真核细胞的一个重要特征是具有能动性，即能做各种主动的运动，如细胞形态的改变、细胞内物质的运输、细胞器的移动、染体的分离和细胞分裂等。这些细胞运动的有序性和方向性使人们意识到细胞内必定存在着负责支撑和运动的成分。早在1928年，Koltzoff就推测细胞中存在着有组织的纤维结构，组成细胞的骨架以维持细胞的形状。直到1963年，电镜技术中采用戊二醛常温固定后才首次在细胞中观察到微管结构，使人们真正认识到细胞内这种骨架成分的存在，并命名为细胞骨架（cytoskeleton）。早期发现的细胞骨架主要是存在于细胞质内的微管、微丝和中间丝，称为细胞质骨架；近年来又发现细胞核内也存在着细胞骨架，主要包括核基质、核纤层和染体骨架等，称为细胞核骨架。 细胞骨架不同于一般意义上的“骨骼”，它不仅赋予细胞以一定的形状，而且是一种高度有序的结构，能在细胞活动中不断重组，在细胞的各种运动、细胞的物质运输、能量和信息传递、基因表达和细胞分裂中起着重要作用。
第一节 细胞质骨架
细胞质骨架是由三类蛋白质纤维组成的网状结构系统，包括微管（microtubule）、微丝（microfilament）和中间丝（intermediate filament）。每一类纤维由不同的蛋白质亚基形成，三类骨架成分既分散地分布于细胞中，又相互联系形成一个完整的骨架体系。细胞骨架体系是一种高度动态结构，可随着生理条件的改变不断进行组装和去组装，并受各种结合蛋白的调节以及细胞内外各种因素的调控。 早期的细胞骨架研究主要是形态观察和细胞内分布和定位，近年来对细胞质骨架的研究已从形态观察为主迅速推进到分子水平，骨架蛋白及骨架结合蛋白的结构及功能分析、骨架纤维的装配动态、基因表达调节等成为细胞质骨架研究的重要内容。
一、 微管
微管存在于所有的真核细胞中，微管是长长的较为坚硬而中空的蛋白管道，它可以迅速地在胞内某一处去组装然后在另一处组装。细胞内微管呈网状或束状分布，在细胞内造成了一个轨道系统，各种小囊泡、细胞器以及其他组分沿着微管可以在细胞内移动。胞质微管是细胞骨架的一部分，引导胞内运输以及胞内膜性细胞器的定位。微管还能与其他蛋白质共同装配成纤毛、鞭毛、基体、中心体、纺锤体等结构，参与细胞形态的维持、细胞运
动和细胞分裂等。
（一）微管的形态结构和存在形式
微管是由微管蛋白（tubulin）装配成细长的、具有一定刚性的圆管状结构。微管为一中空结构（图7—1），内径约为15nm、外径约为24～26nm、壁厚约5nm。在各种细胞中微管的形态和结构基本相同，但长度不等，有的可达数微米。微管的管壁由13根原纤维（protofilament）排列构成，每一根原纤维由微管蛋白α亚基和微管蛋白β亚基相间排列而成。
图7—1 微管蛋白及微管的结构模式图
（A） 微管蛋白异二聚体结构；（B悬架设计）原纤维结构；（C）微管结构；
（引自Alberts等，2002）
参照前书图11-1
微管可装配成单管（singlet）、二联管（doublet）和三联管（triplet）。单管由13根原纤维围成，是细胞质中主要的存在形式，分散或成束分布，但不稳定，易受低温、Ca2+等许多因素的影响而发生解聚。二联管由A、B两根单管组成，A管由13根原纤维围成，B管由10根原纤维组成，与A管共用3根原纤维，二联管主要分布于细胞表面的纤毛和鞭毛中。三联管由A、B、C三根单管组成，A管由13根原纤维围成，B管和C管均由10根原纤维组成，分别与A管和B管共用3根原纤维，三联管主要分布于中心粒以及鞭毛和纤毛的基体中。二联管和三联管是比较稳定的微管结构。
有些微管特异物在微管结构与功能研究中起重要作用，这些药物主要有：紫衫酚（taxol）、秋水仙素（colchine）、长春花碱（vinblastine）和nocodazole等。紫衫酚能和微管紧密结合防止微管蛋白亚基的解聚，加速微管蛋白的聚合作用。秋水仙素和已酰甲基秋水仙碱（colcemid）能结合和稳定游离的微管蛋白，使它无法聚合成微管，引起微管的解聚作用。长春花碱和长春花新碱（vincristine）能结合微管蛋白异二聚体亚单位，抑制它们的聚合作用。nocodazole能结合微管蛋白，阻断微管蛋白的聚合反应。
（二）微管的化学组成
微管主要由微管蛋白构成，微管蛋白存在于所有的真核细胞胞质中。微管蛋白主要成分为α-微管蛋白和β-微管蛋白，约占微管总蛋白质含量的80％～95％。α-微管蛋白与β-微管蛋白在化学性质上极为相似。二者的分子量均为50KDa氨基酸数分别为450个和445个。氨基酸序列分析表明，二者有42％的顺序相同，而且各种生物的微管蛋白几乎完全相同，说明α微管蛋白和β微管蛋白具有同一个基因祖先，并在进化过程中极为保守。
在细胞质中基本上无游离的α-微管蛋白或β-微管蛋白，二者靠非共价键结合以异二聚体的形式存在，α-微管蛋白在下，β-微管蛋白在上。异二聚体是构成微管的基本亚单位，若干异二聚体亚单位首尾相接，形成了原纤维。由于α-微管蛋白暴露在一头，β-微管蛋白暴露在另一头，所以原纤维本身具有极性。微管是由13根原纤维靠非共价键排列而成，在大小上均匀一致，整体上也具有极性。
