第9章 细胞骨架
第九章 细胞骨架
第九章细胞骨架学习纲要：1. 细胞骨架涵义。
2. 微丝：成分，装配，结合蛋白，功能。
3. 微管：成分，装配，发生，功能。
4. 了解：中间纤维。
5. 核基质：概念，成分，功能。
6. 了解：染色体支架，核纤层。
7.思考：（1）通过本章学习，对细胞生命活动的组织有何新的认识？（2）各类骨架在细胞中的动态变化与细胞周期活动的关系。
练习题：一名词解释：细胞骨架、核骨架、核纤层、MTOC、MAR、踏车现象二填空题：１细胞骨架的分布各不相同，___________主要分布在核周围，放射状向四周扩散；________主要分布在细胞质膜内侧；而___________则分布在整个细胞。
２真核细胞的鞭毛由_____________构成，其组装过程中，以_____________作为MTOC，鞭毛的运动机制为_____________。
3动物细胞的MTOC是_____________，它决定了微管的极性，________________极指向MTOC。
4在神经轴突的物质转运过程中，由两种蛋白介导，一是________________，介导运输小泡由轴突顶端运向胞体；二是________________，介导小泡由胞体运向轴突顶端。
5几乎所有的人体细胞都有中间纤维蛋白表达，但其表达具有严格的________________；中间纤维蛋白基因表达的组织和发育调节主要在________________水平。
三判断题：1 中心体是动物细胞中所有微管组装的起点。
（）2有丝分裂时，纺锤体微管的（-）端同染色体接触。
（）3微管装配时需要利用GTP水解释放的能量。
（）4秋水仙素结合到未聚合的微管二聚体上，阻止微管的成核反应。
（）5细胞中微丝的数量比微管多（）。
6无论是单体肌动蛋白还是肌动蛋白纤维，如果没有与ADP或ATP结合，则很快变性。
（）7用荧光标记的鬼笔环肽对细胞进行染色可以在荧光显微镜下观察微丝在细胞中的分布。
（）8 中间纤维亚基蛋白合成后，基本上全部组装成中间纤维，游离的单体很少。
细胞生物学教程第九章细胞骨架
+
Treadmilling
细胞中大多数微丝结构处于动态的组装和去组装过程中，并通过这种方式实现其功能。 细胞松弛素（cytochalasin）可切断微丝纤维，并结合在微丝末端抑制肌动蛋白加合到微丝纤维上，特异性的抑制微丝功能。 鬼笔环肽（phalloidin）与微丝能够特异性的结合，使微丝纤维稳定而抑制其功能。荧光标记的鬼笔环肽可特异性的显示微丝。
原肌球蛋白（tropomyosin.Tm） 每个Tm的长度相当于7个肌动蛋白，呈长杆状。组成两条平行纤维，位于肌动蛋白双螺旋的沟中，主要作用是加强和稳定肌动蛋白丝，抑制肌动蛋白与肌球蛋白结合。 肌钙蛋白（troponin,Tn）， 含三个亚基，肌钙蛋白C特异地与钙结合，肌钙蛋白T与原肌球蛋白有高度亲和力，肌钙蛋白I抑制肌球蛋白的ATP酶活性，主要作用是调节肌肉收缩。
第二节 微管 Microtubule, MT
微管在胞质中形成网络结构，作为运输路轨并起支撑作用。微管是由微管蛋白组成的管状结构，对低温、高压和秋水仙素敏感。
A fluorescently stained image of cultured epithelial cells showing the nucleus (yellow) and microtubules (red)
The Orientation of Microtubules in a Cell
PART ONE
五、微管的功能
支架作用
细胞内运输 是胞内物质运输的路轨。 涉及两大类马达蛋白：驱动蛋白kinesin，动力蛋白dyenin，均需ATP供能。 Kinesin发现于1985年，是由两条轻链和两条重链构成的四聚体 ，能向着微管（+）极运输小泡 。
胶质原纤维酸性蛋白glial fibrillary acidic protein 存在于星形神经胶质细胞和许旺细胞。起支撑作用。 波形纤维蛋白vimentin 存在于间充质细胞及中胚层来源的细胞中。 神经纤丝蛋白neurofilament protein 是由三种分子量不同的多肽组成的异聚体，功能是提供弹性使神经纤维易于伸展和防止断裂。
细胞生物化学第9章 细胞骨架与细胞运动
4.维持细胞内细胞器的定位和分布
5.微管参与染色体的运动、调节细胞分裂
微管参与染色体的移动
（六）参与细胞内信号传导
第二节
微丝
HeLa 细 胞 微 丝
Higher magnification
Lower magnification
Control(actin+DNA) Bay (actin+DNA)
每个Tm的长度相当于7个肌动蛋白，呈长杆状。 组成两条平行纤维，位于肌动蛋白双螺旋的沟中， 主要作用是加强和稳定肌动蛋白丝，抑制肌动蛋 白与肌球蛋白结合。
肌钙蛋白（troponin,Tn），
含三个亚基，肌钙蛋白C特异地与钙结合，肌 钙蛋白T与原肌球蛋白有高度亲和力，肌钙蛋白I 抑制肌球蛋白的ATP酶活性，主要作用是调节肌肉 收缩。
