細胞骨架與細胞運動

1、細胞骨架與細胞運動細胞除了含有各種細胞器外, 在細胞質中還有一個三維的網絡結構系統(tǒng)，這個系統(tǒng)被稱為細胞骨架(圖10-1)。圖10-1 細胞骨架系統(tǒng) 10.1 細胞骨架(cytoskeleton)的組成和功能細胞除了具有遺傳和代謝兩個主要特性之外, 還有兩個特性, 就是它的運動性和維持一定的形態(tài)。細胞骨架是細胞運動的軌道,也是細胞形態(tài)的維持和變化的支架。 10.1.1 細胞骨架的組成和分布 組成細胞骨架是細胞內以蛋白質纖維為主要成分的網絡結構,由主要的三類蛋白纖絲(filamemt)構成，包括微管、微絲（肌動蛋白纖維）和中間纖維。 分布微管主要分布在核周圍, 并呈放射狀向胞質

2、四周擴散。微絲主要分布在細胞質膜的內側。而中間纖維則分布在整個細胞中(圖10-2)。圖10-2 細胞骨架的三類主要成分及其分布10.1.2 細胞骨架的功能細胞骨架對于維持細胞的形態(tài)結構及內部結構的有序性，以及在細胞運動、物質運輸、能量轉換、信息傳遞和細胞分化等一系列方面起重要作用。 作為支架(scaffold),為維持細胞的形態(tài)提供支持結構，如紅細胞質膜膜骨架結構維持。 在細胞內形成一個框架(framework)結構,為細胞內的各種細胞器提供附著位點。細胞骨架是胞質溶膠的組織者，將細胞內的各種細胞器組成各種不同的體系和區(qū)域的網絡結構。 為細胞器的運動和細胞內物質運輸提供機械支持。細胞骨架作為細

3、胞內物質運輸?shù)能壍溃辉谟薪z分裂和減數(shù)分裂過程中染色體向兩極的移動，以及含有神經細胞產生的神經遞質的小泡向神經細胞末端的運輸都要依靠細胞骨架的機械支持。 為細胞從一個位置向另一位置移動。一些細支撐提供胞的運動, 如偽足的形成也是由細胞骨架提供機械支持。纖毛和鞭毛等運動器官主要是由細胞骨架構成的。 為信使RNA提供錨定位點，促進mRNA翻譯成多肽。用非離子去垢劑提取細胞成分可發(fā)現(xiàn)細胞骨架相當完整，許多與蛋白質合成有關的成分同不被去垢劑溶解的細胞骨架結合在一起。 參與細胞的信號傳導。有些細胞骨架成分常同細胞質膜的內表面接觸，這對于細胞外環(huán)境中的信號在細胞內的傳導起重要作用。 是細胞分裂的機器。有絲分

4、裂的兩個主要事件, 核分裂和胞質分裂都與細胞骨架有關。什么是細胞骨架?在細胞內的主要功能是什么?( 什么是細胞骨架?在細胞內的主要功能是什么?（答案） 答: 細胞骨架是細胞內以蛋白質纖維為主要成分的網絡結構,由主要的三類蛋白纖絲(filamemt)構成，包括微管、肌動蛋白纖維和中間纖維。細胞骨架對于維持細胞的形態(tài)結構及內部結構的有序性，以及在細胞運動、物質運輸、能量轉換、信息傳遞、細胞分化等一系列方面起重要作用。 作為支架(scaffold),為維持細胞的形態(tài)提供支持結構，例如紅細胞質膜的內部主要是靠以肌動蛋白纖維為主要成分的膜骨架結構維持著紅細胞的結構。 在細胞內形成一個框架(framewo

5、rk)結構,為細胞內的各種細胞器提供附著位點。細胞骨架是胞質溶膠的組織者，將細胞內的各種細胞器組成各種不同的體系和區(qū)域網絡。 為細胞內的物質和細胞器的運輸/運動提供機械支持。例如從內質網產生的膜泡向高爾基體的運輸、由胞吞作用形成的吞噬泡向溶酶體的運輸通常都是以細胞骨架作為軌道的；在有絲分裂和減數(shù)分裂過程中染色體向兩極的移動，以及含有神經細胞產生的神經遞質的小泡向神經細胞末端的運輸都要依靠細胞骨架的機械支持。 為細胞從一個位置向另一位置移動提供支撐。一些細胞的運動, 如偽足的形成也是由細胞骨架提供機械支持。典型的單細胞靠纖毛和鞭毛進行運動, 而細胞的這種運動器官主要是由細胞骨架構成的。為信使RN

6、A提供錨定位點，促進mRNA翻譯成多肽。用非離子去垢劑提取細胞成分可發(fā)現(xiàn)細胞骨架相當完整，許多與蛋白質合成有關的成分同不被去垢劑溶解的細胞骨架結合在一起。 參與細胞的信號傳導。有些細胞骨架成分常同細胞質膜的內表面接觸，這對于細胞外環(huán)境中的信號在細胞內的傳導起重要作用。 是細胞分裂的機器。有絲分裂的兩個主要事件, 核分裂和胞質分裂都與細胞骨架有關, 細胞骨架的微管通過形成紡錘體將染色體分開, 而肌動蛋白絲則將細胞一分為二。)細胞骨架的字義概念往往會給人以錯覺, 認為它是不動的框架結構。其實,細胞骨架不是惰性結構, 而是一種高度動態(tài)的組織，它們的組裝、去組裝和再組裝都很快。細胞骨架的動態(tài)性質是至關

7、重要的。10.1.3 細胞骨架的研究方法對細胞骨架的研究是近代細胞生物學中最活躍的研究領域之一。  熒光顯微鏡在細胞骨架研究中的應用 可用熒光顯微鏡研究細胞骨架的動力學，包括組裝、去組裝和物質運輸?shù)取＿@種方法還有一個好處，就是在活細胞時就可以觀察。 可用熒光抗體研究以很低濃度存在的蛋白質在細胞內的位置, 因為標記的熒光抗體同特異的蛋白具有很高的親和性, 只要有相應的蛋白存在, 就一定會有反應, 因為這種反應是特異的, 通過熒光顯微鏡觀察就可確定。用這種方法對微管、肌動蛋白纖維、中間纖維進行了成功定位(圖10-3)。圖10-3 相同細胞中微管、微絲和中間纖維的熒光定位三種不同熒光染料探

