第九章 细胞的骨架体系
第九章 细胞骨架
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α、β微管蛋白性质相似，所构成的异二聚体上有 GTP或GDP 、Mg2+和Ca2+、秋水仙素等的结合位点。
微管组织中心
-----微管装配的起始点
概念：微管在生理状态及实验处理解聚后重新装 配的发生处称为微管组织中心（microtubule organizing center，MTOC）。 MTOC的主要作用:
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肌动蛋白的踏车行为
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（3）影响微丝组装的因素
1.促进组装：含ATP、Mg2+、高Na+、K+ 2.促进解聚：含Ca2+、低Na+、K+ 3.药物：
细胞松弛素B：特异的破坏微丝的组装；
鬼笔环肽：稳定微丝，促进微丝聚合。
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四、微丝的功能
（一）构成细胞的支架，维持细胞形态
微绒毛(microvilli) 是肠
第九章 细胞骨架 （Cytoskeleton）
许聪 细胞生物学教研室
细胞骨架：(cytoskeleton)
是指存在于真核细胞中的蛋白纤维网架体系。 功能：维持细胞形态，细胞运动、物质 运输、细胞分裂等生命活动。
⑴ 狭义：指细胞质骨架，由微管、微丝和 中间纤维组成。 ⑵ 广义：包括细胞质骨架、细胞核骨架和 细胞外基质。
概念：附着在微管上，参与 微管组装、增加微管稳定性 的蛋白质。 MAP由两个区域组成： (1)碱性的微管结合结构域 作用：加速微管成核 (2)酸性的突出结构域 作用：与其他骨架纤维联系
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种类： MAP-1 MAP-2 Tau MAP-4 功能：
主要存在神经元细胞中
主要存在神经元和非神经元细胞中
⑴ 促进微管组装; ⑵ 增加微管稳定性; ⑶ 促进微管聚集成束。
09第九章细胞骨架
（4）应力纤维 ）应力纤维(stress fiber) 广泛存在于真核细胞。成分：肌动蛋白、肌球蛋白、 广泛存在于真核细胞。成分 ：肌动蛋白、肌球蛋白、原 肌球蛋白和α 肌动蛋白。 肌球蛋白和α-辅肌动蛋白。介导细胞间或细胞与基质表面的 粘着。 细胞贴壁与粘着斑的形成相关， 粘着。（细胞贴壁与粘着斑的形成相关，在形成粘合斑的质 膜下， 微丝紧密平行排列成束， 形成应力纤维, 膜下 ， 微丝紧密平行排列成束 ， 形成应力纤维 , 具有收缩功 能。） （5）参与胞质分裂 ） 收缩环由大量反向平行排列的微丝组成， 收缩环由大量反向平行排列的微丝组成，其收缩机制是 肌动蛋白和肌球蛋白相对滑动。 肌动蛋白和肌球蛋白相对滑动。
三、核纤层(Nuclear Lamina) 核纤层 （1）核纤层分布与形态结构 ） 核纤层蛋白(Lamin) （2）成分 ）成分——核纤层蛋白 核纤层蛋白 （3）核纤层蛋白的分子结构及其与中间纤维蛋白的关系 ） 核纤层与中间纤维之间的共同点 两者均形成10nm纤维； 两者均形成10nm纤维； 10nm纤维 两者均能抵抗高盐和非离子去垢剂的抽提； 两者均能抵抗高盐和非离子去垢剂的抽提； 某些抗中间纤维蛋白的抗体能与核纤层发生交叉反应； 某些抗中间纤维蛋白的抗体能与核纤层发生交叉反应； 两者在结构上有密切的联系， 两者在结构上有密切的联系，说明核纤层蛋白是中间纤维 蛋白。 蛋白。
