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第十章 细胞骨架

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10.第十章 细胞骨架 细胞生物学

10.第十章 细胞骨架 细胞生物学

●微管结合蛋白(MAP)
●微管功能 ★
一、微管结构与组成
（一）微管的成分
αβ微管蛋白二聚体是细胞质游离态微管蛋白的
主要存在形式，也是微管组装的基本结构单位。
在二聚体上有鸟嘌呤核苷酸的两个结合位点；
一个秋水仙素的结合位点；一个长春花碱的结合位
点；二价阳Байду номын сангаас子结合位点。
两种微管蛋白形成的二聚体： α－微管蛋白有一个GTP结合位点（不可交换位点， N位点）， β－微管蛋白也有一个GTP结合位点（可交换位点，E位点）。
• ATP肌动蛋白浓度高时：在末端聚合的速度大，聚集形 成ATP帽 (ATPcap)； • ATP肌动蛋白浓度低时：聚合速度下降，但ATP水解的 速度不变，故ATP帽不断缩小，最后暴露出ADP肌动蛋 白，其对末端亲和力小，不断从末端解离，使纤维缩短。
因此，就每一根微丝来说，长度一般不是固定不变
的，而是呈动力学不稳定状态。
第十章 细 胞 骨 架
细胞骨架（广义）
细胞外基质骨架
细胞膜骨架 细胞质基质骨架（狭义）
核骨架
细胞质基质骨架（狭义）
微管 微丝 中间纤维
细胞骨架（狭义）=细胞质骨架
细胞骨架：是指存在于真核细胞中的蛋白纤维网架体系。
细胞质基质骨架：A微丝、B中间纤维、C微管
5-8nm
用途：处理细胞后，显示细胞中的微丝；同时也可破坏微丝的网络结构，
阻止细胞运动。
四、 微丝结合蛋白
同微丝结合的蛋白,可协同微丝形成多 种不同的亚细胞结构如应力纤维、肌肉肌
原纤维、精子顶端的刺突。
微丝结合蛋白
◆ 肌肉收缩系统中的主要结合蛋白有：肌球蛋白、
原肌球蛋白、肌钙蛋白。 ◆ 非肌肉细胞系统中的主要结合蛋白有：

第十章 细胞骨架

第十章 细胞骨架


微管结合蛋白：是与微管结合的辅助蛋白，并与微管共存，
参与微管的装配。
微管的形状：中空的管状结构，内径15nm，厚5nm。
微管蛋白由α蛋白和β蛋白形成一个异源二聚体。
微管结合蛋白
微管的存在类型
单管：由13根原纤维组成，是细胞质中常见的形 式，其结构不稳定，易受环境因素而降解。 二联管：由A，B两根单管组成，A管由13根原纤 维，B管有10根原纤维，与A管共用3根原纤维，主要 分布于纤毛、鞭毛内。
后逐渐发现许多非肌细胞的myosin，目前已知的有15种类
型（myosin I-XV）。 Myosin II是构成肌纤维的主要成分之一。由两个重链 和4个轻链组成，重链形成一个双股α 螺旋，一半呈杆状， 另一半与轻链一起折叠成两个球形区域，位于分子一端， 球形的头部具有ATP酶活性
5.参与细胞、Ga2+、Na+、K+的浓 度及药物的影响。 影响微丝组装、去组装的主要药物有细胞松驰素B等。
微丝的主要功能
1.构成细胞的支架 微丝不能单独发挥作用，必须形成网络结构或成束
状结构才能发挥作用。
微绒毛

形态结构特征：是细胞表面的一种特化结构，其核
心是由20-30个同向平行的微丝组成束状结构其中有 微丝结合蛋白绒毛蛋白和毛缘蛋白。另外还有肌球 蛋白-1和钙调蛋白将微丝与绒毛处的质膜相连。正 是由于微丝及其结合蛋白的存在，才使得微绒毛的 形状得以维持。
肌动蛋白是一个由375个氨基酸组成的单链多肽，与一
分子的ATP相连。称为球形-肌动蛋白。微丝是由球形-肌 动蛋白形成的聚合体，也称纤维状-肌动蛋白。微丝的结 构也具有极性，有正负极之分。
微丝结合蛋白
微丝结合蛋白的种类较多，且功能复杂。目前在

细胞生物学-1第十章：细胞骨架与细胞运动

细胞生物学-1第十章：细胞骨架与细胞运动

10. 细胞骨架与细胞运动细胞除了含有各种细胞器外, 在细胞质中还有一个三维的网络结构系统，这个系统被称为细胞骨架(图10-1)。

图10-1 细胞骨架系统10.1 细胞骨架(cytoskeleton)的组成和功能细胞除了具有遗传和代谢两个主要特性之外, 还有两个特性, 就是它的运动性和维持一定的形态。

