1、 第十章 细胞骨架基本内容介绍：细胞骨架使指真核细胞中蛋白纤维网架体系。广义的细胞骨架包括细胞核骨架、细胞质骨架、细胞膜骨架和细胞外基质。狭义的细胞骨架仅指细胞质骨架。微丝，又称肌动蛋白纤维，是指真核细胞中由肌动蛋白组成，直径为 7nm 的骨架纤维，参与肌肉收缩、变形运动和胞质分裂等活动。微管是由微管蛋白装配成的长管状细胞骨架结构，平均外径为 24nm，对低温、高压和秋水仙素敏感。细胞内微管呈网状或束状分布，并能与其他蛋白共同装配成方垂体、基粒、中心粒、鞭毛、纤毛、轴突和神经管等结构，参与细胞形态的维持、细胞运动和细胞分裂。中间纤维的直径为 10nm，介于粗肌丝，主要有：角蛋白纤维、波形蛋白纤
2、维、结蛋白纤维、神经元纤维、神经胶质纤维等，其分布具有组织特异性，与细胞分化有关。细胞核骨架是存在于细胞核内的以蛋白成分为主的纤维网架体系。狭义的核骨架仅指核内基质，即细胞核内除核膜、核纤层、染色质、核仁和核孔复合体以外的以纤维蛋白成分为主的纤维网架体系；广义的核骨架包括核基质、核纤层和核孔复合体。核骨架与基因的复制机表达、细胞核及染色体的构建有关。染色体支架是指染色体中由非组蛋白构成的骨架，与染色体高级结构有关，DNA 放射环的根部结合在染色体支架上。核纤层是位于细胞核内层核膜下的纤维蛋白片层或纤维网络，核纤层由 13 种核纤层蛋白多肽组成。核纤层蛋白是中间纤维蛋白家族的成员。学习要求：1.
3、 掌握微丝、微管和中间纤维的构成成分、结构、装配及其功能。2. 了解微丝、微管和中间纤维三者在构成细胞骨架中的关系。3. 了解核基质、染色体支架和核纤层的构成概况以及它们之间的关系（不作为考核内容）本章的重点：1. 微丝、微管、中间纤维的结构、装配和功能。2. 核基质的功能以及染色体支架与染色体结构的关系。本章的难点：1. 肌肉的构成与收缩，微管的装配与功能、中间纤维的结构和装配2. 核基质的构成、功能以及与染色体支架的关系。本章的基本概念：1. 细胞骨架 指真核细胞中的蛋白纤维网架体系。细胞骨架概念有狭义和广义之分。狭义的细胞骨架概念指细胞质骨架，包括微丝、微管、中间纤维；广义的细胞骨架包括
4、细胞核骨架、细胞质骨架、细胞膜骨架和细胞外基质。2. 微丝 又称肌动蛋白纤维，指真核细胞中有肌动蛋白组成，直径为 7nm 的骨架纤维，是细胞质骨架的重要组成部分。3. 踏车现象 指像微丝、微管这样的极性细胞结构，在一定条件下，表现出在其一端因加上结构单位而延长，而另一端因亚单位脱落而缩短的现象。4. 鬼笔环肽 是一种由毒蕈产生的双杆肽，与微丝有强亲和力作用，使肌动蛋白纤维稳定，抑制解聚，且只与 F 肌动蛋白结合，而不与 G 肌动蛋白结合，荧光标记的鬼笔环肽可清晰的显示细胞中的微丝。5. 应力纤维 是真核细胞内广泛存在的由微丝束构成的较为稳定的纤维结构。电子显微镜观察表明，应力纤维是一类长而直的
5、纤维，常常与细胞的长轴大致平行并贯穿细胞全长。应力纤维有大量平行的微丝束构成，这些微丝具有极性，一端与质膜特定部位的点状接触相连，另一端则插入到细胞质中的另一个点状接触或与中间丝结合。应力纤维在细胞形态发生、细胞分化和组织的形成等方面具有重要的作用。6. 胞质分裂环 是有丝分裂末期，两个即将分裂的子细胞之间产生的一个收缩环，他由大量平行排列的微丝组成，是分裂末期胞质中肌动蛋白装配成的。他在胞质分裂过程中起重要作用，在胞质分裂完成后，此收缩环即消失。7. 阿米巴运动 指像变形虫或哺乳动物的吞噬细胞那样，在运动时，不断地伸出和收回长长的尾足，从而在富者的基质表面移动。这种运动与肌动蛋白的溶胶和凝胶
6、状态及其转化有关。8. 变皱膜运动 体外培养的脊椎动物的成纤维细胞在基质表面的位移，过去一直认为是阿米巴运动，实际上它们的机制是不同的。成纤维细胞的位移涉及一些更为复杂的过程和更精细的结构，运动速度也慢得多，其运动过程是首先伸出扁平片状伪足，片状伪足与基质之间形成一些不连续的接触点，即粘着斑。与此同时，那些未形成粘着斑的片足或微刺则缩回细胞，通常是缩回到细胞的背部，这种运动即为变皱膜运动。9. 微管 是存在于所有真核细胞中由微管蛋白装配成的长管状细胞器，平均外径24nm，通过亚单位的装配和去装配能改变其长度。是细胞骨架的重要组成部分，参与细胞形态的维持、细胞运动和细胞分裂。10. 微管组织中心
