醫(yī)學(xué)細胞生物學(xué)：第七章 細胞骨架與細胞的運動

第七章細胞骨架與細胞的運動細胞骨架（cytoskeleton）：真核細胞之中的蛋白質(zhì)纖維網(wǎng)狀體系，它對于細胞的形狀、細胞的運動、細胞內(nèi)物質(zhì)的運輸、染色體的分離和細胞分裂等均起著重要的作用。⑴狹義：指細胞質(zhì)骨架，由微管（microtubule）、微絲（microfilament）和中間纖維（intemediatefilament）組成。⑵廣義：包括細胞質(zhì)骨架、細胞核骨架和細胞外基質(zhì)。細胞骨架的三種類型結(jié)構(gòu)和支持：中間纖維使細胞具有張力和抗剪切力。細胞內(nèi)運輸：微管確定膜性細胞器的位置和作為膜泡運輸?shù)膶?dǎo)軌。運動和收縮：微絲確定細胞表面特征，使細胞能夠運動和收縮空間組織：微管組成有絲分裂器作細胞骨架功能：第一節(jié)微管（microtubule,MT）微管：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)，普遍存在于真核細胞的胞質(zhì)中，分布于核周圍，呈放射狀向四周擴散。培養(yǎng)的表皮細胞中的微管（紅色熒光）1、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。一、微管蛋白與微管的結(jié)構(gòu)2、每一條原纖維由微管蛋白二聚體線性排列而成，原纖維的兩端和側(cè)面增加二聚體，擴展成片層，當(dāng)片層達到13根原纖維時，即合攏成一段微管，新的異二聚體再不斷增加到微管兩端。3、微管蛋白二聚體由結(jié)構(gòu)相似的α和β球蛋白構(gòu)成。4、微管具有極性，兩端增長速度不同，增長速度快的為正端，另一端為負(fù)端。大多數(shù)微管處于動態(tài)組裝和去組裝狀態(tài)，具有踏車行為。5、微管的種類單管：常分散于細胞質(zhì)中或成束分布，胞質(zhì)中主要形式二聯(lián)管：由A、B兩根單管組成，纖毛和鞭毛三聯(lián)管：A、B、C三根單管組成，中心粒、鞭毛及纖毛微管結(jié)合蛋白（microtubuleassociatedprotein，MAP）：同微管相結(jié)合的輔助蛋白，與微管共存，參與微管的裝配功能1、促進微管組裝；2、增加微管穩(wěn)定性；3、促進微管聚集成束。種類MAP-1,MAP-2,tau存在于神經(jīng)元,MAP4在神經(jīng)元和非神經(jīng)元細胞都存在二、微管結(jié)合蛋白一個是堿性的微管蛋白結(jié)合結(jié)構(gòu)域,另一個是酸性的外伸的結(jié)構(gòu)域，與其它細胞骨架相連。成核期（延遲期）：和微管蛋白聚合成短的寡聚體，核心形成。聚合期（延長期）：微管蛋白聚合速度大于解聚速度，為微管延長。穩(wěn)定期（平衡期）：胞質(zhì)中游離微管蛋白濃度達到臨界濃度，微管的組裝與去組裝速度相等。三、微管的裝配分三個時期：（一）微管裝配的起始點是微管組織中心

