第九章-細(xì)胞骨架(沈婷)課件

細(xì)胞骨架（cytoskeleton）：是指真核細(xì)胞質(zhì)中的蛋白質(zhì)纖維網(wǎng)架體系。細(xì)胞骨架微管微絲中間纖維線粒體核糖體內(nèi)質(zhì)網(wǎng)

對(duì)維持細(xì)胞形態(tài)、固定細(xì)胞器、胞內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸、細(xì)胞分裂及細(xì)胞運(yùn)動(dòng)等有關(guān)。第九章細(xì)胞骨架

cytoskeletonIntroduction細(xì)胞骨架概念：

狹義：在真核細(xì)胞中與保持細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)和細(xì)胞運(yùn)動(dòng)有關(guān)的纖維網(wǎng)絡(luò)，包括微管、微絲和中間絲。

廣義：細(xì)胞質(zhì)骨架、核骨架、膜骨架、細(xì)胞外基質(zhì)。發(fā)現(xiàn)：電鏡樣品，鋨酸和高錳酸鉀低溫固定，細(xì)胞骨架破壞。

1963年使用戊二醛常溫固定，可觀察到三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。功能：支架作用、物質(zhì)運(yùn)輸、細(xì)胞器位移、細(xì)胞運(yùn)動(dòng)、細(xì)胞信息傳遞、基因表達(dá)、蛋白質(zhì)合成、細(xì)胞分裂分化結(jié)構(gòu)和支持胞內(nèi)運(yùn)輸收縮運(yùn)動(dòng)空間結(jié)構(gòu)微管（microtubule,MT）是由微管蛋白和微管結(jié)合蛋白組成的中空圓柱狀結(jié)構(gòu)。微管在胞質(zhì)中成網(wǎng)狀或束狀分布，并能與其他蛋白共同組裝成紡錘體、中心粒、鞭毛、纖毛、軸突等結(jié)構(gòu)。微管存在于幾乎所有真核細(xì)胞質(zhì)中。在生物進(jìn)化中十分穩(wěn)定。微管參與細(xì)胞形態(tài)的維持、細(xì)胞運(yùn)動(dòng)和細(xì)胞分裂。微管是由13條原纖維構(gòu)成的中空管狀結(jié)構(gòu)，直徑24~26nm，內(nèi)徑15nm。每一條原纖維由微管蛋白二聚體線性排列而成。微管蛋白二聚體（微管蛋白）由結(jié)構(gòu)相似的α和β微管蛋白構(gòu)成。α微管蛋白含有450aa，β微管蛋白含有455aa，二者形成微管蛋白異二聚體，是微管裝配的基本單位。一、微管蛋白與微管的結(jié)構(gòu)微管蛋白分子模型微管具有極性。原纖維中重復(fù)的αβ—αβ—αβ亞單位排列即構(gòu)成微管的極性。αβ—αβ即為頭—尾的方向。微管蛋白具有方向性(+)極的最外端是β球蛋白，(-)極的最外端是α球蛋白。(+)極生長速度快，(-)極生長速度慢。微管的形態(tài)結(jié)構(gòu)：

由13根原纖維縱向圍繞而成。橫斷面上看：中空狀，管壁由13個(gè)球形蛋白亞基組成。81113123456791012微管橫斷面

15nm

24-26nm

12345678910111213單管

AB二聯(lián)管

ABC三聯(lián)管

微管可以裝配成單管二聯(lián)管（纖毛和鞭毛中）三聯(lián)管（中心粒和基體中）微管的分布：單管：13條原纖維組成，細(xì)胞質(zhì)中大部分微管為單管。二聯(lián)管：兩根微管組成，分為A管、B管，A管B管共用三根原纖維，主要構(gòu)成鞭毛、纖毛。三聯(lián)管：由A、B、C三根微管組成，A與B、B與C各共用三根纖維，共含33根原纖維，主要構(gòu)成中心粒和基體。二聯(lián)管三聯(lián)管

