第10章 細胞骨架-3版

第十章細胞骨架(Cytoskeleton)

●細胞骨架的概述●細胞骨架的組成第一節(jié)細胞骨架的概述◆細胞骨架概念

細胞骨架是指存在于真核細胞的細胞質(zhì)中的蛋白纖維網(wǎng)架結(jié)構(gòu)體系◆有狹義和廣義兩種涵義

在細胞質(zhì)基質(zhì)中包括微絲、微管和中間纖維。

在細胞核中存在核骨架-核纖層體系。核骨架、 核纖層與中間纖維在結(jié)構(gòu)上相互連接,貫穿于細胞核和細胞質(zhì)的網(wǎng)架體系。細胞骨架狹義:廣義細胞質(zhì)骨架微絲微管中間纖維細胞核骨架細胞質(zhì)骨架細胞膜骨架細胞外基質(zhì)◆細胞骨架主要功能的概述

作為動態(tài)的支架，提供結(jié)構(gòu)支撐以決定細胞形狀和抵抗細胞變形。

作為在細胞內(nèi)定位各種細胞器的內(nèi)部框架。

作為高速公路網(wǎng)指導物質(zhì)與細胞器在細胞內(nèi)的運動。

作為產(chǎn)生力的裝置，將細胞從一個地方移至到另一個地方。

作為錨定mRNA并促進其翻譯成多肽的位點。

作為細胞分裂的必要組分。第二節(jié)細胞骨架的組成●微管（microtubules,MT）●微絲(microfilament,MF)●中間纖維(intermediatefilament,IF)細胞核骨架●核基質(zhì)(NuclearMatrix)●染色體骨架●核纖層(NuclearLamina)

二、微絲(microfilament,MF)●微絲的概念●成分與形態(tài)結(jié)構(gòu)●微絲的裝配●微絲特異性藥物●微絲結(jié)合蛋白●微絲的功能（一）微絲的概念又稱肌動蛋白纖維(actinfilament),是指真核細胞中由肌動蛋白(actin)單體組成的直徑為7nm的骨架纖維。在細胞內(nèi)與幾乎所有形式的運動相關(guān)。（二）成分與形態(tài)結(jié)構(gòu)◆成分

肌動蛋白(actin)是微絲的結(jié)構(gòu)成分,外觀呈啞鈴狀,這種actin又叫球形肌動蛋白（G-actin）?！粜螒B(tài)結(jié)構(gòu)

由球形肌動蛋白(G-actin),聚合形成的多聚體鏈，因此微絲又稱為纖維形肌動蛋白（F-actin）

近年來認為微絲是由一條肌動蛋白單體鏈形成的螺旋，每個肌動蛋白單體周圍都有四個亞基，呈上、下及兩側(cè)排列。

(三）微絲的組裝及動力學特性◆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?！粑⒔z的極性

有裂口的一端是負端：緩慢增長端無裂口的一端是正端：快速增長端。

◆微絲的組裝過程第一階段：成核反應

形成至少2-3個肌動蛋白單體組成的寡俱體。第二階段：纖維的延長肌動蛋白單體與ATP結(jié)合◆微絲的組裝的動力學特性

體外實驗表明，組裝時，（肌動蛋白-ATP亞基）正極比負極快；去組裝時，（肌動蛋白-ADP亞基）負極比正極快。由于肌動蛋白-ATP亞基在微絲正端尤先添加，而肌動蛋白-ADP亞基在微絲負極尤先失去，從而表現(xiàn)為踏車行為。

體內(nèi)裝配時，MF呈現(xiàn)出動態(tài)不穩(wěn)定性，主要取決于F-actin結(jié)合的ATP水解速度與游離的G-actin單體濃度之間的關(guān)系。

MF動態(tài)變化與細胞生理功能變化相適應。在體內(nèi),有些微絲是永久性的結(jié)構(gòu),有些微絲是暫時性的結(jié)構(gòu)。（四）微絲特異性藥物◆細胞松弛素(cytochalasins)：可以切斷微絲,并結(jié)合在微絲正極阻抑肌動蛋白聚合,因而導致微絲解聚?！艄砉P環(huán)肽(philloidin)：與微絲側(cè)面結(jié)合,使微絲穩(wěn)定抑制MF解聚。◆影響微絲裝配動態(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(jié)合蛋白的影響。

