第九章 细胞骨架

第九章细胞骨架

细胞骨架：真核细胞中的蛋白质纤维网架体系。具有弥散性、整体性、变动性。

广义：细胞核骨架、细胞质骨架、细胞膜骨架和细胞外基质。

狭义：细胞质骨架由微丝、微管、中间丝组成，它们由相应的蛋白亚基组装而成。

功能：结构与支持、胞内运输、收缩与运动、空间组织。

第一节微丝与细胞运动

微丝：肌动蛋白丝或纤维状肌动蛋白，直径7nm存在所有真核细胞中。

一、微丝的组成及其组装

（一）结构与成分

1.微丝的主要结构成分是肌动蛋白。

2.肌动蛋白的2种存在形式：①肌动蛋白单体（球状肌动蛋白，G-actin）：单个肽链折叠而成，蝶状，中央一个裂口，裂口内部有ATP结合位点和镁离子结合位点；②纤维状肌动蛋白。

3.肌动蛋白高度保守。6种：4种为α-肌动蛋白，分别为横纹肌、心肌、血管平滑肌、肠道平滑肌，均组成细胞的收缩性结构；2种为ß-肌动蛋白（位于细胞边缘）和γ-肌动蛋白（与张力纤维有关）。

4.微丝直径7nm的扭链，双股螺旋。每条丝由肌动蛋白单体头尾相连呈螺旋状排列，螺距36nm。纤维内部，每个肌动蛋白单体都有4个单体，上下各一个，另外2个位于一侧。肌动蛋白分子上的裂口使得该蛋白本身在结构上不对称，在整根微丝上每一个单体上的裂口都朝向同一端，使微丝具有极性。裂口一端为负极，另一端是正极。

（二）组装及动力学特性

1.只有结合ATP的肌动蛋白单体才能参与微丝的组装。解聚：溶液中含有适当浓度的钙离子，钠离子、钾离子浓度很低时，微丝趋向于解聚成G-actin；组装：溶液中含有ATP、镁离子以及较高浓度的钠钾离子时，溶液中的G-actin组装成F-actin，即新的G-actin加到微丝末端，微丝延伸，通常是正极的组装速度较负极快。溶液中携带ATP的G-actin处于临界浓度时，组装与去组装达到平衡。

2.过程：①成核反应：Arp2和Arp3等蛋白质相互作用，形成起始复合物，至少有2-3个肌动蛋白单体与起始复合物结合，形成一段可供肌动蛋白单体继续组装的寡聚体。②纤维的延长：肌动蛋白单体先与ATP结合，组装到微丝末端的肌动蛋白单体发挥ATP酶活性，将ATP 水解为ADP。组装速度大于ATP水解速度时，微丝末端形成肌动蛋白-ATP亚基的帽，微丝结构稳定，持续组装。末端肌动蛋白亚基结合的是ADP时，肌动蛋白单体倾向于解聚。微丝两端结构有差异，新的肌动蛋白亚基通常在正极加入，很少在负极加入。③进入稳定期：组装与去组装达到平衡。

3.踏车行为：微丝的正极由于肌动蛋白亚基的不断添加延长，负极由于肌动蛋白亚基去组装缩短。

（三）影响微丝组装的特异性药物

细胞松弛素：与微丝结合将微丝切断，结合在微丝末端阻抑肌动蛋白的聚合，对解聚没有影响，用它处理细胞时，可以破坏微丝的网络结构，阻止细胞的运动。（影响组装）

鬼笔环肽：与微丝表面有强亲和力，不与肌动蛋白单体结合，对解聚有抑制作用，使肌动蛋白丝保持稳定。

二、微丝网络动态结构的调节与细胞运动

（一）非肌肉细胞内微丝的结合蛋白

1.微丝的两种存在形式：

①永久性微丝：微丝结构稳定，如小肠绒毛上皮中重建大于解聚。肌细胞的细丝。

②暂时性微丝：G-actin和F-actin处于不断重建和解聚的动态平衡。如胞质分裂环是由微丝和肌球蛋白形成的收缩环。血小板激活及无脊椎动物精子细胞顶体反应过程中的微丝。

2.细胞内微丝网格的组织形式和功能取决于与之结合的微丝结合蛋白。微丝结合蛋白对微丝组装有调节作用。微丝结合蛋白通过影响微丝的组装与去组装，介导微丝与其他细胞结构之间的相互作用，使微丝保持相对稳定状态；另一些如纤维-切割蛋白与微丝的作用通过使微丝网络解聚调节微丝网络的状态。

3.微丝结合蛋白的类型：成核蛋白（在微丝开始组装时形成起始复合物）、单体-隔离蛋白、单体-聚合蛋白、成束蛋白、封端蛋白、纤维--解聚蛋白、网络-形成蛋白、纤维-切割蛋白、膜结合蛋白。

（二）细胞皮层

细胞皮层：细胞内大部分微丝都集中在紧贴细胞质膜的细胞质区域，并由微丝结合蛋白交联成凝胶状三维网络结构。皮层内微丝与细胞质膜上的蛋白连接，使膜的流动性受到限制。皮层内的微丝网络可以为细胞质膜提供强度和韧性、有助于维持细胞的形状。细胞内的多种运动：胞质环流、阿米巴运动、变皱膜运动、吞噬、膜蛋白的定位都与肌肉蛋白的溶胶态或凝胶态转化有关。

