细胞骨架与细胞的运动

主要介绍了细胞骨架中的微管、微丝、中间纤维。

细胞骨架与细胞运动

• 第一节 微 管
  • 概述
    • 微管组成的细胞器：纤毛、鞭毛、基体、中心体、纺缍体等
    • 基本功能：细胞器的定位和物质运输
    • 微管的形状：为中空的管状结构
    • 微管的组成：由微管蛋白和微管结合蛋白组成
  • 一、微管蛋白与微管的结构
    • 1. 微管的组成 主要为微管蛋白（tubulin）
      • 微管蛋白分为三种：α-管蛋白、β-管蛋白和γ-管蛋白
        • α-管蛋白和β-管蛋白组成异二聚体。异二聚体是构成微管的基本亚单位。
        • γ-管蛋白位于微管组织中心，对微管的形成、微管的数量和位置、微管极性的确定及细胞分裂起重要作用。
    • 2. 微管的形状 中空小管，内径约为15nm，壁厚约5nm。
    • 3. 微管的分子结构 微管中的微管蛋白首尾相接形成原纤维，再经过原纤维的两端和侧面增加异二聚体扩展成片层，当片层达到13根原纤维时即合拢成一段微管，然后新的异二聚体再不断增加到微管的两端使之不断延长。
    • 4. 微管的动态性 微管以异二聚体为单位，可自由组装和拆卸。
    • 5. 微管的极性 微管具有极性，正端（plus end）生长速度快，负端（minus end）生长速度慢，也就是说微管蛋白在正端的添加速度高于负端。
    • 6. 微管的存在形式
      • 在细胞中有三种存在形式：单管、二联管和三联管。
        • 单管：由13根原纤维组成，是细胞质中常见的形式，其结构不稳定，易受环境因素影响而降解。
        • 二联管：由A，B两个单管组成，A管有13根原纤维，B管有10根原纤维，与A管共用3根原纤维，主要分布于纤毛和鞭毛内。
        • 三联管：由A，B，C三个单管组成，A管有13根原纤维，B、C各有10根原纤维，主要分布于中心粒、鞭毛和纤毛的基体中。
  • 二、微管结合蛋白
    • 1. 微管结合蛋白
      • 与微管结合的辅助蛋白，并与微管共存，参与微管的装配。
    • 2. 微管结合蛋白主要包括：
      • 主要存在于神经元细胞中
        • MAP-1
        • MAP-2
        • Tau
      • 主要存在于神经元和非神经元细胞中
        • MAP-4
  • 三、微管的装配与动力学
    • 除了特化细胞的微管外，大多数微管都是不稳定的，能够很快地组装或去组装。
      • 成核期（nucleation phase）
        • 管蛋白聚合成短的寡聚体（核心） → 片状 → 微管
      • 聚合期（polymerization phase）
        • 聚合速度大于解聚速度
      • 稳定期（steady state phase）
        • 聚合速度等于解聚速度（游离管蛋白达到临界浓度）
    • （一）微管装配的起始点是微管组织中心
      • 1. 微管组织中心（microtubule organizing center, MTOC）
        • 微管形成的核心位点，微管的组装由此开始。常见的微管组织中心为中心体和纤毛的基体。
        • 帮助细胞质中的微管在装配过程中成核，接着微管从微管组织中心开始生长。
      • 2. γ-管蛋白
        • γ蛋白一般形成γ-管蛋白环形复合体，它可刺激微管核心形成，并包裹微管蛋白的负端防止微管蛋白的掺入。
      • 3. 中心体
        • ⑴ 中心体的结构 中心体位于细胞核的附近，在细胞有丝分裂时位于细胞的两极，中心体包括两个中心粒和中心粒旁物质。它是细胞内重要的微管组织中心。
        • ⑵ 中心体的功能 是细胞中决定微管形成的一种细胞器，它与细胞的有丝分裂关系密切，主要参与纺缍体的形成。
    • （二）微管的体外装配
      • 在适当的情况下，微管可以在体外组装。
      • 微管组装的动态调节有两个理论模型，即微管踏车模型（treadmilling model）和非稳态动力学模型（dynamic instability model）。
      • 微管组装以非稳态动力学模型为主，其中微管蛋白浓度和GTP是重要的调节微管组装的物质。
        • 管蛋白浓度高 → 微管聚合
        • 管蛋白浓度低、GTP水解 → 微管解聚
    • （三）微管的体内装配
      • 微管在细胞中的组装主要是在γ-管蛋白环形复合体，它位于微管组织中心，是集结异二聚体的核心，微管从此生长和延长。它与微管的负端结合，而使负端稳定。
