【细胞生物学】08 细胞骨架_思维导图模板

细胞骨架

定义

一般指真核细胞质内由蛋白质组成的复杂纤维状网架结构体系

包括微丝（MF）、微管（MT）、中间纤维（IF）

根据蛋白质单元不同进行分类

广义的细胞骨架还包括核骨架和膜骨架

分类

基本单元

肌动蛋白（actin）

动态，有极性

分子马达

肌球蛋白（myosin）

多向正极端移动

基本单元

α/β-微管蛋白

动态，有极性

分子马达

驱动蛋白（kinesin）

向正极移动

动力蛋白（dynein）

向负极移动

基本单元

成分较多

动态较低，无极性

微丝与细胞运动

微丝（MF）

又称肌动蛋白丝、纤维状肌动蛋白

直径7nm

微丝网络的空间结构与功能取决于与之相结合的微丝结合蛋白

微丝的组成及其组装

结构与成分

肌动蛋白（actin）

序列高度保守

不同亚型的肌动蛋白常有组织和发育阶段表达的特异性

在细胞内有两种存在形式

肌动蛋白单体（G-actin）

由单体装而成的纤维状肌动蛋白（F-actin）

比例约1：1

三维结构

外观呈蝶状

裂缝内有一个ATP/ADP和Mg2+/Ca2+结合位点

ATP亲和力更强

定义纤维状肌动蛋白的裂缝方向为负端，另一端为正端

进化上高度保守

种类

α-肌动蛋白

有4种，分别为横纹肌、心肌、血管平滑肌、肠道平滑肌特有

β-肌动蛋白

通常定位于细胞的边缘

WB最常用的内参蛋白之一

γ-肌动蛋白

应力纤维的组成成分

微丝的组装及其动力学特性

影响因素

肌动蛋白的状态（结合ATP或ADP）

通常只有结合ATP的肌动蛋白才能参与微丝的组装

粒子的种类、浓度

溶液中含有适当浓度Ca2+，较低浓度Na+/K+时

微丝趋向于解聚

溶液中含有ATP、Mg2+、较高浓度Na+、K+时

G-actin趋向于组装成F-actin

组装过程

成核反应

成核过程

G-actin必须先形成一个具有2-3个亚基的低聚物

需要肌动蛋白相关蛋白（ARP）Arp2/3复合物的参与

可以与微丝或其他细胞结构结合，并以此作为微丝组装的起点

G-actin组装的限速步骤

称为延迟期

纤维快速延长

通常正端组装的速度比负端快5-10倍

负极端往往与Arp2/3复合物及细胞结构结合

肌动蛋白组装到微丝的末端以后，能将本身结合的ATP水解为ADP，并释放磷酸基

当微丝组装速度快于末端肌动蛋白水解ATP的速度时

相当于在微丝的末端有一个由肌动蛋白-ATP亚基所构成的帽

末端带有这种帽子结构的微丝比较稳定，可以持续组装

微丝末端的组装速度较肌动蛋白亚基水解ATP的速度慢时

肌动蛋白亚基所结合的ATP都被水解为ADP，这段微丝比较容易解聚

系统稳定

纤维正端组装的速度和负端解聚的速度相同

临界浓度Cc

此时体系中肌动蛋白单体的浓度

微丝的稳定性受多种结合蛋白的调控

微丝的解聚

负端更容易与帮助微丝解聚的蛋白质相互作用

两端解聚速度相近，正端稍快

踏车行为

Cc+ < 细胞质肌动蛋白单体浓度 < Cc-

微丝的正极端由于肌动蛋白亚基的不断添加而延长，而负极端由于解离而缩短

影响微丝组装的特异性药物

细胞松弛素

可与微丝结合并将其切断

在微丝末端结合后还可阻止肌动蛋白在该部位的聚合

对微丝的解聚没有影响

鬼笔环肽

与微丝表面有强亲和力，但不与游离的肌动蛋白单体结合

结合后能阻止微丝的解聚

用荧光标记的鬼笔环肽染色可显示微丝在细胞内的分布

