細(xì)胞骨架與細(xì)胞運(yùn)動(dòng)

第九章：細(xì)胞骨架與細(xì)胞運(yùn)動(dòng)一、主要內(nèi)容1．細(xì)胞骨架的組成和功能2．微管3．微絲4．中間纖維

二、計(jì)劃學(xué)時(shí)及安排本章計(jì)劃4學(xué)時(shí):1～2、3～4節(jié)各2學(xué)時(shí)。學(xué)習(xí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)細(xì)胞骨架是細(xì)胞內(nèi)由蛋白質(zhì)纖維構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),包括微管、肌動(dòng)蛋白纖維、中間纖維。細(xì)胞骨架有多種功能：作為支架維持細(xì)胞的形態(tài)、參與細(xì)胞的信號(hào)傳導(dǎo)、參與細(xì)胞分裂、細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)等。本章主要介紹和討論細(xì)胞骨架的三類主要成分的結(jié)構(gòu)和功能。1.第一節(jié)從總體上介紹細(xì)胞骨架的組成和功能,包括細(xì)胞骨架的組成、分布和基本功能;同時(shí)介紹了細(xì)胞骨架的研究方法。在這一節(jié)的學(xué)習(xí)過(guò)程中要建立這樣一種概念：細(xì)胞是一種三維結(jié)構(gòu)，并且是可以變幻的結(jié)構(gòu)。2.微管是細(xì)胞骨架的主要結(jié)構(gòu),對(duì)于微管的學(xué)習(xí)要掌握微管的結(jié)構(gòu)和微管的基本構(gòu)件--微管蛋白的特性、微管的動(dòng)力學(xué)特性、微管的組裝過(guò)程、微管結(jié)合蛋白和分子發(fā)動(dòng)機(jī)、微管的功能等。重點(diǎn)是微管的動(dòng)力學(xué)和分子發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理。3.微絲的結(jié)構(gòu)和功能,包括微絲的組裝、微絲結(jié)合蛋白、微絲在肌收縮中的作用及肌收縮的滑動(dòng)絲模型及分子基礎(chǔ)、微絲在非肌細(xì)胞中的功能等是本章的重點(diǎn)內(nèi)容。4.中間纖維是細(xì)胞骨架中了解最不清楚的結(jié)構(gòu)，其原因是目前尚無(wú)作用于中間纖維的特異性藥物。由于對(duì)中間纖維的研究遠(yuǎn)沒(méi)有對(duì)微管和微絲的研究清楚,故只作簡(jiǎn)略介紹,對(duì)其結(jié)構(gòu)和功能有基本的了解即可。本章的核心內(nèi)容有：各種分子發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)、肌收縮的機(jī)理和滑動(dòng)模型。與本章有關(guān)聯(lián)的章節(jié)有：第四章（細(xì)胞連接）、第十一章（核纖層蛋白）、第十二章（細(xì)胞分裂）等。9.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)。

9.1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。細(xì)胞骨架系統(tǒng)9.1.1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?！穹植嘉⒐苤饕植荚诤酥車?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)。細(xì)胞骨架的三類主要成分及其分布9.1.2細(xì)胞骨架的功能●作為支架(scaffold),如紅細(xì)胞質(zhì)膜膜骨架結(jié)構(gòu)維持?！裨诩?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，將各種細(xì)胞器組成不同的體系和區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)?！駷榧?xì)胞器的運(yùn)動(dòng)和細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)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?；如染色體向兩極的移動(dòng)，含神經(jīng)遞質(zhì)的小泡向神經(jīng)細(xì)胞末端的運(yùn)輸?！駷榧?xì)胞從一個(gè)位置向另一位置移動(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?！駷樾攀筊NA提供錨定位點(diǎn)，幫助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?！駞⑴c細(xì)胞的信號(hào)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(duì)于細(xì)胞外環(huán)境中的信號(hào)在細(xì)胞內(nèi)的傳導(dǎo)起重要作用?！袷羌?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)。細(xì)胞骨架是一種高度動(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。9.1.3細(xì)胞骨架的研究方法■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?！窨捎脽晒饪贵w研究以很低濃度存在的蛋白質(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(huì)有反應(yīng),因?yàn)檫@種反應(yīng)是特異的,通過(guò)熒光顯微鏡觀察就可確定。用這種方法對(duì)微管、肌動(dòng)蛋白纖維、中間纖維進(jìn)行了成功定位(圖)。圖相同細(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(zhǎng)不同。檢查時(shí),用不同的濾光片,每次濾去兩種光?！鲭娮语@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TritonX-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(lái)，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?gòu)?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)。細(xì)胞骨架的電子顯微鏡檢查用非離子去垢劑TritonX-100處理成纖維細(xì)胞,并進(jìn)行冰凍干燥和金屬?gòu)?fù)型的細(xì)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。9.1微絲(microfilament)微絲又稱肌動(dòng)蛋白纖維(actinfilament)，由肌動(dòng)蛋白組成的、直徑為7－9nm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。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。

