第九章 细胞骨架_第九章细胞骨架作业

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第九章细胞骨架

用电子显微镜观察经非离子去垢网架结构通常称为细胞骨架（cytoskeleton）。细胞骨架包括微丝（microfilament，MF）、微管（microtube，MT）和中间丝（intermediate filament，IF）3种结构组分，他们都是由相应的蛋白亚基组装而成。

第一节微丝与细胞运动

微丝又称肌动蛋白丝（actin filament）或纤维状肌动蛋白（fibrous actin，F-actin），这种直径为7nm的细胞骨架存在于所有真核细胞中。

微丝网格的空间结构与功能取决于所结合的微丝结合蛋白（miceofilament-aociated proteins）的种类。细胞内微丝的组装和去组装的动力学过程与细胞突起（微绒毛、伪足）的形成、细胞质分裂、细胞内物质运输、肌肉收缩、吞噬作用、细胞迁移等多种细胞运动过程相关。

一、微丝的组成及其组装

（一）结构与成分

微丝的主要结构成分是肌动蛋白（actin）。

肌动蛋白在细胞内有两种存在形式，即肌动蛋白单体（又称球状肌动蛋白，G-actin）和由单体组装而成的纤维状肌动蛋白。

肌动蛋白在生物进化过程中是高度保守的。

（二）微丝的组装及动力学特征

肌动蛋白单体组装称微丝的过程大体上可以分为几个阶段：第一个阶段是成核反应，即形成至少有2~3个肌动蛋白单体组成的寡聚体，然后开始多聚体的组装。第二个阶段是纤维的延长。

在体外组装过程中有时可见到微丝的正极由于肌动蛋白亚基的不断添加二延长，而负极则由于肌动蛋白亚基去组装而缩短，这一现象称为踏车行为（treadmilling）。

（三）影响微丝组装的特异性药物

一些药物可以影响肌动蛋白的组装和去组装，从而影响细胞内微丝网格的结构。细胞松弛素（cytochalasin），与微丝结合后可以将微丝切断，并结合在微丝末端阻抑肌动蛋白在该部位的聚合，但对微丝的解聚没有明显的影响。

鬼笔环肽（philloidin），与微丝表面有强亲和力，但不与肌动蛋白单体结合，对微丝的解聚有抑制作用。

二、微丝网格动态结构的调节与细胞运动

（一）非肌肉细胞内微丝和结合蛋白

事实上，在大多数非肌细胞中，微丝是一种动态结构，它们持续的进行组装和去组装。微丝的这种动态不稳定性与细胞形态的维持及细胞运动有密切的关系。

体内肌动蛋白的组装在两个水平上受到微丝结合蛋白的调节：①可溶性肌动蛋白的存在状态。②微丝结合蛋白的种类及其存在状态。

在细胞内，可溶性的肌动蛋白单体和纤维状肌动蛋白的比例大体是1:1。

（二）细胞皮层

细胞内大部分微丝都集中在紧贴细胞质膜的细胞质区域，并有微丝结合蛋白交联称胶状三位网格结构，该区域通常称为细胞皮层（cell cortex）。

皮层内一些微丝还与细胞质膜上的蛋白有连接，使膜蛋白的流动性受到某种程度上的限制。皮层内弥补的微丝网格可以为细胞质膜提供强度和人性，有助于维持细胞形状。细胞的多种运动与皮层内肌动蛋白和溶胶态或凝胶太转化相关。

（三）应力纤维

体外培养细胞在基质表面铺展时，常在细胞质膜的特定区域与基质之间形成紧密黏附的黏着斑。在紧贴黏着斑的细胞质膜内侧有大量的微丝紧密排列成束，这种微丝束称为应力纤维（stre fiber）。

应力纤维是真核细胞内广泛存在的微丝束结构。

单细胞受到外界刺激开始运动时，细胞内的引力香味将发生变化或消失。

（四）细胞伪足的形成与迁移运动

细胞迁移运动并不涉及肌球蛋白的活动，而仅仅是通过肌动蛋白的聚合以及其他细胞结构组分的相互作用来实现的。

细胞在基质或相邻细胞表面的迁移过程通常包括以下几个相继发生的事件：首先是细胞表面在它运动方向的前端伸出突起；第二是细胞伸出的突起与机制之间形成新的锚定位点，使突起附着在基质表面；第三是细胞以附着点为支点向前移动；最后，位于细胞后部的附着点与基质脱离，细胞的尾部前移。

片状伪足（lamellipodium）常呈波形运动，在其前端还有一些比较纤细的突起，称为丝状伪足（filopodium）。片状伪足和丝状伪足的形成有赖于肌动蛋白和聚合，肌动蛋白聚合产生推动细胞运动的力。

