細胞生物學(xué)：細胞骨架及細胞周期

細胞骨架與細胞周期細胞骨架細胞骨架是指細胞中的蛋白纖維網(wǎng)架體系狹義的細胞骨架指細胞質(zhì)骨架，包括微絲、微管、中間纖維廣義的細胞骨架包括細胞核骨架、細胞質(zhì)骨架、細胞膜骨架和細胞外基質(zhì)。細胞骨架不僅在維持細胞形態(tài)，保持細胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)的有序性中起重要作用，而且與細胞運動、物質(zhì)運輸、能量轉(zhuǎn)換、信息傳遞、細胞分裂、基因表達、細胞分化等生命活動密切相關(guān)微絲微絲（MF）又稱肌動蛋白纖維，是指真核細胞中由肌動蛋白組成，直徑為7nm的骨架纖維肌動蛋白是微絲的結(jié)構(gòu)成分，肌動蛋白單體外觀呈啞鈴狀肌動蛋白存在于所有真核細胞中微絲，亦稱為纖維形肌動蛋白，是由球形肌動蛋白單體形成的多聚體肌動蛋白單體具有極性，裝配時呈頭尾相連，故微絲也具有極性在含有ATP和Ca2+以及低濃度的Na+、K+等陽離子溶液中，微絲趨于解聚成球形肌動蛋白而在Mg2+和高濃度的Na+、K+溶液誘導(dǎo)下，球形肌動蛋白則裝配為纖維狀肌動蛋白新的球形肌動蛋白加到微絲末端，使微絲延伸球形肌動蛋白可以加到微絲兩端，但（＋）極裝配的速度較（－）極快在一定條件下，微絲可以表現(xiàn)出一端因加亞單位而延長，而另一端因亞單位脫落而減輕，這種現(xiàn)象稱為踏車現(xiàn)象體內(nèi)肌動蛋白的裝配在兩個水平上受到結(jié)合蛋白的調(diào)節(jié)：①游離肌動蛋白單體的濃度②微絲橫向連接成束或成網(wǎng)的程度細胞內(nèi)許多微絲結(jié)合蛋白參與調(diào)節(jié)肌動蛋白的裝配微絲系統(tǒng)的主要組分是肌動蛋白纖維，還包括許多微絲結(jié)合蛋白肌動蛋白纖維的不同存在形式與微絲結(jié)合蛋白的種類有關(guān)微絲結(jié)合蛋白①肌球蛋白肌球蛋白約占肌肉總蛋白的一半含4條多肽鏈（2條重鏈，2條輕鏈），構(gòu)成粗肌絲，這種肌球蛋白的頭部具有ATP酶活力，構(gòu)成粗肌絲的橫橋，是與肌動蛋白結(jié)合的位置

②原肌球蛋白:原肌球蛋白在肌肉總占總蛋白的5％－10％,位于肌動蛋白螺旋溝內(nèi),結(jié)合于細肌絲，調(diào)節(jié)肌動蛋白與肌球蛋白頭部的結(jié)合