8、針同相應的蛋白纖維結合從而使細胞內的纖維被染色。(a)含有肌動蛋白的纖維被蘑菇毒素鬼筆環(huán)肽標記; (b)含微管蛋白的微管被微管蛋白的抗體標記; (c)中間纖維被抗波形蛋白的抗體標記。三種混合的熒光標記物, 各自的光都不強, 并且各自的熒光波長不同。檢查時, 用不同的濾光片 , 每次濾去兩種光。如何用熒光顯微鏡研究細胞骨架? 其基本原理是什么?( 如何用熒光顯微鏡研究細胞骨架? 其基本原理是什么?（答案） 答: 用熒光顯微鏡研究細胞骨架主要是基于兩方面的原理:一是組成細胞骨架的蛋白亞基能夠同小分子的熒光染料共價結合, 使細胞骨架帶上熒光標記, 發(fā)出熒光。二是可以制備細胞骨架的熒光抗體, 然后用熒

9、光抗體進行細胞骨架的研究。借助于這兩方面原理, 可用熒光顯微鏡研究細胞骨架的動力學。例如，用小分子的熒光染料標記細胞骨架的蛋白亞基, 就可以追蹤細胞骨架蛋白在細胞活動中的作用，包括組裝、去組裝、物質運輸?shù)?。這種方法還有一個好處，就是在活細胞時就可以觀察?？捎脽晒饪贵w研究以很低濃度存在的蛋白質在細胞內的位置, 因為標記的熒光抗體同特異的蛋白具有很高的親和性, 只要有相應的蛋白存在, 就一定會有反應, 因為這種反應是特異的, 通過熒光顯微鏡觀察就可確定。熒光抗體既可以直接注射活細胞進行反應，也可以加到固定的細胞或組織切片中進行反應和分析。用這種方法對微管、肌動蛋白纖維、中間纖維進行了成功定位。)&

10、#160; 電視顯微鏡(video microscopy)強化光學顯微鏡功能的一種方法就是用照相機將細胞的活動記錄在膠片上并可在電視屏幕上顯示，即電視顯微鏡。這種顯微鏡的照相機具有特別的反差、數(shù)碼和計算機處理等三個特點。用這種照相機能夠使用顯微鏡觀察比自身分辨率低的物質，并進行照相，如觀察直徑為25nm的微管、40nm的運輸泡等。這一技術的發(fā)展導致一種觀察分子發(fā)動機(molecular motor)移動的方法的產生。在典型的實驗中，將微管樣品放在載玻片上，然后通過聚焦的激光束系統(tǒng)將含有分子發(fā)動機的樣品直接放到微管上，在合適的條件下，可在電視屏幕上觀察分子發(fā)動機能夠以ATP為能量來源沿著微管移動

11、(圖10-4)。圖10-4 用電視顯微鏡觀察到的微管發(fā)動機的運動示意圖  電子顯微技術的應用細胞骨架的一個很特別的性質是在非離子去垢劑，如Triton X-100處理時保持非溶解狀態(tài)。當用這類去垢劑處理細胞時，可溶性的物質、膜成分被抽提出來，留下細胞骨架，并且同活細胞中的結構完全一樣。根據(jù)這一特性，采用金屬復型技術在電子顯微鏡下觀察到細胞骨架的基本排列(圖10-5)。圖10-5 細胞骨架的電子顯微鏡檢查用非離子去垢劑Triton X-100處理成纖維細胞, 并進行冰凍干燥和金屬復型的細胞骨架。SF表示的是成束的微絲,MT表示微管; R是多聚核糖體。10.2 微管(microtubul

12、e)微管是細胞質骨架系統(tǒng)中的主要成分, 是1963年首先由Slautterback在水螅細胞中發(fā)現(xiàn)的。同年, Ledbetter和Porter也報道在植物中存在微管結構。如同它的名稱所提示，微管是一中空的管狀結構。 10.2.1 微管的結構和類型微管是直徑為2426nm的中空圓柱體。外徑平均為24nm, 內徑為15nm。微管的長度變化不定，在某些特化細胞中, 微管可長達幾厘米(如中樞神經系統(tǒng)的運動神經元)。微管壁大約厚5nm，微管通常是直的, 但有時也呈弧形。細胞內微管呈網狀和束狀分布, 并能與其他蛋白共同組裝成紡錘體、基粒、中心粒、纖毛、鞭毛、軸突、神經管等結構。  微管

13、的基本構件微管蛋白(tubulin)微管是以微管蛋白異源二聚體為基本構件構成的(圖10-6)。 圖10-6 微管的結構和亞基組成(a)微管蛋白二聚體的帶型圖, 顯示和微管蛋白單體即它們與非交換的GTP和交換型GDP的結合部位；(b)微管中微管蛋白二聚體的排列, 微管蛋白的排列具有方向性。 兩種微管蛋白組成微管的球形微管蛋白是微管蛋白(-tubulin)和微管蛋白(-tubulin), 這兩種微管蛋白具有相似的三維結構, 能夠緊密地結合成二聚體, 作為微管組裝的亞基。 氨基酸組成亞基由450個氨基酸組成, 亞基由455個氨基酸組成, 它們的相對分子質量約55kDa。這兩種亞基有3540%的氨基酸

14、序列同源, 表明編碼它們的基因可能是由同一原始祖先演變而來。和微管蛋白的亞基都是直徑為4nm的球形分子，所以這種異源二聚體的長度為8nm。 GTP結合位點每一個微管蛋白二聚體有兩個GTP結合位點, 一個位于亞基, 另一個位于亞基上。亞基上的GTP結合位點是不可逆的結合位點。結合在亞基上的GTP能夠被水解成GDP，所以這個位點又稱為可交換的位點(exchangeable site,E位點)。  微管的類型微管有單微管、二聯(lián)管和三聯(lián)管等三種類型(圖10-7)。圖10-7 三種微管排列方式, 圖示是三種微管的橫切面。 單管(singlet)大部分細胞質微管是單管微管, 它在低溫、Ca2+

