細胞骨架(筆記)

細胞骨架（Cytoskeleton）細胞骨架（Cytoskeleton）是真核細胞中的蛋白質纖維網架體系，它對于維持細胞的形狀、細胞的運動、細胞內的物質運輸、染色體的分離和細胞的分裂起著重要的作用。細胞骨架細胞骨架由以下組分構成微絲（microfilament，MF）微管（microtubule,MT）中間纖維（intemediatefilament,IT）廣義的細胞骨架還包括核骨架（nucleoskeleton）核纖層（nuclearlamina）細胞外基質（extracellularmatrix）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(tǒng)中結構最為復雜的一種微絲（microfilament，MF）確定細胞表面特征，使細胞能夠運動和收縮。微管（microtubule,MT）確定膜性細胞器的位置和作為膜泡運輸的導軌。中間纖維（intemediatefilament,IT）使細胞具有張力和抗剪切力。第一節(jié)微絲微絲（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(tǒng)，利用化學能產生機械運動。

細胞中微絲參與形成的結構除肌原纖維、小腸上皮細胞微絨毛軸心）等屬于穩(wěn)定結構外，其他大都處于動態(tài)的組裝和去組裝過程中，并通過這種方式實現其功能。

一、微絲的結構（其組成單位在哺乳動物和鳥類細胞中的肌動蛋白分為6種肌動蛋白，歸為3類：4種α分布于各種肌肉細胞中β和γ分布于肌細胞和非肌細胞中。actin在進化上高度保守，酵母和兔子肌肉的肌動蛋白有88%的同源性

1.肌動蛋白（actin）4種α-actin→橫紋肌

心肌

血管平滑肌

腸道平滑肌β-actin

γ-actin→所有肌肉細胞和非肌細胞6種G-actin*存在形式（兩種）actin單體外觀呈啞鈴形，稱球形肌動蛋白G-actin具ATP結合位點。多聚體actin稱為纖維形肌動蛋白F-actin，即MF肌動蛋白纖維是由兩條線性排列的肌動蛋白鏈形成的螺旋，狀如雙線捻成的繩子1.肌動蛋白（actin）*4個亞單位組成有裂口構象可改變與微絲的組裝與解離有關*極性結構正端（＋）負端（－）（+）（—）結構2.微絲

結構：由肌動蛋白單體聚合形成雙螺旋微絲是由G-actin單體形成的多聚體actin單體具極性,裝配時頭尾相接→微絲(F-actin)也具極性;G-actin可加到MF兩端,但其正極裝配速度比負極快多數非肌細胞中,微絲是一種動態(tài)結構,持續(xù)進行裝配/解聚，與細胞形態(tài)的維持及細胞運動有關;細胞內許多微絲結合蛋白參與調節(jié)微絲的裝配MF/F-actinG-actin體內

→①永久性微絲:eg.肌肉中細絲MF;腸上皮細胞微絨毛中MF

→②暫時性微絲,只在需要時裝配:eg.胞質分裂環(huán)中MF；無脊椎動物精子細胞頂體反應中MFATP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，微絲可以隨環(huán)境不同發(fā)生裝配和解聚動態(tài)調節(jié)：踏車模型（treadmillingmodel）：當G-actin處于臨界濃度時，MF的裝配可以表現出ATP-actin繼續(xù)在（+）端添加而延長，而在（-）端脫落而縮短，表現出一種“踏車”現象。ATP-actin（結合ATP的肌動蛋白)對微絲纖維末端的親和力高，ADP-actin對纖維末端的親和力低，容易脫落。當溶液中ATP-actin濃度高時，微絲快速生長，在微絲纖維的兩端形成ATP-actin“帽子”，這樣的微絲有較高的穩(wěn)定性。伴隨著ATP水解，微絲結合的ATP就變成了ADP，當ADP-actin暴露出來后，微絲就開始去組裝而變短。微絲具有極性，肌動蛋白單體加到（+）極的速度要比加到（-）極的速度快5-10倍。溶液中ATP-肌動蛋白的濃度也影響組裝的速度。當處于臨界濃度時，ATP-actin可能繼續(xù)在（+）端添加、而在（-）端開始分離，表現出一種“踏車”現象。(達平衡狀態(tài)）體內①永久性微絲

