初中生物竞赛辅导 细胞 第四章 细胞质基质和细胞骨架系统

[竞赛辅导细胞]第四章细胞质基质和细胞骨架系统

第一节细胞质基质

一、细胞质基质的概念

细胞质是指除去细胞质膜和细胞核以外的所有物质。细胞质基质亦称透明质或胞质溶胶，是细胞质中除去所有细胞器和各种颗粒以外的部分，呈半透明的胶体状态。

二、细胞质基质的成分

细胞质基质的成分按分子量的大小可划分为三类：

小分子类：包括水、无机离子（K+、Cl—、Na+、Mg2+、Ca2+等）和溶解的气体。其中单价离子大部分游离在细胞质中，而双价阳离子则可能依附在核酸、核苷酸和酸性多糖的可变换的位置上，也有少数结合在酶上。细胞质基质中的水分大多数是以水化物（结合水）的形式紧紧地结合在蛋白质和其它大分子表面的极性部分，只有部分的水分子游离存在，起溶剂作用。

中分子类：包括各种代谢的中间产物如脂类、糖（葡萄糖、果糖、蔗糖）、氨基酸、核苷酸和核苷酸衍生物。

大分子类：游离的大分子主要包括蛋白质、脂蛋白和DNA，还有少许多糖。在细胞质基质中含有大量的酶，而且酶的种类极多。

三、细胞质基质的功能

细胞质基质担负着一系列的重要功能。

1、进行某些生化活动，这些生化活动是由相对游离状态的酶来完成的。在细胞质基质中出现的代谢途径有：糖酵解途径、磷酸戊糖途径、脂肪酸的合成等。

2、为维持细胞器的实体完整性提供所需要的离子环境。

3、供给细胞器行使功能所必需的一切底物。

4、进行物质的定向运输。

5、由核糖体合成的蛋白质都在细胞质基质中进行。完成蛋白质的修饰，在细胞质基质中发生的蛋白质修饰的类型主要有：①辅酶或辅基与酶的共价结合；②磷酸化与去磷酸化，用以调节很多蛋白质的生物活性；

③糖基化，主要发生在内质网和高尔基体中，在细胞质基质中主要是哺乳动物的细胞中把N-乙酰葡萄糖胺分子加到蛋白质的丝氨酸残基羧基上；④对某些蛋白质的N端进行甲基化修饰。这种修饰的蛋白质不易被细胞内的蛋白水解酶水解而维持较长的寿命；⑤酰基化。是将脂肪酸链共价地连接在某些跨膜蛋白的暴露在细胞质基质中的结构区域上。

6、控制蛋白质的寿命。细胞质中的蛋白质处于不断地降解与更新的过程中。细胞质基质中的蛋白质，大部分寿命较长，其生物活动可维持几天，但也有一些寿命很短，合成后只有几分钟就降解了。在蛋白质的氨基酸序列中，有决定蛋白质在细胞内定位的信号和与修饰作用有关的信号，也有决定蛋白质寿命的信号。决定蛋白质寿命的信号存在于蛋白质N端的第一个氨基酸残基，若N端的第一个氨基酸是Met（甲硫氨酸）、Ser （丝氨酸）、Thr（苏氨酸）、Ala（丙氨酸）、Val（缬氨酸）、Cys（半胱氨酸）、Gly（甘氨酸）或Pro（脯氨酸），则蛋白质是稳定的；如果是其它12种氨基酸之一，则是不稳定的。每种蛋白质在合成开始时，N端的第一个氨基酸都是Met（细菌中为甲酰Met），但合成不久便被特异的氨基肽酶水解除去，然后由氨酰-tRNA蛋白转移

酶把一个信号氨基酸加到某些蛋白的N端，最终在蛋白质的N端留下一个不稳定的或稳定的氨基酸残基。

第二节核糖体

核糖体是合成蛋白质的细胞器，其唯一的功能是按照mRNA的指令由氨基酸合成多肽。核糖体是1955年被发现的，称为核糖核蛋白体，简称核蛋白体或核糖体。在所有生物的细胞中都有核糖体，在最简单的细胞支原体中也有数以百计的核糖体。线粒体和叶绿体中也有核糖体。目前仅发现在哺乳动物成熟的红细胞等极个别的高度分化的细胞内没有核糖体。所以核糖体是细胞最基本的不可缺少的结构。

一、核糖体在细胞中的存在状态

在真核细胞中很多核糖体附着在内质网膜的表面，称为附着核糖体，它与内质网形成复合细胞器，即粗面内质网（rER），在原核细胞的质膜内侧也常附着有核糖体。还有一些核糖体不附着在膜上，呈游离状态，分布在细胞质基质内，称游离核糖体。附着在内质网上的核糖体与游离的核糖体所合成的蛋白质种类不同，但核糖体的结构与化学组成是完全相同的，

