第10章_细胞骨架

第10章细胞骨架 cytoslceleton本章内容首先简介细胞骨架的组分、分类、功能和研究细胞骨架的技术，第二介绍对胞质骨架即微丝，微管和中间纤维的超分子结构特征、装配动力学，生物学功能和发挥功能作用中的相关蛋白，以及主要由微丝和高度组织化形成的横纹肌收缩系统的精细结构和收缩机制，由微管和相关蛋白构成的纤毛，鞭毛的精细结构和运动机制有较清楚和明确的认识，并了解分子发动机的概念。

第一节细胞骨架细胞骨架指细胞中除了细胞器外的三维蛋白纤维网架体系。

一、组成和分布1.微管核周围,呈放射状向四周扩散2.微丝质膜内侧3.中等纤维分布在整个细胞中细胞骨架具有动态的特点，并非静止不变。

二、细胞骨架的功能1.细胞结构和形态支持2.胞内运输3.收缩和运动4.空间区域组织三、细胞骨架的研究方法1.荧光显微镜荧光抗体基因工程改造的带有荧光的蛋白，一种藻类中centrin的荧光抗体显影，centrin分布在鞭毛和基体中，红色为藻类光合作用自身发出的荧光。

2. 电镜3. 电视显微镜分子发动机蛋白质在微管上的移动（见箭头相对于微管位置的移动）第二节细胞骨架的各个组分一、微管 Micorotubules(MTs)1. 形态、化学组成和超分子结构MT是刚性的直径约20-25nm的圆管状结构，其长度因种类和功能等的不同而有很大的变化。

完整的MT经负染法显示，其壁是由一层串珠样的纵行的纤维丝包围形成的，从横截面上看，细丝共13条，这些串珠样的细丝被称为原纤丝 Protofilaments。

原纤丝的化学组成是微管蛋白tubutin。

微管蛋白是球状分子，分α和β两种，分子量均大约为5.5KD，在一般生物细胞内，它们均以各一个分子结合成异二聚体的形式存在。

原纤丝就是由异二聚体首尾相连而成。

α和β都有一个GDP结合位点，α中的位点也结合GTP，称可交换位点（exchangable site， E site）。

2. 微管的类型MTs 分单体、双联体、三联体（singlet，doublet 和triplet）三类。

以单根形式存在的MT就称单微管；以两根在同一平面内并贴存在的叫二联体微管；而以每三根在同一平面内并贴存在的就称三联体MT。

二联体MT的两根微管被依次命名为A管和B管，三联体的则依次命名为A，B，C管。

除并贴存在外，二联体和三联体MT还有一个特殊点是：其中只有A管的管壁是完整的，有13根原纤丝，而B、C管的管壁不完整，各只有11条原纤丝，横截面上呈“C”形成，特称“C”形微管，它们正是以其“C”形的缺口部相继与前一个MT并贴。

单体可动态不稳定MT，双体和三联体微管为稳定的MT。

在细胞内，单微管广泛分布于胞质内，并且可因功能需要而随时可被解聚或重新组装，一般不形成永久性结构。

二联体微管只分布于鞭毛和纤毛，三联MT只存在中心粒和纤鞭毛基粒，在这里它们形成永久性结构。

各类MTs的外表面，一般都还附着些性质不同的或长或短的突起物。

构成这些突起物的蛋白质被称为MT associated Proteins。

在这些MAPs中，有些，如从大脑神经细胞分离出的MAP1 和MAP2两类高分子是（ HMW）蛋白和Tan蛋白，其作用主要把MTs之间，MTs与细胞的其他结构之间彼此连接起来，形成整体的网络，同时它们对MT的组装和稳定也具促进作用。

另外一些，如dynein 和Kinesin （驱动蛋白）等，对MTs发挥其他方面的功能具重要作用。

3．微管的组装和解聚 On assembly and depolymerigation of MTs.1)微管组织中心2)微管的组装过程3)微管的极性4)微管的动态不稳定性5)影响微管组装和去组装的因素新MT的组装，其起始均只发生在细胞内的一定部位，这些部位被称为微管组织中心MT organigation center(MTOC)。

