細(xì)胞生物學(xué)第九章細(xì)胞骨架

1、第九章 細(xì)胞骨架真核細(xì)胞中由多種蛋白質(zhì)纖維組成的復(fù)雜網(wǎng)架系統(tǒng)，稱為細(xì)胞骨架cytoskeleton。廣義的細(xì)胞骨架包括細(xì)胞核骨架(核內(nèi)骨架、核纖層及染色體骨架)、細(xì)胞質(zhì)骨架(微絲、微管、中間纖維)、細(xì)胞膜骨架及細(xì)胞外基質(zhì)，但通常狹義的僅指細(xì)胞質(zhì)骨架。目前認(rèn)為細(xì)胞骨架主要功能：維持細(xì)胞整體形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)有序的空間分布；與細(xì)胞運(yùn)動(dòng)、胞內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸、能量轉(zhuǎn)換、信息傳遞、細(xì)胞分裂、基因表達(dá)及細(xì)胞分化等生命活動(dòng)密切相關(guān)。一、微絲microfilament(一)組分與性質(zhì)微絲的主要成分是肌動(dòng)蛋白actin，是在真核細(xì)胞中的直徑為7nm的骨架纖維，肌動(dòng)蛋白的單體是球型（G肌動(dòng)蛋白），兩股由G肌動(dòng)蛋白聯(lián)結(jié)成的單

2、鏈相互螺旋纏繞形成纖維型肌動(dòng)蛋白（F肌動(dòng)蛋白）。從球型 纖維型的變化是自組裝的，除肌肉細(xì)胞的細(xì)肌絲中的微絲以及腸上皮細(xì)胞微絨毛中的微絲是穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)外，通常細(xì)胞中的微絲都是處在組裝和解聚的動(dòng)態(tài)之中，微絲裝配具有極性（即有正負(fù)極），并常表現(xiàn)出一端裝配而另一端脫落的踏車行為 treadmilling ，脫落下來(lái)的單體進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)中的肌動(dòng)蛋白單體庫(kù)。關(guān)于微絲組裝的適宜條件是：ATP、Mg2+和高濃度的Na+、K+離子；而解聚的條件是：Ca2+和低濃度的Na+、K+離子。微絲的形態(tài)是細(xì)而長(zhǎng)，經(jīng)常成束平行排列，也有的組成疏散的網(wǎng)絡(luò)。在不同類型細(xì)胞中，微絲還含有不同種類的微絲結(jié)合蛋白，形成各自獨(dú)特的結(jié)構(gòu)或特定

3、功能。例如肌細(xì)胞中的就有肌球蛋白myosin、原肌球蛋白和肌鈣蛋白等。肌球蛋白約占肌肉中蛋白總量的一半，由雙股多肽鏈盤繞成像“豆芽”狀的纖維。再由多條肌球蛋白成束構(gòu)成肌原纖維中的粗肌絲，其上外露的“豆芽”頭部具ATP酶活性，是粗肌絲與細(xì)肌絲（肌動(dòng)蛋白纖維）能暫時(shí)性結(jié)合的部位（“橫橋”），也是導(dǎo)致細(xì)肌絲與粗肌絲之間相對(duì)滑動(dòng)的支點(diǎn)。而原肌球蛋白和肌鈣蛋白則是特異性附著在細(xì)肌絲（即F肌動(dòng)蛋白纖維）上的兩種微絲結(jié)合蛋白，它們是以構(gòu)象變化方式來(lái)調(diào)節(jié)細(xì)肌絲與粗肌絲（肌球蛋白頭部）的聯(lián)系。在研究微絲時(shí)，常運(yùn)用“細(xì)胞松弛素B”cytochalasin B（簡(jiǎn)稱CB），這是由真菌長(zhǎng)蠕孢的代謝產(chǎn)物中提取的一種生物

