1、10. 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，這個系統被稱為細胞骨架(圖10-1)。圖10-1 細胞骨架系統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。細胞骨架是細胞運動的軌道,也是細胞形態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, 并呈放射狀向胞質四周擴散。微絲主

2、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。細胞骨架作為細胞內物質運輸的軌

3、道；在有絲分裂和減數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現細胞骨架相當完整，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

4、, 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?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。細胞骨架的動態性質是至關重要的。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、去組裝和物質運輸等。這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

5、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? 電視顯微鏡(

6、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。這一技術的發展導致一種觀察分子發動機(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將含有分子發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動機能夠以ATP為能量來源沿著微管移動(圖10-4)。圖10-

7、4 用電視顯微鏡觀察到的微管發動機的運動示意圖 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。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(microtubule)微管是細胞質骨架系統中的主要成分

8、, 是1963年首先由Slautterback在水螅細胞中發現的。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。 微管的基本構件微管蛋白(tubulin)微管是以微管蛋白異源二聚

9、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。

10、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、二聯管和三聯管等三種類型(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+ 和秋水仙素作用下容易解聚, 屬于不穩定微管。雖然絕大多數單管是由13根原

11、纖維組成的一個管狀結構，在極少數情況下，也有由11根或15根原纖維組成的微管, 如線蟲神經節微管就是由11或15條原纖維組成。 二聯管(doublet)常見于特化的細胞結構。二聯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定。組成二聯管的單管分別稱為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，所以二聯管是由兩個單管融合而成的，一個二聯管只有23根原纖維。 三聯管(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管都是10根原纖維，所以一個三聯管共有33根原纖維。三聯管對于低溫、Ca2

12、+和秋水仙素的作用是穩定的。10.2.2 微管的動力學(microtubule dynamics)除了特化細胞的微管外，大多數細胞質微管都是不穩定的，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)存在于細胞質中決定微管在生理狀態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

13、是幫助大多數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

14、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組間距均勻的三聯管組成, 三聯管是由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管的C纖維, 9組三聯管串聯在一起, 形成一個由短臂連起來的齒輪狀環形結構(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個三聯管組成, 外面還有中心粒周質基質。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

15、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。靠近MTOCs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(+)端指向細胞質基質，常常靠近細胞質膜。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

16、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，發現-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(左)或形成鉤環結構(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。 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狀復合體(-tubulin ring

17、 complex, -TuRC), 因為在電子顯微鏡觀察似一個環。 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

18、成的微管的一端是-微管蛋白亞基組成的環，而相對的一端是以-微管蛋白亞基組成的環。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。還發現，只要降低或提高反應溫度就可以使微管去組裝和重組裝; 若在反應系統中添加微管碎片能夠加速微管的

19、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，但是發現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在組裝中起什么作用? 造成微管不穩定性的因素造成微管不穩定性的因素很多，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 concentrati

20、on)、藥物等( 圖10-13)。圖10-13 影響微管穩定性的某些條件 乙酰化和去酪氨酸作用一些酶在微管組裝之后對微管蛋白進行修飾使微管處于穩定狀態。典型的例子是微管亞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，它能夠將乙酰基轉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定。 影響微管穩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

21、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

22、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定。 微管組裝的動力學行為: 動態不穩定性 動態不穩定狀態(dynamic instability)微管在體外組裝時發現有兩個因素決定微管的穩定性: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不穩定狀態(dynamic instability)什么是微管的動態不穩定性?造成的根本原因是什么? 踏車現象(treadmilling) 又

23、稱輪回,是微管組裝后處于動態平衡的一種現象（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。造成這一現象的原因除了GTP水解之外，另一個原因是反應系統中游離蛋白的濃度。踏車現象實際上是一種動態穩定現象。圖10-15 微管的組裝與去組裝：踏車現象 臨界濃度(critical concentration)因為微管是動態結構, 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

24、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。 動態不穩定性: 生長或縮短 微管的踏車行為使單個微管的長度保持不變,而組成微管的蛋白二聚體發生了變化。實際上, 細胞內的微管常常是處于生長和縮短的動蕩狀態(圖10-16)。圖10-16 微管的動態不穩定性: 生長或縮短什么是微管的GTP帽和GDP帽?對微管的動態性質有什么影響?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, 然后將

25、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細胞也發現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。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結構域。在電子顯

