第九章 细胞骨架 细胞骨架是指真核细胞中的蛋白纤维网架体系，包括微丝、微管、中间纤维。 第九章 细胞骨架 细胞骨架是指真核细胞中的蛋白纤维网架体系，包括微丝、微管、中间纤维。 广义的细胞骨架还包括核骨架、核纤层和细胞外基质，形成贯穿于细胞核、细胞质、细胞外的一体化网络结构。 细胞骨架（cytoskeleton）是指真核细胞中的蛋白纤维网络结构。发现较晚，主要是因为一般电镜制样采用低温（0-4℃）固定，而细胞骨架会在低温下解聚。直到20世纪60年代后，采用戊二醛常温固定，才逐渐认识到细胞骨架的客观存在。 细胞骨架不仅在维持细胞形态，承受外力、保持细胞内部结构的有序性方面起重要作用，而且还参与许多重要的生命活动（图9-1），如：在细胞分裂中细胞骨架牵引染色体分离，在细胞物质运输中，各类小泡和细胞器可沿着细胞骨架定向转运；在肌肉细胞中，细胞骨架和它的结合蛋白组成动力系统；在白细胞的迁移、精子的游动、神经细胞轴突和树突的伸展等方面都与细胞骨架有关。另外，在植物细胞中细胞骨架指导细胞壁的合成。 细胞骨架由微丝（microfilament）、微管（microtubule）和中间纤维（intemediate filament）构成。微丝确定细胞表面特征，使细胞能够运动和收缩。微管确定膜性细胞器（membrane-enclosed organelle）的位置和作为膜泡运输的导轨。中间纤维使细胞具有张力和抗剪切力。 微丝、微管和中间纤维位于细胞质中，又称胞质骨架，它们均由单体蛋白以较弱的非共价键结合在一起，构成纤维型多聚体，很容易进行组装和去组装，这正是实现其功能所必需的特点。 广义的细胞骨架还包括核骨架（nucleoskeleton）、核纤层（nuclear lamina）和细胞外基质（extracellular matrix），形成贯穿于细胞核、细胞质、细胞外的一体化网络结构。

细胞骨架的主要功能

第一节 微丝与细胞运动 一、微丝（MF） 微丝又称肌动蛋白纤维，由肌动蛋白组成，直径为7nm的骨架纤维。 第一节 微丝与细胞运动 一、微丝（MF） 微丝又称肌动蛋白纤维，由肌动蛋白组成，直径为7nm的骨架纤维。 微丝和它的结合蛋白以及肌球蛋白三者构成化学机械系统，利用化学能产生机械运动。 ㈠成分 肌动蛋白是微丝的结构成分。单体外观呈哑铃状。肌动蛋白在真核细胞进化过程中高度保守。在哺乳动物和鸟类细胞中至少已6种肌动蛋白，4种称为肌动蛋白，另外两种为肌动蛋白和肌动蛋白。α分布于各种肌肉细胞中，β和γ分布于肌细胞和非肌细胞中。 马达蛋白 ：利用ATP水解酶释放的能量驱动自身沿微管或微丝定向运动的蛋白。

肌动蛋白三维结构与肌动蛋白纤维 肌动蛋白纤维是由两条线性排列的肌动蛋白链形成的螺旋，状如双线捻成的绳子，肌动蛋白的单体为球形分子，称为球形肌动蛋白G-actin，它的多聚体称为纤维形肌动蛋白F-actin。

㈡装配 微丝又称纤维形肌动蛋白（F-actin），由球形肌动蛋白（G-actin）单体形成的多聚体。肌动蛋白 单体具有极性，装配时头尾相接，故微丝具有极性。 在适宜的温度，存在ATP、K+、Mg2+离子的条件下，肌动蛋白单体可自组装为纤维。 ATP-actin（结合ATP的肌动蛋白)对微丝纤维末端的亲和力高，ADP-actin对纤维末端的亲和力低，容易脱落。当溶液中ATP-actin浓度高时，微丝快速生长，在微丝纤维的两端形成ATP-actin“帽子”，这样的微丝有较高的稳定性。伴随着ATP水解，微丝结合的ATP就变成了ADP，当ADP-actin暴露出来后，微丝就开始去组装而变短。

