第十章 细胞骨架

线虫C. elegans细胞中， 微管从中心体处发射出来
四、微管的动力学性质(了解） 五、 微管结合蛋白对微管网络结构的调节
微管结合蛋白（microtubule associated protein, MAP） -通常都是单基因编码，具有一个或数个带正电荷的微管结合域，该结构域 与带负电荷的（微管蛋白的C端所形成的）微管表面相互作用，具有稳定微 管的作用。
粘附
释放
2.钙释放
翘起
力的产生
3. 原肌球蛋白位移
粘附
第二节 微管及其功能
一、微管的结构组成与极性
微管呈中空的管状结构，其外径为24nm，内径为15nm 几乎存在于所有真核细胞中，但大部分微管在细胞质内形成暂时性的结构 间期细胞内的微管、分裂期细胞的纺锤体微管 另一些微管形成相对稳定的“永久性”结构 纤毛内的轴丝微管、神经元突起内部的微管束结构
驱动蛋白沿微管运动的分子模型有两种： ① “步行”(hand over hand) 模型 ② “尺蠖”(inchworm) 爬行模型
引发驱动蛋白沿微管持续向前移动的原因： ① 在每个驱动蛋白分子中有两个马达结构域的化学机械循环是互相协调的 ② 驱动蛋白的马达结构域在ATP酶循环的大部分时间里都与微观紧密结合
（一）肌球蛋白的种类及结构
肌球蛋白是一种特殊的酶，它能通过ATP 的水解引起构象的变化沿微丝运动，把化 学能转变为机械能，因此被称为机械化学 酶。或者称为motor蛋白。这种运动 以肌球蛋白为马达
以微丝为运动轨道 以ATP为能量燃料
马达结构域 - 肌球蛋白超家族成员间最保守的部位。
四、肌细胞的收缩运动
（四）细胞伪足的形成与细胞迁移 细胞运动主要通过肌动蛋白的聚合及与其他细胞结构组分的相互作用实现的。
以成纤维细胞为例，细胞在基质或相邻细胞表面的迁移过程通过包含： ① 细胞表面在它运动方向的前端伸出突起 肌动蛋白以 ② 细胞伸出的突起与基质之间形成新的锚定位点（如黏着斑） 多种方式发 ③ 细胞以附着点为支点向前移动 挥作用 ④ 位于细胞后部的附着点与基质脱离，细胞的尾部前移
微绒毛
细胞质的收缩束
迁移细胞前端的伪足
收缩环
一、微丝的组成及其组装
（一）结构与成分 主要结构成分：肌动蛋白（actin）
肌动蛋白单体（球状肌动蛋白，G-actin） →纤维状肌动蛋白 （F-actin）
ATP
在大多数真核细胞中，肌动蛋白是含量最丰富的蛋白质之一，占细胞 总蛋白量的1%-10%。 - 肌细胞中占总蛋白10% - 非肌肉细胞中占总蛋白1—5% 多数简单真核生物只有一个肌动蛋白基因（酵母、黏菌） 海胆有11个基因 网丙菌属17个 有些植物可达60个以上
（二）微丝的组装及其动力学特性 细胞内的微丝骨架是不断的形成和解体的，是一个动态的过程:
微丝的组装/去组装与溶液中所含肌动蛋白的状态、离子种类及浓度等参数相关联： - 结合ATP的肌动蛋白才能参与微丝的组装 - 当溶液中含有适当浓度的Ca2+，而Na+、K+的浓度很低时，微丝趋向于解聚 - 当溶液中含有ATP、Mg2+以及较高浓度的Na+、K+时，溶液中的G-actin趋向于组装 成核反应（延迟期）→快速延长期→稳定状态（肌动蛋白单体临界浓度Cc）
-微管结合蛋白其余的结构域突出于微管表面与相邻的微管或细胞结构相作 用，对微管网络的结构和功能进行调节。
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的形态发生与维持有很大的关系。 - 为神经细胞的轴突运送所需的蛋白质和细胞器（线粒体） - 对于极性化细胞而言，物质沿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。
Phalloidin
二、微丝网络结构的调节与细胞运动
