细胞生物学讲义：细胞骨架

1、10. 细胞骨架与细胞运动细胞除了含有各种细胞器外, 在细胞质中还有一个三维的网络结构系统，这个系统被称为细胞骨架(图10-1)。图10-1 细胞骨架系统10.1 细胞骨架(cytoskeleton)的组成和功能细胞除了具有遗传和代谢两个主要特性之外, 还有两个特性, 就是它的运动性和维持一定的形态。细胞骨架是细胞运动的轨道,也是细胞形态的维持和变化的支架。10.1.1 细胞骨架的组成和分布 组成细胞骨架是细胞内以蛋白质纤维为主要成分的网络结构,由主要的三类蛋白纤丝(filamemt)构成，包括微管、微丝（肌动蛋白纤维）和中间纤维。 分布微管主要分布在核周围, 并呈放射状向胞质四周扩散。微丝主

2、要分布在细胞质膜的内侧。而中间纤维则分布在整个细胞中(图10-2)。图10-2 细胞骨架的三类主要成分及其分布10.1.2 细胞骨架的功能细胞骨架对于维持细胞的形态结构及内部结构的有序性，以及在细胞运动、物质运输、能量转换、信息传递和细胞分化等一系列方面起重要作用。 作为支架(scaffold),为维持细胞的形态提供支持结构，如红细胞质膜膜骨架结构维持。 在细胞内形成一个框架(framework)结构,为细胞内的各种细胞器提供附着位点。细胞骨架是胞质溶胶的组织者，将细胞内的各种细胞器组成各种不同的体系和区域的网络结构。 为细胞器的运动和细胞内物质运输提供机械支持。细胞骨架作为细胞内物质运输的轨

3、道；在有丝分裂和减数分裂过程中染色体向两极的移动，以及含有神经细胞产生的神经递质的小泡向神经细胞末端的运输都要依靠细胞骨架的机械支持。 为细胞从一个位置向另一位置移动。一些细支撑提供胞的运动, 如伪足的形成也是由细胞骨架提供机械支持。纤毛和鞭毛等运动器官主要是由细胞骨架构成的。 为信使RNA提供锚定位点，促进mRNA翻译成多肽。用非离子去垢剂提取细胞成分可发现细胞骨架相当完整，许多与蛋白质合成有关的成分同不被去垢剂溶解的细胞骨架结合在一起。 参与细胞的信号传导。有些细胞骨架成分常同细胞质膜的内表面接触，这对于细胞外环境中的信号在细胞内的传导起重要作用。 是细胞分裂的机器。有丝分裂的两个主要事件

4、, 核分裂和胞质分裂都与细胞骨架有关。什么是细胞骨架?在细胞内的主要功能是什么?细胞骨架的字义概念往往会给人以错觉, 认为它是不动的框架结构。其实,细胞骨架不是惰性结构, 而是一种高度动态的组织，它们的组装、去组装和再组装都很快。细胞骨架的动态性质是至关重要的。10.1.3 细胞骨架的研究方法对细胞骨架的研究是近代细胞生物学中最活跃的研究领域之一。 荧光显微镜在细胞骨架研究中的应用 可用荧光显微镜研究细胞骨架的动力学，包括组装、去组装和物质运输等。这种方法还有一个好处，就是在活细胞时就可以观察。 可用荧光抗体研究以很低浓度存在的蛋白质在细胞内的位置, 因为标记的荧光抗体同特异的蛋白具有很高的亲

5、和性, 只要有相应的蛋白存在, 就一定会有反应, 因为这种反应是特异的, 通过荧光显微镜观察就可确定。用这种方法对微管、肌动蛋白纤维、中间纤维进行了成功定位(图10-3)。图10-3 相同细胞中微管、微丝和中间纤维的荧光定位三种不同荧光染料探针同相应的蛋白纤维结合从而使细胞内的纤维被染色。(a)含有肌动蛋白的纤维被蘑菇毒素鬼笔环肽标记; (b)含微管蛋白的微管被微管蛋白的抗体标记; (c)中间纤维被抗波形蛋白的抗体标记。三种混合的荧光标记物, 各自的光都不强, 并且各自的荧光波长不同。检查时, 用不同的滤光片 , 每次滤去两种光。如何用荧光显微镜研究细胞骨架? 其基本原理是什么? 电视显微镜(

6、video microscopy)强化光学显微镜功能的一种方法就是用照相机将细胞的活动记录在胶片上并可在电视屏幕上显示，即电视显微镜。这种显微镜的照相机具有特别的反差、数码和计算机处理等三个特点。用这种照相机能够使用显微镜观察比自身分辨率低的物质，并进行照相，如观察直径为25nm的微管、40nm的运输泡等。这一技术的发展导致一种观察分子发动机(molecular motor)移动的方法的产生。在典型的实验中，将微管样品放在载玻片上，然后通过聚焦的激光束系统将含有分子发动机的样品直接放到微管上，在合适的条件下，可在电视屏幕上观察分子发动机能够以ATP为能量来源沿着微管移动(图10-4)。图10-

7、4 用电视显微镜观察到的微管发动机的运动示意图 电子显微技术的应用细胞骨架的一个很特别的性质是在非离子去垢剂，如Triton X-100处理时保持非溶解状态。当用这类去垢剂处理细胞时，可溶性的物质、膜成分被抽提出来，留下细胞骨架，并且同活细胞中的结构完全一样。根据这一特性，采用金属复型技术在电子显微镜下观察到细胞骨架的基本排列(图10-5)。图10-5 细胞骨架的电子显微镜检查用非离子去垢剂Triton X-100处理成纤维细胞, 并进行冰冻干燥和金属复型的细胞骨架。SF表示的是成束的微丝,MT表示微管; R是多聚核糖体。10.2 微管(microtubule)微管是细胞质骨架系统中的主要成分

