医学细胞生物学：第七章 细胞骨架与细胞的运动

第七章细胞骨架与细胞的运动细胞骨架（cytoskeleton）：真核细胞之中的蛋白质纤维网状体系，它对于细胞的形状、细胞的运动、细胞内物质的运输、染色体的分离和细胞分裂等均起着重要的作用。⑴狭义：指细胞质骨架，由微管（microtubule）、微丝（microfilament）和中间纤维（intemediatefilament）组成。⑵广义：包括细胞质骨架、细胞核骨架和细胞外基质。细胞骨架的三种类型结构和支持：中间纤维使细胞具有张力和抗剪切力。细胞内运输：微管确定膜性细胞器的位置和作为膜泡运输的导轨。运动和收缩：微丝确定细胞表面特征，使细胞能够运动和收缩空间组织：微管组成有丝分裂器作细胞骨架功能：第一节微管（microtubule,MT）微管：由微管蛋白和微管结合蛋白组成的中空圆柱状结构，普遍存在于真核细胞的胞质中，分布于核周围，呈放射状向四周扩散。培养的表皮细胞中的微管（红色荧光）1、微管是由13条原纤维构成的中空管状结构，直径24~26nm。一、微管蛋白与微管的结构2、每一条原纤维由微管蛋白二聚体线性排列而成，原纤维的两端和侧面增加二聚体，扩展成片层，当片层达到13根原纤维时，即合拢成一段微管，新的异二聚体再不断增加到微管两端。3、微管蛋白二聚体由结构相似的α和β球蛋白构成。4、微管具有极性，两端增长速度不同，增长速度快的为正端，另一端为负端。大多数微管处于动态组装和去组装状态，具有踏车行为。5、微管的种类单管：常分散于细胞质中或成束分布，胞质中主要形式二联管：由A、B两根单管组成，纤毛和鞭毛三联管：A、B、C三根单管组成，中心粒、鞭毛及纤毛微管结合蛋白（microtubuleassociatedprotein，MAP）：同微管相结合的辅助蛋白，与微管共存，参与微管的装配功能1、促进微管组装；2、增加微管稳定性；3、促进微管聚集成束。种类MAP-1,MAP-2,tau存在于神经元,MAP4在神经元和非神经元细胞都存在二、微管结合蛋白一个是碱性的微管蛋白结合结构域,另一个是酸性的外伸的结构域，与其它细胞骨架相连。成核期（延迟期）：和微管蛋白聚合成短的寡聚体，核心形成。聚合期（延长期）：微管蛋白聚合速度大于解聚速度，为微管延长。稳定期（平衡期）：胞质中游离微管蛋白浓度达到临界浓度，微管的组装与去组装速度相等。三、微管的装配分三个时期：（一）微管装配的起始点是微管组织中心

