08第八章 细胞骨架(3)

从1992年到2001年，将近10年 时间，云南红豆杉遭到了毁灭性 的破坏，分布在滇西横断山区中 的300多万棵红豆杉，绝大部分 被剥了皮，现正在慢慢死去。

重水(D2O)也会促进微管装配，增加其稳定性。 令人惊奇的是，由紫杉醇和重水所致的微管 稳定性增加对细胞是有害的，使细胞周期停止于 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。
当温度超过20℃有利于微管组装，低于4℃引 起微管解聚； Ca2+浓度低时促进微管组装，高时促使解聚 等。
常见的影响微管蛋白组装和去组装的药物： 秋水仙素、紫杉醇、长春花碱等。

秋水仙素（colchicine）能够与微管特异性结 合。秋水仙素与微管蛋白二聚体结合可以阻止微 管的成核反应。秋水仙素和微管蛋白二聚体复合 物加到微管的正负两端，可阻止其他微管蛋白二 聚体的加入或丢失。 不同浓度的秋水仙素对微管的影响不同。用 高浓度的秋水仙素处理细胞时，细胞内的微管全 部解聚。用低浓度的秋水仙素处理后，微管保持 稳定，并将细胞阻断在中期。
γ微管蛋白在细胞质中是以γ-微管蛋白环状复 合物(γ-tubulin ring complex，γ-TuRC)的形式存在 于微管组织中心。这一复合物是由α-微管蛋白、β微管蛋白、γ-微管蛋白和四种附属蛋白质(P75、 P109、P133和P195)组成。
在复合物中非微管蛋白决定螺旋形支架， 13个γ微管蛋白和α、β微管蛋白异二聚体结合 到支架上。 γ-TuRC的作用是促进微管核心的形成， 使微管的负端稳定。
来源
神经组织 神经组织 神经组织 神经组织 神经组织 广泛存在 广泛存在 神经组织
MAP1A MAP1B（MAP5） MAP2A，MAP2B MAP2C Tau蛋白 MAP3 MAP4 发动蛋白
MAP的功能：
①使微管相互交联形成束状结构，也可以使 微管同质膜、微丝和中间纤维等细胞结构交联； ②在细胞内沿微管转运囊泡和颗粒； ③提高微管的稳定性。
微管的装配过程

微管的极性： （+）端生长速度快，最外端是β球蛋白 （-）端生长速度慢，最外端是α球蛋白 微管的极性有两层含义： ①装配的方向性：微管是αβ二聚体以首尾排 列的方式进行组装的，每一根原纤维都有相同的 极性。 ②生长速度的快慢：（+）端生长得快，（-） 端则慢。去组装也同样 。

在离体条件下，当具有GTP时，微管蛋白二 聚体就联合在一起，形成一个具有中心轴的管。
微管的结构
近年来，人们又发现了微管蛋白家族的第三 个成员——γ-微管蛋白。 用γ-微管蛋白特异性抗体染色显示其位于微 管组织中心(microtubule organizing center， MTOC)，对微管的形成、数量和位置及微管的极 性确定起重要的作用。
一、微管的结构和化学组成 微管为一中空圆柱状结构，内径约15nm，外 径25nm。由13条原纤维围成，原纤维由微管蛋白 （tubulin）构成。 微管蛋白有两种：α微管蛋白和β微管蛋白。α 和β微管蛋白能够紧密地结合成异二聚体，作为微 管装配的亚基。
每一个微管蛋白二聚体有两个GTP结合位点， 一个位于α微管蛋白上，是不可逆的GTP结合位点。 另一个位于β微管蛋白上，结合在该位点上的GTP 能够被水解成GDP。
微管的类型：
单管 (singlet)：胞质中， 分散或成束分布 二联管 (doublet)：纤毛、鞭毛 三联管 (triplet)：中心粒、纤毛、鞭毛的基体
二、微管蛋白的组装 微管的组装是个有序的控制过程。
离体实验表明，微管蛋白的体外组装分为成 核、延长和稳定三个时期。
过程：α、β微管蛋白首先形成长度为8nm的 αβ二聚体，二聚体先沿纵向聚合形成一个短的原 纤维。以原纤维为基础，经过两端和侧面增加二 聚体而扩展为螺旋带，当加宽至13根原纤维时， 即合拢形成一段微管。
微管踏车模型：在一定条件下，微管在其 （+）端发生装配而使微管延长，而在（-）端 发生解聚使微管缩短。当微管两极的聚合和解 聚达到平衡时，微管的长度相对恒定，这种状 况被称为微管的踏车现象（treadmilling）。

影响微管的稳定性的因素：包括GTP浓度、 压力、温度、pH、微管蛋白临界浓度、药物等。
驱动蛋白的结构和运输方式
动力蛋白的结构与运输作用
细胞内有一类蛋白质能够用ATP供能，产生 推动力，进行细胞内的物质运输，这种蛋白分子 称为马达蛋白(motor protein) 。 马达蛋白可分为三个不同的家族∶
肌球蛋白(myosins)家族
驱动蛋白(kinesins)家族 动力蛋白(dyneins)家族

细胞骨架 （cytoskeleton）是真
核细胞中一类重要的细 胞器。由蛋白质纤维组 成的网状结构系统，包 括微管、微丝及中等纤 维。它对于细胞的形状、 细胞的运动、细胞内物 质的运输、染色体的分 离和细胞分裂等起着重 要的作用。
细胞骨架：微丝红色，微管黄色
微管（microtubule）(20～30nm) 细胞骨架 微丝(microfilament)(5～6nm) 中等纤维(intermediate filament)(7～11nm)
第二节 微丝

