第九章 细胞骨架

第九章细胞骨架Cytoskeleton细胞骨架:是指存在于真核细胞中的蛋白纤维网架体系。有狭义和广义两种概念◆狭义：指微丝、微管和中间纤维构成的骨架体系。◆广义：包括细胞质骨架、细胞核骨架、细胞膜骨架和细胞外基质。

细胞骨架不仅在维持细胞形态，保持细胞内部的有序性中起到重要作用，还与细胞运动、物质运输、能量转换、信息传递、细胞分裂、基因表达、细胞分化等生命活动密切相关。

作为支架，为维持细胞的形态提供支持结构，并给细胞定位；为细胞内的物质和细胞的运输运动提供机械支持；为细胞从一个位置向另一个位置移动提供动力；为mRNA提供锚定位点，促进mRNA翻译成多肽；参与细胞连接。细胞骨架功能第一节细胞质骨架一、微丝二、微管三、中间纤维光镜下显示细胞骨架：红色荧光显示微丝，黄色显示微管，兰色显示细胞核

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1、成分主要结构成分——肌动蛋白（actin，外观呈哑铃状）根据等电点分为3类：

α肌动蛋白分布于肌肉细胞；

β和γ肌动蛋白分布于肌细胞和非肌细胞actin单体又称球形肌动蛋白G-actin；多聚体称为纤维形肌动蛋白F-actin。一、微丝(microfilament，MF)微丝是由单体G-actin形成的多聚体，又称为F-actin肌动蛋白单体三维结构肌动蛋白纤维分子模型肌动蛋白纤维电镜照片2、装配装配的条件：ATP、适宜的温度、存在K+和Mg2+离子。装配过程：2-3个actin聚集成一个核心（核化）；ATP-actin分子向核心两端加合。微丝具有极性，ATP-actin

加到(+)极的速度要比加到(-)极的速度快5-10倍。装配的特点：

1、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。2、微丝正极与负极都能生长，生长快的一端为正极，慢的一端为负极；去装配时，负极比正极快。（由于G-actin在正极端装配，负极去装配，从而变现为踏车现象）。3、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。4、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。3、微丝特异性药物1、细胞松弛素（cytochalasin）：是真菌的一种产物，可切断微丝纤维，并结合在微丝正极阻抑肌动蛋白聚合，从而导致微丝解聚。2、鬼笔环肽（phalloidin）：与微丝有强亲和作用，使肌动蛋白纤维稳定，防止微丝解聚，且只与F肌动蛋白结合。

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actin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。4、微丝结合蛋白

参与形成微丝纤维高级结构，对肌动蛋白纤维的动态装配有调节作用，以行使特定的功能。根据分布与功能不同分类：

肌肉收缩系统中的微丝结合蛋白

非肌肉细胞中的微丝结合蛋白功能：与微丝装配及功能有密切关组成肌球蛋白原肌球蛋白α辅肌动蛋白等（尚未发现肌钙蛋白）非肌肉细胞中的微丝结合蛋白已知的的微丝结合蛋白有100多种，分为以下类型：核化蛋白：使游离actin核化，开始组装，Arp单体隐蔽蛋白：阻止游离actin向纤维添加，thymosin

