第10章细胞骨架(Cytoskeleton)_10第十章细胞骨架

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第十章 细胞骨架（Cytoskeleton）

教学目的： 1 掌握细胞骨架的概念掌握细胞骨架各成分性质、结构与功能 3 了解细胞的各种运动形式

教学重点：1 细胞骨架的狭义及广义概念 2 细胞骨架各成分性质、结构与功能 教学难点：细胞骨架各成分之间的关系 讲授与讨论

概述 细胞骨架是真核细胞中的蛋白纤维网架体系，可以说是迄今为止，最新发现的一类细胞器，也是当前细胞生物学研究中最活跃的领域之一，并且这种研究正方兴未艾。

真正确认细胞中骨架系统的存在，则是在本世纪60年代，人们对制作电镜标本的固定剂和条件作了改动之后。1963年，Slauterback使用戊二醛（代替锇酸）在室温（代替0℃）下固定标本，首先在水螅刺细胞中发现了细胞骨架成分之——微管，同年，Porter在植物细胞中也发现了微管的结构。

那么细胞骨架的概念如何呢？包括哪些内容呢？ 细胞骨架是真核细胞中的蛋白纤维网架体系。早期狭义的范围主要指胞质骨架，现代广义的理解应为： 细胞骨架（cell skeleton）

细胞骨架的主要功能是（1）维持细胞形态多样性（2）行使细胞运动（3）保持细胞内结构的合理空间布局与有序性（4）细胞内物质的传递与运输（5）参与细胞内信号传导（6）作为多种蛋白、酶和细胞器的支持点（7）参与蛋白质合成（多聚体3，端锚定在骨架纤维上才启动）（8）核骨架、染色体骨架参与染色质和染色体的构建（9）核骨架为基因表达提供空间支架（10）细胞骨架参与细胞周期的调节，并与细胞分化和细胞衰老关系密切。

第一节 细胞质骨架（Cytoskeleton）

一、微丝（microfilament,MF）

即肌动蛋白纤维（actin microfilament），是真核细胞中由肌动蛋白组成，直径约7nm的骨架纤维。

微丝在细胞中可以两种状态存在，一种是微丝互相平行排列成束，形成有规则的稳定结构，如肌细胞中形成粗丝和细丝。另一种状态是网络状，在非肌细胞中这种状态较多。

（一）化学组成微丝是由总称为收缩蛋白（Contractile P）的物质组成，主要是肌动蛋白和微丝结合蛋白。肌动蛋白（actin）是由一条多肽链构成的哑铃（颗粒）形分子，分子量为43000（43KD）。以单体或多聚体的形式存在。单体的肌动蛋白呈球状（哑铃形），称G-肌动蛋白。目前已分离出6种。多聚体的肌动蛋白呈纤维状，称F-肌动蛋白；单体具有极性，装配时呈头尾相接，故微丝具极性。F-肌动蛋白往往以双股螺旋形式存在（两条肌动蛋白单链呈右手螺旋盘绕形成的纤维）。近几年来有人提出，微丝是由一条肌动蛋白单链形成的右手螺旋。微丝结合蛋白 除肌动蛋白作为微丝的主要成分外，在不同细胞中的不同微丝，还可以有不同的微丝结合蛋白，共同形成独特的结构并执行特定的功能。

（1）与肌肉收缩有关的微丝结合蛋白 包括肌球蛋白、原肌球蛋白和肌钙蛋白三种。

肌球蛋白（myosin）

原肌球蛋白（tropomysin，Tm）。肌钙蛋白（tropnin）

（2）非肌肉细胞中的微丝结合蛋白

横连蛋白 提供肌动蛋白的结合部位，将几条肌动蛋白丝连结起来。主要包括：α-辅肌动蛋白、细丝蛋白、毛缘蛋白、纽带蛋白等。

戴帽蛋白（切断和封端蛋白）可结合到肌动蛋白丝的一端，调节丝的长度和装拆，如凝溶蛋白、断解蛋白、绒毛蛋白等。

单体稳定蛋白 可结合肌动蛋白单体，抑制G-肌动蛋白的聚合。

（二）装配

微丝是一种动态结构，持续进行组装和解聚。微丝可以随环境不同发生装配和解聚。G-actin可在微丝两端添加，但（+）极组装的速度较（-）极快，在一定条件下，可表现为一端因加亚单位而延长，另一端因亚单位脱落而减短，这种现象称踏车行为。