③肌鈣蛋白肌鈣蛋白，含有3個亞基，肌鈣蛋白C特異與Ca2+結(jié)合。肌鈣蛋白T與原肌球蛋白有高度親和力，肌鈣蛋白I抑制肌球蛋白ATP酶的活性微絲特異性藥物細胞松弛素是真菌的一種代謝產(chǎn)物，可以切斷微絲，并結(jié)合在微絲末端阻抑肌動蛋白聚合，但對解聚沒有明顯影響，因而可以破壞微絲的三維網(wǎng)絡(luò)鬼筆環(huán)肽是一種由毒蕈產(chǎn)生的雙環(huán)桿肽，與微絲有強親和作用，使肌動蛋白纖維穩(wěn)定，抑制解聚，且只與纖維狀肌動蛋白結(jié)合，而不與球形蛋白結(jié)合，熒光標(biāo)記的鬼筆環(huán)肽可清晰地顯示細胞中的微絲微絲性細胞骨架的功能真核細胞中，肌動蛋白在微絲結(jié)合蛋白的協(xié)同下，形成獨特的微絲性骨架結(jié)構(gòu)，與細胞中許多重要的功能活動①肌肉收縮骨骼肌細胞的收縮單位是肌原纖維，肌原纖維由粗肌絲和細肌絲裝配而成，粗肌絲的成分是肌球蛋白，細肌絲的主要成分是肌動蛋白，輔以原肌球蛋白和肌鈣蛋白②微絨毛③應(yīng)力纖維④溶膠層和阿米巴運動⑤胞質(zhì)分裂環(huán)微管微管是存在于所有真核細胞中由微管蛋白裝配成的長管狀結(jié)構(gòu)，平均外徑為24nm細胞內(nèi)微管呈網(wǎng)狀或束狀分布，并能與其他蛋白共同裝配成紡錘體、基粒、中心粒、鞭毛、纖毛、軸突、神經(jīng)管等結(jié)構(gòu)，參與細胞形態(tài)的維持、細胞運動和細胞分裂微管由兩種類型的微管蛋白亞基，即а微管蛋白和β微管蛋白組成а微管蛋白和β微管蛋白形成微管蛋白異二聚體，是微管裝配的基本單位。微管蛋白二聚體含有鳥嘌呤核苷酸的兩個位點，二價陽離子亦能結(jié)合于微管蛋白二聚體上微管蛋白二聚體上具有一個秋水仙素結(jié)合位點，一個長春花堿結(jié)合位點微管是由微管蛋白二聚體裝配成的長管狀結(jié)構(gòu)，平均外徑為24nm，內(nèi)徑15nm，微管壁由13根原纖維排列構(gòu)成微管可裝配成單管、二聯(lián)管（纖毛和鞭毛中）、三聯(lián)管（中心粒和基體中）體外微管裝配條件⊙微管蛋白濃度：⊙最適PH:PH

6.9⊙離子：Ca2+應(yīng)盡可能除去，Mg2+為裝配所必需的⊙溫度：37度微管蛋白二聚體裝配成微管，0度微管解聚為二聚體⊙GTP供應(yīng)體內(nèi)微管裝配動態(tài)微管蛋白的合成是自我調(diào)節(jié)的，多余的微管蛋白單體結(jié)合于合成微管蛋白的核糖體上，導(dǎo)致微管蛋白mRNA降解微管在體內(nèi)的裝配和去裝配在時間和空間上是高度有序的間期細胞中，細胞質(zhì)微管與微管蛋白亞單位處于相對平衡狀態(tài)有絲分裂期中，胞質(zhì)微管裝配和去裝配動態(tài)受細胞周期調(diào)控，發(fā)生顯著改變分裂前期，胞質(zhì)微管網(wǎng)絡(luò)中的微管去裝配，游離的微管蛋白亞單位裝配為紡錘體分裂末期，發(fā)生逆向轉(zhuǎn)變微管組織中心微管在生理狀態(tài)及實驗處理解聚后重新裝配的發(fā)生處稱為微管組織中心（MTOC）動物細胞的MTOC為中心體MTOC決定了細胞微管的極性，微管（－）極指向MTOC，（＋）極背向MTOC微管特異性藥物秋水仙素、長春花堿作用：抑制微管裝配，使細胞分裂停留在分裂中期機制：與微管異二聚體結(jié)合Ca2+、高壓和低溫作用：破壞微管，是細胞分裂停止機制：直接破壞微管紫杉醇、重水（D2O）作用：促進微管的裝配，并使已形成的微管穩(wěn)定微管的功能①維持細胞形態(tài)②細胞內(nèi)運輸神經(jīng)軸突運輸和魚色素細胞中色素顆粒的運輸③鞭毛運動和纖毛運動④紡錘體和染色體運動⑤基粒和中心粒紡錘體微管可分類如下：⊙動粒微管：連接動粒與兩極的微管⊙極微管：從兩極發(fā)出，在紡錘體中部互相交錯重疊的微管⊙星體微管：組成星體的微管中間纖維中間纖維的分布具有嚴格的組織特異性，這一點已被應(yīng)用于腫瘤細胞臨床鑒別診斷，以鑒別腫瘤細胞的組織來源中間纖維蛋白來源于同一基因家族，具有高度同源性中間纖維的功能①角蛋白纖維參與橋粒的形成和維持②結(jié)蛋白纖維是肌肉Z盤的重要結(jié)構(gòu)組分，對于維持肌肉細胞的收縮起重要作用③增強細胞抗機械壓力