核糖体常常分布在细胞蛋白质合成旺盛的区域，其数量与蛋白质合成程度有关。处于指数增长期的细菌中，每个细胞内大约有数以万计的核糖体，其含量可达细胞干重的40%。而在培养的饥饿细胞内，仅几百个核糖体。

二、核糖体的成分和基本类型

核糖体是一种颗粒状的结构，没有被膜包裹，其直径为25nm，主要成分是蛋白质与RNA，核糖体RNA称为rRNA，核糖体的蛋白质称为r蛋白质。在核糖体中蛋白质约占40%，rRNA约占60%。蛋白质分子主要分布在核糖体的表面，而rRNA则位于内部，二者靠非共价键结合在一起。

细胞中的核糖体有两种基本类型：一种是70S（S为Sverdberg，沉降系数单位）的核糖体；另一种是80S的核糖体。

70S的核糖体是所有原核细胞的核糖体，真核细胞线粒体与叶绿体中的核糖体也近似70S。体外实验表明70S的核糖体在Mg2+浓度小于1mmol/L的溶液中易解离为50S与30S的大小亚单位。当溶液中Mg2+的浓度大于10mmol/L时，两个核糖体常常形成100S的二聚体。用EDTA（乙二胺四乙酸）、尿素和一价盐可逐级去掉核糖体上的r蛋白，得到纯的rRNA。在30S的小亚单位中含有一个16S的rRNA分子，21种不同的蛋白质分子（称S蛋白）；在50S的大亚单位中含有一个23S的rRNA分子和一个5S的rRNA分子，含有34种蛋白质（称为L蛋白）。

80S的核糖体普遍存在于真核细胞中，随着Mg2+浓度的降低，80S的核糖体可离解为60S与40S的大小亚单位，当Mg2+浓度增高时，80S的核糖体又可形成120S的二聚体。40S的小亚单位含有一个18S的rRNA，33种S蛋白。在60S的大亚单位中含有一个28S的rRNA、一个5S的rRNA、一个5.8S的rRNA，49种L蛋白。图4－1是核糖体的立体结构模式图。

核糖体大小亚单位在细胞内常常游离于细胞质基质中，只有当小亚单位与mRNA结合后，大亚单位才与小亚单位结合形成完整的核糖体。肽链合成终止后，大小亚单位解离，又游离于细胞质基质中。

三、核糖体蛋白质与rRNA的功能

核糖体上具有一系列与蛋白质有关的结合位点与催化位点：

（1）与mRNA的结合位点；

（2）与新掺入的氨酰-tRNA的结合位点——氨酰基位点，又称A位点；

（3）与延伸中的肽酰-tRNA 结合位点——肽酰基位点，又称P 位点； （4）肽酰转移后与即将释放的tRNA 结合的位点——E 位点（exit site ）；

（5）与肽酰-tRNA 从A 位点转移到P 位点有关的转移酶（即延伸因子EF-G ）的结合位点； （6）肽酰转移酶的催化位点。

此外还有与蛋白质合成有关的其它起始因子、延伸因子和终止因子的结合位点。 目前认为，在核糖体中rRNA 是起主要作用的结构成分，其主要功能是： （1）具有肽酰转移酶的活性，是核糖体中最主要的活性部位； （2）为tRNA 提供结合位点（A 位点、P 位点和E 位点）； （3）为多种蛋白质合成因子提供结合位点；

（4）在蛋白质合成起始时参与同mRNA 选择性地结合以及在肽链的延伸中与mRNA 结合。

核糖体蛋白在翻译过程中也起着重要的作用，如果缺失某一种蛋白或对它进行化学修饰，或核糖体蛋白的基因发生突变，都将会影响核糖体的功能，降低多肽合成的活性。目前关于核糖体蛋白的功能有多种推测，主要有：

（1）对rRNA 折叠成有功能的三维结构是十分重要的；

（2）在蛋白质合成中，核糖体的空间构象发生一系列的变化，某些核糖体蛋白可能对核糖体的构象起“微调”作用；

（3）在核糖体的结合位点上，甚至可能在催化作用中，核糖体蛋白与rRNA 共同行使功能。

四、多聚核糖体

核糖体是蛋白质合成的机器，但核糖体在细胞内并不是单个独立地执行功能，而是由多个甚至几十个核糖体串联在一条mRNA 分子上高效地进行肽链的合成。这种具有特殊功能与形态结构的核糖体与mRNA 的聚合体称为多聚核糖体。每种多聚核糖体所包含的核糖体的数量是由mRNA 的长度来决定的。也就是说mRNA 越长，合成的多肽分子量越大，核糖体的数目也越多。在一条mRNA 上多聚核糖体的间距约30～35nm ，相当于mRNA 上80个核苷酸的距离。由于蛋白质的合成是以多聚核糖体的形式进行，这样细胞内各种多肽的合成，不论其

