第九章 细胞骨架.docx
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第九章细胞骨架
一、细胞骨架的概念
细胞骨架：
指存在于真核细胞中的蛋白纤维网架体系。
1狭义：
细胞骨架发现较晚，主要是因为一般电镜制样采用低温（0-4℃）固定，而细胞骨架会在低温下解聚。
直到20世纪60年代后，采用戊二醛常温固定，才逐渐认识到细胞骨架的客观存在。
微丝、微管和中间纤维位于细胞质中，又称胞质骨架，它们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，很容易进行组装和去组装，这正是实现其功能所必需的特点。
一、细胞骨架的概念
（2）广义：
细胞骨架为真核细胞所特有，其功能主要表现为决定细胞的形状，赋予其强度、支撑作用，并在细胞运动、膜泡运输、细胞分裂、信号转导中起重要作用。
决定细胞的形状，赋予其强度、支撑作用如细胞皮质、微绒毛、应力纤维等。
在细胞分裂中细胞骨架牵引染色体分离，在细胞物质运输中，各类小泡和细胞器可沿着细胞骨架定向转运；在肌肉细胞中，细胞骨架和它的结合蛋白组成动力系统；在白细胞（白血球）的迁移、精子的游动、神经细胞轴突和树突的伸展等方面都与细胞骨架有关。
另外，在植物细胞中细胞骨架指导细胞壁的合成。
大分子物质及颗粒性物质不能穿过细胞膜，是以另外一种特殊方式来进行跨细胞膜转运的，即物质在进出细胞的转运过程中都是由膜包裹、形成囊泡、与膜融合或断裂来完成的，故又称囊泡转运
参与细胞分裂
●收缩环（contractilering）:
由微丝构成。
●有丝分裂器（纺锤体）：
由微管是构成。
第一节微丝（microfilament，MF）
●微丝（肌动蛋白纤维）：
指真核细胞中由肌动蛋白（actin）组成的实心纤维细丝。
直径6-7nm，长短不一。
●分布：
以束状、网状或散在等多种形式存在于细胞质，特别在有运动功能的细胞中。
一般细胞中含量约占细胞内总蛋白质的1%-2%，但在活动较强的细胞中可占20%-30%。
在一般细胞主要分布于细胞的表面，直接影响细胞的形状。
微丝具有多种功能，在不同细胞的表现不同，在肌细胞组成粗肌丝、细肌丝，可以收缩（收缩蛋白），在非肌细胞中主要起支撑作用、非肌性运动和信息传导作用。
微丝主要由肌动蛋白（actin）构成，和肌球蛋白（myosin，一种分子马达蛋白）一起作用，使细胞运动。
它们参与细胞的变形虫运动、植物细胞的细胞质流动与肌肉细胞的收缩：
植物细胞的细胞质流动：
微丝中的actin（肌动蛋白）与myosin（肌球蛋白）在细胞质形成三维的网络体系。
actin位于外质，myosin位于内质。
myosin连结著细胞质颗粒，由ATP供给能量，myosin与细胞质颗粒的结合体沿着actinfilament滑动，从而带动整个细胞质的环流。
变形虫运动（amoeboidmovememt，阿米巴运动）：
肌肉细胞的收缩：
如同微管蛋白，肌动蛋白的基因组成一个超家族，并组成多种极为相似的结构。
一、微丝的成分和结构
1.微丝的组成：
⑴微丝的基本单位是肌动蛋白（actin）。
⑵肌动蛋白在细胞中的存在方式：
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）
⑶肌动蛋白分子具有极性，有氨基和羧基的暴露一端为正端（plusend），另一端则为负端（minusend）。
2.微丝的结构：
传统的装配模型认为：
微丝是由两条肌动蛋白单链盘绕而成的双螺旋结构。
最新研究认为：
微丝是由一条肌动蛋白单体链成的螺旋。
●光镜下显示细胞核（兰色）,肌动蛋白纤维（红色）
●光镜下平滑肌细胞,兰色显示细胞核,红色显示肌动蛋白纤维。
光镜下CHO细胞：
蓝色显示细胞核；绿色显示线粒体；红色显示肌动蛋白纤维
CHO细胞即中国仓鼠卵巢细胞（Chinesehamsterovary），该细胞具有不死性，可以传代百代以上，是目前生物工程上广泛使用的细胞。
二、微丝的装配
（一）微丝的组装过程
1.成核期（nucleationphase）：