细胞骨架是细胞运动的轨道,也是细胞形态的维持和变化的支架。

10.1.1 细胞骨架的组成和分布¦ 组成细胞骨架是细胞内以蛋白质纤维为主要成分的网络结构,由主要的三类蛋白纤丝(filamemt)构成，包括微管、微丝（肌动蛋白纤维）和中间纤维。

¦分布微管主要分布在核周围, 并呈放射状向胞质四周扩散。

微丝主要分布在细胞质膜的内侧。

而中间纤维则分布在整个细胞中(图10-2)。

12图10-2 细胞骨架的三类主要成分及其分布10.1.2 细胞骨架的功能什么是细胞骨架?在细胞内的主要功能是什么?细胞骨架对于维持细胞的形态结构及内部结构的有序性，以及在细胞运动、物质运输、能量转换、信息传递和细胞分化等一系列方面起重要作用。

¦作为支架(scaffold),为维持细胞的形态提供支持结构，如红细胞质膜膜骨架结构维持。

¦在细胞内形成一个框架(framework)结构,为细胞内的各种细胞器提供附着位点。

细胞骨架是胞质溶胶的组织者，将细胞内的各种细胞器组成各种不同的体系和区域的网络结构。

¦为细胞器的运动和细胞内物质运输提供机械支持。

细胞骨架作为细胞内物质运输的轨道；在有丝分裂和减数分裂过程中染色体向两极的移动，以及含有神经细胞产生的神经递质的小泡向神经细胞末端的运输都要依靠细胞骨架的机械支持。

¦为细胞从一个位置向另一位置移动提供力。

一些细胞的运动结构, 如伪足的形成也是由细胞骨架提供机械支持。

纤毛和鞭毛等运动器官主要是由细胞骨架构成的。

¦为信使RNA提供锚定位点，促进mRNA翻译成多肽。

第十章 细胞骨架(Cytoskeleton)

第十章 细胞骨架(Cytoskeleton)

成束蛋白：将相邻的微丝交联成平行排列
如：丝束蛋白、绒毛蛋白、 α-辅肌动蛋白。
凝胶形成蛋白：将微丝连接成网状
如：细丝蛋白
4、交联蛋白
A、成束蛋白将相邻的微丝交联成束状结构。丝束蛋白和绒毛蛋白等交联而成的微丝 束为紧密包装型，肌球蛋白不能进入，无收缩功能；B、由α-辅肌动蛋白交联形成 的微丝束相邻的纤维之间比较宽松，肌球蛋白可以进入与之相互作用，可收缩。 C、细丝蛋白将微丝交联成网状。
三、微丝主要结构成分—肌动蛋白的类型
哺乳动物和鸟类已分离到6种肌动蛋白：4种α-肌动蛋白，分别
为横纹肌、心肌、血管平滑肌和肠道平滑肌所特有。另两种为
β-肌动蛋白和γ-肌动蛋白，存在于所有肌细胞和非肌细胞中。
特点：同源性很高，常作为内参基因。但微小差异可能上的变化。
四、微丝特异性药物
◆细胞松弛素(cytochalasins)：可以切断微丝,并结合
马达结构域 2条重链
在心肌、骨骼肌、 平滑肌、收缩环、 张力纤维等产生 强大的收缩力。
内吞作用和吞噬泡运输 细胞内膜泡 和其他细胞 器的运输
部分肌球蛋白超家族成员的结构示意图
（二）肌球蛋白的结构


三个功能结构域：马达结构域、调控结构域和“货物” 结合的尾部结构域。 Ⅱ型肌球蛋白：在肌细胞中，组装成肌原纤维的粗丝， 在非肌细胞中，与收缩环的动态结构以及应力纤维的 活动相关。
（3）动力蛋白

特点：既有与微丝或微管结合的马达结构域，又有与
膜性细胞器或大分子复合物特异结合的“货物”结构
域，利用水解ATP所提供的能量有规则地沿微管或微丝
等细胞骨架纤维运动。
（一）肌球蛋白的种类

