第 8 讲 细胞骨架
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• 装配： –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,经过侧面增加 二聚体而扩展为螺旋带,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。 –所有的微管都有确定的极性；微管装配是一个动态不稳定过程。
• ③肌钙蛋白 (Troponin, Tn)：
– 为复合物，包括三个亚基：TnC(Ca2+敏感性蛋白) 能特异与Ca2+结 合; TnT(与原肌球蛋白结合); TnI(抑制肌球蛋白ATPase活性)
微丝结合蛋白
三 中间纤维
• 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。
类型
分为5类：角蛋白、结蛋白、胶质原纤维酸性蛋白、波 形纤维蛋白、神经纤丝蛋白。
具有组织特异性，不同类型细胞含有不同IF。 通常一种细胞含有一种中间纤维，少数含有2种以上。 肿瘤细胞转移后仍保留源细胞的IF。
• （一）角蛋白keratin • 为表皮细胞特有，具有α和β两类，β角蛋白存在于细胞中，
• 微管特异性药物： –秋水仙素(colchicine) 和紫杉酚(taxol)
• 微管组织中心(MTOC) • 微管结合蛋白(MAP) • 微管功能
端端其踏 延有正车 长亚端现 而基有象 另不亚： 一断基微 端地不管 缩脱断或 短落地微 的，添丝 交使加在 替一的一 现纤同定 象维时条 。在，件
– 纤毛与鞭毛的结构 – 纤毛运动机制 • 纺锤体与染色体运动
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 – 胞质中微管motor protein分为两大类： • 驱动蛋白(kinesin):通常朝微管的正极方向 运动
肌肉收缩系统中的有关蛋白
• ①肌球蛋白(myosin)： –其头部具ATP酶活力,沿微丝从负极到正极进行运动。主 要分布于肌细胞，有两个球形头部结构域(具有ATPase活 性)和尾部链,多个Myosin尾部相互缠绕，形成myosin filament,即粗肌丝。
• ②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,结合于细丝, 调节肌动蛋白与肌球蛋白头部的结 合。
THE CYTOSKELETON
主要内容
一、细胞骨架概述 二、微管 三、微丝 四、中间纤维
一、细胞骨架概述
细胞骨架：是指细胞质中的蛋白质纤维网络称为细胞
骨架。它包括微管（平均外径24nm）、微丝（7nm）、 中等纤维（10nm）三种成分 。
功能总述：维持细胞形态，保持细胞内部结构有序，
参与细胞运动、物质运输、能量转换、信息传递、细 胞分裂、基因表达、细胞分化等生命活动。
• 中心体(centrosome) • 基体(basal body)：
– 位于鞭毛和纤毛根部的类似结构称为基体（basal body ）
微管结合蛋白 microtubule associated proteins MAPs
• 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。
一负下 ，
微管组织中心(MTOC)
• 概念： – 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, MTOC)。
• 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)
在体内装配后，细胞中几乎不存在IF单体。
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 • 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
Βιβλιοθήκη Baidu
中间纤维分类与分布
＊秋水仙素：可以直接阻断微管
蛋白装配成微管
＊紫杉酚：能够促进微管的装配，并使已经
形成的微管稳定，同样重水（D2O）也有其 同样的功效
• 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, 有些微丝是暂时性的结构。
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 – 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： • 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
• 维持细胞形态，赋予质膜机械强度 • 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)：
–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,具有收缩功能。
＊细胞骨架是区别真核生物和原核生物的重要标志
二 微 管（Microtubules）
• 微管结构与组成： –主要成分为微管蛋白（tubulin），分为两种：α微管蛋白和β微管蛋白，二者组成 异二聚体。异二聚体是构成微管的基本亚单位。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)。
– 微丝结合蛋白
– 微丝功能
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。