8、, 是1963年首先由Slautterback在水螅细胞中发现的。同年, Ledbetter和Porter也报道在植物中存在微管结构。如同它的名称所提示，微管是一中空的管状结构。10.2.1 微管的结构和类型微管是直径为2426nm的中空圆柱体。外径平均为24nm, 内径为15nm。微管的长度变化不定，在某些特化细胞中, 微管可长达几厘米(如中枢神经系统的运动神经元)。微管壁大约厚5nm，微管通常是直的, 但有时也呈弧形。细胞内微管呈网状和束状分布, 并能与其他蛋白共同组装成纺锤体、基粒、中心粒、纤毛、鞭毛、轴突、神经管等结构。 微管的基本构件微管蛋白(tubulin)微管是以微管蛋白异源二聚

9、体为基本构件构成的(图10-6)。 图10-6 微管的结构和亚基组成(a)微管蛋白二聚体的带型图, 显示和微管蛋白单体即它们与非交换的GTP和交换型GDP的结合部位；(b)微管中微管蛋白二聚体的排列, 微管蛋白的排列具有方向性。 两种微管蛋白组成微管的球形微管蛋白是微管蛋白(-tubulin)和微管蛋白(-tubulin), 这两种微管蛋白具有相似的三维结构, 能够紧密地结合成二聚体, 作为微管组装的亚基。 氨基酸组成亚基由450个氨基酸组成, 亚基由455个氨基酸组成, 它们的相对分子质量约55kDa。这两种亚基有3540%的氨基酸序列同源, 表明编码它们的基因可能是由同一原始祖先演变而来。

10、和微管蛋白的亚基都是直径为4nm的球形分子，所以这种异源二聚体的长度为8nm。 GTP结合位点每一个微管蛋白二聚体有两个GTP结合位点, 一个位于亚基, 另一个位于亚基上。亚基上的GTP结合位点是不可逆的结合位点。结合在亚基上的GTP能够被水解成GDP，所以这个位点又称为可交换的位点(exchangeable site,E位点)。 微管的类型微管有单微管、二联管和三联管等三种类型(图10-7)。图10-7 三种微管排列方式, 图示是三种微管的横切面。 单管(singlet)大部分细胞质微管是单管微管, 它在低温、Ca2+ 和秋水仙素作用下容易解聚, 属于不稳定微管。虽然绝大多数单管是由13根原

11、纤维组成的一个管状结构，在极少数情况下，也有由11根或15根原纤维组成的微管, 如线虫神经节微管就是由11或15条原纤维组成。 二联管(doublet)常见于特化的细胞结构。二联管是构成纤毛和鞭毛的周围小管, 是运动类型的微管, 它对低温、Ca2+和秋水仙素都比较稳定。组成二联管的单管分别称为A管和B管，其中A管是由13根原纤维组成，B管是由10根原纤维组成，所以二联管是由两个单管融合而成的，一个二联管只有23根原纤维。 三联管(triplet)见于中心粒和基体，由A、B、C三个单管组成，A管由13根原纤维组成，B管和C管都是10根原纤维，所以一个三联管共有33根原纤维。三联管对于低温、Ca2

12、+和秋水仙素的作用是稳定的。10.2.2 微管的动力学(microtubule dynamics)除了特化细胞的微管外，大多数细胞质微管都是不稳定的，能够很快地组装(assembly)和去组装(disassembly)。低温、提高Ca2+浓度、用某些化学试剂(如秋水仙素)处理生活细胞都会破坏细胞质微管的动态变化，这些化学试剂与微管蛋白亚基或同微管多聚体结合，阻止微管的组装或去组装。 微管组装的起始点微管组织中心 微管组织中心(microtubule organizing centers, MTOC)存在于细胞质中决定微管在生理状态或实验处理解聚后重新组装的结构叫微管组织中心。MTOC的主要作用

13、是帮助大多数细胞质微管组装过程中的成核反应，微管从MTOC开始生长，这是细胞质微管组装的一个独特的性质，即细胞质微管的组装受统一的功能位点控制(图10-8)。图10-8 微管从微管组织中心向外生长阴影部分是MTOCs.,包含一对中心粒和一个中心体。图中标出了生长中微管的正端, 靠近MTOCs部分是微管的负端。 中心体(centrosome)是动物细胞中决定微管形成的一种细胞器, 包括中心粒和中心粒周质基质(pericentriolar matrix)。在细胞间期, 位于细胞核的附近, 在有丝分裂期, 位于纺锤体的两极。 中心粒(centrioles)是中心体的主要结构, 成对存在, 即一个中心

14、体含有一对中心粒，且互相垂直形成L形排列。中心粒直径为0.2m. 长为0.4m，是中空的短圆柱状结构。圆柱的壁由9组间距均匀的三联管组成, 三联管是由3个微管组成, 每个微管包埋在致密的基质中。组成三联管的3个微管分别称A、B、C纤维, A伸出两个短臂, 一个伸向中心粒的中央, 另一个反方向连到下一个三联管的C纤维, 9组三联管串联在一起, 形成一个由短臂连起来的齿轮状环形结构(图10-9)。图10-9 中心粒结构图示一对中心粒, 每个中心粒都是由9个三联管组成, 外面还有中心粒周质基质。微管从中心粒上开始形成。 其他类型的微管组织中心基体(basal body)纤毛和鞭毛的微管组织中心，不过

