10细胞骨架与细胞运动.doc

第十章. 细胞骨架与细胞运动细胞除了含有各种细胞器外, 在细胞质中还有一个三维的网络结构系统，这个系统被称为细胞骨架(图10-1)图10-1 细胞骨架系统 10.1 细胞骨架(cytoskeleton)的组成和功能细胞除了具有遗传和代谢两个主要特性之外, 还有两个特性, 就是它的运动性和维持一定的形态细胞骨架是细胞运动的轨道,也是细胞形态的维持和变化的支架 10.1.1 细胞骨架的组成和分布● 组成细胞骨架是细胞内以蛋白质纤维为主要成分的网络结构,由主要的三类蛋白纤丝(filamemt)构成，包括微管、微丝（肌动蛋白纤维）和中间纤维● 分布微管主要分布在核周围, 并呈放射状向胞质四周扩散微丝主要分布在细胞质膜的内侧而中间纤维则分布在整个细胞中(图10-2)图10-2 细胞骨架的三类主要成分及其分布10.1.2 细胞骨架的功能细胞骨架对于维持细胞的形态结构及内部结构的有序性，以及在细胞运动、物质运输、能量转换、信息传递和细胞分化等一系列方面起重要作用● 作为支架(scaffold),为维持细胞的形态提供支持结构，如红细胞质膜膜骨架结构维持● 在细胞内形成一个框架(framework)结构,为细胞内的各种细胞器提供附着位点。

细胞骨架是胞质溶胶的组织者，将细胞内的各种细胞器组成各种不同的体系和区域的网络结构● 为细胞器的运动和细胞内物质运输提供机械支持细胞骨架作为细胞内物质运输的轨道；在有丝分裂和减数分裂过程中染色体向两极的移动，以及含有神经细胞产生的神经递质的小泡向神经细胞末端的运输都要依靠细胞骨架的机械支持● 为细胞从一个位置向另一位置移动一些细支撑提供胞的运动, 如伪足的形成也是由细胞骨架提供机械支持纤毛和鞭毛等运动器官主要是由细胞骨架构成的● 为信使RNA提供锚定位点，促进mRNA翻译成多肽用非离子去垢剂提取细胞成分可发现细胞骨架相当完整，许多与蛋白质合成有关的成分同不被去垢剂溶解的细胞骨架结合在一起● 参与细胞的信号传导有些细胞骨架成分常同细胞质膜的内表面接触，这对于细胞外环境中的信号在细胞内的传导起重要作用● 是细胞分裂的机器有丝分裂的两个主要事件, 核分裂和胞质分裂都与细胞骨架有关什么是细胞骨架?在细胞内的主要功能是什么?( 什么是细胞骨架?在细胞内的主要功能是什么?（答案） 答: 细胞骨架是细胞内以蛋白质纤维为主要成分的网络结构,由主要的三类蛋白纤丝(filamemt)构成，包括微管、肌动蛋白纤维和中间纤维。

细胞骨架对于维持细胞的形态结构及内部结构的有序性，以及在细胞运动、物质运输、能量转换、信息传递、细胞分化等一系列方面起重要作用① 作为支架(scaffold),为维持细胞的形态提供支持结构，例如红细胞质膜的内部主要是靠以肌动蛋白纤维为主要成分的膜骨架结构维持着红细胞的结构② 在细胞内形成一个框架(framework)结构,为细胞内的各种细胞器提供附着位点细胞骨架是胞质溶胶的组织者，将细胞内的各种细胞器组成各种不同的体系和区域网络③ 为细胞内的物质和细胞器的运输/运动提供机械支持例如从内质网产生的膜泡向高尔基体的运输、由胞吞作用形成的吞噬泡向溶酶体的运输通常都是以细胞骨架作为轨道的；在有丝分裂和减数分裂过程中染色体向两极的移动，以及含有神经细胞产生的神经递质的小泡向神经细胞末端的运输都要依靠细胞骨架的机械支持④ 为细胞从一个位置向另一位置移动提供支撑一些细胞的运动, 如伪足的形成也是由细胞骨架提供机械支持典型的单细胞靠纤毛和鞭毛进行运动, 而细胞的这种运动器官主要是由细胞骨架构成的⑤为信使RNA提供锚定位点，促进mRNA翻译成多肽用非离子去垢剂提取细胞成分可发现细胞骨架相当完整，许多与蛋白质合成有关的成分同不被去垢剂溶解的细胞骨架结合在一起。