每一微管蛋白异二聚体上含有GTP的二个结合位点，微管蛋白与GTP结合而被激活，引起分子构象变化，从而聚合成微管；还含有一个长春花碱的结合位点和二价阳离子Mg2+的结合位点。另外，α-微管蛋白肽链中的第201位的半胱氨酸为秋水仙素分子的结合部位。
近年来人们在微管蛋白家族又发现了第三个成员——γ-微管蛋白。γ-微管蛋白也存在于所
有的真核细胞中。尽管它不是构成微管的主要成分，只占微管蛋白总含量的不足1％，但却是微管执行功能所必不可少的。γ-微管蛋白分子量约50KDa，由455个左右的氨基酸组成。运用γ-微管蛋白特异性抗体标记染显示，定位于微管组织中心，对微管的形成、微管的数量和位置、微管极性的确定及细胞分裂起重要作用。编码γ-微管蛋白的基因如发生突变，可引起细胞质微管在数量、长度上的减少和由微管组成的有丝分裂器的缺失，而且可以强烈地抑制核分裂从而影响细胞分裂。
图7—2 微管的成核模型
（引自Alberts等，2002）
参照前书图11-2
γ-微管蛋白在细胞质中是以一种约25s复合物形式存在于微管组织中心，称为γ-微管蛋白环状复合物（the γ-tubulin ring complex，γTuRC）（图7—2）。这一复合物是由α-微管蛋
白、β-微管蛋白、γ-微管蛋白和4种其他蛋白质（P75、P109、P133和P195）组成。非微管蛋白决定螺旋形支架（基底部分），13个γ-微管蛋白和1～2个α-微管蛋白/β-微管蛋白异二聚体结合到支架上。γTuRC的作用是促进微管核心的形成，即成核作用，使微管的负端稳定。
对数收益率
（三）微管结合蛋白
在细胞内，微管除含有微管蛋白外，还含有一些同微管相结合的辅助蛋白，这些蛋白质总是与微管共存，参与微管的装配，称为微管结合蛋白（microtubule-associated protein，MAP），它们不是构成微管壁的基本构件，而是在微管蛋白装配成微管之后，结合在微管表面的辅助蛋白。一般认为，微管结合蛋白有两个区域组成：一个是碱性的微管结合区域，该结构域可与微管结合，可明显加速微管的成核作用；另一个是酸性的突出区域，以横桥的方式与其他骨架纤维相连接，突出区域的长度决定微管在成束时的间距大小。实验证明，MAP2在细胞中过表达会产生很长的突出区域，使微管在成束时保持较宽的间隔；Tau蛋白的过表达会产生极短的突出区域，使微管在成束时紧密。
微管结合蛋白在细胞中起稳定微管结构、促进微管聚合和调节微管装配的作用。微管结合
蛋白的磷酸化在控制微管蛋白的活性和细胞中的定位中起基本作用。另外，微管结合蛋白在细胞中的分布区域不尽相同，它们执行的特殊功能也不一样，这在神经细胞中尤为突出。好旺角房屋中介
在高等生物中目前发现有几种微管结合蛋白，包括MAP1、MAP2和MAP4三种。此外，还有一类与微管结合的蛋白质称为Tau蛋白。各种微管均由α-微管蛋白/β-微管蛋白异二聚体组成，微管的结构和功能的差异主要取决于微管结合蛋白的不同。
1、mtxTau蛋白 Tau蛋白有5种不同的类型，由同一基因编码，是一类低分子量（55KDa～62KDa）的辅助蛋白，也称装饰因子，存在于神经细胞轴突中。Tau蛋白呈“Ω”形，它的N-末端和C-末端能形成18nm的短臂，结合在相邻的微管上以稳定微管。其功能是增加微管装配的起始点和促进起始装配速度，进而促进二聚体聚合成多聚体。另外Tau蛋白也有控制微管延长的作用。Tau蛋白可被钙调素激酶Ⅱ、蛋白激酶A及P42MAP激酶磷酸化，Tau蛋白被蛋白激酶磷酸化后，可以减弱它与微管蛋白的结合从而使微管聚合减弱。
2、MAP1 是一类高分子量（200KDa～300KDa）的蛋白质，常见于神经轴突和树突中。MAP1常在微管间形成横桥，它可以控制微管的延长，但不能使微管成束。MAP1有三
种不同的亚型：MAP1A、MAP1B和MAP1C。MAProlipram1C是一种胞质动力蛋白（dynein），是一个由9～12个亚基组成的蛋白质复合体，具有ATP酶活性，与轴突中逆向的物质运输有关。
3、MAP2 是一类高分子量（200KDa～300KDa）的蛋白质，具有热稳定性，存在于神经细胞的胞体和树突中。MAP2能在微管间以及微管与中间丝之间形成横桥。与MAP1不同，MAP2能使微管成束。MAP2分子呈“L”形，以其短臂结合到微管表面，短臂为微管促进装配区域（assembly promoting domain）；长臂则以垂直方向从微管表面伸出。当微管结合有MAP2时，在电镜下可显示出其表面的短纤丝。MAP2分子上有一些磷酸化部位，当cAMP依赖性蛋白质激酶（cAMP-dependent protein kinase）以其调节亚基同MAP2长臂结合时，可使MAP2磷酸化，磷酸化的MAP2可抑制微管装配。MAP2有三种不同的亚型：MAP2A、MAP2B和MAP2C。MAP2A分子量为270KDa，在神经元发育过程中不断增加表达；网聊大管家MAP2B的分子量也为270KDa，在神经元发育过程中的表达保持恒定；MAP2C的分子量为70KDa，存在于不成熟的神经元树突中。