微丝组装的限速过程。
2.生长期（growthphase）：
踏车现象
3.平衡期（equilibriumphase）：
聚合速度与解聚速度达到平衡。
体外实验表明：
微丝具有极性，MF正极与负极都能生长。
装配时，G-actin加到（+）极的速度要比加到（-）极的速度快5-10倍。
去装配时，负极比正极快。
在体外，微丝在正极端装配延长，负极去装配而缩短，从而表现为踏车行为。
（二）微丝体外装配的条件
●肌动蛋白单体的状态（结合ATP或ADP）
●离子的种类及浓度
●促进组装：
含ATP、含Mg2+、高Na+、K+
●促进解聚：
Ca2+、低Na+、K+
溶液中结合ATP的肌动蛋白（ATP-actin）的浓度影响组装的速度。
肌动蛋白具有ATP酶的活性，其单体在参与MF组装前必须结合上ATP，ATP-actin对微丝纤维末端的亲和力高，当溶液中ATP-actin浓度高时，微丝快速生长，肌动蛋白发挥ATP酶的活性，将ATP水解为ADP，当MF的组装速度快于肌动蛋白水解ATP的速度时，在其两端形成ATP-actin“帽子”，这样的微丝有较高的稳定性。
如微绒毛，肌原纤维等结构。
当处于临界浓度时，ATP-actin可能继续在（+）端添加、而在（-）端开始分离，表现出一种“踏车”现象。
G-actin在正极端装配，负极去装配，叫踏车。
踏车模型:
新聚合的肌动蛋白单体从正极向负极作踏车式移动的现象。
（三）影响微丝组装的特异性药物
细胞松弛素B：
CB是真菌的一种代谢产物。
CB可切断微丝，结合到微丝的正极，阻止新的单体聚合，致使微丝解聚，并阻止细胞运动。
鬼笔环肽：
是一种由毒蕈产生的双环杆肽，与微丝有强亲合作用，与微丝侧面结合，防止MF解聚。
且只与F-肌动蛋白结合，而不与G-肌动蛋白结合。
三、微丝结合蛋白及其功能
●微丝结合蛋白（microfilamentassociatedprotein,MAP）有100余种，不同的微丝有不同的MAP。
●功能：
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。
●肌动蛋白结合蛋白中最重要的是肌球蛋白（myosin）。
●细胞中大多数运动如肌肉收缩等都靠肌动蛋白和肌球蛋白相互作用完成。
微丝中的actin（肌动蛋白）与myosin（肌球蛋白）在细胞质形成三维的网络体系。
actin位于外质，myosin位于内质。
myosin连结著细胞质颗粒，由ATP供给能量，myosin与细胞质颗粒的结合体沿着actinfilament滑动，从而带动整个细胞质的环流。
四、微丝的功能
1.微丝与肌肉收缩2.微丝与细胞运动
3.微丝与细胞质分裂4.微丝与维持细胞形态
5.参与细胞内物质运输6.参与细胞内信号转导
1.微丝与肌肉收缩功能
骨骼肌细胞（肌纤维）
肌肉可看作一种特别富含细胞骨架的能量转换器，它直接将化学能转变为机械能。
1.微丝与肌肉收缩功能
每根肌原纤维是由称为肌小节的收缩单元呈线性重复排列而成。
肌小节：
肌肉收缩的基本单位，位于相邻两Z线间，
A带：
暗带，粗丝长度
H区：
A带中央色浅部分，此处只有粗肌丝。
I带：
明带，只含细肌丝
Z线：
I带中央深线，细肌丝一端附于Z线，一端游离。
肌细胞中的微丝结合蛋白
粗肌丝——肌球蛋白（myosin）：
约有15种。
两条重链和两对轻链组成，形似黄豆芽，有极性。
重链：
形成α超螺旋尾部和两个球形头部的二聚体。
肌肉收缩的机制滑动丝模型
●①一个肌球蛋白分子与ATP结合，导致肌球蛋白丝与肌动蛋白丝间的连接削弱，使肌球蛋白头部从肌动蛋白丝上脱落下来；
●②ATP水解为ADP+Pi，提供能量给肌球蛋白头部，使之转动与肌动蛋白丝成垂直状态；
③在Ca2+存在的条件下，肌球蛋白丝的头部结合于相邻的肌动蛋白纤维；
●④肌球蛋白的头部发生构象变化，与肌动蛋白纤维成45°，拉动肌动蛋白纤维相对于肌球蛋白纤维的滑动。
2.微丝与细胞运动
变形虫的胞质运动胞吞、胞吐作用参与细胞分裂
3.微丝参与细胞分裂
收缩环（contractilering）:
由大量平行排列但具有不同极性的微丝构成，具有收缩功能。