15、和秋水仙素作用下容易解聚, 屬于不穩(wěn)定微管。雖然絕大多數(shù)單管是由13根原纖維組成的一個管狀結構，在極少數(shù)情況下，也有由11根或15根原纖維組成的微管, 如線蟲神經節(jié)微管就是由11或15條原纖維組成。 二聯(lián)管(doublet)常見于特化的細胞結構。二聯(lián)管是構成纖毛和鞭毛的周圍小管, 是運動類型的微管, 它對低溫、Ca2+和秋水仙素都比較穩(wěn)定。組成二聯(lián)管的單管分別稱為A管和B管，其中A管是由13根原纖維組成，B管是由10根原纖維組成，所以二聯(lián)管是由兩個單管融合而成的，一個二聯(lián)管只有23根原纖維。 三聯(lián)管(triplet)見于中心粒和基體，由A、B、C三個單管組成，A管由13根原纖維組成，B管和C管

16、都是10根原纖維，所以一個三聯(lián)管共有33根原纖維。三聯(lián)管對于低溫、Ca2+和秋水仙素的作用是穩(wěn)定的。10.2.2 微管的動力學(microtubule dynamics)除了特化細胞的微管外，大多數(shù)細胞質微管都是不穩(wěn)定的，能夠很快地組裝(assembly)和去組裝(disassembly)。低溫、提高Ca2+濃度、用某些化學試劑(如秋水仙素)處理生活細胞都會破壞細胞質微管的動態(tài)變化，這些化學試劑與微管蛋白亞基或同微管多聚體結合，阻止微管的組裝或去組裝。  微管組裝的起始點微管組織中心 微管組織中心(microtubule organizing centers, MTOC)存在于細胞質

17、中決定微管在生理狀態(tài)或實驗處理解聚后重新組裝的結構叫微管組織中心。MTOC的主要作用是幫助大多數(shù)細胞質微管組裝過程中的成核反應，微管從MTOC開始生長，這是細胞質微管組裝的一個獨特的性質，即細胞質微管的組裝受統(tǒng)一的功能位點控制(圖10-8)。圖10-8 微管從微管組織中心向外生長陰影部分是MTOCs.,包含一對中心粒和一個中心體。圖中標出了生長中微管的正端, 靠近MTOCs部分是微管的負端。 中心體(centrosome)是動物細胞中決定微管形成的一種細胞器, 包括中心粒和中心粒周質基質(pericentriolar matrix)。在細胞間期, 位于細胞核的附近, 在有絲分裂期, 位于紡錘體

18、的兩極。 中心粒(centrioles)是中心體的主要結構, 成對存在, 即一個中心體含有一對中心粒，且互相垂直形成"L"形排列。中心粒直徑為0.2m. 長為0.4m，是中空的短圓柱狀結構。圓柱的壁由9組間距均勻的三聯(lián)管組成, 三聯(lián)管是由3個微管組成, 每個微管包埋在致密的基質中。組成三聯(lián)管的3個微管分別稱A、B、C纖維, A伸出兩個短臂, 一個伸向中心粒的中央, 另一個反方向連到下一個三聯(lián)管的C纖維, 9組三聯(lián)管串聯(lián)在一起, 形成一個由短臂連起來的齒輪狀環(huán)形結構(圖10-9)。圖10-9 中心粒結構圖示一對中心粒, 每個中心粒都是由9個三聯(lián)管組成, 外面還有中心粒周質基質

19、。微管從中心粒上開始形成。 其他類型的微管組織中心基體(basal body)纖毛和鞭毛的微管組織中心，不過基體只含有一個中心粒而不是一對中心粒。其它類型的細胞具有不同類型的MTOCs，如真菌的細胞有初級MTOCs,稱為紡錘極體(spindle pole body)。植物細胞既沒有中心體，又沒有中心粒，所以植物細胞的MOTC是細胞核外被表面的成膜體。 MTOCs與微管的方向MTOCs不僅為微管提供了生長的起點，而且還決定了微管的方向性?？拷麺TOCs的一端由于生長慢而稱之為負端(minus end), 遠離MTOCs一端的微管生長速度快, 被稱為正端(plus end), 所以(+)端指向細胞

20、質基質，常?？拷毎|膜。在有絲分裂的極性細胞中，紡錘體微管的(-)端指向一極，而(+)端指向中心，通常是紡錘體的(+)端同染色體接觸。  微管蛋白( tubulin) 在微管組裝中的作用雖然組成微管的亞基是、微管蛋白二聚體, 但是存于中心體的另一種微管蛋白：微管蛋白對微管的形成具有重要作用(圖10-10)。通過遺傳學的研究，發(fā)現(xiàn)-微管蛋白通過與-微管蛋白的相互作用幫助微管的成核反應(nucleation)。圖10-10 微管蛋白介導微管組裝的兩種模型在這兩個模型中, 微管蛋白先形成一個圓環(huán)(左)或形成鉤環(huán)結構(右), 微管蛋白的這種結構可指導微管蛋白二聚體結合上去并進行微管的組裝。

21、 細胞中的微管蛋白大約有80%是一種25S復合體的一部分,這種復合體被稱為微管蛋白環(huán)狀復合體(-tubulin ring complex, -TuRC), 因為在電子顯微鏡觀察似一個環(huán)。  微管的組裝過程離體實驗表明, 微管蛋白的體外組裝分為成核(nucleation)和延長(elongation)兩個反應, 其中成核反應是微管組裝的限速步驟。成核反應結束時, 形成很短的微管, 此時二聚體以比較快的速度從兩端加到已形成的微管上, 使其不斷加長(圖10-11)。圖10-11 微管的組裝過程微管組裝的基本過程怎樣?( 微管組裝的基本過程怎樣?（答案） 答: 離體實驗表明, 微管蛋白的體外

22、組裝分為成核(nucleation)和延長(elongation)兩個反應, 其中成核反應是微管組裝的限速步驟。成核反應結束時, 形成很短的微管, 此時二聚體以比較快的速度從兩端加到已形成的微管上, 使其不斷加長。雖然在體外組裝過程中二聚體可以在微管的兩端加減, 然而在大多數(shù)體外實驗的條件下, 二聚體的加減優(yōu)先在微管的一端進行, 這一端被稱為正端(+), 另外一端則被稱為負端(-)。根據(jù)體外實驗的結果推測微管組裝的主要過程是首先, 微管蛋白和微管蛋白形成長度為8nm的二聚體, 二聚體先沿縱向聚合形成一個短的原纖維，這種原纖維可能是不夠穩(wěn)定的。第二步是以原纖維為基礎，經過側面增加二聚體而擴展為彎

