【重点提要】

广义和狭义细胞骨架概念。三种胞质骨架蛋白的单体成分、体内外动态装配过程与特点、纤维极性、相关结合蛋白、特异性药物；骨架蛋白的功能。三种分子马达结构及其功能。运用细胞骨架相关知识解释细胞形态维持、细胞运动和细胞内膜泡运输。

【基本概念】

1．  细胞骨架（cytokeleton）：广义的细胞骨架包括细胞质骨架、细胞核骨架、细胞膜骨架和胞外基质。狭义的细胞骨架指细胞质骨架，是由微管、微丝和中间丝组成的纤维状网架结构。它是一种高度动态的结构体系，具有为细胞提供结构支架、维持细胞形态、负责细胞内物质和细胞器转运和细胞运动等功能。

2．  微丝（microfilament）：又称肌动蛋白丝（actin filament），或纤维状肌动蛋白（fibrousactin, F-actin），由肌动蛋白单体组装而成的直径为7 nm细胞骨架纤维，有极性，存在于所有真核细胞中，其空间结构与功能取决于与之相结合的微丝结合蛋白。

3．  肌动蛋白(actin)：微丝的主要结构成分，在细胞内有两种存在形式，即肌动蛋白单体（又称球状肌动蛋白，G-actin）和由单体组装而成的纤维状肌动蛋白。肌动蛋白单体由单个肽链折叠而成，呈球状，一个裂缝将肌动蛋白分成两瓣，内部有一个核苷酸（ATP 或ADP）和一个二价阳离子（Mg²⁺ 或Ca²⁺）的结合位点，具有裂缝的一端为负极，而相反一端为正极。在生物进化过程中高度保守。

4．  细胞皮层（cellcortex）：是指在紧贴细胞质膜的细胞质区域，细胞内大部分微丝集中在此并由微丝结合蛋白交联成的凝胶状三维网络结构。主要功能：限制膜蛋白的流动性、维持细胞形状和参与细胞多种运动。

5．  应力纤维（stressfiber）：真核细胞中广泛存在的一种微丝束结构，由大量平行排列的肌动蛋白丝组成，还含有肌球蛋白Ⅱ、原肌球蛋白、细丝蛋白和α-辅肌动蛋白等结构成分。培养的成纤维细胞含有丰富的应力纤维，通过黏着斑与细胞外基质相连，应当还可以产生张力。可能还在细胞形态发生、细胞分化和组织建成等方面发挥作用。

6．  胞质分裂环（contractilering）：又称收缩环。指分裂末期在两个即将分裂的子细胞之间的质膜内侧形成的一个起收缩作用的环形结构。由大量平行排列，但极性相反的微丝组成，其动力来源于肌球蛋白所介导的极性相反的微丝之间的滑动。胞质分裂完成后，收缩环即消失。

7．  马达蛋白（motorprotein）：主要是指在细胞内参与物质运输3 类蛋白：沿微丝运动的肌球蛋白（myosin）、沿微管运动的驱动蛋白（kinesin）和动力蛋白（dynein）。它们既有与微丝或微管结合的马达结构域，又有与膜性细胞器或大分子复合物特异结合的“货物”结构域，利用水解ATP 所提供的能量有规则地沿微管或微丝等细胞骨架纤维运动。

8．  肌球蛋白（myosin）：是沿微丝运动的马达蛋白。肌球蛋白超家族成员至少可分成18 种家族，通常含有3个功能结构域：马达结构域，调控结构域与尾部结构域，其中马达结构域位于头部，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。主要功能：在粗肌丝中作为一种收缩蛋白参与肌肉收缩活动；在非肌细胞中，为细胞质流动、细胞器运动、物质运输、胞质分裂等提供所需的力。

9．  微管（microtubule）：一种外径为 24 nm，内径为15 nm中空管状结构的细胞骨架纤维。由α与β微管蛋白亚基形成的异二聚体组装而成，α-微管蛋白上有一个不可交换的GTP结合位点，β-微管蛋白上的GTP 结合位点是可交换位点。有极性，组装较快的一端称为正极，另一端称为负极。参与细胞形态的发生和维持、细胞内物质运输、细胞运动和细胞分裂等过程。

