第七章

細胞骨架

生命科學學院劉永章第七章細胞骨架

微管（microtubules,MT）微絲（microfilament,MF）中間纖維（intermediatefilament,IF）

細胞運動機制第七章細胞骨架細胞骨架Cytoskeleton第七章細胞骨架細胞骨架的定義

細胞骨架(cytoskeleton)是由細胞內蛋白質成分組成的一個復合的網架系統，包括微管(microtubule)、微絲

(microfilament)和中間絲(intermediatefilament)。功能：維持細胞形態和區域化的網架，保持細胞內部結構的有序性；參與細胞運動、參與物質運輸、參與細胞分裂、參與細胞內信息傳遞等生命活動密切相關。第七章細胞骨架第七章細胞骨架研究方法:1、電子顯微鏡技術（1）透射電鏡（2）超高壓電鏡（3）免疫電鏡（4）整裝電鏡技術（5）快速冷凍深度蝕刻技術2、免疫熒光顯微鏡技術3、活細胞熒光顯微成像技術第七章細胞骨架第七章細胞骨架第一節微管Microtubule,MT一、微管的結構和化學組成

1、微管的形態結構：微管呈中空圓筒狀，能動態組裝與去組裝，對低溫、高壓和秋水仙素等藥物敏感。10-15nm20-30nm第七章細胞骨架Afluorescentlystainedimageofculturedepithelialcellsshowingthenucleus(yellow)andmicrotubules(red)第七章細胞骨架2、微管的化學組成微管蛋白(tubulin)--80%

微管結合蛋白--20%

α-微管蛋白β-微管蛋白微管相關蛋白(microtubule-associatedproteins,MAPs)

微管聚合蛋白(Tau蛋白/ζ蛋白）第七章細胞骨架（1）微管蛋白(tubulin)αβGDP結合位點GTP結合位點微管蛋白以異二聚體(heterodimer)的形式存在,由α和β兩個亞單位組成。第七章細胞骨架α+βαβ二聚體αβ+αβ+…+αβ多聚體原纖維13條原纖維微管壁第七章細胞骨架第七章細胞骨架(2)微管結合蛋白

微管結合蛋白分為兩大類：

微管相關蛋白MAPs

微管聚合蛋白Tau蛋白與微管結合，并與微管蛋白共同組成微管系統。

主要功能：①促進微管組裝。②增加微管穩定性。③促進微管聚集成束。第七章細胞骨架GTPMg2+秋水仙素長春花堿等：(3)與微管結合的有關分子微管蛋白+GTP聚合成微管激活可阻斷微管組裝，破壞紡錘體。第七章細胞骨架

二、微管的類型singletdoublettriplet大多數微管鞭毛，纖毛中心體，基體第七章細胞骨架微管組成的細胞結構1.中心粒(centriole)中心體(centrosome)=2個垂直的中心粒+周圍物質第七章細胞骨架中心粒結構短筒狀小體，成對存在且相互垂直。每個中心粒由9組三聯體微管斜向排列呈風車狀包圍而成，為(9＋0)結構微管組織中心（MTOC），參與有絲分裂。第七章細胞骨架第七章細胞骨架2.纖毛和鞭毛

鞭毛少而長，纖毛短而多。9組二聯管+一對中央單管，（9+2）結構。第七章細胞骨架鞭毛與纖毛軸絲以基體為MTOC組裝而成，基體結構同中心粒。第七章細胞骨架在細胞中微管是一種動態結構，微管與微管蛋白單體之間存在可逆的動態平衡。

根據組裝與去組裝的速度不同可將微管分為：動態微管，如紡錘體穩定微管，如纖毛

三、微管的組裝和極性第七章細胞骨架微管的體外裝配：

極性裝配:13條原纖維（一段微管）二聚體

片狀或環狀核心

延長在（＋）極端發生裝配使微管伸長在（－）極端發生去組裝使微管縮短異二聚體首尾相接，組裝成的微管具有極性；-----踏車行為第七章細胞骨架第七章細胞骨架2.微管的體內裝配：微管組織中心（microtubuleorganizingcenter,MTOC

