《细胞生物学》教案（第14次课2学时）一、授课题目第八章细胞骨架二、教学目的和要求1.熟练掌握微管，微丝和中间纤维的形态结构和化学组成：2.掌握微管,微丝和中间纤维的功能；3.了解微管，微丝和中间纤维的装配过程：4.熟悉细胞核骨架的结构和功能。三、教学重点和难点教学重点：1细胞骨架的狭义及广义概念2细胞骨架各成分性质、结构与功能教学难点：细胞骨架各成分之间的关系四、主要参考资料五、教学过程细胞骨架（cytoskeleton）：指存在于真核细胞中、由蛋白质亚基组装而成的纤维状网络体系，主要包括微丝（microfilament,MF）、微管（microtubule,MT）和中间丝（intemediatefilament,IF）等结构组分
《细胞生物学》教案 （第 14 次课 2 学时） 一、授课题目 第八章 细胞骨架 二、教学目的和要求 1.熟练掌握微管,微丝和中间纤维的形态结构和化学组成； 2.掌握微管,微丝和中间纤维的功能； 3.了解微管,微丝和中间纤维的装配过程； 4.熟悉细胞核骨架的结构和功能。 三、教学重点和难点 教学重点：1 细胞骨架的狭义及广义概念 2 细胞骨架各成分性质、结构与功能 教学难点：细胞骨架各成分之间的关系 四、主要参考资料 五、教学过程 细胞骨架（cytoskeleton）：指存在于真核细胞中、由蛋白质亚基组装而成的纤维状网络体 系，主要包括微丝（microfilament, MF）、微管（microtubule, MT）和中间丝（intermediate filament, IF）等结构组分
细胞质膜细胞被内质网核糖体微丝线粒体微管细胞骨架（cytoskeleton）（一)概念：一般是指真核细胞质内的蛋白纤维网架系统。广义的细胞骨架：细胞质骨架、细胞核骨架及细胞膜骨架和细胞外基质（它骨架成分：核骨架、核纤层、细胞外基质。核骨架、核纤层与中间纤维在结构上相互连接，口贯穿于细胞核和细胞质的网架体系。）狭义(narrowsense)的细胞骨架：指细胞质骨架，包括微丝(microfilament,MF）（肌动蛋白丝，actinfilament）、微管（microtubule,MT）及中间丝（intermediatefilament,IF）（中间纤维）。（均由单体蛋白以较弱的非共价键结合在一起，构成纤维型多聚体。微丝确定细胞表面特征，使细胞能够运动和收缩。微管确定膜性细胞器的位置和作为膜泡运输的导轨。中间纤维使细胞具有张力和抗剪切力。其它骨架成分：核骨架、核纤层、膜骨架和细胞外基质。）（Acomplexnetworkof interconnectedmicrofilaments,microtubulesand intermediatefilamentsthatextendsthroughoutthecytosol.)
1 细胞骨架（cytoskeleton） ： ㈠概念：一般是指真核细胞质内的蛋白纤维网架系统。 广义的细胞骨架: 细胞质骨架、细胞核骨架及细胞膜骨架和细胞外基质（它骨架成分： 核骨架、核纤层、细胞外基质。核骨架 、核纤层与中间纤维在结构上相互连接, 贯穿于 细胞核和细胞质的网架体系。） 狭义(narrow sense)的细胞骨架: 指细胞质骨架，包括微丝(microfilament,MF)（肌动蛋 白丝,actin filament）、微管(microtubule, MT)及中间丝（intermediate filament, IF）（中间纤 维）。（均由单体蛋白以较弱的非共价键结合在一起，构成纤维型多聚体。微丝确定细胞 表面特征，使细胞能够运动和收缩。微管确定膜性细胞器的位置和作为膜泡运输的导轨。 中间纤维使细胞具有张力和抗剪切力。其它骨架成分：核骨架、核纤层、膜骨架和细胞外 基质。 ）(A complex network of interconnected microfilaments, microtubules and intermediate filaments that extends throughout the cytosol.)