• 阿尔茨海默氏病——大量损伤的神经元纤 维（微管蛋白聚集缺陷 信号传递紊乱）
老年痴呆 Tau蛋白过度磷酸化,沉积,形成神经纤维缠结
肌萎缩性侧索硬化症 （神经原纤维在运动神经元胞体堆积）
亨廷顿舞蹈病
(重复谷氨酰胺过多，亨廷顿蛋白累积，损害神经细胞)
三、细胞骨架与遗传性病
单纯性大疱表皮松懈症
中间纤维是丝状蛋白(中间纤维蛋白)多聚体
中间杆状区在组装中调节纤维间侧位的相互作用； 头部或尾部从纤维的表面突出，可以调节中间纤
维与其他组分间的相互作用。
氨基末端头部结构域丝氨酸等的磷酸化是中间纤 维动态调节最常见最有效的方式。如细胞分裂过 程中核纤层的磷酸化与去磷酸化。
核 纤 层 与 核 基 质
秋水仙素：结合和稳定游离的微管蛋白，使 它无法聚合成微管，引起微管的解聚作用；
长春新碱：结合微管蛋白异二聚体，抑制它 们的聚合作用。
第9章 细胞骨架
分子马达的定义
◆肌球蛋白的结构
由重链和轻链组成，并组成三个结构域∶
●头部 含有与肌动蛋白、ATP结合的位点，负责产生力。 ●颈部 颈部通过同钙调素或类似钙调素的调节轻链亚基的结合 来调节头部的活性。 ●尾部 含有决定尾部是否同膜结合还是同其它的尾部结合的位
肌球蛋白的结构（Ⅱ型）
中心体与基体
中心体结构(电镜照片)
中 心 粒
四、微管的功能
1、支架作用：细胞中的微管就像混凝土中的 钢筋一样，起支撑作用，在培养的细胞中， 微管呈放射状排列在核外，（+）端指向质 膜。
2、影响细胞器的分布与走向
3、细胞内物质运输：微管起细胞内物质运输的路
轨作用，破坏微管会抑制细胞内的物质运输。图1 分子马达：能利用水解ATP将化学能转变为机 械能，有规则地沿微管运输货物的分子。主要有 驱动蛋白和胞质动力蛋白
微丝组装的踏车现象
体外组装过程中，当溶液中ATP-肌动蛋白 处于临界浓度时，微丝（+）端由于ATPactin添加而延长、（-）端由于ADP-actin 解离而缩短，表现出一种“踏车”现象。
图
微丝的蹋车现象和动态平衡
(三)作用于微丝的药物
◆细胞松弛素B(cytochalasins B) ◆鬼笔环肽(phalloidin)
第三节、中间纤维（intermediate filament,IF)（中间丝）
１0nm纤维,因其直径介于肌粗丝和细丝之间, 故被命名 为中间纤维。IF几乎分布于所有动物细胞，往往形成一个网 络结构，特别是在需要承受机械压力的细胞中含量相当丰富。 如上皮细胞中。除了胞质中，在内核膜下的核纤层也属于IF。
图
微管的结构
微管蛋白(tubulin)
第九章细胞骨架
第九章细胞骨架第一篇：第九章细胞骨架第九章细胞骨架用电子显微镜观察经非离子去垢网架结构通常称为细胞骨架（cytoskeleton）。
细胞骨架包括微丝（microfilament，MF）、微管（microtube，MT）和中间丝（intermediate filament，IF）3种结构组分，他们都是由相应的蛋白亚基组装而成。
第一节微丝与细胞运动微丝又称肌动蛋白丝（actin filament）或纤维状肌动蛋白（fibrous actin，F-actin），这种直径为7nm的细胞骨架存在于所有真核细胞中。
微丝网格的空间结构与功能取决于所结合的微丝结合蛋白（miceofilament-associated proteins）的种类。
细胞内微丝的组装和去组装的动力学过程与细胞突起（微绒毛、伪足）的形成、细胞质分裂、细胞内物质运输、肌肉收缩、吞噬作用、细胞迁移等多种细胞运动过程相关。
一、微丝的组成及其组装（一）结构与成分微丝的主要结构成分是肌动蛋白（actin）。
肌动蛋白在细胞内有两种存在形式，即肌动蛋白单体（又称球状肌动蛋白，G-actin）和由单体组装而成的纤维状肌动蛋白。
肌动蛋白在生物进化过程中是高度保守的。
（二）微丝的组装及动力学特征肌动蛋白单体组装称微丝的过程大体上可以分为几个阶段：第一个阶段是成核反应，即形成至少有2~3个肌动蛋白单体组成的寡聚体，然后开始多聚体的组装。
第二个阶段是纤维的延长。
在体外组装过程中有时可见到微丝的正极由于肌动蛋白亚基的不断添加二延长，而负极则由于肌动蛋白亚基去组装而缩短，这一现象称为踏车行为（treadmilling）。
（三）影响微丝组装的特异性药物一些药物可以影响肌动蛋白的组装和去组装，从而影响细胞内微丝网格的结构。
细胞松弛素（cytochalasin），与微丝结合后可以将微丝切断，并结合在微丝末端阻抑肌动蛋白在该部位的聚合，但对微丝的解聚没有明显的影响。
鬼笔环肽（philloidin），与微丝表面有强亲和力，但不与肌动蛋白单体结合，对微丝的解聚有抑制作用。
第9章 细胞骨架
交联蛋白： fimbrin
微丝结合蛋白的作用方式
肌肉收缩相关的微丝结合蛋白
肌球蛋白(myosin) :肌动蛋白纤维的分子发动机 肌球蛋白是一种分子发动机，肌动蛋白纤维是肌球 蛋白运行的轨道。 肌球蛋白也是ATPase, 通过ATP的水解导致构型的变 化从而在肌动蛋白丝上移动