收缩环收紧的机制：
肌动蛋白和肌球蛋白滑动。
4.构成细胞的支架，维持细胞形态
细胞皮质（cellcortex）也叫肌动蛋白皮质（actincortex）
细胞靠近质膜处的一层由微丝和各种微丝结合蛋白构成的网状结构。
限制质膜的流动性，维持细胞形状，参与细胞运动。
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。
4.构成细胞的支架，维持细胞形态
*微穗（microspike）
●内含肌动蛋白纤维
●细胞表面伸展出的细而坚硬的突起，可快速形成和回缩，可作为探针使细胞感受环境，更长的微穗称为
●丝状伪足（filopodium）神经细胞、成纤维细胞
●片状伪足（lamellipodium）成纤维细胞
与细胞的迁移有关，细胞通过肌动蛋白的聚合以及和其它细胞结构组分的相互作用来实现。
4.构成细胞的支架，维持细胞形态
微绒毛（microvilli）
●是质膜顶端表面的指状形突起。
●分布：
存在于许多动物细胞表面的指状结构，在上皮细胞中特别丰富，可增加细胞表面积。
没有收缩功能。
●结构组成
●微丝：
微丝束构成了微绒毛骨架
●微丝结合蛋白
●调节长度
●保持形状
1、构成细胞的支架，维持细胞形态
4.构成细胞的支架，维持细胞形态
应力纤维（stressfiber）
●也叫张力纤维，是真核细胞中广泛存在的由微丝束构成的较为稳定的纤维状结构，位于细胞内紧邻质膜下方。
●内含肌动蛋白纤维和肌球蛋白纤维
●有收缩功能，但不产生运动
●维持细胞的扁平铺展和特异形状
●并赋予细胞韧性和强度
5.参与细胞内物质运输
胞内膜泡在马达蛋白（肌球蛋白）的作用下，向微丝的正极运动。
如小鼠黑色素细胞中黑色素颗粒的运输依赖于肌球蛋白。
6.微丝与细胞内信号转导
微丝可作为某些信息传递的介质：
1.细胞外信号膜下微丝核膜及核纤层调控DNA的复制和转录。
2.核内的信息也能通过该途径传递到细胞膜。
第二节微管（Microtubule,MT）
●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。
●存在方式
●大部分为暂时性结构
●如：
间期细胞内的微管、分裂期细胞的纺锤体微管。
●少数为稳定性结构（永久性结构）
●如：
鞭毛、纤毛内的轴丝微管。
一、微管的形态结构和化学组成
（一）形态结构：
微管是细胞中由蛋白质组成的外形笔直、中空且有一定刚性和弹性的管状结构。
直径24-26nm，长短不一。
（二）微管的化学组成
1.微管蛋白（tubulin）：
酸性球蛋白，
1.中空、圆柱，长约数微米。
2.由13条原纤维纵向螺旋排列围成。
α、β微管蛋白上有GTP或GDP、Mg2+和Ca2+、秋水仙素等的结合位点。
●α微管蛋白上的GTP结合位点称不可交换位点（N位点）
●β微管蛋白上的GTP结合位点称可交换位点（E位点）
●
2.微管结合蛋白
（microtubule-associatedprotein，MAP）
同微管相结合的辅助蛋白，不是构成微管壁的基本构件，而是结合在微管的表面。
微管结合蛋白是微管结构和功能所必需的组分
功能：
微管组装和去组装的调节
增加微管的稳定性（微管和其他细胞组分之间的连接）
促进微管聚集成束
微管结合蛋白的分类
种类：
MAP-1和MAP-2主要存在神经元细胞中。
微管修饰蛋白（Tau）：
加速微管蛋白的组装，并能连接于微管之间，使它们成为具有稳定性的微管束。
MAP-4：
主要存在神经元和非神经元细胞中。
（三）微管的种类
单管：
常分散于细胞质中或成束分布。
二联管：
由A、B两根单管组成。
三联管：
A、B、C三根单管组成。
微管的种类：
●单管：
13条原纤维组成，细胞质中大部分微管或纺锤体微管为单管。
●二联管：
两根微管组成，分为A管、B管，A管B管共用三根原纤维，主要构成鞭毛、纤毛。
●三联管：
由A、B、C三根微管组成，A与B、B与C各共用三根纤维，共含33根原纤维，主要构成中心粒和基体。
二、微管的装配
微管的组装分三个时期：
成核期（延迟期）：
