第九章細胞骨架Cytoskeleton細胞骨架:是指存在于真核細胞中的蛋白纖維網(wǎng)架體系。有狹義和廣義兩種概念◆狹義：指微絲、微管和中間纖維構(gòu)成的骨架體系。◆廣義：包括細胞質(zhì)骨架、細胞核骨架、細胞膜骨架和細胞外基質(zhì)。

細胞骨架不僅在維持細胞形態(tài)，保持細胞內(nèi)部的有序性中起到重要作用，還與細胞運動、物質(zhì)運輸、能量轉(zhuǎn)換、信息傳遞、細胞分裂、基因表達、細胞分化等生命活動密切相關(guān)。

作為支架，為維持細胞的形態(tài)提供支持結(jié)構(gòu)，并給細胞定位；為細胞內(nèi)的物質(zhì)和細胞的運輸運動提供機械支持；為細胞從一個位置向另一個位置移動提供動力；為mRNA提供錨定位點，促進mRNA翻譯成多肽；參與細胞連接。細胞骨架功能第一節(jié)細胞質(zhì)骨架一、微絲二、微管三、中間纖維光鏡下顯示細胞骨架：紅色熒光顯示微絲，黃色顯示微管，蘭色顯示細胞核

微絲，又叫肌動蛋白纖維，是由肌動蛋白構(gòu)成的兩股螺旋形成的細絲，普遍存在于真核細胞中微管，是由微管蛋白單體構(gòu)成的基本組件形成的中空的管狀結(jié)構(gòu)。普遍存在于真核細胞中中間纖維，又叫中間絲，粗細位于微絲和肌球蛋白粗絲之間，普遍存在于真核細胞中，是三種骨架系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的一種1、成分主要結(jié)構(gòu)成分——肌動蛋白（actin，外觀呈啞鈴狀）根據(jù)等電點分為3類：

α肌動蛋白分布于肌肉細胞；

β和γ肌動蛋白分布于肌細胞和非肌細胞actin單體又稱球形肌動蛋白G-actin；多聚體稱為纖維形肌動蛋白F-actin。一、微絲(microfilament，MF)微絲是由單體G-actin形成的多聚體，又稱為F-actin肌動蛋白單體三維結(jié)構(gòu)肌動蛋白纖維分子模型肌動蛋白纖維電鏡照片2、裝配裝配的條件：ATP、適宜的溫度、存在K+和Mg2+離子。裝配過程：2-3個actin聚集成一個核心（核化）；ATP-actin分子向核心兩端加合。微絲具有極性，ATP-actin

加到(+)極的速度要比加到(-)極的速度快5-10倍。裝配的特點：

1、MF是由G-actin

單體形成的多聚體，肌動蛋白單體具有極性,裝配時呈頭尾相接,故微絲具有極性，既正極與負極之別。2、微絲正極與負極都能生長，生長快的一端為正極，慢的一端為負極；去裝配時，負極比正極快。（由于G-actin在正極端裝配，負極去裝配，從而變現(xiàn)為踏車現(xiàn)象）。3、體內(nèi)裝配時，MF呈現(xiàn)出動態(tài)不穩(wěn)定性，主要取決于F-actin結(jié)合的ATP水解速度與游離的G-actin單體濃度之間的關(guān)系。4、MF動態(tài)變化與細胞生理功能變化相適應(yīng)。在體內(nèi),有些微絲是永久性的結(jié)構(gòu),有些微絲是暫時性的結(jié)構(gòu)。3、微絲特異性藥物1、細胞松弛素（cytochalasin）：是真菌的一種產(chǎn)物，可切斷微絲纖維，并結(jié)合在微絲正極阻抑肌動蛋白聚合，從而導(dǎo)致微絲解聚。2、鬼筆環(huán)肽（phalloidin）：與微絲有強親和作用，使肌動蛋白纖維穩(wěn)定，防止微絲解聚，且只與F肌動蛋白結(jié)合。