26、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至今發現的MAPs大多數存在于腦組織，只有少數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廣泛存在發動蛋白(dynamin)100神經組織 MAPs的功能MAPs具有多方面的功能使微管相互交聯形成束狀結構

27、，也可以使微管同其它細胞結構交聯, 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，因為一些分子發動機能夠同微管結合轉運細胞內的物質；提高微管的穩定性由于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動機或發動機蛋白(motor proteins)。圖10-18是假設的分子發動機的工作模型，它不同于火車沿著鐵軌運輸貨物, 而

28、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 假設的分子發動機運輸模型在一次機械活動的循環中，發動機與軌道的結合點結合；在力的驅動下，發動機進行機械運動；發動機與結合點脫離；發動機回到原來的位置；開始新的循環。 分子發動機的類型至今所發現的分子發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動機分子。 分子發動機運輸的主要特點分子發動機引導的運輸有兩個主要的特點: 分子發動機的運輸

29、是單方向進行的，一種發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運行的。之所以要逐步進行，是因為分子發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

30、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

31、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年發現的第一個與微管相關的發動機蛋白是與纖毛和鞭毛運動有關的發動機蛋白，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

32、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的軌道；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分裂。 支架作用維持細胞形態是微管的基本功能。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，使細胞不至于破裂。在培養的動物細胞中, 微管圍繞細胞核向外呈放射狀分布(圖10-23), 維持細胞的形態。微管能夠幫助細胞產生極性，確定方向。例如神

33、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，發現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。

34、圖10-23 培養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, 然后運輸到軸突, 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

35、10-24)。圖10-24 軸突中微管發動機運輸的兩種方式什么是軸突運輸?有什么特點? 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粒可在數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, 以適應環境的變化(圖10-25)。研究發現, 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統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的發動機蛋白和它們運輸的關系總結于表10-2和圖10-26。

36、表10-2 微管發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, 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

37、鞭毛與纖毛鞭毛和纖毛在大小、數量和運動方式等方面都是不同的。鞭毛長度可達150m, 數量較少，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，且沒有規則。纖毛和鞭毛的結構 基本結構纖毛和鞭毛都含有一個規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律性排列，即9組二聯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

38、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，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

39、 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? 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, 詳細內容將在以后的章節中討論。10.3 微絲(microfilament)微絲又稱肌動

40、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

41、（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。 分布微絲首先發現于肌細胞中, 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、分布可以發生變化。因此,非肌細胞的微絲同胞質微管一樣, 在大多數情況下是一種動態結構, 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。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

42、-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形態。(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3

43、75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

44、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-末端的酰基化和一個組氨酸殘基的甲基化, 這種修飾作用增加了功能的多樣性。10.3.2 微絲的裝配動力學微絲是由肌動蛋白亞單位組成的螺旋狀纖維。通過負染技術，在電子顯微鏡下觀察，發現F-肌動蛋白是一種長的、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+等無機離子加入到溶液中，能夠誘導G-肌動蛋白聚合成F-肌動蛋白纖維。這個過程是可逆的，當降低溶液中離子的濃度，F-

45、肌動蛋白纖維能夠解聚成G-肌動蛋白。G-肌動蛋白能夠聚合成F-肌動蛋白，F-肌動蛋白也可以解聚成G-肌動蛋白，這是肌動蛋白最為重要的特性。 ATP 在裝配中的作用 G-肌動蛋白的形態結構球形的肌動蛋白是由兩個小葉(lobe)構成的, 像是兩扇門, 中間有一個豁口(cleft),豁口和小葉是肌動蛋白的ATPase的活性部位, 能夠結合ATP和Mg2+離子。G-肌動蛋白的兩個小葉具有彈性, 能夠開與合。 ATP的作用F-肌動蛋白是由G-肌動蛋白裝配而成的, 在裝配中ATP具有重要作用。實際上, 每一個G-肌動蛋白通常都是結合有Mg2+離子以及ATP或ADP的復合物,因此肌動蛋白通常有四種存在狀態:

