第七章 细胞骨架

1、细胞骨架（细胞骨架（cytoskeletoncytoskeleton）：）：是指是指真核细胞真核细胞质中的质中的蛋蛋白质白质纤维纤维网架网架体系。体系。细细 胞胞 骨骨 架架微管微管微丝微丝中间纤维中间纤维线粒体线粒体核糖体核糖体内质网内质网 对对维持细胞形态、固定细胞器维持细胞形态、固定细胞器、胞内物质运输、胞内物质运输、细胞分裂及细胞分裂及细胞运动细胞运动等有关。等有关。结构和支持结构和支持胞内运输胞内运输收缩运动收缩运动空间结构空间结构a fluorescently stained image of cultured epithelial cells showing the nucleu

2、s (yellow) and microtubules (red) 微管（微管（microtubule, mt）是由）是由微管蛋白微管蛋白和和微管结合蛋白微管结合蛋白组成的组成的中空圆柱状结构。中空圆柱状结构。 微管在胞质中成微管在胞质中成网状网状或或束状分布束状分布，并能与其他蛋白共同组装成纺，并能与其他蛋白共同组装成纺锤体、中心粒、鞭毛、纤毛、轴突等结构。锤体、中心粒、鞭毛、纤毛、轴突等结构。 微管存在于几乎所有微管存在于几乎所有真核细胞质真核细胞质中。在生物进化中十分中。在生物进化中十分稳定稳定。 微管参与微管参与细胞形态的维持、细胞运动和细胞分裂细胞形态的维持、细胞运动和细胞分裂。 微

3、管是由微管是由13条原纤维条原纤维构成构成的中空管状结构，直径的中空管状结构，直径2426nm，内径，内径15nm。 每一条原纤维由每一条原纤维由微管蛋白微管蛋白二聚体二聚体线性排列而成。线性排列而成。 微管蛋白二聚体（微管蛋微管蛋白二聚体（微管蛋白）由结构相似的白）由结构相似的和和微微管蛋白管蛋白构成。构成。 微管蛋白含有微管蛋白含有450aa， 微管蛋白含有微管蛋白含有455aa，二，二者形成微管蛋白异二聚体，者形成微管蛋白异二聚体，是微管装配的基本单位。是微管装配的基本单位。一、微管蛋白与微管的结构一、微管蛋白与微管的结构微管蛋白分子模型微管蛋白分子模型 微管具有极性。原纤维中重复的微管

4、具有极性。原纤维中重复的亚单位排亚单位排列即构成微管的极性。列即构成微管的极性。即为头即为头尾的方向。尾的方向。 微管蛋白具有方向性微管蛋白具有方向性(+)极的最外端是极的最外端是球蛋白，球蛋白，(-)极极的最外端是的最外端是球蛋白。球蛋白。 (+)极生长速度快，极生长速度快，(-)极生长速度慢。极生长速度慢。微管的形态结构：微管的形态结构： 由由1313根根原纤维原纤维纵向围绕而成。纵向围绕而成。横断面上看：中空状，管壁由横断面上看：中空状，管壁由1313个球形蛋白亚基组成。个球形蛋白亚基组成。81113123456791012微微管管横横断断面面15nm 24-26nm 123456789

5、10111213单管单管 ab二联管二联管 abc三联管三联管 微管可以装配成单管微管可以装配成单管二联管（纤毛和鞭毛中）二联管（纤毛和鞭毛中）三联管（中心粒和基体中）三联管（中心粒和基体中）微管的分布：微管的分布： 单管单管： 1313条原纤维组成，细胞质中大部分微管为单管。条原纤维组成，细胞质中大部分微管为单管。 二联管二联管：两根微管组成，分为两根微管组成，分为a a管、管、b b管，管， a a管管b b管共用三根原管共用三根原纤维，主要构成鞭毛、纤毛。纤维，主要构成鞭毛、纤毛。 三联管三联管：由由a a、b b、c c三根微管组成，三根微管组成，a a与与b b、b b与与c c各共