（五）微絲結(jié)合蛋白◆微絲網(wǎng)絡

微絲

微絲結(jié)合蛋白◆微絲結(jié)合蛋白對肌動蛋白組裝的調(diào)節(jié)

可溶性肌動蛋白的存在狀態(tài)

微絲結(jié)合蛋白的種類及其存在狀態(tài)

（五）微絲結(jié)合蛋白

◆微絲結(jié)合蛋白類型

actin單體結(jié)合蛋白 這些小分子蛋白與actin單體結(jié)合，阻止其添加到微絲末端，當細胞需要單體時才釋放，主要用于actin裝配的調(diào)節(jié)，如proflin等。

微絲結(jié)合蛋白

微絲結(jié)合蛋白將微絲組織成以下三種主要形式

·Parallelbundle:MF同向平行排列，主要發(fā) 現(xiàn)于微絨毛與絲狀偽足?！ontractilebundle:MF反向平行排列，主要發(fā)現(xiàn)于應力纖維和有絲分裂收縮環(huán)?！el-likenetwork:細胞皮層(cellcortex)中微絲排列形式，MF相互交錯排列。（六）微絲的功能◆維持細胞形態(tài)，賦予質(zhì)膜機械強度◆肌肉收縮(musclecontraction)◆微絨毛(microvillus)◆應力纖維(stressfiber)◆與細胞質(zhì)運動和細胞移動有關(guān)◆參與胞質(zhì)分裂微絲遍及胞質(zhì)各處，集中分布于質(zhì)膜下，和其結(jié)合蛋白形成網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，維持細胞形狀和賦予質(zhì)膜機械強度，如哺乳動物紅細胞膜骨架的作用。1、維持細胞形態(tài)，賦予質(zhì)膜機械強度◆細胞質(zhì)運動

胞質(zhì)環(huán)流

穿梭運動◆細胞移動

變形運動

變皺膜運動

形態(tài)發(fā)生運動成纖維細胞爬行與微絲裝配和解聚相關(guān)

與細胞質(zhì)運動和細胞移動有關(guān)◆成分

軸心微絲束不含肌球蛋白、原肌球蛋白和

α輔肌動蛋白因而無收縮功能◆功能

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(yǎng)的快速吸收。3、微絨毛(microvillus)

廣泛存在于真核細胞。◆成分

肌動蛋白、肌球蛋白、原肌球蛋白和-輔肌動蛋白?！糇饔?/p>

介導細胞間或細胞與基質(zhì)表面的粘著。（細胞貼壁與粘著斑的形成相關(guān)，在形成粘合斑的質(zhì)膜下，微絲緊密平行排列成束，形成應力纖維,具有收縮功能。）

4、應力纖維（stressfiber）

◆時期在動物細胞和低等植物細胞有絲分裂的末期，發(fā)生的縊縮型胞質(zhì)分裂。

◆組成由大量反向平行排列的微絲組成的收縮環(huán)（contractilering)完成的，◆機制其收縮機制是肌動蛋白（actiom)和肌球蛋白相(myosin)的相對滑動。

6、參與胞質(zhì)分裂2、肌肉收縮(musclecontraction)

肌肉可看作一種特別富含細胞骨架的效力非常高的能量轉(zhuǎn)換器，它直接將化學能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能。◆肌肉的細微結(jié)構(gòu)(以骨骼肌為例)◆肌肉收縮的滑動模型◆由神經(jīng)沖動誘發(fā)的肌肉收縮基本過程

肌肉的細微結(jié)構(gòu)(以骨骼肌為例)

