细胞生物学第九章细胞骨架_思维导图模板

细胞骨架

细胞骨架概述

细胞骨架的概念：细胞骨架是细胞中由纤维蛋白构成的空间网架结构。细胞中同时存在多种类型的细胞骨架并非物质能量的浪费，每种细胞骨架及其组成成分均行使不同功能，多种组分间分工协作，功能互补，对细胞完成正常的生理功能至关重要。

广义的细胞骨架包括：细胞核骨架、细胞质骨架、质膜骨架以及胞外基质

狭义的细胞骨架包括：细胞质骨架（微管、微丝、中间丝）

细胞骨架的特点

细胞骨架由相应的蛋白亚基构成，在组装与解聚间二者达到平衡

细胞骨架具有动态不稳定性，即一定条件下存在组装与去组装现象，在细胞生命活动中起到重要作用。

细胞周期中，细胞骨架经历动态的组装与去组装，周期性的重塑，在分裂期与分裂间期，其分布与组织形式不同

踏车行为能够改变微管或微丝在细胞中的分布，可能与细胞运动有关

细胞分裂伴随着纺锤体的形成与分解

细胞胞质环流伴随着细胞骨架的形成与解聚

细胞骨架是三维的空间网状结构

细胞骨架的功能特点

细胞骨架构成多种细胞结构

微管：鞭毛、纤毛、中心体、纺锤体

微丝：微绒毛、收缩环、应力纤维、黏合斑、黏合带

中间丝：桥粒、半桥粒

细胞骨架为细胞提供结构支撑，维持细胞形态

细胞骨架介导细胞内物质运输、细胞器运输

细胞骨架介导细胞运动

细胞骨架对细胞分裂起到重要作用

细胞骨架是细胞内结构与功能的空间组织者

细胞内生物大分子或细胞器的分布具有不对称性，这与细胞骨架的不同组织方式有关，其结构与功能相适应

细胞骨架的研究方法

荧光显微镜：细胞骨架的蛋白亚基可与相应的荧光颜料或荧光抗体特异性结合，从而通过荧光显微镜观察其在活细胞中的组织、分布、功能与行为模式

电子显微镜：细胞经非离子型去污剂处理后，可溶性物质与膜被抽离，留下不溶的细胞骨架结构，经金属负型后可在电镜下观察细胞骨架的结构

特异性药物处理

微管：秋水仙素、长春花碱、紫杉醇

微丝：细胞松弛素、鬼笔环肽

微管

微管的组成与结构

微管蛋白：微管是中空管状的细胞骨架，外径约24nm，内径约15nm，由α、β两种球状蛋白形成的异二聚体，即微管蛋白亚基构成，微管蛋白亚基是微管组装的结构单位。微管蛋白是高度稳定的球蛋白，其表面分布有负电荷，以及一个二价阳离子、一个秋水仙素、一个长春花碱的结合位点。

α-微管蛋白：α-微管蛋白中含有一个GTP结合位点，此位点上的GTP不会被水解，也不会进行GTP-GDP转化，称为不可交换位点（N位点）

β-微管蛋白：β-微管蛋白中含有一个GTP结合位点，此位点上的GTP能够被水解，称为可交换位点（E位点）。当微管蛋白亚基组装为微管时，GTP水解为GDP；当微管蛋白亚基去组装时，GDP与细胞质中GTP交换，从而能够再次组装

微管的结构：α/β-微管蛋白异二聚体纵向排列形成原纤丝，13根原纤丝合拢后形成微管管壁。每根原纤丝的一端均为α，另一端均为β，故每根微管在结构上都是不对称的，具有极性。α端称为负极，β端称为正极

微管的分类

单微管：包括细胞质微管、纺锤体微管，不稳定，随时能够组装与去组装

二联体微管：包括鞭毛与纤毛的轴丝，结构稳定。排列为9（2）+2范式

三联体微管：包括中心粒/中心体、基粒/基体、结构稳定。排列为9（3）+0范式，A环完整，B、C环不完整

微管的组装与调控

微管的体外组装

成核阶段：限速步骤，α/β-微管蛋白异二聚体纵向聚合形成短的丝状结构，即原纤丝的基础

延伸阶段：以原纤丝为基础，通过向侧面增加异二聚体而扩展为片状结构，稳定性提高。异二聚体沿着同一方向平行于长轴重复排列，当片状结构加宽到13根时，即合拢形成微管管壁。之后游离的α/β-微管蛋白异二聚体不断添加到微管的两端使之延长。若组装时α/β-GTP聚合作用快于解聚作用，则会在微管的一段产生GTP帽子，即正极帽子，其组装速率是负极的两倍