影響微絲裝配動態(tài)性的藥物對細胞都有毒害，說明微絲功能的發(fā)揮依賴于微絲與actin單體庫間的動態(tài)平衡。這種動態(tài)平衡受actin單體濃度和微絲結(jié)合蛋白的影響。4、微絲結(jié)合蛋白

參與形成微絲纖維高級結(jié)構(gòu)，對肌動蛋白纖維的動態(tài)裝配有調(diào)節(jié)作用，以行使特定的功能。根據(jù)分布與功能不同分類：

肌肉收縮系統(tǒng)中的微絲結(jié)合蛋白

非肌肉細胞中的微絲結(jié)合蛋白功能：與微絲裝配及功能有密切關(guān)組成肌球蛋白原肌球蛋白α輔肌動蛋白等（尚未發(fā)現(xiàn)肌鈣蛋白）非肌肉細胞中的微絲結(jié)合蛋白已知的的微絲結(jié)合蛋白有100多種，分為以下類型：核化蛋白：使游離actin核化，開始組裝，Arp單體隱蔽蛋白：阻止游離actin向纖維添加，thymosin

封端蛋白：使纖維穩(wěn)定，CapZ單體聚合蛋白：將結(jié)合的單體安裝到纖維，profilin

微絲解聚蛋白：使微絲去組裝，cofilin

交聯(lián)蛋白：將2至多條纖維聯(lián)系在一起形成纖維束或網(wǎng)絡(luò)，fimbrin

纖維切斷蛋白：將微絲切斷，gelsolin膜結(jié)合蛋白：將肌動蛋白纖維量接在膜上，參與構(gòu)成粘合帶，vinculin

各種微絲結(jié)合蛋白單體隔離蛋白去聚合蛋白膜結(jié)合蛋白末端阻斷蛋白纖維切割蛋白交聯(lián)蛋白核化蛋白微絲解聚蛋白單體聚合蛋白纖維切斷蛋白單體聚合蛋白單體聚合蛋白單體隱蔽蛋白（1）肌球蛋白（myosin）含量：約占肌肉總蛋白的一半組成（含4條多肽鏈）2條重鏈（2股重鏈盤繞成雙股α螺旋）2條輕鏈結(jié)構(gòu)特點2個頭部（有些只有1個頭部）具ATP酶活性，構(gòu)成肌肉粗絲橫橋1個尾部裝配成粗絲肌肉收縮系統(tǒng)中的有關(guān)蛋白（2）原肌球蛋白（tropomyosin，Tm）結(jié)構(gòu)：位于肌動蛋白螺旋溝內(nèi)，結(jié)合于細肌絲。結(jié)構(gòu)特點調(diào)節(jié)肌動蛋白與肌球蛋白頭部的結(jié)合（3）肌鈣蛋白（troponin，Tn）組成及功能：（三個亞基）TnC（Ca2+敏感性蛋白），能特異與Ca2+結(jié)和。TnT，于原肌球蛋白結(jié)合；TnI，抑制肌球蛋白ATPase活性，調(diào)節(jié)肌肉收縮。Tropomyosin,actinandtroponin5、微絲功能（1）參與構(gòu)成細胞支架，保持細胞的一定形態(tài)（2）參與肌肉收縮（3）與細胞運動密切相關(guān)（4）與細胞內(nèi)運輸，細胞分泌活動有關(guān)（5）與細胞爬行有關(guān)（6）參與細胞分裂二、微管（Microtubule，MT）微管是細胞骨架系統(tǒng)中的主要成分之一，由微管蛋白裝配成的的長管狀結(jié)構(gòu)，存在與所有真核細胞中（除人體紅細胞外），原核生物沒有微管。在胞質(zhì)中形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，作為運輸路軌，并起支撐作用，對低溫、高壓和秋水仙素敏感。Afluorescentlystainedimageofculturedepithelialcellsshowingthenucleus(yellow)andmicrotubules(red)微管是由13條原纖維構(gòu)成的中空管狀結(jié)構(gòu)，直徑22-25nm。每一條原纖維由微管蛋白二聚體線性排列而成微管蛋白二聚體由結(jié)構(gòu)相似的α和β微管蛋白構(gòu)成。α微管蛋白結(jié)合的GTP從不發(fā)生水解或交換。β微管蛋白也是一種G蛋白，結(jié)合的GTP可發(fā)生水解，結(jié)合的GDP可交換為GTP。1、成分原纖維