46、ATP-G-肌動蛋白、ADP-G-肌動蛋白、ATP-F-肌動蛋白、ADP-F-肌動蛋白, 在細胞中主要是以ATP-G-肌動蛋白和ATP-F-肌動蛋白兩種形式存在(圖10-34)。當ATP或ADP與G-肌動蛋白結合之后, 會發生構型的改變。如果沒有ADP或ATP與肌動蛋白結合, 則很快變性。圖10-34 G-肌動蛋白與F-肌動蛋白模式圖(a) G-肌動蛋白; (b)F-肌動蛋白 肌動蛋白纖維的裝配體外實驗表明, 肌動蛋白纖維的裝配分三步進行，并且是三個連續的過程(圖10-35)。圖10-35 微絲裝配的基本過程簡述微絲裝配的三個基本過程。請設計實驗研究肌動蛋白纖維裝配的過程 基本過程 影響裝配的

47、因素同微管的裝配一樣, 微絲的裝配同樣受肌動蛋白臨界濃度的影響。在肌動蛋白纖維的裝配過程中，除了受G-肌動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的作用肌動蛋白的聚合過程伴隨著ATP的水解，在聚合過程中，G-肌動蛋白先要結合ATP，然后ATP-G-肌動蛋白單體再結合到F-肌動蛋白的兩端，加到F-肌動蛋白上。一旦ATP-G-肌動蛋白單體結合到F-肌動蛋白纖維上，同肌動蛋白結合的ATP就會慢慢降解成ADP，并釋放出Pi（圖10-36）。雖然結合的ATP常被水解成ADP,但是對于F-肌動蛋白的裝配來說，ATP的水解不是必要的過程，因為含有ADP或不能水解的ATP

48、類似物的G-肌動蛋白裝配后都是穩定的。圖10-36 微絲裝配過程中ATP的水解 微絲的動態性質 極性同微管一樣, F-肌動蛋白也有結構上和功能上的極性(polarity)。由于構成F-肌動蛋白的所有亞基都是從同一個方向加到多聚體上, 所以F-肌動蛋白絲具有方向性, 結合ATP豁口的一端為負端(-), 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, 正端生長速度比負端快510倍, 這種極性是由ATP決定的。體外實驗證明了這種現象(圖10-37)。圖10-37 F-肌動蛋白絲兩端不斷生長用肌動蛋白封端蛋白封住負端, 微絲繼續快速加長, 但是用封端蛋

49、白封住正端, F-肌動蛋白加長的速率非常慢。 F-肌動蛋白功能上的極性是指行使功能時具有方向性, 如以微絲作為運輸軌道的發動機蛋白與微絲的結合是按方向識別的。 踏車現象(treadmilling) 在微絲裝配時,若G-肌動蛋白分子添加到F-肌動蛋白絲上的速率正好等于G-肌動蛋白分子從F-肌動蛋白上失去的速率時, 微絲凈長度沒有改變, 這種過程稱為肌動蛋白的踏車現象(圖10-38)。肌動蛋白踏車現象是由G-肌動蛋白單體的臨界濃度決定的, 當G-肌動蛋白的臨界濃度處于正端和負端G-肌動蛋白臨界濃度之間時, 就會出現踏車現象。圖10-38 微絲的踏車現象發生踏車現象時, 雖然F-肌動蛋白絲的凈長度沒

50、有發生變化. 但是裝配與去裝配仍在進行, 只不過添加到微絲上的G-肌動蛋白分子與脫下來的速率相等。 微絲的動態平衡 在體內, 有些微絲是永久性結構, 如肌肉中的細絲及上皮細胞微絨毛中的軸心微絲等。有些微絲是暫時性結構, 如胞質分裂環中的微絲。在大多數動物細胞中, 大約有70%的肌動蛋白是游離的單體或者和其他蛋白結合成小的復合物, 在游離肌動蛋白分子和微絲之間存在著動態平衡，它們可以幫助激發和調節細胞內微絲的功能。 影響肌動蛋白單體-多聚體平衡的毒素 細胞松弛素B(cytochalasins B)和Latrunculin 細胞松弛素B是第一個用于研究細胞骨架的藥物，它是真菌分泌的生物堿(圖10-

51、39)。細胞松弛素(細胞松弛素B及其衍生物)在細胞內同微絲的正端結合, 并引起F-肌動蛋白解聚，阻斷亞基的進一步聚合。Latrunculin的作用與細胞松弛素B相反, 它只與G-肌動蛋白結合, 從而抑制G-肌動蛋白加到F-肌動蛋白的一端上。圖10-39 細胞松弛素B的結構 鬼筆環肽(phalloidin) 從一種毒性菇類中分離的劇毒生物堿，它同細胞松弛素的作用相反, 只與聚合的微絲結合, 而不與肌動蛋白單體分子結合。它同聚合的微絲結合后, 抑制了微絲的解體, 因而破壞了微絲的聚合和解聚的動態平衡。用熒光標記的鬼筆環肽對細胞進行染色可以在熒光顯微鏡下觀察微絲在細胞中的分布（圖10-37）。10.