组装成粗肌丝的单位，肌球蛋白的头部和组成微丝的肌动蛋白 亚基之间的相互作用导致粗丝和细丝之间的滑动。

细胞生物学第十章_细胞骨架

细胞生物学第十章_细胞骨架

微绒毛： MF同向平行排列
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
当细胞受到外界 刺激时开始运动， 应力纤维发生变 化或消失
培养的上皮细胞中的应力纤维 （微丝红色、微管绿色）
MF反向平行排列
MF相互交错排 列
肌肉的组成
• 由肌原纤维组成，肌原纤维的粗肌丝主要成分是 肌球蛋白，细肌丝主要成分是肌动蛋白、原肌球 蛋白和肌钙蛋白。
• 研究细胞的内部工作机制，窥视细胞如何分裂。通过这些观察，可以揭开癌症工作机 制和组织生长之谜。
二、微丝结合蛋白
• 已知的的微丝结合蛋白有100多种，如： • 1 ．核化蛋白：使游离actin核化，开始组装，Arp • 2．单体隐蔽蛋白：阻止游离actin向纤维添加，thymosin • 3．封端蛋白：使纤维稳定，Cap Z • 4．单体聚合蛋白：将结合的单体安装到纤维，profilin • 5．微丝解聚蛋白：cofilin • 6．交联蛋白：fimbrin • 7．纤维切断蛋白：gelsolin • 8．膜结合蛋白：vinculin
• 单体呈哑铃形，称G-actin；多聚体称F-actin。 • 结构高度保守，酵母和兔子actin有88%的同源性。 • 需要翻译后修饰，如N-端乙酰化或组氨酸残基的甲基化。
(二)微丝的装配
• 条件：ATP、适宜温度、K+和Mg2+。
• 过 程 ： 2-3 个 actin 聚 集 成 核 心 （ 核 化 ） ； ATPactin分子向核心两端加合(延伸)。
• 属于马达蛋白，多数趋向微丝的（+）极。
• 肌球蛋白II构成粗肌丝。由2重链和4轻链组成，具有2 球形的头和1螺旋化的干，头部有ATP酶活性。

细胞生物学10 细胞骨架ppt

细胞生物学10 细胞骨架ppt

微管——形态、结构与组成

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)，在细胞中呈网状或束状分布，并能与其 他蛋白共同装配成纺锤体、基粒、中心粒、鞭毛、纤 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

微管存在于所有真核 细胞中(极少数例外， 如红细胞)，而所有原 核细胞中都没有微管
连接成束或成网的程度
微丝——特异性药物

细胞松弛素(cytochalasins)，可以切断微丝，
并结合在微丝正极阻抑肌动蛋白聚合，破坏微 丝的三维网络，但不明显导致微丝解聚 鬼笔环肽(philloidin)与微丝侧面结合，防止 MF解聚

微丝的特异性药物
(1) 细胞松弛素(cytochalasins)
动态结构的微丝：在多数非肌肉细胞中，微丝是 一种动态结构，持续进行装配和解聚，与细胞形 态维持及细胞运动有关。
微绒毛 胞质分 裂环
永久性结构
暂时性结构
• MF动态变化与细胞生理功能变化相适应
• 在体内，有些微丝是永久性的结构，如肌肉中的细丝、肠 上皮细胞微绒毛中的轴心微丝等；
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
• 有些微丝是暂时性的结构，如胞质分裂环中的微丝
微丝的装配
“-”极 “+”极
G-肌动蛋白
F-肌动蛋白(微丝)的右手螺旋结构
“+”极 肌动蛋白 单 体
“-”极
微丝装配的踏车现象
微丝——装配

体内装配时，MF呈现出动态不稳定性，主
要取决于纤维形肌动蛋白 (F-actin)结合的
ATP水解速度与游离的球形肌动蛋白(G-
actin) 单体浓度之间的关系，还有微丝横向

第十章-细胞骨架

第十章-细胞骨架

非肌细胞前缘肌动蛋白的聚合和伪足的形成
（五）微绒毛(microvillus) 是肠上皮细胞的指状突起，用以增加肠上皮细胞 表面积，以利于营养的快速吸收。 微丝束功能：支撑微绒毛，无收缩功能
微绒毛中的微丝和微丝结合蛋白
（六）胞质分裂环
胞质分裂环由大量反向平行排 列的微丝组成，其收缩机制是肌动 蛋白和肌球蛋白相对滑动。
2、Ca2+的释放：肌质网→肌浆
3、原肌球蛋白位移：暴露出肌动蛋白与肌球蛋白 结合位点 4、肌动蛋白丝与肌球蛋白丝的相对滑动：肌球蛋 白沿肌动蛋白丝滑动，水解ATP 5、Ca2+的回收 ：收缩停止
结合
分开
-端
+端
+端抬升
构象改变
Pi释放
-端 Ga2+
+端
第二节、微 管（Microtubules）及其功能
促进微管的装配，并使已形成的微管稳定。
三、微管组织中心(MTOC)
◆概念：在生理状态或实验处理时，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 (microtubule organizing center, MTOC)。
◆常见微管组织中心：
肌肉可看作一种特别富含细胞骨架的效力 非常高的能量转换器，它直接将化学能转变为 机械能。
（一）肌纤维的结构
骨骼肌及肌纤维的结构
粗肌丝与细肌丝的分子结构
（二）肌肉收缩系统中的有关蛋白
①肌球蛋白(myosin) 头部具ATP酶活力,沿微丝从负极到 正极进行运动。 主要分布于肌细胞，有两个球形头部结构域(具有 ATPase活性)和尾部链,多个Myosin尾部相互缠绕，形成 myosin filament,即粗肌丝。 ②原肌球蛋白(tropomyosin, Tm)由两条平行的多肽链形

