细胞骨架

第五版细胞生物学第八章 细胞骨架思维导图，不对的地方请多指正。包含细胞内部被膜系统大致分割为三类结构:结构质基质、内膜系统和其他由膜所包被的细胞器，诸如线粒体、叶绿体、过氧化氢酶体和细胞核等。

第八章 细胞骨架

• 微丝与细胞运动
  • 名称和特点
    • 直径7 nm，存在于所有真核细胞中，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（microfilamentbinding protein），不同的微丝结合蛋白赋予了微丝网络不同的结构特征和功能。
    • 肌动蛋白丝（actin filament），也叫纤维状肌动蛋白
  • 微丝的组成及其组装
    • 结构与成分
      • 主要成分肌动蛋白（actin）： 球状 G-actin 纤维状 F-actin
        • 特征
          • 有裂缝 ，极性 有ATP/ADP结合位点 有二价阳离子（Mg 2+ 或Ca 2+ ）结合位点 高度保守
        • 哺乳动物肌动蛋白
          • α- 肌动蛋白：横纹肌、心肌、血管平 滑肌和肠道平滑肌所特有； β- 肌动 蛋白和γ-肌动蛋白：存在于所有的细 胞中。
    • 微丝的组装及其动力学特性
      • 体外组装与离子浓度的关系
        • 微丝的组装/解聚与肌动蛋白的状态、离子种类及浓度等有关，Mg2+，Na+，K+，ATP有利于聚合
      • 胞外组装过程
        • 成核（延迟期）
          • 在只有G-actin的试管中进行，G-actin必须先形成一个具有2~3个亚基的低聚物，是限速步骤，极为缓慢
        • 延长期
          • 肌动蛋白-ATP浓度较高，纤维快速延长的过程，一边解聚，一边组装，正端快于负端
        • 稳定期
          • 正端组装和负端解聚速率相同
      • 胞内组装过程
        • 受微丝结合蛋白影响Arp2/3
          • 成核过程需要Arp2/3 (actin related protein，Arp) 复合物参与
          • Arp2/3 复合物由Arp2、Arp3及其他5种蛋白构成。
          • Arp2/3 复合物可以与微丝或其他细胞结构结合，作为组装起点。
          • G-actin与Arp2/3复合物结合使纤维延长
    • 影响微丝组装的药物
      • 细胞松弛素
        • 作用
          • 与微丝结合后将微丝切断，并结合在微丝末端阻抑肌动蛋白在该部位的聚合，但对微丝解聚没有明显影响。
          • 破坏微丝网络结构，并阻止细胞的运动
      • 鬼笔环肽
        • 作用
          • 与微丝表面有强亲和力，不与肌动蛋白单体结合
          • 阻止微丝的解聚，使其保持稳定状态
  • 微丝网络结构的调节与细胞运动
    • 特点
      • 细胞中微丝与多种结合蛋白相互作用，具有复杂的三维网络结构。有些微丝结构相当稳定，有些只是暂时的结构。大多数微丝结构处于动态的组装和去组装过程中，并通过这种方式实现其功能。
    • 类别
      • 非肌肉细胞内微丝的结合蛋白
        • 微丝的组装与行为由微丝结合蛋白（actin binding protein）严 格调控
        • 结合蛋白的调节
          • 细胞内肌动蛋白的组装在两个水平上受到微丝结合蛋白的调节：① 可溶性肌动蛋白的存在状态；② 微丝结合蛋白的种类及其存在状态。
        • 肌动蛋白单体结合蛋白
          • 胸腺素β4 与肌动蛋白结合以后抑制微丝的组装
          • 前纤维蛋白与肌动蛋白单体的底部结合，促进了微丝正极端的组装，但阻断了负极端的组装
        • 成核蛋白
          • Arp2/3 复合物参与肌动蛋白的成核，并可与微丝结合启动侧枝的组装
        • 加帽蛋白
          • 微丝加帽蛋白可以结合在微丝的正极端或负极端，使末端处于稳定状态
        • 交联蛋白
          • 成束蛋白将相邻的微丝交联成平行排列状态 凝胶形成蛋白将微丝联接成网状
        • 割断及解聚蛋白
          • 凝溶胶蛋白在高Ca情况下能将较长微丝切断，使肌动蛋白由凝胶态转化成溶胶态。 丝切蛋白/ 肌动蛋白解聚因子（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分布在紧贴细胞质膜的细胞质区域，并由微丝交联蛋白交联成凝胶态三维网络结构，称为细胞皮层
        • 功能
          • 限制膜蛋白的流动性；为细胞质膜提供强度和韧性；维持细胞形状；细胞的多种运动，如胞质环流、阿米巴运动、变皱膜运动 、吞噬以及膜蛋白的定位等与皮层内肌动蛋白的溶胶态- 凝胶态转化相关
      • 应力纤维
        • 概念
