第二军医大学-上海第二军医大学医学细胞生物学精品课程

第 二 军 医 大 学

细胞生物学 教 案

第 8 次课 教学方式 课堂讲授 授课单位（教研室） 细胞生物学教研室

授课时间 2005年 10 月31日 教员姓名 谢东甫 职务 讲 师

题

目 第五章 细胞骨架 教学班次 药学专升本06级

学时数 2学时

本

课

目

的、重

点

和

难

点

目的：1、掌握细胞骨架概念、组成及功能；

2、掌握微管、微丝、中间丝的结构与功能；

3、研究进展与临床应用

重点：1、细胞骨架的概念；

2、微管、微丝、中间丝的结构与功能。

难点：微丝和中间丝的组装、分类、分布。

授

课

设

计

概述：以完整和动态的观点介绍细胞骨架的概念。

详解：分别讲解微管、微丝、中间丝的结构与功能。注意其结构特点与其功能紧密联系。

结语：通过对三种蛋白丝的结构与功能的回顾，使同学们更清楚的了解细胞骨架地完整性、动态性与其内在联系。

教研室审阅意

第2页共18页 见

——————（教学组长或主任签名）

内 容 教具及时间分配

第五章 细胞骨架 (Cytoskeleton)

本次课我们将认识一个新的细胞器：细胞骨架（cytoskeleton）。顾名思义，细胞骨架自然是指细胞的骨骼系统，从其英文名我们也可以看出来，cyto—，大家应该很熟悉这个前缀，意指细胞；而skeleton乃骨骼之义。但如果将cytoskeleton定义为细胞的骨骼系统，则是不够准确和不全面的。事实上，Cytoskeleton不仅使细胞的骨骼，还是细胞的肌肉与神经。因为它是一个高度动态的结构，在细胞分裂、对周围环境做出反应或是变换形状时一刻不停的重组，并且直接与细胞的大幅度运动有关，例如细胞沿物体表面的爬行，肌细胞的收缩，以及胚胎发育时细胞形状的改变。我们现在就来看一看培养中上皮细胞与体内中性粒细胞的运动。（插入影片）

除了细胞作为一个整体的运动，细胞内部其实也一直处于运动之中，而细胞骨架为胞内运动提供了机械装置：例如把细胞器从胞内的一处送到另一处，有丝分裂时把染色体送往两个子细胞，以及动物细胞分裂时分裂沟的形成。听起来Cytoskeleton还是细胞内的高速铁路网与一个高度垄断的铁路公司。如此看来，将细胞骨架说成是一个细胞器实在是大大不妥，细胞骨架不仅在维持细胞形态，承受外力、保持细胞内部结构的有序性方面起重要作用，而且还参与许多重要的生命活动，如：在细胞分裂中细胞骨架牵引染色体分离，在细胞物质运输中，各类小泡和细胞器可沿着细胞骨架定向转运；在肌肉细胞中，细胞骨架和它的结合蛋白组成动力系统；在白细胞(白血球)的迁移、精子的游动、神经细胞轴突和树突的伸展等方面都与细胞骨架有关。另外，在植物细胞中细

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第3页共18页 胞骨架指导细胞壁的合成。可以这么说，细胞骨架是细胞内除了生物膜体系和遗传信息表达体系外的第三类重要结构体系。

1928年，前苏联生物学家Koltzoff根据细胞所表现出来的现象曾指出：“原生质中存在着一种有一定结构的纤维状成分，每一个细胞就是一个由液体成分和硬性骨架组成的体系，细胞依靠这些骨架纤维保持着一定的外形。20世纪40年代后期，Wyssting根据细胞质具有许多凝胶的理化性质，提出了细胞之中含有细丝组成的网络结构，并阐述了其与细胞质凝胶性质的关系。上世纪60年代，Slauterback（1963）使 用戊二醛代替锇酸，在常温下固定标本，首先在水螅刺细胞中发现了细胞骨架成分之一微管。同年Porter在植物细胞中也发现了这种结构，从而开始了解组成细胞骨架的纤维性质。近十几年来，由于科技的进步，研究设备和手段的创新，使得生物学家有条件去进一步观察细胞中的纤维网络，从而更深刻的了解细胞骨架的成分。

细胞骨架的概念一直在不断的发展中，一般意义上的细胞骨架是指存在于细胞质内的蛋白纤维网架系统，即细胞质骨架，建立在有三类蛋白丝组成的网络上：中间丝(intermediate filament, IF)、微管(microtubule, MT)和微丝(microfilament)（肌动蛋白丝，actin filament）。

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10min

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概 述

一、细胞骨架建立在由三类蛋白丝组成的网络上：中间丝或中间纤维(10nm)、微管(24~26nm)和微丝或肌动蛋白丝(5~8nm)。

每一类纤维有不同的蛋白亚基形成，微管蛋白是微管的亚基，肌动蛋白是肌动蛋白丝的亚基，而另一个纤维蛋白家族组成了中间丝。在每一种情况下，成千上万的亚基聚合形成一条不分叉的蛋白质长线，有时可横跨整个细胞。