微丝网络结构的调节与细胞运动

非肌细胞内的微丝结合蛋白

大多数非肌细胞中的微丝是一种高度动态的结构

与细胞形态的持续变化及细胞运动有密切关系

细胞内肌动蛋白的组装受到可溶性肌动蛋白的存在状态和微丝结合蛋白的种类两个不同层次的调节

微丝网络的组织形式和功能通常取决于与之结合的微丝结合蛋白

微丝结合蛋白通过影响微丝的组装与解聚，介导微丝与其他细胞结构之间的相互作用来决定微丝的组织行为

微丝可以通过和肌球蛋白之间的相互作用来转运生物大分子复合物及多种细胞器，并对细胞的形态结构和蛋白质的定位起组织作用

微丝结合蛋白的种类

肌动蛋白单体结合蛋白

胸腺素β4

能与游离的肌动蛋白结合，并封闭肌动蛋白聚合的位点

浓度常与游离的肌动蛋白库的容量有关

与带ATP的肌动蛋白亲和力更高

前纤维蛋白（抑制蛋白）

与肌动蛋白的正极端结合，阻碍了前纤维蛋白-肌动蛋白复合体在微丝负极端的聚合

并不影响微丝正极端的组装

成核蛋白

影响肌动蛋白组装的因素

外部信号

Arp2/3复合物

可以启动肌动蛋白的成核过程

受cdc42（小G蛋白）的调控

位于纤维的负端

可结合在适当的细胞结构上，也可结合在已有的微丝上

与原有微丝呈70°夹角

与带有ATP的肌动蛋白亚基亲和力较高

形成蛋白

始终与微丝的正极端结合

通过与前纤维蛋白相互作用提高微丝的组装速度

保护正极端免受加帽蛋白的干扰

加帽蛋白

一类可与微丝的末端结合，从而阻止微丝解聚或过度组装的微丝结合蛋白

与微丝的负极端结合

Arp2/3复合物

原肌球蛋白调节蛋白

与微丝的正极端结合

CapZ

凝胶蛋白家族

意义

在调节微丝的动力学性质方面发挥作用

受细胞膜上的G蛋白偶联受体及下游的PIP2调节

交联蛋白

种类

成束蛋白

将相邻的微丝交联呈互相平行的束状结构

两个肌动蛋白结合位点之间的区域都是僵直的

凝胶形成蛋白

将微丝连接成网状

两个肌动蛋白结合位点之间的区域是柔软的，或本身就是弯曲的

特点

都有一个或两个相似的微丝结合位点，能够单独或者以二聚体的形式将相邻的微丝交联在一起

两个微丝结合位点之间的距离决定了它们所交联形成的微丝束或网络的松紧程度

成束蛋白

丝束蛋白

属于微丝成束蛋白

两个微丝结合位点靠得很近

多个丝束蛋白分子与微丝结合可形成排列紧密的微丝束

肌球蛋白很难进入相邻的微丝间，导致此类微丝束没有收缩能力

绒毛蛋白

与丝束蛋白相似

α-辅肌动蛋白

只有一个微丝结合位点，可形成反向平行的二聚体

两个微丝结合位点相距较远

形成的微丝束（如应力纤维）中微丝的排列相对宽松

肌球蛋白II可进入相邻的微丝间，并依靠其马达结构域与微丝相互作用

此类微丝束具有收缩能力

凝胶形成蛋白

细丝蛋白

血影蛋白

割断及解聚蛋白

凝溶胶蛋白

在高Ca2+浓度下能将较长微丝切断

使肌动蛋白由凝胶态转化成溶胶态

微丝切断形成了大量正端和负端

某些条件下可以加速微丝的解聚

某些条件下可以形成大量新的组装位点，促进微丝在短时间内快速组装

丝蛋白/肌动蛋白解聚因子（confilin/ADF）

能与游离的肌动蛋白或微丝结合，提高微丝的解聚速度

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，并由微丝结合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

