第10章 細(xì)胞骨架-3版

第十章細(xì)胞骨架(Cytoskeleton)

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

細(xì)胞骨架是指存在于真核細(xì)胞的細(xì)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(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中包括微絲、微管和中間纖維。

在細(xì)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(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)的網(wǎng)架體系。細(xì)胞骨架狹義:廣義細(xì)胞質(zhì)骨架微絲微管中間纖維細(xì)胞核骨架細(xì)胞質(zhì)骨架細(xì)胞膜骨架細(xì)胞外基質(zhì)◆細(xì)胞骨架主要功能的概述

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

作為在細(xì)胞內(nèi)定位各種細(xì)胞器的內(nèi)部框架。

作為高速公路網(wǎng)指導(dǎo)物質(zhì)與細(xì)胞器在細(xì)胞內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。

作為產(chǎn)生力的裝置，將細(xì)胞從一個(gè)地方移至到另一個(gè)地方。

作為錨定mRNA并促進(jìn)其翻譯成多肽的位點(diǎn)。

作為細(xì)胞分裂的必要組分。第二節(jié)細(xì)胞骨架的組成●微管（microtubules,MT）●微絲(microfilament,MF)●中間纖維(intermediatefilament,IF)細(xì)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(dòng)蛋白纖維(actinfilament),是指真核細(xì)胞中由肌動(dòng)蛋白(actin)單體組成的直徑為7nm的骨架纖維。在細(xì)胞內(nèi)與幾乎所有形式的運(yùn)動(dòng)相關(guān)。（二）成分與形態(tài)結(jié)構(gòu)◆成分

肌動(dòng)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(dòng)蛋白（G-actin）?！粜螒B(tài)結(jié)構(gòu)

由球形肌動(dòng)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(dòng)蛋白（F-actin）

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

(三）微絲的組裝及動(dòng)力學(xué)特性◆MF是由G-actin單體形成的多聚體，肌動(dòng)蛋白單體具有極性，裝配時(shí)呈頭尾相接，故微絲具有極性，既正極與負(fù)極之別?！粑⒔z的極性

有裂口的一端是負(fù)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(yīng)

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

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

體內(nèi)裝配時(shí)，MF呈現(xiàn)出動(dòng)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(dòng)態(tài)變化與細(xì)胞生理功能變化相適應(yīng)。在體內(nèi),有些微絲是永久性的結(jié)構(gòu),有些微絲是暫時(shí)性的結(jié)構(gòu)。（四）微絲特異性藥物◆細(xì)胞松弛素(cytochalasins)：可以切斷微絲,并結(jié)合在微絲正極阻抑肌動(dòng)蛋白聚合,因而導(dǎo)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(dòng)態(tài)性的藥物對(duì)細(xì)胞都有毒害，說明微絲功能的發(fā)揮依賴于微絲與肌動(dòng)蛋白單體庫間的動(dòng)態(tài)平衡。這種動(dòng)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(luò)

微絲

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

可溶性肌動(dòng)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(dāng)細(xì)胞需要單體時(shí)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。·Contractilebundle:MF反向平行排列，主要發(fā)現(xiàn)于應(yīng)力纖維和有絲分裂收縮環(huán)?！el-likenetwork:細(xì)胞皮層(cellcortex)中微絲排列形式，MF相互交錯(cuò)排列。（六）微絲的功能◆維持細(xì)胞形態(tài)，賦予質(zhì)膜機(jī)械強(qiáng)度◆肌肉收縮(musclecontraction)◆微絨毛(microvillus)◆應(yīng)力纖維(stressfiber)◆與細(xì)胞質(zhì)運(yùn)動(dòng)和細(xì)胞移動(dòng)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(luò)結(jié)構(gòu)，維持細(xì)胞形狀和賦予質(zhì)膜機(jī)械強(qiáng)度，如哺乳動(dòng)物紅細(xì)胞膜骨架的作用。1、維持細(xì)胞形態(tài)，賦予質(zhì)膜機(jī)械強(qiáng)度◆細(xì)胞質(zhì)運(yùn)動(dòng)

胞質(zhì)環(huán)流

穿梭運(yùn)動(dòng)◆細(xì)胞移動(dòng)

變形運(yùn)動(dòng)

變皺膜運(yùn)動(dòng)

形態(tài)發(fā)生運(yùn)動(dòng)成纖維細(xì)胞爬行與微絲裝配和解聚相關(guān)

與細(xì)胞質(zhì)運(yùn)動(dòng)和細(xì)胞移動(dòng)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(dòng)蛋白因而無收縮功能◆功能

是腸上皮細(xì)胞的指狀突起，用以增加腸上皮細(xì)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(xì)胞?！舫煞?/p>

肌動(dòng)蛋白、肌球蛋白、原肌球蛋白和-輔肌動(dòng)蛋白。◆作用

介導(dǎo)細(xì)胞間或細(xì)胞與基質(zhì)表面的粘著。（細(xì)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(yīng)力纖維,具有收縮功能。）

4、應(yīng)力纖維（stressfiber）

◆時(shí)期在動(dòng)物細(xì)胞和低等植物細(xì)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(jī)制其收縮機(jī)制是肌動(dòng)蛋白（actiom)和肌球蛋白相(myosin)的相對(duì)滑動(dòng)。