属于马达蛋白，可利用ATP产生机械能，趋向微丝 的（+）极运动
浓度决定的。
微 丝 的 踏 车 现 象
虽然F-肌动蛋白丝的净长度没有发生变化. 但是装配 与去装配仍在进行, 只不过添加到微丝上的G-肌动蛋 白分子与脱下来的速率相等。
肌动蛋白纤维的装配
◆装配过程
● 成核(nucleation) ● 延伸(elongation) ● 稳定状态(steady state)
F-actin
Ca2+
G-actin
Mg2+、 Na+、 K+
● 踏车现象(tread milling) 在微丝装配时,若G-肌动蛋白分子添加到F-肌动蛋白
丝上的速率正好等于G-肌动蛋白分子从F-肌动蛋白上
失去的速率时, 微丝净长度没有改变, 这种过程称为肌 动蛋白的踏车现象。 肌动蛋白踏车现象是由G-肌动蛋白单体的临界
肌球蛋白的结构
头部结构域是最保守的结构域，它含有与肌动蛋白 、ATP结合的位点，负责产生力。
α 螺旋的颈部(α -helical neck region)，与头部相邻 的结构域，通过同钙调素或类似钙调素的调节轻链 亚基的结合来调节头部的活性。
尾部结构域含有决定尾部是同膜结合还是同其它的 尾部结合的位点
•核化蛋白：使游离actin核化，开始组装，Arp
2．单体隐蔽蛋白 （monomer sequestering protein） 同单体G-肌动蛋白结合，并且抑制它们的 聚合 如:抑制蛋白(profilin)和胸腺嘧素 (thymosin) 在非肌细胞中负责维持高浓度的单体肌 动蛋白(50-200μm)。
【细胞生物学】第9章 细胞骨架
三
微丝的组装 1. 体外组装过程 ①G-actin聚合为较短 寡聚体 ②3-4个单体为装配核心 ③G-actin附着到寡聚体核心两端 （ F-actin生长）成为螺旋纤维.
成核期 延长期 稳定期
（1）成核期（nucleation phase)
F-actin向两个相反的方向延长，有“+” 端和“－”端，也有踏车现象。
2. ① ② ③ ④ ⑤
影响组装的因素 肌动蛋白浓度 ATP K+、Na+、 Mg2+利于组装 pH﹥7易于组装 Ca2+不利于组装
工具药：细胞松弛素B（抑制聚合） 细胞松弛素D （抑制聚合） 鬼笔环肽（促进聚合）
四、
微丝的功能
在肌细胞和非肌细胞中的作用Fra bibliotek1.在肌细胞中的作用(肌肉收缩) 横纹肌由肌细胞组成 横纹肌收缩的基本单位--肌原纤维(myofibrils) 肌原纤维的基本结构功能单位--肌节(sarcomere) 每一肌节含有细肌丝和粗肌丝
2.动力(达因)蛋白（dynein） 具ATPase活性 将化学能转换为机械能
3.微管修饰蛋白(tau蛋白, τ蛋白) 存在于神经轴突中 加速微管组装 连接各微管成为微管束
二、微管的结构形态 外形笔直，坚硬中空直管状结构 外径24nm，内径15nm 长短不一
13条原纤维围成一圈。 α和β两种微管蛋白交 替排列(αβ–αβ–αβ– ….)。 原纤维亚单位间位移， 斜向（10-20o）盘旋围成圆 筒状。
第9章 细胞骨架 （cytoskeleton system )
微管 、微丝 、中间纤维和微梁网格 由蛋白形成的纤维网状结构 是细胞各种活动的结构基础
细胞骨架使细胞活动具有组织性和方向性 细胞骨架三个鲜明的特点：
细胞生物学9章 细胞骨架
中心体：是动物细胞中决定微管形成的一种细胞器
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基体：是纤毛和鞭毛的微管组织中心
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（2）微管蛋白的体内装配 还须具备下列条件：
①微管组织中心（MTOC） ②MAPs,τ蛋白因子
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五、微管的生物学功能
（一）维持细胞形态
如：细胞的伪足 神经细胞的轴突 双凹圆盘状红细胞 血小板的外形
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四、功能
* 支持作用 * 核功能 * 物质运输 * 细胞分化 * 细胞连接
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细胞骨架三种成分的比较
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第四节 细胞骨架与医学
1、肿瘤细胞 2、神经退行性病 3、临床应用
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第9章要求：
1、掌握细胞骨架的概念； 2、掌握微管、微丝的组成和功能； 3、熟悉中间纤维的组成和功能。
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（1）微管蛋白的体外装配 反应液必须具备下列条件：
