细胞生物学第九章细胞骨架.doc

第九章 细胞骨架真核细胞中由多种蛋白质纤维组成的复杂网架系统，称为细胞骨架cytoskeleton。广义的细胞骨架包括细胞核骨架(核内骨架、核纤层及染色体骨架)、细胞质骨架(微丝、微管、中间纤维)、细胞膜骨架及细胞外基质，但通常狭义的仅指细胞质骨架。目前认为细胞骨架主要功能：维持细胞整体形态和内部结构有序的空间分布； 与细胞运动、胞内物质运输、能量转换、信息传递、细胞分裂、基因表达及细胞分化等生命活动密切相关。一、微丝microfilament(一)组分与性质微丝的主要成分是肌动蛋白actin，是在真核细胞中的直径为7nm的骨架纤维，肌动蛋白的单体是球型（G肌动蛋白），两股由G肌动蛋白联结成的单链相互螺旋缠绕形成纤维型肌动蛋白（F肌动蛋白）。从球型 纤维型的变化是自组装的，除肌肉细胞的细肌丝中的微丝以及肠上皮细胞微绒毛中的微丝是稳定的结构外，通常细胞中的微丝都是处在组装和解聚的动态之中，微丝装配具有极性（即有正负极），并常表现出一端装配而另一端脱落的踏车行为 treadmilling ，脱落下来的单体进入细胞质中的肌动蛋白单体库。关于微丝组装的适宜条件是：ATP、Mg2+和高浓度的Na+、K+离子；而解聚的条件是：Ca2+和低浓度的Na+、K+离子。微丝的形态是细而长，经常成束平行排列，也有的组成疏散的网络。在不同类型细胞中，微丝还含有不同种类的微丝结合蛋白，形成各自独特的结构或特定功能。例如肌细胞中的就有肌球蛋白myosin、原肌球蛋白和肌钙蛋白等。肌球蛋白约占肌肉中蛋白总量的一半，由双股多肽链盘绕成像“豆芽”状的纤维。再由多条肌球蛋白成束构成肌原纤维中的粗肌丝，其上外露的“豆芽”头部具ATP酶活性，是粗肌丝与细肌丝（肌动蛋白纤维）能暂时性结合的部位（“横桥”），也是导致细肌丝与粗肌丝之间相对滑动的支点。而原肌球蛋白和肌钙蛋白则是特异性附着在细肌丝（即F肌动蛋白纤维）上的两种微丝结合蛋白，它们是以构象变化方式来调节细肌丝与粗肌丝（肌球蛋白头部）的联系。在研究微丝时，常运用“细胞松弛素B”cytochalasin B（简称CB），这是由真菌长蠕孢的代谢产物中提取的一种生物碱，能破坏微丝网络结构，对微丝的装配聚合有专一性抑制，故可用以判断细胞中哪些活动方式是受微丝控制的。一旦从试验环境中去除CB后，微丝又会马上恢复正常结构及功能。另外，还有一种由真菌中提取的鬼笔环肽，它能与微丝的F肌动蛋白纤维强力亲合，能抑制其解聚，故也是专门用于研究微丝功能的特异药物。 (二)微丝的主要功能微丝除与微管、中间纤维等共同构成细胞骨架，起着维持细胞形状作用之外，它还有其单独的功能：1、 肌肉收缩动物骨骼肌(横纹肌)肌细胞是由若干条细长的肌原纤维组成的集束群，而肌原纤维则是由粗肌丝和细肌丝共同构成的，粗肌丝是由若干条肌球蛋白分子平行排列成束状，而细肌丝却是由F-肌动蛋白纤维结合了原肌球蛋白和肌钙蛋白所组成的。肌原纤维上可见许多宽窄不同、深浅不同的横纹带，其中浅带区中的深细带（Z盘）之间称为肌小节，这是肌肉收缩的功能单元，整块肌肉的收缩实质上就是由其中每个肌小节内的细肌丝与粗肌丝相对滑动所致。其收缩的基本过程是：中枢神经系统的兴奋信号传到肌膜上，引起反极化，再经T小管传至肌质网，引起肌质网膜反极化，Ca2+通道被打开，肌质网腔内Ca2+释放到肌浆中，引起肌钙蛋白构象改变，并牵动原肌球蛋白移位，使F肌动蛋白纤维上能与肌球蛋白头部相结合的部位暴露出来，因此粗、细肌丝之间建立起横桥联系，拉动细肌丝在粗肌丝之间滑动，导致肌小节收缩。在横桥联系过程中，肌球蛋白头部ATP酶被激活，每水解1分子ATP，使细肌丝滑动10nm。如果兴奋信号持续，细肌丝还会进一步滑动。但一旦兴奋信号终止，肌质网膜立即复极化，Ca2+泵从肌浆中回收Ca2+，导致原肌球蛋白重新去掩盖肌动蛋白纤维上的结合部位，ATP酶失活。