）：活細胞內微管組裝時總是以某部位為中心開始聚集，這個中心稱為微管組織中心,包括中心體、基體和著絲粒等。

裝配過程及極性規律同體外組裝。第七章細胞骨架3、作用于微管的特異性藥物特異性藥物：1、秋水仙素、長春花堿等抑制微管組裝；2、紫杉醇能抑制微管的去組裝，增強微管的穩定性。其它影響微管裝配的因素：微管蛋白的濃度溫度：<4℃解聚，>20℃促進組裝[Ca2+]：低則促進組裝,高則趨向解聚壓力：高則趨向解聚pH值：調節組裝第七章細胞骨架1、構成細胞的支架并維持細胞形態；2、參與細胞內物質運輸（見細胞運動）；3、維持細胞內細胞器的空間定位和分布；4、構成鞭毛與纖毛的主體結構成分；5、組裝成紡錘體（見染色體分離），參與有絲分裂中染色體的定向移動；6、參與細胞內信號傳遞。

四、微管的主要功能第七章細胞骨架2、參與細胞內物質運輸所有的細胞運動都和細胞內的細胞骨架體系（尤其是微管、微絲）有關，同時需要ATP和馬達蛋白（motorprotein.分解ATP釋放能量）。

P203P214馬達蛋白（特殊的酶）：水解ATP獲得能量，沿著微絲或微管移動。第七章細胞骨架

馬達蛋白（motorprotein）

肌球蛋白（myosin）——與微絲運動有關驅動蛋白（kinesin）和動力蛋白（dynein）

——與微管運動有關以細胞骨架為軌道，ATP提供能量。肌球蛋白Ⅱ——肌肉收縮、胞質分裂

I、V——膜泡運輸第七章細胞骨架結合肌動蛋白與ATP，水解ATP產生動力結合鈣調素等輕鏈，調節頭部活性決定肌球蛋白是單體或二聚體，是否與膜結合肌球蛋白：1條重鏈+數條輕鏈P214第七章細胞骨架

驅動蛋白及動力蛋白以微管為軌道，微管馬達蛋白的運輸是單方向：驅動蛋白朝微管（+）端運動動力蛋白朝微管（－）端運動P204第七章細胞骨架驅動蛋白：2條重鏈+2條輕鏈第七章細胞骨架動力蛋白動力蛋白第七章細胞骨架4.鞭毛和纖毛運動的機制P205鞭毛結構為：9×2+2（9組二聯管圍繞一對單管）每組二聯管的A管伸出動力蛋白臂指向B管，水解釋放能量，促使動力蛋白沿相鄰的B管朝（—）端走動，從而引起二聯管之間相互滑動。動力蛋白第七章細胞骨架5、參與染色體分離P206

紡錘體微管有三種:

動粒微管極微管星體微管第七章細胞骨架第七章細胞骨架第二節微絲Microfilament,MF（a）微絨毛；(b)細胞質中的收縮束；（c）運動細胞前緣的鞘和指；(d)細胞分裂時的收縮環。第七章細胞骨架

一、微絲的結構和分子組成：圖示1、微絲的結構由肌動蛋白(actin)組成的實心螺旋狀纖維,又稱肌動蛋白纖維(actinfilament)，直徑約７nm。兩條線性排列的肌動蛋白鏈形成螺旋，形狀如雙線捻成的繩子。

Actin首尾相連，微絲具有極性。第七章細胞骨架2、微絲的分子組成

肌動蛋白(actin)

肌動蛋白結合蛋白(actin-bindingprotein)

已知40余種

第七章細胞骨架（1）肌動蛋白actin單體為球形肌動蛋白，稱G-actin(globularactin)；多聚體為纖維狀肌動蛋白，稱F-actin(fibrousactin)。每個actin單體由兩個亞基組成，外觀呈啞鈴形。有陽離子（Mg2+、K+、Na+）、ATP/ADP和肌球蛋白結合位點。具有極性：正端和負端第七章細胞骨架（2）肌動蛋白結合蛋白actin-bindingprotein以不同方式與肌動蛋白結合，形成多種不同的亞細胞結構，執行不同功能，已知的微絲結合蛋白有40多種。如：原肌球蛋白（tropomyosin,Tm）、肌球蛋白(myosin)、肌鈣蛋白

(troponin,Tn)、非肌細胞中肌動蛋白結合蛋白等。第七章細胞骨架原肌球蛋白和肌鈣蛋白在橫紋肌細肌絲中與肌動蛋白結合示第七章細胞骨架二、微絲的組裝體外：肌動蛋白可以在適宜條件下裝配成肌動蛋白絲。