微丝(microfilament，MF)普遍存在于多种细 胞中，在非对称性的细胞内较为发达，具有运动功 能。微丝常成束存在。它们可根据细胞周期和运动 能量的需要，改变其在细胞内的形态和空间位置， 说明微丝是一个可变的结构，能够根据所在细胞的 不同需要而聚合或解聚。
一、微丝的结构与化学组成 微丝的成分：微丝还可称为肌动蛋白纤维 (actin filament)，是由肌动蛋白(actin)组成的细 丝。

三、微管结合蛋白(MAP) 与微管结合的微管结 合蛋白（microtubuleassociated protein，MAP） 是微管结构和功能的必需 成分。 MAP大多数存在于脑 组织中，只有少数几种广 泛存在于各种组织细胞中。
微管结合蛋白MAP2
微管结合蛋白
蛋白质 分子质量/kDa
350 325 270 70 50～65 180 200 100
细胞内微管显著减少，细胞表面的微突也减少。 微管的减少是恶性转化细胞的一个重要特征。癌 细胞微管的变化发生在细胞分裂的间期。癌细胞 微管的变化发生在间期。
在被病毒感染的细胞内微管明显增多，这种微
管与病毒有很强的亲和力，结合极为牢固。
现已证实，有几种疾病是属于微管遗传性疾 病，如阿尔茨海默(Alzheimers)病，即早老性痴呆 病，在脑神经元内出现大量扭曲变形的微管。孤 立的微管蛋白与微管结合蛋白均以高磷酸化的方 式与其他配体结合形成稳定的tau蛋白，致使微管 聚集发生缺陷，引起轴质流动出现阻塞，影响了 轴质的物质运输，使神经元的营养和代谢受到障 碍，致使出现痴呆现象。
ATP、Ca2+和低浓度的Na+、K+
球形肌动蛋白
纤维状肌动蛋白
Mg2+和高浓度的K+或Na+
二、微丝结合蛋白
具备控制肌动蛋白构型和行为。从骨骼肌、
平滑肌和各种非肌肉细胞中，已分离出微丝结
分布:
微管主要分布在核周围，并向四周扩散；
微丝主要分布在细胞质膜的内侧； 中间纤维分布在整个细胞中。
细 胞 骨 架 的 类 主 要 成 分 及 其 分 布

微丝
3
微管
中间纤维
功能：细胞骨架对于维持细胞的形态 结构及内部结构的有序性以及在细胞运动、 物质运输、能量转换、信息传递和细胞分 裂等一系列方面起重要作用。
鱼的色素细胞中色素分子的分散与聚集
㈢维持细胞器的空间定位分布 微管可固定细胞核、线粒体、内质网和高尔基 复合体的位置，并参与这些细胞器的位移。 驱动蛋白与内质网结合，沿微管向细胞膜方向 施加拉力，使内质网在胞质中分布开来。动力蛋白 与高尔基复合体膜结合，沿微管向细胞核方向牵拉， 使高尔基复合体位于细胞中央。 如果用秋水仙碱处理细胞，内质网就集聚到细 胞核附近，而高尔基复合体则分解成小泡，分散到 细胞质中。
紫杉醇(taxol) 是1967年美国化学家Wall和 Wani等首先从太平洋紫杉树皮中提取出来的具有 独特抗癌活性的二萜类化合物。其作用机制是在 细胞分裂时能与微管蛋白结合，使细胞内形成稳 定的微管束，干扰细胞Ｇ2期分裂，将癌细胞停止 在G2晚期或M期，从而抑制肿瘤细胞的生长。
紫杉醇是一种高效细胞毒素，具有独特的抗 癌机理，表现出广谱而高效的抗癌活性，对人的 卵巢癌、乳腺癌、宫颈癌、肺癌、黑色素瘤、肝 癌和白血病细胞系等有细胞毒作用。

微丝分布情况：在肌肉细胞中占细胞总蛋 白的10%，结构稳定，组成了肌细胞的收缩单 位，在非肌肉细胞中，分布均散，结构与微管 一样不稳定。

细胞中的微丝
(A)微绒毛 (B)细胞质中的收缩束 (C)运动细胞前缘的伪足 (D)细胞分裂时的收缩环
骨 骼 肌 细 胞
平 滑 肌 细 胞
肌动蛋白（actin）是微丝的主要成分。
第一节 微管

微管（microtubule，MT）是细胞骨架系统 中的主要成分。它在细胞形态发生、运动、运输 和支持等方面均发挥重要作用。 微管的性质、功能几乎都与微管蛋白有关。

光镜下培养的动物细胞中的微管
电镜下的微管
microtubule network and cell nuclei （gerbil lung fibroblasts，沙鼠肺成纤维细胞）
驱动蛋白和动力蛋白是以微管作为运行的轨 道，而肌球蛋白则是以肌动蛋白纤维作为运行的 轨道。 马达蛋白的运输是单方向进行的，一种马达 蛋白只能引导一种方向的运输。例如驱动蛋白只 能引导沿微管的(-)端向(+)端的运输，而动力蛋白 则是从(+)端向(-)端运输。
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 颗粒可在数秒钟内迅速分布到细胞各处，从而使皮 肤颜色变黑；又能很快运回细胞中心，而使皮肽颜 色变浅，以适应环境的变化。研究发现，色素颗粒 实际上是沿微管而转运的。