9第九章 细胞骨架

第九章细胞骨架(Cytoskeleton)细胞骨架的概念细胞骨架是指存在于真核细胞中的蛋白纤维网架体系.有狭义和广义两种概念（1）在细胞质基质中包括微丝、微管和中间纤维。

（2）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,形成贯穿于细胞核和细胞质的网架体系。

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6-7nm的骨架纤维。

是由两条线性排列的肌动蛋白链形成的螺旋，形状如双线捻成的绳子。

一、微丝的组成与装配肌动蛋白(actin)是微丝的结构成分，大小为43KDa，外观呈哑铃状, 这种actin又叫G-actin，由G-actin形成的微丝又称为F-actin。

（一）肌动蛋白的种类在哺乳动物和鸟类中，已至少发现6种肌动蛋白，其中4种称为 -肌动蛋白，分布于横纹肌、心肌、血管平滑肌和肠道平滑肌。

另两种为 -actin和 -actin，普遍存在于所有真核细胞中。

（二）肌动蛋白的存在形式与装配1、在缺乏离子时（Na+、K+），肌动蛋白成球形单体存在，球形肌动蛋白单体称为G-肌动蛋白。

2、在含有Mg2+和高浓度的Na+、K+的中性盐溶液中，G-actin装配成纤维状肌动蛋白，纤维状肌动蛋白也称为F-actin。

3、微丝的装配（1）肌动蛋白单体具有极性, 装配时单体呈头尾相接, 成为具极性的微丝，既正极与负极之别。

（2）体外实验表明，具有极性的微丝在装配时，新的肌动蛋白单体加到微丝两端的速度不同，速度快的一端为正极，慢的一端为负极；去装配时，负极比正极快。

由于G-actin 在正极端装配，负极去装配，从而表现为踏车行为。

（3）体内装配时，MF呈现出动态不稳定性，主要取决于F-actin结合的A TP水解速度与游离的G-actin单体浓度之间的关系。

在一定条件下，微丝表现为一端因加上肌动蛋白单体而延长，另一端因肌动蛋白单体脱落而缩短，形成一种踏车现象。

二、微丝结合蛋白（一）肌肉收缩系统中的微丝结合蛋白（二）非肌肉细胞中的微丝结合蛋白（三）微丝结合蛋白将微丝组织成三种主要形式整个骨架系统结构和功能在很大程度上受到不同的细胞骨架结合蛋白的调节。

图微丝结合蛋白sequester：隔绝，分离，隐退；monomer：单体；Depolymerize：解聚。

server：切割，断绝。

（一）肌肉收缩系统中的有关蛋白1、肌球蛋白(myosin)2、原肌球蛋白(tropomyosin, Tm)3、肌钙蛋白(T roponin, Tn)4、其他结合蛋白1、肌球蛋白（myosin）（1）所有actin-dependent motor proteins都属于该家族，其头部具A TP酶活力，沿微丝从负极到正极进行运动。

（2）已知15类（myosin I-XV）；（3）Myosin Ⅱ：主要分布于肌细胞，是一种长约140nm的纤维蛋白，由2个重链和4个轻链组成；有两个球形头部结构域(具有A TPase活性)和一个螺旋化的尾部，尾部是由2条重链以双螺旋缠绕而成，2条重链的末端和2条小的轻链盘绕成球形头部。

