第九章 细胞骨架

第九章细胞骨架(Cytoskeleton)细胞骨架概述1928年，Koltzoff提出：原生质中存在着一种具有一定形态和结构的纤维成分，每一细胞就是一个由液体成分和硬性骨架组成的体系。20世纪40年代，Wyssling提出细胞质中含有细丝组成的网架。20世纪60年代（1963）Slauterback首先在水螅刺细胞中发现了微管结构，同时Porter在植物细胞中也发现了此结构。后来研究手段和技术不断创新：录象增强反差显微技术电镜技术：免疫标记、冷冻深度蚀刻、无树脂包埋切片技术、高压电镜技术、整装细胞制片技术相继发现了微管、微丝、中等纤维和微梁网络。细胞骨架（cytoskeleton）是指真核细胞中的蛋白纤维网络结构。发现较晚，主要是因为一般电镜制样采用低温（0-4℃）固定，而细胞骨架会在低温下解聚。直到20世纪60年代后，采用戊二醛常温固定，才逐渐认识到细胞骨架的客观存在。

细胞骨架不仅在维持细胞形态，承受外力、保持细胞内部结构的有序性方面起重要作用，而且还参与许多重要的生命活动如：在细胞分裂中细胞骨架牵引染色体分离；在细胞物质运输中，各类小泡和细胞器可沿着细胞骨架定向转运；在肌肉细胞中，细胞骨架和它的结合蛋白组成动力系统；在白细胞的迁移、精子的游动、神经细胞轴突和树突的伸展等方面都与细胞骨架有关。另外，在植物细胞中细胞骨架指导细胞壁的合成。细胞骨架的主要功能微丝、微管和中间纤维位于细胞质中，又称胞质骨架，它们均由单体蛋白以较弱的非共价键结合在一起，构成纤维型多聚体，很容易进行组装和去组装，这正是实现其功能所必需的特点。狭义的细胞骨架指细胞质骨架，包括微丝、微管、中间纤维；广义的细胞骨架包括细胞核骨架、细胞质骨架、细胞膜骨架和细胞外基质。形成贯穿于细胞核、细胞质、细胞外的一体化网络结构。

细胞骨架的特点：弥散性、整体性、可变性细胞骨架cellskeleton胞质骨架cytoskeleton微管(microtubule)微丝(microfilament)中间纤维(intermediatefilament)细胞核骨架(nuclearskeleton)细胞膜骨架(membraneskeleton)细胞外骨架(exocytoskeleton)细胞骨架的研究方法主要有三种：1、荧光显微镜应用：荧光显微镜研究细胞骨架的动力学。另外，可用荧光抗体研究以很低浓度存在的蛋白质在细胞内的定位。eg:GFP(绿色荧光蛋白，Green-FluorescentProtein）的应用相同细胞中微管、微丝和中间纤维的荧光定位三种不同荧光染料探针同相应的蛋白纤维结合从而使细胞内的纤维被染色。(a)含有肌动蛋白的纤维被蘑菇毒素鬼笔环肽标记;(b)含微管蛋白的微管被微管蛋白的抗体标记;(c)中间纤维被抗波形蛋白的抗体标记。三种混合的荧光标记物,各自的光都不强,并且各自的荧光波长不同。检查时,用不同的滤光片,每次滤去两种光日本科学家下村修、美国科学家马丁•沙尔菲和美籍华裔科学家钱永健获得2008年诺贝尔化学奖。他们三人在发现和研究绿色荧光蛋白(GFP)方面有突出成就，代表了绿色荧光蛋白研究上的三个里程碑。用电视显微镜观察到的微管发动机的运动示意图2、电视显微镜（videomicroscopy）的应用：强化光学显微镜功能的另一种方法就是用照相机将细胞的活动纪录在胶片上并可在电视屏幕上显示，即电视显微镜。用这种照相机能够使显微镜观察比自身分辨率低的物质，并进行照相，如观察直径为25nm的微管、40nm的运输泡。3、电子显微镜技术的应用：细胞骨架的一个很特别的特性是用非离子去垢剂，如TritonX-100处理时保持非溶解状态。当用这类去垢剂处理细胞时，可溶性的物质、膜成分被抽提出来，留下细胞骨架，并且同活细胞中的结构完全一样。根据这一特性，采用金属复型技术在电子显微镜下观察到细胞骨架的基本排列。细胞骨架的电子显微镜检查用非离子去垢剂TritonX-100处理成纤维细胞,并进行冰冻干燥和金属复型的细胞骨架。SF表示的是成束的微丝,MT表示微管;R是多聚核糖体。第一节微丝与细胞运动又称肌动蛋白纤维(actinfilament),是指真核细胞中由肌动蛋白(actin)组成、直径为7nm的骨架纤维。是由两条线性排列的肌动蛋白链形成的螺旋，形状如双线捻成的绳子。●成分●装配●微丝(microfilament,MF)结合蛋白●微丝特异性药物●微丝功能●肌肉收缩(musclecontraction)一、微丝的组成与组装（一）微丝的结构成份

1.肌动蛋白(actin，Mr=43KD)是微丝的主要结构成分,有聚合成长纤维的能力，在聚合前（单体）分子形状外观呈哑铃状（球形）,这种肌动蛋白（actin）又叫球形肌动蛋白（G-肌动蛋白，G-actin），在聚合后（多聚体）则呈纤维形，称为纤维形肌动蛋白（F-肌动蛋白，F-actin）。