15、基体只含有一个中心粒而不是一对中心粒。其它类型的细胞具有不同类型的MTOCs，如真菌的细胞有初级MTOCs,称为纺锤极体(spindle pole body)。植物细胞既没有中心体，又没有中心粒，所以植物细胞的MOTC是细胞核外被表面的成膜体。 MTOCs与微管的方向MTOCs不仅为微管提供了生长的起点，而且还决定了微管的方向性。靠近MTOCs的一端由于生长慢而称之为负端(minus end), 远离MTOCs一端的微管生长速度快, 被称为正端(plus end), 所以(+)端指向细胞质基质，常常靠近细胞质膜。在有丝分裂的极性细胞中，纺锤体微管的(-)端指向一极，而(+)端指向中心，通常是纺

16、锤体的(+)端同染色体接触。 微管蛋白( tubulin) 在微管组装中的作用虽然组成微管的亚基是、微管蛋白二聚体, 但是存于中心体的另一种微管蛋白：微管蛋白对微管的形成具有重要作用(图10-10)。通过遗传学的研究，发现-微管蛋白通过与-微管蛋白的相互作用帮助微管的成核反应(nucleation)。图10-10 微管蛋白介导微管组装的两种模型在这两个模型中, 微管蛋白先形成一个圆环(左)或形成钩环结构(右), 微管蛋白的这种结构可指导微管蛋白二聚体结合上去并进行微管的组装。 细胞中的微管蛋白大约有80%是一种25S复合体的一部分,这种复合体被称为微管蛋白环状复合体(-tubulin ring

17、 complex, -TuRC), 因为在电子显微镜观察似一个环。 微管的组装过程离体实验表明, 微管蛋白的体外组装分为成核(nucleation)和延长(elongation)两个反应, 其中成核反应是微管组装的限速步骤。成核反应结束时, 形成很短的微管, 此时二聚体以比较快的速度从两端加到已形成的微管上, 使其不断加长(图10-11)。图10-11 微管的组装过程微管组装的基本过程怎样? 微管的极性微管的极性有两层涵义, 一是组装的方向性, 二是生长速度的快慢。由于微管是以二聚体作为基本构件进行组装的，并且是以首-尾排列的方式进行组装，所以每一根原纤维都有相同的极性(方向性)，这样, 组装

18、成的微管的一端是-微管蛋白亚基组成的环，而相对的一端是以-微管蛋白亚基组成的环。极性的另一层涵义是两端的组装速度是不同的, 正端生长得快, 负端则慢, 同样, 如果微管去组装也是正端快负端慢(图10-12)。图10-12 微管组装时的极性 影响微管组装和去组装的因素 首次体外组装:组装的基本条件1972年，Richard Weisenberg 首次在体外组装微管获得成功。他将脑的匀浆物置于37，然后添加Mg2+,GTP和EGTA(EGTA是Ca2+的螯合剂，抑制聚合作用), 即可进行微管的组装。还发现，只要降低或提高反应温度就可以使微管去组装和重组装; 若在反应系统中添加微管碎片能够加速微管的

19、组装，加入的微管碎片可起“种子”的作用, 加速微管组装。 GTP在组装中的作用聚合过程需要加入GTP，因为亚基能够同GTP结合。对于微管的组装来说不需要GTP水解成GDP，但是发现微管蛋白二聚体加入到微管之后不久所结合的GTP就被水解成GDP。去组装过程中释放出来的微管蛋白二聚体上的GDP要与GTP交换，使微管蛋白二聚体重新结合上GTP，才能作为微管组装的构件。微管体外组装需要哪些基本条件?GTP在组装中起什么作用? 造成微管不稳定性的因素造成微管不稳定性的因素很多，包括GTP浓度、压力、温度(最适温度37)、pH(最适pH=6.9)、微管蛋白临界浓度(critical concentrati

20、on)、药物等( 图10-13)。图10-13 影响微管稳定性的某些条件 乙酰化和去酪氨酸作用一些酶在微管组装之后对微管蛋白进行修饰使微管处于稳定状态。典型的例子是微管亚基的乙酰化和去酪氨酸作用。微管蛋白的乙酰化是由微管蛋白乙酰化酶催化的，它能够将乙酰基转移到微管蛋白特定的赖氨酸残基上;去酪氨酸作用是由微管去酪氨酸酶(detyrosinase)催化的，它能够除去微管蛋白C-末端的酪氨酸残基。这两种修饰作用都使微管趋于稳定。 影响微管稳定性的药物有几种药物能够抑制与微管的组装和去组装有关的细胞活动, 这些药物是研究微管功能的有力工具, 其主要原因有二:一是这些药物只同微管或微管蛋白二聚体结合；二

21、是它们在细胞中的浓度很容易控制。这些药物中用得最多的是秋水仙素、紫杉醇等(图10-14)。图10-14 秋水仙素与紫杉醇的分子结构 秋水仙素(colchicine)秋水仙素是一种生物碱, 能够与微管特异性结合。秋水仙素同二聚体的结合, 形成的复合物可以阻止微管的成核反应。秋水仙素和微管蛋白二聚体复合物加到微管的正负两端, 可阻止其它微管蛋白二聚体的加入或丢失。不同浓度的秋水仙碱对微管的影响不同。用高浓度的秋水仙素处理细胞时, 细胞内的微管全部解聚, 但是用低浓度的秋水仙素处理动物和植物细胞, 微管保持稳定, 并将细胞阻断在中期。 紫杉醇(taxol)是红豆杉属植物中的一种复杂的次生代谢产物,紫

22、杉醇只结合到聚合的微管上, 不与未聚合的微管蛋白二聚体反应,因此维持了微管的稳定。 微管组装的动力学行为: 动态不稳定性 动态不稳定状态(dynamic instability)微管在体外组装时发现有两个因素决定微管的稳定性:游离微管蛋白的浓度和GTP水解成GDP的速度。高浓度的微管蛋白适合微管的生长, 低浓度的微管蛋白引起GTP的水解, 形成GDP帽, 使微管解聚。GTP的低速水解适合于微管的连续生长, 而快速的水解造成微管的解聚。细胞内的微管处于动态不稳定状态(dynamic instability)什么是微管的动态不稳定性?造成的根本原因是什么? 踏车现象(treadmilling) 又