图4－1根据负染色图像绘制的核糖体立体结构模式图 （a ）核糖体与蛋白质合成示意图；（b ）不同侧面观的核糖体

（a ） 氨基酸

转译区域

大亚单位

小亚单位

AUG mRNA

g ′ 分泌或排出区域

细胞膜可能附着

在核糖体 Met

NH 2

新蛋白质 （b ）

大亚单位

50S 亚单位

30S 来单位

大亚单位

小亚单位

大亚单位

分子量的大小或是mRNA 的长短如何，单位时间内所合成的多肽分子数目都大体相等，即在相同数量的mRNA 的情况下，可大大提高多肽合成的速度，特别是对于分子量较大的多肽。多肽合成速度提高的倍数与结合在mRNA上的核糖体数目成正比。

在原核细胞中，在mRNA合成的同时，核糖体就结合到mRNA上，即由DNA转录mRNA和由mRNA翻译成蛋白质是同时并几乎在同一部位进行，所分离的多聚核糖体常常与DNA结合在一起。真核细胞中，多聚核糖体或附着在内质网上，或游离在细胞质基质中。一些证据表明游离的多聚核糖体结合在细胞骨架上。

五、蛋白质的合成

蛋白质合成的过程是以核糖体为基地并被其催化完成的。以原核细胞为例，肽链合成的基本环节与主要步骤如下：

1、在mRNA起始密码AUG上游有3～9个碱基可与核糖体小亚单位中的16SrRNA的3′端碱基配对，使mRNA与30S的核糖体小亚单位结合，接着甲酰甲硫氨酸-tRNA的反密码子识别并与mRNA的AUG配对形成起始复合物。

形成起始复合物还需要GTP和3种蛋白起始因子即IF1、IF2和IF3。IF3参与mRNA同30S亚单位的结合并阻止50S的大亚基与30S小亚基结合。起始因子IF1和IF2促使tRNA结合到mRNA的30S亚基复合物上。

2、50S的核糖体亚单位与起始复合物中的30S亚单位结合，形成70S的完整的核糖体与mRNA的起始复合物。GTP水解，IF1、IF2和IF3释放，甲酰甲硫氨酸分子占据核糖体的P位点（肽酰位），并通过其反密码子和mRNA上的起始密码配对，确定读码框架。

3、肽链延伸主要包括3个步骤：

①氨酰-tRNA与延伸因子EF-Tu和GTP形成的复合物相结合；

②延伸因子EF-Tu上的GTP安置到A位点，由mRNA上的密码子决定氨酰-tRNA的种类，到位后，结合在EF-Tu上的GTP水解，EF-Tu连同结合在一起的GDP离开核糖体。

EF-Tu不与甲酰甲硫氨酸反应，因此起始的tRNA不能送到A位，而甲硫氨酸-tRNA和其它的氨酰-rRNA 都可与EF-Tu结合，这就解释了为什么中间的AUG不能被起始的tRNA识读。

③肽链生成与移位，由肽酰转移酶催化形成二肽酰-tRNA，移位需要第3个延伸因子EF-G（移位酶）结合在EF-G上的GTP水解。肽酰-tRNA从A位转移到P位，mRNA移动3个核苷酸的距离。原P位点无负载的tRNA 移到E位点后脱落，A位点空出。肽链以同样的方式不断延伸。

4、蛋白质合成的终止

如A位是UAA、UAG、UGA，氨基酰-tRNA通常不能结合到核糖体上，释放因子RF-1可识别UAA或UAG，RF-2可识别UAA或UGA。A位点的终止密码与释放因子结合，活化肽链转移酶，水解P位点的多肽与tRNA之间的连键，水代替了氨基成为活化肽酰基的受体，多肽脱离核糖体，核糖体随即离解成30S和50S亚基，真核细胞蛋白质合成与原核细胞有些差别，但基本步骤相同。

第三节细胞骨架系统

一、细胞骨架的概念

细胞骨架是指真核细胞中的蛋白纤维网架体系。细胞质基质不是均质无结构的，因为均质无结构的细胞质基质的概念对许多重要的生命现象是无法解释的，如细胞运动、细胞形态的维持、有序的酶促反应、物质

的定向运动等。1928年，Klotzoff提出了细胞骨别样的原始概念。最早被观察到的细胞骨架是微管，是在1963年用戊二醛常温固定方法后首次发现的。在此之前在制作电镜观察标本时是用锇酸或高锰酸钾低温固定细胞的，这种固定方法使细胞骨架大多被破坏而无法观察到细胞骨架的存在。细胞骨架的概念在不断的发展中，早期的细胞骨架仅指微丝和微管。目前，狭义的细胞骨架是指细胞质骨架，包括微丝、微管、中间纤维和微梁。广义的细胞骨架的概念是指细胞核骨架、细胞质骨架、细胞膜骨架和细胞外基质。

