细胞骨架

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。

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（图9-1），如：在细胞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。

细胞骨架由微丝（microfilament）、微管（microtubule）和中间纤维（intemediate filament）构成。微丝确定细胞表面特征，使细胞能够运动和收缩。微管确定膜性细胞器（membrane-enclosed organelle）的位置和作为膜泡运输的导轨。中间纤维使细胞具有张力和抗剪切力。

微丝、微管和中间纤维位于细胞质中，又称胞质骨架，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。

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

图9-1 细胞骨架的主要功能（图片来自 G. Karp 2002）

第一节 微丝

微丝（microfilament，MF）是由肌动蛋白(actin)组成的直径约7nm的骨架纤维，又称肌动蛋白纤维actin filament。微丝和它的结合蛋白（association protion）以及肌球蛋白（myosin）三者构成化学机械系统，利用化学能产生机械运动。

一、分子结构

根据等电点的不同可将高等动物细胞内的肌动蛋白分为3类，α分布于各种肌肉细胞中，β和γ分布于肌细胞和非肌细胞中。

肌动蛋白纤维是由两条线性排列的肌动蛋白链形成的螺旋，状如双线捻成的绳子（图9-2、3），肌动蛋白的单体为球形分子，称为球形肌动蛋白G-actin(globular actin)，它的多聚体称为纤维形肌动蛋白F-actin (fibrous actin)。

图9-2 微丝纤维的负染电镜照片

图9-3 微丝纤维结构模型

肌动蛋白在进化上高度保守，酵母和兔子肌肉的肌动蛋白有88%的同源性。不同类型肌肉细胞的α-肌动蛋白分子一级结构（约400个氨基酸残基）仅相差4～6个氨基酸残基，β-肌动蛋白或γ-肌动蛋白与α-横纹肌肌动蛋白相差约25个氨基酸残基。

多数简单的真核生物，如酵母或粘菌，含单个肌动蛋白基因，仅合成一种肌动蛋白。真核生物含有多个肌动蛋白基因，如海胆有11个，网柄菌属(Dictyostelium)有17个，在某些植物中有60个。肌动蛋白要经过翻译后修饰，如N-端乙酰化或组氨酸残基的甲基化。

在适宜的温度，存在ATP、K+、Mg2+离子的条件下，肌动蛋白单体可自组装为纤维。 ATP-actin（结合ATP的肌动蛋白)对微丝纤维末端的亲和力高，ADP-actin对纤维末端的亲和力低，容易脱落。当溶液中ATP-actin浓度高时，微丝快速生长，在微丝纤维的两端形成ATP-actin“帽子”，这样的微丝有较高的稳定性。伴随着ATP水解，微丝结合的ATP就变成了ADP，当ADP-actin暴露出来后，微丝就开始去组装而变短。

图9-4 肌动蛋白的踏车行为

微丝具有极性，肌动蛋白单体加到（+）极的速度要比加到（-）极的速度快5-10倍。溶液中ATP-肌动蛋白的浓度也影响组装的速度。当处于临界浓度时，ATP-actin可能继续在（+）端添加、而在（-）端开始分离，表现出一种“踏车”现象（图9-4）。

细胞中微丝参与形成的结构除肌原纤维、微绒毛等属于稳定结构外，其他大都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。细胞松弛素（cytochalasin）可切断微丝纤维，并结合在微丝末端抑制肌动蛋白加合到微丝纤维上，特异性的抑制微丝功能。鬼笔环肽（phalloidin）与微丝能够特异性的结合，使微丝纤维稳定而抑制其功能。荧光标记的鬼笔环肽可特异性的显示微 丝。

二、微丝结合蛋白

已经分离出来的微丝结合蛋白有100多种，可分为以下不同类型（图9-5）： 1．核化蛋白（nucleating protein）

核化（nucleation）是纤维组装的第一步，即几个蛋白单体先组装成多聚体，然后其它单体继续添加形成长纤维分子。Arp（actin-related protein）复合体在体内和体外都可

以促进肌动蛋白的核化，其作用就像一个模板，类似于微管组织中心的γ球蛋白复合体，Arp复合体由Arp2、Arp3和5种其它蛋白构成。Arp与actin在结构上具有同源性。 2．单体隐蔽蛋白（monomer sequestering protein）

细胞中约有50%的肌动蛋白为可溶性肌动蛋白，大大高于肌动蛋白组装所需的临界浓度。但是这些蛋白与其它蛋白结合，构成一个隐蔽的蛋白库。只有当细胞需要组装纤维的时候这些可溶性肌动蛋白才被释放出来。如：thymosin与actin结合可阻止其向纤维添加，抑制其水解或交换结合的核苷酸。 3．封端蛋白（end-blocking protein）

作用是调节肌动蛋白纤维的长度，结合在（+）或（-）极形成“帽子”，阻止其它单体添加。如骨骼肌细肌丝的（-）端被tropomodulin封闭，（+）端被CapZ封闭。 4．单体聚合蛋白（monomer polymerizing protein）