9.3.1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(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(lái)，其總長(zhǎng)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)，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?！穹植嘉⒔z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)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(lái)適應(yīng)細(xì)胞活動(dòng)的需要。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)。■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）,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(globularactin,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。單體G-肌動(dòng)蛋白和纖維狀F-肌動(dòng)蛋白的結(jié)構(gòu)(a)非肌細(xì)胞中β-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Ⅰ-Ⅳ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Ⅰ。(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?！窦?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,主要有三個(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)?！窦?dòng)蛋白的編碼基因某些單細(xì)胞生物,如酵母、阿米巴蟲(chóng)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?！窦?dòng)蛋白的修飾肌動(dòng)蛋白也要經(jīng)過(guò)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,這種修飾作用增加了功能的多樣性。

●肌動(dòng)蛋白的極性其一端氨基和羧基端的暴露，稱為＋端，另一端為－端。9.3.2微絲的裝配動(dòng)力學(xué)條件：ATP、適宜的溫度、存在K+和Mg2+離子。過(guò)程：2-3個(gè)actin聚集成一個(gè)核心（核化）；ATP-actin分子向核心兩端加合。微絲具有極性，ATP-actin加到(+)極的速度要比加到(-)極的速度快5-10倍。溶液中ATP-肌動(dòng)蛋白的濃度處于臨界濃度時(shí)，ATP-肌動(dòng)蛋白在(+)端添加，而從(-)端分離，表現(xiàn)出“踏車”現(xiàn)象。圖10-34G-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)蛋白二、微絲結(jié)合蛋白（p269）已知的的微絲結(jié)合蛋白有100多種，分為以下類型：1．核化蛋白：使游離actin核化，開(kāi)始組裝，Arp2．單體隱蔽蛋白：阻止游離actin向纖維添加，thymosin

3．封端蛋白：使纖維穩(wěn)定，CapZ4．單體聚合蛋白：將結(jié)合的單體安裝到纖維，profilin

5．微絲解聚蛋白：使微絲去組裝，cofilin

6．交聯(lián)蛋白：fimbrin，能夠使兩個(gè)或多個(gè)肌動(dòng)蛋白纖維產(chǎn)生交聯(lián)，使細(xì)胞內(nèi)的肌動(dòng)蛋白纖維形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)7．纖維切斷蛋白：將微絲切斷，gelsolin8．膜結(jié)合蛋白：vinculin，又如紅細(xì)胞膜骨架和細(xì)胞的整聯(lián)蛋白連接核化蛋白■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(guò)程?！窕具^(guò)程●影響裝配的因素1微絲的裝配受肌動(dòng)蛋白臨界濃度的影響。2某些一些離子濃度的影響?！馎TP的作用肌動(dòng)蛋白的聚合過(guò)程伴隨著ATP的水解，在聚合過(guò)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(huì)慢慢降解為ADP，并釋放出Pi（圖10-36）。圖10-36微絲裝配過(guò)程中ATP的水解■微絲的動(dòng)態(tài)性質(zhì)●極性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)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(zhǎng)速度是不同的,(+)端生長(zhǎng)快，(-)端生長(zhǎng)慢。一般而言,正端生長(zhǎng)速度比負(fù)端快5～10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)。用肌動(dòng)蛋白封端蛋白封住負(fù)端,微絲繼續(xù)快速加長(zhǎng),但是用封端蛋白封住正端,F-肌動(dòng)蛋白加長(zhǎng)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(shí)別的。F-肌動(dòng)蛋白絲兩端不斷生長(zhǎng)●踏車現(xiàn)象(treadmilling)

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(zhǎng)度沒(méi)有改變,這種過(guò)程稱為肌動(dòng)蛋白的踏車現(xiàn)象(圖)。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。發(fā)生踏車現(xiàn)象時(shí),雖然F-肌動(dòng)蛋白絲的凈長(zhǎng)度沒(méi)有發(fā)生變化.但是裝配與去裝配仍在進(jìn)行,只不過(guò)添加到微絲上的G-肌動(dòng)蛋白分子與脫下來(lái)的速率相等?！裎⒔z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。微絲的踏車現(xiàn)象■影響肌動(dòng)蛋白單體-多聚體平衡的毒素（p267）●細(xì)胞松弛素B(cytochalasinsB)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)。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。●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。細(xì)胞松弛素B的結(jié)構(gòu)■肌動(dòng)蛋白重要的結(jié)合蛋白:肌球蛋白（p274）肌球蛋白(myosin)∶●肌球蛋白的類型已鑒定:肌球蛋白Ⅰ、Ⅱ和Ⅴ?！袢惣∏虻鞍捉Y(jié)構(gòu)相似性頭部結(jié)構(gòu)域是最保守的結(jié)構(gòu)域，它含有與肌動(dòng)蛋白、ATP結(jié)合的位點(diǎn)，負(fù)責(zé)產(chǎn)生力。與頭部相鄰的結(jié)構(gòu)域是α螺旋的頸部，它通過(guò)同鈣調(diào)素或類似鈣調(diào)素的調(diào)節(jié)輕鏈亞基的結(jié)合來(lái)調(diào)節(jié)頭部的活性。尾部結(jié)構(gòu)域含有決定尾部是同膜結(jié)合還是同其它的尾部結(jié)合的位點(diǎn)（圖）。三種類型的肌球蛋白的結(jié)構(gòu)比較●三種類型的肌球蛋白的結(jié)構(gòu)差異。肌球蛋白Ⅱ和Ⅴ是二聚體，肌球蛋白Ⅰ是單體蛋白，它同肌球蛋白Ⅴ一樣，含有同膜結(jié)合的尾。這三種肌球蛋白間的差異在于同頸部結(jié)合的輕鏈的數(shù)量和類型?！窦∏虻鞍注虻慕Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)肌球蛋白Ⅱ含有2條相同的長(zhǎng)肽鏈和4條短肽鏈,長(zhǎng)肽鏈的相對(duì)分子質(zhì)量為200kDa,稱為重鏈(heavychain),短肽鏈稱為輕鏈(lightchain)?！窦∏虻鞍椎墓δ芗∏虻鞍注?yàn)榧∪馐湛s和胞質(zhì)分裂提供力，而肌球蛋白Ⅰ和Ⅴ則涉及細(xì)胞骨架與膜之間的相互作用，如膜泡的運(yùn)輸。肌球蛋白Ⅰ、肌球蛋白Ⅴ的尾部能夠同質(zhì)膜或細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞器的膜結(jié)合(圖)，推測(cè)它們能夠以微絲為軌道運(yùn)輸小泡。兩個(gè)肌球蛋白Ⅱ能夠通過(guò)桿狀尾部聚合在一起，形成寡聚的肌球蛋白纖維，這種纖維具有雙極性，頭部位于兩端，中間有一個(gè)裸露的帶(圖),這種結(jié)構(gòu)參與肌肉收縮。肌球蛋白尾部結(jié)構(gòu)域的功能（a）肌球蛋白Ⅰ和肌球蛋白Ⅴ可用尾部的不定位點(diǎn)與膜結(jié)合，起運(yùn)輸作用；