球形肌动蛋白可加到微丝两端，但（＋）极装配的速度较（－）极快。在一定条件下，微丝正极由于肌动蛋白亚基的不断添加而，而负极由于肌动蛋白去组装而缩短，这种现象称为踏车行为。 细胞中微丝参与形成的结构除肌原纤维、微绒毛等属于稳定结构外，其他大都处于动态的组装和去组装过程中，并通过这种方式实现其功能。细胞松弛素可切断微丝纤维，并结合在微丝末端抑制肌动蛋白加合到微丝纤维上，特异性的抑制微丝功能。鬼笔环肽与微丝能够特异性的结合，使微丝纤维稳定而抑制其功能。荧光标记的鬼笔环肽可特异性的显示微 丝。

肌动蛋白的踏车行为 微丝具有极性，肌动蛋白单体加到（+）极的速度要比加到（－）极的速度快5-10倍。溶液中ATP-肌动蛋白的浓度也影响组装的速度。当处于临界浓度时，ATP-actin可能继续在（+）端添加、而在（－）端开始分离，表现出一种“踏车”行为。

㈢微丝结合蛋白 微丝系统的主要组分是肌动蛋白纤维，即微丝。此外还包括许多微丝结合蛋白。 同样的肌动蛋白可以形成不同的亚细胞结构如肌肉细丝、微绒毛轴心等，这是因为它受不同的肌动蛋白结合蛋白调节。微丝结合蛋白参与形成微丝纤维高级结构。 目前已发现多种肌动蛋白结合蛋白。

⒈肌肉收缩系统中的有关蛋白 肌球蛋白： 原肌球蛋白（Tm）： 肌钙蛋白（Tn）： ⒉非肌肉细胞中的微丝结合蛋白 未发现肌钙蛋白。已分离了几十种微丝结合蛋白，与微丝装配及结合有密切关系。

可分为以下不同类型： ⒈核化蛋白 ⒉单体隐蔽蛋白 ⒊封端蛋白 ⒋单体聚合蛋白 ⒌微丝解聚蛋白 ⒍交联蛋白 ⒎纤维切断蛋白 ⒏膜结合蛋白

㈣微丝特异性药物 细胞松弛素：阻抑肌动蛋白聚合，以破坏微丝的三维网络。 鬼笔环肽：对微丝具有稳定作用。 ㈤微丝的功能 参与肌肉收缩、变形运动、胞质运动等。 ⒈肌肉收缩： ⒉微绒毛：微绒毛的微丝轴心起维持微绒毛形状的作用。无收缩功能。 ⒊应力纤维：由大量平行排列的微丝组成。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粘着有密切关系。 ⒋溶胶层和阿米巴运动：变形运动 ⒍胞质分裂环：胞质分裂

肌肉的收缩 肌细胞上的动作电位引起肌质网Ca2+电位门通道开启，肌浆中Ca2+浓度升高，肌钙蛋白与Ca2+结合，引发原肌球蛋白构象改变，暴露出肌动蛋白与肌球蛋白的结合位点。肌动蛋白通过结合与水解ATP、不断发生周期性的构象改变、引起粗肌丝和细肌丝的相对滑动。 肌动蛋白的工作原理可概括如下： ①肌球蛋白结合ATP，引起头部与肌动蛋白纤维分离； ②ATP水解，引起头部与肌动蛋白弱结合； ③Pi释放，头部与肌动蛋白强结合，头部向M线方向弯曲（微丝的负极），引起细肌丝向M线移动； ④ADP释放ATP结合上去，头部与肌动蛋白纤维分离。

肌肉收缩图解 ①肌球蛋白结合ATP，引起头部与肌动蛋白纤维分离； ②ATP水解，引起头部与肌动蛋白弱结合； ③Pi释放，头部与肌动蛋白强结合，头部向M线方向弯曲（微丝的负极），引起细肌丝向M线移动； ④ADP释放ATP结合上去，头部与肌动蛋白纤维分离。