第10章 细胞骨架

第10章 细胞骨架

第10章 细胞骨架
5．割断及解聚蛋白
第10章 细胞骨架
（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，并由微丝交联蛋白交联成凝胶态三维网络结构， 该区域通常称为细胞皮层（cell cortex）。 • 皮层内密布的微丝网络可以为细胞质膜提供强度和韧 性，有助于维持细胞形状，细胞的多种运动，如胞质 环流（cyclosis）、阿米巴运动（amoiboid）、变皱 膜运动 （ruffled membrane locomotion）、吞噬 （phagocytosis）以及膜蛋白的定位等。
（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G-actin和 F-actin
第10章 细胞骨架
（二）微丝的组装及其动力学特性 体外微丝的组装/ 去组装与溶液中所含肌 动蛋白的状态（结合ATP 或 ADP）、离子的种 类及浓度等参数相关联； 通常是微丝正极(+) 的组装速度较负极(-) 快； 微丝的组装过程；踏车行为（treadmilling）。
第10章 细胞骨架
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 2011 高等教育出版社
第10章 细胞骨架 细胞骨架的基本类型 及其分布 微丝（A） 微管（B） 中间丝（C） 叠加图 （D） 其中，微丝网络更接 近细胞的边缘。
第10章 细胞骨架
第一节 微丝与细胞运动
一、微丝的组成及其组装
第10章 细胞骨架
七、细胞内依赖于微管的物质运输
§依赖于微管的膜泡运输是个需能的靶向过程。依赖于
微管的马达蛋白主要有驱动蛋白 （kinesin）和胞质动 力蛋白（cytoplasmic dynein, CyDn），它们能将储存于 ATP 中的化学能转化成机械能，沿微管运输货物。

第十章-1细胞骨架

第十章-1细胞骨架

肌球蛋白Ⅰ 钙调蛋白
（2）参与细胞分裂
细胞分裂中形成收缩环（内含肌动蛋白纤维
和肌球蛋白纤维）

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。
微 丝 微 管 中间纤维
细胞核骨架 细胞质骨架
细胞膜骨架
细胞外基质
中间丝微丝微管微丝，又叫肌动蛋白纤维， 是由肌动蛋白构成的两股 螺旋形成的细丝，普遍存 在于真核细胞中
微管，是由微管蛋白单体 构成的基本组件形成的中 空的管状结构。普遍存在 于真核细胞中 中间纤维，又叫中间丝， 粗细位于微丝和肌球蛋白 粗丝之间，普遍存在于真 核细胞中，是三种骨架系 统中结构最为复杂的一种
2、影响微丝组装和去组装的因素
（1）G－肌动蛋白的浓度、ATP及离子浓度
（2）特异性药物
细胞松弛素B能抑制微丝聚合 鬼笔环肽能抑制微丝的解聚
3、微丝结合蛋白
是一类控制着微丝的结构和功能的蛋白质。与肌
动蛋白纤维结合，影响微丝长度，稳定性和构形。 目前发现的这类蛋白质已超过40种。 分类：

钙调素轻链
◆肌球蛋白的功能
不同种类肌球蛋白的特殊功能由它们 的尾部决定：
●肌球蛋白Ⅰ:运输作用
●肌球蛋白Ⅴ:运输作用 ●肌球蛋白Ⅱ:肌收缩、胞质分裂
（3）参与肌肉收缩
肌纤维 肌原纤维
粗、细肌丝
肌球蛋白
肌动蛋白 原肌球蛋白 肌钙蛋白
Z盘
胞质环流
微 丝 与 胞 质 环 流
-肌动蛋白(肌细胞)
肌动蛋白
-肌动蛋白(非肌细胞)

第十章 细胞骨架

第十章 细胞骨架

线虫C. elegans细胞中， 微管从中心体处发射出来
四、微管的动力学性质(了解） 五、 微管结合蛋白对微管网络结构的调节
微管结合蛋白（microtubule associated protein, MAP） -通常都是单基因编码，具有一个或数个带正电荷的微管结合域，该结构域 与带负电荷的（微管蛋白的C端所形成的）微管表面相互作用，具有稳定微 管的作用。
粘附
释放
2.钙释放
翘起
力的产生
3. 原肌球蛋白位移
粘附
第二节 微管及其功能
一、微管的结构组成与极性
微管呈中空的管状结构，其外径为24nm，内径为15nm 几乎存在于所有真核细胞中，但大部分微管在细胞质内形成暂时性的结构 间期细胞内的微管、分裂期细胞的纺锤体微管 另一些微管形成相对稳定的“永久性”结构 纤毛内的轴丝微管、神经元突起内部的微管束结构
驱动蛋白沿微管运动的分子模型有两种： ① “步行”(hand over hand) 模型 ② “尺蠖”(inchworm) 爬行模型
引发驱动蛋白沿微管持续向前移动的原因： ① 在每个驱动蛋白分子中有两个马达结构域的化学机械循环是互相协调的 ② 驱动蛋白的马达结构域在ATP酶循环的大部分时间里都与微观紧密结合
（一）肌球蛋白的种类及结构
肌球蛋白是一种特殊的酶，它能通过ATP 的水解引起构象的变化沿微丝运动，把化 学能转变为机械能，因此被称为机械化学 酶。或者称为motor蛋白。这种运动 以肌球蛋白为马达
以微丝为运动轨道 以ATP为能量燃料
马达结构域 - 肌球蛋白超家族成员间最保守的部位。
四、肌细胞的收缩运动
（四）细胞伪足的形成与细胞迁移 细胞运动主要通过肌动蛋白的聚合及与其他细胞结构组分的相互作用实现的。