二、微丝

微丝又称肌动蛋白纤维，是指真核细胞中由肌动蛋白组成，直径为7nm的骨加纤维。

1．微丝的成分

肌动蛋白是微丝的结构成分，肌动蛋白存在于真核细胞中，分子量为43kD。肌动蛋白单体外观呈哑铃状。在真核细胞进化过程中相当保守。在哺乳动物和鸟类细胞中至少分离到6种肌动蛋白，4种称为α–肌动蛋白，分别为横纹肌、心肌、血管平滑肌和肠道平滑肌所特有，另两种为β–肌动蛋白和γ–肌动蛋白，见于所有肌肉组织和非肌肉细胞胞质中。肌动蛋白亦要经过翻译后修饰，如N–乙酰化或组氨酸残基的甲基化等，这一过程可以使其具有更多的功能多样性。

在微丝的结构中还有微丝结合蛋白，种类很多，但并不与微丝形成稳定的复合体，而是可逆的。它们能以不同的方式影响微丝的组装、去组装、形状和功能，还能控制微丝的组成及其与微管或其它结构的交联。

研究微丝性质的常用药物是细胞松驰素B，是真菌的一种代谢产物。它可以切断微丝，并结合在微丝的（+）端阻止肌动蛋白聚合，但对解聚没有明显的影响，因而可以破坏微丝的三维网络，致使细胞的形状发生激烈地改变，影响部分胞质骨架的崩溃。细胞松驰素B也能抑制培养的动物细胞的运动和胞质分裂，但并不能阻止有丝分裂的正常进行，由于胞质分裂被阻止，就产生了双核细胞。但不同的微丝对细胞松驰素B的敏感程度是不同的。由毒蕈（一种真菌）产生的另一种毒物鬼笔环肽，是一种双环杆肽，与微丝有强亲合作用，使肌动蛋白纤维稳定，抑制解聚，且只与F-肌动蛋白（纤维形肌动蛋白）结合，而不与G-肌动蛋白（球形肌动蛋白）结合。

2．微丝的装配

微丝的装配是指由球形肌动蛋白（G-actin）单体形成纤维形肌动蛋白（F-actin）多聚体的过程。一般认为，微丝是由两条肌动蛋白单链呈右手螺旋盘绕形成的纤维或由一条肌动蛋白单体链形成的右手螺旋。如图4-2所示。

（a）（b）（c）（d）

单体

（G－肌动蛋白）

F－肌动蛋白

图4-2 肌动蛋白纤维

（a）肌动蛋白纤维电镜照片；（b）肌动蛋白纤维分子模型，由两股球形肌动蛋白单链呈

右手螺旋稳盘绕形成的纤维；（c）肌动蛋白与肌球蛋白S1片段形成的复合体电镜照片；

（d）肌动蛋白纤维及其附着的肌球蛋白S1片段复合体分子模型；（e）肌动蛋白纤维的

另一种分子模型，肌动蛋白单体呈哑铃状，肌动蛋白纤维是由一条肌动蛋白单链形成的

右手螺旋。

在含有ATP和Ca2+以及很低浓度的Na+、K+等阳离子溶液中，微丝趋于解聚成G-actin；而在Mg2+和高浓度的Na+、K+溶液诱导下，G-actin则装配为F-actin。新的G-actin加到微丝未端，使微丝延伸。但（+）极组装速度较（-）极快，在一定条件下，微丝可以表现出一端因加亚单位而延长，而另一端因亚单位脱落而减短，这种现象称为踏车行为。肌动蛋白可在体外装配成微丝，其结构与细胞中分离的微丝相同，可以通过聚合和解聚而纯化微丝。

在体内有些微丝是永久性的结构，如肌肉中的微丝及肠上皮细胞微绒毛中的轴心微丝等；有些微丝是暂时性的结构，如胞质分裂环中的微丝。血小板激活及无脊椎动物精子细胞顶体反应中的微丝只有在需要时才进行装配。实际上，在大多数非肌肉细胞，微丝是一种动态结构，持续进行组装和解聚，并与细胞形态维持及细胞运动有关。体内肌动蛋白的装配在两个水平上进行调节：①游离肌动蛋白单体的浓度；②微丝横向连接成束或成网的程度。细胞许多微丝结合蛋白参与调节肌动蛋白的组装。

3．微丝的功能

真核细胞中，肌动蛋白在微丝结合蛋白的协同下，形成独特的微丝性骨架结构，与细胞中许多重要的功能活动有关，如肌肉收缩、变形运动、胞质分裂等。近年来发现微丝骨架网络系统与细胞信号传递有关，有些微丝结构蛋白，如纽蛋白等，是蛋白激酶及癌基因产物的作用底物；多核糖体及蛋白质合成与微丝的关系亦开始受到关注。