（以柱状上皮细胞为例分析三者的区别：红色代表的是微丝，分布在紧靠细胞膜：绿色代表微管，分布在靠近细胞核由中心体发出成星状分布：蓝色代表中间丝，主要分布在细胞与细胞之间的连接，桥粒、半桥粒：Thethreethpesofproteinfilamentsthatformthecytoskeleton;actinfilaments,microtubulesintermediatefilaments)A.ActinB.IntermediatefilamentsC,Microtubule（细胞质骨架的三种类型）（)细胞骨架的主要功能是（1）维持细胞形态多样性（2）行使细胞运动（3）保持细胞内结构的合理空间布局与有序性（4）细胞内物质的传递与运输（5）参与细胞内信号传导（6）作为多种蛋白、酶和细胞器的支持点（7）参与蛋白质合成（多聚体3，端锚定在骨架纤维上才启动）（8）核骨架、染色体骨架参与染色质和染色体的构建（9）核骨架为基因表达提供空间支架（10）细胞骨架参与细胞周期的调节，并与细胞分化和细胞衰老关系密切。2
2 （以柱状上皮细胞为例分析三者的区别；红色代表的是微丝，分布在紧靠细胞膜；绿色代 表微管，分布在靠近细胞核由中心体发出成星状分布；蓝色代表中间丝，主要分布在细胞 与细胞之间的连接，桥粒、半桥粒；The three thpes of protein filaments that form the cytoskeleton; actin filaments;microtubules;intermediate filaments） (细胞质骨架的三种类型) ㈡细胞骨架的主要功能是（1）维持细胞形态多样性（2）行使细胞运动（3）保持细胞内 结构的合理空间布局与有序性（4）细胞内物质的传递与运输（5）参与细胞内信号传导（6） 作为多种蛋白、酶和细胞器的支持点（7）参与蛋白质合成（多聚体 3，端锚定在骨架纤维 上才启动）（8）核骨架、染色体骨架参与染色质和染色体的构建（9）核骨架为基因表达 提供空间支架（10）细胞骨架参与细胞周期的调节，并与细胞分化和细胞衰老关系密切
KeytoCytoskeletal Functions(3)Contractity andMotity(4)Spatial Organization(1)Structure and Support(2)IntracellularTransportictinfiamentActinflaments2172Motor proteinIntermediateMicrotubulefilarnentIntermediatefilamentsNerve cell(b)MotorproteinActinflamentMicrotubule-MenMotor protein3)Epithelial cellDividing cell(a)(c)(研究细胞骨架的技术(Techniquesforstudyingthecytoskeleton)1.荧光显微技术和电镜技术（FluorescentmicroscopyandElectronmicroscopy）研究细胞骨架的分布（1)免疫荧光技术（荧光标记的抗体）（Immunofluorescence:fluorescently-labeledantibody）细胞骨架各成分间是相互连接相互影响的，用特异性的抗体标记后可特异显示某一细胞骨架的分布(2)荧光技术（显微注射到活体细胞）（Fluorescence:microinjectintolivingcells）细胞骨架系统不是一个静止的结构，而是一个动态的结构，通过将构成细胞骨架的单体带上荧光标记，通过显微注射到活细胞体内，可以追踪细胞骨架在细胞内的动态变化过程。(3)显微录像技术（Videomicroscopy:invitromotilityassays）(4)电镜（Electron:TritonX-100Metal replica）2.相关药物和突变（Drugsandmutations（aboutfunctions））现在发现一些细胞骨架抑制性的药物，可以影响细胞骨架的解聚和聚合，进而影响到细胞骨架承担的功能；也可以使编码细胞骨架的基因发生突变，研究其功能变化。3.生化分析（Biochemicalanalysis(invitro)）细胞骨架包含的成分很复杂，还有一些与细胞骨架相结合的蛋白，分析其相互关系。3
3 ㈢研究细胞骨架的技术(Techniques for studying the cytoskeleton) 1. 荧光显微技术和电镜技术（Fluorescent microscopy and Electron microscopy ） 研究细胞骨架的分布 ⑴免疫荧光技术（荧光标记的抗体）（Immunofluorescence: fluorescently-labeled antibody） 细胞骨架各成分间是相互连接相互影响的，用特异性的抗体标记后可特异显示某一细 胞骨架的分布 ⑵荧光技术（显微注射到活体细胞）（Fluorescence: microinject into living cells ） 细胞骨架系统不是一个静止的结构，而是一个动态的结构，通过将构成细胞骨架的单体 带上荧光标记，通过显微注射到活细胞体内，可以追踪细胞骨架在细胞内的动态变化过程。 ⑶显微录像技术（Video microscopy: in vitro motility assays） ⑷电镜（Electron: Triton X-100, Metal replica） 2. 相关药物和突变（Drugs and mutations (about functions)） 现在发现一些细胞骨架抑制性的药物，可以影响细胞骨架的解聚和聚合，进而影响到 细胞骨架承担的功能；也可以使编码细胞骨架的基因发生突变，研究其功能变化。 3.生化分析（Biochemical analysis(in vitro)） 细胞骨架包含的成分很复杂，还有一些与细胞骨架相结合的蛋白，分析其相互关系
(四细胞骨架能进行自我组装，而且是一个动态的结构（Theself-assemblyanddynamicstructureofcytoskeletalfilaments)1.每一种细胞骨架纤维都是由单体或小的蛋白亚基构成的，其相互按特定的方式聚合，形成纤维的结构，二者处于动态变化中，承担了一些重要的很多的生理功能（Eachtypeofcytoskeletalfilament isconstructedfrom smallerproteinsubunits.)2.微丝、微管、中间丝相互作用，共同构成一个整体的网络，而且各自有各自的特点（Thecytoskeletonisanetworkofthreefilamentousstructures.)3.细胞骨架是一个动态的结构，承担很多的生理功能（Thecytoskeletonisadynamicstrucrurewithmanyroles.)