（一）非肌肉蛋白内微丝的结合蛋白 在大多数非肌细胞中，微丝是一种动态结构，它们持续地进行组装和去组装。 - 微丝的这种动态不稳定性与细胞形态的持续变化及细胞运动有密切的关系。 - 体内肌动蛋白的组装受到微丝结合蛋白的调节： ①可溶性肌动蛋白的存在状态 ②微丝结合蛋白的种类及其存在状态 - 细胞内微丝网络的组织形式和功能通常取决于与之结合的微丝结合蛋白。
内质网 高尔基体
微管
微管
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) -这些马达蛋白能将储存于ATP中的化学能转化成机械能，沿微管运输货物。
（一）驱动蛋白 - 在结构上与II型肌球蛋白相似，由2条具有马达结构域的重链（KHC）和 2条与重链的尾部结合、具有货物结合功能的轻链（KLC）组成。 - 头部一端有两个呈球状的马达结构域，具有ATP结合位点和微管结合位点。 - 人类基因组中共有45个驱动蛋白基因，马达结构域是该家族成员的一个 共有元件，在进化上非常保守
第十章 细胞骨架
细胞核骨架 广义 细胞质骨架 细胞 骨架 细胞膜骨架 细胞外基质 核基质（狭义核骨架） 核纤层、核孔复合体 微丝 微管、 中间纤维 血影蛋白、锚蛋白 带4.1蛋白等
（广义核骨架）
（狭义细胞骨架）
胶原蛋白、层/纤粘连蛋白、 弹性蛋白、蛋白聚糖等
细胞骨架（cytoskeleton）是一个由蛋白丝组成的错综复杂的网络，满布在整 个胞质中。
哺乳动物和鸟类中至少有6种不同 的肌动蛋白，可分为3类：α、β、γ - α-actin 有4种分别存在于骨骼肌、心肌和血管平滑肌 - β-actin 和γ-actin几乎存在于所有肌细胞和非肌细胞中。 序列研究揭示，actin 基因非常保守： 在不同类型肌细胞中 α-actin只在4—6个氨基酸上有变化 β、γ肌动蛋白相互只在一个位点上有差别，与α只有25个氨基酸差 异。 变形虫和动物的actin 氨基酸残基80%位点相同。
主要包括： 微丝（microfilament，MF） 微管（microtubule，MT） 中间丝（interfilament，IF）
- 细胞骨架是一个高度动态的结构体系 - 细胞骨架与数目众多的结合蛋白相互作用。 - 细胞骨架结合蛋白不仅对骨架网络本身进行调节，还在骨架与其他细胞结构之间建 立了广泛的联系，对细胞的结构和功能发挥组织作用，并进一步影响着细胞的形态、 运动以及周围的细胞和环境。
活细胞内，能够起始微管的成核作用，并使之延伸的细胞结构称为微管组织中心
（一） 中心体（centrosome） 动物细胞间期微管通常都从中心体开始装配 中心体含一对桶状中心粒（9组等距三联体微管），外包无定型的中心粒外周物质 微管在中心粒外周物质区域（γ-微管蛋白）成核 在细胞内不是所有微管都与中心体相连 神经细胞轴突、小鼠卵母细胞、高等植物细胞
根据浓度不同具有双重作用:聚
2. 紫杉醇（ taxol ） 紫杉醇（也称为红豆杉醇）与微管紧密结合而稳定微管。 由于优先阻断迅速分裂细胞的纺锤体的形成，紫杉醇是一种高效抗 卵巢癌药物。 三、 微管组织中心（microtubule organizing center, MTOC）
SEM显示成纤维细胞前缘的片状伪足 和丝状伪足
片状伪足和丝状伪足的形成依赖于肌 动蛋白的聚合，并由此产生推动细胞
运动的力
具有高度运动性的青蛙皮肤角质细胞被固定、脱水、铂金造影并在电 镜下观察，显示一大片肌动蛋白丝推动片状伪足的前缘向前移动。
（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，无收缩功能。 （六）胞质分裂环（收缩环） 是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。由大量平行排列，但极性相反的微丝组成。
2.