（1）肌肉收缩

①肌丝的分子结构和滑行的动因：

粗肌丝是由250～360个肌球蛋白（亦称肌凝蛋白）分子集合而成的，一个肌球蛋白分子分为头和杆两个部分，在粗肌丝内，头部露在外面，与细肌丝接触，称为横桥。横桥在肌丝滑行过程中有重要作用，是促进细肌丝滑行的直接发动者。其作用有两个：①是横桥与细肌丝能作可逆性结合，既能结合又可分离。通过横桥的连续摆动，把它周围的细肌丝向M推动；②它具有ATP酶的作用，分解ATP放出能量，供滑行过程使用。细肌丝是由三种蛋白组成：肌动蛋白、原肌球蛋白和肌钙蛋白。肌动蛋白呈双螺旋状是构成细肌丝的主体。横桥与肌动蛋白结合就产生细肌丝滑行，分离则滑行停止。由于肌球蛋白和肌动蛋白是直接参加肌细胞收缩的蛋白，所以合称为收缩蛋白。横桥与肌动蛋白是结合还是分离则取决于原肌球蛋白和肌钙蛋白。原肌球蛋白在肌细胞静息时，位于横桥与肌动蛋白上横桥的作用点之间，把二者隔离开。如果原肌球蛋白的这种隔离作用解除，横桥即可与肌动蛋白结合。肌钙蛋白含有三个亚单位C、T、I，C是钙离子受体，与Ca2+有很强的亲和性。T的作用是把肌钙蛋白连接在原肌凝蛋白上。I的作用是把C与Ca2+结合的信息传给原肌球蛋白，使后者的构型和位置发生变化。可见，原肌球蛋白和肌钙蛋白虽然不直接参加细胞收缩，但是它们对这一过程起重要的调控作用，故合称为调节蛋白。

②肌丝滑行的过程：

图4－3 肌丝滑行原理示意图

甲 肌肉舒张：原肌凝蛋白掩盖了肌动蛋白上的作用

位点，横桥不能与之结合

乙 肌肉收缩：Ca 2+与肌钙蛋白结合，使被在肌凝蛋

白掩盖的作用位点暴露出来，横桥与 位点结合，拉动细肌丝滑行

甲 肌肉舒张

粗肌丝

横桥

原肌凝蛋白

肌钙蛋白

I C

T 肌动蛋白 细肌丝

横桥的作用点

乙 肌肉收缩

I

C

T Ca 2+ Ca 2+ Ca 2= Ca 2+ Ca 2+

细肌丝滑行

肌丝滑行的过程是当肌浆中Ca 2+

浓度升高到一定程度时，Ca 2+

与肌钙蛋白的亚单位C 结合，通过I 把这一信息

传递给原肌凝蛋白，使后者构型改变并 发生移位，从肌动蛋白上的作用点内移 出，使它对横桥和肌动蛋白的隔离作用 解除，横桥与肌动蛋白结合，结果产生 两种作用：①激发横桥摆动，推动细肌 丝向M 线方向滑行，肌节缩短；②激 活横桥这一ATP 酶，分解ATP ，为滑 行过程提供能量。反之，当肌浆中Ca

2+

浓度降低，Ca 2+

与肌钙蛋白的亚单位C 分离，原肌球蛋白复位回到肌动蛋白的 作用点上，横桥停止摆动，细肌丝恢复 原来的位置，肌节恢复到原来长度，肌 细胞舒张。（见图4-3）

（2）微绒毛

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，微丝呈现同向平行排布，微线束下端终止于端网结构。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α-辅肌动蛋白，因而无收缩功能。

（3）应力纤维

应力纤维是真核细胞中广泛存在的微丝束结构。应力纤维由大量平等排列的微丝组成，其成分为肌动蛋白、肌球蛋白、原肌球蛋白和α-辅肌蛋白，其组织形式与肌原纤维相似，在细胞质中具有收缩功能。应力纤维与细胞间或细胞与基质表面的附着有密切关系。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。

（4）胞质溶胶

在许多细胞中，细胞膜下有一层富含肌动蛋白纤维的区域，称为胞质溶胶。这些肌动蛋白纤维平行于质膜排列，并与膜有连接。这一纤维网络可以为细胞膜提供强度和韧性，维持细胞形状。细胞的各种运动，如细胞质环流、阿米巴运动、变皱运动及吞噬都与肌动蛋白的溶胶与凝胶状态及其相互转化有关。这些运动能为细胞松驰素所抑制。

（5）胞质分裂环

有丝分裂未期，两个即将要分裂的子细胞之间产生一个收缩环。收缩环是由大量平行排列的微丝组成，

由分裂未期胞质中的肌动蛋白组装而成。随着收缩环的收缩，两子细胞被分开。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，其收缩机制亦是肌动蛋白和肌球蛋白的相对滑动。

三、微管

微管是存在于所有真核细胞中，由微管蛋白组成的长管状细胞器结构，平均外径为24nm，内径为15nm。通过其亚单位的组装与去组装能改变其长度，对低温、高压和秋水仙素敏感。细胞内微管呈肉状或束状分布，并能与其它蛋白共同组装成纺缍体、基粒、中心粒、鞭毛、纤毛、轴突、神经管等结构。参与细胞形态的维持、细胞运动和细胞分裂。

