細胞骨架

細胞骨架（cytoskeleton）是指真核細胞中的蛋白纖維網路結構。發現較晚，主要是因為一般電鏡制樣採用低溫（0-4℃）固定，而細胞骨架會在低溫下解聚。直到20世紀60年代后，採用戊二醛常溫固定，才逐漸認識到細胞骨架的客觀存在。真核細胞藉以維持其基本形態的重要結構，被形象地稱為細胞骨架，它通常也被認為是廣義上細胞器的一種。

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面起重要作用，而且還參與許多重要的生命活動，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系統；在白細胞(白血球)的遷移、精子的遊動、神經細胞軸突和樹突的伸展等方面都與細胞骨架有關。另外，在植物細胞中細胞骨架指導細胞壁的合成。

微管（microtubule）可在所有哺乳類動物細胞中存在，直徑大於12nm，除了紅細胞(紅血球)外，所有微管均由約55kD的α及β微管蛋白（tubulin）組成。它們 正常時以（αβ）二聚體形式存在，並以頭尾相連的方式聚合，形成微管蛋白原纖維（protofilament），一般由13根這樣的原纖維構成一個中空的微管，直徑22~25nm。少數變異的微管如線蟲等所有的則有其他數目的原纖維。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。微管是細胞骨架的架構主幹，並也是某些胞器的主體，例如中心粒(centriole)就是由9組3聯微管組成的構造，而真核生物的纖毛(cilium)與鞭毛(flagellum)也是由以微管為9+2結構，即由9個二聯微管和一對中央微管構成，其中二聯微管由AB兩個管組成，A管由13條原纖維組成，B管由10條原纖維組成，兩者共享5條。A管對著相鄰的B管伸出兩條動力蛋白臂，並向鞭毛中央發出一條輻。基體的微管組成為9+0，並且二聯微管為三聯微管所取代。組成的軸絲(axoneme)為主體。

從各種組織中提純微管蛋白可以發現還存在一些其他蛋白成分（5%-20%），稱之謂微管相關蛋白（microtube associated proteins MAPs）。這些蛋白具有組織特異性，表現出從相同αβ二聚體聚合形成的微管具有獨特的性質，已從人類不同組織中發現了多種α及β微管蛋白，並追蹤微管基因表現出部分基因家族，某些基因被認為是編碼獨特的微管蛋白。

微管形成的有些結構是比較穩定的，是由於微管結合蛋白的作用和酶修飾的原因。如神經細胞軸突、纖毛和鞭毛中的微管纖維。大多數微管纖維處於動態的聚合和災變(一種突然的，迅速的，一般不可逆轉的分解)狀態，這是實現其功能所必需的性質（如紡錘體）。與秋水仙素(colchicine)結合的微管蛋白可加合到微管上，並阻止其他微管蛋白單體繼續添加，進而破壞紡錘體的結構，長春花鹼具有類似的功能。紫杉酚(taxol)，能促進微管的聚合，並使已形成的微管穩定，然而這種穩定性會破壞微管的正常功能。這些藥物可以利用破壞微管功能以阻止細胞分裂，成為癌症治療的新希望。

在人類至少發現兩種明顯區別的α-微管蛋白及三種明顯區別的β-微管基因，它們產生具有特定功能的微管蛋白mRNA，由於這些編碼在結構組分上十分近似蛋白質分子，在不同組織存在多少特異性的具有差異表達的微管蛋白亞型，尚待深入研究。

除了α-與β-微管蛋白有編碼相似的不同變異型，近幾年來又發現了多種編碼差異更大的新的微管蛋白，形成不同的基因家族。其中gamma微管蛋白位於細胞內的微管組織中心（microtubule organizing center, MTOC），是用以提供α及β微管蛋白進行聚合反應形成微管的起始核心。而delta與epsilon則被認為與中心體(centrosome)的結構與形成有關。其他尚有eta, zeta, theta等等多種變異，不過通常僅存在少數幾種真核單細胞生物如原蟲或纖毛蟲里，可能跟這些生物獨特的結構與生理習性有關，進一步詳情仍待研究。

微絲（microfilament）也普遍存在於所有真核細胞中，是一個實心狀的纖維，直徑為4nm-7nm一般細胞中含量約佔細胞內總蛋白質的1%-2%，但在活動較強的細胞中可佔20%-30%。在一般細胞主要分佈於細胞的表面，直接影響細胞的形狀。微絲具有多種功能，在不同細胞的表現不同，在肌細胞組成粗肌絲、細肌絲，可以收縮（收縮蛋白），在非肌細胞中主要起支撐作用、非肌性運動和信息傳導作用。

微絲主要由肌動蛋白（actin）構成，和肌球蛋白（myosin，一種‎‎‎分子馬達蛋白）一起作用，使細胞運動。它們參與細胞的變形蟲運動、植物細胞的細胞質流動與肌肉細胞的收縮：

