《細(xì)胞生物學(xué)基礎(chǔ)》課件第八章

細(xì)胞生物學(xué)基礎(chǔ)第八章細(xì)胞骨架第一節(jié)細(xì)胞膜骨架

一、紅細(xì)胞的生物學(xué)特性1.紅細(xì)胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)成熟的紅細(xì)胞呈雙面凹陷或單面凹陷的盤狀結(jié)構(gòu)(圖8-2)，直徑為7.5～8.3um，厚度1.7um，體積8.3um3，表面積為14.5um2，表面積與體積的比值較大，有利于細(xì)胞變形、氣體交換和攜帶。圖8-2電子顯微鏡下的紅細(xì)胞

第一節(jié)細(xì)胞膜骨架由于紅細(xì)胞數(shù)量大，取材容易(體內(nèi)的血庫)，極少有其它類型的細(xì)胞污染；其次成熟的哺乳動物的紅細(xì)胞中沒有細(xì)胞核和線粒體等膜相細(xì)胞器，細(xì)胞膜是它的唯一膜結(jié)構(gòu)，所以易于提純和分離。將紅細(xì)胞分離后放入低滲溶液中，水很快滲入到細(xì)胞內(nèi)部，使紅細(xì)胞膨脹、破裂，從而釋放出血紅蛋白(是紅細(xì)胞中唯一一種非膜蛋白)，此時(shí)的紅細(xì)胞就變成了沒有內(nèi)容物的空殼，由于紅細(xì)胞膜具有很大的變形性、柔韌性和可塑性，當(dāng)紅細(xì)胞的內(nèi)容物滲漏之后，它的膜可以重新封閉起來(圖8-3)，仍然保持原來的形狀和大小，此時(shí)的紅細(xì)胞被稱為血影(ghost)。因此紅細(xì)胞為研究質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)及膜骨架提供了理想的材料。第一節(jié)細(xì)胞膜骨架圖8-3紅細(xì)胞血影及小泡的形成

第一節(jié)細(xì)胞膜骨架2.紅細(xì)胞的功能紅細(xì)胞的主要功能是把O2運(yùn)送到體內(nèi)各組織，同時(shí)把細(xì)胞代謝產(chǎn)生的CO2運(yùn)送到肺中。紅細(xì)胞對O2和CO2的運(yùn)輸與膜的性質(zhì)有關(guān)。氧是一種小分子，它能夠自由擴(kuò)散通過紅細(xì)胞膜進(jìn)入紅細(xì)胞內(nèi)，并被血紅蛋白結(jié)合。紅細(xì)胞膜的這種性質(zhì)使得紅細(xì)胞能夠從肺中攝取氧，由于氣體CO2難溶于水溶液，進(jìn)入紅細(xì)胞后就難以溶解到紅細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中。這要依賴于紅細(xì)胞質(zhì)中的碳酸酐酶，它可將CO2轉(zhuǎn)變成水溶性的。水溶性的碳酸氫根陰離子通過紅細(xì)胞膜中的帶3蛋白，同離子進(jìn)行交換排出紅細(xì)胞，所以將帶3蛋白稱為陰離子交換蛋白。這就需要紅細(xì)胞的質(zhì)膜具有良好的彈性和較高的強(qiáng)度，而這些特性則是由膜骨架賦予的。

第一節(jié)細(xì)胞膜骨架二、紅細(xì)胞質(zhì)膜蛋白與膜骨架根據(jù)SDS聚丙烯酰胺凝膠電泳分析（圖8-4），血影的蛋白成分包括：血影蛋白、錨蛋白、帶3蛋白、帶4.1蛋白、肌動蛋白和血型糖蛋白等。圖8-4人紅細(xì)胞膜蛋白SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳分析(A)是考馬斯亮藍(lán)染色的譜帶；(B)表示凝膠上主要蛋白質(zhì)的位置。第二節(jié)細(xì)胞質(zhì)骨架一、微絲微絲(microfilament，MF)，又稱肌動蛋白纖維，是指真核細(xì)胞中由肌動蛋白組成，直徑為7nm的實(shí)心纖維（圖8-5、8-6）。圖8-5微絲纖維的負(fù)染電鏡照片

