第10章 细胞骨架

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5．割断及解聚蛋白
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（二）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，并由微丝交联蛋白交联成凝胶态三维网络结构， 该区域通常称为细胞皮层（cell cortex）。 • 皮层内密布的微丝网络可以为细胞质膜提供强度和韧 性，有助于维持细胞形状，细胞的多种运动，如胞质 环流（cyclosis）、阿米巴运动（amoiboid）、变皱 膜运动 （ruffled membrane locomotion）、吞噬 （phagocytosis）以及膜蛋白的定位等。
（一）结构与成分 微丝的主要结构成分是 肌动蛋白（actin）；
肌动蛋白在细胞内有两种 存在形式，即G-actin和 F-actin
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（二）微丝的组装及其动力学特性 体外微丝的组装/ 去组装与溶液中所含肌 动蛋白的状态（结合ATP 或 ADP）、离子的种 类及浓度等参数相关联； 通常是微丝正极(+) 的组装速度较负极(-) 快； 微丝的组装过程；踏车行为（treadmilling）。
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翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 2011 高等教育出版社
第10章 细胞骨架 细胞骨架的基本类型 及其分布 微丝（A） 微管（B） 中间丝（C） 叠加图 （D） 其中，微丝网络更接 近细胞的边缘。
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第一节 微丝与细胞运动
一、微丝的组成及其组装
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七、细胞内依赖于微管的物质运输
§依赖于微管的膜泡运输是个需能的靶向过程。依赖于
微管的马达蛋白主要有驱动蛋白 （kinesin）和胞质动 力蛋白（cytoplasmic dynein, CyDn），它们能将储存于 ATP 中的化学能转化成机械能，沿微管运输货物。
§微管结合蛋白通常都是单基因编码的，具有一个或数个带正电荷
的微管结合域（microtubule binding domain）。MAP2和tau的微管 结构域与带负电荷的微管表面相互作用，具有稳定微管的作用。
§
MAP2和tau蛋白基因剔除的小鼠中，神经元树突或轴突内部相
邻微管间的横桥明显减少。
§ 在神经元的树突或轴突内部，colchicine 和nocodazol 与微管蛋
白结合影响微管的组装，但神经元突起内的微管似乎并不容易解 聚，原因是大量的与微管结合起到了稳定微管的作用。
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MAP2 和tau 蛋白诱导产生的微管束的结构
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六、微管对细胞结构的组织作用
§微管与细胞器的分布以及细胞形态发生与维持有很大的关系。 §神经元的轴突和树突中大量的MAP与微管表面结合，将微管交联
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（一）肌纤维的结构
• 骨骼肌细胞又称肌纤维，由数百条更细的肌原纤维 （myofibril）组成的集束； • 每根肌原纤维由称为肌节（sarcomere）的收缩单元呈 线性重复排列而成。 • 肌原纤维的带状条纹由粗肌丝和细肌丝的纤维有序组 装而成。 • 粗肌丝由肌球蛋白组装而成，细肌丝的主要成分是肌 动蛋白，辅以原肌球蛋白(tropomyosin,Tm)和肌钙蛋 白(troponin,Tn)。 • 肌球蛋白的头部突出于粗肌丝的表面，并可与细肌丝 上肌动蛋白亚基结合，构成粗肌丝与细肌丝之间的横 桥。
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§微管的组装底物（携带GTP 的α/β-微
管蛋白二聚体）的浓度有关。
§微管的动态不稳定性依赖于微管末端
β-微管蛋白上携带GTP的有无。
§ stathmi起，从而 阻碍了它们参与微管的组装。
§细胞内的微管组装通常起源于某一特
殊部位，如间期、G0期细胞内的微管， 有丝分裂时的纺锤体微管大都起源于 中心体（centrosome）；纤毛和鞭毛内 的微管起源于基体（basal body）。