●肌动蛋白的分子组成肌动蛋白是一种中等大小的蛋白质,由375个氨基酸残基组成,并且是由一个大的、高度保守的基因编码。单体肌动蛋白分子的分子量为43kDa,其上有三个结合位点：一个是ATP结合位点,另两个都是与肌动蛋白结合的结合蛋白结合位点。●肌动蛋白的分布肌动蛋白是真核细胞中最丰富的蛋白质。在肌细胞中,肌动蛋白占总蛋白的10%,即使在非肌细胞中,肌动蛋白也占细胞总蛋白的1～5%。肌动蛋白在非肌细胞的胞质溶胶中的浓度为0.5mM。在特殊的结构如微绒毛(microvilli)中,局部肌动蛋白的浓度要比典型细胞中的浓度高10倍。●肌动蛋白的编码基因某些单细胞生物,如酵母、阿米巴虫等只有一个肌动蛋白基因,而一些多细胞的生物含有多个肌动蛋白基因。如人就有6个肌动蛋白基因,每一个编码一种肌动蛋白异构体。某些植物含有多达60个肌动蛋白基因。肌动蛋白是非常保守的,可与组蛋白相比。

哺乳动物、鸟类中分离到的六种肌动蛋白α-肌动蛋白β-肌动蛋白γ-肌动蛋白α-横纹肌动蛋白α-心肌肌动蛋白α-血管平滑肌肌动蛋白α-肠道平滑肌肌动蛋白见于所有肌肉细胞和非肌肉细胞中

2.肌动蛋白的类型根据等电点的不同可将高等动物细胞内的肌动蛋白分为3类，α-肌动蛋白，β-肌动蛋白，γ-肌动蛋白。α分布于各种肌肉细胞中，β和γ分布于肌细胞和非肌细胞中。（二）微丝的装配及动力学特性在适宜的温度，存在ATP、K、Mg离子的条件下，肌动蛋白单体可自组装为纤维。ATP-actin（结合ATP的肌动蛋白)对微丝纤维末端的亲和力高，ADP-actin对纤维末端的亲和力低，容易脱落。当溶液中ATP-actin浓度高时，微丝快速生长，在微丝纤维的两端形成ATP-actin“帽子”，这样的微丝有较高的稳定性。伴随着ATP水解，微丝结合的ATP就变成了ADP，当ADP-actin暴露出来后，微丝就开始去组装而变短。

G-actin单体自体组装成长链（可达数千个）两条长链互相扭成双螺旋微丝呈右手螺旋盘绕头尾相接（有极性）1.微丝的装配过程：2.体外装配实验肌动蛋白可在体外装配成微丝，其结构与在细胞中分离的微丝相同。G-actin纤维状肌动蛋白（mf）（聚合：新G-actin加到微丝末端）ATP、Mg2+、高浓度Na+、K+Ca2+、低浓度Na+、K+（微丝趋于解聚成actin）单体G-肌动蛋白和F-肌动蛋白的结构(a)非肌细胞中β-Actin单体的结构模型,像是扁平的分子,由体积相等的两个部分组成,中间有一个裂口,并且有四个亚结构域,用Ⅰ-Ⅳ表示。ATP在裂口的地方与肌动蛋白结合。N端和C末端位于亚结构域Ⅰ。(b)电子显微镜观察的经负染的丝状肌动蛋白的形态。(c)肌动蛋白纤维亚基的装配模型。F-肌动蛋白丝两端不断生长用肌动蛋白封端蛋白封住负端,微丝继续快速加长,但是用封端蛋白封住正端,F-肌动蛋白加长的速率非常慢。F-肌动蛋白功能上的极性是指行使功能时具有方向性,如以微丝作为运输轨道的发动机蛋白与微丝的结合是按方向识别的。微丝的踏车现象

发生踏车现象时,虽然F-肌动蛋白丝的净长度没有发生变化.但是装配与去装配仍在进行,只不过添加到微丝上的G-肌动蛋白分子与脱下来的速率相等。（三）影响微丝组装的特异性药物细胞松弛素B(cytochalasinsB)

细胞松弛素B是第一个用于研究细胞骨架的药物，它是真菌分泌的生物碱。细胞松弛素(细胞松弛素B及其衍生物)在细胞内同微丝的正端结合,并引起F-肌动蛋白解聚，阻断亚基的进一步聚合。细胞松弛素B的结构2.鬼笔环肽(philloidin)：是一种由毒蕈产生的双环杆肽，与微丝有强亲和作用，与微丝能够特异性的结合，与微丝侧面结合使肌动蛋白纤维稳定，防止MF解聚。且只与F肌动蛋白结合，而不与G肌动蛋白结合，荧光标记的鬼笔环肽可清晰地显示细胞中的微丝。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