（五）微绒毛

在小肠上皮细胞微绒毛（microvili）的轴心，所有的微丝平行排列，高度有序的微丝束正极向微绒毛的顶端，微丝束下端终止于端网结构（terminal web）。微丝束对微绒毛的形态起支持作用。

（六）胞质分裂环

胞质分裂环是有丝分裂末期在两个即将分裂的子细胞之间产生一个对细胞质起收缩作用的环。

三、肌球蛋白：依赖于微丝的分子马达

分子马达（molecular motor）主要是指依赖于微管的驱动蛋白（kinesin）、动力蛋白（dynein）和依赖于微丝的肌球蛋白（myosin）这三类蛋白质超家族的成员。

（一）Ⅱ型肌球蛋白

Ⅱ型肌球蛋白分子存在于多种细胞。

在肌细胞中，Ⅱ型肌球蛋白组装成肌原纤维的粗丝，其含量约占肌细胞总蛋白的一半。在非肌细胞中，Ⅱ型肌球蛋白参与胞质分裂过程中收缩环的形成和张力纤维的活动。

典型的Ⅱ型肌球蛋白分子包含2条重链和4条轻链，形成一个高度不对称的结构。每条重链的相对分子质量为220*103，2条重链卷曲盘绕形成直径2nm，长约140nm的双股α-螺旋。

Ⅱ型肌球蛋白分子的尾部主要起结构作用。

（二）非传统类型的肌球蛋白（P275 图9-10）

Ⅰ型肌球蛋白分子的结构，其头部结构域也能与肌球蛋白丝结合，并存在ATP存在时沿微丝运动。（P276图9-12）Ⅴ型肌球蛋白分子是一类二聚体马达蛋白，具有两个头部。

从细胞中分离到一些膜泡表面既有依赖于微管的阿马达蛋白，也有依赖于微丝的非传统类型的肌球蛋白。在植物花粉管中，物质运输似乎主要依赖于微丝进行。

四、肌细胞的收缩运动

（一）肌纤维的结构

骨骼肌细胞又称肌纤维，是在胚胎期由大量的单核成肌细胞融合而成，但细胞核仁保留在肌纤维内。每根肌原纤维由称为肌节（sarcomere）的收缩单元呈线性重复排列而成。

肌原纤维的带状条纹由不同的粗（肌丝）细（肌丝）的纤维以十分有序的方式组装在一起。粗肌丝的成分是肌球蛋白；细肌丝的主要成分是肌蛋白，辅以原肌球蛋白和肌钙蛋白。

肌原纤维中突出于粗肌丝表面的肌球蛋白的头部可与细肌丝上肌动蛋白亚基结合，构成粗丝与细丝之间的横桥。原肌球蛋白（tropomyosin，Tm）在肌细胞中占总蛋白的5%~10%，相对分子质量为64*103，分子长度为40nm，由两条平行的多肽链形成α螺旋构型。

原肌球蛋白位于肌动蛋白组成的细丝的螺旋沟内，一个T末端长度相当于7个肌动蛋白单体，对肌动蛋白与肌球蛋白头部的结合行使调节作用。

肌钙蛋白（troponin，Tn）相对分子质量为80*103，含3个亚基，其中肌钙蛋白-C（Tn-C）能与Ca2+结合，肌钙蛋白-T（Tn-T）与原肌球蛋白有高度亲和力，肌钙蛋白-I（Tn-I）能抑制肌球蛋白马达结构域的ATPase的活性

向肌动蛋白丝锚定于Z盘或质膜上的蛋白有：①CapZ，②α-辅肌动蛋白是骨骼肌Z盘、平滑肌细胞质板及心肌闰盘的主要成分之一，课横向连接微丝成束，③纽蛋白见于平滑肌细胞质板、心肌闰盘，介导微丝与细胞质膜结合。

在肌节中起结构作用的蛋白还有：①肌联蛋白（connectin）；②半肌动蛋白（nebulin）；③肌营养不良蛋白。

（二）肌肉收缩的滑动模型

肌肉收缩是由肌动蛋白丝与肌球蛋白丝的新队滑动所致。由神经冲动引发的肌肉收缩基本过程：

1、动作电位的产生；

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。

第二节微管及其功能

一、微管的结构组成与极性

微管有微管蛋白亚基组装而成。每个微管蛋白业绩都是由2个非常相似的球状蛋白（α-微管蛋白和β-微管蛋白）结合而成的异二聚体、这种αβ-微管蛋白二聚体是细胞质内游离态微管蛋白的主要存在形式，也是微管组装的基本结构单位。（P281）