多个Myosin尾部相互缠绕，形成myosin filament，即粗肌丝。

Myosin V结构类似myosin II，但重链有球形尾部。

Myosin I由一个重链和两个轻链组成。

Myosin I、II、V都存在于非肌细胞中，II型参与形成应力纤维和胞质收缩环，I、V 型结合在膜上与膜泡运输有关。

肌球蛋白的排列肌球蛋白分子平行交错排列成粗肌丝，每一条粗肌丝可分为均等的两段，两段的肌球蛋白分子以尾部相对相连。

每条粗肌丝由4000个肌球蛋白分子规则排列而成，各分子的头部在粗肌丝上的排列具有一定的间隔距离。

因此肌球蛋白的尾部朝向粗肌丝的中央，而头部朝向粗肌丝的两端。

2、原肌球蛋白（Tropomyosin,Tm）Mr为64KDa，分子长度40nm，是由2条平行的多肽链形成的 -螺旋结构，组成两条平行纤维，呈长杆状。

双螺旋链彼此首位相接，可形成更长的链。

Tm位于肌动蛋白丝的螺旋沟内，每条肌动蛋白双螺旋链均有Tm双螺旋链与之结合，两者相伴而行。

每个Tm的长度相当于7个肌动蛋白分子排列的长度。

主要作用是加强和稳定肌动蛋白丝，调节肌动蛋白与肌球蛋白结合。

3、肌钙蛋白（Troponin,Tn）Tn分子质量为80KDa，为复合物，包括三个亚基：（1）钙结合亚基（Tn-C）(Ca2+敏感性蛋白)：能同2个Ca2+特异结合，引起Tn构象发生变化;（2）原肌球蛋白结合亚基（Tn-T）：对原肌球蛋白具有高度亲合力，可与原肌球蛋白结合;（3）抑制亚基（Tn-I ）：有一部位可同肌动蛋白结合，但不结合Ca2+；可抑制肌球蛋白头部的A TPase活性，并抑制肌动蛋白与肌球蛋白头部接触，使肌球蛋白与肌动蛋白丝之间形不成横桥。

肌钙蛋白的排布Tn分子和Tm分子在肌动蛋白丝上规则分布，每40nm就有一个Tn分子。

这样每7个球形肌动蛋白分子的长度中平均就有1个Tn和1个Tm。

4、其他结合蛋白（1）CapZ：位于肌细胞的“Z”线处，与肌动蛋白丝“+”极结合，具有阻止肌动蛋白丝解聚和稳定肌动蛋白丝的作用。

（2）原调蛋白（tropomodulin）：与肌动蛋白丝“-”极结合，作用同CapZ。

（3）黏着斑蛋白（vinculin）:具有将肌动蛋白丝连接到质膜上的作用。

（4） -辅肌动蛋白（ -actinin）通常为两个相同多肽的二聚体，呈杆状，主要存在于“Z”线中、肌动蛋白丝之间以及肌动蛋白丝同质膜相连的部位。

它一般是结合在肌动蛋白丝的端点，将多个肌动蛋白丝的端点粘连在一起。

可介导肌动蛋白和组蛋白之间的连接，并能横向将肌动蛋白丝连接成束。

作用是将肌动蛋白丝固定在“Z”或质膜上，（二）非肌肉细胞中的微丝结合蛋白非肌肉细胞中的微丝结合蛋白主要与微丝的装配及功能密切相关，根据功能可分为以下三类：1、横连蛋白（cross-linking protein）这类蛋白分子具有两个或多个肌动蛋白结合位点，能同时结合多条肌动蛋白丝而将其横连成束。

主要有 辅肌动蛋白、毛缘蛋白、血影蛋白、黏着斑蛋白、踝蛋白等。

非肌肉细胞中也存在肌动蛋白、原肌球蛋白、 -辅肌动蛋白等，而肌钙蛋白在非肌肉细胞中尚未发现。

2、戴帽蛋白（capping protein）这类蛋白可结合到肌动蛋白丝的一端，对肌动蛋白丝的长度和装卸具有调节作用。

属此类的有凝溶胶蛋白、截断蛋白、微绒毛蛋白。

3、单体稳定蛋白（monomer stablizing protein）这类蛋白分子能与肌动蛋白单体结合，具有抑制G-actin装配成F-actin，进而调节G-actin和F-actin之间动态平衡的作用，属此类的有促聚蛋白、钙调结合蛋白等。

（1）Parallel bundle: MF同向平行排列，主要发现于微绒毛与丝状伪足。

（2）Contractile bundle: MF反向平行排列，主要发现于应力纤维和有丝分裂收缩环。

（3）Gel-like network: 细胞皮层(cell cortex)中微丝排列形式，MF相互交错排列。

（三）微丝主要组织形式Contractile 可缩的、收缩性的三、微丝特异性药物1、细胞松弛素(cytochalasins)：可以切断微丝，并结合在微丝正极阻抑肌动蛋白聚合，因而导致微丝解聚。