    • （四）影响微管装配的因素
      • 常见影响因素
        • GTP浓度、温度、压力、 pH值、离子浓度、微管蛋白临界浓度、药物等。
      • 药物因素
        • 秋水仙素、长春新碱抑制微管装配。
        • 紫杉醇能促进微管的装配,并使已形成的微管稳定。
  • 四、微管的功能
    • （一）支持和维持细胞的形态
      • 微管具有一定的强度，能够抗压和抗弯曲，给细胞提供机械支持力，是支撑和维持细胞形状的主要物质。
    • （二）参与中心粒、纤毛和鞭毛的形成
      • 1. 中心粒和中心粒旁物质构成中心体
        • 在电镜下可见中心粒由9组三联微管组成，中央无微管(9+0)。
        • 在细胞间期，中心体组织形成胞质微管，在细胞分裂期，参与纺锤体的形成。
      • 2. 纤毛与鞭毛
        • 细胞表面的运动器官，二者结构基本相同，在电镜下都可见9+2的结构，中央有两条单管称为中央微管，周围有9组二联微管。
    • （三）参与细胞内物质运输
      • 细胞内的细胞器移动和胞质中的物质转运都和微管有着密切的关系，具体功能由马达蛋白来完成。
        • 马达蛋白是指介导细胞内物质沿细胞骨架运输的蛋白。
          • 将物质沿微管运输
            • 动力蛋白
            • 驱动蛋白
              • 结构：
                • 两个球形头部
                  • 具有ATP酶活性，水解ATP产生能量
                  • 与微管结合
                • 尾部——与被转运组分结合
              • 运输方式：
                • 沿微管由正端向负端移动
              • 
          • 将物质沿微丝运输
            • 肌球蛋白
    • （四）维持细胞内细胞器的定位和分布
      • 微管及其相关的马达蛋白在真核细胞内的膜性细胞器的定位上起着重要作用。
        • 线粒体的分布与微管相伴随
        • 游离核糖体附着于微管和微丝的交叉点上
        • 内质网沿微管在细胞质中展开分布
        • 高尔基体沿微管向核区牵拉，定位于细胞中央
    • （五） 参与染色体的运动，调节细胞分裂
      • 微管是构成有丝分裂器的主要成分，可介导染色体的运动，从而调节细胞分裂。
    • （六）参与细胞内信号传导
      • 微管参与hedgehog、JNK、Wnt、ERK及PAK蛋白激酶信号转导通路。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。
• 第二节 微 丝
  • 微丝的成分：
    • 微丝又称为肌动蛋白丝（actin filament），是由肌动蛋白（actin）亚单位组成的螺旋状纤维。
  • 微丝的分布：
    • 在肌肉细胞中占细胞总蛋白的10%，结构稳定，组成了肌细胞的收缩单位。
    • 在非肌肉细胞中占细胞总蛋白的1%~5%，结构通常不稳定。
  • 一、肌动蛋白与微丝的结构
    • 1. 肌动蛋白的结构
      • 结构：
        • 由375个氨基酸组成的单链多肽
        • 外观呈哑铃形
        • 具有阳离子、ATP（或ADP）和肌球蛋白结合位点。
      • 存在方式：
        • 球状肌动蛋白（肌动蛋白单体，G-actin）
        • 纤维状肌动蛋白（肌动蛋白聚合体，F-actin）
      • 特点：
        • 肌动蛋白分子具有极性，有氨基和羧基的暴露一端为正端（plus end），另一端则为负端（minus end）。
    • 2. 微丝的结构
      • 微丝是由两条肌动蛋白单链聚合而成的双螺旋结构。由于肌动蛋白单体具有极性，装配时首尾相接形成螺旋状纤维，因此微丝也有极性，一端为相对迟钝和生长慢的负端（minus end）；另一端为生长快的正端（plus end）。
  • 二、微丝结合蛋白
    • 微丝结合蛋白（microfilament associated protein,MAP）：是一类对纤维状肌动蛋白的结构和行为起调节作用，与微丝的装配及功能有关的蛋白质。
    • 微丝结合蛋白主要有以下类型：
      • 单体隔离蛋白：与单体肌动蛋白结合，并抑制它们的聚合