(b)肌球蛋白Ⅱ的螺旋狀的尾部能夠聚合形成粗肌絲?！窦∏虻鞍椎倪\(yùn)動(dòng)機(jī)理（p280）所有肌球蛋白的頭都能在肌動(dòng)蛋白纖維上行走。目前較為公認(rèn)的是滑動(dòng)模型，認(rèn)為單個(gè)ATP分子的水解同肌球蛋白運(yùn)動(dòng)的一次循環(huán)相偶聯(lián)。該模型的核心是肌球蛋白的頭部隨著ATP的結(jié)合和水解不斷產(chǎn)生構(gòu)型的變化，從而引起在微絲上的移動(dòng)。每一循環(huán)包含四個(gè)基本步驟(圖):ATP水解與肌球蛋白沿肌動(dòng)蛋白絲移動(dòng)偶聯(lián)模型肌細(xì)胞:特化的肌收縮功能（p277）

■骨骼肌細(xì)胞的基本結(jié)構(gòu)●肌纖維(myofibers)肌肉由肌原纖維組成，肌原纖維包括粗肌絲和細(xì)肌絲，粗肌絲主要成分是肌球蛋白，細(xì)肌絲的主要成分是肌動(dòng)蛋白、原肌球蛋白和肌鈣蛋白。

●肌原纖維(myofibril)肌原纖維是橫紋肌中長(zhǎng)的、圓柱形的結(jié)構(gòu)。肌原纖維有明暗相間的帶，明帶稱為I帶(Iband)，暗帶稱為A帶(Aband)。在I帶中有一條著色較深的線,叫Z線?！窦」?jié)(sarcomere)肌節(jié)是Z線將肌原纖維分成的一系列的重復(fù)單位,含有一個(gè)完整的A帶和兩個(gè)二分之一I帶（圖）,肌節(jié)是肌收縮的單位。肌細(xì)胞的結(jié)構(gòu)■肌原纖維的結(jié)構(gòu)在電子顯微鏡下揭示肌原纖維是由兩種類型的長(zhǎng)纖維構(gòu)成,一種是細(xì)肌絲，直徑為6nm；另一種是粗肌絲，直徑為15nm。明帶只含有細(xì)肌絲，所以比較亮，而暗帶之所以暗，是因?yàn)橛写旨〗z和細(xì)肌絲的重疊。粗肌絲的長(zhǎng)度占據(jù)整個(gè)A帶，而細(xì)肌絲沒(méi)有伸展到A帶的中央?yún)^(qū)，所以A帶的中央?yún)^(qū)也比較明亮，該區(qū)叫H帶(圖)?！翊旨〗z(thinkfilament)

組成肌節(jié)的肌球蛋白絲。肌原纖維的結(jié)構(gòu)（肌小節(jié)）●細(xì)肌絲(thinfilament)

組成肌節(jié)的肌動(dòng)蛋白絲。細(xì)肌絲還有兩個(gè)結(jié)合蛋白,即原肌球蛋白和肌鈣蛋白。細(xì)肌絲的兩端分別與兩個(gè)不同的肌動(dòng)蛋白加帽蛋白結(jié)合(圖),一個(gè)是CapZ蛋白,另一個(gè)是原肌球調(diào)節(jié)蛋白。CapZ蛋白結(jié)合在肌動(dòng)蛋白的(+)端,位于Z線。原肌球調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合在肌動(dòng)蛋白的(-)端。這兩種蛋白的結(jié)合有利于細(xì)肌絲的穩(wěn)定,防止去聚合。

