郑大细胞生物学 第九章.ppt

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1、第九章 细胞骨架(Cytoskeleton) 细胞骨架是指存在于真核细胞中的蛋白纤维网架 体系 有狭义和广义两种概念 在细胞质基质中包括微丝、微管和中间纤维。 在细胞核中存在核骨架-核纤层体系。核骨架 、 核纤层与中间纤维在结构上相互连接, 贯穿 于细胞核和细胞质的网架体系。 细胞质骨架 核骨架 第一节 细胞质骨架 微丝(microfilament, MF) 微 管（microtubules） 中间纤维（intermediate filament,IF) 细胞骨架结构与功能总结 细胞质骨架主要成分的比较 第二节 细胞核骨架 核基质(Nuclear Matrix) 染色体骨架 核纤层(Nucle

2、ar 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。微丝和它的 结合蛋白（association protion）以及肌球蛋白（myosin）三者构成化学 机械系统，利用化学能产生机械运动。 成分 装配 微丝特异性药物 微丝结合蛋白 微丝功能 肌肉收缩(muscle contraction) 成 分 肌动蛋白(actin)是微丝的结构成分,外 观呈哑铃状, 这种actin又叫G-actin（球形 肌动蛋白），将G-actin形成的微丝又称为 F-acti

3、n（纤维形肌动蛋白）。 装 配 微丝（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。 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。 体内装配时，MF呈现出动态不稳定性，主要取决于F-actin（纤维形肌 动蛋白）结合的ATP水解速度与游离的G-actin单体浓度之间的关系。 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, 有些微丝是暂时性的结构。 微丝特异性药物 细胞松弛素

4、(cytochalasins)：可以切断微丝,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。 影响微丝装配动态性的药物对细胞都有毒害，说明 微丝功能的发挥依赖于微丝与肌动蛋白单体库间的动 态平衡。这种动态平衡受actin单体浓度和微丝结合蛋 白的影响。 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。 actin单体结合蛋白 这些小分子蛋白与actin单体结合，阻止其添加到 微丝末端，当细胞需要单体时才释放，主要用于actin 装配的调节，如proflin（抑制蛋白）等。 微丝结合蛋白

5、 微丝结合蛋白将微丝组织成以下三种主要形式： 平行束Parallel bundle: MF同向平行排列，主要 发 现于微绒毛与丝状伪足。 收缩束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。 胶状网Gel-like network: 细胞皮层(cell cortex)中 微丝 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

6、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。 成纤维细胞爬行与微丝装配和解聚相关 细胞运动 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。 微绒毛(microvillus) 应力纤维（stress fiber）:广泛存在于真核细胞 。 成分：肌动蛋白、肌球蛋白、原肌球蛋白和-辅 肌动蛋白。介导细胞间或细胞与基质表面的粘着 。 （细胞贴壁与粘着斑的形成相关，在形成粘合 斑的质膜下，微丝紧密平行排列成束，形成应力 纤维,具有收缩功能。） 收缩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。 肌肉收缩(mus

7、cle contraction) 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。 肌肉的细微结构(以骨骼肌为例) 肌小节的组成 肌肉收缩系统中的有关蛋白 肌肉收缩的滑动模型 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 肌球蛋白(myosin)所有actin-dependent motor proteins都属于该 家族，其 头部具ATP酶活力,沿微丝从负极到正极进行运动。 肌球蛋白是一种分子发动发动 机，肌动动蛋白纤维纤维 是肌球蛋白运行的轨轨道。 肌球蛋白 也是ATPase, 通过过ATP的水解导导致构型的变变化从而在肌动动蛋白 丝丝上

8、移动动。主要类类型肌球蛋白: 肌球蛋白、肌球蛋白和肌球蛋白 。 Myosin 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。 原肌球蛋白(tropomyosin, Tm)由两条平行的多肽链形成-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。 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) 由神经冲动诱发的肌肉收缩基本