粗/细肌丝都恢复原位，从而肌肉出现松弛状态。2.控制细胞质的运动(1)胞质环流cyclosis运动：最明显、典型的是在轮藻和丽藻的细胞中，由于在流动的内质和静止的外质之间的界面上，有成束的微丝平行排列，能控制细胞质流动方向和动力。(2)穿梭流动：原生生物的绒泡菌中，细胞质会沿菌体长轴方向来回往返流动。这是由于其内的肌球蛋白系统，依赖Ca2+浓度和ATP所致的流动。3.决定细胞的移动和形状变化(1)阿米巴运动：变形虫、中性白细胞、巨噬细胞等是以细胞变形而移动，即前端伸出伪足，后端向内收缩，胞内原生质也随之向前流动，这是由微丝调控的。(2)变皱膜运动：体外培养细胞依靠其底部局部突起为支撑点，缓慢向前移动，并不断改变细胞形状，改换支撑接触点，这是由微丝控制的。(3)细胞形状变化：例如质膜上内吞或外排的膜泡形状变化；或动物细胞分裂末期的中部缢缩形成胞质分裂环；或胚胎发育中的原肠胚形成和神经胚形成。缢缩的“瓶颈”处都有由许多微丝组成的收缩环，收缩环的收缩则导致形状的改变。4.非肌细胞中的应力纤维真核细胞的细胞皮层中存在有大量微丝束组成的应力纤维，在细胞质中执行着类似于肌原纤维的收缩功能，在细胞形态发生和细胞分化上都有重要作用。但是，肠上皮细胞微绒毛中的微丝束是起维持其形状作用的，是不能收缩的。二.微管microtubule（一）结构和组分是中空、笔直的管状物，长度可变(几微米至几厘米)，外径2025nm，内径15nm。主要组分是微管蛋白tubulin，占总量的8095%。此外，还有微管关联蛋白microtubule-associated protein，MAP。微管蛋白分子有和两种类型，其aa序列略有差别，和以疏水键联接形成二聚体，若干个二聚体首尾相连可组成一条原纤维，而13条原纤维纵向平行排列则组成微管的管壁，微管横切面可见13个微管蛋白分子。各种真核细胞中的微管蛋白基本相同。微管关联蛋白(MAP)和tau蛋白不是微管的基本构件，是起促进和调节微管装配的作用。(二)分布和形成广泛存在于真核细胞的细胞质中，呈网状或束状分布。并参与组装纺锤体、鞭毛、纤毛、（鞭毛）基体，中心粒、（神经）轴突、神经管等结构，能介导细胞形态维持、细胞运动、细胞分裂和胞内物质运输等生理活动。微管也是自组装结构，通常形成于中心粒、基体等固定区域，该处被称为微管组织中心的MTOC，microtubule organizing center， 微管的负极是指向MTOC，而其正极则是背向MTOC的。微管的装配和解聚一般是受严格时间和空间控制的。在一定条件下，同一条微管上的装配和解聚能同时进行，即一端在装配，而另一端在解聚，亦称为踏车行为。两者的速度差别就决定了此微管是延长或是缩短。不过应注意，鞭毛、纤毛和中心粒的微管通常是不解聚的。 微管的组装促进条件：生理温度、微管蛋白浓度、能量GTP、Mg2+及低浓度Ca2+。 微管的解聚条件：高浓度（1mM）Ca2+、低温、高水压。解聚后以二聚体为基本单元存在于细胞质中。 微管研究特异药剂：秋水仙素、秋水酰胺、长春花碱及鬼臼素等生物碱能阻止微管蛋白组装，能用来判断微管功能活动。而紫杉酚和重水D2O则会增加微管稳定性。 微管装配方式是：二聚体头尾相接组成原纤维，多条原纤维并列再组成片状物，当片状物包含有13条原纤维时则卷拢形成微管，其一端继续添加二聚体，使之延长。(三)纤毛和鞭毛的微管构型这所指的是真核细胞表面特化结构，例如鞭毛虫、纤毛虫、单胞藻、动物精子及呼吸道上皮细胞的纤毛。（而细菌的鞭毛与此不同，其所含的是鞭毛蛋白，内部亦无微管构型。）鞭毛是由鞭杆和基体（或称基粒）两部分组成(基体是嵌入质膜内的结构)。鞭杆横切面呈现(9+2)微管构型。即外围有9组二联体微管环绕，中央由中央鞘包围2个微管。