分子细胞生物学——细胞骨架 1

Molecular Cell Biology
一、微丝的化学组成
从哺乳动物和鸟类细胞中已分离到 6 种actin，4 种为α型，分别为横纹肌、心肌、血管平滑肌和肠道 平滑肌所特有，其它2种为β和γ型，存在于所有肌肉 细胞和非肌肉细胞胞质中。
不同类型的α- actin分子一级结构(约 375 AA)相 差 4 - 6 AA；β或γ- actin与横纹肌α- actin相差约 25 AA。它们在氨基酸序列上微小的差异将产生功能上 明显的差别。
狭义细胞骨架，即细胞质骨架(cytoplasm cytoskeleton)是指真核细胞质中的蛋白纤维网架结构， 由微丝(microfilament)、微管(microtubule)和中间纤维 (intemediate filament)构成。
广义细胞骨架还包括核骨架(nucleoskeleton)、膜
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四、微丝的组装
在适宜的温度，有 ATP、K+、Mg2+时，肌动蛋白单 体可自组装为纤维。
微丝装配过程分为两个阶段，即成核和延长阶段。 成核是指由 G-actin 形成不稳定的二聚体至稳定的 三聚体，延长是指在形成的三聚体两端添加 G-actin， 使微丝长度增加。 细胞内许多微丝结合蛋白参与调节肌动蛋白的装 配。肌动蛋白也可在体外装配成微丝，其结构与直接 从生物细胞中分离出来的微丝相同。
微丝和它的结合蛋白 (association protein)以及肌球 蛋白(myosin)三者构成化学机械系统，利用化学能产 生机械运动。
在肌肉细胞中微丝结构稳定，组成了肌细胞的收 缩单位，在非肌肉细胞中，分布均散，结构与微管一 样不稳定。
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肌球蛋白分子尾对尾平行成束排列形成粗丝的主 体，而头部环绕粗丝的主体形成许多侧突，构成粗丝 的横桥。肌球蛋白头部都具ATP酶活性，是与肌动蛋 白分子结合的位置。
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肌球蛋白最早发现于肌肉组织(myosin II)，1970s后 逐渐发现许多非肌细胞的myosin。目前已知的有15余种 类型(myosin I~myosin XV)，其中 II 型肌球蛋白的主要 功能是参与肌丝滑动， I 型和 V 型肌球蛋白参与细胞骨 架和细胞膜的相互作用，如膜泡运输等。
胞质骨架不仅维持细胞形态稳定，而且还参与调 节细胞的重要生命活动，如细胞的物质运输、能量与 信息传递、基因表达、细胞的分裂分化以及凋亡等。
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胞质骨架的特点
微丝、微管和中间纤维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。
◆完成各种中间代谢过程 如糖酵解过程、磷酸戊糖途径、糖醛酸途径等， 蛋白质的分选与运输。 ◆ 与细胞质骨架相关的功能 维持细胞形态、细胞运动、胞内物质运输及能量 传递等。 ◆ 蛋白质的修饰及选择性降解 蛋白质的修饰、控制蛋白质的寿命、降解变性和 错误折叠的蛋白质、帮助变性或错误折叠的蛋白质重 新折叠形成正确的分子构象。
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第一节 细胞质溶质(溶胶)
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一、细胞质溶质 (cytosol)
细胞膜骨架 细胞质骨架
微丝 中间纤维 微管
核基质
细胞核骨架 核纤层-核孔复合体体系
染色体骨架
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胞质骨架的功能
细胞质骨架中，微丝确定细胞表面特征，使细胞 能够运动和收缩。 微管确定膜界细胞器(membrane enclosed organelle)的位置和作为膜泡运输的导轨。 中 间纤维使细胞具有张力和抗剪切力。
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第二节 细胞质骨架
微丝 微管 中间纤维
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细胞骨架(cytoskeleton)
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② 原肌球蛋白(tropomyosin, Tm)
分子量约为 64 kD，由两条平行的多肽链形成α螺 旋，每个Tm的长度相当于7个肌动蛋白，呈长杆状。 一个原肌球蛋白分子的长度相当于 7 个肌动蛋白单体。 原肌球蛋白与肌动蛋白紧密相连，位于肌动蛋白螺旋 沟内，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 。
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已经分离出来的微丝结合蛋白有100多种，可分为 以下多种类型：
1 核化蛋白(nucleating protein) 2 单体隐蔽蛋白(monomer sequestering protein) 3 封端蛋白(end-blocking protein) 4 单体聚合蛋白(monomer polymerizing protein) 5 微丝解聚蛋白(actin-filament depolymerizing protein) 6 交联蛋白(cross-linking protein) 7 纤维切断蛋白(filament severing protein) 8 膜结合蛋白(membrane-binding protein)