⑥ 参与细胞的信号传导有些细胞骨架成分常同细胞质膜的内表面接触，这对于细胞外环境中的信号在细胞内的传导起重要作用⑦ 是细胞分裂的机器有丝分裂的两个主要事件, 核分裂和胞质分裂都与细胞骨架有关, 细胞骨架的微管通过形成纺锤体将染色体分开, 而肌动蛋白丝则将细胞一分为二)细胞骨架的字义概念往往会给人以错觉, 认为它是不动的框架结构其实,细胞骨架不是惰性结构, 而是一种高度动态的组织，它们的组装、去组装和再组装都很快细胞骨架的动态性质是至关重要的10.1.3 细胞骨架的研究方法对细胞骨架的研究是近代细胞生物学中最活跃的研究领域之一 ■ 荧光显微镜在细胞骨架研究中的应用● 可用荧光显微镜研究细胞骨架的动力学，包括组装、去组装和物质运输等这种方法还有一个好处，就是在活细胞时就可以观察● 可用荧光抗体研究以很低浓度存在的蛋白质在细胞内的位置, 因为标记的荧光抗体同特异的蛋白具有很高的亲和性, 只要有相应的蛋白存在, 就一定会有反应, 因为这种反应是特异的, 通过荧光显微镜观察就可确定用这种方法对微管、肌动蛋白纤维、中间纤维进行了成功定位(图10-3)图10-3 相同细胞中微管、微丝和中间纤维的荧光定位三种不同荧光染料探针同相应的蛋白纤维结合从而使细胞内的纤维被染色。

a)含有肌动蛋白的纤维被蘑菇毒素鬼笔环肽标记; (b)含微管蛋白的微管被微管蛋白的抗体标记; (c)中间纤维被抗波形蛋白的抗体标记三种混合的荧光标记物, 各自的光都不强, 并且各自的荧光波长不同检查时, 用不同的滤光片 , 每次滤去两种光如何用荧光显微镜研究细胞骨架? 其基本原理是什么?( 如何用荧光显微镜研究细胞骨架? 其基本原理是什么?（答案） 答: 用荧光显微镜研究细胞骨架主要是基于两方面的原理:一是组成细胞骨架的蛋白亚基能够同小分子的荧光染料共价结合, 使细胞骨架带上荧光标记, 发出荧光二是可以制备细胞骨架的荧光抗体, 然后用荧光抗体进行细胞骨架的研究借助于这两方面原理, 可用荧光显微镜研究细胞骨架的动力学例如，用小分子的荧光染料标记细胞骨架的蛋白亚基, 就可以追踪细胞骨架蛋白在细胞活动中的作用，包括组装、去组装、物质运输等这种方法还有一个好处，就是在活细胞时就可以观察可用荧光抗体研究以很低浓度存在的蛋白质在细胞内的位置, 因为标记的荧光抗体同特异的蛋白具有很高的亲和性, 只要有相应的蛋白存在, 就一定会有反应, 因为这种反应是特异的, 通过荧光显微镜观察就可确定荧光抗体既可以直接注射活细胞进行反应，也可以加到固定的细胞或组织切片中进行反应和分析。

用这种方法对微管、肌动蛋白纤维、中间纤维进行了成功定位) ■ 电视显微镜(video microscopy)强化光学显微镜功能的一种方法就是用照相机将细胞的活动记录在胶片上并可在电视屏幕上显示，即电视显微镜这种显微镜的照相机具有特别的反差、数码和计算机处理等三个特点用这种照相机能够使用显微镜观察比自身分辨率低的物质，并进行照相，如观察直径为25nm的微管、40nm的运输泡等这一技术的发展导致一种观察分子发动机(molecular motor)移动的方法的产生在典型的实验中，将微管样品放在载玻片上，然后通过聚焦的激光束系统将含有分子发动机的样品直接放到微管上，在合适的条件下，可在电视屏幕上观察分子发动机能够以ATP为能量来源沿着微管移动(图10-4)图10-4 用电视显微镜观察到的微管发动机的运动示意图 ■ 电子显微技术的应用细胞骨架的一个很特别的性质是在非离子去垢剂，如Triton X-100处理时保持非溶解状态当用这类去垢剂处理细胞时，可溶性的物质、膜成分被抽提出来，留下细胞骨架，并且同活细胞中的结构完全一样根据这一特性，采用金属复型技术在电子显微镜下观察到细胞骨架的基本排列(图10-5)。

