第10章 细胞骨架

1、第十章第十章 细胞骨架细胞骨架(Cytoskeleton)细胞骨架是指存在于真核细胞中的蛋白纤维网架体系 狭义的概念是指细胞质骨架 广义的概念包括细胞质骨架和核骨架 在细胞质基质中包括微丝、微管和中间纤维。在细胞核中存在核骨架-核纤层体系。核骨架 、核纤层与中间纤维在结构上相互连接, 贯穿于细胞核和细胞质的网架体系。 细胞骨架的组成和分布细胞骨架的组成和分布微管微管主要分布在核周围主要分布在核周围, ,并呈放射状向胞并呈放射状向胞质四周扩散；质四周扩散；肌动蛋白纤维肌动蛋白纤维主要分布在细胞质膜的内主要分布在细胞质膜的内侧和细胞核膜的外侧；侧和细胞核膜的外侧；中间纤维中间纤维则分布在整个细胞中

2、则分布在整个细胞中。第一节、微丝第一节、微丝(microfilament, MF) 又称肌动蛋白纤维(actin filament), 是指真核细胞中由肌动蛋白(actin)组成、直径为7nm的骨架纤维。一、微丝的组成与组装一、微丝的组成与组装（一）组成：（一）组成：F-actin（微丝）（微丝） 呈双股螺旋状呈双股螺旋状, ,直径为直径为7nm,7nm, 螺旋间的距离为螺旋间的距离为36nm36nm。由单体组装而成。由单体组装而成。G-actin（单体）（单体） 蝶型，有蝶型，有一个一个ATPATP结合位点（裂口处）结合位点（裂口处） G-肌动蛋白与F-肌动蛋白模式图( (二二) )微丝的装

3、配微丝的装配1.1.装配过程装配过程 成核成核(nucleation) 延伸延伸(elongation) 稳定状态稳定状态(steady state)微微 丝丝 的的 装装 配配2.2.影响装配的因素影响装配的因素G-G-肌动蛋白临界浓度肌动蛋白临界浓度离子的影响离子的影响 在含有适当在含有适当Ca2+以及以及很低的很低的NaNa+ +、K K+ + 等阳离等阳离子的溶液中子的溶液中, ,微丝趋向于解聚成微丝趋向于解聚成G-G-肌动蛋白。肌动蛋白。 在含有在含有ATP和和Mg2+和高浓度和高浓度K K+ +或或NaNa+ +的诱导下的诱导下, , G-G-肌动蛋白则装配成纤维状肌动蛋白。肌动蛋

4、白则装配成纤维状肌动蛋白。3. 微丝组装的踏车现象 微丝在组装过程中，当溶液中微丝在组装过程中，当溶液中G-G-肌动蛋肌动蛋白处于临界浓度时，微丝（白处于临界浓度时，微丝（+ +）端由于）端由于G-G-肌肌动蛋白添加而延长、（动蛋白添加而延长、（- -）端由于）端由于G-G-肌动蛋肌动蛋白解离而缩短，两端加、减的速度相等，白解离而缩短，两端加、减的速度相等，微丝长度不变，这种现象称作踏车现象。微丝长度不变，这种现象称作踏车现象。 图图 微丝的蹋车现象和动态平衡微丝的蹋车现象和动态平衡( (三三) )作用于微丝的药物作用于微丝的药物细胞松弛素细胞松弛素B B(cytochalasins B)鬼笔

5、环肽鬼笔环肽(phalloidin)二、非肌肉细胞内微丝网络动态结构的调节及其功能（一）非肌肉细胞内微丝结合蛋白的类型（一）非肌肉细胞内微丝结合蛋白的类型单体结合蛋白：对单体结合蛋白：对F-F-肌动蛋白组装进行调控。肌动蛋白组装进行调控。成核蛋白：与成核蛋白：与G-G-肌动蛋白结合参与成核过程肌动蛋白结合参与成核过程加帽蛋白：与微丝末端结合阻止微丝解聚或过加帽蛋白：与微丝末端结合阻止微丝解聚或过度组装度组装交联蛋白：将微丝交联成网或交联蛋白：将微丝交联成网或纤维割断蛋白：将微丝切断或解聚纤维割断蛋白：将微丝切断或解聚膜结合蛋白膜结合蛋白：将微丝固定在细胞膜上：将微丝固定在细胞膜上 （二）非肌肉