10．             微管组织中心（microtubule organizing centers，MTOC）：在细胞中微管起始组装的地方，如中心体、基体等部位。γ-微管蛋白对微管的起始组装有重要作用。MTOC决定了微管的极性，负极指向微管组织中心，正极背向微管组织中心。

11．             中心体（centrosome）：含有一对彼此垂直分布的桶状中心粒，外面被无定形的中心粒外周物质所包围，γ-微管蛋白定位于无定形致密周质中。每个中心粒含有9 组等间距的三联体微管，A 管为完全微管，B 管 和C 管为不完全微管。细胞间期位于细胞核附近，有丝分裂期位于纺锤体的两极。动物细胞的间期微管通常都是从中心体开始装配。

12．             基体（basal body）：位于鞭毛和纤毛根部，在结构上与中心粒基本一致，其外围由9 组三联体微管构成，A 管为完全微管，B 管 和C 管为不完全微管。中心粒和基粒是同源的，在某些时候可以相互转变，且都具有自我复制能力。

13．             驱动蛋白（kinesin）：由2 条具有马达结构域的重链和2 条与具有货物结合功能的轻链组成，其中马达结构域具有ATP 结合位点和微管结合位点。能利用ATP水解所释放的能量驱动自身及所携带的货物分子沿微管运动。驱动蛋白的行为与其马达结构域位置有关，大部分驱动蛋白家族成员的马达结构域在肽链N 端（N-驱动蛋白），它们从微管的负极向正极移动；马达结构域位于多肽链中部（M-驱动蛋白）的驱动蛋白结合在微管的正极端或负极端，使微管处于不稳定状态；马达结构域位于肽链C 端（C-驱动蛋白）的驱动蛋白从微管的正极端向负极端移动。

14．             动力蛋白（dynein）：包括细胞质动力蛋白和轴丝动力蛋白。细胞质动力蛋白含多个多肽亚单位：两条具有ATP 酶活性重链，两条中间链，四条中间轻链和一些轻链，重链含有ATP 结合部位和微管结合部位，通过水解ATP 从微管的正极端向负极端移动。轴丝动力蛋白分为内侧动力蛋白臂和外侧动力蛋白臂，构成外侧臂的动力蛋白具有2个或3个马达结构域，而内侧臂动力蛋白含有1个或2个马达结构域。

15．             微管结合蛋白（microtubule associated protein，MAP）：结合在微管表面的一类蛋白质。具有一个或数个带正电荷的微管结合域，与带负电荷的微管表面相互作用，具有稳定微管的作用。其余结构域突出于微管表面与相邻的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。根据MAP电泳时所显示相对分子质量的不同，依次命名为MAP1、 MAP2、MAP3、MAP4、tau 蛋白等。

16．             踏车行为（treadmilling）：在微丝、微管组装过程中，由于微管、微丝存在极性，即“+”端不断的组装，“-”端不断解聚，当二者速度相等时，微丝、微管的长度不变，称为踏车行为。

17．             中间丝（intermediate filament）：又称中间纤维。存在于绝大多数动物细胞内，直径约10nm 的致密索状的细胞骨架纤维。组成中间丝的蛋白亚基的种类具有组织特异性，但不同种类的中间丝蛋白有非常相似的二级结构，即中部是高度保守的杆状区，两侧是高度多变的头部和尾部。中间丝为组织和细胞提供了机械稳定性。

【知识点解析】

一、微丝与细胞运动

1.      微丝的组成及其组装

1）结构与成分

肌动蛋白（actin）是微丝的结构成分，以单体和多聚体两种形式存在。单体肌动蛋白又叫球状肌动蛋白（G-actin）， G- actin 的多聚体形成肌动蛋白丝，称为纤维状肌动蛋白（F-actin），在电镜下微丝是一条直径为7nm 的扭链，呈双股螺旋状。肌动蛋白单体具有极性，装配时呈头尾相接，故微丝也具有极性，即正极与负极之别。