纯化的肌动蛋白在体外能够聚合形成肌动蛋白纤维，但是这种纤维不具有相互作用的能力，也不能行使某种功能,原因是缺少微丝结合蛋白。

■微丝结合蛋白的种类肌细胞和非肌细胞中都有微丝结合蛋白，至少已分离出100多种。蛋白质相对分子质量(kDa)来源单体隔离蛋白抑制蛋白(profilin)12～15广泛分布胸腺素(thymosins)5广泛分布封端蛋白β辅肌动蛋白(β-actinin)35～37肾、骨骼肌CapZ32,34肌组织加帽蛋白(cappingprotein)28～31Acanthamoeba交联蛋白细丝蛋白(filamin)250平滑肌肌动蛋白结合蛋白(ABP)250血小板，巨噬细胞Gelactin23～28变形虫成束蛋白丝束蛋白(fimbrin)68小肠表皮绒毛蛋白(villin)95肠表皮，卵巢成束蛋白(Fascin)57海胆卵α-辅肌动蛋白(α-Actinnin)95肌组织纤维切割蛋白凝溶胶蛋白(gelsolin)90哺乳动物细胞片段化蛋白/割切蛋白(fragmin/severin)42阿米巴虫、海胆短杆素(Brevin)93血浆纤维去聚合蛋白Cofilin21广泛分布ADF19广泛分布蚕食蛋白(Depactin)18海胆卵膜结合蛋白(肌)营养不良蛋白(dystrophin)427骨骼肌肉粘着斑蛋白(vinculin)130广泛分布膜桥蛋白(Ponticulin)17Dictyostelium

1.几类主要的微丝结合蛋白2.

微丝结合蛋白的功能目前所发现的微丝结合蛋白的功能很多,但与肌动蛋白相互作用的方式却十分简单。应该注意的是，有些微丝结合蛋白具有多种功能。微丝结合蛋白的作用方式⑴单体隔离蛋白(monomer-sequensteringprotein)抑制蛋白(profilin)和胸腺嘧素(thymosin)能够同单体G-肌动蛋白结合，并且抑制它们的聚合,将具有这种作用的蛋白称为肌动蛋白单体隔离蛋白,这类蛋白在非肌细胞中负责维持高浓度的单体肌动蛋白(50-200μm)。⑵交联蛋白(cross-linkingprotein)这类蛋白的主要功能是改变细胞内肌动蛋白纤维的三维结构。每一种结合蛋白都有两个或两个以上的同肌动蛋白结合的位点，这样，能够使两个或多个肌动蛋白纤维产生交联，使细胞内的肌动蛋白纤维形成网络结构。加帽蛋白的作用⑶封端(加帽)蛋白类(endblockingproteins)

此类蛋白通过同肌动蛋白纤维的一端或两端的结合调节肌动蛋白纤维的长度。加帽蛋白同肌动蛋白纤维的末端结合之后，相当于加上了一个帽子(图10-41)。如果一个正在快速生长的肌动蛋白纤维在(+)端加上了帽子，那末在(-)端就会发生去聚合。⑷纤维切割蛋白(filament-severingprotein)这类蛋白能够同已经存在的肌动蛋白纤维结合并将它一分为二。由于这种蛋白能够控制肌动蛋白丝的长度，因此大大降低细胞中的粘度。经这类蛋白作用产生的新末端能够作为生长点,促使G-肌动蛋白的装配。⑸肌动蛋白纤维去聚合蛋白(actinfilament-depolymerizingprotein)这些蛋白主要存在于肌动蛋白丝骨架快速变化的部位,它们同肌动蛋白丝结合,并引起肌动蛋白丝的快速去聚合形成G-肌动蛋白单体。⑹膜结合蛋白(membrane-bindingproteins)是非肌细胞质膜下方产生收缩的机器。在剧烈活动时，由收缩蛋白作用于质膜产生的力引起质膜向内或向外移动(如吞噬作用和胞质分裂)。这种运动由肌动蛋白纤维直接或间接与质膜相结合后形成的。直接的方式有同膜整合蛋白的结合，间接的方式有同外周蛋白的结合。两个典型的例子是红细胞膜骨架和细胞的整联蛋白连接。肌动蛋白纤维、微丝结合蛋白与整联蛋白的相互作用（a）肌动蛋白通过微丝结合蛋白与质膜结合的排列模型；(b)肌动蛋白与整联蛋白相连的方式。（二）细胞皮层具核细胞的质膜下方存在的网架结构，在质膜下构成了细胞质的皮质区，即细胞皮层。皮质区中肌动蛋白丝含量丰富，含存在着结构类似于血影蛋白、踝蛋白、带4.1蛋白的蛋白质。（三）应力纤维（stressfiber）

当将细胞放在培养瓶中进行培养时，细胞需要同培养瓶底接触，将自己平铺在基底，这种结合通常需要形成一种特殊的紧密的粘合斑。在粘合斑的细胞质膜的下方有肌动蛋白成束状排列，这种结构叫应力纤维.它具有收缩功能，在细胞的形态发生、细胞分化和组织形成中具有重要作用。由整联蛋白介导的细胞外基质同细胞内的连接也是通过应力纤维。培养的上皮细胞中的应力纤维（微丝红色、微管绿色）