培养上皮细胞中的应力纤维（微丝红色，微管绿色） 形成应力纤维：非肌细胞中的应力纤维与肌原纤维有很多类似之处：都包含myosin（肌球蛋白 ） II、原肌球蛋白、filamin（细丝蛋白）和α-actin。培养的成纤维细胞中具有丰富的应力纤维，并通过粘着斑固定在基质上。在体内应力纤维使细胞具有抗剪切力。 培养上皮细胞中的应力纤维（微丝红色，微管绿色）

变形运动 分为四步：①：微丝纤维生长，使细胞表面突出，形成片足；②在片足与基质接触的位置形成粘着斑；③在myosin的作用下微丝纤维滑动，使细胞主体前移；④解除细胞后方的粘和点。 如此不断循环，细胞向前移动。阿米巴原虫、白细胞、成纤维细胞都能以这种方式运动。

胞质分裂环 胞质分裂：有丝分裂末期，两个即将分离的子细胞内产生收缩环，收缩环由平行排列的微丝和myosin II组成。随着收缩环的收缩，两个子细胞的胞质分离，在细胞松驰素存在的情况下，不能形成胞质分裂环，因此形成双核细胞。

顶体反应：在精卵结合时，微丝使顶体突出穿入卵子的胶质里，融合后受精卵细胞表面积增大，形成微绒毛，微丝参与形成微绒毛，有利于吸收营养。 其他功能：如细胞器运动、质膜的流动性、胞质环流均与微丝的活动有关，抑制微丝的药物（细胞松弛素）可增强膜的流动、破坏胞质环流。

第二节 微管及其功能 微管存在于所有真核细胞中由微管蛋白组装成的长管状细胞器结构。主要作为运输路轨，起支撑作用。 第二节　微管及其功能 微管存在于所有真核细胞中由微管蛋白组装成的长管状细胞器结构。主要作为运输路轨，起支撑作用。 微管对低温、高压和秋水仙素敏感。细胞内微管呈网状或束状分布，并与其他蛋白共同装配成纺锤体、基粒、中心粒、鞭毛、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。 ㈠成分 微管蛋白有2种，即-微管蛋白和-微管蛋白，二者形成异二聚体是微管装配的基本单位。 微管蛋白二聚体由结构相似的α和β球蛋白构成，两种亚基均可结合GTP，α球蛋白结合的GTP从不发生水解或交换，是α球蛋白的固有组成部分，β球蛋白结合的GTP可发生水解，结合的GDP可交换为GTP，可见β亚基也是一种 G蛋白。

A fluorescently stained image of cultured epithelial cells showing the nucleus (yellow) and microtubules (red)

㈡形态 微管是由微管蛋白二聚体装配成的长管状细胞器结构，平均外径24nm，内径15nm，微管壁由 13根原纤维排列构成。每一条原纤维由微管蛋白二聚体线性排列而成。 微管可装配成单管，二联管（纤维和鞭毛）或三联管（中心粒和基体）。

13条原纤维构成的中空管状结构，直径22～25nm。 每条原纤维由微管蛋白二聚体线性排列而成。二聚体由结构相似的α和β球蛋白构成，均可结合GTP。 α球蛋白结合的GTP从不发生水解或交换。 β球蛋白也是一种G蛋白，结合的GTP可发生水解，结合的GDP可交换为GTP。

E-site N-site

具有极性，(+)极生长速度快，(-)极生长速度慢。 (+)极的最外端是β球蛋白，(-)极是α球蛋白。 可形成稳定结构，如轴突、纤毛、鞭毛。是微管结合蛋白的作用和酶修饰的原因。 大多数微管处于动态组装和去组装状态（如纺锤体），具有踏车行为。 秋水仙素、长春花碱抑制微管装配。 紫杉酚能促进微管的装配, 并使已形成的微管稳定。

⒈装配过程：微管蛋白是由异二聚体组成 。 ㈢微管的装配 ⒈装配过程：微管蛋白是由异二聚体组成 。 二聚体先形成原纤维，经过侧面增加而扩展为片层，至13根原纤维时，即合拢形成一段微管。新的二聚体再不断加到微管的端点使之延长。 微管具有极性，-即为头尾 的方向，微管的延长主要是靠正极的装配。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，称为微管踏车。 细胞质微管与微管蛋白亚单位库处于相对平衡状态。

