第九章細胞骨架

(Cytoskeleton)教學要求掌握細胞骨架的概念掌握細胞骨架各成分性質、結構與功能了解細胞的各種運動形式認識細胞在亞顯微水平的三大結構體系的結構特點和主要功能教學安排：4課時細胞骨架：是指存在于真核細胞中的蛋白纖維網架體系。狹義的細胞骨架：指細胞質骨架，在細胞質基質中包括微絲、微管和中間纖維。廣義的細胞骨架：包括細胞質骨架、核骨架、核纖層和細胞外基質，形成貫穿于細胞核、細胞質、細胞外的一體化網絡結構。微絲，又叫肌動蛋白纖維，是由肌動蛋白構成的兩股螺旋形成的細絲，普遍存在于真核細胞中微管，是由微管蛋白單體構成的基本組件形成的中空的管狀結構。普遍存在于真核細胞中中間纖維，又叫中間絲，粗細位于微絲和肌球蛋白粗絲之間，普遍存在于真核細胞中，是三種骨架系統中結構最為復雜的一種第一節

微絲與細胞運動微絲（microfilament，MF）是由肌動蛋白(actin)組成的直徑約7nm的骨架纖維，又稱肌動蛋白纖維actinfilament。微絲和它的結合蛋白（associationprotion）以及肌球蛋白（myosin）三者構成化學機械系統。圖9-2細胞中的微絲：A．微絨毛中的微絲束；B．細胞質中的張力纖維；C．細胞遷移過程中位于細胞前緣的片狀偽足和絲狀偽足中的微絲束；D．細胞分裂時的胞質分裂環。一、微絲的組成及其組裝(一)結構與成分成分：微絲的主要結構成分是肌動蛋白(actin)。肌動蛋白在細胞內有兩種存在形式：肌動蛋白的單體為球形分子，稱為球形肌動蛋白（G-actin）；它的多聚體稱為纖維形肌動蛋白

（F-actin）。

根據等電點的不同可將高等動物細胞內的肌動蛋白分為3類，

分布于各種肌肉細胞中，

和

分布于肌細胞和非肌細胞中。在肌細胞中，肌動蛋白占細胞總蛋白量的10％左右，非肌細胞，肌動蛋白也占細胞總蛋白量的1％-5％。肌動蛋白三維結構和肌動蛋白纖絲微絲：肌動蛋白纖維微絲纖維的負染電鏡照片微絲纖維結構模型微絲的結構肌動蛋白（actin）*2個結構域，4個亞單位組成ATP（ADP）二價離子構象可改變與微絲的組裝與解離有關*極性結構正端（＋）負端（－）結合位點＋―ⅢⅣⅡⅠ+－肌動蛋白在進化上高度保守，酵母和兔子肌肉中88%的同源性。不同類型肌肉細胞的α-肌動蛋白分子一級結構（約400個氨基酸殘基）僅相差4～6個氨基酸殘基，β-肌動蛋白或

-肌動蛋白與

-橫紋肌肌動蛋白相差約25個氨基酸殘基。多數簡單的真核生物，如酵母或粘菌，含單個肌動蛋白基因，但海膽中有11個，在某些植物中有60個。肌動蛋白要經過翻譯后修飾，如N-端乙酰化或組氨酸殘基的甲基化。（二）裝配微絲是由球形肌動蛋白（G-actin）單體聚合而形成的多聚體。肌動蛋白單體具有極性，裝配時呈頭尾相接，故微絲也具有極性，即有正極與負極之別。只有結合ATP的肌動蛋白單體才能參與微絲的組裝。在含有適當濃度的Ca2+以及很低濃度的Na+、K+等陽離子溶液中，微絲趨于解聚成G-actin；而在ATP、Mg2+以及較高濃度的Na+、K+溶液誘中，G-actin則趨向于裝配為纖維狀肌動蛋白(F-actin)，新的G-actin加到微絲末端，使微絲延伸。裝配過程：2-3個actin聚集成一個核心（核化）；ATP-actin分子向核心兩端加合。微絲具有極性，ATP-actin加到(+)極的速度要比加到(-)極的速度快5-10倍。肌動蛋白單體加到（+）極的速度要比加到（-）極的速度快5-10倍。組裝：條件：ATP