23、曲的片狀(sheet)結構，這種片狀結構的穩(wěn)定性大大提高。第三步是二聚體平行于長軸重復排列形成原纖維。當螺旋帶加寬至13根原纖維時, 即合攏形成微管的壁。游離的、在微管的交換位點結合有GTP的微管蛋白二聚體再不斷加到這一微管的端點使之延長。在同一根微管的13條原纖維中, 所有二聚體的取向都是相同的, 所以微管的兩端是不等價的, 這就是微管的極性。在二聚體微管蛋白摻入到新生微管之后不久，亞基上的GTP被水解成GDP，如果聚合作用比水解作用快，那么，就會在微管的一端產生結合有GTP的帽子結構，這就是(+)端，通常(+)端聚合作用的速度是(-)端聚合作用的兩倍。)  微管的極性微管的極性有

24、兩層涵義, 一是組裝的方向性, 二是生長速度的快慢。由于微管是以二聚體作為基本構件進行組裝的，并且是以首-尾排列的方式進行組裝，所以每一根原纖維都有相同的極性(方向性)，這樣, 組裝成的微管的一端是-微管蛋白亞基組成的環(huán)，而相對的一端是以-微管蛋白亞基組成的環(huán)。極性的另一層涵義是兩端的組裝速度是不同的, 正端生長得快, 負端則慢, 同樣, 如果微管去組裝也是正端快負端慢(圖10-12)。圖10-12 微管組裝時的極性  影響微管組裝和去組裝的因素 首次體外組裝:組裝的基本條件1972年，Richard Weisenberg 首次在體外組裝微管獲得成功。他將腦的勻漿物置于37，然后添加

25、Mg2+,GTP和EGTA(EGTA是Ca2+的螯合劑，抑制聚合作用), 即可進行微管的組裝。還發(fā)現(xiàn)，只要降低或提高反應溫度就可以使微管去組裝和重組裝; 若在反應系統(tǒng)中添加微管碎片能夠加速微管的組裝，加入的微管碎片可起“種子”的作用, 加速微管組裝。 GTP在組裝中的作用聚合過程需要加入GTP，因為亞基能夠同GTP結合。對于微管的組裝來說不需要GTP水解成GDP，但是發(fā)現(xiàn)微管蛋白二聚體加入到微管之后不久所結合的GTP就被水解成GDP。去組裝過程中釋放出來的微管蛋白二聚體上的GDP要與GTP交換，使微管蛋白二聚體重新結合上GTP，才能作為微管組裝的構件。微管體外組裝需要哪些基本條件?GTP在組裝

26、中起什么作用?( 微管體外組裝需要哪些基本條件?GTP在組裝中起什么作用?（答案） 答: 1972年，Richard Weisenberg 首次在體外組裝微管獲得成功。他將腦的勻漿物置于37，然后添加Mg2+,GTP和EGTA(EGTA是Ca2+的螯合劑，抑制聚合作用)。他發(fā)現(xiàn)，只要降低或提高反應溫度就可以使微管去組裝和重組裝。通過體外組裝實驗，還發(fā)現(xiàn)在反應系統(tǒng)中添加微管碎片能夠加速微管的組裝，加入的微管碎片起著“種子”的作用。根據(jù)這一實驗, 推測微管組裝的基本條件是: 微管蛋白二聚體、GTP、Mg2+和合適的溫度。聚合過程需要加入GTP，但對于微管的組裝來說不需要GTP水解成GDP。實驗中發(fā)

27、現(xiàn)微管蛋白二聚體加入到微管之后不久所結合的GTP就被水解成GDP。推測GTP的作用有兩個: 一是微管蛋白二聚體與GTP結合之后才能作為微管組裝的構件,二是通過GTP水解使微管去組裝, 保持微管的動態(tài)性質。) 造成微管不穩(wěn)定性的因素造成微管不穩(wěn)定性的因素很多，包括GTP濃度、壓力、溫度(最適溫度37)、pH(最適pH=6.9)、微管蛋白臨界濃度(critical concentration)、藥物等( 圖10-13)。圖10-13 影響微管穩(wěn)定性的某些條件 乙?；腿ダ野彼嶙饔靡恍┟冈谖⒐芙M裝之后對微管蛋白進行修飾使微管處于穩(wěn)定狀態(tài)。典型的例子是微管亞基的乙?；腿ダ野彼嶙饔?。微管蛋白的乙酰化是

28、由微管蛋白乙?；复呋模軌驅⒁阴；D移到微管蛋白特定的賴氨酸殘基上;去酪氨酸作用是由微管去酪氨酸酶(detyrosinase)催化的，它能夠除去微管蛋白C-末端的酪氨酸殘基。這兩種修飾作用都使微管趨于穩(wěn)定。  影響微管穩(wěn)定性的藥物有幾種藥物能夠抑制與微管的組裝和去組裝有關的細胞活動, 這些藥物是研究微管功能的有力工具, 其主要原因有二:一是這些藥物只同微管或微管蛋白二聚體結合；二是它們在細胞中的濃度很容易控制。這些藥物中用得最多的是秋水仙素、紫杉醇等(圖10-14)。圖10-14 秋水仙素與紫杉醇的分子結構 秋水仙素(colchicine)秋水仙素是一種生物堿, 能夠與微管特異

29、性結合。秋水仙素同二聚體的結合, 形成的復合物可以阻止微管的成核反應。秋水仙素和微管蛋白二聚體復合物加到微管的正負兩端, 可阻止其它微管蛋白二聚體的加入或丟失。不同濃度的秋水仙堿對微管的影響不同。用高濃度的秋水仙素處理細胞時, 細胞內的微管全部解聚, 但是用低濃度的秋水仙素處理動物和植物細胞, 微管保持穩(wěn)定, 并將細胞阻斷在中期。 紫杉醇(taxol)是紅豆杉屬植物中的一種復雜的次生代謝產物,紫杉醇只結合到聚合的微管上, 不與未聚合的微管蛋白二聚體反應,因此維持了微管的穩(wěn)定。  微管組裝的動力學行為: 動態(tài)不穩(wěn)定性 動態(tài)不穩(wěn)定狀態(tài)(dynamic instability)微管在體外組