二、微管結(jié)合蛋白(microtubuleassociatedprotein,MAP)：

同微管相結(jié)合的輔助蛋白，它們不是構(gòu)成微管壁的基本構(gòu)件，而是在微管蛋白組裝成微管之后，結(jié)合在微管的表面。微管結(jié)合蛋白是微管系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能所必需的組分，它們與運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生、微管組裝和去組裝的調(diào)節(jié)、微管和其他細(xì)胞組分之間的連接等密切相關(guān)。

微管的裝配主要表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性（dynamicinstability），即增長的微管末端有微管蛋白-GTP帽，在微管組裝期間或組裝后GTP被水解成GDP，從而使GDP-微管蛋白成為微管的主要成分。微管蛋白-GDP帽及短小的微管原纖維從微管末端脫落則使微管解聚。成核期：先由α和β微管蛋白聚合成一個(gè)短的寡聚體結(jié)構(gòu)，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(wěn)定期：游離微管蛋白濃度下降，達(dá)到臨界濃度，微管的組裝與去組裝速度相等，微管長度相對(duì)恒定。二、微管的組裝極性裝配：裝配快的一端（β微管蛋白）為（+）極，裝配慢或去組裝的一端（α微管蛋白）為（-）極踏車現(xiàn)象：微管的一端發(fā)生GTP和微管蛋白的添加，是微管不斷延長；另一端具有GDP的微管蛋白發(fā)生解聚而使微管縮短，組裝和去組裝達(dá)到平衡1.微管的體外組裝受多種因素影響

微管在生理狀態(tài)及實(shí)驗(yàn)處理解聚后重新裝配的發(fā)生處稱為微管組織中心。作用：動(dòng)物細(xì)胞的微管組織中心為中心體。MTOC決定細(xì)胞微管的極性，微管的負(fù)極(-)指向MTOC，正極(+)背向MTOC。在體外微管的裝配需要如下條件：1、微管蛋白濃度：低于臨界濃度不發(fā)生微管聚合。2、最適pHpH=6.9。3、離子

Ca2+應(yīng)盡可能除去，Mg2+為裝配所必須。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(yīng)。（二）微管的體外組裝微管蛋白的體外組裝分為成核(nucleation)和延長(elongation)兩個(gè)反應(yīng),其中成核反應(yīng)是微管組裝的限速步驟。成核反應(yīng)結(jié)束時(shí),形成很短的微管,此時(shí)二聚體以比較快的速度從兩端加到已形成的微管上,使其不斷加長。αβ二聚體同GTP結(jié)合后被激活，使二聚體聚合成微管，而GTP則分解GDP和Pi。當(dāng)微管(+)端形成GTP帽，而游離微管蛋白二聚體的濃度又很高時(shí)，微管趨于生長。當(dāng)結(jié)合GTP的游離微管蛋白二聚體的濃度降低，引起微管延長的速率下降時(shí)，隨著GTP水解的不斷進(jìn)行，最后GTP帽結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成GDP，逐漸使微管變得不穩(wěn)定，趨于解聚。細(xì)胞內(nèi)微管的這兩種狀態(tài)是不斷發(fā)生的,因?yàn)榧?xì)胞內(nèi)不斷有微管解聚,又不斷地有新微管的組裝。如果微管正端結(jié)合的是由結(jié)合GTP的微管蛋白二聚體組成的GTP帽結(jié)構(gòu),微管就趨于生長。如果微管的正端結(jié)合的是由結(jié)合GDP的微管蛋白二聚體組成的GDP帽結(jié)構(gòu)，這種微管就趨于縮短。

+-

踏車

在一定條件下，微管一端發(fā)生GTP和微管蛋白的添加，使微管延長，稱為正端；另一端具有GDP的微管蛋白發(fā)生解聚而使微管縮短，稱為負(fù)端。微管的這種裝配方式稱為踏車運(yùn)動(dòng)（treadmilling）。γ-TuRC組織微管在體內(nèi)的裝配在時(shí)間和空間是高度有序的。間期：微管與微管蛋白處于相對(duì)平衡狀態(tài)；γ-TuRC組織微管形成的能力被關(guān)閉；分裂前期：γ-TuRC磷酸化，開放γ-TuRC