微管组织中心的主要作用是帮助细胞质微管装配过程中的成核反应，微管从此处开始生长，使细胞质微管的装配受统一的功能位点控制。

动物细胞的中心粒就是人们熟知的MTOC。

中心粒的结构：中心粒 (centrosome)是动物细胞中决定微管形成的细胞器。

基体：是纤毛和鞭毛的MTOC，只含有一个而非一对中心粒。

在这里，微管组装包括成粒和延长，首先是微管蛋白异二聚体首先相连接，形成一些有一定长度且呈螺纹式环卷的原纤丝。

之后这些原纤丝伸直，并在一平面内平行并贴排列成一薄片，如原纤丝数目达到13，则薄片便卷成微管结构。

这整个起始过程被称之为MT组装中的成核作用（nucleation）。

核化作用一旦完成，MT的进一步生长性组装便开始。

MT的生长性组装与F-actin的组装十分类似。

MT同样分（+）端和（-）端，两端都可添加上Tubutin异二聚体，加添同样是可逆的，（+）添加得快，达到一定状态后同样有“treadi nilling”现象，当加添的总速度小于解聚的总速度时，MT也是趋向缩短乃至消失等等。

所不同的是，细胞中的MT无论它处于生长状态，平衡状态还是缩短状态，其（-）端处于MTOC中心环内的此端不解聚。

GTP浓度MT的组装，稳定和解聚同样还受多种因素的影响和调节。

（1）GTP及其水解：在GTP浓度足够（高于临界浓度）的条件下，异二聚体的β和α亚基都各结合有一个GTP，这样的异二聚体Tubutin能有效地加添到MT末端，而一旦加上去，其β结合的GTP便可以被异二聚体自身的ATPase活性水解，使β亚基成为ADP结合型（α的不变），则此二聚体又可从MT末端解离下来，下来之后ADP便被ATP替换下来。

由于GTP被水解的速度慢于二聚体加添的速度，MT末端便可形成“GTP”帽，所以MT表现为不断生长。

反之如GTP不足，相应的，β亚基ATP结合型二聚体量不足，于是即便在MT的（+）端也不能形成“GTP”帽， MT便趋于解聚和缩短。

（2） MTOC的类型：由中心体驱动组装的MT。

（-）端一直埋于中心体内，这样MT不从（-）端解聚，只从（+）端解聚。

（3）Ca2+、Mg2+和温度：Ca2+阻止组装， Mg2+促进组装，低温引起解聚。

（4）MAPs中心体基质中的γtubutin促进核化。

基粒表面的MAPs具使MT稳定和加速组装的作用。

（5）特异性药物微管结合蛋白(microtubule associated protein, MAP)①.使微管相互交联形成束状结构, 与其它细胞结构交联, 如质膜、微丝和中等纤维等②. 通过与微管成核的作用促进微管的聚合③. 在细胞内沿微管转运囊泡和颗粒④. 提高微管的稳定性分子发动机细胞内的一类利用ATP供能产生推动力、进行细胞内物质运输或运动的蛋白质。

是化学机械转化器,将化学能ATP转化成机械能,以此运送细胞内货物,包括各种类型的小泡、线粒体、溶酶体、染色体等。

种类：1.肌球蛋白(myosin)家族；2.驱动蛋白(kinesin)家族；3.动力蛋白(dynein)家族运输的主要特点：1.单方向运输；2.逐步进行而非轮式连续运行驱动蛋白(kinesin)的结构和功能①支架作用与细胞形态和结构形成的维持。

例如：非球形细胞形态与MTs（中心体MTOC微管）纤鞭毛，神经元的突起；大阳虫轴足等等。

②胞内物质运输。

例子：小泡运输与Kinesin的参与；③色素颗粒运输。

④纤鞭毛形成与纤毛鞭毛运动⑤中心粒和毛基粒（生毛粒）构成与纤鞭毛生长⑥纺锤体构成与染色体移动⑦植物细胞壁纤维素微纤维的沉积之控制动力蛋白(dynein)的结构和功能：由微管的正端向负端；有丝分裂中染色体运动的力的来源。