6、细胞内的微丝及其功能二）非肌肉细胞内的微丝及其功能1、细胞皮层、细胞皮层功能：维持细胞形态，赋予质膜机械强度功能：维持细胞形态，赋予质膜机械强度 参与膜蛋白定位和流动参与膜蛋白定位和流动 参与细胞变形运动、变皱膜运动、吞噬参与细胞变形运动、变皱膜运动、吞噬 参与胞质环流参与胞质环流2、应力纤维、应力纤维功能：通过粘着斑与细胞外基质相连，参与细胞形态发功能：通过粘着斑与细胞外基质相连，参与细胞形态发 生、分化及组织构建等生、分化及组织构建等3、细胞伪足与细胞迁移、细胞伪足与细胞迁移功能：细胞迁移功能：细胞迁移4、微绒毛、微绒毛功能：扩大小肠上皮细胞吸收营养物的面积功能：扩大小肠上皮细胞吸收营养物

7、的面积5、胞质分裂环、胞质分裂环功能：参与胞质分裂功能：参与胞质分裂微丝与细胞的变形运动微丝与细胞的变形运动培养的上皮细胞中的应力纤维（微丝红色、微管绿色）应力纤维结构模型 (由myosin II、原肌球蛋白、filamin和-actinin 构成）二、肌肉细胞内的微丝及其结合的肌球蛋白和肌肉收缩n肌球蛋白n肌肉收缩（一）肌球蛋白（一）肌球蛋白(myosin) : :肌动蛋白纤维的分肌动蛋白纤维的分子发动机（分子马达）子发动机（分子马达） 分子马达的定义分子马达的定义 肌球蛋白的结构肌球蛋白的结构 由重链和轻链组成，并组成三个结构域由重链和轻链组成，并组成三个结构域 头部头部 含有与肌动蛋白、

8、含有与肌动蛋白、ATPATP结合的位点，负责产生力。结合的位点，负责产生力。 颈部颈部 颈部通过同与钙调素或类似钙调素的蛋白质调节轻链亚颈部通过同与钙调素或类似钙调素的蛋白质调节轻链亚基的结合来调节头部的活性。基的结合来调节头部的活性。 尾部尾部 含有决定尾部是否同膜结合还是同其它的尾部结合的位含有决定尾部是否同膜结合还是同其它的尾部结合的位点点肌球蛋白的结构（肌球蛋白的结构（型）型）（二）肌细胞的收缩n肌纤维的结构n肌肉收缩的基本过程1、肌细胞的结构、肌细胞的结构肌原纤维的结构肌原纤维的结构细肌丝的分子结构2、由神经冲动诱发的肌肉收缩基本过程、由神经冲动诱发的肌肉收缩基本过程动作电位的产生

9、Ca2+的释放 原肌球蛋白位移 肌动蛋白丝与肌球蛋白丝的相对滑动 Ca2+的回收 第二节、微管（第二节、微管（ Microtubule）一一 微管的结构和类型微管的结构和类型 形态形态 微管是中空的管状结构微管是中空的管状结构 外径为外径为24nm 内径为内径为15nm 微管壁厚约微管壁厚约5 nm 微管的长度变化不定微管的长度变化不定微管的结构微管的结构 微管是由微管蛋白异源二聚体为微管是由微管蛋白异源二聚体为 基本构件基本构件, ,螺旋盘绕形成的螺旋盘绕形成的在每根微管中二聚体头尾相接在每根微管中二聚体头尾相接, , 形形 成细长的原纤维成细长的原纤维(protofilament) 131

10、3条原纤维纵向排列组成微管的壁条原纤维纵向排列组成微管的壁 图图微管的结构微管的结构微管蛋白微管蛋白(tubulin)微管蛋白类型：微管蛋白类型：和和微管蛋白形成长度为微管蛋白形成长度为8nm8nm的异源二聚体的异源二聚体每一个微管蛋白二聚体有两个每一个微管蛋白二聚体有两个GTPGTP结合位点结合位点 亚基亚基GTPGTP结合位点（不可交换位点）结合位点（不可交换位点） 亚基亚基GTPGTP结合点是可交换位点结合点是可交换位点。-微管蛋白的功能是帮助微管蛋白的功能是帮助微管的聚合微管的聚合。 微微管管蛋蛋白白三种形式的微管三种形式的微管二二 微管的装配微管的装配 （一）微管的体外装配与踏车行为