microtubuleorganizingcenter,MTOC是微管进行组装的区域，都具有γ微管球蛋白，如：中心体、鞭毛基体。微管蛋白在中心体上的聚合MTOC处微管蛋白以γ-TuRC为模板核化，先组装出（-）极，然后开始生长微管蛋白环形复合体（γ-tubulinringcomplex，γ-TuRC）：10-13个γ-微管蛋白分子的环形结构（二）微管的体外装配在体外，只要微管蛋白异二聚体达到一定的临界浓度（约1mg/ml)，Mg2+存在，pH6.9和37℃缓冲液中，异二聚体即聚合成微管，GTP提供能量。α/β微管蛋白异二聚体同GTP结合后被激活，引起微管蛋白分子呈直线型，从而使异二聚体聚合成微管，而GTP则分解为GDP和Pi。当聚合迅速进行时，微管蛋白分子添加到微管上的速度大于GTP水解速度，因此新生成的微管上是GTP-微管蛋白亚基，且GTP-微管蛋白亚基之间结合牢固，在微管末端形成GTP帽，防止微管解聚。当微管两端具有GTP帽时，微管继续组装。当微管两端具有GDP帽时，将改变异二聚体的构象使原纤维弯曲而不能形成微管的管壁，微管趋向于解聚细胞内不断有微管组装和解聚微管的踏车运动：在一定条件下，微管两个端点的装配速度不同，表现出明显极性，微管的一端发生GTP和微管蛋白的添加，使微管不断延长，称为正端；而另一端具有GDP的微管蛋白发生解聚而使微管缩短，则为负端。（三）微管的体内装配γ-TuRC存在于微管组织中心，象一颗种子，成为更多异二聚体结合上去的核心，微管生长、延长。γ-TuRC组织微管形成的能力受细胞周期调控，在间期被关闭，在G2期到M期转换时，某种激酶可能使γ-微管蛋白或γ-TuRC中的某些蛋白质磷酸化，从而开放γ-TuRC组织形成微管的能力。（四）很多因素影响微管组装和解聚包括GTP浓度、压力、温度、pH、离子浓度、微管蛋白临界浓度、药物等。药物：紫杉醇（taxol）:和微管紧密结合防止微管蛋白亚基的解聚，加速微管蛋白聚合作用。秋水仙素（cochicine）：结合和稳定游离微管蛋白，引起微管解聚作用。长春新碱（vinblastine）：结合微管蛋白异二聚体，抑制聚合作用四、微管的功能（一）微管构成细胞内的网状支架，支持和维持细胞的形态如血小板中有一束微管环形排列于血小板周围，维持血小板结构，低温下消失，血小板变为不规则的球形，加热重新出现，恢复圆盘结构。血小板细胞骨架血小板形态改变（二）微管参与中心粒、纤毛和鞭毛形成中心粒由9组三联体微管围成的圆筒状结构，（1）细胞分裂间期，中心体形成胞质微管，作为物质运输轨道、对细胞形状维持和改变起作用；（2）在M期指导纺锤丝和染色体的移动纤毛（cilia）与鞭毛（flagella）具9+2类型结构，具运动功能微管为9+2结构。中央有两条中央微管，中央微管的外周包围一层蛋白性质的中央鞘，外周以9组二联管围绕。二联微管A管由13条原纤维组成，B管由10条原纤维组成。A管向中央发出一条辐，向相邻B管伸出两条动力蛋白臂(dyneinarm），头部具有ATP酶活性，为纤毛和鞭毛运动提供动力。（三）微管参与细胞内物质运输由微管马达蛋白（motorprotein）完成胞内物质运输马达蛋白包括：驱动蛋白kinesin、动力蛋白dynein、肌球蛋白myosin驱动蛋白和动力蛋白以微管作为运行轨道，肌球蛋白以肌动蛋白纤维作为运行轨道动力蛋白: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。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。驱动蛋白:由两条轻链和两条重链构成的四聚体，能向着微管（+）极运输小泡。（四）微管维持细胞内细胞器的定位和分布线粒体的分布与微管伴随游离核糖体附着于微丝交叉点微管使内质网在细胞质中展开分布高尔基体在细胞中央靠近细胞核而定位于中心体附近微管维持细胞内细胞器的定位和分布（五）微管参与染色体的运动，调节细胞分裂微管形成纺锤体，在细胞分裂中牵引染色体到达分裂极。（六）微管参与细胞内信号传导已证明微管参与hedgehog、JNK、Wnt、ERK及PAK蛋白激酶信号转导通路，与细胞极化、微管不稳定动力学行为、微管稳定性变化、微管的方向性及微管组织中心的位置均有关。第二节微丝microfilament,MF又称肌动蛋白丝（actinfilament），是由肌动蛋白（actin）组成的两条螺旋形链，直径约7nm。肌动蛋白单体（G-actin，球形肌动蛋白）F-肌动蛋白（F-actin，纤维状肌动蛋白）一、肌动蛋白与微丝的结构