植物細胞的細胞質流動：微絲中的actin(肌動蛋白)與myosin(肌球蛋白)在細胞質形成三維的網路體系。actin位於外質，myosin位於內質。 myosin連結著細胞質顆粒，由ATP供給能量，myosin與細胞質顆粒的結合體沿著actin filament滑動，從而帶動整個細胞質的環流。

變形蟲運動(amoeboid movememt，阿米巴運動)：肌肉細胞的收縮：

如同微管蛋白，肌動蛋白的基因組成一個超家族，並組成多種極為相似的結構。例如，各種肌肉細胞有不同的肌動蛋白：①骨骼肌的條紋纖維；②心肌的條紋纖維；③血管壁的平滑肌；④胃腸道壁的平滑肌。它們在氨基酸組分上有微小的差異（大約在400個氨基酸殘基序列中有4-6個變異），在肌肉與非肌細胞中都還存在β及γ肌動蛋白，它們與具有橫紋的α肌動蛋白可有25個氨基酸的差異。

G-肌動蛋白單體（含ATP）可聚合為呈纖維狀的F-肌動蛋白（含ADP），它們可由Mg2+及高濃度的K+或Na+誘導而聚合，聚合后ATP水解為ADP及C-肌動蛋白ADP單體，組成F-肌動蛋白。在骨骼肌的細肌絲（thin filament，由肌動蛋白構成）與粗肌絲（thick filament，由肌球蛋白構成）相互作用而使肌肉收縮（肌球蛋白可以起作肌動蛋白激活的ATPase的作用）。肌球蛋白也存在於哺乳動物的非肌細胞中（但以非聚合狀態存在）。

細胞骨架的第三種纖維結構稱中間纖維（intermediate filament,IF），又稱中間絲、中等纖維，直徑介於微管和微絲之間（8nm-10nm)，其化學組成比較複雜。構成它的蛋白質多達5種，常見的有波形蛋白(vimentin)、角蛋白(keratin)、結蛋白、神經元纖維、神經膠質纖維。在不同細胞中，成分變化較大。中間纖維使細胞具有張力和抗剪切力。中間纖維有共同的基本結構，即構建成一個中央α螺旋桿狀區，兩側則 是大小和化學組成不同的端區。端區的多樣性決定了中間纖維外形和性質的差異和特異性。

以上這些結構單元並非是一成不變的，而是隨細胞的生命活動而呈現高度的動態性，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。

長期以來，人們認為細胞骨架僅為真核生物所特有的結構，但近年來的研究發現它也存在於細菌等原核生物中。

目前為止，人們已經在細菌中發現的FtsZ、MreB 和CreS 依次與真核細胞骨架蛋白中的微管蛋白、肌動蛋白絲及中間絲類似。FtsZ 能在細胞分裂位點裝配形成Z 環結構，並通過該結構參與細胞分裂的調控；MreB能形成螺旋絲狀結構，其主要功能有維持細胞形態、調控染色體分離等；CreS存在於新月柄桿菌中，它在細胞凹面的細胞膜下面形成彎曲絲狀或螺旋絲狀結構，該結構對維持新月柄桿菌細胞的形態具有重要作用。

細胞在病理情況下常常會出現細胞骨架系統異常。如阿爾茨海默症患者，在腦神經元中發現有大量扭曲變形的微管和大量受損的中間纖維；在惡性轉化的細胞中，常表現為微管減少和解聚，細胞骨架異常可增強癌細胞的運動能力。研究表明，微絲束及其末端黏著斑的破壞以及肌動蛋白小體的出現，與腫瘤細胞的浸潤和轉移特性有關。

此外，中間纖維的分佈具有嚴格的組織特異性，絕大多數腫瘤細胞在發生轉移后仍表現其原發腫瘤的中間纖維類型，故可作為臨床腫瘤的鑒別診斷和腫瘤細胞是否轉移的判據。中間纖維顯微技術與羊膜刺穿結合，可用於先天胎兒畸形的診斷，例如，若羊水中含有神經元纖維和神經膠質纖維細胞，則提示胎兒或有中樞神經系統畸形。

不僅如此，細胞骨架還包含有很多結構單元的附屬蛋白質，比如：

分子馬達(molecular motors): 動力蛋白(dynein), kinesin, myosin

結合蛋白：vinculin, cofilin, tropomyosin等等

廣義的細胞骨架還包括核基質（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、細胞外的一體化網路結構。

細胞骨架（cytoskeleton）是指真核細胞中的蛋白纖維網路結構。發現較晚，主要是因為一般電鏡制樣採用低溫（0-4℃）固定，而細胞骨架會在低溫下解聚。直到20世紀60年代后，

細胞骨架

採用戊二醛常溫固定，才逐漸認識到細胞骨架的客觀存在。真核細胞藉以維持其基本形態的重要結構，被形象地稱為細胞骨架，它通常也被認為是廣義上細胞器的一種。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面起重要作用，而且還參與許多重要的生命活動，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系統；在白細胞(白血球)的遷移、精子的遊動、神經細胞軸突和樹突的伸展等方面都與細胞骨架有關。另外，在植物細胞中細胞骨架指導細胞壁的合成。