9第九章细胞骨架(cytoskeleton)
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。
第九章 细胞骨架
（1）装配过程
αβ二聚体先形成原纤维，经过侧面增加而扩展为片层，至13根 原维时，即合拢形成一段微管。新的二聚体再不断加到微管的端 点使之延长。 原纤维中αβ→αβ的重复排列即导致微管两个末端在结构上的 差异，使微管具有极性，（+）αβ→αβ（－）即为头→尾#43;）端，微管的延长主要依 靠在（+）端装配GTP微管蛋白，然后GTP水解为GDP或GTP与微 管蛋白分离。目前认为，微管两端具GTP帽时，微管将继续装 配，反之，具GDP帽则解聚。微管的装配具有踏车现象，即(＋) 端结合上去的与（－）端释放出来的微管蛋白速度相同的现象。
马达蛋白的运输是单方向的，即一种马达蛋白只能 引导一种方向的运输。
驱动蛋白只能引导沿微管的（－）端向（＋）端的运输； 动力蛋白则是引导沿微管的（＋）端向（－）端的运输； 肌球蛋白则引导沿微丝由其（－）端向（＋）端的运动。
驱动蛋白是1985年从鱿鱼的轴质中分离的一种马达 蛋白。是一个四聚体，包括两条重链和两条轻链。
深绿：微管 浅兰：内质网 黄色：高尔基体
上图：内质网抗体染色 下图：微管抗体染色
上图：高尔基抗体染色 下图：微管抗体染色
鞭毛和纤毛的运动形式
鞭毛和纤毛的结构
纤毛的运动机制
微管的类型
微管的装配
（二）微丝
微丝（microfilament，MF）是由肌动蛋白(actin)组成的直径约 7nm的骨架纤维，又称肌动蛋白纤维actin filament。微丝和它的结 合蛋白（association protion）一起可以形成多种不同的亚细胞结 构。如应力纤维、肌肉细丝、小肠绒毛的轴心以及精子顶体中的
刺突等。
1 结构成分 2 微丝的装配 3 微丝特异性药物 4 微丝结合蛋白 5 微丝性细胞骨架的功能
Chapter 9细胞骨架
一 、微丝的组成与组装
肌动蛋白 actin
1.1 Structure and assembly
微丝 肌动蛋白丝
Microfilament （MF）：
7 nm in diameter, 极性：具有裂口的一端 负极，另一端正极。 每一个肌动蛋白单体周 围有四个单体，上下各 一个，另2个位于一侧。
minus
2.3 Nonmuscle cell motility and contractility
肌动蛋白的聚合和伪足的形成 Nonmuscle cell motility and contractility
1 外界信号刺激； 2 WASP蛋白将Arp2/3复合物激活，成为微丝聚合的成核点； 3 肌动 蛋白结合蛋白profin（聚合蛋白）促进微丝聚合，微丝在近膜端延长；4 到一定程度， Arp2/3复合物结合到微丝的侧面，启动新的微丝组装，形成侧链；5 分支点为负极继续向 细胞膜端组装；6 如此有形成新的分支，最后形成片状伪足，并推动细胞质膜向信号源方 向伸出，形成伪足。
二、 微丝网络动态调节与细胞运动
2.1 MF binding proteins in nonmuscle cell
1 Nucleating proteins (成核蛋白） Arp2/3 complex, begin formation of polymer. 2 Monomer sequestering proteins (单体隔离蛋白）prevent G-actin from
2.4 MF binding proteins in microvili (微绒毛）
+
小肠上皮细胞微绒毛
微丝束平行排列。因不具备肌球蛋白，原肌球蛋白， alpha辅肌动蛋白而不能收缩。微丝结合蛋白包括： 毛缘蛋白，绒毛蛋白，胞影蛋白（fodrin)，它们与微
第九章 细胞骨架