②暫時性微絲

在大多數非肌細胞中，微絲是一種動態(tài)結構，它們持續(xù)地進行組裝和去組裝。微絲的動態(tài)不穩(wěn)定性與細胞形態(tài)的維持及細胞運動有密切的關系，其組裝在兩個水平上受到調控：①可溶性肌動蛋白的存在狀態(tài)②微絲結合蛋白的種類及其存在狀態(tài)整個骨架系統(tǒng)結構和功能在很大程度上受到不同的細胞骨架結合蛋白的調節(jié)。MF的不同存在形式與微絲結合蛋白的種類有關。細胞內各種微絲結合蛋白通過影響微絲的組裝與去組裝，介導微絲與其他結構之間的相互作用來決定微絲的組織行為。3.微絲結合蛋白與肌動蛋白纖維結合，調節(jié)其性質和功能，影響微絲長度，穩(wěn)定性和構型。分類：核化蛋白（nucleatingprotein）交聯蛋白（cross-linkprotein）封端蛋白

（endblockingprotein）單體聚合蛋白（monomerpolymerizingprotein）微絲解聚蛋白（actin-filamentdepolymerizingprotein）纖維切斷蛋白（filamentseveringprotein）膜結合蛋白（membrane-bindingprotein）二、微絲的功能（一）肌肉收縮》肌肉》肌纖維束》肌纖維（肌細胞）myofiber》肌原纖維myofibrils(粗肌絲、細肌絲)肌肉由肌原纖維組成，肌原纖維由粗肌絲和細肌絲組成，粗肌絲的主要成分是肌球蛋白，而細肌絲的主要成分是肌動蛋白、原肌球蛋白和肌鈣蛋白。1.肌肉收縮的有關蛋白（1）肌球蛋白（myosin）所有actin-dependentmotorproteins都屬于該家族，其頭部具ATP酶活力,沿微絲從負極到正極進行運動。屬于馬達蛋白，可利用ATP產生機械能，趨向微絲的（+）極運動，最早發(fā)現于肌肉組織(myosinII)，1970s后逐漸發(fā)現許多非肌細胞的myosin，目前已知的有15種類型（myosinI-XV）

肌肉的主要組成蛋白質，占肌原纖維總蛋白質的60％。

Motorproteins馬達蛋白、引擎蛋白：利用水解ATP提供的能量可沿微絲、微管等多聚分子移動的蛋白質，如myosin（肌球蛋白，依賴于微絲）；kinesin(驅動蛋白)、動力蛋白（dynein)（后兩者依賴于微管）MyosinII是構成肌纖維的主要成分之一。由兩個重鏈和4個輕鏈組成，重鏈形成一個雙股α螺旋，一半呈桿狀，另一半與輕鏈一起折疊成兩個球形區(qū)域，位于分子一端，球形的頭部具有ATP酶活性。MyosinV結構類是于myosinII，但重鏈有球形尾部。（外形像豆芽）MyosinI由一個重鏈和兩個輕鏈組成。MyosinI、II、V都存在于非肌細胞中，II型參與形成應力纖維和胞質收縮環(huán)，I、V型結合在膜上與膜泡運輸有關，神經細胞富含myosinV。（2）原肌球蛋白

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,結合于細絲,

調節(jié)肌動蛋白與肌球蛋白頭部的結合。(3)肌鈣蛋白》為復合物，包括三個亞基：主要作用是調節(jié)肌肉收縮。2.肌肉收縮過程

由神經沖動誘發(fā)的肌肉收縮基本過程：動作電位的產生：Ca2+的釋放：原肌球蛋白位移：肌動蛋白絲（細肌絲）與肌球蛋白絲（粗肌絲）的相對滑動：Ca2+的回收：（二）微絲的其他功能1.構成細胞的支架，維持細胞的形態(tài)(1)細胞皮層（cellcortex）也叫肌動蛋白皮層（actincortex）

