细胞骨架

细胞骨架是广泛存在于真核细胞中由蛋白质纤维组成的网络系统。

细胞骨架 (Cytoskeleton)

• 概述
  • 是广泛存在于真核细胞中由蛋白质纤维组成的网络系统
  • 功能:保持细胞形态、参与细胞运动、细胞分裂、细胞内运输以及信息传递等。
  • 广义:包括细胞质骨架、细胞核骨架、细胞膜骨架、细胞外基质等纤维体系。
  • 狭义:指由微管、微丝、中间纤维组成的细胞质骨架。
• 微管 (Microtubule,MT)
  • 一、微管的形态结构、化学组成、存在形式及微管结合蛋白
    • (一)微管的形态结构
      • 微管是一种具有极性、直而中空的圆筒状结构,直径24~26nm,长短不一。
    • (二)微管的化学组成
      • 1.微管蛋白(tubulin)
        • 是构成微管的主要蛋白。是一种酸性蛋白质,由α和β两种单体构成。 α-微管蛋白和β-微管蛋白的理化性质相似,分子大小相近。 通常α和β-微管蛋白各一个分子连在一起构成较稳定的异二聚体(heterodimer)。 异二聚体是微管装配的基本结构单位。
        • γ-微管蛋白是近年来发现的第三种微管组成成分。含量低(不到1%),但作用同样重要。
        • γ-微管蛋白通常以γ-微管蛋白环状复合物(γ-TuRC,γ-tubulin ring complex)的形式存在于微管组织中心(MTOC), 对微管的正常组装有调节作用。
      • 2.微管相关蛋白(microtubule-associated protein,MAP)
        • 种类较多,并非构成微管的基本构件,是维持微管结构和功能的必需成分。决定不同微管间的差异,种类较多。
        • 功能
          • 调节微管装配
          • 促进微管组装
          • 促进微管聚集成束
          • 增加微管稳定性和强度
          • 参与和介导细胞的信号传导
          • 参与细胞内囊泡和颗粒物质在微管上的转运过程
        • 主要有MAP-1、MAP-2、Tau和MAP-4等几种,前三种主要存在于神经元中,MAP4广泛分布于各种细胞中。 一般认为,MAP与细胞骨架间的连接有关,Tau蛋白的功能是加速微管蛋白的聚合。
    • (三)微管的存在形式
      • 单管
        • 最常见的微管存在形式，由13根原纤维包围而成。
      • 二联管
        • 由A(13)、B(10)两根微管组成，两管构造相同， 共用3根原纤维，主要存在于鞭毛和纤毛的杆状部分。
      • 三联管
        • 由A、B、C三根微管组成，其中A与B、B与C各有三根原纤维共有， 主要存在于中心粒及纤毛和鞭毛的基体中。
      • 单管随细胞周期发生变化，在低温、Ca²⁺和秋水仙碱作用下容易解聚， 属于不稳定微管。二联管和三联管是细胞内某些永久性功能结构的主体， 通常不易受低温、Ca²⁺及秋水仙素等的影响而发生解聚，是细胞内稳定型微管结构。
  • 二、微管的组装
    • 微管是一种具有极性、动态、不稳定结构,可依细胞活动不断组装和去组装(微管←→微管蛋白)
    • 体外组装过程
      • 成核期(延迟期)(nucleation phase)
        • 正端(β端或头端)，负端(α端或尾端) αβ异二聚体→片状结构→13根原纤维→微管
      • 聚合期(延长期)(polymerization phase)
        • 细胞内高浓度的游离微管蛋白，使微管蛋白二聚体 在微管正端聚合、组装的速度远远快于负端的解 离速度，微管因此得不断地延长。
      • 稳定期(平衡期)(steady state phase)
        • 随着细胞质中游离微管蛋白浓度的下降，微管在正、负两端的 聚合与解聚速度达到平衡，使微管长度趋于相对稳定的状态。
    • 体外组装与踏车模型(treadmilling model)
      • 微管具有非稳定的动态特征，微管的正端组装，微管延长；微管的负端可去组装缩短。
      • GTP帽→GDP帽
        • 微管蛋白GTP帽:微管蛋白与GTP结合，促进微管组装、延长。 微管蛋白GDP帽:微管蛋白与GDP结合，促进微管解聚、缩短。
