用电子显微镜观察非离子型去垢剂处理后的细胞, 可以在细胞质内观察到一个复杂的纤维状网架结构体系, 称为细胞骨架(cytoskeleton). 细胞骨架包括微丝(microfilament, MF), 微管(microtubule, MT)和中间丝(intermediate filament,IF)三种结构成分.
细胞骨架的发现较晚，主要是因为一般电子显微镜制样采用低温（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.
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细胞骨架是高度动态的结构体系. 在细胞周期的不同时期有着不同的组织状态; 在体内向着不同方向分化状态的细胞中不仅组织状态不同, 甚至连构成细胞骨架的蛋白质也有差异.
使用物理或化学手段破坏细胞骨架将导致细胞形态变化, 细胞器和生物大分子分布异常. 这表明细胞骨架在细胞内有重要的机械支撑和空间组织作用. 并且能够在细胞内运输生物大分子. 此外几乎一切细胞水平的运动都涉及细胞骨架的参与(细胞水平的运动综合形成了生物体的宏观运动), 例如肌细胞收缩和变形虫的变形运动.
微丝的主要由肌动蛋白(actin)单体串接而成. 尚未组合成微丝的游离肌动蛋白单体称为球状肌动蛋白G-actin. 已经结合成微丝的则为纤维状肌动蛋白F-actin. [img]
在大多数真核细胞中, 肌动蛋白是含量最丰富的蛋白质之一. 肌细胞中的肌动蛋白占细胞蛋白总量的10%左右, 非肌细胞中这一比例约在1%~5%.
肌动蛋白单体由单个肽链折叠而成, 分为四个subdomain. 分子量为[img], 外观呈碟状结构, 中央有一个裂口, 裂口内部有ATP结合位点和[img]结合位点.
肌动蛋白在进化过程中高度保守. 在哺乳类和鸟类中已经分离到6种肌动蛋白, 包括4种α-肌动蛋白, 全部位于肌细胞中, 分别为横纹肌、心肌、血管平滑肌和肠道平滑肌所特有, 1种β-肌动蛋白和1种γ-肌动蛋白. β-肌动蛋白通常位于细胞边缘, 在细胞的前缘组成微丝使得细胞能够向前迁移. γ-肌动蛋白和张力纤维有关.
在不同类型的肌细胞中α-肌动蛋白分子的一级结构仅差4~6个氨基酸残基, β-肌动蛋白或γ-肌动蛋白与横纹肌α-肌动蛋白相差约25个氨基酸残基. 表明这些肌动蛋白由同一个祖先基因演化而来. 多数简单真核生物如酵母或粘菌仅含单个肌动蛋白基因, 许多多细胞真核生物则有多个肌动蛋白基因.
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微丝是双股螺旋状的扭链. 每一条都由肌动蛋白单体首尾相接螺旋排列而成. 螺距为36nm. 县委内部每个肌动蛋白单体周围都有4个单体, 上下和两侧各一个. 肌动蛋白分子上的裂口使得蛋白本身在结构上具有不对称性, 在整个微丝上, 每一个单体上的裂口都朝向微丝的同一端, 使得微丝在结构上具有极性. 规定具有裂口的一端为负极[img], 而另一端为正极[img].
肌动蛋白单体组装成微丝的过程可以分为两阶段:
成核反应. 由至少2~3个肌动蛋白单体形成寡聚体. 成核反应需要肌动蛋白相关蛋白(actin-related protein,Arp) Arp2/3复合物的参与, 在该复合物内Arp2和Arp3和其他5种蛋白相互作用形成微丝组装的起始复合物, 肌动蛋白单体与起始复合物结合形成一段可供肌动蛋白继续组装的寡聚体.