鬼笔环肽（phalloidin）
是从一种毒蘑菇中分离到的双环杆肽，可以抑制微丝的解聚使细胞受到毒害。它可 以结合于微丝两个亚基的接触面上，把两个亚基锁定在一起，即使在肌动蛋白单体 浓度低于临界浓度时，微丝也能保持稳定，不能解聚。由于只特异与纤维形肌动蛋 白结合的特性，鬼笔环肽最大的用途是作为微丝的特异性荧光染料，在荧光显微镜 下观察微丝的形态。
（二）细胞质动力蛋白 - 动力蛋白的重链同样含有ATP结合部位和微管结合部位，通过水解ATP沿微管运动 - 动力蛋白是已知马达蛋白中最大、移动速度最快的成员。 - 动力蛋白激活蛋白（dynactin）调节动力蛋白活性和动力蛋白与其“货物”的结 合能力。 - 动力蛋白超家族包括细胞质动力蛋白和轴丝动力蛋白。细胞质动力蛋白只有两个 重链家族成员，Dync1h1（担负向微管的负极端的胞质 转运）和Dync1h2 （在鞭毛内的反向转运中起作用）。 - 被认为与胞内体/溶酶体、高尔基体及其他一些膜泡的运输，动粒和有丝分裂纺 锤体的定位，及细胞分裂后期染色体的分离等事件密切相关。
第一节 微丝与细胞运动
一、微丝的组成及其组装
微丝： 肌动蛋白丝（actin filament) 或纤维状肌动蛋白（fibrous actin，F-actin) 直径为7nm，存在于所有真核细胞中 微丝的染色： Phalloidin （鬼笔环肽） 微丝网络的空间结构与功能取决于与之相结合的微丝结合蛋白 微丝的组装与去组装与多种细胞生命活动过程相关
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、阿米巴运 动、变皱膜运动、吞 噬以及膜蛋白的定位 等都与皮层内肌动蛋 白的溶胶态-凝胶态转 化相关。
（三）应力纤维（stress fiber） 细胞质膜的特定区域与基质之间形成紧密粘附的黏着斑（focal adhesion）。 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,是真核细胞内广泛存在的微丝束结构。 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。 当细胞受到外界刺激开始运动时，细胞内应力纤维将发生变化或消失。
（一）肌纤维的结构
骨骼肌细胞（肌纤维） - 是在胚胎期由大量的单核成肌细胞融合而成，但细胞核仍保留在肌纤维内。 - 肌纤维是由数百条更细的肌原纤维（myofibril）组成的集束。
肌纤维
M Line
（二）肌肉收缩的滑动模型
Thin filament
肌钙蛋白 原肌球蛋白
1.动作电位的产生
4. 细肌丝与粗肌丝的相对滑动
三、肌球蛋白：依赖于微丝的分子马达
在细胞内参与物质运输的马达蛋白（motor protein）可以分为3类： ① 沿微丝运动的肌球蛋白(myosin) ② 沿微管运动的驱动蛋白(kinesin) ③ 沿微管运动的动力蛋白(dynein) 这些蛋白具有与微丝或微管结合的马达结构域和与膜性细胞器或大分子 复合物特异结合的“货物”结构域，利用水解ATP所提供的能量有规则 地沿微管或微丝等细胞骨架纤维运动。
-
+
ATP的作用
-
+
新的肌动蛋白亚基通常在正极端加入 - 踏车行为（treadmilling）
(三）影响微丝组装的特异性药物 1. 细胞松弛素 (cytochalasins)
真菌的一种代谢物，与微丝结合后可以将微丝切断，并结合于微丝的（+）端阻断 微丝在此端的组装，而肌动蛋白亚基从（-）端不断解离，从而引起微丝的的解聚。 细胞松弛素加到细胞中，则引起肌动蛋白细胞骨架的消失，细胞形状变圆，阻止细 胞的运动并且阻断胞质分裂。
GTP
微管蛋白（tubulin） ——微管组装的基本结构单位
GTP
负极
正极
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：成核（nucleation） →延伸（elongation）
（成核）
动力学不稳定性
(二）作用于微管的特异性药物 1. 秋水仙素（colchicine）
胸腺素β4、抑制蛋白 核蛋白Arp2/3、形成蛋白(formin)
凝溶胶蛋白
丝束蛋白(fimbrin)
细丝蛋白(filamin)
CapZ、凝溶胶蛋白(gelsolin)超家族成员
（二）细胞皮层 细胞内大部分微丝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格结构，该区域通常称为细胞皮层（cell cortex）