微管的体内组装

微管组织中心：微管组织中心（MOC）是指，在活细胞内，能够介导微管成核作用并使之延伸的结构。如：动物细胞中的中心体/中心粒、基体/基粒。植物细胞中细胞两极的特殊区域，如成膜体。细胞内并非所有微管都源于微管组织中心

微管的体内组装：微管组织中心外周无定形基质中含有γ-微管蛋白，γ-微管蛋白螺旋排列，形成一个开放式环形结构。游离的α/β-微管蛋白异二聚体有序添加到γ-微管蛋白达到环形结构中，γ-微管蛋白只与异二聚体α端结合。α端为负极，组装较慢。β端为正极，组装较快。

微管组装的调控

底物浓度：当结合GTP的微管蛋白亚基浓度较高时，微管的组装速度大于微管末端GTP的水解速度，使微管末端形成GTP帽子，稳定延长。当结合GTP的微管蛋白亚基浓度过高时，会与核糖体结合，导致翻译微管蛋白的mRNA降解。当结合GTP的微管蛋白亚基浓度较低时，微管的组装速度小于微管末端GTP的水解速度，暴露出末端GDP结构区域，使末端不稳定，倾向于去组装踏车行为是指，由于微管两端极性不同，当系统中底物浓度接近临界浓度时，同一根微管上，正极组装延长，负极去组装缩短，当延长速度与缩短速度相同时，微管长度保持不变。细胞内由于多数微管的一端与组织中心相连，故较难观察到踏车行为

温度：当其他条件均适宜时，20℃以上有利于微管蛋白亚基的组装；20℃以下有利于微管蛋白亚基的去组装。

特异性药物

秋水仙素：能够与游离的微管蛋白亚基结合，从而阻止微管组装，但不影响微管的去组装。故秋水仙素处理细胞后，微管倾向于去组装

紫杉醇：能够与微管末端的亚基结合，从而阻止微管去组装，但不影响微管的组装。故紫杉醇处理细胞后，微管倾向于不断组装延伸

微管结合蛋白：微管结合蛋白（MAP）连接于微管外壁，具有微管结合结构域以及外壁突出结构域，由单一基因编码，多在神经细胞中发现。如：MAP2，能够在微管间形成横桥，从而提高微管的稳定性

微管的功能

微管对细胞结构起到组织作用，维系细胞内结构与功能的稳定性与有序性

微管对细胞形态的发生起到维持作用，例如神经细胞中的轴突富含微管

微管介导细胞器的分布与定位

微管能够介导细胞内物质运输或膜泡运输

微管依赖性的物质运输是耗能的定向运输，在微管与被运输物质之间存在一类既能与微管结合，又能与被运输物质结合的分子马达，这些分子马达能够利用水解ATP释放的能量促使物质的定向运输。与微管结合的分子马达包括：驱动蛋白与胞质动力蛋白

驱动蛋白：驱动蛋白是由两条重链与两条轻链构成的四聚体，N端为头部，包含两个马达结构域，含有ATP结合位点与微管结合位点。C端为尾部，呈扇形。二者以中部杆状结构域相连。驱动蛋白介导的物质运输方向由负极到正极。驱动蛋白介导物质运输的原理包括步行与爬行两个模型，前者认为运动时两个马达结构域交替进行，后者认为两个马达结构域永远一个在前一个在后。均由水解ATP提供能量。

胞质动力蛋白（最快、最大的分子马达）：胞质动力蛋白是由多条链构成的分子马达，包括含有马达结构域的重链、中间链与轻链。C端为头部，包含马达结构域，含有ATP结合位点。N端为可变区。胞质动力蛋白介导的物质运输方向由正极到负极。胞质动力蛋白介导物质运输的原理为，通过水解ATP将化学能转化为动能，从而介导膜泡沿着微管正极向负极移动

微管参与构成细胞特化结构，例如鞭毛与纤毛

鞭毛与纤毛的结构：鞭毛、纤毛的基部与基粒相连，基粒的结构与中心粒相同，均由9组三联体微管构成，排列范式为9（3）+0.鞭毛、纤毛均由9组二联体微管构成，其排列范式为9（2）+2，称为轴丝。其中心为两根单微管，外包中央鞘，周围有9组二联体微管，近中央一侧为A，是完全微管，由13根原纤丝构成；背中央一侧为B，是不完全微管，有3条原纤丝与A共用。相邻的二联体微管由连接蛋白相连，A管通过放射辐与中央鞘相连，并伸出两根动力蛋白，分别指向轴丝内外，通过动力蛋白与B的相互作用，介导弯曲