23、称轮回,是微管组装后处于动态平衡的一种现象（图10-15）。即微管的总长度不变，但结合上的二聚体从(+)端不断向(-)端推移, 最后到达负端。造成这一现象的原因除了GTP水解之外，另一个原因是反应系统中游离蛋白的浓度。踏车现象实际上是一种动态稳定现象。图10-15 微管的组装与去组装：踏车现象 临界浓度(critical concentration)因为微管是动态结构, 细胞中存在大量的微管蛋白二聚体, 其浓度也是处于不断的变化之中。由于微管蛋白二聚体的两个亚基都能结合GTP, 所以有两种形式的微管蛋白二聚体, 一种是刚从微管中脱下的, 这种微管蛋白二聚体是GTP-GDP型, 另外一些微管蛋白

24、二聚体的两个亚基都结合有GTP, 是GTP-GTP型。所谓正端的微管蛋白二聚体的临界浓度是指达到组装的最低浓度。 动态不稳定性: 生长或缩短 微管的踏车行为使单个微管的长度保持不变,而组成微管的蛋白二聚体发生了变化。实际上, 细胞内的微管常常是处于生长和缩短的动荡状态(图10-16)。图10-16 微管的动态不稳定性: 生长或缩短什么是微管的GTP帽和GDP帽?对微管的动态性质有什么影响?10.2.3 微管结合蛋白(microtubule-associated proteins, MAPs)将细胞裂解后分离微管, 并在4下处理使微管去聚合, 将冷处理的样品进行离心, 除去不溶性的物质, 然后将

25、含有微管蛋白二聚体的上清液于37温育, 让微管组装。但是,经过多次组装-去组装分离纯化的微管蛋白制品中仍然含有少量的其他蛋白。有与微管蛋白共纯化的蛋白存在, 说明这些蛋白是与微管蛋白特异性结合的, 而不是非特异蛋白的污染。免疫荧光显微镜观察培养细胞也发现有与微管蛋白结合的蛋白存在, 后来将这一类微管辅助蛋白称为微管结合蛋白，在微管结构中约占10-15%。 微管结合蛋白的种类和结构特点一类主要的MAPs家族叫作组装MAPs(assembly MAPs), 主要是将微管在胞质溶胶中进行交联。这些MAPs的结构中具有两个结构域, 一个是碱性的微管蛋白结合结构域, 另一个是酸性的外伸的结构域。在电子显

26、微镜下观察, 外伸的结构域像是从微管壁上伸出的纤维臂( 图10-17)。从微管上伸出的臂能与膜、中间纤维及其它微管结合。图10-17 微管聚合蛋白MAP2至今发现的MAPs大多数存在于脑组织，只有少数几种广泛存在于各种细胞中(表10-1)。表10-1 某些微管结合蛋白 蛋白质相对分子质量(kDa)来源MAP1A350神经组织MAP1B(MPA5)325神经组织MAP2A，MPA2B270神经组织MAP2C70神经组织Tau 蛋白50-65神经组织MAP4200广泛存在MAP3180广泛存在发动蛋白(dynamin)100神经组织 MAPs的功能MAPs具有多方面的功能使微管相互交联形成束状结构

27、，也可以使微管同其它细胞结构交联, 这些结构包括质膜、微丝和中间纤维等；通过与微管成核点的作用促进微管的聚合；在细胞内沿微管转运囊泡和颗粒，因为一些分子发动机能够同微管结合转运细胞内的物质；提高微管的稳定性由于MAPs同微管壁的结合，自然就改变了微管组装和解聚的动力学。MAPs同微管的结合能够控制微管的长度防止微管的解聚。10.2.4 分子发动机(molecular motor)细胞内有一类蛋白质能够用ATP供能,产生推动力，进行细胞内的物质运输，这种蛋白分子称为分子发动机或发动机蛋白(motor proteins)。图10-18是假设的分子发动机的工作模型，它不同于火车沿着铁轨运输货物, 而

28、是靠它的臂同固定轨道的结合并不停地摆动向前推进。图10-18 假设的分子发动机运输模型在一次机械活动的循环中，发动机与轨道的结合点结合；在力的驱动下，发动机进行机械运动；发动机与结合点脱离；发动机回到原来的位置；开始新的循环。 分子发动机的类型至今所发现的分子发动机可分为三个不同的家族肌球蛋白(myosins)家族、驱动蛋白(kinesins)家族、动力蛋白(dyneins)家族。其中驱动蛋白和动力蛋白是以微管作为运行的轨道，而肌球蛋白则是以肌动蛋白纤维作为运行的轨道。尚不知道有以中间纤维为运行轨道的发动机分子。 分子发动机运输的主要特点分子发动机引导的运输有两个主要的特点: 分子发动机的运输

29、是单方向进行的，一种发动机分子只能引导一种方向的运输。例如驱动蛋白只能引导沿微管的(-)端向(+)端的运输，而动力蛋白则是从(+)端向(-)端运输。 分子发动机引导的运输是逐步行进(图10-19)而不像火车的轮子是连续运行的。之所以要逐步进行，是因为分子发动机要通过一系列的构型变化才能完成行进的动作。图10-19 分子发动机运行的方式 驱动蛋白(kinesins)的结构和功能 分子结构驱动蛋白是一个大的复合蛋白，由几个不同的结构域组成, 包括两条重链和一条轻链(图10-20)。它有一对球形的头，这是产生动力的“电机”; 还有一个扇形的尾，是货物结合部位。图10-20 驱动蛋白的结构 运输方向体