成分：肌动蛋白、肌球蛋白、原肌球蛋白和-辅肌动蛋白。介导细胞间或细胞与基质表面的粘着。应力纤维可能在细胞形态发生、细胞分化和组织的形成等方面具有重要作用。非肌细胞中的应力纤维与肌原纤维有很多类似之处：都包含myosinII、原肌球蛋白、filamin和α-actinin。培养的成纤维细胞中具有丰富的应力纤维，并通过粘着斑固定在基质上。在体内应力纤维使细胞具有抗剪切力。应力纤维的形态与结构组成(a)通过荧光标记的抗肌动蛋白抗体显示的培养中的成纤维细胞的应力纤维;(b)应力纤维的结构组成,肌动蛋白呈反向平行,其它三种蛋白以各自的方式排列,将微丝装配成束状应力纤维。◆细胞质流动胞质川流和穿梭运动◆细胞运动

变形运动（变形虫式运动）阿米巴运动：（amoeboidmovement）褶皱膜运动（变皱膜运动）形态发生运动（四）细胞伪足的形成与迁移运动1．细胞伪足的形成①微丝纤维生长，使细胞表面突出，形成片足；②在片足与基质接触的位置形成粘着斑；③在myosin的作用下微丝纤维滑动，使细胞主体前移；④解除细胞后方的粘和点。如此不断循环，细胞向前移动。阿米巴原虫、白细胞、成纤维细胞都能以这种方式运动。

2.细胞的褶皱膜运动将哺乳动物的成纤维细胞进行体外培养，可以看到另一种细胞运动方式，即细胞膜表面变皱，形成若干波动式的褶皱和较长的突起。细胞的移动是靠这些褶皱和突起不断交替地与玻璃表面相接触。在细胞移动时，原生质也跟着流动，但仅局限于细胞的边缘区，而不像阿米巴样运动那样是在细胞的中央部位。3.细胞的形态发生并非所有的细胞都会产生位置的移动。事实上，体内大多数细胞的位置是相对固定不变的，但是它们仍然能表现出十分活跃的形态改变。例如，肌纤维收缩、顶体反应、神经元轴突生长、细胞表面突起（微绒毛、伪足等）、细胞分裂中的胞质分裂(cytokinesis)等等。细胞骨架能维持细胞的形状，却又不仅仅是一个被动的支架，而是非常复杂的动态网络，不断组装（聚合）和去组装（解聚），使细胞能适应其功能状态发生形状改变及其它运动方式。在形态发生时，某些细胞的移动是微丝收缩的结果，如神经板形成神经沟、胰脏的开始隆起和原肠的形成等等。参与这些形态建成的细胞顶端，都有一圈微丝纤维束，当微丝收缩时，使平板内陷或外突而形成沟或束。有的形态建成运动与微管的作用密切相关。例如当精细胞形成精子时，细胞核伸得很长，与此同时，细胞中出现有大量规则排列的微管与细胞核相互缠绕在一起。肌球蛋白的功能（a）运输小泡；(b)运输微丝。4.胞质环流胞质环流是菌类、藻类和高等植物细胞中非常活跃的运动现象。胞质环流是由肌动蛋白和肌球蛋白相互作用引起的。胞质环流对于细胞的营养代谢具有重要作用，能够不断地分配各种营养物和代谢物，使它们在细胞内均匀分布。植物细胞的胞质环流典型的胞质环流。在此过程中,细胞质环绕中央液泡流动。培养的动物细胞蠕动的三个过程示意图培养的动物细胞移动可以分为三个过程∶首先是细胞前缘的扩展，这一步是由肌动蛋白的聚合作用引起的;第二是扩展的前缘通过粘着斑的形成附着到基底；第三是通过胞质溶胶向前流动和细胞尾部的收缩将细胞向前推进，在细胞质收缩过程中，肌动蛋白纤维切割蛋白可能起了重要作用。

是一些动物细胞表面的指状突起。微绒毛的长度为1～3μm，直径为0.1μm,由几十个成束平行排列的肌动蛋白纤维支持并定向。微绒毛中肌动蛋白纤维的排列方向相同，(+)端指向微绒毛的尖端。一个肠细胞表面有几千个微绒毛,它们的存在大大增加了肠上皮表面面积,有利于吸收营养物质。微绒毛常存在于具有物质吸收功能的组织表面,如小肠和肾小管。每一个微绒毛含有大约25个肌动蛋白纤维,并结合有绒毛蛋白和毛绿蛋白。肌球蛋白Ⅰ位于微绒毛的肌动蛋白束和细胞质膜之间,功能尚不清楚。肠上皮细胞微绒毛的轴心微丝是非肌肉细胞中高度有序微丝束的代表，微丝呈同向平行排布，微丝束下端终止于端网结构（terminalweb）。微绒毛中心的微丝束起维持微绒毛形状的作用，其中不含肌球蛋白、原肌球蛋白和辅肌动蛋白，因而无收缩功能。微丝结合蛋白如绒毛蛋白、110K蛋白、毛缘蛋白、fodrin在微丝束的形成、维持及与微绒毛细胞膜连接中起重要作用。（五）微绒毛(microvillus)微绒毛中的肌动蛋白束及其相关蛋白