鞭毛与纤毛的运动：滑动模型，即鞭毛与纤毛的运动是动力蛋白介导的相邻二联体微管相对滑动

微管参与构成纺锤体，介导细胞两极分开，牵引染色体向细胞两极运动

微丝

微丝的组成与结构

微丝的概念：微丝又称肌动蛋白丝，直径约7nm，由肌动蛋白单体聚合而成，存在于所有真核细胞中，参与多种细胞表面形态的构成并介导细胞运动

微丝的组成：肌动蛋白

G-actin即单体肌动蛋白，由一条肽链折叠而成，是构成微丝的单体。三维结构呈碟状，中央有一裂口，内含ATP与Mg2+/Ca2+结合位点

F-actin即微丝，由数个G-actin组装而成，G-actin首尾相连形成双螺旋结构，其中每个G-actin周围都有4个单体

微丝的极性：微丝中每个肌动蛋白的裂口都朝向同一侧，使微丝整体上体现极性。裂口端为负极，背向裂口端为正极

微丝的组装与调控

微丝的组装

成核反应：由成核蛋白Arp2、Arp3构成微丝起始复合物，介导微丝开始组装。肌动蛋白与起始复合物结合，形成可供组装的寡聚体。

延伸反应：肌动蛋白具有ATP酶活性，G-actin-ATP与寡聚体末端结合，水解ATP，从而介导微丝延长。正极组装速度快于负极，新的单体多添加于正极。当微丝组装至一定程度时，G-actin浓度下降，组装速率不断下降，组装与去组装达到平衡，微丝延伸进入稳定期。微丝的组装亦具有踏车行为

微丝组装的调控

离子浓度：当系统中含有一定浓度的Ca2+，而Na+、K+浓度较低时，微丝倾向于去组装。当系统中含有一定浓度的Mg2+、ATP，而Na+、K+浓度较高时，微丝倾向于组装。

底物浓度：当G-actin-ATP浓度较高时，微丝的组装速度大于末端ATP的水解速度，使微丝末端形成ATP帽子结构，使微丝稳定延长。当G-actin-ATP达到临界浓度时，微丝组装与去组装达到平衡。当G-actin-ATP浓度较低时，微丝的组装速度小于末端ATP的水解速度，使微丝末端形成ADP帽子结构，使微丝倾向于去组装。

特异性药物

细胞松弛素B：能够与微丝结合并将之切断，并结合于微丝末端以阻止G-actin与之结合，从而抑制微丝组装，但不影响微丝去组装。故用细胞松弛素B处理细胞能够破坏细胞中的微丝网络，从而阻止细胞运动。

鬼笔环肽：能够与微丝结合并抑制其去组装，使微丝保持稳定。故用鬼笔环肽处理细胞能够破坏微丝的动态平衡，从而阻止细胞运动。

微丝结合蛋白（非马达蛋白）

单体结合蛋白：细胞中G-actin:F-actin=1:1，即游离的G-actin浓度远远高于体外组装时的G-actin浓度，这是由于细胞中存在多种G-actin单体结合蛋白。如：单体隔离蛋白，胸腺素β4，与G-actin结合，抑制其组装。单体聚合蛋白，前纤维蛋白，与G-actin-ATP正极结合，促进其组装

成核蛋白：如：Arp2、Arp3，在微丝组装时起到成核作用，与微丝负极相连。也可以与已有的微丝侧向结合，从而介导形成分支的微丝网络。

封端蛋白：如：β-辅肌动蛋白，与微丝正极端结合，以阻止其组装或去组装

交联蛋白：如：α-辅肌动蛋白（成束蛋白），参与微丝-微丝、微丝-膜的结合，由反向排列的二聚体构成，其间间距较大

微丝的功能

微丝参与构成细胞表面特化结构

微绒毛：微绒毛是由微丝构成的永久结构，其中微丝同向平行排列，顶端为正极，底端为负极，与中间丝相连。由于微绒毛中微丝间不含肌球蛋白，故微绒毛没有收缩能力。

伪足：伪足是指细胞迁移过程中由同向平行排列的微丝构成的临时性结构。

细胞迁移的过程：细胞表面在其运动方向的前端伸出突起，突起与基质间形成新的锚定位点，如黏着斑，使突起附着于基质中。之后细胞以附着点为支点向前移动，后方原先的附着点与基质脱离，使尾部向前移动。微丝间相互交联形成网状结构，称为片状伪足，其前端由束状微丝构成一些突起，称为丝状伪足。靠近质膜一侧为正极