7、 指微管在生理状态或实验处理解聚后重新装配的发生处。它不但决定微管的装配，而且还决定微管的极性。如动物细胞的中心体即为其微管组织中心。11. 中间纤维 指细胞骨架中直径(10nm)介于粗肌丝和细肌丝之间的一种纤维结构,其成分比微丝和微管复杂。中间纤维也没有极性。12. 中间纤维结合蛋白 是一类在结构上和功能上与中间纤维有密切联系，但其本身不是中间纤维结构组分的蛋白。13. 细胞核骨架 是存在于真核细胞核内的以蛋白质成分为主的纤维网架体系，细胞核骨架的概念有狭义和广义之分，狭义的仅指核内基质，即细胞核内除核膜、核纤层、染色质、核仁、核孔复合体以外的以纤维蛋白为主的纤维网架体系；广义的核骨架包括核
8、基质、核纤层和核孔复合体。14. 染色体骨架 指染色体中由非组蛋白构成的结构支架。骨架四周是 DNA 放射环；DNA放射环的根部结合在染色体骨架上。染色体骨架的功能是在维持中起染色体的基本形状和将 DNA 组织成染色体方面起重要作用。问答题：1. 细胞骨架研究的历史与现状 早在 1924 年，在光学显微镜下首先发现了细胞内有一些粗而直的纤维，被命名为应力纤维，1928 年，Klotzoff 提出了细胞骨架的原始概念。40 年代后期，有人从原生质胶态转变的现象推测，在细胞质可能存在着一种蛋白质纤维的网架。1954 年，在超薄切片的电镜观察中首次看到了微管。但由于长期以来电镜研究中都是以锇酸或高锰
9、酸钾在 04固定材料，这使得骨架系统的大部分都遭到破坏，直到 1963 年，采用戊二醛并在室温下固定的方法以后，才广泛地观察到各类骨架纤维的存在。真正把它们当作一类细胞器并命名为细胞骨架，则是在 60 年代后期才开始的。20 世纪 60 年代后期到 80 年代初，免疫荧光显微术，各种专门化和改进的电镜技术及体外装配技术，曾经对骨架的研究起了很大的推动作用，并且至今仍然起重要作用。此外，显微注射、特异性药物的应用等技术也提供了可贵的资料。近年来发展的录像增强反差纤维镜技术是将微分干涉显微镜、相差显微镜或荧光显微镜获得的图像经放大提高亮度后，用高灵敏度摄像机摄取并输入计算机，经过数字化处理，增强反
10、差，减低背景，在显示出来或直接贮存起来。这种方法可以使光学显微镜的分辨率提高一个数量级，从而可以看到单根的纤维，特别是他可以观察不固定、不染色的活标本，这对于研究以运动为主要功能的细胞骨架来说，显然具有重要意义。此外，胶体金标记的免疫电子显微镜技术，加上单克隆抗体技术的日臻成熟，使得各种骨架蛋白空间组织的研究得到推进。无包埋切片技术，快速冷冻深度蚀刻技术和体外骨架结构体的分离植被方面的成就，也使得人们长久未能观察到的细节，显现的更为真实和清晰。目前，细胞骨架的研究已从形态观察为主，迅速推进到分子结构、功能和调节的研究。其丰富的成果正使得该领域的研究成为细胞生物学中巴分子行为和细胞行为紧密结合，
11、把结构与功能紧密结合起来的一个突出的范例。2微丝的功能在微丝结合蛋白的协助下，微丝在真核细胞中形成了广泛存在的骨架结构。与细胞许多重要的功能活动有关。（1） 维持细胞外形。细胞形态的维持除与微管有关外，微丝也起着重要的作用。微丝的收缩活动同样同样能改变细胞的形状。动物胚胎在其形态发生过程中，有些细胞的形状会发生改变。如，在神经板发育成神经沟时，神经板的细胞变长，且远端变细，是神经板卷曲成神经沟。经研究发现，再要发生这种变化的细胞中，其远端有微丝束形成的环。在胞质中肌球蛋白存在的情况下，该环状微丝束收缩，使细胞的远端变细。而细胞的拉长则与微管有关。（2） 胞质环流。如在植物细胞中所普遍存在的胞质
12、环流现象，即与微丝有关。这方面的工作在丽藻中研究得较多。在丽藻中央液泡周围的原生质，分为外质和内质。外质中静止排列有一层叶绿体；而内质为溶胶状态，含有许多颗粒随内胞质一起沿着内、外质之间的界面流动，称为胞质环流。胞质环流速度很快，有的细胞可达 80 微米/ 秒。经研究发现，在外质靠近内质的一侧存在有大量平行于胞质环流方向排列的微丝束，长度为 0.2 微米，每束约有 50100 根微丝。而在内质网中含有许多肌球蛋白，同在肌肉细胞一样，它可与肌动蛋白结合形成肌球蛋白，产生推动胞质流动的动力。但在静止的外质中同样也分布有微管。胞质环流究竟是由微丝还是由微管驱动的，还是二者共同驱动的呢？为了验证这一点