    • 体内组装
      • 微管的体内组装远比体外组装复杂，除了需要体外组装的条件外，更多受到严格的时间和空间的调控。
      • 微管组织中心，MTOC (microtubule organizing center )
        • MTOC是微管形成的核心位点，微管的组装由此开始。
        • 常见的MTOC：中心体、鞭毛和纤毛的基体。
        • MTOC的作用：使微管生成和延长,控制细胞质中微管形成的数量、位置和方向。
      • γ–微管蛋白环状复合物(γ–TuRC)
        • 作为微管蛋白二聚体结合的核心，是微管组装的始发位置。
        • 不但可促使微管的生长和延长，而且也控制着 细胞质中微管形成的数量、位置和方向。
        • 通常，微管的负端总是指向MTOC； 而正端则与之相背，游离于胞质的一侧。
    • 影响微管组装与去组装的因素
      • 微管蛋白浓度(临界浓度)
        • 微管蛋白的合成可以自我调节。微管蛋白达到一定浓度时, 多余的微管蛋白单体可结合于合成微管蛋白的核糖体上， 导致编码微管蛋白的mRNA降解。
        • 微管的组装受细胞周期的调控。
      • GTP和氧化氘(D₂O)的供应
      • 适宜的PH浓度(6.9)
      • 离子浓度(高Mg²⁺，低Ca²⁺)
      • 适宜的温度(＞20℃) 不适宜温度(＜4℃)
      • 秋水仙素(引起微管解聚) 长春花碱(抑制聚合) 紫杉醇(促进微管组装，防止解聚)
  • 三、微管的功能
    • 构成细胞的网状支架，维持细胞的形态，固定细胞器的位置。
    • 参与中心粒、纤毛和鞭毛的形成。
      • 中心粒由9组三联体微管围成,是动物细胞中主要的微管组织中心
      • 纤毛和鞭毛以微管为主要成分，有特殊的结构形式。
    • 参与细胞内大分子颗粒物质及囊泡的定向转送运输
      • 驱动蛋白：沿微管从负端向正端移动
      • 动力蛋白：从负端(轴突末端)向正端(细胞体)
      • 肌球蛋白：以肌动蛋白纤维为运行轨道
      • 如:细胞分泌颗粒、色素颗粒沿微管运输,线粒体的快速运动沿微管进行,如果破坏微管，物质运输就会受到抑制。
    • 参与细胞器的位移和细胞分裂过程中染色体的定向移动。
    • 参与细胞内信号转导。
      • 微管参与ERK、JNK、Wnt等多条信号转导通路。 信号分子可直接与微管作用或通过马达蛋白和一些支架蛋白来与微管作用。 微管的信号转导作用具有重要的生物学意义。
• 微丝 (Microfilament,MF)
  • 一、微丝的基本组成和形态结构
    • (一)微丝的基本组成
      • 微丝(microfilament,MF)是一种具有极性的实心纤维状结构,直径为7nm,直而长度不一
      • 1.肌动蛋白
        • 球形肌动蛋白(globular actin,G–actin),外观呈哑铃状,有极性。 具有与ATP/ADP以及Mg²⁺、K⁺、Na⁺等阳离子结合的位点。
        • 分为三类:α、β和γ肌动蛋白
      • 2.微丝结合蛋白
        • 是微丝结构和功能的必需成分。其不仅直接参与微丝纤维系统高级结构的形成, 而且对肌动蛋白纤维的动态组装具有重要的调节功能。种类较多。
    • (二)微丝的形态结构
      • 微丝是由G–肌动蛋白单体形成的多聚体(纤维状肌动蛋白,F–肌动蛋白)。
      • 球状肌动蛋白(G–肌动蛋白)→纤维状肌动蛋白(F–肌动蛋白) →2条F–肌动蛋白丝通过自身螺旋形成微丝。
  • 二、微丝的组装
    • (一)微丝的体外组装过程
      • 1.成核期(nucleation phase)
        • 该期是微丝组装的限速阶段,会滞留相对较长的时间, 故也称为延迟期。
        • G–肌动蛋白→三聚体或四聚体核心→F–肌动蛋白
      • 2.生长期(growth phase)
        • 也称延长期。 此期G–肌动蛋白在核心两端的集结、聚合速度不断加快，使得F–肌动蛋白得以迅速增长、延伸。