●Z線(Zdisk)是纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),它的主要功能是錨定肌動(dòng)蛋白纖絲的正端。至于肌動(dòng)蛋白纖絲是如何同Z線結(jié)合的,尚不清楚,推測(cè)加帽蛋白CapZ蛋白和交聯(lián)蛋白α-輔肌動(dòng)蛋白(α-actinin)都有作用。α-輔肌動(dòng)蛋白是Z線提取物中的主要成份,它很可能在I帶中將細(xì)肌絲交聯(lián)成束。肌節(jié)中與細(xì)肌絲結(jié)合的加帽蛋白的結(jié)合部位和作用●原肌球蛋白(tropomyosin,Tm)原肌球蛋白是細(xì)肌絲中肌動(dòng)蛋白的結(jié)合蛋白，由兩條平行的多肽鏈組成α螺旋構(gòu)型，每條原肌球蛋白首尾相接形成一條連續(xù)的鏈同肌動(dòng)蛋白細(xì)肌絲結(jié)合,正好位于雙螺旋的溝(grooves)中?！窦♀}蛋白(troponin.Tn)肌鈣蛋白由3個(gè)多肽，即肌鈣蛋白T(Tn-T)、肌鈣蛋白I(Tn-I)、肌鈣蛋白C(Tn-C)組成的復(fù)合物(圖)。Tn-I能夠同肌動(dòng)蛋白以及Tn-T結(jié)合,它同肌動(dòng)蛋白的結(jié)合就抑制了肌球蛋白與肌動(dòng)蛋白的結(jié)合。Tn-C是肌鈣蛋白的Ca2+結(jié)合亞基，Tn-C控制著原肌球蛋白在肌動(dòng)蛋白纖維表面的位置。在細(xì)肌絲上大約每隔40nm就結(jié)合有一個(gè)肌鈣蛋白。(a)原肌球蛋白的螺旋結(jié)構(gòu);(b)原肌球蛋白的序列特征,C是保守區(qū),V是可變區(qū),不同來(lái)源的原肌球蛋白的V區(qū)序列可能不同;非肌細(xì)胞中的原肌球蛋白的長(zhǎng)度要短些,但保守區(qū)的組成相同;(c)原肌球蛋白、肌鈣蛋白和肌動(dòng)蛋白的結(jié)合關(guān)系。p278在肌節(jié)中除了上述的蛋白成分外,還有兩種重要的蛋白:肌聯(lián)蛋白和伴肌動(dòng)蛋白(圖)。肌聯(lián)蛋白-伴肌動(dòng)蛋白纖維系統(tǒng)對(duì)粗肌絲和細(xì)肌絲的穩(wěn)定作用(a)每條粗肌絲都有肌聯(lián)蛋白纖維維持它的穩(wěn)定,跨度起自Z線到M線;每條細(xì)肌絲的(+)端到(-)都結(jié)合有伴肌動(dòng)蛋白纖維；(b)用凝溶角蛋白（一種纖維切割蛋白）處理肌細(xì)胞,破壞了肌節(jié)中的細(xì)肌絲,沒(méi)有了肌動(dòng)蛋白的支持,伴肌動(dòng)蛋白凝縮在Z線?！黾∈湛s的滑動(dòng)絲模型及分子基礎(chǔ)●實(shí)驗(yàn)依據(jù)研究發(fā)現(xiàn):肌收縮過(guò)程中，肌節(jié)幾乎縮短50%，但是肌節(jié)的A帶的長(zhǎng)度并沒(méi)有發(fā)生變化。肌節(jié)的縮短只是伴隨著I帶的縮短，在整個(gè)收縮的肌纖維中，I帶幾乎消失了?！窕瑒?dòng)絲模型兩個(gè)英國(guó)研究小組的科學(xué)家們提出滑動(dòng)絲模型解釋肌收縮的機(jī)理。他們推測(cè):肌節(jié)的縮短并不是因纖絲的縮短而引起,而是由纖絲互相滑動(dòng)所致。細(xì)肌絲向肌節(jié)中央滑動(dòng),肌絲滑進(jìn)了A帶之中導(dǎo)致重疊部分增加,使得I帶和H帶的寬度縮小,其結(jié)果是縮短了肌節(jié)，減少了肌纖維的長(zhǎng)度(圖)。肌收縮時(shí)肌節(jié)的收縮(a)肌收縮時(shí)肌節(jié)長(zhǎng)度變化及肌節(jié)結(jié)構(gòu)差異示意圖。在肌收縮時(shí),肌球蛋白的交聯(lián)橋(cross-bridge)與周圍的細(xì)肌絲接觸,細(xì)肌絲被推動(dòng)滑向肌節(jié)的中心。(b)肌收縮時(shí)的電子顯微鏡照片?！馛a2+離子對(duì)肌收縮的調(diào)節(jié)作用細(xì)胞中Ca2+離子濃度能夠調(diào)節(jié)原肌球蛋白對(duì)肌動(dòng)蛋白的抑制作用,因?yàn)楦邼舛鹊腃a2+離子能夠同肌鈣蛋白的Tn-C亞基結(jié)合，改變?cè)∏虻鞍淄?dòng)蛋白結(jié)合的位置，解除原肌球蛋白對(duì)肌動(dòng)蛋白的抑制，露出與肌球蛋白結(jié)合的位點(diǎn)(圖)。