纤维延长. 肌动蛋白和ATP结合形成复合物以后, 就可以组装到已经形成的微丝末端, 并同时将ATP水解为ADP. 当微丝组装的速度快过肌动蛋白水解ATP的速度时, 就会在微丝末端形成一个肌动蛋白-ATP亚基帽. 这种结构使得微丝较为稳定, 可以持续组装; 相反当末端肌动蛋白亚基结合的是ADP(表明组装速度较慢)时, 则倾向于从微丝上解聚下来. 当微丝达到一定长度时, 组装速度和ATP水解速度达到平衡, 从而组装和去组装达到平衡, 使得微丝的长度几乎保持不变.
寡聚体的(+)极端组装占优势. 在体外组装的过程中有时可以见到微丝的正极由于肌动蛋白的不断添加而延长, 负极则由于肌动蛋白的去组装而缩短, 这一现象称为踏车行为(treadmilling). 永久性的微丝, 例如肌细胞中的细丝和小肠上皮细胞中的轴心微丝束, 不参与微丝的组装-去组装平衡.
微丝的存在状态和功能受到细胞内微丝结合蛋白的调节. 它们通过影响微丝的聚合解聚过程来影响微丝的配布、通过干预微丝和其他细胞结构之间的相互作用来规约微丝的行为.
例如, 细胞内G-actin和F-actin的比例通常大致相等, 远远高于G-actin在体外组装所需要的临界浓度, 这是由于细胞内游离的肌动蛋白通常和另外一些分子量较小的蛋白结合, 如胸腺素(thymosins)和抑制蛋白(profilin)等, 使得G→F的过程在平时受到抑制, 只在需要时才加以利用.
封端蛋白、成束蛋白可以使微丝保持相对稳定的状态、纤维-切割蛋白则促进微丝网络的解聚. 上面提到在微丝组装过程中起作用的Arp2/3复合物同样也是一种微丝结合蛋白.
凝溶胶蛋白: 高\(\ce{Ca^2+}\)时切断长微丝, 使肌动蛋白由凝胶态向溶胶态转化.
α-辅肌动蛋白; 丝束蛋白: 横向连接微丝成束.
细胞松弛素(cytochalasin)与微丝结合后可以切断微丝, 并且结合在微丝末端阻断肌动蛋白在该部位的聚合, 对微丝的解聚没有明显影响, 因此可以使微丝倾向于解聚.
鬼笔环肽(phalloidin)抑制微丝的解聚, 使纤维保持稳定状态. 用荧光标记的鬼笔环肽染色可以清晰地显示细胞中微丝的分布.
用细胞分裂素和鬼笔环肽处理细胞都可以阻止细胞的运动, 表明微丝的功能依赖于肌动蛋白组装和去组装的动态平衡.
肌球蛋白Ⅱ即粗肌丝, 参与肌丝滑动; 肌球蛋白Ⅰ和Ⅴ参与膜泡运输; 肌球蛋白Ⅺ参与胞质环流.
α-微管蛋白和β-微管蛋白间隔排布组成一根原纤维, β-微管蛋白一端为(+)极, α-微管蛋白一端为(-)极. 13根微管蛋白侧面并列形成一根微管.
细胞中的微管有单管、二联管(鞭毛、纤毛)和三联管(鞭毛和纤毛的基粒、中心粒)三种存在方式.
永久性的微管, 如纤毛和鞭毛中的微管, 神经元凸起内的微管, 不参与微管组装-去组装平衡; 暂时性的微管, 以αβ二聚体为单位进行组装-去组装, 由于α-微管蛋白上结合的GTP通常不发生水解, 故微管的组装-去组装主要发生在(+)极.
微管起始组装需要结合在MTOCs(微管组织中心、中心体)上的γ-微管蛋白的起始.
附着在微管聚合体上, 参加微管装配, 并增加它们的稳定性.
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细胞骨架的特异性工具药
微管: 秋水仙素(解聚)、紫杉醇(聚合)
微丝: 细胞松弛素(解聚)、鬼笔环肽(聚合)
至今没有发现中间丝的特异性工具药.