6、用三根纤各共用三根纤维，共含维，共含3333根原纤维，主要构成中心粒和基体。根原纤维，主要构成中心粒和基体。二联管二联管三联管三联管 二、微管结合蛋白二、微管结合蛋白(microtubule associated protein, map)： 同微管相结合的辅助蛋白，它们不同微管相结合的辅助蛋白，它们不是构成微管壁的基本构件，而是在微管蛋白组装成微是构成微管壁的基本构件，而是在微管蛋白组装成微管之后，结合在微管的表面。管之后，结合在微管的表面。 微管结合蛋白是微管系统结构和功能所必需的组微管结合蛋白是微管系统结构和功能所必需的组分，它们与运动的产生、微管组装和去组装的调节、分，它们与运动的产生

7、、微管组装和去组装的调节、微管和其他细胞组分之间的连接等密切相关。微管和其他细胞组分之间的连接等密切相关。 微管的装配主要表现为微管的装配主要表现为动态不稳定性（动态不稳定性（dynamic instability），），即增即增长的微管末端有长的微管末端有微管蛋白微管蛋白-gtp帽帽，在微管组装期间或组装后，在微管组装期间或组装后gtp被水解成被水解成gdp，从而使，从而使gdp-微管蛋白微管蛋白成为微管的主要成分。成为微管的主要成分。微管微管蛋白蛋白-gdp帽帽及短小的微管原纤维从微管末端脱落则使微管解聚。及短小的微管原纤维从微管末端脱落则使微管解聚。 微管在生理状态及实验处理解聚后重新装

8、配的发生处微管在生理状态及实验处理解聚后重新装配的发生处称为微管组织中心。称为微管组织中心。作用：作用： 动物细胞的微管组织中心为动物细胞的微管组织中心为中心体中心体。 mtoc决定细胞微管的极性，微管的负极决定细胞微管的极性，微管的负极(-)指向指向mtoc，正极正极(+)背向背向mtoc。在体外微管的装配需要如下条件：在体外微管的装配需要如下条件：1、微管蛋白浓度：、微管蛋白浓度：低于临界浓度不发生微管聚低于临界浓度不发生微管聚合。合。2、最适、最适ph ph=6.9。3、离子、离子 ca2+应尽可能除去，应尽可能除去，mg2+为装配所必须。为装配所必须。4、温度、温度 37微管蛋白二聚体

9、装配成微管，微管蛋白二聚体装配成微管，0 微管解聚为二聚体。微管解聚为二聚体。5、gtp的供应。的供应。（二）微管的体外组装（二）微管的体外组装 微管蛋白的体外组装分为成核微管蛋白的体外组装分为成核(nucleation)和延长和延长(elongation)两个反应两个反应, 其中成核反应是微管组装的限速步其中成核反应是微管组装的限速步骤。成核反应结束时骤。成核反应结束时, 形成很短的微管形成很短的微管, 此时二聚体以比较此时二聚体以比较快的速度从两端加到已形成的微管上快的速度从两端加到已形成的微管上, 使其不断加长。使其不断加长。二聚体同二聚体同gtp结合后被激活，使二聚体聚合成微管，而结合

10、后被激活，使二聚体聚合成微管，而gtp则分解则分解gdp和和pi。 当微管当微管(+)端形成端形成gtp帽，而游离微管蛋白二聚体帽，而游离微管蛋白二聚体的浓度又很高时，微管趋于生长。的浓度又很高时，微管趋于生长。 当结合当结合gtp的游离微管蛋白二聚体的浓度降低，的游离微管蛋白二聚体的浓度降低，引起微管延长的速率下降时，随着引起微管延长的速率下降时，随着gtp水解的不水解的不断进行，最后断进行，最后gtp帽结构转变成帽结构转变成gdp，逐渐使微，逐渐使微管变得不稳定，趋于解聚。管变得不稳定，趋于解聚。 细胞内微管的这两种状态是不断发生的细胞内微管的这两种状态是不断发生的, 因为细胞因为细胞内不

11、断有微管解聚内不断有微管解聚,又不断地有新微管的组装。又不断地有新微管的组装。 +- 踏踏 车车 在一定条件下，微管一端发生在一定条件下，微管一端发生gtp和微管蛋白的添加，使和微管蛋白的添加，使微管延长，称为正端；另一端具有微管延长，称为正端；另一端具有gdp的微管蛋白发生解的微管蛋白发生解聚而使微管缩短，称为负端。微管的这种装配方式称为踏聚而使微管缩短，称为负端。微管的这种装配方式称为踏车运动（车运动（treadmilling）。）。-turc-turc组织组织微管在体内的装配在时间和空间是高度有序的。微管在体内的装配在时间和空间是高度有序的。间期间期：微管与微管蛋白处于相对平衡状态；：微