1．微管的成分

微管由两种类型的微管蛋白亚基，即α-微管蛋白和β-微管蛋白组成，α-微管蛋白含450个氨基酸残基，β-微管蛋白含455个氨基酸残基，这两种蛋白均含有酸性C未端。微管蛋白存在于所有的真核细胞中，但有些高度特化的细胞，如红细胞中已没有微管蛋白，但这是次生性的。微管蛋白分子在生物进化上可能最稳定的蛋白分子之一。

α-微管蛋白和β-微管蛋白形成微管蛋白异二聚体，是微管装配的基本单位。微管蛋白二聚体含有鸟嘌呤核苷酸的两个结合位点，二价阳离子亦能结合于微管蛋白二聚体上。另外微管蛋白二聚体上具有一个秋水仙素结合位点，一个长春花碱结合位点。

2．微管的形态

是由微管蛋白二聚体组装成的长管状细胞器结构，微管壁是由13根原纤维排列构成，在横切面上，微管呈中空状。微管可装配成单管、二联管（纤毛和鞭毛）、三联管（中心粒和基体中）。如图4-4所示。

3．装配

对于微管蛋白的装配性质的研

究起始于体外的实验，1972年R.C.Weiseberg在试管里用脑粗提取液成功地显示了微管的自我组装过程，他发现将一定浓度纯化的脑组织中的微管蛋白，在一定的pH值和没有钙离子的条件下保温，它们就会自行组装成一条长的管状结构。其后在许多实验材料研究中得到证实。

微管是由相似的蛋白亚基装配而成的。主要装配方式是：首先，α-微管蛋白和β-微管蛋白形成长度为8nm的αβ二聚体，αβ二聚体先形成环状核心，经过侧面增加二聚体而扩展为螺旋带，αβ二聚体平行于长轴重复排列形成原纤维。当螺旋带加宽至13根原纤维时，即合拢形成一段微管。新的二聚体不断加到这一

原纤维

8nm

24nm

微管蛋白二聚体

α

β

图4-4 维管的三维结构

维管蛋白αβ二聚体头尾相接形成

原纤维。微管壁由13根原纤维构成

端微管的端点使之延长，最终微管蛋白与

微管达到平衡，如图4－6所示。

图4－5 微管装配过程图解

在微管装配所需要的条件中，①微管蛋白浓度：随温度和技术条件而异有一定的临界浓度，低于此浓度而不发生微管装配，大约为1mg/mL；②最适pH值：为6.9；③离子：Mg2+为装配所必需，Ca2+必须尽可能地除去；④温度：37℃微管蛋白二聚体装配成微管，0℃微管解聚为二聚体。在细胞内微管蛋白的形成是自我调节的，多余的微管蛋白单体结合于合成微管蛋白的核糖体上，导致微管蛋白mRNA降解。微管在体内的装配和去装配在时间和空间上是高度有序的。间期细胞中，细胞质微管与微管蛋白亚单位库处于相对平衡状态。在有丝分裂期中，胞质微管装配和去装配动态受细胞周期调控，发生显著改变，分裂前期胞质微管网络中的微管去装配，游离的微管蛋白亚单位组装为纺缍体，分裂未期发生逆向转变。此外，细胞中存在一些非常稳定的微管结构，如纤毛、鞭毛等。

微管的装配是有极性的，所有的微管都有极性。所谓极性是指微管的两个未端在结构上是不等同的，这是由于微管中重复的亚单位αβ异二聚体（αβ→αβ→αβ）的排列方式所致，这是非常重要的结构特征。所有的微管都有确定的极性，由微管构成的亚细胞结构也是有极性的。αβ→αβ即为头→尾的方向，微管蛋白加上或释放主要发生于（+）极，微管的延长主要依靠（+）极组装GTP微管蛋白，然后GTP水解为GDP 或GTP与微管蛋白分离。目前的微管动态装配模型认为，微管两端具GTP帽（取决于微管蛋白浓度），微管将继续组装。反之，其GDP帽则解聚。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，称为踏车现象，如图4－5所示。

–

图4－５微管装配的踏车现象

微管在生理状态或经实验处理解聚后重新装配的发生处称为微管组织中心（MTOC）。MTOC决定了细胞微管的极性，微管的（—）极指向MTOC，（+）极背向MTOC。如中心体是动物细胞中主要的微管组织中心，还有鞭毛和纤毛的根部的基体等。微管组织中心对微管形态发生以及进行功能活动具有重要的意义。

近年来发现几种蛋白与微管有密切关系，附着于微管多聚体上。参与微管的组装并增加微管的稳定性。在实验条件下没有这种蛋白也能组装。所以这种蛋白称为微管结合蛋白（MAP），一般认为MAP与骨架纤维间的连接有关。微管的结构和功能的差异取决于所含微管结合蛋白的不同。

