4.5: 细胞骨架

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培养技能

描述细胞骨架
比较微丝、中间细丝和微管的作用
比较和对比纤毛和鞭毛
总结原核细胞、动物细胞和植物细胞成分之间的差异

如果你要去除细胞中的所有细胞器，那么质膜和细胞质是唯一剩下的组成部分吗？不。在细胞质中，仍然会有离子和有机分子，再加上蛋白质纤维网络，这些网络有助于维持细胞的形状，保护某些细胞器处于特定位置，允许细胞质和囊泡在细胞内移动，并使多细胞生物体内的细胞能够移动。总的来说，这种蛋白质纤维网络被称为细胞骨架。细胞骨架中有三种类型的纤维：微丝、中间丝和微管（图 $\PageIndex{1}$ ）。在这里，我们将逐一进行研究。

微丝

在细胞骨架中的三种蛋白质纤维中，微丝是最窄的。它们在细胞运动中起作用，直径约为7 nm，由两条交织在一起的称为肌动蛋白的球状蛋白链组成（图 $\PageIndex{2}$ ）。因此，微丝也被称为肌动蛋白丝。

这幅插图显示了两根肌动蛋白丝缠绕在一起。每根肌动蛋白丝都由许多肌动蛋白亚基组成，这些亚基连接在一起形成链。 — 图 $\PageIndex{2}$ ：微丝由两条交织在一起的肌动蛋白链组成。

肌动蛋白由ATP提供动力，可以组装其丝状形态，这是一种称为肌球蛋白的运动蛋白运动的轨道。这使肌动蛋白能够参与需要运动的细胞事件，例如动物细胞中的细胞分裂和细胞质流，即植物细胞中细胞质的循环运动。肌动蛋白和肌球蛋白在肌肉细胞中含量丰富。当你的肌动蛋白和肌球蛋白丝相互滑过时，你的肌肉就会收缩。

微丝还为细胞提供了一定的刚性和形状。它们可以快速解聚（拆解）和重组，从而使细胞能够改变其形状和移动。白细胞（你身体的抗感染细胞）很好地利用了这种能力。它们可以移动到感染部位并吞噬病原体。

链接到学习

视频 $\PageIndex{1}$ ：要查看白细胞的作用示例，请观看该细胞捕获两种细菌的简短延时视频。它吞没了一个，然后移动到另一个。

中间细丝

中间细丝由几股缠绕在一起的纤维蛋白组成（图 $\PageIndex{3}$ ）。细胞骨架中的这些元素之所以得名，是因为它们的直径为8到10 nm，介于微丝和微管的直径之间。

此图显示了 10 根中间长丝纤维捆绑在一起。 — 图 $\PageIndex{3}$ ：中间细丝由几条交织在一起的纤维蛋白链组成。

中间细丝在细胞运动中没有作用。它们的功能纯粹是结构性的。它们承受张力，从而保持细胞的形状，并将细胞核和其他细胞器固定在适当的位置。 $\PageIndex{1}$ 该图显示了中间细丝如何在细胞内形成支撑性脚手架。

中间细丝是最多样化的细胞骨架元素。在中间细丝中发现了几种类型的纤维蛋白。你可能最熟悉角蛋白，这是一种增强头发、指甲和皮肤表皮的纤维蛋白。

微管

顾名思义，微管是小型空心管。微管壁由α-微管蛋白和β-微管蛋白（两种球状蛋白）的聚合二聚体组成（图 $\PageIndex{4}$ ）。微管的直径约为 25 nm，是细胞骨架中最宽的成分。它们帮助细胞抵抗压缩，提供囊泡在细胞中移动的轨道，并将复制的染色体拉到分裂细胞的两端。像微丝一样，微管可以迅速溶解和变形。

微管也是鞭毛、纤毛和中心体（后者是中心体的两个垂直体）的结构元素。实际上，在动物细胞中，中心体是微管组织中心。在真核细胞中，鞭毛和纤毛在结构上与原核生物中的鞭毛和纤毛有很大不同，如下所述。

鞭毛和纤毛

为了刷新记忆，鞭毛（单数 = 鞭毛）是从质膜延伸出来的长毛状结构，用于移动整个细胞（例如精子、裸藻）。当存在时，细胞只有一根鞭毛或几根鞭毛。但是，当纤毛（单数 = 纤毛）存在时，它们中的许多会沿着质膜的整个表面延伸。它们是短的毛发状结构，用于沿着细胞的外表面移动整个细胞（例如 paramecia）或物质（例如，输卵管内将卵子移向子宫的细胞纤毛）或呼吸道细胞内层捕获颗粒物的纤毛物质然后把它移向你的鼻孔。）