圖8-6微絲纖維的結(jié)構(gòu)模型

第二節(jié)細(xì)胞質(zhì)骨架1.組成成分肌動蛋白是微絲的結(jié)構(gòu)成分，相對分子量為43000，具三種異構(gòu)體，即α、β和r-肌動蛋白。α-肌動蛋白分布于各種肌肉細(xì)胞中，β和r-肌動蛋白分布于肌細(xì)胞和非肌細(xì)胞中。肌動蛋白存在于所有真核細(xì)胞中，在進(jìn)化上高度保守，不同來源的肌動蛋白其氨基酸順序差別甚微。第二節(jié)細(xì)胞質(zhì)骨架2.裝配（1）微絲的組裝微絲是由球形肌動蛋白(G-actin)單體形成的多聚體，是由肌動蛋白單體鏈螺旋盤繞所形成的纖維，因此微絲亦稱為纖維形肌動蛋白(F-actin)。由于肌動蛋白單體具有極性，F(xiàn)-肌動蛋白裝配時(shí)呈頭尾相接，故微絲具有極性。在肌動蛋白溶液中，微絲可以表現(xiàn)出一端因加亞單位而延長，而另一端因亞單位脫落而縮短，在一定的肌動蛋白濃度下，F(xiàn)-肌動蛋白正極聚合的速度與負(fù)極解聚的速度相等，使F-肌動蛋白處于平衡狀態(tài)，其纖維長度不變，新聚合上的肌動蛋白單體從正極向負(fù)極作踏車式移動，這種現(xiàn)象稱為踏車行為（圖8-7）。第二節(jié)細(xì)胞質(zhì)骨架在大多數(shù)非肌肉細(xì)胞中，微絲是一種動態(tài)結(jié)構(gòu)，持續(xù)進(jìn)行組裝和解聚，并與細(xì)胞形態(tài)維持及細(xì)胞運(yùn)動有關(guān)。體內(nèi)肌動蛋白的裝配在兩個(gè)水平上進(jìn)行調(diào)節(jié)：①游離肌動蛋白單體的濃度；②微絲橫向連接成束或成網(wǎng)的程度。細(xì)胞內(nèi)許多微絲結(jié)合蛋白參與調(diào)節(jié)肌動蛋白的組裝。圖8-7微絲組裝的踏車模型

第二節(jié)細(xì)胞質(zhì)骨架（2）微絲結(jié)合蛋白細(xì)胞中不同的微絲可以含有不同的微絲結(jié)合蛋白，形成獨(dú)特的結(jié)構(gòu)或執(zhí)行特定的功能。①肌球蛋白肌球蛋白一般由兩條分子量較高的多肽鏈(即重鏈)和兩對分子量較低的多肽鏈(即輕鏈)組成，包括頭部和桿部兩個(gè)區(qū)(圖8-8)。

圖8-8肌球蛋白的分子結(jié)構(gòu)第二節(jié)細(xì)胞質(zhì)骨架。圖8-9肌球蛋白分子聚合成兩極纖維第二節(jié)細(xì)胞質(zhì)骨架②原肌球蛋白位于肌動蛋白螺旋溝內(nèi)，原肌球蛋白結(jié)合于細(xì)絲，調(diào)節(jié)肌動蛋白與肌球蛋白頭部的結(jié)合。③肌鈣蛋白含3個(gè)亞基，肌鈣蛋白C與Ca2+特異結(jié)合；肌鈣蛋白T與原肌球蛋白有高度親合力；肌鈣蛋白Ⅰ抑制肌球蛋白ATP酶的活性。細(xì)肌絲中每隔40nm有一個(gè)肌鈣蛋白復(fù)合體結(jié)合到原肌球蛋白上(圖8-10)圖8-10細(xì)肌絲結(jié)構(gòu)圖解