30、外实验证明驱动蛋白的运输具有方向性，从微管的(-)端移向微管的(+)端，驱动蛋白是正端走向的微管发动机(plus end-directed microtublar motor)。由于神经轴中所有的微管都是正端朝向轴突的末端，而负端朝向细胞体，所以驱动蛋白在神经细胞中负责正向的运输任务。 运输速度驱动蛋白沿一条原纤维运输，移动的速度与ATP的浓度有关，速度高时，可达到每秒900nm。驱动蛋白每跨一步的长度为8nm,正好是一个微管二聚体的长度（图10-21）, 每跨一步所消耗的力是6pN。因此可以推测，驱动蛋白一次在微管轨道上移动两个球形亚基。类驱动蛋白不限于神经细胞，它们在所有的真核细胞中都有存

31、在，参与ER产生的各种小泡的运输。图10-21 驱动蛋白的结构和运输方式（a）驱动蛋白的结构；（b）驱动蛋白的运输方式 细胞质动力蛋白(cytoplasmic dyneins)1963年发现的第一个与微管相关的发动机蛋白是与纤毛和鞭毛运动有关的发动机蛋白，相对分子质量超过10万道尔顿，由9-10个多肽链组成(图10-22)。它有两个大的球形的头部，是生成力的部位。它在细胞中至少有两个功能第一是有丝分裂中染色体运动的力的来源；第二是作为负端微管走向的发动机，担负小泡和各种膜结合细胞器的运输任务。细胞质动力蛋白在微管上移动的方向与驱动蛋白相反，从正端移向负端。图10-22 细胞质动力蛋白的结构与运

32、输作用（a）细胞质动力蛋白的结构；（b）细胞质动力蛋白的运输方式。10.2.5 微管的功能微管在细胞内的作用大致可分为四个方面，首先是起支架作用，为细胞维持一定的形态提供结构上的保证，并给各种细胞器进行定位；第二是作为细胞内物质运输的轨道；第三是作为纤毛和鞭毛运动元件；第四是参与细胞的有丝分裂和减数分裂。 支架作用维持细胞形态是微管的基本功能。实验证明,微管具有一定的强度，能够抗压和抗弯曲，这种特性给细胞提供了机械支持力。 微管能够维持细胞的形态，使细胞不至于破裂。在培养的动物细胞中, 微管围绕细胞核向外呈放射状分布(图10-23), 维持细胞的形态。微管能够帮助细胞产生极性，确定方向。例如神

33、经细胞的轴突中就有大量平行排列的微管，确定神经细胞轴突的方向。 在植物细胞中，微管对细胞形态的维持也有间接的作用。在植物细胞膜的下面有成束微管形成的皮层带，这种皮层带影响纤维素合成酶在细胞质膜中的定位。其结果是产生的纤维素纤维与微管平行排列。细胞壁中纤维素纤维的方向对于决定细胞的生长特性及形态都具有重要的作用。 微管对于维持细胞内部的组织也有重要作用。用破坏微管的药物处理细胞，发现能够严重影响膜细胞器，特别是高尔基体在细胞内的位置。高尔基体在细胞内的位置一般在细胞的中央，刚好在细胞核的外侧，用秋水仙素处理细胞后，高尔基体分散存在于四周；若除去药物，微管组装，高尔基体又恢复其在细胞内的正常位置。

34、图10-23 培养的动物细胞中的微管 细胞内物质运输微管在核的周围分布密集, 并向胞质外周伸展, 在线粒体周围也有微管的存在, 有的微管直接连到高尔基体小泡上, 核糖体可系在微管及微丝的交叉点上。所以, 细胞内的细胞器移动和胞质内物质转运都和微管有着密切的关系。 轴突运输(axonal transport)核糖体只存在于神经细胞的细胞体和树突中, 在轴突和轴突末梢没有蛋白质的合成。所以蛋白质和膜必须在细胞体中合成, 然后运输到轴突, 这就是轴突运输。轴突中填满了各种细胞骨架结构，包括微管束、中间纤维、以及以各种方式互连的微管等。研究表明，轴突中以微管为基础的运输有两种方式顺向运输和逆向运输(图

35、10-24)。图10-24 轴突中微管发动机运输的两种方式什么是轴突运输?有什么特点? 色素颗粒的运输许多两栖类的皮肤和鱼类的鳞片中含有特化的色素细胞, 在神经和激素的控制下, 这些细胞中的色素颗粒可在数秒钟内迅速分布到细胞各处, 从而使皮肤颜色变黑; 又能很快回到细胞中心, 而使皮肤颜色变浅, 以适应环境的变化(图10-25)。研究发现, 色素颗粒的运输是微管依赖性的, 色素颗粒实际上是沿微管转运的。图10-25 鱼的色素细胞中色素分子的分散与聚集内膜系统中通过小泡进行的蛋白质运输, 都是以微管作为轨道的。将细胞质中以微管为轨道运输的发动机蛋白和它们运输的关系总结于表10-2和图10-26。

36、表10-2 微管发动机蛋白的功能分类类别运输物运输方向细胞质驱动蛋白胞质溶胶小泡(+)纺锤体驱动蛋白纺锤体和星微管, 中心粒、动粒(+)或(-)细胞质动力蛋白在有丝分裂和减数分裂期运输胞质溶胶小泡,动粒(-) 轴丝动力蛋白纤毛和鞭毛中单管(-) 图10-26 细胞中微管介导的物质运输 纤毛(cillum)和鞭毛(flagellum)结构和功能纤毛和鞭毛都是某些细胞表面的特化结构, 具有运动功能。纤毛和鞭毛并无绝对界限, 一般把少而长者称为鞭毛, 短而多者称为纤毛(图10-27)。纤毛和鞭毛有两个主要的功能第一是帮助细胞锚定在一个地方，使自己不易移动；第二是使细胞在液体介质中运动。图10-27

