细胞生物学(翟中和)细胞骨架

第十章细胞骨架

第一节微丝与细胞运动

1. 微丝的基本结构单位？

球形肌动蛋白(G-actin)

2. 球形肌动蛋白（G-actin）单体

为A TP酶，但不属于马达蛋白。

3. 纤维状肌动蛋白（F-actin）

整根微丝上，每个球形肌动蛋白单体的裂缝都朝向微丝的同一端，使微丝在结构上具极性。

具裂缝一端为负极，另一端为正极。

4. 在细胞内，微丝的成核反应需要成核蛋白Arp2/3 (actin related protein, 肌动蛋白相关蛋白)复合物参与。

5.影响微丝组装的特异性药物

细胞松弛素（cytochalasin）可切断微丝纤维，并结合在微丝末端，抑制肌动蛋白组装到微丝纤维上，特异性地抑制微丝功能。

鬼笔环肽（phalloidin）与微丝表面亲和性高，对微丝的解聚有抑制作用，使微丝纤维稳定而抑制其功能。

6. 微丝的功能

形成应力纤维；形成微绒毛；细胞的变形运动；胞质分裂环；顶体反应；肌肉收缩（参与形成肌原纤维）；其他功能：如细胞器运动、质膜的流动性、胞质环流均与微丝的活动有关。7. 马达蛋白：将化学能转换为机械能的蛋白。

细胞内参与物质运输的马达蛋白有3类。

肌球蛋白：沿微丝运动

驱动蛋白：沿微管运动

动力蛋白：沿微管运动

8. 肌纤维的结构

骨骼肌细胞（又称肌纤维），由数百条肌原纤维组成；每根肌原纤维由收缩单元——肌节线性重复排列而成。肌节中含有细肌丝和粗肌丝。细肌丝的主要成分是肌动蛋白、原肌球蛋白和肌钙蛋白。粗肌丝主要由若干II型肌球蛋白通过尾部结构域相互作用组装而成，头部突出并可与细肌丝的肌动蛋白亚基结合，构成粗、细肌丝之间的横桥。

9. 肌肉收缩的滑动模型

肌细胞上的动作电位引起肌质网Ca2+电位门通道开启，肌浆中Ca2+浓度升高，肌钙蛋白与Ca2+结合，引发原肌球蛋白构象改变，暴露出肌动蛋白与肌球蛋白的结合位点。肌球蛋白通过结合与水解ATP、不断发生周期性的构象改变、引起粗肌丝和细肌丝的相对滑动。

10. 由神经冲动引发的肌肉收缩基本过程如下：

（1）动作电位的产生

来自脊髓神经元的神经冲动经轴突传到神经-肌肉接点——运动终板，使肌细胞膜去极化，并经T小管传至肌质网。

（2）Ca 2+的释放

肌质网去极化后释放Ca 2+至肌浆中，Ca 2+浓度升高，达到收缩期的Ca 2+阈浓度（约为10-6mol/L）。

（3）原肌球蛋白位移

Ca 2+与Tn-C结合，引起肌钙蛋白构象变化，Tn-C与Tn-I、Tn-T结合力增强，导致Tn-I与肌动蛋白结合力削弱。使肌动蛋白与Tn-I脱离；同时，Tn-T使原肌球蛋白移位到肌动蛋白双螺旋沟的深处，暴露出肌动蛋白与肌球蛋白头部的结合位点，解除了肌动蛋白与肌球蛋白结合的障碍。

