第四卷 細胞骨架
§序
細胞骨架（cytoskeleton）是指真核細胞中的蛋白纖維網絡結構。發現較晚，主要是因為一般電鏡製樣采用低溫（0-4℃）固定，而細胞骨架會在低溫下解聚。直到20世紀60年代後，采用戊二醛常溫固定，才逐漸認識到細胞骨架的客觀存在。
細胞骨架不僅在維持細胞形態，承受外力、保持細胞內部結構的有序性方麵起重要作用，而且還參與許多重要的生命活動（圖9-1），如：在細胞分裂中細胞骨架牽引染色體分離，在細胞物質運輸中，各類小泡和細胞器可沿著細胞骨架定向轉運；在肌肉細胞中，細胞骨架和它的結合蛋白組成動力係統；在白細胞的遷移、精子的遊動、神經細胞軸突和樹突的伸展等方麵都與細胞骨架有關。另外，在植物細胞中細胞骨架指導細胞壁的合成。
細胞骨架由微絲（microfilament）、微管（microtubule）和中間纖維（intemediate filament）構成。微絲確定細胞表麵特征，使細胞能夠運動和收縮。微管確定膜性細胞器（membrane-enclosed organelle）的位置和作為膜泡運輸的導軌。中間纖維使細胞具有張力和抗剪切力。
微絲、微管和中間纖維位於細胞質中，又稱胞質骨架，它們均由單體蛋白以較弱的非共價鍵結合在一起，構成纖維型多聚體，很容易進行組裝和去組裝，這正是實現其功能所必需的特點。
義的細胞骨架還包括核骨架（nucleoskeleton）、核纖層（nuclear lamina）和細胞外基質（extracellular matrix），形成貫穿於細胞核、細胞質、細胞外的一體化網絡結構。
圖9-1 細胞骨架的主要功能
§第一章 微絲
微絲（microfilament，MF）是由肌動蛋白(actin)組成的直徑約7nm的骨架纖維，又稱肌動蛋白纖維actin filament。微絲和它的結合蛋白（association protion）以及肌球蛋白（myosin）三者構成化學機械係統，利用化學能產生機械運動。
一、分子結構
根據等電點的不同可將高等動物細胞內的肌動蛋白分為3類，α分布於各種肌肉細胞中，β和γ分布於肌細胞和非肌細胞中。
肌動蛋白纖維是由兩條線性排列的肌動蛋白鏈形成的螺旋，狀如雙線撚成的繩子（圖9-2、3），肌動蛋白的單體為球形分子，稱為球形肌動蛋白G-actin(globular actin)，它的多聚體稱為纖維形肌動蛋白F-actin (fibrous actin)。
圖9-2 微絲纖維的負染電鏡照片
圖9-3 微絲纖維結構模型
肌動蛋白在進化上高度保守，酵母和兔子肌肉的肌動蛋白有88%的同源性。不同類型肌肉細胞的α-肌動蛋白分子一級結構（約400個氨基酸殘基）僅相差4～6個氨基酸殘基，β-肌動蛋白或γ-肌動蛋白與α-橫紋肌肌動蛋白相差約25個氨基酸殘基。
多數簡單的真核生物，如酵母或粘菌，含單個肌動蛋白基因，僅合成一種肌動蛋白。真核生物含有多個肌動蛋白基因，如海膽有11個，網柄菌屬(Dictyostelium)有17個，在某些植物中有60個。肌動蛋白要經過翻譯後修飾，如N-端乙酰化或組氨酸殘基的甲基化。
在適宜的溫度，存在ATP、K+、Mg2+離子的條件下，肌動蛋白單體可自組裝為纖維。
ATP-actin（結合ATP的肌動蛋白)對微絲纖維末端的親和力高，ADP-actin對纖維末端的親和力低，容易脫落。當溶液中ATP-actin濃度高時，微絲快速生長，在微絲纖維的兩端形成ATP-actin"帽子"，這樣的微絲有較高的穩定性。伴隨著ATP水解，微絲結合的ATP就變成了ADP，當ADP-actin暴露出來後，微絲就開始去組裝而變短。
圖9-4 肌動蛋白的踏車行為
微絲具有極性，肌動蛋白單體加到（+）極的速度要比加到（-）極的速度快5-10倍。溶液中ATP-肌動蛋白的濃度也影響組裝的速度。當處於臨界濃度時，ATP-actin可能繼續在（+）端添加、而在（-）端開始分離，表現出一種"踏車"現象（圖9-4）。