第十章-细胞骨架

第十章-细胞骨架
C 细丝蛋白将微丝交联成网状结构。
5. 割断及解聚蛋白
➢ 凝溶胶蛋白在高Ca2+浓度下，能将较长的微丝切成片段， 使肌动蛋白由凝胶态向溶胶态转化；
➢ 长的微丝被切断产生游离小片段，可加速合成或降解； ➢ 丝切蛋白/肌动蛋白解聚因子能够与肌动蛋白单体或微丝
结合，加速解聚。
（二）细胞皮层
➢ 皮层：紧贴细胞质膜的胞质区域，并由微丝交联蛋白交联 成凝胶态三维网状结构。
松弛（B上）和收缩（C上）状态下，肌节中明暗带有规律的排列状态； 松弛（B下）和收缩（C下）状态下，粗肌丝和细肌丝的结构示意图； D 肌肉中粗肌丝横切图； E 肌肉中粗肌丝和细肌丝交汇处的电镜图，细肌丝围绕粗肌丝的六角形排列。
② 肌节的组成
粗肌丝
细肌丝
粗肌丝：肌球蛋白Ⅱ 肌节
细肌丝：肌动蛋白、原肌球蛋白、肌钙蛋白
④ 肌肉收缩的机制
粗
A. 肌纤维接受神经冲动
细 肌
B. 肌质网释放Ca2+
丝
相
C. 原肌球蛋白移位
对
滑
D. 粗细肌丝的相对滑动
动
示
E. Ca2+的回收
意
图
肌肉收缩过程图解 在初始状态，组成粗肌丝的肌球蛋白头部(马达 结构域)未结合ATP时，该肌球蛋白的头部与细肌 丝结合，并成僵直状态。 1-2 ATP结合到肌球蛋白头部导致与肌动蛋白纤 维的结合力下降，肌球蛋白与肌动蛋白分开； 3 ATP水解为ADP + Pi，水解产物仍与肌球蛋白 结合，获能的肌球蛋白头部发生旋转，向肌丝的 正极端抬升； 4 在Ca2+存在下，肌球蛋白头部与靠近肌丝正极 端的一个肌动蛋白亚基结合； 5 Pi释放，肌球蛋白颈部结构域构象改变，导致 肌球蛋白头部与细丝的角度发生变化，拉动细肌 丝导致细肌丝相对粗肌丝的滑动； 6 ADP释放，肌球蛋白的头部结构域与细肌丝之 间又回到僵直状态。

第十章-细胞骨架

第十章-细胞骨架
这种现象称为踏车行为。
肌动蛋白组装过程中发生的踏车行为
微丝的组装
（三）影响微丝组装的特异性药物
细胞松弛素（cytochalasin）：一组真菌的代谢产物，切断
微丝，结合末端，阻抑聚合，对解聚无明显影响，用于是 破坏微丝网络，阻止细胞运动。
鬼笔环肽（phalloidin）：一种毒蘑菇产生的双环杆肽，只
浓度）有关。
Ca2+(解聚）；ATP、Mg2+、 Na+ 、 K+(组装）。 肌动蛋白单体组装成微丝的过程：
① 缓慢成核期：缓慢形成一段可供肌动蛋白继续组装的
寡聚体（至少2~3个单体）； ② 快速延长期：肌动蛋白单体具有ATP酶活性，可利用 水解ATP释放的能量来快速组装单体。 ③ 稳定期：即组装与去组装的肌动蛋白数目相当，微丝
4种为α-肌动蛋白；
2种为β-肌动蛋白和γ-肌动蛋白。 肌动蛋白在进化上高度保守但功能上差异大：具有很高的 同源性，但微小的差异可导致功能变化。 微丝与微丝结合蛋白互作：在细胞内，多种微丝结合蛋白
与微丝的表面相互作用，调节微丝的结构和功能。
（二）微丝的组装及其动力学特性
微丝的组装与去组装与肌动蛋白的状态、离子（种类、
域。
（一）肌球蛋白的种类
Ⅱ型肌球蛋白（myosinⅡ）：由2条具有马达结构域和“货物” 结构域的重链和4条起调节作用的轻链构成，形成一个高度不 对称的结构（形似黄豆芽）。 肌球蛋白的头部和组成微丝的肌动蛋白亚基之间的相互作 用导致粗丝与细丝之间的滑动。 重链 Ⅱ型肌球蛋白分子
粗肌丝
肌球蛋白分子的结构特征： 所有的肌球蛋白分子都具有相似的马达结构域，但它 们的C端和某些成员的N端扩展部分却是多种多样的。 基于马达结构域多肽链一级结构的同源性进行分类： 至少可以将肌球蛋白超家族的成员分成18种家族，一 些类群还可以进一步分成多个呀家族。