• 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。由于 G-actin 在正极端装配，负极去装配，从而表现为踏车行为。
α角蛋白形成头发、指甲等坚韧结构。 • 分为：酸性角蛋白（I型）、中性或碱性角蛋白（II型）。
组装时首先由I型和II型组成异二聚体，再形成中间纤维。 • （二）结蛋白desmin • 又称骨骼蛋白skeletin，存在于肌肉细胞中，主要功能是使
肌纤维连在一起。
• （三）、胶质原纤维酸性蛋白glial fibrillary acidic protein • 存在于星形神经胶质细胞和许旺细胞。起支撑作用。 • （四）、波形纤维蛋白vimentin • 存在于间充质细胞及中胚层来源的细胞中。 • （五）、神经纤丝蛋白neurofilament protein • 是由三种分子量不同的多肽组成的异聚体，功能是提供弹
• 参与胞质分裂：
– 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
• 主要功能：①促进微管组装。 ②增加微管稳定性。③促进 微管聚集成束。
微管功能
• 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。
• 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
• 中间纤维的装配 • 中间纤维的成分与分布
– 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。
• 中间纤维的功能
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，
• 动力蛋白(cytoplasmic dynein)：朝微管的 负极运动
• 神经元轴突运输 • 色素颗粒的运输
深绿：微管 浅兰：内质网 黄色：高尔基体
上图：内质网抗体染色 上图：高尔基抗体染色
下图：微管抗体染色
下图：微管抗体染色
三 微丝
• 微丝又称肌动蛋白纤维(actin filament), 是指真核细中由 肌动蛋白(actin)组成、直径为7nm的骨架纤维。 – 成分： • 肌动蛋白(actin)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Factin。 – 装配 – 微丝特异性药物： • 细胞松弛素(cytochalasins)和鬼笔环肽(philloidin)
性使神经纤维易于伸展和防止断裂。
踏车现象(treadmilling)
是微管组装后处于动态平衡的一种现象。微管的两端都可以 加上αβ二聚体, 或释放αβ二聚体。但在"+"端, 由于结合有 GTP帽结构的存在, 同二聚体的亲和力高, 所以, 新结合上去 的比释放出来的快。但在"-"端, 由于GTP已水解成GDP, 同二 聚体的亲和力低, 释放出来的二聚体比结合上的快, 这样,"+" 端生长得快, "-"端生长得慢, 结合上二聚体的GTP又不断水解, 向"-"端推移。
• ③肌钙蛋白 (Troponin, Tn)：
– 为复合物，包括三个亚基：TnC(Ca2+敏感性蛋白) 能特异与Ca2+结 合; TnT(与原肌球蛋白结合); TnI(抑制肌球蛋白ATPase活性)
微丝结合蛋白
三 中间纤维
• 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。
类型
分为5类：角蛋白、结蛋白、胶质原纤维酸性蛋白、波 形纤维蛋白、神经纤丝蛋白。
具有组织特异性，不同类型细胞含有不同IF。 通常一种细胞含有一种中间纤维，少数含有2种以上。 肿瘤细胞转移后仍保留源细胞的IF。
• （一）角蛋白keratin • 为表皮细胞特有，具有α和β两类，β角蛋白存在于细胞中，
• 微管特异性药物： –秋水仙素(colchicine) 和紫杉酚(taxol)
• 微管组织中心(MTOC) • 微管结合蛋白(MAP) • 微管功能
端端其踏 延有正车 长亚端现 而基有象 另不亚： 一断基微 端地不管 缩脱断或 短落地微 的，添丝 交使加在 替一的一 现纤同定 象维时条 。在，件
– 纤毛与鞭毛的结构 – 纤毛运动机制 • 纺锤体与染色体运动
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 – 胞质中微管motor protein分为两大类： • 驱动蛋白(kinesin):通常朝微管的正极方向 运动
肌肉收缩系统中的有关蛋白
• ①肌球蛋白(myosin)： –其头部具ATP酶活力,沿微丝从负极到正极进行运动。主 要分布于肌细胞，有两个球形头部结构域(具有ATPase活 性)和尾部链,多个Myosin尾部相互缠绕，形成myosin filament,即粗肌丝。
• ②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,结合于细丝, 调节肌动蛋白与肌球蛋白头部的结 合。
THE CYTOSKELETON
主要内容
一、细胞骨架概述 二、微管 三、微丝 四、中间纤维
一、细胞骨架概述
细胞骨架：是指细胞质中的蛋白质纤维网络称为细胞
骨架。它包括微管（平均外径24nm）、微丝（7nm）、 中等纤维（10nm）三种成分 。
功能总述：维持细胞形态，保持细胞内部结构有序，
参与细胞运动、物质运输、能量转换、信息传递、细 胞分裂、基因表达、细胞分化等生命活动。
• 中心体(centrosome) • 基体(basal body)：
– 位于鞭毛和纤毛根部的类似结构称为基体（basal body ）
