第七章 细胞骨架

基体部
纤毛主体部的结构
放射辐条 内鞘
动力蛋白臂
连丝蛋白
质膜
A B
内动力蛋白臂
中央单体微管
外周双联微管
纤毛的电镜照片
纤毛基体部结构
A管B管向外延伸成 为纤毛的二联管 与中心粒类似
9x3+0
第三节 微 丝
(microfilament，MF)
一类由肌动蛋白（actin）纤维组成的实心的骨架纤维细丝； 直径为7nm，可成束、网状或散在分布。
第七章 细胞骨架
细胞骨架（cytoskeleton）
是广泛存在的、由蛋白纤维交织而成的立体网架结构，它充满整个细 胞质的空间，并与内侧的核膜和外侧的细胞膜存在一定的结构联系。
真核细胞的细胞骨架
绿：微管
红：微丝
蓝：细胞核
细胞骨架组成和类型
蛋白纤维为主要成分的网络结构
微管（24nm）、微丝（7nm）、中间纤维（10nm）
肌动蛋白结合蛋白功能示意图
三、微丝的组装
大多数非肌细胞中，微丝是一种动态结构，不断组装和解聚。 组装的三个阶段：
G-actin
三聚体核心
F-actin
成核期（或延迟期）：限速，较慢 生长期（或延长期）：快速，两端延长 平衡期：正端延长，负端缩短
肌动蛋白的“踏车”行为：
正端延长速度 = 负端解聚速度, 长度不变
微丝在细胞质中分布不均匀，于细胞皮质区比较集中， 即细胞膜的内侧。
一、微丝的组成和结构
基本单位——肌动蛋白（actin）
肌动蛋白在细胞中的存在方式有： G-肌动蛋白 (G-actin)：肌动蛋白单体 F-肌动蛋白 (F-actin)：肌动蛋白聚合体
ATP
微丝的组成和结构
7nm F-肌动蛋白
36 nm
胞质骨架三种组分的比较
微丝 单体 结合核苷酸 纤维直径 结构 球蛋白 ATP ~7nm 双链螺旋
微管 αβ 球蛋白 GTP ~25nm 13 根原纤丝组成空心管 状纤维 有 无 有 有 动力蛋白，驱动蛋白 秋水仙素，长春花碱， 紫杉酚
中间纤维 杆状蛋白 无 10nm 8 个 4 聚体或 4 个 8 聚体组成的空心 管状纤维 无 有 无 无 无
（五）参与细胞内信号传递；
（六）细胞器空间定位和分布。
中心粒（centriole）
形态
光镜：小球 电镜：柱状体
（中心体）
中心粒（centriole）
结构
9组，三联微管
中心粒横截面
电镜
中心粒（centriole）
功能
1. 中心粒是微管组织中心，可形成微管结构；
2. 中心粒与纺锤体的形成有关，并与星体、纺锤体和 染色体共同组成有丝分裂器；
直径介与微管与微丝之间， 10nm。
IF结构稳定：不受秋水仙素 和细胞松弛素影响。
没有极性。 布满胞浆，与核、膜相连。
一、中间纤维的结构
化学组成：
不同的中间纤维蛋白，因组织不同而异。
Байду номын сангаас
类型和分布 （6种）
I II III IV V 酸性角蛋白 碱性角蛋白 结蛋白 表皮细胞 表皮细胞 肌细胞
波形纤维蛋白
1）不需要核苷酸和结合蛋白
2）不依赖温度和蛋白浓度 3）随离子强度和PH值，进行自我解聚和装配 体内的存在： 1）单体极少 2）无踏车行为 3）随细胞周期变化：磷酸化和去磷酸化调节
四、中间纤维的功能
（一）支架作用 （二）与微丝、微管一起发挥定向运输作用
（三）与细胞癌变调控有关
（四）参与胞内信息传递 （五）参与细胞的分化


微管的三种存在形式
1 13 12 11 10 7 9 8 2 3 4
5
6
单管 （13根）
A
B
A
B
C
二联管 (23根)
三联管
(33根)
微管结合蛋白： （ microtubule-associated protein, MAP）