（六）胞质分裂环有丝分裂末期，两个即将分离的子细胞内产生收缩环，收缩环由大量反向平行排列的微丝和myosinII组成，由分裂末期胞质中的肌动蛋白装配而成。随着收缩环的收缩，两个子细胞的胞质分离。胞质分裂后，收缩环即消失。收缩环是非肌肉细胞中具有收缩功能的微丝束的典型代表，在很短的时间内，微丝能迅速装配与去装配以完成细胞功能，起收缩机制亦是肌动蛋白和肌球蛋白的相对滑动。在细胞松驰素存在的情况下，不能形成胞质分裂环，因此形成双核细胞。■肌动蛋白和肌球蛋白Ⅱ在胞质分裂中的作用在细胞的有丝分裂后期进行的胞质分裂，主要是通过肌动蛋白和肌球蛋白形成的纤维束，并通过由这种束状纤维形成的收缩环的收缩将细胞切割开，维持了子细胞的正常形态大小。通过荧光标记的抗肌球蛋白Ⅰ和肌球蛋白Ⅱ的抗体研究细胞的有丝分裂发现,肌球蛋白Ⅰ位于细胞极,而肌球蛋白Ⅱ位于收缩环,从而表明肌球蛋白Ⅱ在胞质分裂过程中起作用。肌动蛋白在细胞赤道处装配成环状结构，通过肌球蛋白的作用进行环的收缩形成分裂沟，最后将细胞一分为二。胞质分裂中收缩环的形成及作用三、肌球蛋白：依赖于微丝的分子马达（一）分子马达

是分布于细胞内部或细胞表面的一类蛋白质，它负责细胞内的一部分物质或者整个细胞的运动，生物体内各种组织、器官乃至整个生物体的运动最终都归结为分子马达在微观尺度上的运动。分子马达将化学键中的能量耦合转化为动能。（二）主要的马达蛋白(Motorproteins)1.肌球蛋白(Myosin)主要功能之一是肌肉收缩。在非肌肉组织中维持细胞的弹性，以及参与细胞胞质分裂。2.

驱动蛋白(Kinesin)以微管为轨道的动力蛋白，运动的极性由三磷酸腺苷水解酶活性域在蛋白一级结构中的位置决定。3.动力蛋白(Dynein)一般是以超分子集成体的形式存在，往微管的负极运动。

四、肌细胞的收缩运动

肌肉可看作一种特别富含细胞骨架的效力非常高的能量转换器，它直接将化学能转变为机械能。肌细胞在进化的过程中形成了一种高度特化的的功能:肌收缩(musclecontraction)。在肌细胞中,肌动蛋白和肌球蛋白联合形成一种复合物:称为肌动球蛋白(actomyosin),一种高度有序的结构,并能高效地工作。（一）肌纤维的结构

骨骼肌细胞又称肌纤维(myofibers)，是圆柱形的肌细胞(长度可达40mm,宽为10-100μm),并且含有许多核(可多达100个核)。每个肌纤维被一层细胞质膜包被，这种细胞膜称作肌纤维膜(sarcolemma)。扁平的细胞核位于肌纤维膜的下方，并沿细胞的长度多点分布。1.肌原纤维(myofibril)肌原纤维是横纹肌中长的、圆柱形的结构。肌原纤维有明暗相间的带，明带称为I带(Iband)，暗带称为A带(Aband)。在I带中有一条着色较深的线,叫Z线。2.肌节(sarcomere)肌节是Z线将肌原纤维分成的一系列的重复单位,含有一个完整的A带和两个二分之一I带,肌节是肌收缩的单位。肌细胞和肌原纤维的结构

肌原纤维的结构3.肌原纤维的结构在电子显微镜下揭示肌原纤维是由两种类型的长纤维构成,一种是细肌丝，直径为6nm；另一种是粗肌丝，直径为15nm。明带只含有细肌丝，所以比较亮，而暗带之所以暗，是因为有粗肌丝和细肌丝的重叠。粗肌丝的长度占据整个A带，而细肌丝没有伸展到A带的中央区，所以A带的中央区也比较明亮，该区叫H带。

粗肌丝(thinkfilament)组成肌节的肌球蛋白丝。细肌丝(thinfilament)组成肌节的肌动蛋白丝。细肌丝是由三种蛋白组成,除了肌动蛋白外,还有两个结合蛋白,即原肌球蛋白和肌钙蛋白。

●原肌球蛋白(tropomyosin,Tm)原肌球蛋白是细肌丝中肌动蛋白的结合蛋白，由两条平行的多肽链组成α螺旋构型，每条原肌球蛋白首尾相接形成一条连续的链同肌动蛋白细肌丝结合,正好位于双螺旋的沟中。每一条原肌球蛋白有7个肌动蛋白结合位点，因此Tm同肌动蛋白细肌丝中7个肌动蛋白亚基结合。主要作用是加强和稳定肌动蛋白丝，抑制肌动蛋白与肌球蛋白结合。●肌钙蛋白(troponin.Tn)肌钙蛋白分子量80KD，由3个多肽，即肌钙蛋白T(Tn-T)、肌钙蛋白I(Tn-I)、肌钙蛋白C(Tn-C)组成的复合物。Tn-T是一种长形的纤维状分子,Tn-I和Tn-C都是球形分子。Tn-I能够同肌动蛋白以及Tn-T结合,它同肌动蛋白的结合就抑制了肌球蛋白与肌动蛋白的结合。Tn-C是肌钙蛋白的Ca2+结合亚基，Tn-C控制着原肌球蛋白在肌动蛋白纤维表面的位置。在细肌丝上大约每隔40nm就结合有一个肌钙蛋白。