如profilin结合在actin的ATP结合位点相对的一侧，能与thymosin竞争结合actin，profilin可将结合的单体安装到纤维的（+）极。

5．微丝解聚蛋白（actin-filament depolymerizing protein）

如cofilin可结合在纤维的（-）极，使微丝去组装。这种蛋白在微管快速组装和去组装的结构中具有重要的作用，涉及细胞的移动、内吞和胞质。 6．交联蛋白(cross-linking protein)

每一种蛋白含有2至多个微丝结合部位，因此可以将2至多条纤维联系在一起形成纤维束或网络。分为成束蛋白和成胶蛋白两类，成束蛋白如：丝束蛋白（fimbrin）、绒毛蛋白（villin）和α-辅肌动蛋白（α-actinin），可以将肌动蛋白纤丝交联成平行排列成束的结构。成胶蛋白，如细丝蛋白（filamin）促使形成肌动蛋白微丝网。 7．纤维切断蛋白（filament severing protein）

此类蛋白能结合在微丝中部，将微丝切断。如溶胶蛋白（gelsolin）。 8．膜结合蛋白（membrane-binding protein）

如粘着斑蛋白（vinculin）可将肌动蛋白纤维量接在膜上，参与构成粘合带。

图9-5 各类微管结合蛋白（图片来自 G. Karp 2002）

三、肌肉的组成

肌肉由肌原纤维组成，肌原纤维由粗肌丝和细肌丝组成，粗肌丝的主要成分是肌球蛋白，而细肌丝的主要成分是肌动蛋白、原肌球蛋白和肌钙蛋白。关于肌小节的构造（图9-6、7）请参阅生理学或组织学书籍。

图9-6 肌纤维TEM照片

图9-7 肌小节模式图

（一）肌球蛋白（myosin）

属于马达蛋白，可利用ATP产生机械能，趋向微丝的（+）极运动（图9-8），最早发现于肌肉组织(myosin II)，1970s后逐渐发现许多非肌细胞的myosin，目前已知的有15种类型（myosin I-XV）。

Myosin II是构成肌纤维的主要成分之一。由两个重链和4个轻链组成，重链形成一个双股α螺旋，一半呈杆状，另一半与轻链一起折叠成两个球形区域，位于分子一端，球形的头部具有ATP酶活性(图9-9)。

Myosin V结构类是于myosin II，但重链有球形尾部。 Myosin I 由一个重链和两个轻链组成。

Myosin I、II、V都存在于非肌细胞中，II型参与形成应力纤维和胞质收缩环，I、V型结合在膜上与膜泡运输有关，神经细胞富含myosin V 。

图9-8 myosin II 的功能

图9-9 myosin II结构模型

（二）原肌球蛋白

原肌球蛋白（tropomyosin.Tm）分子量KD，是由两条平行的多肽链扭成螺旋，每个Tm的长度相当于7个肌动蛋白，呈长杆状。原肌球蛋白与肌动蛋白结合，位于肌动蛋白双螺旋的沟中，主要作用是加强和稳定肌动蛋白丝，抑制肌动蛋白与肌球蛋白结合（图9-10）。

图9-10细肌丝的组成

（三）肌钙蛋白

肌钙蛋白（troponin,Tn），分子量80KD，含三个亚基，肌钙蛋白C特异地与钙结合，肌钙蛋白T与原肌球蛋白有高度亲和力，肌钙蛋白I抑制肌球蛋白的ATP酶活性，细肌丝中每隔40nm就有一个肌钙蛋白复合体（图9-8）。

（四）肌肉的收缩

肌细胞上的动作电位引起肌质网Ca2+电位门通道开启，肌浆中Ca2+浓度升高，肌钙蛋白与Ca2+结合，引发原肌球蛋白构象改变，暴露出肌动蛋白与肌球蛋白的结合位点（图9-8）。肌动蛋白通过结合与水解ATP、不断发生周期性的构象改变、引起粗肌丝和细肌丝的相对滑动。肌动蛋白的工作原理可概括如下：

①肌球蛋白结合ATP，引起头部与肌动蛋白纤维分离；②ATP水解，引起头部与肌动蛋白弱结合；③Pi释放，头部与肌动蛋白强结合，头部向M线方向弯曲（微丝的负极），引起细肌丝向M线移动；④ADP释放ATP结合上去，头部与肌动蛋白纤维分离。如此循环（图9-11）。

图9-11 肌肉收缩图解

四、微丝的功能

微丝除参与形成肌原纤维外还具有以下功能：

1．形成应力纤维（stress fiber）：非肌细胞中的应力纤维与肌原纤维有很多类似之处：都包含myosin II、原肌球蛋白、filamin和α-actinin。培养的成纤维细胞中具有丰富的应力纤维，并通过粘着斑固定在基质上。在体内应力纤维使细胞具有抗剪切力(图9-12、13)。

图9-12培养的上皮细胞中的应力纤维（微丝红色、微管绿色）（图片来自

http://www.itg.uiuc.edu/）

图9-13 应力纤维结构模型（图片来自 G. Karp 2002）

2．形成微绒毛：参见第四章。

3．细胞的变形运动：分为四步：①：微丝纤维生长，使细胞表面突出，形成片足(lamellipodium)；②在片足与基质接触的位置形成粘着斑；③在myosin的作用下微丝纤维滑动，使细胞主体前移；④解除细胞后方的粘和点。如此不断循环，细胞向前移动(图9-14)。阿米巴原虫、白细胞、成纤维细胞都能以这种方式运动。