是由G-actin单体形成的多聚体，肌动蛋白单体具有 单体形成的多聚体， （1）MF是由 ） 是由 单体形成的多聚体 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。 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。 正极与负极都能生长， （2）体外实验表明，MF正极与负极都能生长，生长快的一 ）体外实验表明， 正极与负极都能生长 端为正极，慢的一端为负极；去装配时，负极比正极快。 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。 在正极端装配，负极去装配，从而表现为踏车行为。 在正极端装配 呈现出动态不稳定性， （3）体内装配时，MF呈现出动态不稳定性，主要取决于 ）体内装配时， 呈现出动态不稳定性 主要取决于Factin结合的 结合的ATP水解速度与游离的 水解速度与游离的G-actin单体浓度之间的关 结合的 水解速度与游离的 单体浓度之间的关 系。 动态变化与细胞生理功能变化相适应。 （4）MF动态变化与细胞生理功能变化相适应。在体内 有些 ） 动态变化与细胞生理功能变化相适应 在体内, 微丝是永久性的结构, 有些微丝是暂时性的结构。 微丝是永久性的结构 有些微丝是暂时性的结构。
第九章细胞骨架
体外实验表明，微丝正极与负极都能组装，组 装快的一端为正极，慢的一端为负极；去组装 时，同样正极比负极快。
在微丝组装时，若G-actin 添加到F-actin上的速率正 好等于G-actin 从F-actin失 去的速率时，微丝净长度 没有改变，这种过程称为 踏车行为。它是由G-actin 单体的临界浓度决定的。
七、细胞内依赖于微管的物质运输
有规则地沿微管运输货物的分子马达主要有驱动蛋
细胞中能利用水解 ATP将化学能转变为机械能， 白(kinesin)和胞质动力蛋白(cytoplasmic dynein）。
驱动蛋白及其功能:通常朝微管的正极运动
驱动蛋白沿微管运动的分子机制
胞质动力蛋白及其功能：朝微管的负极运动
八、纤毛和鞭毛的结构与功能
九、纺锤体和染色体运动
微管的类型
单管：大部分细胞质微管是单管微管，它在低温、Ca2+ 和秋水仙素作用下容易解聚，属于不稳定微管。 二联管：是构成纤毛或鞭毛的轴丝微管，是运动类型的 微管，它对低温、Ca2+和秋水仙素都比较稳定。 三联管：存在于中心粒和基体，它对低温、Ca2+和秋水
微管组装是一个动态不稳定的过程
微管组装的动力学不稳定性是指微管组装生长与快 速去组装的交替变换现象。
动力学不稳定性产生的原因
决定微管正端是GTP帽还是GDP帽，又受两种因素
影响，一是结合GTP的游离微管蛋白二聚体的浓度，
二是GTP帽中GTP水解的速度。 当一端组装的速度和另一端解聚的速度相同时，微 管的长度保持稳定，即所谓的踏车行为。
微丝的组装及动力学特性
MF是由G-actin单体形成的多聚体，肌动蛋白单体具有极性, 装 配时呈头尾相接, 故微丝具有极性，有正极与负极之分。 组装可分为成核反应、延长期和稳定期三个阶段。
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。
9第九章 细胞骨架
本章内容提要
第一节 微丝与细胞运动
一、微丝的组成及其组装
二、微丝网络动态结构的调节与细胞运动 三、肌球蛋白：依赖于微丝的分子马达
四、肌细胞的收缩运动
一、微管的结构组成与极性 二、微管的组装和去组装 三、微管组织中心 四、微管的动力学性质
第二节 微管及其功能
胞外信号 刺激
非肌细胞迁移过程中细胞前缘肌动蛋白的 聚合和伪足的形成
成核，启动微丝组装 肌动蛋白网络推动细 胞质膜向信号源方向 伸出，形成伪足。
WASP蛋白激活 Arp2/3复合物
新的分 支延伸
启动分支微 丝的组装 Arp2/3复合物 结合到微丝侧面
抑制蛋白结合游离 的肌动蛋白亚基， 促进微丝延伸
细胞内大部分微丝都集中在紧贴细胞质膜的细胞质 区域，并由微丝结合蛋白交联成凝胶状三维网络结 构。该区域通常称为细胞皮层。
功能：为细胞质膜提供强度和 韧性，有助于维持细胞形状。
F-actin (red) microtubules (green)
Histone 3 (blue)
The importance of keeping a stiff actin cell cortex at mitosis
多聚体：由单体组装而成的纤维状肌动蛋白（F-actin，微
丝），是直径为7 nm的扭链，呈双股螺旋状。每条丝是由
肌动蛋白单体头尾相连呈螺旋状排列而成。具有不对称性
和极性。