2）微丝的组装及动力学特征

（1）微丝是由G-actin 单体形成的多聚体。装配时呈头尾相接，故微丝具有极性，即正极与负极之别。

（2）在体外，微丝的组装/去组装与溶液中所含肌动蛋白单体的状态（结合ATP 或ADP 、离子的种类及浓度等参数相关联）。溶液中适当浓度Ca²⁺ 时， F-actin → G-actin; 含有ATP 、Mg²⁺以及较高浓度Na ⁺、K⁺时， G-actin→ F- actin 。

（3）微丝组装的几个阶段：第一阶段是成核反应，即形成至少有2~3 个肌动蛋白单体组成的寡聚体。第二个阶段是纤维的延长。肌动蛋白单体结合ATP后才能组装到微丝，组装后单体具有ATPase 活性，将ATP 水解成ADP 。在体外，由于微丝在正极端装配延长，负极去装配而缩短，从而表现为踏车现象(treadmilling) 。

3）影响微丝组装的特异性药物

（1）细胞松弛素（cytochalasins）：是一种真菌产物，可以切断微丝，并结合在微丝正极阻抑肌动蛋白聚合，可破坏微丝的网络结构，并阻止细胞运动。

（2）鬼笔环肽（philloidin）：是由一种毒草产生的双环杆肤，与微丝有强亲和作用，使肌动蛋白纤维稳定，防止微丝解聚，且只与F 肌动蛋白结合。

2.      微丝网络结构的调节与细胞运动

（1）非肌肉细胞内微丝的结合蛋白：在大多数非肌细胞中，微丝是一种动态结构，它们持续的组装与去组装。体内肌动蛋白的组装在两个水平上受微丝结合蛋白的调节：①可溶性肌动蛋白的状态；② 微丝结合蛋白的种类及其存在状态。已知的微丝结合蛋白有100 多种。

部分微丝结合蛋白使微丝保持相对稳定状态，另外一些微丝结合蛋白使微丝网络解聚来调节微丝网络的状态。

（2）细胞皮层（cell cortex），细胞内大部分微丝都集中在紧贴细胞质膜的细胞质区域，并由微丝结合蛋白交联成凝胶状三维网络结构，该区域通常称为细胞皮层。主要功能：限制质膜的流动性、维持细胞形状和参与细胞的多种运动。

（3）应力纤维（stress fiber）：广泛存在于真核细胞中的微丝束结构。成分：肌动蛋白、肌球蛋白、原肌球蛋白和α 辅肌动蛋白。介导细胞间或细胞与基质表面的黏着。应力纤维与细胞贴壁和黏着斑的形成相关，在形成黏合斑的质膜下，微丝紧密平行排列成束，形成应力纤维，具有收缩功能。

（4）细胞伪足的形成与迁移运动：细胞的迁移运动并不直接涉及肌球蛋白的活动，而仅仅是通过肌动蛋白的聚合以及和其他细胞结构组分的相互作用来实现。细胞片状伪足和丝状伪足的形成有赖于肌动蛋白的聚合，产生细胞运动的力。

（5）微绒毛（microvillus）：微绒毛中心的微丝束起维持微绒毛形状的作用，其中不含肌球蛋白、原肌球蛋白和α 辅肌动蛋白，因而无收缩功能。它代表了非肌肉细胞中高度有序的微丝束，呈同向平行排布，下端终止于端网结构。

（6）胞质分裂环：有丝分裂末期，两个即将分裂的子细胞之间产生一个收缩环。收缩环由大量反向平行排列的微丝组成，其收缩机制是肌动蛋白和肌球蛋白相对滑动。

3.        肌球蛋白:依赖于微丝的分子马达

分子马达（molecularmotor），主要是指依赖于微管的驱动蛋白、动力蛋白和依赖于微丝的肌球蛋白这三类蛋白超家族的成员。它们既能与微管或者微丝结合，又能与一些细胞器或膜状小泡特异性结合，并利用水解ATP 所产生的能量有规则地沿微管或微丝等细胞骨架纤维运输所携带的"货物"。