9、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 Ca2+的回收 二微 管（Microtubules） 微管在胞质中形成网络结构，作为运输路轨并起支撑作用。微管 是由微管蛋白组成的管状结构，对低温、高压和秋水仙素敏感 。 微管结构与组成 装配 微管特异性药物 微管组织中心(MTOC) 微管相关蛋白(MAP) 微管功能 微管结构与组成 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)。 装配 装配方式 所有的微管都有确定的极性 微管装配是一个动态不稳定过程 -微管蛋白和-微管蛋白形 成二聚体,二聚体先形成环 状核心(ring),经过侧面增

10、加二聚 体而扩展为螺旋带,二聚体平 行于长轴重复排列形成原纤维 (protofilament)。当螺旋带加宽 至13根原纤维时,即合拢形成一 段微管。 微管具有极性，（+）极(plus end)生长速度快，（-）极 (minus end)生长速度慢，也就 是说微管蛋白在（+）极的添加 速度高于-极。（+）极的最外端 是球蛋白，（-）极的最外端 是球蛋白。微管和微丝一样具 有踏车行为。 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 动力学不稳定性产生的原因： 微管两端具GTP帽(取决于微管蛋白浓度),微 管将继续组装,反之,无GDP帽则解聚。 微管特异性药物 秋水仙

11、素(colchicine) 阻断微管蛋 白组装成微管，可破坏纺锤体结构。 紫杉酚(taxol)能促进微管的装配, 并使已形成的微管稳定。 微管的动力学不稳定性是其功能正常发挥 的基础。 微管组织中心(MTOC) 概念： 常见微管组织中心 中心体(centrosome) 基体(basal body) 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， 帮助和球蛋白聚合为微管

12、纤维。 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) 中心体(centrosome) 中心体(centrosome)结构 中心体复制周期 管蛋白：位于中心体周围的基质中，环形 结构，结构稳定，为微管蛋白二聚体提 供起始装配位点，所以又叫成核位点 基体(basal body) 位于鞭毛和纤毛根部的类似结构称为基体（ basal body ） 中心粒和基体均具有自我复制性质 微管结合蛋白 (Microtubule Associated Protein, MAP) 微管结合蛋白（microtubul

13、e associated proteins MAPs）分子 至少包含一个结合微管的结构域和一 个向外突出的结构域。突出部位伸到 微管外与其它细胞组分（如微管束、 中间纤维、质膜）结合（图）。 MAP的主要功能是： 促进微管聚集成束； 增加微管稳定性或强度； 促进微管组装。 包括I 型和II型两大类， I 型对热敏感，如MAP1a、 MAP1b ，主要存在于神经细胞 。 II型热稳定性高，包括 MAP2a、b、c ，MAP4和tau蛋白。其中 MAP2只存 在于神经细胞,，MAP2a的含量减少 影响树突的生长。 将细细胞裂解后分离微管, 并在4下处处理使微 管去聚合, 将冷处处理的样样品进进行离

14、心, 除去不 溶性的物质质, 然后将含有微管蛋白二聚体的上 清液于37温育, 让让微管组组装。 但是,经过经过 多次组组装-去组组装分离纯纯化的微管 蛋白制品中仍然含有少量的其他蛋白。有与 微管蛋白共纯纯化的蛋白存在, 说说明这这些蛋白是 与微管蛋白特异性结结合的, 而不是非特异蛋白 的污污染。免疫荧荧光显显微镜观镜观 察培养细细胞也发发 现现有与微管蛋白结结合的蛋白存在, 后来将这这一 类类微管辅辅助蛋白称为为微管结结合蛋白，在微管 结结构中约约占10-15%。 微管功能 维持细胞形态 细胞内物质的运输 细胞器的定位 鞭毛(flagella)运动和纤毛(cilia)运动 纺锤体与染色体运动