细胞骨架概述 1928年，Koltzoff提出：原生质中存在着一种具有一定形 年 提出： 提出 态和结构的纤维成分， 态和结构的纤维成分，每一细胞就是一个由液体成分和硬性 骨架组成的体系。 骨架组成的体系。 20世纪 年代，Wyssling提出细胞质中含有细丝组成的网 世纪40年代 世纪 年代， 提出细胞质中含有细丝组成的网 架。 20世纪 年代（1963）Slauterback首先在水螅刺细胞中发 世纪60年代 世纪 年代（ ） 首先在水螅刺细胞中发 现了微管结构，同时Porter在植物细胞中也发现了此结构。 在植物细胞中也发现了此结构。 现了微管结构，同时 在植物细胞中也发现了此结构 后来研究手段和技术不断创新： 后来研究手段和技术不断创新： 录象增强反差显微技术 电镜技术：免疫标记、冷冻深度蚀刻、 电镜技术：免疫标记、冷冻深度蚀刻、无树脂包埋切片技 术、高压电镜技术、整装细胞制片技术 高压电镜技术、 相继发现了微管、微丝、中等纤维和微梁网络。 相继发现了微管、微丝、中等纤维和微梁网络。
1.微丝的装配过程： 微丝的装配过程： 微丝的装配过程
细胞骨架的电子显微 镜检查 用非离子去垢剂Triton 用非离子去垢剂 X-100处理成纤维细胞 处理成纤维细胞, 处理成纤维细胞 并进行冰冻干燥和金 属复型的细胞骨架。 属复型的细胞骨架。 SF表示的是成束的微 表示的是成束的微 表示微管; 丝,MT表示微管 R是 表示微管 是 多聚核糖体。 多聚核糖体。
用电视显微镜观察到的微管发动机的运动示意图
3、电子显微镜技术的应用： 、电子显微镜技术的应用： 的应用 细胞骨架的一个很特别的特性是用非离子去垢剂， 细胞骨架的一个很特别的特性是用非离子去垢剂，如 TritonX-100处理时保持非溶解状态。当用这类去垢剂 处理时保持非溶解状态。 处理时保持非溶解状态 处理细胞时，可溶性的物质、膜成分被抽提出来， 处理细胞时，可溶性的物质、膜成分被抽提出来，留 下细胞骨架，并且同活细胞中的结构完全一样。 下细胞骨架，并且同活细胞中的结构完全一样。根据 这一特性， 这一特性，采用金属复型技术在电子显微镜下观察到 细胞骨架的基本排列。 细胞骨架的基本排列。
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)
9细胞骨架PPT课件
（三）微丝参与细胞分裂
收缩环（contractile ring）:由大量平行排列但具有 不同极性的微丝构成，具有收缩功能。
收缩环收紧的机制：肌动蛋白和肌球蛋白滑动。
（四）微丝参与肌肉收缩
粗肌丝——肌球蛋白（myosin）：约有13种。 两条重链和两对轻链组成，形似黄豆芽，有 极性。 重链：形成α超螺旋尾部和两个球形头部的
如此循环
（五）参与细胞内物质运输
如小鼠黑色素细胞中黑色素颗粒的运输依赖于 肌球蛋白。
（六）微丝与细胞内信号转导
微丝可作为某些信息传递的介质：
1.细胞外信号 及核纤层
膜下微丝
核膜
调控DNA的复制和转录。
2.核内的信息也能通过该途径传递到细胞膜。
第二节 微 管
微管（Microtubule, MT）普遍存在于真核细 胞的胞质中，分布于核周围，呈放射状向四 周扩散。
2. 微丝的结构：
微丝是由两条肌动蛋白单链盘绕而成的双螺 旋结构。
ATP、Mg2+ 及高Na+、K+
Ca2+及 低Na+、K+
电镜下显示微丝
二、微丝的装配
1. 成核期（nucleation phase) ：2-3个肌动蛋白单体组 成寡聚体，需要肌动蛋白相关蛋白Arp2/3复合物。
2. 生长期（growth phase）：肌动蛋白在核心两端聚 合，正端快，负端慢。
微丝解 聚蛋白
单体隔离蛋白 核核化化蛋蛋白白
纤维切断蛋白
单体隔离蛋白
单体聚合蛋白
单体聚合蛋白
四、微丝的功能
（一）构成细胞的支架，维持细胞形态
1.微丝参与细胞骨架的形成
2.构成细胞皮层（cell cortex）
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)。
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。
第九章 细胞骨架
（4） 组成鞭毛、纤毛 ） 组成鞭毛、
9.1.2 微丝 微丝(microfilament)
1 .微丝的形态及化学组成 微丝的形态及化学组成 （1）形态 ）
为实心的纤维状结构,直径约 为实心的纤维状结构 直径约5 - 8nm。 直径约 。
电镜下显示微丝
（2）微丝的化学组成 ）
