于收缩环上肌球蛋白所介导的极性相反的微丝之间的滑动。随着收缩环的收缩，两个子细胞被缢缩分开。胞质分裂完成后，收缩环即消失。现在是74页\一共有89页\编辑于星期三微绒毛的微丝和微丝交联蛋白（图10-10）A：微绒毛结构模式图B：小肠上皮细胞表面微绒毛C：耳蜗毛细胞顶端的微绒毛（实心箭头示微丝断面，空心箭头示微绒毛膜）现在是75页\一共有89页\编辑于星期三胞质分裂环（图10-11）A：胞质分裂环和细胞皮层（均为红色）B：胞质分裂环模式图现在是76页\一共有89页\编辑于星期三三、肌球蛋白：依赖于微丝的分子马达

在细胞内参与物质运输的马达蛋白（motorprotein），即能够利用水解ATP释放的能量驱动自身有规则地沿微丝或微管定向运动的蛋白，如沿微丝运动的肌球蛋白（myosin）、沿微管运动的驱动蛋白（kinesin）和动力蛋白（dynein）。马达蛋白具有2种结构域：①与微丝或微管结合的马达结构域；②与大分子复合物或膜性细胞器特异结合的“货物”结构域。

（一）肌球蛋白的种类（二）肌球蛋白的结构现在是77页\一共有89页\编辑于星期三（一）肌球蛋白的种类Ⅱ型肌球蛋白（myosinⅡ）：由2条具有马达结构域和“货物”结构域的重链和4条起调节作用的轻链构成，形成一个高度不对称的结构（形似黄豆芽）。肌球蛋白的头部和组成微丝的肌动蛋白亚基之间的相互作用导致粗丝与细丝之间的滑动。肌球蛋白分子的结构特征：所有的肌球蛋白分子都具有相似的马达结构域，但它们的C端和某些成员的N端扩展部分却是多种多样的。基于马达结构域多肽链一级结构的同源性进行分类：至少可以将肌球蛋白超家族的成员分成18种家族，一些类群还可以进一步分成多个呀家族。现在是78页\一共有89页\编辑于星期三Ⅱ型肌球蛋白分子（A）和粗肌丝的结构（B）示意图（图10-12）现在是79页\一共有89页\编辑于星期三部分肌球蛋白超家族成员的结构示意图（图10-13）

注意：Ⅵ型是唯一向微丝负极端移动的肌球蛋白成员现在是80页\一共有89页\编辑于星期三在进化过程中，不同类型肌球蛋白成员逐步适应于特殊的细胞功能：（1）Ⅰ型：将膜脂和微丝结构相连接，在一些细胞膜突起的形成过程中发挥作用；参与内吞作用以及吞噬泡的运输；某些成员对Ca2+通道的活性具有调控作用。（2）Ⅱ型：在骨骼肌、心肌和平滑肌中能产生强大的收缩力；也在收缩环和张力纤维等具有收缩能力的细胞结构中发挥作用。（3）Ⅲ