12、管与微管蛋白处于相对平衡状态； -turc-turc组织微管组织微管形成的能力被关闭；形成的能力被关闭；分裂前期分裂前期：-turc-turc磷酸化磷酸化，开放，开放-turc-turc 组织形成微管的能力；组织形成微管的能力；四、微管的功能四、微管的功能 构成细胞内的网状支架，支持和维持细胞的形态构成细胞内的网状支架，支持和维持细胞的形态 参与中心粒、参与中心粒、纤毛和鞭毛的形成纤毛和鞭毛的形成 参与胞内物质运输参与胞内物质运输 维持细胞内细胞器的定位和分布维持细胞内细胞器的定位和分布 参与染色体运动，调节细胞分裂参与染色体运动，调节细胞分裂 参与细胞内信号传导参与细胞内信号传导1、支持和维

13、持细胞的形态支持和维持细胞的形态 用秋水仙素处理培养细胞，发现细胞丧失原有的形用秋水仙素处理培养细胞，发现细胞丧失原有的形态而变圆。说明微管对维持细胞的不对称形状是重态而变圆。说明微管对维持细胞的不对称形状是重要的。要的。 微管具有一定刚性，可自然取直，在保持细胞外形微管具有一定刚性，可自然取直，在保持细胞外形方面起支撑作用。方面起支撑作用。 细胞突起部分，如伪足、细胞突起部分，如伪足、 鞭毛、纤毛、神经轴突的鞭毛、纤毛、神经轴突的 形成和维持，都是微管在形成和维持，都是微管在 起关键作用。起关键作用。（线粒体、分泌小泡前体）（线粒体、分泌小泡前体）（细胞器定位和转运）（细胞器定位和转运）用破

14、坏微管的药物处理细胞，发现能够严重影响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。膜细胞器，特别是高尔基体在细胞内的位置。高尔基体一般在细胞中央，细胞核外侧，中心体高尔基体一般在细胞中央，细胞核外侧，中心体附近。用秋水仙素处理细胞后，高尔基体分解附近。用秋水仙素处理细胞后，高尔基体分解成小囊泡，分散于四周；除去药物，微管组装成小囊泡，分散于四周；除去药物，微管组装后，高尔基体又恢复其在细胞内的正常位置。后，高尔基体又恢复其在细胞内的正常位置。 当细胞从间期进入分裂期时，间期细胞微管网架崩解，微管解聚为当细胞从间期进入分裂期时，间期细胞微管网架崩解，微管解聚

15、为微管蛋白，经重组装形成纺锤体，介导染色体的运动；微管蛋白，经重组装形成纺锤体，介导染色体的运动； 分裂末期，纺锤体微管解聚为微管蛋白，经重组装形成微管网。分裂末期，纺锤体微管解聚为微管蛋白，经重组装形成微管网。 微管的信号转导功能具有重要的生物学作用，它与细微管的信号转导功能具有重要的生物学作用，它与细胞的极化、微管的方向性及微管组织中心的位置均有胞的极化、微管的方向性及微管组织中心的位置均有关。关。第二节第二节 微丝微丝microfilament, mf又称肌动蛋白丝（又称肌动蛋白丝（actin filament），是由肌动蛋白（），是由肌动蛋白（actin）组成的细丝，普遍存在于真核细胞

16、中。组成的细丝，普遍存在于真核细胞中。 微丝以束状、网状或分散等多种方式有序地存在于细胞微丝以束状、网状或分散等多种方式有序地存在于细胞质的特定空间位置上，并由此与微管和中间纤维共同构成细质的特定空间位置上，并由此与微管和中间纤维共同构成细胞骨架，参与细胞形态的维持以及细胞运动等生理功能。胞骨架，参与细胞形态的维持以及细胞运动等生理功能。肌细胞：肌动蛋白占细胞总蛋白肌细胞：肌动蛋白占细胞总蛋白10%10%，微丝形成特定的，微丝形成特定的稳定稳定结结构；构；非肌细胞：肌动蛋白占非肌细胞：肌动蛋白占1%5%1%5%。微丝常分布在细胞膜下方，大。微丝常分布在细胞膜下方，大多呈现一种多呈现一种动态动态