微管装配和过程与踏车现象 A：微管二聚体首先装配成原纤维；B：围成由13根原纤维组成的微管

细胞内微管组装发源点称做微管组织中心，主要包括中心体、基体和着丝点等部位它们在微管装配过程中起着重要作用。 ⒉微管组织中心(MTOC) 　　细胞内微管组装发源点称做微管组织中心，主要包括中心体、基体和着丝点等部位它们在微管装配过程中起着重要作用。 动物细胞MTOC为中心体。 MTOC决定了细胞微管的极性，微管的（-）极指向TMOC，（+）极背向TMOC。 微管组织中心（microtubule organizing center MTOCs）是微管进行组装的区域，着丝粒、成膜体、中心体、基体均具有微管组织中心的功能。所有微管组织中心都具有γ微管球蛋白，这种球蛋白的含量很低，可聚合成环状复合体，像模板一样参与微管蛋白的核化，帮助α和β球蛋白聚合为微管纤维。 微管蛋白以环状的γ球蛋白复合体为模板核化、先组装出（-）极，然后开始生长，因此中心体周围的微管（-）极指向中心体，（+）级远离中心体。 1972年R. Weisenberg证明提纯的微管，在微酸性环境（PH=6.9），适宜的温度下，存在GTP、Mg2+和去除Ca2+的条件下能自发的组装成微管。但这种微管只有11条原纤维，可能是因为没有γ微管球蛋白构成的模板。 微管β球蛋白结合的GTP水解并不是微管组装所必需的步骤，但是结合GTP的微管蛋白二聚体能加合到微管纤维上，在快速生长的纤维两端微管球蛋白结合的GTP来不及水解，形成的“帽子”，使微管纤维较为稳定。一旦暴露出结合GDP的亚单位微管，则开始去组装。

秋水仙素：阻断微管蛋白装配成微管。结合有秋水仙素的微管蛋白可组装到微管末端，阻止其它蛋白的加入。 ㈣微管结合蛋白 现已发现有几种蛋白参与微管的组装并增加微管的稳定性，这些蛋白称为微管结合蛋白（MAPs）。 MAPs：在微管组装中起促进作用。包括MAP1，MAP2，MAP4，tau蛋白等。在不同类型或组织的细胞中是不同的，这可能导致了微管与功能的差异。 ㈤微管特异性药物 秋水仙素：阻断微管蛋白装配成微管。结合有秋水仙素的微管蛋白可组装到微管末端，阻止其它蛋白的加入。 紫杉酚和重水（D2O）：可使微管稳定性增加并使细胞周期停止于有丝分裂期。 微管形成的有些结构是比较稳定的，是由于微管结合蛋白的作用和酶修饰的原因。如神经细胞轴突、纤毛和鞭毛中的微管纤维。大多数微管纤维处于动态的组装和去组装状态，这是实现其功能所必需的过程（如纺锤体）。秋水仙素(colchicine)结合的微管蛋白可加合到微管上，但阻止其他微管蛋白单体继续添加，从而破坏纺锤体结构，长春花碱具有类似的功能。紫杉酚(taxol)，能促进微管的装配, 并使已形成的微管稳定。但这种稳定性会破坏微管的正常功能。以上药物均可以阻止细胞分裂，可用于癌症的治疗。

㈥微管的功能 ⒈维持细胞形态

⒉细胞内运输： 在细胞内物质转动中起关键性作用。 是胞内物质运输的路轨。 涉及2类马达蛋白：kinesin、dyenin，需ATP供能。 Kinesin发现于1985年，由两条轻链和两条重链构成，向微管（+）极运输小泡 。

Dynein发现于1963年。 由两条相同的重链和种类繁多的轻链以及结合蛋白构成。 作用：推动染色体的分离、驱动鞭毛的运动、向着微管（-）极运输小泡。

⒊鞭毛和纤毛运动 纤毛和鞭毛是细胞表面的特化结构，具有运动功能。纤毛和鞭毛的结构基本相同。纤毛轴心含有一束“9+2”排列的平行微管。 滑动学说认为鞭毛或纤毛运动由相邻二联体间相互滑动所致。 ⒋纺锺体和染色体运动 当细胞从间期进入分裂期时，细胞质微管网架崩解，微管解聚为微管蛋白，经重组装形成纺锤体，介导染色体的运动。分裂末期，纺锤体微管为微管蛋白，重组装成胞质微管网。