組織形成微管的能力；（四）影響微管組裝和去組裝的因素對(duì)活細(xì)胞進(jìn)行各種處理可使細(xì)胞骨架微管去組裝，但不破壞其它細(xì)胞結(jié)構(gòu)。低溫、流體靜力學(xué)壓力、升高的鈣離子濃度微管特異性藥物秋水仙素、長春花堿、長春新堿和紫杉醇秋水仙素，最重要的微管工具藥物。秋水仙素結(jié)合和穩(wěn)定微管蛋白，阻止微管蛋白聚合，引起微管去組裝。長春花堿和長春新堿則結(jié)合微管蛋白異二聚體，抑制微管的聚合。細(xì)胞周期特異性抗腫瘤藥，作用于G1,S&M。阻斷增殖細(xì)胞紡錘體的形成，使有絲分裂停止于中期。2023/12/622紫杉醇(taxol)促進(jìn)微管的裝配，并使已形成的微管穩(wěn)定。紫杉醇所致的微管穩(wěn)定性對(duì)細(xì)胞是有害的，使細(xì)胞周期停止于有絲分裂期。紫杉醇類化合物在體內(nèi)優(yōu)先殺死腫瘤細(xì)胞，已用于癌癥的化療。四、微管的功能構(gòu)成細(xì)胞內(nèi)的網(wǎng)狀支架，支持和維持細(xì)胞的形態(tài)參與中心粒、纖毛和鞭毛的形成參與胞內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸維持細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞器的定位和分布參與染色體運(yùn)動(dòng)，調(diào)節(jié)細(xì)胞分裂參與細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)1、支持和維持細(xì)胞的形態(tài)用秋水仙素處理培養(yǎng)細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞喪失原有的形態(tài)而變圓。說明微管對(duì)維持細(xì)胞的不對(duì)稱形狀是重要的。微管具有一定剛性，可自然取直，在保持細(xì)胞外形方面起支撐作用。細(xì)胞突起部分，如偽足、鞭毛、纖毛、神經(jīng)軸突的形成和維持，都是微管在起關(guān)鍵作用。（線粒體、分泌小泡前體）（細(xì)胞器定位和轉(zhuǎn)運(yùn)）用破壞微管的藥物處理細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)能夠嚴(yán)重影響膜細(xì)胞器，特別是高爾基體在細(xì)胞內(nèi)的位置。高爾基體一般在細(xì)胞中央，細(xì)胞核外側(cè)，中心體附近。用秋水仙素處理細(xì)胞后，高爾基體分解成小囊泡，分散于四周；除去藥物，微管組裝后，高爾基體又恢復(fù)其在細(xì)胞內(nèi)的正常位置。

當(dāng)細(xì)胞從間期進(jìn)入分裂期時(shí)，間期細(xì)胞微管網(wǎng)架崩解，微管解聚為微管蛋白，經(jīng)重組裝形成紡錘體，介導(dǎo)染色體的運(yùn)動(dòng)；

分裂末期，紡錘體微管解聚為微管蛋白，經(jīng)重組裝形成微管網(wǎng)。

微管的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)功能具有重要的生物學(xué)作用，它與細(xì)胞的極化、微管的方向性及微管組織中心的位置均有關(guān)。第二節(jié)微絲

microfilament,MF又稱肌動(dòng)蛋白絲（actinfilament），是由肌動(dòng)蛋白（actin）組成的細(xì)絲，普遍存在于真核細(xì)胞中。

微絲以束狀、網(wǎng)狀或分散等多種方式有序地存在于細(xì)胞質(zhì)的特定空間位置上，并由此與微管和中間纖維共同構(gòu)成細(xì)胞骨架，參與細(xì)胞形態(tài)的維持以及細(xì)胞運(yùn)動(dòng)等生理功能。肌細(xì)胞：肌動(dòng)蛋白占細(xì)胞總蛋白10%，微絲形成特定的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；非肌細(xì)胞：肌動(dòng)蛋白占1%~5%。微絲常分布在細(xì)胞膜下方，大多呈現(xiàn)一種動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)。微絲是比微管細(xì)的實(shí)心纖維狀結(jié)構(gòu)一、肌動(dòng)蛋白與微絲的結(jié)構(gòu)形態(tài)：是一類由肌動(dòng)蛋白纖維組成的實(shí)心螺旋狀纖維細(xì)絲。