      • 交联蛋白：使细胞内的肌动蛋白纤维相互交联形成网络结构
      • 末端阻断蛋白：调节肌动蛋白纤维的长度
      • 纤维切割蛋白：同肌动蛋白纤维结合并将其切断
      • 肌动蛋白纤维解聚蛋白：引起肌动蛋白丝的快速去聚合
      • 膜结合蛋白：非肌细胞质膜下方产生收缩的机器
    • 
  • 三、微丝的装配
    • （一） 微丝的组装过程分为三个阶段
      • 成核期：微丝组装的限速过程
      • 聚合期：肌动蛋白在核心两端聚合，正端快，负端慢
      • 稳定期：聚合速度与解离速度达到平衡
    • （二）微丝组装的动态调节
      • 微丝的组装可用踏车模型和非稳态动力学模型来解释。目前认为踏车模型在微丝组装过程中可能起主导作用。
      • 1. 踏车模型
        • 当G-actin达到一定浓度时，微丝出现一端因加G-actin单体而延长，另一端因单体的解离而缩短，肌动蛋白丝的净长度不变。
      • 2. 非稳态动力学模型
        • 该模型认为ATP是调节微丝组装的主要因素，主要调节微丝组装的生长期。
        • ATP-肌动蛋白：对纤维状肌动蛋白末端的亲和力高，使微丝蛋白纤维延长。
        • ADP-肌动蛋白：对纤维状末端的亲和力低，易脱落，使微丝蛋白纤维缩短。
        • ATP-肌动蛋白浓度与其聚合速度呈正比。
    • （三） 影响微丝组装的因素
      • 常见影响因素
        • G-肌动蛋白临界浓度、ATP、Ca2+、Na+、K+浓度和药物
      • 药物因素
        • 细胞松弛素B（cytochalasin B）：抑制微丝的聚合，对微管无作用。
        • 鬼笔环肽（phalloidin）：同聚合的微丝结合后，抑制微丝的解体。
    • 四、微丝的功能
      • （一） 构成细胞的支架，维持细胞形态
        • 微丝体内装配的成核作用发生在质膜。
        • 细胞皮层（cell cortex）：质膜下具有较高密度、由微丝和各种微丝结合蛋白组成的网状结构。该结构具有很高的动态性，为细胞膜提供强度和韧性，维持细胞的形态。
        • 细胞皮层可推动细胞膜形成细长的微刺（microspike），在神经细胞轴突的生长端可 形成更长的微穗即丝状伪足（filopodia），还可以形成片状伪足（lamellipodia）。
      • （二）参与细胞运动
        • 细胞整体的移动和位置改变主要是在微丝的作用下完成的，如变形虫、巨噬细胞和白细胞以及器官发生时的胚胎细胞等。
      • （三）参与细胞分裂
        • 在有丝分裂的末期，细胞膜沿赤道面向内收缩，这一过程主要是在由微丝与肌球蛋白-Ⅱ丝组成的收缩环(contractile ring)的作用下完成的。
      • （四）参与肌肉收缩
        • 肌肉细胞的收缩与微丝关系非常密切
        • 骨骼肌收缩的基本结构单位——肌小节
          • 肌小节的主要成分是肌原纤维
            • 肌原纤维
              • 粗肌丝——肌球蛋白
              • 细肌丝
                • 肌动蛋白
                • 原肌球蛋白
                • 肌钙蛋白
        • 肌肉收缩的原理——滑动丝模型
          • 肌肉的收缩是由于粗肌丝（肌球蛋白）与细肌丝之间相互滑动的结果。 粗肌丝上伸出的横桥与相邻细肌丝连接，在肌细胞收缩时，横桥可推动细丝（肌动蛋白）与粗丝（肌球蛋白）的滑行。
            • 
      • （五）参与细胞内物质运输
        • 微丝在微丝结合蛋白介导下可与微管一起进行细胞内物质运输。
      • （六）参与细胞内信号传递
        • 细胞表面的受体在受到外界信号作用时，可触发质膜下肌动蛋白的结构变化，从而启动细胞内激酶变化的信号传导过程。
• 第三节 中间纤维
  • 概述
    • 特点：直径10nm左右，介于微丝和微管之间，是最稳定的细胞骨架成分。
    • 功能：主要起支撑作用。
    • 分布：在细胞中围绕着细胞核成束成网分布，并扩展到细胞质膜，与质膜相连结。
  • 一、中间纤维的结构和类型
    • （一） 中间纤维是丝状蛋白多聚体
      • 组成中间纤维的基本单位——中间纤维蛋白
      • 结构特点
        • 一个α螺旋的中间区，两侧是球形的N端和C端