30、裝時發(fā)現(xiàn)有兩個因素決定微管的穩(wěn)定性:游離微管蛋白的濃度和GTP水解成GDP的速度。高濃度的微管蛋白適合微管的生長, 低濃度的微管蛋白引起GTP的水解, 形成GDP帽, 使微管解聚。GTP的低速水解適合于微管的連續(xù)生長, 而快速的水解造成微管的解聚。細胞內的微管處于動態(tài)不穩(wěn)定狀態(tài)(dynamic instability)什么是微管的動態(tài)不穩(wěn)定性?造成的根本原因是什么? 踏車現(xiàn)象(treadmilling) 又稱輪回,是微管組裝后處于動態(tài)平衡的一種現(xiàn)象（圖10-15）。即微管的總長度不變，但結合上的二聚體從(+)端不斷向(-)端推移, 最后到達負端。造成這一現(xiàn)象的原因除了GTP水解之外，另一個原因

31、是反應系統(tǒng)中游離蛋白的濃度。踏車現(xiàn)象實際上是一種動態(tài)穩(wěn)定現(xiàn)象。圖10-15 微管的組裝與去組裝：踏車現(xiàn)象 臨界濃度(critical concentration)因為微管是動態(tài)結構, 細胞中存在大量的微管蛋白二聚體, 其濃度也是處于不斷的變化之中。由于微管蛋白二聚體的兩個亞基都能結合GTP, 所以有兩種形式的微管蛋白二聚體, 一種是剛從微管中脫下的, 這種微管蛋白二聚體是GTP-GDP型, 另外一些微管蛋白二聚體的兩個亞基都結合有GTP, 是GTP-GTP型。所謂正端的微管蛋白二聚體的臨界濃度是指達到組裝的最低濃度。 動態(tài)不穩(wěn)定性: 生長或縮短 微管的踏車行為使單個微管的長度保持不變,而組成微

32、管的蛋白二聚體發(fā)生了變化。實際上, 細胞內的微管常常是處于生長和縮短的動蕩狀態(tài)(圖10-16)。圖10-16 微管的動態(tài)不穩(wěn)定性: 生長或縮短什么是微管的GTP帽和GDP帽?對微管的動態(tài)性質有什么影響?( 什么是微管的GTP帽和GDP帽?對微管的動態(tài)性質有什么影響?（答案） 答: 所謂微管的GTP或GDP帽就是微管正端微管蛋白二聚體結合GTP或GDP的狀態(tài)。如果微管正端結合的是由結合GTP的微管蛋白二聚體組成的GTP帽結構, 微管就趨于生長, 如果微管的正端結合的是由結合GDP的微管蛋白二聚體組成的GDP帽結構, 這種微管就趨于縮短。決定微管正端是GTP帽還是GDP帽, 又受兩種因素影響, 一

33、是結合GTP的游離微管蛋白二聚體的濃度, 二是GTP帽中GTP水解的速度。當(+)端形成GTP帽，而游離微管蛋白二聚體的濃度又很高時，微管趨向于生長。由于結合GTP的游離微管蛋白二聚體的濃度降低，引起微管延長的速率下降，隨著GTP水解的不斷進行最后GTP帽結構轉變成GDP，逐漸使微管變得不穩(wěn)定，趨于解聚。細胞內微管的這兩種狀態(tài)是不斷發(fā)生的, 因為細胞內不斷有微管解聚,又不斷地有新微管的組裝。)10.2.3 微管結合蛋白(microtubule-associated proteins, MAPs)將細胞裂解后分離微管, 并在4下處理使微管去聚合, 將冷處理的樣品進行離心, 除去不溶性的物質, 然

34、后將含有微管蛋白二聚體的上清液于37溫育, 讓微管組裝。但是,經過多次組裝-去組裝分離純化的微管蛋白制品中仍然含有少量的其他蛋白。有與微管蛋白共純化的蛋白存在, 說明這些蛋白是與微管蛋白特異性結合的, 而不是非特異蛋白的污染。免疫熒光顯微鏡觀察培養(yǎng)細胞也發(fā)現(xiàn)有與微管蛋白結合的蛋白存在, 后來將這一類微管輔助蛋白稱為微管結合蛋白，在微管結構中約占10-15%。  微管結合蛋白的種類和結構特點一類主要的MAPs家族叫作組裝MAPs(assembly MAPs), 主要是將微管在胞質溶膠中進行交聯(lián)。這些MAPs的結構中具有兩個結構域, 一個是堿性的微管蛋白結合結構域, 另一個是酸性的外伸的

35、結構域。在電子顯微鏡下觀察, 外伸的結構域像是從微管壁上伸出的纖維臂( 圖10-17)。從微管上伸出的臂能與膜、中間纖維及其它微管結合。圖10-17 微管聚合蛋白MAP2至今發(fā)現(xiàn)的MAPs大多數(shù)存在于腦組織，只有少數(shù)幾種廣泛存在于各種細胞中(表10-1)。表10-1 某些微管結合蛋白 蛋白質相對分子質量(kDa)來源MAP1A350神經組織MAP1B(MPA5)325神經組織MAP2A，MPA2B270神經組織MAP2C70神經組織Tau 蛋白50-65神經組織MAP4200廣泛存在MAP3180廣泛存在發(fā)動蛋白(dynamin)100神經組織  MAPs的功能MAPs具有多方面的功

36、能使微管相互交聯(lián)形成束狀結構，也可以使微管同其它細胞結構交聯(lián), 這些結構包括質膜、微絲和中間纖維等；通過與微管成核點的作用促進微管的聚合；在細胞內沿微管轉運囊泡和顆粒，因為一些分子發(fā)動機能夠同微管結合轉運細胞內的物質；提高微管的穩(wěn)定性由于MAPs同微管壁的結合，自然就改變了微管組裝和解聚的動力學。MAPs同微管的結合能夠控制微管的長度防止微管的解聚。10.2.4 分子發(fā)動機(molecular motor)細胞內有一類蛋白質能夠用ATP供能,產生推動力，進行細胞內的物質運輸，這種蛋白分子稱為分子發(fā)動機或發(fā)動機蛋白(motor proteins)。圖10-18是假設的分子發(fā)動機的工作模型，它不同