在研究微管的结构和功能中，微管特异性药物发挥了重要作用，其中的秋水仙素是最重要的工具药物，用低浓度的秋水仙素处理活细胞，可立即破坏纺缍体结构，但不像Ca2+、高温和低温等因素那样直接破坏微管，而是阻断微管蛋白组装成微管。原理是结合有秋水仙素的微管蛋白可以组装到微管未端后阻止其它微管蛋白的加入。紫杉醇能促进微管的装配，并使已形成的微管稳定。重水（D2O）也会促进微管装配，增加其稳定性。但由紫杉醇和重水所致的微管稳定性增加对细胞是有害的，使细胞周期停止在有丝分裂期。由此可见，为行使正常的微管功能，微管处于动态的装配和解聚状态是重要的。

4．微管的功能

（1）微管的功能可以归纳为下列几点：

①构成细胞壁：构成细胞内的网状支架，形成和保持细胞的形状；

②细胞的运动：参与细胞的收缩和细胞伪足运动，构成纤毛、鞭毛等运动器官的基本结构成分并产生运动；

③细胞有丝分裂时中心粒和染色体的移动，细胞板的形成；

④细胞内物质运输，细胞分泌和信息传递；

⑤细胞分化。

（2）染色体运动

在细胞从间期进入分裂期时，间期细胞胞质微管网架崩解，微管解聚为微管蛋白，经重组装形成有丝分裂器，有丝分裂器指有丝分裂时产生的由微管及其结合蛋白所组成的星体（动物细胞特有）和纺缍体。星体是指围攻中心体向外辐射状发射的微管。纺缍体是由大量微管在赤道面垂直排列组成的中部宽阔，两极缩小的细胞器，形如纺缍。纺缍体由极微管、动粒微管和区间微管组成，如图4－6所示。来自两极的微管在赤道面彼此相搭，侧向结合。有人认为通过一种马达分子──动力蛋白相连续，此种马达分子可通过微管拉动染色体向极部移动。动粒微管是指在后期和未期时连接已经移向两极的染色体或子核的微管。有丝分裂器在维持染色体平衡、运动、分配中起着重要的作用。

有关染色体运动的分子机制曾有两种学说：①动力平衡学说：认为染色体的运动与微管的装配—去装配有关；②滑行学说：认为染色体的运动与微管间的相互滑动有关。染色体在有丝分裂过程中运动的动力来源问题一直为人们所关注。通过活细胞、体外溶解细胞、体外微管组装等实验，对染色体运动能量来源提出了几种解释。在细胞质内发现有一种类动力蛋白，间期分布于细胞质内，M 期时定位于极、纺缍体和动粒（着丝粒）部位，因而认为类动力蛋白分子在染色体运动中起着动力供应的作用。微管的正端插入动粒的外层，呈袖筒状。微管蛋白分子和动粒蛋白分子有亲合性，微管蛋白在此端可以组装及去组装。在动粒中ATP 分子水解可以提供能量驱动微管上的“行走蛋白”，即类动力蛋白马达分子向极部移动，拉动染色体向极移动。染色体运动的另一种解释，随着动粒端的微管去组装，动粒倾向于向极滑行以恢复“袖筒”壁与微管的结合而拉着染色体向极部运动，后期的连续微管的延长及推动极部向两端移动，认为正是类动力蛋白的马达分子在来自两极的平行连续微管之间起到动力供应的作用。

（3）细胞内运输

真核细胞内部是高度区域化的体系，细胞中物质的合成部位与功能部位往往是不在一处，必须经过细胞内运输过程。神经轴突运输和鱼色素细胞中色素颗粒的运输是两个最为直观的例证，说明细胞骨架尤其是微

图4－6 有丝分裂器纺缍体结构示意图

半纺缍体

着丝点 着丝盘微管 极微管 纺缍体极 染色单体

赤道

小珠

小泡

微管 载玻片

图4－7 驱动蛋白和动力蛋白介导的转运活动示意图

管在细胞内转运中起关键作用。

①神经元轴突运输

神经元轴突中的蛋白及膜结构都是由胞体合成后转运出去的，轴突运输的类型见表4－1。 表4－1 轴突运输的类型

种 类 速 度

成 分

快速转运 顺梯度 逆梯度

50～400mm/d 200mm/d

膜性细胞器和物质、线粒体、突触小泡 前溶酶体小泡、溶酶体酶、内吞小泡 慢速转运

慢成分a 慢成分b

2～8mm/d 0.2～1mm/d

微丝（肌动蛋白和结合蛋白）、血影蛋白、包涵素、钙调蛋白 微管（微管结合蛋白）、神经纤维（三联体蛋白）、血影蛋白

细胞骨架纤维一方面作为慢速转运的成分而经轴索运动，另一方面又充当转运的轨道。微管可作为高尔基体和其它泡及颗粒运输的轨道，运速可达2

μm /s 。单根微管上的物质运输可以是

双向的，神经轴突运输中两种动力分子已经得到纯化，一种是驱动蛋白利用ATP 水解释放的能量向（+）极运输小泡。另一种是胞质动力蛋白驱动向（—）极的运输。现可以在体外无细胞系统中输过程，如图4－7所示。