尽管鞭毛和纤毛的长度和数量不同，但它们具有共同的微管结构排列，称为 “9 + 2 阵列”。这是一个恰当的名称，因为单个鞭毛或纤毛是由九个微管双胞圈组成的，中间围绕着一个微管双胞胎（图 $\PageIndex{5}$ ）。

这张透射电子显微照片显示了形成空心管的九个微管双层的横截面。另一个微管双胞胎位于管子的中央。 — 图 $\PageIndex{5}$ ：这张两根鞭毛的透射电子显微照片显示了 9 + 2 的微管阵列：九个微管双子围绕着一个微管双胞胎。（来源：达特茅斯学院达特茅斯电子显微镜设施对作品的修改；来自马特·罗素的比例尺数据）

你现在已经完成了对原核细胞和真核细胞成分的广泛调查。有关原核和真核细胞中细胞成分的摘要，见表 $\PageIndex{1}$ 。

表 $\PageIndex{1}$ ：原核和真核细胞中的细胞成分。
细胞组件	函数	存在于原核生物中吗？	存在于动物细胞中吗？	存在于植物细胞中吗？
质膜	将细胞与外部环境分开；控制有机分子、离子、水、氧气和废物进出细胞	是的	是的	是的
细胞质	为植物细胞提供膨胀压力，使其成为中央液泡内的液体；许多代谢反应的场所；细胞器所在的培养基	是的	是的	是的
Nucleolus	核内合成核糖体亚基的区域变暗。	不是	是的	是的
核	存放 DNA 并指导核糖体和蛋白质合成的细胞器	不是	是的	是的
核糖体	蛋白质合成	是的	是的	是的
线粒体	ATP 产生/细胞呼吸	不是	是的	是的
过氧化物酶体	氧化从而分解脂肪酸和氨基酸，排毒毒物	不是	是的	是的
囊泡和液泡	储存和运输；植物细胞中的消化功能	不是	是的	是的
中心体	在动物细胞分裂中的作用不明；动物细胞中微管的来源	不是	是的	不是
溶酶体	消化大分子；回收破旧的细胞器	不是	是的	不是
细胞墙	细胞形状的保护、结构支持和维护	是的，主要是肽聚糖	不是	是的，主要是纤维素
叶绿体	光合作用	不是	不是	是的
内质网	修饰蛋白质和合成脂质	不是	是的	是的
高尔基仪器	修改、分类、标记、包装和分配脂质和蛋白质	不是	是的	是的
细胞骨架	保持细胞形状，将细胞器固定在特定位置，允许细胞质和囊泡在细胞内移动，并使单细胞生物能够独立移动	是的	是的	是的
鞭毛	细胞运动	一些	一些	不，除了一些植物精子细胞。
纤毛	细胞运动、粒子沿质膜细胞外表面的运动和过滤	一些	一些	不是

摘要

细胞骨架有三种不同类型的蛋白质元素。从最窄到最宽，它们是微丝（肌动蛋白丝）、中间丝和微管。微丝通常与肌球蛋白有关。它们为细胞提供刚性和形状，促进细胞运动。中间细丝承受张力，将细胞核和其他细胞器固定在适当的位置。微管帮助细胞抵抗压缩，充当运动蛋白的轨道，使囊泡穿过细胞，并将复制的染色体拉到分裂细胞的两端。它们也是中心体、鞭毛和纤毛的结构元素。

词汇表

纤毛: （plural = cilia）短的毛发状结构，从质膜大量延伸，用于移动整个细胞或沿着细胞外表面移动物质

细胞骨架: 蛋白质纤维网络，共同维持细胞的形状，将一些细胞器固定在特定位置，允许细胞质和囊泡在细胞内移动，并使单细胞生物能够独立移动

鞭毛: （plural = 鞭毛）长而毛发状的结构，从质膜延伸出来，用于移动细胞

中间灯丝: 细胞骨架成分由几条交织在一起的纤维蛋白链组成，具有张力，支持细胞-细胞连接并将细胞固定在细胞外结构上

微丝: 细胞骨架系统中最窄的元素；它为细胞提供刚性和形状，并支持细胞运动

微管: 细胞骨架系统中最宽的元素；它有助于细胞抵抗压缩，提供囊泡在细胞中移动的轨道，将复制的染色体拉到分裂细胞的两端，并且是中心体、鞭毛和纤毛的结构元素