10. 細(xì)胞骨架與細(xì)胞運(yùn)動(dòng)

1、10. 細(xì)胞骨架與細(xì)胞運(yùn)動(dòng)10.1 細(xì)胞骨架的組成和功能10.1.1 細(xì)胞骨架的組成和分布10.1.2 細(xì)胞骨架的功能10.1.3 細(xì)胞骨架的研究方法10.2 微管10.2.1 微管的結(jié)構(gòu)和類型10.2.2 微管的動(dòng)力學(xué)10.2.3 微管結(jié)合蛋白10.2.4 分子發(fā)動(dòng)機(jī)10.2.5 微管的功能10.3 微絲10.3.1 微絲的形態(tài)和組成10.3.2 微絲的裝配動(dòng)力學(xué)10.3.3 微絲結(jié)合蛋白10.3.4 肌細(xì)胞: 特化的肌收縮功能10.3.5 肌動(dòng)蛋白和肌球蛋白在非肌細(xì)胞中的作用10.4 中間纖維10.4.1 中間纖維的結(jié)構(gòu)與類型10.4.2 中間纖維的組裝及去組裝10.4.3 中間纖維的功能

2、學(xué)習(xí)指導(dǎo)錄像 10. 細(xì)胞骨架與細(xì)胞運(yùn)動(dòng)細(xì)胞除了含有各種細(xì)胞器外, 在細(xì)胞質(zhì)中還有一個(gè)三維的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)被稱為細(xì)胞骨架(圖10-1)。圖10-1 細(xì)胞骨架系統(tǒng) 10.1 細(xì)胞骨架(cytoskeleton)的組成和功能細(xì)胞除了具有遺傳和代謝兩個(gè)主要特性之外, 還有兩個(gè)特性, 就是它的運(yùn)動(dòng)性和維持一定的形態(tài)。細(xì)胞骨架是細(xì)胞運(yùn)動(dòng)的軌道,也是細(xì)胞形態(tài)的維持和變化的支架。 10.1.1 細(xì)胞骨架的組成和分布 組成細(xì)胞骨架是細(xì)胞內(nèi)以蛋白質(zhì)纖維為主要成分的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),由主要的三類蛋白纖絲(filamemt)構(gòu)成，包括微管、微絲（肌動(dòng)蛋白纖維）和中間纖維。 分布微管主要

3、分布在核周圍, 并呈放射狀向胞質(zhì)四周擴(kuò)散。微絲主要分布在細(xì)胞質(zhì)膜的內(nèi)側(cè)。而中間纖維則分布在整個(gè)細(xì)胞中(圖10-2)。圖10-2 細(xì)胞骨架的三類主要成分及其分布10.1.2 細(xì)胞骨架的功能細(xì)胞骨架對于維持細(xì)胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的有序性，以及在細(xì)胞運(yùn)動(dòng)、物質(zhì)運(yùn)輸、能量轉(zhuǎn)換、信息傳遞和細(xì)胞分化等一系列方面起重要作用。 作為支架(scaffold),為維持細(xì)胞的形態(tài)提供支持結(jié)構(gòu)，如紅細(xì)胞質(zhì)膜膜骨架結(jié)構(gòu)維持。 在細(xì)胞內(nèi)形成一個(gè)框架(framework)結(jié)構(gòu),為細(xì)胞內(nèi)的各種細(xì)胞器提供附著位點(diǎn)。細(xì)胞骨架是胞質(zhì)溶膠的組織者，將細(xì)胞內(nèi)的各種細(xì)胞器組成各種不同的體系和區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 為細(xì)胞器的運(yùn)動(dòng)和細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)

4、運(yùn)輸提供機(jī)械支持。細(xì)胞骨架作為細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸?shù)能壍?；在有絲分裂和減數(shù)分裂過程中染色體向兩極的移動(dòng)，以及含有神經(jīng)細(xì)胞產(chǎn)生的神經(jīng)遞質(zhì)的小泡向神經(jīng)細(xì)胞末端的運(yùn)輸都要依靠細(xì)胞骨架的機(jī)械支持。 為細(xì)胞從一個(gè)位置向另一位置移動(dòng)。一些細(xì)支撐提供胞的運(yùn)動(dòng), 如偽足的形成也是由細(xì)胞骨架提供機(jī)械支持。纖毛和鞭毛等運(yùn)動(dòng)器官主要是由細(xì)胞骨架構(gòu)成的。 為信使RNA提供錨定位點(diǎn)，促進(jìn)mRNA翻譯成多肽。用非離子去垢劑提取細(xì)胞成分可發(fā)現(xiàn)細(xì)胞骨架相當(dāng)完整，許多與蛋白質(zhì)合成有關(guān)的成分同不被去垢劑溶解的細(xì)胞骨架結(jié)合在一起。 參與細(xì)胞的信號傳導(dǎo)。有些細(xì)胞骨架成分常同細(xì)胞質(zhì)膜的內(nèi)表面接觸，這對于細(xì)胞外環(huán)境中的信號在細(xì)胞內(nèi)的傳導(dǎo)起重要

5、作用。 是細(xì)胞分裂的機(jī)器。有絲分裂的兩個(gè)主要事件, 核分裂和胞質(zhì)分裂都與細(xì)胞骨架有關(guān)。什么是細(xì)胞骨架?在細(xì)胞內(nèi)的主要功能是什么?細(xì)胞骨架的字義概念往往會給人以錯(cuò)覺, 認(rèn)為它是不動(dòng)的框架結(jié)構(gòu)。其實(shí),細(xì)胞骨架不是惰性結(jié)構(gòu), 而是一種高度動(dòng)態(tài)的組織，它們的組裝、去組裝和再組裝都很快。細(xì)胞骨架的動(dòng)態(tài)性質(zhì)是至關(guān)重要的。 10.1.3 細(xì)胞骨架的研究方法對細(xì)胞骨架的研究是近代細(xì)胞生物學(xué)中最活躍的研究領(lǐng)域之一。  熒光顯微鏡在細(xì)胞骨架研究中的應(yīng)用 可用熒光顯微鏡研究細(xì)胞骨架的動(dòng)力學(xué)，包括組裝、去組裝和物質(zhì)運(yùn)輸?shù)?。這種方法還有一個(gè)好處，就是在活細(xì)胞時(shí)就可以觀察。 可用熒光抗體研究以很低濃度