13、，有的学者用细胞松弛素 B 处理丽藻，发现在 1h 内胞质环流便停止; 当洗去细胞松弛素 B 后,胞质又恢复了环流 .而用秋水仙素处理时,胞质环流不受影响.从而证明微丝确实是胞质环流的必需成分,而不是微管。（3） 变形运动。许多动物细胞在进行位置移动时多采用变形运动方式。如原生动物的变形虫、高等动物的巨噬细胞和白细胞以及器官发生时的胚胎细胞等，均可以进行变形运动。在这些细胞的静止外质中含有丰富的微丝，细胞的变形运动与外质中 F 肌动蛋白的凝胶和溶胶状态之间的相互转变有关。关于变形运动的机制，R.Allen 提出了前端收缩学说，他认为变形运动的动力是由伪足顶端附近原生质的收缩产生的。细胞顶端的外
14、质由凝胶状态变为人能够胶状态，在支持物上自然向前铺展，随后外质又由溶胶状态变为凝胶状态。从而产生收缩力，牵引着内质先前移动；同时，在细胞的后端发生了相反的变化过程，即外质由溶胶状态变为凝胶状态，靠前端的收缩牵引而向后移动，如此反复，在粘着区靠脱离和附着而逐渐前移的同时，整个细胞向前移动。近年来的研究表明，肌动蛋白的凝胶和溶胶状态之间相互转变出要受到 Ca2+的调节外，还与两种微丝结合蛋白有关。一种是细丝蛋白，属横联蛋白，可将外质中的微丝连接成立体网架，使外质呈凝胶状态；另一种是凝溶胶蛋白，属戴帽蛋白，当 Ca2+浓度大于 1X10-6mol/L 时，可与外质中微丝结合使之断解成段的微丝，并结合
15、再断丝的顶端而阻止其组装，从而使微丝立体网架的黏度下降，由凝胶变为溶胶状态。同时 Ca2+浓度的上升又激活了肌球蛋白分子，靠其头部的 ATP 酶活性牵引肌动蛋白与其发生相互滑动，进而产生胞质流动的动力，使细胞发生变形运动。此外，在细胞的片足运动和吞噬作用中，也是通过肌动蛋白溶胶与凝胶状态的相互转化来完成的。（4） 支持微绒毛。在肠上皮细胞表面伸出了大量的微绒毛，微绒毛形成与维持对扩大小肠的表面肌、增强消化吸收功能具有重要意义。微绒毛是由微丝形成的包有一层质膜的指状突起。在微绒毛中，由微丝形成的微丝束构成了微绒毛的骨架，另外还含有一些微丝结合蛋白，在调节微绒毛长度和保持其形态方面具有重要作用。其
16、中，毛缘蛋白在微丝束的形成中起作用，绒毛蛋白的作用受Ca2+浓度调节，在低 Ca2+浓度下绒毛蛋白可使微丝聚集成束，而在高 Ca2+浓度下又能使微丝断解，可见，Ca2+ 浓度对微丝束的长度具有调节作用。110Kda 蛋白可将微丝束连接至微绒毛膜上，在微绒毛的维持上具有重要作用。肌球蛋白 1 和钙高蛋白一起在微丝束的侧面与细胞膜之间形成横桥连接,肌球蛋白 1 的 ATP 酶活性使这些横桥能产生一种张力,该章立在保持微丝束在微绒毛中处于中心位置以示微绒毛发生弯曲等方面具有关键作用.血影蛋白可结合到微丝的侧面,经过横桥把相邻微丝束连接在一起。同时也能在微丝和细胞膜之间形成侧向连接。（5） 形成应力纤
17、维。由微丝束构成的较为稳定的纤维结构。电子显微镜观察表明，应力纤维是一类长而直的纤维，常常与细胞的长轴大致平行并贯穿细胞全长。应力纤维有大量平行的微丝束构成，这些微丝具有极性，一端与质膜特定部位的点状接触相连，另一端则插入到细胞质中的另一个点状接触或与中间丝结合。此外在应力纤维中也存在有多种微丝结合蛋白，如 a 辅肌蛋白、肌球蛋白、原肌球蛋白和钙调蛋白等。其中钙调结合蛋白类似于肌原纤维中的肌钙蛋白。这些微丝结合蛋白在应力纤维中呈周期性分布。因此，应力纤维在结构与组织形式上与肌原纤维非常相似。（6） 胞质分裂。 在有丝分裂末期，核分裂完成后，在即将分离的 2 个子细胞之间由微丝形成了一个收缩环。
18、收缩环的形成部位为赤道面，由胞质中有肌动蛋白组装成的微丝平行排列而成。收缩环是在胞质分裂开始临时形成，分裂结束后很快便消失的一种暂时性结构。该过程十分快速，形成消失所需时间均为min。收缩环由大量平行排列的微丝组成，这些微丝具有不同的极性。通过肌动蛋白与肌球蛋白分子的相互作用产生收缩环的动力，在肌球蛋白的作用下，不同机型的微丝之间发生相对滑动，使收缩环收缩。在赤道面上的收缩环又借助于 a辅肌蛋白等与其外的质膜相连，因此其逐渐收缩，可形成分裂沟，使细胞一分为二。（7） 肌肉收缩。在肌肉细胞中，有肌动蛋白、原肌球蛋白和肌钙蛋白构成细肌丝。肌动蛋白主要以 F 肌动蛋白的形式存在，微丝与粗丝之间发生相