鹽濃度K+Mg++過程（三個階段）：成核期—微絲組裝的限速過程生長期—肌動蛋白在核心兩端聚合正端快，負端慢平衡期—聚合速度與解離速度達到平衡裝配的特點：1、MF是由G-actin單體形成的多聚體，肌動蛋白單體具有極性,裝配時呈頭尾相接,故微絲具有極性，既正極與負極之別。2、溶液中ATP-肌動蛋白的濃度也影響組裝的速度。當溶液中ATP-actin處于臨界濃度時，ATP-actin可能繼續在（+）端添加、而在（-）端開始分離，微絲的組裝與去組裝達平衡狀態，表現出一種“踏車”現象。3、體內裝配時，MF呈現出動態不穩定性，主要取決于F-actin結合的ATP水解速度與游離的G-actin單體濃度之間的關系。4、MF動態變化與細胞生理功能變化相適應。在體內,有些微絲是永久性的結構,有些微絲是暫時性的結構。G-肌動蛋白與F-肌動蛋白模式圖肌動蛋白的體外聚合（踏車現象）肌動蛋白的踏車行為A、B永久性的結構C、D暫時性的結構（三）影響微絲組裝的特異性藥物1、細胞松弛素（cytochalasin）可切斷微絲纖維，并結合在微絲末端抑制肌動蛋白加合到微絲纖維上，特異性的抑制微絲功能。2、鬼筆環肽（phalloidin）與微絲能夠特異性的結合，使微絲纖維穩定而抑制其功能。熒光標記的鬼筆環肽可特異性的顯示微絲。3、影響微絲裝配動態性的藥物對細胞都有毒害。微絲功能的發揮依賴于微絲與肌動蛋白單體庫間的動態平衡。這種動態平衡受actin單體濃度和微絲結合蛋白的影響。二、微絲網絡動態結構的調節與細胞運動（一）非細胞內微絲的結合蛋白細胞內的微絲具有復雜的三維網絡結構，有些微絲結構穩定，如小腸微絨毛中的微絲；有的微絲結構是暫時性的，如胞質分裂環是由微絲形成的收縮環，在功能需要時才進行組裝的。在大多數非肌肉細胞中，微絲是一種動態結構，它們持續地進行組裝和去組裝。微絲的這種動態不穩定性與細胞形態的維持及細胞運動有密切的關系。體內肌動蛋白的組裝在兩個水平上受到微絲結合蛋白的調節：①可溶性肌動蛋白的存在狀態。②微絲結合蛋白的種類及其存在狀態。細胞中由于微絲結合蛋白的種類及存在狀態上的差異而致使微絲網絡的結構完全不同。單體隔離末端阻斷（加帽）交聯單體長纖維成束切斷解聚膜結合微絲結合蛋白功能示意圖細胞內徽絲網絡的組織形式和功能通常取決于與之結合的微絲結合蛋白。細胞微環境內的各種微絲結合蛋白通過影響微絲的組裝與去組裝，介導微絲與其他細胞結構之間的相互作用來決定微絲的組織行為。有些微絲結合蛋白如成束蛋白與微絲之間的相互作用，可以使微絲保持相對穩定狀態；而另外一些如纖維如切割蛋白與微絲的作用，則通過使微絲網絡解聚來調節微絲網絡的狀態。（二）細胞皮層(cellcortex)免疫熒光染色的結果顯示，細胞內大部分微絲都集中在緊貼細胞質膜的細胞質區域，并由微絲結合蛋白交聯成凝膠狀三維網絡結構。這種細胞內靠近質膜處的一層由微絲和微絲結合蛋白構成的網狀結構，稱為細胞皮層。皮層內一些微絲還與細胞質膜上的蛋白有連接，使膜蛋白的流動性受到某種程度的限制。皮層內密布的微絲網絡可以為細胞質膜提供強度和韌性，有助于維持細胞形狀。細胞的多種運動，如胞質環流、阿米巴運動、吞噬以及膜蛋白的定位等都與皮層內肌動蛋白的溶膠態凝膠態轉化相關。（三）應力纖維體外培養細胞在質膜特定區域與基質之間形成粘著斑，在形成粘合斑的質膜下，微絲緊密排列成束，形成應力纖維。結構：類似肌原纖維，具有收縮功能，使細胞具抗剪切力。成分：為肌動蛋白、肌球蛋白、原肌球蛋白和a輔肌動蛋白等。當細胞受到外界刺激開始運動時，細胞內的應力纖維將發生變化或消失。培養的上皮細胞中的應力纖維（微絲紅色、微管綠色）細胞偽足的形成與遷移運動細胞膜下有一層富含肌動蛋白的溶膠，構成膜下的纖維網，提供韌性、強度和維持細胞形狀，參與胞質環流、阿米巴運動、變皺膜運動、吞噬等細胞的變形運動，分為四步：