㈣细胞骨架能进行自我组装，而且是一个动态的结构（The self-assembly and dynamic structure of cytoskeletal filaments） 1.每一种细胞骨架纤维都是由单体或小的蛋白亚基构成的，其相互按特定的方式聚合，形 成纤维的结构，二者处于动态变化中，承担了一些重要的很多的生理功能（Each type of cytoskeletal filament is constructed from smaller protein subunits.） 2.微丝、微管、中间丝相互作用，共同构成一个整体的网络，而且各自有各自的特点（The cytoskeleton is a network of three filamentous structures.） 3.细胞骨架是一个动态的结构，承担很多的生理功能（The cytoskeleton is a dynamic strucrure with many roles. ）
第一节微丝与细胞运动、微丝的组成及其组装（一）微丝的结构与成分微丝（microfilament.MF）即肌动蛋白纤维（actinmicrofilament），是真核细胞中由肌动蛋白组成，直径约7nm的骨架纤维，可成束、成网或以纤维状分散存在。微丝是双股螺旋的形式组成的纤维，两股肌动蛋白丝是同方向的。微丝在细胞中可以两种状态存在，一种是微丝互相平行排列成束，形成有规则的稳定结构，如肌细胞中形成粗丝和细丝。另一种状态是网络状，在非肌细胞中这种状态较多。1微丝的主要结构成分：肌动蛋白（actin）。肌动蛋白（actin）是由一条多肽链构成的哑铃（颗粒）形分子，分子量为43000（43KD）。(actinistheproteinbuildingblockofMF)2.肌动蛋白在细胞内有2种存在形式：①球状肌动蛋白（G-actin）：肌动蛋白单体：②纤维状肌动蛋白（F-actin）：由多个单体组装而成。单体的肌动蛋白呈球状（哑铃形），称肌动蛋白单体（或称球状globular肌动蛋白，G-actin）。目前已分离出6种。单体但中间有一裂缝。裂缝内部有1个核苷酸（ATP或ADP，但常为ATP）的结合位点和1个二价阳离子（Mg2+或Ca2+，但常为Mg2+）的结合位点。单体本身具有ATP酶活性，可以将与之结合的ATP水解为ADP：单体具有极性，装配时呈头尾相接，故微丝具极性。多聚体的肌动蛋白呈纤维状，称F-肌动蛋白(fibriform)；在电镜下观察，整根微丝在外观上是由2股纤维以右手螺旋同向盘绕而成，螺距为36nm。在纤维内部，每个肌动蛋白单体周围都有4个单体，上、下各1个，另外2个位于一侧。近几年来有人提出，微丝是由-条肌动蛋白单链形成的右手螺旋。（G-actinmoleculespolymerizetoMF,alsocalledF-actin；exist inalmosteverytypeof eukaryoticcell, highlyconserved)3.微丝在结构上具有极性：肌动蛋白分子上的裂缝使得该蛋白本身在结构上具有不对称性在整根微丝上每一个单体上的裂缝都朝向微丝的同一端，从而使微丝在结构上具有极性。具有裂缝的一端为负极，而相反一端为正极。负极真极分手年价正极（肌动蛋白单体三维结构）
第一节 微丝与细胞运动 一、微丝的组成及其组装 （一）微丝的结构与成分 微丝（microfilament,MF）即肌动蛋白纤维（actin microfilament），是真核细胞中由肌动蛋 白组成，直径约 7nm 的骨架纤维，可成束、成网或以纤维状分散存在。微丝是双股螺旋的 形式组成的纤维，两股肌动蛋白丝是同方向的。 微丝在细胞中可以两种状态存在，一种是微丝互相平行排列成束，形成有规则的稳定结构， 如肌细胞中形成粗丝和细丝。另一种状态是网络状，在非肌细胞中这种状态较多。 1 微丝的主要结构成分：肌动蛋白（actin）。 肌动蛋白（actin） 是由一条多肽链构成的哑铃（颗粒）形分子，分子量为 43000（43KD）。 (actin is the protein building block of MF) 2.肌动蛋白在细胞内有 2 种存在形式：①球状肌动蛋白（G-actin）：肌动蛋白单体；②纤 维状肌动蛋白（F-actin）：由多个单体组装而成。 