1、細胞生物學細胞骨架和細胞運動概述概述 第一節第一節 微微 管管第二節第二節 微微 絲絲 第三節第三節 中間絲中間絲第四節第四節 細胞骨架與疾病細胞骨架與疾病內容內容概概 述述一、細胞骨架的概念一、細胞骨架的概念細胞骨架細胞骨架(cytoskeleton) 是指真核細胞中與保持細胞形態結構和細胞運動有關的纖維網絡，包括微管、微絲和中間絲 。細胞骨架細胞骨架 微管（microtubule）25nm 微絲 (microfilament) 57nm 中間絲 (intermediate）10nm 細胞骨架立體結構模式圖廣意的概念細胞質骨架細胞核骨架細胞外基質二、細胞骨架的功能二、細胞骨架的功能 1.構成

2、細胞內支撐和區域化的網架 2.參與細胞的運動和細胞內物質的運輸 3.參與細胞的分裂活動 4.參與細胞內信息傳遞 細胞骨架功能示意圖 第一節第一節 微微 管管 一、微管的化學組成一、微管的化學組成 微管蛋白、 微管蛋白 、-微管蛋白 常以微管蛋白異二聚體形式存在 -微管蛋白 -微管蛋白1. 和和 微管蛋白微管蛋白 在微管蛋白和微管蛋上各有一個GTP結合位點、Mg2+、Ca2+結合位點 和一個秋水仙素結合位 a.微管結構模式圖 b.微管橫切面 C.電鏡圖象 微管蛋白環狀復合物（微管蛋白環狀復合物（-TuRC）由微管蛋白和一些其他相關蛋白構成，是微管的一種高效的集結結構，在中心體中是微管裝配的起始結

3、構。 3.微管的三種存在形式微管的三種存在形式單管微管由13根原絲組成，是胞質微管的主要存在形式二聯管主要分布在纖毛和鞭毛的桿狀部分 三聯管主要分布在中心粒及纖毛和鞭毛的基體中 二、微管相關蛋白二、微管相關蛋白 (microtubule- associated protein，MAP) 這是一類以恒定比例與微管結合的蛋白，決定不同類型微管的獨特屬性，參與微管的裝配，是維持微管結構和功能的必需成份。MAP-1、MAP-2、Tau 主要存在于神經元中MAP-4廣泛存在于各種細胞中 種MAP的活性主要通過蛋白激酶和磷酸酶控制， 1微管相關蛋白的種類和特點微管相關蛋白的種類和特點微管相關蛋白微管相關蛋

4、白MAP-2堿性結合區 酸性區域 2. 微管相關蛋白的功能微管相關蛋白的功能 （1）調節微管裝配（2）增加微管的穩定性和強度 （3）在細胞內沿微管轉運囊泡和顆粒 （4）作為細胞外信號的靶位點參與信號轉導 三、微管的組裝和極性三、微管的組裝和極性組裝過程分三個時期：成核期、聚合期和穩定期組裝過程分三個時期：成核期、聚合期和穩定期成核期：先由和微管蛋白聚合成一個短的寡 聚體結構，即核心形成； 聚合期：微管蛋白聚合速度大于解聚速度，微管 延長；穩定期：游離微管蛋白濃度下降，達到臨界濃 度，微管的組裝與去組裝速度相等， 微管長度相對恒定； （一）微管的體外組裝（一）微管的體外組裝極性裝配 ： 裝配快的

5、一端（微管蛋白）為（+）極， 裝配慢的一端（微管蛋白）為（-）極 踏車現象：組裝和去組裝達到平衡組裝條件 ：微管蛋白異二聚體達到臨界濃度、有Mg2+存在，（無Ca2+）、37、異二聚體即組裝成微管，同時需要由GTP提供能量。 微管的體外組裝過程與踏車現象模式微管的體外組裝過程與踏車現象模式（二）微管的體內裝配（二）微管的體內裝配 微管組織中心（microtubule organizing center，MTOC）在空間上為微管裝配提供始發區域，控制著細胞質中微管的數量、位置及方向。包括：中心體、纖毛和鞭毛的基體 微管在中心體部位的成核模型微管在中心體上的聚合微管在中心體上的聚合A.中心體的無定