图10-5 细胞骨架的电子显微镜检查用非离子去垢剂Triton X-100处理成纤维细胞, 并进行冰冻干燥和金属复型的细胞骨架SF表示的是成束的微丝,MT表示微管; R是多聚核糖体10.2 微管(microtubule)微管是细胞质骨架系统中的主要成分, 是1963年首先由Slautterback在水螅细胞中发现的同年, Ledbetter和Porter也报道在植物中存在微管结构如同它的名称所提示，微管是一中空的管状结构 10.2.1 微管的结构和类型微管是直径为24～26nm的中空圆柱体外径平均为24nm, 内径为15nm微管的长度变化不定，在某些特化细胞中, 微管可长达几厘米(如中枢神经系统的运动神经元)微管壁大约厚5nm，微管通常是直的, 但有时也呈弧形细胞内微管呈网状和束状分布, 并能与其他蛋白共同组装成纺锤体、基粒、中心粒、纤毛、鞭毛、轴突、神经管等结构 ■ 微管的基本构件——微管蛋白(tubulin)微管是以微管蛋白异源二聚体为基本构件构成的(图10-6) 图10-6 微管的结构和亚基组成(a)微管蛋白二聚体的带型图, 显示α和β微管蛋白单体即它们与非交换的GTP和交换型GDP的结合部位；(b)微管中微管蛋白二聚体的排列, 微管蛋白的排列具有方向性。

● 两种微管蛋白组成微管的球形微管蛋白是α微管蛋白(α-tubulin)和β微管蛋白(β-tubulin), 这两种微管蛋白具有相似的三维结构, 能够紧密地结合成二聚体, 作为微管组装的亚基● 氨基酸组成α亚基由450个氨基酸组成, β亚基由455个氨基酸组成, 它们的相对分子质量约55kDa这两种亚基有35～40%的氨基酸序列同源, 表明编码它们的基因可能是由同一原始祖先演变而来α和β微管蛋白的亚基都是直径为4nm的球形分子，所以这种异源二聚体的长度为8nm● GTP结合位点每一个微管蛋白二聚体有两个GTP结合位点, 一个位于α亚基, 另一个位于β亚基上α亚基上的GTP结合位点是不可逆的结合位点结合在β亚基上的GTP能够被水解成GDP，所以这个位点又称为可交换的位点(exchangeable site,E位点) ■ 微管的类型微管有单微管、二联管和三联管等三种类型(图10-7)图10-7 三种微管排列方式, 图示是三种微管的横切面● 单管(singlet)大部分细胞质微管是单管微管, 它在低温、Ca2+ 和秋水仙素作用下容易解聚, 属于不稳定微管虽然绝大多数单管是由13根原纤维组成的一个管状结构，在极少数情况下，也有由11根或15根原纤维组成的微管, 如线虫神经节微管就是由11或15条原纤维组成。

● 二联管(doublet)常见于特化的细胞结构二联管是构成纤毛和鞭毛的周围小管, 是运动类型的微管, 它对低温、Ca2+和秋水仙素都比较稳定组成二联管的单管分别称为A管和B管，其中A管是由13根原纤维组成，B管是由10根原纤维组成，所以二联管是由两个单管融合而成的，一个二联管只有23根原纤维● 三联管(triplet)见于中心粒和基体，由A、B、C三个单管组成，A管由13根原纤维组成，B管和C管都是10根原纤维，所以一个三联管共有33根原纤维三联管对于低温、Ca2+和秋水仙素的作用是稳定的10.2.2 微管的动力学(microtubule dynamics)除了特化细胞的微管外，大多数细胞质微管都是不稳定的，能够很快地组装(assembly)和去组装(disassembly)低温、提高Ca2+浓度、用某些化学试剂(如秋水仙素)处理生活细胞都会破坏细胞质微管的动态变化，这些化学试剂与微管蛋白亚基或同微管多聚体结合，阻止微管的组装或去组装 ■ 微管组装的起始点∶微管组织中心● 微管组织中心(microtubule organizing centers, MTOC)存在于细胞质中决定微。