（三）特性

微丝对某些药物具明显的反应，其中主要的一种是细胞松弛素B（cytochalasin B），是从真菌长蠕孢代谢物中提取的一种生物碱，对微丝具有专一破坏作用（可切断微丝）。可利用此特性来研究微丝在细胞中的作用。

鬼笔环肽则可抑制肌动蛋白丝的解聚，使肌动蛋白纤维稳定。只与F肌动蛋白结合，而不与G肌动蛋白结合。

（四）功能 从已有资料来看，微丝具有多方面功能，但主要表现在两大方面：一是与微管一样起支架作用，维持细胞形状；二是参与细胞的各种运动。下面仅就微丝的运动作用作一介绍。1 肌肉收缩

（1）结构与化学组成肌肉→肌纤维束→肌纤维（肌细胞）→肌原纤维。此外，肌纤维中还有横小管和肌质网等。

肌原纤维的结构：光、电镜下观察，肌原纤维上排列着整齐的明、暗相间的带（横纹）。与Z线相连的为细肌丝，处于暗带的为粗肌丝。肌节就是由粗、细肌丝平行相间排列而成。（2）收缩机制

电镜下观察肌肉收缩时肌原纤维的变化，发现A带长度不变，只是Ⅰ带随收缩程度不同而有变化，由此推论粗肌丝的长度是不变的。

又知道，从一个肌节的H带未端到下一个肌节的H带起端，这一距离等于细肌丝总长度，当肌肉作最大收缩时，H带消失，而这一距离总长度未变，故认为细肌丝的长度也未发生变化。

据上述现象，1959年，赫胥黎和汉森（Huxley ＆ Hanson）提出了肌肉收缩的滑动学说——“滑动丝模型”，认为在肌肉收缩时肌纤维长度的改变是由于两类肌丝相互滑动之结果，微绒毛 微绒毛的轴心结构是典型的高度有序的微丝束，不具收缩功能。3 应力纤维 应力纤维是真核细胞质的平行排列的微丝束，具有收缩功能。可能在细胞形态发生、细胞分化和组织形成等方面发挥作用。4 细胞质流动（cytoplasmic streaming）有两种细胞质流动方式：胞质川流和穿梭运动。细胞移动 指整个细胞的运动：a、具鞭毛、纤毛的细胞运动（眼虫、草履虫、精子等）靠微管滑动；b、不具鞭毛、纤毛的运动（变形虫、白血球、巨噬细胞）靠微丝运动的，胞质溶液中的微丝束。6 在细胞分裂中的作用（胞质分裂环）

二、微管（microtubule）

（一）形态结构及化学组成微管是细胞质中细长而具一定硬性的圆管状结构（中空圆筒状），外径24~25nm；内径15nm，长度变化不等，可达数微米。它是一种蛋白质性质的细胞器，广泛存在于真核细胞中（近来在少数细菌中也有发现）。1967—1968年发现组成微管的化学成分主要是微管蛋白（tubulin），是一种酸性蛋白质。1971年知道这种蛋白质有两个亚基（两型）——α型和β型。通常情况下，二者结合在一起，成为异二聚体，是构成微管的基本单位。组成微管的化学成分除微管蛋白外，还包括其它一些蛋白质。通称为微管关联蛋白。主要分为两类：一是微管动力蛋白（马达分子），如Kinesin、Dyenin 等。对物质延微管运动起定向驱动作用。二是微管结合蛋白，已发现两大家族，即MAP蛋白类和Tau蛋白类。它们对骨架空间构建及细胞形态建成的关系极为密切。另外，还有一种称为tau蛋白，它可以控制微管延长。

（二）微管的装配 微管是一种不断更新、多变的细胞器，能自行聚合（装配）和解聚（分解）。装配方式是：首先α微管蛋白和β微管蛋白形成αβ二聚体，然后二聚体首尾相接形成原纤维，进一步经过侧面增加而扩张成片层。当聚合达到13条原纤维时，合拢形成一段微管（带状→片状→筒状）。新的二聚体不断添加上去，使微管延长。