肌动蛋白在生物进化过程中高度保守。
肌动蛋白类型：
a-肌动蛋白：4种，为横纹肌、心肌、血管平滑肌和肠道 平滑肌所特有，构成细胞的收缩性结构；
第九章 细胞骨架
② 重链上含有两个结合位点：一是ATP结合位
点；二是微管结合位点。
③ 胞质动力蛋白轻链端还结合着动力蛋白激
活蛋白复合体，介导胞质动力蛋白与需转运物质 之间的结合。
胞质动力蛋白的结构示意图
胞质动力蛋白的功能：
• 膜结合蛋白：使微丝与细胞质膜结合。
单体隔离蛋白
封端蛋白
交联蛋白
成核蛋白
成束蛋白
单体聚合蛋白
膜结合蛋白 纤维-解聚蛋白
纤维切割蛋白
各种微丝结合蛋白功能示意图
三、微丝的功能
1、维持细胞形态，赋予质膜机械强度
微丝遍及胞质各处，其中集中分布于质膜下的微丝与微 丝结合蛋白形成网络结构，维持细胞形态，赋予质膜机械强 度，如血红细胞膜内表面的膜骨架。
尾部结构域：决定肌球蛋
白的功能。
8、参与肌肉收缩
◆肌肉的细微结构(以骨骼肌为例)
◆肌小节的组成 ◆粗丝和细丝的组成 ◆肌肉收缩的滑动丝模型
第二节 微管及其功能
微管：是由微管蛋白组成的外径为24nm，内径为 15nm的中空管状结构。
一、微管的结构组成
α亚基上有GTP结合位点：该位点能结合GTP,但不能水解
2、基体的功能
形成细菌的鞭毛和纤毛，参与细菌的运动。
六、微管结合蛋白(P288) (Microtubule Associated Protein, MAP)
微管结合蛋白是一类与微管相结合的蛋白，对微 管网络的形成和功能进行调节。一般来说，MAP至 少含有两个结构域：一个是结合微管的结构域，具 有稳定微管的作用；另一个是向外突出的结构域， 负责与微管外其他细胞组分（如中间纤维、质膜等）
第九章__细胞骨架
相同细胞中微管、微丝和中间纤维的荧光定位 三种不同荧光染料探针同相应的蛋白纤维结合从而使细胞内的纤维被染色。(a)含有
肌动蛋白的纤维被蘑菇毒素鬼笔环肽标记; (b)含微管蛋白的微管被微管蛋白的抗体标记; (c)中间纤维被抗波形蛋白的抗体标记。三种混合的荧光标记物, 各自的光都不强, 并且各 自的荧光波长不同。检查时, 用不同的滤光片 , 每次滤去两种光
2+ + + Ca 、低浓度Na 、K （微丝趋于解聚成actin）
纤维状肌动蛋 白（MF）
单体G-肌动蛋白和 F-肌动蛋白的结构 (a)非肌细胞中β-Actin单体的结构模型, 像是扁平的分子,由体积相等的 两个部分组成, 中间有一个裂口, 并且有四个亚结构域, 用Ⅰ-Ⅳ表示。 ATP在裂口的地方与肌动蛋白结合。N端和C末端位于亚结构域Ⅰ。(b) 电子显微镜观察的经负染的丝状肌动蛋白的形态。(c)肌动蛋白纤维亚 基的装配模型。
二、微丝网络动态结构的调节与细胞运动
（一）非肌肉细胞内微丝的结合蛋白
纯化的肌动蛋白在体外能够聚合形成肌动蛋白纤
维，但是这种纤维不具有相互作用的能力，也不 能行使某种功能, 原因是缺少微丝结合蛋白。
■ 微丝结合蛋白的种类 肌细胞和非肌细胞中都有微丝结合蛋白，至少已 分离出100多种。
1. 几类主要的微丝结合蛋白
在适宜的温度，存在ATP、K 、Mg 离子的条件下，肌动蛋白单体可自组装为纤维。
ATP-actin（结合 ATP 的肌动蛋白)对微丝纤维末端的亲和力高，ADP-actin 对纤维末端的 亲和力低，容易脱落。当溶液中 ATP-actin 浓度高时，微丝快速生长，在微丝纤维的两端 形成 ATP-actin“帽子”，这样的微丝有较高的稳定性。伴随着 ATP水解，微丝结合的 ATP 就变成了 ADP，当 ADP-actin 暴露出来后，微丝就开始去组装而变短。
9第九章细胞骨架(cytoskeleton)
成分
肌动蛋白(actin)是微丝的结构成分。肌动蛋白单 体外观呈哑铃状。肌动蛋白存在于所有真核细胞中， 肌动蛋白在真核细胞进化过程中高度保守，在哺乳动 物和鸟类细胞中至少已分离到6种肌动蛋白，4种称 为,α肌动蛋白，分别为横纹肌、心肌、血管平滑肌和 肠道平滑肌所特有，另两种为β肌动蛋白和γ肌动蛋白， 见于所有肌肉细胞和非肌肉细胞胞质中。 肌动蛋白是微丝的结构成分,外观呈哑铃状, 这种actin 又叫G-actin，将G-actin形成的微丝又称为F-actin。