19、互滑动，可引起肌肉收缩。另外，最近的研究表明，-GTPase 为肌动蛋白骨架的关键性调控因子，-GTPase 通过与多种靶蛋白相互作用，对基因的表达和粘着等其他细胞活动的协调控制具有决定作用。3.肌肉收缩机制。肌肉收缩时总长度缩短。赫胥黎(1971)等人利用电子显微镜观察了肌肉收缩时，肌原纤维的变化。结果发现，A 带长度不变，而 I 带的长度岁收缩程度不同而变化。由此推想，粗肌丝的长度是不变的。从一个肌节中的 H 带的末端到下一个肌节 H 带的起端，这距离等于Z 线两侧伸出的细肌丝的总长度。当肌肉最大收缩时，H 带消失，而这一距离的总长度不变。可见细肌丝的长度也没有缩短。根据这些现象，Huxl
20、ey 等于 1959 年提出了肌肉收缩的滑动学说,主张肌肉收缩时,肌纤维长度的改变是两类肌丝相互滑动的结果。肌肉收缩时需要的能源为 ATP。体外试验证明，当把纯肌球蛋白和肌动蛋白在肌纤维中含有盐类中加以混合，即会发生显著变化。混合物的黏度远远大于两种溶液的粘度之和。在电子显微镜下看出。这两种蛋白质通过电结合，形成了羽状结构。这种羽状复合物称肌球蛋白复合物，所含的两种蛋白具有一定的比例（1：4） ，相当于肌肉中这两种蛋白质的比例。在邮 ATP 和 Mg2+、Ca 2+时，肌球蛋白复合物发生收缩，可缩短 1/3，ATP 随之水解成 ADP和 Pi.肌动蛋白和肌球蛋白再度结合，这些变化反映了肌纤维内
21、肌动蛋白与肌球蛋白丝之间横向连接的建立与分开过程。肌肉收缩的滑动学说已被许多实验证明。根据滑动学说简要说明肌肉收缩的变化过程。大体上份为 5 个步骤：（1） 动作电位的产生。每条肌纤维上均有神经分支分布，形成神经肌肉连接，当神经冲动抵达神经末梢时，神经细胞的突出小泡破裂，向泡外释放释放神经递质乙酰胆碱。这种化学物质和肌膜上的受体结合，引起肌膜极化，产生动作电位，动作电位沿着肌膜传递到肌纤维内部的横小管系统。横小管两侧同肌质网的端池相接触，因而横小管的电位变化引起了肌质网端池膜的透性发生改变。（2） Ca2+的释放。在肌肉处于舒张状态时肌浆中的 Ca2+浓度极低，约为 10-710-8mol/L
22、，这一浓度不足以引起肌肉收缩，肌质网端池中 Ca2+浓度可相当于肌浆中的上千倍。当肌质网膜受横小管动作电位影响时，透性突然增高，端池内Ca2+大量涌入肌浆内，使肌浆内的 Ca2+浓度迅速提高，可达 10-610-5mol/L，10 -6mol/L Ca2+是引起肌肉收缩的必需浓度。（3） 原肌球蛋白的位移。当肌浆中 Ca2+浓度达到 10-6mol/L 时，Ca2+即可和肌钙蛋白的 TnC 亚基结合。当 TnC 结合 Ca2+ 前，肌钙蛋白的三个亚基彼此处于松散状态，一旦 TnC 结合上 Ca2+，立即引起肌球蛋白分子发生构象变化，三个亚基彼此紧密靠拢，TnC 亚基同肌动蛋白的连接减弱，并肌动
23、蛋白上的原结合部位移开，肌钙蛋白牵引着与肌球蛋白移向肌动蛋白双螺旋沟的深部。因而使肌动蛋白上原来被原肌球蛋白占据的肌球蛋白结合部位暴露了出来。（4） 肌球蛋白复合物的形成。由于原肌球蛋白的位移，在肌动蛋白上暴露出的部位可和肌球蛋白分子的头部结合，在两种肌丝之间建立横桥接触。肌球蛋白和肌动蛋白结合后，形成肌动球蛋白复合物，击球蛋白分子的头部具有 ATP 酶活性，使 ATP 分解为 ADP 和 Pi，当头部接触到肌动蛋白丝时， ADP 和 Pi 被释放,头部构象发生改变,而向着 M 线方向倾斜,从而推动肌动蛋白丝移动一定距离.肌球蛋白释放了 ADP 和 Pi 产物后,可与另一个 ATP 分子结合
24、,随之横桥与肌动蛋白分开,然后又重复上述步骤.因而横桥同肌动蛋白时接时分,推动肌动蛋白向同一个方向滑动,肌肉发生收缩.每一次滑动消耗 1 个 ATP,移动 10nm,兔肌纤维的滑丝循环可达 50100 次循环/s.横桥与肌动蛋白结合后 ,如无 ATP 供应,则横桥不能与肌动蛋白丝分开,而形成肌球蛋白僵直复合物.死后,肌肉僵直即因ATP 耗尽之故,肌球蛋白结合 ATP 后,可分为两种状态,起先处于低能状态.ATP水解后,则处于高能状态.后一转台倾向于肌动蛋白结合.肌节发生有效收缩时,横桥与细肌丝结合分离可快速地连续重复若干次,而且个个横梁的活动是密切配合的.肌纤维收缩最充分时,其长度可为舒张时的