細胞靠近質膜處的一層由微絲和各種微絲結合蛋白構成的網狀結構免疫熒光染色，細胞內大部分微絲都集中在緊貼細胞質膜的細胞質區(qū)域，并由微絲交聯成凝膠狀的三維網絡結構。該區(qū)域稱為細胞皮層。皮層內的一些微絲還與細胞質膜上的蛋白有連接，使膜蛋白的流動性收到某種程度的限制。(2)微穗（microspike）內含肌動蛋白纖維細胞表面伸展出的細而堅硬的突起，可快速形成和回縮，可作為探針使細胞感受環(huán)境，更長的微穗成為絲狀偽足（filopodium）神經細胞、成纖維細胞片狀偽足（lamellipodium）成纖維細胞這些運動并不涉及肌球蛋白的活動，僅僅是通過肌動蛋白的融合及其他細胞結構組分的相互作用來實現的。(3)微絨毛（microvilli）是質膜頂端表面的指狀形突起。分布：存在于許多動物細胞表面的指狀結構，在上皮細胞中特別豐富，可增加細胞表面積。小腸吸收上皮細胞最多結構組成微絲微絲形成的微絲束構成了微絨毛骨架微絲結合蛋白調節(jié)長度保持形狀(4)應力纖維（stressfiber）也叫張力纖維，是真核細胞中廣泛存在的由微絲束構成的較為穩(wěn)定的纖維狀結構，位于細胞內緊鄰質膜下方內含肌動蛋白纖維和肌球蛋白纖維有收縮功能，但不產生運動維持細胞的扁平鋪展和特異形狀并賦予細胞韌性和強度2.參與細胞分裂細胞分裂中形成收縮環(huán)（內含肌動蛋白纖維和肌球蛋白纖維）有絲分裂末期，兩個即將分離的子細胞內產生收縮環(huán)，收縮環(huán)由平行排列的微絲和myosinII組成。隨著收縮環(huán)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(huán)，因此形成雙核細胞。3.參與細胞運動胞質環(huán)流變形運動吞噬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(lamellipodium)；②在片足與基質接觸的位置形成粘著斑；③在myosin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(huán)，細胞向前移動。白細胞、成纖維細胞都能以這種方式運動。4.參與細胞內物質運輸，參與細胞內信號轉導三.藥物對微絲的作用細胞松弛素B(cytochalasinB)—真菌的一種代謝產物

—切斷MF,結合在MF末端,阻抑actin聚合

—破壞微絲的三維網絡可以切斷微絲,并結合在微絲正極阻抑肌動蛋白聚合,因而特異性的抑制微絲的裝配。微絲特異性藥物

》鬼筆環(huán)肽(phalloidin)—毒蕈產生的雙環(huán)桿肽

—與微絲有強親合作用,穩(wěn)定微絲,抑制解聚

—只與F-actin/MF結合,不與G-actin結合,標記細胞中的微絲特異性與微絲側面結合,增強其穩(wěn)定性，抑制MF解聚。響微絲裝配動態(tài)性的藥物對細胞都有毒害，說明微絲功能的發(fā)揮依賴于微絲與肌動蛋白單體庫間的動態(tài)平衡。這種動態(tài)平衡受actin單體濃度和微絲結合蛋白的影響。第二節(jié)微管Microtubule微管：是細胞質中由微管蛋白（tubulin）裝配成的細長而具一定硬性的長管狀結構（中空圓筒狀），外徑24~25nm；內徑15nm，長度變化不等，可達數微米。對細胞形態(tài)的維持、細胞運動和細胞分裂有重要作用。

一、結構1.微管蛋白（tubulin）α管蛋白β管蛋白γ微管蛋白-微管組織中心（MTOC）α球蛋白結合的GTP從不發(fā)生水解或交換(N位點）。β球蛋白也是一種G蛋白，結合的GTP可發(fā)生水解（E位點）異二聚體→原絲→微管（極性結構）內徑：15nm2.微管（tubule）

由微管蛋白亞基組裝而成，一般由13條原纖維（protofilament）構成的中空管狀結構。

單微管（細胞質、紡錘體微管）二聯微管（13+10）（纖毛、鞭毛）三聯微管（13+10+10）（基體、中心粒）1313+1013+10+10單管（細胞質微管或紡錘體微管）