●形态结构 ●成分 ●核骨架结合序列 ●功能
形态结构
◆研究核骨架的分级抽提方法
非离子去垢剂溶解膜结构系统,胞质中可溶性成分 随之流失; 再用Tween40和脱氧胆酸钠处理,胞质中的微 管、微丝与一些蛋白结构被溶去,胞质中只有中间纤维 网能完好存留;然后用核酸酶与硫酸铵处理,染色质中 DNA、RNA和组蛋白被抽提, 最终核内呈现一个精细 发达的核骨架网络, 结合非树脂包埋-去包埋剂电镜制 样方法,可清晰地显示核骨架- 核纤层-中间纤维结构体 系。
◆应力纤维(stress fiber) ◆细胞运动 ◆微绒毛(microvillus) ◆参与胞质分裂 ◆维持细胞形态，赋予质膜机械强
度 ◆肌肉收缩(muscle contraction)
微丝遍及胞质各处，集中分布于质膜 下，和其结合蛋白形成网络结构，维持细 胞形状和赋予质膜机械强度，如哺乳动物 红细胞膜骨架的作用。
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：
·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)。
第九章 细胞骨架
维以十分有序的方式组装在一起。
粗肌丝的成分是肌球蛋白，细肌丝的成分主要是肌动 蛋白，辅以原肌球蛋白和肌钙蛋白。
• 肌肉收缩是由肌动蛋白丝与肌球蛋白丝的相对滑 动所致。
原肌球蛋白(tropomyosin, Tm)由两条平行的多肽链形
成α-螺旋构型，位于肌动蛋白螺旋沟内，一个Tm分子 的长度相当于7个肌动蛋白。Tm结合于细肌丝，调节肌 动蛋白与肌球蛋白头部的结合 肌钙蛋白 (Troponin, Tn)为复合物，包括三个亚基： Tn-C (Ca2+ 敏感性蛋白)能特异与Ca2+结合，Tn-T与原肌 球蛋白结合；Tn-I抑制肌球蛋白ATPase活性。细肌丝中
组分的相互作用来实现。
迁移过程：前端伸出突起 →
突起与基质之间形成锚定
位点使突起附着在基质表面 → 以附着点为支点向前移动 → 后部的附着点与基质脱离，细胞的尾部前移。 在此过程中，都涉及肌动蛋白以多种方式发挥作用。 在迁移细胞的前缘，肌动蛋白的聚合使细胞伸出宽而扁
平的片状伪足，内部充满正向排列的微丝束，正极通常位于
和依赖于微丝的肌球蛋白（myosin）这三类蛋白质
超家族成员。 它们既能与微管/微丝结合，又能与一些细胞器 或膜状小泡特异性结合，利用水解ATP所产生的能量 有规则地沿微管或微丝等细胞骨架纤维运输所携带
的货物。
1. II型肌球蛋白
II型肌球蛋白存在于多种细胞，由2条重链和4 条轻链组成高度不对称分子。 • 在肌细胞中，II型肌 球蛋白组装成肌原纤维 的粗丝，其含量约占肌 细胞总蛋白的一半。 • 在非肌细胞中，II型 肌球蛋白参与胞质分裂 环和张力纤维的活动及 介导物质的运输。
（五）微绒毛(microvillus)
小肠上皮细胞微绒毛的轴心微丝是非肌肉细胞中
第九章 细胞骨架
（三）微管蛋白的结合蛋白 除了与微管纤维结合的蛋白外，游离的微管
蛋白二聚体也有其结合蛋白，可调控体内微管的
装配。 控装蛋白（癌蛋白18）是一类小的热稳定蛋 白，能够结合两分子的微管蛋白异二聚体，从而 阻止他们安装到微管上。微管的延伸速率与可获 得的自由的微管蛋白的亚基的浓度有关。
三、微管的特性
离端，速度大于 GTP 的水解， GTP 微管蛋白在游
离端彼此结合，形成 GTP 帽，此帽可防止微管解
装配，从而微管继续生长。
当微管生长速度下降， GTP微管蛋白聚合速度小
于GTP的水解， GTP帽消失，暴露出GDP微管蛋白，
由于其结合不紧密，微管解聚而缩短。
微管总是处于动态不稳定状态。
5、微管的特异性药物
α β微管蛋白
原丝或原纤维
微管蛋白异二聚体上的结合位点：
a. 秋水仙素结合位点 ：α微管蛋白第 201 位的 Cys ，抑制 微管组装。
b. 长春花碱结合位点：β微管蛋白的175-213 残基，抑制
微管蛋白的组装。
c. 鸟嘌呤核苷酸（GTP）结合位点 d. 二价阳离子Mg2+的结合位点 微管的装配需 GTP 提供能量，且需要 Mg2+ 的存在。 每一二聚体上均有 GTP 和 Mg2+ 的结合位点，当α和β微
