细胞骨架是一个高度动态且有组织的丝状蛋白网络，延伸到整个细胞质。它提供机械支撑，确定细胞形状，定位细胞器，并产生细胞分裂和运动所需的力。

肌动蛋白丝（微丝）

肌动蛋白丝 (F-肌动蛋白) 直径为 7 nm，由与 ATP 或 ADP 结合的球状肌动蛋白 (G-肌动蛋白) 单体组装而成。聚合优先发生在有倒刺的（正）端，而解聚发生在尖（负）端，当速率平衡时，这种特性称为跑步机。肌动蛋白结合蛋白调节肌动蛋白丝动力学：profilin 通过将 ADP 交换为 ATP 来促进肌动蛋白聚合，cofilin 切断肌动蛋白丝并加速解聚，而 Arp2/3 复合物使新肌丝成为现有肌丝分支的核。加帽蛋白结合有刺的末端以稳定细丝，而原调节蛋白则给尖端加帽。福明斯使线性、无分支的细丝成核，并在伸长过程中保持与倒刺末端的联系。

微管

微管是直径 25 nm 的中空圆柱体，由 α- 和 β- 微管蛋白异二聚体组成，它们头尾相连地组装成原丝，通常由 13 个原丝形成微管壁。微管表现出动态不稳定性：它们在生长阶段（GTP-微管蛋白聚合）和快速收缩阶段（β-微管蛋白亚基中的 GTP 水解引发灾难）之间交替。中心体是动物细胞中主要的微管组织中心，包含一对中心粒，周围环绕着富含γ-微管蛋白环复合物的中心粒周围材料，使微管成核。微管相关蛋白 (MAP) 如 MAP2 和 tau 稳定微管，而剑蛋白则切断它们。药物紫杉醇可稳定微管并用作化疗药物，而秋水仙碱和诺考达唑则可促进解聚。

中间丝

中间丝直径为 10 nm，由多种组织特异性蛋白质组成。细胞质中间丝包括上皮细胞中的角蛋白、间充质细胞中的波形蛋白、肌肉细胞中的结蛋白、星形胶质细胞中的胶质纤维酸性蛋白和神经元中的神经丝。核中间丝（核纤层蛋白 A、B 和 C）形成内核膜下方的核层，为细胞核和锚定染色质提供机械支撑。与肌动蛋白和微管不同，中间丝是非极性的，并且不使用核苷酸水解进行聚合。它们为细胞和组织提供机械弹性，中间丝基因的突变会导致单纯性大疱性表皮松解症（角蛋白）、心肌病（结蛋白）和早衰症（核纤层蛋白 A）等疾病。

运动蛋白

肌球蛋白是基于肌动蛋白的运动蛋白，向肌动蛋白丝的有刺末端移动（肌肉中的 II 类肌球蛋白，囊泡运输中的 V 类肌球蛋白）。肌球蛋白 II 形成双极丝，使反向平行肌动蛋白丝彼此滑动，驱动肌肉收缩和胞质分裂。驱动蛋白是基于微管的马达，通常朝正端（朝细胞外围）移动，沿着微管轨道运输囊泡、细胞器和 mRNA。动力蛋白是基于微管的马达，向负端（向中心体）移动，为神经元中的逆行轴突运输提供动力，定位高尔基体，并驱动纤毛和鞭毛跳动。运动蛋白功能障碍会导致肌萎缩侧索硬化症（驱动蛋白突变）和原发性纤毛运动障碍（动力蛋白突变）等疾病。

细胞分裂中的细胞骨架

在有丝分裂过程中，间期微管阵列分解并重组为有丝分裂纺锤体，这是一种通过动粒附着在染色体上的双极微管阵列。主轴组件检查点确保在后期开始之前正确的双极连接。 Kinesin-5 (Eg5) 交联并滑动反平行微管以分离纺锤体极。肌动蛋白细胞骨架在胞质分裂期间在卵裂沟处形成收缩环，由收缩以分裂细胞的肌动蛋白丝和肌球蛋白 II 组成。中体形成和脱落完成子细胞的分离。

细胞运动和迁移

细胞迁移是由肌动蛋白动力学驱动的循环过程。在前沿，Arp2/3 复合体和 formins 使分支和线性肌动蛋白网络成核，推动质膜向前形成片状伪足和丝状伪足。粘着斑通过整合素将肌动蛋白细胞骨架连接到细胞外基质，提供牵引力。当肌动蛋白-肌球蛋白收缩释放后部粘连时，细胞体向前移动。趋化性是细胞沿着化学梯度定向迁移，由激活 PI3K、Rac 和 Cdc42 的 GPCR 信号介导，进而调节肌动蛋白聚合。细胞还使用基质金属蛋白酶降解细胞外基质或使用变形虫运动挤压间隙在三维环境中移动。