α微管蛋白和β微管蛋白形成αβ二聚體→αβ二聚體形成原纖維

→經(jīng)過側(cè)面增加二聚體而擴展為片層→當(dāng)加寬至13根原纖維時，即合攏形成一段微管→新的二聚體再不斷加到微管的端點使之延長2、裝配（1）裝配過程微管具有極性，(+)極生長速度快，(-)極生長速度慢。(+)極的最外端是β球蛋白，(-)極的最外端是α球蛋白。微管和微絲一樣具有踏車行為。微管形成的有些結(jié)構(gòu)是比較穩(wěn)定，是由于微管結(jié)合蛋白的作用和酶修飾的原因。如軸突、纖毛、鞭毛。大多數(shù)微管處于動態(tài)組裝和去組裝狀態(tài)（如紡錘體）。為行使正常的微管功能，微管動力學(xué)不穩(wěn)定性是其功能正常發(fā)揮的基礎(chǔ)。裝配特點·（2）體外微管裝配條件微管蛋白濃度：低于臨界濃度時，不發(fā)生微管聚合；最適pH：pH6.9；離子：去Ca2+，存Mg2+；溫度：37℃裝配，0℃解聚。GTP供應(yīng)?！ぃ?）體內(nèi)微管裝配動態(tài)微管裝配的動力學(xué)不穩(wěn)定性:指微管裝配生長與快速去裝配的一個交替變換的現(xiàn)象。動力學(xué)不穩(wěn)定性產(chǎn)生的原因：微管兩端具GTP帽(取決于微管蛋白濃度），微管將繼續(xù)組裝；反之，無GTP帽則解聚。ThefunctionofGTP-tubulincapGTPhydrolysisisnotrequiredformicrotubuleassembly，WHY？MicrotubuledisassemblewhenGDP-tubulinareexposedMAP分子至少包含一個結(jié)合微管的結(jié)構(gòu)域和一個向外突出的結(jié)構(gòu)域。突出部位伸到微管外與其它細胞組分（如微管束、中間纖維、質(zhì)膜）結(jié)合。3、微管結(jié)合蛋白（microtubule

associatedproteins，MAPs）①促進微管組裝。②增加微管穩(wěn)定性。③促進微管聚集成束。微管結(jié)合蛋白主要功能長春花堿—抑制微管裝配。紫杉酚(taxol)——能促進微管的裝配,并使已形成的微管穩(wěn)定。（這種穩(wěn)定對細胞是有害的，使細胞停止于有絲分裂期）秋水仙素(colchicine)——阻斷微管蛋白組裝成微管，可破壞紡錘體結(jié)構(gòu)。4、微管特異性藥物5、微管的生物學(xué)功能