Ca2+離子對(duì)原肌球蛋白與肌動(dòng)蛋白結(jié)合的影響●Ca2+離子濃度調(diào)節(jié):肌收縮與神經(jīng)興奮相偶聯(lián)當(dāng)動(dòng)作電位到達(dá)神經(jīng)細(xì)胞末梢時(shí)，它觸發(fā)神經(jīng)遞質(zhì)擴(kuò)散，穿過(guò)軸突，并同相鄰靶細(xì)胞的質(zhì)膜結(jié)合，使細(xì)胞質(zhì)膜去極化，最后信號(hào)通過(guò)與肌質(zhì)網(wǎng)相鄰的T管激發(fā)肌質(zhì)網(wǎng)向胞質(zhì)溶膠釋放貯存的Ca2+離子,從而使胞質(zhì)溶膠中的Ca2+離子濃度快速升高,使電信號(hào)轉(zhuǎn)變成化學(xué)信號(hào)(圖)。肌質(zhì)網(wǎng)對(duì)骨骼肌胞質(zhì)溶膠中Ca2+離子濃度的調(diào)節(jié)作用(a)肌纖維的三維結(jié)構(gòu)圖;(b)SR釋放Ca2+離子。①神經(jīng)信號(hào)傳遞到肌纖維的細(xì)胞質(zhì)膜,經(jīng)T管靠近肌質(zhì)網(wǎng);②誘導(dǎo)肌質(zhì)網(wǎng)釋放Ca2+離子,使胞質(zhì)溶膠中Ca2+離子濃度升高。釋放出來(lái)的Ca2+離子同肌鈣蛋白結(jié)合，解除原肌球蛋白對(duì)肌動(dòng)蛋白的抑制，使得粗肌絲肌球蛋白的頭部得以同肌動(dòng)蛋白接觸，形成交聯(lián)橋。然后再由ATP同肌球蛋白頭部的ATP結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合，并通過(guò)ATP的水解提供能量，以及肌球蛋白頭部構(gòu)型的變化，引起粗肌絲與細(xì)肌絲間的滑動(dòng)，產(chǎn)生肌肉的收縮。肌動(dòng)蛋白和肌球蛋白在非肌細(xì)胞中的作用

■粘著斑和微絨毛中的束狀肌動(dòng)蛋白纖維●應(yīng)力纖維(streefibers)（p271）當(dāng)將細(xì)胞放在培養(yǎng)瓶中進(jìn)行培養(yǎng)時(shí)，細(xì)胞需要同培養(yǎng)瓶底接觸，將自己平鋪在基底，這種結(jié)合通常需要形成一種特殊的緊密的粘合斑。在粘合斑的細(xì)胞質(zhì)膜的下方有肌動(dòng)蛋白成束狀排列，這種結(jié)構(gòu)叫應(yīng)力纖維(圖)。應(yīng)力纖維具有收縮功能，它在細(xì)胞的形態(tài)發(fā)生、細(xì)胞分化和組織形成中具有重要作用。由整聯(lián)蛋白介導(dǎo)的細(xì)胞外基質(zhì)同細(xì)胞內(nèi)的連接也是通過(guò)應(yīng)力纖維。應(yīng)力纖維的形態(tài)與結(jié)構(gòu)組成：應(yīng)力纖維的結(jié)構(gòu)組成,肌動(dòng)蛋白呈反向平行,其它三種蛋白以各自的方式排列,將微絲裝配成束狀應(yīng)力纖維。

微絨毛(microvilli)

是一些動(dòng)物細(xì)胞表面的指狀突起。微絨毛的長(zhǎng)度為1～3μm，直徑為0.1μm,由幾十個(gè)成束平行排列的肌動(dòng)蛋白纖維支持并定向。微絨毛中肌動(dòng)蛋白纖維的排列方向相同，(+)端指向微絨毛的尖端（圖）。一個(gè)腸細(xì)胞表面有幾千個(gè)微絨毛,它們的存在大大增加了腸上皮表面面積,有利于吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。微絨毛不含肌球蛋白Ⅱ、原肌球蛋白和α輔基蛋白,因而無(wú)收縮作用。圖

微絨毛中的肌動(dòng)蛋白束及其相關(guān)蛋白（p273）■細(xì)胞內(nèi)運(yùn)輸作用微絲同微管一樣,在細(xì)胞內(nèi)可以作為分子馬達(dá)進(jìn)行物質(zhì)運(yùn)輸?shù)能壍馈Ｈ缧∨莸倪\(yùn)輸,可通過(guò)肌球蛋白Ⅰ同微絲結(jié)合,將小泡沿微絲的負(fù)極向正極移動(dòng)。另外,肌球蛋白Ⅰ的尾部同質(zhì)膜結(jié)合，利用其頭部可將微絲從一個(gè)部位運(yùn)向另一個(gè)部位(圖)。（p276）