肌球蛋白的共同特征是都含有一个作为马达结构域的头部。其马达结构域包含一个微丝结合位点和一个具有ATP 酶活性的ATP 结合位点。

（1）II 型肌球蛋白:存在于多种细胞，包含2 条重链和4 条轻链。头部即马达结构域，尾部主要起结构作用。E 型肌球蛋白尾尾相接所构成的双极纤维能介导相邻的微丝相互滑动。

（2）非传统类型的肌球蛋白： I 型肌球蛋白头部亦为马达结构域，在ATP 存在时可沿微丝运动。其尾部结构域具有多样性，能与多种细胞组分结合，通过头部驱动或细胞质膜作相对于微丝的运动。V 型肌球蛋白是二聚体马达蛋白，具有两个头部，交替与微丝结合可以确保整个分子以及所运载的"货物"始终不与微丝脱离。

4.        肌细胞的收缩运动

1）肌纤维的结构

骨骼肌（肌纤维）由肌原纤维组成，肌原纤维由肌节的收缩单元呈线性重复排列而成。肌原纤维包括粗肌丝和细肌丝，粗肌丝主要成分是肌球蛋白，细肌丝的主要成分是肌动蛋白，辅以原肌球蛋白和肌钙蛋白。

原肌球蛋白（tropomyosin）：位于肌动蛋白螺旋沟内，结合于细肌丝，调节肌动蛋白与肌球蛋白头部的结合。

肌钙蛋白（troponin,Tn）包括三个亚基: ① Tn-C (Ca²⁺ 敏感性蛋白) ，能特异与Ca²⁺结合；② Tn-T ( 与原肌球蛋白结合)；③ Tn-I (抑制肌球蛋白ATPase 活性)。

2）肌肉收缩的滑动模型

肌肉收缩系由肌动蛋白丝与肌球蛋白丝的相对滑动所致。由神经冲动诱发的肌肉收缩基本过程包括：

（1）动作电位的产生：来自脊髓运动神经元的神经冲动经轴突传至神经肌肉结点一一运动终板，使肌肉细胞膜去极化，经T 小管传至肌质网。

（2） Ca²⁺ 的释放：肌质网去极化后释放Ca²⁺至肌浆中，有效触发收缩周期的Ca²⁺阈浓度约为10^-6 mol/ L。

（3）原肌球蛋白位移：Ca²⁺与Tn-C 结合，引起构象变化，Tn-C 与Tn-I 、Tn-T 结合力增强， Tn-I 与肌动蛋白结合力削弱并脱离变成应力状态；同时，Tn-T 使原肌球蛋白移动到肌动蛋白双螺旋沟的深处，消除肌动蛋白与肌球蛋白结合的障碍。

（4）肌动蛋白丝与肌球蛋白丝的相对滑动:肌球蛋白头部是一种ATP 酶，与肌动蛋白结合后朝着肌球蛋白细丝弯曲，释放ADP+Pi 和能量。肌球蛋白头部又结合ATP ，与肌动蛋白分开。肌球蛋白一旦释放即恢复原来的构型，结果造成细丝与粗丝之间的滑动表现为ATP 的水解和肌肉收缩。

（5）Ca²⁺的回收：到达肌肉细胞的一系列冲动一经停止，肌质网就通过主动运输重吸收Ca²⁺，于是收缩周期停止。

二、微管及其功能

1.        微管的结构组成与极性

微管(Microtubules)由两种类型的微管蛋白亚基α 、β 异二聚体构成的长管状细胞结构，平均外径24nm ，内径15nm 。微管蛋白在进化上具有高度的保守性。α-微管蛋白结合的GTP 从不发生水解或交换。β-微管蛋白，结合的GTP 可发生水解，结合的GDP 可交换为GTP 。

αβ微管蛋白二聚体纵向排列→原纤丝→ 13 根原纤丝合拢后构成微管管壁。每一根原纤丝的一端是α微管蛋白，另一端是β微管蛋白，因此微管在结构上呈极性状态。微管有3 种结构类型：单管（细胞质微管或纺锤体微管）、二联管（纤毛和鞭毛中）和三联管（中心粒和基体中）。