（1）支持細胞的功能：構(gòu)成細胞內(nèi)網(wǎng)狀支架，維持細胞形態(tài)，固定與支持細胞器的位置；（2）與細胞器位移和細胞運動有關(guān)，染色體的移動、纖毛、鞭毛的運動都是由微管聚合和解聚產(chǎn)生的；（3）參與運輸，顆粒物質(zhì)可沿微管移動；（4）與某些信息的傳遞有關(guān)。維持細胞形態(tài)用秋水仙素處理細胞破壞微管，導(dǎo)致細胞變圓，說明微管對維持細胞的不對稱形狀是重要的。對于細胞突起部分，如纖毛、鞭毛、軸突的形成和維持，微管亦起關(guān)鍵作用。三、中間纖維（intermediatefilament，IF)IF幾乎分布于所有動物細胞，往往形成一個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，特別是在需要承受機械壓力的細胞中含量相當(dāng)豐富，如上皮細胞中。除了胞質(zhì)中，在內(nèi)核膜下的核纖層也屬于IF。因其直徑介于粗肌絲和細肌絲之間，故命名為中間纖維。比微絲和微管復(fù)雜，具有組織特異性，不同類型細胞含有不同中間纖維。成分分為5類：角蛋白、結(jié)蛋白、膠質(zhì)原纖維酸性蛋白、波形纖維蛋白、神經(jīng)纖絲蛋白。（通常一種細胞含有一種中間纖維，少數(shù)含有2種以上）（一）成分核纖層（1）角蛋白（keratin）為表皮細胞特有，具有α和β兩類，β角蛋白存在于細胞中，α角蛋白形成頭發(fā)、指甲等堅韌結(jié)構(gòu)。分為：酸性角蛋白（I型）、中性或堿性角蛋白（II型）。組裝時首先由I型和II型組成異二聚體，再形成中間纖維。（2）結(jié)蛋白（desmin）又稱骨骼蛋白skeletin，存在于肌肉細胞中，主要功能是使肌纖維連在一起。（3）膠質(zhì)原纖維酸性蛋白存在于星形神經(jīng)膠質(zhì)細胞。起支撐作用。（4）波形纖維蛋白（vimentin）存在于間充質(zhì)細胞及中胚層來源的細胞中。（5）神經(jīng)纖絲蛋白是由三種分子量不同的多肽組成的異聚體，功能是提供彈性使神經(jīng)纖維易于伸展和防止斷裂。（二）IF的裝配1、過程：(課本339頁圖10-19)①兩個單體形成超螺旋二聚體（角蛋白為異二聚體）；②兩個二聚體反向平行組裝成四聚體。③四聚體長向連成原纖維；④8根原纖維組成中間纖維，橫切面具有32個單體。單體

超螺旋（平行對齊）

原纖絲（反向平行）原纖維中間纖維2、IF裝配與MF，MT裝配相比，有以下幾個特點：

-----IF裝配的單體是纖維狀蛋白（MF，MT的單體呈球形）；

-----反向平行的四聚體導(dǎo)致IF不具有極性；

-----IF在體外裝配時不需要核苷酸或結(jié)合蛋白的輔助，在體內(nèi)裝配后，細胞中幾乎不存在IF單體（但IF的存在形式也可以受到細胞調(diào)節(jié)，如核纖層的裝配與解聚）。（三）中間纖維的功能◆增強細胞抗機械壓力的能力?！艚堑鞍桌w維參與橋粒的形成和維持?！艚Y(jié)蛋白纖維是肌肉Z盤的重要結(jié)構(gòu)組分，對于維持肌肉細胞的收縮裝置起重要作用?！羯窠?jīng)元纖維在神經(jīng)細胞軸突運輸中起作用。◆參與傳遞細胞內(nèi)機械的或分子的信息。◆中間纖維與mRNA的運輸有關(guān)。增強細胞抗機械壓力的能力角蛋白纖維參與橋粒的形成和維持胞質(zhì)骨架三種組分的比較無第二節(jié)細胞核骨架（結(jié)合第八章核基質(zhì)與核體部分自學(xué)）一、核基質(zhì)二、染色體支架三、核纖層第二節(jié)細胞核骨架一、核基質(zhì)（NuclearMatrix）核基質(zhì)（nuclearmatrix）或稱核骨架，為真核細胞核內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是指除核被膜、染色質(zhì)、核纖層及核仁以外的核內(nèi)網(wǎng)架體系。（一）形態(tài)結(jié)構(gòu)1、研究核骨架的分級抽提方法

