第五节　细胞骨架

细胞骨架(cytoskeleton)是由细胞内蛋白质成分组成的一个复合的网架系统，包括微管(microtubule)、微丝(microfilament)和中间丝(intermediate filament)(图3-22)。与其他细胞结构相比，细胞骨架在形态及结构上具有弥散性、整体性和变动性等特点，这些都是与它们的功能相适应的。细胞骨架为真核细胞所特有，它不仅是活细胞的支撑结构，决定了细胞的形状并赋予其强度，而且在细胞多种多样的生理活动(如细胞运动、膜泡运输和细胞分裂等)中发挥着重要作用。

一、微管

微管呈中空的圆筒状，在不同的细胞中具有相同的形态。它既是鞭毛、纤毛等运动器官的一部分，也是中心粒的主要结构。微管是一种动态的结构，能很快组装和去组装，以适应细胞质经常变化的状况。

图3-22　微管、微丝、中间丝的比较

(一)微管的结构和化学组成

大多数微管壁由13条原纤维(protofilament)包围而成(图3-23)，长短不一。微管的外径为25 nm，内径为15 nm。主要由微管蛋白(tubulin)和微管结合蛋白两种成分组成。

1．微管蛋白　微管蛋白占微管总蛋白的80％，是一类酸性蛋白质。细胞质中的微管蛋白一般以异二聚体(heterodimer)的形式存在，两个亚单位分别是α-微管蛋白和β-微管蛋白。α、β-微管蛋白的相对分子质量均为55000，但它们的氨基酸组成和排列顺序不同，它们相间排列成一条长链即为原纤维。

2．微管结合蛋白　微管结合蛋白的种类很多，是微管结构和功能的必需成分。一类称为微管相关蛋白(microtubule-associated protein，MAP)，相对分子质量200000～300000，在活细胞中起稳定微管结构和促进微管聚合的作用;另一类为微管聚合蛋白(Tau蛋白或τ蛋白)，其功能是增加微管装配的起始点和提高起始装配速度。

3．与微管结合的有关分子　微管蛋白每一异二聚体上均有GTP和Mg²⁺的结合位点，可以结合2分子GTP和一个Mg²⁺。微管蛋白与GTP结合而被激活，引起构象改变，从而聚合成微管。微管蛋白上还有秋水仙素和长春碱的结合位点。

图3-23　微管的3种类型，其中单微管由13条原纤维环绕而成

(二)微管的类型

细胞中微管的存在形式有3种(图3-23):单管(singlet)、二联管(doublet)和三联管(triplet)。细胞中大部分微管都是单管，由13条原纤维环围而成，常分散于细胞质中或成束分布;二联管由A管和B管组成，其中A管与单管结构相同，B管有3条原纤维与A管共有;三联管由A、B、C3管组成，其中A、B2管与二联管结构相同，C管有3条原纤维与B管共有。二联管主要构成纤毛和鞭毛的杆状部分，中心粒和鞭毛、纤毛的基体是由三联管构成的。

(三)微管的组装和极性

根据细胞的生理需要，微管蛋白聚合或解聚，引起微管的组装和去组装。这是一种可逆的过程，细胞中有的微管存在时间很短，发生快速组装和去组装，称为动态微管(dynamic microtubule)，如纺锤体;另一些微管存在时间相对较长，称为稳定微管(stable microtubule)，构成一些特化的细胞结构，如纤毛。作为对周围环境变化的反应，微管的稳定性可以改变。

1．微管的体外组装　先由一些异二聚体聚合成片状或环状的核心，再经过侧面增加异二聚体而使之扩展成13条原纤维，即围成一段微管。微管蛋白是以“首尾相接”(即αβ-αβ-αβ……)的方式形成原纤维的，因而具有极性。

许多因素影响微管的组装。微管蛋白的聚合和解聚与其周围环境条件如温度、Ca²⁺浓度、pH、压力等有关。秋水仙素与异二聚体结合，可抑制微管的聚合;除去秋水仙素后，聚合又能进行。

2．微管的体内组装　微管在体内的组装比在体外复杂得多，除了遵循体外组装的规律外，还受到时间和空间的控制。活细胞内的微管组织中心(microtubule organizing center，MTOC)在微管装配过程中起着重要作用。MTOC包括中心体、基体和着丝点等，它们提供了微管组装所需要的核心。事实上，微管并不是由中心粒直接发出的，而是由中心外周围物质(pericentriolar material，PCM)发射出来的。因此，中心粒本身并不是MTOC，它只是起到了稳定PCM位置的作用。此外，在活细胞内的微管装配过程中，MAP可促进微管装配的启动，调节装配的范围和速率，还可在微管之间以及与其他结构连接中起重要作用。

(四)微管组成的细胞结构

微管在细胞中可以组成一些特殊的细胞结构，如中心粒(centriole)、纤毛和鞭毛等，它们主要与细胞的运动功能有关。

1．中心粒　中心粒呈短筒状小体，直径160～260nm，长度160～560nm。细胞中的中心粒成对存在且相互垂直，它们连同其周围物质即是光镜下所见的中心体(centrosome)。横切面可见，其圆柱状小体的壁由9组三联管斜向排列呈风车状包围而成，为“9+ 0”的结构(图3-24)。中心粒在细胞中起MTOC的作用，参与细胞有丝分裂。

2．纤毛和鞭毛　纤毛和鞭毛是真核细胞表面伸出的与运动有关的特化结构，通常将少而长的称为鞭毛，短而多的称为纤毛。两者在结构上同源，都是由细胞膜包绕一根轴丝(axoneme)构成的(图3-25)。轴丝为“9+2”结构，即9组二联管环绕一对中央单管。中央单管由纤维内鞘(inner sheath)包围，单管之间有横桥相连。相邻的二联管之间也有蛋白质相连，并且A管伸出两条动位蛋白(dynein)臂，指向邻近二联管的B管。动位蛋白臂能引起二联管之间的相互滑动，导致纤毛和鞭毛摆动。中央单管呈放射状发出辐条(radial spoke)，伸向周围的A管。