结构上的不对称也导致了微管组装时微管蛋白二聚体在两端聚合速度上的差异，通常将组装较快的一段称为正极（plus end），而另一端称为负极（minus end）。微管的极性与微管的动态性质及功能密切相关。从结构上看，细胞内的微管有3种类型，它们是单管（如细胞质微管或纺锤体微管）、二联管（存在于纤毛或鞭毛的轴丝微管）和三联管（存在于中心体或基体的微管）。

二、微管的组装和去组装

（一）微管的体外组装与踏车行为（P283）

微管在体外的组装过程可以分为成核（nucleation）和延伸（elongation）两个阶段。微管的组装同样与其底物（携带GTP的αβ-微管蛋白二聚体）的浓度有关。（P284）细胞内微管的组装和去组装在时间和空间上是高度有序的。

（二）作用于微管的特异性药物

秋水仙素（colchicine）可以与微管蛋白亚基结合，而当结合有秋水仙素的微管蛋白亚基组装到微管末端后，其他的微管蛋白亚基很难再在该处进行组装，但末端带有秋水仙素的微管对其去组装并没有影响，从而导致细胞内微管系统的解体。

紫杉醇（taxol）与微管结合，可以组织微管的去组装，增强微管的稳定性，但不影响新的微管蛋白亚基在微管末端进行组装。

三、微管中心

在活细胞中，能够起始微管的成核作用，并使之延伸的细胞结构称为微管组织中心（miceotuble organizing center，MTOC），除中心体以外，细胞内起微管组织中心作用的类似结构还有位于纤毛和鞭毛基部的基体等细胞器。

（一）中心体

动物细胞的间期微管都是从中心体开始生长。中心体含有一对童装的中心粒，彼此垂直分布，外面被无定型的中心粒外周物质所包围。中心粒是一个直径0.2微米，长0.4微米的桶装结构。

细胞内并不是所有的微管都与中心体相连。

植物细胞有丝分裂纺锤体的微管从细胞的两极开始组装，然而，并没有中心体。

（二）基体和其他微管组织中心

鞭毛和纤毛内部的微管起源于其基部称为基体的结构。中心粒和基体是同源结构，在某些时候可以相互转变。

中心粒和基体都具有自我复制性质，一般情况下，新的中心粒是由原来的中心粒在S期复制而来。在某些细胞中，中心粒能自我发生。

最近的一些研究结果显示，高尔基体的方面膜囊区域也有组织微管组装的能力。

四、微管的动力学性质

微管的稳定性与微管锁在细胞的生理状态以及所结合的细胞结构组分相关。细胞有丝分裂过程中染色体的行为有赖于微管的动态组装和去组装。

当用低温或秋水仙素等药物处理体外培养的细胞时，细胞内大部分微管可以在数分钟内全部解聚。当温度恢复正常或从培养液中除去药物后，微管又很快从中心体的周围重新生长出来。

当细胞处于正常的生长状态时，微管的组装和去组装并不同步。不同状态的微管其稳定性差异很大。（P288）

五、微管结合蛋白对微管网格结构的调节

微管结合蛋白（microtubule-aociated proteins，MAPs）（P289）

微管结合蛋白质通常都是单基因编码的，具有一个或数个与微管结合的结构域（microtubule binding domain），具有稳定微管的作用。其余的结构域突出于微管表面与相邻的微管作用，对微管网络的分布和功能进行调节。

六、微管对细胞结构的组织作用 真核细胞内部是高度区室化的结构。（P290）

七、细胞内依赖于微管的物质与运输

这种细胞内依赖于微管的膜泡运输不同于自由扩散，是需要能量的定向转运。在微管和膜泡之间存在一类既能与微管结合，又能与膜泡特异性结合的分子马达。这些能利用水解ATP将化学能转变为机械能，有规则地沿微管运输货物的分子马达主要有驱动蛋白（kinesin）和胞质动力蛋白（cytoplasmic dynein）。

（一）驱动蛋白及其功能

驱动蛋白能运载性细胞器沿着微管轴突的末梢移动。（P291）

（二）驱动蛋白沿微管运动的分子机制

驱动蛋白马达结构域具有两个重要的功能位点：其一是ATP结合位点，其二是微管结合位点。有关驱动蛋白沿微管运动的分子模型有两种：一种是步行（hand over hand）模型，另一种是“尺蠖”（inchworm）爬行模型。（P293）

驱动蛋白沿微管运动的分子机制涉及两个分子马达结构域与ATP结合、水解ATP、释放ADP以及与自身构象变化相耦联等一系列过程。

引发驱动蛋白分子沿微管持续向前移动的原因有两个：第一，在每个驱动蛋白分子中两个马达结构域的化学-机械循环是相互协调的。第二，驱动蛋白分子能沿微管持续移动的原因是它的马达结构域在ATPase循环的大部分时间都与微管紧密结合。