细胞生物学-第10章-细胞骨架(翟中和第四版)

细胞生物学-第10章-细胞骨架(翟中和第四版)

1963年，采用戊二醛常温固定后，才广泛的地观察到 种类细胞骨架的存在，并正式命名为一种细胞器。
• 细胞骨架由以下组分构成
– 微丝（microfilament） – 微管（microtubule） – 中间纤维（intemediate filament）
• 广义的细胞骨架还包括
– 核骨架（nucleoskeleton） – 核纤层（nuclear lamina） – 细胞外基质（extracellular matrix）
微管，是由微管蛋白单体构成的 基本组件形成的中空的管状结构。 普遍存在于真核细胞中
中间纤维，又叫中间丝，粗细位 于微丝和肌球蛋白粗丝之间，普 遍存在于真核细胞中，是三种骨 架系统中结构最为复杂的一种
本章主要内容
微丝与细胞运动
微管及其功能 中间纤维 细胞骨架与疾病
第一节 微丝与细胞运动
• 微丝（microfilament, MF） • 球状肌动蛋白（G-actin）：肌动 蛋白单体 • 纤维状肌动蛋白（F-actin）：由 多个单体组装而成。 • 直径7 nm
肌球蛋白：依赖于微丝的分子马达
• 马达蛋白(motor protein) 可以分为3 类
– 沿微丝运动的肌球蛋白（myosin）
– 沿微管运动的驱动蛋白（kinesin）
应力纤维
于动态的组装和去组装过 伪足 程中，并通过这种方式实 收缩环 现其功能
（三）影响微丝组装的特异性药物
• 细胞松弛素（cytochalasin）
– 与微丝结合后将微丝切断，并结合在微丝末端阻抑肌 动蛋白在该部位的聚合，但对微丝解聚没有明显影响 – 破坏微丝网络结构，并阻止细胞的运动
• 鬼笔环肽（phalloidin）
型

[教学]（细胞生物学期末考试各章总结）第十章细胞骨架-

[教学]（细胞生物学期末考试各章总结）第十章细胞骨架-

要点•细胞骨架概念•微丝、微管、中间丝装配特点及其比较•微管动力学不稳定性•微丝、微管、中间丝功能1、细胞骨架：细胞骨架(Cytoskeleton)是指存在于真核细胞质内的中的蛋白纤维网架体系。

包括狭义和广义的细胞骨架两种概念。

广义的细胞骨架包括：细胞核骨架、细胞质骨架、细胞膜骨架和细胞外基质。

狭义的细胞骨架指细胞质骨架，包括微丝、微管和中间纤维。

2、微管：在真核细胞质中，由微管蛋白构成的，可形成纺锤体、中心体及细胞特化结构鞭毛和纤毛的结构。

3、微丝：在真核细胞的细胞质中，由肌动蛋白和肌球蛋白构成的，可在细胞形态的支持及细胞肌性收缩和非肌性运动等方面起重要作用的结构。

4、中间纤维：存在于真核细胞质中的，由蛋白质构成的，其直径介于微管和微丝之间，在支持细胞形态、参与物质运输等方面起重要作用的纤维状结构。

5、踏车现象：（微管和微丝具有踏车现象，中间丝没有）在一定条件下，细胞骨架在装配过程中，一端发生装配使微管或微丝延长，而另一端发生去装配而使微管或微丝缩短，实际上是正极的装配速度快于负极的装配速度，这种现象称为踏车现象。

6、：微管聚合从特异性的核心形成位点开始，这些核心形成位点主要是中心体和纤毛的基体，称为微管组织中心，微管在生理状态或实验解聚后重新装配的发生处称为微管中心，其存在位置为间质的中心体。