a和B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）：
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。
（一）微管组织中心是微管装配的起始点
微管组织中心（microtubuleorganizingcenter,MTOC）
微管在生理状态或实验处理解聚后重新装配的发生处。
在活细胞内能够起始维管的成核作用，并使之延伸的细胞结构。
微管聚合的核心位点,主要是动物细胞的中心体、纤毛的基体。
MTOC决定了细胞微管的极性（微管的负极指向MTOC，而正极背向MTOC。
）
常见微管组织中心
间期细胞MTOC：
中心体核周围（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MTOC：
基体（永久性结构）
●
（二）微管的体外组装
●条件：
微管蛋白浓度、GTP、37℃、pH6.9。
1、微管的动力学特征
●由α和β异二聚体构成的微管其两个末端的结构和动力学特性不同
●β亚单位暴露的一端能较快生长，称为正端（+）。
●α亚单位暴露的另一端因生长较慢，称为负端（-）。
●在细胞内，微管的负端靠近中心体，位于细胞中心，而正端则位于细胞质周围。
踏车
●微管的总长度不变，但结合上的二聚体从（+）端不断向（-）端推移,最后到达负端。
●踏车现象实际上是一种动态稳定现象。
2.微管组装—动态不稳定性模型
（1）GTP-微管蛋白与微管末端亲和性大—微管蛋白聚集。
（2）GDP-微管蛋白与微管末端亲和性小—微管蛋白解聚。
（3）当GTP-微管蛋白的组装速度大于GTP的水解速度时，形成一GTP帽,微管延长。
（4）随着GTP-微管蛋白浓度下降，发生在微管末端的聚合速度下降，微管组装的速度小于-微管蛋白上GTP水解的速度时，导致微管结构上的不稳定性。
（三）微管的体内组装
●细胞内微管组装的特点：
随细胞周期和生理状况处于动态变化之中，频率高于体外。
●成核位点：
γ-微管蛋白环形复合体存在于微管组织中心（位于中心体周围的基质中），为αβ异二聚体提供起始装配位点，又称成核位点。
γ-微管蛋白
γ-微管蛋白---微管蛋白家族的第三个成员,定位于微管组织中心，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。
（四）影响微管组装的因素
1.促进微管组装的因素：
37℃、GTP和Mg2+存在时，微管组装；
2.抑制微管组装的因素：
低于4℃、高Ca2+，微管解聚；
3.药物：
秋水仙素、长春花碱：
抑制微管的组装。
紫杉醇:
促进微管组装
影响微管稳定性的药物
秋水仙素与二聚体结合而抑制微管的聚合。
紫杉醇:
阻止微管去组装，但并不影响微管的组装，使微管不断组装，而不会解聚，MT稳定性增加。
三、微管的功能
（一）构成细胞内的网状支架，支持和维持细胞的形态。
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。
（二）微管参与纤毛、鞭毛和中心粒的形成
1.纤毛和鞭毛
结构：
杆部和基体组成。
杆部：
被有细胞膜，由九组二联体维管和中央两个单体维管构成。
9×2+2结构。
基体：
9×3+0结构。
纤毛和鞭毛：
真核细胞表面具有运动功能的特化结构。
异同点：
纤毛与鞭毛有相同的结构，两者直径相近，为0.15～0.3微米。
鞭毛较长，一般长约150微米，数目少；
纤毛较短，5～10微米，数目多。
大多数动物和植物的精子都有鞭毛。
精子及许多原生动物都以鞭毛或纤毛为运动器。
鞭毛和纤毛的运动机制
●由轴丝介导的相邻二联体微管间的相互滑动所致。
●由一个二联体的A管伸出的动力蛋白臂的马达结构域在相邻的二联体的B管上“行走”。
2、中心体（centrosome）的结构
结构：
两个彼此垂直的中心粒和其外无定形的物质。
中心粒（centriole）：
由9组等间距的三联体维管组成，每组三联体维管中，只有一根维管在结构上是完整的，称为维管A，另外两根称为维管B与维管C.