6、存在的蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的位置, 因?yàn)闃?biāo)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(yīng)的蛋白存在, 就一定會有反應(yīng), 因?yàn)檫@種反應(yīng)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(dòng)蛋白纖維、中間纖維進(jìn)行了成功定位(圖10-3)。圖10-3 相同細(xì)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針同相應(yīng)的蛋白纖維結(jié)合從而使細(xì)胞內(nèi)的纖維被染色。(a)含有肌動(dòng)蛋白的纖維被蘑菇毒素鬼筆環(huán)肽標(biāo)記; (b)含微管蛋白的微管被微管蛋白的抗體標(biāo)記; (c)中間纖維被抗波形蛋白的抗體標(biāo)記。三種混合的熒光標(biāo)記物, 各自的光都不強(qiáng), 并且各自的熒光波長不同。檢查時(shí), 用不同的濾光片 , 每次濾去

7、兩種光。如何用熒光顯微鏡研究細(xì)胞骨架? 其基本原理是什么?  電視顯微鏡(video microscopy)強(qiáng)化光學(xué)顯微鏡功能的一種方法就是用照相機(jī)將細(xì)胞的活動(dòng)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(jī)具有特別的反差、數(shù)碼和計(jì)算機(jī)處理等三個(gè)特點(diǎn)。用這種照相機(jī)能夠使用顯微鏡觀察比自身分辨率低的物質(zhì)，并進(jìn)行照相，如觀察直徑為25nm的微管、40nm的運(yùn)輸泡等。這一技術(shù)的發(fā)展導(dǎo)致一種觀察分子發(fā)動(dòng)機(jī)(molecular motor)移動(dòng)的方法的產(chǎn)生。在典型的實(shí)驗(yàn)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(dòng)機(jī)的樣品直接放到微管上，在合適的條件下，可

8、在電視屏幕上觀察分子發(fā)動(dòng)機(jī)能夠以ATP為能量來源沿著微管移動(dòng)(圖10-4)。圖10-4 用電視顯微鏡觀察到的微管發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)示意圖  電子顯微技術(shù)的應(yīng)用細(xì)胞骨架的一個(gè)很特別的性質(zhì)是在非離子去垢劑，如Triton X-100處理時(shí)保持非溶解狀態(tài)。當(dāng)用這類去垢劑處理細(xì)胞時(shí)，可溶性的物質(zhì)、膜成分被抽提出來，留下細(xì)胞骨架，并且同活細(xì)胞中的結(jié)構(gòu)完全一樣。根據(jù)這一特性，采用金屬復(fù)型技術(shù)在電子顯微鏡下觀察到細(xì)胞骨架的基本排列(圖10-5)。圖10-5 細(xì)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(xì)胞, 并進(jìn)行冰凍干燥和金屬復(fù)型的細(xì)胞骨架。SF表示的是成束的微絲,MT表示

9、微管; R是多聚核糖體。10.2 微管(microtubule)微管是細(xì)胞質(zhì)骨架系統(tǒng)中的主要成分, 是1963年首先由Slautterback在水螅細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的。同年, Ledbetter和Porter也報(bào)道在植物中存在微管結(jié)構(gòu)。如同它的名稱所提示，微管是一中空的管狀結(jié)構(gòu)。 10.2.1 微管的結(jié)構(gòu)和類型微管是直徑為2426nm的中空圓柱體。外徑平均為24nm, 內(nèi)徑為15nm。微管的長度變化不定，在某些特化細(xì)胞中, 微管可長達(dá)幾厘米(如中樞神經(jīng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元)。微管壁大約厚5nm，微管通常是直的, 但有時(shí)也呈弧形。細(xì)胞內(nèi)微管呈網(wǎng)狀和束狀分布, 并能與其他蛋白共同組裝成紡錘體、基粒

10、、中心粒、纖毛、鞭毛、軸突、神經(jīng)管等結(jié)構(gòu)。  微管的基本構(gòu)件微管蛋白(tubulin)微管是以微管蛋白異源二聚體為基本構(gòu)件構(gòu)成的(圖10-6)。 圖10-6 微管的結(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)構(gòu), 能夠緊密地結(jié)合成二聚體, 作為微管組裝的亞基。 氨基酸組成亞基由450個(gè)氨基酸組成, 亞基由455個(gè)氨基酸組成, 它

11、們的相對分子質(zhì)量約55kDa。這兩種亞基有3540%的氨基酸序列同源, 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(jié)合位點(diǎn)每一個(gè)微管蛋白二聚體有兩個(gè)GTP結(jié)合位點(diǎn), 一個(gè)位于亞基, 另一個(gè)位于亞基上。亞基上的GTP結(jié)合位點(diǎn)是不可逆的結(jié)合位點(diǎn)。結(jié)合在亞基上的GTP能夠被水解成GDP，所以這個(gè)位點(diǎn)又稱為可交換的位點(diǎn)(exchangeable site,E位點(diǎn))。  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(sin

12、glet)大部分細(xì)胞質(zhì)微管是單管微管, 它在低溫、Ca2+ 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(gè)管狀結(jié)構(gòu)，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(jīng)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(xì)胞結(jié)構(gòu)。二聯(lián)管是構(gòu)成纖毛和鞭毛的周圍小管, 是運(yùn)動(dòng)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(gè)單管融合而成的，一個(gè)二聯(lián)管只有23根原纖維。 三聯(lián)管(triplet)見于中心粒和基體，

13、由A、B、C三個(gè)單管組成，A管由13根原纖維組成，B管和C管都是10根原纖維，所以一個(gè)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(dòng)力學(xué)(microtubule dynamics)除了特化細(xì)胞的微管外，大多數(shù)細(xì)胞質(zhì)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(xué)試劑(如秋水仙素)處理生活細(xì)胞都會破壞細(xì)胞質(zhì)微管的動(dòng)態(tài)變化，這些化學(xué)試劑與微管蛋白亞基或同微管多聚體結(jié)合，阻止微管的組裝或去組裝。  微管組裝的起始點(diǎn)微管組織中心 微管組織中心(microtubule o

14、rganizing centers, MTOC)存在于細(xì)胞質(zhì)中決定微管在生理狀態(tài)或?qū)嶒?yàn)處理解聚后重新組裝的結(jié)構(gòu)叫微管組織中心。MTOC的主要作用是幫助大多數(shù)細(xì)胞質(zhì)微管組裝過程中的成核反應(yīng)，微管從MTOC開始生長，這是細(xì)胞質(zhì)微管組裝的一個(gè)獨(dú)特的性質(zhì)，即細(xì)胞質(zhì)微管的組裝受統(tǒng)一的功能位點(diǎn)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(gè)中心體。圖中標(biāo)出了生長中微管的正端, 靠近MTOCs部分是微管的負(fù)端。 中心體(centrosome)是動(dòng)物細(xì)胞中決定微管形成的一種細(xì)胞器, 包括中心粒和中心粒周質(zhì)基質(zhì)(pericentriolar matrix)。