非離子去垢劑溶解膜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，胞質(zhì)中可溶性成分隨之流失；再用Tween40和脫氧膽酸鈉處理，胞質(zhì)中的微管、微絲與一些蛋白結(jié)構(gòu)被溶去，胞質(zhì)中只有中間纖維網(wǎng)能完好存留；然后用核酸酶與0.25mol/L硫酸銨處理，染色質(zhì)中DNA、RNA和組蛋白被抽提，最終核內(nèi)呈現(xiàn)一個精細發(fā)達的核骨架網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合非樹脂包埋—去包埋劑電鏡制樣方法，可清晰地顯示核骨架—核纖層—中間纖維結(jié)構(gòu)體系。（二）成 分核基質(zhì)的組成較為復(fù)雜，主要組分有三類：1、非組蛋白性纖維蛋白，分子量40-60KD，占96%以上，其中相當(dāng)一部分是含硫蛋白，其二硫鍵具有維持核骨架結(jié)構(gòu)完整性的作用；除纖維蛋白外，還有10多種次要蛋白質(zhì)，包括肌動蛋白和波形蛋白，后者構(gòu)成核骨架的外罩；核骨架碎片中還存在三種支架蛋白（scaffoldproteins，SCⅠ、SCⅡ、SCⅢ)，SCⅡ、Ⅲ的功能尚不明確，SCⅠ是DNA拓樸異構(gòu)酶Ⅱ。2、少量RNA（占0.5%）和DNA(占0.8%)。RNA對維持核骨架的三維結(jié)構(gòu)是必需的，而DNA稱為基質(zhì)或支架附著區(qū)（matrix/scaffoldassociatedregion，

MAR或SAR），通常為富含AT的區(qū)域。3、少量磷脂（1.6%）和糖類（0.9%）。核骨架不象胞質(zhì)骨架那樣由非常專一的蛋白成分組成，DNA序列中的核骨架結(jié)合序列（matrixassociatedregion，MAR）DNA片段與核骨架蛋白的結(jié)合不會被高鹽溶液抽提破壞，在基因表達調(diào)控中有作用。核骨架結(jié)合序列的基本特征①富含AT②富含DNA解旋元件(DNAunwindingelements)③富含反向重復(fù)序列(InvertedRepeats)④含有轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點。MAR的功能①通過與核骨架蛋白的結(jié)合，將DNA放射環(huán)錨定在核骨架上；②作為許多功能性基因調(diào)控蛋白的結(jié)合位點。

（三）核骨架結(jié)合序列1、為DNA的復(fù)制提供支架：DNA是以復(fù)制環(huán)的形式錨定在核骨架上的，核骨架上有DNA復(fù)制所需要的酶，如：DNA聚合酶α、DNA引物酶、DNA拓樸異構(gòu)酶II等。DNA的自主復(fù)制序列（ARS）也是結(jié)合在核骨架上。2、是基因轉(zhuǎn)錄加工的場所

-----RNA的轉(zhuǎn)錄需要DNA錨定在核骨架上才能進行，核骨架上有RNA聚合酶的結(jié)合位點。大量具有轉(zhuǎn)錄活性的基因是結(jié)合在核骨架上的；3、

與染色體構(gòu)建有關(guān)

-----一般認(rèn)為核骨架與染色體骨架為同一類物質(zhì)，30nm的染色質(zhì)纖維就是結(jié)合在核骨架上，形成放射環(huán)狀的結(jié)構(gòu)，在分裂期進一步包裝成光學(xué)顯微鏡下可見的染色體。4、核骨架與病毒復(fù)制（四）核骨架的功能二、染色體骨架●染色體骨架/放射環(huán)模型●染色體骨架的真實性◆銀染法能選擇性地顯示染色體軸結(jié)構(gòu)◆DNA酶和RNA酶處理或用0.4mol/LH2SO4處理，去除組蛋白，對染色體軸沒有影響，用胰蛋白酶消化則染色體軸破壞，說明染色體軸是非組蛋白性的?！羧旧w骨架/放射環(huán)模型在分子水平上得到兩個直接證據(jù)：

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