《医学细胞生物学》第07章 细胞骨架与细胞的运动讲解

《医学细胞生物学》第07章 细胞骨架与细胞的运动讲解

1.《医学细胞生物学》第07章 细胞骨架与细胞的运动讲解 篇一

第九章 细胞骨架

细胞骨架(cytoskeleton)是指真核细胞中的蛋白纤维网架体系。

一、微丝与细胞运动(一)微丝的组成及其组装 1．结构与成分

微丝的主要成分是肌动蛋白(actin)，它是微丝的基础蛋白。纯化的肌动蛋白单体称为G一肌动蛋白(G-actin)，外观呈哑铃状，有极性，具阳离子、ATP(ADP)和肌球蛋白结合位点。肌动蛋白以相同的方式头尾相接形成螺旋状肌动蛋白丝，称为F-肌动蛋白(F-actin)，肌动蛋白丝具有极性。目前已知有α、β、γ三种肌动蛋白异构体，分别分布在不同细胞或组织中。2．微丝的组装及动力学特征

微丝是由肌动蛋白单体头尾相接形成的纤维状的多聚体。在大多数非肌肉细胞中，微丝是一种动态结构，在一定条件下，不断进行组装和解聚(正端因加上了肌动蛋白单体而延长，在负端因肌动蛋白单体脱落而缩短，导致纤维踏车现象(tread milling)的显著特性)，并与细胞的形态维持及细胞运动有关。在体外条件下，在Mg²⁺和高浓度的K⁺或Na²⁺溶液的诱导下，从G-肌动蛋白装配成纤维状的F-肌动蛋白，在含ATP和Ca²⁺以及很低浓度的Na⁺或K⁺溶液中，微丝趋向于解聚。

3．影响微丝组装的特异性药物

细胞松驰素(cytochalasin)：细胞松驰素的作用是阻止微丝聚合，经细胞松驰素处理后，微丝变短。

鬼笔环肽(philloidin)是从毒蘑菇中提取出来的一种多肽蛋白，作用是稳定微丝结构。鬼笔环肽可以特异地结合到F-actin上，其结合十分稳定，具有抑制

微丝解聚的作用。

(二)微丝网络动态结构的调节与细胞运动

(1)非肌肉细胞内微丝的结合蛋白。非肌肉细胞中亦存在肌球蛋白、原肌球蛋白、a-辅肌动蛋白等；而肌钙蛋白在非肌肉细胞中尚未发现。近年来在非肌肉细胞中分离鉴定了几十种微丝结合蛋白，与微丝装配及功能有密切关系。(2)细胞皮层。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。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)及吞噬(phagocytosis)都与肌动蛋白的溶胶与凝胶状态及其相互转化有关。

(3)应力纤维。应力纤维广泛存在于真核细胞。介导细胞间或细胞与基质表面的粘着，可能在细胞形态发生、细胞分化和组织建成等方面具有重要作用。(4)细胞伪足的形成与迁移运动。

(5)微绒毛。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。

(6)胞质分裂环。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。

(三)肌球蛋白：依赖于傲丝的分子马达

分子马达(molecular motor)主要是指依赖于微管的驱动蛋白(kinesin)、动力蛋白(dynein)和依赖于微丝的肌球蛋白(myosin)这三类蛋白质超家族的成员。它们具有沿着微管或微丝运输“货物”的功能。

肌球蛋白(myosin)的头部具ATP酶活力，沿微丝从负极到正极进行运动。MyosinⅡ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，即肌肉中的粗肌丝。

(四)肌细胞的收缩运动 1．肌纤维的结构

横纹肌细胞一种特别富含细胞骨架成分、效率特别高的能量转换装置。肌细胞的收缩单位是肌原纤维，肌原纤维由粗丝和细丝组装形成。

粗丝的成分是肌球蛋白Ⅱ，此蛋白是由一对相同的肌球蛋白分子组成，由两个肌球蛋白Ⅱ分子尾对尾地向相反方向排列，即尾部在中央，头部在两侧，再平行聚合成束；细丝的主要成分是肌动蛋白，辅以原肌球蛋白和肌钙蛋白。

原肌球蛋白(tropomyosin，Tm)：由两条平行的多肽链形成仪一螺旋构型，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(Toponin，Tn)：为复合物，包括Tn-C(Ca2+敏感性蛋白)、Tn-T(与原肌球蛋白结合)、Tn-I(抑制肌球蛋白ATPase活性)三个亚基。

肌小节(sarcomere)是肌原纤维的基本收缩单位。

肌肉细胞收缩是由全部肌节的同时缩短引起的，其实质是肌动蛋白细丝与肌球蛋白粗丝问的滑动，它们的长度没有改变。2．肌肉收缩的滑动模型

(1)动作电位的产生：来自脊髓运动神经元的神经冲动经轴突传到神经肌肉接点——运动终板，使肌肉细胞膜去极化，经T小管传至肌质网。

(2)Ca2+的释放：肌质网去极化后释放Ca2+至肌浆中，有效触发收缩周期的Ca2+浓度升高，达到阈值，约为10-6mol／L。Ca2+的浓度的升高是触发肌肉收缩的分子机理。