在結構上，微管是由13條（極少數情況下由11或15條）原纖維構成的中空管狀結構，外徑22~25nm，內徑15nm?！吩诘蜏?、Ca2+、秋水仙素下容易解聚，屬不穩(wěn)定微管。二聯管（鞭毛纖毛的軸絲微管）》是構成鞭毛和纖毛軸絲的小管，對低溫、Ca2+、秋水仙素都比較穩(wěn)定?！方M成二聯體的單管分別稱為A管和B管，A管是由13根原纖維（完全微管）；B管有10根原纖維（不完全微管）。如鞭毛、纖毛鞭毛三聯管（存在于中心體或基體的微管）》見于中心體(Centriole)和基體(Basalbody)。對低溫、Ca2+、秋水仙素都比較穩(wěn)定?！访拷M三聯管由A、B、C三個單管組成。A:13根原纖維；B/C：10根原纖維。基體纖毛、鞭毛內部的微管起源于基體A.分布1.真核細胞中普遍存在（脊椎動物腦組織）2.主要位于細胞質中，控制著膜性細胞器的定位和胞內物質運輸3.細胞特殊結構纖毛、鞭毛、基體、中心體、紡錘體B.組裝成核期（nucleationphase）管蛋白聚合成短的寡聚體（核心）片狀微管聚合期（polymerizationphase）-延伸期（elongationphase）聚合速度大于解聚速度穩(wěn)定期（steadyphase）：聚合速度等于解聚速度（游離管蛋白達到臨界濃度）組裝的動態(tài)調節(jié)踏車模型（胞外）在細胞內，微管的一端通常都與一些細胞結構如中心體等結合，因此細胞內是否也存在踏車行為不可知。GTP是調節(jié)微管體內外組裝的主要物質GTP-管蛋白對微管末端的親和力大GDP-管蛋白對微管末端的親和力小管蛋白濃度微管的組裝同樣與其底物（攜帶GTP的α微管蛋白β微管蛋白二聚體）的濃度有關，底物濃度較高時，在微管的末端組裝速度快，使微管延長。當結合在末端β管蛋白上的GTP被水解為GDP時，易解聚。負反饋調節(jié)：當微管蛋白亞基濃度過高時，就與合成微管蛋白的核糖體結合，導致微管蛋白mRNA降解。C微管組織中心（MTOC）微管的聚合從特異性的核心形成位點開始，這些核心形成位點主要是中心體和纖毛的基體，稱為微管組織中心功能：幫助大多數細胞微管裝配過程中成核中心體（centrosome）是動物細胞中決定微管形成的一種細胞器組成：中心粒（centriole）中心粒旁物質（pericetriolarmaterial）位置：間期：細胞核附近有絲分裂期：位于紡錘體的兩極中心粒：成對存在，互相垂直間期：形成微管，構成細胞骨架系統(tǒng)的主要纖維系統(tǒng)，一方面參與物質運輸另一方面維持細胞形狀分裂期：形成紡錘體的兩極，指導有絲分裂進行基體是纖毛器的基本結構基體與中心粒具同源性，結構、功能可以互換3.微管結合蛋白（microtubuleassociatedproteinsMAPs）①促進微管聚集成束；②增加微管穩(wěn)定性或強度；③促進微管組裝。

MAP-1MAP-2tauMAP-4微管特異性藥物

》秋水仙素(colchicine)阻斷微管蛋白組裝成微管，可破壞紡錘體結構?！烽L春花堿也能抑制微管的裝配?！纷仙挤?taxol)能促進微管的裝配,并使已形成的微管穩(wěn)定。但這種穩(wěn)定對細胞有害。周用紫杉醇的基本原理是作用于微管來抑制細胞的有絲分裂，高頻率（每周）給與適當劑量，可以使正在分裂的腫瘤細胞更持久的暴露于紫杉醇的這種細胞毒性之下，這樣比每三周給標準劑量所起的效用更大。此治療方法可以抑制腫瘤再生長和限制抗化療惡性細胞群的出現，頻繁加入紫杉醇也能增加其凋亡和抗血管生成作用。紫杉醇的抗癌活性與p53的功能活性無關，與其他抗癌藥物損傷DNA相比，p53功能正常時，紫杉醇會有更好的療效。周用療法從提高紫杉醇療效指數方面來說也是有利的。臨床實驗表明，周用紫杉醇效果明顯且毒性在可接受范圍之內，單用紫杉醇治療乳腺癌的顯效率為21%～86%，卵巢癌為20%～65%，非小細胞肺癌為30%～56%。