7、微管结合蛋白：在微管上，除微管蛋白外，还有与微管相结合的辅助蛋白，称微管结合蛋白，为微管结构和功能的必要成分。

主要有微管关联蛋白MAP和微管装饰蛋白（tau），它们控制微管的延长，与微管的聚合和解聚的调节有关。

1、微丝的功能:（1）构成细胞的支架，维持细胞的形态；（2）作为肌纤维的组成成分，参与肌肉收缩；（3）参与细胞分裂；（4）参与细胞运动；（5）参与细胞内物质运输；（6）参与细胞内信号转导2、微管的功能（1）维持细胞的形态；（2）构成纤毛、鞭毛和中心粒等细胞运动器官，参与细胞运动；（3）维持细胞器的位置，参与细胞器的位移；（4）参与细胞内物质运输；（5）参与染色体的运动，调节细胞分裂；（6）参与细胞内信号转导3、中间纤维的功能（1）中间纤维发挥功能具有时空特异性；（2）中间纤维提供细胞的机械强度作用；（3）中间纤维维持细胞和组织完整性的作用；（4）中间纤维与DNA复制有关；（5）中间纤维与细胞分化及细胞生存有关4、中间纤维的组装过程：a. 2 个α螺旋以相同的方向形成双股超螺旋二聚体；b. 两个二聚体以相反的方向再组装成一个四聚体；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。