在肌节中除了上述的蛋白成分外,还有两种重要的蛋白:肌联蛋白(titin)和伴肌动蛋白(nebulin)。原肌球蛋白及其结合蛋白a)原肌球蛋白的螺旋结构;(b)原肌球蛋白的序列特征,C是保守区,V是可变区,不同来源的原肌球蛋白的V区序列可能不同;非肌细胞中的原肌球蛋白的长度要短些,但保守区的组成相同;(c)原肌球蛋白（Tropomyosin）、肌钙蛋白（Troponin

）和肌动蛋白（Actin）的结合关系。肌钙蛋白C（TnC）特异地与钙结合，肌钙蛋白T(TnT)与原肌球蛋白有高度亲和力，肌钙蛋白I抑制肌球蛋白的ATP酶活性，肌联蛋白-伴肌动蛋白纤维系统对粗肌丝和细肌丝的稳定作用(a)每条粗肌丝都有肌联蛋白纤维维持它的稳定,跨度起自Z线到M线;每条细肌丝的(+)端到(-)都结合有伴肌动蛋白纤维；(b)用凝溶角蛋白（一种纤维切割蛋白）处理肌细胞,破坏了肌节中的细肌丝,没有了肌动蛋白的支持,伴肌动蛋白凝缩在Z线。(二)肌肉收缩的滑动模型■肌收缩的滑动模型(slidingfilamentmodel)及分子基础●实验依据研究发现:肌收缩过程中，肌节几乎缩短50%，但是肌节的A带的长度并没有发生变化。肌节的缩短只是伴随着I带的缩短，在整个收缩的肌纤维中，I带几乎消失了。●滑动模型两个英国研究小组的科学家们提出滑动丝模型解释肌收缩的机理。他们推测:肌节的缩短并不是因纤丝的缩短而引起,而是由纤丝互相滑动所致。细肌丝向肌节中央滑动,肌丝滑进了A带之中导致重叠部分增加,使得I带和H带的宽度缩小,其结果是缩短了肌节，减少了肌纤维的长度。1.动作电位的产生

神经系统的电信号传递是以膜电位的形式沿着神经细胞传递的,这种膜电位叫动作电位(actionpotentials)。当动作电位到达神经细胞末梢时，它触发神经递质扩散，穿过轴突，并同相邻靶细胞的质膜结合，使细胞质膜去极化，最后信号通过与肌质网相邻的T管激发肌质网向胞质溶胶释放贮存的Ca2+离子,从而使胞质溶胶中的Ca2+离子浓度快速升高,使电信号转变成化学信号。2.Ca2+离子对肌收缩的调节作用细胞中Ca2+离子浓度能够调节原肌球蛋白对肌动蛋白的抑制作用,因为高浓度的Ca2+离子能够同肌钙蛋白的Tn-C亚基结合，改变原肌球蛋白同肌动蛋白结合的位置，解除原肌球蛋白对肌动蛋白的抑制，露出与肌球蛋白结合的位点。Ca2+离子对原肌球蛋白与肌动蛋白结合的影响肌收缩时肌节的收缩(a)肌收缩时肌节长度变化及肌节结构差异示意图。在肌收缩时,肌球蛋白的交联桥(cross-bridge)与周围的细肌丝接触,细肌丝被推动滑向肌节的中心。(b)肌收缩时的电子显微镜照片。3.肌球蛋白Ⅱ的作用粗肌丝同细肌丝之间的滑动主要涉及粗肌丝中肌球蛋白Ⅱ的头部同肌动蛋白细肌丝接触，产生细肌丝与粗肌丝之间的交联桥(crossbridges)，才能产生滑动。

肌收缩时,每个肌球蛋白的头都向外伸出,并与细肌丝紧紧地结合,形成细肌丝与粗肌丝间的交联桥。肌球蛋白Ⅱ的头部一旦同细肌丝结合,头部就会快速向中心部位弯曲，使细肌丝沿粗肌丝向肌节中央移动5～15nm。4.旋转升降臂(swingingleverarm)假说1993年IvanRayment等提出旋转升降臂假说解释肌球蛋白与肌动蛋白之间滑动的机理:他们认为ATP水解释放出的能量诱导肌球蛋白头部构型发生少许改变,然后通过旋转使肌球蛋白α螺旋的颈部伸展,实际上,肌球蛋白的颈部作为强度极高的升降臂(leverarm),引起肌动蛋白纤维快速的远距离滑动。

肌球蛋白颈部作为旋转升降臂开关的模型■Ca2+离子在肌收缩中的作用●原肌球蛋白的抑制作用原肌球蛋白能够同7个肌动蛋白单体结合，并封闭了肌动蛋白上同肌球蛋白结合的位点。在这种情况下，肌节中的粗肌丝和细肌丝之间不可能形成交联桥，只有解除原肌球蛋白对肌动蛋白纤维的抑制，才有可能形成交联桥。微丝功能◆维持细胞形态，赋予质膜机械强度◆细胞运动◆微绒毛(microvillus)◆应力纤维(stressfiber)◆参与胞质分裂◆肌肉收缩(musclecontraction)第二节微管及其功能

