第九章 细胞骨架(Cytoskeleton)_第九章细胞骨架

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2012年 翟中和版《细胞生物学》考研参考笔记

————安雨（整理）

第九章

细胞骨架(Cytoskeleton)

主要内容：

第一节

细胞质骨架

第二节

细胞核骨架

第一节

细胞质骨架

一、细胞骨架：是指真核细胞中的蛋白纤维网架体系，其概念有狭义与广义之分,1、狭义概念：指细胞质骨架，包括微丝、微管和中间纤维

2、广义概念：包括细胞核骨架，细胞质骨架，细胞膜骨架和细胞外基质。

二、微丝(microfilament, MF)

1、概念：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7nm的骨架纤维。

2、成分: 肌动蛋白(actin)是微丝的结构成分,外观呈哑铃状。肌动蛋白的单体为球形分子，称为球形肌动蛋白G-actin(globular actin)，它的多聚体称为纤维形肌动蛋白F-actin(fibrous actin)。

3、装配：

1）MF是由G-actin单体形成的多聚体，肌动蛋白单体具有极性,装配时呈头尾相接, 故微丝具有极性，既正极与负极之别。

2）MF的解聚：在含有ATP和Ca2+以及低浓度的Na+, K+等阳离子溶液中，趋向于解聚。

3）MF的装配：在Mg2+和高浓度的Na+, K+等溶液中，趋向于装配。

4）倒踏车现象：微丝装配过程中，表现出一端因加亚单位而延长，同时，另一端因亚单位的脱落而简短的现象。

Actin is a globular protein that polymerize helicaly forming actin filaments(or microfilaments), which like the other two components of the cellular cytoskeleton form a three-dimensional network inside an eukariotic cell.Actin filaments provide mechanical support for the cell, determine the cell shape, enable cell movements(through pseudopods);and participate in certain cell junctions, in cytoplasmic streaming and in contraction of the cell during cytokinesis.In muscle cells they play an eential role, along with myosin, in muscle contraction.In the cytosol, actin is predominantly bound to ATP, but can also bind to ADP.An ATP-actin complex polymerizes faster and diociates slower than an ADP-actin complex.Actin is also one of the most highly conserved proteins, differing by no more than 5% in species as diverse as algae and humans.The globular Actin is known as G-actin, while the filamentous polymer composed of G-actin subunits(a microfilament), is called F-actin.The microfilaments are the thinest component of the cytoskeleton, measuring only 7nm in diameter.Much like the microtubules, actin filaments are polar, with the plus(+)end elongating approximately 10 times faster than the minus(-)end.(Known as the treadmill effect).4、微丝结合蛋白

1）肌肉收缩系统中的有关蛋白：

肌球蛋白

原肌球蛋白

肌钙蛋白

2）非肌肉细胞中微丝结合蛋白:

肌球蛋白

原肌球蛋白

α-辅肌动蛋白

5、微丝结合蛋白将微丝组织成以下三种主要形式：

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。

6、微丝功能：

1）维持细胞形态，赋予质膜机械强度

2）以微绒毛的形式促进营养物质的快速吸收

3）通过应力纤维介导细胞间或细胞与基质表面的粘着，进而影响细胞形态形成，细胞分化和组织的形成4）形成胞质分裂环参与胞质分裂

5）参与肌肉收缩

7、由神经冲动诱发的肌肉收缩基本过程

1）动作电位的产生

2+

2）Ca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 2012年 翟中和版《细胞生物学》考研参考笔记

————安雨（整理）

三、微管

1、微管的结构和组成1）微管的成分：微管是存在于所有真核细胞中由微管蛋白组成的管状结构，对低温、高压和秋水仙素敏感。微管蛋白包括α微管蛋白和β微管蛋白两种，这两种蛋白亚基形成微管蛋白异二聚体，是微管装配的基本单位。

2）微管的形态：微管是由 微管蛋白二聚体装配成的长管状细胞器结构，平均外径为24nm，内径是15nm，微管壁由13根原纤维构成；微管可装配成单管,二联管(纤毛和鞭毛中),三联管(中心粒和基体中)。

