第六章 细胞骨架

细胞骨架Cytoskeleton

学习目的与要求掌握细胞骨架的概念及基本组成成分。掌握微管、微丝、中间纤维的结构、组成、装配及其功能。熟悉微管、微丝、中间纤维的形态及影响其组装的因素。了解细胞骨架与疾病的关系第一节第二节第三节中英文退出第四节第五节CytoskeletonandCellMovement退出首页CytoskeletonandCellMovement细胞骨架的三类蛋白质纤维第一节微管一、微管的结构二、微管结合蛋白三、微管的装配与动力学四、微管的功能退出首页CytoskeletonandCellMovement微管的组成：由微管蛋白和微管结合蛋白组成。微管的形状：为中空的管状结构。基本功能：细胞器的定位和物质运输。微管组成的细胞器：纤毛、鞭毛、基体、中心体、

纺缍体等。微管（Microtubule,MT）概述退出首页CytoskeletonandCellMovement一、微管的结构1.微管的组成主要为微管蛋白（tubulin）。

微管蛋白分为三种：α-管蛋白、β-管蛋白和γ-管蛋白。α-管蛋白和β-管蛋白组成异二聚体。异二聚体是构成微管的基本亚单位。γ-管蛋白位于微管组织中心，对微管的形成、微管的数量和位置、微管极性的确定及细胞分裂起重要作用。退出首页CytoskeletonandCellMovement2.微管的形状

中空小管，内径约为15nm，壁厚约5nm。退出首页CytoskeletonandCellMovement一、微管的结构3.微管的分子结构

13根原纤维异二聚体微管退出首页CytoskeletonandCellMovement一、微管的结构4.微管的动态性

微管以异二聚体为单位，可自由组装和拆卸。5.微管的极性微管具有极性，正端（plusend）生长速度快，负端（minusend）生长速度慢，也就是说微管蛋白在正端的添加速度高于负端。退出首页CytoskeletonandCellMovement一、微管的结构在细胞中有三种存在形式：单管、二联管和三联管。单管：由13根原纤维组成，是细胞质中常见的形式，其结构不稳定，易受环境因素影响而降解。二联管：由A，B两个单管组成，A管有13根原纤维，B管有10根原纤维，与A管共用3根原纤维，主要分布于纤毛和鞭毛内。6.微管的存在形式退出首页CytoskeletonandCellMovement一、微管的结构在细胞中有三种存在形式：单管、二联管和三联管。三联管：由A，B，C三个单管组成，A管有13根原纤维，B、C各有10根原纤维，主要分布于中心粒、鞭毛和纤毛的基体中。6.微管的存在形式退出首页CytoskeletonandCellMovement一、微管的结构

微管三种类型横断面示意图退出首页CytoskeletonandCellMovement

二、微管结合蛋白1.微管结合蛋白（microtubule-associatedprotein，MAP）：与微管结合的辅助蛋白，并与微管共存，参与微管的装配。退出首页CytoskeletonandCellMovement2.微管结合蛋白主要包括：主要存在于神经元和非神经元细胞中MAP-2

MAP-1

Tau

MAP-4主要存在于神经元细胞中退出首页CytoskeletonandCellMovement

二、微管结合蛋白三、微管的装配与动力学除了特化细胞的微管外，大多数微管都是不稳定的，能够很快地组装或去组装。退出首页CytoskeletonandCellMovement三、微管的装配与动力学微管的组装可分三个过程：成核期（nucleationphase）管蛋白聚合成短的寡聚体（核心）片状微管。聚合期（polymerizationphase）聚合速度大于解聚速度。稳定期（steadystatephase）

聚合速度等于解聚速度（游离管蛋白达到临界浓度）。退出首页CytoskeletonandCellMovement1.微管组织中心(microtubuleorganizingcenter,MTOC)微管形成的核心位点，微管的组装由此开始。常见的微管组织中心为中心体和纤毛的基体。帮助细胞质中的微管在装配过程中成核，接着微管从微管组织中心开始生长。(一)微管装配的起始点是微管组织中心退出首页CytoskeletonandCellMovement三、微管的装配与动力学2.γ-管蛋白