15、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其Motor protein有关。 Motor proteins 分子发动机的运输是单方向进行的，一种发动机分子只能引导一种方向的运 输。例如驱动蛋白只能引导沿微管的(-)端向(+)端的运输，而动力蛋白则是从 (+)端向(-)端运输。 分子发动机引导的运输是逐步行进而不像火车的轮子

16、是连续运行的。之所以 要逐步进行，是因为分子发动机要通过一系列的构型变化才能完成行进的动 作。 神经元轴突运输的类型及运输模式 色素颗粒的运输 Motor proteins 目前已鉴定的引擎蛋白Motor proteins多达数十种。根据其结合的骨架纤维 以及运动方向和携带的转运物不同而分为不同类型。 至今所发现发现 的分子发动发动 机可分为为三个不同的家族肌球蛋白(myosins)家族 、驱动驱动 蛋白(kinesins)家族、动动力蛋白(dyneins)家族。 其中驱动驱动 蛋白和动动力蛋白是以微管作为为运行的轨轨道，而肌球蛋白则则是以肌 动动蛋白纤维纤维 作为为运行的轨轨道。尚不清楚是否

17、有以中间纤维为间纤维为 运行轨轨道的 发动发动 机分子。 胞质中微管motor protein分为两大类： 驱动蛋白(kinesin):通常朝微管的正极方向运动 动力蛋白(cytoplasmic dynein)：朝微管的负极运动 Kinesin与Dynein的分子结构 Kinesin与Dynein的运输方式 神经元轴突运输的类型 轴突运输的类型 鞭毛(flagella)运动和纤毛(cilia)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 三、中间纤维（intermediate filament,IF) 10nm纤维,因其直径介于粗肌丝和细肌丝之间, 故被命名 为中间纤维。IF几乎

18、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 。如上皮细胞中。除了胞质中，在内核膜下的核纤层也属于 IF。 中间纤维的装配 中间纤维的成分与分布 中间纤维结合蛋白（ IFAP ）及其判定标准 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)。 中间纤维的成分与分布

19、 IF成分比MF,MT复杂，具有组织特异性。 IF在形态上相似，而化学组成有明显的差别。 中间纤维类型与分布 中间纤维蛋白的表达具有严格的组织特异性 中间纤维分类与分布 中间纤维的功能 增强细胞抗机械压力的能力 角蛋白纤维参与桥粒的形成和维持 结蛋白纤维是肌肉Z盘的重要结构组分，位于肌节的 外围, 不参与肌收缩, 但是具有结构上的功能:维持肌 节的稳定。 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 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 Ma

20、trix) 形态结构 成分 核骨架结合序列 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-核纤层-中间纤维结构体系。 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

21、量RNA。 核骨架蛋白 骨架结合蛋白 其它 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。 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。 功能 核骨架与DNA复制 为DNA的复制提供支架，

22、DNA是以复制环的形式锚定在核骨架上的， 核骨架上有DNA复制所需要的酶，如：DNA聚合酶、DNA引物酶、DNA拓朴 异构酶II等。DNA的自主复制序列（ARS）也是结合在核骨架上。 核骨架与基因表达 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。 核骨架与病毒复制 作为外源基因的病毒DNA，其基因表达过程与高等真核细胞自身基 因表达有相似的规律，其DNA复制、RNA转录及加工均需依赖核骨架。 核骨架与染色体构建 现在一般认为核骨架与染色体骨架为同一类物质，30nm的染色质纤维就 是结合在核骨架上，形成

23、放射环状的结构，在分裂期进一步包装成光 学显微镜下可见的染色体 二、染色体骨架 染色体骨架/放射环模型 染色体骨架的真实性 银染法能选择性地显示染色体轴结构 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。 染色体骨架/放射环模型在分子水平上得到两个直接证据 DNA放射环上发现的骨架结合区域表明DNA放射环是染色 质中结构和功能单位，非组蛋白骨架是DNA放射环的组织者 。 DNA拓扑异构酶II是一种主要的染色体支架结构蛋白。 三、核纤层(Nuclear Lamina) 核纤层分布与形态结构