3）微管附属结构功能：

稳定微管

 构成微管间的连接，使微管呈一定的排列

使微管与其他结构，主要是膜结构相联接

④ 产生动力

The organization of tubulin subunits in a microtubule.The subunits are aligned end to end into a protofilament(magenta highlight).The side-by-side packing of protofilaments forms the wall of the microtubule.In this model, the protofilaments are slightly staggered so that a-tubulin in one protofilament is in contact with a-tubulin in the neighboring protofilaments.2、微管的装配

1）装配过程：α-微管蛋白和β-微管蛋白形成8nm长度的αβ二聚体,αβ二聚体先形成原纤维(protofilament),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。

2)体外微管装配条件

微管蛋白浓度:微管蛋白装配低于一定浓度(临界浓度)时,不发生微管聚合,临界浓度随温度和其他聚合条件的变动而异

 最适PH值：PH=6.9



离子：Ca2+尽可能去除，Mg2+为装配所必需

④ 温度：37度装配，0度时解聚

⑤ GTP供应

3)所有的微管都有确定的极性。

微管有“头”、“尾”之分。微管的起始端为尾，（-）极，生长端为头，（+）极，（-）极指向MTOC，（+）极背向MTOC。装配主要在（+）极添加或释放异二聚体。4)具有踏车现象。

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，这一现象称踏车现象。

3、微管中心组织

1）概念： 微管在生理状态或实验处理解聚后重新装配的发生处称为微管组织中心(microtubule organizing center, MTOC)。

2）常见微管组织中心

间期细胞MTOC： 中心体(动态微管)

分裂细胞MTOC：有丝分裂纺锤体极(动态微管)

鞭毛纤毛细胞MTOC：基体(永久性结构)

4、微管特异性药物

1）秋水仙素(colchicine)阻断微管蛋白组装成微管，可破坏纺锤体结构。

2）紫杉酚(taxol)能促进微管的装配,并使已形成的微管稳定。

5、微管相关蛋白质

1）τ蛋白：加速微管蛋白聚合；

2）MAP1:在微管间形成横桥，但并不使微管成束

3）MAP2：在微管间及微管与中间纤维间形成横桥，能使微管成束；

4）MAP4：具有高度稳定性

6、微管功能

1）维持细胞形态

2）细胞内物质的运输真核细胞内部是高度区域化的体系, 细胞中合成的物质、一些细胞器等必须经过细胞内运输过程。

神经元轴突运输

色素颗粒的运输 2012年 翟中和版《细胞生物学》考研参考笔记

————安雨（整理）

3）鞭毛运动和纤毛运动

纤毛和鞭毛的运动形式

纤毛与鞭毛的结构

 纤毛运动机制 4）纺锤体与染色体运动 5）细胞器的定位

四、中间纤维

中间纤维（intermediate filaments，IF）直径10nm左右，因其直径介于肌粗丝和细丝之间, 故命名为中间纤维。

1、类型：

IF 成分比微丝和微管都复杂，可根据组织来源的免疫原性分为5类 ：

1）角蛋白纤维（keratin filament),存在于上皮细胞中；

2)波形纤维（vimentin filament），存在于间质细胞和中胚层来源的细胞；

3）结蛋白纤维（desmin filament），存在于肌细胞中；

4)神经元纤维（neurofilament)，存在于神经元中；

5)神经胶质纤维(neuroglial filament)存在于神经胶质细胞中。There are five different types of Intermediate filaments:

Types I and II: Acidic Keratin and Basic Keratin, respectively.Produced by different types of epithelial cells(bladder, skin, etc).Type III.Intermediate filaments are distributed in a number of cell types, including: Vimentin in fibroblasts, endothelial cells and leukocytes;desmin in muscle;glial fibrillary acidic factor in astrocytes and other types of glia, and peripherin in peripheral nerve fibers.Type IV Neurofilament H(heavy), M(medium)and L(low).Modifiers refer to the molecular weight of the NF proteins.Another type IV is “internexin” and some nonstandard IV's are found in lens fibers of the eye(filensin and phakinin).Type V are the lamins which have a nuclear signal sequence so they can form a filamentous support inside the inner nuclear membrane.Lamins are vital to the re-formation of the nuclear envelope after cell division.2、结构特征