11、一）微管的体外装配与踏车行为1.微管的组装过程微管的组装过程 成核成核(nucleation) 延伸延伸(elongation) 稳定状态稳定状态(steady state)2.组装特点组装特点、二聚体以首二聚体以首-尾排列的方式进行组装，尾排列的方式进行组装， 具有方向性具有方向性(极性极性)两端分别称为两端分别称为“+”端（组装快的一段）端（组装快的一段）和和“-”端。端。 3. 踏车现象踏车现象 图图1 图图2 微管的装配微管的装配踏踏车车行行为为微微管管动动态态不不稳稳定定性性3.3.影响微管装配的因素影响微管装配的因素包括包括GTPGTP、压力、温度、压力、温度( (最适温度最适温度

12、37)37)、pH(pH(最适最适pH=6.9)pH=6.9)、离子浓度、离子浓度、微管蛋白临界浓度。微管蛋白临界浓度。（二）作用微管的特异性药物（二）作用微管的特异性药物秋水仙素秋水仙素(colchicine) 阻断微管蛋 白组装成微管，可破坏纺锤体结构。紫杉醇紫杉醇(taxol)(taxol)能促进微管的装配, 并使已形成的微管稳定。三、微管组织中心(MTOC)n微管组织中心的定义：在活细胞内，能够起始微管的成核作用并使之延伸的细胞结构n动物细胞的MTOC:中心体n鞭毛和纤毛的MTOC:基体中心体与基体中心体与基体中心体结构中心体结构( (电镜照片电镜照片) )中中心心粒粒四、微管的功能四

13、、微管的功能1、支架作用、支架作用：细胞中的微管就像混凝土中的细胞中的微管就像混凝土中的钢筋一样，起支撑作用，在培养的细胞中，钢筋一样，起支撑作用，在培养的细胞中，微管呈放射状排列在核外，（微管呈放射状排列在核外，（+ +）端指向质）端指向质膜。膜。2、影响细胞器的分布与走向、影响细胞器的分布与走向3、细胞内物质运输：、细胞内物质运输：微管起细胞内物质运输的路微管起细胞内物质运输的路轨作用，破坏微管会抑制细胞内的物质运输。轨作用，破坏微管会抑制细胞内的物质运输。图图1 分子马达：分子马达：能利用水解能利用水解ATP将化学能转变为机械将化学能转变为机械能，有规则地沿微管运输货物的分子。主要有驱能

14、，有规则地沿微管运输货物的分子。主要有驱动蛋白和胞质动力蛋白动蛋白和胞质动力蛋白 驱动蛋白介导的物质沿微管运动驱动蛋白介导的物质沿微管运动 图图2 动力蛋白介导的物质沿微管运动动力蛋白介导的物质沿微管运动 作作为为色色素素颗颗粒粒运运输输轨轨道道驱动蛋白介导的物质沿微管转运4 4、纤毛与鞭毛的运动、纤毛与鞭毛的运动 ：鞭毛中的微管为鞭毛中的微管为9+2 9+2 结构，结构，即由即由9 9 个二联微管和一对中央微管构成。纤毛和个二联微管和一对中央微管构成。纤毛和鞭毛的运动是依靠动力蛋白水解鞭毛的运动是依靠动力蛋白水解ATPATP，使相邻的，使相邻的二联微管相互滑动。有一种男性不育症是由于精二联微

15、管相互滑动。有一种男性不育症是由于精子没有活力造成的。这种病人同时还患有慢性支子没有活力造成的。这种病人同时还患有慢性支气管炎，主要是因为是鞭毛和纤毛没有动力蛋白气管炎，主要是因为是鞭毛和纤毛没有动力蛋白臂，不能排出侵入肺部的粒子。臂，不能排出侵入肺部的粒子。 图图1 1 图图2 2鞭毛与纤毛鞭毛与纤毛鞭鞭毛毛的的结结构构5、形成纺锤体、形成纺锤体：纺锤体是一种微管构成的动纺锤体是一种微管构成的动态结构，其作用是在分裂细胞中牵引染色态结构，其作用是在分裂细胞中牵引染色体到达分裂极。体到达分裂极。纺锤体微管的类型纺锤体微管的类型纺纺锤锤丝丝微微管管的的作作用用第三节、中间纤维（第三节、中间纤维（intermediate filament,IF)（中间丝）（中间丝）0nm纤维,因其直径介于肌粗丝和细丝之间, 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，特别是在需要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。中间纤维的装配中间纤维的成分与分布中间纤维的功能中间纤维的成分与分布IF成分比MF,MT复杂，具有组织特异性。 IF在形态上相似，而化学组成有明显的差别。中间纤维类型与分布：中间纤维蛋白的表达具有严格的组织特异性中间纤维的装配中间纤维的装配中间纤维装配过程IF装配与MF,MT装配相比，有以