γ蛋白一般形成γ-管蛋白环形复合体，它可刺激微管核心形成，并包裹微管蛋白的负端防止微管蛋白的掺入。(一)微管装配的起始点是微管组织中心退出首页CytoskeletonandCellMovement三、微管的装配与动力学3.中心体(centrosome)⑴中心体的结构中心体位于细胞核的附近，在细胞有丝分裂时位于细胞的两极，中心体包括两个中心粒和中心粒旁物质。它是细胞内重要的微管组织中心。周围基质⑵中心体的功能是细胞中决定微管形成的一种细胞器，它与细胞的有丝分裂关系密切，主要参与纺缍体的形成。退出首页CytoskeletonandCellMovement三、微管的装配与动力学3.中心体(centrosome)周围基质

中心体结构模式图退出首页CytoskeletonandCellMovement三、微管的装配与动力学微管蛋白在中心体上的聚合退出首页CytoskeletonandCellMovement在适当的情况下，微管可以在体外组装。微管组装的动态调节有两个理论模型，即微管踏车模型(treadmillingmodel)和非稳态动力学模型(dynamicinstabilitymodel)。微管组装以非稳态动力学模型为主，其中微管蛋白浓度和GTP是重要的调节微管组装的物质。管蛋白浓度高微管聚合管蛋白浓度低、GTP水解微管解聚(二)微管的体外装配退出首页CytoskeletonandCellMovement三、微管的装配与动力学(二)微管的体外装配退出首页CytoskeletonandCellMovement三、微管的装配与动力学

微管在细胞中的组装主要是在γ-管蛋白环形复合体，它位于微管组织中心，是集结异二聚体的核心，微管从此生长和延长。它与微管的负端结合，而使负端稳定。(三)微管的体内装配退出首页CytoskeletonandCellMovement三、微管的装配与动力学GTP浓度、温度、压力、pH值、离子浓度、微管蛋白临界浓度、药物等。(四)影响微管装配的因素秋水仙素、长春新碱抑制微管装配。紫杉醇能促进微管的装配,并使已形成的微管稳定。药物因素常见影响因素退出首页CytoskeletonandCellMovement三、微管的装配与动力学四、微管的功能

微管具有一定的强度，能够抗压和抗弯曲，给细胞提供机械支持力，是支撑和维持细胞形状的主要物质。(一)支持和维持细胞的形态退出首页CytoskeletonandCellMovement在电镜下可见中心粒由9组三联微管组成，中央无微管（9+0）。在细胞间期，中心体组织形成胞质微管，在细胞分裂期，参与纺锤体的形成。(二)参与中心粒、纤毛和鞭毛的形成1.中心粒和中心粒旁物质构成中心体退出首页CytoskeletonandCellMovement四、微管的功能(二)参与中心粒、纤毛和鞭毛的形成1.中心粒和中心粒旁物质构成中心体中心粒模式图和电镜照片退出首页CytoskeletonandCellMovement四、微管的功能2.纤毛与鞭毛细胞表面的运动器官，二者结构基本相同，在电镜下都可见9+2的结构，中央为一组二联微管称为中央微管，周围有9组二联微管。退出首页CytoskeletonandCellMovement(二)参与中心粒、纤毛和鞭毛的形成四、微管的功能2.纤毛与鞭毛A.纤毛横切电镜照片B.纤毛结构示意图纤毛的结构退出首页CytoskeletonandCellMovement(二)参与中心粒、纤毛和鞭毛的形成四、微管的功能细胞内的细胞器移动和胞质中的物质转运都和微管有着密切的关系，具体功能由马达蛋白来完成。马达蛋白是指介导细胞内物质沿细胞骨架运输的蛋白。主要分三大类：

动力蛋白(cytoplasmicdynein)

驱动蛋白(kinesin)

肌球蛋白(myosin)

(三)参与细胞内物质运输将物质沿微管运输将物质沿微丝运输退出首页CytoskeletonandCellMovement四、微管的功能1.微管驱动蛋白结构：具有ATP酶活性，水解ATP产生能量与微管结合

