第十五章 细胞骨架

第十五章细胞骨架

细胞骨架，是指广泛存在于真核细胞内的蛋白质纤维网络系统。关于细胞骨架有狭义和广义之分，前者，是由微管（microtubule,MT）、微丝（microfilament,MF）、和中间纤维（intermediate filament,IF）组成的细胞质骨架；后者，则包括了细胞核骨架、细胞膜骨架和细胞外基质等纤维体系。

第一节微管

除人的红血球等极少数细胞外，微管普遍地存在于所有真核细胞之中。

一、微管的组成及一般形态结构

微管是一种具有极性的中空管状蛋白质纤维结构。

α-微管蛋白和β-微管蛋白是组成微管的主要成分。它们分子大小接近，理化性质相似，并且都具有酸性的C端序列。在细胞质中，通常以较稳定的异二聚体（heterodimer）形式存在，否则极易被降解。二价阳离子Ca2+;Mg2+，鸟嘌呤核苷酸GTP与GDP，秋水仙素(colchicine)长春花碱(vinblastine)参与微管的组装与解体。

γ-微管蛋白（γ-tubulin）是近年来发现的第三种微管组成成分，含量仅占微管蛋白总量的1%，但却在微管的功能活动中具有不可或缺的重要作用。γ-微管蛋白：通常以γ微管蛋白环状复合物的形式存在于微管组织中心。该复合物是由γ-微管蛋白、α-微管蛋白、β-微管蛋白和P75，P109，P133，P195等多种微管结构蛋白组成。其可促进微管组装的成核作用，稳定微管的尾端结构。

二、微管的组装

横断面上看：它是由13根原纤维纵向围绕而成。

微管在体外组装时发现有两个因素决定微管的稳定性:游离微管蛋白的浓度和GTP水解成GDP的速度。高浓度的微管蛋白适合微管的生长, 低浓度的微管蛋白引起GTP的水解, 形成GDP帽, 使微管解聚。GTP的低速水解适合于微管的连续生长, 而快速的水解造成微管的解聚。

1.成核期（延迟期）

异二聚体在核心两端和侧面结合、延伸成片状结构。当片状结构扩展至13根原纤维时，片层结构卷曲合拢，形成中空的微管。

2.聚合期（延长期）

细胞内高浓度的游离微管蛋白，使微管蛋白二聚体在微管正端的聚合、组装速度远远快于负端的聚合速度。

3. 稳定期

随着胞质中游离微管蛋白浓度的下降，微管在正、负两端的聚合和解离速度达到平衡，微管长度趋于相对稳定状态。

微管的极性

微管的极性有两层涵义, 一是组装的方向性, 二是生长速度的快慢。

由于微管是以αβ二聚体作为基本构件进行组装的，并且是以首-尾排列的方式进行组装，所以每一根原纤维都有相同的极性(方向性)，这样, 组装成的微管的（-）极的最外端是α-微管蛋白亚基组成的环，而相对的（+）极的最外端是以β-微管蛋白亚基组成的环。

极性的另一层涵义是两端的组装速度是不同的, 正端生长得快, 负端慢, 同样, 如果微管去组装也是正端快负端慢。

微管组装是一个耗能过程。GTP帽促使微管组装、延长；GDP帽促使微管解聚、缩短。MTOC：在细胞中存在一个与微管组装与解聚相关的微管组织中心（microtubule Organizing center）。着丝粒、中心体、基体均具有微管组织中心的功能。

三、微管相关蛋白(microtubule-associated protein, MAP)

（一）微管相关蛋白的主要类型

I型MAP热敏感蛋白包括MAP-1A和MAP-1B，与轴突的逆向运输有关。

II型MAP热稳定蛋白包括MAP-2、MAP-4和Tau蛋白.