皮层内一些微丝还与细胞质膜上的蛋白质结合

使膜蛋白的流动性受到一定程度的限制

意义

可以为细胞质膜提供强度和韧性，有助于维持细胞形状

细胞的多种生理活动都与皮层内微丝网络的溶胶态-凝胶态转化相关

胞质环流

阿米巴运动

变皱膜运动

吞噬

膜蛋白的定位

应力纤维

定义

连接相邻的黏着斑或特定的细胞结构的微丝束

功能

介导细胞间或细胞与基质表面的黏着

细胞伪足的形成与细胞迁移

以成纤维细胞为例

迁移步骤

外源信号触发

细胞在它运动方向的前端伸出突起

突起与基质之间形成新的锚定点（如黏着斑），使突起附着在基质表面

细胞以附着点为支点向前移动

位于细胞后部的附着点与基质脱离，细胞的尾部前移

在迁移过程中

位于细胞前缘的肌动蛋白聚合使细胞伸出宽而扁平的片足

片足常呈波形运动

在其前端还有一些比较纤细的突起，称为丝足

在伪足内部微丝的正极端位于细胞的前缘

存在于该部位的WASP蛋白能够激活Arp2/3复合物，导致肌动蛋白的聚合及树枝状微丝网络的形成

微绒毛

在小肠上皮细胞的游离面有大量的微绒毛

光镜下不可见

纤毛光镜下可见

轴心是一束平行排列的微丝，对微绒毛的形态起支撑作用

正极端在微绒毛的顶部

下端终止于端网结构

微丝束与细胞质中间丝相连

胞质分裂环（收缩环）

定义

有丝分裂末期在两个即将分裂的子细胞之间形成的一个起收缩作用的环形结构

主体由大量反向平行的微丝组装而成

胞质分裂的动力来源于结合在收缩环上的肌球蛋白所介导的极性相反的微丝之间的滑动

肌球蛋白：依赖于微丝的分子马达

马达蛋白的分类

沿微丝运动的肌球蛋白（myosin）

沿微管运动的驱动蛋白（kinesin）和动力蛋白（dynein）

肌球蛋白的种类

II型肌球蛋白

在心肌、骨骼肌、平滑肌细胞中与肌动蛋白纤维组装在一起能产生强大的收缩力

V型肌球蛋白

与细胞内膜泡和其他细胞器的运输相关

肌球蛋白的结构

三个功能结构域

马达结构域

与运动相关

位于肌球蛋白的头部

包含一个肌动蛋白亚基的结合位点和一个具有ATP酶活性的ATP结合位点

负责将ATP水解释放的化学能转变成机械能

ATP的水解及磷酸基团的释放等会改变马达结构域和调控结构域的构象

调节结构域

位于马达结构域后部

连接马达结构域和尾部杆状区的一段α螺旋

是肌球蛋白轻链的结合部位

轻链大多是钙调蛋白家族的成员

在肌球蛋白分子上发挥杠杆作用

尾部结构域

参与肌球蛋白复合体的组装并选择性地与所运输的“货物”结合

除VI型肌球蛋白外，其他肌球蛋白都是向微丝的正极端运动的

II型肌球蛋白

在肌细胞中，组装成及原纤维的粗肌丝

在非肌细胞中，是胞质分裂过程中收缩环的主要结构组分

并通过与微丝的相互作用主导收缩过程

是应力纤维的结构组分

其他类型的肌球蛋白

I型肌球蛋白

只有一个头部和一个尾部

头部结构域能在ATP存在是沿微丝运动

尾部结构域在不同种类的I型肌球蛋白中各不相同

可能与其运输的“货物”种类有关

在体外不能组装成纤维

V型肌球蛋白

由两条肽链组装而成的二聚体，具有两个头部

肌细胞的收缩运动

肌纤维的结构

肌纤维是由肌原纤维组成的集束

肌节

通过线性排列组成每根肌原纤维的收缩单元

粗肌丝

由肌球蛋白组装而成

细肌丝

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（Tm）