尾部——与被转运组分结合运输方式：沿微管由负端向正端移动驱动蛋白两个球形头部退出首页CytoskeletonandCellMovement沿微管运输的马达蛋白退出首页CytoskeletonandCellMovement-+神经轴突中沿微管的转运

红色：驱动蛋白蓝色：动力蛋白退出首页CytoskeletonandCellMovement(四)维持细胞内细胞器的定位和分布微管及其相关的马达蛋白在真核细胞内的膜性细胞器的定位上起着重要作用。

线粒体的分布与微管相伴随；

游离核糖体附着于微管和微丝的交叉点上；

内质网沿微管在细胞质中展开分布；

高尔基体沿微管向核区牵拉，定位于细胞中央。退出首页CytoskeletonandCellMovement四、微管的功能细胞器依靠微管在细胞内定位（A）一个细胞中典型的微管（绿色）、内质网（蓝色）和高尔基体（黄色）的分布方式。

细胞核为褐色，中心体为浅绿色。（B）细胞经内质网抗体染色（上图）和微管抗体染色（下图）。马达蛋白沿着微管将内质

网向外牵拉。（C）细胞经高尔基抗体染色（上图）和微管抗体染色（下图）。马达蛋白将高尔基体向内

侧移动到邻近中心体的位置。退出首页CytoskeletonandCellMovement(五)参与染色体的运动，调节细胞分裂

微管是构成有丝分裂器的主要成分，可介导染色体的运动，从而调节细胞分裂。

退出首页CytoskeletonandCellMovement四、微管的功能(六)参与细胞内信号传导

微管参与hedgehog、JNK、Wnt、ERK及PAK蛋白激酶信号转导通路。信号分子可直接与微管作用或通过马达蛋白和一些支架蛋白来与微管作用。退出首页CytoskeletonandCellMovement四、微管的功能

第二节微丝一、肌动蛋白与微丝的结构二、微丝结合蛋白及其功能三、微丝的装配四、微丝的功能退出首页CytoskeletonandCellMovement微丝(microfilament,MF)概述微丝的成分：微丝又称为肌动蛋白丝(actinfilament)，是由肌动蛋白(actin)亚单位组成的螺旋状纤维。微丝的分布：在肌肉细胞中占细胞总蛋白的10%，结构稳定，组成了肌细胞的收缩单位。在非肌肉细胞中占细胞总蛋白的1%~5%，结构通常不稳定。退出首页CytoskeletonandCellMovement一、肌动蛋白与微丝的结构1.肌动蛋白的结构存在方式：

球状肌动蛋白（肌动蛋白单体，G-actin）

纤维状肌动蛋白（肌动蛋白聚合体，F-actin）由375个氨基酸组成的单链多肽；外观呈哑铃形；具有阳离子、ATP（或ADP）和肌球蛋白结

合位点。结构：退出首页CytoskeletonandCellMovement一、肌动蛋白与微丝的结构1.肌动蛋白的结构特点：肌动蛋白分子具有极性，有氨基和羧基的

暴露一端为端（plusend），另一端则为负

端（minusend）。退出首页CytoskeletonandCellMovementA.G-肌动蛋白三维结构；B.F-肌动蛋白结构模型；C.F-肌动蛋白电镜照片退出首页CytoskeletonandCellMovement2.微丝的结构微丝是由两条肌动蛋白单链聚合而成的双螺旋结构。由于肌动蛋白单体具有极性，装配时首尾相接形成螺旋状纤维，因此微丝也有极性，一端为相对迟钝和生长慢的负端（minusend）；另一端为生长快的正端（plusend）。退出首页CytoskeletonandCellMovement一、肌动蛋白与微丝的结构2.微丝的结构