④神經(jīng)纖維在神經(jīng)細胞軸突內(nèi)起重要作用⑤參與傳遞細胞內(nèi)機械的或分子信息⑥中間纖維與mRNA的運輸有關(guān)、胞質(zhì)mRNA錨定于中間纖維可能對其在細胞內(nèi)的定位及是否翻譯起決定作用細胞核骨架細胞核骨架是存在于真核細胞核內(nèi)的以蛋白成分為主的纖維網(wǎng)架體系狹義的核骨架僅指核內(nèi)基質(zhì)，即細胞核內(nèi)除核膜、核纖層、染色質(zhì)、核仁和核孔以外的以纖維蛋白成分為主的纖維網(wǎng)架體系廣義的核骨架包括核基質(zhì)、核纖層和核孔復(fù)合體。核骨架與基因的復(fù)制及表達、細胞核及染色體的構(gòu)建有關(guān)染色體支架是指染色體中由非組蛋白構(gòu)成的骨架，與染色體的高級結(jié)構(gòu)有關(guān)，DNA放射環(huán)的根部結(jié)合在染色體支架上核纖層是位于細胞核內(nèi)層核膜下的纖維蛋白片層或纖維網(wǎng)絡(luò)，核纖層由1－3種核纖層蛋白多肽組成核纖層蛋白是中間纖維蛋白家族的成員細胞周期細胞增殖是細胞生命活動的重要特征之一細胞分裂和細胞死亡均為細胞生命活動的基本特征細胞增殖是生物繁育的基礎(chǔ)單細胞生物如酵母菌，細胞增殖將直接導(dǎo)致生物個體數(shù)量的增加成體多細胞生物需要通過細胞增殖以彌補代謝過程中衰老和死亡的細胞。維持細胞數(shù)量的平衡和機體得體正常功能，必須依賴細胞增殖，機體創(chuàng)傷愈合、組織再生、病理組織修復(fù)等，都要依賴細胞增殖細胞增殖受到嚴密的調(diào)控機制所監(jiān)控

細胞周期概述從一次細胞分裂完成開始，直至下一次細胞分裂結(jié)束為止，稱為一個細胞周期一個細胞周期包括兩個階段：分裂間期（90％－95％）和分裂期（5％－10％）分裂間期是細胞增殖的物質(zhì)準備和積累階段分裂期是細胞增殖的實施過程分裂間期又可人為地劃分為三個階段：G1期、S期、G2期S期被稱為DNA合成期，DNA的復(fù)制發(fā)生在S期在S期之前與上次細胞分裂之后，存在的時間間隔為G1期在S期后與細胞分裂之前，存在的時間間隔為G2期一個細胞周期可以人為地劃分為先后連續(xù)的4個時期：即G1期、S期、G2期、M期通常將含有這4個不同時期的細胞周期稱為標(biāo)準的細胞周期。細胞周期中的各個時期也常稱為時相

同種細胞之間，細胞周期時間長短相似或相同不同細胞種類之間，細胞周期長短差別很大高等生物體的細胞而言，細胞周期時間長短主要差別在G1期S期、G2期和M期的總時間相對恒定尤其是M期持續(xù)的時間更為恒定，常常僅持續(xù)半小時左右多細胞生物體內(nèi)的細胞類型多細胞生物是由一個受精卵經(jīng)過許多次分裂分化形成的細胞社會周期中細胞：有些細胞可能會持續(xù)分裂，即細胞周期持續(xù)運轉(zhuǎn)，這些細胞常稱為周期中細胞，如上皮組織的基底層細胞靜止期細胞：有些細胞會暫時離開細胞周期，停止細胞分裂，去執(zhí)行一定的生物學(xué)功能，這些細胞稱為靜止期細胞（或稱G0期細胞）如結(jié)締組織中的成纖維細胞周期中細胞轉(zhuǎn)化為G0期細胞多發(fā)生在G1期終末分化細胞：有一些細胞，由于分化程度很高，一旦生成后，則終生不再分裂，這些細胞稱為終末分化細胞，如大量的橫紋肌細胞、血液多型核白細胞、某些生物的有核紅細胞細胞周期中各個不同時期及其主要事件（1）G1期G1期是一個細胞周期的第一階段新生成的子代細胞立即進入一個細胞生長時期，開始合成細胞生長所需要的各種蛋白質(zhì)、糖類、脂質(zhì)等，但不合成DNA在G1期的晚期階段有一個特定時期起始點被認為是G1期晚期的一個基本事件這種細胞周期的進程有一系列監(jiān)控機制。這些特異性的監(jiān)控機制可以鑒別細胞周期進程中的錯誤，并誘導(dǎo)產(chǎn)生特異的抑制因子，阻止細胞周期進一步運行。在真核細胞中發(fā)現(xiàn)多種監(jiān)控機制，這些監(jiān)控機制猶如交通路途中設(shè)立的檢查站，隨時檢查過往的行人和車輛，因而這些監(jiān)控機制稱為檢驗點檢驗點不僅存在于G1期，也存在于其他時期，如S期檢驗點、G2期檢驗點、紡錘體裝配檢驗點（2）S期