5-8nm，長短不一。在細(xì)胞中：微絲橫向連接聚合成束。分類：根據(jù)等電點(diǎn)不同分為α、β和γ3類肌動(dòng)蛋白：

α肌動(dòng)蛋白為橫紋肌、心肌、血管平滑肌和腸道平滑肌(肌細(xì)胞)特有；

β肌動(dòng)蛋白和γ肌動(dòng)蛋白分布于所有肌細(xì)胞和非肌細(xì)胞。存在方式：肌動(dòng)蛋白以單體和多聚體的形式存在。單體是一條多肽鏈構(gòu)成的球形分子，外觀呈啞鈴形，稱球形肌動(dòng)蛋白G-actin；多聚體稱為纖維形肌動(dòng)蛋白F-actin。特點(diǎn)：肌動(dòng)蛋白在進(jìn)化上高度保守，酵母和兔子肌肉的肌動(dòng)蛋白有88%的同源性。肌動(dòng)蛋白的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)單體G-肌動(dòng)蛋白和纖維狀F-肌動(dòng)蛋白的結(jié)構(gòu)肌動(dòng)蛋白是一種中等大小的蛋白質(zhì)，由375個(gè)氨基酸殘基組成，分子量為43kDa，由2個(gè)亞基，4個(gè)亞結(jié)構(gòu)域構(gòu)成。單體肌動(dòng)蛋白分子其上有三個(gè)結(jié)合位點(diǎn)：一個(gè)是ATP結(jié)合位點(diǎn),另兩個(gè)為肌球蛋白結(jié)合位點(diǎn)及陽離子結(jié)合位點(diǎn)。肌動(dòng)蛋白單體的結(jié)構(gòu)模型（b）電子顯微鏡觀察的經(jīng)負(fù)染的絲狀肌動(dòng)蛋白的形態(tài)(c)肌動(dòng)蛋白纖維亞基的裝配模型及其功能三、微絲的裝配機(jī)制（一）微絲的組裝分為三個(gè)階段體外實(shí)驗(yàn)表明,肌動(dòng)蛋白纖維的裝配分三步進(jìn)行，并且是三個(gè)連續(xù)的過程。（質(zhì)膜）條件：ATP、適宜的溫度、存在K+和Mg2+離子。

在體外將Mg2+、K+和Na+等無機(jī)離子加入到溶液中，能誘導(dǎo)G-肌動(dòng)蛋白聚合成F-肌動(dòng)蛋白纖維。該過程可逆。當(dāng)降低溶液中離子的濃度，F(xiàn)-肌動(dòng)蛋白纖維能夠解聚成G-肌動(dòng)蛋白。（三）影響微絲組裝的有關(guān)因素：

在含有ATP和Ca2+、低濃度的單價(jià)離子(Na+、K+等)溶液中微絲趨向解聚

G-actin

在含有ATP和Mg2+、高濃度的Na+、K+離子溶液中微絲趨向聚合（G-actin—F-actin）溶液ｐＨ＞7，易于進(jìn)行微絲的組裝。

肌動(dòng)蛋白濃度細(xì)胞松弛素B：特異性切斷微絲，結(jié)合在微絲末端抑制肌動(dòng)蛋白聚合，破壞微絲組裝，對(duì)微管無作用。鬼筆環(huán)肽：只與聚合微絲結(jié)合，抑制微絲解聚，破壞動(dòng)態(tài)平衡。-I細(xì)胞依賴肌動(dòng)蛋白和微絲結(jié)合蛋白的相互作用，可進(jìn)行變形運(yùn)動(dòng)。（A）微絨毛（B）細(xì)胞質(zhì)中的收縮束（C）運(yùn)動(dòng)細(xì)胞前緣的鞘和指（D）細(xì)胞分裂時(shí)的收縮環(huán)參與肌肉的收縮如通過肌球蛋白-1同微絲結(jié)合，將運(yùn)輸小泡沿微絲的負(fù)端向正端移動(dòng)第三節(jié)中間纖維

