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第08章 细胞骨架课件PPT
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这是一份第08章 细胞骨架课件PPT，共60页。PPT课件主要包含了本章主要内容，微丝与细胞运动，微管及其功能，中间丝，第一节，成核蛋白，交联蛋白，第二节，微管的组装与极性，纤毛的结构等内容，欢迎下载使用。
真核细胞存在三种类型的细胞骨架
micrtubulelike
Intermediate filament-like
微丝网络结构的调节与细胞运动
肌球蛋白：依赖于微丝的分子马达
微丝（micrfilament, MF）
肌动蛋白丝（actin filament）纤维状肌动蛋白（fibrus actin, F-actin）直径7 nm 存在于所有真核细胞中微丝网络的空间结构与功能取决于与之相结合的微丝结合蛋白（micrfilament binding prtein）不同的微丝结合蛋白赋予了微丝网络不同的结构特征和功能
Neurnal grwth cne phts © Schaefer, Kabir, and Frscher, 2002. Originally published in The Jurnal f Cell Bilgy, 158: 139-152.
一、微丝的组成及其组装
主要结构成分：肌动蛋白（actin）球状 G-actin纤维状 F-actin裂缝 / 极性ATP/ADP结合位点二价阳离子（Mg2+ 或Ca2+）结合位点高度保守α- 肌动蛋白为横纹肌、心肌、血管平滑肌和肠道平滑肌所特有；β- 肌动蛋白和γ-肌动蛋白存在于所有的细胞中
图8-2 肌动蛋白和微丝的结构A. 肌动蛋白的三维结构（5.5 nm×5.5 nm×3.5 nm），1 分子ATP 和1 个的Mg2+ 结合于肌动蛋白分子中间的裂缝中；B. 微丝的结构模型，其中每一个肌动蛋白亚基与4 个相邻的亚基相互作用（上下各一个，侧面二个）；C. 微丝负染后的电镜图像
直径约7 nm 扭链肌动蛋白单体组装右手螺旋极性：具有裂缝的一端为负极，相反一端为正极
（二）微丝的组装及其动力学特性
ATP在肌动蛋白聚合中的作用
体外组装过程分为三个阶段
ATP帽（ATP Cap）与踏车行为（treadmilling）
当微丝末端聚合速度大于ATP水解的速度时, 会在末端形成一个ATP帽踏车行为：在体外组装过程中，微丝正极由于肌动蛋白亚基不断添加而延长，负极由于肌动蛋白亚基去组装而缩短的现象
图8-3 肌动蛋白组装过程中发生的踏车行为当体系中肌动蛋白的浓度处于临界浓度时，由于微丝两端结构上的差异，在微丝的正端进行肌动蛋白，而在负端则是去组装占优势。在统计学意义上，正极端延长，负极端缩短，但长度几乎不变
微丝细胞内组装：受微丝结合蛋白影响
成核过程需要Arp2/3 (actin related prtein，Arp) 复合物参与
Nature Reviews Mlecular Cell Bilgy 7, 713-726 (Octber 2006) | di:10.1038/nrm2026
Fig. Structure and functin f the ARP2/3 cmplex
细胞松弛素（cytchalasin）与微丝结合后将微丝切断，并结合在微丝末端阻抑肌动蛋白在该部位的聚合，但对微丝解聚没有明显影响破坏微丝网络结构，并阻止细胞的运动鬼笔环肽（phallidin）与微丝表面有强亲和力，不与肌动蛋白单体结合阻止微丝的解聚，使其保持稳定状态
（三）影响微丝组装的特异性药物
二、微丝网络结构的调节与细胞运动
细胞中大多数微丝结构处于动态的组装和去组装过程中，并通过这种方式实现其功能
微丝的组装与行为由微丝结合蛋白（actin binding prtein）严格调控细胞内肌动蛋白的组装在两个水平上受到微丝结合蛋白的调节：① 可溶性肌动蛋白的存在状态；② 微丝结合蛋白的种类及其存在状态
（一）非肌肉细胞内微丝的结合蛋白
1. 肌动蛋白单体结合蛋白
图8-4 肌动蛋白结合蛋白与微丝的组装在合适的条件下，结合ATP 的肌动蛋白既可以参与微丝正极端的组装，也可以在负极端进行组装。胸腺素β4 与肌动蛋白结合以后抑制微丝的组装。前纤维蛋白与肌动蛋白单体的底部结合，促进了微丝正极端的组装，但阻断了负极端的组装
3. 加帽蛋白（capping prtein）
图8-5 微丝的成核与加帽Arp2/3 复合物参与肌动蛋白的成核，并可与微丝结合启动侧枝的组装。微丝加帽蛋白可以结合在微丝的正极端或负极端，使末端处于稳定状态
成束蛋白（bundling prtein）将相邻的微丝交联成平行排列状态凝胶形成蛋白（gel-frming prtein）将微丝联接成网状
图8-6 微丝交联蛋白与微丝的相互作用A. 成束蛋白将相邻的微丝交联成束状结构。丝束蛋白和绒毛蛋白等交联而成的微丝束（左图）为紧密包装型。B. 由α- 辅肌动蛋白交联形成的微丝束内部相邻的纤维之间比较宽松。C. 细丝蛋白将微丝交联成网状结构
5. 割断及解聚蛋白
凝溶胶蛋白（gelslin）在高Ca2+（>1 μml/L）情况下能将较长微丝切断，使肌动蛋白由凝胶态转化成溶胶态丝切蛋白/ 肌动蛋白解聚因子（cfilin/actin deplymerizing factr，Cfilin/ADF）能与游离的肌动蛋白或微丝结合，提高微丝的解聚速度
Actin f gelslin in severing actin filaments
（二）细胞皮层（cell crtex）
细胞内大部分微丝都集中分布在紧贴细胞质膜的细胞质区域，并由微丝交联蛋白交联成凝胶态三维网络结构限制膜蛋白的流动性；为细胞质膜提供强度和韧性；维持细胞形状；细胞的多种运动，如胞质环流（cyclsis）、阿米巴运动（amibid）、变皱膜运动 （ruffled membrane lcmtin）、吞噬（phagcytsis）以及膜蛋白的定位等与皮层内肌动蛋白的溶胶态- 凝胶态转化相关
胞质环流（cyclsis）
原生生物：摄取食物巨噬细胞和中性粒细胞摄取营养物，清除病原体、衰老、凋亡的细胞吞噬作用是一个信号触发的过程
吞噬作用（phagcytsis）
Actin stress fibers (red) terminate in fcal adhesins (green). Nuclei are in blue
图8-7 应力纤维体外培养的星形胶质细胞用罗丹明标记的鬼笔环肽染色，显示在细胞内应力纤维和粘着斑的分布
体外培养的细胞在基质表面铺展时，常在细胞质膜的特定区域与基质之间形成紧密黏附的黏着斑。在紧贴黏着斑的细胞质膜内侧的大量成束状排列的微丝通过黏着斑与细胞外基质相连，可能在细胞形态发生、细胞分化和组织建成等方面发挥作用
图8-8 动物细胞边缘的伪足及其微丝的排列方式A. 用荧光标记的鬼笔环肽染色显示体外培养细胞内微丝的分布以及细胞周缘伸出的伪足；B. 应力纤维、细胞皮层和丝状伪足内部微丝的排列方式示意图
（四）细胞伪足的形成与细胞迁移
细胞迁移通过微丝的组装/ 去组装，以及与其它细胞结构组分的相互作用来实现成纤维细胞在基质或相邻细胞表面的迁移过程细胞在运动方向的前端伸出突起突起与基质之间形成新的锚定位点（如黏着斑），使突起附着在基质表面细胞以附着点为支点向前移动位于细胞后部的附着点与基质脱离，细胞的尾部前移片状伪足（lamellipdium）和丝状伪足（filpdium）的形成依赖于肌动蛋白的聚合，并由此产生推动细胞运动的力
图8-9 微绒毛中的微丝和微丝结合蛋白A. 微绒毛内部微丝及其结合蛋白排列结构模式图；B. 小肠上皮细胞表面微绒毛（纵切面）的电镜图像。C. 内耳耳蜗毛细胞顶端的静纤毛（微绒毛）横切面的电镜图像，实心箭头示微丝断面，空心箭头示微绒毛膜
（五）微绒毛（micrvilli）
微绒毛轴心是一束平行排列的微丝，对形态起支撑作用；下端终止于端网结构（terminal web）微丝结合蛋白在微丝束的形成、维持及其与细胞质膜的连接中发挥作用
由大量平行排列，极性相反的微丝组成动力来源于肌球蛋白所介导的极性相反微丝间的滑动
（六）胞质分裂环（收缩环）
图8-10 胞质分裂环A. 罗丹明（Rhdamine）标记的鬼笔环肽染色显示星形胶质细胞的胞质分裂过程中微丝的分布。染色质由DAPI 染色显示。B. 胞质分裂环模式图
三、肌球蛋白：依赖于微丝的分子马达
马达蛋白(mtr prtein) 可以分为3 类沿微丝运动的肌球蛋白（mysin）沿微管运动的驱动蛋白（kinesin）沿微管运动的动力蛋白（dynein）马达结构域与微丝或微管结合；货物结合结构域与膜性细胞器或大分子复合物特异结合能量转换：利用水解ATP 所提供能量沿微管或微丝运动
Mtr prteins cnsist f tw heads that “walk” alng a cytskeletal track, and a tail that is cnnected t carg r anther structure.