(3)原肌球蛋白位移：Ca2+与Tn-C结合，3个亚基的空间构型发生变化，使原肌球蛋白分子更深地陷入肌动蛋白纤维螺旋沟内。结果肌动蛋白单体上可与肌球蛋白结合的部位暴露出来，细丝可与粗丝的横桥相结合，从而引发粗丝与细丝这间的滑动，使肌节缩短，即肌肉收缩。

Ca与Tn-C解离时，肌钙蛋白的3个亚基又恢复原来的空间构型。此时肌动蛋白的单体上与肌球蛋白结合的位点又被原肌球蛋白所遮蔽，细丝和粗丝无法相互作用，导致肌肉松弛。

(4)肌动蛋白细丝与肌球蛋白粗丝的相对滑动。

(5)Ca2+的回收：到达肌肉细胞的一系列冲动一经停止，肌质网就通过主动运输重吸收Ca2+，于是收缩周期停止。

二、微管及其功能

微管是细胞骨架纤维中最粗的一种，是一种动态结构，能很快的组装和去组装，因而在细胞中呈现了各种形态和排列方式，以适应变动的细胞质状态和完成它们的各种功能。微管在细胞内存在三种形式：单管(质膜下)；二联管(鞭毛和纤毛)；三联管(中心粒和基体)。

(一)微管的结构组成与极性

电镜下，微管是中空的管状结构，直径为24～26nm，长短不一。微管的管壁厚约5nm，由13条原纤维纵行螺旋排列而成，每条原纤维是由α、β微管蛋白相间排列而成的长链。

微管的分子组成微管蛋白(tubulin)是构成微管的主要蛋白。这是一类酸性蛋白，有两型，即α、β微管蛋白，常以异二聚体的形式存在，是微管装配的基本单位。它们分子量相同(5．5×104)，各含约500个左右的氨基酸，两者的氨基酸组成、排列方式均有差别。异二聚体上具有：含有鸟嘌呤(GTP)的两个结合位点；含有二价阳离子(Mg2+)结合位点；含有秋水仙素和长春花碱结合位点。

(二)微管的组装和去组装 1．微管的体外组装与踏车行为

微管是一种动态结构，可根据细胞生理需要很快地组装与去组装。微管按照特定方式进行装配，先由微管蛋白二聚体α、β头尾相接形成环状核心，再经过2+

侧面增加二聚体扩展成螺旋带，当加宽到13条原纤维时即合拢成一段微管。新的二聚体再不断加到这段微管的端点，使之延长。细胞内微管装配过程中，微管组织中心(microtubule organizing center，MTOC)起着重要的作用。中心体是主要的MTOC，微管负极与中心体联结，正极指向细胞边缘。2．作用于微管的特异性药物

秋水仙素(colchicine)是最重要的微管工具药物，它可阻断微管蛋白组装成微管，结合秋水仙素的微管蛋白可结合于微管末端，阻止其他微管蛋白的加入。

紫杉酚(taxol)能促进微管的装配，并使已形成的微管稳定。重水(D2O)也会促进微管装配，增加其稳定性。

后两种药物所致的微管稳定性的增加对细胞是有害的，使细胞周期停止于有丝分裂期。

其他因素：如温度超过20℃有利于组装，低于4℃引起解聚；Ca2+浓度低时促进组装，高时促使解聚等。

(三)微管组织中心

微管组织中心是微管组装的起始点，中心体、基体等都是微管组织中心。

中心体(centrosome)是动物细胞中主要的微管组织中心，中心体由一对相互垂直的中心粒(centrioles)及周围基质构成。位于鞭毛和纤毛根部的类似结构称为基体(basal body)。

基体和中心粒均是微管性结构，呈圆柱状，其壁由9组微管三联体组成，亚纤维A为完全微管，亚纤维B和C为不完全微管。亚纤维A和B跨过纤毛板与纤毛轴线中相应的亚纤维相延续，亚纤维C终止于纤毛板或基板附近。中心粒和基体是同源的，在某些时候可以相互转变。

中心粒和基体均具有自我复制性质。基体中含有一个长度为6000-9000kb的DNA分子，编码基体功能所必需的几种蛋白。中心粒中是否含DNA尚有待证实，一般情况下，新的中心粒由原来的中心粒于S期复制，在某些细胞中，中心粒能自我发生。

(四)微管的动力学性质

微管的稳定性与微管所在细胞的生理状态以及所结合的细胞结构组分相关。

(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)，主要包括以下几种：

(1)τ蛋白(Tau蛋白)：修饰因子，增加MT装配的起始点和促进起始点装配速度。

(2)MAP1：在MT间形成横桥，控制MT的延长。

(3)MAP2：在MT间及MT与中间丝之间形成横桥，使MT成束。(4)MAP4：未知。

(5)+TIPs(+端追踪蛋白)：MT形成的控制及踏车运动中起作用。

它们以不同的方式结合在微管的表面，其功能：(1)调节和促进微管装配。

(2)稳定微管空间结构，是微管结构和功能的必需组成成份。

(六)微管对细胞结构的组织作用

微管蛋白的合成是自我调节的，多余的微管蛋白单体结合于合成微管蛋白的核糖体上，导致微管蛋白mRNA降解。

微管在体内的装配和去装配在时间和空间上是高度有序的，间期细胞中，细胞质微管与微管蛋白亚单位库处于相对平衡状态；有丝分裂期中，胞质微管装配和去装配动态受细胞周期调控，发生显著改变，分裂前期，胞质微管网络中的微管去装配，游离的微管蛋白亚单位装配为纺锤体；分裂末期，发生逆向转变。此