24、成分核纤层蛋白(Lamin) 核纤层蛋白的分子结构及其与中间纤维蛋白的关系 核纤层蛋白在细胞分化中的表达具有细胞特异性 核纤层在细胞周期中的变化 功能 成分核纤层蛋白(Lamin) 哺乳动物和鸟类细胞中有 核纤层蛋白A 核纤层蛋白B 核纤层蛋白C 核纤层蛋白的分子结构及 其与中间纤维蛋白的关系 核纤层与中间纤维之间的共同点 两者均形成10nm纤维; 两者均能抵抗高盐和非离子去垢剂的抽提; 某些抗中间纤维蛋白的抗体能与核纤层发生交叉反应 LaminA和LaminC的cDNA克隆推导出核纤层蛋白的氨基酸顺序与中 间纤维蛋白高度保守的-螺旋区有很强的同源性, 说明核纤层 蛋白是中间纤维蛋白. 核纤层

25、在细胞周期中的变化 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 (isoprenylation)。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。 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。 功能 为核膜及染色质提供了结构支架 根据等电点的不同可将高等动物细胞内的肌动蛋白分为3类，分布于各种肌 肉细胞中，和分布于肌细胞和非肌细胞中。 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（图），肌动蛋白的单体为球形分子，称为球形肌动

26、蛋白G- actin(globular actin)，它的多聚体称为纤维形肌动蛋白F-actin (fibrous actin)。 微丝纤维的负染电镜照片 微丝纤维结构模型 肌动蛋白的踏车行为 在微丝装配时,若G-肌动蛋白分子添加到F-肌动蛋白丝上的速率正好等 于G-肌动蛋白分子从F-肌动蛋白上失去的速率时, 微丝净长 度没有改 变, 这种过程称为肌动蛋白的踏车现象。肌动蛋白踏车现象是由G-肌 动蛋白单体的临界浓度决定的, 当G-肌动蛋白的临界浓度处于正端和 负端G-肌动蛋白临界浓度之间时, 就会出现踏车现象。 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

27、装和去组装过程中，并通过这种方式实现其功能。 肌动动蛋白的聚合过过程伴随着ATP的水解，在聚合过过程中，G-肌动动蛋白先要结结 合ATP，然后ATP-G-肌动动蛋白单单体再结结合到F-肌动动蛋白的两端，加到F-肌 动动蛋白上。一旦ATP-G-肌动动蛋白单单体结结合到F-肌动动蛋白纤维纤维 上，同肌动动蛋 白结结合的ATP就会慢慢降解成ADP，并释释放出Pi。虽虽然结结合的ATP常被水解 成ADP,但是对对于F-肌动动蛋白的装配来说说，ATP的水解不是必要的过过程，因 为为含有ADP或不能水解的ATP类类似物的G-肌动动蛋白装配后都是稳稳定的。 在适宜的温度，存在ATP、K+、Mg2+离子的条件

28、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。 微丝结合蛋白 1核化蛋白（nucleating protein） 核化（nucleation）是纤维组装的第一步，即几个蛋白单体先组装成 多聚体，然后其它单体继续添加形成长纤维分子。Arp（actin- r

29、elated protein）复合体在体内和体外都可以促进肌动蛋白的核化， 其作用就像一个模板，类似于微管组织中心的球蛋白复合体，Arp 复合体由Arp2、Arp3和5种其它蛋白构成。Arp与actin在结构上具有 同源性。 2单体隐蔽蛋白（monomer sequestering protein） 抑制蛋白(profilin)和胸腺嘧嘧素(thymosin)能够够同单单体G-肌动动蛋白结结 合，并且抑制它们们的聚合, 将具有这这种作用的蛋白称为为肌动动蛋白单单 体隔离蛋白。 细胞中约有50%的肌动蛋白为可溶性肌动蛋白，大大高于肌动蛋白 组装所需的临界浓度。但是这些蛋白与其它蛋白结合，构成一个