驱动连接蛋白
动力肌动蛋白复合体
驱动蛋白kinesin
动力蛋白dyenin
4．细胞运动：细胞的运动器—纤毛、鞭毛由微管构
成。
5．纺锤体与染色体的运动：纺锤体由微管构成（13
章讲）
6．植物细胞壁的形成：微管对植物细胞纤维素纤维形成的方
向有一定的控制作用。纤维素纤维为构成植物细胞的初生壁和次生 壁的主要成分。质膜下方的微管排列与质膜外侧纤维素的沉积方向 一致。
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
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。
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Cytoskeleton
作用是调节肌动蛋白纤维的长度，结合在（+）或（-）极形成“帽子”，阻止其它单体添加。
4．单体聚合蛋白（monomer polymerizing protein） 5．微丝解聚蛋白（actin-filament depolymerizing protein）
●微丝(microfilament, MF) ●微 管（microtubules, MT） ●中间纤维（intermediate filament, IF) ●细胞骨架结构与功能总结
第二节 细胞核骨架
●核基质(Nuclear Matrix) ●染色体骨架 ●核纤层(Nuclear Lamina )
成分
肌动蛋白(actin)是微丝的结构成分,相对分子质量为43kD。肌 动蛋白单体外观呈哑铃状。（单体称G-actin；多聚体称F-actin）
根据等电点不同分为3类（ 6种）肌动蛋白：
α肌动蛋白： 4种（分布于肌细胞）
β肌动蛋白：1种 γ肌动蛋白：1
保守性高，这些肌动蛋白基因是从同一个祖先基因进化而来。
例如酵母和兔子的actin有88%的同源性。
装配
◆MF是由G-actin单体形成的多聚体，具有极性。
◆踏车现象（tread milling)
体外实验表明，MF正极与负极都能生长，生长快的一端为正 极，慢的 一端为负极；去装配时，负极比正极快。一定条件下，微丝可以表现出 一端因加亚单位而延长，而另一端因亚单位脱落而减短，这种现象称为 踏车现象（踏车行为）。
微丝结合蛋白
整个骨架系统结构和功能在很大程度上受到 不同的 细胞骨架结合蛋白的调节。
◆微丝结合蛋白和功能 ◆肌肉收缩系统中的有关微丝结合蛋白
第九章 细胞骨架(Cytoskeleton)
第九章细胞骨架(Cytoskeleton)主要内容：第一节细胞质骨架第二节细胞核骨架第一节细胞质骨架一、细胞骨架：是指真核细胞中的蛋白纤维网架体系，其概念有狭义与广义之分,1、狭义概念：指细胞质骨架，包括微丝、微管和中间纤维2、广义概念：包括细胞核骨架，细胞质骨架，细胞膜骨架和细胞外基质。
二、微丝(microfilament, MF)1、概念：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。
2、成分: 肌动蛋白(actin)是微丝的结构成分,外观呈哑铃状。
肌动蛋白的单体为球形分子，称为球形肌动蛋白G-actin(globular actin)，它的多聚体称为纤维形肌动蛋白F-actin (fibrous actin)。
3、装配：1）MF是由G-actin单体形成的多聚体，肌动蛋白单体具有极性,装配时呈头尾相接, 故微丝具有极性，既正极与负极之别。
2）MF的解聚：在含有A TP和Ca2+以及低浓度的Na+, K+等阳离子溶液中，趋向于解聚。
3）MF的装配：在Mg2+和高浓度的Na+, K+等溶液中，趋向于装配。
4）倒踏车现象：微丝装配过程中，表现出一端因加亚单位而延长，同时，另一端因亚单位的脱落而简短的现象。