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Ⅴ型肌球蛋白分子 • 是由两条肽链组成的二聚体，具有两个头 部。 • 该蛋白的两个头部交替与微丝结合可以确 保整个分子以及所运载的“货物”始终与 微丝相连。 • 在细胞皮层以及神经细胞生长最前端等富 含微丝的部位，“货物”的运输则转到以 微丝为轨道进行。 • 然而，在植物花粉管中的物质运输似乎主 要依赖于微丝。
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鬼笔环肽(phalloidin) 是一种由毒蕈（Amanita phallodies）产生 的双环杆肽，与微丝表面有强亲和力，但不与 肌动蛋白单体结合，能阻止微丝的解聚，使其 保持稳定状态。用荧光标记的鬼笔环肽染色可 清晰地显示细胞中微丝的分布。
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二、微丝网络结构的调节与细胞运动
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（二）作用于微管的特异性药物
秋水仙素 （colchicine）
用低浓度的秋水仙素处理细胞，可立即破坏细胞内 的微管或纺锤体的结构。秋水仙素可以与微管蛋白亚基结 合，而当结合秋水仙素的微管蛋白亚基组装到微管末端后， 其他的微管蛋白亚基就很难再在该处进行组装，但秋水仙 素在微管末端的结合并不影响该微管的去组装。
成束状排列。在早期老年性痴呆患者的神经元内，tau蛋白过度磷 酸化使其容易从微管上解离下来形成神经元纤维缠结。
§微管极性排列方式与轴突内部的物质运输密切相关。由于轴突缺
乏合成蛋白质的能力，轴突内所需要的蛋白质需要从细胞体合成 后运入。
§物质沿着微管定向转移为细胞内各种细胞器和生物大分子的不对
称分布提供了可能。
§
§在神经元分化过程中，神经元突起从细胞体向外生长。在生长
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五、微管结合蛋白对微管网络结构的调节
§始终伴随着微管的组装和去组装而存在的蛋白质称之为微管结合
蛋白（microtubule associated protein, MAP）。有MAP1、MAP2、 MAP3、MAP4、tau蛋白。
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二、微管的组装和去组装
（一）微管的体外组装与踏车行为
微管在体外的组装过程可以分为成核(nucleation) 和延伸(elongation) 两个阶段。通 过在两端以及侧面增加二聚体而扩展成片状，当片状聚合物加宽到大致13 根 原纤丝时，即合拢成为一段微管。新的微管蛋白二聚体不断地组装到这段微管 的两端，使之延长。 通常持有α -微管蛋白的一端（负极）组装较慢，而持有β -微管蛋白的一端（正极 组装较快。
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（三）影响微丝组装的特异性药物
细胞松弛素(cytochalasin)
是一组真菌的代谢产物，与微丝结合 后可以将微丝切断，并结合在微丝末端阻 抑肌动蛋白在该部位的聚合，但对微丝的 解聚没有明显影响，因而用细胞松弛素处 理细胞可以破坏微丝的网络结构，并阻止 细胞的运动。
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（三）应力纤维
体外培养的细胞在基质表 面铺展时，常在细胞质 膜的特定区域与基质之 间形成紧密黏附的黏着 斑。在紧贴黏着斑的细 胞质膜内侧有大量成束 状排列的微丝，这种微 丝束称为应力纤维 （stress fiber）； 应力纤维通过黏着斑与细 胞外基质相连，可能在 细胞形态发生、细胞分 化和组织建成等方面发 挥作用。
细胞内能够起始微管的成核作用，并使之延伸的细胞结构。或在 生理状态和实验处理解聚后重新装配的发生处称之为微管组织中 心（MTOC）。
（一）中心体
第10章 细胞骨架 §中心体含有一对桶状的中心粒，它们彼此垂直分布，外面被无定 形的中心粒外周物质所包围。 §每个中心粒含有9组等间距的三联体微管。
§微管并不是直接起源于中心粒，而是在中心粒外周物质
四、肌细胞的收缩运动
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第10章 细胞骨架 肌球蛋白（粗肌丝）与肌动 蛋白（细肌丝）间的横桥
细肌丝的分子结构
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（二）肌肉收缩的滑动模型
1、动作电位的产生； 2、Ca2＋的释放； 3、原肌球蛋白位移； 4、细肌丝与粗肌丝之间的相对滑 动 ；
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三、肌球蛋白：依赖于微丝的分子马达
（一）肌球蛋白的种类
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（二）肌球蛋白的结构 1．Ⅱ型肌球蛋白