30、隐 蔽的蛋白库。只有当细胞需要组装纤维的时候这些可溶性肌动蛋白 才被释放出来。 原肌球蛋白 肌动蛋白 血型糖蛋白 血影蛋白 锚蛋白 成长中的线状伪足 成纤维细胞 片状伪足皮质 肌原纤维 肌球蛋白 肌球蛋白为为肌肉收缩缩和胞质质分裂提供力， 而肌球蛋白和则则涉及细细胞骨架与膜之间间的 相互作用，如膜泡的运输输。 肌球蛋白、肌球蛋白的尾部能够够同质质膜或 细细胞内细细胞器的膜结结合(上图图a)，推测测它们们能 够够以微丝为轨丝为轨 道运输输小泡。 两个肌球蛋白能够够通过过杆状尾部聚合在一 起，形成寡聚的肌球蛋白纤维纤维 ，这这种纤维纤维 具 有双极性，头头部位于两端，中间间有一个裸露 的带带(上图

31、图4b), 这这种结结构参与肌肉收缩缩。 肌动蛋白在进化上高度保守，酵 母和兔子肌肉的肌动蛋白有88% 的同源性。不同类型肌肉细胞的 -肌动蛋白分子一级结构（约400 个氨基酸残基）仅相差46个氨 基酸残基，-肌动蛋白或-肌动蛋 白与-横纹肌肌动蛋白相差约25 个氨基酸残基。 多数简单的真核生物，如酵母或 粘菌，含单个肌动蛋白基因，仅 合成一种肌动蛋白。真核生物含 有多个肌动蛋白基因，如海胆有 11个，网柄菌属(Dictyostelium)有 17个，在某些植物中有60个。肌 动蛋白要经过翻译后修饰，如N- 端乙酰化或组氨酸残基的甲基化 。 两个英国研究小组组的科学家们们提出滑动丝动丝 模型解

32、释释肌收缩缩的 机理。 他们们推测测:肌节节的缩缩短并不是因纤丝纤丝 的缩缩短而引起, 而是由纤纤 丝丝互相滑动动所致。细细肌丝丝向肌节节中央滑动动, 肌丝丝滑进进了A带带之 中导导致重叠部分增加, 使得I带带和H带带的宽宽度缩缩小, 其结结果是缩缩 短了肌节节，减少了肌纤维纤维 的长长度 (a)肌收缩时缩时 肌节节 长长度变变化及肌 节结节结 构差异示 意图图。在肌收 缩时缩时 ,肌球蛋白 的交联桥联桥 (cross -bridge)与周围围 的细细肌丝丝接触, 细细肌丝丝被推动动 滑向肌节节的中 心。 (b)肌收缩时缩时 的电电子 显显微镜镜照片。 神经经系统统的电电信号传递传递 是以膜电

33、电位的形式沿着 神经细经细 胞传递传递 的,这这种膜电电位叫动动作电电位(action potentials)。当动动作电电位到达神经细经细 胞末梢时时， 它触发发神经递质扩经递质扩 散，穿过轴过轴 突，并同相邻邻靶 细细胞的质质膜结结合，使细细胞质质膜去极化，最后信号 通过过与肌质质网相邻邻的T管激发发肌质质网向胞质质溶胶 释释放贮贮存的Ca2+离子, 从而使胞质质溶胶中的Ca2+ 离子浓浓度快速升高, 使电电信号转变转变 成化学信号 放出来的Ca2+离子同 肌钙钙蛋白结结合，解除 原肌球蛋白对对肌动动蛋 白的抑制，使得粗肌 丝丝肌球蛋白的头头部得 以同肌动动蛋白接触， 形成交联桥联桥 。然