肌动蛋白（ 根据等电点分3类 分布于肌细胞； 和 分布 肌动蛋白（actin ）根据等电点分 类：α-actin分布于肌细胞；β-和γ-分布 根据等电点分 分布于肌细胞 于所有细胞。单体呈哑铃形， 于所有细胞。单体呈哑铃形，称G-actin；多聚体称 ；多聚体称F-actin。 。 肌动蛋白结合蛋白： 多种， 肌动蛋白结合蛋白：有100多种，微丝解聚蛋白，交联蛋白等。 多种 微丝解聚蛋白，交联蛋白等。 肌球蛋白(myosin) 、原肌球蛋白等 (tropmyosin,Tm) 肌球蛋白
微管组织中心(MTOC)：是微管装配的发生处，能调节微管 ：是微管装配的发生处， 微管组织中心 蛋白的聚合和解聚，使微管加长或缩短。包括中心粒、 蛋白的聚合和解聚，使微管加长或缩短。包括中心粒、动粒和 鞭毛基体等。 鞭毛基体等。 微管敏感的药物：秋水仙素、长春花碱等抑制微管的聚合, 微管敏感的药物：秋水仙素、长春花碱等抑制微管的聚合 紫杉酚能促进微管的装配, 并使已形成的微管稳定。 紫杉酚能促进微管的装配 并使已形成的微管稳定。
9．1 细胞质骨架的结构与化学组成 ． 9．1．1 微管（microtubule) ． ． 微管（
电镜下的微管
• 光镜下显示细胞骨架 微管 光镜下显示细胞骨架—微管
1．微管的超微结构和化学组成 ． 形态： 根微管蛋白原纤维微管为中空的管状纤维 根微管蛋白原纤维微管为中空的管状纤维。 形态：13根微管蛋白原纤维微管为中空的管状纤维。 化学组成：微管蛋白(α、 ） 微管关联蛋白、达因蛋白。 化学组成：微管蛋白 、β）、微管关联蛋白、达因蛋白。 2. 微管的组装 微管蛋白 异二聚体 微管蛋白原纤维 微管
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。
细胞生物学第九章细胞骨架
四、肌细胞的收缩运动
3、肌肉收缩的过程
动作电位产生 原肌球蛋白位移
肌动蛋白丝与肌球 蛋白丝的相对滑动
Ca2+的释放
Ca2+的回收
肌肉收缩
①肌球蛋白结合ATP，引起头部与肌动蛋白纤 维分离； ②ATP水解，引起头部与肌动蛋白弱结合； ③Pi释放，头部与肌动蛋白强结合，头部向M 线方向弯曲，引起细肌丝向M线移动； ④ADP释放ATP结合上去，头部与肌动蛋白纤 维分离。 如此循环。
条轻链和中间链。马达结构域位于重链C端。 （2）功能： 细胞内介导沿微管从正极向负极的膜泡运 输。 与有丝分裂纺锤体的定位及后期染色体的 分离有关。
神 经 元 内 部 的 物 质 运 输
神经元内部的物质运输
鱼色素细胞颗粒的运输
（三）纤毛和鞭毛的结构与功能
1、纤毛和鞭毛的结构
第九章 细胞骨架(Cytoskeleton)
第一节 微丝与细胞运动
第二节 微管及其功能
第三节 中间丝
Microbubules
Microfilamemts
Intermediate filaments
第九章 细胞骨架
细胞骨架的发现 细胞骨架的概念:真核细胞内由蛋白质组成
的纤维状网架结构体系。 细胞骨架的基本类型： 1、微丝（microfilament MF） 2、微管（microtubule MT） 3、中间丝（intermediate filament IF）
（二）微管特异性药物
秋水仙素阻断微管的装配，使细胞分裂停 止在中期。 紫杉酚、D2O促进微管的装配，稳定微管， 但破坏了微管的平衡，使细胞停止在有丝 分裂期。
三、微管组织中心（MTOC） 在活细胞内，能够起始微管的成核作用，
第九章-细胞骨架(cytoskeleton)
第九章-细胞骨架(cytoskeleton)细胞骨架(cytoskeleton)是一种支持细胞形态并参与细胞运动、细胞分裂等生命活动的网络结构。
细胞骨架由细胞内的微丝(filament)、中间纤维(intermediate filament)和微管(microtubule)三种不同类型的蛋白纤维组成。
本文将分别介绍这三种蛋白纤维及其生物学功能。
微丝(filament)微丝是由直径约为0.7纳米的轻链和重链蛋白依序排列而成的，其长度可达几微米到数十微米。
微丝参与了许多细胞的活动，如细胞的贴附和收缩、细胞的定向运动、细胞分裂时的细胞质分裂等。