microtubuleorganizingcenter,MTOC是微管進行組裝的區(qū)域，都具有γ微管球蛋白，如：中心體、鞭毛基體。微管蛋白在中心體上的聚合MTOC處微管蛋白以γ-TuRC為模板核化，先組裝出（-）極，然后開始生長微管蛋白環(huán)形復(fù)合體（γ-tubulinringcomplex，γ-TuRC）：10-13個γ-微管蛋白分子的環(huán)形結(jié)構(gòu)（二）微管的體外裝配在體外，只要微管蛋白異二聚體達到一定的臨界濃度（約1mg/ml)，Mg2+存在，pH6.9和37℃緩沖液中，異二聚體即聚合成微管，GTP提供能量。α/β微管蛋白異二聚體同GTP結(jié)合后被激活，引起微管蛋白分子呈直線型，從而使異二聚體聚合成微管，而GTP則分解為GDP和Pi。當(dāng)聚合迅速進行時，微管蛋白分子添加到微管上的速度大于GTP水解速度，因此新生成的微管上是GTP-微管蛋白亞基，且GTP-微管蛋白亞基之間結(jié)合牢固，在微管末端形成GTP帽，防止微管解聚。當(dāng)微管兩端具有GTP帽時，微管繼續(xù)組裝。當(dāng)微管兩端具有GDP帽時，將改變異二聚體的構(gòu)象使原纖維彎曲而不能形成微管的管壁，微管趨向于解聚細胞內(nèi)不斷有微管組裝和解聚微管的踏車運動：在一定條件下，微管兩個端點的裝配速度不同，表現(xiàn)出明顯極性，微管的一端發(fā)生GTP和微管蛋白的添加，使微管不斷延長，稱為正端；而另一端具有GDP的微管蛋白發(fā)生解聚而使微管縮短，則為負(fù)端。（三）微管的體內(nèi)裝配γ-TuRC存在于微管組織中心，象一顆種子，成為更多異二聚體結(jié)合上去的核心，微管生長、延長。γ-TuRC組織微管形成的能力受細胞周期調(diào)控，在間期被關(guān)閉，在G2期到M期轉(zhuǎn)換時，某種激酶可能使γ-微管蛋白或γ-TuRC中的某些蛋白質(zhì)磷酸化，從而開放γ-TuRC組織形成微管的能力。（四）很多因素影響微管組裝和解聚包括GTP濃度、壓力、溫度、pH、離子濃度、微管蛋白臨界濃度、藥物等。藥物：紫杉醇（taxol）:和微管緊密結(jié)合防止微管蛋白亞基的解聚，加速微管蛋白聚合作用。秋水仙素（cochicine）：結(jié)合和穩(wěn)定游離微管蛋白，引起微管解聚作用。長春新堿（vinblastine）：結(jié)合微管蛋白異二聚體，抑制聚合作用四、微管的功能（一）微管構(gòu)成細胞內(nèi)的網(wǎng)狀支架，支持和維持細胞的形態(tài)如血小板中有一束微管環(huán)形排列于血小板周圍，維持血小板結(jié)構(gòu)，低溫下消失，血小板變?yōu)椴灰?guī)則的球形，加熱重新出現(xiàn)，恢復(fù)圓盤結(jié)構(gòu)。血小板細胞骨架血小板形態(tài)改變（二）微管參與中心粒、纖毛和鞭毛形成中心粒由9組三聯(lián)體微管圍成的圓筒狀結(jié)構(gòu)，（1）細胞分裂間期，中心體形成胞質(zhì)微管，作為物質(zhì)運輸軌道、對細胞形狀維持和改變起作用；（2）在M期指導(dǎo)紡錘絲和染色體的移動纖毛（cilia）與鞭毛（flagella）具9+2類型結(jié)構(gòu)，具運動功能微管為9+2結(jié)構(gòu)。中央有兩條中央微管，中央微管的外周包圍一層蛋白性質(zhì)的中央鞘，外周以9組二聯(lián)管圍繞。二聯(lián)微管A管由13條原纖維組成，B管由10條原纖維組成。A管向中央發(fā)出一條輻，向相鄰B管伸出兩條動力蛋白臂(dyneinarm），頭部具有ATP酶活性，為纖毛和鞭毛運動提供動力。（三）微管參與細胞內(nèi)物質(zhì)運輸由微管馬達蛋白（motorprotein）完成胞內(nèi)物質(zhì)運輸馬達蛋白包括：驅(qū)動蛋白kinesin、動力蛋白dynein、肌球蛋白myosin驅(qū)動蛋白和動力蛋白以微管作為運行軌道，肌球蛋白以肌動蛋白纖維作為運行軌道動力蛋白:由兩條相同的重鏈和一些種類繁多的輕鏈以及結(jié)合蛋白構(gòu)成。在細胞分裂中推動染色體的分離、驅(qū)動鞭毛的運動、向著微管（-）極運輸小泡。驅(qū)動蛋白:由兩條輕鏈和兩條重鏈構(gòu)成的四聚體，能向著微管（+）極運輸小泡。（四）微管維持細胞內(nèi)細胞器的定位和分布線粒體的分布與微管伴隨游離核糖體附著于微絲交叉點微管使內(nèi)質(zhì)網(wǎng)在細胞質(zhì)中展開分布高爾基體在細胞中央靠近細胞核而定位于中心體附近微管維持細胞內(nèi)細胞器的定位和分布（五）微管參與染色體的運動，調(diào)節(jié)細胞分裂微管形成紡錘體，在細胞分裂中牽引染色體到達分裂極。（六）微管參與細胞內(nèi)信號傳導(dǎo)已證明微管參與hedgehog、JNK、Wnt、ERK及PAK蛋白激酶信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，與細胞極化、微管不穩(wěn)定動力學(xué)行為、微管穩(wěn)定性變化、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又稱肌動蛋白絲（actinfilament），是由肌動蛋白（actin）組成的兩條螺旋形鏈，直徑約7nm。肌動蛋白單體（G-actin，球形肌動蛋白）F-肌動蛋白（F-actin，纖維狀肌動蛋白）一、肌動蛋白與微絲的結(jié)構(gòu)