細胞中微絲參與形成的結構除肌原纖維、微絨毛等屬於穩定結構外，其他大都處於動態的組裝和去組裝過程中，並通過這種方式實現其功能。細胞鬆弛素（cytochalasin）可切斷微絲纖維，並結合在微絲末端抑製肌動蛋白加合到微絲纖維上，特異性的抑製微絲功能。鬼筆環肽（phalloidin）與微絲能夠特異性的結合，使微絲纖維穩定而抑製其功能。熒光標記的鬼筆環肽可特異性的顯示微 絲。
二、微絲結合蛋白
已經分離出來的微絲結合蛋白有100多種，可分為以下不同類型（圖9-5）：
1．核化蛋白（nucleating protein）
核化（nucleation）是纖維組裝的第一步，即幾個蛋白單體先組裝成多聚體，然後其它單體繼續添加形成長纖維分子。Arp（actin-related protein）複合體在體內和體外都可以促進肌動蛋白的核化，其作用就像一個模板，類似於微管組織中心的γ球蛋白複合體，Arp複合體由Arp2、Arp3和5種其它蛋白構成。Arp與actin在結構上具有同源性。
2．單體隱蔽蛋白（monomer sequestering protein）
細胞中約有50%的肌動蛋白為可溶性肌動蛋白，大大高於肌動蛋白組裝所需的臨界濃度。但是這些蛋白與其它蛋白結合，構成一個隱蔽的蛋白庫。隻有當細胞需要組裝纖維的時候這些可溶性肌動蛋白才被釋放出來。如：thymosin與actin結合可阻止其向纖維添加，抑製其水解或交換結合的核苷酸。
3．封端蛋白（end-blocking protein）
作用是調節肌動蛋白纖維的長度，結合在（+）或（-）極形成"帽子"，阻止其它單體添加。如骨骼肌細肌絲的（-）端被tropomodulin封閉，（+）端被CapZ封閉。
4．單體聚合蛋白（monomer polymerizing protein）
如profilin結合在actin的ATP結合位點相對的一側，能與thymosin競爭結合actin，profilin可將結合的單體安裝到纖維的（+）極。
5．微絲解聚蛋白（actin-filament depolymerizing protein）
如cofilin可結合在纖維的（-）極，使微絲去組裝。這種蛋白在微管快速組裝和去組裝的結構中具有重要的作用，涉及細胞的移動、內吞和胞質分裂。
6．交聯蛋白(cross-linking protein)
每一種蛋白含有2至多個微絲結合部位，因此可以將2至多條纖維聯係在一起形成纖維束或網絡。分為成束蛋白和成膠蛋白兩類，成束蛋白如：絲束蛋白（fimbrin）、絨毛蛋白（villin）和α-輔肌動蛋白（α-actinin），可以將肌動蛋白纖絲交聯成平行排列成束的結構。成膠蛋白，如細絲蛋白（filamin）促使形成肌動蛋白微絲網。
7．纖維切斷蛋白（filament severing protein）
此類蛋白能結合在微絲中部，將微絲切斷。如溶膠蛋白（gelsolin）。
8．膜結合蛋白（membrane-binding protein）
如粘著斑蛋白（vinculin）可將肌動蛋白纖維量接在膜上，參與構成粘合帶。
圖9-5 各類微管結合蛋白
三、肌肉的組成
肌肉由肌原纖維組成，肌原纖維由粗肌絲和細肌絲組成，粗肌絲的主要成分是肌球蛋白，而細肌絲的主要成分是肌動蛋白、原肌球蛋白和肌鈣蛋白。關於肌小節的構造（圖9-6、7）請參閱生理學或組織學書籍。
圖9-6 肌纖維TEM照片
圖9-7 肌小節模式圖
（一）肌球蛋白（myosin）
屬於馬達蛋白，可利用ATP產生機械能，趨向微絲的（+）極運動（圖9-8），最早發現於肌肉組織(myosin II)，1970s後逐漸發現許多非肌細胞的myosin，目前已知的有15種類型（myosin I-XV）。
Myosin II是構成肌纖維的主要成分之一。由兩個重鏈和4個輕鏈組成，重鏈形成一個雙股α螺旋，一半呈杆狀，另一半與輕鏈一起折疊成兩個球形區域，位於分子一端，球形的頭部具有ATP酶活性(圖9-9)。