②色素颗粒的运输

许多两栖类的皮肤和鱼类的鳞片中含有特化的色素细胞，在神经肌肉控制下，这些细胞中的色素颗粒可以数秒钟内迅速扩散到细胞各处，从而使皮肤颜色变黑；又能很快运回细胞中心，而使皮肤颜色变浅，以适应环境的变化。色素颗粒的运动是微管依赖性的，色素颗粒是沿微管而转运的。

四、中间纤维

中间纤维是60年代中期，在哺乳动物细胞中发现的直径为10nm 的纤维，由于其直径介于肌粗丝和细丝之间，故称为中间纤维（又称为中间丝，缩写为IF ）。现已发现中间纤维普遍存在于真核细胞中。

１．中间纤维的成分及其装配

中间纤维的成分比微管丝和微管复杂，按其组织来源及免疫原性可分为5类，（见表4－2）。中间纤维的分布具有严格的组织特异性。这一点已被应用于肿瘤临床鉴别诊断，以鉴别肿瘤细胞的组织来源，显示了良的应用前景。如图4－8示Hela 细胞的中间纤维。

表4－2 中间纤维分类 纤维来源 蛋白亚基

分子量 组织来源 角蛋白纤维

角蛋白，19～22种多肽

40～68kD

上皮细胞

波形纤维波形纤维蛋白，一种多肽55kD 间质细胞和中胚层来源的细胞结蛋白纤维结蛋白，一种多肽53kD 肌细胞（参与肌肉Z盘的构造）神经元纤维神经元纤维蛋白，3 种多肽68、160、200kD 神经元

神经胶质纤维胶质纤维酸性蛋白，一种多肽51kD 神经胶质细胞

(a) (b)

图4－7 Hela细胞中间纤维

（a）电镜照片；（b）荧光显微镜照片

中间纤维蛋白来源于同一基因家族，具有高度的同源性。在中间纤维蛋白分子肽链中部有一段约310年氨基酸残基的α-螺旋区是高度保守的。两个相邻亚基对应的α-螺旋区形成双股超螺旋，长约40～50nm的杆部，组装成中间纤维的主干，这是5类中间纤维的共同结构特征。同一型的中间纤维蛋白其杆状区氨基酸顺序有70～80%的同源性，但不同型的中间纤维蛋白的同源性则低于30%。

中间纤维也同微管微丝一样，可以进行自我装配。在细胞内的装配都是紧贴着聚集于细胞核旁边的多聚核糖体上进行的。

２．中间纤维结合蛋白

中间纤维结合蛋白（缩写为IFAP）是一类在结构和功能上与中间纤维有密切联系，但其本身不是中间纤维结构成分的蛋白。IFAP可能在中间纤维上或其两端与中间纤维紧密或松散结合，作为细胞中中间纤维超分子结构的调节者。如桥板蛋白1和2参与桥粒的形成；微管结合蛋白参与中间纤维与微管间的横桥形成；血影蛋白参与中间纤维与膜结合；锚蛋白参与中间纤维与膜结合等。

３．中间纤维的功能

中间纤维的功能至今仍不很清楚，一个重要的原因是迄今为止尚未找到一种中间纤维特异性工具药。一般认为，中间纤维在细胞质中起支架作用，并与细胞核定位有关。同时中间纤维在细胞间或者组织中起支架

作用。如角蛋白中间纤维参与了桥粒的形成，结蛋白中间纤维参与了肌肉Z盘的构造。但上述支架功能都是基于形态学观察推测的。

中间纤维在胞质形成精细发达的纤维网络，外与细胞膜及细胞外基质相连，内与核纤层有直接联系，推测中间纤维参与传递细胞内机械的或分子的信息，可以是从细胞膜传至细胞核，也可以是由细胞核传至细胞膜。

近年来发现中间纤维与mRNA的运输有关，胞质mRNA锚定于中间纤维可能对其在细胞内的定位及是否翻译起决定作用。此外，神经元纤维在神经细胞轴突运输中起作用。

五、微梁

微梁曾是各类细胞质骨架纤维的总称，近年来专指一类特定的胞质骨架纤维。70年代中期，Portor采用高压电镜发现细胞内存在着一类新的直径为2～3nm的微梁网络。在细胞内形成细密的立体网架。微梁不仅将微管、微丝、中间纤维联结起来，并且与线粒体、核糖体等各种细胞相联系。

关于微梁是否是活细胞中真实存在的结构尚存争议，否定者认为这是样品制备过程中的人工产物