4、堿，能破壞微絲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對(duì)微絲的裝配聚合有專一性抑制，故可用以判斷細(xì)胞中哪些活動(dòng)方式是受微絲控制的。一旦從試驗(yàn)環(huán)境中去除CB后，微絲又會(huì)馬上恢復(fù)正常結(jié)構(gòu)及功能。另外，還有一種由真菌中提取的鬼筆環(huán)肽，它能與微絲的F肌動(dòng)蛋白纖維強(qiáng)力親合，能抑制其解聚，故也是專門用于研究微絲功能的特異藥物。(二)微絲的主要功能微絲除與微管、中間纖維等共同構(gòu)成細(xì)胞骨架，起著維持細(xì)胞形狀作用之外，它還有其單獨(dú)的功能：1、 肌肉收縮動(dòng)物骨骼肌(橫紋肌)肌細(xì)胞是由若干條細(xì)長(zhǎng)的肌原纖維組成的集束群，而肌原纖維則是由粗肌絲和細(xì)肌絲共同構(gòu)成的，粗肌絲是由若干條肌球蛋白分子平行排列成束狀，而細(xì)肌絲卻是由F-肌動(dòng)蛋白纖維結(jié)合了原肌球

5、蛋白和肌鈣蛋白所組成的。肌原纖維上可見許多寬窄不同、深淺不同的橫紋帶，其中淺帶區(qū)中的深細(xì)帶（Z盤）之間稱為肌小節(jié)，這是肌肉收縮的功能單元，整塊肌肉的收縮實(shí)質(zhì)上就是由其中每個(gè)肌小節(jié)內(nèi)的細(xì)肌絲與粗肌絲相對(duì)滑動(dòng)所致。其收縮的基本過(guò)程是：中樞神經(jīng)系統(tǒng)的興奮信號(hào)傳到肌膜上，引起反極化，再經(jīng)T小管傳至肌質(zhì)網(wǎng)，引起肌質(zhì)網(wǎng)膜反極化，Ca2+通道被打開，肌質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)Ca2+釋放到肌漿中，引起肌鈣蛋白構(gòu)象改變，并牽動(dòng)原肌球蛋白移位，使F肌動(dòng)蛋白纖維上能與肌球蛋白頭部相結(jié)合的部位暴露出來(lái)，因此粗、細(xì)肌絲之間建立起橫橋聯(lián)系，拉動(dòng)細(xì)肌絲在粗肌絲之間滑動(dòng)，導(dǎo)致肌小節(jié)收縮。在橫橋聯(lián)系過(guò)程中，肌球蛋白頭部ATP酶被激活，每水解

6、1分子ATP，使細(xì)肌絲滑動(dòng)10nm。如果興奮信號(hào)持續(xù)，細(xì)肌絲還會(huì)進(jìn)一步滑動(dòng)。但一旦興奮信號(hào)終止，肌質(zhì)網(wǎng)膜立即復(fù)極化，Ca2+泵從肌漿中回收Ca2+，導(dǎo)致原肌球蛋白重新去掩蓋肌動(dòng)蛋白纖維上的結(jié)合部位，ATP酶失活。粗/細(xì)肌絲都恢復(fù)原位，從而肌肉出現(xiàn)松弛狀態(tài)。2.控制細(xì)胞質(zhì)的運(yùn)動(dòng)(1)胞質(zhì)環(huán)流cyclosis運(yùn)動(dòng)：最明顯、典型的是在輪藻和麗藻的細(xì)胞中，由于在流動(dòng)的內(nèi)質(zhì)和靜止的外質(zhì)之間的界面上，有成束的微絲平行排列，能控制細(xì)胞質(zhì)流動(dòng)方向和動(dòng)力。(2)穿梭流動(dòng)：原生生物的絨泡菌中，細(xì)胞質(zhì)會(huì)沿菌體長(zhǎng)軸方向來(lái)回往返流動(dòng)。這是由于其內(nèi)的肌球蛋白系統(tǒng)，依賴Ca2+濃度和ATP所致的流動(dòng)。3.決定細(xì)胞的移動(dòng)和形