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(xì)胞骨架的效力非常高的能量轉(zhuǎn)換器，它直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能?！艏∪獾募?xì)微結(jié)構(gòu)(以骨骼肌為例)◆肌肉收縮的滑動(dòng)模型◆由神經(jīng)沖動(dòng)誘發(fā)的肌肉收縮基本過程

肌肉的細(xì)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(xì)肌絲肌動(dòng)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(fù)極到正極進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。 ·MyosinⅡ 主要分布于肌細(xì)胞，有兩個(gè)球形頭部結(jié)構(gòu)域(具有ATPase活性)和尾部鏈,多個(gè)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(dòng)蛋白螺旋溝內(nèi),結(jié)合于細(xì)絲,調(diào)節(jié)肌動(dòng)蛋白與肌球蛋白頭部的結(jié)合。 ③肌鈣蛋白(Troponin,Tn)為復(fù)合物，包括三個(gè)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(dòng)誘發(fā)的肌肉收縮基本過程◆動(dòng)作電位的產(chǎn)生◆Ca2+的釋放◆原肌球蛋白位移◆肌動(dòng)蛋白絲與肌球蛋白絲的相對(duì)滑動(dòng)◆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(gè)鳥嘌呤核苷酸結(jié)合位點(diǎn)

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

β-微管蛋白有一個(gè)結(jié)合的GTP（E位點(diǎn)）該GTP在組裝成多聚體之后，被水解成GDP?！粑⒐艿男螒B(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(xì)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(yùn)動(dòng)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(dòng)力學(xué)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。◆αβ二聚體先形成環(huán)狀核心(ring),經(jīng)過側(cè)面增加二聚體而擴(kuò)展為螺旋帶?！籀力露垠w平行于長軸重復(fù)排列形成原纖維(protofilament)?！舢?dāng)螺旋帶加寬至13根原纖維時(shí),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(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。

裝配方式◆微管裝配的動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性(dynamicinstability)是指在細(xì)胞內(nèi)的同一區(qū)域中生長的微管與縮短的微管同時(shí)存在,而且一條特定的微管在生長項(xiàng)與縮短項(xiàng)之間交替切換的現(xiàn)象。（細(xì)胞骨架）◆動(dòng)力學(xué)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?！籼ぼ嚞F(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)。◆紫杉酚(taxol)能促進(jìn)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(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性(動(dòng)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(xì)胞內(nèi)，能夠起始微管的成核作用，并使之延伸的細(xì)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(xì)胞MTOC：

中心體(動(dòng)態(tài)微管)

◆分裂細(xì)胞MTOC：

有絲分裂紡錘體極(動(dòng)態(tài)微管)

◆鞭毛纖毛細(xì)胞MTOC：

基體(永久性結(jié)構(gòu))

◆高等植物細(xì)胞MTOC：間期細(xì)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(yuǎn)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(xì)胞形狀◆參與細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的運(yùn)輸◆細(xì)胞器的定位◆鞭毛(flagella)運(yùn)動(dòng)和纖毛(cilia)運(yùn)動(dòng)◆參與紡錘體形成和染色體運(yùn)動(dòng)◆參與基體與中心粒的構(gòu)建

維持細(xì)胞形狀

◆用秋水仙素處理細(xì)胞破壞微管,導(dǎo)致細(xì)胞變圓,說明微管對(duì)維持細(xì)胞的不對(duì)稱形狀是重要的?！魧?duì)于動(dòng)物細(xì)胞突起部分,如纖毛、鞭毛、神經(jīng)細(xì)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?xì)胞中，微管通過影響細(xì)胞壁的形成在維持細(xì)胞形狀方面起間接作用。

皮層微管纖維素合成酶運(yùn)動(dòng)纖維素微纖絲與皮層微管平行細(xì)胞伸長細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的運(yùn)輸

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

◆神經(jīng)元軸突運(yùn)輸?shù)念愋图斑\(yùn)輸模式

◆色素顆粒的運(yùn)輸

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

胞質(zhì)中微管馬達(dá)蛋白（motorprotein）分為兩大類：

驅(qū)動(dòng)蛋白(kinesin):沿著微管向正極端運(yùn)動(dòng)

胞質(zhì)動(dòng)力蛋白(cytoplasmicdynein)：沿著微管向負(fù)極運(yùn)動(dòng)

胞質(zhì)中微絲馬達(dá)蛋白（motorprotein）

肌球蛋白（myosin):沿微絲朝向微絲的正極運(yùn)動(dòng)

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(dòng)機(jī)頸部：決定運(yùn)動(dòng)方向柄部尾部：扇形，結(jié)合運(yùn)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(dòng)機(jī)

Kinesin與Dynein的運(yùn)動(dòng)方式

機(jī)械循環(huán)與化學(xué)循環(huán)相偶聯(lián)的“步行”方式

Kinesin與Dynein的運(yùn)輸方式

神經(jīng)元軸突運(yùn)輸?shù)念愋洼S突運(yùn)輸?shù)念愋捅廾?flagella)運(yùn)動(dòng)和纖毛(cilia)運(yùn)動(dòng)◆微管缺乏動(dòng)力學(xué)活性，是高度穩(wěn)定的◆纖毛和鞭毛的運(yùn)動(dòng)形式

◆纖毛與鞭毛的結(jié)構(gòu)

9+2結(jié)構(gòu)：9個(gè)二聯(lián)管、兩個(gè)中央微管?！衾w毛運(yùn)動(dòng)機(jī)制

滑動(dòng)學(xué)說：相鄰二聯(lián)體間相互滑動(dòng)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