骨骼肌细胞内，多个Ⅱ型肌球蛋白分子组装成肌原纤维的粗肌丝马达结构域是肌球蛋白超家族成员最保守的部位，是肌球蛋白定性和分类的依据基于马达结构域多肽链一级结构的相似性，至少可以将肌球蛋白超家族的成员分成18 种家族
图8-11 II 型肌球蛋白分子和粗肌丝的结构示意图A. II 型肌球蛋白分子由两条具有马达结构域的重链和四条起调节作用的轻链构成。B. 由II 型肌球蛋白的尾部结构域相互作用而组装成的粗肌丝。
图8-12 部分肌球蛋白超家族成员的结构示意图A. 各类肌球蛋白分子的一级结构，黄色部分示马达结构域在多肽链中的位置；B. 一些肌球蛋白超家族成员重链的结构域比较。所有的肌球蛋白分子都具有相似的马达结构域，但它们C- 端和某些成员的N- 端扩展部分变化很大
肌球蛋白是沿微丝运动的马达分子，通常含有三个功能结构域马达结构域：位于肌球蛋白的头部，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；负责将ATP 水解所释放的化学能转变成机械能调控结构域：连接马达结构域和尾部杆状区的一段α 螺旋，轻链的结合部位，发挥杠杆作用尾部结构域：选择性与所运输的“货物”结合
1. Ⅱ型肌球蛋白：传统的肌球蛋白（cnventinal mysin）
肌细胞：组装成肌原纤维的粗丝非肌细胞：胞质分裂过程中收缩环的主要结构成分；应力纤维的结构成分包含2 条的重链和4条轻链，形成一个高度不对称的结构
用胰蛋白酶处理肌球蛋白分子，可产生轻酶解肌球蛋白（light mermysin，LMM）和重酶解肌球蛋白（heavy mermysin，HMM）。重酶解肌球蛋白经木瓜蛋白酶处理，形成肌球蛋白头部（HMM-S1）和杆部（HMM-S2）
图8-13 肌球蛋白的体外运动实验模式图纯化的肌球蛋白S1 片段被固定在盖玻片上，然后在体系中加入用荧光标记的微丝和ATP，在荧光显微镜下可观察到微丝在盖玻片表面滑动
2. 其他类型的肌球蛋白（uncnventinal mysin）
Ⅰ型肌球蛋白分子：一个头部（马达结构域）和一个尾部Ⅴ型肌球蛋白分子：两条肽链组成的二聚体；两个头部交替与微丝结合
肌纤维；肌原纤维（myfibrils）肌节（sarcmere）粗肌丝；细肌丝横桥
图8-14 骨骼肌及肌纤维的结构A. 肌纤维的三维结构模式图；B 和C. 肌细胞纵切面，低倍电镜图像显示处于松弛（B 上）和收缩（C 上）状态下肌小节中明带和暗带有规律地排列，下面的是根据电镜照片所画的当肌肉处于松弛和收缩状态下粗丝和细丝的结构模式图； D. 肌原纤维的横切面，显示暗带中粗丝排列状态；E. 肌原纤维暗带中粗丝和细丝交汇处的横切面，显示六根细丝围绕一根粗丝成六角形排列
图8-15 快速冷冻- 深度蚀刻电镜图像显示骨骼肌细胞中粗丝与细丝间的横桥
肌动蛋白原肌球蛋白（trpmysin，Tm）两条平行多肽链形成α螺旋构型，调节actin与mysin头部的结合肌钙蛋白（trpnin，Tn）Tn-C与Ca2+ 结合Tn-T与原肌球蛋白有高度亲和力Tn-I抑制肌球蛋白马达结构域的ATP 酶活性
图8-16 细肌丝的分子结构示意图显示原肌球蛋白和肌钙蛋白沿肌动蛋白丝的分布状况，每个原肌球蛋白分子镶崁在肌动蛋白丝的沟槽内，前后连接7 个肌动蛋白亚基
肌肉收缩系统中的其他蛋白组分
将细肌丝锚定于Z盘或质膜上的蛋白：① CapZ，由两个亚基构成，定位于Z 盘，与肌动蛋白丝正极端结合，使肌动蛋白丝保持稳定② α- 辅肌动蛋白，组装成反向平行的二聚体，是骨骼肌Z 盘、平滑肌的电子致密部区（致密斑和致密体）及心肌闰盘的主要成分之一，可将微丝横向连接成束③ 纽蛋白（vinculin），又名粘着斑蛋白，是一种细胞膜骨架蛋白，定位于粘着斑部位介导整联蛋白和微丝之间的联系。也位于平滑肌细胞的致密区、心肌闰盘，介导微丝与细胞质膜等的结合在肌节中起结构作用的蛋白：① 肌联蛋白（cnnectin），长度达1 μm，具有弹性，连接Z盘与肌球蛋白纤维，在肌肉收缩或舒张时将粗肌丝定位于肌节中央② 伴肌动蛋白（nebulin），从Z 盘伸出，与肌动蛋白丝伴行，可能参与调节肌动蛋白丝的组装③ 肌营养不良蛋白（dystrphin），可能参与微丝与质膜的锚定作用，对防止肌纤维退化也很重要
肌肉收缩的基本过程动作电位的产生Ca2＋的释放原肌球蛋白位移细肌丝与粗肌丝之间的相对滑动
（二）肌肉收缩的滑动模型
图8-17 肌肉收缩过程图解在初始状态， 组成粗肌丝的肌球动蛋白的马达结构域上没有ATP 时， 该马达结构域与细肌丝结合，并成僵直状态。1-2. ATP 结合到马达结构域导致其与细肌丝的结合力下降，肌球蛋白与肌动蛋白分开；3. ATP 水解，但ADP+Pi仍与肌球蛋白结合，获能的肌球蛋白头部发生旋转，向细丝的正极端（Z 盘一侧） 抬升；4. 在Ca2+ 存在的条件下，肌球蛋白头部与靠近细肌丝正极端的一个肌动蛋白亚基结合；5. Pi 释放，肌球蛋白颈部结构域发生构象变化，导致马达结构域与细肌丝的角度发生变化，拉动细肌丝导致细肌丝与粗肌丝做相对滑动。6. ADP 释放，肌球蛋白的马达结构域与细肌丝之间又回到僵直状态
滑行学说（sliding thery）
Phsphrylatin f mysin II by mysin light-chain kinase (MLCK)
Fig. Phsphrylatin f Smth Muscle and Nnmuscle Mysin. Bth smth muscle and nnmuscle mysin II are regulated by phsphrylatin f the regulatry light chains. An influx f calcium ins int the cell allws the calcium-calmdulin cmplex t bind mysin light-chain kinase (MLCK), which in turn phsphrylates the mysin light chains. The activated (and uncurled) mysin can then bind t actin.