15、在細(xì)胞間期, 位于細(xì)胞核的附近, 在有絲分裂期, 位于紡錘體的兩極。 中心粒(centrioles)是中心體的主要結(jié)構(gòu), 成對存在, 即一個(gè)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(jié)構(gòu)。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(gè)微管組成, 每個(gè)微管包埋在致密的基質(zhì)中。組成三聯(lián)管的3個(gè)微管分別稱A、B、C纖維, A伸出兩個(gè)短臂, 一個(gè)伸向中心粒的中央, 另一個(gè)反方向連到下一個(gè)三聯(lián)管的C纖維, 9組三聯(lián)管串聯(lián)在一起, 形成一個(gè)由短臂連起來的齒輪狀環(huán)形結(jié)構(gòu)(圖10-9)。圖10-9 中心粒結(jié)構(gòu)圖示一對中心粒

16、, 每個(gè)中心粒都是由9個(gè)三聯(lián)管組成, 外面還有中心粒周質(zhì)基質(zhì)。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(gè)中心粒而不是一對中心粒。其它類型的細(xì)胞具有不同類型的MTOCs，如真菌的細(xì)胞有初級MTOCs,稱為紡錘極體(spindle pole body)。植物細(xì)胞既沒有中心體，又沒有中心粒，所以植物細(xì)胞的MOTC是細(xì)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(diǎn)，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(fù)端(minus end), 遠(yuǎn)離MTOCs一端的微管生長速度

17、快, 被稱為正端(plus end), 所以(+)端指向細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)，常?？拷?xì)胞質(zhì)膜。在有絲分裂的極性細(xì)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(xué)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(yīng)(nucleation)。圖10-10 微管蛋白介導(dǎo)微管組裝的兩種模型在這兩個(gè)模型中, 微管蛋白先形成一個(gè)圓環(huán)(左)或形成鉤環(huán)結(jié)構(gòu)(右), 微管

18、蛋白的這種結(jié)構(gòu)可指導(dǎo)微管蛋白二聚體結(jié)合上去并進(jìn)行微管的組裝。 細(xì)胞中的微管蛋白大約有80%是一種25S復(fù)合體的一部分,這種復(fù)合體被稱為微管蛋白環(huán)狀復(fù)合體(-tubulin ring complex, -TuRC), 因?yàn)樵陔娮语@微鏡觀察似一個(gè)環(huán)。  微管的組裝過程離體實(shí)驗(yàn)表明, 微管蛋白的體外組裝分為成核(nucleation)和延長(elongation)兩個(gè)反應(yīng), 其中成核反應(yīng)是微管組裝的限速步驟。成核反應(yīng)結(jié)束時(shí), 形成很短的微管, 此時(shí)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? 

19、微管的極性微管的極性有兩層涵義, 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(gòu)件進(jìn)行組裝的，并且是以首-尾排列的方式進(jìn)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(fù)端則慢, 同樣, 如果微管去組裝也是正端快負(fù)端慢(圖10-12)。圖10-12 微管組裝時(shí)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

20、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), 即可進(jìn)行微管的組裝。還發(fā)現(xiàn)，只要降低或提高反應(yīng)溫度就可以使微管去組裝和重組裝; 若在反應(yīng)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?yàn)閬喕軌蛲珿TP結(jié)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(jié)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(jié)合上GTP，才能作為微管組裝的構(gòu)件。微管體外組裝需要哪些

21、基本條件?GTP在組裝中起什么作用? 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(jìn)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?；怯晌⒐艿鞍滓阴；复呋模軌?qū)⒁阴；D(zhuǎn)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

22、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(guān)的細(xì)胞活動(dòng), 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(jié)合；二是它們在細(xì)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(jié)構(gòu) 秋水仙素(colchicine)秋水仙素是一種生物堿, 能夠與微管特異性結(jié)合。秋水仙素同二聚體的結(jié)合, 形成的復(fù)合物可以阻止微管的成核反應(yīng)。秋水仙素和微管蛋白二聚體復(fù)合物加到微管的正負(fù)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

23、秋水仙堿對微管的影響不同。用高濃度的秋水仙素處理細(xì)胞時(shí), 細(xì)胞內(nèi)的微管全部解聚, 但是用低濃度的秋水仙素處理動(dòng)物和植物細(xì)胞, 微管保持穩(wěn)定, 并將細(xì)胞阻斷在中期。 紫杉醇(taxol)是紅豆杉屬植物中的一種復(fù)雜的次生代謝產(chǎn)物,紫杉醇只結(jié)合到聚合的微管上, 不與未聚合的微管蛋白二聚體反應(yīng),因此維持了微管的穩(wěn)定。  微管組裝的動(dòng)力學(xué)行為: 動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性 動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定狀態(tài)(dynamic instability)微管在體外組裝時(shí)發(fā)現(xiàn)有兩個(gè)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

24、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(xì)胞內(nèi)的微管處于動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定狀態(tài)(dynamic instability)什么是微管的動(dòng)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(dòng)態(tài)平衡的一種現(xiàn)象（圖10-15）。即微管的總長度不變，但結(jié)合上的二聚體從(+)端不斷向(-)端推移, 最后到達(dá)負(fù)端。造成這一現(xiàn)象的原因除了GTP水解之外，另一個(gè)原因是反應(yīng)系統(tǒng)中游離蛋白的濃度。踏車現(xiàn)象實(shí)際上是一種動(dòng)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?yàn)槲⒐?/p>

25、是動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu), 細(xì)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(gè)亞基都能結(jié)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(gè)亞基都結(jié)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(dá)到組裝的最低濃度。 動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性: 生長或縮短 微管的踏車行為使單個(gè)微管的長度保持不變,而組成微管的蛋白二聚體發(fā)生了變化。實(shí)際上, 細(xì)胞內(nèi)的微管常常是處于生長和縮短的動(dòng)蕩狀態(tài)(圖10-16)。圖10-16 微管的動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性: 生長或縮短什么是微管的GTP帽和GDP

26、帽?對微管的動(dòng)態(tài)性質(zhì)有什么影響?10.2.3 微管結(jié)合蛋白(microtubule-associated proteins, MAPs)將細(xì)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(jìn)行離心, 除去不溶性的物質(zhì), 然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(jīng)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(jié)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(xì)胞也發(fā)現(xiàn)有與微管蛋白結(jié)合的蛋白存在, 后來將這一類微管輔助蛋白稱為微管結(jié)合蛋白，在微管結(jié)構(gòu)中約占10-15%。&#

