第九章-細胞骨架(沈婷)課件

細胞骨架（cytoskeleton）：是指真核細胞質中的蛋白質纖維網架體系。細胞骨架微管微絲中間纖維線粒體核糖體內質網

對維持細胞形態(tài)、固定細胞器、胞內物質運輸、細胞分裂及細胞運動等有關。第九章細胞骨架

cytoskeletonIntroduction細胞骨架概念：

狹義：在真核細胞中與保持細胞形態(tài)結構和細胞運動有關的纖維網絡，包括微管、微絲和中間絲。

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

1963年使用戊二醛常溫固定，可觀察到三維網絡結構。功能：支架作用、物質運輸、細胞器位移、細胞運動、細胞信息傳遞、基因表達、蛋白質合成、細胞分裂分化結構和支持胞內運輸收縮運動空間結構微管（microtubule,MT）是由微管蛋白和微管結合蛋白組成的中空圓柱狀結構。微管在胞質中成網狀或束狀分布，并能與其他蛋白共同組裝成紡錘體、中心粒、鞭毛、纖毛、軸突等結構。微管存在于幾乎所有真核細胞質中。在生物進化中十分穩(wěn)定。微管參與細胞形態(tài)的維持、細胞運動和細胞分裂。微管是由13條原纖維構成的中空管狀結構，直徑24~26nm，內徑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）由結構相似的α和β微管蛋白構成。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構微管蛋白分子模型微管具有極性。原纖維中重復的αβ—αβ—αβ亞單位排列即構成微管的極性。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)結構：

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，細胞質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，主要構成中心粒和基體。二聯(lián)管三聯(lián)管

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

同微管相結合的輔助蛋白，它們不是構成微管壁的基本構件，而是在微管蛋白組裝成微管之后，結合在微管的表面。微管結合蛋白是微管系統(tǒng)結構和功能所必需的組分，它們與運動的產生、微管組裝和去組裝的調節(jié)、微管和其他細胞組分之間的連接等密切相關。

微管的裝配主要表現(xiàn)為動態(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短的寡聚體結構，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，達到臨界濃度，微管的組裝與去組裝速度相等，微管長度相對恒定。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)及實驗處理解聚后重新裝配的發(fā)生處稱為微管組織中心。作用：動物細胞的微管組織中心為中心體。MTOC決定細胞微管的極性，微管的負極(-)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。（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)兩個反應,其中成核反應是微管組裝的限速步驟。成核反應結束時,形成很短的微管,此時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結合后被激活，使二聚體聚合成微管，而GTP則分解GDP和Pi。當微管(+)端形成GTP帽，而游離微管蛋白二聚體的濃度又很高時，微管趨于生長。當結合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，隨著GTP水解的不斷進行，最后GTP帽結構轉變成GDP，逐漸使微管變得不穩(wěn)定，趨于解聚。細胞內微管的這兩種狀態(tài)是不斷發(fā)生的,因為細胞內不斷有微管解聚,又不斷地有新微管的組裝。如果微管正端結合的是由結合GTP的微管蛋白二聚體組成的GTP帽結構,微管就趨于生長。如果微管的正端結合的是由結合GDP的微管蛋白二聚體組成的GDP帽結構，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，稱為負端。微管的這種裝配方式稱為踏車運動（treadmilling）。γ-TuRC組織微管在體內的裝配在時間和空間是高度有序的。間期：微管與微管蛋白處于相對平衡狀態(tài)；γ-TuRC組織微管形成的能力被關閉；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活細胞進行各種處理可使細胞骨架微管去組裝，但不破壞其它細胞結構。低溫、流體靜力學壓力、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合微管蛋白異二聚體，抑制微管的聚合。細胞周期特異性抗腫瘤藥，作用于G1,S&M。阻斷增殖細胞紡錘體的形成，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)定性對細胞是有害的，使細胞周期停止于有絲分裂期。紫杉醇類化合物在體內優(yōu)先殺死腫瘤細胞，已用于癌癥的化療。四、微管的功能構成細胞內的網狀支架，支持和維持細胞的形態(tài)參與中心粒、纖毛和鞭毛的形成參與胞內物質運輸維持細胞內細胞器的定位和分布參與染色體運動，調節(jié)細胞分裂參與細胞內信號傳導1、支持和維持細胞的形態(tài)用秋水仙素處理培養(yǎng)細胞，發(fā)現(xiàn)細胞喪失原有的形態(tài)而變圓。說明微管對維持細胞的不對稱形狀是重要的。微管具有一定剛性，可自然取直，在保持細胞外形方面起支撐作用。細胞突起部分，如偽足、鞭毛、纖毛、神經軸突的形成和維持，都是微管在起關鍵作用。（線粒體、分泌小泡前體）（細胞器定位和轉運）用破壞微管的藥物處理細胞，發(fā)現(xiàn)能夠嚴重影響膜細胞器，特別是高爾基體在細胞內的位置。高爾基體一般在細胞中央，細胞核外側，中心體附近。用秋水仙素處理細胞后，高爾基體分解成小囊泡，分散于四周；除去藥物，微管組裝后，高爾基體又恢復其在細胞內的正常位置。