每个二联体中有A管和B管。A管管壁完整由13条原纤维构成。而B管管壁仅10条原纤维，另3条共用A管的。每个A管上(顺时针)向相邻二联体的B管伸出2个“弯钩”状的动力蛋白臂（可在B管壁外滑动），此外还向中央鞘伸出一根放射幅（其幅头可对中央鞘滑动）。基体的横切面呈现(9+0)微管构型。即外围环绕9组三联体微管，中央无微管。三联体排列呈“风车”状，每个三联体由A、B、C三管组成。中心粒内的微管构型与基体的相同。（即是同源性结构）(四)微管的主要功能1.维持细胞形态的支架作用。有些动物细胞及低等植物细胞能呈现非球形。其非对称性形态维持是依靠微管起支架作用的。此外，轴突、纤毛、鞭毛等特化结构也是以微管为支架的。例如“太阳虫”。2.控制细胞分裂时的染色体运动。纺锤体的纺锤丝皆由微管构成。包括三种类型：着丝点(动粒)微管；连续微管；中间微管。细胞分裂后期两组染色体分别向两极移动是由微管牵引所致(秋水仙素处理可以证实)，其作用机理现认为是：由动粒微管缩短产生的拉力加上连续微管伸长产生的推力（注意：拉是指拉+染色体，推是推两极。）的共同作用结果。至于上述两种微管长度变化是因微管蛋白去组装或组装所造成的，而微管联结处的滑动是由于类动力蛋白作用的缘故。3.控制细胞内的物质运输：植物细胞壁形成时，对纤维素沉积排列起导向定位作用；在神经轴突中的细胞器、小泡和颗粒的快速定向运输作为轨道（由驱动蛋白kinesin向正极运输，而由胞质动力蛋白cytoplasmic dynein向负极运输）；与某些动物皮肤细胞中的色素颗粒迅速转运有关。 在细胞质或神经轴突内部，有许多的细胞器及小型膜泡沿微管作定向运动或运输。这是依靠能利用ATP能量、并循微管为轨道运输物资的马达蛋白（又称“摩托蛋白”）来进行的物质运输。马达蛋白之中又可分为驱动蛋白和胞质动力蛋白两种类型。它们的功能被喻为分子马达。4.决定了鞭毛(或纤毛)的摆动机制。其摆动可分解为若干个片段的弯曲运动，这是由轴心中所有的相邻二联体之间相互滑动所致。也就是说其轴心中的微管构型不是弹性结构，而是能变位联结的刚性结构。其中相邻二联体之间的相互滑动，其关键就在于动力蛋白臂的滑动。三、中间纤维intermediate filament, IF（一）中间丝的类别和分布中间纤维又称中间丝，其直径为10nm，介于微管和微丝之间，故名。因化学性质不同于微丝和微管，目前尚未发现能鉴定它的工具药，再加之并不是在所有真核细胞之中都有中间丝（例如植物细胞中就没有，另外在酵母的核内无核纤层）。由于其成分复杂，目前一般主要分成六类：（1） 角蛋白纤维：主要存在于上皮细胞中。（2） 波形蛋白纤维：存在于间质细胞、成纤维细胞中。（3） 结蛋白纤维：主要存在于成熟的肌细胞中。（4） 神经元纤维：只存在于神经细胞中。（5） 核纤层蛋白：核膜内侧分布的中间纤维。（6） 神经胶质纤维：只存在于神经胶质细胞中。10-15各种类型中间丝的分布皆有严格的组织特异性，由于它们的肽链序列中均有一段310aa的螺旋区，表明它们是来源于同一基因家族，在进化上具有高度保守性。（二）中间丝的结构组装中间丝蛋白在适宜的体外缓冲体系内能自我组装成10nm粗的丝状结构，其组装过程不需ATP或GTP能量。中间丝的结构组装可分为四级步骤：1、二聚体。即以两个单体的杆状区平行排列构成双螺旋的二聚体，二聚体之中有同型或异型之分，每个二聚体的长度约50nm。2、四聚体。即两个二聚体以反向平行和半分子交错的形式组装成四聚体，它是中间丝组装的基本结构单位，没有朝向的极性。3、原纤维。即若干个四聚体首尾相连形成原纤维。4、中间丝。即以8根原纤维构成长圆柱状的10nm纤维。中间纤维的功能：参与细胞骨架的支撑作用，例如：角蛋白纤维参与桥粒的结构；结蛋白纤维参与肌原纤维上的Z盘构造；神经蛋白纤维多股组成神经原纤维；固定细