27、160; 微管結(jié)合蛋白的種類和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)一類主要的MAPs家族叫作組裝MAPs(assembly MAPs), 主要是將微管在胞質(zhì)溶膠中進(jìn)行交聯(lián)。這些MAPs的結(jié)構(gòu)中具有兩個(gè)結(jié)構(gòu)域, 一個(gè)是堿性的微管蛋白結(jié)合結(jié)構(gòu)域, 另一個(gè)是酸性的外伸的結(jié)構(gòu)域。在電子顯微鏡下觀察, 外伸的結(jié)構(gòu)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(jié)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(xì)胞中(表10-1)。表10-1 某些微管結(jié)合蛋白 蛋白質(zhì)相對分子質(zhì)量(kDa)來源MAP1A350神經(jīng)組織MAP1B(MPA5)

28、325神經(jīng)組織MAP2A，MPA2B270神經(jīng)組織MAP2C70神經(jīng)組織Tau 蛋白50-65神經(jīng)組織MAP4200廣泛存在MAP3180廣泛存在發(fā)動(dòng)蛋白(dynamin)100神經(jīng)組織  MAPs的功能MAPs具有多方面的功能使微管相互交聯(lián)形成束狀結(jié)構(gòu)，也可以使微管同其它細(xì)胞結(jié)構(gòu)交聯(lián), 這些結(jié)構(gòu)包括質(zhì)膜、微絲和中間纖維等；通過與微管成核點(diǎn)的作用促進(jìn)微管的聚合；在細(xì)胞內(nèi)沿微管轉(zhuǎn)運(yùn)囊泡和顆粒，因?yàn)橐恍┓肿影l(fā)動(dòng)機(jī)能夠同微管結(jié)合轉(zhuǎn)運(yùn)細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)；提高微管的穩(wěn)定性由于MAPs同微管壁的結(jié)合，自然就改變了微管組裝和解聚的動(dòng)力學(xué)。MAPs同微管的結(jié)合能夠控制微管的長度防止微管的解聚。 

29、10.2.3 微管結(jié)合蛋白(microtubule-associated proteins, MAPs)將細(xì)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(jìn)行離心, 除去不溶性的物質(zhì), 然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(jīng)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(jié)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(xì)胞也發(fā)現(xiàn)有與微管蛋白結(jié)合的蛋白存在, 后來將這一類微管輔助蛋白稱為微管結(jié)合蛋白，在微管結(jié)構(gòu)中約占10-15%。  微管結(jié)合蛋白的種類和結(jié)

30、構(gòu)特點(diǎn)一類主要的MAPs家族叫作組裝MAPs(assembly MAPs), 主要是將微管在胞質(zhì)溶膠中進(jìn)行交聯(lián)。這些MAPs的結(jié)構(gòu)中具有兩個(gè)結(jié)構(gòu)域, 一個(gè)是堿性的微管蛋白結(jié)合結(jié)構(gòu)域, 另一個(gè)是酸性的外伸的結(jié)構(gòu)域。在電子顯微鏡下觀察, 外伸的結(jié)構(gòu)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(jié)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(xì)胞中(表10-1)。表10-1 某些微管結(jié)合蛋白 蛋白質(zhì)相對分子質(zhì)量(kDa)來源MAP1A350神經(jīng)組織MAP1B(MPA5)325神經(jīng)組織MAP2A，MPA

31、2B270神經(jīng)組織MAP2C70神經(jīng)組織Tau 蛋白50-65神經(jīng)組織MAP4200廣泛存在MAP3180廣泛存在發(fā)動(dòng)蛋白(dynamin)100神經(jīng)組織  MAPs的功能MAPs具有多方面的功能使微管相互交聯(lián)形成束狀結(jié)構(gòu)，也可以使微管同其它細(xì)胞結(jié)構(gòu)交聯(lián), 這些結(jié)構(gòu)包括質(zhì)膜、微絲和中間纖維等；通過與微管成核點(diǎn)的作用促進(jìn)微管的聚合；在細(xì)胞內(nèi)沿微管轉(zhuǎn)運(yùn)囊泡和顆粒，因?yàn)橐恍┓肿影l(fā)動(dòng)機(jī)能夠同微管結(jié)合轉(zhuǎn)運(yùn)細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)；提高微管的穩(wěn)定性由于MAPs同微管壁的結(jié)合，自然就改變了微管組裝和解聚的動(dòng)力學(xué)。MAPs同微管的結(jié)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(dòng)機(jī)(mol

32、ecular motor)細(xì)胞內(nèi)有一類蛋白質(zhì)能夠用ATP供能,產(chǎn)生推動(dòng)力，進(jìn)行細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)運(yùn)輸，這種蛋白分子稱為分子發(fā)動(dòng)機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)蛋白(motor proteins)。圖10-18是假設(shè)的分子發(fā)動(dòng)機(jī)的工作模型，它不同于火車沿著鐵軌運(yùn)輸貨物, 而是靠它的臂同固定軌道的結(jié)合并不停地?cái)[動(dòng)向前推進(jìn)。圖10-18 假設(shè)的分子發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)輸模型在一次機(jī)械活動(dòng)的循環(huán)中，發(fā)動(dòng)機(jī)與軌道的結(jié)合點(diǎn)結(jié)合；在力的驅(qū)動(dòng)下，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)；發(fā)動(dòng)機(jī)與結(jié)合點(diǎn)脫離；發(fā)動(dòng)機(jī)回到原來的位置；開始新的循環(huán)。  分子發(fā)動(dòng)機(jī)的類型至今所發(fā)現(xiàn)的分子發(fā)動(dòng)機(jī)可分為三個(gè)不同的家族肌球蛋白(myosins)家族、驅(qū)動(dòng)蛋白(kinesins

33、)家族、動(dòng)力蛋白(dyneins)家族。其中驅(qū)動(dòng)蛋白和動(dòng)力蛋白是以微管作為運(yùn)行的軌道，而肌球蛋白則是以肌動(dòng)蛋白纖維作為運(yùn)行的軌道。尚不知道有以中間纖維為運(yùn)行軌道的發(fā)動(dòng)機(jī)分子。  分子發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)輸?shù)闹饕攸c(diǎn)分子發(fā)動(dòng)機(jī)引導(dǎo)的運(yùn)輸有兩個(gè)主要的特點(diǎn): 分子發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)輸是單方向進(jìn)行的，一種發(fā)動(dòng)機(jī)分子只能引導(dǎo)一種方向的運(yùn)輸。例如驅(qū)動(dòng)蛋白只能引導(dǎo)沿微管的(-)端向(+)端的運(yùn)輸，而動(dòng)力蛋白則是從(+)端向(-)端運(yùn)輸。 分子發(fā)動(dòng)機(jī)引導(dǎo)的運(yùn)輸是逐步行進(jìn)(圖10-19)而不像火車的輪子是連續(xù)運(yùn)行的。之所以要逐步進(jìn)行，是因?yàn)榉肿影l(fā)動(dòng)機(jī)要通過一系列的構(gòu)型變化才能完成行進(jìn)的動(dòng)作。圖10-19 分子發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的