（三）胞质动力蛋白及其功能

动力蛋白最初是在纤毛和鞭毛内被发现的，与纤毛和鞭毛的运动相关，统称为轴丝动力蛋白（axonemal dynein）。胞质动力蛋白的功能主要与细胞内介导沿微管从正极端向负极端的膜泡运输以及有丝分裂纺锤丝动态结构相关。（P295）

神经营养因子（neurotrophins）及其受体Trks是神经系统发育所必须的。

八、纤毛和鞭毛的结构与功能

纤毛（cilia）和鞭毛（flagellae）是真核细胞表面具有运动功能的特化结构。

（一）纤毛和鞭毛的结构

在结构上，完整的纤毛或鞭毛是细胞质膜所包被的细长突起，内部是由微管构成的轴丝（axoneme）结构。纤毛轴丝的外周是9组二联体微管，中间是2根由中央鞘所包围的单体微管。

中央鞘和外周9组二联体微管的A管之间由放射辐（radial spoke）相连。相邻的二联体之间通过连接蛋白（nexin）相连。有2个动力蛋白臂（dyenin arms）从二联体微管的A管伸出，分别位于轴丝的内侧和外侧，它们与相邻二联体微管的B管醒悟作用使纤毛或鞭毛产生局部弯曲。

（二）纤毛或鞭毛的运动机制

滑动学说在解释纤毛或鞭毛的运动基质方面得到普遍认可。该学说认为，纤毛或鞭毛的运动时由轴丝动力蛋白所接到的相邻二联体微管之间的相互滑动所致。从一个二联体的A管伸出的动力蛋白臂的马达结构域在相邻的二联体的B管上“行走”。（过程详见P297图9-30）

1、A管动力蛋白头部与B管的接触促使动力蛋白结合的ATP水解，产物释放，同时造成头部角度的改变。

2、新的ATP结合动力蛋白头部与B管脱离。

3、ATP水解，其释放的能量使头部的角度复原。

4、带有水解产物的动力蛋白头部与B管上另一位点结合，开始又一次循环。（P297）

九、纺锤丝和染色体运动

纺锤丝微管可分类如下： ① 粒微管：连接染色体动粒与两极的微管。② 极微管：从两极发出，在纺锤体中部赤道区相互交错重叠的微管。③ 星体微管：中心体周围呈辐射分布的微管。

有丝分裂过程中染色体的运动有赖于纺锤体微管的组装。在这一过程中动力微管与动粒之间是靠结合在动粒部位的驱动蛋白的动力蛋白沿微管的运动来完成。

第三节中间丝

中间丝又称中间纤维（intermediate filament，IF），最初是在平滑肌细胞内发现的直径为10nm的绳索状结构。

一、中间丝的主要类型和组成成分（P300）

不同来源的组织细胞表达不同类型的中间丝蛋白。根据中间丝蛋白的氨基酸序列、基因结构、组装特性以及在发育过程的组织特异性表达等，可将中间丝分为6种主要类型。Ⅰ型（酸性）和Ⅱ型（中性和碱性）角蛋白（keratin）在上皮细胞内以异源二聚体的形式参与中间丝的组装。而Ⅲ型中间丝，如波形蛋白（vimentin，又称波形丝蛋白）、结蛋白（desmin）、胶质纤维酸性蛋白（glial filament acidic protein，GFAP，又称教室纤维丝蛋白）与外周蛋白（peripherin），则通常在各自的细胞内形成同源多聚体。

二、中间丝的组装与表达

与微管和微丝的组装过程不同，中间丝蛋白在核实的缓冲体系中能自我组装成10nm的丝状结构，而且组装过程不需要ATP或GTP提供能量。中间丝蛋白的组装首先是两个单体的杆状区以平行排列的方式形成双股螺旋的二聚体。然后是两个二聚体以反向平行和半分子交错的形式组装成四聚体（tetramer）。作为中间丝组装的基本结构单位，四聚体之间在纵向（首尾）和侧向相互作用，最终形成横截面由32个中间丝蛋白分子组成，长度不等的中间丝。（P302）

三、中间丝与其他细胞结构的联系

在细胞的内部，许多细胞质中间丝源自细胞核的周缘、并且与核膜有联系。

由V型中间丝蛋白组装而成的核纤层结构在核膜的内侧呈正交网状结构（P304图9-37）。核纤层与内层膜上的核纤层蛋白受体相连，从而成为核膜的重要支撑结构。此外核纤层还是染色质的重要锚定位点。