（三）微管的特性（properties）

微管对某些外界因子敏感 首先低温和高钙可促进微管分解。此外，每一异二聚体上有秋水仙素和长春花碱等的结合位点，一旦结合则阻止微管聚合，并引起原有微管解聚。所以秋水仙素是微管的专一性抑制剂，常用作细胞分裂的阻断剂。

紫杉酚，重水（D2O），二者可促进微管装配，增加其稳定性。

（四）微管的功能

微管具有多方面功能，主要是支架和运动，现综合如下： 1 支架作用——维持细胞形状 2 控制细胞内物质运输 3 参与非肌细胞的运动控制细胞分裂时染色体的运动微管组成的细胞器——中心粒、基体

三、中间纤维（丝）（intermediate filament，IF）亦称中等纤维或居间纤维。直径介于微管与微丝（粗肌丝与细肌丝）之间，直径10nm。无论秋水仙素，还是细胞松弛素B对此均无作用。

（一）成分

中间纤维成分复杂，类型多样。根据中间丝组织来源及免疫性性质不同分为：

○1张力丝（角蛋白丝）：又称张力原纤维，存在于动物上皮、表皮细胞，由角蛋白组成。（如桥粒的胞质斑上）。

○2结蛋白丝：存在于平滑肌，由结蛋白组成，为肌球、肌动蛋白丝提供支架。

○3波形丝：存在于成纤维细胞、间质细胞、中胚层来源的细胞，外形呈波纹状，由波形纤维蛋白组成。○4神经丝：存在于神经细胞，组成网状。○5神经胶质纤维：存在于神经胶质细胞。

（二）结构特征及装配非螺旋化的头部（N端）和非螺旋化的尾部（C端），其氨基酸顺序和肽链长度在不同中间纤维中差别较大。中部为中间纤维的主干，称为杆部（rod），长40-50nm，是由两个相邻亚基的对应α-螺旋区形成的双股超螺旋。此部分高度保守，在不同中间纤维都是类似结构。

在形成中间纤维时，首先是两条中间纤维多肽链形成超螺旋二聚体，然后两个二聚体反向平行以半交叠方式形成四聚体，再由四聚体首尾相接形成原纤维，最后每8根原纤维构成圆柱状的10nm中间纤维。

（三）功能 目前，对中间丝的功能了解甚少，根据现有资料，综合归纳下面几点：○1比微管、微丝耐消化（相当稳定），估计对核有固定作用，强制细胞核处在一定位置。○2可能与微管、微丝一起，共同起某些物质的运输作用。○3细胞分裂时可能对纺锤体和染色体有空间定向支架作用，并负责子细胞中细胞器的分配与定位。另外，通过桥粒，中间纤维在细胞间连续，对维持上皮连续性至关重要。由于中间纤维蛋白的表达具有组织特异性，推测它与细胞分化关系密切，对胚胎发育，上皮分化有影响作用。另外，对RNA的运输及转译活动有影响。

四、微梁网架（microtrabecular lattice）

微梁网架是70年代由美国学者Porter用超高压电镜发现的，是细胞质中一些细短纤维连接成的不规则的网架（示图）。直径在2—3nm、3—4nm长度一般小于0.2μm。这些纤维在细胞质中不形成集束，主要横跨在微管与微丝之间，形成致密的立体网络，起更精密的支架作用。第二节 细胞核骨架

一、核基质

二、染色体骨架

三、核纤层 参考资料：

[1] 潘玉芝，细胞骨架，细胞生物学杂志 1981，2 [2] 潘玉芝，细胞骨架，细胞生物学杂志 1981，3 [3] 汪德耀译，微管上，细胞生物学杂志，1982，1 [4] 汪德耀译，微管下，细胞生物学杂志，1982，2 [5] 卫林祥译，细胞骨架结构及功能上 细胞生物学杂志 1982，4 卫林祥译，细胞骨架结构及功能下 细胞生物学杂志 1983，1 [6] 王祖武 自然杂志 1986，9（17）：40—42