微管结合蛋白对微管网络结构的调节
微管对细胞结构的组织作用
纤毛和鞭毛的结构与功能
图8-18 微管和微管蛋白A. 微管蛋白二聚体的三维结构模型。α- 微管蛋白和β- 微管蛋白各结合1 分子的GTP，它们在相互作用的界面上呈互补关系；B. 微管的结构模式图。上面为微管的横切面，显示由13 个微管蛋白亚基组成的环状结构，下面为一段微管的侧面观，显示13 根原纤丝合拢成微管时的位置关系。C. 微管负染后的电镜图像，显示微管蛋白亚基和原纤丝的排列方式。D. 免疫荧光染色显示HeLa 细胞中的微管（绿色）网络结构，大部分微管源自中心体，也有一部分微管并不与中心体（黄色）相连
Micrtubules rerganize during the cell cycle
一、微管的结构组成与极性
基本结构单位：αβ-微管蛋白二聚体（细胞质内游离态微管蛋白的主要存在形式）GTP 结合位点不可交换位点：α-微管蛋白可交换位点：β- 微管蛋白二价阳离子结合位点秋水仙素结合位点长春花碱结合位点
13 根原纤丝（prtfilament）合拢构成微管的管壁极性：α- 微管蛋白所在一端为（-）；β- 微管蛋白所在一端为（+）
图8-19 微管组装的过程与踏车行为A. α/β- 微管蛋白首先组装成原纤丝；B. 原纤丝侧向相互作用形成片层；C. 由13 根原纤丝合拢形成的微管，α/β- 微管蛋白从两端加入（或解聚）使微管延长（或缩短）。当体系中α/β- 微管蛋白的浓度处于临界浓度时，微管蛋白在微管的正极端组装的速度与在负极端去组装的速度相等，微管的长度可保持不变
单管：细胞质微管或纺锤体微管二联管：纤毛或鞭毛中的轴丝微管三联管：中心体或基体的微管
二、微管的组装和去组装
Fig. Micrtubule Assembly Dynamics and Organizatin in Higher Plant Cells. Micrtubules are cmpsed f α/β-tubulin heterdimers that are assembled in a head-t-tail fashin t frm linear prtfilaments that assciate laterally within the typical 13-prtfilament, 25-nm micrtubule. The β-tubulin end is fast grwing and the mre dynamic end (+end), whereas the α-tubulin end is slw grwing and the less dynamic end (–end). Under cnditins where the minus-ends f the micrtubules are anchred, nly the freely expsed plus-ends are dynamic and exhibit perids f grwth and shrtening with stchastic transitins between these tw phases (dynamic instability). If bth ends f the micrtubules are freely accessible t the sluble tubulin subunits, then the assembly dynamics may be marked by net plymerizatin at the plus-ends and net deplymerizatin at the minus-ends, thereby leading t a directinal subunit flux (shwn by the gray subunits) and an apparent repsitining f the plymer ver time (treadmilling).
微管在体外的组装过程可以分为成核（nucleatin）和延伸（elngatin）两个阶段微管的组装速度同样与其底物（携带GTP 的α/β- 微管蛋白）的浓度呈正相关
（一）微管的体外组装与踏车行为
微管的体外组装与踏车行为
图8-20 微管的动态不稳定性依赖于微管末端β- 微管蛋白上GTP 的水解与否当体系中α/β- 微管蛋白的浓度高于临界浓度时，微管组装的速度大于GTP 水解的速度，在微管末端部位的β- 微管蛋白上带有GTP（左侧）。而体系中游离微管蛋白的浓度等于或低于临界浓度时，微管末端的β- 微管蛋白上GTP 水解的速度可能会高于微管组装的速度，GTP 的水解导致微管蛋白聚合物构象的变化，原纤丝发生弯曲，微管倾向于解聚（右侧）
秋水仙素诺考达唑紫杉醇长春花（新）碱
紫杉醇秋水仙素长春花碱诺考达唑
结合并稳定微管结合微管蛋白单体并阻止其聚合结合微管蛋白单体并阻止其聚合促使微管解聚
（二）作用于微管的特异性药物
三、微管组织中心（MTOC）体内组装
MTOC(micrtubule rganizing centers)：在细胞内起始微管的成核作用，并使之延伸的结构如动物细胞的细胞核附近的中心体，纤毛和鞭毛基部的基体以及上皮细胞顶端面高尔基体的反面网状结构
httpsdi.rg/10.
各种组织细胞类型中MTOC和微管微管（红色）由MTOCs（蓝色）组织形成，其排列和定位因细胞类型而异。
中心体含有一对彼此垂直的桶状中心粒无定形的中心粒外周物质；9组三联体微管微管起源于中心粒外周物质区域（PCM） γ- 微管蛋白在中心体的周质中形成的环状结构可诱导微管的成核与组装
图8-21 中心体的微管成核作用
图8-22 中心体的结构及微管的成核A. 中心体结构示意图，显示成对的中心粒以及外周物质（PCM）；B. 中心粒横切面的电镜照片，显示9 组微管三联体结构呈风车状排列；C. 显示一对垂直分布的中心粒及其起源于外周物质的微管；D. 大部分中心体微管的组装起始于PCM 上的γ- 微管蛋白环状复合物
MT由含有γ-微管蛋白的蛋白复合物成核
Figure 16-30b Mlecular Bilgy f the Cell (© Garland Science 2008)
（二）基体和其他微管组织中心
基体：9 组三联体微管；自我复制其他MTOC：高尔基体的反面膜囊区域和上皮细胞的顶端面等
图8-32 基体及轴丝的结构和示意图A. 四膜虫纤毛横切面的电镜图像。B. 轴丝微管及其附属结构示意图。1. 轴丝的横切面，其外围是9 组相互联系的微管二联体，中央是由中央鞘包围的两根微管。2. 基体横切面，其外围是9 组相互联系的微管三联体
四、微管的动力学性质
微管的稳定性与其所结合的细胞结构组分以及细胞的生理状态相关不同状态的微管其稳定性差异很大 在神经元分化过程中的作用
图8-23 活细胞内微管的动态不稳定性将GFP-tubulin 转染S2 细胞，该融合蛋白表达后可参与微管的组装。图像显示在细胞边缘的微管交替地缩短和伸长。从左到右每张截图的时间间隔为9 秒，箭头示正处于组装（伸长）或去组装（缩短）过程中的微管
动态不稳定性是指生长和收缩的微管可以共存于细胞的同一区域，并且给定的微管可以在生长和缩短阶段之间来回切换。
五、微管结合蛋白对微管网络结构的调节
微管结合蛋白（micrtubule assciated prtein, MAP）微管结合域（micrtubule binding dmain）：与微管表面相互作用，稳定微管突出于微管表面结构域：与相邻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
图8-24 MAP2 和tau 蛋白诱导产生的微管束的结构
微管结合蛋白在神经元突起形成中的重要作用
Frm J. Chen et al. 1992. Nature 360: 674
Pht curtesy f Lynne Cassimeris, Lehigh University.
