第10章 细胞骨架-3版

第十章细胞骨架(Cytoskeleton)

●细胞骨架的概述●细胞骨架的组成第一节细胞骨架的概述◆细胞骨架概念

细胞骨架是指存在于真核细胞的细胞质中的蛋白纤维网架结构体系◆有狭义和广义两种涵义

在细胞质基质中包括微丝、微管和中间纤维。

在细胞核中存在核骨架-核纤层体系。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。细胞骨架狭义:广义细胞质骨架微丝微管中间纤维细胞核骨架细胞质骨架细胞膜骨架细胞外基质◆细胞骨架主要功能的概述

作为动态的支架，提供结构支撑以决定细胞形状和抵抗细胞变形。

作为在细胞内定位各种细胞器的内部框架。

作为高速公路网指导物质与细胞器在细胞内的运动。

作为产生力的装置，将细胞从一个地方移至到另一个地方。

作为锚定mRNA并促进其翻译成多肽的位点。

作为细胞分裂的必要组分。第二节细胞骨架的组成●微管（microtubules,MT）●微丝(microfilament,MF)●中间纤维(intermediatefilament,IF)细胞核骨架●核基质(NuclearMatrix)●染色体骨架●核纤层(NuclearLamina)

二、微丝(microfilament,MF)●微丝的概念●成分与形态结构●微丝的装配●微丝特异性药物●微丝结合蛋白●微丝的功能（一）微丝的概念又称肌动蛋白纤维(actinfilament),是指真核细胞中由肌动蛋白(actin)单体组成的直径为7nm的骨架纤维。在细胞内与几乎所有形式的运动相关。（二）成分与形态结构◆成分

肌动蛋白(actin)是微丝的结构成分,外观呈哑铃状,这种actin又叫球形肌动蛋白（G-actin）。◆形态结构

由球形肌动蛋白(G-actin),聚合形成的多聚体链，因此微丝又称为纤维形肌动蛋白（F-actin）

近年来认为微丝是由一条肌动蛋白单体链形成的螺旋，每个肌动蛋白单体周围都有四个亚基，呈上、下及两侧排列。

(三）微丝的组装及动力学特性◆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。◆微丝的极性

有裂口的一端是负端：缓慢增长端无裂口的一端是正端：快速增长端。

◆微丝的组装过程第一阶段：成核反应

形成至少2-3个肌动蛋白单体组成的寡俱体。第二阶段：纤维的延长肌动蛋白单体与ATP结合◆微丝的组装的动力学特性

体外实验表明，组装时，（肌动蛋白-ATP亚基）正极比负极快；去组装时，（肌动蛋白-ADP亚基）负极比正极快。由于肌动蛋白-ATP亚基在微丝正端尤先添加，而肌动蛋白-ADP亚基在微丝负极尤先失去，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。（四）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,使微丝稳定抑制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。

（五）微丝结合蛋白◆微丝网络

微丝

微丝结合蛋白◆微丝结合蛋白对肌动蛋白组装的调节

可溶性肌动蛋白的存在状态

微丝结合蛋白的种类及其存在状态

（五）微丝结合蛋白

◆微丝结合蛋白类型

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

·Parallelbundle:MF同向平行排列，主要发 现于微绒毛与丝状伪足。·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。·Gel-likenetwork:细胞皮层(cellcortex)中微丝排列形式，MF相互交错排列。（六）微丝的功能◆维持细胞形态，赋予质膜机械强度◆肌肉收缩(musclecontraction)◆微绒毛(microvillus)◆应力纤维(stressfiber)◆与细胞质运动和细胞移动有关◆参与胞质分裂微丝遍及胞质各处，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。1、维持细胞形态，赋予质膜机械强度◆细胞质运动

胞质环流

穿梭运动◆细胞移动

变形运动

变皱膜运动

形态发生运动成纤维细胞爬行与微丝装配和解聚相关

与细胞质运动和细胞移动有关◆成分

轴心微丝束不含肌球蛋白、原肌球蛋白和

α辅肌动蛋白因而无收缩功能◆功能

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。3、微绒毛(microvillus)

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。◆作用

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。）

4、应力纤维（stressfiber）

◆时期在动物细胞和低等植物细胞有丝分裂的末期，发生的缢缩型胞质分裂。

◆组成由大量反向平行排列的微丝组成的收缩环（contractilering)完成的，◆机制其收缩机制是肌动蛋白（actiom)和肌球蛋白相(myosin)的相对滑动。

6、参与胞质分裂2、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。◆肌肉的细微结构(以骨骼肌为例)◆肌肉收缩的滑动模型◆由神经冲动诱发的肌肉收缩基本过程

肌肉的细微结构(以骨骼肌为例)

肌原纤维（收缩单位）肌纤维肌纤维束肌肉粗肌丝：肌球蛋白（主）细肌丝肌动蛋白（主）原肌球蛋白肌钙蛋白（辅）◆肌小节的组成◆肌肉收缩系统中的有关蛋白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)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+的回收一、微管（Microtubules）●微管结构与组成●微管的类型●装配●微管特异性药物●微管结合蛋白(MAP)●微管功能（一）微管结构与组成◆微管的组成成分