封端蛋白：使纤维稳定，CapZ单体聚合蛋白：将结合的单体安装到纤维，profilin

微丝解聚蛋白：使微丝去组装，cofilin

交联蛋白：将2至多条纤维联系在一起形成纤维束或网络，fimbrin

纤维切断蛋白：将微丝切断，gelsolin膜结合蛋白：将肌动蛋白纤维量接在膜上，参与构成粘合带，vinculin

各种微丝结合蛋白单体隔离蛋白去聚合蛋白膜结合蛋白末端阻断蛋白纤维切割蛋白交联蛋白核化蛋白微丝解聚蛋白单体聚合蛋白纤维切断蛋白单体聚合蛋白单体聚合蛋白单体隐蔽蛋白（1）肌球蛋白（myosin）含量：约占肌肉总蛋白的一半组成（含4条多肽链）2条重链（2股重链盘绕成双股α螺旋）2条轻链结构特点2个头部（有些只有1个头部）具ATP酶活性，构成肌肉粗丝横桥1个尾部装配成粗丝肌肉收缩系统中的有关蛋白（2）原肌球蛋白（tropomyosin，Tm）结构：位于肌动蛋白螺旋沟内，结合于细肌丝。结构特点调节肌动蛋白与肌球蛋白头部的结合（3）肌钙蛋白（troponin，Tn）组成及功能：（三个亚基）TnC（Ca2+敏感性蛋白），能特异与Ca2+结和。TnT，于原肌球蛋白结合；TnI，抑制肌球蛋白ATPase活性，调节肌肉收缩。Tropomyosin,actinandtroponin5、微丝功能（1）参与构成细胞支架，保持细胞的一定形态（2）参与肌肉收缩（3）与细胞运动密切相关（4）与细胞内运输，细胞分泌活动有关（5）与细胞爬行有关（6）参与细胞分裂二、微管（Microtubule，MT）微管是细胞骨架系统中的主要成分之一，由微管蛋白装配成的的长管状结构，存在与所有真核细胞中（除人体红细胞外），原核生物没有微管。在胞质中形成网络结构，作为运输路轨，并起支撑作用，对低温、高压和秋水仙素敏感。Afluorescentlystainedimageofculturedepithelialcellsshowingthenucleus(yellow)andmicrotubules(red)微管是由13条原纤维构成的中空管状结构，直径22-25nm。每一条原纤维由微管蛋白二聚体线性排列而成微管蛋白二聚体由结构相似的α和β微管蛋白构成。α微管蛋白结合的GTP从不发生水解或交换。β微管蛋白也是一种G蛋白，结合的GTP可发生水解，结合的GDP可交换为GTP。1、成分原纤维

α微管蛋白和β微管蛋白形成αβ二聚体→αβ二聚体形成原纤维

→经过侧面增加二聚体而扩展为片层→当加宽至13根原纤维时，即合拢形成一段微管→新的二聚体再不断加到微管的端点使之延长2、装配（1）装配过程微管具有极性，(+)极生长速度快，(-)极生长速度慢。(+)极的最外端是β球蛋白，(-)极的最外端是α球蛋白。微管和微丝一样具有踏车行为。微管形成的有些结构是比较稳定，是由于微管结合蛋白的作用和酶修饰的原因。如轴突、纤毛、鞭毛。大多数微管处于动态组装和去组装状态（如纺锤体）。为行使正常的微管功能，微管动力学不稳定性是其功能正常发挥的基础。装配特点·（2）体外微管装配条件微管蛋白浓度：低于临界浓度时，不发生微管聚合；最适pH：pH6.9；离子：去Ca2+，存Mg2+；温度：37℃装配，0℃解聚。GTP供应。·（3）体内微管装配动态微管装配的动力学不稳定性:指微管装配生长与快速去装配的一个交替变换的现象。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。ThefunctionofGTP-tubulincapGTPhydrolysisisnotrequiredformicrotubuleassembly，WHY？MicrotubuledisassemblewhenGDP-tubulinareexposedMAP分子至少包含一个结合微管的结构域和一个向外突出的结构域。突出部位伸到微管外与其它细胞组分（如微管束、中间纤维、质膜）结合。3、微管结合蛋白（microtubule

associatedproteins，MAPs）①促进微管组装。②增加微管稳定性。③促进微管聚集成束。微管结合蛋白主要功能长春花碱—抑制微管装配。紫杉酚(taxol)——能促进微管的装配,并使已形成的微管稳定。（这种稳定对细胞是有害的，使细胞停止于有丝分裂期）秋水仙素(colchicine)——阻断微管蛋白组装成微管，可破坏纺锤体结构。4、微管特异性药物5、微管的生物学功能

（1）支持细胞的功能：构成细胞内网状支架，维持细胞形态，固定与支持细胞器的位置；（2）与细胞器位移和细胞运动有关，染色体的移动、纤毛、鞭毛的运动都是由微管聚合和解聚产生的；（3）参与运输，颗粒物质可沿微管移动；（4）与某些信息的传递有关。维持细胞形态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。对于细胞突起部分，如纤毛、鞭毛、轴突的形成和维持，微管亦起关键作用。三、中间纤维（intermediatefilament，IF)IF几乎分布于所有动物细胞，往往形成一个网络结构，特别是在需要承受机械压力的细胞中含量相当丰富，如上皮细胞中。除了胞质中，在内核膜下的核纤层也属于IF。因其直径介于粗肌丝和细肌丝之间，故命名为中间纤维。比微丝和微管复杂，具有组织特异性，不同类型细胞含有不同中间纤维。成分分为5类：角蛋白、结蛋白、胶质原纤维酸性蛋白、波形纤维蛋白、神经纤丝蛋白。（通常一种细胞含有一种中间纤维，少数含有2种以上）（一）成分核纤层（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存在于星形神经胶质细胞。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1、过程：(课本339页图10-19)①两个单体形成超螺旋二聚体（角蛋白为异二聚体）；②两个二聚体反向平行组装成四聚体。③四聚体长向连成原纤维；④8根原纤维组成中间纤维，横切面具有32个单体。单体

