细胞骨架（真核细胞中的蛋白纤维网架体系）-趣爱秀

作用

细胞骨架（cytoskeleton）是指真核细胞中的蛋白纤维网络结构，发现较晚，主要是因为一般电镜制样采用低温（0-4℃）固定，而细胞骨架会在低温下解聚。直到20世纪60年代后，采用戊二醛常温固定，才逐渐认识到细胞骨架的客观存在。真核细胞借以维持其基本形态的重要结构，被形象地称为细胞骨架，它通常也被认为是广义上细胞器的一种。

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，在植物细胞中细胞骨架指导细胞壁的合成。

微管

微管（microtubule）可在所有哺乳类动物细胞中存在，直径大于12nm，除了红细胞(红血球)外，所有微管均由约55kD的α及β微管蛋白（tubulin）组成。它们正常时以（αβ）二聚体形式存在,并以头尾相连的方式聚合，形成微管蛋白原纤维（protofilament），一般由13根这样的原纤维构成一个中空的微管，直径22~25nm。少数变异的微管如线虫等所有的则有其他数目的原纤维。微管确定膜性细胞器（membrane-enclosedorganelle）的位置和作为膜泡运输的导轨。微管是细胞骨架的架构主干，并也是某些胞器的主体，例如中心粒(centriole)就是由9组3联微管组成的构造，而真核生物的纤毛(cilium)与鞭毛(flagellum)也是由以微管为9+2结构，即由9个二联微管和一对中央微管构成，其中二联微管由AB两个管组成，A管由13条原纤维组成，B管由10条原纤维组成，两者共享5条。A管对着相邻的B管伸出两条动力蛋白臂，并向鞭毛中央发出一条辐。基体的微管组成为9+0，并且二联微管为三联微管所取代。组成的轴丝(axoneme)为主体。

从各种组织中提纯微管蛋白可以发现还存在一些其他蛋白成分（5%-20%），称之谓微管相关蛋白（microtubeassociatedproteinsMAPs）。这些蛋白具有组织特异性，表现出从相同αβ二聚体聚合形成的微管具有独特的性质，已从人类不同组织中发现了多种α及β微管蛋白，并追踪微管基因表现出部分基因家族，某些基因被认为是编码独特的微管蛋白。

微管形成的有些结构是比较稳定的，是由于微管结合蛋白的作用和酶修饰的原因。如神经细胞轴突、纤毛和鞭毛中的微管纤维。大多数微管纤维处于动态的聚合和灾变(一种突然的，迅速的，一般不可逆转的分解)状态，这是实现其功能所必需的性质（如纺锤体）。与秋水仙素(colchicine)结合的微管蛋白可加合到微管上，并阻止其他微管蛋白单体继续添加，进而破坏纺锤体的结构，长春花碱具有类似的功能。紫杉酚(taxol)，能促进微管的聚合，并使已形成的微管稳定，然而这种稳定性会破坏微管的正常功能。这些药物可以利用破坏微管功能以阻止细胞分裂，成为癌症治疗的新希望。

在人类至少发现两种明显区别的α-微管蛋白及三种明显区别的β-微管基因，它们产生具有特定功能的微管蛋白mRNA，由于这些编码在结构组分上十分近似蛋白质分子，在不同组织存在多少特异性的具有差异表达的微管蛋白亚型，尚待深入研究。

除了α-与β-微管蛋白有编码相似的不同变异型，近几年来又发现了多种编码差异更大的新的微管蛋白，形成不同的基因家族。其中gamma微管蛋白位于细胞内的微管组织中心（microtubuleorganizingcenter,MTOC），是用以提供α及β微管蛋白进行聚合反应形成微管的起始核心。而delta与epsilon则被认为与中心体(centrosome)的结构与形成有关。其他尚有eta,zeta,theta等等多种变异，不过通常仅存在少数几种真核单细胞生物如原虫或纤毛虫里，可能跟这些生物独特的结构与生理习性有关，进一步详情仍待研究。

微丝

微丝（microfilament）也普遍存在于所有真核细胞中，是一个实心状的纤维，直径为4nm-7nm一般细胞中含量约占细胞内总蛋白质的1%-2%，但在活动较强的细胞中可占20%-30%。在一般细胞主要分布于细胞的表面，直接影响细胞的形状。微丝具有多种功能，在不同细胞的表现不同，在肌细胞组成粗肌丝、细肌丝，可以收缩（收缩蛋白），在非肌细胞中主要起支撑作用、非肌性运动和信息传导作用。

微丝主要由肌动蛋白（actin）构成，和肌球蛋白（myosin，一种‎‎‎分子马达蛋白）一起作用，使细胞运动。它们参与细胞的变形虫运动、植物细胞的细胞质流动与肌肉细胞的收缩：

植物细胞的细胞质流动：微丝中的actin(肌动蛋白)与myosin(肌球蛋白)在细胞质形成三维的网络体系。actin位于外质，myosin位于内质。myosin连结着细胞质颗粒，由ATP供给能量，myosin与细胞质颗粒的结合体沿着actinfilament滑动，从而带动整个细胞质的环流。