4. 微管的功能Functions of MTsa. 支架作用b. 细胞内物质运输的轨道c. 纤毛和鞭毛的运动元件d. 参与细胞的有丝分裂和减数分裂纤毛和鞭毛的运动元件纤毛和鞭毛都含有一个规则排列的由微管相互连接形成的骨架，称为轴丝。

轴丝的外面由膜包围，组成轴丝的微管呈规律性排列，即9组二联微管在周围成等距离的排列成一圈，中央有两根单个的微管，成为“9＋2”的微管形式。

中央有两个微管之间由细丝相连，外包有中央鞘。

周围的9组二联管，近中央的一根称为A管，另一条称为B管。

纤毛/鞭毛的动力微管的滑动模型纤毛动力蛋白是一种多头的发动机蛋白，很像是一束具有2－3个头的花，每一支花都是由一个大的球形结构域和一个小的球形结构域组成，中间通过一个小的杆部同基部相连。

纤毛动力蛋白的基部同A管相连，而头部同相邻的B管相连，头部具有ATP结合位点，能够水解ATP。

微管–内容小节微管主要分布在核周围，它由微管蛋白异源二聚体组成。

微管有单管、二联管和三联管，其中单管不稳定，二联管和三联管稳定。

微管的体外组装分为成核与延长两个过程，其中成核是限速步骤。

微管有（+）端和（-）端，因此微管有极性。

细胞内的微管处于动态不稳定状态。

影响微管体外装配的因素有GTP浓度、压力、温度、pH值、微管蛋白临界浓度和药物等。

微管通过与微管结合蛋白（MAP）结合扩展起功能。

微管的功能有支架、细胞内物质运输的轨道、纤毛和鞭毛的构件、参与细胞的有丝分裂和减数分裂等。

二、微丝Microfilaments（一）类型和结构比微管短和细，更具有弹性，常成束存在，广泛存在于各种细胞中。

数量比微管多，是真核细胞中最丰富的蛋白质。

肌动蛋白以两种形式存在，即单体和多聚体。

单体的肌动蛋白是由一条多肽链构成的球形分子，又称球状肌动蛋白，外形类似花生果。

肌动蛋白的多聚体形成肌动蛋白丝，称为纤维状肌动蛋白。

肌动蛋白是一种中等大小的蛋白质，由375个氨基酸残基组成，并且是由一个大的、高度保守的基因编码，单体肌动蛋白分子的分子质量为43kDa，其上有3个结合位点。

1个是ATP结合位点，另两个都是与肌动蛋白结合的结合蛋白位点。

（二）装配动力学G-actins的组装过程是MF组装的基本过程和决定性过程。

与首尾连接相应，MF的两端具不同的极性。

一端为（+）端，另一端为（－）端。

在组装过程中，两端都可以加添上G-actin同时又可能解离下G-actin,但所不同的是，（+）端的加添速度始终大于（—）端，而解离的速度一般小于（—）端。

当两端的加添都大于解聚时，MF表现快速生长。

当（-）进入平衡时，MF仍可因（+）继续生长而生长。

当（—）的加添速度小于解聚速度时，而（+）端的加添速度仍大于解聚速度时，MF亦表现生长，但（—）端已进入不断缩短之中。

当两端的总加添速度与两端的总解聚速度相等，（—）端的不断缩短 =（+）端的不断增加，MF 长度保持不变。

在这样两种情况下任何从（+）端加添上的G-actin，都将逐渐变得靠近（-）端，并最终从（-）离开，这种现象被称为“treadmilling”（轮回行为或踏车行为）。

如总的加添G-actin的速度小于解聚的速度，则总的表现为解聚，MF将逐渐缩短乃至消失。