微管相关蛋白与微管结合
六、微管对细胞结构的组织作用
微管与细胞器的分布以及细胞的形态发生与维持有很大的关系微管极性排列方式与轴突内物质运输密切相关物质沿着微管定向转移为细胞内各种细胞器和生物大分子的不对称分布提供了可能染色体运动
tau prtein and Alzheimer’s Disease (AD)
七、细胞内依赖于微管的物质运输
依赖微管的马达蛋白驱动蛋白（kinesin）胞质动力蛋白（cytplasmic dynein, CyDn）将储存于ATP 中的化学能转化成机械能
图8-25 快速冷冻- 深度蚀刻电镜图像显示在轴突内部的微管和膜性细胞器之间有马达蛋白构成的横桥相连（箭头）
图8-26 膜状小泡在细胞质内运动
1. 驱动蛋白的分子结构及其功能
2 条重链：具有马达结构域2 条轻链：与重链尾部结合、具有货物结合功能
图8-27 驱动蛋白分子重链和轻链结构模式图驱动蛋白是由两条重链和二条轻链构成的异源四聚体。球状的马达结构域位于左侧（重链的N 端），从左向右分别是连接马达结构域的颈部，杆状区和由重链的C 端及轻链构成的扇形尾部
驱动蛋白家族成员的结构与功能
驱动蛋白超家族（kinesin superfamily prteins，KIFs）N- 驱动蛋白：马达结构域在肽链N-端，能从MT的负极向正极移动M- 驱动蛋白：马达结构域位于多肽链中部，结合在MT正极或负极端，使微管处于不稳定状态C- 驱动蛋白：马达结构域位于肽链C-端，从微管的正极向负极移动
图8-28 细胞内依赖于微管的物质运输系统胞质动力蛋白介导内质网至高尔基体之间、细胞胞吞泡至细胞内部的膜泡运输，而驱动蛋白家族的成员介导从高尔基体反面膜囊出芽小泡的运输
驱动蛋白的马达结构域上两个重要的功能位点：ATP 结合位点和微管结合位点驱动蛋白的运动主要涉及发生在两个马达结构域上ATP 的结合、水解和ADP 释放以及与自身构象变化相偶联等机械化学循环过程
2. 驱动蛋白沿微管运动的分子机制
“步行” 模型和“尺蠖” 爬行模型
“步 行”(hand ver hand) 模型
图8-29 驱动蛋白沿微管运动的步行模型驱动蛋白-1 有两条重链，其头部结构域（用L 和T 表示它们开始时所处的位置）伴随着ATP 的结合、水解和Pi 及ADP 的释放而在微管表面行走。在整个过程中，二个头部结构域至少有一个与微管处于结合状态
动力蛋白超家族细胞质动力蛋白(cytplasmic dynein)轴丝动力蛋白(axnemal dynein)重链含ATP 结合部位和微管结合部位
图8-30 细胞质动力蛋白结构示意图
（二）胞质动力蛋白及其功能
图8-31 胞质动力蛋白（2 个头部）和轴丝动力蛋白（3 个头部）分子的马达结构域
轴丝动力蛋白 axnemal dynein
内侧动力蛋白臂（inner dynein arms）和外侧动力蛋白臂（uter dynein arms）
Fig. Axneme structure and cmpnents
色素颗粒运动：颜色调节
八、纤毛和鞭毛的结构与功能
纤毛（cilia）和鞭毛（flagella）是突出于细胞表面的、高度特化的细胞结构
（一）纤毛的结构及组装
纤毛的外部是由细胞质膜的特化而成的纤毛膜，内部是由微管及其附属蛋白组装而成的轴丝轴丝是由250 多种不同的蛋白质组装而成的高度有序的结构轴丝微管排列方式主要有3 种模式：① 9+2 型；② 9+0 型；③ 9+4型轴丝微管正极端都指向纤毛或鞭毛顶端。外围二联体微管由A 管和B 管组成，A 管为完全微管，由13 个亚基环绕而成，B 管为不完全微管，仅由10 个亚基构成。中央微管均为完全微管基体外围含有9 组三联体微管，没有中央微管，呈“9+0”排列
起始于基体原生纤毛的形成和细胞周期紧密相关原生纤毛的形成分为4 个阶段纤毛的延伸和维持依赖于鞭毛内运输
图8-33 原生纤毛的形成过程
2. 纤毛的组装（发生）
图8-34 膜泡运输和鞭毛内运输驱动蛋白2 自鞭毛或纤毛的基部运送IFT 复合物B 至顶端，动力蛋白将IFT 复合物A 自鞭毛的顶端运向基部
（二）纤毛或鞭毛的运动机制
图8-35 纤毛或鞭毛的运动过程中相邻二联体微管的滑动模型A. 在分离的微管中：动力蛋白导致微管滑动；B. 在普通的鞭毛中：动力蛋白导致微管弯曲
从一个外周二联体微管的A 管伸出的动力蛋白的马达结构域在相邻的二联体的B 管上“行走”，导致二联体之间会产生滑动。在完整的纤毛或鞭毛内部，组成轴丝的9 组二联体微管之间，外周微管与中央鞘之间都有规律地分布着许多辅助蛋白，将微管横向连成一体，相邻二联体微管之间的滑动受到“整体性”的阻碍，于是纤毛动力蛋白的行走所产生的动力便转化成纤毛的局部弯曲运动
运动装置物理感受器（mechansensr）化学感受器动物胚胎发育过程中，影响躯体各器官正常分布参与了发育过程中两类信号通路Hh信号通路Wnt信号通路
httpwww.csmic-mindreach.cm/Cell_Primary_Cilia.html
九、纺锤体和染色体运动
纺锤体微管包括动粒微管、极微管和星体微管。动粒微管连接染色体动粒与中心体。极微管从两极发出，在纺锤体中部赤道区相互交错重叠。星体微管从中心体向周围呈辐射状分布有丝分裂过程中染色体的运动有赖于纺锤体微管的组装和解离
中间丝的主要类型和组成成分
中间丝与其他细胞结构的联系
中间丝又称中间纤维（intermediate filament，IF）
最初是在平滑肌细胞内发现；直径10 nm ；粗细介于肌细胞的粗肌丝和细肌丝之间；存在于绝大多数动物细胞内
图8-36 HeLa 细胞内的中间丝A. 经非离子去垢剂处理和高盐缓冲液抽提后的细胞质中间丝网络的电镜照片；B. 免疫荧光染色显示细胞质中间丝的分布
一、中间丝的主要类型和组成成分
不同组织来源的细胞表达不同类型的中间丝蛋白根据中间丝蛋白的氨基酸序列、基因结构、组装特性以及在发育过程的组织特异性表达模式等，可分为6 种主要类型
IF prteins are tissue-specific通常一种细胞含有一种中间纤维，少数含2种以上肿瘤细胞转移后仍保留源细胞的IF
不同种类的中间丝蛋白有非常相似的二级结构高度保守的杆状区高度多变的头部和尾部
图8-37 中间丝蛋白分子结构模式图中间丝蛋白的中部是由大约310 个氨基酸组成的杆状区，两侧是呈球状的N 端头部和C 端尾部。杆状区是中间丝蛋白最保守的区域，该区域被一段β 片层结构L12 分隔成螺旋1 和螺旋2，螺旋1 和螺旋2 又分别被2 段β 片层结构L1 和L2 分隔。两个中间丝蛋白分子平行排列形成双股螺旋的二聚体结构
二、中间丝的组装与表达
IF没有极性不需要ATP、GTP参与不表现为典型的踏车行为
Figure 16-19 Mlecular Bilgy f the Cell (© Garland Science 2008)
图8-38 中间丝的组装模型A. 由2 个中间丝蛋白亚基平行排列组装而成双股螺旋的二聚体；B. 两个二聚体按反向平行，半分子交叠的方式组装成中间丝组装的基本结构单位——四聚体；C. 四聚体首尾相连形成原纤维；D. 8 根原纤维构成圆柱状的10 nm 中间丝。E. 中间丝负染后的电子显微镜图像
三、中间丝与其他细胞结构的联系
核纤层：磷酸化与去磷酸化
图8-39 核纤层的结构A. 核纤层结构示意图；B. 非洲爪蟾卵细胞核膜经Tritn X-100 处理去膜，金属投影显示核纤层纤维网络
中间丝结合蛋白（IFAP）本身并不是中间丝结构组分蛋白，但在结构和功能上与中间丝蛋白有密切联系中间丝结合蛋白可介导中间丝交联成束、成网，并将中间丝连接到细胞质膜或其他细胞骨架上中间丝结合蛋白中研究最为清楚的是网蛋白（plectin），它可以使波形蛋白成束，也可以将中间丝与微管、微丝及II型肌球蛋白的纤维连接，还可以介导中间丝与细胞质膜的连接
Immunelectrn micrgraph f a fibrblast cells shwing plectin crss-link IFs and MT
提供机械稳定性维持细胞核膜稳定参与细胞连接参与信号转导参与细胞分化
单纯性疱性表皮松懈症（simplex epidermlysis bullsa）
角蛋白基因突变引起基底细胞内角蛋白的组成和结构异常
角蛋白网络的破坏导致起泡
真核细胞存在三种类型的细胞骨架
micrtubulelike
Intermediate filament-like
微丝网络结构的调节与细胞运动
肌球蛋白：依赖于微丝的分子马达
微丝（micrfilament, MF）
肌动蛋白丝（actin filament）纤维状肌动蛋白（fibrus actin, F-actin）直径7 nm 存在于所有真核细胞中微丝网络的空间结构与功能取决于与之相结合的微丝结合蛋白（micrfilament binding prtein）不同的微丝结合蛋白赋予了微丝网络不同的结构特征和功能
Neurnal grwth cne phts © Schaefer, Kabir, and Frscher, 2002. Originally published in The Jurnal f Cell Bilgy, 158: 139-152.