7、狀變化(1)阿米巴運(yùn)動(dòng)：變形蟲、中性白細(xì)胞、巨噬細(xì)胞等是以細(xì)胞變形而移動(dòng)，即前端伸出偽足，后端向內(nèi)收縮，胞內(nèi)原生質(zhì)也隨之向前流動(dòng)，這是由微絲調(diào)控的。(2)變皺膜運(yùn)動(dòng)：體外培養(yǎng)細(xì)胞依靠其底部局部突起為支撐點(diǎn)，緩慢向前移動(dòng)，并不斷改變細(xì)胞形狀，改換支撐接觸點(diǎn)，這是由微絲控制的。(3)細(xì)胞形狀變化：例如質(zhì)膜上內(nèi)吞或外排的膜泡形狀變化；或動(dòng)物細(xì)胞分裂末期的中部縊縮形成胞質(zhì)分裂環(huán)；或胚胎發(fā)育中的原腸胚形成和神經(jīng)胚形成?？O縮的“瓶頸”處都有由許多微絲組成的收縮環(huán)，收縮環(huán)的收縮則導(dǎo)致形狀的改變。4.非肌細(xì)胞中的應(yīng)力纖維真核細(xì)胞的細(xì)胞皮層中存在有大量微絲束組成的應(yīng)力纖維，在細(xì)胞質(zhì)中執(zhí)行著類似于肌原纖維的收縮功

8、能，在細(xì)胞形態(tài)發(fā)生和細(xì)胞分化上都有重要作用。但是，腸上皮細(xì)胞微絨毛中的微絲束是起維持其形狀作用的，是不能收縮的。二.微管microtubule（一）結(jié)構(gòu)和組分是中空、筆直的管狀物，長(zhǎng)度可變(幾微米至幾厘米)，外徑2025nm，內(nèi)徑15nm。主要組分是微管蛋白tubulin，占總量的8095%。此外，還有微管關(guān)聯(lián)蛋白microtubule-associated protein，MAP。微管蛋白分子有和兩種類型，其aa序列略有差別，和以疏水鍵聯(lián)接形成二聚體，若干個(gè)二聚體首尾相連可組成一條原纖維，而13條原纖維縱向平行排列則組成微管的管壁，微管橫切面可見13個(gè)微管蛋白分子。各種真核細(xì)胞中的微管蛋白基

9、本相同。微管關(guān)聯(lián)蛋白(MAP)和tau蛋白不是微管的基本構(gòu)件，是起促進(jìn)和調(diào)節(jié)微管裝配的作用。(二)分布和形成廣泛存在于真核細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中，呈網(wǎng)狀或束狀分布。并參與組裝紡錘體、鞭毛、纖毛、（鞭毛）基體，中心粒、（神經(jīng)）軸突、神經(jīng)管等結(jié)構(gòu)，能介導(dǎo)細(xì)胞形態(tài)維持、細(xì)胞運(yùn)動(dòng)、細(xì)胞分裂和胞內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸?shù)壬砘顒?dòng)。微管也是自組裝結(jié)構(gòu)，通常形成于中心粒、基體等固定區(qū)域，該處被稱為微管組織中心的MTOC，microtubule organizing center， 微管的負(fù)極是指向MTOC，而其正極則是背向MTOC的。微管的裝配和解聚一般是受嚴(yán)格時(shí)間和空間控制的。在一定條件下，同一條微管上的裝配和解聚能同時(shí)進(jìn)行，

10、即一端在裝配，而另一端在解聚，亦稱為踏車行為。兩者的速度差別就決定了此微管是延長(zhǎng)或是縮短。不過(guò)應(yīng)注意，鞭毛、纖毛和中心粒的微管通常是不解聚的。微管的組裝促進(jìn)條件：生理溫度、微管蛋白濃度、能量GTP、Mg2+及低濃度Ca2+。 微管的解聚條件：高濃度（>1mM）Ca2+、低溫、高水壓。解聚后以二聚體為基本單元存在于細(xì)胞質(zhì)中。微管研究特異藥劑：秋水仙素、秋水酰胺、長(zhǎng)春花堿及鬼臼素等生物堿能阻止微管蛋白組裝，能用來(lái)判斷微管功能活動(dòng)。而紫杉酚和重水D2O則會(huì)增加微管穩(wěn)定性。微管裝配方式是：二聚體頭尾相接組成原纖維，多條原纖維并列再組成片狀物，當(dāng)片狀物包含有13條原纖維時(shí)則卷攏形成微管，其一端繼續(xù)