（三）应力纤维：紧贴黏着斑的细胞质膜内侧的微丝紧密排列成束。

成分：微丝、肌球蛋白Ⅱ、原肌球蛋白、细丝蛋白、α-辅肌动蛋白。

（四）细胞伪足的形成与迁移运动

1.细胞在基质或相邻细胞表面的迁移过程：①细胞表面在运动方向的前端伸出突起；②伸出的突起与基质之间形成新的锚定位点（如黏着斑），使突起附着在基质表面；③细胞异附着点为支点向前移动；④位于细胞后面的附着点与基质脱离，细胞的尾部前移。

2.（了解）非肌细胞迁移过程中细胞前缘肌动蛋白的聚合和伪足的形成：①细胞受到外来信号刺激；②细胞质膜附近的WASP蛋白将Arp2/3复合物激活；③Arp2/3复合物成为微丝组装的成核位点，启动组装。④抑制蛋白促进正极端聚合，使微丝向细胞质膜一侧延伸。延伸到一定程度，Arp2/3复合物结合到微丝侧面；⑤在此启动新的微丝组装，形成分支。⑥在微丝侧支以分支点为负极，游离的肌动蛋白不断在正极加入使侧支向细胞质膜延伸，在侧支上面再形成新的分支，继续延伸。持续延伸的肌动蛋白网络推动细胞质膜向信号源延伸，形成伪足。

（五）微绒毛

微丝束无收缩功能，止于端网结构，对微绒毛的形态起支撑作用。微丝结合蛋白如微绒毛蛋

白、毛缘蛋白、胞影蛋白等在微丝束的形成、维持及其与微绒毛细胞质膜连接中起重要作用。（六）胞质分裂环

胞质分裂环：有丝分裂末期在两个即将分裂的子细胞之间产生一个对细胞质起收缩作用的环。位于赤道质膜内侧。收缩环由大量平行排列、极性方向不同的微丝组成，动力来源于肌球蛋白在极性相反的微丝之间的滑动。

三、肌球蛋白：依赖于微丝的分子马达

分子马达：主要是指依赖于微管的驱动蛋白、动力蛋白和依赖于微丝的肌球蛋白这三类蛋白质超家族的成员。肌球蛋白的马达结构域包含微丝结合位点和ATP酶活性的A TP结合位点。

四、肌细胞的收缩运动（理解）

（一）肌纤维的结构

1.骨骼肌细胞又称肌纤维，肌纤维是由肌原纤维丝组成的集束。每根肌原纤维丝由肌节（收缩单元）呈线性重复排列而成。肌纤维包括：粗肌丝（成分肌球蛋白）、细肌丝（主要是肌动蛋白，次要的是原肌球蛋白、肌钙蛋白）。

2.原肌球蛋白（Tm）：2条肽链，α螺旋。位于肌动蛋白组成的细丝的螺旋沟内，一个Tm的长度相当于7个肌动蛋白单体，调节肌动蛋白与肌球蛋白的头部。

3.肌钙蛋白（Tn）：三个亚基：肌钙蛋白-C（Tn-C,与钙离子结合）；~~—T（Tn-T，与原肌球蛋白高度亲和）；~~—I（Tn-I，抑制肌球蛋白马达结构域的A TPase的活性）。

（二）肌肉收缩滑动模型：由肌动蛋白丝与肌球蛋白丝的相对滑动所致。

过程：①动作电位的产生；②钙离子的释放；③原肌球蛋白位移；④肌动蛋白丝与肌球蛋白丝的相对滑动；⑤钙离子的回收。（神经冲动传至肌质网导致肌质网释放钙离子，钙离子与肌动蛋白结合，引起构象改变，消除了肌动蛋白与肌球蛋白的障碍，消耗ATP，肌动蛋白丝与肌球蛋白丝相对滑动要的组织作用。

永久性~~：纤毛或鞭毛内的轴丝微管、神经元突起内部的维管束结构。

一、微管的结构组成与极性

1.组成：微管由微管蛋白亚基组成。微管蛋白亚基是2个球状蛋白结合成的异二聚体（αß-微管蛋白二聚体，游离微管蛋白的主要存在形式，组装的基本单位），微管蛋白分为：

①α-微管蛋白，含450个氨基酸残基；有一个GTP结合位点，结合在改位点的GTP不会被水解，成为不可交换位点（N位点）。

②ß-微管蛋白，含455个氨基酸残基，有一个GTP结合位点，参与组装时被水解为GDP；去组装时，GDP可以被细胞质基质中GTP替换，参与组装。可交换位点（E位点）。

两种蛋白均含酸性C末端，使微管表面带有负电荷。微管蛋白上含有秋水仙素、长春花碱位点。管壁由13根αß-微管蛋白二聚体纵向排列成的原纤丝构成。

2.微管的类型：①单管：如细胞质、纺锤体微管；②二联体微管：纤毛或鞭毛内的轴丝微管；

③三联体微管：中心体、基体的微管。