肌原纖維（收縮單位）肌纖維肌纖維束肌肉粗肌絲：肌球蛋白（主）細肌絲肌動蛋白（主）原肌球蛋白肌鈣蛋白（輔）◆肌小節(jié)的組成◆肌肉收縮系統(tǒng)中的有關(guān)蛋白肌肉收縮系統(tǒng)中的有關(guān)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。 ·MyosinⅡ 主要分布于肌細胞，有兩個球形頭部結(jié)構(gòu)域(具有ATPase活性)和尾部鏈,多個Myosin尾部相互纏繞，形成myosinfilament,即粗肌絲。②原肌球蛋白(tropomyosin,Tm)由兩條平行的多肽鏈形成α-螺旋構(gòu)型,位于肌動蛋白螺旋溝內(nèi),結(jié)合于細絲,調(diào)節(jié)肌動蛋白與肌球蛋白頭部的結(jié)合。 ③肌鈣蛋白(Troponin,Tn)為復合物，包括三個亞基：TnC(Ca2+敏感性蛋白) 能特異與Ca2+結(jié)合;TnT(與原肌球蛋白結(jié)合);TnI(抑制肌球蛋白ATPase活性)由神經(jīng)沖動誘發(fā)的肌肉收縮基本過程◆動作電位的產(chǎn)生◆Ca2+的釋放◆原肌球蛋白位移◆肌動蛋白絲與肌球蛋白絲的相對滑動◆Ca2+的回收一、微管（Microtubules）●微管結(jié)構(gòu)與組成●微管的類型●裝配●微管特異性藥物●微管結(jié)合蛋白(MAP)●微管功能（一）微管結(jié)構(gòu)與組成◆微管的組成成分

α-微管蛋白：55KD450aaβ-微管蛋白：55KD550aa◆微管裝配的基本單位

微管蛋白異二聚體◆2個鳥嘌呤核苷酸結(jié)合位點

α-微管蛋白有一個結(jié)合的GTP（N位點）該GTP不被水解，且不可交換

β-微管蛋白有一個結(jié)合的GTP（E位點）該GTP在組裝成多聚體之后，被水解成GDP。◆微管的形態(tài)結(jié)構(gòu)

微管是中空的管狀結(jié)構(gòu)，管壁由13根原纖維集合而成，原纖維又由含有α-微管蛋白和β-微管蛋白的異二聚體組成。

（二）微管的類型

◆單管（singlet)

細胞質(zhì)微管，由13根原纖維集合而成◆二聯(lián)管（doublet)

纖毛和鞭毛周圍微管，運動性微管。A管：13根原纖維B管：14根原纖維，有三條與A管共用◆三聯(lián)管(triplet)

中心粒和基體中A管：13根原纖維B管：14根原纖維，有三條與A管共用C管：14根原纖維，有三條與B管共用(三）微管的裝配◆微管組織中心◆微管的極性◆裝配方式◆微管裝配的動力學不穩(wěn)定性◆α-微管蛋白和β-微管蛋白形成長度為

8nm的αβ異二聚體?！籀力露垠w先形成環(huán)狀核心(ring),經(jīng)過側(cè)面增加二聚體而擴展為螺旋帶?！籀力露垠w平行于長軸重復排列形成原纖維(protofilament)?！舢斅菪龓Ъ訉捴?3根原纖維時,即合攏形成一段微管?！粢赃@段微管為核心，二聚體不斷組裝，使之延長，微管蛋白與微管達到動態(tài)平衡。

裝配方式◆微管裝配的動力學不穩(wěn)定性(dynamicinstability)是指在細胞內(nèi)的同一區(qū)域中生長的微管與縮短的微管同時存在,而且一條特定的微管在生長項與縮短項之間交替切換的現(xiàn)象。（細胞骨架）◆動力學不穩(wěn)定性產(chǎn)生的原因：微管兩端具GTP帽(取決于微管蛋白濃度),微管將繼續(xù)組裝;反之,無GTP帽則解聚。◆踏車現(xiàn)象（四）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(jié)構(gòu)?！糇仙挤?taxol)能促進微管的裝配,并使已形成的微管穩(wěn)定。為行使正常的微管功能,微管動力學不穩(wěn)定性(動態(tài)的裝配和解聚）是其功能正常發(fā)揮的基礎(chǔ)。1、微管組織中心(MTOC)◆微管組織中心概念◆常見微管組織中心◆微管成核作用在活細胞內(nèi)，能夠起始微管的成核作用，并使之延伸的細胞結(jié)構(gòu)稱為微管組織中心。(microtubuleorganizingcenter,MTOC)微管組織中心概念常見微管組織中心◆間期細胞MTOC：