纤毛结构模式图 A：纤毛横切面；B：微管二联体及附属结构

形成纺锤体

中心体是动物细胞中主要的微管组织中心。由一对互相垂直的中心粒及周围基质构成。位于鞭毛和纤毛根部的类似结构称基粒。 ⒌基体和中心粒 中心体是动物细胞中主要的微管组织中心。由一对互相垂直的中心粒及周围基质构成。位于鞭毛和纤毛根部的类似结构称基粒。 中心粒和基粒是同源的，均可自我复制。 中心粒于S期复制。 中心粒结构模式图

第三节　中间丝 在哺乳动物细胞中发现10nm纤维，因其直径介于粗肌丝和细肌丝之间，故被命为中间纤维。IF是最稳定的细胞骨架成分，主要起支撑作用。IF在细胞中围绕着细胞核分布，成束成网，并扩展到细胞质膜，与质膜相连结。 ㈠IF的成分 角蛋白纤维；②波形纤维；③结蛋白纤维；④神经元纤维；⑤神经胶质纤维。 IF来源于同一基因家族，具有高度的同源性。在IF分子肽链中部有一段约310个氨基酸残基的—螺旋区是高度保守的。两个相邻亚基对应的—螺旋区形成双股超螺旋，即长40-50nm的杆部。而非螺旋化的头部（N端）和尾部（C端）的氨基酸顺序和肽链长度在各类不同IF蛋白分子中有很在差异。

中间纤维 A：电镜照片；B：荧光显微镜照片

中间纤维蛋白分子结构 A：中间纤维蛋白分子杆状区模式图；B：各型中间纤维分子一级结构模式图

㈡IF的装配 ⒈两个相邻亚基的对应—螺旋区形成双股超螺旋二聚体。 ⒉两个二聚体反向平行以半交叠方式构成四聚体。也不排除顺向平头排列的可能。 ⒊四聚体首尾相连形成原纤维。 ⒋8根原纤维构成圆柱状的IF。

特点：无极性；无动态蛋白库；装配与温度和蛋白浓度无关；不需要ATP、GTP或结合蛋白的辅助。 中间纤维装配模型 A：两条中间纤维多肽链形成超螺旋二聚体； B：两个二聚体反向平行以半交叠方式构成四聚体；C：四聚体首尾相连形成原纤维；D：8根原纤维构成圆柱状的10nm纤维

IF的结合蛋白 ⑴中间纤维的结合蛋白（intermediate filament associated protein，IFAP）的功能是使中间纤维交联成束、成网，并把中间纤维交联到质膜或其它骨架成分上。已知的IFAPs约15种左右，分别与特定的中间纤维结合，如： flanggrin使角蛋白交联成束。 Plectin将波形蛋白纤维与微管交联在一起。 Ankyrin 把结蛋白纤维与质膜连在一起。 ⑵IFAPs的共同特点是：①具有中间纤维特异性。②表达有细胞专一性。③不同的IFAP可存在于同一细胞中与不同的中间纤维组织状态相联系。④在细胞中某些IFAP的表达与细胞的功能和发育状态有关。

㈢IF的功能 IF的功能不很清楚，一个重要的原因是没有找到IF特异性工具药。 一般认为IF在细胞质中起支架作用，并与细胞核定位有关。同时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和维持。同时参与传递细胞内机械的或分子的信息。

细胞骨架三种组分的比较 微丝 微管 中间纤维 单体 球蛋白 αβ球蛋白 杆状蛋白 结合核苷酸 ATP GTP 无 纤维直径 ≈7nm   微丝 微管 中间纤维 单体 球蛋白 αβ球蛋白 杆状蛋白 结合核苷酸 ATP GTP 无 纤维直径 ≈7nm ≈25nm 10nm 结构 双链螺旋 13根源纤丝组成空心管状纤维 8个4聚体或4个8聚体组成的空心管状纤维 极性 有 组织特异性 蛋白库 踏车形为 动力结合蛋白 肌球蛋白 动力蛋白 驱动蛋白 特异性药物 细胞松驰素 鬼笔环肽 秋水仙素，长春花碱，紫杉酚