上图：微丝负染色电镜照片；下图：微丝结构模型退出首页CytoskeletonandCellMovement一、肌动蛋白与微丝的结构二、微丝结合蛋白微丝结合蛋白（microfilamentassociatedprotein,MAP）：是一类对纤维状肌动蛋白的结构和行为起调节作用，与微丝的装配及功能有关的蛋白质。退出首页CytoskeletonandCellMovement二、微丝结合蛋白微丝结合蛋白主要有以下类型：单体隔离蛋白：与单体肌动蛋白结合，并抑制它们的聚合。交联蛋白：使细胞内的肌动蛋白纤维相互交联形成网络结构。末端阻断蛋白：调节肌动蛋白纤维的长度。纤维切割蛋白：同肌动蛋白纤维结合并将其切断。肌动蛋白纤维解聚蛋白：引起肌动蛋白丝的快速去聚合。膜结合蛋白：非肌细胞质膜下方产生收缩的机器。退出首页CytoskeletonandCellMovement

微丝结合蛋白功能示意图退出首页CytoskeletonandCellMovement三、微丝的装配成核期：微丝组装的限速过程。聚合期：肌动蛋白在核心两端聚合，正端快，负端慢。稳定期：聚合速度与解离速度达到平衡。(一)微丝的组装过程分为三个阶段退出首页CytoskeletonandCellMovement(二)微丝组装的动态调节微丝的组装可用踏车模型和非稳态动力学模型来解释。目前认为踏车模型在微丝组装过程中可能起主导作用。

退出首页CytoskeletonandCellMovement三、微丝的装配(二)微丝组装的动态调节当G-actin达到一定浓度时，微丝出现一端因加G-actin单体而延长，另一端因单体的解离而缩短，肌动蛋白丝的净长度不变。

肌动蛋白的踏车行为

1.踏车模型退出首页CytoskeletonandCellMovement三、微丝的装配2.非稳态动力学模型

该模型认为ATP是调节微丝组装的主要因素，主要调节微丝组装的生长期。ATP-肌动蛋白：对纤维状肌动蛋白末端的亲和力高，

使微丝蛋白纤维延长。ADP-肌动蛋白：对纤维状末端的亲和力低，易脱落，

使微丝蛋白纤维缩短。ATP-肌动蛋白浓度与其聚合速度呈正比。退出首页CytoskeletonandCellMovement(二)微丝组装的动态调节三、微丝的装配2.非稳态动力学模型退出首页CytoskeletonandCellMovement(二)微丝组装的动态调节三、微丝的装配(三)影响微丝组装的因素G-肌动蛋白临界浓度、ATP、Ca2+、Na+、K+浓度和药物。常见影响因素药物因素细胞松弛素B(cytochalasinB)：抑制微丝的聚合，对微管无作用。鬼笔环肽(phalloidin)：同聚合的微丝结合后，抑制微丝的解体。退出首页CytoskeletonandCellMovement三、微丝的装配四、微丝的功能(一)构成细胞的支架，维持细胞形态培养的上皮细胞中的应力纤维（微丝红色、微管绿色）微绒毛结构示意图

退出首页CytoskeletonandCellMovement微丝体内装配的成核作用发生在质膜。细胞皮层（cellcortex）：质膜下具有较高密度、由微丝和各种微丝结合蛋白组成的网状结构。该结构具有很高的动态性，为细胞膜提供强度和韧性，维持细胞的形态。细胞皮层可推动细胞膜形成细长的微刺（microspike），在神经细胞轴突的生长端可形成更长的微穗即丝状伪足（filopodia），还可形成片状伪足（lamellipodia）。退出首页CytoskeletonandCellMovement四、微丝的功能(一)构成细胞的支架，维持细胞形态A.微绒毛；B.细胞质中的收缩束；C.运动细胞前缘的片状伪足和丝状伪足；D.细胞分裂时的收缩环退出首页CytoskeletonandCellMovement四、微丝的功能(一)构成细胞的支架，维持细胞形态(二)参与细胞运动

细胞整体的移动和位置改变主要是在微丝的作用下完成的，如变形虫、巨噬细胞和白细胞以及器官发生时的胚胎细胞等。退出首页CytoskeletonandCellMovement四、微丝的功能(三)参与细胞分裂