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③ 肌钙蛋白(troponin，Tn )
是一种较大的球蛋白，分子量约为80 kD，由 3 个 亚基组成复合体，分别为 Tn-C、 Tn-T和 Tn-I。
Tn-C特异与 Ca 2+ 结合，Tn-T 与原肌球蛋白有高度 亲和力；Tn-I 抑制肌球蛋白 ATPase 的活性。
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第三节 微丝/肌动蛋白丝
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微丝(microfilament，MF)是由肌动蛋白(actin)组成 的直径约7 nm的细丝，又称肌动蛋白纤维 (actin filament)。
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Structure of actin and its subunit
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细肌丝中每隔40 nm 有一个肌钙蛋白复合体结合到 原肌球蛋白上。
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ห้องสมุดไป่ตู้
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CapZ 和原调蛋白：均为封端蛋白。 CapZ 由分
子量为 32kDa 和 36kDa 两个亚基构成，在 Z 盘结合于 肌动蛋白纤维正端，原调蛋白结合在负端，阻止在微丝 末端加上或脱落肌动蛋白单体，使细丝保持稳定。
体内肌动蛋白的装配在两个水平上受到结合蛋白的 调节：① 游离肌动蛋白单体的浓度；② 微丝横向连接 成束或成网的程度。
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五、微丝结合蛋白
微丝结合蛋白的种类、数量和活性状态不同，导致 微丝具有不同结构与功能。如应力纤维、肌肉细丝、微 绒毛的轴丝、精子顶体的刺突等等。
三、微丝的特点
1、自组装：适宜的温度，有ATP、K+、Mg2+时， 肌动蛋白单体可自组装为纤维。
2、 极性：肌动蛋白具有极性，由其头尾相连所 组装的F-肌动蛋白微丝也具有极性。
3、稳定性：有些微丝为永久性结构(微绒毛)、有 些为暂时性结构(胞质分裂环)，但大多数非肌肉细胞 中则为动态结构，它们不停地组装和解聚，以达到维 持细胞形态和细胞运动的目的。
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二、微丝的分子结构
肌动蛋白纤维是由两条线性排列的肌动蛋白链形 成的螺旋，状如双线捻成的绳子。近年来则认为微丝 是由一条肌动蛋白单体链形成的螺旋，每 37nm 拧成 一圈。
肌动蛋白的单体为球形分子，称为球形肌动蛋白 G-actin(globular actin)，其多聚体称为纤维形肌动蛋白 F-actin (fibrous actin)。
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第八章 细胞骨架
李莲军 博士 云南农业大学动物科技学院
2003.9 - 2010.9
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第一节 细胞质溶质(溶胶) 第二节 细胞质骨架 第三节 微丝 第四节 微管 第五节 中间纤维
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1、与收缩有关的微丝结合蛋白
①肌球蛋白(myosin)
分子量约为480kD，由六条多肽链组成。其中两 条重链的大部分互相盘绕形成一个双股α- 螺旋尾部， 长约140 nm，直径2 nm，其余部分与四条轻链一起形 成两个球形头部。
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肌联蛋白(connectin)：分子量约为 2700 kD，是一
种由 25000 个氨基酸组成的、具有弹性的长纤维大分 子，它从 Z 盘至 M 线与粗丝相连，在肌肉收缩或舒张 时将粗丝定位于肌小节中央。
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装配时，肌动蛋白单体加到两极的速度不同，加 到(+)极的速度要比加到 (-) 极的速度快 5-10 倍。 当处 于临界浓度时，ATP-actin可能继续在 (+) 端添加，而 在(-)端开始分离，表现出一种“踏车”现象。
骨架和细胞外基质(extracellular matrix) 等形成的贯穿 于细胞核、细胞质及细胞外的一体化网络结构。
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胶原
细胞外基质
黏合糖蛋白 糖胺聚糖和蛋白聚糖
细
弹性蛋白
胞 骨 架
细胞质溶质也称细胞质溶胶，指细胞质中除去膜 界细胞器以外的主要成分，它是一个高度有序并处于 动态平衡中的结构体系。 主要成分：
中间代谢有关的数千种酶类 细胞质骨架结构
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胞质溶质的功能
α-辅肌动蛋白(α-actinin) ；分子量为200 kD，以
二聚体形式存在。是骨骼肌 Z 盘、平滑肌细胞质板及心 肌闰盘主要组分之一，可横向连接微丝成束和介导微丝 与细胞膜的结合。
纽蛋白( vinculin )：分子量为116 kD，见于平滑肌
细胞质板、心肌闰盘，通过结合于 α-辅肌动蛋白，介导 微丝结合于细胞膜。