单体的肌动蛋白呈球状（哑铃形），称肌动蛋白单体（或称球状 globular 肌动蛋白，Gactin）。目前已分离出 6 种。单体但中间有一裂缝。裂缝内部有 1 个核苷酸（ATP 或 ADP， 但常为 ATP ）的结合位点和 1 个二价阳离子（Mg2+或 Ca2+，但常为 Mg2+）的结合位 点。 单体本身具有 ATP 酶活性，可以将与之结合的 ATP 水解为 ADP；单体具有极性，装配时 呈头尾相接，故微丝具极性。 多聚体的肌动蛋白呈纤维状，称 F-肌动蛋白(fibriform)；在电镜下观察，整根微丝在外观 上是由 2 股纤维以右手螺旋同向盘绕而成，螺距为 36 nm。在纤维内部，每个肌动蛋白单 体周围都有 4 个单体，上、下各 1 个，另外 2 个位于一侧。近几年来有人提出，微丝是由 一条肌动蛋白单链形成的右手螺旋。(G-actin molecules polymerize to MF, also called F-actin; exist in almost every type of eukaryotic cell, highly conserved) 3.微丝在结构上具有极性：肌动蛋白分子上的裂缝使得该蛋白本身在结构上具有不对称性， 在整根微丝上每一个单体上的裂缝都朝向微丝的同一端，从而使微丝在结构上具有极性。 具有裂缝的一端为负极，而相反一端为正极。 （肌动蛋白单体三维结构）
AD-DEPOLYMEATIONYMERZTON7ADPPi(Thetrapping ofADPin an actinfilament;when polymerized,trappingATP,andpromoting hydrolysis)end-enc（F-肌动蛋白）4.在哺乳动物和鸟类中至少已分离到6种肌动蛋白：4种为-肌动蛋白，分别为横纹肌、心肌、血管平滑肌和肠道平滑肌所特有，它们均组成细胞的收缩性结构；另2种为β-肌动蛋白和-肌动蛋白，存在于所有肌细胞和非肌细胞中。其中β-肌动蛋白通常位于细胞的边缘，而-肌动蛋白与张力纤维有关。对于一个正在迁移的细胞，β-肌动蛋白在细胞的前缘组成微丝。肌动蛋白在进化上高度保守但功能上差异大：尽管来源于不同生物的肌动蛋白具有很高的同源性，但微小的差异可能会导致功能上的变化。微丝与微丝结合蛋白互作：在细胞内，多种微丝结合蛋白与微丝的表面相互作用，调节微丝的结构和功能。-
1 （The trapping of ADP in an actin filament；when polymerized, trapping ATP, and promoting hydrolysis） （F-肌动蛋白） 4. 在哺乳动物和鸟类中至少已分离到 6 种肌动蛋白：4 种为α-肌动蛋白，分别为横纹肌、 心肌、血管平滑肌和肠道平滑肌所特有，它们均组成细胞的收缩性结构；另 2 种为β-肌 动蛋白和γ-肌动蛋白，存在于所有肌细胞和非肌细胞中。其中β-肌动蛋白通常位于细胞 的边缘，而γ-肌动蛋白与张力纤维有关。对于一个正在迁移的细胞，β-肌动蛋白在细胞 的前缘组成微丝。 肌动蛋白在进化上高度保守但功能上差异大：尽管来源于不同生物的肌动蛋白具有很高的 同源性，但微小的差异可能会导致功能上的变化。 微丝与微丝结合蛋白互作：在细胞内，多种微丝结合蛋白与微丝的表面相互作用，调节微 丝的结构和功能
（二）微丝的组装及其动力学特性（1）MF是由G-actin单体形成的多聚体，肌动蛋白单体具有极性，装配时呈头尾相接，故微丝具有极性，即正极与负极之别Minus endMinus (pointed)endLighit chainsTailMyosirHnge(a) Brief treatment withtrypsinregionHeadsActinsubuntMyosin0+segmertLightmeromyosinHeavy.moromyosin(LMM)(HMM)(b)Furthertreatment withtrypsinSubfragment(S1)Subfragment2(S2)PlusendPlus (barbed)end0.25amSubfragment.1(c)EManddiagram ofS1fragments‘decoratingactin(S1)microfilaments（肌球蛋白用胰蛋白酶处理后，分成轻链和重链两部分：然后重链继续用trypsin胰蛋白酶）处理后，其头部和基部被分离，其头部就会和肌动蛋白相结合）（2）肌动蛋白单体组装成微丝的过程①缓慢成核期：肌动蛋白单体与起始复合物结合→形成寡聚体（至少2-3个单体）。