二、细胞骨架在细胞的形态维持、运动和信息传递中具有重要功能。

（一）细胞骨架构成细胞内支撑和区域化的网架。

1.构成细胞的支撑网架系统：三种骨架成分在细胞中相互交错形成一个精细的网络，维持细胞的形态，为细胞提供机械支持力。

2. 维持细胞内部结构有序性：细胞骨架为细胞内的各种细胞器提供附着位点，它们相互交叉贯穿在整个细胞中，为各种细胞器在细胞内的分布与区域化提供网络支持。

（二）细胞骨架参与细胞的运动和细胞内物质的运输。

1. 细胞的运动：如细胞迁移时伪足的形成与变形运动就是由细胞骨架参与完成的。有些单细胞靠纤毛（cilia）和鞭毛（flagella）进行运动，如镜子、鞭毛虫、纤毛虫的运动。

2. 细胞内物质运输与细胞器的位移：细胞骨架为细胞内物质运输提供了轨道，细胞内各类运输小跑、分泌颗粒等可以沿着细胞骨架提供的轨道进行定向运输，如神经元轴突的快速胞浆转运，小泡和蛋白质颗粒沿着轴突中的微管在胞体和突触之间快速运输；细胞分裂后期，纺锤丝微管牵引着染色体向细胞两极移动等。

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第5页共18页 （三）细胞骨架具有信息传递功能。

近年来研究发现，细胞骨架中微丝、中间纤维为mRNA提供了锚着位点，参与了多肽的合成。细胞骨架成分常同质膜内表面接触，这对于细胞外环境中的信号在细胞内的传导起着重要的作用。细胞骨架的重要功能是与它们结构上的高度动态性以及一些相关结合蛋白的参与分不开的。

三、细胞骨架的研究方法要能反映细胞骨架完整性和动态性的特点。

——下面我们从为细胞提供机械支撑的中间丝开始，来依次了解这三类蛋白丝的结构与功能。我们要看看在爬行的成纤维细胞中肌动蛋白丝如何提供动力，以及由微管组成的细胞附属物是如何驱动可泳动的细胞如原生动物和精子的。

第一节 中间丝（intermediate filament, IF）

中间丝（intermediate filament）是由中间丝蛋白组成的直径为10nm左右的绳状纤维。中间丝蛋白家族很大，有种种不同的成员。有一类中间丝形成紧贴在核被膜内面的网筛状核纤层（nuclear lumina）。其他类型在细胞质中伸展，使细胞具有机械强度，并通过从一个细胞连接（cell-cell junction）穿越细胞质到另一个细胞连接，使整个上皮组织具有机械应力。从中间丝的分布我们也可以看出，细胞骨架并非局限于细胞质内。

中间丝有很强的抗拉强度，因而它们的主要功能就是使细胞在被牵拉时能经受住机械力的作用。它们最初在平滑肌细胞中被发现，由于其直径（约10nm）介于平滑肌细胞中细的肌动蛋白丝和较粗的肌球蛋白丝之间，因此称为中间丝。中间丝在三类细胞骨架丝中是最为坚韧和耐久的：当细胞用高盐和非离子去垢剂处理时，只有中间丝可以保留，其余大部分的细胞骨架都被破坏了。在绝大

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第6页共18页 多数动物细胞的胞质中都可以找到中间丝。它们很典型的形成满布在胞质中的网络，包围着细胞核，还延伸到细胞膜的周边，在那里它们往往锚着在细胞膜上的细胞连接上，而该处的细胞外表面是与另一细胞相连的。在所有的真核细胞中，位于核被膜之下并增加其强度的中间丝网络成为核纤层。

一、类型

IF是一类形态上非常相似，而化学组成上有明显差异的蛋白质，成分比微丝和微管都复杂，可根据组织来源的免疫原性分为5类(图9-25)：角蛋白（keratin）、结蛋白（desmin）、胶质原纤维酸性蛋白（glial fibrillary acidic protein）、波形纤维蛋白（vimentin）、神经纤丝蛋白(neurofilament protein)，此外细胞核中的核纤肽（lamin）也是一种中间纤维。

中间纤维具有组织特异性，不同类型细胞含有不同IF蛋白质。肿瘤细胞转移后仍保留源细胞的IF，因此可用IF抗体来鉴定肿瘤的来源。如乳腺癌和胃肠道癌，含有角蛋白，因此可断定它来源于上皮组织。大多数细胞中含有一种中间纤维，但也有少数细胞含有2种以上，如骨骼肌细胞含有结蛋白和波形蛋白。

二、结构

中间纤维蛋白分子由一个310个氨基酸残基形成的α螺旋杆状区，以及两端非螺旋化的球形头（N端）尾（C端）部构成。

IF的装配过程与MT、MF相比较为复杂。根据X衍射，电镜观察和体外装配的实验结果推测，中间纤维的装配过程如下：

①两个单体，形成两股超螺旋二聚体（角蛋白为异二聚体）；

②两个二聚体反向平行组装成四聚体，三个四聚体长向连成原丝；

③两个原丝组成原纤维；

④8根原纤维组成中间纤维，横切面具有32个单体。

由于IF是由反向平行的α螺旋组成的，所以和微丝微管不同的是，它没有

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