第二節(jié)細(xì)胞質(zhì)骨架非肌肉細(xì)胞中也存在肌球蛋白、原肌球蛋白等；但在非肌肉細(xì)胞中尚未發(fā)現(xiàn)肌鈣蛋白。現(xiàn)已分離鑒定了多種微絲結(jié)合蛋白，簡述如下(表8-1)。表8-1主要的微絲結(jié)合蛋白

第二節(jié)細(xì)胞質(zhì)骨架3.微絲的功能微絲具有多方面的功能：①構(gòu)成細(xì)胞的支架，維持細(xì)胞的形態(tài)。如血管內(nèi)皮細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、軟骨細(xì)胞等胞質(zhì)內(nèi)微絲主要擔(dān)負(fù)支架作用；②細(xì)胞運(yùn)動。如有絲分裂時(shí)染色體的運(yùn)動、肌肉收縮、胞質(zhì)分裂、細(xì)胞移動、細(xì)胞質(zhì)運(yùn)動；③細(xì)胞內(nèi)運(yùn)輸、細(xì)胞分泌活動?，F(xiàn)介紹一下微絲的運(yùn)動功能。（1）肌肉收縮骨骼肌細(xì)胞的收縮單位是肌原纖維(myofibrils)，肌原纖維由粗肌絲和細(xì)肌絲組裝形成，粗肌絲的成分是肌球蛋白，細(xì)肌絲的主要成分是肌動蛋白，輔以原肌球蛋白和肌鈣蛋白。肌小節(jié)基本結(jié)構(gòu)見圖8-11。第二節(jié)細(xì)胞質(zhì)骨架圖8-11肌小節(jié)模式圖

第二節(jié)細(xì)胞質(zhì)骨架肌肉細(xì)胞的收縮是由全部肌節(jié)的同時(shí)縮短引起的，目前許多足夠的證據(jù)支持肌肉收縮的滑動學(xué)說，此學(xué)說認(rèn)為，肌肉收縮是粗肌絲和細(xì)肌絲之間相互滑動的結(jié)果（圖8-12）。圖8-12肌球蛋白分子沿肌動蛋白細(xì)絲滑動的周期性變化

第二節(jié)細(xì)胞質(zhì)骨架（2）細(xì)胞運(yùn)動細(xì)胞質(zhì)膜下有一層富含肌動蛋白細(xì)絲的區(qū)域稱細(xì)胞皮質(zhì)層。這一纖維網(wǎng)絡(luò)可以為細(xì)胞膜提供強(qiáng)度和韌性，維持細(xì)胞形狀。在體外條件下，向肌動蛋白溶液加入一定的細(xì)絲蛋白，可使肌動蛋白溶液從溶膠態(tài)變?yōu)槟z態(tài)。細(xì)胞的各種運(yùn)動，如胞質(zhì)環(huán)流、變皺膜運(yùn)動及吞噬都與肌動蛋白的溶膠與凝膠狀態(tài)及其相互轉(zhuǎn)化有關(guān)（圖8-13）。圖8-13進(jìn)行變皺膜移動的成纖維細(xì)胞的縱切面

第二節(jié)細(xì)胞質(zhì)骨架（3）胞質(zhì)分裂環(huán)有絲分裂末期，兩個(gè)即將分裂的子細(xì)胞之間產(chǎn)生一個(gè)收縮環(huán)（圖8-14）。

圖8-14動物有絲分裂時(shí)形成的收縮環(huán)