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2．非传统类型的肌球蛋白 Ⅰ型肌球蛋白分子：只有一个头部（马达结 构域）和一个尾部，并且在体外不能组装 成纤维。其头部结构域能在ATP 存在时沿 微丝运动，尾部结构域在不同种类的Ⅰ型 肌球蛋白中各不相同，尾部结构域的多样 性与它们所运输“货物”的种类不同有关。
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四、微管的动力学性质
§微管的稳定性与其所结合的细胞结构组分以及细胞的生理状态
相关；在同一个细胞中观察到一部分微管正在组装，而另一部分 微管却处在解聚过程中。微管的动力学不稳定性通常发生在正极 或者中心体的远端。当微管的游离端与某些细胞结构结合后整个 微管变得相对稳定。 不同状态的微管其稳定性差异很大；比如间期细胞中的微管和 有丝分裂期的纺锤体微管时刻处于组装和去组装的动态平衡中。 而纤毛和鞭毛中的微管则相对稳定。微管结合蛋白（MAP）与微 管表面结合能促使微管的稳定性。 中的轴突和树突内部的微管呈束状排列。
（一）非肌肉细胞内微丝的结合蛋白 细胞内的微丝具有复杂的三维网络结构， 有些微丝结构相当稳定，如及细胞中的细肌丝 及小肠上皮细胞微绒毛中的轴心微丝束。 另一些微丝结构是暂时性的，如胞质分裂 环，血小板出现的激活及无脊椎动物精子顶体 反应过程中微丝束。只有在功能需要时才进行 组装。
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第二节 微管及其功能 一、微管的结构组成与极性
微管由微管蛋白亚基组装而 成。每个微管蛋白都是由2个非 常相似的球蛋白亚基（α -微管 蛋白和β -微管蛋白）结合而成 的异二聚体，这种α β -微管蛋 白二聚体是细胞质内游离态微管 蛋白的主要存在形式，也是微管 组装的基本结构单位。 从结构上看，细胞内的微管有3种 类型：单管(细胞质微管或纺锤 体微管)、二联管(纤毛或鞭毛中 的轴丝微管)、三联管(中心体或 基体的微管)。
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（四）细胞伪足的形成与细胞迁移
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非肌细胞前缘肌动蛋白的聚合和伪足的形成
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（五）微绒毛
在小肠上皮细胞的游离面存在大量的微绒毛(microvilli)， 其轴心是一束平行排列的微丝，微丝束正极指向微绒毛的顶端， 其下端终止于端网结构（terminal web）。 微丝束对微绒毛的形态起支撑作用。由于微丝束内不含肌球 蛋白、原肌球蛋白和α -辅肌动蛋白，因而该微丝束无收缩功能。
诺考达唑（nocodazol）
可以导致微管结构的解体
紫杉醇 （taxol）
紫杉醇的作用与秋水仙素相反，当紫杉醇与微管结合 后可以阻止微管的去组装，但不影响微管末端的组装。结 果是微管不停地组装，而不会解聚，其结果同样使细胞周 期的运行被终止。用于肿瘤的治疗。
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三、微管组织中心（microtuble organizing center )
（pericentriolar material，PCM）区域成核。
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（二）基体和其他微管组织中心
§鞭毛和纤毛内部的微管起源于其基部称为基体的 结构。基体（basal body）在结构上与中心粒基 本一致。 §中心粒和基体是同源结构，在某些时候可以相互 转变。 §中心粒和基体都具有自我复制的性质，一般情况 下，新的中心粒是由原来的中心粒在S期复制而 来。
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（六）胞质分裂环
• 有丝分裂末期在两个即将分裂的子细胞之间的质膜内侧形成的 一个起收缩作用的环形结构； • 是由大量平行排列，但极性相反的微丝组成, 动力来源于收缩 环上肌球蛋白所介导的极性相反的微丝之间的滑动。 • 收缩环是非肌细胞中具有收缩功能的微丝束的典型代表，微丝 能在很短的时间内迅速组装与去组装以完成胞质分裂功能。
1．肌动蛋白单体结合蛋白
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2．成核蛋白
活化的的Arp2/3复合 物与细胞膜或其他 适当的细胞结构结 合，提供一个肌动 蛋白的结合位点， 加速成核过程。
3. 加帽蛋白
与微丝末端结合阻止 微丝解聚或过度组 装的蛋白称为加帽 蛋白（capping protein）
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4．交联蛋白