        • F–肌动蛋白两端表现出明显的差速生长和延伸。 一般把生长、延伸速度快的一端称作正(+)端,另一端即为负(–)端。
      • 3.平衡期(equilibrium phase)
        • 随着G–肌动蛋白浓度的下降,G–肌动蛋白聚集、结合到微丝上的速度与其从微丝上 解离、脱落的速度逐渐接近,最终达到一种平衡状态,使微丝长度相对恒定。
    • (二)影响微丝体组装的因素
      • 微丝的组装需要有一定浓度的G–肌动蛋白单体、ATP提供能量(作用主要表现在延长阶段)、 以及一定浓度的无机离子( 主要是Mg²⁺)。
        • 若在Ca²⁺以及很低浓度的Na⁺、K⁺溶液中,微丝趋向于解聚成G–肌动蛋白 而在Mg²⁺和高浓度的Na⁺、K⁺溶液的诱导下,G–肌动蛋白则装配成F–肌动蛋白。
      • 细胞松驰素:能阻止新的G–肌动蛋白单体的添加聚合,破坏微丝的组装。
      • 鬼笔环肽:可促进微丝的组装,抑制微丝的解聚。
  • 三、微丝的功能
    • 1.构成细胞支架维持细胞形态。
    • 2.参与细胞运动。如:肌肉收缩、胞质环流、变形运动等。
    • 3.参与细胞质分裂。
    • 4.参与肌肉收缩。
    • 5.构成细胞间的连接装置。
• 中间纤维 (Intermediate filament,IF)
  • 中间纤维(intermediate filament,IF):又称中等纤维,化学成分、种类复杂,结构独特, 对解聚微管(秋水仙素)和抑制微丝(细胞松弛素B)的药物均不敏感, 是广泛存在于真核细胞中的第三种骨架成分。
  • 组成中间纤维的成分极为复杂,而且有严格的细胞类型分布。
  • 一、中间纤维的类型
    • 各种细胞内的中间纤维,由于各自的免疫学特性、化学性质不同,因而功能各异。
    • 1.角蛋白丝 存在于上皮细胞或外胚层起源的细胞中 2.结蛋白丝 存在于成熟的肌细胞中 3.波形纤维蛋白丝 主要见于间质细胞和中胚层起源的细胞中 4.胶质纤维酸性蛋白丝 出现在神经组织的胶质细胞 5.神经丝蛋白 存在于神经细胞轴突中
  • 二、中间纤维的分子结构和组装
    • (一)中间纤维蛋白的分子结构
      • 中空管状纤维,长而不分支,直径约为10nm,介于微管和微丝之间。
      • 中间纤维的共同结构特点
        • α螺旋杆状中心段+两端非螺旋的头部区(氨基端,N端)和尾部区(羧基端,C端) 螺旋区约含310个氨基酸残基,其长度和氨基酸顺序高度保守。 而头、尾区是高度可变的,具有不同的氨基酸组成和化学性质
    • (二)中间纤维的组装
      • 1.双股超螺旋二聚体结构的形成 2.四聚体的形成 3.原纤维的形成 4.中间纤维最终的组装
    • (三)中间纤维组装的条件及影响因素
      • 中间纤维的体外组装不需要核苷酸参加; 不依赖于蛋白质浓度; 无需结合蛋白的辅助; 也不受温度变化的影响。 但是,一些中间纤维在低离子强度和微碱条件下,可有明显的解聚,
  • 三、中间纤维的主要功能
    • 1.支架作用,特别是对细胞核的定位和固定。 2.与细胞内微丝、微管一起发挥物质的定向运输作用。 3.参与细胞连接装置的构成。 4.与mRNA的运输有关,并对mRNA的细胞内定位和翻译有决定性的作用。 5.不以纤维形式存在的中间纤维蛋白,可作为一种信息分子或者信息分子的前体, 参与细胞内的信号转导过程,影响DNA的复制和转录。
• 细胞骨架与医学 (Cytoskeleton and medicine)
  • 一、细胞骨架与肿瘤(Cytoskeleton and tumor)
    • 中间纤维的不同类型严格分布于不同类型的细胞。因此,可作为细胞类型区分的特征性标志之一。 如:作为肿瘤诊断和分类鉴别的工具。
  • 二、细胞骨架与神经系统疾病
    • 许多神经系统疾病与细胞骨架蛋白的异常表达有关。 如，阿尔茨海默病(AD)、肌萎缩性侧索硬化症(ALS)。
  • 三、细胞骨架与遗传性疾病
    • 一些遗传性疾病患者常常发现有细胞骨架的异常或细胞骨架蛋白基因的突变。 如遗传性单纯性大疱性表皮松懈症(角蛋白14基因)、人类纤毛不动综合征(AR)
• 四聚体→原纤维→亚丝→中间纤维
• Tau蛋白与阿尔茨海默病