还有新发现的+TIPs、XMAP215、stathmin等。

（二）微管相关蛋白的主要功能

①对微管组装的调节控制作用；

②对细胞骨架结构的建立稳定和增强作用；

③参与细胞内物质的轨道定向转运过程；

④参与和介导细胞的信号传导。

四、微管的存在形式

细胞质中，微管有三种存在形式，即单管、二联管和三联管。

单管是胞质中最常见的微管存在形式，由13根原纤维环围而成，属于不稳定型微管。

二联微管主要构成鞭毛和纤毛的周围小管。三联管见于中心粒及鞭毛和纤毛的基体中。两者都是细胞内某些永久性功能结构细胞器的主体组分，属细胞内稳定型微管结构。

五、微管的主要功能

构成细胞网状支架，维持细胞形态，固定和支持细胞器的位置

参与细胞的收缩与变形运动，是纤毛和鞭毛的结构主体

参与细胞分裂过程中染色体的定向移动与细胞器的位移

参与细胞内大分子颗粒物质及囊泡的定向运输

第二节微丝

微丝是普遍存在于各种真核细胞中的骨架网络纤维。微丝平均直径6nm，多分布于具有运动功能和不对称形态的细胞中。

微丝的类型：一种可被细胞松弛素B破坏，常以疏松网状形式分布于质膜下；另一种不能被细胞松弛素B破坏，形成鞘或粗纤维。

一、微丝的组成及结构

(一)微丝的主要结构成分

微丝的主要结构成分是球形肌动蛋白。肌动蛋白单体外观呈哑铃形，具有Mg2+，K+，Na+等阳离子和ATP的结合位点。

目前，已分离到的肌动蛋白可分为三类：一类为横纹肌、心肌与血管及肠壁平滑肌细胞所特有，称之为α肌动蛋白；另外两类，即β肌动蛋白和γ肌动蛋白。

(二)微丝的组装及影响微丝组装的因素

体内装配时，MF呈现出动态不稳定性，主要取决于F-actin（纤维形肌动蛋白）结合的A TP 水解速度与游离的G-actin单体浓度之间的关系。

微丝的装配可分为三个层次，即球形肌动蛋白单体，纤维形肌动蛋白，微丝。

肌动蛋白纤维的组装过程分为：成核期，生长期，平衡期。

1. 成核作用（种子形成）

该期是微丝组装的起始和限速阶段，又称延迟期。

2. 延长期

G-actin在种子两端聚合，聚合快的一端为正极（+），慢的一端为负极（–）。

3. 平衡期

随着F-actin的组装和延长，G-actin浓度下降，正极聚合和负极解离的速度逐渐接近，最终达到一种动态平衡状态.

二、微丝结合蛋白及微丝特异性药物

原肌球蛋白Tropomyosin，其主要功能是调节肌动蛋白与肌球蛋白头部的结合。肌钙蛋白Troponin ，主要参与细胞骨架与细胞膜的相互作用，如膜泡运输，肌丝滑动。

肌球蛋白Myosin ，仅发现于肌细胞中。

细胞松弛素(cytochalasins)：可以切断微丝,并结合在微丝正极阻抑肌动蛋白聚合,因而导致微丝解聚。

鬼笔环肽(philloidin)：与微丝侧面结合,防止MF解聚。

影响微丝装配动态性的药物对细胞都有毒害，说明微丝功能的发挥依赖于微丝与肌动蛋白单体库间的动态平衡。这种动态平衡受actin单体浓度和微丝结合蛋白的影响。

三、微丝的类型

1.张力丝:存在于皮肤上皮细胞,使细胞具有韧性和弹性；

2.肌丝:存在于肌肉细胞中,是肌细胞收缩系统装置的主要组分；

3.神经丝：存在于神经细胞的树突和轴突中,参与神经元内代谢物质的运输。

四、微丝的主要功能

组成细胞骨架，维持细胞形态

具运动功能，与细胞质的运动紧密相关

构成细胞间的连接装置

细胞内信号传递、蛋白质合成支架

第三节中间纤维

人们在哺乳动物细胞质中发现了这种直径在10nm左右纤维,因其直径介于粗肌丝和细肌丝之间, 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，特别在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。

一、中间纤维的类型