第二節(jié)細(xì)胞質(zhì)骨架（4）微絨毛腸上皮細(xì)胞微絨毛的軸心微絲是非肌肉細(xì)胞中高度有序微絲束的代表，微絲呈同向平行排列，微絲束下端終止于端網(wǎng)結(jié)構(gòu)。微絨毛中心的微絲束起維持微絨毛形狀的作用，其中不含肌球蛋白、原肌球蛋白和-輔肌動蛋白，因而無收縮功能。微絲結(jié)合蛋白如絨毛蛋白、毛緣蛋白等在微絲束的形成、維持及與微絨毛細(xì)胞膜連接發(fā)揮著重要作用。（5）應(yīng)力纖維是真核細(xì)胞中廣泛存在的微絲束結(jié)構(gòu)。由大量平行排列的微絲組成，其成分為肌動蛋白、肌球蛋白、原肌球蛋白和-輔肌動蛋白，其組織形式與肌原纖維相似，在細(xì)胞質(zhì)中具有收縮功能。應(yīng)力纖維與細(xì)胞間或細(xì)胞與基質(zhì)表面的附著有密切關(guān)系。第二節(jié)細(xì)胞質(zhì)骨架二、微管1.形態(tài)結(jié)構(gòu)微管是由微管蛋白二聚體組裝成的長管狀細(xì)胞器結(jié)構(gòu)，平均外徑為24nm，內(nèi)徑15nm，在橫切面上，微管呈中空狀，微管壁由13根原纖維排列構(gòu)成(圖8-15)。微管可裝配成單管，二聯(lián)管(纖毛和鞭毛中)，三聯(lián)管(中心粒和基體中)。端微管的端點(diǎn)使之延長，最終微管蛋白與微管達(dá)到平衡。圖8-15微管的結(jié)構(gòu)模式圖

第二節(jié)細(xì)胞質(zhì)骨架2.組成微管由兩種類型的微管蛋白亞基，即α-微管蛋白和β-微管蛋白組成，是微管裝配的基本單位。微管蛋白分子在生物進(jìn)化上可能是最穩(wěn)定的蛋白分子之一。除極少數(shù)例外（如人的紅細(xì)胞），微管幾乎存在于所有真核細(xì)胞質(zhì)中，原核生物中沒有微管。3.裝配

（1）組裝所有微管由相似的蛋白亞基裝配而成。首先，α-微管蛋白和β-微管蛋白形成長度為8nm的α

β二聚體，α

β二聚體先形成環(huán)狀核心，經(jīng)過側(cè)面增加二聚體而擴(kuò)展為螺旋帶，α

β二聚體平行于長軸重復(fù)排列形成原纖維。當(dāng)螺旋帶加寬至13根原纖維時(shí)，即合攏形成一段微管。第二節(jié)細(xì)胞質(zhì)骨架所有的微管都有確定的極性。微管的兩個(gè)末端在結(jié)構(gòu)上不是等同的，細(xì)胞內(nèi)所有由微管構(gòu)成的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)也是有極性的。微管的延長主要依靠在正極組裝GTP-微管蛋白，然后GTP水解為GDP或GTP與微管蛋白分離。在一定條件下，微管一端發(fā)生裝配使微管延長，而另一端發(fā)生去裝配而使微管縮短，稱為踏車現(xiàn)象。影響微管體外裝配的條件有微管蛋白濃度、pH、離子（Ca2+應(yīng)盡可能除去，Mg2+為裝配所必需）和溫度（微管蛋白二聚體裝配成微管，微管解聚為二聚體）（圖8-16）。第二節(jié)細(xì)胞質(zhì)骨架圖8-16體外微管的解聚與聚合