Actin is a globular protein that polymerize helicaly forming actin filaments (or microfilaments), which like the other two components of the cellular cytoskeleton form a three-dimensional network inside an eukariotic cell. Actin filaments provide mechanical support for the cell, determine the cell shape, enable cell movements (through pseudopods); and participate in certain cell junctions, in cytoplasmic streaming and in contraction of the cell during cytokinesis. In muscle cells they play an essential role, along with myosin, in muscle contraction. In the cytosol, actin is predominantly bound to A TP, but can also bind to ADP. An A TP-actin complex polymerizes faster and dissociates slower than an ADP-actin complex. Actin is also one of the most highly conserved proteins, differing by no more than 5% in species as diverse as algae and humans.The globular Actin is known as G-actin, while the filamentous polymer composed of G-actin subunits (a microfilament), is called F-actin. The microfilaments are the thinest component of the cytoskeleton, measuring only 7nm in diameter. Much like the microtubules, actin filaments are polar, with the plus (+) end elongating approximately 10 times faster than the minus (-) end. (Known as the treadmill effect).4、微丝结合蛋白1）肌肉收缩系统中的有关蛋白：①肌球蛋白②原肌球蛋白③肌钙蛋白2）非肌肉细胞中微丝结合蛋白:①肌球蛋白②原肌球蛋白③α-辅肌动蛋白5、微丝结合蛋白将微丝组织成以下三种主要形式：1）Parallel bundle: MF同向平行排列，主要发现于微绒毛与丝状伪足。
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中心体
γ管蛋白及成核位点
基体
六、微管的功能
• ①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
②参与细胞内物质运输
• 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马达蛋白
（Motor protein）有关。如神经轴突运输及鱼色素
• 当细胞从间期进入分裂期，间期细胞胞质微管网架崩解， 微管解聚为微管蛋白，经重组装配成纺锤体，介导染色 体运动，分裂末期，纺锤体微管解聚为微管蛋白，经重 装配形成胞质微管网。 • 染色体运动机制：
动力平衡学说：与微管的装配与去装配有关
滑行学说：与微管的相互滑动有关
星体微管
动粒微管
中心体
极微管
Байду номын сангаас
染色体运动
⑤鞭毛和纤毛运动
• 许多细胞具有适应液态环境内运动的特性---能 收缩的丝状附属物---鞭毛和纤毛
• 鞭毛：长而少，鞭毛纲、精子
• 纤毛：短而多，软体动物、棘皮动物、多细胞
动物腔及内部管道的上皮细胞。如气管、生殖