一、微丝的组成及其组装
主要结构成分：肌动蛋白（actin）球状 G-actin纤维状 F-actin裂缝 / 极性ATP/ADP结合位点二价阳离子（Mg2+ 或Ca2+）结合位点高度保守α- 肌动蛋白为横纹肌、心肌、血管平滑肌和肠道平滑肌所特有；β- 肌动蛋白和γ-肌动蛋白存在于所有的细胞中
图8-2 肌动蛋白和微丝的结构A. 肌动蛋白的三维结构（5.5 nm×5.5 nm×3.5 nm），1 分子ATP 和1 个的Mg2+ 结合于肌动蛋白分子中间的裂缝中；B. 微丝的结构模型，其中每一个肌动蛋白亚基与4 个相邻的亚基相互作用（上下各一个，侧面二个）；C. 微丝负染后的电镜图像
直径约7 nm 扭链肌动蛋白单体组装右手螺旋极性：具有裂缝的一端为负极，相反一端为正极
（二）微丝的组装及其动力学特性
ATP在肌动蛋白聚合中的作用
体外组装过程分为三个阶段
ATP帽（ATP Cap）与踏车行为（treadmilling）
当微丝末端聚合速度大于ATP水解的速度时, 会在末端形成一个ATP帽踏车行为：在体外组装过程中，微丝正极由于肌动蛋白亚基不断添加而延长，负极由于肌动蛋白亚基去组装而缩短的现象
图8-3 肌动蛋白组装过程中发生的踏车行为当体系中肌动蛋白的浓度处于临界浓度时，由于微丝两端结构上的差异，在微丝的正端进行肌动蛋白，而在负端则是去组装占优势。在统计学意义上，正极端延长，负极端缩短，但长度几乎不变
微丝细胞内组装：受微丝结合蛋白影响
成核过程需要Arp2/3 (actin related prtein，Arp) 复合物参与
Nature Reviews Mlecular Cell Bilgy 7, 713-726 (Octber 2006) | di:10.1038/nrm2026
Fig. Structure and functin f the ARP2/3 cmplex
细胞松弛素（cytchalasin）与微丝结合后将微丝切断，并结合在微丝末端阻抑肌动蛋白在该部位的聚合，但对微丝解聚没有明显影响破坏微丝网络结构，并阻止细胞的运动鬼笔环肽（phallidin）与微丝表面有强亲和力，不与肌动蛋白单体结合阻止微丝的解聚，使其保持稳定状态
（三）影响微丝组装的特异性药物
二、微丝网络结构的调节与细胞运动
细胞中大多数微丝结构处于动态的组装和去组装过程中，并通过这种方式实现其功能
微丝的组装与行为由微丝结合蛋白（actin binding prtein）严格调控细胞内肌动蛋白的组装在两个水平上受到微丝结合蛋白的调节：① 可溶性肌动蛋白的存在状态；② 微丝结合蛋白的种类及其存在状态
（一）非肌肉细胞内微丝的结合蛋白
1. 肌动蛋白单体结合蛋白
图8-4 肌动蛋白结合蛋白与微丝的组装在合适的条件下，结合ATP 的肌动蛋白既可以参与微丝正极端的组装，也可以在负极端进行组装。胸腺素β4 与肌动蛋白结合以后抑制微丝的组装。前纤维蛋白与肌动蛋白单体的底部结合，促进了微丝正极端的组装，但阻断了负极端的组装
3. 加帽蛋白（capping prtein）
图8-5 微丝的成核与加帽Arp2/3 复合物参与肌动蛋白的成核，并可与微丝结合启动侧枝的组装。微丝加帽蛋白可以结合在微丝的正极端或负极端，使末端处于稳定状态
成束蛋白（bundling prtein）将相邻的微丝交联成平行排列状态凝胶形成蛋白（gel-frming prtein）将微丝联接成网状
图8-6 微丝交联蛋白与微丝的相互作用A. 成束蛋白将相邻的微丝交联成束状结构。丝束蛋白和绒毛蛋白等交联而成的微丝束（左图）为紧密包装型。B. 由α- 辅肌动蛋白交联形成的微丝束内部相邻的纤维之间比较宽松。C. 细丝蛋白将微丝交联成网状结构
5. 割断及解聚蛋白
凝溶胶蛋白（gelslin）在高Ca2+（>1 μml/L）情况下能将较长微丝切断，使肌动蛋白由凝胶态转化成溶胶态丝切蛋白/ 肌动蛋白解聚因子（cfilin/actin deplymerizing factr，Cfilin/ADF）能与游离的肌动蛋白或微丝结合，提高微丝的解聚速度
Actin f gelslin in severing actin filaments
（二）细胞皮层（cell crtex）
细胞内大部分微丝都集中分布在紧贴细胞质膜的细胞质区域，并由微丝交联蛋白交联成凝胶态三维网络结构限制膜蛋白的流动性；为细胞质膜提供强度和韧性；维持细胞形状；细胞的多种运动，如胞质环流（cyclsis）、阿米巴运动（amibid）、变皱膜运动 （ruffled membrane lcmtin）、吞噬（phagcytsis）以及膜蛋白的定位等与皮层内肌动蛋白的溶胶态- 凝胶态转化相关
胞质环流（cyclsis）
原生生物：摄取食物巨噬细胞和中性粒细胞摄取营养物，清除病原体、衰老、凋亡的细胞吞噬作用是一个信号触发的过程
吞噬作用（phagcytsis）
Actin stress fibers (red) terminate in fcal adhesins (green). Nuclei are in blue
图8-7 应力纤维体外培养的星形胶质细胞用罗丹明标记的鬼笔环肽染色，显示在细胞内应力纤维和粘着斑的分布
体外培养的细胞在基质表面铺展时，常在细胞质膜的特定区域与基质之间形成紧密黏附的黏着斑。在紧贴黏着斑的细胞质膜内侧的大量成束状排列的微丝通过黏着斑与细胞外基质相连，可能在细胞形态发生、细胞分化和组织建成等方面发挥作用
图8-8 动物细胞边缘的伪足及其微丝的排列方式A. 用荧光标记的鬼笔环肽染色显示体外培养细胞内微丝的分布以及细胞周缘伸出的伪足；B. 应力纤维、细胞皮层和丝状伪足内部微丝的排列方式示意图
（四）细胞伪足的形成与细胞迁移
细胞迁移通过微丝的组装/ 去组装，以及与其它细胞结构组分的相互作用来实现成纤维细胞在基质或相邻细胞表面的迁移过程细胞在运动方向的前端伸出突起突起与基质之间形成新的锚定位点（如黏着斑），使突起附着在基质表面细胞以附着点为支点向前移动位于细胞后部的附着点与基质脱离，细胞的尾部前移片状伪足（lamellipdium）和丝状伪足（filpdium）的形成依赖于肌动蛋白的聚合，并由此产生推动细胞运动的力
图8-9 微绒毛中的微丝和微丝结合蛋白A. 微绒毛内部微丝及其结合蛋白排列结构模式图；B. 小肠上皮细胞表面微绒毛（纵切面）的电镜图像。C. 内耳耳蜗毛细胞顶端的静纤毛（微绒毛）横切面的电镜图像，实心箭头示微丝断面，空心箭头示微绒毛膜
（五）微绒毛（micrvilli）
微绒毛轴心是一束平行排列的微丝，对形态起支撑作用；下端终止于端网结构（terminal web）微丝结合蛋白在微丝束的形成、维持及其与细胞质膜的连接中发挥作用
由大量平行排列，极性相反的微丝组成动力来源于肌球蛋白所介导的极性相反微丝间的滑动
（六）胞质分裂环（收缩环）
图8-10 胞质分裂环A. 罗丹明（Rhdamine）标记的鬼笔环肽染色显示星形胶质细胞的胞质分裂过程中微丝的分布。染色质由DAPI 染色显示。B. 胞质分裂环模式图
三、肌球蛋白：依赖于微丝的分子马达
马达蛋白(mtr prtein) 可以分为3 类沿微丝运动的肌球蛋白（mysin）沿微管运动的驱动蛋白（kinesin）沿微管运动的动力蛋白（dynein）马达结构域与微丝或微管结合；货物结合结构域与膜性细胞器或大分子复合物特异结合能量转换：利用水解ATP 所提供能量沿微管或微丝运动
Mtr prteins cnsist f tw heads that “walk” alng a cytskeletal track, and a tail that is cnnected t carg r anther structure.