微丝在细胞内分布广泛，在细胞膜下、学问边缘、细胞质中均可看到它们的存在。
微丝的结构在细胞内具有动态性，微丝的动态平衡是在微丝生长和微丝解聚之间达到的。
微丝的生长是指微丝单元向氨基末端添加新的单元，微丝解聚剂解聚是指微丝单元从氨基末端依次解离。
微丝结构的多样性，使其在不同的细胞和组织中具有不同的生理和生理功能，其功能包括：1.细胞形态维持2.细胞内运动3.细胞分裂4.细胞外运动中间纤维(intermediate filament)中间纤维是由多种蛋白质复合物组成的、直径约为10纳米的蛋白质纤维，是细胞骨架中最稳定的一种类型。
与微丝相比，在细胞内时间较长，主要定位于细胞内稳定形态和细胞间连接等功能。
中间纤维具有多样性的物种、组织和细胞类型，它们的功能也很多，常见的包括：1.细胞特异性标记物2.相关细胞黏着3.细胞内物质运输4.参与细胞质形态维持5.参与细胞分裂过程微管(microtubule)微管是细胞骨架中直径最大的一类蛋白纤维，直径约为25纳米。
由两种蛋白质复合物丝状蛋白(tubulin)组成，是由 alpha 和 beta 两种 tubulin 蛋白以β特定的方向相互堆叠形成。
微管是一个高度动态的结构，依据其在细胞间操纵某些重要的细胞内形态变化，对于微管动态的研究成为细胞骨架领域的一个重要方向。
细胞生物学第九章 细胞骨架
（1）结构与支持 （2）胞内运输
（3）收缩和运动
（4）空间组织
微丝
中间丝 神经细胞 微管
上皮细胞
分裂细胞
细胞骨架的基本类型与主要功能
光镜下显示细胞骨架：红色荧光显示微丝；黄色显示微管；兰色显示细胞核
细胞骨架由以下组分构成
微丝（microfilament） 微管（microtubule） 中间纤维（intemediate filament） 核骨架（nucleoskeleton） 核纤层（nuclear lamina） 细胞外基质（extracellular matrix） 膜骨架（membrane associated cytoskeleton）
细丝蛋白
三、微丝的功能
1.构成细胞的支架，维持细胞的形态
细胞皮层（cell cortex） 也叫肌动蛋白皮层 （actin cortex） 细胞靠近质膜处的一层由微丝和各种微丝结 合蛋白构成的网状结构
2.应力纤维（stress fiber）
也叫张力纤维，是真核细胞中广泛存在 的由微丝束构成的较为稳定的纤维状结 构，位于细胞内紧邻质膜下方。
7.参与肌肉收缩
肌纤维 肌原纤维
粗、细肌丝
肌球蛋白
肌动蛋白 原肌球蛋白 肌钙蛋白
骨骼肌
肌纤维束
肌原纤维 肌节
肌纤维
粗肌丝 细肌丝
Z盘
肌纤维TEM照片
肌节
肌球蛋白：依赖于微丝的肌球蛋白
组成
两条重链 四条轻链 两个头部
水解 ATP
结构特点
与肌动蛋白纤维结合
一个尾部 装配成粗丝
movie
4.微绒毛（microvilli）
第九章细胞骨架Cytoskeleton
微丝的装配
条件：ATP、适宜温度、K+和Mg2+。 过程：2-3个actin聚集成核心（核化）；ATP-actin
分子向核心两端加合。 极性：ATP-actin加到(+)极的速度要比加到(-)极
的速度快5-10倍。 踏车行为：单体可同时在(+)端添加，在(-)端分离。
微丝特异性 ◆ 细 胞 松 弛 素 (cytochalasins) ： 可 以 药物 切断微丝,并结合在微丝末端阻抑肌动蛋白
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 ·Ca2+的回收
二．微 管（Microtubule, MT）
●微管结构与组成 ●装配 ●微管相关蛋白(MAP) ●微管特异性药物 ●微管功能
鞭毛和纤毛
鞭毛和纤毛是以微管为主的细胞表面特化结构，存在于单 细胞生物和某些高等动物细胞中。
细胞质各种骨架蛋白以单体形势非共价结合，构成纤维 型多聚体。
微丝确定细胞表面特征，使细胞能够运动和收缩 。 微管确定膜性细胞器的位置和作为运输导轨。
中间纤维使细胞具有张力和抗剪切力。
其它骨架成分：核骨架、核纤层、膜骨架、细胞外基质。
细胞骨架的主要功能（图片来自 G. Karp 2002）