34、后再 由ATP同肌球蛋白头头 部的ATP结结合位点结结 合，并通过过ATP的水 解提供能量，以及肌 球蛋白头头部构型的变变 化，引起粗肌丝丝与细细 肌丝间丝间 的滑动动，产产生 肌肉的收缩缩。 微管是由13条原纤维（protofilament）构成的中空管状结构（左图）， 直径2225nm。每一条原纤维由微管蛋白二聚体线性排列而成。 微管蛋白二聚体由结构相似的和球蛋白构成，两种亚基均可结合GTP ，球蛋白结合的GTP从不发生水解或交换，是球蛋白的固有组成部分 ，球蛋白结合的GTP可发生水解，结合的GDP可交换为GTP，可见亚 基也是一种 G蛋白（右图）微管蛋白的排列具有方向性。 动态不稳定性:

35、 生长或缩短 微管的踏车行为使单个微管的长度 保持不变,而组成微管的蛋白二聚体发生了变化。实际上, 细胞 内的微管常常是处于生长和缩短的动荡状态(图)。 微管在体外组装时发现 有两个因素决定微管的稳定性: 游离微管蛋白的浓度和GTP水解成GDP的速度。 高浓度的微管蛋白适合微管的生长, 低浓度的微管蛋白引起GTP的 水解, 形成GDP帽, 使微管解聚。 GTP的低速水解适合于微管的连续生长, 而快速的水解造成微管的 解聚。细胞内的微管处于动态不稳定状态(dynamic instability 中心体（centrosome）位于细胞的中心部位。由两个相互垂直的中心粒（ centriole）构成，

36、周围是一些无定形或纤维形、高电子密度的物质，叫做外中心 粒物质（PCM，pericentriolar material）。中心粒直径0.2um，长0.4um，由9 组3联微管构成，不直接参与微管蛋白的核化，具有召集PCM的作用。 微管性结构 管蛋白 微管蛋白以环状的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。 纤毛和鞭毛的微管组织中心，不过基体只含有一个中心粒而不是一 对中心粒。 其它类型的细胞具有不同类型的MTOCs，如真菌的细胞有初级 MTOCs,称为纺锤 极体(spindle pole body)。植物细胞既没有

37、中心体 ，又没有中心粒，所以植物细胞的MOTC是细胞核外被表面的成膜 体。 驱动驱动 蛋白是1985年从鱿鱼鱿鱼 的轴质轴质 (axonplasm)中 分离的一种发动发动 机蛋白。驱动驱动 蛋白是一个大的 复合蛋白，由几个不同的结结构域组组成, 包括两条 重链链和一条轻链轻链 , 总总分子量为为380kDa。它有一 对对球形的头头，是产产生动动力的“电电机”; 还还有一个 扇形的尾，是货货物结结合部位。 体外实验证实验证 明驱动驱动 蛋白的运输输具有方向性，从 微管的(-)端移向微管的(+)端，是正端走向的微 管发动发动 机(plus end-directed microtublar moto

38、r) 。 动力蛋白 1963年发现发现 了第一个与微管相关的发动发动 机蛋白是 与纤纤毛和鞭毛运动动有关的发动发动 机蛋白，相对对分子 质质量超过过100kd，由9-10个多肽链组肽链组 成(下图图)。 它有两个大的球形的头头部，是生成力的部位。 它在细细胞中至少有两个功能第一是有丝丝分裂中 染色体运动动的力的来源；第二是作为负为负 端微管走 向的发动发动 机，担负负小泡和各种膜结结合细细胞器的运 输输任务务。 细细胞质动质动 力蛋白在微管上移动动的方向与驱动驱动 蛋 白相反，从正端移向负负端。 许许多两栖类类的皮肤和鱼类鱼类 的鳞鳞片中含有特化的色素细细胞, 在神经经 和激素的控制下, 这这

