《细胞生物学》-细胞8章 细胞骨架1

Chapter8Cytoskeleton细胞骨架（cytoskeleton）：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。细胞骨架的概念有狭义和广义之分狭义的细胞骨架指的是细胞质骨架包括包括

微丝(microfilament,MF)（肌动蛋白丝,actinfilament）、

微管(microtubule,MT)及

中间丝（intermediatefilament,IF）（中间纤维）；均由单体蛋白以较弱的非共价键结合在一起，构成纤维型多聚体。微丝确定细胞表面特征，使细胞能够运动和收缩微管确定膜性细胞器的位置和作为膜泡运输的导轨中间纤维使细胞具有张力和抗剪切力广义的细胞骨架包括细胞核骨架、细胞质骨架、细胞膜骨架和细胞外基质其它骨架成分：核骨架、核纤层、细胞外基质。核骨架、核纤层与中间纤维在结构上相互连接,贯穿于细胞核和细胞质的网架体系。

细胞骨架的主要功能

（1）维持细胞形态多样性（2）行使细胞运动（3）保持细胞内结构的合理空间布局与有序性（4）细胞内物质的传递与运输（5）参与细胞内信号传导（6）作为多种蛋白、酶和细胞器的支持点（7）参与蛋白质合成（8）核骨架、染色体骨架参与染色质和染色体的构建（9）核骨架为基因表达提供空间支架（10）细胞骨架参与细胞周期的调节，并与细胞分化和细胞衰老关系密切。研究细胞骨架的技术

1.荧光显微技术和电镜技术（FluorescentmicroscopyandElectronmicroscopy）研究细胞骨架的分布

⑴免疫荧光技术（荧光标记的抗体）（Immunofluorescence:fluorescently-labeledantibody）细胞骨架各成分间是相互连接相互影响的，用特异性的抗体标记后可特异显示某一细胞骨架的分布

⑵荧光技术（显微注射到活体细胞）（Fluorescence:microinjectintolivingcells）细胞骨架系统不是一个静止的结构，而是一个动态的结构，通过将构成细胞骨架的单体带上荧光标记，通过显微注射到活细胞体内，可以追踪细胞骨架在细胞内的动态变化过程。

⑶显微录像技术（Videomicroscopy:invitromotilityassays）

⑷电镜（Electron:TritonX-100,Metalreplica）

2.相关药物和突变（Drugsandmutations(aboutfunctions)）现在发现一些细胞骨架抑制性的药物，可以影响细胞骨架的解聚和聚合，进而影响到细胞骨架承担的功能；也可以使编码细胞骨架的基因发生突变，研究其功能变化。3.生化分析（Biochemicalanalysis(invitro)）细胞骨架包含的成分很复杂，还有一些与细胞骨架相结合的蛋白，分析其相互关系。细胞骨架能进行自我组装，而且是一个动态的结构

1.每一种细胞骨架纤维都是由单体或小的蛋白亚基构成的，其相互按特定的方式聚合，形成纤维的结构，二者处于动态变化中，承担了一些重要的很多的生理功能2.微丝、微管、中间丝相互作用，共同构成一个整体的网络，而且各自有各自的特点3.细胞骨架是一个动态的结构，承担很多的生理功能1下列哪一个不是细胞骨架的特点（）A是一个绝对稳定的结构B是一个动态的结构C是一个网架结构D由蛋白亚基构成1下列哪一个不是细胞骨架的特点()是一个绝对稳定的结构A是一个动态的结构B是一个网架结构C由蛋白亚基构成D提交单选题10分

微丝与细胞运动微管及其功能中间丝本章主要内容第一节微丝与细胞运动

微丝（microfilament,MF）肌动蛋白丝（actinfilament）纤维状肌动蛋白（fibrous,F-actin）由肌动蛋白单体组装而成的直径为7nm的纤维状结构存在于所有真核细胞中微丝的组装/去组装微丝结合蛋白（MFbindingprotein）

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（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+）的结合位点。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。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。肌动蛋白和微丝的结构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。（二）微丝的组装及其动力学特性⑴MF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，即正极与负极之别

（2）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→形成寡聚体（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。2.下列哪种蛋白可以帮助微丝快速组装（）A.球状肌动蛋白B.纤维状肌动蛋白C.G蛋白D.Arp2/32.下列哪种蛋白可以帮助微丝快速组装()球状肌动蛋白A纤维状肌动蛋白BG蛋白CArp2/3D提交单选题10分3.微丝的组装不包括下列哪个阶段（）A.成核反应B.纤维的延长C.踏车行为D.解离阶段3.微丝的组装不包括下列哪个阶段()成核反应A纤维的延长B踏车行为C解离阶段D提交单选题10分⑶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⑷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⑸MF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