胞內：依其功能的改變而發生動態變化，受不同物質調控，有踏車行為。第七章細胞骨架影響微絲組裝的藥物藥物：1、細胞松馳素B特異性地破壞微絲組裝；2、鬼筆環肽抑制微絲解聚，增強微絲的穩定性。其它影響微絲裝配的因素：G-肌動蛋白濃度ATP、適宜的溫度、K+和Mg2+

等離子的存在促進微絲組裝。細胞內部分肌動蛋白結合蛋白可抑制微絲組裝。第七章細胞骨架

三、微絲的類型張力絲（tonfilament）：存在于一般細胞中，常位于膜內側，其基部構成細胞間連接裝置如橋粒。起支架作用，使細胞有韌性及彈性。

肌絲（myofilament）：存在于肌細胞中，有收縮作用。神經絲（neurofilament）：存在于樹突及軸突中，與乙酰膽堿（Ach）運輸有關。第七章細胞骨架四、微絲的主要功能

1、組成細胞骨架，維持細胞形態

2、參與細胞運動：變形蟲的胞質運動，胞吞、胞吐作用，膜泡運輸作用等。

3、微絲參與胞質分裂

4、參與受精作用

5、參與細胞內信息傳導等

6、參與肌肉收縮第七章細胞骨架2、參與細胞運動:成纖維細胞的運動（慢速）（圖）（1）線狀足或片狀足→粘著斑→防止回縮→向前移動（2）肌動蛋白組裝

P213第七章細胞骨架第七章細胞骨架3、微絲參與胞質分裂（有絲分裂后末期、以斷裂方式分開）：

微絲收縮形成收縮環肌球蛋白參與微絲收縮細胞凹陷產生分裂溝并最終分離

P215第七章細胞骨架4、參與受精作用P215由肌動蛋白的組裝與去組裝引起

頂體反應（acrosomalreaction）

精子細胞伸出頂體突起，穿透卵細胞膠質層與卵黃層，促使精卵結合完成。肌動蛋白聚合成微絲束→頂體突起伸長第七章細胞骨架第七章細胞骨架5、參與細胞內信息傳導生長因子→成纖維細胞（激活G蛋白相關的信號傳遞途徑）→生長分裂。兩種Ras相關的G蛋白（Rac和Rho）：Rac能激活PIP2代謝途徑，引起細胞移動的早期事件（肌動蛋白聚合，膜變皺等）。Rho激活酪氨酸激酶，引起細胞運動的后期事件（張力絲、粘著斑形成等）。第七章細胞骨架

6、參與肌肉收縮（P216）

肌肉收縮：（1）橫紋肌：肌原纖維（電鏡）（圖）

粗絲肌球蛋白絲，肌節的A帶

細絲肌動蛋白絲，結合有原肌球蛋白（TM）、肌鈣蛋白（TN），形成I帶。（2）肌肉收縮時粗絲橫橋拉動細絲朝中央移動，肌節縮短，但粗絲和細絲的長度保持不變。（3）細胞質Ca2+↑→觸發肌肉收縮第七章細胞骨架第七章細胞骨架

肌球蛋白頭部結合在微絲（肌動蛋白絲）上→水解1分子ATP→朝微絲（+）端移動2個肌動蛋白亞基距離→產生力量引起膜泡運輸、肌細胞中粗細肌絲的滑動。以肌球蛋白為例說明肌肉收縮機制:第七章細胞骨架①肌球蛋白結合ATP，引起頭部與肌動蛋白纖維分離；②ATP水解，引起頭部與肌動蛋白弱結合；第七章細胞骨架③Pi釋放，頭部與肌動蛋白強結合，頭部彎曲，引起細肌絲向(+)端移動；④ADP釋放。進入新一輪循環。第七章細胞骨架第三節中間絲(intermediatefilament)

（了解與自學部分）中間纖維也稱居間纖維或中等纖維，是由不同的蛋白質組成的空心纖維結構，直徑10nm，介于微管和微絲之間，故名。IF是最穩定的細胞骨架成分，主要起支撐作用。IF在細胞中圍繞著細胞核分布，成束成網，并擴展到細胞質膜，與質膜相連結。不同細胞中中間絲的化學組成不一樣，但結構相似。第七章細胞骨架第七章細胞骨架微絲微管中間纖維單體肌動蛋白微絲結合蛋