Arp23起始复合物包括2种肌动蛋白相关蛋白（Arp2/3）和5种其它蛋白。②快速延长期：肌动蛋白单体具有ATP酶活性，可利用水解ATP释放的能量来快速组装单体。当微丝的组装速度快于肌动蛋白水解ATP的速度时，在延长的微丝末端形成一个由肌动蛋白-ATP亚基组成的帽，使微丝比较稳定，利于继续组装：相反，当末端的肌动蛋白亚基所结合的是ADP时，则利于解聚。③稳定期：即组装与去组装的肌动蛋白数目相当，微丝的长度保持不变。2
2 （二）微丝的组装及其动力学特性 ⑴ MF 是由 G-actin 单体形成的多聚体，肌动蛋白单体具有极性，装配时呈头尾相接, 故 微丝具有极性，即正极与负极之别 （肌球蛋白用胰蛋白酶处理后，分成轻链和重链两部分；然后重链继续用 trypsin(胰蛋白 酶)处理后，其头部和基部被分离，其头部就会和肌动蛋白相结合 ） （2）肌动蛋白单体组装成微丝的过程 ① 缓慢成核期：肌动蛋白单体与起始复合物结合→形成寡聚体（至少 2-3 个单体）。Arp2/3 起始复合物包括 2 种肌动蛋白相关蛋白（Arp2/3）和 5 种其它蛋白。 ② 快速延长期：肌动蛋白单体具有 ATP 酶活性，可利用水解 ATP 释放的能量来快速组装 单体。当微丝的组装速度快于肌动蛋白水解 ATP 的速度时，在延长的微丝末端形成一个 由肌动蛋白-ATP 亚基组成的帽，使微丝比较稳定，利于继续组装；相反，当末端的肌动 蛋白亚基所结合的是 ADP 时，则利于解聚。 ③ 稳定期：即组装与去组装的肌动蛋白数目相当，微丝的长度保持不变
NucleusNucleusNucleus人人080000F-actinF-actin0(-) end(+) end G-actinNucleationElongationSteady statebARP3ARPC3ARPC2ARPC4ARARP2ARPC5ARPC1deDaughterBarbedBarbedfilamentDaughterfilamentMotherMotherfilamentfilament-ARP2/3complexPointedPointedNatureReviewsMolecularCell Biology7,713-726(October2006)/doi:10.1038/nrm2023
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(3)体内装配时，MF呈现出动态不稳定性，主要取决于F-actin结合的ATP水解速度与游离的G-actin单体浓度之间的关系ATPADPactinwithactinwithboundATPboundADPP（微丝的功能依赖于肌动蛋白的组装与去组装的动态平衡。通常，只有结合ATP的G-肌动蛋白才能参与F-肌动蛋白的组装：微丝正极（+）的组装速度比负极（一）快。临界浓度（Cc）：当纤维正极组装的速度与负极解聚的速度相同即纤维的长度保持不变时，组装体系中肌动蛋白单体的浓度称为临界浓度。）（4)踏车行为（treadmilling）：在体外组装过程中有时可以见到微丝正极由于肌动蛋白亚基的不断组装（添加）而延长，负极则由于肌动蛋白亚基去组装（解聚）而缩短，这种现象称为踏车行为
4 ⑶体内装配时，MF 呈现出动态不稳定性，主要取决于 F-actin 结合的 ATP 水解速度与游 离的 G-actin 单体浓度之间的关系 （微丝的功能依赖于肌动蛋白的组装与去组装的动态平衡。 通常，只有结合 ATP 的 G-肌动蛋白才能参与 F-肌动蛋白的组装；微丝正极（＋）的组装 速度比负极（－）快。临界浓度（Cc）：当纤维正极组装的速度与负极解聚的速度相同即 纤维的长度保持不变时，组装体系中肌动蛋白单体的浓度称为临界浓度。） ⑷踏车行为（treadmilling）：在体外组装过程中有时可以见到微丝正极由于肌动蛋白亚基 的不断组装（添加）而延长，负极则由于肌动蛋白亚基去组装（解聚）而缩短，这种现象 称为踏车行为