37、鞭毛与纤毛鞭毛和纤毛在大小、数量和运动方式等方面都是不同的。鞭毛长度可达150m, 数量较少，并且是波浪式摆动。而纤毛较短，平均长度为5-10m，运动的方式比较复杂，且没有规则。纤毛和鞭毛的结构 基本结构纤毛和鞭毛都含有一个规则排列的由微管相互连接形成的骨架,称为轴丝(axoneme)。轴丝的外面由膜包裹。组成轴丝的微管呈规律性排列，即9组二联管在周围成等距离地排列成一圈, 中央有两根单个的微管, 成为“9+2”的微管形式。中央的两个微管之间由细丝相连, 外包有中央鞘。周围的9组二联管, 近中央的一根称为A管, 另一条为B管(图10-28)。图10-28 典型的真核细胞的纤毛或鞭毛结构组成纤毛

38、中的微管排列并不始终如一, 在纤毛顶部每组微管逐渐减为一条, 达到顶端时, 它们就相互融合。每一纤毛的基部起始于细胞浅表部的基体(basal body), 基体的结构与中心粒相同, 它缺少两根中央微管, 而周围 9 组是三联管(图10-29)。图10-29 基体与纤毛/鞭毛轴丝纤毛和鞭毛的结构组成和特点是什么? 纤毛动力蛋白(ciliary dynein)纤毛动力蛋白是一种多头的蛋白(图10-30)。在电子显微镜下观察，纤毛动力蛋白像是具有23个头的一束花，每一支花都是由一个大的球形结构域和一个小的球形结构域组成，中间通过一个小的杆部同基部相连。纤毛动力蛋白的基部同A管相连，而头部同相邻的 B

39、 管相连。头部具有ATP结合位点，能够水解ATP。图10-30 微管动力蛋白的结构纤毛和鞭毛的运动机制: 微管滑动模型(sliding-microtubule model)纤毛和鞭毛的运动是一种简单的弯曲，这种弯曲是由轴丝中微管动力臂引起微管的滑动所致，微管滑动模型是关于纤毛和鞭毛运动机制的最好解释(图10-31)。图10-31 纤毛/鞭毛动力微管的滑动模型什么是纤毛/鞭毛的微管滑动模型(sliding-microtubule model)? 机理如何? 纺锤体和染色体运动微管在细胞的有丝分裂中起重要作用, 详细内容将在以后的章节中讨论。10.3 微丝(microfilament)微丝又称肌动

40、蛋白纤维(actin filament)，由肌动蛋白组成的、直径为8nm的纤维。微丝是双股肌动蛋白丝以螺旋的形式组成的纤维, 两股肌动蛋白丝是同方向的。肌动蛋白纤维也是一种极性分子, 具有两个不同的末端，一个是正端，另一个是负端。10.3.1 微丝的形态和组成 微丝的存在方式与分布 存在方式微丝主要是由肌动蛋白(actin)组成的。微丝比微管细，更具有弹性，通常比微管短。细胞中肌动蛋白纤维的数量比微管多，全部肌动蛋白纤维加起来，其总长度大约是微管的30倍。肌动蛋白纤维在细胞中通常成束存在(图10-32)，这种成束的肌动蛋白纤维比单个的肌动蛋白纤维的强度大。图10-32 细胞中成束的肌动蛋白纤维

41、（a）微绒毛；(b)细胞质中的收缩束；（c）运动细胞前缘的鞘和指；(d)细胞分裂时的收缩环。 分布微丝首先发现于肌细胞中, 在横纹肌和心肌细胞中肌动蛋白成束排列组成肌原纤维, 具有收缩功能。微丝也广泛存在于非肌细胞中。在细胞周期的不同阶段或细胞流动时, 它们的形态、分布可以发生变化。因此,非肌细胞的微丝同胞质微管一样, 在大多数情况下是一种动态结构, 以不同的结构形式来适应细胞活动的需要。 微丝的结构单位: 肌动蛋白 肌动蛋白的两种存在方式肌动蛋白以两种形式存在（图10-33）, 即单体和多聚体。单体的肌动蛋白是由一条多肽链构成的球形分子, 又称球状肌动蛋白(globular actin, G

42、-actin),肌动蛋白的多聚体形成肌动蛋白丝, 称为纤维状肌动蛋白(fibros actin, F-actin)。在电子显微镜下, F-肌动蛋白呈双股螺旋状, 直径为8nm, 螺旋间的距离为37nm。图10-33 单体G-肌动蛋白和纤维状F-肌动蛋白的结构(a)非肌细胞中-Actin单体的结构模型, 像是扁平的分子,由体积相等的两个部分组成, 中间有一个裂口, 并且有四个亚结构域, 用-表示。ATP在裂口的地方与肌动蛋白结合。N端和C末端位于亚结构域。(b)电子显微镜观察的经负染的丝状肌动蛋白的形态。(c)肌动蛋白纤维亚基的装配模型。 肌动蛋白的分子组成肌动蛋白是一种中等大小的蛋白质, 由3