25、 65%.(5) Ca2+的回收.神经冲动传导后,肌质网的透性降低,肌质网膜上的 Ca2+-TP 酶与肌浆中的 Ca2+结合,利用水解 ATP 释放能量,通过主动运输方式,把 Ca2+又抽回到肌质网腔中.肌浆中的钙离子浓度降低至 10-7mol/L 以下时，肌肉恢复到静息状态。当再次传来神经冲动时，又可发生收缩。回收到肌质网池中的 Ca2+ ，同肌质网内表面的肌钙蛋白相结合，一个肌钙蛋白分子可结合 43 个钙离子，从而降低了腔内游离钙离子的浓度。肌肉收缩要消耗 ATP，但肌浆中 ATP 的备用量不足以维持长时间肌肉收缩活动，因而 ATP 必须不断得到补充。脊椎动物肌肉中含有一种称为磷酸肌高能化
26、合物，其浓度约为 ATP 的 5 倍。磷酸肌酸在肌酸磷酸酶作用下，脱去磷酸，产生肌酸和 ATP，从而使 ATP 得到补充。在肌肉收缩中，ATP 不断得到补充，因而其浓度保持恒定。当磷酸肌酸耗尽时，ATP 水平既要下降，这时通过一系列反馈过程，调节呼吸和糖酵解的速率，加快 ATP 形成，而得以补充 ATP。这就是 50 米和 100 米短跑时不要求呼吸，而长跑时必须呼吸的理论依据。4微管是细胞骨架的主要成分之一，它有哪些主要特征？根据对细胞内的观察和细胞外的实验证明，微管具有以下特征：（1） 能进行自我装配。自我装配是许多细胞器所具有的特征之一。在合适的条件下，微管也能进行自我装配，其装配要受到
27、微管的浓度、pH 值和温度的影响。和 微管蛋白，彼此之间具有很强的亲和力，故常以二聚体的形式存在，二聚体的分子质量约为 110120Kda，在体外，只要二聚体达到一定的浓度，在适当的缓冲液中，异二聚体即聚合成微管。例如脑微管蛋白在 pH6.9、4的条件下，也可自我组装成微管。通常，在 37的体温下，二聚体可聚合成微管；而在 0以下，微管变解聚为二聚体，因此细胞在 0下，其微管往往不复存在。微管的装配还需要有 GTP 提供能量，而且需要 Mg2+ 的存在。每一异二聚体上均有 GTP 和 Mg2+结合位点，可同一个 GTP 和一个 Mg2+ 紧密结合。 和 微管蛋白同 GTP 结合后而被激活，引起
28、微管蛋白分子的构象发生改变，从而使二聚体结合成微管，而 GTP 则分解成为 GDP 和磷酸。因此当微管两端的微管蛋白具有 GTP 帽时，微管继续组装；而具有 GDP 帽时，微管则趋向解聚。此外钙离子浓度变化也影响微管的装配。内质网具有储存钙离子的功能。内质网小泡释放或回收钙离子可改变局部细胞基质中钙离子的浓度，当释放钙离子时，局部细胞基质中的钙离子浓度提高，可引起微管解聚；反之，小泡回收钙离子后，则可促进微管装配。因而细胞只基质中游离钙离子的浓度变化具有调节微管装配的作用。微管装配具有一定的程序。所有的装配方式均为：在开始聚合时， 和 微管蛋白形成微管蛋白二聚体；异二聚体先彼此首尾相接，形成双
29、层核心环、螺旋形或多层螺旋形，环经过侧面二聚体的添加而扩展成螺旋带；随后，二聚体平行于长轴重复排列形成原丝，多条原丝并列成片状；当螺旋带加到宽至 13根原丝时，即进一步卷曲成为一段短管，在短管的一端继续添加二聚体，从而使微管延长。在一定条件下，微管的一端发生装配，使微管不断的延长，而在另一端发生解聚而使微管缩短，其装配方式似踏车运动。微管在体内的装配与解聚在时空上高度有序。微管与微管蛋白单体处于一种相对平衡的状态。但在有些细胞中也存在有一些永久性的微管结构，如纤毛和鞭毛等。（2） 在正常生理状态下，围管的装配总是先有微管组织中心区域开始的。当把培养的动物细胞放入含有秋水酰胺的培养液中处理 1h
30、 后，再把细胞放入不含秋水酰胺的培养液中，隔不同的时间用荧光标记微管蛋白抗体对取出的细胞进行染色，发现微管首先以星射线的形式从中心体处开始出现，然后向四周延伸。在所有的动物细胞中，中心体是主要的微管组织中心，但并非所有微管组织中心都有中心体，如小鼠卵母细胞的纺锤体中，根本鉴别不出中心体的存在，尽管在发育早期的胚胎中仍会出现中心体。此外高等植物中没有中心体，但其在有丝分裂时仍可形成纺锤体，其微管的末端终止却在一个电子密度较低的特定区域中。最新的研究结果表明，真正起微管组织作用的很可能是位于中心粒周围的一些蛋白质性质的成分或与之相当的物质。（3） 微管都具有极性。 和 异二聚体局按一定的方向排列成
31、微管的，从而使所有的微管均具有固定的极性，即微管的两端在结构上是不同的。在向微管样品中加入动力蛋白时，动力蛋白也均按一定的方向结合到每条微管上，说明微管在结构上具有一定的极性。微管的极性由本身的分子结构来决定， 微管蛋白所处的一端为正（+）端，而 微管蛋白所处的一端为负端（）,微管的这种结构极性对于研究细胞运动和染色体移动机制具有重要指导性价值。另外，微管的生长夜具有极性。经研究发现，微管的生长是通过向其远端（远离MTOC 的一端）不断添加微管蛋白异二聚体来实现的。通常，起始端又称为尾端（） ，生长端称为头端（+） 。微管的聚合与解聚具有头-尾极性，微管蛋白异二聚体在头端的添加和拆卸速度约为尾