（4）细肌丝与粗肌丝之间的相对滑动

在初始状态，组成粗肌丝的头部（马达结构域）没有结合A TP时，头部与细肌丝结合，并成僵直状态。

1）A TP结合到肌球蛋白头部导致与肌动蛋白纤维的结合力下降，肌球蛋白头部与肌动蛋白分开。

2）ATP水解为ADP+Pi，但水解产物仍与肌球蛋白结合，获能的肌球蛋白头部构象发生变化，向细肌丝的正极端抬升。

3）在Ca 2+存在的条件下，肌球蛋白头部与靠近细肌丝正极端的1个肌动蛋白亚基结合。

4）Pi释放，肌球蛋白颈部结构域发生构象变化，导致肌球蛋白头部与细肌丝的角度发生变化，拉动细肌丝相对于粗肌丝的滑动。

5）ADP释放，肌球蛋白头部结构域与细肌丝又回到僵直状态。

如果细胞质中仍有高浓度的Ca 2+，肌球蛋白将继续下一个周期，沿细肌丝滑动。

（5）到达肌细胞的神经冲动一旦停止，肌质网通过钙泵将Ca 2+回收，使细胞质中Ca 2+降低，收缩周期停止。

第二节微管及其功能

1. 微管的结构组成与极性

αβ—微管蛋白二聚体是微管的基本结构单位。

α-和β-微管蛋白都有GTP结合位点，属于G蛋白的范畴。

微管具有极性。

2. 作用于微管的特异性药物和温度对微管组装的影响

秋水仙素(colchicine)结合的微管蛋白可加合到微管上，但阻止其他微管蛋白单体继续添加，不影响去组装，从而破坏微管和纺锤体结构，长春花碱具有类似的功能。

紫杉醇(taxol)与微管蛋白结合后，阻止微管去组装，促进微管装配, 并使已形成的微管稳定。但这种稳定性会破坏微管的正常功能。

通常，低温（20度以下）促进去组装使微管解聚，恢复常温后（20度以上）微管蛋白亚基重新组装成微管。

因此，低温处理和秋水仙素溶液处理可使染色体加倍。

3. 微管组织中心

微管组织中心（microtubule organizing center，MTOCs）是具有起始微管的组装和延伸的细胞结构，如中心体、基体均具有微管组织中心的功能。

4. γ微管蛋白

源于中心体的微管并不直接起源于中心粒，而是在中心粒外周物质（PCM）。在中心粒外周物质中具有γ微管蛋白，这种蛋白的含量很低，可聚合成环状复合体，像模板一样参与微管蛋白的核化，帮助α和β微管蛋白聚合为微管纤维。

微管蛋白以环状的γ球蛋白复合体为模板核化、先组装出（-）极，然后开始生长，因此中心体周围的微管（-）极指向中心体，（+）级远离中心体。

5. 微管是细胞内生物大分子复合物和细胞器运输的导轨。

胞质中沿微管运输物质的分子发动机(马达蛋白)分为两大类：驱动蛋白（kinesin）和胞质动力蛋白（cytoplasmic dynein, CyDn）

两者均需ATP提供能量。

6. 驱动蛋白(kinesins)

（1）传统的驱动蛋白

通常所说的驱动蛋白即指1985年鱿鱼神经元中轴突发现的驱动蛋白，称为传统的驱动蛋白。

传统的驱动蛋白通过结合和水解A TP，导致颈部发生构象改变，使两个头部交替与微管结合，从而沿微管（—）极端向（+）极端“行走”，将“尾部”结合的“货物”（运输泡或细胞器）转运到其它地方。

驱动蛋白沿微管运动的模型有2种：“步行”模型和“尺蠖”爬行模型。

现有证据大多支持“步行”模型。

（2）驱动蛋白家族

自传统的驱动蛋白之后，又陆续发现许多驱动蛋白类似蛋白（KLP, kinesin-like protein）和驱动蛋白相关蛋白（KRB, kinesin-related protein），构成了驱动蛋白超家族和亚家族。

驱动蛋白家族成员（kinesin family member, KIF）大多介导“货物”从微管（—）极端向（+）极端的运输，也有家族成员介导“货物”从微管（+）极端向（—）极端的运输，还有的家族成员具有调节微管动态装配的能力（如驱动蛋白13家族成员，在有丝分裂后期促进动粒微管+端微管蛋白解聚）。

7．胞质动力蛋白

动力蛋白的作用主要有以下几个方面：

在细胞分裂中推动染色体的分离、驱动鞭毛的运动、向着微管（-）极运输膜泡。

8. 微管的功能

（1）维持细胞形态，对细胞结构具有组织作用

（2）参与细胞内物质运输

（3）形成纺锤体和参与染色体运动

驱动蛋白13家族成员参与有丝分裂后期动粒微管+端解聚，胞质动力蛋白牵引染色体向动粒微管- 端运动。

驱动蛋白5家族成员使极微管重叠区向+端滑动，使纺锤体两极间距离延长。

（4）参与纤毛与鞭毛的运动

纤毛和鞭毛的运动是依靠动力蛋白（dynein）水解A TP，使相邻的二联微管相互滑动。

第三节中间丝/纤维

1. 与微管和微丝不同，中间纤维是最稳定的细胞骨架成分，它主要起支撑作用。

2. 中间丝蛋白并不是所有真核细胞都必须的结构组分。

3. 植物基因组中未发现编码中间丝蛋白的基因。