①微絲纖維生長，使細胞表面突出，形成片足；②在片足與基質接觸的位置形成粘著斑；③在肌球蛋白的作用下微絲纖維滑動，使細胞主體前移；④解除細胞后方的粘和點。如此不斷循環，細胞向前移動。阿米巴原蟲、白細胞、成纖維細胞都能以這種方式運動。細胞的變形運動片狀偽足（五）微絨毛是腸上皮細胞的指狀突起，用以增加腸上皮細胞表面積，以利于營養的快速吸收。微絨毛軸心微絲：肌動蛋白，輔以絨毛蛋白、毛緣蛋白、110K蛋白等。絨毛蛋白毛緣蛋白肌球蛋白Ⅰ鈣調蛋白（六）胞質分裂環有絲分裂末期，兩個即將分離的子細胞內產生胞質收縮環，收縮環由大量平行排列、極性相反的微絲組成。隨著收縮環的收縮，兩個子細胞的胞質分離。在細胞松馳素存在的情況下，不能形成胞質分裂環，因此形成雙核細胞。收縮環的動力來自肌球蛋白在微絲間的滑動。三、肌球蛋白分子馬達：主要是指依賴于微管的驅動蛋白、動力蛋白和依賴于微絲的肌球蛋白這三類蛋白質超家族的成員。它們既能與微管或微絲結合，又能與一些細胞器或膜狀小泡特異性地結合，并利用水解ATP所產生的能量有規則地沿微管或微絲等細胞骨架纖維運輸所攜帶“貨物”。肌球蛋白（myosin）屬于馬達蛋白，多數趨向微絲的+極。已知至少24類。（一）II型肌球蛋白在骨路肌細胞內，多個II型肌球蛋白分子組裝成肌原纖維的粗肌絲。II型肌球蛋白分子由2個重鏈和4個輕鏈組成，重鏈分為頭、頸、尾三部分，頭部有ATP酶活性。頭部：具ATP酶活力，構成粗絲的橫橋，是與肌動蛋白分子結合的位置。頸部：頸部通過同鈣調素或類似鈣調素的調節輕鏈亞基的結合來調節頭部的活性。尾部：含有決定尾部是否同膜結合還是同其它的尾部結合的位點。主要起結構作用。肌球蛋白分子結構II型肌球蛋白的結構模型幾種常見肌球蛋白分子結構示意圖（二）非傳統類型的肌球蛋白非傳統類型的肌球蛋白：是指細胞中與Ⅱ型肌球蛋白不同的肌球蛋白。Ⅰ型肌球蛋白的結構：其頭部結構域也能與肌動蛋白絲結合，并在ATP存在時使其運動。其尾部結構域在不同種類的Ⅰ型肌球蛋白中各不相同，這可能與它們運輸不同的“貨物”有關。Ⅴ型肌球蛋白：是沿微絲運動的二聚體馬達蛋白，具有兩個頭部。