6、形蛋白基質中含有微管蛋白環,它是微管生長的起始部位; B.中心體上的微管蛋白環; C.中心體與附著其上的微管,負端被包圍在中心體中,正端游離在細胞質中;（三）微管組裝的動態調節三）微管組裝的動態調節-非穩態動力學模型非穩態動力學模型該模型認為，微管組裝過程不停地在增長和縮短兩種狀態中轉變，表現動態不穩定性。 微管在體外組裝時，游離微管蛋白的濃度和GTP水解成GDP的速度決定微管的穩定性：當當GTP微管蛋白異二聚體添加到微管正極（微管蛋白異二聚體添加到微管正極（+）組裝速度大于）組裝速度大于GDP的水解速度的水解速度時時,形成形成GTP帽帽,微管延長微管延長; 當當GTP的微管蛋白聚合速度小于的

7、微管蛋白聚合速度小于GTP的水解速度，的水解速度， GTP帽不斷縮小暴露出帽不斷縮小暴露出GDP微管蛋白，并迅速脫落微管蛋白，并迅速脫落,使微管縮短，導致微管結使微管縮短，導致微管結構上的不穩定，構上的不穩定，（四）作用于微管的特異性藥物（四）作用于微管的特異性藥物秋水仙素：抑制微管的組裝 紫衫酚：阻止微管的去組裝，增強微管穩定性秋水仙素與紫衫酚的分子結構秋水仙素與紫衫酚的分子結構四、微管的功能四、微管的功能（一）構成細胞的支架并維持細胞的形態（一）構成細胞的支架并維持細胞的形態微管圍繞細胞核向外呈微管圍繞細胞核向外呈放射狀分布，維持細胞放射狀分布，維持細胞的形態的形態 （二）參與細胞內物質的

8、運輸（二）參與細胞內物質的運輸微管為細胞內物質的運輸提供軌道,通過馬達蛋白完成物質運輸任務.1.馬達蛋白（motor protein）這是一類利用ATP水解產生的能量驅動自身攜帶運載物沿著微管或肌動蛋白絲運動的蛋白質?？煞譃槿齻€不同的家族： 驅動蛋白（kinesin） 動力蛋白（dynein） 肌球蛋白（myosin）微管作為運行軌道 肌動蛋白纖維作為運行軌道 驅動蛋白：介導沿微管的（驅動蛋白：介導沿微管的（-）極向（）極向（+）極的運輸）極的運輸動力蛋白：介導從微管的（動力蛋白：介導從微管的（+）極向（）極向（-）極的運輸）極的運輸胞質動力蛋白與膜泡的附著胞質動力蛋白與膜泡的附著細胞中微管介

9、導的物質運輸細胞中微管介導的物質運輸 （三）維持細胞內細胞器的空間定位和分布（三）維持細胞內細胞器的空間定位和分布 參與內質網、高爾基復合體 、紡錘體的定 位及分裂期染色體位移 、（四）微管參與細胞運動（四）微管參與細胞運動 細胞的變形運動、纖毛、鞭毛運動纖毛和鞭毛動力微管的滑動模型纖毛和鞭毛動力微管的滑動模型 （五）微管參與染色體的運動，調節細胞分裂（五）微管參與染色體的運動，調節細胞分裂（六）微管參與細胞內信號傳遞（六）微管參與細胞內信號傳遞如hedgehog、JNK、Wnt、ERK及PAK蛋白激酶信號通路。 第二節第二節 微絲微絲一、微絲的結構與肌動蛋白一、微絲的結構與肌動蛋白 G- 肌