细胞迁移的机理：质膜附近的WASP蛋白能够激活Arp2/3复合物，从而介导微丝的组装。当细胞受到外界刺激时，WASP激活Arp2/3复合物，启动成核反应，介导微丝组装。G-actin-ATP在前纤维蛋白作用下向正极组装，使质膜向刺激源延伸。当延伸至一定程度时，Arp2/3复合物与微丝侧面结合，介导侧面微丝组装形成分支，支点处为负极，支点前端为正极，继续延伸。如此反复，促使细胞向刺激源伸出伪足。

应力纤维：体外培养时，细胞贴壁后在质膜与基质构成的黏着斑内侧由大量微丝紧密排列成束所构成的结构称为应力纤维。应力纤维在真核生物中广泛存在，其中微丝反向平行排列，有II型肌球蛋白与之结合，能够产生一定程度的张力，对细胞形态的维持至关重要。细胞运动时应力纤维会改变或消失

收缩环：收缩环是动物细胞有丝分裂末期，在赤道面附近的质膜内侧，由大量反向平行排列的微丝构成的环状结构，有II型肌球蛋白与之结合，通过肌动蛋白与肌球蛋白的相对滑动介导环收缩，促使动物细胞一分为二。

细胞皮层：细胞内部大部分微丝都集中于质膜内侧，由微丝结合蛋白构成胶凝态网状结构，称为细胞皮层。细胞皮层为质膜提供强度与韧性，对膜的流动性起阻碍作用。且与胞质环流、膜蛋白定位等多种过程相关。

微丝能够介导细胞内物质或膜泡的运输

分子马达：分子马达是指，一类既能与微管/微丝结合，又能与被运输物质结合，利用水解ATP提供的能量，将化学能转化为机械能，从而定向将所携带物质沿着细胞骨架定向运输的蛋白质。分子马达中马达结构域较为保守，含有微管/微丝以及ATP结合结构域

微管依赖性分子马达：驱动蛋白、胞质动力蛋白

微丝依赖性分子马达：肌球蛋白

II型肌球蛋白：II型肌球蛋白，广泛存在于各种细胞中，与微丝结合，介导细胞运动或物质由负极向正极运输。如：肌细胞中，参与构成粗肌丝；非肌细胞中，参与构成收缩环/应力纤维。II型肌球蛋白由两条重链与四条轻链构成，结构高度不对称，两条重链绕成双股螺旋。II型肌球蛋白头部为两个马达结构域，有微丝与ATP结合位点，通过水解ATP将化学能转化为机械能，介导物质由负极向正极运输

中间丝

中间丝概述

中间丝的概念：中间丝是指，主要存在于动物细胞中的一类细胞骨架，其直径约10nm，介于微管与微丝之间，其稳定性远远高于微管与微丝，分布具有组织特异性。中间丝并非所有真核细胞都存在的细胞骨架

中间丝的类型

中间丝的组装：中间丝的组装无需ATP或GTP供能

中间丝的组装过程：两个单体高度保守的杆状α螺旋区以平行排列的方式形成双股螺旋二聚体，分为N、C端，有极性。两个二聚体反向平行，以半交错的形式形成四聚体，无极性。四聚体是中间丝组装的基本单位，经由纵向与侧向的相互作用，构成中间丝。细胞质中，中间丝往往围绕细胞核开始组装，之后逐渐向细胞边缘延伸，并参与构成桥粒、半桥粒等结构，从而使相邻细胞连接形成一个整体。

中间丝组装的调控：中间丝无明确的单体库存在，通常都为聚合体，但仍是动态平衡的结构。中间丝的组装与去组装与中间丝蛋白质的磷酸化与去磷酸化有关。有丝分裂前期，中间丝蛋白磷酸化，与结合蛋白相互作用，使之去组装。有丝分裂后期，中间丝蛋白去磷酸化，结合蛋白与之分离，使之组装。如：核纤层蛋白的组装与去组装，收到MPF调控

中间丝的功能

中间丝在细胞质中构成一个完整的网格系统，内连细胞核并形成核纤层，外接质膜并与胞外基质相连，维持细胞、细胞核结构的稳定性

中间丝亦可参与细胞中的物质运输

中间丝在细胞分裂中起到重要作用，例如核纤层的组装与去组装

中间丝参与桥粒、半桥粒等细胞连接的形成，使相邻细胞连成一个整体

细胞癌变或癌细胞扩散后，细胞内仍然保持其中间丝的特异性，故可通过中间丝鉴定癌细胞或肿瘤组织的来源。