α­微管蛋白：55KD450aaβ-微管蛋白：55KD550aa◆微管装配的基本单位

微管蛋白异二聚体◆2个鸟嘌呤核苷酸结合位点

α­微管蛋白有一个结合的GTP（N位点）该GTP不被水解，且不可交换

β-微管蛋白有一个结合的GTP（E位点）该GTP在组装成多聚体之后，被水解成GDP。◆微管的形态结构

微管是中空的管状结构，管壁由13根原纤维集合而成，原纤维又由含有α­微管蛋白和β-微管蛋白的异二聚体组成。

（二）微管的类型

◆单管（singlet)

细胞质微管，由13根原纤维集合而成◆二联管（doublet)

纤毛和鞭毛周围微管，运动性微管。A管：13根原纤维B管：14根原纤维，有三条与A管共用◆三联管(triplet)

中心粒和基体中A管：13根原纤维B管：14根原纤维，有三条与A管共用C管：14根原纤维，有三条与B管共用(三）微管的装配◆微管组织中心◆微管的极性◆装配方式◆微管装配的动力学不稳定性◆α-微管蛋白和β-微管蛋白形成长度为

8nm的αβ异二聚体。◆αβ二聚体先形成环状核心(ring),经过侧面增加二聚体而扩展为螺旋带。◆αβ二聚体平行于长轴重复排列形成原纤维(protofilament)。◆当螺旋带加宽至13根原纤维时,即合拢形成一段微管。◆以这段微管为核心，二聚体不断组装，使之延长，微管蛋白与微管达到动态平衡。

装配方式◆微管装配的动力学不稳定性(dynamicinstability)是指在细胞内的同一区域中生长的微管与缩短的微管同时存在,而且一条特定的微管在生长项与缩短项之间交替切换的现象。（细胞骨架）◆动力学不稳定性产生的原因：微管两端具GTP帽(取决于微管蛋白浓度),微管将继续组装;反之,无GTP帽则解聚。◆踏车现象（四）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。◆紫杉酚(taxol)能促进微管的装配,并使已形成的微管稳定。为行使正常的微管功能,微管动力学不稳定性(动态的装配和解聚）是其功能正常发挥的基础。1、微管组织中心(MTOC)◆微管组织中心概念◆常见微管组织中心◆微管成核作用在活细胞内，能够起始微管的成核作用，并使之延伸的细胞结构称为微管组织中心。(microtubuleorganizingcenter,MTOC)微管组织中心概念常见微管组织中心◆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)

◆高等植物细胞MTOC：间期细胞核的周围

2、微管的极性MTOC确定微管了的极性:

◆（–）极：靠近MTOC一端，

即αβ二聚体α极

◆（+）极：远离MTOC一端，

即αβ二聚体β极微管结合蛋白

(MicrotubuleAssociatedProtein,MAP)微管结合蛋白

(MicrotubuleAssociatedProtein,MAP)6、微管功能◆维持细胞形状◆参与细胞内物质的运输◆细胞器的定位◆鞭毛(flagella)运动和纤毛(cilia)运动◆参与纺锤体形成和染色体运动◆参与基体与中心粒的构建

维持细胞形状

◆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。◆对于动物细胞突起部分,如纤毛、鞭毛、神经细胞的轴突、太阳虫目原生生物的伪足的形成和维持,微管起关键作用。◆在植物细胞中，微管通过影响细胞壁的形成在维持细胞形状方面起间接作用。

皮层微管纤维素合成酶运动纤维素微纤丝与皮层微管平行细胞伸长细胞内物质的运输

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（MT）及其马达蛋白（Motorprotein）有关。◆微管提供了运输的轨道◆Motorproteins提供了动力

◆神经元轴突运输的类型及运输模式

◆色素颗粒的运输

Motorproteins的类型目前已鉴定的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。

胞质中微管马达蛋白（motorprotein）分为两大类：

驱动蛋白(kinesin):沿着微管向正极端运动

胞质动力蛋白(cytoplasmicdynein)：沿着微管向负极运动

胞质中微丝马达蛋白（motorprotein）

肌球蛋白（myosin):沿微丝朝向微丝的正极运动

尚未发现利用中间丝作轨道的motorprotei

Kinesin与Dynein的分子结构

Kinesin

两条相同的重链和两条相同的轻链组成的四聚体。头部：球状与微管结合，水解ATP和产生能量的发动机颈部：决定运动方向柄部尾部：扇形，结合运载货物

Dynein

两条相同的重链和多种中等链和轻链组成。头部：球状与微管结合，水解ATP和产生能量的发动机

Kinesin与Dynein的运动方式

机械循环与化学循环相偶联的“步行”方式

Kinesin与Dynein的运输方式

神经元轴突运输的类型轴突运输的类型鞭毛(flagella)运动和纤毛(cilia)运动◆微管缺乏动力学活性，是高度稳定的◆纤毛和鞭毛的运动形式

◆纤毛与鞭毛的结构

9+2结构：9个二联管、两个中央微管。◆纤毛运动机制

滑动学说：相邻二联体间相互滑动所致。例如：男性不育症遗传性支气管炎参与基体与中心粒的构建◆中心粒(centro