52、3.3 微絲結合蛋白(actin-binding proteins)純化的肌動蛋白在體外能夠聚合形成肌動蛋白纖維，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, 原因是缺少微絲結合蛋白。 微絲結合蛋白的種類肌細胞和非肌細胞中都有微絲結合蛋白，至少已分離出100多種。表10-3 是常見的幾類主要的微絲結合蛋白。 表10-3 幾類主要的微絲結合蛋白蛋白質相對分子質量(kDa)來源單體隔離蛋白抑制蛋白(profilin)1215廣泛分布胸腺素(thymosins)5廣泛分布封端蛋白輔肌動蛋白(-actinin)3537腎、骨骼肌CapZ32, 34肌組織加帽蛋白(capping protei

53、n)2831Acanthamoeba交聯蛋白細絲蛋白(filamin)250平滑肌肌動蛋白結合蛋白(ABP)250血小板，巨噬細胞Gelactin2328變形蟲成束蛋白絲束蛋白(fimbrin)68小腸表皮絨毛蛋白(villin)95腸表皮，卵巢成束蛋白(Fascin)57海膽卵-輔肌動蛋白(-Actinnin)95肌組織纖維切割蛋白凝溶膠蛋白(gelsolin)90哺乳動物細胞片段化蛋白/割切蛋白(fragmin/severin) 42阿米巴蟲、海膽短桿素(Brevin)93血漿纖維去聚合蛋白Cofilin21廣泛分布ADF19廣泛分布蠶食蛋白(Depactin)18海膽卵膜結合蛋白(肌)營

54、養不良蛋白(dystrophin)427骨骼肌肉粘著斑蛋白(vinculin)130廣泛分布膜橋蛋白(Ponticulin)17Dictyostelium 微絲結合蛋白的功能目前所發現的微絲結合蛋白的功能很多, 但與肌動蛋白相互作用的方式卻十分簡單(圖10-40)。應該注意的是，有些微絲結合蛋白具有多種功能。圖10-40 微絲結合蛋白的作用方式 單體隔離蛋白(monomer-sequenstering protein) 抑制蛋白(profilin)和胸腺嘧素(thymosin)能夠同單體G-肌動蛋白結合，并且抑制它們的聚合, 將具有這種作用的蛋白稱為肌動蛋白單體隔離蛋白, 這類蛋白在非肌細胞中

55、負責維持高濃度的單體肌動蛋白(50-200m)。 交聯蛋白(cross-linking protein) 這類蛋白的主要功能是改變細胞內肌動蛋白纖維的三維結構。每一種結合蛋白都有兩個或兩個以上的同肌動蛋白結合的位點，這樣，能夠使兩個或多個肌動蛋白纖維產生交聯，使細胞內的肌動蛋白纖維形成網絡結構。 封端(加帽)蛋白類(end blocking proteins) 此類蛋白通過同肌動蛋白纖維的一端或兩端的結合調節肌動蛋白纖維的長度。加帽蛋白同肌動蛋白纖維的末端結合之后，相當于加上了一個帽子(圖10-41)。如果一個正在快速生長的肌動蛋白纖維在(+)端加上了帽子，那末在(-)端就會發生去聚合。圖10

56、-41 加帽蛋白的作用 纖維切割蛋白(filament-severing protein)這類蛋白能夠同已經存在的肌動蛋白纖維結合并將它一分為二。由于這種蛋白能夠控制肌動蛋白絲的長度，因此大大降低細胞中的粘度。經這類蛋白作用產生的新末端能夠作為生長點, 促使G-肌動蛋白的裝配。 肌動蛋白纖維去聚合蛋白(actin filament-depolymerizing protein)這些蛋白主要存在于肌動蛋白絲骨架快速變化的部位, 它們同肌動蛋白絲結合, 并引起肌動蛋白絲的快速去聚合形成G-肌動蛋白單體。 膜結合蛋白(membrane-binding proteins)是非肌細胞質膜下方產生收縮的機器。在劇烈活動時，由收縮蛋白作用于質膜產生的力引起質膜向內