2.        微管的组装和去组装

1）微管的体外组装与踏车行为

微管在体外的组装分为成核和延伸两个阶段。αβ二聚体首先先形成原纤维，经过侧面增加而扩展为片层，至13 根原纤维时，即合拢形成一段微管。新的二聚体再不断加到微管的端点使之延长。所有的微管都有确定的极性，是因为微管原纤维是由异二聚体以αβ → αβ→ αβ的形式排列而来的。正极生长速度快，负极生长速度慢。在体外，微管和微丝一样具有踏车行为。细胞中由微管构成的亚细胞结构也是有极性的。

在细胞内，微管蛋白对自身合成具有反馈调节作用。细胞内微管的组装与去组装在时间和空间上是高度有序的。间期处于平衡状态；有丝分裂前期，胞质内微管网络解聚，组装成纺锤体微管；分裂末期，发生逆转。纺锤体微管大都起源于中心体，纤毛和鞭毛微管起源于基体。

2）作用于微管的特异性药物

（1）秋水仙素（colchicine）结合到未聚合的微管蛋白二聚体上，阻断微管蛋白组装成微管，可破坏纺锤体结构。

（2）紫杉醇（taxol）：能促进微管的装配，并使已形成的微管稳定。它只结合到聚合的微管上，不与未聚合的微管蛋白二聚体反应。

3.        微管组织中心

微管在生理状态或实验处理解聚后重新装配的发生处称为微管组织中心(microtubule organizing center , MTOC) 。如鞭毛基体、动物细胞中的中心体。微管组织中心决定了细胞微管的极性，微管的负极指向微管组织中心，正极背向微管组织中心。

（1）中心体（centrosome）包括含有一对桶状的中心粒和中心粒周围物质，在细胞间期位于细胞核附近，在有丝分裂期位于纺锤体的两极。每个中心粒都是由9 个三联管组成， 外面还有中心粒周质基质。微管从中心粒上开始形成。

微管的体内装配需要γ微管蛋白，它位于中心体周围的基质中，可以成环形结构，为αβ微管蛋白二聚体提供起始装配位点，所以又叫成核位点。

（2）基体和其他微管组织中心：位于鞭毛和纤毛根部的类似结构称为基体，基体只含有一个中心粒而不是一对中心粒，中心粒和基体均具有自我复制性质。

4.        微管的动力学性质

微管的稳定性与微管所在细胞的生理状态以及所结合的细胞结构组分相关。装配与去装配同时并存，即微管装配的动力学不稳定性。

5.        微管结合蛋白对微管网络结构的调节

始终伴随着微管的组装/去组装的而存在一类蛋白，称为微管结合蛋白(microtubule-associatedproteins, MAPs)。 MAPs 至少包含一个结合微管的结构域和一个向外突出的结构域，与骨架纤维间的连接有关。突出部位伸到微管外与其他细胞组分（如微管束、中间丝、质膜）结合。主要功能：①促进微管组装；② 增加微管稳定性；③ 促进微管聚集成束。

6.        微管对细胞结构的组织作用

真核细胞内部是高度区域化的体系，微管与生物大分子、细胞器在细胞内的分布，以及细胞形态的维持具有密切关系。参与细胞形态的发生和维持、细胞内物质运输、细胞运动和细胞分裂等过程。

秋水仙素处理细胞后，微管解聚、细胞变圆、内质网缩回、高尔基体解体、物质运输系统瘫痪。体外培养的神经细胞神经突起停止生长。去除秋水仙素等药物，微管重新组装、细胞形态恢复、内质网铺展、高尔基体重新形成。

7.        细胞内依赖于微管的物质运输

细胞内依赖于微管的膜泡运输是需要能量的定向运输，与分子马达有关。沿微管运输货物的分子马达主要有驱动蛋白和胞质动力蛋白，它们既能与微管结合，又能与膜泡特异性结合。

（1）驱动蛋白及其功能：驱动蛋白（kinesin）是一类蛋白质超家族，通常由2 条重链和2 条轻链组成，它们共有一保守的“马达”域，内有ATP 结合位点和微管结合位点。马达结构域在重链的N 端，介导物质向微管的正极运动；而另一些少数驱动蛋白的马达结构域在重链的C 端，介导物质向微管的负极运动。