32、端的二倍。微管蛋白的添加和释放主要发生在“+”极，微管的延长主要靠在“+”极组装 GTP 微管蛋白。由于微管在结构和生长上均具有极性，因此凡是由微管构成的细胞器也具有一定的极性。微管的极性与有丝分裂后期染色体向两极移动的机制有关。（4） 微管的稳定性是可以调节和改变的。在微管生长端，GTP 微管蛋白不断添加到（+）游离端，GTP 微管蛋白在游离端彼此结合，形成了 GTP 帽，此帽可以防止微管解装配，因此，微管总是处于动态不稳定状态中。从中心粒不断长出微管，如果生长着的微管的生长端在细胞皮层特定的区域遇到加帽蛋白，则可稳住游离端，使微管保持稳定。然而那些未结合上加帽蛋白的微管，则会缩回。微管的这
33、种动态分布变化，影响着细胞位移和细胞极性的形成。5. 微管的功能微管在动植物细胞的细胞质内广泛分布。从微管存在的部位可以看出，其主要功能与细胞运动、细胞内细胞器的定位及其迁移、细胞内的物质运输以及保持细胞形状有关。当然，细胞的许多运动不但是由微管承担，而必须配合另一种细胞骨架成分微丝，共同完成，但微管的变化，显然是许多细胞运动的重要结构基础。（1） 支持和维持细胞的形态。微管本身不能收缩，且具有一定的刚性马克自然取直。因而在保持细胞外形方面起支持作用。细胞的各种形态是由微管和其他细胞骨架成分来维持的，如初哺乳动物外，脊椎动物的红细胞呈双面凸的椭圆形，这种形状是靠质膜下围绕细胞排列的微管束来维持
34、的。这些微管束构成边缘带，支撑着细胞，并使细胞具有一定的弹性。如用秋水仙素对细胞进行处理后，细胞即变圆。此外，微观在纤毛、鞭毛、轴突的形成和维持中也具有重要的作用。（2） 维持细胞内膜性细胞器的空间定位分布。事实上动力蛋白与微管的相互作用，不仅与物质运输有关，而且还影响着某些细胞器的空间定位分布。动物细胞中，微管一中心体为中心向四周辐射延伸，一直抵质膜下方。微管近质膜的一端为正端，驱动蛋白与内质网模膜的细胞质面结合，沿微管细胞四周施以拉力，从而使内质网在细胞质溶质中展开分布。反之，细胞质溶质动力蛋白与高尔基体膜结合，沿微管向近核方向牵拉，从而使高尔基体位于细胞中央。如果用秋水仙素处理细胞，破坏
35、微管装配，则这些细胞器的有序空间排列就会坍塌。内质网由于与核被膜相连，于是便积聚到核附近；而高尔基体因没有这种结构关系，因而便分解成小泡，遍布整个细胞质。当秋水仙素去除后，则细胞器的分布重新恢复正常。（3） 与细胞内物质运输密切相关。真核细胞具有复杂的内膜系统，从而使细胞高度分区化，细胞内物质的合成部位往往与其行使功能的部位不同，因此，新合成的物质必须要经过胞内运输才能被运往其功能部位。细胞内的有些物质的定向运送，特别是膜泡运输，与微管的存在有关。这方面最明显的实例是神经元内轴质运输，轴质运输分为两种，一种是慢速运输，其速度为 13mm/d，但运输量大，在游离多核糖体上合成的结构蛋白，如微管蛋
36、白、肌动蛋白、神经丝蛋白和乙酰转移酶等，即是通过这种方式运输。慢速运输机制尚不清楚。但很可能类似于原生质的流动。另一种轴质运输为快速运输，运输的速度为100400mm/d。与膜更新有关的蛋白质如轴突膜、突触小泡膜、前突触膜的蛋白质成分，以及突触小泡等细胞器，都是通过快速运输方式运送。实验表明，快速运输与微管密切相关。不仅在电子显微镜照片上可看到运输颗粒和微管临近或相接触，而且破坏微管的化学药物如秋水仙素、长春新碱等均有阻断运输的作用。可见微管在快速运输中具有重要作用，除了神经细胞中轴质运输外，细胞的分泌颗粒和色素颗粒的运输，也是沿着微管运送的。经研究发现，在膜泡和细胞器胞内运输中，微管是仅为运
37、输物质提供轨道并对运输方向具有指导作用，而运输的动力则来自动力蛋白。现发现有两种动力蛋白，即胞质动力蛋白和驱动蛋白。胞质动力蛋白为动力蛋白大家族中的一员，是一个分子量为1.2Mda 的多亚基蛋白质集合体，由两条重链和三条中等链和四条轻链构成，具有 ATP 酶活性，可沿微管“+”端向“”端移动，为膜泡和细胞器的胞内运输和纤毛运动提供动力。驱动蛋白是由两条重链和两条轻链构成的分子量为380Kda 的四聚体蛋白分子，为由二个球状头部、一个柄部和一个扇形尾部组成的长 80nm 的柱样结构， ，球状头部中具有动力功能域，可同微管结合，驱动蛋白也是一类微管激活的 ATP 酶，可沿微管由“-”向“+”端移动