39、些细细胞中的色素颗颗粒可在数秒钟钟内迅速分布到 细细胞各处处, 从而使皮肤颜颜色变变黑; 又能很快回到细细胞中心, 而使皮 肤颜颜色变变浅, 以适应环应环 境的变变化(图图)。 研究发现发现 , 色素颗颗粒的运输输是微管依赖赖性的, 色素颗颗粒实际实际 上是沿 微管转转运的。 深绿：微管 浅兰：内质网 黄色：高尔基体 上图：内质网抗体染色 下图：微管抗体染色 上图：高尔基抗体染色 下图：微管抗体染色 纤纤毛和鞭毛的运动动机制: 微管滑动动模型(sliding-microtubule model) 微管滑动动模型是说说明纤纤毛和鞭毛运动动机制的一种学说说。 学说说主要内容 纤纤毛和鞭毛的动动力蛋

40、白头头部与相邻邻二联联管的B微管接触, 促进进同动动力蛋白结结 合的ATP水解, 并释释放ADP和Pi; 由于ATP水解, 改变变了A微管动动力蛋白头头部的构象, 促使头头部朝向相邻邻二联联 管的正极滑动动, 使相邻邻二联联管之间产间产 生弯曲力; 新的ATP结结合,促使动动力蛋白头头部与相邻邻B微管脱离; ATP水解, 使动动力蛋白头头部的角度复原; 带带有水解产产物的动动力蛋白头头部与相邻邻二联联管的B微管上的另一位点结结合, 开 始下一个循环环。 纤纤毛和鞭毛都含有一个规则规则 排列的由 微管相互连连接形成的骨架,称为轴丝为轴丝 (axoneme)。轴丝轴丝 的外面由膜包裹。组组 成轴丝

41、轴丝 的微管呈规规律性排列，即9组组 二联联管在周围围成等距离地排列成一圈, 中央有两根单单个的微管, 成为为“9+2”的 微管形式。 中央的两个微管之间间由细丝细丝 相连连, 外 包有中央鞘。周围围的9组组二联联管, 近中 央的一根称为为A管, 另一条为为B管 中心体有九组微管三联体。A微管经放射状的辐和中心体的中心相连。三 联体微管的排列方式，使中心体呈风车状 桥粒 首先是两个单体以相同的方向组成一个双股螺旋的二聚体; 两个二聚体以相反的方向组装成一个四聚体, 二聚体具有极性，四聚体没有极性。 若干个四聚体首尾结合组装成原丝(protofilaments)，一个原丝长度变化不定。最后形成的

42、 中间纤维的横切面上共有32个多肽 中间纤维的动态变化 中间纤维亚基蛋白合成后, 基本上 全部组装成中间纤维, 游离的单体 很少。 但是在某些细胞(如进入有丝分裂 的细胞和刚刚结束有丝分裂的细 胞)中也能看到中间纤维的动态平 衡的特性。在这些细胞中，中间 纤维在有丝分裂前解聚，而在有 丝分裂后在新的子细胞中进行装 配。 在另外一些情况下(如含有角蛋白 的表皮细胞)，在整个细胞分裂过 程中，IFs都保持聚合状态。通过 磷酸化和去磷酸化对中间纤维的 装配和去装配进行控制。 角蛋白纤维网缺陷缺陷半桥粒 从细胞水平看, IFs在细胞质内形成一个完整的支撑网架系统。它在外面与细胞膜和细胞 外基质相连,

43、在内部与细胞核表面和核基质直接联系, 中间纤维直接与MT、MF及其它细 胞器相连，赋予细胞一定的强度和机械支持力。 如结缔组织中的波形蛋白纤维从细胞核到细胞质膜形成一个精致的网络，这种网络或同 质膜或与微管锚定在一起。 表皮细胞中角蛋白纤维网络 角 蛋 白 纤 维 中间纤维参与粘着连接中的桥粒 连接和半桥粒连接，在这些连接 中，中间纤维在细胞中形成一个 网络，既能维持细胞形态，又能 提供支持力。 钙粘着蛋白 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、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