43、75个氨基酸残基组成, 并且是由一个大的、高度保守的基因编码。单体肌动蛋白分子的分子量为43kDa, 其上有三个结合位点：一个是ATP结合位点, 另两个都是与肌动蛋白结合的结合蛋白结合位点。 肌动蛋白的分布肌动蛋白是真核细胞中最丰富的蛋白质。在肌细胞中, 肌动蛋白占总蛋白的10%, 即使在非肌细胞中, 肌动蛋白也占细胞总蛋白的15%。肌动蛋白在非肌细胞的胞质溶胶中的浓度为0.5mM。在特殊的结构如微绒毛(microvilli)中, 局部肌动蛋白的浓度要比典型细胞中的浓度高10倍。 肌动蛋白的编码基因某些单细胞生物, 如酵母、阿米巴虫等只有一个肌动蛋白基因, 而一些多细胞的生物含有多个肌动蛋白基

44、因。如人就有6个肌动蛋白基因, 每一个编码一种肌动蛋白异构体。某些植物含有多达60个肌动蛋白基因。肌动蛋白是非常保守的, 可与组蛋白相比。 肌动蛋白的修饰肌动蛋白也要经过翻译后修饰, 主要是进行N-末端的酰基化和一个组氨酸残基的甲基化, 这种修饰作用增加了功能的多样性。10.3.2 微丝的装配动力学微丝是由肌动蛋白亚单位组成的螺旋状纤维。通过负染技术，在电子显微镜下观察，发现F-肌动蛋白是一种长的、具有弹性的纤维，直径是可变的，平均在79nm之间。在体外，将Mg2+、 K+和Na+等无机离子加入到溶液中，能够诱导G-肌动蛋白聚合成F-肌动蛋白纤维。这个过程是可逆的，当降低溶液中离子的浓度，F-

45、肌动蛋白纤维能够解聚成G-肌动蛋白。G-肌动蛋白能够聚合成F-肌动蛋白，F-肌动蛋白也可以解聚成G-肌动蛋白，这是肌动蛋白最为重要的特性。 ATP 在装配中的作用 G-肌动蛋白的形态结构球形的肌动蛋白是由两个小叶(lobe)构成的, 像是两扇门, 中间有一个豁口(cleft),豁口和小叶是肌动蛋白的ATPase的活性部位, 能够结合ATP和Mg2+离子。G-肌动蛋白的两个小叶具有弹性, 能够开与合。 ATP的作用F-肌动蛋白是由G-肌动蛋白装配而成的, 在装配中ATP具有重要作用。实际上, 每一个G-肌动蛋白通常都是结合有Mg2+离子以及ATP或ADP的复合物,因此肌动蛋白通常有四种存在状态:

46、ATP-G-肌动蛋白、ADP-G-肌动蛋白、ATP-F-肌动蛋白、ADP-F-肌动蛋白, 在细胞中主要是以ATP-G-肌动蛋白和ATP-F-肌动蛋白两种形式存在(图10-34)。当ATP或ADP与G-肌动蛋白结合之后, 会发生构型的改变。如果没有ADP或ATP与肌动蛋白结合, 则很快变性。图10-34 G-肌动蛋白与F-肌动蛋白模式图(a) G-肌动蛋白; (b)F-肌动蛋白 肌动蛋白纤维的装配体外实验表明, 肌动蛋白纤维的装配分三步进行，并且是三个连续的过程(图10-35)。图10-35 微丝装配的基本过程简述微丝装配的三个基本过程。请设计实验研究肌动蛋白纤维装配的过程 基本过程 影响装配的

47、因素同微管的装配一样, 微丝的装配同样受肌动蛋白临界浓度的影响。在肌动蛋白纤维的装配过程中，除了受G-肌动蛋白临界浓度的影响，还受一些离子浓度的影响。有哪些因素影响微丝的装配? ATP的作用肌动蛋白的聚合过程伴随着ATP的水解，在聚合过程中，G-肌动蛋白先要结合ATP，然后ATP-G-肌动蛋白单体再结合到F-肌动蛋白的两端，加到F-肌动蛋白上。一旦ATP-G-肌动蛋白单体结合到F-肌动蛋白纤维上，同肌动蛋白结合的ATP就会慢慢降解成ADP，并释放出Pi（图10-36）。虽然结合的ATP常被水解成ADP,但是对于F-肌动蛋白的装配来说，ATP的水解不是必要的过程，因为含有ADP或不能水解的ATP

48、类似物的G-肌动蛋白装配后都是稳定的。图10-36 微丝装配过程中ATP的水解 微丝的动态性质 极性同微管一样, F-肌动蛋白也有结构上和功能上的极性(polarity)。由于构成F-肌动蛋白的所有亚基都是从同一个方向加到多聚体上, 所以F-肌动蛋白丝具有方向性, 结合ATP豁口的一端为负端(-), 另外一端为正端(+)。而且, 两端的生长速度是不同的,(+)端生长快，(-)端生长慢。一般而言, 正端生长速度比负端快510倍, 这种极性是由ATP决定的。体外实验证明了这种现象(图10-37)。图10-37 F-肌动蛋白丝两端不断生长用肌动蛋白封端蛋白封住负端, 微丝继续快速加长, 但是用封端蛋

49、白封住正端, F-肌动蛋白加长的速率非常慢。 F-肌动蛋白功能上的极性是指行使功能时具有方向性, 如以微丝作为运输轨道的发动机蛋白与微丝的结合是按方向识别的。 踏车现象(treadmilling) 在微丝装配时,若G-肌动蛋白分子添加到F-肌动蛋白丝上的速率正好等于G-肌动蛋白分子从F-肌动蛋白上失去的速率时, 微丝净长度没有改变, 这种过程称为肌动蛋白的踏车现象(图10-38)。肌动蛋白踏车现象是由G-肌动蛋白单体的临界浓度决定的, 当G-肌动蛋白的临界浓度处于正端和负端G-肌动蛋白临界浓度之间时, 就会出现踏车现象。图10-38 微丝的踏车现象发生踏车现象时, 虽然F-肌动蛋白丝的净长度没