肌球蛋白的功能（a）運(yùn)輸小泡；(b)運(yùn)輸微絲。■胞質(zhì)環(huán)流（p270-271）胞質(zhì)環(huán)流是菌類、藻類和高等植物細(xì)胞中非常活躍的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。胞質(zhì)環(huán)流是由肌動(dòng)蛋白和肌球蛋白相互作用引起的。胞質(zhì)環(huán)流對(duì)于細(xì)胞的營(yíng)養(yǎng)代謝具有重要作用，能夠不斷地分配各種營(yíng)養(yǎng)物和代謝物，使它們?cè)诩?xì)胞內(nèi)均勻分布(圖)。典型的胞質(zhì)環(huán)流。在此過(guò)程中,細(xì)胞質(zhì)環(huán)繞中央液泡流動(dòng)。植物細(xì)胞的胞質(zhì)環(huán)流■細(xì)胞蠕動(dòng)(cellcrawling)（p272）最早研究的細(xì)胞移動(dòng)是變形蟲(chóng)，開(kāi)始稱為阿米巴運(yùn)動(dòng)后來(lái)稱為細(xì)胞蠕動(dòng)。●單細(xì)胞的蠕動(dòng)-變形運(yùn)動(dòng)原生動(dòng)物中的變形蟲(chóng),高等動(dòng)物的巨噬細(xì)胞和白細(xì)胞等能夠依靠細(xì)胞體的變化進(jìn)行移動(dòng),叫變形運(yùn)動(dòng)。通常要靠胞質(zhì)環(huán)流形成偽足,細(xì)胞沿著偽足形成的方向前進(jìn)。在變形運(yùn)動(dòng)中，肌動(dòng)蛋白起了重要作用。實(shí)際上，"溶膠-凝膠（sol-gel）"和"凝膠-溶膠(gel-sol)"的相互轉(zhuǎn)變是肌動(dòng)蛋白纖維單體和聚合體的相互轉(zhuǎn)變，單體是可溶的，而纖維是較硬的，流動(dòng)性自然差。胞質(zhì)環(huán)流與細(xì)胞運(yùn)動(dòng)●細(xì)胞移動(dòng):依靠伸展、附著和收縮的重復(fù)循環(huán)用培養(yǎng)的動(dòng)物細(xì)胞研究多細(xì)胞動(dòng)物體內(nèi)細(xì)胞的移動(dòng),發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)的動(dòng)物細(xì)胞移動(dòng)可以分為三個(gè)過(guò)程(圖)∶首先是細(xì)胞前緣的擴(kuò)展(extension)，這一步是由肌動(dòng)蛋白的聚合作用引起的;第二是擴(kuò)展的前緣通過(guò)粘著斑的形成附著到基底(substratum)；第三是通過(guò)胞質(zhì)溶膠向前流動(dòng)和細(xì)胞尾部的收縮將細(xì)胞向前推進(jìn)，在細(xì)胞質(zhì)收縮過(guò)程中，肌動(dòng)蛋白纖維切割蛋白可能起了重要作用。培養(yǎng)的動(dòng)物細(xì)胞蠕動(dòng)的三個(gè)過(guò)程示意圖●細(xì)胞蠕動(dòng)過(guò)程中力產(chǎn)生的機(jī)制細(xì)胞運(yùn)動(dòng)中力的產(chǎn)生有兩種假說(shuō)(圖):一種是通過(guò)微絲的裝配將質(zhì)膜向前推進(jìn)。另一種假說(shuō)認(rèn)為力的產(chǎn)生是由肌球蛋白和肌動(dòng)蛋白相互作用的結(jié)果。細(xì)胞蠕動(dòng)中力產(chǎn)生的兩種假說(shuō)。(a)微絲裝配假說(shuō)；(b)滑動(dòng)假說(shuō)?！黾?dòng)蛋白和肌球蛋白Ⅱ在胞質(zhì)分裂中的作用（p274）在細(xì)胞的有絲分裂后期進(jìn)行的胞質(zhì)分裂，主要是通過(guò)肌動(dòng)蛋白和肌球蛋白形成的纖維束，并通過(guò)由這種束狀纖維形成的收縮環(huán)的收縮將細(xì)胞切割開(kāi)，維持了子細(xì)胞的正常形態(tài)大小(圖)。肌動(dòng)蛋白在細(xì)胞赤道處裝配成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，通過(guò)肌球蛋白的作用進(jìn)行環(huán)的收縮形成分裂溝，最后將細(xì)胞一分為二。胞質(zhì)分裂中收縮環(huán)的形成及作用9.2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。1微管的結(jié)構(gòu)和類型微管是直徑為24～26nm的中空?qǐng)A柱體。外徑平均為24nm,內(nèi)徑為15nm。微管的長(zhǎng)度變化不定，在某些特化細(xì)胞中,微管可長(zhǎng)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、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)（p282）微管是以微管蛋白異源二聚體為基本構(gòu)件構(gòu)成的(圖)。微管的結(jié)構(gòu)和亞基組成●兩種微管蛋白組成微管的球形微管蛋白是α微管蛋白(α-tubulin)和β微管蛋白(β-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?！癜被峤M成α亞基由450個(gè)氨基酸組成,β亞基由455個(gè)氨基酸組成,它們的相對(duì)分子質(zhì)量約55kDa。這兩種亞基有35～40%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(lái)。α和β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(zhǎng)度為8nm?！馟TP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α亞基,另一個(gè)位于β亞基上。α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β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)。■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)。（p282）●單管(singlet)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。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)。●二聯(lián)管(doublet)常見(jiàn)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(duì)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根原二聯(lián)管是由兩個(gè)單管融合纖維組成，B管是由10根原纖維組成，所以而成的，一個(gè)二聯(lián)管只有23根原纖維?！袢?lián)管(triplet)見(jiàn)于中心粒和基體，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(duì)于低溫、Ca2+和秋水仙素的作用是穩(wěn)定的。三種微管排列方式,圖示是三種微管的橫切面。2微管的動(dòng)力學(xué)(microtubuledynamics)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，能夠很快地組裝和去組裝。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(huì)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(microtubuleorganizingcenters,MTOC)（p285）MTOC的主要作用是幫助大多數(shù)細(xì)胞質(zhì)微管組裝過(guò)程中的成核反應(yīng)，微管從MTOC開(kāi)始生長(zhǎng)，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)。陰影部分是MTOCs,包含一對(duì)中心粒。圖中標(biāo)出了生長(zhǎng)中微管的正端,靠近MTOCs部分是微管的負(fù)端。微管從微管組織中心向外生長(zhǎng)●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,PCM)。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?！裰行牧?centrioles)是中心體的主要結(jié)構(gòu),成對(duì)存在,互相垂直形成“L”形排列。中心粒直徑為0.2μm.長(zhǎng)0.4μm，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,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(lái)的齒輪狀環(huán)形結(jié)構(gòu)(圖)。中心粒結(jié)構(gòu)圖示一對(duì)中心粒,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(kāi)始形成。p286●其他類型的微管組織中心（p287）基體(basalbody)纖毛和鞭毛的微管組織中心，不過(guò)基體只含有一個(gè)中心粒而不是一對(duì)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(jí)MTOCs,稱為紡錘極體(spindlepolebody)。植物細(xì)胞既沒(méi)有中心體，又沒(méi)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(zhǎng)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(zhǎng)慢而稱之為負(fù)端(minusend),遠(yuǎn)離MTOCs一端的微管生長(zhǎng)速度快,被稱為正端(plusend),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。■γ微管蛋白(γtubulin)