44、构，例如红细胞质膜的内部主要是靠 以肌动蛋白纤维为主要成分的膜骨架结构维持着红细胞的结构。 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网络。 为细胞内的物质和细胞器的运输/运动提供机械支持。例如从内质网产生的膜泡向高尔基 体的运输、由胞吞作用形成的吞噬泡向溶酶体的运输通常都是以细胞骨架作为轨道的；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支撑。一些细胞的运

45、动, 如伪足的形成也是由细 胞骨架提供机械支持。典型的单细胞靠纤毛和鞭毛进行运动, 而细胞的这种运动器官主要是 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。用非离子去垢剂提取细胞成分可发现细 胞骨架相当完整，许多与蛋白质合成有关的成分同不被去垢剂溶解的细胞骨架结合在一起。 参与细胞的信号传导。有些细胞骨架成分常同细胞质膜的内表面接触，这对于细胞外环 境中的信号在细胞内的传导起重要作用。 是细胞分裂的机器。有丝分裂的两个主要事件, 核分裂和胞质分裂都与细胞骨架有关, 细胞骨架的微管通过形成纺锤体将染色体分开, 而肌动蛋白丝则将细胞一分为二。 核纤层蛋白位于内核膜的下方,

46、 它不 仅是核膜下的骨架, 对于维持细胞核 的形态和核重建具有重要作用, 同时 也为染色质提供锚定位点 微管 微丝 中间纤维 核 绒毛蛋白 微绒毛 微丝 肌球蛋白 微丝结合蛋白 原肌球蛋白 当Ca2+离子很低时时, 肌动动蛋白上与肌球蛋 白结结合的位点被原肌球蛋白占据, Ca2+离 子浓浓度高时时, 通过过与肌钙钙蛋白Tn-C亚亚基 的结结合, 改变变原肌球蛋白在肌动动蛋白纤维纤维 中的结结合部位,暴露出与肌球蛋白结结合的 位点。 肌钙蛋白 内膜系统统中通过过小泡进进行的蛋白质质运输输, 都是以微管作为轨为轨 道的。将细细胞质质中以微管为轨为轨 道运输输 的发动发动 机蛋白和它们们运输输的关系

47、总结总结 于下表和下图图。 鞭毛和纤毛在大小、数量和运动方式等方面都是不同的。鞭毛长度可达 150m, 数量较少，并且是波浪式摆动。而纤毛较短，平均长度为5- 10m，运动的方式比较复杂，且没有规则。 在细胞间期, 位于细胞核的附近, 在有丝分裂期, 位于纺锤 体的两极。 分离有丝分裂前的染色体, 接着用试剂 溶解组蛋白和大多数主要的非组蛋白, 然后在电子显微镜下观察可见一完整 的染色体结构框架(framework)或支架 (scaffold)。这就是染色体骨架。 推测DNA与核基质包装成染色体的模式。 （在有丝分裂前, 核基质蛋白形成一个支架 轴, 染色质沿轴形成放射环。） 分裂间期核 前期

48、 染色单体 中间纤维结合蛋白：是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组 分的蛋白。 确定标准： 1.在细胞内与中间纤维共分布； 2.抗高盐与非离子去垢剂抽提，与中间纤维共同分离； 3.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。 共同特点是： 具有中间纤维特异性。 表达有细胞专一性。 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。 在细胞中某些IFAP的表达与细胞的功能和发育状态有 关。 图12-31 染色质结合在核骨架/染色体骨架上图12-31 染色质结合在核骨架/染色体骨架上 染色质结合在核骨架/染色体骨架上 细胞骨架 l

49、细胞骨架（cytoskeleton）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。 l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） ，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。 l细胞骨架由微丝（microfilament）、微管 （microtub