骨骼肌细胞内，多个Ⅱ型肌球蛋白分子组装成肌原纤维的粗肌丝马达结构域是肌球蛋白超家族成员最保守的部位，是肌球蛋白定性和分类的依据基于马达结构域多肽链一级结构的相似性，至少可以将肌球蛋白超家族的成员分成18 种家族
图8-11 II 型肌球蛋白分子和粗肌丝的结构示意图A. II 型肌球蛋白分子由两条具有马达结构域的重链和四条起调节作用的轻链构成。B. 由II 型肌球蛋白的尾部结构域相互作用而组装成的粗肌丝。
图8-12 部分肌球蛋白超家族成员的结构示意图A. 各类肌球蛋白分子的一级结构，黄色部分示马达结构域在多肽链中的位置；B. 一些肌球蛋白超家族成员重链的结构域比较。所有的肌球蛋白分子都具有相似的马达结构域，但它们C- 端和某些成员的N- 端扩展部分变化很大
肌球蛋白是沿微丝运动的马达分子，通常含有三个功能结构域马达结构域：位于肌球蛋白的头部，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；负责将ATP 水解所释放的化学能转变成机械能调控结构域：连接马达结构域和尾部杆状区的一段α 螺旋，轻链的结合部位，发挥杠杆作用尾部结构域：选择性与所运输的“货物”结合
1. Ⅱ型肌球蛋白：传统的肌球蛋白（cnventinal mysin）
肌细胞：组装成肌原纤维的粗丝非肌细胞：胞质分裂过程中收缩环的主要结构成分；应力纤维的结构成分包含2 条的重链和4条轻链，形成一个高度不对称的结构
用胰蛋白酶处理肌球蛋白分子，可产生轻酶解肌球蛋白（light mermysin，LMM）和重酶解肌球蛋白（heavy mermysin，HMM）。重酶解肌球蛋白经木瓜蛋白酶处理，形成肌球蛋白头部（HMM-S1）和杆部（HMM-S2）
图8-13 肌球蛋白的体外运动实验模式图纯化的肌球蛋白S1 片段被固定在盖玻片上，然后在体系中加入用荧光标记的微丝和ATP，在荧光显微镜下可观察到微丝在盖玻片表面滑动
2. 其他类型的肌球蛋白（uncnventinal mysin）
Ⅰ型肌球蛋白分子：一个头部（马达结构域）和一个尾部Ⅴ型肌球蛋白分子：两条肽链组成的二聚体；两个头部交替与微丝结合
肌纤维；肌原纤维（myfibrils）肌节（sarcmere）粗肌丝；细肌丝横桥
图8-14 骨骼肌及肌纤维的结构A. 肌纤维的三维结构模式图；B 和C. 肌细胞纵切面，低倍电镜图像显示处于松弛（B 上）和收缩（C 上）状态下肌小节中明带和暗带有规律地排列，下面的是根据电镜照片所画的当肌肉处于松弛和收缩状态下粗丝和细丝的结构模式图； D. 肌原纤维的横切面，显示暗带中粗丝排列状态；E. 肌原纤维暗带中粗丝和细丝交汇处的横切面，显示六根细丝围绕一根粗丝成六角形排列
图8-15 快速冷冻- 深度蚀刻电镜图像显示骨骼肌细胞中粗丝与细丝间的横桥
肌动蛋白原肌球蛋白（trpmysin，Tm）两条平行多肽链形成α螺旋构型，调节actin与mysin头部的结合肌钙蛋白（trpnin，Tn）Tn-C与Ca2+ 结合Tn-T与原肌球蛋白有高度亲和力Tn-I抑制肌球蛋白马达结构域的ATP 酶活性
图8-16 细肌丝的分子结构示意图显示原肌球蛋白和肌钙蛋白沿肌动蛋白丝的分布状况，每个原肌球蛋白分子镶崁在肌动蛋白丝的沟槽内，前后连接7 个肌动蛋白亚基
肌肉收缩系统中的其他蛋白组分
将细肌丝锚定于Z盘或质膜上的蛋白：① CapZ，由两个亚基构成，定位于Z 盘，与肌动蛋白丝正极端结合，使肌动蛋白丝保持稳定② α- 辅肌动蛋白，组装成反向平行的二聚体，是骨骼肌Z 盘、平滑肌的电子致密部区（致密斑和致密体）及心肌闰盘的主要成分之一，可将微丝横向连接成束③ 纽蛋白（vinculin），又名粘着斑蛋白，是一种细胞膜骨架蛋白，定位于粘着斑部位介导整联蛋白和微丝之间的联系。也位于平滑肌细胞的致密区、心肌闰盘，介导微丝与细胞质膜等的结合在肌节中起结构作用的蛋白：① 肌联蛋白（cnnectin），长度达1 μm，具有弹性，连接Z盘与肌球蛋白纤维，在肌肉收缩或舒张时将粗肌丝定位于肌节中央② 伴肌动蛋白（nebulin），从Z 盘伸出，与肌动蛋白丝伴行，可能参与调节肌动蛋白丝的组装③ 肌营养不良蛋白（dystrphin），可能参与微丝与质膜的锚定作用，对防止肌纤维退化也很重要
肌肉收缩的基本过程动作电位的产生Ca2＋的释放原肌球蛋白位移细肌丝与粗肌丝之间的相对滑动
（二）肌肉收缩的滑动模型
图8-17 肌肉收缩过程图解在初始状态， 组成粗肌丝的肌球动蛋白的马达结构域上没有ATP 时， 该马达结构域与细肌丝结合，并成僵直状态。1-2. ATP 结合到马达结构域导致其与细肌丝的结合力下降，肌球蛋白与肌动蛋白分开；3. ATP 水解，但ADP+Pi仍与肌球蛋白结合，获能的肌球蛋白头部发生旋转，向细丝的正极端（Z 盘一侧） 抬升；4. 在Ca2+ 存在的条件下，肌球蛋白头部与靠近细肌丝正极端的一个肌动蛋白亚基结合；5. Pi 释放，肌球蛋白颈部结构域发生构象变化，导致马达结构域与细肌丝的角度发生变化，拉动细肌丝导致细肌丝与粗肌丝做相对滑动。6. ADP 释放，肌球蛋白的马达结构域与细肌丝之间又回到僵直状态
滑行学说（sliding thery）
Phsphrylatin f mysin II by mysin light-chain kinase (MLCK)
Fig. Phsphrylatin f Smth Muscle and Nnmuscle Mysin. Bth smth muscle and nnmuscle mysin II are regulated by phsphrylatin f the regulatry light chains. An influx f calcium ins int the cell allws the calcium-calmdulin cmplex t bind mysin light-chain kinase (MLCK), which in turn phsphrylates the mysin light chains. The activated (and uncurled) mysin can then bind t actin.