在微管組裝中的作用雖然組成微管的亞基是α、β微管蛋白二聚體,但是存于中心體的另一種微管蛋白：γ微管蛋白對(duì)微管的形成具有重要作用(圖)。通過(guò)遺傳學(xué)的研究，發(fā)現(xiàn)γ-微管蛋白通過(guò)與β-微管蛋白的相互作用幫助微管的成核反應(yīng)(nucleation)。細(xì)胞中的γ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γ微管蛋白環(huán)狀復(fù)合體(γ-tubulinringcomplex,γ-TuRC),因?yàn)樵陔娮语@微鏡觀察似一個(gè)環(huán)。γ微管蛋白介導(dǎo)微管組裝的兩種模型在這兩個(gè)模型中,γ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),γ微管蛋白的這種結(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?！鑫⒐艿臉O性微管的極性有兩層涵義,一是組裝的方向性,二是生長(zhǎng)速度的快慢。由于微管是以αβ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α-微管蛋白亞基組成的環(huán)，而相對(duì)的一端是以β-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(zhǎng)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)。

微管組裝時(shí)的極性■微管的組裝過(guò)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(zhǎng)(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(zhǎng)(圖)。圖

微管的組裝過(guò)程球線面管■微管組裝的動(dòng)力學(xué)行為:動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性●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(zhǎng)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。微管的組裝與去組裝：踏車現(xiàn)象●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(37℃)、pH(pH6.9)、微管蛋白臨界濃度、藥物等(圖)?！褚阴；腿ダ野彼嶙饔靡恍┟冈谖⒐芙M裝之后對(duì)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α亞基的乙酰化和去酪氨酸作用。這兩種修飾作用都使微管趨于穩(wěn)定。影響微管穩(wěn)定性的某些條件■影響微管穩(wěn)定性的藥物主要機(jī)理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?cè)诩?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)?！袂锼伤?colchicine)

，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。●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。秋水仙素與紫杉醇的分子結(jié)構(gòu)3微管結(jié)合蛋白(microtubule-associatedproteins,MAPs)（p289）■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)。從微管上伸出的臂能與膜、中間纖維及其它微管結(jié)合。微管聚合蛋白MAP2某些微管結(jié)合蛋白蛋白質(zhì)相對(duì)分子質(zhì)量(kDa)來(lái)源MAP1A350神經(jīng)組織MAP1B(MPA5)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①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；②通過(guò)與微管成核點(diǎn)的作用促進(jìn)微管的聚合；③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)；④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(zhǎng)度防止微管的解聚。分子發(fā)動(dòng)機(jī)(molecularmotor)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(motorproteins)。p291■驅(qū)動(dòng)蛋白(kinesins)的結(jié)構(gòu)和功能（p292）●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)。它有一對(duì)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。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)(plusend-directedmicrotublarmotor)。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)?！襁\(yùn)輸速度驅(qū)動(dòng)蛋白沿一條原纖維運(yùn)輸，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(zhǎng)度為8nm,正好是一個(gè)αβ微管二聚體的長(zhǎng)度（圖）,每跨一步所消耗的力是6pN。因此可以推測(cè)，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?cè)谒械恼婧思?xì)胞中都有存在，參與ER產(chǎn)生的各種小泡的運(yùn)輸。

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)（p295）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(duì)分子質(zhì)量超過(guò)10萬(wàn)道爾頓，由9-10個(gè)多肽鏈組成(圖)。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(lái)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。