37、于火車沿著鐵軌運輸貨物, 而是靠它的臂同固定軌道的結合并不停地擺動向前推進。圖10-18 假設的分子發(fā)動機運輸模型在一次機械活動的循環(huán)中，發(fā)動機與軌道的結合點結合；在力的驅動下，發(fā)動機進行機械運動；發(fā)動機與結合點脫離；發(fā)動機回到原來的位置；開始新的循環(huán)。  分子發(fā)動機的類型至今所發(fā)現(xiàn)的分子發(fā)動機可分為三個不同的家族肌球蛋白(myosins)家族、驅動蛋白(kinesins)家族、動力蛋白(dyneins)家族。其中驅動蛋白和動力蛋白是以微管作為運行的軌道，而肌球蛋白則是以肌動蛋白纖維作為運行的軌道。尚不知道有以中間纖維為運行軌道的發(fā)動機分子。  分子發(fā)動機運輸?shù)闹饕攸c分子

38、發(fā)動機引導的運輸有兩個主要的特點: 分子發(fā)動機的運輸是單方向進行的，一種發(fā)動機分子只能引導一種方向的運輸。例如驅動蛋白只能引導沿微管的(-)端向(+)端的運輸，而動力蛋白則是從(+)端向(-)端運輸。 分子發(fā)動機引導的運輸是逐步行進(圖10-19)而不像火車的輪子是連續(xù)運行的。之所以要逐步進行，是因為分子發(fā)動機要通過一系列的構型變化才能完成行進的動作。圖10-19 分子發(fā)動機運行的方式  驅動蛋白(kinesins)的結構和功能 分子結構驅動蛋白是一個大的復合蛋白，由幾個不同的結構域組成, 包括兩條重鏈和一條輕鏈(圖10-20)。它有一對球形的頭，這是產生動力的“電機”; 還有一個扇

39、形的尾，是貨物結合部位。圖10-20 驅動蛋白的結構 運輸方向體外實驗證明驅動蛋白的運輸具有方向性，從微管的(-)端移向微管的(+)端，驅動蛋白是正端走向的微管發(fā)動機(plus end-directed microtublar motor)。由于神經軸中所有的微管都是正端朝向軸突的末端，而負端朝向細胞體，所以驅動蛋白在神經細胞中負責正向的運輸任務。 運輸速度驅動蛋白沿一條原纖維運輸，移動的速度與ATP的濃度有關，速度高時，可達到每秒900nm。驅動蛋白每跨一步的長度為8nm,正好是一個微管二聚體的長度（圖10-21）, 每跨一步所消耗的力是6pN。因此可以推測，驅動蛋白一次在微管軌道上移動兩個

40、球形亞基。類驅動蛋白不限于神經細胞，它們在所有的真核細胞中都有存在，參與ER產生的各種小泡的運輸。圖10-21 驅動蛋白的結構和運輸方式（a）驅動蛋白的結構；（b）驅動蛋白的運輸方式  細胞質動力蛋白(cytoplasmic dyneins)1963年發(fā)現(xiàn)的第一個與微管相關的發(fā)動機蛋白是與纖毛和鞭毛運動有關的發(fā)動機蛋白，相對分子質量超過10萬道爾頓，由9-10個多肽鏈組成(圖10-22)。它有兩個大的球形的頭部，是生成力的部位。它在細胞中至少有兩個功能第一是有絲分裂中染色體運動的力的來源；第二是作為負端微管走向的發(fā)動機，擔負小泡和各種膜結合細胞器的運輸任務。細胞質動力蛋白在微管上移動

41、的方向與驅動蛋白相反，從正端移向負端。圖10-22 細胞質動力蛋白的結構與運輸作用（a）細胞質動力蛋白的結構；（b）細胞質動力蛋白的運輸方式。10.2.5 微管的功能微管在細胞內的作用大致可分為四個方面，首先是起支架作用，為細胞維持一定的形態(tài)提供結構上的保證，并給各種細胞器進行定位；第二是作為細胞內物質運輸?shù)能壍?；第三是作為纖毛和鞭毛運動元件；第四是參與細胞的有絲分裂和減數(shù)分裂。  支架作用維持細胞形態(tài)是微管的基本功能。實驗證明,微管具有一定的強度，能夠抗壓和抗彎曲，這種特性給細胞提供了機械支持力。 微管能夠維持細胞的形態(tài)，使細胞不至于破裂。在培養(yǎng)的動物細胞中, 微管圍繞細胞核向外呈

42、放射狀分布(圖10-23), 維持細胞的形態(tài)。微管能夠幫助細胞產生極性，確定方向。例如神經細胞的軸突中就有大量平行排列的微管，確定神經細胞軸突的方向。 在植物細胞中，微管對細胞形態(tài)的維持也有間接的作用。在植物細胞膜的下面有成束微管形成的皮層帶，這種皮層帶影響纖維素合成酶在細胞質膜中的定位。其結果是產生的纖維素纖維與微管平行排列。細胞壁中纖維素纖維的方向對于決定細胞的生長特性及形態(tài)都具有重要的作用。 微管對于維持細胞內部的組織也有重要作用。用破壞微管的藥物處理細胞，發(fā)現(xiàn)能夠嚴重影響膜細胞器，特別是高爾基體在細胞內的位置。高爾基體在細胞內的位置一般在細胞的中央，剛好在細胞核的外側，用秋水仙素處理細

43、胞后，高爾基體分散存在于四周；若除去藥物，微管組裝，高爾基體又恢復其在細胞內的正常位置。圖10-23 培養(yǎng)的動物細胞中的微管  細胞內物質運輸微管在核的周圍分布密集, 并向胞質外周伸展, 在線粒體周圍也有微管的存在, 有的微管直接連到高爾基體小泡上, 核糖體可系在微管及微絲的交叉點上。所以, 細胞內的細胞器移動和胞質內物質轉運都和微管有著密切的關系。 軸突運輸(axonal transport)核糖體只存在于神經細胞的細胞體和樹突中, 在軸突和軸突末梢沒有蛋白質的合成。所以蛋白質和膜必須在細胞體中合成, 然后運輸?shù)捷S突, 這就是軸突運輸。軸突中填滿了各種細胞骨架結構，包括微管束、中間