第二節(jié)細(xì)胞質(zhì)骨架（2）微管結(jié)合蛋白有幾種與微管密切相關(guān)的蛋白，附著于微管多聚體上，參與微管的組裝并增加微管的穩(wěn)定性。然而，在實(shí)驗(yàn)條件下，微管蛋白可以在去除這些蛋白的情況下組裝。因此這些蛋白稱為微管結(jié)合蛋白。所有不同的微管結(jié)構(gòu)均由相同的-微管蛋白和-微管蛋白亞單位組成，其結(jié)構(gòu)與功能的差異可能取決于所含微管結(jié)合蛋白的不同。（3）微管特異性藥物秋水仙素是最重要的微管工具藥物，用低濃度的秋水仙素處理活細(xì)胞，可立即破壞紡錘體結(jié)構(gòu)，秋水仙素不像Ca2+、高壓和低溫等因素那樣直接破壞微管，而是阻斷微管蛋白組裝成微管。紫杉酚能促進(jìn)微管的裝配，并使已形成的微管穩(wěn)定。第二節(jié)細(xì)胞質(zhì)骨架4.功能（1）維持細(xì)胞形態(tài)用秋水仙素處理細(xì)胞破壞微管，導(dǎo)致細(xì)胞變圓，說明微管對維持細(xì)胞的不對稱形狀是重要的。細(xì)胞突起部分，如纖毛、鞭毛、軸突的形成和維持，微管也起到了關(guān)鍵的作用。（2）鞭毛和纖毛運(yùn)動鞭毛和纖毛是細(xì)胞表面的特化結(jié)構(gòu)，具有運(yùn)動功能。①鞭毛和纖毛的結(jié)構(gòu)鞭毛和纖毛的結(jié)構(gòu)基本相同。纖毛軸心含有一束“9＋2”排列的平行微管，“9＋2”排列是幾乎所有真核細(xì)胞鞭毛和纖毛的結(jié)構(gòu)特征。中央微管均為完全微管，外圍二聯(lián)體微管由A，B亞纖維組成，A亞纖維為完全微管，由13個(gè)球形亞基環(huán)繞而成，B亞纖維僅由11個(gè)亞基構(gòu)成(圖8-17)。第二節(jié)細(xì)胞質(zhì)骨架圖8-17文昌魚精子尾部微管電鏡照片（周圍9組二聯(lián)管，中央一對中央微管）第二節(jié)細(xì)胞質(zhì)骨架軸心的主要蛋白結(jié)構(gòu)有：A.微管蛋白二聚體二聯(lián)體中的微管蛋白二聚體無秋水仙素結(jié)合部位；B.動力蛋白臂由微管二聯(lián)體伸出，同相鄰微管二聯(lián)體相互作用使纖毛彎曲。組成它們的動力蛋白是一種ATP酶，能為Ca2+、Mg2+所激活。是使纖毛產(chǎn)生運(yùn)動的關(guān)鍵蛋白；C.微管連絲蛋白將相鄰微管二聯(lián)體結(jié)合在一起；D.放射幅條由9條外圍微管二聯(lián)體伸向中央微管（圖8-18）。

圖8-18鞭毛軸絲結(jié)構(gòu)示意圖

第二節(jié)細(xì)胞質(zhì)骨架②纖毛運(yùn)動機(jī)制滑動機(jī)制認(rèn)為纖毛運(yùn)動是由相鄰二聯(lián)體間相互滑動所致(圖8-19)。a.動力蛋白頭部與相鄰B亞纖維的接觸促使動力蛋白結(jié)合的ATP水解產(chǎn)物釋放，同時(shí)造成頭部角度的改變；b.新的ATP結(jié)合使動力蛋白頭部與相鄰B亞纖維脫開；c.ATP水解釋放的能量使頭部的角度復(fù)原；d.帶有水解產(chǎn)物的動力蛋白頭部與相鄰B亞纖維上另一位點(diǎn)結(jié)合，開始又一次循環(huán)。圖8-19纖毛運(yùn)動的滑動機(jī)制

第二節(jié)細(xì)胞質(zhì)骨架通常鞭毛的運(yùn)動表現(xiàn)為波動或者擺動，即鞭毛發(fā)生了彎曲運(yùn)動。彎曲運(yùn)動是由滑動運(yùn)動轉(zhuǎn)化而來，只是雙聯(lián)微管間存在著連絲蛋白，使微管彼此束縛在了一起，從而使自由微管間的平行滑動變?yōu)楸廾膹澢\(yùn)動（圖8-20）。圖8-20動力蛋白引起鞭毛彎曲圖解