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。actin單體由375個a.a組成，與一分子ATP緊密相連，外觀呈啞鈴形，稱球形肌動蛋白（G-actin）；微絲是G-actin形成的多聚體，稱為纖維形肌動蛋白F-actin。肌動蛋白單體具有極性，因此微絲也有極性，存在負(fù)端（minusend）和正端（plusend）二、微絲結(jié)合蛋白及其功能有100多種，與微絲裝配及功能相關(guān)（一）單體隔離蛋白（monomersequesteringprotein）：如抑制蛋白和胸腺素，抑制單體肌動蛋白結(jié)合，它們的活性和濃度決定肌動蛋白聚合或解聚（二）交聯(lián)蛋白（crosslinkingprotein）能改變細胞內(nèi)肌動蛋白纖維的三維結(jié)構(gòu)，有兩個或兩個以上肌動蛋白結(jié)合位點，使細胞內(nèi)肌動蛋白纖維形成網(wǎng)絡(luò)。（三）末端阻斷蛋白（endblockingprotein）：通過同肌動蛋白纖維的一端或兩端的結(jié)合調(diào)節(jié)肌動蛋白纖維長度（四）纖維切割蛋白（filamentseveringprotein）：能夠同已經(jīng)存在的肌動蛋白纖維結(jié)合并將它一分為二（五）肌動蛋白纖維解聚蛋白（actinfilamentdepolymerizingprotein）：主要存在于肌動蛋白絲骨架快速變化部位，同肌動蛋白絲結(jié)合，引起肌動蛋白絲快速去聚合形成肌動蛋白單體。（六）膜結(jié)合蛋白（membranebindingprotein）：非肌細胞質(zhì)膜下方產(chǎn)生收縮的機器微絲結(jié)合蛋白二、微絲的裝配機制（一）微絲的組裝過程分為成核、聚合和穩(wěn)定三個階段ATP、適宜的溫度、存在K+和Mg2+離子，2-3個actin聚集成一個核心（核化）；ATP-actin分子向核心兩端加合。在快速生長的纖維兩端形成ATP-actin帽，一旦暴露出ADP-actin，則開始去組裝。（二）微絲的組裝可用踏車模型和非穩(wěn)態(tài)動力學(xué)模型來解釋具有極性，ATP-actin加到(+)極的速度要比加到(-)極的速度快5-10倍。溶液中ATP-肌動蛋白的濃度處于臨界濃度時，ATP-肌動蛋白在(+)端添加，而從(-)端分離，表現(xiàn)出“踏車”現(xiàn)象。微絲的踏車行為：微絲兩端聚合加入和解聚釋放的亞單位速度達到平衡，微絲長度不變（三）微絲的組裝受多種因素影響受G-肌動蛋白臨界濃度的影響受ATP、Ca2+、Na+、K+濃度影響受藥物細胞松弛素B（cytochalasin）、鬼筆環(huán)肽（phalloidin）影響：破壞微絲聚合和解聚平衡