S期即DNA合成期細胞經(jīng)過G1期，為DNA復(fù)制的啟始做好了各方面的準備進入S期后，立即開始合成DNA真核細胞新合成的DNA立即與組蛋白結(jié)合，共同組成核小體串珠結(jié)構(gòu)。新的組蛋白也是在S期合成的（3）G2期

DNA復(fù)制完成以后，細胞即進入G2期，此時，細胞核內(nèi)DNA的含量已經(jīng)增加一倍，其他結(jié)構(gòu)物質(zhì)和相關(guān)的亞細胞結(jié)構(gòu)也已進行了必要的準備通過G2期后，細胞即進入M期。但細胞能否順利進入M期，要受到G2期檢驗點的控制（4）M期

M期即細胞分裂期真核細胞的細胞分裂主要包括兩種方式，即有絲分裂和減數(shù)分裂體細胞一般進行有絲分裂；成熟的生殖細胞的形成通過減數(shù)分裂減數(shù)分裂是有絲分裂的特殊形式細胞經(jīng)過分裂，將其遺傳物質(zhì)載體平均分配到兩個子細胞中細胞周期長短測定細胞種類縱多，繁殖速度有快有慢，細胞周期長短差別很大細胞周期長短與細胞所處的外界環(huán)境也有密切關(guān)系。如在一定溫度范圍內(nèi)，溫度高，細胞分裂繁殖速度加快，溫度低，則分裂繁殖速度減慢關(guān)于細胞周期時間長短的測定工作，測定方法多種多樣目前可通過藥物誘導(dǎo)，使細胞周期阻斷在某個特定的時期，應(yīng)用較廣泛的方法主要有兩種，即DNA合成阻斷法和分裂中期阻斷法DNA合成阻斷法DNA合成阻斷法是一種采用低毒或無毒的DNA合成抑制劑特異地抑制DNA合成，而不影響處于其他時期的細胞進行細胞周期運轉(zhuǎn)，從而將被抑制的細胞抑制在DNA合成期的實驗方法目前采用最多的DNA合成抑制劑為TdR和羥基脲（HU）將一定劑量的抑制劑加入培養(yǎng)液并繼續(xù)培養(yǎng)一定時間，所有細胞即被抑制在S期分裂中期阻斷法分裂中期阻斷法利用某些藥物如秋水仙素、秋水仙胺和nocodazole等，可以抑制微管聚合，因而能有效地抑制分裂器紡錘體的形成，將細胞阻斷在分裂中期

特異的細胞周期特異的細胞周期是指那些特殊的細胞所具有的與標(biāo)準的細胞周期相比有著鮮明特點的細胞周期（1）早期胚胎細胞的細胞周期（2）酵母細胞的細胞周期（3）植物細胞的細胞周期早期胚胎細胞的細胞周期早期胚胎細胞的細胞周期主要指受精卵在卵裂過程中的細胞周期它與一般體細胞的細胞周期明顯不同，尤其是兩棲類、海洋無脊椎類以及昆蟲的早期胚胎細胞等最顯著的特點是：卵細胞在成熟過程中已經(jīng)積累了大量的物質(zhì)基礎(chǔ)，基本可以滿足早期胚胎發(fā)育的物質(zhì)需要，其細胞體積也顯著增加當(dāng)受精以后，受精卵便開始迅速卵裂，卵裂球數(shù)量增加，但其總體積并不增加，因而，卵裂球體積將越來越小每次卵裂所持續(xù)的時間，即一個細胞周期所持續(xù)的時間，大大短于一個體細胞周期所持續(xù)的時間早期胚胎細胞周期的G1期和G2期非常短酵母細胞的細胞周期用于進行細胞周期調(diào)控研究的酵母主要包括兩種：芽殖酵母和裂殖酵母酵母細胞周期也有明顯的