道
鞭毛和纤毛的结构
• 由基体和鞭杆两部分构成。
• 鞭毛为二联体，其中的微管为9+2结构。
微管装配的非稳态动力学模型
三、微管结合蛋白（MAP）
•MAP分子至少包含一个 结合微管的结构域和一 个向外突出的结构域。 突出部位伸到微管外与 其它细胞组分（如微管 束、中间纤维、质膜） 结合。 •主要功能：①调节微管 装配。②增加微管稳定 性和强度。③作为细胞 外信号的靶位点参与信 号转导。
四、特异性药物
微丝结构
三、微丝结合蛋白
• 微丝系统的主要成分是肌动蛋白纤维，肌动蛋白纤 维要装配成不同的微丝网络结构（应力纤维、肌肉
细丝、绒毛轴心），参与细胞生命活动，在很大程
度上受微丝结合蛋白的调节。微丝结合蛋白种类、 数量和活性状态的不同，可以导致肌动蛋白纤维各 种各样的结构和功能方式。
①actin单体结合蛋白
第十章 细胞骨架
赖晓芳
第一节 细胞骨架概述
• 1924年，在光学显微镜下发现了应力纤维
• 细胞骨架：cytoskeleton，是指真核细胞中的蛋白纤维网架体系。
• 1928年，Klotzoff提出了细胞骨架的原始概念
• 1963年，采用戊二醛常温固定在细胞中发现微管 • 60年代后期，开始了细胞骨架的认识 • 细胞骨架的特点：弥散性、整体性、变动性 • 狭义的细胞骨架：细胞质骨架（微丝、微管、中等纤维）
– 延长期
• 细胞内高浓度的游离微管蛋白使微管聚合速度习快于解 聚速度，新的二聚体不断加到微管的端点使之延长。
– 稳定期
• 随着细胞质中游离微管蛋白浓度的下降，达到临界浓度 时，微管的聚合与解聚速度达到平衡，微管长度相对恒
• 所有的微管都有确定的极性。 （-）αβ →αβ→ αβ（+）
• 细胞内由微管构成的亚细胞结构也是有极性的。
• 这些小分子蛋白与actin单体结合，阻止其添加到微丝末
端，当细胞需要单体时才释放，主要用于actin装配的调
受精时的顶体反应）、proflin（细胞膜上参与细胞外刺 激）等。
节，如thymosin（血小板或嗜中性白细胞参与血管创伤、
②微丝结合蛋白
• 纽蛋白和α-辅肌动蛋白：将微丝固着于细胞膜上，肌肉
秋水仙素或长春碱
2、微管的存在形式
• 微管可装配面单管、二联管（鞭毛、纤毛）、 三联管（中心粒、基体）
• 单管：singlet，可随细胞周期发生变化，在低 温、Ca2+和秋水仙素作用下容易解聚，属于不 稳定微管，如纺锤体
• 二联管和三联管只存在于某些特定的细胞器中， 对低温、Ca2+和秋水仙素不敏感，属于稳定微 管
• 微管是由13 条原纤维构成的中空管状结构， 直径 22~25nm。
• 每一条原纤维由微管蛋白二聚体线性排列而成
• 微管蛋白二聚体由结构相似的α和β球蛋白构成。
• α球蛋白结合的GTP从不发生水解或交换。
• β球蛋白也是一种G蛋白，结合的GTP可发生水解， 结合的GDP可交换为GTP。
微管的结构和组成
– 微丝是细胞中最主要的利用细胞化学能产生运动
的机械-化学系统。
微 丝 的 结 构
• 根据等电点分为3类：α分布于肌肉细胞；β和γ
分布于肌细胞和非肌细胞。
• actin单体外观呈哑铃形，称球形肌动蛋白G-
actin；多聚体称为纤维形肌动蛋白F-actin。
• actin在进化上高度保守，酵母和兔子肌肉的肌 动蛋白有88%的同源性。 • 肌动蛋白要经过翻译后修饰，如N-端乙酰化或 组氨酸残基的甲基化。
鞭毛和纤毛的运动机制
ADP+Pi 释放 变构、滑动 ATP
与B管结合
ATP水解
角度复原
第三节 微丝
• 一、微丝的成分和结构 – 微丝：microfilament，MF，又称为肌动蛋白纤 维（actin filament），是指真核细胞中由肌动蛋 白组成，直径为7nm的骨架纤维，每圈螺旋37nm。
• 秋水仙素：colchicine，阻断微管蛋白装配成微 管，可破坏纺锤体结构。在二聚体上有其结合 位点，改变或封闭微管蛋白。与鬼臼素竞争
• 长春花碱：作用同上，但结合位点不同。与美
登木竞争 • 紫杉酚：taxol，促进微管装配，并使已形成的 微管稳定。但其稳定作用对细胞是有害的，使 细胞停止于有丝分裂期。
逆向转变。
3、微管装配的动态调节机制