11、添加二聚體，使之延長(zhǎng)。(三)纖毛和鞭毛的微管構(gòu)型這所指的是真核細(xì)胞表面特化結(jié)構(gòu)，例如鞭毛蟲、纖毛蟲、單胞藻、動(dòng)物精子及呼吸道上皮細(xì)胞的纖毛。（而細(xì)菌的鞭毛與此不同，其所含的是鞭毛蛋白，內(nèi)部亦無(wú)微管構(gòu)型。）鞭毛是由鞭桿和基體（或稱基粒）兩部分組成(基體是嵌入質(zhì)膜內(nèi)的結(jié)構(gòu))。鞭桿橫切面呈現(xiàn)(9+2)微管構(gòu)型。即外圍有9組二聯(lián)體微管環(huán)繞，中央由中央鞘包圍2個(gè)微管。每個(gè)二聯(lián)體中有A管和B管。A管管壁完整由13條原纖維構(gòu)成。而B管管壁僅10條原纖維，另3條共用A管的。每個(gè)A管上(順時(shí)針)向相鄰二聯(lián)體的B管伸出2個(gè)“彎鉤”狀的動(dòng)力蛋白臂（可在B管壁外滑動(dòng)），此外還向中央鞘伸出一根放射幅（其幅頭可對(duì)中央鞘滑

12、動(dòng)）?；w的橫切面呈現(xiàn)(9+0)微管構(gòu)型。即外圍環(huán)繞9組三聯(lián)體微管，中央無(wú)微管。三聯(lián)體排列呈“風(fēng)車”狀，每個(gè)三聯(lián)體由A、B、C三管組成。中心粒內(nèi)的微管構(gòu)型與基體的相同。（即是同源性結(jié)構(gòu)）(四)微管的主要功能1.維持細(xì)胞形態(tài)的支架作用。有些動(dòng)物細(xì)胞及低等植物細(xì)胞能呈現(xiàn)非球形。其非對(duì)稱性形態(tài)維持是依靠微管起支架作用的。此外，軸突、纖毛、鞭毛等特化結(jié)構(gòu)也是以微管為支架的。例如“太陽(yáng)蟲”。2.控制細(xì)胞分裂時(shí)的染色體運(yùn)動(dòng)。紡錘體的紡錘絲皆由微管構(gòu)成。包括三種類型：著絲點(diǎn)(動(dòng)粒)微管；連續(xù)微管；中間微管。細(xì)胞分裂后期兩組染色體分別向兩極移動(dòng)是由微管牽引所致(秋水仙素處理可以證實(shí))，其作用機(jī)理現(xiàn)認(rèn)為是：由動(dòng)

13、粒微管縮短產(chǎn)生的拉力加上連續(xù)微管伸長(zhǎng)產(chǎn)生的推力（注意：拉是指拉+染色體，推是推兩極。）的共同作用結(jié)果。至于上述兩種微管長(zhǎng)度變化是因微管蛋白去組裝或組裝所造成的，而微管聯(lián)結(jié)處的滑動(dòng)是由于類動(dòng)力蛋白作用的緣故。3.控制細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)運(yùn)輸：植物細(xì)胞壁形成時(shí)，對(duì)纖維素沉積排列起導(dǎo)向定位作用；在神經(jīng)軸突中的細(xì)胞器、小泡和顆粒的快速定向運(yùn)輸作為軌道（由驅(qū)動(dòng)蛋白kinesin向正極運(yùn)輸，而由胞質(zhì)動(dòng)力蛋白cytoplasmicdynein向負(fù)極運(yùn)輸）；與某些動(dòng)物皮膚細(xì)胞中的色素顆粒迅速轉(zhuǎn)運(yùn)有關(guān)。在細(xì)胞質(zhì)或神經(jīng)軸突內(nèi)部，有許多的細(xì)胞器及小型膜泡沿微管作定向運(yùn)動(dòng)或運(yùn)輸。這是依靠能利用ATP能量、并循微管為軌道運(yùn)輸物