細胞松弛素可切斷微絲纖維，并結(jié)合在微絲末端抑制肌動蛋白單體加合到微絲纖維上，特異性的抑制微絲功能。

鬼筆環(huán)肽與微絲能夠特異性的結(jié)合，使微絲纖維穩(wěn)定而抑制其功能肌細胞中的肌動蛋白束A：微絨毛；B：細胞質(zhì)中的收縮束；C：細胞皮層及運動細胞前緣的片狀偽足；D：細胞分裂時的收縮環(huán)三、微絲的功能Fibronectin：纖連蛋白Integrin：整合素Vinculin：粘著斑蛋白Talin：踝蛋白Focaladhesionkinase：粘著斑激酶Paxillin：樁蛋白(一)微絲構(gòu)成細胞的支架并維持細胞形態(tài)紅細胞胞質(zhì)區(qū)細胞骨架血影蛋白與帶4.1蛋白、肌動蛋白一起構(gòu)成紅細胞質(zhì)膜骨架的超結(jié)構(gòu)，維持紅細胞雙凹盤狀結(jié)構(gòu)形成微絨毛：將微絲連接成束，賦予微絨毛剛性結(jié)構(gòu)Villin：絨毛蛋白，fimbrin：絲束蛋白應(yīng)力纖維（stressfiber）：在細胞內(nèi)緊鄰質(zhì)膜下方，與細胞長軸平行，并貫穿細胞全長，具有收縮功能，但不能運動，維持細胞形狀、抗剪切力。（二）微絲參與細胞的運動:巨噬細胞伸出偽足正向細菌移動細胞含有豐富微絲，依賴肌動蛋白和微絲結(jié)合蛋白的相互作用，進行變形運動巨噬細胞吞噬細菌(三)微絲參與細胞分裂有絲分裂過程中：微絲與myosin-II形成收縮環(huán)（contractilering），腰部的緊縮導(dǎo)致胞質(zhì)一分為二。(四)微絲參與肌肉收縮骨骼肌收縮的基本結(jié)構(gòu)單位是肌小節(jié)，肌小節(jié)主要成分是肌原纖維。肌原纖維由粗肌絲與細肌絲組成。粗肌絲：10nm，由肌球蛋白（myosin）組成細肌絲：5nm，由肌動蛋白、原肌球蛋白（tromyosin）和肌鈣蛋白（troponin）組成。肌肉收縮的滑動絲模型肌球蛋白（myosin）：屬于馬達蛋白，趨向微絲的（+）極。由2個重鏈和4個輕鏈組成，外觀具有兩個球形的頭和一個螺旋化的桿，頭部有ATP酶活性。（1）結(jié)合：肌球蛋白頭部與肌動蛋白絲緊密結(jié)合；（2）釋放：肌球蛋白結(jié)合ATP，誘導(dǎo)肌球蛋白構(gòu)象變化，頭部與肌動蛋白絲分離；（3）直立：ATP頭部沿細絲移動5μm，ATP水解，水解的ADP和Pi仍結(jié)合于肌球蛋白；（4）產(chǎn)力：肌球蛋白頭部微弱結(jié)合到細絲新位點，釋放Pi，頭部與肌動蛋白絲強結(jié)合，產(chǎn)生機械力，肌球蛋白構(gòu)象變化，ADP釋放，恢復(fù)原構(gòu)象。（5）再結(jié)合：循環(huán)到最后，肌球蛋白頭部又與細絲緊密結(jié)合，但到了新的結(jié)合位點，移動一段距離，導(dǎo)致肌肉收縮。第三節(jié)中間纖維（intermediatefilaments，IF）直徑10nm左右，介于肌肉細胞的actin細絲和肌球蛋白粗絲之間。IF是最穩(wěn)定細胞骨架成分，起支撐作用。IF在細胞中圍繞著細胞核分布，成束成網(wǎng)，并擴展到細胞質(zhì)膜，與質(zhì)膜相連結(jié)。紅色：角蛋白Keratin神經(jīng)細胞的軸突分為5類：角蛋白（表皮和表皮細胞）、結(jié)蛋白（肌細胞）、膠質(zhì)原纖維酸性蛋白（神經(jīng)膠質(zhì)細胞）、波形纖維蛋白（成纖維細胞、白細胞等）、神經(jīng)纖絲蛋白（神經(jīng)元細胞）。具有組織特異性，不同類型細胞含有不同IF，因此腫瘤細胞轉(zhuǎn)移后仍保留源細胞的IF，作為鑒別腫瘤細胞組織來源的依據(jù)。一、IF的結(jié)構(gòu)和類型（二）中間纖維蛋白的類型和分布較為復(fù)雜1、角蛋白keratin