二.微管功能1.維持細胞的形態(tài)細胞中的微管起支撐作用，在培養(yǎng)的細胞中，微管呈放射狀排列在核外，（+）端指向質膜，形成平貼在培養(yǎng)皿上的形狀。在神經細胞的軸突和樹突中，微管束沿長軸排列，起支撐作用，在胚胎發(fā)育階段微管幫助軸突生長，突入周圍組織，在成熟的軸突中，微管是物質運輸的路軌。2.細胞內依賴于微管的物質運輸

真核細胞內部是高度區(qū)域化的體系,細胞中合成的物質、一些細胞器等必須經過細胞內運輸過程。這種運輸過程與細胞骨架體系中的微管及其Motorprotein有關。驅動蛋白kinesin動力蛋白dynein

微管起細胞內物質運輸的路軌作用，破壞微管會抑制細胞內的物質運輸。

Kinesin發(fā)現于1985年，是由兩條輕鏈和兩條重鏈構成的四聚體，外觀具有兩個球形的頭（具有ATP酶活性）、一個螺旋狀的桿和兩個扇子狀的尾。通過結合和水解ATP，導致頸部發(fā)生構象改變，使兩個頭部交替與微管結合，從而沿微管“行走”（從負極到正極），將“尾部”結合的“貨物”（運輸泡或細胞器）轉運到其它地方。CytoplasmDynein胞質動力蛋白：Dynein，發(fā)現于1963年，因與鞭毛和纖毛的運動有關而得名。?由兩條相同的重鏈和一些種類繁多的輕鏈以及結合蛋白構成。?作用：在細胞分裂中推動染色體的分離、驅動鞭毛的運動、向著微管（-）極運輸小泡。3.鞭毛運動和纖毛運動

纖毛Cilia與鞭毛Flagellae是相似的兩種細胞外長物，前者較短，約5~10um；后者較長，約150um，兩者直徑相似，均為0.15~0.3um。纖毛和鞭毛的運動是依靠動力蛋白（dynein）水解ATP，使相鄰的二聯微管相互滑動。4.調節(jié)細胞分裂（紡錘體的形成和染色體的分離）微管是構成有絲分裂器的主要成分動粒微管染色體排于赤道板紡錘體極微管染色體移向兩極藥物對微管的作用秋水仙素—阻止聚合紫杉醇—促進聚合第三節(jié)中間纖維1.概述中間纖維（intermediatefilaments，IF）直徑10nm左右，介于微絲和微管之間。與微管不同的是中間纖維是最穩(wěn)定的細胞骨架成分，它主要起支撐作用。中間纖維在細胞中圍繞著細胞核分布，成束成網，并擴展到細胞質膜，與質膜相連結。

微管與微絲都是由球形蛋白裝配起來的，而中間纖維則是由長的、桿狀的蛋白裝配的。中間纖維是三種骨架纖維中最復雜、最穩(wěn)定的一種。

2.中間纖維的組裝和微絲微管不同的是，它沒有極性。另外，細胞內的中間纖維蛋白絕大部分組裝成中間纖維，而不象微絲和微管那樣存在蛋白庫，僅約50%左右的處于裝配狀態(tài)。再者IF的裝配與溫度和蛋白濃度無關，不需要ATP或GTP?！稩F裝配與MF,MT裝配相比，有以下幾個特點：－裝配與溫度和蛋白濃度無關；－IF裝配的單體是纖維狀蛋白(MF,MT的單體呈球形)；－反向平行的四聚體導致IF不具有極性；－IF在體外裝配時不需要核苷酸或結合蛋白的輔助，－在體內裝配后，細胞中幾乎不存在IF單體，即不存在單體蛋白庫。3.功能舉例為細胞提供機械支持微絲

單體：肌動蛋白

組裝：成核期—三聚體（限速期）

生長期—聚合﹥解聚

平衡期—聚合=解聚

結合蛋白：肌球蛋白頭部

尾部

功能：維持細胞形態(tài)微絨毛(肌動蛋白）

微穗

(肌動蛋白）