①足够的微管蛋白浓度（α和β） ②GTP和适量的Mg2+存在 ③去除反应液中的Ca2+ ④温度保持37℃，pH 6.9
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（2）微管蛋白的体内装配 还须具备下列条件：
①微管组织中心（MTOC） 微管进行组装的区域，发源部位。 如：中心体、鞭毛基体。
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1、核纤层蛋白对核膜有支持作用，与核膜的形 状有关
2、核纤层蛋白与核膜的消失与重建有关
分裂前期：核纤层蛋白磷酸化——核膜消失 分裂末期：核纤层蛋白去磷酸化——核膜重建
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Periperal nuclear lamina (green)
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(五)核孔复合体(nuclear pore complex,NPC)
形状： 大小：
9第九章细胞骨架
第九章细胞骨架（Cytoskeleton）细胞骨架的概念细胞骨架是指存在于真核细胞中的蛋白纤维网架体系•有狭义和广义两种概念（1）在细胞质基质中包括微丝、微管和中间纤维。
（2 ）在细胞核中存在核骨架-核纤层体系。
核骨架、核纤层与中间纤维在结构上相互连接,形成贯穿于细胞核和细胞质的网架体系。
第一节微丝（microfilament, MF）又称肌动蛋白纤维（actin filament）,是指真核细胞中由肌动蛋白（actin）组成、直径为6-7nm的骨架纤维。
是由两条线性排列的肌动蛋白链形成的螺旋，形状如双线捻成的绳子。
一、微丝的组成与装配肌动蛋白（actin）是微丝的结构成分，大小为43KDa，外观呈哑铃状，这种actin又叫G-actin，由G-actin形成的微丝又称为F-actin。
（一）肌动蛋白的种类在哺乳动物和鸟类中，已至少发现6种肌动蛋白，其中4种称为-肌动蛋白，分布于横纹肌、心肌、血管平滑肌和肠道平滑肌。
另两种为-actin和-actin ,普遍存在于所有真核细胞中。
（二）肌动蛋白的存在形式与装配1、在缺乏离子时（Na+、K+），肌动蛋白成球形单体存在，球形肌动蛋白单体称为G-肌动蛋白。
2、在含有Mg2+和高浓度的Na+、K+的中性盐溶液中，G-actin装配成纤维状肌动蛋白，纤维状肌动蛋白也称为F-actin。
3、微丝的装配（1 ）肌动蛋白单体具有极性，装配时单体呈头尾相接，成为具极性的微丝，既正极与负极之别。
（2）体外实验表明，具有极性的微丝在装配时，新的肌动蛋白单体加到微丝两端的速度不同，速度快的一端为正极，慢的一端为负极；去装配时，负极比正极快。
由于G-actin 在正极端装配，负极去装配，从而表现为踏车行为。
（3）体内装配时，MF呈现出动态不稳定性，主要取决于F-actin结合的ATP水解速度与游离的G-actin单体浓度之间的关系。
在一定条件下，微丝表现为一端因加上肌动蛋白单体而延长，另一端因肌动蛋白单体脱落而缩短，形成一种踏车现象。
第九章细胞骨架
上世纪50年代，首次在超 薄切片中观察到微管
(microtubule ) 。
(a) 脑细胞微管的电镜照片 (b) 微管横截面的电镜照片 (c) 微管纵切面模式图
微管是由微管蛋白组成 的中空管状结构。
微管在胞质中形成网络 结构，作为运输路轨并 起支撑作用。
一、 微管的组成与极性
细胞器的定位和分布
细胞器沿着从顶端到基底端的轴以 确定的模式排列
物质运输
大鼠结肠分泌黏液的 杯状细胞的极化结构图
七、细胞内依赖于微管的物质运输
细胞中的马达蛋白(motor proteins)将 ATP 的化学能转变
为机械能，转运与马达蛋白结合的货物。
运输小泡、分泌颗粒、色素颗粒、线粒体、溶酶体和染色体等
24nm，内径15nm 。
每个装配单位一端是α微管蛋白，另一端是β 微管蛋白。所以原纤维不对称。
细胞内微管的类型
Singlet
13
单管：13条原纤 维组成，细胞 质中大部分微 管为单管。
Double
Triplet
1A3
1A3
1B 0
10B
二联管：A管B管共用三 C 根原纤维，主要构成
鞭毛、纤毛。
第三步：新的二聚体不断加入新生微管的端点,最终微管蛋 白与微管达到平衡。
（二）微管装配的特点
1、与GTP结合的微管蛋白二聚体参与装配过程； 2、装配形成的微管具有极性，正极为β 微管蛋白， 负极为α 微管蛋白； 3、装配速度两极不同，正极快，负极慢； 4、存在踏车现象；
The function of GTP-tubulin cap
微管的组装与去组装与温度有关
三、微管组织中心（MTOC）
细胞生物学课件 第九章 细胞骨架
（ATP或ADP）及Mg2+的结合位点。
结构：
微丝是直径为7nm的扭链，成双股螺旋每条丝都是由肌动蛋白单体 首尾相连呈螺旋状排列而成。