由两条平行的多肽链形成螺旋构型

位于肌动蛋白丝的螺旋状沟槽内

对肌动蛋白与肌球蛋白头部的结合起调节作用

肌钙蛋白（Tn）

含3个亚基

肌钙蛋白C

能与Ca2+结合

肌钙蛋白T

与原肌球蛋白有高亲和力

肌钙蛋白I

能抑制肌球蛋白马达结构域的ATP酶活性

细肌丝中每隔40nm有一个肌钙蛋白复合体结合到原肌球蛋白上

肌球蛋白的头部突出于粗肌丝的表面，并可与细肌丝上肌动蛋白亚基结合，构成粗肌丝与细肌丝之间的横桥

将细肌丝锚定于Z盘或质膜上的蛋白质

CapZ

由两个亚基构成，定位于Z盘

与肌动蛋白丝正极端结合，使肌动蛋白丝保持稳定

α-辅肌动蛋白

在细胞内组装成反向平行的二聚体

是骨骼肌Z盘、平滑肌的电子致密区及心肌闰盘的主要成分之一

可将微丝横向连接成束

纽蛋白（黏着斑蛋白）

定位于黏着斑部位

介导正脸蛋白和微丝之间的联系

在肌节中起结构作用的蛋白质

肌联蛋白

连接Z盘与肌球蛋白纤维

在肌肉收缩或舒张时将粗肌丝定位于肌节中央

伴肌动蛋白

从Z盘伸出，与肌动蛋白丝伴行

肌营养不良蛋白

肌肉收缩的滑动模型

肌动蛋白不动，肌球蛋白可沿肌动蛋白轨道滑行

基本过程

动作电位的产生

肌细胞质膜去极化，并经T小管传递到肌质网

Ca2+的释放

肌质网去极化后将Ca2+释放至肌浆中，使Ca2+浓度升高至收缩期的Ca2+阈浓度

原肌球蛋白位移

Ca2+与Tn-C结合，引起肌钙蛋白构象变化

Tn-C与Tn-I、Tn-T结合力增强，导致Tn-I与肌动蛋白结合力削弱，使两者脱离

Tn-T使原肌球蛋白移位到肌动蛋白双螺旋沟槽的深处，暴露出细肌丝肌动蛋白与肌球蛋白头部的结合位点

解除了肌动蛋白与肌球蛋白结合的障碍

细肌丝与粗肌丝之间的相对滑动

肌球蛋白将ATP中储存的化学能转化成肌丝滑动的机械能，导致细肌丝和粗肌丝之间发生相对方向的滑动

肌球蛋白的头部结构域与肌动蛋白丝之间的每一个机械运动周期消耗一分子ATP

微管及其功能

微管的结构组分与极性

微管蛋白（tubulin）

可分为6个亚家族

在细胞内具有不同的定位和功能

α-微管蛋白和β-微管蛋白

α/β-微管蛋白二聚体

是细胞质内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

通常情况下微管由α/β-微管蛋白二聚体组装而成

两类微管蛋白的C端均富含酸性氨基酸，并有多个翻译后修饰位点

使组装后的微管表面带有较强的负电荷

大多数微管结合蛋白的微管结合结构域带正电荷

各有一个GTP结合位点

结合在α-微管蛋白上的GTP通常不会被水解

该结合位点称为不可交换位点（N位点）

结合在β0微管蛋白上的GTP在微管蛋白二聚体组装到微管的末端后即被水解成GDP

微管解聚后，GDP可被GTP替换

该结合位点称为可交换位点（E位点）

γ-微管蛋白

存在于中心体等具有微管组织功能的细胞结构上

与α/β-微管蛋白二聚体中的α-微管蛋白结合，确定了微管的极性

微管的极性

定义持有α-微管蛋白的一段为负极，持有β-微管蛋白的一段为正极

微管结构的分类

微管的组装与解聚

微管的体外组装与踏车行为

体外条件下缺乏γ-微管蛋白环状复合物，成核过程有别于体内

组装过程

成核

微管蛋白纵向聚合形成一段短的原纤丝

成核反应