為表皮細胞特有，具有α和β兩類，β角蛋白存在于細胞中，α角蛋白形成頭發(fā)、指甲等堅韌結(jié)構(gòu)。分為：酸性角蛋白（I型）、中性或堿性角蛋白（II型）。組裝時首先由I型和II型組成異二聚體，再形成中間纖維。2、結(jié)蛋白desmin

又稱骨骼蛋白skeletin，存在于肌肉細胞中，主要功能是使肌纖維連在一起。3、膠質(zhì)原纖維酸性蛋白（glialfibrillaryacidicprotein）存在于星形神經(jīng)膠質(zhì)細胞和許旺細胞，起支撐作用。4、波形纖維蛋白（vimentin）存在于間充質(zhì)細胞及中胚層來源的細胞中。5、神經(jīng)纖絲蛋白（neurofilamentprotein）是由三種分子量不同的多肽組成的異聚體，功能是提供彈性使神經(jīng)纖維易于伸展和防止斷裂。二、 IF的裝配和調(diào)節(jié)（一）結(jié)構(gòu)由螺旋化桿狀區(qū)，以及兩端非螺旋化的球形頭（N端）尾（C端）部構(gòu)成。桿狀區(qū)高度保守，由螺旋1和螺旋2構(gòu)成，每個螺旋區(qū)還分為A、B兩個亞區(qū)。兩個單體形成超螺旋二聚體反向平行組裝成四聚體；2個或多個四聚體組成原纖維4根原纖維組成中間纖維（二）IF的裝配特點：IF沒有極性；無動態(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。三、IF的功能破壞角蛋白網(wǎng)絡(luò)引起空泡維持組織的機械拉力：比微絲和微管更耐受剪切力。橋粒半橋粒中間纖維參與橋粒和半橋粒連接，中間纖維形成一個網(wǎng)絡(luò)，既能維持細胞形態(tài)，又能提供支持力。核膜的核纖層起支持作用胞質(zhì)骨架三種組分的比較

微絲

微管

中間纖維

單體

球蛋白

α、β球蛋白

桿狀蛋白

結(jié)合核苷酸

ATP-G-actin

2GTP/αβ二聚體

無

纖維直徑

~7nm

~22nm

10nm

結(jié)構(gòu)

雙鏈螺旋

13根源纖絲組成空心管狀纖維

8個4聚體或4個8聚體組成的空心管狀纖維

極性

有

有

無

組織特異性

無

無

有

蛋白庫

有

有

無

踏車形為

有

有

無

動力結(jié)合蛋白

肌球蛋白

動力蛋白，驅(qū)動蛋白

無

特異性藥物

細胞松馳素

鬼筆環(huán)肽

秋水仙素，長春花堿，紫杉醇

第四節(jié)細胞的運動一、微管與細胞運動一些細胞通過纖毛和鞭毛運動，微管滑動模型機制：

動力蛋白頭部與相鄰微管的B微管接觸，促進同動力蛋白結(jié)合的ATP水解，并釋放ADP和Pi，改變了A微管動力蛋白頭部的構(gòu)象，促進頭部朝向相鄰二聯(lián)管的正極滑動，使相鄰二聯(lián)管產(chǎn)生彎曲力。鞭毛運動原理：動力蛋白臂的