外，细胞中存在一些非常稳定的微管结构，如纤毛，鞭毛等。

(七)细胞内依赖于微管的物质运输

微管可以作为物质运输的轨道，单根微管上的物质运输是双向的。在神经轴突运输中两个家族马达蛋白已经得到纯化：一种是驱动蛋白(kinesin)，大约有40个基因，驱动蛋白利用ATP水解释放的能量向正极运输物质；另一种是胞质动力蛋白(dynein)，驱动物质向负极运输。

(八)纤毛和鞭毛的结构与功能

纤毛(cilia)和鞭毛(flagellae)是细胞表面的特化结构，有运动功能。1．纤毛和鞭毛的结构

鞭毛的横切面显示“9+2”结构，即9对周围双联微管成一环状围绕着一对中央微管排列。轴心的主要蛋白结构：(1)双联微管。

(2)动力蛋白臂(dynein arms)，为A亚纤维形成的突起，是一种高分子具有ATP酶活性的蛋白，它们是纤毛产生运动的关键蛋白。

(3)微管连丝蛋白(nexin)，将相邻微管二联体结合在一起。

(4)放射辐条(radial spokes)，由外围微管二联体A亚纤维伸向中央微管。辐条在纤毛不弯曲的区段以垂直方向连到纤毛轴上；而在弯曲的区段则相对地脱开。

(5)内鞘。

2．纤毛和鞭毛的运动机制

(1)动力蛋白头部与B亚纤维的接触促使动力蛋白结合的ATP水解产物释放，同时造成头部角度的改变。

(2)新的ATP结合使动力蛋白头部与B亚纤维脱开。

(3)ATP水解，其释放的能量使头部的角度复原。

(4)带有水解产物的动力蛋白头部与B亚纤维上另一位点结合，开始又一次循环。

鞭毛产生弯曲运动的机制：这主要是双联管之间存在有连丝蛋白，使得微管彼此束缚在一起，这样使得自由微管之间的简单的平行滑动变为鞭毛的弯曲运动。

三、中间丝

(一)中间丝的主要类型和组成成分

中间纤维(intermediated filament，IF)是一类结构上相似而组成上不同、长的、通常无分支的胞质纤维，它是一种坚韧而柔软的蛋白质纤维。直径介于微丝和微管之间，故称为中间纤维。中间纤维是细胞中最稳定、最不易溶解的成分。

分子结构特点：中间纤维蛋白一般可分为头部、杆部和尾部三个部分。头部位于N-末端，均为非螺旋结构，是一球形区域，具有高度可变性。杆部有四段高度保守的a螺旋形成伸展的超螺旋。尾部位于C一末端的球形区域。不同的中间丝蛋白的C-末端和N-末端大小差别较大，化学性质也各不相同。

(二)中闻丝的组装和表达

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：(1)IF装配的单体是纤维状蛋白(MF、MT的单体呈球形)。(2)反向平行的四聚体导致IF不具有极性。

(3)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)。

中间丝的表达具有组织特异性。不同的中间纤维蛋白在不同类型的细胞中表达，根据其组织来源和免疫原性以及蛋白质的氨基酸序列，可将中间纤维分为五

大类：①角蛋白纤维；②结蛋白纤维；③波行蛋白纤维；④胶质蛋白纤维；⑤神经蛋白纤维。

(三)中问丝与其他细胞结构的关系

中间丝的功能：

(1)维持细胞的整体性：中间纤维在外可以与细胞膜和细胞外基质有直接的联系，内与核膜、核基质联系，与微管、微丝及其他细胞器联系，维持着细胞的形态、结构和功能的完整性。

(2)参与细胞内信息传递及物质运输中间丝有明显在核外周聚集的特点，与细胞内信息传递及物质运输有关。

(3)参与相邻细胞间连接结构的形成如参与桥拉和半桥粒的形成。角蛋白纤维参与桥粒形成和维持。

(4)参与细胞分化：微丝和微管在各种细胞中都是相同的，而中间丝蛋白的表达具有组织特异性，表明中间丝与细胞分化可能具有密切的关系。

(5)在肿瘤诊断中的作用由于不同类型的中间纤维的分布具有严格的组织特异性，并且多数肿瘤细胞通常继续表达其来源细胞的中间纤维的类型，这一特点已被广泛应用于肿瘤临床诊断，以鉴别肿瘤的组织的来源，如检测羊水细胞中胶质纤维蛋白和神经元纤维蛋白的存在，能够早期诊断胎儿中枢神经系统的畸形。(6)增强细胞抗机械压力的能力。(7)神经元纤维在神经细胞轴突运输中起作用。