α/β-微管蛋白在两端及侧面聚合而扩展成片状

当片状聚合物加宽到大致13根原纤丝时，即合拢称为一段微管

延伸

新的微管蛋白不断组装到这段微管的两端，使之延长

微管蛋白组装到微管末端后，β-微管蛋白将GTP水解成GDP

组装速度大于水解速度时会在末端产生GTP帽

末端带GDP帽的微管组装所需要的临界浓度大于带GTP帽的

当微管蛋白浓度不足时，带GDP帽的微管先解聚

带GTP帽的稳定，带GDP帽的易于解聚

负极组装较慢，正极组装较快

组装速度与携带GTP的α/β-微管蛋白的浓度呈正相关

动态组装一般在正极端

抑制微管装配蛋白

细胞内游离态的微管蛋白浓度远大于组装所需的临界浓度

大部分微管蛋白都与抑制微管装配蛋白（stathmin）结合，阻碍其参与微管组装

抑制微管装配蛋白与微管蛋白的结合受其自身磷酸化状态的调控

磷酸化后的抑制微管装配蛋白释放出微管蛋白

作用于微管的特异性药物

秋水仙素

抑制微管的装配，不影响微管的解聚

紫杉醇

抑制微管的解聚，不影响微管的组装

环境温度高于20℃时有利于组装，温度较低时微管会解聚

微管组织中心（MTOC）

中心体常被称为微管组织中心

类似结构还有鞭毛和纤毛基部的基体，上皮细胞顶端面和高尔基体的反面网状结构

微管与中心体相连的一端为负极，另一端为正极

细胞内的微管并不都与中心体相连

中心体

结构

中心外周物质

围绕在中心粒周围的蛋白质

中心粒

每个中心粒含9组等间距的三联体微管

每组三联体微管中，只有一根在结构上是完整的，称为A管，不完整微管称为B管和C管

微管并不直接起源于中心粒

起源于中心粒的亚远端附属结构和外周物质区域

γ-微管蛋白

在中心体上形成环状结构，在体外可以作为微管组装的起始点

微管在中心体部位的成核模型

13个γ-微管蛋白在中心体的周物质中呈螺旋状排列形成一个开放的环状复合物

微管组装时，游离的α/β-微管蛋白有序地加到γ-微管蛋白构成的环上

γ-微管蛋白只与二聚体中的α-微管蛋白结合

基体和其他微管组织中心

基体

在结构上与中心粒基本一致

中心粒和基体是同源的，某些情况下可以互相转变

微管的动力学性质

微管正极端常发生组装和解聚，表现为动力学不稳定性

当微管的末端与某些细胞结构结合后整根微管就会变得相对稳定

微管结合蛋白对微管网络结构的调节

微管结合蛋白（MAP）

通常都具有数个带正电荷的微管结合结构域

一个MAP分子上成线性排列的微管结合结构域可以将微管表面原纤丝上相邻的微管蛋白亚基交联起来，以增加微管的稳定性

微管对细胞结构的组织作用

细胞内依赖于微管的物质运输

高尔基体通常位于微管负端方向

顺式运输

胞体→突触

依赖kinesin

反式运输

突触→胞体

依赖dynein

驱动蛋白（kinesin）

驱动蛋白的分子结构及其功能

功能

大多能从微管的负极向正极移动

少数相反

结构

与II型肌球蛋白相似

重链（KHC）

具有马达结构域

轻链（KLC）

有两条

与重链的尾部结合，具有货物结合功能

驱动蛋白沿微管运动的分子机制

尺蠖模型

驱动蛋白的两个头部中的一个始终在前，另一个永远在后

步行模型

驱动蛋白的两个球状头部交替向前

动力蛋白（dynein）

分类

细胞质动力蛋白

结构

2条具有ATP酶活性的、使其沿微管移动的重链

2条中间链