intermediatefilaments,IF直徑10nm左右，介于肌動(dòng)蛋白細(xì)絲和肌球蛋白粗絲之間，故名。中間纖維是最穩(wěn)定的細(xì)胞骨架成分，既不受細(xì)胞松弛素影響也不受秋水仙素的影響。沒有極性。主要起支撐作用。中間纖維與微管和微絲的差異：①中間纖維是相當(dāng)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，即使用含有去垢劑和高鹽溶液抽提細(xì)胞，中間纖維仍然保持完整無缺。②中間纖維在體積和形態(tài)上與微管和微絲不同，其成分比微管和微絲都要復(fù)雜，且具有組織特異性，不同類型細(xì)胞含有不同中間纖維。③中間纖維的亞基并不與核苷酸結(jié)合，而微管的亞基與GTP或GDP結(jié)合，微絲的亞基則與ATP或ADP結(jié)合。一、中間纖維的分布、結(jié)構(gòu)和類型

（一）分布：中間纖維是一類絲狀蛋白多聚體。分布于細(xì)胞質(zhì)中常形成精細(xì)發(fā)達(dá)的纖維網(wǎng)絡(luò)，外與細(xì)胞膜與細(xì)胞外基質(zhì)相連，內(nèi)與核纖層有直接的聯(lián)系。中間纖維與微絲、微管及其他細(xì)胞器也有著錯(cuò)綜復(fù)雜的纖維聯(lián)絡(luò)。（二）中間纖維的分子結(jié)構(gòu)中間纖維的基本組成單位——中間纖維單體（絲狀蛋白）中間纖維單體共同結(jié)構(gòu)域-螺旋桿狀區(qū)非螺旋區(qū)：310個(gè)氨基酸殘基組成的ａ螺旋桿部(這是一個(gè)高度保守的二級(jí)結(jié)構(gòu))。由4個(gè)螺旋構(gòu)成，螺旋區(qū)之間被3個(gè)間隔區(qū)隔開。頭部（N-端）尾部（C-端）結(jié)構(gòu)與裝配結(jié)構(gòu)桿狀區(qū)球形頭部（N端）尾部（C端）角蛋白波形蛋白神經(jīng)絲蛋白核纖層（三）具有組織特異性，不同類型細(xì)胞含有不同中間纖維。細(xì)胞內(nèi)中間纖維的種類和成分可隨細(xì)胞的生長或成熟而變化。二、非極化四個(gè)八聚體組裝中間纖維的組裝單體二聚體超螺旋COOH單體NH2COOHCOOH二聚體NH2NH2COOHCOOHNH2NH2四聚體NH2NH2COOHCOOH四聚體原纖維八聚體八聚體亞絲中間纖維中間纖維原纖維2.IF的裝配過程：①兩個(gè)單體形成超螺旋二聚體；②兩個(gè)二聚體反向平行組裝成四聚體；③四聚體組成原纖維；④8根原纖維組成中間纖維。特點(diǎn)：無極性；無動(dòng)態(tài)蛋白庫；裝配與溫度和蛋白濃度無關(guān)；不需要ATP、GTP或結(jié)合蛋白的輔助。二、結(jié)構(gòu)與裝配磷酸化，中間纖維解體；去磷酸化，中間纖維再形成三、中間絲的功能

1.參與構(gòu)成細(xì)胞完整的支撐網(wǎng)架系統(tǒng)

構(gòu)成細(xì)胞完整的支撐網(wǎng)架系統(tǒng)，還與細(xì)胞核的形態(tài)支持和定位、相鄰細(xì)胞之間、細(xì)胞與基膜之間連接結(jié)構(gòu)的形成，2.為細(xì)胞提供機(jī)械強(qiáng)度支持四、中間絲的功能

胞質(zhì)骨架三種組分的比較微絲微管中間纖維單體肌動(dòng)蛋白αβ微管蛋白絲狀蛋白結(jié)合核苷酸AT