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。4微管的功能

■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),維持細(xì)胞的形態(tài)。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。●微管對(duì)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。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?！褫S突運(yùn)輸(axonaltransport)核糖體只存在于神經(jīng)細(xì)胞的細(xì)胞體和樹(shù)突中,在軸突和軸突末梢沒(méi)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)。軸突中微管發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)輸?shù)膬煞N方式●色素顆粒的運(yùn)輸許多兩棲類的皮膚和魚(yú)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)胞中的色素顆粒可在數(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。內(nèi)膜系統(tǒng)中通過(guò)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)于表圖。魚(yú)的色素細(xì)胞中色素分子的分散與聚集微管發(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(-)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(-)細(xì)胞中微管介導(dǎo)的物質(zhì)運(yùn)輸■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(wú)絕對(duì)界限,一般把少而長(zhǎng)者稱為鞭毛,短而多者稱為纖毛(圖)。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)。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(zhǎng)度可達(dá)150μm,數(shù)量較少，并且是波浪式擺動(dòng)。而纖毛較短，平均長(zhǎng)度為5-10μm，運(yùn)動(dòng)的方式比較復(fù)雜，且沒(méi)有規(guī)則。鞭毛與纖毛p297-298纖毛和鞭毛的結(jié)構(gòu)典型的真核細(xì)胞的纖毛或鞭毛結(jié)構(gòu)組成纖毛和鞭毛的運(yùn)動(dòng)機(jī)制(p298)

:纖毛和鞭毛的運(yùn)動(dòng)是一種簡(jiǎn)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)于纖毛和鞭毛運(yùn)動(dòng)機(jī)制的最好解釋。圖

纖毛/鞭毛動(dòng)力微管的滑動(dòng)模型■紡錘體和染色體運(yùn)動(dòng)(p299)形成紡錘體在細(xì)胞分裂中牽引染色體到達(dá)分裂極。動(dòng)粒（kinetochors）（p406）■p299、p4119.4中間纖維(intermediatefilaments，IFs)中間纖維是細(xì)胞的第三種骨架成分，由于這種纖維的平均直徑介于微管和微絲之間,故稱為中間纖維。微管與微絲都是由球形蛋白裝配起來(lái)的，而中間纖維則是由長(zhǎng)的、桿狀的蛋白裝配的。中間纖維是一種堅(jiān)韌的、耐久的蛋白質(zhì)纖維。它相對(duì)較為穩(wěn)定,既不受細(xì)胞松弛素影響也不受秋水仙素的影響。

9.4.1中間纖維的結(jié)構(gòu)與類型■中間纖維與其他兩種骨架的結(jié)構(gòu)和功能差異與微管和微絲相比,中間纖維在結(jié)構(gòu)和功能上至少有三方面的差異?！袷紫?中間纖維是相當(dāng)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),即使用含有去垢劑和高鹽溶液抽提細(xì)胞,中間纖維仍然保持完整無(wú)缺?！竦诙?

中間纖維在體積上與微管和微絲是不同的,微管的直徑是24nm,微絲的直徑是7nm,而中間纖維則是10nm。而且形態(tài)上也不相同,微管是由αβ微管蛋白二聚體組裝成的中空管狀,微絲是由球形亞基裝配成的α螺旋纖維,而中間纖維的亞基是α-螺旋桿狀裝配成似桿狀的結(jié)構(gòu)。●第三,中間纖維的亞基并不與核苷酸結(jié)合,而微管的亞基與GTP或GDP結(jié)合。微絲的亞基則與ATP或ADP結(jié)合,但是對(duì)于中間纖維裝配的許多細(xì)節(jié)尚不清楚?！鲋虚g纖維的類型及分布的組織特異性（p301）不同類型的細(xì)胞以及同一細(xì)胞的不同部位發(fā)現(xiàn)的中間纖維在其亞基的組成上都有可能是不同的。脊椎動(dòng)物中,構(gòu)成中間纖維的亞基是具有高螺旋化蛋白的超家族(superfamily),根據(jù)中間纖維氨基酸序列的相似性，可分為六種類型(表)。類型舉

例細(xì)胞內(nèi)分布Ⅰ型酸性角蛋白(acidickeratins)表皮細(xì)胞Ⅱ型中性/堿性角蛋白表皮Ⅲ型波形蛋白(vimentin)成纖維細(xì)胞、血管平滑肌細(xì)胞結(jié)蛋白(desmin)肌肉周邊蛋白(peripherin)神經(jīng)元(neuron)膠質(zhì)元纖維酸性蛋白(glial

firillaryacidicprotein)膠質(zhì)細(xì)胞(Glialcells)Ⅳ型神經(jīng)原纖維蛋白

(neurofilamentprotein)神經(jīng)細(xì)胞Ⅴ型核纖層蛋白(lamins)A,B和C真核細(xì)胞的核纖層Ⅵ型Nestin中央神經(jīng)系統(tǒng)的干細(xì)胞脊椎動(dòng)物細(xì)胞中中間纖維蛋白的主要類型■中間纖維的結(jié)構(gòu)（p302、p303）構(gòu)成中間纖維的所有亞基的蛋白質(zhì)都有共同的結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu):一