4条中间轻链和一些轻链

动力蛋白激活蛋白

调节动力蛋白的活性和动力蛋白与其货物结合的能力

功能

主要负担向微管的负极端转运货物的功能

与内体/溶酶体、高尔基体及其他一些膜泡的运输有关

与动粒和有丝分裂纺锤体的定位、细胞分裂后期染色体的分离等事件有关

轴丝动力蛋白

也称纤毛或鞭毛动力蛋白

纤毛和鞭毛的结构与功能

纤毛的结构及组装

纤毛的结构

纤毛外部是由细胞质膜特化而成的纤毛膜，内部是由微管及其附属蛋白组装而成的轴丝

轴丝

轴丝从位于细胞皮层的基体发出，直达纤毛顶端

排列模式

9+2型

轴丝的外围是9组二联体微管，中间是2根由中央鞘所包围的中央微管

外围二联体微管

由A管和B管组成

A管是完全微管，B管为不完全微管

B管由10个亚基构成，另3个亚基与A管共用

相邻的二联体之间通过连接蛋白相连

中央微管

均为完全微管

中央鞘和外周二联体微管的A管由放射辐相连

大多为动纤毛

9+0型

外周与9+2型相同，但缺乏中央微管

一般是不动纤毛

是构成各种感受器的基础

原生纤毛

存在于感受器细胞上的不动纤毛

9+4型

极少数纤毛属于这一类型

轴丝中央含有4根单体微管

正极端都指向纤毛或鞭毛的顶端

纤毛的组装

纤毛起始于细胞膜内侧的基体

基体和中心粒的主体结构可以通用

原生纤毛的形成

来自高尔基体的膜泡被母中心粒远端附属结构招募，包裹在母中心粒的顶端，形成中心粒膜泡（CV）

一些中心体蛋白从母中心粒的顶端移除

母中心粒微管开始延伸并获取成为基体所需的附属结构，初生轴丝开始显现

随着新的膜泡的加入，CV慢慢变大，最终成为刺激中心粒膜泡（SCV）

母中心粒随同SCV向质膜迁移，当期锚定在质膜内侧的纤毛组装位点时，SCV与质膜融合形成一个杯状结构，称为纤毛项链

在鞭毛内运输（IFT）复合体的介导下，原生鞭毛进一步装配并延长

纤毛的延伸和维持依赖于鞭毛内运输

IFT

是位于二联体微管和纤毛膜之间的双向运输系统

纤毛或鞭毛的运动机制

纤毛运动的本质

由轴丝动力蛋白所介导的相邻二联体微管之间的滑动

纤毛的功能

单细胞原生生物主要的运动装置

动物细胞中推动组织表面的液体做定向流动

传输某些信号分子，影响靶细胞的定向分化与发育

作为感受装置，接受和传递外界物理或化学信号的刺激，参与一系列细胞或机体内信号调控过程，影响细胞的生理状态或组织器官的发育

纺锤体和染色体运动

中间丝

又称中间纤维（IF）

较微管和微丝稳定得多

并不是所有真核细胞所必须的结构组分

存在于绝大多数细胞内，通常围绕细胞核开始组装，并伸展到细胞边缘，与质膜上的桥粒、半桥粒结构相连

内核膜下的核纤层也属于IF

中间丝的主要类型和组成成分

中间丝的组装与表达

中间丝的装配与解聚和微管和微丝的动态特征有所不同，并不表现为踏车行为，也不需要ATP或GTP参与

新加入的中间丝蛋白可以在已经存在的中间丝的多个位点加入

在细胞内新的中间丝，可以通过交换的方式掺入到原有的纤维中去

中间丝的解聚和重新组装过程与中间丝蛋白亚基的磷酸化和去磷酸化有关

磷酸化有利于解聚

在细胞分化过程中，中间丝的类型随着细胞的分化过程而发生变化

中间丝与其他细胞结构的联系

【细胞生物学】08 细胞骨架

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