34、方式  驅(qū)動(dòng)蛋白(kinesins)的結(jié)構(gòu)和功能 分子結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)蛋白是一個(gè)大的復(fù)合蛋白，由幾個(gè)不同的結(jié)構(gòu)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(chǎn)生動(dòng)力的“電機(jī)”; 還有一個(gè)扇形的尾，是貨物結(jié)合部位。圖10-20 驅(qū)動(dòng)蛋白的結(jié)構(gòu) 運(yùn)輸方向體外實(shí)驗(yàn)證明驅(qū)動(dòng)蛋白的運(yùn)輸具有方向性，從微管的(-)端移向微管的(+)端，驅(qū)動(dòng)蛋白是正端走向的微管發(fā)動(dòng)機(jī)(plus end-directed microtublar motor)。由于神經(jīng)軸中所有的微管都是正端朝向軸突的末端，而負(fù)端朝向細(xì)胞體，所以驅(qū)動(dòng)蛋白在神經(jīng)細(xì)胞中負(fù)責(zé)正向的運(yùn)輸任務(wù)。 運(yùn)輸速度驅(qū)動(dòng)蛋白沿一條原纖維運(yùn)輸

35、，移動(dòng)的速度與ATP的濃度有關(guān)，速度高時(shí)，可達(dá)到每秒900nm。驅(qū)動(dòng)蛋白每跨一步的長度為8nm,正好是一個(gè)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(qū)動(dòng)蛋白一次在微管軌道上移動(dòng)兩個(gè)球形亞基。類驅(qū)動(dòng)蛋白不限于神經(jīng)細(xì)胞，它們在所有的真核細(xì)胞中都有存在，參與ER產(chǎn)生的各種小泡的運(yùn)輸。圖10-21 驅(qū)動(dòng)蛋白的結(jié)構(gòu)和運(yùn)輸方式（a）驅(qū)動(dòng)蛋白的結(jié)構(gòu)；（b）驅(qū)動(dòng)蛋白的運(yùn)輸方式  細(xì)胞質(zhì)動(dòng)力蛋白(cytoplasmic dyneins)1963年發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)與微管相關(guān)的發(fā)動(dòng)機(jī)蛋白是與纖毛和鞭毛運(yùn)動(dòng)有關(guān)的發(fā)動(dòng)機(jī)蛋白，相對分子質(zhì)量超過10萬道爾頓，由9-10個(gè)多肽鏈組成

36、(圖10-22)。它有兩個(gè)大的球形的頭部，是生成力的部位。它在細(xì)胞中至少有兩個(gè)功能第一是有絲分裂中染色體運(yùn)動(dòng)的力的來源；第二是作為負(fù)端微管走向的發(fā)動(dòng)機(jī)，擔(dān)負(fù)小泡和各種膜結(jié)合細(xì)胞器的運(yùn)輸任務(wù)。細(xì)胞質(zhì)動(dòng)力蛋白在微管上移動(dòng)的方向與驅(qū)動(dòng)蛋白相反，從正端移向負(fù)端。圖10-22 細(xì)胞質(zhì)動(dòng)力蛋白的結(jié)構(gòu)與運(yùn)輸作用（a）細(xì)胞質(zhì)動(dòng)力蛋白的結(jié)構(gòu)；（b）細(xì)胞質(zhì)動(dòng)力蛋白的運(yùn)輸方式。10.2.5 微管的功能微管在細(xì)胞內(nèi)的作用大致可分為四個(gè)方面，首先是起支架作用，為細(xì)胞維持一定的形態(tài)提供結(jié)構(gòu)上的保證，并給各種細(xì)胞器進(jìn)行定位；第二是作為細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸?shù)能壍?；第三是作為纖毛和鞭毛運(yùn)動(dòng)元件；第四是參與細(xì)胞的有絲分裂和減數(shù)分裂。&

37、#160; 支架作用維持細(xì)胞形態(tài)是微管的基本功能。實(shí)驗(yàn)證明,微管具有一定的強(qiáng)度，能夠抗壓和抗彎曲，這種特性給細(xì)胞提供了機(jī)械支持力。 微管能夠維持細(xì)胞的形態(tài)，使細(xì)胞不至于破裂。在培養(yǎng)的動(dòng)物細(xì)胞中, 微管圍繞細(xì)胞核向外呈放射狀分布(圖10-23), 維持細(xì)胞的形態(tài)。微管能夠幫助細(xì)胞產(chǎn)生極性，確定方向。例如神經(jīng)細(xì)胞的軸突中就有大量平行排列的微管，確定神經(jīng)細(xì)胞軸突的方向。 在植物細(xì)胞中，微管對細(xì)胞形態(tài)的維持也有間接的作用。在植物細(xì)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(xì)胞質(zhì)膜中的定位。其結(jié)果是產(chǎn)生的纖維素纖維與微管平行排列。細(xì)胞壁中纖維素纖維的方向?qū)τ跊Q定細(xì)胞的生長特性及形態(tài)都

38、具有重要的作用。 微管對于維持細(xì)胞內(nèi)部的組織也有重要作用。用破壞微管的藥物處理細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)能夠嚴(yán)重影響膜細(xì)胞器，特別是高爾基體在細(xì)胞內(nèi)的位置。高爾基體在細(xì)胞內(nèi)的位置一般在細(xì)胞的中央，剛好在細(xì)胞核的外側(cè)，用秋水仙素處理細(xì)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(fù)其在細(xì)胞內(nèi)的正常位置。圖10-23 培養(yǎng)的動(dòng)物細(xì)胞中的微管  細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸微管在核的周圍分布密集, 并向胞質(zhì)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(diǎn)上。所以, 細(xì)胞內(nèi)的細(xì)胞器移動(dòng)和胞質(zhì)內(nèi)物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)都和微管有著密切的關(guān)系。 軸突運(yùn)輸(axona

39、l transport)核糖體只存在于神經(jīng)細(xì)胞的細(xì)胞體和樹突中, 在軸突和軸突末梢沒有蛋白質(zhì)的合成。所以蛋白質(zhì)和膜必須在細(xì)胞體中合成, 然后運(yùn)輸?shù)捷S突, 這就是軸突運(yùn)輸。軸突中填滿了各種細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)，包括微管束、中間纖維、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(chǔ)的運(yùn)輸有兩種方式順向運(yùn)輸和逆向運(yùn)輸(圖10-24)。圖10-24 軸突中微管發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)輸?shù)膬煞N方式什么是軸突運(yùn)輸?有什么特點(diǎn)? 色素顆粒的運(yùn)輸許多兩棲類的皮膚和魚類的鱗片中含有特化的色素細(xì)胞, 在神經(jīng)和激素的控制下, 這些細(xì)胞中的色素顆?？稍跀?shù)秒鐘內(nèi)迅速分布到細(xì)胞各處, 從而使皮膚顏色變黑; 又能很快回到細(xì)胞中心, 而使皮