在有丝分裂的末期，细胞膜沿赤道面向内收缩，这一过程主要是在由微丝与肌球蛋白-Ⅱ丝组成的收缩环(contractilering)的作用下完成的。退出首页CytoskeletonandCellMovement四、微丝的功能(四)参与肌肉收缩肌肉细胞的收缩与微丝关系非常密切。骨骼肌收缩的基本结构单位——肌小节。退出首页CytoskeletonandCellMovement四、微丝的功能肌小节的主要成分是肌原纤维。原肌球蛋白肌原纤维粗肌丝——肌球蛋白细肌丝肌动蛋白肌钙蛋白退出首页CytoskeletonandCellMovement(四)参与肌肉收缩四、微丝的功能肌球蛋白分子退出首页CytoskeletonandCellMovement(四)参与肌肉收缩四、微丝的功能肌肉收缩的原理——滑动丝模型。肌肉的收缩是由于粗肌丝（肌球蛋白）与细肌丝之间相互滑动的结果。粗肌丝上伸出的横桥与相邻细肌丝连接，在肌细胞收缩时，横桥可推动细丝（肌动蛋白）与粗丝（肌球蛋白）的滑行。退出首页CytoskeletonandCellMovement(四)参与肌肉收缩四、微丝的功能退出首页CytoskeletonandCellMovement(四)参与肌肉收缩四、微丝的功能

第三节中间纤维一、中间纤维的结构和类型二、中间纤维的装配和调节三、中间纤维的功能退出首页CytoskeletonandCellMovement中间纤维(intermediatefilaments,IF)概述特点：直径10nm左右，介于微丝和微管之间，

是最稳定的细胞骨架成分。功能：主要起支撑作用。分布：在细胞中围绕着细胞核成束成网分布，

并扩展到细胞质膜，与质膜相连结。退出首页CytoskeletonandCellMovement一、中间纤维的结构和类型(一)中间纤维是丝状蛋白多聚体中间纤维蛋白的结构特点：一个α螺旋的中间区，两侧是球形的N端和C端；中间区α螺旋结构比较保守，N端和C端高度可变。组成中间纤维的基本单位——中间纤维蛋白。退出首页CytoskeletonandCellMovement(二)中间纤维的类型根据中间纤维氨基酸序列的相似性可分六类：酸性角蛋白；中性/碱性角蛋白；波形蛋白；神经丝蛋白；核纤层蛋白；神经[上皮]干细胞蛋白。退出首页CytoskeletonandCellMovement一、中间纤维的结构和类型二、中间纤维的装配和调节两个平行排列的中间纤维蛋白分子形成螺旋状的二聚体；由两个二聚体反向-平行排列成一个四聚体；两个四聚体组装成一个八聚体；八个四聚体组装成中间纤维。1.装配中间纤维的装配模型

中间纤维两端是对称的，不具有极性。退出首页CytoskeletonandCellMovement2.调节中间纤维的组装和去组装是通过磷酸化和去磷酸化进行控制的。中间纤维蛋白丝氨酸和苏氨酸残基的磷酸化作用是中间纤维动态调节最常见最有效的调节方式。退出首页CytoskeletonandCellMovement二、中间纤维的装配和调节

三、中间纤维的功能(一)在细胞内形成一个完整的网状骨架系统中间纤维外与质膜和细胞外基质有直接的联系，内与核膜、核基质联系，形成贯穿整个细胞的网络系统，起着广泛的骨架功能。退出首页CytoskeletonandCellMovement

三、中间纤维的功能(二)为细胞提供机械强度支持退出首页CytoskeletonandCellMovement(三)参与细胞连接参与黏着连接中的桥粒连接和半桥粒连接，在细胞中形成网络，维持细胞形态，提供支持力。(四)参与细胞内信息传递及物质运输中间纤维外连质膜和胞外基质，内达核骨架，形成一个跨膜的信息通道。中间纤维与mRNA的运输有关，胞质mRNA锚定于中间纤维，可能对其在细胞内的定位及是否翻译起重要作用。退出首页CytoskeletonandCellMovement

三、中间纤维的功能(六)参与细胞分化(五)维持细胞核膜稳定中间纤维蛋白的表达具有组织特异性，表明中间纤维可能与细胞分化有密切的关系。在细胞核内膜的下面有一层由核纤层蛋白组成的网络，对于细胞核形态的维持具有重要作用，而核纤层蛋白是中间纤维的一种。退出首页Cy