微管结合蛋白 microtubule associated proteins MAPs
• 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。
一负下 ，
微管组织中心(MTOC)
• 概念： – 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, MTOC)。
• 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)
在体内装配后，细胞中几乎不存在IF单体。
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 • 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
Βιβλιοθήκη Baidu
中间纤维分类与分布
＊秋水仙素：可以直接阻断微管
蛋白装配成微管
＊紫杉酚：能够促进微管的装配，并使已经
形成的微管稳定，同样重水（D2O）也有其 同样的功效
• 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, 有些微丝是暂时性的结构。
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 – 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： • 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
• 维持细胞形态，赋予质膜机械强度 • 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)：
–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,具有收缩功能。
＊细胞骨架是区别真核生物和原核生物的重要标志
二 微 管（Microtubules）
• 微管结构与组成： –主要成分为微管蛋白（tubulin），分为两种：α微管蛋白和β微管蛋白，二者组成 异二聚体。异二聚体是构成微管的基本亚单位。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)。
– 微丝结合蛋白
– 微丝功能
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。
• 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。由于 G-actin 在正极端装配，负极去装配，从而表现为踏车行为。
α角蛋白形成头发、指甲等坚韧结构。 • 分为：酸性角蛋白（I型）、中性或碱性角蛋白（II型）。
组装时首先由I型和II型组成异二聚体，再形成中间纤维。 • （二）结蛋白desmin • 又称骨骼蛋白skeletin，存在于肌肉细胞中，主要功能是使
肌纤维连在一起。
• （三）、胶质原纤维酸性蛋白glial fibrillary acidic protein • 存在于星形神经胶质细胞和许旺细胞。起支撑作用。 • （四）、波形纤维蛋白vimentin • 存在于间充质细胞及中胚层来源的细胞中。 • （五）、神经纤丝蛋白neurofilament protein • 是由三种分子量不同的多肽组成的异聚体，功能是提供弹
• 参与胞质分裂：
– 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
• 主要功能：①促进微管组装。 ②增加微管稳定性。③促进 微管聚集成束。
微管功能
• 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。
• 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
• 中间纤维的装配 • 中间纤维的成分与分布
– 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。
• 中间纤维的功能
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，
• 动力蛋白(cytoplasmic dynein)：朝微管的 负极运动
• 神经元轴突运输 • 色素颗粒的运输
深绿：微管 浅兰：内质网 黄色：高尔基体
上图：内质网抗体染色 上图：高尔基抗体染色
下图：微管抗体染色
下图：微管抗体染色
三 微丝
• 微丝又称肌动蛋白纤维(actin filament), 是指真核细中由 肌动蛋白(actin)组成、直径为7nm的骨架纤维。 – 成分： • 肌动蛋白(actin)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Factin。 – 装配 – 微丝特异性药物： • 细胞松弛素(cytochalasins)和鬼笔环肽(philloidin)
性使神经纤维易于伸展和防止断裂。
踏车现象(treadmilling)
是微管组装后处于动态平衡的一种现象。微管的两端都可以 加上αβ二聚体, 或释放αβ二聚体。但在"+"端, 由于结合有 GTP帽结构的存在, 同二聚体的亲和力高, 所以, 新结合上去 的比释放出来的快。但在"-"端, 由于GTP已水解成GDP, 同二 聚体的亲和力低, 释放出来的二聚体比结合上的快, 这样,"+" 端生长得快, "-"端生长得慢, 结合上二聚体的GTP又不断水解, 向"-"端推移。