40、膚顏色變淺, 以適應(yīng)環(huán)境的變化(圖10-25)。研究發(fā)現(xiàn), 色素顆粒的運(yùn)輸是微管依賴性的, 色素顆粒實(shí)際上是沿微管轉(zhuǎn)運(yùn)的。圖10-25 魚的色素細(xì)胞中色素分子的分散與聚集內(nèi)膜系統(tǒng)中通過小泡進(jìn)行的蛋白質(zhì)運(yùn)輸, 都是以微管作為軌道的。將細(xì)胞質(zhì)中以微管為軌道運(yùn)輸?shù)陌l(fā)動(dòng)機(jī)蛋白和它們運(yùn)輸?shù)年P(guān)系總結(jié)于表10-2和圖10-26。表10-2 微管發(fā)動(dòng)機(jī)蛋白的功能分類類別運(yùn)輸物運(yùn)輸方向細(xì)胞質(zhì)驅(qū)動(dòng)蛋白胞質(zhì)溶膠小泡(+)紡錘體驅(qū)動(dòng)蛋白紡錘體和星微管, 中心粒、動(dòng)粒(+)或(-)細(xì)胞質(zhì)動(dòng)力蛋白在有絲分裂和減數(shù)分裂期運(yùn)輸胞質(zhì)溶膠小泡,動(dòng)粒(-) 軸絲動(dòng)力蛋白纖毛和鞭毛中單管(-) 圖10-26 細(xì)胞中微管介導(dǎo)的物質(zhì)運(yùn)輸

41、  纖毛(cillum)和鞭毛(flagellum)結(jié)構(gòu)和功能纖毛和鞭毛都是某些細(xì)胞表面的特化結(jié)構(gòu), 具有運(yùn)動(dòng)功能。纖毛和鞭毛并無絕對界限, 一般把少而長者稱為鞭毛, 短而多者稱為纖毛(圖10-27)。纖毛和鞭毛有兩個(gè)主要的功能第一是幫助細(xì)胞錨定在一個(gè)地方，使自己不易移動(dòng)；第二是使細(xì)胞在液體介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)。圖10-27 鞭毛與纖毛鞭毛和纖毛在大小、數(shù)量和運(yùn)動(dòng)方式等方面都是不同的。鞭毛長度可達(dá)150m, 數(shù)量較少，并且是波浪式擺動(dòng)。而纖毛較短，平均長度為5-10m，運(yùn)動(dòng)的方式比較復(fù)雜，且沒有規(guī)則。纖毛和鞭毛的結(jié)構(gòu) 基本結(jié)構(gòu)纖毛和鞭毛都含有一個(gè)規(guī)則排列的由微管相互連接形成的骨架,稱為軸絲(a

42、xoneme)。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(gè)的微管, 成為“9+2”的微管形式。中央的兩個(gè)微管之間由細(xì)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(xì)胞的纖毛或鞭毛結(jié)構(gòu)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(dá)到頂端時(shí), 它們就相互融合。每一纖毛的基部起始于細(xì)胞淺表部的基體(basal body), 基體的結(jié)構(gòu)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

43、毛軸絲纖毛和鞭毛的結(jié)構(gòu)組成和特點(diǎn)是什么? 纖毛動(dòng)力蛋白(ciliary dynein)纖毛動(dòng)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(dòng)力蛋白像是具有23個(gè)頭的一束花，每一支花都是由一個(gè)大的球形結(jié)構(gòu)域和一個(gè)小的球形結(jié)構(gòu)域組成，中間通過一個(gè)小的桿部同基部相連。纖毛動(dòng)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(jié)合位點(diǎn)，能夠水解ATP。圖10-30 微管動(dòng)力蛋白的結(jié)構(gòu)纖毛和鞭毛的運(yùn)動(dòng)機(jī)制: 微管滑動(dòng)模型(sliding-microtubule model)纖毛和鞭毛的運(yùn)動(dòng)是一種簡單的彎曲，這種彎曲是由軸絲中微管動(dòng)力臂引起微管的滑動(dòng)所致，微管滑動(dòng)模型是關(guān)于

44、纖毛和鞭毛運(yùn)動(dòng)機(jī)制的最好解釋(圖10-31)。圖10-31 纖毛/鞭毛動(dòng)力微管的滑動(dòng)模型什么是纖毛/鞭毛的微管滑動(dòng)模型(sliding-microtubule model)? 機(jī)理如何?  紡錘體和染色體運(yùn)動(dòng)微管在細(xì)胞的有絲分裂中起重要作用, 詳細(xì)內(nèi)容將在以后的章節(jié)中討論。10.3 微絲(microfilament)微絲又稱肌動(dòng)蛋白纖維(actin filament)，由肌動(dòng)蛋白組成的、直徑為8nm的纖維。微絲是雙股肌動(dòng)蛋白絲以螺旋的形式組成的纖維, 兩股肌動(dòng)蛋白絲是同方向的。肌動(dòng)蛋白纖維也是一種極性分子, 具有兩個(gè)不同的末端，一個(gè)是正端，另一個(gè)是負(fù)端。 10.3.1 微絲

45、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(dòng)蛋白(actin)組成的。微絲比微管細(xì)，更具有彈性，通常比微管短。細(xì)胞中肌動(dòng)蛋白纖維的數(shù)量比微管多，全部肌動(dòng)蛋白纖維加起來，其總長度大約是微管的30倍。肌動(dòng)蛋白纖維在細(xì)胞中通常成束存在(圖10-32)，這種成束的肌動(dòng)蛋白纖維比單個(gè)的肌動(dòng)蛋白纖維的強(qiáng)度大。圖10-32 細(xì)胞中成束的肌動(dòng)蛋白纖維（a）微絨毛；(b)細(xì)胞質(zhì)中的收縮束；（c）運(yùn)動(dòng)細(xì)胞前緣的鞘和指；(d)細(xì)胞分裂時(shí)的收縮環(huán)。 分布微絲首先發(fā)現(xiàn)于肌細(xì)胞中, 在橫紋肌和心肌細(xì)胞中肌動(dòng)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(xì)胞中。在細(xì)胞周期的不同階段或細(xì)胞流動(dòng)