（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；可切断微丝,并结合在微丝正极阻抑肌动蛋白聚合，对解聚无明显影响；

用于破坏微丝网络结构，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，而不与G-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。

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）微丝的功能（一）非肌肉细胞内微丝的结合蛋白除肌动蛋白作为微丝的主要成分外，在不同细胞中的不同微丝，还可有不同的微丝结合蛋白，共同形成独特的结构并执行特定的功能。与肌肉收缩有关的微丝结合蛋白包括肌球蛋白（myosin）、原肌球蛋白（tropomysin，Tm）和肌钙蛋白（tropnin）三种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。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：1.成核蛋白（monomersnucleating）

：将单体蛋白聚集到一起形成短的微丝，有了极性其他单体蛋白可以往上加，大大加快单体蛋白聚合速度

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。2.单体-隔离蛋白（monomersequestering）

结合到G-actin上，阻止其组装到微丝上，即阻止微丝的聚合3.封端（加帽）蛋白（末端阻断蛋白endblockingprotein/capping）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。，如凝溶蛋白、断解蛋白、绒毛蛋白等。微丝的成核与加帽4.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。

5.肌动蛋白纤维解聚蛋白(actinfilamentdepolymerizingprotein)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。6.成束蛋白（bunding）排列方式有差别7.纤维-切割蛋白（filament-severingprotein）能够同已经存在的肌动蛋白纤维结合并将它一分为二；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。8.膜结合蛋白（membrane-bindingprotein）9.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。微丝结合蛋白将微丝组织成以下三种形式

1.Parallelbundle:MF同向平行排列；主要发现于微绒毛与丝状伪足myosinI肌球蛋白Microfilament微丝Fimbrin

丝束蛋白Villin

绒毛蛋白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（二）微丝的功能主要表现在两大方面一、与微管一样起支架作用，维持细胞形状，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。）

细胞皮层（cellcortex）：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；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。二是参与细胞的各种运动应力纤维（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；成分：肌动蛋白、肌球蛋白II、原肌球蛋白、细丝蛋白和

-辅肌动蛋白。具有收缩功能，可能在细胞形态发生、细胞分化和组织形成等方面发挥作用。

2.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。动物细胞边缘的伪足及其微丝的排列方式粘附→延长→粘连→移动→去粘连微丝装配将质膜向前推进

Amodelforprotrusionoftheactinmeshworkattheleadingedge非肌细胞前缘肌动蛋白的聚合和伪足的形成

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4.细胞的迁移运动仅仅通过肌动蛋白的聚合以及其它细胞结构组分的相互作用就能实现（）A.正确B.错误4.细胞的迁移运动仅仅通过肌动蛋白的聚合以及其它细胞结构组分的相互作用就能实现()正确A错误B提交单选题10分3.微绒毛（microvilli）

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。微绒毛的轴心结构是典型的高度有序的微丝束，不具收缩功能。4.胞质分裂环

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A：胞质分裂环和细胞皮层（均为红色）B：胞质分裂环模式图5.胞质环流(cytoplasmicstreaming)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肌肉→肌纤维束→肌纤维（肌细胞）→肌原纤维（包括粗肌丝和细肌丝））此外，肌纤维中还有横小管和肌质网等。肌原纤维的结构：光、电镜下观察，肌原纤维上排列着整齐的明、暗相间的带（横纹）。与Z线相连的为细肌丝，处于暗带的为粗肌丝。肌节就是由粗、细肌丝平行相间排列而成。（1）结构与化学组成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。肌原纤维的结构肌小节的组成

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（2）肌肉收缩系统中的有关蛋白

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分类:

沿微丝运动的肌球蛋白（myosin）

沿微管运动的驱动蛋白（kinesin）

沿微管运动的动力蛋白（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①肌球蛋白(myosin)

肌球蛋白的种类注意：Ⅵ型是唯一向微丝负极端移动的肌球蛋白成员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亚家族。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。（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。肌球蛋白的结构3个功能结构域：①马达结构域：负责将ATP水解所释放的化学能转换成机械能②

调控结构域：轻链的结合部位，发挥杠杆作用③

尾部结构域：选择性与所运输的“货物”结合

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）。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。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)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