（2）驱动蛋白沿微管运动的分子机制：驱动蛋白的马达结构域具有两个重要的功能位点：① ATP结合位点；② 微管结合位点。有关驱动蛋白沿微管运动的分子模型有两种：步行模型和尺蟆爬行模型。大多数学者承认步行模型：驱动蛋白的两个球状头部交替向前，每水解一分子ATP ，落在后面的那个马达结构域将移动两部的距离，即16nm ，并循环该过程。

（3）胞质动力蛋白及其功能：动力蛋白是马达蛋白中最大，移动速度最快的成员：① 轴丝动力蛋白，在纤毛与鞭毛中发现，与纤毛和鞭毛的运动相关；② 胞质动力蛋白，在真核细胞胞质内发现，与细胞内介导微管从正极向负极端的膜泡运输以及有丝分裂动粒和纺锤体的共定位有关。

动力蛋白由2 条或3 条重链，多条轻链及中间链组成。其马达结构域位于重链C 端，轴丝动力蛋白有3 个马达结构域，胞质动力蛋白有2 个马达结构域。

8.        纤毛和鞭毛的结构与功能

纤毛（flagella）和鞭毛（cilia）是真核细胞表面的具有运动功能特化结构。

（1）纤毛和鞭毛的结构：是细胞质膜所包被的细长突起，内部由微管构成轴丝结构。由基体和纤毛轴丝两部分组成。纤毛轴轴丝为“9+2”排列微管，即外周9 组二联体微管+中央鞘包围的2 根中央单体微管。外周二联体微管由A ， B 亚纤维组成， A 亚纤维为完全微管， B 亚纤维仅由10 个亚基构成。中央微管均为完全微管。基体的微管组成为“9+0”，无中央微管。

（2）纤毛和鞭毛的运动机制：滑动学说被普遍认可：纤毛运动由轴丝介导的相邻二联体间相互滑动所致。由一个二联体的A 管伸出的动力蛋白臂的马达结构域在相邻的二联体的B 管上“行走”。

9.        纺锤体和染色体运动

间期胞质微管网络解聚为游离的αβ-微管蛋白二聚体，再重装配形成纺锤体，介导染色体的运动。分裂末期纺锤体解聚重装配形成胞质微管网络。

三、中间丝

1.        中间丝的主要类型和组成成分

中间丝（intermediatefilament , IF) 几乎存在绝大多数动物细胞，其直径10nm ，介于粗肌丝与细肌丝之间，故名中间丝。

组成成分比微丝和微管复杂，具有组织特异性，不同类型细胞含有不同中间丝。分为6 种主要类型。在人类基因组中至少包含67 种不同的中间丝蛋白基因。中间丝的多样性与人体内200 多种细胞类型相关，它为每种细胞类型提供了独特的细胞质环境，被认为是区分细胞类型的身份证。

2.        中间丝的组装与表达

与微丝、微管的组装过程不同，中间丝蛋白在合适的缓冲体系中能自我组装成10nm 的丝状结构，而且不消耗能量。装配过程：两条中间丝多肽链形成超螺旋二聚体；两个二聚体反向平行以半交叠形式构成四聚体；四聚体首尾相连形成原纤维；8 根原纤维构成圆柱状的10nm纤维。

与微丝和微管完全不同，中间丝不仅可以从头装配，而且新的中间丝蛋白可通过交换的方式掺入到原有的纤维中去。处于有丝分裂周期的细胞内，胞质中中间丝网格在细胞分裂前解体，分裂结束后又重新组装。在细胞分化过程中，细胞内中间丝的类型随着细胞分化的过程而发生变化。

3.        中间丝与其他细胞结构的联系

细胞质中间丝在结构上往往起源于核膜的周围，伸向细胞周缘，并于细胞质膜上的特殊结构如桥粒、半桥粒结构相连。核纤层存在于细胞核膜的内侧，并通过核纤层蛋白受体与内层核膜相连，参与核膜的组装与去组装等过程。中间丝与其他细胞结构联系增强了细胞抗机械应力的能力，并参与维持组织的整体功能。