44、纖維、以及以各種方式互連的微管等。研究表明，軸突中以微管為基礎的運輸有兩種方式順向運輸和逆向運輸(圖10-24)。圖10-24 軸突中微管發(fā)動機運輸?shù)膬煞N方式什么是軸突運輸?有什么特點?( 什么是軸突運輸?有什么特點?（答案） 答: 在神經元細胞中, 軸突末端到細胞體的距離很長, 并且軸突末梢要釋放大量的神經遞質, 所以神經元必須不斷供給大量的物質, 包括蛋白質、膜, 以補充因軸突部位的胞吐而喪失的成分。由于核糖體只存在于神經細胞的細胞體和樹突中, 在軸突和軸突末梢沒有蛋白質的合成, 所以蛋白質和膜必須在細胞體中合成, 然后運輸?shù)捷S突, 這就是軸突運輸。軸突中以微管為基礎的運輸有兩種方式順向運

45、輸和逆向運輸。 神經細胞的細胞體是神經細胞的中心，是圓形的部分。細胞體中有細胞核、內質網、高爾基體，以及其它的細胞器。細胞體中合成的蛋白質有些以分泌小泡的形式向軸突末梢運輸，如神經遞質等。這些分泌小泡主要是靠驅動蛋白通過微管運向軸突末梢，這叫外向運輸(outward transport)，又稱順向運輸(anterograde transport)。軸突末梢膜內吞形成的內吞泡從末梢向細胞體部的運輸則是由細胞質動力蛋白沿微管向內運輸?shù)?，這種方向的運輸稱為向內運輸(inward transport)，或稱為逆向運輸(retrograde transport)。另外,不同的物質其運輸?shù)乃俣仁遣煌?，?/p>

46、分為三類: 第一類是快速運輸?shù)奈镔|, 主要是各種膜泡, 大約250mm/天, 或3m/s 。第二類是慢速運輸物質, 主要是聚合的骨架蛋白, 運輸速度每天不到1mm。像線粒體之類的細胞器的運輸速度介于二者之間, 是第三類物質。) 色素顆粒的運輸許多兩棲類的皮膚和魚類的鱗片中含有特化的色素細胞, 在神經和激素的控制下, 這些細胞中的色素顆?？稍跀?shù)秒鐘內迅速分布到細胞各處, 從而使皮膚顏色變黑; 又能很快回到細胞中心, 而使皮膚顏色變淺, 以適應環(huán)境的變化(圖10-25)。研究發(fā)現(xiàn), 色素顆粒的運輸是微管依賴性的, 色素顆粒實際上是沿微管轉運的。圖10-25 魚的色素細胞中色素分子的分散與聚集內膜系

47、統(tǒng)中通過小泡進行的蛋白質運輸, 都是以微管作為軌道的。將細胞質中以微管為軌道運輸?shù)陌l(fā)動機蛋白和它們運輸?shù)年P系總結于表10-2和圖10-26。表10-2 微管發(fā)動機蛋白的功能分類類別運輸物運輸方向細胞質驅動蛋白胞質溶膠小泡(+)紡錘體驅動蛋白紡錘體和星微管, 中心粒、動粒(+)或(-)細胞質動力蛋白在有絲分裂和減數(shù)分裂期運輸胞質溶膠小泡,動粒(-) 軸絲動力蛋白纖毛和鞭毛中單管(-) 圖10-26 細胞中微管介導的物質運輸  纖毛(cillum)和鞭毛(flagellum)結構和功能纖毛和鞭毛都是某些細胞表面的特化結構, 具有運動功能。纖毛和鞭毛并無絕對界限, 一般把少而長者稱為鞭毛,

48、 短而多者稱為纖毛(圖10-27)。纖毛和鞭毛有兩個主要的功能第一是幫助細胞錨定在一個地方，使自己不易移動；第二是使細胞在液體介質中運動。圖10-27 鞭毛與纖毛鞭毛和纖毛在大小、數(shù)量和運動方式等方面都是不同的。鞭毛長度可達150m, 數(shù)量較少，并且是波浪式擺動。而纖毛較短，平均長度為5-10m，運動的方式比較復雜，且沒有規(guī)則。纖毛和鞭毛的結構 基本結構纖毛和鞭毛都含有一個規(guī)則排列的由微管相互連接形成的骨架,稱為軸絲(axoneme)。軸絲的外面由膜包裹。組成軸絲的微管呈規(guī)律性排列，即9組二聯(lián)管在周圍成等距離地排列成一圈, 中央有兩根單個的微管, 成為“9+2”的微管形式。中央的兩個微管之間由

49、細絲相連, 外包有中央鞘。周圍的9組二聯(lián)管, 近中央的一根稱為A管, 另一條為B管(圖10-28)。圖10-28 典型的真核細胞的纖毛或鞭毛結構組成纖毛中的微管排列并不始終如一, 在纖毛頂部每組微管逐漸減為一條, 達到頂端時, 它們就相互融合。每一纖毛的基部起始于細胞淺表部的基體(basal body), 基體的結構與中心粒相同, 它缺少兩根中央微管, 而周圍 9 組是三聯(lián)管(圖10-29)。圖10-29 基體與纖毛/鞭毛軸絲纖毛和鞭毛的結構組成和特點是什么?( 纖毛和鞭毛的結構組成和特點是什么?（答案） 答: 纖毛和鞭毛都含有一個規(guī)則排列的由微管相互連接形成的骨架,稱為軸絲(axoneme)

50、。軸絲的外面由膜包裹。組成軸絲的微管呈規(guī)律性排列，即9組二聯(lián)管在周圍成等距離地排列成一圈, 中央有兩根單個的微管, 成為"9+2"的微管形式。中央的兩個微管之間由細絲相連, 外包有中央鞘。周圍的9組二聯(lián)管, 近中央的一根稱為A管, 另一條為B管。A管上有兩個短臂長約15nm, 粗約5nm, 兩個短臂之間的間隔約24nm。外臂指向鄰近一對微管的B微管, 組成臂的成分是動力蛋白。纖毛的動力蛋白是一種多亞基的ATP酶, 能為Ca2+、Mg2+所激活。中央微管和A管是完全微管, 由13條原纖維組成。B微管只有10條原纖維, 有3條是同A微管共用的，故每組周圍微管的原纖維共有23條。