50、有发生变化. 但是装配与去装配仍在进行, 只不过添加到微丝上的G-肌动蛋白分子与脱下来的速率相等。 微丝的动态平衡 在体内, 有些微丝是永久性结构, 如肌肉中的细丝及上皮细胞微绒毛中的轴心微丝等。有些微丝是暂时性结构, 如胞质分裂环中的微丝。在大多数动物细胞中, 大约有70%的肌动蛋白是游离的单体或者和其他蛋白结合成小的复合物, 在游离肌动蛋白分子和微丝之间存在着动态平衡，它们可以帮助激发和调节细胞内微丝的功能。 影响肌动蛋白单体-多聚体平衡的毒素 细胞松弛素B(cytochalasins B)和Latrunculin 细胞松弛素B是第一个用于研究细胞骨架的药物，它是真菌分泌的生物碱(图10-

51、39)。细胞松弛素(细胞松弛素B及其衍生物)在细胞内同微丝的正端结合, 并引起F-肌动蛋白解聚，阻断亚基的进一步聚合。Latrunculin的作用与细胞松弛素B相反, 它只与G-肌动蛋白结合, 从而抑制G-肌动蛋白加到F-肌动蛋白的一端上。图10-39 细胞松弛素B的结构 鬼笔环肽(phalloidin) 从一种毒性菇类中分离的剧毒生物碱，它同细胞松弛素的作用相反, 只与聚合的微丝结合, 而不与肌动蛋白单体分子结合。它同聚合的微丝结合后, 抑制了微丝的解体, 因而破坏了微丝的聚合和解聚的动态平衡。用荧光标记的鬼笔环肽对细胞进行染色可以在荧光显微镜下观察微丝在细胞中的分布（图10-37）。10.

52、3.3 微丝结合蛋白(actin-binding proteins)纯化的肌动蛋白在体外能够聚合形成肌动蛋白纤维，但是这种纤维不具有相互作用的能力，也不能行使某种功能, 原因是缺少微丝结合蛋白。 微丝结合蛋白的种类肌细胞和非肌细胞中都有微丝结合蛋白，至少已分离出100多种。表10-3 是常见的几类主要的微丝结合蛋白。 表10-3 几类主要的微丝结合蛋白蛋白质相对分子质量(kDa)来源单体隔离蛋白抑制蛋白(profilin)1215广泛分布胸腺素(thymosins)5广泛分布封端蛋白辅肌动蛋白(-actinin)3537肾、骨骼肌CapZ32, 34肌组织加帽蛋白(capping protei

53、n)2831Acanthamoeba交联蛋白细丝蛋白(filamin)250平滑肌肌动蛋白结合蛋白(ABP)250血小板，巨噬细胞Gelactin2328变形虫成束蛋白丝束蛋白(fimbrin)68小肠表皮绒毛蛋白(villin)95肠表皮，卵巢成束蛋白(Fascin)57海胆卵-辅肌动蛋白(-Actinnin)95肌组织纤维切割蛋白凝溶胶蛋白(gelsolin)90哺乳动物细胞片段化蛋白/割切蛋白(fragmin/severin) 42阿米巴虫、海胆短杆素(Brevin)93血浆纤维去聚合蛋白Cofilin21广泛分布ADF19广泛分布蚕食蛋白(Depactin)18海胆卵膜结合蛋白(肌)营

54、养不良蛋白(dystrophin)427骨骼肌肉粘着斑蛋白(vinculin)130广泛分布膜桥蛋白(Ponticulin)17Dictyostelium 微丝结合蛋白的功能目前所发现的微丝结合蛋白的功能很多, 但与肌动蛋白相互作用的方式却十分简单(图10-40)。应该注意的是，有些微丝结合蛋白具有多种功能。图10-40 微丝结合蛋白的作用方式 单体隔离蛋白(monomer-sequenstering protein) 抑制蛋白(profilin)和胸腺嘧素(thymosin)能够同单体G-肌动蛋白结合，并且抑制它们的聚合, 将具有这种作用的蛋白称为肌动蛋白单体隔离蛋白, 这类蛋白在非肌细胞中

55、负责维持高浓度的单体肌动蛋白(50-200m)。 交联蛋白(cross-linking protein) 这类蛋白的主要功能是改变细胞内肌动蛋白纤维的三维结构。每一种结合蛋白都有两个或两个以上的同肌动蛋白结合的位点，这样，能够使两个或多个肌动蛋白纤维产生交联，使细胞内的肌动蛋白纤维形成网络结构。 封端(加帽)蛋白类(end blocking proteins) 此类蛋白通过同肌动蛋白纤维的一端或两端的结合调节肌动蛋白纤维的长度。加帽蛋白同肌动蛋白纤维的末端结合之后，相当于加上了一个帽子(图10-41)。如果一个正在快速生长的肌动蛋白纤维在(+)端加上了帽子，那末在(-)端就会发生去聚合。图10

56、-41 加帽蛋白的作用 纤维切割蛋白(filament-severing protein)这类蛋白能够同已经存在的肌动蛋白纤维结合并将它一分为二。由于这种蛋白能够控制肌动蛋白丝的长度，因此大大降低细胞中的粘度。经这类蛋白作用产生的新末端能够作为生长点, 促使G-肌动蛋白的装配。 肌动蛋白纤维去聚合蛋白(actin filament-depolymerizing protein)这些蛋白主要存在于肌动蛋白丝骨架快速变化的部位, 它们同肌动蛋白丝结合, 并引起肌动蛋白丝的快速去聚合形成G-肌动蛋白单体。 膜结合蛋白(membrane-binding proteins)是非肌细胞质膜下方产生收缩的机器。在剧烈活动时，由收缩蛋白作用于质膜产生的力引起质膜向内