图9-14细胞的变形运动(根据Molecular Biology of the Cell 4

th

书末动画改编)

4．胞质：有丝末期，两个即将分离的子细胞内产生收缩环，收缩环由平行排列的微丝和myosin II组成。随着收缩环的收缩，两个子细胞的胞质分离，在细胞松驰素存在的情况下，不能形成胞质环，因此形成双核细胞。

5．顶体反应：在精卵结合时，微丝使顶体突出穿入卵子的胶质里，融合后受精卵细胞表面积增大，形成微绒毛，微丝参与形成微绒毛，有利于吸收营养。

6．其他功能：如细胞器运动、质膜的流动性、胞质环流均与微丝的活动有关，抑制微丝的药物（细胞松弛素）可增强膜的流动、破坏胞质环流。

第二节 微管

微管在胞质中形成网络结构，作为运输路轨并起支撑作用。微管是由微管蛋白组成的管状结构，对低温、高压和秋水仙素敏感。

一、分子结构

微管是由13条原纤维（protofilament）构成的中空管状结构（图9-15），直径22~25nm。每一条原纤维由微管蛋白二聚体线性排列而成。微管蛋白二聚体由结构相似的α和β球蛋白构成，两种亚基均可结合GTP，α球蛋白结合的GTP从不发生水解或交换，是α球蛋白的固有组成部分，β球蛋白结合的GTP可发生水解，结合的GDP可交换为GTP，可见β亚基也是一种 G蛋白（图9-16）。

图 9-15 微管纤维

图9-16 微管蛋白分子模型

微管具有极性，（+）极(plus end)生长速度快，（-）极(minus end)生长速度慢，也就是说微管蛋白在（+）极的添加速度高于-极。（+）极的最外端是β球蛋白，（-）极的最外端是α球蛋白。微管和微丝一样具有踏车行为。

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组装和去组装状态，这是实现其功能所必需的过程（如纺锤体）。秋水仙素(colchicine)结合的微管蛋白可加合到微管上，但阻止其他微管蛋白单体继续添加，从而破坏纺锤体结构，长春花碱具有类似的功能。紫杉酚(taxol)，能促进微管的装配, 并使已形成的微管稳定。但这种稳定性会破坏微管的正常功能。以上药物均可以阻止细胞，可用于癌症的治疗。

二、微管结合蛋白

微管结合蛋白（microtubule associated proteins MAPs）分子至少包含一个结合微管的结构域和一个向外突出的结构域。突出部位伸到微管外与其它细胞组分（如微管束、中间纤维、质膜）结合（图9-17）。

MAP的主要功能是：①促进微管聚集成束；②增加微管稳定性或强度；③促进微管组装。包括I 型和II型两大类， I 型对热敏感，如MAP1a、 MAP1b，主要存在于神经细胞 。II型热稳定性高，包括 MAP2a、b、c，MAP4和tau蛋白。其中 MAP2只存在于神经细胞,，MAP2a的含量减少影响树突的生长。

图9-17 MAP2

三、微管组织中心

微管组织中心（microtubule organizing center MTOCs）是微管进行组装的区域，着丝粒、成膜体、中心体、基体均具有微管组织中心的功能。所有微管组织中心都具有γ微管球蛋白，这种球蛋白的含量很低，可聚合成环状复合体，像模板一样参与微管蛋白的核化，帮助α和β球蛋白聚合为微管纤维。

中心体（centrosome）位于细胞的中心部位（图9-18）。由两个相互垂直的中心粒（centriole）构成（图9-19），周围是一些无定形或纤维形、高电子密度的物质，叫做外中心粒物质（PCM，pericentriolar material）。中心粒直径0.2mm，长0.4mm，由9组3联微管构成，不直接参与微管蛋白的核化，具有召集PCM的作用。

图9-18 中心体结构模型

图9-19 中心粒电镜照片

微管蛋白以环状的γ球蛋白复合体为模板核化、先组装出（-）极，然后开始生长，因此中心体周围的微管（-）极指向中心体，（+）级远离中心体。

1972年R. Weisenberg证明提纯的微管，在微酸性环境（PH=6.9），适宜的温度下，存在GTP、Mg2+和去除Ca2+的条件下能自发的组装成微管。但这种微管只有11条原纤维，可能是因为没有γ微管球蛋白构成的模板。

微管β球蛋白结合的GTP水解并不是微管组装所必需的步骤，但是结合GTP的微管蛋白二聚体能加合到微管纤维上，在快速生长的纤维两端微管球蛋白结合的GTP来不及水解，形成的“帽子”，使微管纤维较为稳定。一旦暴露出结合GDP的亚单位微管，则开始去组装。

四、微管的功能

1、支架作用

细胞中的微管就像混凝土中的钢筋一样，起支撑作用，在培养的细胞中，微管呈放射状排列在核外，（+）端指向质膜（图9-20），形成平贴在培养皿上的形状。在神经细胞的轴突和树突中，微管束沿长轴排列，起支撑作用，在胚胎发育阶段为管帮助轴突生长，突入周围组织，在成熟的轴突中，微管是物质运输的路轨。