结构特点：
极性：具有裂口的一端为负极；另一端为正极。
2013-7-25
Cell biology
6
（二）微丝的组装及动力学特征
微丝的极性
装配时呈头尾相接，故微丝具有极性，既正极与负极之别。
2013-7-25
Cell biology
4
一、微丝的组成及其组装
结构与成分
微丝的组装及动力学特征
影响微丝组装的特异性药物
2013-7-25
Cell biology
5
结构与成分
成分
肌动蛋白(actin)是微丝的结构成分，这种actin又叫G-actin，将Gactin形成的微丝又称为F-actin。 G-actin有极性。 G-actin外观呈哑铃状，中央有一裂口（cleft）裂口内部有腺苷酸
关键浓度：微丝体外组装达到平衡期时溶液中G-actin的浓度，
微丝两端的关键浓度不同，正端=0.1；负端=0.8 当C＞0.8时，两端都解聚；当C＜0.1时，两端都聚合；当0.1＜C＜ 0.8时，正端聚合而负端解聚，像自行车的链条一样，故称为踏车行 为。
2013-7-25
Cell biology
• 胞质分裂环
– 是细胞分裂末期在即将分裂的两个子细胞之间产生的一个
完成胞质分裂的环。 – 构成：由大量平行排列但极性方向不同的微丝和及肌球蛋 白纤维组成。 – 机制：动力来源于肌球蛋白在极性相反的微丝之间的滑动。
与肌肉收缩的机制相同。
– 是微丝在细胞内短时间内迅速组装与去组装完成细胞功能 的典型例子。
第九章 细胞骨架
一、细胞骨架的概念细胞骨架：指存在于真核细胞中的蛋白纤维网架体系。
⑴狭义：细胞骨架发现较晚，主要是因为一般电镜制样采用低温（0-4℃）固定，而细胞骨架会在低温下解聚。
直到20世纪60年代后，采用戊二醛常温固定，才逐渐认识到细胞骨架的客观存在。
微丝、微管和中间纤维位于细胞质中，又称胞质骨架，它们均由单体蛋白以较弱的非共价键结合在一起，构成纤维型多聚体，很容易进行组装和去组装，这正是实现其功能所必需的特点。
一、细胞骨架的概念（2）广义：细胞骨架为真核细胞所特有，其功能主要表现为决定细胞的形状，赋予其强度、支撑作用，并在细胞运动、膜泡运输、细胞分裂、信号转导中起重要作用。
决定细胞的形状，赋予其强度、支撑作用如细胞皮质、微绒毛、应力纤维等。
在细胞分裂中细胞骨架牵引染色体分离，在细胞物质运输中，各类小泡和细胞器可沿着细胞骨架定向转运；在肌肉细胞中，细胞骨架和它的结合蛋白组成动力系统；在白细胞(白血球)的迁移、精子的游动、神经细胞轴突和树突的伸展等方面都与细胞骨架有关。
另外，在植物细胞中细胞骨架指导细胞壁的合成。
大分子物质及颗粒性物质不能穿过细胞膜，是以另外一种特殊方式来进行跨细胞膜转运的，即物质在进出细胞的转运过程中都是由膜包裹、形成囊泡、与膜融合或断裂来完成的，故又称囊泡转运参与细胞分裂●收缩环（c o n t r a c t i l e r i n g）:由微丝构成。
●有丝分裂器（纺锤体）：由微管是构成。
第一节微丝（microfilament，MF）●微丝（肌动蛋白纤维）：指真核细胞中由肌动蛋白（a c t i n）组成的实心纤维细丝。
直径6-7n m，长短不一。
●分布：以束状、网状或散在等多种形式存在于细胞质，特别在有运动功能的细胞中。
一般细胞中含量约占细胞内总蛋白质的1%-2%，但在活动较强的细胞中可占20%-30%。
在一般细胞主要分布于细胞的表面，直接影响细胞的形状。
微丝具有多种功能，在不同细胞的表现不同，在肌细胞组成粗肌丝、细肌丝，可以收缩（收缩蛋白），在非肌细胞中主要起支撑作用、非肌性运动和信息传导作用。
第九章 细胞骨架
第九章细胞骨架细胞骨架：真核细胞中的蛋白质纤维网架体系。
具有弥散性、整体性、变动性。
广义：细胞核骨架、细胞质骨架、细胞膜骨架和细胞外基质。
狭义：细胞质骨架由微丝、微管、中间丝组成，它们由相应的蛋白亚基组装而成。
功能：结构与支持、胞内运输、收缩与运动、空间组织。
第一节微丝与细胞运动微丝：肌动蛋白丝或纤维状肌动蛋白，直径7nm存在所有真核细胞中。
一、微丝的组成及其组装（一）结构与成分1.微丝的主要结构成分是肌动蛋白。
2.肌动蛋白的2种存在形式：①肌动蛋白单体（球状肌动蛋白，G-actin）：单个肽链折叠而成，蝶状，中央一个裂口，裂口内部有ATP结合位点和镁离子结合位点；②纤维状肌动蛋白。
3.肌动蛋白高度保守。
6种：4种为α-肌动蛋白，分别为横纹肌、心肌、血管平滑肌、肠道平滑肌，均组成细胞的收缩性结构；2种为ß-肌动蛋白（位于细胞边缘）和γ-肌动蛋白（与张力纤维有关）。
4.微丝直径7nm的扭链，双股螺旋。
每条丝由肌动蛋白单体头尾相连呈螺旋状排列，螺距36nm。
纤维内部，每个肌动蛋白单体都有4个单体，上下各一个，另外2个位于一侧。
肌动蛋白分子上的裂口使得该蛋白本身在结构上不对称，在整根微丝上每一个单体上的裂口都朝向同一端，使微丝具有极性。
裂口一端为负极，另一端是正极。
（二）组装及动力学特性1.只有结合ATP的肌动蛋白单体才能参与微丝的组装。