微管是直径为24～26nm的中空圆柱体。外径平均为24nm,内径为15nm。微管的长度变化不定，在某些特化细胞中,微管可长达几厘米(如中枢神经系统的运动神经元)。微管壁大约厚5nm，微管通常是直的,但有时也呈弧形。细胞内微管呈网状和束状分布,并能与其他蛋白共同组装成纺锤体、基粒、中心粒、纤毛、鞭毛、轴突、神经管等结构。以细胞核为中心向外放射状排列的微管纤维（红色）一、微管的结构组成与极性1.微管的分子组成与结构分子组成微管是以α，β微管蛋白(tubulin)结合成的异源二聚体为基本单位构成的。结构微管是由13条原纤维（protofilament）构成的中空管状结构，直径22~25nm。每一条原纤维由微管蛋白二聚体线性排列而成。微管蛋白二聚体由结构相似的α和β球蛋白构成.

微管纤维

2.微管的极性微管的极性有两层涵义：一是组装的方向性,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,组装成的微管的一端(-)是α-微管蛋白亚基组成的环，而相对的一端(+)是以β-微管蛋白亚基组成的环。二是两端的组装速度是不同的,正端生长得快,负端则慢,同样,如果微管去组装也是正端快负端慢。微管的结构和亚基组成(a)微管中微管蛋白二聚体的排列,微管蛋白的排列具有方向性。(b)α和β微管蛋白单体即它们与非交换的GTP和交换型GDP的结合部位；+-

每一个微管蛋白二聚体有两个GTP结合位点,一个位于α亚基,另一个位于β亚基上。α亚基上的GTP结合位点是不可逆的结合位点。结合在β亚基上的GTP能够被水解成GDP，所以这个位点又称为可交换的位点(exchangeablesite,E位点)。二、微管的组装与去组装

（一）微管的体外组装与踏车行为

在一定条件下，微管一端发生装配使微管延长，而另一端发生去装配而使微管缩短，这一现象称踏车现象。微管踏车：指微管的聚合解聚过程，在微管的正极端异二聚体微管蛋白聚合的同时，微管的负极端不断解聚，解聚下来的微管蛋白又可聚合到微管的正极端，这种“微管蛋白流”称微管踏车运动。

1.体外微管装配条件（1）微管蛋白浓度：低于临界浓度时，不发生微管聚合；（2）最适pH：pH6.9；（3）离子：去Ca2+，存Mg2+；（4）温度：37℃装配，0℃解聚

（5）GTP供应

2..微管装配过程

首先α-微管蛋白和β-微管蛋白形成αβ二聚体,然后αβ二聚体平行于长轴重复排列形成原纤维(protofilament),进一步经过侧面增加二聚体而扩展为螺旋带,当螺旋带加宽至13根原纤维时,即合拢形成一段微管。然后在端部不断添加二聚体使微管延长。二联管(doublet)常见于特化的细胞结构。二联管是构成纤毛和鞭毛的周围小管,是运动类型的微管,它对低温、Ca2+和秋水仙素都比较稳定。组成二联管的单管分别称为A管和B管，其中A管是由13根原纤维组成，B管是由10根原纤维组成，所以二联管是由两个单管融合而成的，一个二联管只有23根原纤维。三联管(triplet)见于中心粒和基体，由A、B、C三个单管组成，A管由13根原纤维组成，B管和C管都是10根原纤维，所以一个三联管共有33根原纤维。三联管对于低温、Ca2+和秋水仙素的作用是稳定的。3.微管的类型单管(singlet)大部分细胞质微管是单管微管,它在低温、Ca2+和秋水仙素作用下容易解聚,属于不稳定微管。虽然绝大多数单管是由13根原纤维组成的一个管状结构，在极少数情况下，也有由11根或15根原纤维组成的微管,如线虫神经节微管就是由11或15条原纤维组成。1.秋水仙素(colchicine)秋水仙素是一种生物碱,能够与微管特异性结合。秋水仙素同二聚体的结合,形成的复合物可以阻止微管的成核反应。秋水仙素和微管蛋白二聚体复合物加到微管的正负两端,可阻止其它微管蛋白二聚体的加入或丢失。不同浓度的秋水仙碱对微管的影响不同。用高浓度的秋水仙素处理细胞时,细胞内的微管全部解聚,但是用低浓度的秋水仙素处理动物和植物细胞,微管保持稳定,并将细胞阻断在中期。2.长春花碱具有类似秋水仙素的功能。

2.紫杉醇(taxol)是红豆杉属植物中的一种复杂的次生代谢产物,紫杉醇只结合到聚合的微管上,不与未聚合的微管蛋白二聚体反应,因此维持了微管的稳定。（二）作用于微管的特异性药物三、微管组织中心

(microtubuleorganizingcenters,MTOC)