图9-20 以细胞核为中心向外放射状排列的微管纤维（红色）图片来自

http://www.itg.uiuc.edu/

2、细胞内运输

微管起细胞内物质运输的路轨作用，破坏微管会抑制细胞内的物质运输。

与微管结合而起运输作用的马达蛋白有两大类：驱动蛋白kinesin，动力蛋白dynein，两者均需ATP提供能量。

Kinesin发现于1985年，是由两条轻链和两条重链构成的四聚体（图9-21），外观具有两个球形的头（具有ATP酶活性）、一个螺旋状的杆和两个扇子状的尾。通过结合和水

解ATP，导致颈部发生构象改变，使两个头部交替与微管结合，从而沿微管“行走”，将“尾部”结合的“货物”（运输泡或细胞器）转运到其它地方。据估计哺乳动物中类似于kinesin的蛋白（KLP, kinesin-like protein or KRB, kinesin-related protein）超过50余种，大多数KLP能向着微管（+）极运输小泡，也有些如Ncd蛋白（一种着丝点相关的蛋白）趋向微管的（-）极。

图9-21 Kinesin

Dynein发现于1963年，因与鞭毛和纤毛的运动有关而得名。dynein分子量巨大（接近1.5Md），由两条相同的重链和一些种类繁多的轻链以及结合蛋白构成（鞭毛二联微管外臂的动力蛋白具有三个重链）。其作用主要有以下几个方面：在细胞中推动染色体的分离、驱动鞭毛的运动、向着微管（-）极运输小泡（图9-22）。

图 9-22 Dynein （图片来自 G. Karp 2002）

3、形成纺锤体

纺锤体是一种微管构成的动态结构，其作用是在细胞中牵引染色体到达极，详细内容参见第十三章。 4、纤毛与鞭毛的运动

纤毛与鞭毛是相似的两种细胞外长物，前者较短，约5~10um；后者较长，约150um，两者直径相似，均为0.15~0.3um。

鞭毛和纤毛均由基体和鞭杆两部分构成（图9-23），鞭毛中的微管为9+2结构，即由9个二联微管和一对微管构成，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，两者共用3条。A管对着相邻的B管伸出两条动力蛋白臂

（图9-24），并向鞭毛发出一条辐。基体的微管组成为9+0，并且二联微管为三联微管所取代，结构类似于中心粒。

纤毛和鞭毛的运动是依靠动力蛋白（dynein）水解ATP，使相邻的二联微管相互滑动。有一种男性不育症是由于精子没有活力造成的。这种病人同时还患有慢性支气管炎，主要是因为是鞭毛和纤毛没有动力蛋白臂，不能排出侵入肺部的粒子。

图9-23 鞭毛的结构

图9-24 鞭毛轴丝结构

第三节 中间纤维

中间纤维（intermediate filaments，IF）直径10nm左右，介于微丝和微管之间。与微管不同的是中间纤维是最稳定的细胞骨架成分，它主要起支撑作用。中间纤维在细胞中围绕着细胞核分布，成束成网，并扩展到细胞质膜，与质膜相连结。

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。

图9-25 几种中间纤维的模式图

（一）角蛋白

分子量约40~70KD，出现在表皮细胞中，在人类上皮细胞中有20多种不同的角蛋白，分为α和β两类。β角蛋白又称胞质角蛋白（cyto-keratin），分布于体表、体腔的上皮细胞中。α角蛋白为头发、指甲等坚韧结构所具有。

根据组成氨基酸的不同，亦可将角蛋白分为：酸性角蛋白（I型）和中性或碱性角蛋白（II型），角蛋白组装时必须由I型和II型以1：1的比例混合组成异二聚体，才能进一步形成中间纤维。

（二）结蛋白

又称骨骼蛋白skeletin，分子量约52KD，存在于肌肉细胞中，它的主要功能是使肌纤维连在一起。

（三）胶质原纤维酸性蛋白

又称胶质原纤维glial filament，分子量约50KD，存在于星形神经胶质细胞和周围神经的许旺细胞。它主要起支撑作用。

（四）波形纤维蛋白

分子量约53KD，广泛存在于间充质细胞及中胚层来源的细胞中，波形蛋白一端与核膜

相连，另一端与细胞表面处的桥粒或半桥粒相连，将细胞核和细胞器维持在特定的空间。

（五）神经纤丝蛋白

是由三种分子量不同的多肽组成的异聚体，三种多肽是NF-L（low，60~70KD），NF-M（medium ，105~110KD），NF-H（heavy， 135-150KD）神经纤丝蛋白的功能是提供弹性使神经纤维易于伸展和防止断裂。