解聚：溶液中含有适当浓度的钙离子，钠离子、钾离子浓度很低时，微丝趋向于解聚成G-actin；组装：溶液中含有ATP、镁离子以及较高浓度的钠钾离子时，溶液中的G-actin组装成F-actin，即新的G-actin加到微丝末端，微丝延伸，通常是正极的组装速度较负极快。
溶液中携带ATP的G-actin处于临界浓度时，组装与去组装达到平衡。
2.过程：①成核反应：Arp2和Arp3等蛋白质相互作用，形成起始复合物，至少有2-3个肌动蛋白单体与起始复合物结合，形成一段可供肌动蛋白单体继续组装的寡聚体。
细胞生物学第九章细胞骨架
肌球蛋白（myosin）
组成粗肌丝的肌球蛋白是一类马达蛋白，目前已 知各类细胞中的此类马达蛋白有15种，其共同 特征是都具有一个包含微丝结合位点与ATP结合 位点的头部作为马达结构域。 根据分子结构成分的差异，肌球蛋白可以分为两 大类： 传统的肌球蛋白：Ⅱ型肌球蛋白（myosinⅡ） 非传统的肌球蛋白：Ⅱ型之外的其他14型肌 球蛋白，其中Ⅰ型与Ⅴ型肌球蛋白参与胞内 沿着微丝的膜泡运输。
2014年7月
9.3.1 微管的组成与装配
微管（microtubule，MT）是真核细胞中呈中 空管状结构的骨架纤维，内外径分别为15nm、 24nm，构成多种不同的细胞内结构。 微管的组成与结构
微管的装配： 装配条件：GTP、Mg2＋、37℃、无Ca2＋等。 装配过程 动态不稳定性 微管特异性药物 微管结合蛋白
2014年7月
肌肉的细微结构
骼纤肌 肌维节 肌肌 纤原 维纤 束维 骨肌
2014年7月
→ → → →
肌节
肌原纤维由许多肌节线性重复排列而成，所谓肌 节（sarcomere）指相邻两条Z线之间长约2～ 2.5μm的结构单位，是肌肉收缩的基本单位，其 主要结构包括：
A带（暗带）：为粗肌丝所在。
2014年7月
三种形式的微管结构
微管原纤 维可以组 装成三种 形式的微 管结构： 单管 二联 微管 三联 微管
2014年7月
微管的装配过程
由于细胞内部结构与蛋白的复杂性，目前关于微 管装配的资料主要源于体外试验，其过程可分为 三个阶段： 成核：微管蛋白亚基纵向聚合成短的丝状结 构→两端以及侧面增加二聚体，扩展成片状 →约13根原纤维，合拢成一段微管。 延伸：新的微管蛋白亚基不断组装到这段微 管两端，使之延长，或去组装缩短。 稳定：正极组装与负极去组装速度平衡，微 管长度稳定，即所谓踏车行为。
第9章 细胞骨架
§9.1 细胞骨架概述一、细胞骨架的概念细胞骨架是指细胞中由纤维蛋白构成的空间网络结构。
广义的细胞骨架包括：细胞核骨架、细胞质骨架、质膜骨架以及胞外基质。
狭义的细胞骨架包括：细胞质骨架（微管、微丝、中间丝）细胞中同时存在多种类型的细胞骨架并非物质能量的浪费，每种细胞骨架及其组成成分均行使不同的功能，多种组分间分工协作，功能互补，对细胞完成正常的生理功能至关重要。
二、细胞骨架的特点1.细胞骨架由相应的蛋白亚基构成，在组装与解聚间二者达到平衡。
2.细胞骨架具有动态不稳定性，即一定条件下存在组装与去组装现象，在细胞生命活动中起到重要作用。
（1）细胞周期中，细胞骨架经历动态的组装与去组装，周期性的重塑，在分裂期与分裂间期，其分布与组织形式不同。
（2）踏车行为能够改变微管或微丝在细胞中的分布，可能与细胞运动有关。
（3）细胞分裂伴随着纺锤体的形成于分解。
（4）细胞胞质环流伴随着细胞骨架的形成于解聚。
3.细胞骨架是三维的空间网状结构。
三、细胞骨架的功能特点1.细胞骨架构成多种细胞结构。
（1）微管：鞭毛、纤毛、中心体、纺锤体（2）微丝：微绒毛、收缩环、应力纤维、黏合斑、黏合带（3）中间丝：桥粒、半桥粒2.细胞骨架为细胞提供结构支撑，维持细胞形态。
3.细胞骨架介导细胞内物质运输、细胞器运输。
4.细胞骨架介导细胞运动。
5.细胞骨架对细胞分裂起到重要作用。
6.细胞骨架是细胞内结构与功能的空间组织者。
细胞内生物大分子或细胞器的分布具有不对称性，这与细胞骨架的不同组织方式有关，其结构与功能相适应。
四、细胞骨架的研究方法1.荧光显微镜细胞骨架的蛋白亚基可与相应的荧光染料或荧光抗体特异性结合，从而通过荧光显微镜观察其在活细胞中的组织、分布、功能与行为模式。
2.电子显微镜细胞经非离子型去污剂处理后，可溶性物质与膜被抽离，留下不溶的细胞骨架结构，经金属复型后可在电镜下观察细胞骨架的结构。
3.特异性药物处理微管：秋水仙素、长春花碱、紫杉醇微丝：细胞松弛素、鬼笔环肽微管微丝中间丝单体α/β-微管蛋白肌动蛋白杆状蛋白分子量50×10343×10340~200×103结合核苷酸GTP ATP无直径内径 15nm7nm10nm外径 24nm结构13 根原纤维构成的肌动蛋白单体首尾相8 个四聚体或 4 个八空间空心管状结构连构成的双股螺旋聚体构成的螺旋结构极性有有无组织特异性无无有单体库有有无踏车行为有有无结合蛋白动力蛋白肌球蛋白无驱动蛋白特异性药物秋水仙素细胞松弛素未发现长春花碱鬼笔环肽紫杉醇§9.2 微管一、微管的组成与结构1.微管蛋白微管是中空管状的细胞骨架，外径约 24nm，内径约 15nm，由α、β两种球状蛋白形成的异二聚体，即微管蛋白亚基构成，微管蛋白亚基是微管组装的结构单位。