38、，在胞内物质运输中具有重要作用。 由于动力蛋白和驱动蛋白沿微管的运动方向相反，因此注定膜泡或细胞器等的运输也具有两个方向，即动力蛋白街道的膜泡或细胞器运输是由原中心体的一端（+）向近中心体的一端） （）转运，而驱动蛋白介导的运输是由近中心体的一端（-）向远中心体的一端（+） 。1998 年N.Hirokawa又提出了胞质动力蛋白对膜泡或细胞器的分子识别机制，认为胞质动力蛋白通过 74Kd 中等链、554KD 轻链、胶联的 P150 与 P135、动态蛋白、肌动蛋白相关蛋白 1-肌动蛋白短丝及锚蛋白 -血影蛋白网同被运输膜泡或细胞器膜上的受体蛋白间相连，从而识别和结合被运输物，达到选择性运输的目
39、的。（4） 参与细胞运动。纤毛和鞭毛是细胞的运动细胞器，其主要的构成成分既为微管。此外有的细胞是靠变形进行移动，如白血细胞通过延伸和收缩细胞质向着一定方向移动，其细胞质的运动变化与微管的导向有关。又如脊椎动物胚胎细胞在进行原肠运动时，胚孔外的细胞发生变形，卷入胚胎内部。变形时，细胞拉长呈瓶形。在其拉长的颈部，顺长轴方向有成束的微管存在。（5） 构成纺锤体，参与染色体运动。在有丝分裂时，微管组成纺锤体，纺锤体微管包括着丝点微管、极微管、中心体微管和星体微管。正是由于纺锤体的牵引。染色体才能移向两极。进入分裂期时，胞质微管解聚，重新组装形成纺锤体微管，牵引染色体向两极移动；分裂结束后，纺锤体微管解
40、聚；重新组装形成胞质微管。纺锤体微管介导染色体运动的机制为动力平衡假说，即微管的装配和去装配假说。（6） 参与植物细胞壁形成。微管对植物细胞纤维素纤维形成的方向有一定的控制作用。纤维素纤维构成了植物细胞的初生壁和次生壁。在细胞壁形成时，质膜下方有微管排列，其排列方向与质膜外侧纤维素的沉寂方向一致。用秋水仙素破坏微管。可使纤维素纤维的排列方向受到破坏。6. 中间纤维的功能。中间纤维在胞质中形成精细发达的纤维网络，外与细胞膜及细胞外基质相连，中间与微丝微管和细胞器相连，内与细胞核内的核纤层相连，因此中间纤维也具有多种功能。但由于到目前为止还没有找到其特异性的工具药物，因此对其功能还了解得比较少，但
41、一般认为中间纤维具有以下功能：（1） 增强细胞机械应力。中间纤维的主要功能是支持细胞对抗机械力，这一功能对表皮细胞来说特别重要，如有一种称为大泡性表皮松懈症的遗传病，即由于角蛋白基因发生突变造成的。病人的表皮基底细胞中的角蛋白丝网受到破坏，使皮肤很容易受到机械损伤，轻轻一碰即可使皮肤松懈脱落。（2） 保持细胞的整体性。中间纤维在从细胞核到细胞膜和细胞外基质的贯穿整个细胞的结构系统中起着广泛的骨架功能，该骨架具有一定的可塑性，对维持细胞质的整体结构和细胞机械强度有重要作用。（3） 参与桥粒和半桥粒的形成，参与相邻细胞间、细胞与基膜间的连接结构的形成。7. 微丝微管和中间纤维等细胞骨架成分之间的关
42、系？三者的关系表现在：（1）细胞内各种骨架成分可以同时存在，自成系统，但又相互联系，微丝微管和中间纤维之间互不重合，一种被破坏时，另一种仍可保存，甚至在同一细胞内存在两种中间纤维时也自成系统。但他们的分布又是密切相关的。如微管和中间纤维都从细胞核向细胞周缘放射状的延伸，并且在许多部位平行相伴。微丝微管和中间纤维之间都有肌动蛋白等连接。 （2）各种细胞骨架成分都有相似的自装配行为，装配方式也有很多相似之处。在体内他们的许多调控因子是共同的，如两价阳离子、核苷酸类物质及某些蛋白质因子等，中心体是微管组织中心，而分离中间纤维时，常可以连中心体一起分离出来，有实验表明，中心体也是中间纤维的组织中心。
43、（3）各种细胞骨架成分在功能上是相互配合，协调作用的，在维持细胞形态和运动功能以及有丝分裂时的作用都是协同作用来完成的。8. 除了由不同的蛋白质构成以外，真核细胞鞭毛和细菌的鞭毛有何区别？与细菌鞭毛不同，真核细胞的鞭毛的形成不是来源于质膜，而是源自细胞质中的基体，每一根真核细胞的鞭毛由 9+2 的微管束构成即两个一组的 9 组微管围绕在外围，中心哟一对微管排列。基体由三个一组的九组微管围绕着一个没有中心微管排列构成。中心粒与基体有着相同的基本结构。一般认为：纤毛和鞭毛运动的分子基础是微管以类似于肌细胞收缩过程中肌动蛋白和肌球蛋白的行为方式进行相互滑动。一个名为动力蛋白的蛋白质复合物以分子内循环