46、時(shí), 它們的形態(tài)、分布可以發(fā)生變化。因此,非肌細(xì)胞的微絲同胞質(zhì)微管一樣, 在大多數(shù)情況下是一種動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu), 以不同的結(jié)構(gòu)形式來適應(yīng)細(xì)胞活動(dòng)的需要。  微絲的結(jié)構(gòu)單位: 肌動(dòng)蛋白 肌動(dòng)蛋白的兩種存在方式肌動(dòng)蛋白以兩種形式存在（圖10-33）, 即單體和多聚體。單體的肌動(dòng)蛋白是由一條多肽鏈構(gòu)成的球形分子, 又稱球狀肌動(dòng)蛋白(globular actin, G-actin),肌動(dòng)蛋白的多聚體形成肌動(dòng)蛋白絲, 稱為纖維狀肌動(dòng)蛋白(fibros actin, F-actin)。在電子顯微鏡下, F-肌動(dòng)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(dòng)蛋白和纖

47、維狀F-肌動(dòng)蛋白的結(jié)構(gòu)(a)非肌細(xì)胞中-Actin單體的結(jié)構(gòu)模型, 像是扁平的分子,由體積相等的兩個(gè)部分組成, 中間有一個(gè)裂口, 并且有四個(gè)亞結(jié)構(gòu)域, 用-表示。ATP在裂口的地方與肌動(dòng)蛋白結(jié)合。N端和C末端位于亞結(jié)構(gòu)域。(b)電子顯微鏡觀察的經(jīng)負(fù)染的絲狀肌動(dòng)蛋白的形態(tài)。(c)肌動(dòng)蛋白纖維亞基的裝配模型。 肌動(dòng)蛋白的分子組成肌動(dòng)蛋白是一種中等大小的蛋白質(zhì), 由375個(gè)氨基酸殘基組成, 并且是由一個(gè)大的、高度保守的基因編碼。單體肌動(dòng)蛋白分子的分子量為43kDa, 其上有三個(gè)結(jié)合位點(diǎn)：一個(gè)是ATP結(jié)合位點(diǎn), 另兩個(gè)都是與肌動(dòng)蛋白結(jié)合的結(jié)合蛋白結(jié)合位點(diǎn)。 肌動(dòng)蛋白的分布肌動(dòng)蛋白是真核細(xì)胞中最豐富的蛋

48、白質(zhì)。在肌細(xì)胞中, 肌動(dòng)蛋白占總蛋白的10%, 即使在非肌細(xì)胞中, 肌動(dòng)蛋白也占細(xì)胞總蛋白的15%。肌動(dòng)蛋白在非肌細(xì)胞的胞質(zhì)溶膠中的濃度為0.5mM。在特殊的結(jié)構(gòu)如微絨毛(microvilli)中, 局部肌動(dòng)蛋白的濃度要比典型細(xì)胞中的濃度高10倍。 肌動(dòng)蛋白的編碼基因某些單細(xì)胞生物, 如酵母、阿米巴蟲等只有一個(gè)肌動(dòng)蛋白基因, 而一些多細(xì)胞的生物含有多個(gè)肌動(dòng)蛋白基因。如人就有6個(gè)肌動(dòng)蛋白基因, 每一個(gè)編碼一種肌動(dòng)蛋白異構(gòu)體。某些植物含有多達(dá)60個(gè)肌動(dòng)蛋白基因。肌動(dòng)蛋白是非常保守的, 可與組蛋白相比。 肌動(dòng)蛋白的修飾肌動(dòng)蛋白也要經(jīng)過翻譯后修飾, 主要是進(jìn)行N-末端的?；鸵粋€(gè)組氨酸殘基的甲基化,

49、 這種修飾作用增加了功能的多樣性。 10.3.2 微絲的裝配動(dòng)力學(xué)微絲是由肌動(dòng)蛋白亞單位組成的螺旋狀纖維。通過負(fù)染技術(shù)，在電子顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)F-肌動(dòng)蛋白是一種長的、具有彈性的纖維，直徑是可變的，平均在79nm之間。在體外，將Mg2+、 K+和Na+等無機(jī)離子加入到溶液中，能夠誘導(dǎo)G-肌動(dòng)蛋白聚合成F-肌動(dòng)蛋白纖維。這個(gè)過程是可逆的，當(dāng)降低溶液中離子的濃度，F(xiàn)-肌動(dòng)蛋白纖維能夠解聚成G-肌動(dòng)蛋白。G-肌動(dòng)蛋白能夠聚合成F-肌動(dòng)蛋白，F(xiàn)-肌動(dòng)蛋白也可以解聚成G-肌動(dòng)蛋白，這是肌動(dòng)蛋白最為重要的特性。  ATP 在裝配中的作用 G-肌動(dòng)蛋白的形態(tài)結(jié)構(gòu)球形的肌動(dòng)蛋白是由兩個(gè)小葉

50、(lobe)構(gòu)成的, 像是兩扇門, 中間有一個(gè)豁口(cleft),豁口和小葉是肌動(dòng)蛋白的ATPase的活性部位, 能夠結(jié)合ATP和Mg2+離子。G-肌動(dòng)蛋白的兩個(gè)小葉具有彈性, 能夠開與合。 ATP的作用F-肌動(dòng)蛋白是由G-肌動(dòng)蛋白裝配而成的, 在裝配中ATP具有重要作用。實(shí)際上, 每一個(gè)G-肌動(dòng)蛋白通常都是結(jié)合有Mg2+離子以及ATP或ADP的復(fù)合物,因此肌動(dòng)蛋白通常有四種存在狀態(tài):ATP-G-肌動(dòng)蛋白、ADP-G-肌動(dòng)蛋白、ATP-F-肌動(dòng)蛋白、ADP-F-肌動(dòng)蛋白, 在細(xì)胞中主要是以ATP-G-肌動(dòng)蛋白和ATP-F-肌動(dòng)蛋白兩種形式存在(圖10-34)。當(dāng)ATP或ADP與G-肌動(dòng)蛋白結(jié)合

51、之后, 會發(fā)生構(gòu)型的改變。如果沒有ADP或ATP與肌動(dòng)蛋白結(jié)合, 則很快變性。圖10-34 G-肌動(dòng)蛋白與F-肌動(dòng)蛋白模式圖(a) G-肌動(dòng)蛋白; (b)F-肌動(dòng)蛋白  肌動(dòng)蛋白纖維的裝配體外實(shí)驗(yàn)表明, 肌動(dòng)蛋白纖維的裝配分三步進(jìn)行，并且是三個(gè)連續(xù)的過程(圖10-35)。圖10-35 微絲裝配的基本過程簡述微絲裝配的三個(gè)基本過程。請?jiān)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)研究肌動(dòng)蛋白纖維裝配的過程 基本過程 影響裝配的因素同微管的裝配一樣, 微絲的裝配同樣受肌動(dòng)蛋白臨界濃度的影響。在肌動(dòng)蛋白纖維的裝配過程中，除了受G-肌動(dòng)蛋白臨界濃度的影響，還受一些離子濃度的影響。有哪些因素影響微絲的裝配? ATP的作用肌動(dòng)蛋白的