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。actin单体由375个a.a组成，与一分子ATP紧密相连，外观呈哑铃形，称球形肌动蛋白（G-actin）；微丝是G-actin形成的多聚体，称为纤维形肌动蛋白F-actin。肌动蛋白单体具有极性，因此微丝也有极性，存在负端（minusend）和正端（plusend）二、微丝结合蛋白及其功能有100多种，与微丝装配及功能相关（一）单体隔离蛋白（monomersequesteringprotein）：如抑制蛋白和胸腺素，抑制单体肌动蛋白结合，它们的活性和浓度决定肌动蛋白聚合或解聚（二）交联蛋白（crosslinkingprotein）能改变细胞内肌动蛋白纤维的三维结构，有两个或两个以上肌动蛋白结合位点，使细胞内肌动蛋白纤维形成网络。（三）末端阻断蛋白（endblockingprotein）：通过同肌动蛋白纤维的一端或两端的结合调节肌动蛋白纤维长度（四）纤维切割蛋白（filamentseveringprotein）：能够同已经存在的肌动蛋白纤维结合并将它一分为二（五）肌动蛋白纤维解聚蛋白（actinfilamentdepolymerizingprotein）：主要存在于肌动蛋白丝骨架快速变化部位，同肌动蛋白丝结合，引起肌动蛋白丝快速去聚合形成肌动蛋白单体。（六）膜结合蛋白（membranebindingprotein）：非肌细胞质膜下方产生收缩的机器微丝结合蛋白二、微丝的装配机制（一）微丝的组装过程分为成核、聚合和稳定三个阶段ATP、适宜的温度、存在K+和Mg2+离子，2-3个actin聚集成一个核心（核化）；ATP-actin分子向核心两端加合。在快速生长的纤维两端形成ATP-actin帽，一旦暴露出ADP-actin，则开始去组装。（二）微丝的组装可用踏车模型和非稳态动力学模型来解释具有极性，ATP-actin加到(+)极的速度要比加到(-)极的速度快5-10倍。溶液中ATP-肌动蛋白的浓度处于临界浓度时，ATP-肌动蛋白在(+)端添加，而从(-)端分离，表现出“踏车”现象。微丝的踏车行为：微丝两端聚合加入和解聚释放的亚单位速度达到平衡，微丝长度不变（三）微丝的组装受多种因素影响受G-肌动蛋白临界浓度的影响受ATP、Ca2+、Na+、K+浓度影响受药物细胞松弛素B（cytochalasin）、鬼笔环肽（phalloidin）影响：破坏微丝聚合和解聚平衡

细胞松弛素可切断微丝纤维，并结合在微丝末端抑制肌动蛋白单体加合到微丝纤维上，特异性的抑制微丝功能。

鬼笔环肽与微丝能够特异性的结合，使微丝纤维稳定而抑制其功能肌细胞中的肌动蛋白束A：微绒毛；B：细胞质中的收缩束；C：细胞皮层及运动细胞前缘的片状伪足；D：细胞分裂时的收缩环三、微丝的功能Fibronectin：纤连蛋白Integrin：整合素Vinculin：粘着斑蛋白Talin：踝蛋白Focaladhesionkinase：粘着斑激酶Paxillin：桩蛋白(一)微丝构成细胞的支架并维持细胞形态红细胞胞质区细胞骨架血影蛋白与带4.1蛋白、肌动蛋白一起构成红细胞质膜骨架的超结构，维持红细胞双凹盘状结构形成微绒毛：将微丝连接成束，赋予微绒毛刚性结构Villin：绒毛蛋白，fimbrin：丝束蛋白应力纤维（stressfiber）：在细胞内紧邻质膜下方，与细胞长轴平行，并贯穿细胞全长，具有收缩功能，但不能运动，维持细胞形状、抗剪切力。（二）微丝参与细胞的运动:巨噬细胞伸出伪足正向细菌移动细胞含有丰富微丝，依赖肌动蛋白和微丝结合蛋白的相互作用，进行变形运动巨噬细胞吞噬细菌(三)微丝参与细胞分裂有丝分裂过程中：微丝与myosin-II形成收缩环（contractilering），腰部的紧缩导致胞质一分为二。(四)微丝参与肌肉收缩骨骼肌收缩的基本结构单位是肌小节，肌小节主要成分是肌原纤维。肌原纤维由粗肌丝与细肌丝组成。粗肌丝：10nm，由肌球蛋白（myosin）组成细肌丝：5nm，由肌动蛋白、原肌球蛋白（tromyosin）和肌钙蛋白（troponin）组成。肌肉收缩的滑动丝模型肌球蛋白（myosin）：属于马达蛋白，趋向微丝的（+）极。由2个重链和4个轻链组成，外观具有两个球形的头和一个螺旋化的杆，头部有ATP酶活性。（1）结合：肌球蛋白头部与肌动蛋白丝紧密结合；（2）释放：肌球蛋白结合ATP，诱导肌球蛋白构象变化，头部与肌动蛋白丝分离；（3）直立：ATP头部沿细丝移动5μm，ATP水解，水解的ADP和Pi仍结合于肌球蛋白；（4）产力：肌球蛋白头部微弱结合到细丝新位点，释放Pi，头部与肌动蛋白丝强结合，产生机械力，肌球蛋白构象变化，ADP释放，恢复原构象。（5）再结合：循环到最后，肌球蛋白头部又与细丝紧密结合，但到了新的结合位点，移动一段距离，导致肌肉收缩。第三节中间纤维（intermediatefilaments，IF）直径10nm左右，介于肌肉细胞的actin细丝和肌球蛋白粗丝之间。IF是最稳定细胞骨架成分，起支撑作用。IF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。红色：角蛋白Keratin神经细胞的轴突分为5类：角蛋白（表皮和表皮细胞）、结蛋白（肌细胞）、胶质原纤维酸性蛋白（神经胶质细胞）、波形纤维蛋白（成纤维细胞、白细胞等）、神经纤丝蛋白（神经元细胞）。具有组织特异性，不同类型细胞含有不同IF，因此肿瘤细胞转移后仍保留源细胞的IF，作为鉴别肿瘤细胞组织来源的依据。一、IF的结构和类型（二）中间纤维蛋白的类型和分布较为复杂1、角蛋白keratin