微管结合蛋白对微管网络结构的调节
微管对细胞结构的组织作用
纤毛和鞭毛的结构与功能
图8-18 微管和微管蛋白A. 微管蛋白二聚体的三维结构模型。α- 微管蛋白和β- 微管蛋白各结合1 分子的GTP，它们在相互作用的界面上呈互补关系；B. 微管的结构模式图。上面为微管的横切面，显示由13 个微管蛋白亚基组成的环状结构，下面为一段微管的侧面观，显示13 根原纤丝合拢成微管时的位置关系。C. 微管负染后的电镜图像，显示微管蛋白亚基和原纤丝的排列方式。D. 免疫荧光染色显示HeLa 细胞中的微管（绿色）网络结构，大部分微管源自中心体，也有一部分微管并不与中心体（黄色）相连
Micrtubules rerganize during the cell cycle
一、微管的结构组成与极性
基本结构单位：αβ-微管蛋白二聚体（细胞质内游离态微管蛋白的主要存在形式）GTP 结合位点不可交换位点：α-微管蛋白可交换位点：β- 微管蛋白二价阳离子结合位点秋水仙素结合位点长春花碱结合位点
13 根原纤丝（prtfilament）合拢构成微管的管壁极性：α- 微管蛋白所在一端为（-）；β- 微管蛋白所在一端为（+）
图8-19 微管组装的过程与踏车行为A. α/β- 微管蛋白首先组装成原纤丝；B. 原纤丝侧向相互作用形成片层；C. 由13 根原纤丝合拢形成的微管，α/β- 微管蛋白从两端加入（或解聚）使微管延长（或缩短）。当体系中α/β- 微管蛋白的浓度处于临界浓度时，微管蛋白在微管的正极端组装的速度与在负极端去组装的速度相等，微管的长度可保持不变
单管：细胞质微管或纺锤体微管二联管：纤毛或鞭毛中的轴丝微管三联管：中心体或基体的微管
二、微管的组装和去组装
Fig. Micrtubule Assembly Dynamics and Organizatin in Higher Plant Cells. Micrtubules are cmpsed f α/β-tubulin heterdimers that are assembled in a head-t-tail fashin t frm linear prtfilaments that assciate laterally within the typical 13-prtfilament, 25-nm micrtubule. The β-tubulin end is fast grwing and the mre dynamic end (+end), whereas the α-tubulin end is slw grwing and the less dynamic end (–end). Under cnditins where the minus-ends f the micrtubules are anchred, nly the freely expsed plus-ends are dynamic and exhibit perids f grwth and shrtening with stchastic transitins between these tw phases (dynamic instability). If bth ends f the micrtubules are freely accessible t the sluble tubulin subunits, then the assembly dynamics may be marked by net plymerizatin at the plus-ends and net deplymerizatin at the minus-ends, thereby leading t a directinal subunit flux (shwn by the gray subunits) and an apparent repsitining f the plymer ver time (treadmilling).
微管在体外的组装过程可以分为成核（nucleatin）和延伸（elngatin）两个阶段微管的组装速度同样与其底物（携带GTP 的α/β- 微管蛋白）的浓度呈正相关
（一）微管的体外组装与踏车行为
微管的体外组装与踏车行为
图8-20 微管的动态不稳定性依赖于微管末端β- 微管蛋白上GTP 的水解与否当体系中α/β- 微管蛋白的浓度高于临界浓度时，微管组装的速度大于GTP 水解的速度，在微管末端部位的β- 微管蛋白上带有GTP（左侧）。而体系中游离微管蛋白的浓度等于或低于临界浓度时，微管末端的β- 微管蛋白上GTP 水解的速度可能会高于微管组装的速度，GTP 的水解导致微管蛋白聚合物构象的变化，原纤丝发生弯曲，微管倾向于解聚（右侧）
秋水仙素诺考达唑紫杉醇长春花（新）碱
紫杉醇秋水仙素长春花碱诺考达唑
结合并稳定微管结合微管蛋白单体并阻止其聚合结合微管蛋白单体并阻止其聚合促使微管解聚
（二）作用于微管的特异性药物
三、微管组织中心（MTOC）体内组装
MTOC(micrtubule rganizing centers)：在细胞内起始微管的成核作用，并使之延伸的结构如动物细胞的细胞核附近的中心体，纤毛和鞭毛基部的基体以及上皮细胞顶端面高尔基体的反面网状结构
httpsdi.rg/10.
各种组织细胞类型中MTOC和微管微管（红色）由MTOCs（蓝色）组织形成，其排列和定位因细胞类型而异。
中心体含有一对彼此垂直的桶状中心粒无定形的中心粒外周物质；9组三联体微管微管起源于中心粒外周物质区域（PCM） γ- 微管蛋白在中心体的周质中形成的环状结构可诱导微管的成核与组装
图8-21 中心体的微管成核作用
图8-22 中心体的结构及微管的成核A. 中心体结构示意图，显示成对的中心粒以及外周物质（PCM）；B. 中心粒横切面的电镜照片，显示9 组微管三联体结构呈风车状排列；C. 显示一对垂直分布的中心粒及其起源于外周物质的微管；D. 大部分中心体微管的组装起始于PCM 上的γ- 微管蛋白环状复合物
MT由含有γ-微管蛋白的蛋白复合物成核
Figure 16-30b Mlecular Bilgy f the Cell (© Garland Science 2008)
（二）基体和其他微管组织中心
基体：9 组三联体微管；自我复制其他MTOC：高尔基体的反面膜囊区域和上皮细胞的顶端面等
图8-32 基体及轴丝的结构和示意图A. 四膜虫纤毛横切面的电镜图像。B. 轴丝微管及其附属结构示意图。1. 轴丝的横切面，其外围是9 组相互联系的微管二联体，中央是由中央鞘包围的两根微管。2. 基体横切面，其外围是9 组相互联系的微管三联体
四、微管的动力学性质
微管的稳定性与其所结合的细胞结构组分以及细胞的生理状态相关不同状态的微管其稳定性差异很大 在神经元分化过程中的作用
图8-23 活细胞内微管的动态不稳定性将GFP-tubulin 转染S2 细胞，该融合蛋白表达后可参与微管的组装。图像显示在细胞边缘的微管交替地缩短和伸长。从左到右每张截图的时间间隔为9 秒，箭头示正处于组装（伸长）或去组装（缩短）过程中的微管
动态不稳定性是指生长和收缩的微管可以共存于细胞的同一区域，并且给定的微管可以在生长和缩短阶段之间来回切换。
五、微管结合蛋白对微管网络结构的调节
微管结合蛋白（micrtubule assciated prtein, MAP）微管结合域（micrtubule binding dmain）：与微管表面相互作用，稳定微管突出于微管表面结构域：与相邻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
图8-24 MAP2 和tau 蛋白诱导产生的微管束的结构
微管结合蛋白在神经元突起形成中的重要作用
Frm J. Chen et al. 1992. Nature 360: 674
Pht curtesy f Lynne Cassimeris, Lehigh University.