微管结合蛋白是指结合在微管表面的辅助蛋白， 主要存在于神经细胞中。可以稳定微管结构和促 进微管聚合，包括MAP1 、MAP2 、MAP4、 Tau等。
一种特殊酶类，能水解ATP获能而沿着微丝 或微管移动，又称为分子发动机
肌球蛋白(myosins)家族：微丝作为运行的轨道
包括： 驱动蛋白(kinesins)家族：微管作为运行的轨道 动力蛋白 (dyneins)家族：微管作为运行的轨道
鞭毛、纤毛的摆动机制
纤毛和鞭毛的摆动是通过动力蛋白臂水解ATP释放能量，促使动力蛋白沿相
邻的B管发生移动，从而引起二联管之间的相对滑动而实现的。
细胞蠕动机制
①肌动蛋白聚合使细胞表面形
成突起，称为伪足。 ②突起通过黏着斑附着在爬行 的表面上，黏着斑的形成也与 肌动蛋白纤维相关。 ③胞质溶胶向前流动，细胞尾 部收缩，使细胞向前移动。这
一过程涉及肌动蛋白的解聚。
细胞的变形运动能被细胞松弛 素B所抑制。
3. 中心粒也能产生纤毛和鞭毛,它们从中心粒的一端长 出。
纤毛（cilia）和鞭毛（flagellae）
伸出细胞表面并能运动的特化结构。
如：白细胞的伪足、精子的尾部、纤毛虫等 鞭毛与纤毛在来源和结构上基本相同。 多而短的叫纤毛 少而长的叫鞭毛
纤毛的整体结构
顶部 主干部 位于纤毛顶端，微管不全 突出于胞外，周围由9组二联 管组成，中央有2根单管，均 与纤毛纵轴平行。（9x2+2） 位于细胞质内，周围由9组三 联管组成，没有中央单管。 (9x3+0)
三、中间纤维的组装
COOH NH2
单体
平行对齐
COOH NH2 NH2 COOH
二聚体 双股螺旋
反向平行
NH2 COOH NH2 COOH COOH NH2 NH2
四聚体 （三个长向 连成成原丝）
COOH
半分子长度交错
八聚体 （原纤维）
4个八聚体相互缠绕
中间纤维
中间纤维
中间纤维组装的调节
自装配：
酸性末端
如：微管聚合蛋白（Tau蛋白）能增加微管装配 的起点和提高起始装配速度。
微管的组装
三个时期
成核期 又称延迟期，由、 微管蛋白聚合成寡聚体 核心，接着二聚体在其两端和侧面增加使之 扩展成片状带，加宽成13根原纤维即构成一 段微管。缓慢、限速过程。
聚合期 又称为延长期，该期微管蛋白聚合速度 大于解聚速度，微管延长。
神经纤维蛋白 核纤层蛋白
成纤维细胞、白细胞等
成熟的外周和中枢神经元 各种真核细胞
VI
巢素蛋白
中枢神经系统干细胞
中间纤维蛋白的结构 基本单位：中间纤维蛋白，已发现60多种。
结构：杆状区（保守，α螺旋），头部和尾部（区别不同种类）
头部 杆状区 约310aa 尾部
二、中间纤维结合蛋白
IFAP：结构功能与IF密切相关，本身不是中间纤维结构， 介导IF网络的形成。 不具备：切割、加帽、马达功能。
极性 组织特异性 蛋白库 踏车形为 动力结合蛋白 特异性药物
有 无 有 有 肌球蛋白 细胞松驰素 鬼笔环肽
细胞的运动及其机制
鞭毛、纤毛的摆动 细胞的位置移动 细 胞 运 动 形 式 阿米巴样运动
褶皱运动
细胞形态的改变 细胞质流动 细胞内结构的运动 膜泡运输
（细胞蠕动）
轴突运输
染色体分离
马达蛋白（Motor protein）
三、微丝的功能
1. 构成细胞的支架，维持细胞的形态
应力纤维、微绒毛、粘着带
2. 作为肌纤维的组成成分，参与肌肉收缩
与肌球蛋白（细肌丝）相对滑动
2. 参与细胞质分裂
收缩环
2. 参与细胞运动和物质运输 3. 参与受精作用
4. 参与细胞内信息传递
第四节 中间丝
(intermediate filament，IF)