10、動蛋白 （G-actin）純化的肌動蛋白單體由單條 肽鏈折疊而成，外觀呈啞鈴形，內部有ATP（或ADP） 結合位點和一個二價陽離子Mg2+（或Ca2）結合位點。 F- 肌動蛋白： 每條微絲由2條平行的肌動蛋白單鏈以右手螺旋方式相互盤繞而成 ，具有極性 肌動蛋白和微絲的結構模式圖肌動蛋白和微絲的結構模式圖 肌動蛋白三維結構肌動蛋白三維結構; 肌動蛋白分子模型肌動蛋白分子模型; C. F-肌動蛋白電鏡照片肌動蛋白電鏡照片二、肌動蛋白結合蛋白二、肌動蛋白結合蛋白(actin-binding protein） 是細胞內存在的一大類能與肌動蛋白單體或肌動蛋白纖維結合的、能改變其特性的蛋白 。按其功能可分

11、為三大類：與F-肌動蛋白的聚合有關的蛋白； 與微絲結構有關的蛋白； 與微絲收縮有關的蛋白 ；肌動蛋白結合蛋白功能示意圖肌動蛋白結合蛋白功能示意圖 三、微絲的組裝三、微絲的組裝 當溶液中含有ATP、Mg2+以及較高濃度的K+或Na+時，G-肌動蛋白可自組裝成F-肌動蛋白； 當溶液中含有適當濃度的Ca2+以及低濃度的Na+、K+時，肌動蛋白纖維趨向于解聚成肌動蛋白單體。 （一）微絲的體外組裝過程分三個階段：（一）微絲的體外組裝過程分三個階段： 成核期 延長期 穩定期 成核期 延長期 穩定期成核因子通過成核作用來加速肌動蛋白的聚合成核因子通過成核作用來加速肌動蛋白的聚合（二）微絲的體內組裝的調節（二

12、）微絲的體內組裝的調節 微絲體內組裝受一系列肌動蛋白結合蛋白的調節1.微絲成核蛋白 （nucleating protein）Arp2/3復合物：促使形成微絲網絡結構，由Arp2、Arp3和其他5種附屬蛋白組成，具有與微管成核時-TuRC相似的作用，是微絲組裝的起始復合物。 微絲裝配的成核作用及微絲網絡的形成微絲裝配的成核作用及微絲網絡的形成 A.纖絲狀肌動蛋白纖維的成核作用；纖絲狀肌動蛋白纖維的成核作用； B.微絲成網過程微絲成網過程成核蛋白formin ：啟動細胞內不分支微絲的形成， 共有15種，共同特征是都含有FH1和FH2同源結構域 ，FH1結構域可與抑制蛋白（profilin）結合，F

13、H2結構域啟動肌動蛋白的成核聚合。 當新成核的微絲纖維生長時，formin二聚體保持結合在快速生長的正端，保護正極在延伸過程中不受加帽蛋白的影響，并通過直接與抑制蛋白（profilin）的結合提高延伸速度。 （三）（三）cofilin /ADF蛋白家族與肌動蛋白纖維的解聚蛋白家族與肌動蛋白纖維的解聚cofilin /ADF蛋白家族通過兩種方式加速解聚：增加肌動蛋白單體從纖維末端的解離速度；剪切肌動蛋白纖維，使之片段化。 （四）多種藥物影響微絲組裝（四）多種藥物影響微絲組裝細胞松弛素（cytochalasin）抑制組裝過程 鬼筆環肽：抑制微絲解聚，使微絲保持穩定狀態 四、微絲的功能四、微絲的功能

14、（一）構成細胞的支架并維持細胞的形態 如，細胞皮層、應力纖維、微絨毛 等 A.微絨毛低溫電鏡圖象微絨毛低溫電鏡圖象; B.微絨毛結構示意圖微絨毛結構示意圖（二）微絲參與細胞的運動參與細胞的多種運動形式： 變形運動、胞質環流、細胞的內吞和外吐等 細胞變形運動 ：肌動蛋白的聚合形成偽足 偽足與基質之間行成新的 錨定點；以附著點為支點向前移動 （肌動蛋白纖維的解聚）。 （三）微絲參與細胞內物質運輸（三）微絲參與細胞內物質運輸肌球蛋白（myosin）的馬達蛋白家族它們以微絲作為運輸軌道參與物質運輸活動。 型肌球蛋白分子結構型肌球蛋白分子結構（四）微絲參與細胞質的分裂（四）微絲參與細胞質的分裂胞質分裂通