第九章细胞骨架
微丝功能
◆维持细胞形态，赋予质膜机械强度 ◆细胞伪足运动 ◆微绒毛(microvillus) ◆应力纤维(stress fiber) ◆参与胞质分裂 ◆肌肉收缩(muscle contraction)
细胞内物质的运输
真核细胞内部是高度区域化的体系, 细胞 中合成的物质、一些细胞器等必须经过细胞内 运输过程。这种运输过程与细胞骨架体系中的 微管及其分子马达有关。
·分子马达
分子马达
线性马达
以细胞骨架蛋白为轨道的分子马达
以DNA为轨道的分子马达（DNA解旋酶，RNA 聚合酶）
旋转式马达：F0-F1ATP（ATP合酶）
微丝结合蛋白
微丝结合蛋白种类 单体隔离蛋白（monomer-sequenstering protein） 交联蛋白（cross-link protein） 末端阻断蛋白（end blocking protein） 纤维切割蛋白（filament-severing protein） 去 聚 合 蛋 白 （ actin filament depolymerization
维持细胞形态
用秋水仙素处理细胞破坏微管,导致细胞变圆, 内质网缩回到细胞核周围，高尔基体解聚成小的 膜泡分散在细胞质内，一旦这些药物去除，则微 管重新组装，各细胞内膜结构也随之归位，这说 明微管对维持细胞的不对称形状是重要的。对于 细胞突起部分,如纤毛、鞭毛、轴突的形成和维持, 微管亦起关键作用。
protein） 膜结合蛋白（membrane-binding protein）
◆微丝结合蛋白将微丝组织成以下三种主要形式
·MF同向平行排列，主要发现于微绒毛与细胞伪足。
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第三节、中间纤维（intermediate filament,IF)（中间丝）
１0nm纤维,因其直径介于肌粗丝和细丝之间, 故被命名 为中间纤维。IF几乎分布于所有动物细胞，往往形成一个网 络结构，特别是在需要承受机械压力的细胞中含量相当丰富。 如上皮细胞中。除了胞质中，在内核膜下的核纤层也属于IF。
分子马达的定义
◆肌球蛋白的结构
由重链和轻链组成，并组成三个结构域∶
●头部 含有与肌动蛋白、ATP结合的位点，负责产生力。 ●颈部 颈部通过同钙调素或类似钙调素的调节轻链亚基的结合 来调节头部的活性。 ●尾部 含有决定尾部是否同膜结合还是同其它的尾部结合的位
肌球蛋白的结构（Ⅱ型）
（二）肌细胞的收缩
·IF装配的单体是纤维状蛋白(MF,MT的单体呈球形)； ·反向平行的四聚体导致IF不具有极性； · IF在体外装配时不需要核苷酸或结合蛋白的辅助， 在体内装配后，细胞中几乎不存在IF单体(但IF的存在 形式也可以受到细胞调节，如核纤层的装配与解聚)。
中间纤维的装配模型
中间纤维的功能
◆增强细胞抗机械压力的能力
第九章 细胞骨架(Cytoskeleton)
●细胞骨架是指存在于真核细胞中的蛋
白纤维网架体系
狭义的概念是指细胞质骨架 广义的概念包括细胞质骨架和核骨架
◆在细胞质基质中包括微丝、微管和
中间纤维。 ◆在细胞核中存在核骨架-核纤层体系。 核骨架 、核纤层与中间纤维在结构上 相互连接,•贯穿于细胞核和细胞质的
微丝组装的踏车现象
体外组装过程中，当溶液中ATP-肌动蛋白 处于临界浓度时，微丝（+）端由于ATPactin添加而延长、（-）端由于ADP-actin 解离而缩短，表现出一种“踏车”现象。
图
微丝的蹋车现象和动态平衡
(三)作用于微丝的药物
◆细胞松弛素B(cytochalasins B) ◆鬼笔环肽(phalloidin)
◆秋水仙素(colchicine) 阻断微管蛋
白组装成微管，可破坏纺锤体结构。
◆紫杉醇(taxol)能促进微管的装配,
并使已形成的微管稳定。
三、微管组织中心(MTOC)
微管组织中心的定义：在活细胞内，能够 起始微管的成核作用并使之延伸的细胞结 构 动物细胞的MTOC:中心体 鞭毛和纤毛的MTOC:基体
微丝与细胞的变形运动
培养的上皮细胞中的应力纤维（微丝红色、微管绿色）
应力纤维结构模型 (由myosin II、原肌球蛋白、filamin和α-actinin 构成）
二、肌肉细胞内的微丝及其结合的肌 球蛋白和肌肉收缩
肌球蛋白
肌肉收缩
（一）肌球蛋白(myosin) : 肌动蛋白纤维的分
子发动机（分子马达）
中心体与基体
中心体结构(电镜照片)
中 心 粒
四、微管的功能
1、支架作用：细胞中的微管就像混凝土中的 钢筋一样，起支撑作用，在培养的细胞中， 微管呈放射状排列在核外，（+）端指向质 膜。
2、影响细胞器的分布与走向
3、细胞内物质运输：微管起细胞内物质运输的路
轨作用，破坏微管会抑制细胞内的物质运输。图1 分子马达：能利用水解ATP将化学能转变为机 械能，有规则地沿微管运输货物的分子。主要有 驱动蛋白和胞质动力蛋白