●中心粒上存在ATP酶，为细胞运动和染色体移动提供能量。
（三）微管参与细胞内物质运输
马达蛋白：
介导细胞内物质沿细胞骨架运输的一类蛋白。
胞内膜泡运输沿微管或微丝运行，动力来自马达蛋白（motorproteins）。
与膜泡运输有关的马达蛋白有3类：
一类是驱动蛋白（kinesin），可牵引物质向微管的正端移动；
另一类为动力蛋白（dynein），可向微管负端移动；
第三类是肌球蛋白（myosin）,可向微丝的正极运动。
在马达蛋白的作用下，可将膜泡转运到特定的区域。
1.驱动蛋白kinesin超家族：
结构：
是一条长80nm的杆状结构，头部一端有两个成球状的马达结构域，具有ATP结合部位，水解ATP产生能量，与微管结合；另一端是重链和轻链组成的扇形尾端，尾部与被转运分子结合。
中间是重链组成的杆状区。
方向性：
膜泡由微管的负端向正端转移。
2.微管动力蛋白（cytoplasmicdynein）超家族
结构：
由2条或3条重链，多条轻链及中间链构成。
其马达结构域在重链的C端。
△由微管的正端向负端运动
△动力蛋白通过可溶的多亚基蛋白复合体与被运输物结合
（四）微管参与染色体的运动，调节细胞分裂
●微管是构成有丝分裂器的主要成分。
●染色体的分裂和位移与微管马达蛋白有关。
有丝分裂时，微管形成纺锤体，牵引染色体到达分裂极
第三节中间纤维（intermediatefilaments，IF）
●形态：
直径10nm左右，因平均直径介于微管和微丝之间，故名。
●特点：
IF是最稳定的细胞骨架成分，主要起支撑作用。
既不受细胞松弛素影响也不受秋水仙素的影响。
●分布：
IF存在于绝大多数动物细胞内，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。
一、中间纤维蛋白的形态结构
中间纤维的类型
●IF是一类形态上非常相似，而化学组成上有明显差异的蛋白质，成分比微丝和微管都复杂。
●是最复杂的一种细胞骨架纤维，约由至少50种纤维状蛋白组成。
●分为六大类，编码为Ⅰ～Ⅵ。
●未归类蛋白两种。
●中间纤维具有组织特异性，不同类型细胞含有不同IF蛋白质。
中间纤维蛋白及分布
类型
名称
细胞定位
分布细胞
Ⅰ
酸性角质蛋白
胞质
上皮细胞
Ⅱ
碱性角质蛋白
胞质
上皮细胞
Ⅲ
波形蛋白
胞质
间充质细胞
结蛋白
胞质
肌肉细胞
胶质纤维酸性蛋白
胞质
神经胶质细胞
Ⅳ
α-内连蛋白
胞质
神经元
神经纤维蛋白
胞质
神经元
Ⅴ
核纤层蛋白
胞核
Ⅵ
融合蛋白
胞质
肌肉细胞
平行蛋白
胞质
肌肉细胞
二、中等纤维的组装
特点：
IF没有极性
①两个单体，形成两股超螺旋二聚体；
②两个二聚体反向平行组装成四聚体，三个四聚体长向连成原丝；
③两个原丝组成原纤维；
④4根原纤维组成中间纤维
三、中间纤维的功能
1.细胞质功能即骨架功能
2.核功能即信息功能
具体来说，中间纤维的功能有：
1.骨架功能：
对细胞器及细胞核起固定作用，使核在细胞内占据一定的空间。
2.核功能（信息传递）：
可能是一种信息分子，与DNA的转录和复制有关。
3.物质运输：
如神经细胞中的神经蛋白纤维参与神经轴突营养物质的运输。
4.细胞分化：
中间纤维在各类组织中有特异的表达。
5.细胞连接：
桥粒中的角蛋白丝。
第四节、细胞骨架与疾病（自学）
●1.男性不育
●2.老年痴呆（AD）
●3.进行性肌萎缩（DMD）
●4.球形红细胞症
●5.中等纤维与肿瘤诊断
●总之，细胞骨架的三种结构在功能上不能完全分开，而是相互依存共同完成细胞内各种生理活动。
小结细胞骨架的分布
●微管主要分布在核周围,并呈放射状向胞质四周扩散。
●微丝主要分布在细胞质膜的内侧。
●中间纤维则分布在整个细胞中
本节课小结：
●细胞骨架的概念、细胞骨架的功能
●微丝、微管的形态结构特点及化学组成
●微丝、微管的功能
●微丝、微管的主要作用药物
●中心粒的结构、组成和功能
●纤毛和鞭毛结构的特点
●微管、微丝与中间纤维的区别
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