17、结构。结构。微丝是比微管细的实心纤维状结构微丝是比微管细的实心纤维状结构一、肌动蛋白与微丝的结构一、肌动蛋白与微丝的结构 形态：形态：是一类由肌动蛋白纤维组成的实心螺旋状纤是一类由肌动蛋白纤维组成的实心螺旋状纤维细丝。维细丝。 5-8nm 5-8nm，长短不一。，长短不一。 在细胞中：微丝横向连接聚合成束。在细胞中：微丝横向连接聚合成束。 分类：分类：根据等电点不同根据等电点不同分为分为、和和 3类肌动蛋白：类肌动蛋白： 肌动蛋白为横纹肌、心肌、血管平滑肌和肠道平滑肌肌动蛋白为横纹肌、心肌、血管平滑肌和肠道平滑肌(肌肌细胞细胞)特有；特有； 肌动蛋白和肌动蛋白和肌动蛋白分布于所有肌细胞和非肌细

18、胞。肌动蛋白分布于所有肌细胞和非肌细胞。 存在方式：存在方式：肌动蛋白以肌动蛋白以单体单体和和多聚体多聚体的形式存在。单体是的形式存在。单体是一条多肽链构成的球形分子，外观呈哑铃形，称一条多肽链构成的球形分子，外观呈哑铃形，称球形肌动球形肌动蛋白蛋白g-actin；多聚体称为；多聚体称为纤维形肌动蛋白纤维形肌动蛋白f-actin。 特点：特点：肌动蛋白在进化上高度保守，酵母和兔子肌肉的肌肌动蛋白在进化上高度保守，酵母和兔子肌肉的肌动蛋白有动蛋白有88%的同源性。的同源性。肌动蛋白的结构及特点肌动蛋白的结构及特点单体单体g-肌动蛋白和纤维状肌动蛋白和纤维状f-肌动蛋白的结构肌动蛋白的结构 肌动蛋

19、白单体的结构模型肌动蛋白单体的结构模型（b）电子显微镜观察的经负染的丝状肌动蛋白的形态）电子显微镜观察的经负染的丝状肌动蛋白的形态(c)肌肌动动蛋蛋白白纤纤维维亚亚基基的的装装配配模模型型及其功能及其功能三、微丝的装配机制三、微丝的装配机制（一）微丝的组装分为三个阶段（一）微丝的组装分为三个阶段 体外实验表明体外实验表明, 肌动蛋白纤维的装配分三步进行，并且是肌动蛋白纤维的装配分三步进行，并且是三个连续的过程。三个连续的过程。（质膜）（质膜） 条件：条件：atp、 适宜的温度、存在适宜的温度、存在k+和和mg2+离子。离子。 在体外将在体外将mg2+、 k+和和na+等无机离子加入到等无机离子

20、加入到溶液中，能诱导溶液中，能诱导g-肌动蛋白聚合成肌动蛋白聚合成f-肌动蛋白纤肌动蛋白纤维。该过程可逆。当降低溶液中离子的浓度，维。该过程可逆。当降低溶液中离子的浓度，f-肌动蛋白纤维能够解聚成肌动蛋白纤维能够解聚成g-肌动蛋白。肌动蛋白。（三）影响微丝组装的有关因素：（三）影响微丝组装的有关因素： 在含有在含有atpatp和和caca2+2+、低浓度的单价离子、低浓度的单价离子(na(na+ +、k k+ +等等) )溶液中微丝溶液中微丝趋向解聚趋向解聚g-acting-actin 在含有在含有atp和和mgmg2+2+、高浓度的、高浓度的nana+ +、k k+ +离子溶液中微丝趋向聚离