为表皮细胞特有，具有α和β两类，β角蛋白存在于细胞中，α角蛋白形成头发、指甲等坚韧结构。分为：酸性角蛋白（I型）、中性或碱性角蛋白（II型）。组装时首先由I型和II型组成异二聚体，再形成中间纤维。2、结蛋白desmin

又称骨骼蛋白skeletin，存在于肌肉细胞中，主要功能是使肌纤维连在一起。3、胶质原纤维酸性蛋白（glialfibrillaryacidicprotein）存在于星形神经胶质细胞和许旺细胞，起支撑作用。4、波形纤维蛋白（vimentin）存在于间充质细胞及中胚层来源的细胞中。5、神经纤丝蛋白（neurofilamentprotein）是由三种分子量不同的多肽组成的异聚体，功能是提供弹性使神经纤维易于伸展和防止断裂。二、 IF的装配和调节（一）结构由螺旋化杆状区，以及两端非螺旋化的球形头（N端）尾（C端）部构成。杆状区高度保守，由螺旋1和螺旋2构成，每个螺旋区还分为A、B两个亚区。两个单体形成超螺旋二聚体反向平行组装成四聚体；2个或多个四聚体组成原纤维4根原纤维组成中间纤维（二）IF的装配特点：IF没有极性；无动态蛋白库；装配与温度和蛋白浓度无关；不需要ATP、GTP或结合蛋白的辅助。三、IF的功能破坏角蛋白网络引起空泡维持组织的机械拉力：比微丝和微管更耐受剪切力。桥粒半桥粒中间纤维参与桥粒和半桥粒连接，中间纤维形成一个网络，既能维持细胞形态，又能提供支持力。核膜的核纤层起支持作用胞质骨架三种组分的比较

微丝

微管

中间纤维

单体

球蛋白

α、β球蛋白

杆状蛋白

结合核苷酸

ATP-G-actin

2GTP/αβ二聚体

无

纤维直径

~7nm

~22nm

10nm

结构

双链螺旋

13根源纤丝组成空心管状纤维

8个4聚体或4个8聚体组成的空心管状纤维

极性

有

有

无

组织特异性

无

无

有

蛋白库

有

有

无

踏车形为

有

有

无

动力结合蛋白

肌球蛋白

动力蛋白，驱动蛋白

无

特异性药物

细胞松驰素

鬼笔环肽

秋水仙素，长春花碱，紫杉醇

第四节细胞的运动一、微管与细胞运动一些细胞通过纤毛和鞭毛运动，微管滑动模型机制：

动力蛋白头部与相邻微管的B微管接触，促进同动力蛋白结合的ATP水解，并释放ADP和Pi，改变了A微管动力蛋白头部的构象，促进头部朝向相邻二联管的正极滑动，使相邻二联管产生弯曲力。鞭毛运动原理：动力蛋白臂的