14、資的馬達(dá)蛋白（又稱“摩托蛋白”）來(lái)進(jìn)行的物質(zhì)運(yùn)輸。馬達(dá)蛋白之中又可分為驅(qū)動(dòng)蛋白和胞質(zhì)動(dòng)力蛋白兩種類型。它們的功能被喻為分子馬達(dá)。4.決定了鞭毛(或纖毛)的擺動(dòng)機(jī)制。其擺動(dòng)可分解為若干個(gè)片段的彎曲運(yùn)動(dòng)，這是由軸心中所有的相鄰二聯(lián)體之間相互滑動(dòng)所致。也就是說(shuō)其軸心中的微管構(gòu)型不是彈性結(jié)構(gòu)，而是能變位聯(lián)結(jié)的剛性結(jié)構(gòu)。其中相鄰二聯(lián)體之間的相互滑動(dòng)，其關(guān)鍵就在于動(dòng)力蛋白臂的滑動(dòng)。三、中間纖維intermediate filament, IF（一）中間絲的類別和分布中間纖維又稱中間絲，其直徑為10nm，介于微管和微絲之間，故名。因化學(xué)性質(zhì)不同于微絲和微管，目前尚未發(fā)現(xiàn)能鑒定它的工具藥，再加之并不是在所有真

15、核細(xì)胞之中都有中間絲（例如植物細(xì)胞中就沒有，另外在酵母的核內(nèi)無(wú)核纖層）。由于其成分復(fù)雜，目前一般主要分成六類：（1）角蛋白纖維：主要存在于上皮細(xì)胞中。（2）波形蛋白纖維：存在于間質(zhì)細(xì)胞、成纖維細(xì)胞中。（3）結(jié)蛋白纖維：主要存在于成熟的肌細(xì)胞中。（4）神經(jīng)元纖維：只存在于神經(jīng)細(xì)胞中。（5）核纖層蛋白：核膜內(nèi)側(cè)分布的中間纖維。（6）神經(jīng)膠質(zhì)纖維：只存在于神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞中。各種類型中間絲的分布皆有嚴(yán)格的組織特異性，由于它們的肽鏈序列中均有一段310aa的螺旋區(qū)，表明它們是來(lái)源于同一基因家族，在進(jìn)化上具有高度保守性。（二）中間絲的結(jié)構(gòu)組裝中間絲蛋白在適宜的體外緩沖體系內(nèi)能自我組裝成10nm粗的絲狀結(jié)構(gòu)，其組裝過(guò)程不需ATP或GTP能量。中間絲的結(jié)構(gòu)組裝可分為四級(jí)步驟：1、二聚體。即以兩個(gè)單體的桿狀區(qū)平行排列構(gòu)成雙螺旋的二聚體，二聚體之中有同型或異型之分，每個(gè)二聚體的長(zhǎng)度約50nm。2、四聚體。即兩個(gè)二聚體以反向平行和半分子交錯(cuò)的形式組裝成四聚體，它是中間絲組裝的基本結(jié)構(gòu)單位，沒有朝向的極性。3、原纖維。即若干個(gè)四聚體首尾相連形成原纖維。4、中間絲。即以8根原纖維構(gòu)成長(zhǎng)圓柱狀的10nm纖維。中間纖維的功能：參與細(xì)胞骨架的支撐作用，例如：角蛋白纖維參與橋粒的結(jié)構(gòu)；結(jié)蛋白纖維參與肌原纖維上的Z盤構(gòu)造；神經(jīng)蛋白纖維多股組成神經(jīng)原纖維；固定細(xì)