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。

杆状区是高度保守的，由螺旋1和螺旋2构成，每个螺旋区还分为A、B两个亚区，它们之间由非螺旋式的连结区连结在一起（图9-26）。

头部和尾部的氨基序列在不同类型的中间纤维中变化较大，可进一步分为①H亚区：同源区；②V亚区：可变区；③E亚区：末端区。

图9-26 中间纤维的通用结构图

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（图9-27）：

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。

图9-27中间纤维的组装

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，它没有极性。另外，细胞内的中间纤维蛋白绝大部分组装成中间纤维，而不象微丝和微管哪样存在蛋白库，仅约50%左右的处于装配状态。再者IF的装配与温度和蛋白浓度无关，不需要ATP或GTP。

三、IF的结合蛋白

中间纤维的结合蛋白（intermediate filament associated protein，IFAP）的功能是使中间纤维交联成束、成网，并把中间纤维交联到质膜或其它骨架成分上，已知的IFAPs约15种左右，分别与特定的中间纤维结合，如：

flanggrin使角蛋白交联成束。

Plectin将波形蛋白纤维与微管交联在一起。 Ankyrin 把结蛋白纤维与质膜连在一起。

IFAPs的共同特点是：①具有中间纤维特异性。②表达有细胞专一性。③不同的IFAP

可存在于同一细胞中与不同的中间纤维组织状态相联系。④在细胞中某些IFAP的表达与细胞的功能和发育状态有关。

表1. 胞质骨架三种组分的比较

单体 结合核苷酸 纤维直径 结构 微丝 球蛋白 ATP ≈7nm 双链螺旋 微管 αβ球蛋白 GTP ≈25nm 13根源纤丝组成空心管状纤维 中间纤维 杆状蛋白 无 10nm 8个4聚体或4个8聚体组成的空心管状纤维 极性 组织特异性 蛋白库 踏车形为 动力结合蛋白 特异性药物 有 无 有 有 肌球蛋白 细胞松驰素 鬼笔环肽

细胞连接与粘附分子

细胞与细胞间或细胞与细胞外基质的联结结构称为细胞连接（cell junction）。细胞连接的体积很小，只有在电镜下才能观察到。可分为三大类，即：封闭连接（occluding junction）、锚定连接（anchoring junction）和通讯连接（communicating junction）。

有 无 有 有 动力蛋白，驱动蛋白 无 有 无 无 无 秋水仙素，长春花碱，紫杉酚 第一节 细胞连接

一、封闭连接

（一）紧密连接（tight junction）

又称封闭小带（zonula occludens），存在于脊椎动物的上皮细胞间（图11-1），长度约50-400nm，相邻细胞之间的质膜紧密结合，没有缝隙。在电镜下可以看到连接区域具有蛋白质形成的焊接线网络，焊接线也称嵴线（图11-2，3），封闭了细胞与细胞之间的空隙。上皮细胞层对小分子的透性与嵴线的数量有关，有些紧密连接甚至连水分子都不能透过。

紧密连接的焊接线由跨膜细胞粘附分子构成，主要的跨膜蛋白为claudin和occludin，另外还有膜的外周蛋白ZO。

紧密连接的主要作用是封闭相邻细胞间的接缝，防止溶液中的分子沿细胞间隙渗入体内，从而保证了机体内环境的相对稳定；消化道上皮、膀胱上皮、脑毛细血管内皮以及睾丸支持细胞之间都存在紧密连接。后二者分别构成了脑血屏障和睾血屏障，能保护这些重要器官和组织免受异物侵害。在各种组织中紧密连接对一些小分子的密封程度有所不同，例如小肠上皮细胞的紧密连接对Na的渗漏程度比膀胱上皮大1万倍。

+

图11-1紧密连接位于上皮细胞的上端

图11-2兔子上皮细胞的紧密连接（冰冻蚀刻）

图11-3 紧密连接的模式图

（二）间壁连接（septate junctions）

是存在于无脊椎动物上皮细胞的紧密连接（图11-4）。连接蛋白呈梯子状排列，形状非常规则，连接的细胞内骨架成分为肌动蛋白纤维。在果蝇中一种叫做discs-large的蛋白参与形成间壁连接，突变品种不仅不能形成间壁连接，还产生瘤突。

图11-4 间壁连接存在于无脊椎动物

二、锚定连接

（一）粘合带与粘合斑

粘合带（adhesion belt）呈带状环绕细胞，一般位于上皮细胞顶侧面的紧密连接下方（图11-5）。在粘合带处相邻细胞的间隙约15～20nm。

图11-5 粘合带位于紧密连接下方

间隙中的粘合分子为E-钙粘素（图11-6）。在质膜的内侧有几种附着蛋白与钙粘素结合在一起，这些附着蛋白包括：α-，β-，γ-连锁蛋白（catenin）、粘着斑蛋白（vinculin）、α-辅肌动蛋白（α-actinin）和片珠蛋白（plakoslobin）。

图11-6 粘合带结构模型

粘合带处的质膜下方有与质膜平行排列的肌动蛋白束，钙粘蛋白通过附着蛋白与肌动蛋白束相结合。于是，相邻细胞中的肌动蛋白丝束通过钙粘蛋白和附着蛋白编织成了一个广泛的网络，把相邻细胞联合在一起。

粘合斑（adhesion plaque）位于细胞与细胞外基质间，通过整合素（integrin）把细胞中的肌动蛋白束和基质连接起来。连接处的质膜呈盘状，称为粘合斑。