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在细胞质中决定微管在生理状态或实验处理解聚后重新组装的结构叫微管组织中心。MTOC的主要作用是帮助大多数细胞质微管组装过程中的成核反应，微管从MTOC开始生长，这是细胞质微管组装的一个独特的性质，即细胞质微管的组装受统一的功能位点控制。●微管组织中心主要包括中心体，纤毛基体和着丝点等部位，它们在微管装配过程中起着重要作用。（一）中心体(centrosome)是动物细胞中决定微管形成的一种细胞器,包括中心粒和中心粒周围基质。在细胞间期,位于细胞核的附近,在有丝分裂期,位于纺锤体的两极。●中心粒(centrioles)是中心体的主要结构,成对存在,即一个中心体含有一对中心粒，且互相垂直形成“L”形排列。中心粒直径为0.2μm，长为0.4μm，是中空的短圆柱状结构。圆柱的壁由9组间距均匀的三联管组成,三联管是由3个微管组成,每个微管包埋在致密的基质中。组成三联管的3个微管分别称A、B、C纤维,A伸出两个短臂,一个伸向中心粒的中央,另一个反方向连到下一个三联管的C纤维,9组三联管串联在一起,形成一个由短臂连起来的齿轮状环形结构。中心粒结构图示一对中心粒,每个中心粒都是由9个三联管组成,外面还有中心粒周质基质。微管从中心粒上开始形成。微管从微管组织中心向外生长阴影部分是MTOCs.,包含一对中心粒和一个中心体。图中标出了生长中微管的正端,靠近MTOCs部分是微管的负端。微管蛋白以环状的γ球蛋白复合体为模板核化、先组装出（-）极，然后开始生长，因此中心体周围的微管（-）极指向中心体，（+）级远离中心体。

（二）其他类型的微管组织中心纤毛和鞭毛的微管组织中心，位于鞭毛和纤毛根部的类似中心粒的结构称为基体（basalbody）。基体只含有一个中心粒而不是一对中心粒。植物细胞成膜体的形成植物胞质分裂后期或末期，两极处微管消失，中间微管保留，并数量增加，形成桶状的成膜体。其它类型的细胞具有不同类型的MTOCs，如真菌的细胞有初级MTOCs,称为纺锤极体(spindlepolebody)。植物细胞既没有中心体，又没有中心粒，所以植物细胞的MOTC是细胞核外被表面的成膜体(phragmoplast)。四、微管动力学性质微管的动力学(microtubuledynamics)除了特化细胞的微管外，大多数细胞质微管都是不稳定的，能够很快地组装和去组装。低温、提高Ca2+浓度、用某些化学试剂(如秋水仙素)处理生活细胞都会破坏细胞质微管的动态变化，这些化学试剂与微管蛋白亚基或同微管多聚体结合，阻止微管的组装或去组装。

γ微管蛋白(γtubulin)在微管组装中的作用虽然组成微管的亚基是α、β微管蛋白二聚体,但是存于中心体的另一种微管蛋白：γ微管蛋白对微管的形成具有重要作用。通过遗传学的研究，发现γ-微管蛋白通过与β-微管蛋白的相互作用帮助微管的成核反应(nucleation)。五、微管结合蛋白对微管网络结构的调节

组成微管的化学成分除微管蛋白外，还包括其它一些蛋白质。通称为微管结合蛋白（microtubule-associatedprotein，MAP）。它们是微管系统结构和功能所必须的组分，与微管的解聚与聚合有关，促进或调节微管装配。主要有：微管动力蛋白（马达分子），如Kinesin、Dyenin等。对物质延微管运动起定向驱动作用。

微管结合蛋白，已发现两大家族，即MAP蛋白类和Tau蛋白类。MAP对骨架空间构建及细胞形态建成的关系极为密切。tau蛋白可以控制微管延长。（一）微管结合蛋白的种类和结构特点

主要的MAPs家族叫作组装MAPs(assemblyMAPs),主要是将微管在胞质溶胶中进行交联。这些MAPs的结构中具有两个结构域,一个是碱性的微管蛋白结合结构域,另一个是酸性的外伸的结构域。在电子显微镜下观察,外伸的结构域像是从微管壁上伸出的纤维臂。从微管上伸出的臂能与膜、中间纤维及其它微管结合。MAP包括I型和II型两大类，I型对热敏感，如MAP1a、MAP1b，主要存在于神经细胞。II型热稳定性高，包括MAP2a、b、c，MAP4和tau蛋白。其中MAP2a只存在于神经细胞,，MAP2a的含量减少影响树突的生长。

微管聚合蛋白MAP2至今发现的MAPs大多数存在于脑组织，只有少数几种广泛存在于各种细胞中。某些微管结合蛋白蛋白质相对分子质量(kDa)来源MAP1A350神经组织MAP1B(MPA5)325神经组织MAP2A，MPA2B270神经组织MAP2C70神经组织Tau蛋白50-65神经组织MAP4200广泛存在MAP3180广泛存在发动蛋白(dynamin)100神经组织

（二）MAPs的功能1..使微管相互交联形成束状结构，也可以使微管同其它细胞结构交联,这些结构包括质膜、微丝和中间纤维等；2.通过与微管成核点的作用促进微管的聚合；3.在细胞内沿微管转运囊泡和颗粒，因为一些分子发动机能够同微管结合转运细胞内的物质；4.提高微管的稳定性∶由于MAPs同微管壁的结合，自然就改变了微管组装和解聚的动力学。MAPs同微管的结合能够控制微管的长度防止微管的解聚。六、微管对细胞结构的组织作用●微管对于维持细胞内部的组织也有重要作用。用破坏微管的药物处理细胞，发现能够严重影响膜细胞器，特别是高尔基体在细胞内的位置。高尔基体在细胞内的位置一般