其頸部的長度大約是Ⅱ型肌球蛋白頸部的3倍。在運動過程中，Ⅴ型肌球蛋白的步幅正好是微絲上由13個肌動蛋白亞基所組成的重復結構的長度。V型肌球蛋白的兩個頭部交替與微絲結合可以確保整個分子以及所運載的“貨物”始終不與微絲脫離。從細胞中分離到的一些膜泡表面既有依賴于微管的馬達蛋白，也有依賴于微絲的非傳統類型的肌球蛋白。四、肌細胞的收縮運動（一）肌纖維的結構肌纖維是由數百條更細的肌原纖維聚集而成。每根肌原纖維由肌節呈線性重復排列而成。肌原纖維包括粗肌絲和細肌絲，粗肌絲主要成分是肌球蛋白，細肌絲的主要成分是肌動蛋白、原肌球蛋白和肌鈣蛋白。肌原纖維中突出于粗肌絲表面的肌球蛋白的頭部可與細肌絲上肌動蛋白亞基結合，構成粗絲與細絲之間的橫橋。骨骼肌組織中的肌纖維肌小節原肌球蛋白（tropomyosin.Tm）：約占5-10%，64kDa，每個Tm的長度相當于7個肌動蛋白，呈長桿狀。由兩條平行的多肽鏈形成α-螺旋構型，位于肌動蛋白螺旋溝內，結合于細肌絲。主要作用：加強和穩定肌動蛋白絲，調節肌動蛋白與肌球蛋白頭部的結合，抑制肌動蛋白與肌球蛋白結合。肌鈣蛋白（troponin,Tn）分子量80kDa，含3個亞基：肌鈣蛋白-C：特異與Ca2+結合；肌鈣蛋白T：與原肌球蛋白有高度親合力；肌鈣蛋白I：抑制肌球蛋白ATPase的活性。細肌絲中每隔40nm有一個肌鈣蛋白復合體結合到原肌球蛋白上。主要作用：調節肌肉收縮。細肌絲的分子結構細肌絲的組成6、肌肉的收縮①肌球蛋白結合ATP，引起頭部與肌動蛋白纖維分離；②ATP水解，引起頭部與肌動蛋白弱結合；移動③Pi釋放，頭部與肌動蛋白強結合，頭部向M線方向彎曲，引起細肌絲向M線移動；④ADP釋放ATP結合上去，頭部與肌動蛋白纖維分離。如此循環由神經沖動誘發的肌肉收縮基本過程：1、動作電位的產生來自脊髓運動神經元的神經沖動經軸突傳到神經肌肉接頭，使肌細胞質膜去極化，并經T小管傳至肌質網。2、Ca2+的釋放肌質網去極化后釋放Ca2+至肌漿中，有效觸發Ca2+濃度升高，達到收縮期的Ca2+閾濃度(約為10-6mol/L)。3、原肌球蛋白位移