          • 体外培养的细胞在基质表面铺展时，常在细胞质膜的特定区域与基质之间形成紧密黏附的黏着斑。在紧贴黏着斑的细胞质膜内侧的大量成束状排列的微丝
        • 功能
          • 通过黏着斑与细胞外基质相连，可能在细胞形态发生、细胞分化和组织建成等方面发挥作用
      • 细胞伪足的形成与细胞迁移
        • 细胞伪足的形成
          • 片状伪足和丝状伪足的形成依赖于肌动蛋白的聚合，并由此产生推动细胞运动的力
        • 细胞迁移
          • 概念
            • 成纤维细胞在基质或相邻细胞表面的迁移过程
          • 过程
            • 细胞在运动方向的前端伸出突起 突起与基质之间形成新的锚定位点（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
      • 微绒毛
        • 微绒毛轴心是一束平行排列的微丝，对形态起支撑作用；下端终止于端网结构
      • 胞质分裂环（收缩环）
        • 由大量平行排列，极性相反的微丝组成，动力来源于肌球蛋白所介导的极性相反微丝间的滑动
  • 肌球蛋白：依赖于微丝的分子马达
    • 马达蛋白分类
      • 沿微丝运动的肌球蛋白
      • 沿微管运动的驱动蛋白
      • 沿微管运动的动力蛋白
    • 肌球蛋白的结构
      • 马达结构域
        • 位于肌球蛋白的头部，包含一个肌动蛋白亚基结合位点和一个具有 ATP 酶活性的ATP 结合位点；负责将ATP水解所释放的化学能转变成机械能
      • 调控结构域
        • 连接马达结构域和尾部杆状区的一段α 螺旋，轻链的结合部位，发挥杠杆作用
      • 尾部结构域
        • 选择性与所运输的“货物”结合
    • 肌球蛋白的分类
      • Ⅱ型肌球蛋白：传统的肌球蛋白
        • 肌细胞：组装成肌原纤维的粗丝
        • 非肌细胞：胞质分裂过程中收缩环的主要结构成分；应力纤维的结构成分
        • 包含2 条的重链和4条轻链，形成一个高度不对称的结构
      • Ⅰ型肌球蛋白分子
        • 一个头部（马达结构域）和一个尾部，参与膜泡运输和吞噬
      • Ⅴ型肌球蛋白分子
        • 两条肽链组成的二聚体；两个头部交替与微丝结合，膜泡运输和细胞器运输
  • 肌细胞的收缩运动
    • 肌纤维的结构
      • 骨骼肌细胞又称肌纤维，由肌原纤维组成
      • 肌原纤维是由称为肌节的收缩单元呈重复排列形成的
        • 粗肌丝
          • 由肌球蛋白构成
        • 细肌丝
          • 肌动蛋白
          • 原肌球蛋白:两条平行多肽链形成α螺旋构型，调节actin与myosin头部的结合
          • 肌钙蛋白
            • Tn-C与Ca 2+ 结合
            • Tn-T与原肌球蛋白有高度亲和力
            • Tn-I抑制肌球蛋白马达结构域的ATP 酶活性
            • 每40nm有一个Tn结合到Tm上
      • 肌节
        • 是相邻两Z线间的单位
          • A 带（暗带）：为粗肌丝所在
          • H 区：A带中央色浅部份，此处只有粗肌丝
          • I 带（明带）：只含细肌丝部分
          • Z 线：细肌丝一端游离，一端附于Z线
    • 肌肉收缩系统中的其他蛋白组分
      • 将细肌丝锚定于Z盘或质膜上的蛋白
        • CapZ
        • α- 辅肌动蛋白
        • 纽蛋白
      • 在肌节中起结构作用的蛋白
        • 肌联蛋白
        • 伴肌动蛋白
        • 肌营养不良蛋白
    • 肌肉收缩的滑动模型
      • 动作电位的产生：神经冲动到肌细胞质膜，经T小管传至肌质网
      • Ca 2＋ 的释放：肌质网去极化后释放Ca 2＋ 到肌浆中，达到收缩期阈值
      • 原肌球蛋白位移： Ca 2＋ 与Tn-C结合，Tn-I与肌动蛋白脱离， Tn-T使原肌球蛋白位移
• 中间丝
  • 中间丝的主要类型和组成成分
    • 主要类型
      • 六种，Ⅰ型、Ⅱ型，。。
    • 蛋白分子结构
      • 不同种类的中间丝蛋白有非常相似的二级结构
      • 高度保守的杆状区
      • 高度多变的头部和尾部
  • 中间丝的组装与表达
    • IF没有极性
    • 不需要ATP、GTP参与
    • 不表现为典型的踏车行为
  • 中间丝又称中间纤维（IF）
  • 中间丝与其他细胞结构的关系
    • 磷酸化的蛋白亚基与14-3-3蛋白结合，导致中间丝网络解体。去磷酸化而组装
    • 中间丝结合蛋白（IFAP）本身并不是中间丝结构组分蛋白，但在结构和功能上与中间丝蛋白有密切联系
    • 中间丝结合蛋白可介导中间丝交联成束、成网，并将中间丝连接到细胞质膜或其他细胞骨架上