21、子溶液中微丝趋向聚合（合（g-acting-actinf-actinf-actin）溶液）溶液7 7，易于进行微丝的组装。，易于进行微丝的组装。 肌动蛋白浓度肌动蛋白浓度细胞松弛素细胞松弛素b b：特异性切断微丝，结合在微丝末端抑制肌动蛋白特异性切断微丝，结合在微丝末端抑制肌动蛋白聚合，破坏微丝组装，对微管无作用。聚合，破坏微丝组装，对微管无作用。鬼笔环肽鬼笔环肽：只与聚合微丝结合，抑制微丝解聚，破坏动态平衡。：只与聚合微丝结合，抑制微丝解聚，破坏动态平衡。-i细胞依赖细胞依赖肌动蛋白肌动蛋白和和微丝结合蛋白微丝结合蛋白的相互作用，可进行变形运动的相互作用，可进行变形运动。（a）微绒毛）微绒毛

22、（b）细胞质中的收缩束）细胞质中的收缩束（c）运动细胞前缘的鞘和指）运动细胞前缘的鞘和指（d）细胞分裂时的收缩环）细胞分裂时的收缩环如通过肌球蛋白如通过肌球蛋白-1同微丝结合，将运输小泡沿微丝的负端向正端移动同微丝结合，将运输小泡沿微丝的负端向正端移动第三节第三节 中间纤维中间纤维intermediate filaments, if 中间纤维与微管和微丝的差异：中间纤维与微管和微丝的差异：中间纤维是相当中间纤维是相当稳定稳定的结构，即使用含有去垢剂和高盐溶液的结构，即使用含有去垢剂和高盐溶液抽提细胞，中间纤维仍然保持完整无缺。抽提细胞，中间纤维仍然保持完整无缺。中间纤维在体积和形态上与微管和微

23、丝不同，其成分比微管中间纤维在体积和形态上与微管和微丝不同，其成分比微管和微丝都要和微丝都要复杂复杂，且具有，且具有组织特异性组织特异性，不同类型细胞含有，不同类型细胞含有不同中间纤维。不同中间纤维。中间纤维的亚基并中间纤维的亚基并不与核苷酸不与核苷酸结合，而微管的亚基与结合，而微管的亚基与gtp或或gdp结合，微丝的亚基则与结合，微丝的亚基则与atp或或adp结合。结合。一、中间纤维的分布、结构和类型一、中间纤维的分布、结构和类型 （一）分布：（一）分布： 中间纤维是一类中间纤维是一类丝状蛋白多聚体丝状蛋白多聚体。分布于细胞。分布于细胞质中常形成精细发达的纤维网络，外与质中常形成精细发达的纤

24、维网络，外与细胞膜与细细胞膜与细胞外基质胞外基质相连，内与相连，内与核纤层核纤层有直接的联系。中间纤有直接的联系。中间纤维与微丝、微管及其他细胞器也有着错综复杂的纤维与微丝、微管及其他细胞器也有着错综复杂的纤维联络。维联络。（二）中间纤维的分子结构（二）中间纤维的分子结构中间纤维的基本组成单位中间纤维的基本组成单位中间纤维单体（丝状蛋白）中间纤维单体（丝状蛋白）中等纤维单中等纤维单体共同结构体共同结构域域 - -螺旋杆状区螺旋杆状区非螺旋区非螺旋区：310310个氨基酸残基组个氨基酸残基组成的螺旋杆部成的螺旋杆部( (这是这是一个高度保守的二级结一个高度保守的二级结构构) )。头部（头部（n-

25、n-端）端）尾部（尾部（c-c-端）端）角蛋白角蛋白波形蛋白波形蛋白神经丝蛋白神经丝蛋白核纤层核纤层（三）（三）二、二、非极化非极化四个八聚体组装四个八聚体组装中间纤维的组装中间纤维的组装单体单体二聚体二聚体超螺旋超螺旋cooh单体单体nh2coohcooh二聚体二聚体nh2nh2coohcoohnh2nh2四聚体四聚体nh2nh2coohcooh四聚体四聚体原纤维原纤维八聚体八聚体八聚体八聚体亚丝亚丝中间纤维中间纤维中间纤维中间纤维原纤维原纤维磷酸化，中间纤维解体；去磷酸化，中间纤维再形成磷酸化，中间纤维解体；去磷酸化，中间纤维再形成胞质骨架三种组分的比较胞质骨架三种组分的比较微丝微丝微管微管中间纤维中间纤维单体单体肌动蛋白肌动蛋白微管蛋白微管蛋白丝状蛋白丝状蛋白结合核苷酸结合核苷酸atp