特征：1）IF类型特异；2）细胞专一；3）与功能发育相关； 4）不同IFAP可在同一细胞中与不同IF相联系。
凝聚素：可在中间丝与微丝、微管间形成横桥
丝连蛋白：在非神经细胞中与波形蛋白结合
种类
中间丝相关蛋白300：把中间丝锚定于桥粒上
BPAG1蛋白：维持角蛋白纤维与桥粒的连接
丝聚蛋白：使角蛋白纤维聚集
内质网 线粒体 核糖体
微管 (MT)
中间纤维(IF)
微丝 (MF)
细胞骨架的主要功能
（1）网架（2）运动和运输 （3）细胞分裂（4）信息传递
第二节 微 管
(microtubule，MT)
存在于真核细胞中，由微管蛋白组装成的长管状细胞器。
一、微管的化学组成与形态结构
微管的化学组成
微管蛋白（tubulin）：
α微管蛋白（450aa） β微管蛋白（550aa） γ微管蛋白（455aa） 微管结合蛋白：
微管的形态结构
1 13
2
3 4 5 6
中空的圆柱状 13根原纤维纵向、螺旋排列 有极性
原纤维 微管蛋白

12 11 10
7
9 8
异二聚体
聚合 首尾相连
13根

稳定期 微管的聚合和解聚速度相等。
微管的体外组装
1972年，Weisenberg首次从鼠脑组织分离微管蛋白，并 成功体外组装。 原纤维形成 片层形成 微管延长
踏车 现象
13条
微管长度的动态变化
微管的体内组装
除遵循体外装配规律外，还受到严格的时间和空间控制
时间控制
细胞生命活动的特殊时刻。（纺锤丝微管的聚合 与解聚发生在细胞分裂期）
胞质分裂机制
胞质分裂环
有丝分裂末期，两个即将分离的子细胞 内产生收缩环，收缩环由平行排列的微 丝和myosin II组成。随着收缩环的收 缩，两个子细胞的胞质分离。
轴突运输(axonal transport)
顺向运输
逆向运输
Kinesin和Dynein介导的细胞内物质运输模型
在电镜下，单根的微丝呈双螺旋结构
每14个球状肌动蛋白分子旋转一圈，螺距大约为36nm
具有极性：一端有氨基和羧基的暴露，称为正端 另一端则称为负端
二、肌动蛋白结合蛋白
细胞内存在的一大类可以与肌动蛋白纤维相结合的蛋 白，可形成多种亚细胞结构，并对微丝的结构和功能具体 调节作用。
与F-肌动蛋白聚合有关 功能 分类 与微丝结构有关 与微丝收缩有关
影响微管聚合与解聚的因素
温度：温度超过20℃有利于组装，低于4℃引起分解。
药物：秋水仙素和长春花碱引起分解，紫杉酚促进组装。
离子：Ca2+低时促进组装，高时解聚. Mg2+存在时促进组装。
GTP GDP
微管聚合 微管解聚
微管的功能
（一）维持细胞的形态； （二）参与细胞内物质运输； （三）调节细胞分裂； （四）参与细胞运动；中心粒、纤毛、鞭毛。
-
+
ATP帽（ATP cap）: 组装速度 > ATP水解速度
微丝组装的动态调节
ATP是调节微丝组装的动力学不稳定性的行为的主要因素。
肌动蛋白结合蛋白(actin-binding protein , ABP)对 微丝的组装也具有调控作用。 特异性药物影响微丝聚合与解聚的: 细胞松弛素（cytochalasin）：特异性的破坏微丝组装。 鬼笔环肽 (philloidin)：稳定微丝、促进微丝聚合。
空间控制
微管聚合从特异性的核心形成位点开始，主要是 中心体、（鞭毛和纤毛的）基体等微管组织中心 （MTOC）。
微管在中心体上的聚合 微管在中心体上的聚合
A.中心体的无定形蛋白基质中含有γ微管蛋白环,它是微管生长的起始部位; B.中心体上的γ微管蛋白环; C.中心体与附着其上的微管,负端被包围在中心体中,正端游离在细胞质中;