（二）桥粒与半桥粒

桥粒（desmosome）存在于承受强拉力的组织中，如皮肤、口腔、食管等处的复层鳞状上皮细胞之间和心肌中（图11-7）。相邻细胞间形成纽扣状结构，细胞膜之间的间隙约30nm，质膜下方有细胞质附着蛋白质，如片珠蛋白（plakoglobin）、桥粒斑蛋白（desmoplakin）等，形成一厚约15～20nm的致密斑。斑上有中间纤维相连，中间纤维的性质因细胞类型而异，如：在上皮细胞中为角蛋白丝（keratin filaments），在心肌细胞中则为结蛋白丝（desmin

filaments）。桥粒中间为钙粘素（desmoglein及desmocollin）。因此相邻细胞中的中间纤维通过细胞质斑和钙粘素构成了穿胞细胞骨架网络（图11-8）。

图11-7 桥粒位于粘合带下方

图11-8 桥粒的结构模型

半桥粒（hemidesmosome）在结构上类似桥粒，位于上皮细胞基面与基膜之间（图11-9），它桥粒的不同之处在于：①只在质膜内侧形成桥粒斑结构，其另一侧为基膜；②穿膜连接蛋白为整合素（integrin）而不是钙粘素，整合素是细胞外基质的受体蛋白；③细胞内的附着蛋白为角蛋白（keratin）。

图11-9 半桥粒连接上皮细胞基面和基膜

三、通讯连接

（一）间隙连接

间隙连接（gap junction） 存在于大多数动物组织。在连接处相邻细胞间有2～4nm的缝隙（图11-10），而且连接区域比紧密连接大得多，最大直径可达0.3μm。在间隙与两层质膜中有大量蛋白质颗粒，是构成间隙连接的基本单位，称连接子（connexon），由6

个相同或相似的跨膜蛋白亚单位环绕而成，直径8nm，中心形成一个直径约1.5nm的孔道(图11-11)。通过向细胞内注射分子量不同的染料，证明间隙连接的通道可以允许分子量小于1.5KD的分子通过。这表明细胞内的小分子，如无机盐离子、糖、氨基酸、核苷酸和维生素等有可能通过间隙连接的孔隙。

间隙连接的通透性是可调节的。在实验条件下，降低细胞PH值，或升高钙离子浓度均可降低间隙连接的通透性。当细胞破损时，大量钙离子进入，导致间隙连接关闭，以免正常细胞受到伤害。

图11-10 间隙连接电镜照片

图11-11 左，连接子电镜照片；右，间隙连接模型

间隙连接的功能包括：

1．参与细胞分化：胚胎发育的早期，细胞间通过间隙连接相互协调发育和分化。小分子物质即可在一定细胞群范围内，以分泌源为中心，建立起递变的扩散浓度梯度，以不同的分子浓度为处于梯度范围内的细胞提供”位置信息”（positional information），从而诱导细胞按其在胚胎中所处的局部位置向着一定方向分化。

2．协调代谢：例如，在体外培养条件下，把不能利用外源次黄嘌呤合成核酸的突变型成纤维细胞和野生型成纤维细胞共同培养，则两种细胞都能吸收次黄嘌呤合成核酸。如果破坏细胞间的间隙连接，则突变型细胞不能吸收次黄嘌呤合成核酸。

3、构成电紧张突触：平滑肌、心肌、神经末梢间均存在的这种间隙连接，称为电紧张突触（electrotonic synapses）。电紧张突触无须依赖神经递质或信息物质即可将一些细胞的电兴奋活动传递到相邻的细胞。

（二）胞间连丝

胞间连丝（plasmodesmata）是植物细胞特有的通讯连接。是由穿过细胞壁的质膜围成的细胞质通道，直径约20～40nm。因此植物体细胞可看作是一个巨大的合胞体（syncytium）。通道中有一由膜围成的筒状结构，称为连丝小管（desmotubule）。连丝小管由光面内质化而成，管的两端与内质网相连。连丝小管与胞间连丝的质膜内衬之间，填充有一圈细胞质溶质（cytosol）。一些小分子可通过细胞质溶质环在相邻细胞间传递(图11-12)。

图11-12 胞间连丝结构模型

胞间连丝在功能上与动物细胞间的间隙连接类似，它允许分子量小于800Da的分子通过，在相邻细胞间起通讯作用。但通过胞间连丝的分子运输也要受到调节。实验证明，在胞间连丝正常的情况下，有些低分子量的染料分子却不能通过。然而某些植物病毒能制造特殊的蛋白质，这种蛋白质同胞间连丝结合后，可使胞间连丝的有效孔径扩大，使病毒粒子得以通过胞间连丝在植物体内自由播散和感染。

胞间连丝还对细胞分化起一定作用。在高等植物中，顶端分生组织的细胞分化与胞间连丝的分布有着相应的关系。随着细胞的生长和延长，侧壁上的胞间连丝逐渐减少，而横壁上的却仍保持很多。植物相邻细胞间的细胞核可经胞间连丝穿壁。