44、往复的构象变化来驱动真核细胞鞭毛的滑动装置。动力蛋白还具有裂解 ATP酶活性的作用，因此它能获取驱动真核细胞鞭毛或纤毛所需的能量。另外，像螺旋桨样转动的原核细胞鞭毛也可以由氢离子或钠离子的跨膜运动所驱动。把这些离子聚集在膜的一侧需要消耗能量，这很可能与主动转运有关。离子浓度梯度形成了渗透能，该能量可通过打开膜上的离子通道使膜电位去极化；并允许离子向低离子浓度区域扩散，这是一个被称为被动转运的过程，整个过程是由 ATP 间接功能的。9. Penman 等建立的用来显示和骨架-核纤层- 中间纤维结构的细胞分计抽提方法（1）先用非离子去污剂处理细胞，溶解末结构系统，胞质中可溶性成分随之流失，主要存留
45、细胞骨架体系；（2）再用 Tween40 和脱氧胆酸钠处理，胞质中的微管、微丝与一些蛋白质结构被溶去，胞质中只有中间纤维能完好保留，025mol/L 硫酸铵处理，染色质中DNA、RNA 和组蛋白被抽提，最终核内呈现一个惊喜发达的核骨架网络。 （4）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。选择题：1. 下列物质中，抑制微管解聚的是（D ）A 秋水仙素 B 长春花碱 C 紫杉醇 D 鬼笔环肽2 . 骨架是存在于真核细胞内的以（）纤丝为主的纤维网架体系。 蛋白质和 蛋白质和3. 研究细胞骨架常用的电子显微镜技术是（D ） 。A 冰冻蚀刻电子显微镜 B
46、扫描电子显微镜技术C 暗场电子显微镜技术 D 整装细胞电子显微镜技术4下列哪条能够将所给的句子补充完整且无误， “肌收缩中，钙的作用是（C） ”。A 是肌球蛋白的头与肌动蛋白脱离B 将运动潜力从质膜扩大到收缩肌C 同肌钙蛋白结合，引起原肌球蛋白的移动，结果使肌动蛋白纤维同球蛋白头部接触D 维持肌球蛋白丝的结构5 微丝结合蛋白中，使肌动蛋白单体稳定的蛋白是（C）A a-辅肌动蛋白 B 细丝蛋白 C 抑制蛋白 D 溶胶蛋白 6. 下列有关核基质叙述正确的是（D ）A 是细胞核内的液体成分B 主要成分为蛋白质，并有少量 RNA 和 DNAC 是由核纤层蛋白与 RNA 形成的立体网络结构D 是由核纤层
47、、中间纤维相联系的以蛋白质为主的网架结构。是非题：1.驱动蛋白介导运输小泡向微管（+）端运动（ V ）2. 中间纤维是细胞质骨架各成分中最稳定的一种蛋白纤维（V）3. Ca2+ 对于微管装配是必须的（ X）4. 中间纤维是指长度介于粗肌丝和细肌丝之间的纤维（X）5. 一个肌球蛋白分子含有两条重链和二条轻链（V ）6. 细胞迁移和运动时，片足中的 actin 纤维比其他部位更为有序，微丝的争端与细胞运动的方向一致。 （V）7. 核骨架中锚定区结合蛋白能特异地与 MAR 序列结合，且具有组织特异性（X）8. 在不同类型的肌肉细胞中，其 a 肌动蛋白分子的一级结构是相同的（X） 。填空题：1.真核细
48、胞的鞭毛由微管等构成，其组装过程中，以基粒作为 MTOC，鞭毛的运动机制为 微管间滑行。细胞的变形是由肌动蛋白的溶胶与凝胶状态的相互转化形成，其运动本质为 肌动蛋白在一端装配与另一端的解聚。2. 细胞松弛素和鬼笔环肽是微丝的特殊结合蛋白，前者作用可切断微丝，并抑制肌动蛋白聚合，而后者的作用是使肌动蛋白稳定，抑制解聚。3.动物细胞的微管组织中心是中心体和基粒 ，他决定了微管的极性，微管的 负 极指向微管组织中心。4. 在神经轴突的物质转运过程中，由两种蛋白介导，一是 胞质动力蛋白，介导运输小泡由轴突顶端运向胞体；二是 驱动蛋白 ，介导小泡由胞体运向轴突顶端。5.用秋水仙素处理细胞，内膜系统中 内质网 和 高尔基体 两种细胞器的形态结构将受到明显影响。6.几乎所有人体细胞均有中间纤维蛋白表达，但其表达具有严格的 组织特异性； 中间纤维蛋白基因表达的组织和发育调节主要在 转录和转录后 水平。作业：1. 用细胞松弛素 B 处理动物细胞，能观察到什么现象？请简要解释。2. 请简要说明已知的细胞骨架和核基质的类型及其与细胞结构之间的锚定关系。3. 简述中间纤维的装配过程。4. 设计简单试验，证明细胞形态与细胞内微管有关。5. 简要回答核纤层蛋白与其他中间纤维蛋白的关系。试回答 1 和 4 的问题。