中心體(動態(tài)微管)

◆分裂細胞MTOC：

有絲分裂紡錘體極(動態(tài)微管)

◆鞭毛纖毛細胞MTOC：

基體(永久性結(jié)構(gòu))

◆高等植物細胞MTOC：間期細胞核的周圍

2、微管的極性MTOC確定微管了的極性:

◆（–）極：靠近MTOC一端，

即αβ二聚體α極

◆（+）極：遠離MTOC一端，

即αβ二聚體β極微管結(jié)合蛋白

(MicrotubuleAssociatedProtein,MAP)微管結(jié)合蛋白

(MicrotubuleAssociatedProtein,MAP)6、微管功能◆維持細胞形狀◆參與細胞內(nèi)物質(zhì)的運輸◆細胞器的定位◆鞭毛(flagella)運動和纖毛(cilia)運動◆參與紡錘體形成和染色體運動◆參與基體與中心粒的構(gòu)建

維持細胞形狀

◆用秋水仙素處理細胞破壞微管,導致細胞變圓,說明微管對維持細胞的不對稱形狀是重要的。◆對于動物細胞突起部分,如纖毛、鞭毛、神經(jīng)細胞的軸突、太陽蟲目原生生物的偽足的形成和維持,微管起關(guān)鍵作用?！粼谥参锛毎校⒐芡ㄟ^影響細胞壁的形成在維持細胞形狀方面起間接作用。

皮層微管纖維素合成酶運動纖維素微纖絲與皮層微管平行細胞伸長細胞內(nèi)物質(zhì)的運輸

真核細胞內(nèi)部是高度區(qū)域化的體系,細胞中合成的物質(zhì)、一些細胞器等必須經(jīng)過細胞內(nèi)運輸過程。這種運輸過程與細胞骨架體系中的微管（MT）及其馬達蛋白（Motorprotein）有關(guān)?！粑⒐芴峁┝诉\輸?shù)能壍馈鬗otorproteins提供了動力

◆神經(jīng)元軸突運輸?shù)念愋图斑\輸模式

◆色素顆粒的運輸

Motorproteins的類型目前已鑒定的Motorproteins多達數(shù)十種。根據(jù)其結(jié)合的骨架纖維以及運動方向和攜帶的轉(zhuǎn)運物不同而分為不同類型。

胞質(zhì)中微管馬達蛋白（motorprotein）分為兩大類：

驅(qū)動蛋白(kinesin):沿著微管向正極端運動

胞質(zhì)動力蛋白(cytoplasmicdynein)：沿著微管向負極運動

胞質(zhì)中微絲馬達蛋白（motorprotein）

肌球蛋白（myosin):沿微絲朝向微絲的正極運動

尚未發(fā)現(xiàn)利用中間絲作軌道的motorprotei

Kinesin與Dynein的分子結(jié)構(gòu)

Kinesin

兩條相同的重鏈和兩條相同的輕鏈組成的四聚體。頭部：球狀與微管結(jié)合，水解ATP和產(chǎn)生能量的發(fā)動機頸部：決定運動方向柄部尾部：扇形，結(jié)合運載貨物

Dynein

兩條相同的重鏈和多種中等鏈和輕鏈組成。頭部：球狀與微管結(jié)合，水解ATP和產(chǎn)生能量的發(fā)動機

Kinesin與Dynein的運動方式

機械循環(huán)與化學循環(huán)相偶聯(lián)的“步行”方式

Kinesin與Dynein的運輸方式

神經(jīng)元軸突運輸?shù)念愋洼S突運輸?shù)念愋捅廾?flagella)運動和纖毛(cilia)運動◆微管缺乏動力學活性，是高度穩(wěn)定的◆纖毛和鞭毛的運動形式

◆纖毛與鞭毛的結(jié)構(gòu)

9+2結(jié)構(gòu)：9個二聯(lián)管、兩個中央微管?！衾w毛運動機制

滑動學說：相鄰二聯(lián)體間相互滑動所致。例如：男性不育癥遺傳性支氣管炎參與基體與中心粒的構(gòu)建◆中心粒(centro