中间纤维蛋白分子由一个310个氨基酸残基形成的α螺旋杆状区，以及两端非螺旋化的球形头（N端）尾（C端）部构成。杆状区是高度保守的，由螺旋1和螺旋2构成，每个螺旋区还分为A、B两个亚区，它们之间由非螺旋式的连结区连结在一起 ；头部和尾部的氨基序列在不同类型的中间纤维中变化较大，可进一步分为①H亚区：同源区；②V亚区：可变区；③E亚区：末端区

Each intermediate filament monomer consists of an alpha helical rod domain which connects the amino(head)and carboxyl(tail)terminals.The figure below

shows some examples of monomers.3、中间纤维装配

1）两条中间纤维多肽链形成超螺旋二聚体；

2）两个二聚体反向平行以半交叠方式构成四倍体；

3）四倍体首尾相连形成原纤维；

4）8根原纤维构成圆柱状10nm纤维。

The rods coil around another filament like a rope to form a dimer.The N and C terminals of each filament are aligned.Some Intermediate filaments form homodimers;other form heterodimers.These dimers then form staggered tetramers that line up head-tail.Note that the carboxy and amino terminals project from this protofilament.This tetramer is considered the basic subunit of the intermediate filament.4、中间纤维结合蛋白（IFAPs）及其判定标准

1）中间纤维结合蛋白是一类在结构和功能上与中间纤维有密切联系，但其本身不是中间纤维结构组分的蛋白

2）确定中间纤维结合蛋白的标准：

在细胞内与中间纤维共分布；

抗高盐与非离子去垢剂的抽提，与中间纤维共同分离

与中间纤维经历相同的解聚和重装配周期；

④在体外能与中间纤维结合5、IFAPs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。2012年 翟中和版《细胞生物学》考研参考笔记

————安雨（整理）

6、中间纤维功能

1）增强细胞抗机械压力的能力

2）角蛋白纤维参与桥粒的形成和维持

3）结蛋白纤维是肌肉Z盘的重要结构组分，对于维持肌肉细胞的收缩装置起重要作用 4）神经元纤维在神经细胞轴突运输中起作用 5）参与传递细胞内机械的或分子的信息 6）中间纤维与mRNA的运输有关 7）中间纤维在细胞分化有重要的作用

7、细胞质骨架三种组分的比较

第二节

细胞核骨架

一、核基质(Nuclear Matrix)

1、细胞核骨架：指存在于真核细胞内的以蛋白成分为主的纤维网架结构

1）狭义的核骨架：仅指核基质；

2）广义的核骨架：包括核基质、核纤层和核孔复合体。

2、成分：

1）核骨架蛋白：与富含AT的DNA序列即核骨架结合序列结合。

The interphase nucleus is thought to contain a 3-dimensional filamentous protein network referred to as nuclear matrix(also: scaffold, skeleton).It provides a framework to maintain the overall size and shape of the nucleus.The matrix acts as a structural attachment site for the DNA loops during the interphase: evolutionary highly conserved 300-1000 bp long DNA sequences, referred to as SARs(Scaffold Aociated Regions), have been identified that define the base of DNA loops, anchoring them to specific proteins.By means of such chromosomal attachment sites, the matrix might help to organize chromosomes, localize genes, and regulate DNA transcription and replication within the nucleus.2）核骨架结合蛋白

转录因子

各种相关酶类

 受体

④ 供体

3、核骨架结合序列

1）DNA序列中的核骨架结合序列(matrix aociated region, MAR)这部分DNA与核骨架蛋白的结合不为高盐溶液抽提所破坏,在基因表达调控中有作用