Ca2+與Tn-C結合，引起肌鈣蛋白構象變化，Tn-C與Tn-I、Tn-T結合力增強，Tn-I與肌動蛋白結合力削弱，使肌動蛋白與Tn-I脫離，變成應力狀態；同時，Tn-T使原肌球蛋白移位到肌動蛋白雙螺旋溝的深處，消除肌動蛋白與肌球蛋白結合的障礙。4、肌動蛋白絲與肌球蛋白絲的相對滑動肌球蛋白頭部與肌動蛋白附著(圖9—16，步驟3)。肌球蛋白頭部是一種依賴于肌動蛋白所活化的ATP酶，與肌動蛋白的結合引起肌球蛋白頭部朝著肌動蛋白細絲彎曲，同時釋放ADP+Pi和能量，彎曲后的肌球蛋白頭部能結合ATP，從而與肌動蛋白分開，肌球蛋白一旦釋放即恢復原來的構型，結果致使細肌絲和粗肌絲間的滑動，表現為ATP水解和肌肉收縮。5、Ca2+的回收到達肌細胞的一系列沖動一經停止，肌質網就通過主動運輸重吸收Ca2+，于是收縮周期停止。第二節微管及其功能微管（Microtubule）

：是存在于所有真核細胞中由微管蛋白（tubulin）組裝成的長管狀細胞器結構，平均外徑為24nm。微管對低溫、高壓和秋水仙素敏感。微管在胞質中形成網絡結構，并能與其它蛋白共同組裝成紡錘體、基粒、中心粒、鞭毛、纖毛、軸突、神經管等結構，參與細胞形態的維持、細胞運動和細胞分裂。一、微管結構組成及極性（一）成分微管由由α和β兩種球蛋白分子，構成微管蛋白二聚體，是微管裝配的基本單位。α-微管蛋白：含450個氨基酸殘基；β-微管蛋白：含455個氨基酸殘基；每個微管蛋白二聚體有兩個GTP結合位點α亞基GTP結合位點，GTP從不發生水解或交換。β亞基GTP結合位點，GTP可發生水解，結合的GDP可交換為GTP。微管蛋白二聚體上具有1個秋水仙素結合位點，1個長春花堿結合位點。（二）形態微管是由微管蛋白異源二聚體為基本構件,螺旋盤繞形成長管狀細胞器結構。微管橫切面上，平均外徑為24nm，內徑15nm，管壁由13根原纖維排列而成。可裝配成單管、二聯管、三聯管等。在每根微管中二聚體頭尾相接,形成細長的原纖維。微管蛋白微管的結構鞭毛軸絲的結構三種形式的微管1.裝配過程①原纖維裝配：α-微管蛋白+β-微管蛋白→αβ二聚體（8nm）→沿縱向集合→原纖維（不穩定）②片狀結構的形成：原纖維→側面增加、擴展→片層結構③微管的形成：αβ二聚體平行于長軸重復排列→原纖維→螺旋帶加寬至13根原纖維時→合攏形成微管的壁。㈢裝配微管的極性：原纖維中重復的亞單位是

異二聚體，

二聚體以首-尾排列的方式進行組裝，具有方向性(極性)；（+）極生長速度快，（-）極生長速度慢，（+）極的最外端是

球蛋白，（-）極的最外端是

球蛋白。微管和微絲一樣具有踏車行為。微管的延長主要依靠在（+）極組裝GTP-微管蛋白，然后GTP水解為GDP或GTP與微管蛋白分離。微管裝配動態模型認為，微管兩端具GTP帽（取決于微管蛋白濃度），微管將繼續組裝，反之，具GDP帽則解聚。微管裝配的過程與踏車現象微管的聚合與解聚踏車行為2.體外微管裝配條件（影響微管裝配的因素）（1）微管蛋白濃度：微管蛋白裝配低于一定濃度（臨界濃度）時，不發生微管聚合，臨界濃度隨溫度和其他聚合條件的變動而異，大約為1mg/ml；（2）最適pH：6.9；（3）離子：Ca2+應盡可能除去，Mg2+為裝配所必需；（4）溫度：37℃微管蛋白二聚體裝配成微管，0℃微管解聚為二聚體；（5）GTP的供應。3.體內微管裝配動態微管蛋白的合成是自我調節的，多余的微管蛋白單體結合于合成微管蛋白的核糖體上，導致微管蛋白mRNA降解。間期細胞中，細胞質微管與微管蛋白亞單位庫處于相對平衡狀態；有絲分裂期中，胞質微管裝配和去裝配動態受細胞周期調控，分裂前期，胞質微管網絡中的微管去裝配，游離的微管蛋白亞單位組裝為紡錘體；分裂末期，發生逆向轉變。4.微管組織中心（microtubuleorganizingcenterMTOC）