第一节 细胞质骨架
细胞运动
成纤维细胞爬行与微丝装配和解聚相关
细胞变形运动： ①微丝纤维生长，使细胞表面突出，形成片足( lamellipodium)； ②在片足与基质接触的位置形成粘着斑； ③在肌球蛋白（myosin）的作用下微丝纤维滑动，使细胞主体 前移； ④解除细胞后方的粘着点。
如此不断循环，细胞向前移动
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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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)。
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 ·Ca2+的回收
二．微 管（Microtubules）
微管结构与组成 微管形态 装配 微管特异性药物 微管组织中心(MTOC) 微管结合蛋白 微管功能
微管平均外径为24 nm，内径15nm，微管壁 由13根原纤维排列构成，在横切面上，微管呈中 空状，微管壁由13个球形蛋白亚基组成(图)。微管 可装配成单管，二联管(纤毛和鞭毛中)，三联管 (中心粒和基体中)。细胞内还存在一些微管附属结 构，如纤毛或鞭毛中的动力蛋白臂等，微管附属 结构的功能有：
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Motor protein有关。
·Motor proteins ·神经元轴突运输的类型及运输模式 ·色素颗粒的运输
Motor proteins
目前已鉴定的Motor proteins多达数十种。根据其 结合的骨架纤维以及运动方向和携带的转运物不同而分 为不同类型。胞质中微管motor protein分为两大类：
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。
肌肉收缩(muscle contraction)
肌肉可看作一种特别富含细胞骨架的效力非常高 的能量转换器，它直接将化学能转变为机械能。
◆肌肉的细微结构(以骨骼肌为例) ◆肌小节的组成 ◆肌肉收缩系统中的有关蛋白 ◆肌肉收缩的滑动模型 ◆由神经冲动诱发的肌肉收缩基本过程
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
中间纤维分类与分布
中间纤维的功能
◆增强细胞抗机械压力的能力 ◆角蛋白纤维参与桥粒的形成和维持 ◆结蛋白纤维是肌肉Z盘的重要结构组分，
对于维持肌肉细胞的收缩装置起重要作用 ◆神经元纤维在神经细胞轴突运输中起作用 ◆参与传递细胞内机械的或分子的信息 ◆中间纤维与mRNA的运输有关
第二节 细胞核骨架
●核基质(Nuclear Matrix) ●染色体骨架 ●核纤层(Nuclear Lamina)
核基质(Nuclear Matrix)
·Parallel bundle: MF同向平行排列，主要发 现于微绒毛与丝状伪足。 ·Contractile bundle: MF反向平行排列，主要 发现于应力纤维和有丝分裂收缩环。 ·Gel-like network: 细胞皮层(cell cortex)中微丝 排列形式，MF相互交错排列。
微丝功能
◆紫杉醇(taxol)能促进微管的装配, 并使已形成的微管稳定。
◆为行使正常的微管功能,微管动力学 不稳定性是其功能正常发挥的基础。
微管组织中心(MTOC)
◆概念： ◆常见微管组织中心 ◆中心体(centrosome) ◆基体(basal body)
微管在生理状态或实验处理解聚
后重新装配的发生处称为微管组织中心 (microtubule organizing center, Байду номын сангаасTOC)。
基体(basal body)
·位于鞭毛和纤毛根部的类似结构称为基体（basal body ） ·中心粒和基体均具有自我复制性质
微管功能
◆维持细胞形态
◆细胞内物质的运输 ◆细胞器的定位 ◆鞭毛(flagella)运动和纤毛(cilia)运动 ◆纺锤体与染色体运动