超螺旋（平行对齐）

原纤丝（反向平行）原纤维中间纤维2、IF装配与MF，MT装配相比，有以下几个特点：

-----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（但IF的存在形式也可以受到细胞调节，如核纤层的装配与解聚）。（三）中间纤维的功能◆增强细胞抗机械压力的能力。◆角蛋白纤维参与桥粒的形成和维持。◆结蛋白纤维是肌肉Z盘的重要结构组分，对于维持肌肉细胞的收缩装置起重要作用。◆神经元纤维在神经细胞轴突运输中起作用。◆参与传递细胞内机械的或分子的信息。◆中间纤维与mRNA的运输有关。增强细胞抗机械压力的能力角蛋白纤维参与桥粒的形成和维持胞质骨架三种组分的比较无第二节细胞核骨架（结合第八章核基质与核体部分自学）一、核基质二、染色体支架三、核纤层第二节细胞核骨架一、核基质（NuclearMatrix）核基质（nuclearmatrix）或称核骨架，为真核细胞核内的网络结构，是指除核被膜、染色质、核纤层及核仁以外的核内网架体系。（一）形态结构1、研究核骨架的分级抽提方法

非离子去垢剂溶解膜结构系统，胞质中可溶性成分随之流失；再用Tween40和脱氧胆酸钠处理，胞质中的微管、微丝与一些蛋白结构被溶去，胞质中只有中间纤维网能完好存留；然后用核酸酶与0.25mol/L硫酸铵处理，染色质中DNA、RNA和组蛋白被抽提，最终核内呈现一个精细发达的核骨架网络，结合非树脂包埋—去包埋剂电镜制样方法，可清晰地显示核骨架—核纤层—中间纤维结构体系。（二）成 分核基质的组成较为复杂，主要组分有三类：1、非组蛋白性纤维蛋白，分子量40-60KD，占96%以上，其中相当一部分是含硫蛋白，其二硫键具有维持核骨架结构完整性的作用；除纤维蛋白外，还有10多种次要蛋白质，包括肌动蛋白和波形蛋白，后者构成核骨架的外罩；核骨架碎片中还存在三种支架蛋白（scaffoldproteins，SCⅠ、SCⅡ、SCⅢ)，SCⅡ、Ⅲ的功能尚不明确，SCⅠ是DNA拓朴异构酶Ⅱ。2、少量RNA（占0.5%）和DNA(占0.8%)。RNA对维持核骨架的三维结构是必需的，而DNA称为基质或支架附着区（matrix/scaffoldassociatedregion，

MAR或SAR），通常为富含AT的区域。3、少量磷脂（1.6%）和糖类（0.9%）。核骨架不象胞质骨架那样由非常专一的蛋白成分组成，DNA序列中的核骨架结合序列（matrixassociatedregion，MAR）DNA片段与核骨架蛋白的结合不会被高盐溶液抽提破坏，在基因表达调控中有作用。核骨架结合序列的基本特征①富含AT②富含DNA解旋元件(DNAunwindingelements)③富含反向重复序列(InvertedRepeats)④含有转录因子结合位点。MAR的功能①通过与核骨架蛋白的结合，将DNA放射环锚定在核骨架上；②作为许多功能性基因调控蛋白的结合位点。

（三）核骨架结合序列1、为DNA的复制提供支架：DNA是以复制环的形式锚定在核骨架上的，核骨架上有DNA复制所需要的酶，如：DNA聚合酶α、DNA引物酶、DNA拓朴异构酶II等。DNA的自主复制序列（ARS）也是结合在核骨架上。2、是基因转录加工的场所

-----RNA的转录需要DNA锚定在核骨架上才能进行，核骨架上有RNA聚合酶的结合位点。大量具有转录活性的基因是结合在核骨架上的；3、

与染色体构建有关

-----一般认为核骨架与染色体骨架为同一类物质，30nm的染色质纤维就是结合在核骨架上，形成放射环状的结构，在分裂期进一步包装成光学显微镜下可见的染色体。4、核骨架与病毒复制（四）核骨架的功能二、染色体骨架●染色体骨架/放射环模型●染色体骨架的真实性◆银染法能选择性地显示染色体轴结构◆DNA酶和RNA酶处理或用0.4mol/LH2SO4处理，去除组蛋白，对染色体轴没有影响，用胰蛋白酶消化则染色体轴破坏，说明染色体轴是非组蛋白性的。◆染色体骨架/放射环模型在分子水平上得到两个直接证据：

-