轴丝是以纤毛和鞭毛的基体作为MTOC组装而成的。基体的结构与中心粒一样，呈“9+ 0”排列，即含9组三联管，无中央微管。在基体和轴丝之间有一段转换区。

图3-24　中心粒亚微结构电镜图

图3-25　纤毛的结构图

二、微丝

微丝是一种由蛋白纤维组成的实心纤维，直径5～7nm，长度不一。它普遍存在于真核细胞中，在具有运动功能的细胞中(如肌细胞)尤为发达。微丝也是一种可变的结构，可以排列成束、成网，也可以分散存在于细胞质中。微丝主要由肌动蛋白(actin)构成，所以又常被称作肌动蛋白丝(actin filament)，在细胞运动和形态维持中发挥极其重要的作用。

(一)微丝的结构和分子组成

肌动蛋白是微丝结构和功能的基础蛋白质，相对分子质量为43000，含375个氨基酸残基。它是真核细胞内含量最丰富的蛋白质之一，在非肌细胞中占总蛋白的1％～5％，而在肌细胞中更高达10％。细胞中肌动蛋白有两种存在形式:一种是球形单体，称为G-肌动蛋白;另一种是由G-肌动蛋白聚合成的纤维状多聚体，称为F-肌动蛋白。电镜分析表明，每一个G-肌动蛋白由两个亚基组成，呈现6．7 nm×4 nm×4 nm哑铃形，具有阳离子(Mg²⁺和K⁺或Na⁺)、ATP(或ADP)和肌球蛋白的结合位点。每个肌动蛋白分子都有固定的极性，在Mg²⁺等阳离子诱导下，它们能“首尾相接”形成螺旋状的肌动蛋白丝(图3-26)。因此，肌动蛋白丝也具有极性。

图3-26　肌动蛋白丝的分子结构

同样的肌动蛋白微丝，可以形成多种不同的亚细胞结构，如张力丝、肌肉细丝和精子顶体的刺突等。这些结构的形成及它们的变化和功能状态，在很大程度上受到不同的肌动蛋白结合蛋白(actin-binding protein)的调节。目前已发现的这类结合蛋白有40多种，其中肌球蛋白(myosin)是一种特殊的ATP酶，能水解ATP引起构象改变，沿着微丝移动。细胞中绝大多数运动类型都必须依赖肌球蛋白和肌动蛋白之间的相互作用。

(二)微丝的组装

微丝组装的动力学比微管组装简单。在G-肌动蛋白溶液中加入盐(Mg²⁺、K⁺或Na⁺)，便能自发聚合生成F-肌动蛋白丝。细胞中肌动蛋白浓度(0．5μmol/L)高于关键浓度［Cc(0．1μmol/L)］。理论上，几乎所有的肌动蛋白都应聚合成微丝，很少为G-肌动蛋白。但实际上细胞中近40％的肌动蛋白以单体形式存在，原因是它们结合了“隔离蛋白”(某些肌动蛋白结合蛋白)，无法自由聚合。微丝的组装还受到断裂蛋白、封端蛋白和某些真菌毒素的影响。后者如细胞松弛素B(cytochalasin B，CB)及其衍生物细胞松弛素D，它们能特异地破坏微丝的组装。

三、中间丝

中间丝简称中丝，是细胞内的第3种骨架成分，因直径(约10nm)介于微管和微丝之间而得名。中间丝由不同的蛋白质组成，是空心纤维结构。由于它具有组织特异性，因此其种类、成分、结构和功能比较复杂。近年来的研究发现，中间丝的结构极其稳定，这也是它区别于微管和微丝的显著特点(图3-27)。

图3-27　中间丝的分子结构模式图

(一)中间丝蛋白分类

中间丝是高度螺旋的蛋白质，根据氨基酸序列不同可分为五大类(表3-5)。每种中间丝蛋白只在特定的组织和细胞中表达，其氨基酸序列、相对分子质量差异很大。

表3-5　哺乳动物的中间丝蛋白

注:(1)中间丝的相对分子质量在种属间存在变异;

(2)酸性(Ⅰ型)和碱性(Ⅱ型)角蛋白(keratin)不能单独组装成角蛋白丝，只有当两者以1∶1的比例形成异二聚体后才能形成角蛋白;

(3)NF代表神经丝(neurofilament)，L、M和H分别表示相对分子质量低、中、高;

(4)Ⅴ型中间丝(纤层蛋白)只存在于细胞核中，支撑核膜的结构。

(二)中间丝的分子结构和组装

虽然中间丝呈异质性，但它们的分子结构相同:中央是氨基酸序列非常保守的α-螺旋杆状区(约300个残基);两端是非螺旋的头部(N端)和尾部(C端)，呈球形，可有不同的氨基酸组成和化学性质。中间丝蛋白在相对分子质量和性质上的差别，几乎完全在于其头部和尾部的多样性。

中间丝蛋白装配的机制还不十分清楚，一般认为它比微管和微丝的组装更复杂。根据已有资料分析，中间丝蛋白首先形成双股超螺旋的二聚体，然后一对二聚体反向组成四聚体。四聚体是中间丝组装的最小单位，它们首尾相连形成原丝(2nm)，两根原丝并排成亚丝，最后由4根亚丝围拢形成一条完整的中间丝。也有部分科学家认为，中间丝组装时不分亚丝和层次，直接由8个四聚体环围成一条管状的中间丝。总之，中间丝是由32条多肽环围成的空心管状纤维。