第二節(jié)細(xì)胞質(zhì)骨架（3）細(xì)胞內(nèi)運(yùn)輸真核細(xì)胞內(nèi)部是高度區(qū)域化的體系，細(xì)胞中物質(zhì)的合成和功能部位往往是不同的，必須經(jīng)過細(xì)胞內(nèi)運(yùn)輸過程。許多兩棲類的皮膚和魚類的鱗片中含有特化的色素細(xì)胞，在神經(jīng)肌肉控制下，這些細(xì)胞中的色素顆?？稍跀?shù)秒鐘內(nèi)迅速分布到細(xì)胞各處，從而使皮膚顏色變黑；又能很快運(yùn)回細(xì)胞中心，而使皮膚顏色變淺，以適應(yīng)環(huán)境的變化。實(shí)驗(yàn)表明，色素顆粒的運(yùn)輸是微管依賴性的，色素顆粒實(shí)際上是沿微管而轉(zhuǎn)運(yùn)的。這也充分說明了細(xì)胞骨架尤其是微管在胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)中起關(guān)鍵性作用

第二節(jié)細(xì)胞質(zhì)骨架三、中間纖維

1.化學(xué)成分及分子結(jié)構(gòu)中間纖維的成分比微絲和微管復(fù)雜，中間纖維的分布具有嚴(yán)格的組織特異性。按其組織來源及免疫原性可分為5大類：(1)角質(zhì)蛋白纖維只在上皮細(xì)胞或外胚層起源的細(xì)胞中表達(dá)；(2)波形纖維蛋白在間質(zhì)細(xì)胞和中胚層起源的細(xì)胞中表達(dá)，分布較為廣泛；(3)結(jié)蛋白纖維在成熟的肌肉細(xì)胞中表達(dá)，也在少數(shù)其他細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)，含有結(jié)蛋白；（4）膠質(zhì)蛋白纖維只在中樞系統(tǒng)的膠質(zhì)細(xì)胞中表達(dá)；（5）神經(jīng)蛋白纖維在中樞相外周神經(jīng)系統(tǒng)細(xì)胞中表達(dá)，包括分子量大小不同的蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)分子的大小與來源有關(guān)。第二節(jié)細(xì)胞質(zhì)骨架圖8-21中間纖維電鏡照片

第二節(jié)細(xì)胞質(zhì)骨架2.裝配中間纖維蛋白組裝為中間纖維的過程如圖8-22所示，中間纖維蛋白的桿部組裝為中間纖維的主干。圖8-22中間纖維的裝配示意圖

第二節(jié)細(xì)胞質(zhì)骨架3.功能對于中間纖維的功能目前了解的較少，通過熒光顯微鏡和電鏡的形態(tài)觀察，一般認(rèn)為中間纖維在細(xì)胞生命活動中極為重要，其主要功能如下：①當(dāng)用鹽或消化劑處理時(shí)，大部分微管和微絲被消化，而中等纖維仍連接在核膜上。因此，中等纖維可能對細(xì)胞核有固定作用；②中等纖維可能與微管和微絲共同在細(xì)胞內(nèi)發(fā)揮運(yùn)輸作用；③細(xì)胞分裂時(shí)，中等纖維對紡錘體與染色體起空間定向支架作用，并負(fù)責(zé)子細(xì)胞中細(xì)胞器的分配與定位；④在細(xì)胞癌變中發(fā)揮一定作用；⑤中等纖維蛋白可能與DNA的復(fù)制與轉(zhuǎn)錄有關(guān)。第三節(jié)細(xì)胞核骨架

一、核基質(zhì)核基質(zhì)的相關(guān)內(nèi)容在細(xì)胞核與染色體一章已詳細(xì)的介紹過。核基質(zhì)是指在細(xì)胞核內(nèi)，除了核膜、核纖層、染色質(zhì)及核仁以外的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)體系。它不象微絲、微管和中間纖維那樣，由非常專一的蛋白成分組成，不同類型細(xì)胞核骨架成分可能有較大差別，目前已測定的核骨架蛋白有數(shù)十種，這些蛋白可以分為兩類：一類是各種類型的細(xì)胞共有的；另一類則與細(xì)胞類型及分化程度相關(guān)。二、染色體支架染色體骨架是指染色體中由非組蛋白構(gòu)成的結(jié)構(gòu)支架。染色體骨架的形狀與染色體基本相符，骨架四周是DNA放射環(huán)，其長度放射環(huán)的根部結(jié)合在染色體骨架上，且放射環(huán)的兩端結(jié)合于骨架同一部位。他們據(jù)