变形虫运动(amoeboidmovememt，阿米巴运动)：肌肉细胞的收缩：

如同微管蛋白，肌动蛋白的基因组成一个超家族，并组成多种极为相似的结构。例如，各种肌肉细胞有不同的肌动蛋白：①骨骼肌的条纹纤维；②心肌的条纹纤维；③血管壁的平滑肌；④胃肠道壁的平滑肌。它们在氨基酸组分上有微小的差异（大约在400个氨基酸残基序列中有4-6个变异），在肌肉与非肌细胞中都还存在β及γ肌动蛋白，它们与具有横纹的α肌动蛋白可有25个氨基酸的差异。

G-肌动蛋白单体（含ATP）可聚合为呈纤维状的F-肌动蛋白（含ADP），它们可由Mg2+及高浓度的K+或Na+诱导而聚合，聚合后ATP水解为ADP及C-肌动蛋白ADP单体，组成F-肌动蛋白。在骨骼肌的细肌丝（thinfilament，由肌动蛋白构成）与粗肌丝（thickfilament，由肌球蛋白构成）相互作用而使肌肉收缩（肌球蛋白可以起作肌动蛋白激活的ATPase的作用）。肌球蛋白也存在于哺乳动物的非肌细胞中（但以非聚合状态存在）。

中间纤维

细胞骨架的第三种纤维结构称中间纤维（intermediatefilament,IF），又称中间丝、中等纤维，直径介于微管和微丝之间(8nm-10nm)，其化学组成比较复杂。构成它的蛋白质多达5种，常见的有波形蛋白(vimentin)、角蛋白(keratin)、结蛋白、神经元纤维、神经胶质纤维。在不同细胞中，成分变化较大。中间纤维使细胞具有张力和抗剪切力。中间纤维有共同的基本结构，即构建成一个中央α螺旋杆状区，两侧则是大小和化学组成不同的端区。端区的多样性决定了中间纤维外形和性质的差异和特异性。

以上这些结构单元并非是一成不变的，而是随细胞的生命活动而呈现高度的动态性，它们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，很容易进行组装和去组装，这正是实现其功能所必需的特点。

原核生物

长期以来，人们认为细胞骨架仅为真核生物所特有的结构，但近年来的研究发现它也存在于细菌等原核生物中。

人们已经在细菌中发现的FtsZ、MreB和CreS依次与真核细胞骨架蛋白中的微管蛋白、肌动蛋白丝及中间丝类似。FtsZ能在细胞分裂位点装配形成Z环结构，并通过该结构参与细胞分裂的调控；MreB能形成螺旋丝状结构，其主要功能有维持细胞形态、调控染色体分离等；CreS存在于新月柄杆菌中，它在细胞凹面的细胞膜下面形成弯曲丝状或螺旋丝状结构，该结构对维持新月柄杆菌细胞的形态具有重要作用。

疾病及危害

细胞在病理情况下常常会出现细胞骨架系统异常。如阿尔茨海默症患者，在脑神经元中发现有大量扭曲变形的微管和大量受损的中间纤维；在恶性转化的细胞中，常表现为微管减少和解聚，细胞骨架异常可增强癌细胞的运动能力。研究表明，微丝束及其末端黏着斑的破坏以及肌动蛋白小体的出现，与肿瘤细胞的浸润和转移特性有关。

此外，中间纤维的分布具有严格的组织特异性，绝大多数肿瘤细胞在发生转移后仍表现其原发肿瘤的中间纤维类型，故可作为临床肿瘤的鉴别诊断和肿瘤细胞是否转移的判据。中间纤维显微技术与羊膜刺穿结合，可用于先天胎儿畸形的诊断，例如，若羊水中含有神经元纤维和神经胶质纤维细胞，则提示胎儿或有中枢神经系统畸形。

其他蛋白

不仅如此，细胞骨架还包含有很多结构单元的附属蛋白质，比如：

分子马达(molecularmotors):动力蛋白(dynein),kinesin,myosin

结合蛋白：vinculin,cofilin,tropomyosin等等

广义的细胞骨架还包括核基质（nucleoskeleton）、核纤层（nuclearlamina）和细胞外基质（extracellularmatrix），形成贯穿于细胞核、细胞质、细胞外的一体化网络结构。

发现历史

细胞骨架（cytoskeleton）是指真核细胞中的蛋白纤维网络结构。发现较晚，主要是因为一般电镜制样采用低温（0-4℃）固定，而细胞骨架会在低温下解聚。直到20世纪60年代后，

细胞骨架

采用戊二醛常温固定，才逐渐认识到细胞骨架的客观存在。真核细胞借以维持其基本形态的重要结构，被形象地称为细胞骨架，它通常也被认为是广义上细胞器的一种。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，在植物细胞中细胞骨架指导细胞壁的合成。