51、在兩個相鄰二聯(lián)管之間有微管連絲蛋白(nexin)將相鄰微管二聯(lián)體結合在一起。另外, 每個二聯(lián)管的A管上有放射輻條(radial spoke)與中央微管鞘相連。纖毛中的微管排列并不始終如一, 在纖毛頂部每組微管逐漸減為一條, 達到頂端時, 它們就相互融合。每一纖毛的基部起始于細胞淺表部的基體(basal body), 基體的結構與中心粒相同, 它缺少兩根中央微管, 而周圍 9 組是三聯(lián)管。) 纖毛動力蛋白(ciliary dynein)纖毛動力蛋白是一種多頭的蛋白(圖10-30)。在電子顯微鏡下觀察，纖毛動力蛋白像是具有23個頭的一束花，每一支花都是由一個大的球形結構域和一個小的球形結構域組成，

52、中間通過一個小的桿部同基部相連。纖毛動力蛋白的基部同A管相連，而頭部同相鄰的 B 管相連。頭部具有ATP結合位點，能夠水解ATP。圖10-30 微管動力蛋白的結構纖毛和鞭毛的運動機制: 微管滑動模型(sliding-microtubule model)纖毛和鞭毛的運動是一種簡單的彎曲，這種彎曲是由軸絲中微管動力臂引起微管的滑動所致，微管滑動模型是關于纖毛和鞭毛運動機制的最好解釋(圖10-31)。圖10-31 纖毛/鞭毛動力微管的滑動模型什么是纖毛/鞭毛的微管滑動模型(sliding-microtubule model)? 機理如何?( 什么是纖毛/鞭毛的微管滑動模型(sliding-micro

53、tubule model)? 機理如何?（答案） 答: 微管滑動模型是說明纖毛和鞭毛運動機制的一種學說。這一學說的主要內容是纖毛和鞭毛的動力蛋白頭部與相鄰二聯(lián)管的B微管接觸, 促進同動力蛋白結合的ATP水解, 并釋放ADP和Pi;由于ATP水解, 改變了A微管動力蛋白頭部的構象, 促使頭部朝向相鄰二聯(lián)管的正極滑動, 使相鄰二聯(lián)管之間產生彎曲力;新的ATP結合,促使動力蛋白頭部與相鄰B微管脫離;ATP水解, 使動力蛋白頭部的角度復原;帶有水解產物的動力蛋白頭部與相鄰二聯(lián)管的B微管上的另一位點結合, 開始下一個循環(huán)。)  紡錘體和染色體運動微管在細胞的有絲分裂中起重要作用, 詳細內容將在

54、以后的章節(jié)中討論。10.3 微絲(microfilament)微絲又稱肌動蛋白纖維(actin filament)，由肌動蛋白組成的、直徑為8nm的纖維。微絲是雙股肌動蛋白絲以螺旋的形式組成的纖維, 兩股肌動蛋白絲是同方向的。肌動蛋白纖維也是一種極性分子, 具有兩個不同的末端，一個是正端，另一個是負端。 10.3.1 微絲的形態(tài)和組成 微絲的存在方式與分布 存在方式微絲主要是由肌動蛋白(actin)組成的。微絲比微管細，更具有彈性，通常比微管短。細胞中肌動蛋白纖維的數(shù)量比微管多，全部肌動蛋白纖維加起來，其總長度大約是微管的30倍。肌動蛋白纖維在細胞中通常成束存在(圖10-32)，這種

55、成束的肌動蛋白纖維比單個的肌動蛋白纖維的強度大。圖10-32 細胞中成束的肌動蛋白纖維（a）微絨毛；(b)細胞質中的收縮束；（c）運動細胞前緣的鞘和指；(d)細胞分裂時的收縮環(huán)。 分布微絲首先發(fā)現(xiàn)于肌細胞中, 在橫紋肌和心肌細胞中肌動蛋白成束排列組成肌原纖維, 具有收縮功能。微絲也廣泛存在于非肌細胞中。在細胞周期的不同階段或細胞流動時, 它們的形態(tài)、分布可以發(fā)生變化。因此,非肌細胞的微絲同胞質微管一樣, 在大多數(shù)情況下是一種動態(tài)結構, 以不同的結構形式來適應細胞活動的需要。  微絲的結構單位: 肌動蛋白 肌動蛋白的兩種存在方式肌動蛋白以兩種形式存在（圖10-33）, 即單體和多聚體。

56、單體的肌動蛋白是由一條多肽鏈構成的球形分子, 又稱球狀肌動蛋白(globular actin, G-actin),肌動蛋白的多聚體形成肌動蛋白絲, 稱為纖維狀肌動蛋白(fibros actin, F-actin)。在電子顯微鏡下, F-肌動蛋白呈雙股螺旋狀, 直徑為8nm, 螺旋間的距離為37nm。圖10-33 單體G-肌動蛋白和纖維狀F-肌動蛋白的結構(a)非肌細胞中-Actin單體的結構模型, 像是扁平的分子,由體積相等的兩個部分組成, 中間有一個裂口, 并且有四個亞結構域, 用-表示。ATP在裂口的地方與肌動蛋白結合。N端和C末端位于亞結構域。(b)電子顯微鏡觀察的經負染的絲狀肌動蛋白的

57、形態(tài)。(c)肌動蛋白纖維亞基的裝配模型。 肌動蛋白的分子組成肌動蛋白是一種中等大小的蛋白質, 由375個氨基酸殘基組成, 并且是由一個大的、高度保守的基因編碼。單體肌動蛋白分子的分子量為43kDa, 其上有三個結合位點：一個是ATP結合位點, 另兩個都是與肌動蛋白結合的結合蛋白結合位點。 肌動蛋白的分布肌動蛋白是真核細胞中最豐富的蛋白質。在肌細胞中, 肌動蛋白占總蛋白的10%, 即使在非肌細胞中, 肌動蛋白也占細胞總蛋白的15%。肌動蛋白在非肌細胞的胞質溶膠中的濃度為0.5mM。在特殊的結構如微絨毛(microvilli)中, 局部肌動蛋白的濃度要比典型細胞中的濃度高10倍。 肌動蛋白的編碼基因某些單細胞生物, 如酵母、阿米巴蟲等只有一個肌動蛋白基因, 而一些多細胞的生物含有多個肌動蛋白基因。如人就有6個肌動蛋白基因, 每一個編碼一種肌動蛋白異構體。某些植物含有多達60個肌動蛋白基因。肌動蛋白是非常保守的, 可與組蛋白相比。 肌動蛋白的修飾肌動蛋白也要經過翻譯后修飾, 主要是進行N-末端的?；鸵粋€組氨酸殘基