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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) · 含有转录因子结合位点。
功
◆核骨架与DNA复制 ◆核骨架与基因表达
能
大量研究工作表明真核细胞中RNA的转录和加工均 与核骨架有关。具有转录活性的基因是结合在核骨架上 的; RNA聚合酶在核骨架上具有结合位点。
微丝,并结合在微丝正极阻抑肌动蛋白聚
合,因而导致微丝解聚。
◆鬼笔环肽(philloidin)：与微丝侧面结合, 防止MF解聚。
微丝结合蛋白
整个骨架系统结构和功能在很大程度上受 到不同的细胞骨架结合蛋白的调节。 ◆与肌肉收缩有关的微丝结合蛋白 ◆ 非肌肉细胞中的微丝结合蛋白
• Parallel bundle: MF同向平行排列，主要发 现于微绒毛与丝状伪足。 • 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。 • Gel-like network: 细胞皮层(cell cortex)中微
维持细胞形态
用秋水仙素处理细胞破坏微管,导致细 胞变圆说明微管对维持细胞的不对称形 状是重要的。对于细胞突起部分,如纤毛、 鞭毛、轴突的形成和维持, 微管亦起关键 作用。
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。这种运输过程与细胞骨架体系中的微管及
◆概念： ◆常见微管组织中心
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)。
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
由神经冲动诱发的肌肉收缩基本过程
·动作电位的产生 ·Ca2+的释放 ·原肌球蛋白位移
·肌动蛋白丝与肌球蛋白丝的相对滑动
· 2+的回收 Ca
二．微 管（Microtubules）
●微管结构与组成 ●装配 ●微管特异性药物 ●微管组织中心(MTOC) ●微管结合蛋白(MAP) ●微管功能
微管结构与组成
性，既正极与负极之别。
◆ 体外实验表明，MF正极与负极都能生长，生长 快的一端为正极，慢的一端为负极；去装配时， 负极比正极快。由于G-actin在正极端装配，负
极去装配，从而表现为踏车行为。
◆ 两条F-肌动蛋白链螺旋盘绕形成微丝（或松弛素(cytochalasins)：可以切断
●中间纤维的成分与分布
●中间纤维的装配
●中间纤维的功能
中间纤维的装配
◆中间纤维装配过程 ◆IF装配与MF,MT装配相比，有以下几个特点：
·IF装配的单体是纤维状蛋白(MF,MT的单体呈球 形)； ·反向平行的四聚体导致IF不具有极性；
· IF在体外装配时不需要核苷酸或结合蛋白的辅 助，在体内装配后，细胞中几乎不存在IF单体(但IF 的存在形式也可以受到细胞调节，如核纤层的装配 与解聚)。
神经元轴突运输的类型
种 类 快速转运 顺梯度 逆梯度 速 度 成 分
50-400mm/天 膜性细胞器和物质、线粒体、突触小泡 200mm/天 前溶酶体小泡、溶酶体酶、内吞小泡
慢速转运 慢成分 b 2-8mm/天 微丝(肌动蛋白和结合蛋白)、血影蛋白、包涵素、 慢成分 a 0.2-1mm/天 钙调蛋白 微管(管蛋白、MAPs、tau)、神经纤维(三联体蛋 白质)、血影蛋白
丝排列形式，MF相互交错排列。
微丝功能
◆维持细胞形态，赋予质膜机械
强度 ◆细胞运动 ◆微绒毛(microvillus)
◆应力纤维(stress fiber)
◆参与胞质分裂 ◆肌肉收缩(muscle contraction)
微丝遍及胞质各处，集中分布于 质膜下，和其结合蛋白形成网络结 构，维持细胞形状和赋予质膜机械 强度，如哺乳动物红细胞膜骨架的 作用。
装配
◆装配方式 ◆所有的微管都有确定的极性。
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。
◆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。
第二节
细胞核骨架
●核基质 (Nuclear Matrix)
●染色体骨架
●核纤层 (Nuclear Lamina )
一、微丝(microfilament, MF)
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。 ●成分 ●装配 ●微丝结合蛋白 ●微丝特异性药物
●形态结构 ●成分 ●功能
形态结构
◆研究核骨架的分级抽提方法 非离子去垢剂溶解膜结构系统,胞质中可溶 性成分随之流失; 再用Tween40和脱氧胆酸钠 处理,胞质中的微管、微丝与一些蛋白结构被溶 去,胞质中只有中间纤维网能完好存留;然后用 核酸酶与0.25mol/L硫酸铵处理,染色质中DNA、 RNA和组蛋白被抽提, 最终核内呈现一个精细 发达的核骨架网络, 结合非树脂包埋-去包埋剂 电镜制样方法,可清晰地显示核骨架-• 纤层-中 核 间纤维结构体系。
结构)
中心体(centrosome)
中心体(centrosome)结构
基体(basal body)
·位于鞭毛和纤毛根部的类似结构称 为基体（basal body ）
微管结合蛋白 (Microtubule Associated Protein, MAP)
微管功能
◆维持细胞形态 ◆细胞内物质的运输 ◆鞭毛(flagella)运动和纤毛(cilia)运动 ◆纺锤体与染色体运动 ◆基体(basal body)、中心体(centrosome ) ◆细胞器的定位
维持肌肉细胞的收缩装置起重要作用
◆神经元纤维在神经细胞轴突运输中起作用
◆参与传递细胞内机械的或分子的信息
◆中间纤维与mRNA的运输有关
◆中间纤维在细胞分化中的作用
第二节 细胞核骨架
●核基质(Nuclear Matrix)
●染色体骨架 ●核纤层(Nuclear Lamina)
核基质 (Nuclear Matrix)
微管装配过程 首先α-微管蛋白和β-微管蛋白形成αβ 二聚体,然后αβ二聚体平行于长轴重复排 列形成原纤维(protofilament),进一步经过 侧面增加二聚体而扩展为螺旋带, 当螺旋 带加宽至13根原纤维时,即合拢形成一段 微管。然后在端部不断添加二聚体使微管 延长。
·微管装配的动力学不稳定性是指微管装 配生长与快速去装配的一个交替变换的 现象
第十章 细胞骨架(Cytoskeleton)
概述
细胞骨架是指存在于真核细胞中的蛋白纤维网
架体系 维。 ◆在细胞核中存在核骨架-核纤层体系。 ●细胞质骨架 有狭义和广义两种概念
◆在细胞质基质中包括微丝、微管和中间纤
●核骨架
第一节
细胞质骨架
●微丝(microfilament, MF) ●微 管（microtubules, MT） ●中间纤维（intermediate filament, IF) ●细胞骨架结构与功能总结
鞭毛(flagella)运动和纤毛(cilia)运动
·纤毛与鞭毛的结构
·纤毛和鞭毛的运动形式 · 纤毛运动机制
三、中间纤维（intermediate filament,IF)
10nm纤维,因其直径介于肌粗丝和细丝之间, 故被命名
为中间纤维。IF几乎分布于所有动物细胞，往往形成一个网 络结构，特别是在需要承受机械压力的细胞中含量相当丰富。 在内核膜下的核纤层也属于IF。
●微丝功能
●肌肉收缩(muscle contraction)
成
●肌动蛋白(actin)
分
是微丝的主要结构成分,外观呈
哑铃状, 这种actin又叫G-actin，将
G-actin形成的微丝又称为F-actin。
装
配
◆ 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
◆由神经冲动诱发的肌肉收缩基本过程
肌肉收缩系统中的有关蛋白
①肌球蛋白(myosin) 头部具ATP酶活力,沿微丝从 负极到正极进行运动。 ·Myosin Ⅱ 主要分布于肌细胞，有两个球形 头部结构域(具有ATPase活性)和尾部链,多个Myosin尾 部相互缠绕，形成myosin filament,即粗肌丝。 ②原肌球蛋白(tropomyosin, Tm)由两条平行的多 肽链形成α -螺旋构型,位于肌动蛋白螺旋沟内, 结合于细丝, 调节肌动蛋白与肌球蛋白头部的结 合。 ③肌钙蛋白 (Troponin, Tn)为复合物，包括三个亚 基：TnC(Ca2+敏感性蛋白) 能特异与Ca2+结合; TnT(与 原肌球蛋白结合); TnI(抑制肌球蛋白ATPase活性)
（一）成分： α，β微管蛋白，其二聚体是微管装配的基本 单位。在二聚体上有鸟嘌呤核苷酸的两个结合位 点；一个秋水仙素的结合位点；一个长春花碱的 结合位点。 （二）形态： 长管状结构，外径24nm，内径15nm，其壁 包括13条原显微。 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)。
成 分
核骨架不象胞质骨架那样由非常专 一的蛋白成分组成,核骨架的成分比较 复杂,主要成分是核骨架蛋白及核骨架 结合蛋白,并含有少量RNA。
核骨架结合序列
◆ DNA序列中的核骨架结合序列(matrix associated 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 ◆核骨架结合序列的基本特征 ◆ MAR的功能 · 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。