當細胞從間期進入分裂期時，間期細胞微管網架崩解，微管解聚為微管蛋白，經重組裝形成紡錘體，介導染色體的運動；

分裂末期，紡錘體微管解聚為微管蛋白，經重組裝形成微管網。

微管的信號轉導功能具有重要的生物學作用，它與細胞的極化、微管的方向性及微管組織中心的位置均有關。第二節(jié)微絲

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

微絲以束狀、網狀或分散等多種方式有序地存在于細胞質的特定空間位置上，并由此與微管和中間纖維共同構成細胞骨架，參與細胞形態(tài)的維持以及細胞運動等生理功能。肌細胞：肌動蛋白占細胞總蛋白10%，微絲形成特定的穩(wěn)定結構；非肌細胞：肌動蛋白占1%~5%。微絲常分布在細胞膜下方，大多呈現(xiàn)一種動態(tài)結構。微絲是比微管細的實心纖維狀結構一、肌動蛋白與微絲的結構形態(tài)：是一類由肌動蛋白纖維組成的實心螺旋狀纖維細絲。

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

α肌動蛋白為橫紋肌、心肌、血管平滑肌和腸道平滑肌(肌細胞)特有；

β肌動蛋白和γ肌動蛋白分布于所有肌細胞和非肌細胞。存在方式：肌動蛋白以單體和多聚體的形式存在。單體是一條多肽鏈構成的球形分子，外觀呈啞鈴形，稱球形肌動蛋白G-actin；多聚體稱為纖維形肌動蛋白F-actin。特點：肌動蛋白在進化上高度保守，酵母和兔子肌肉的肌動蛋白有88%的同源性。肌動蛋白的結構及特點單體G-肌動蛋白和纖維狀F-肌動蛋白的結構肌動蛋白是一種中等大小的蛋白質，由375個氨基酸殘基組成，分子量為43kDa，由2個亞基，4個亞結構域構成。單體肌動蛋白分子其上有三個結合位點：一個是ATP結合位點,另兩個為肌球蛋白結合位點及陽離子結合位點。肌動蛋白單體的結構模型（b）電子顯微鏡觀察的經負染的絲狀肌動蛋白的形態(tài)(c)肌動蛋白纖維亞基的裝配模型及其功能三、微絲的裝配機制（一）微絲的組裝分為三個階段體外實驗表明,肌動蛋白纖維的裝配分三步進行，并且是三個連續(xù)的過程。（質膜）條件：ATP、適宜的溫度、存在K+和Mg2+離子。

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

在含有ATP和Ca2+、低濃度的單價離子(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，易于進行微絲的組裝。

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

intermediatefilaments,IF直徑10nm左右，介于肌動蛋白細絲和肌球蛋白粗絲之間，故名。中間纖維是最穩(wěn)定的細胞骨架成分，既不受細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中間纖維是相當穩(wěn)定的結構，即使用含有去垢劑和高鹽溶液抽提細胞，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雜，且具有組織特異性，不同類型細胞含有不同中間纖維。③中間纖維的亞基并不與核苷酸結合，而微管的亞基與GTP或GDP結合，微絲的亞基則與ATP或ADP結合。一、中間纖維的分布、結構和類型

（一）分布：中間纖維是一類絲狀蛋白多聚體。分布于細胞質中常形成精細發(fā)達的纖維網絡，外與細胞膜與細胞外基質相連，內與核纖層有直接的聯(lián)系。中間纖維與微絲、微管及其他細胞器也有著錯綜復雜的纖維聯(lián)絡。（二）中間纖維的分子結構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構域-螺旋桿狀區(qū)非螺旋區(qū)：310個氨基酸殘基組成的ａ螺旋桿部(這是一個高度保守的二級結構)。由4個螺旋構成，螺旋區(qū)之間被3個間隔區(qū)隔開。頭部（N-端）尾部（C-端）結構與裝配結構桿狀區(qū)球形頭部（N端）尾部（C端）角蛋白波形蛋白神經絲蛋白核纖層（三）具有組織特異性，不同類型細胞含有不同中間纖維。細胞內中間纖維的種類和成分可隨細胞的生長或成熟而變化。二、非極化四個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：①兩個單體形成超螺旋二聚體；②兩個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：無極性；無動態(tài)蛋白庫；裝配與溫度和蛋白濃度無關；不需要ATP、GTP或結合蛋白的輔助。二、結構與裝配磷酸化，中間纖維解體；去磷酸化，中間纖維再形成三、中間絲的功能

1.參與構成細胞完整的支撐網架系統(tǒng)

構成細胞完整的支撐網架系統(tǒng)，還與細胞核的形態(tài)支持和定位、相鄰細胞之間、細胞與基膜之間連接結構的形成，2.為細胞提供機械強度支持四、中間絲的功能

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