52、聚合過程伴隨著ATP的水解，在聚合過程中，G-肌動(dòng)蛋白先要結(jié)合ATP，然后ATP-G-肌動(dòng)蛋白單體再結(jié)合到F-肌動(dòng)蛋白的兩端，加到F-肌動(dòng)蛋白上。一旦ATP-G-肌動(dòng)蛋白單體結(jié)合到F-肌動(dòng)蛋白纖維上，同肌動(dòng)蛋白結(jié)合的ATP就會慢慢降解成ADP，并釋放出Pi（圖10-36）。雖然結(jié)合的ATP常被水解成ADP,但是對于F-肌動(dòng)蛋白的裝配來說，ATP的水解不是必要的過程，因?yàn)楹蠥DP或不能水解的ATP類似物的G-肌動(dòng)蛋白裝配后都是穩(wěn)定的。圖10-36 微絲裝配過程中ATP的水解  微絲的動(dòng)態(tài)性質(zhì) 極性同微管一樣, F-肌動(dòng)蛋白也有結(jié)構(gòu)上和功能上的極性(polarity)。由于構(gòu)成F-肌動(dòng)

53、蛋白的所有亞基都是從同一個(gè)方向加到多聚體上, 所以F-肌動(dòng)蛋白絲具有方向性, 結(jié)合ATP豁口的一端為負(fù)端(-), 另外一端為正端(+)。而且, 兩端的生長速度是不同的,(+)端生長快，(-)端生長慢。一般而言, 正端生長速度比負(fù)端快510倍, 這種極性是由ATP決定的。體外實(shí)驗(yàn)證明了這種現(xiàn)象(圖10-37)。圖10-37 F-肌動(dòng)蛋白絲兩端不斷生長用肌動(dòng)蛋白封端蛋白封住負(fù)端, 微絲繼續(xù)快速加長, 但是用封端蛋白封住正端, F-肌動(dòng)蛋白加長的速率非常慢。 F-肌動(dòng)蛋白功能上的極性是指行使功能時(shí)具有方向性, 如以微絲作為運(yùn)輸軌道的發(fā)動(dòng)機(jī)蛋白與微絲的結(jié)合是按方向識別的。 踏車現(xiàn)象(treadmill

54、ing) 在微絲裝配時(shí),若G-肌動(dòng)蛋白分子添加到F-肌動(dòng)蛋白絲上的速率正好等于G-肌動(dòng)蛋白分子從F-肌動(dòng)蛋白上失去的速率時(shí), 微絲凈長度沒有改變, 這種過程稱為肌動(dòng)蛋白的踏車現(xiàn)象(圖10-38)。肌動(dòng)蛋白踏車現(xiàn)象是由G-肌動(dòng)蛋白單體的臨界濃度決定的, 當(dāng)G-肌動(dòng)蛋白的臨界濃度處于正端和負(fù)端G-肌動(dòng)蛋白臨界濃度之間時(shí), 就會出現(xiàn)踏車現(xiàn)象。圖10-38 微絲的踏車現(xiàn)象發(fā)生踏車現(xiàn)象時(shí), 雖然F-肌動(dòng)蛋白絲的凈長度沒有發(fā)生變化. 但是裝配與去裝配仍在進(jìn)行, 只不過添加到微絲上的G-肌動(dòng)蛋白分子與脫下來的速率相等。 微絲的動(dòng)態(tài)平衡 在體內(nèi), 有些微絲是永久性結(jié)構(gòu), 如肌肉中的細(xì)絲及上皮細(xì)胞微絨毛中的軸心

55、微絲等。有些微絲是暫時(shí)性結(jié)構(gòu), 如胞質(zhì)分裂環(huán)中的微絲。在大多數(shù)動(dòng)物細(xì)胞中, 大約有70%的肌動(dòng)蛋白是游離的單體或者和其他蛋白結(jié)合成小的復(fù)合物, 在游離肌動(dòng)蛋白分子和微絲之間存在著動(dòng)態(tài)平衡，它們可以幫助激發(fā)和調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)微絲的功能。  影響肌動(dòng)蛋白單體-多聚體平衡的毒素 細(xì)胞松弛素B(cytochalasins B)和Latrunculin 細(xì)胞松弛素B是第一個(gè)用于研究細(xì)胞骨架的藥物，它是真菌分泌的生物堿(圖10-39)。細(xì)胞松弛素(細(xì)胞松弛素B及其衍生物)在細(xì)胞內(nèi)同微絲的正端結(jié)合, 并引起F-肌動(dòng)蛋白解聚，阻斷亞基的進(jìn)一步聚合。Latrunculin的作用與細(xì)胞松弛素B相反, 它只與G

56、-肌動(dòng)蛋白結(jié)合, 從而抑制G-肌動(dòng)蛋白加到F-肌動(dòng)蛋白的一端上。圖10-39 細(xì)胞松弛素B的結(jié)構(gòu) 鬼筆環(huán)肽(phalloidin) 從一種毒性菇類中分離的劇毒生物堿，它同細(xì)胞松弛素的作用相反, 只與聚合的微絲結(jié)合, 而不與肌動(dòng)蛋白單體分子結(jié)合。它同聚合的微絲結(jié)合后, 抑制了微絲的解體, 因而破壞了微絲的聚合和解聚的動(dòng)態(tài)平衡。用熒光標(biāo)記的鬼筆環(huán)肽對細(xì)胞進(jìn)行染色可以在熒光顯微鏡下觀察微絲在細(xì)胞中的分布（圖10-37）。10.3.3 微絲結(jié)合蛋白(actin-binding proteins)純化的肌動(dòng)蛋白在體外能夠聚合形成肌動(dòng)蛋白纖維，但是這種纖維不具有相互作用的能力，也不能行使某種功能, 原因是缺少微絲結(jié)合蛋白。  微絲結(jié)合蛋白的種類肌細(xì)胞和非肌細(xì)胞中都有微絲結(jié)合蛋白，至少已分離出100多種。表10-3 是常見的幾類主要的微絲結(jié)合蛋白。 表10-3 幾類主要的微絲結(jié)合蛋白蛋白質(zhì)相對分子質(zhì)量(kDa)來源單體隔離蛋白抑制蛋白(profilin)1215廣泛分