（三）化学突触

化学突触（synapse）是存在于可兴奋细胞间的一种连接方式，其作用是通过释放神经递质来传导兴奋。由突触前膜(presynaptic membrane)、突触后膜(postsynaptic membrane)和突触间隙(synaptic cleft)三部分组成（图11-13、14）。

图11-13 化学突触的结构（具有小囊泡的一侧为突触前膜）

突触前神经元的突起末梢膨大呈球形，称突触小体(synaptic knob)。突触小体贴附在突触后神经元的胞体或突起的表面形成突触。突触小体的膜称突触前膜，与突触前膜相对的胞体膜或突起的膜称突触后膜，两膜之间称为突触间隙。间隙的宽度约20-30nm，内含有粘多糖和糖蛋白等物质。

突触小体内有许多囊泡，称突触小泡(synaptic vesicle)，内含神经递质。当神经冲动传到突触前膜，突触小泡释放神经递质，为突触后膜的受体接受（配体门通道），引起突触后膜离子通透性改变，膜去极化或超极化。

图11-14 化学突触的结构模型

表10-1各种连接的比较 紧密连接 封闭连接 间壁连接 粘合带 连接肌动蛋白 粘合斑 锚定连接 桥粒 连接中间纤维 半桥粒 间隙连接 通讯连接 化学突触 胞间连丝

上皮细胞基部 大多数动物组织中 神经细胞间和神经—肌肉间 植物细胞间 心肌、表皮 上皮细胞基部 只存在于无脊椎动物中 上皮组织 上皮组织

图11-15 几类细胞连接的比较

第二节 细胞粘附分子

细胞粘附分子（cell adhesion molecule，CAM）是参与细胞与细胞之间及细胞与细胞外基质之间相互作用的分子。可大致分为五类：钙粘素、选择素、免疫球蛋白超家族、整合素及透明质酸粘素。

细胞粘附分子都是跨膜糖蛋白，分子结构由三部分组成：①胞外区，肽链的N端部分，带有糖链，负责与配体的识别；②跨膜区，多为一次跨膜；③胞质区，肽链的C端部分，一般较小，或与质膜下的骨架成分直接相连，或与胞内的化学信号分子相连，以活化信号转导途径。

多数细胞粘附分子的作用依赖于二价阳离子，如Ca2，Mg2。细胞粘附分子的作用机

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＋

制有三种模式（图11-16）：两相邻细胞表面的同种CAM分子间的相互识别与结合（亲同性粘附）；两相邻细胞表面的不同种CAM分子间的相互识别与结合（亲异性粘附）；两相邻细胞表面的相同CAM分子借细胞外的连接分子相互识别与结合。

图11-16 细胞粘附分子的作用方式

一、钙粘素

钙粘素（cadherin）属亲同性CAM，其作用依赖于Ca2。至今已鉴定出30种以上钙

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粘素（表10-2），分布于不同的组织。

图11-17 钙粘素结构模型

钙粘素分子结构同源性很高，其胞外部分形成5个结构域，其中4个同源，均含Ca2

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结合部位（图11-17）。决定钙粘素结合特异性的部位在靠N末端的一个结构域中，只要

变更其中2个氨基酸残基即可使结合特异性由E-钙粘素转变为P-钙粘素。钙粘素分子的胞质部分是最高度保守的区域，参与信号转导。

钙粘素通过不同的连接蛋白质与不同的细胞骨架成分相连，如E-钙粘素通过α-、β-、γ-连锁蛋白（catenin）以及粘着斑蛋白（vinculin）、锚蛋白、α辅肌动蛋白等与肌动蛋白纤维相连；桥粒中的desmoglein及desmocollin则通过桥粒致密斑与中间纤维相连。

表10-2 哺乳动物细胞表面的主要钙粘素分子

名称 E-钙粘素 P-钙粘素 N-钙粘素 M-钙粘素 R-粘素 Ksp-钙粘素 OB-钙粘素 VB-钙粘素 desmoglein desmocollin 主要分布组织 着床前的胚胎、上皮细胞（在带状粘合处特别集中） 胎盘滋养层细胞、心、肺、小肠 胚胎中胚层、神经外胚层、神经系统（脑、神经节）、心、肺 成肌细胞、骨骼肌细胞 视网膜神经细胞、神经胶质细胞 肾 成骨细胞 脉管内皮细胞 桥粒 桥粒 钙粘素的作用主要有以下几个方面：

1．介导细胞连接，在成年脊椎动物，E-钙粘素是保持上皮细胞相互粘合的主要CAM，是粘合带的主要构成成分。桥粒中的钙粘素就是desmoglein及desmocollin。

2．参与细胞分化，钙粘素对于胚胎细胞的早期分化及成体组织（尤其是上皮及神经组织）的构筑有重要作用。在发育过程中通过钙粘素表达的种类与数量可决定胚胎细胞间的相互作用（粘合、分离、迁移、再粘合），从而通过细胞的微环境，影响细胞的分化，参与器官形成过程。

3．抑制细胞迁移，很多种癌组织中细胞表面的E钙粘素减少或消失，以致癌细胞易从瘤块脱落，成为侵袭与转移的前提。因而有人将E钙粘素视为转移抑制分子。

二、选择素

选择素（selectin）属亲异性CAM，其作用依赖于Ca2。主要参与白细胞与脉管内皮

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细胞之间的识别与粘合。已知选择素有三种：L选择素、E选择素及P选择素（图11-18）。