• 动态调节机制：踏车模型和非稳态动力学模型
• 踏车模型：微管结构具有极性，（+）极的最外端是β ，（-）极的 最外端是α ，二者添加异二聚体的能力不同。初期，游离的微管蛋 白二聚体浓度高，在（+）极的添加速度高于（-）极，微管趋于延 长，随着游离的微管蛋白二聚体浓度的下降， （+）极的添加速度 与（-）极的解聚速度达到平衡，微管长度相对恒定。 • 非稳态动力学模型： • 动力学不稳定性产生的原因： 微管两端具GTP帽(取决于微管蛋白浓度)，微管将继续组装， 反之，形成GDP帽则解聚。
非稳态动力学模型
• 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Gactin单体浓度之间的关系。
• MF动态变化与细胞生理功能变化相适应。在
体内, 有些微丝是永久性的结构（肌肉中的细
丝、微绒毛的轴心微丝）, 有些微丝是暂时性
的结构（胞质分裂环微丝、哺乳动物血小板微 丝、无脊椎动物精子顶体中的微丝）。
二、微丝装配
• MF是由G-actin单体形成的多聚体，肌动蛋白单体具有极性，装 配时呈头尾相接, 故微丝具有极性，既正极与负极之别。 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。
• 体外实验表明，MF正极与负极都能生长，生长快的一端为正极，
二、微管的装配
• 1、体外装配方式---分为3个时期：成核期、延长期、稳定期
– 成核期
• α-微管蛋白和β-微管蛋白形成αβ二聚体，αβ二聚体先形 成环状核心(ring)，经过侧面增加二聚体而扩展为片状 螺旋带，αβ二聚体平行于长轴重复排列形成原纤维 (protofilament)。当螺旋带加宽至13根原纤维时，即合 拢形成一段微管。
• 体内则由于末端被封端蛋白结合，阻止actin加上和脱落，无踏车。
• 微丝的装配必需一定的盐浓度（主要是Mg2+），一定的G-actin 浓度和ATP存在下才能进行。在Ca2+及低浓度的Na+、K+趋向于 解聚，在Mg2+及高浓度的Na+、K+趋向于装配。
踏 车 行 为
• 非稳态动力学模型：1984年，Carlier • 1个G-actin分子可结合1分子ATP，结合ATP的actin对纤维 末端的亲和性高，当ATP-actin结合到末端后，actin构象改 变，然后ATP水解为ADP+Pi。而ADP-actin对纤维末端的亲 和性低，容易脱落，使纤维缩短。ATP-actin浓度与其聚合 速度成正比，当ATP-actin高浓度时， ATP-actin在末端聚合 速度快，由于ATP水解稍后发生，从而在纤维末端形成一连 串的ATP-actin，称为ATP帽，而近中部为ADP-actin，当 ATP-actin不断耗竭使浓度下降时, ATP-actin在末端的聚合 速度就下降,而ATP水解为ADP+Pi 的速度不变，结果使ATP 帽不断缩小而消失，最后暴露出ADP-actin，由于ADP-actin 对末端的亲和性小，结果ADP-actin不断解聚脱落，纤维缩 短。ADP-actin中的ADP又被ATP臵换重新形成ATP-actin参 加聚合，一些缩短的纤维在其末端可重新形成ATP帽再延长。
• 细胞内微管呈网状或束状分布，并能与其他蛋白共同
装配成纺锤体、基粒、中心粒、鞭毛、纤毛、轴突、 神经管等结构，参与细胞形态的维持、细胞运动、细
胞分裂。
微管
一、微管的成分、结构及存在形式
• 由α和β两种微管蛋白亚基二聚体为基本单位装配而成
• 微管壁一周有13个αβ二聚体盘绕成
1、微管的成分和结构
顺梯度
逆梯度 慢速转运
50~400mm/天
200mm/天
膜溶性细胞器和物质、线粒体、突触小泡
前溶酶体小泡、溶酶体酶、，内吞小泡
慢成分b
慢成分a
2~8mm/天
0.2~1mm/天
微丝、血影蛋白、包涵素、钙调素
微管、神经纤维、血影蛋白
神经元轴突的运输模式
色素颗粒运输
③细胞器定位
④染色体和纺锤体的运动
细胞色素颗粒的运输（皮肤颜色变化）。 • 马达蛋白：需ATP提供能量作为动力 驱动蛋白(kinesin):通常朝微管的正极方向运动 胞质动力蛋白(cytoplasmic dynein)：朝微管的 负极运动