  • 中间丝的功能
    • 提供机械稳定性
    • 维持细胞核膜稳定
    • 参与细胞连接
    • 参与信号转导
    • 参与细胞分化
• 微管及其功能
  • 微管的结构组成于极性
    • 微管蛋白有α、β、γ、δ、ε、ζ6个不同亚家族
    • 基本结构蛋白
      • αβ-微管蛋白二聚体（细胞质内游离态微管蛋白的主要存在形式）
    • γ-微管蛋白位于中心体外周，作为微管组装的起点
    • δ-和ε-微管蛋白定位于中心粒和纤毛的基体等部位，与三联体微管B管、C管组装有关
    • 结合位点
      • GTP 结合位点
        • 不可交换位点：α-微管蛋白
        • 可交换位点：β- 微管蛋白
      • 二价阳离子结合位点
      • 秋水仙素结合位点
      • 长春花碱结合位点
    • 极性
      • α- 微管蛋白所在一端为（-） β- 微管蛋白所在一端为（+）
    • 细胞内微管的类型
      • 单管
      • 二联管
      • 三联管
  • 微管的组成与解聚
    • 微管的体外组装与踏车行为
      • 微管的组装速度同样与其底物（携带GTP 的α/β- 微管蛋白）的浓度呈正相关
      • 组装过程
      • 踏车行为
        • 边聚合边解聚
    • 作用与微管的特异性药物
      • 紫杉醇：结合并稳定微管，抗肿瘤
      • 秋水仙素：结合游离蛋白、阻止聚合，治疗通风
      • 诺考达唑 ：结合、阻止聚合，抗肿瘤
      • 长春花（新）碱 ：结合、阻止聚合，抗肿瘤
  • 微管组织中心
    • 概念
      • 在细胞内起始微管的成核作用，并使之延伸的结构
    • 分类
      • 中心体
        • 中心体含有一对彼此垂直的桶状中心粒
        • 9组三联体微管和无定形的中心粒外周物质
        • 微管起源于中心粒外周物质区域
        • γ- 微管蛋白在中心体的周质中形成的环状结构可诱导微管的成核与组装
      • 基体
        • 9 组三联体微管；自我复制
      • 其他微管组织中心
        • 高尔基体的反面膜囊区域和上皮细胞的顶端面等
  • 微管的动力学性质
    • 微管的稳定性与其所结合的细胞结构组分以及细胞的生理状态相关• 不同状态的微管其稳定性差异很大 ，中心粒微管的稳定可能与α- 微管蛋白乙酰化有关。
  • 微管结构蛋白对微管网络结构的调节
    • 微管结合蛋白（ MAP），包括MAP1-4，tau蛋白等
    • 微管结合域：与微管表面相互作用，稳定微管，带正电荷
    • 突出于微管表面结构域：与相邻微管或细胞结构相作用，对微管网络的结构和功能进行调节
  • 微管对细胞结构的组织作用
    • 微管与细胞器的分布以及细胞的形态发生与维持有很大的关系
    • 微管极性排列方式与轴突内物质运输密切相关
    • 物质沿着微管定向转移为细胞内各种细胞器和生物大分子的不对称分布提供了可能
  • 细胞依赖于微管的物质运输
    • 依赖于微管的马达蛋白
      • 驱动蛋白
        • 2 条重链：具有马达结构域 （ KHC）
        • 2 条轻链：与重链尾部结合、具有货物结合功能（KLC）
        • 驱动蛋白超家族
          • N-驱动蛋白
          • M-驱动蛋白
          • C-驱动蛋白
        • 分子机制
          • 步行模型
          • 尺蠖爬行模型
      • 胞质动力蛋白
        • 动力蛋白超家族
          • 细胞质动力蛋白
          • 轴丝动力蛋白
  • 纤毛和鞭毛的结构和功能
    • 纤毛的外部是由细胞质膜的特化而成的纤毛膜，内部是由微管及其附属蛋白组装而成的轴丝。
      • 轴丝是由250 多种不同的蛋白质 组装而成的高度有序的结构
    • 纤毛和鞭毛是突出于细胞表面的、高度特化的细胞结构，两者结构基本相同
    • 纤毛结构
      • 9+2
      • 9+0
      • 9+4
    • 纤毛的组装
      • 起始于基体
      • 原生纤毛的形成和细胞周期紧密相关
      • 原生纤毛的形成分为4 个阶段
      • 纤毛的延伸和维持依赖于鞭毛内运输
    • 纤毛的功能
      • 运动装置
      • 物理感受器
      • 化学感受器
      • 影响躯体各器官正常分布
• 功能
  • 结构与支撑
  • 细胞内运输
  • 收缩和运动
  • 空间组织
• 概念
  • 一般指真核细胞的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（microfilament ，MF ）微管（microtubule， MT ）及 中等纤维（intermediate filament， IF ）。广义的细胞骨架还包括核骨架和膜骨架。