2、鬼笔环肽(philloidin)：与微丝侧面特异性结合，防止MF解聚，使微丝纤维稳定而抑制其功能。

◆影响微丝装配动态性的药物对细胞都有毒害，说明微丝功能的发挥依赖于微丝与肌动蛋白单体库间的动态平衡。

这种动态平衡受actin单体浓度和微丝结合蛋白的影响。

四、微丝的功能（一）横纹肌的结构及其收缩机制（二）维持细胞形态，支持微绒毛（三）参与胞质分裂（四）细胞运动（五）形成应力纤维(stress fiber)（五）细胞运动（一）横纹肌的结构及收缩机制1、横纹肌的细微结构横纹肌由肌纤维组成，每条肌纤维又由若干肌原纤维组成，肌原纤维包括粗肌丝和细肌丝。

粗肌丝主要成分是肌球蛋白，细肌丝的主要成分是肌动蛋白、原肌球蛋白和肌钙蛋白。

2、肌小节的组成（1）在显微镜下可看出，肌原纤维上整齐的排列着许多明暗相间的带：明的称为明带（I带），在I带中央有1条暗线，称为“Z”线；暗的称为暗带（A带），在暗带（A带）中央有一条明带，称为H带，H带中央有1条暗线，称为“M”线。

两条相邻“Z”线之间为1个结构单位，称为肌小节。

（2）细微结构每一肌小节是由粗细两种肌丝平行相间排列组成。

肌肉收缩时，A带长度不变，而I 带和H带缩短，甚至消失。

–A带（暗带）由粗细两种肌丝组成。

I带（明带）：跨越Z线两侧，只有细肌丝部分。

H带：A带中央色浅部份，此处只有粗肌丝。

H带的宽窄随肌肉收缩状态不同而有变化。

H带中央，粗肌丝间有横桥相连，显示为M 线。

–Z线：细肌丝一端游离，一端附于Z线。

3、肌肉收缩的滑动学说4、由神经冲动诱发的肌肉收缩基本过程（1）动作电位的产生神经冲动 神经末梢 神经突触释放神经递质（乙酰胆碱） 肌膜极化，产生动作电位 肌质网膜透性改变。

（2）Ca2+的释放（3）原肌球蛋白位移（4）肌动蛋白丝与肌球蛋白丝的相对滑动（5）Ca2+的回收Ca2+同TnC结合→Tn构象变化→TnI与肌动蛋白的连接减弱并分离→Tn牵引Tm移向肌动蛋白螺旋沟的深处→肌动蛋白丝上原被Tm占据的肌球蛋白结合部位暴露。

（二）维持细胞形状，支持微绒毛1、维持细胞形状微丝遍及胞质各处，集中分布于质膜下（外质），这些微丝与质膜平行排列，并和其结合蛋白形成网络结构，维持细胞形状和赋予质膜强度和韧度，如哺乳动物红细胞膜骨架的作用。

2、支持微绒毛用以增加肠上皮细胞表面积，以利于营养的快速吸收。

（三）参与胞质分裂在细胞分裂的末期，将分离的两个子细胞之间形成收缩环，其形成部位为赤道面。

由胞质中的肌动蛋白组装成的微丝平行排列而成。

（四）细胞运动细胞的变形运动成纤维细胞爬行与微丝装配和解聚相关（五）形成应力纤维应力纤维（stress fiber）广泛存在于真核细胞，是细胞内由微丝束构成的较为稳定的纤维状结构。

应力纤维由大量平行的微丝束构成，这些微丝具有极性：一端与质膜特定部位的点状接触（focal contacts）相连（此处质膜的外表面与细胞外基质紧密接触）；另一端则插入到细胞质中另一个点状接触或与中间纤维结合。

在应力纤维中还存在多种微丝结合蛋白，如肌球蛋白、原肌球蛋白、 -辅肌动蛋白等。

介导细胞间或细胞与基质表面的粘着。

如，细胞贴壁与粘着斑的形成相关，在形成粘合斑的质膜下，微丝紧密平行排列成束，形成应力纤维，具有收缩功能。

第二节微管（Microtubules）微管是细胞质中由微管蛋白组装成的细长而具有一定刚性的圆管状结构，广泛存在于各种真核细胞。