◆与核定位有关（外与细胞膜及细胞外基质相连内
与核纤层连接） ◆在组织间起支架作用（细胞连接）
◆神经元纤维在神经细胞轴突运输中起作用
◆在细胞分化中起一定作用 ◆中间纤维与mRNA的运输有关
一、微丝的组成与组装
（一）组成：
◆F-actin（微丝） 呈双股螺旋状,直径为7nm, 螺旋间的距离为36nm。由单体组装而成。
◆G-actin（单体）
蝶型，有一个ATP结合位点（裂口处）
G-肌动蛋白与F-肌动蛋白模式图
(二)微丝的装配
◆装配过程
● 成核(nucleation) ● 延伸(elongation)
肌纤维的结构 肌肉收缩的基本过程
1、肌细胞的结构
肌原纤维的结构
细 肌 丝 的 分 子 结 构
2、由神经冲动诱发的肌肉收缩基本过程
·动作电位的产生 ·Ca2+的释放 ·原肌球蛋白位移 ·肌动蛋白丝与肌球蛋白丝的相对滑动 · 2+的回收 Ca
第二节、微管（ Microtubule）
一 微管的结构和类型
◆ 驱动蛋白介导的物质沿微管运动
◆ 动力蛋白介导的物质沿微管运动
图2
驱动蛋白介导的物质沿微管转运
4、纤毛与鞭毛的运动 ：鞭毛中的微管为9+2 结构，
即由9 个二联微管和一对中央微管构成。纤毛和 鞭毛的运动是依靠动力蛋白水解ATP，使相邻的二
联微管相互滑动。有一种男性不育症是由于精子
二、非肌肉细胞内微丝网络动 态结构的调节及其功能
（一）非肌肉细胞内微丝结合蛋白的类型
◆单体隔离蛋白 (monomer-sequestering protein) ◆加帽蛋白(capping protein)
◆交联蛋白(cross-linking protein) ◆纤维割断蛋白(filament-severing protein) ◆膜结合蛋白(membrane-binding protein) ……
（二）非肌肉细胞内的微丝及其功能
1、细胞皮层 功能：◆维持细胞形态，赋予质膜机械强度 ◆参与膜蛋白定位和流动 ◆参与细胞变形运动、变皱膜运动、吞噬 ◆参与胞质环流 2、应力纤维 功能：通过粘着斑与细胞外基质相连，参与细胞形态发 生、分化及组织构建等 3、细胞伪足与细胞迁移 功能：细胞迁移 4、微绒毛 功能：扩大小肠上皮细胞吸收营养物的面积 5、胞质分裂环 功能：参与胞质分裂
形态
◆ 微管是中空的管状结构
◆ 外径为24nm
◆内径为15nm
◆微管壁厚约5 nm
◆微管的长度变化不定
微管的结构
◆微管是由微管蛋白异源二聚体为 基本构件,螺旋盘绕形成的 ◆在每根微管中二聚体头尾相接, 形 成细长的原纤维(protofilament) ◆13条原纤维纵向排列组成微管的壁
图
微管的结构
● 稳定状态(steady state)
微丝的装配
影响装配的因素
◆G-肌动蛋白临界浓度 ◆离子的影响
●在含有适当Ca2+以及很低的Na+、K+ 等 阳离子的溶液中,微丝趋向于解聚成G-肌动 蛋白。 ●在含有ATP和Mg2+和高浓度K+ 或Na+ 的 诱导下, G-肌动蛋白则装配成纤维状肌动蛋 白。
网架体系。
细胞骨架的组成和分布
◆微管主要分布在核周围,并呈放射状向胞 质四周扩散； ◆肌动蛋白纤维主要分布在细胞质膜的内 侧和细胞核膜的外侧； ◆中间纤维则分布在整个细胞中。
第一节、微丝(microfilament, MF)
又称肌动蛋白纤维(actin filament), 是指真核
细胞中由肌动蛋白(actin)组成、直径为7nm的骨架纤维。
具有方向性(极性) ◆两端分别称为“+”端（组装快的一段） 和“-”端。 图1 图2
微管的装配
踏 车 行 为
微 管 动 态 不 稳 定 性
影响微管装配的因素
◆造成微管不稳定性的因素很多，包括 GTP、压力、温度(最适温度37℃)、
pH(最适pH=6.9)、微管蛋白临界浓度。
（二）微管特异性药物
没有活力造成的。这种病人同时还患有慢性支气
管炎，主要是因为是鞭毛和纤毛没有动力蛋白臂，
不能排出侵入肺部的粒子。 图1 图2
鞭毛与纤毛
鞭 毛 的 结 构
5、形成纺锤体：纺锤体是一种微管构成的动 态结构，其作用是在分裂细胞中牵引染色 体到达分裂极。
纺锤体微管的类型
纺 锤 丝 微 管 的 作 用
●中间纤维的装配
●中间纤维的成分与分布 ●中间纤维的功能
中间纤维的成分与分布
IF成分比MF,MT复杂，具有组织特异性。 IF在形态上相似，而化学组成有明显的差别。
◆中间纤维类型与分布：
◆中间纤维蛋白的表达具有严格的组织特异性
中间纤维的装配
◆中间纤维装配过程 ◆IF装配与MF,MT装配相比，有以下几个特点：
微管蛋白(tubulin)
◆微管蛋白类型：
◆α和β微管蛋白形成长度为8nm的异源二聚体
◆每一个微管蛋白二聚体有两个GTP结合位点
●α亚基GTP结合位点（不可交换位点）
●β亚基GTP结合点是可交换位点。 ◆γ-微管蛋白的功能是帮助αβ微管的聚合。
微 管 蛋 白
三种形式的微管
二 微管的装配
（一）微管的体外装配与踏车行为 ◆α、β二聚体以首-尾排列的方式进行组装，