图11-18 选择素结构模型

选择素的胞外区由三个结构域构成：N端的C型凝集素结构域，EGF样结构域、重复次数不同的补体结合蛋白结构域；通过凝集素结构域来识别糖蛋白及糖脂分子上的糖配体。

E选择素及P选择素所识别与结合的糖配体为唾液酸化及岩藻糖化的N乙酰氨基乳糖结构（sLeX及sLeA）。sLeA结构存在于髓系白细胞表面（其中包括L选择素）分子中。多种肿瘤细胞表面也存在sLeX及sLeA结构。

P选择素贮存于血小板的α颗粒及内皮细胞的Weibel-Palade小体。炎症时活化的内皮细胞表面首先出现P选择素，随后出现E选择素。它们对于召集白细胞到达炎症部位具有重要作用。

E选择素存在于活化的血管内皮细胞表面。炎症组织释放的白细胞介素I（IL-1）及肿瘤坏死因子（TNF）等细胞因子可活化脉管内皮细胞，刺激E选择素的合成。

L选择素广泛存在于各种白细胞的表面，参与炎症部位白细胞的出脉管过程。白细胞表面L选择素分子上的sLeA与活化的内皮细胞表面的P选择素及E选择素之间的识别与结合，可召集血液中快速流动的白细胞在炎症部位的脉管内皮上减速滚动（即通过粘附、分离、再粘附……，如此循环往复），最后穿过血管进入炎症部位。

三、免疫球蛋白超家族

免疫球蛋白超家族（Ig-superfamily，Ig-SF）包括分子结构中含有免疫球蛋白（Ig）样结构域的所有分子，一般不依赖于Ca2。免疫球蛋白样结构域系指借二硫键维系的两组反

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向平行β折叠结构（图11-19）。

图11-19 Ig-SF的结构模型

除免疫球蛋白外，还包括T细胞受体，B细胞受体，MHC及细胞粘附分子（Ig-CAM）等。有的属于亲同性CAM，如各种神经细胞粘附分子（N-CAM）及血小板-内皮细胞粘附分子（Pe-CAM）；有的属于亲异性CAM，如细胞间粘附分子（I-CAM）及脉管细胞粘附分子（V-CAM）等。I-CAM及V-CAM的配体都是整合素。

N-CAM有20余种异型分子，它们在神经发育及神经细胞间相互作用上有重要作用。 I-CAM及V-CAM在活化的血管内皮细胞表达。炎症时，活化的内皮细胞表面的I-CAM可与白细胞表面的αLβ2及巨噬细胞表面的αMβ2相结合；V-CAM则可与白细胞的α4β1整合素相结合。它们继上述选择素介导的白细胞与内皮细胞的粘合作用之后使在内皮上滚动的白细胞固着于炎症部位的脉管内皮，并发生铺展，进而分泌水解酶而穿出脉管壁。

四、整合素

整合素（integrin）大多为亲异性细胞粘附分子，其作用依赖于Ca2。介导细胞与细胞

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间的相互作用及细胞与细胞外基质间的相互作用（图11-20）。几乎所有动植物细胞均表达整合素。

图11-20 整合素结构模型

整合素是由α （120~185kD）和β（90~110kD）两个亚单位形成的异二聚体。迄今已发现16种α亚单位和9种β亚单位。它们按不同的组合构成20余种整合素。

α亚单位的N端有结合二价阳离子的结构域，胞质区近膜处都有一个非常保守的KXGFFKR序列，与整合素活性的调节有关。

含β1亚单位的整合素主要介导细胞与细胞外基质成分之间的粘附。含β2亚单位的整合素主要存在于各种白细胞表面，介导细胞间的相互作用。β3亚单位的整合素主要存在于血小板表面，介导血小板的聚集，并参与血栓形成。除β4可与肌动蛋白及其相关蛋白质结合，α6β4整合素以层粘连蛋白为配体，参与形成半桥粒（图11-21）。

图11-21 半桥粒处的α6β4整合素

五、透明质酸粘素

透明质酸粘素（hyaladherin）包括可结合透明质酸糖链的一类分子，具有相似的氨基酸序列和空间构象。CD44族是其中的一个成员，分子量范围为85 KD~250KD，介导细胞与细胞间及细胞与细胞外基质间的相互作用，同样是由胞外，跨膜及胞质三个部分构成的糖蛋白，糖链为硫酸软骨素及硫酸乙酰肝素。CD44肽链的N端可结合透明质酸，故CD44也被视为透明质酸的受体。

CD44的功能包括： ①与透明质酸、纤粘连蛋白及胶原结合，介导细胞与细胞外基质之间的粘附；②参与细胞对透明质酸的摄取及降解；③参与淋巴细胞归巢；④参与T细胞的活化；⑤促进细胞迁移。

CD44在很多种肿瘤细胞的表达比相应正常组织为高，并与肿瘤细胞的成瘤性、侵袭性及淋巴结转移性有关。