        • 中间区α螺旋结构比较保守，N端和C端高度可变
    • （二）中间纤维的类型
      • 根据中间纤维氨基酸序列的相似性可分六类：
        • 酸性角蛋白
        • 中性/碱性角蛋白
        • 波形蛋白
        • 神经丝蛋白
        • 核纤层蛋白
        • 神经[上皮]干细胞蛋白
  • 二、中间纤维的装配和调节
    • 1. 装配
      • 两个平行排列的中间纤维蛋白分子形成螺旋状的二聚体
      • 由两个二聚体反向-平行排列成一个四聚体
      • 两个四聚体组装成一个八聚体
      • 八个四聚体组装成中间纤维
      • 中间纤维两端是对称的，不具有极性
      • 
    • 2. 调节
      • 中间纤维的组装和去组装是通过磷酸化和去磷酸化进行控制的。
      • 中间纤维蛋白丝氨酸和苏氨酸残基的磷酸化作用是中间纤维动态调节最常见最有效的调节方式。
  • 三、中间纤维的功能
    • （一）在细胞内形成一个完整的网状骨架系统
      • 中间纤维外与质膜和细胞外基质有直接的联系，内与核膜、核基质联系，形成贯穿整个细胞的网络系统，起着广泛的骨架功能。
    • （二） 为细胞提供机械强度支持
      • 
    • （三） 参与细胞连接
      • 参与锚定连接中的桥粒和半桥粒，在细胞中形成网络，维持细胞形态，提供支持力。
    • （四） 参与细胞内信息传递及物质运输
      • 中间纤维外连质膜和胞外基质，内达核骨架，形成一个跨膜的信息通道。
      • 中间纤维与mRNA的运输有关，胞质mRNA锚定于中间纤维，可能对其在细胞内的定位及是否翻译起重要作用。
    • （五） 维持细胞核膜稳定
      • 在细胞核内膜的下面有一层由核纤层蛋白组成的网络，对于细胞核形态的维持具有重要作用，而核纤层蛋白是中间纤维的一种。
    • （六）参与细胞分化
      • 中间纤维蛋白的表达具有组织特异性，表明中间纤维可能与细胞分化有密切的关系。
• 第四节 细 胞 的 运 动
  • 细胞的移动方式有多种，极少数细胞通过纤毛和鞭毛进行运动，绝大多数动物细胞以爬行方式运动 。这些细胞运动都是在细胞骨架的参与下完成的。
  • 一、微管与细胞运动
    • 一些细胞通过纤毛和鞭毛进行运动，纤毛和鞭毛的运动是一种简单的弯曲运动，其运动机制一般用微管滑动模型解释。
      • 
  • 二、微丝与细胞运动
    • 细胞主要依赖于肌动蛋白和微丝结合蛋白的相互作用进行移动。
      • 细胞移动分为三个过程：
        • 1. 细胞在其前端或前沿伸出伪足样突起
          • 肌动蛋白丝在质膜下聚合生长驱使细胞膜向外突出，形成丝状伪足或片状伪足。
          • 微丝结合蛋白ARP2/3复合物促进分枝状肌动蛋白丝的形成。
        • 2. 这些突起附着在其爬行的表面上
          • 整联蛋白与胞外基质中的分子或与另一细胞表面上的分子结合，内部与肌动蛋白丝相连，为细胞提供锚着点。
        • 3. 细胞的其余部分通过锚着点上的牵引力将自己向前拉
          • 该过程依赖于肌动蛋白与肌球蛋白的相互作用。
        • 
  • 三、细胞运动的调节机制
    • （一）细胞外信号可以引起细胞骨架的重排
      • 许多镶嵌在质膜中的受体蛋白的活化可以引发细胞骨架的重排。所有这些信号均由一类称为RhoGTP酶的家族所介导。它的成员有：Cdc42、Rac和Rho。
    • （二）细胞外信号可以指导细胞运动的方向
      • 细胞移动需要在特定方向上进行极化，细胞骨架在细胞极化的过程中具有主导作用。
      • 物理性或化学性的外界环境改变能够引起细胞的极化并产生运动。
• 第五节 细 胞 骨 架 与 疾 病
  • 一、细胞骨架与肿瘤
    • 肿瘤细胞中的细胞骨架形态上会发生一些特异性的改变，可作为肿瘤诊断的辅助指标。
    • 细胞骨架对药物的敏感性可作为肿瘤治疗的一种重要手段。
  • 二、细胞骨架蛋白与神经系统疾病
    • 老年痴呆症等疾病与细胞骨架成分的改变有关。
  • 三、细胞骨架与遗传性疾病
    • 细胞骨架蛋白的基因发生突变会引起遗传病的发生，如单纯性疱性表皮松懈症即由于角蛋白突变所致。
• 细胞骨架（cytoskeleton）：是指真核细胞质中的蛋白质纤维网架体系，对于细胞的形状、细胞的运动、细胞内物质的运输、染色体的分离和细胞分裂等均起重要作用。细胞骨架的多功能性依赖于三类蛋白质纤维：微管、微丝和中间纤维。