15、過質膜下由微絲束形成的收縮環完成 （五）微絲參與肌肉收縮（五）微絲參與肌肉收縮 粗肌絲由肌球蛋白組成，粗肌絲由肌球蛋白組成， 細細肌絲由三種蛋白組成，肌絲由三種蛋白組成，肌肉收縮是粗肌絲和細肌絲相肌肉收縮是粗肌絲和細肌絲相互滑動的結果互滑動的結果（六）微絲參與受精作用（六）微絲參與受精作用 精子頭端啟動微絲組裝，形成頂體刺突完成受精。 （七）微絲參與細胞內信息傳遞（七）微絲參與細胞內信息傳遞 細胞外的某些信號分子與細胞膜上的受體結合，可觸發膜下肌動蛋白的結構變化，從而啟動細胞內激酶變化的信號轉導過程。主要參與Rho蛋白家族有關的信號轉導第三節第三節 中間絲中間絲 中間絲的直徑為10nm，由不同

16、的蛋白質分子組成。結構穩定，大多數情況下，形成布滿在細胞質中的網絡 中間絲的蛋白質分子復雜，不同來源的組織細胞表達不同類型的中間絲蛋白 ，是三類骨架纖中化學成分最復雜的 一種，分為6種主要類型（見教材中間絲蛋白的主要類型 表）一、中間絲的類型一、中間絲的類型二、中間絲蛋白的分子結構二、中間絲蛋白的分子結構中間纖維蛋白是長的線性蛋白， 由頭部、桿狀區和尾部三部分組成，各種中間絲蛋白之間的區別主要取決于頭、尾部的長度和氨基酸順序 三、中間絲結合蛋白三、中間絲結合蛋白(intermediate filament associated protein，IFAP) 是一類在結構和功能上與中間絲有密切聯系

17、，但其本身不是中間絲結構組分的蛋白。使中間絲之間交聯成束、成網，并把中間絲交聯到質膜或其他骨架成分上。目前已知約15種，（見教材中間絲結合蛋白表） IFAP共同特征：具有中間絲類型特異性；表達有細胞專一性；不同的IFAP可存在于同一個細胞中與不同的中間絲組織狀態相聯系；在細胞中某些IFAP的表達與細胞的功能和發育狀態有關。 四、中間絲的組裝四、中間絲的組裝五、中間絲的功能五、中間絲的功能 （一）參與構成細胞完整的支撐網架系統（一）參與構成細胞完整的支撐網架系統 構成細胞完整的支撐網架系統，還與細胞核的形態支持和定位、相鄰細胞之間、細胞與基膜之間連接結構的形成， （二）為細胞提供機械強度支持（二

18、）為細胞提供機械強度支持（三）參與細胞的分化（三）參與細胞的分化1.不同類型的 I F 嚴格地分布在不同類型的細胞中， 具有組織細胞的特異性。2.發育不同階段的細胞，會表達不同類型的中間纖維， 是細胞分化的標志。 （四）參與細胞內信息傳遞（四）參與細胞內信息傳遞中間纖維與DNA復制、轉錄和 mRNA的運輸有關，胞質mRNA錨定于中間纖維，可能對其在細胞內的定位及是否翻譯起重要作用。第四節第四節 細胞骨架異常與疾病細胞骨架異常與疾病 一、一、 細胞骨架與腫瘤細胞骨架與腫瘤1.腫瘤細胞內細胞骨架結構的破壞和解聚 ，無序紊 亂排列 造成細胞形態異常有關。 2.根據中間絲分布具有組織特異性的特點，用作臨床腫瘤病理診斷工具 。二、細胞骨架與神經系統疾病二、細胞骨架與神經系統疾病如帕金森病、 阿爾茨海默病 、肌萎縮性側索硬化癥 、幼稚性脊柱肌肉萎縮癥 等都與