2）核骨架结合序列的基本特征

 富含AT

 富含DNA 解旋元件(DNA unwinding elements)

 富含反向重复序列(Inverted Repeats)

④ 含有转录因子结合位点。3）核骨架结合序列功能

 通过与核骨架蛋白的结合，将DNA放射环锚定在核骨架上；

 作为许多功能性基因调控蛋白的结合位点。

4、核骨架功能

1）核骨架与DNA复制有关

2）核骨架与基因表达有关

3）核骨架与病毒复制有关

4）核骨架与染色体构建有关

The nuclear matrix is a network of proteins that provides a structural framework for organising chromatin, while facilitating transcription and replication.Until recently attachment to the nuclear matrix was regarded as static, functionally segregating chromatin into loop domains.二、染色体支架

1、概念：是指染色体中由非组蛋白构成的结构支架。

2、染色体支架的真实性

1）银染法能选择性地显示染色体轴结构

2）DNA酶和RNA酶处理或用0.4mol/L H2SO4处理去除组蛋白,对染色体轴没有影响,用胰蛋白酶消化则染色体轴破坏,说明染色体轴是非组蛋白性的。

3）染色体骨架/放射环模型在分子水平上得到两个直接证据

3、染色体支架与 核骨架的关系

1）有些工作显示，染色体支架与 核骨架中存在相同的蛋白成分；

2)核骨架的某些结构组分可能在分裂期中转变为染色体支架

三、核纤层 2012年 翟中和版《细胞生物学》考研参考笔记

————安雨（整理）

1、概念：是位于核内层核膜下的纤维蛋白片层或纤维网络，是由1~3种核纤层蛋白多肽组成。

2、形态结构

核纤层纤维的直径为10nm，纵横排列整齐，呈正交状编织成网络，分布于内层核膜与染色质之间，一般认为核纤层结构整体观呈一球状或笼状网络，切面观呈片层结构。在分裂期细胞，核纤层解体，以蛋白单体形式存在于胞质中。

3、成分：是核纤层蛋白(Lamin)，哺乳动物和鸟类细胞中有：

1）核纤层蛋白A

2）核纤层蛋白B

3）核纤层蛋白C4、核纤层蛋白的分子结构及其与中间纤维蛋白的关系

核纤层与中间纤维的共同点：

1）两者均形成10nm纤维;

2）两者均能抵抗高盐和非离子去垢剂的抽提;

3）某些抗中间纤维蛋白的抗体能与核纤层发生交叉反应，说明两者之间存在共同的抗原决定簇；

4）核纤层是核骨架与中间纤维之间的桥梁；

5）核纤层蛋白是中间纤维蛋白家族成员.5、核纤层在细胞周期中的变化

1）A型核纤层蛋白：在组装核纤层时，通过蛋白水解失去C端(异戊二烯化)，核膜崩解, 核纤层解聚时, A型核纤层蛋白以可溶性单体形式弥散到胞质中。

2）B型核纤层蛋白：则永久法尼基化(farnesylated)，与核膜小泡保持结合状态,当核膜重现时,在染色体周围重装配, 形成子细胞的核纤层。

6、核纤层的功能

为核膜及染色质提供了结构支架

7、细胞核装配的基本步骤：

1)2nm的DNA双螺旋与组蛋白8聚体形成核小体；

2)以6个核小体为单位盘绕为直径为30nm的螺线管；

3)30nm螺线管形成DNA复制环结合于核骨架上，骨架蛋白中可能有DNA拓扑异构酶Ⅱ组分，此时的染色质类似于中期染色体，染色质处于凝聚状态；

4)在此基础上，染色质发生构象改变或被修饰，能与核纤层蛋白结合；进而与核膜小泡结合；

5)一旦核纤层和核膜包绕染色体，进一步的体积扩增与核膜小泡融合有关，核膜小泡融合形成双层核膜；

6)染色质解凝聚，核体积进一步扩增，DNA拓扑异构酶的活性与染色质解凝聚有关。