微管相关蛋白与微管结合
六、微管对细胞结构的组织作用
微管与细胞器的分布以及细胞的形态发生与维持有很大的关系微管极性排列方式与轴突内物质运输密切相关物质沿着微管定向转移为细胞内各种细胞器和生物大分子的不对称分布提供了可能染色体运动
tau prtein and Alzheimer’s Disease (AD)
七、细胞内依赖于微管的物质运输
依赖微管的马达蛋白驱动蛋白（kinesin）胞质动力蛋白（cytplasmic dynein, CyDn）将储存于ATP 中的化学能转化成机械能
图8-25 快速冷冻- 深度蚀刻电镜图像显示在轴突内部的微管和膜性细胞器之间有马达蛋白构成的横桥相连（箭头）
图8-26 膜状小泡在细胞质内运动
1. 驱动蛋白的分子结构及其功能
2 条重链：具有马达结构域2 条轻链：与重链尾部结合、具有货物结合功能
图8-27 驱动蛋白分子重链和轻链结构模式图驱动蛋白是由两条重链和二条轻链构成的异源四聚体。球状的马达结构域位于左侧（重链的N 端），从左向右分别是连接马达结构域的颈部，杆状区和由重链的C 端及轻链构成的扇形尾部
驱动蛋白家族成员的结构与功能
驱动蛋白超家族（kinesin superfamily prteins，KIFs）N- 驱动蛋白：马达结构域在肽链N-端，能从MT的负极向正极移动M- 驱动蛋白：马达结构域位于多肽链中部，结合在MT正极或负极端，使微管处于不稳定状态C- 驱动蛋白：马达结构域位于肽链C-端，从微管的正极向负极移动
图8-28 细胞内依赖于微管的物质运输系统胞质动力蛋白介导内质网至高尔基体之间、细胞胞吞泡至细胞内部的膜泡运输，而驱动蛋白家族的成员介导从高尔基体反面膜囊出芽小泡的运输
驱动蛋白的马达结构域上两个重要的功能位点：ATP 结合位点和微管结合位点驱动蛋白的运动主要涉及发生在两个马达结构域上ATP 的结合、水解和ADP 释放以及与自身构象变化相偶联等机械化学循环过程
2. 驱动蛋白沿微管运动的分子机制
“步行” 模型和“尺蠖” 爬行模型
“步 行”(hand ver hand) 模型
图8-29 驱动蛋白沿微管运动的步行模型驱动蛋白-1 有两条重链，其头部结构域（用L 和T 表示它们开始时所处的位置）伴随着ATP 的结合、水解和Pi 及ADP 的释放而在微管表面行走。在整个过程中，二个头部结构域至少有一个与微管处于结合状态
动力蛋白超家族细胞质动力蛋白(cytplasmic dynein)轴丝动力蛋白(axnemal dynein)重链含ATP 结合部位和微管结合部位
图8-30 细胞质动力蛋白结构示意图
（二）胞质动力蛋白及其功能
图8-31 胞质动力蛋白（2 个头部）和轴丝动力蛋白（3 个头部）分子的马达结构域
轴丝动力蛋白 axnemal dynein
内侧动力蛋白臂（inner dynein arms）和外侧动力蛋白臂（uter dynein arms）
Fig. Axneme structure and cmpnents
色素颗粒运动：颜色调节
八、纤毛和鞭毛的结构与功能
纤毛（cilia）和鞭毛（flagella）是突出于细胞表面的、高度特化的细胞结构
（一）纤毛的结构及组装
纤毛的外部是由细胞质膜的特化而成的纤毛膜，内部是由微管及其附属蛋白组装而成的轴丝轴丝是由250 多种不同的蛋白质组装而成的高度有序的结构轴丝微管排列方式主要有3 种模式：① 9+2 型；② 9+0 型；③ 9+4型轴丝微管正极端都指向纤毛或鞭毛顶端。外围二联体微管由A 管和B 管组成，A 管为完全微管，由13 个亚基环绕而成，B 管为不完全微管，仅由10 个亚基构成。中央微管均为完全微管基体外围含有9 组三联体微管，没有中央微管，呈“9+0”排列
起始于基体原生纤毛的形成和细胞周期紧密相关原生纤毛的形成分为4 个阶段纤毛的延伸和维持依赖于鞭毛内运输
图8-33 原生纤毛的形成过程
2. 纤毛的组装（发生）
图8-34 膜泡运输和鞭毛内运输驱动蛋白2 自鞭毛或纤毛的基部运送IFT 复合物B 至顶端，动力蛋白将IFT 复合物A 自鞭毛的顶端运向基部
（二）纤毛或鞭毛的运动机制
图8-35 纤毛或鞭毛的运动过程中相邻二联体微管的滑动模型A. 在分离的微管中：动力蛋白导致微管滑动；B. 在普通的鞭毛中：动力蛋白导致微管弯曲
从一个外周二联体微管的A 管伸出的动力蛋白的马达结构域在相邻的二联体的B 管上“行走”，导致二联体之间会产生滑动。在完整的纤毛或鞭毛内部，组成轴丝的9 组二联体微管之间，外周微管与中央鞘之间都有规律地分布着许多辅助蛋白，将微管横向连成一体，相邻二联体微管之间的滑动受到“整体性”的阻碍，于是纤毛动力蛋白的行走所产生的动力便转化成纤毛的局部弯曲运动
运动装置物理感受器（mechansensr）化学感受器动物胚胎发育过程中，影响躯体各器官正常分布参与了发育过程中两类信号通路Hh信号通路Wnt信号通路
httpwww.csmic-mindreach.cm/Cell_Primary_Cilia.html
九、纺锤体和染色体运动
纺锤体微管包括动粒微管、极微管和星体微管。动粒微管连接染色体动粒与中心体。极微管从两极发出，在纺锤体中部赤道区相互交错重叠。星体微管从中心体向周围呈辐射状分布有丝分裂过程中染色体的运动有赖于纺锤体微管的组装和解离
中间丝的主要类型和组成成分
中间丝与其他细胞结构的联系
中间丝又称中间纤维（intermediate filament，IF）
最初是在平滑肌细胞内发现；直径10 nm ；粗细介于肌细胞的粗肌丝和细肌丝之间；存在于绝大多数动物细胞内
图8-36 HeLa 细胞内的中间丝A. 经非离子去垢剂处理和高盐缓冲液抽提后的细胞质中间丝网络的电镜照片；B. 免疫荧光染色显示细胞质中间丝的分布
一、中间丝的主要类型和组成成分
不同组织来源的细胞表达不同类型的中间丝蛋白根据中间丝蛋白的氨基酸序列、基因结构、组装特性以及在发育过程的组织特异性表达模式等，可分为6 种主要类型
IF prteins are tissue-specific通常一种细胞含有一种中间纤维，少数含2种以上肿瘤细胞转移后仍保留源细胞的IF
不同种类的中间丝蛋白有非常相似的二级结构高度保守的杆状区高度多变的头部和尾部
图8-37 中间丝蛋白分子结构模式图中间丝蛋白的中部是由大约310 个氨基酸组成的杆状区，两侧是呈球状的N 端头部和C 端尾部。杆状区是中间丝蛋白最保守的区域，该区域被一段β 片层结构L12 分隔成螺旋1 和螺旋2，螺旋1 和螺旋2 又分别被2 段β 片层结构L1 和L2 分隔。两个中间丝蛋白分子平行排列形成双股螺旋的二聚体结构
二、中间丝的组装与表达
IF没有极性不需要ATP、GTP参与不表现为典型的踏车行为
Figure 16-19 Mlecular Bilgy f the Cell (© Garland Science 2008)
图8-38 中间丝的组装模型A. 由2 个中间丝蛋白亚基平行排列组装而成双股螺旋的二聚体；B. 两个二聚体按反向平行，半分子交叠的方式组装成中间丝组装的基本结构单位——四聚体；C. 四聚体首尾相连形成原纤维；D. 8 根原纤维构成圆柱状的10 nm 中间丝。E. 中间丝负染后的电子显微镜图像
三、中间丝与其他细胞结构的联系
核纤层：磷酸化与去磷酸化
图8-39 核纤层的结构A. 核纤层结构示意图；B. 非洲爪蟾卵细胞核膜经Tritn X-100 处理去膜，金属投影显示核纤层纤维网络
中间丝结合蛋白（IFAP）本身并不是中间丝结构组分蛋白，但在结构和功能上与中间丝蛋白有密切联系中间丝结合蛋白可介导中间丝交联成束、成网，并将中间丝连接到细胞质膜或其他细胞骨架上中间丝结合蛋白中研究最为清楚的是网蛋白（plectin），它可以使波形蛋白成束，也可以将中间丝与微管、微丝及II型肌球蛋白的纤维连接，还可以介导中间丝与细胞质膜的连接
Immunelectrn micrgraph f a fibrblast cells shwing plectin crss-link IFs and MT
提供机械稳定性维持细胞核膜稳定参与细胞连接参与信号转导参与细胞分化
单纯性疱性表皮松懈症（simplex epidermlysis bullsa）
角蛋白基因突变引起基底细胞内角蛋白的组成和结构异常
角蛋白网络的破坏导致起泡
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