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,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。
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 有狭义和广义两种概念
◆在细胞质基质中包括微丝、微管和中间纤维。 ◆细胞骨架---细胞核骨架、细胞质骨架、细胞膜骨 架和细胞外基质。
●细胞质骨架
●核骨架
细胞质骨架
●微丝(microfilament, MF) ●微 管（microtubules） ●中间纤维（intermediate filament,IF) ●细胞骨架结构与功能总结
常见微管组织中心
◆间期细胞MTOC： 中心体(动态微管) ◆分裂细胞MTOC：有丝分裂纺锤体极(动态微管) ◆鞭毛纤毛细胞MTOC：基体(永久性结构)
中心体(centrosome)
·中心体(centrosome)结构 ·中心体复制周期
·γ管蛋白：位于中心体周围的基质中，环形
结构，结构稳定，为αβ微管蛋白二聚体提 供起始装配位点，所以又叫成核位点
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。
◆ actin单体结合蛋白 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 装配的调节，如proflin等。 ◆微丝结合蛋白 ◆微丝结合蛋白将微丝组织成以下三种主要形式：
三、中间纤维（intermediate filament,IF)
10nm纤维,因其直径介于微丝和微管之间, 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。
●中间纤维的成分与分布 ●中间纤维的装配 ●中间纤维结合蛋白（ IFAP ）及其判定标准 ●中间纤维的功能
驱动蛋白(kinesin):通常朝微管的正极方向运动 动力蛋白(cytoplasmic dynein)：朝微管的负极运动 Kinesin与Dynein的分子结构 Kinesin与Dynein的运输方式
神经元轴突运输的类型
种类 快速转运
顺梯度 逆梯度
速度
成
分
50-400mm/天 膜性细胞器和物质、线粒体、突触小泡 200mm/天 前溶酶体小泡、溶酶体酶、内吞小泡
◆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。
微丝特异性药物
◆细胞松弛素(cytochalasins)：可以切断微丝,并结合 在微丝正极阻抑肌动蛋白聚合,因而可以破坏微丝的三维 结构。
◆鬼笔环肽(philloidin)：与微丝侧面结合,防止MF解聚。 ◆影响微丝装配动态性的药物对细胞都有毒害，说明 微丝功能的发挥依赖于微丝与肌动蛋白单体库间的动 态平衡。这种动态平衡受actin单体浓度和微丝结合蛋 白的影响。
慢速转运 慢成分 b 2-8mm/天 慢成分 a 0.2-1mm/天
微丝(肌动蛋白和结合蛋白)、血影蛋白、包涵素、 钙调蛋白 微管(管蛋白、MAPs、tau)、神经纤维(三联体蛋 白质)、血影蛋白
轴突运输的类型
鞭毛(flagella)运动和纤毛(cilia)运动
·纤毛和鞭毛的运动形式 ·纤毛与鞭毛的结构 ·纤毛运动机制
第二节 细胞核骨架
●核基质(Nuclear Matrix) ●染色体骨架 ●核纤层(Nuclear Lamina )
一、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。 ●成分 ●装配 ●微丝特异性药物 ●微丝结合蛋白 ●微丝功能 ●肌肉收缩(muscle contraction)
细胞运动
成纤维细胞爬行与微丝装配和解聚相关
微绒毛(microvillus)
是肠上皮细胞的指状突起，用以增 加肠上皮细胞表面积，以利于营养的快 速吸收。
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、原肌球蛋白和-辅肌动