第二節(jié)微管及其功能

第二節(jié)微管及其功能生技31103許瑤一、微管的結(jié)構(gòu)組成與極性二、微管的組裝和去組裝三、微管組織中心四、微管的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)五、微管結(jié)合蛋白對(duì)微管網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)六、微管對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的組織作用七、細(xì)胞內(nèi)依賴于微管的物質(zhì)運(yùn)輸八、纖毛和鞭毛的結(jié)構(gòu)與功能九、紡錘體和染色體運(yùn)動(dòng)一、微管的結(jié)構(gòu)組成與極性1、微管由微管蛋白亞基組裝而成。每個(gè)微管蛋白亞基都是由2個(gè)非常相似的球狀蛋白（α微管蛋白和β微管蛋白結(jié)合而成的導(dǎo)二聚體，這種αβ-微管蛋白二聚體是細(xì)胞質(zhì)內(nèi)游離態(tài)微管蛋白的主要存在形式，也是微管組裝的基本結(jié)構(gòu)單位（P280，LR2，W1）。α微管蛋白含450個(gè)氨基酸殘基，β微管蛋白含455個(gè)氨基酸殘基。兩者均含有酸性C端序列（P281，L4，W3）。2、從低等的單細(xì)胞真核生物到高等哺乳動(dòng)物，微管蛋白在生物進(jìn)化過程可能是最穩(wěn)定的蛋白分子之一（P281，L7，W1）。3、微管管壁是由αβ-微管蛋白二聚體縱向排列而成的原纖絲構(gòu)成，13根原纖絲合攏后構(gòu)成微管的管壁（P328，LR11，W1）。4、每一根原纖絲，它們?cè)谖⒐艿哪骋欢硕际铅?微管蛋白，而在另一端都是β-微管蛋白。人們通常將組裝較快的一端（β-微管蛋白端）稱為正極，而另一端（α-微管蛋白端）為負(fù)極（P282，L9，WR8）。5、比結(jié)構(gòu)上看，細(xì)胞內(nèi)的微管有3種類型，它們是單管（細(xì)胞質(zhì)微管和紡錘體微管）、二聯(lián)管（纖毛或鞭毛的軸絲微管），三聯(lián)管（中心?；蚧w的微管）（P282，LR6，W17）。1313+1013+10+10二、微管的組裝和去組裝微管的體外組裝與踏車行為作用于微管的特異性藥物微管在體外的組裝過程可分為成核和延伸兩個(gè)階段。①一些微管蛋白（α微管蛋白和β微管蛋白）二聚體（①αβ二聚體）首先縱向聚合形成短的絲狀結(jié)構(gòu)（②原纖維），即所謂的成核反應(yīng)②然后通過兩端以及側(cè)面增加二聚體而擴(kuò)展成片狀，當(dāng)片狀聚合物加寬到大致13根原纖絲時(shí)，即合攏成為一段微管（③微管）。新的微管蛋白二聚體不斷地組裝到這段微管的兩端，使之延長通常持有α微管蛋白的負(fù)極端組裝較慢，而持有β微管蛋白的正極端組裝較快。微管的組裝同樣與其底物（攜帶GDPαβ二聚體）的濃度有關(guān)（微管兩端具GTP帽，微管將繼續(xù)裝配，具GDP帽則解聚）當(dāng)一端組裝的速度和另一端解聚的速度相同時(shí)，微管的長度保持穩(wěn)定，即所謂的踏車行為細(xì)胞內(nèi)微管的組裝和去組裝在時(shí)間和空間上是高度有序的細(xì)胞內(nèi)的微管組裝通常都起源于某一特殊位點(diǎn)，如間期、G0期細(xì)胞內(nèi)的微管以及有絲分裂時(shí)的紡錘體微管大都起源于中心體，纖毛和鞭毛內(nèi)部的微管起源于基體。間期細(xì)胞：細(xì)胞質(zhì)微管與微管亞蛋白庫處于相對(duì)平衡狀態(tài)；分裂期：胞質(zhì)微管裝配和去裝配動(dòng)態(tài)受細(xì)胞周期控，前期：胞質(zhì)微管網(wǎng)絡(luò)中的微管去組裝，游離的微管蛋白亞單位裝配為紡錘體；末期：發(fā)生逆向轉(zhuǎn)變作用于微管的特異性藥物1、一此藥物如秋水仙素和紫杉醇等可以影響細(xì)胞內(nèi)微管的組裝和去組裝。①秋水仙素，它阻斷微管蛋白裝配成微管；②紫杉酚能促進(jìn)微管裝配，并使已形成的微管穩(wěn)定。2、微管組裝和去組裝的動(dòng)態(tài)行為還與溫度有關(guān)。溫度高于20℃時(shí)微管蛋白亞基可以組裝成微管，而當(dāng)溫度較低時(shí)微管會(huì)發(fā)生去組裝，但冷穩(wěn)定微管不會(huì)去組裝。三、微管組織中心（一）中心體（二）基體和其他微管組織中心中心體1、在活細(xì)胞中，能夠起始微管的成核作用，并使之延伸的細(xì)胞結(jié)構(gòu)稱為微管組織中心（microtubuleorganizingcenter,MTOC），除中心體以外，細(xì)胞內(nèi)起微管組織中心作用的類似結(jié)構(gòu)還有位于纖毛和鞭毛基部的基體等細(xì)胞器。2、動(dòng)物細(xì)胞的間期微管通常都是從中心體開始生長。中心體含有一對(duì)桶狀的中心粒，彼此垂直分布，外面被無定形的中心粒外周物質(zhì)所包圍。3、每個(gè)中心粒含有9組等間三聯(lián)體微管（13根原纖絲的微管A，10根原纖絲的微管B，10根原纖絲的微管C）。4、微管并不起源于中心粒，而是在中心粒外周物質(zhì)區(qū)域成核。

基體和其他微管組織中心1、鞭毛和纖毛內(nèi)部的微管起源于其基體的結(jié)構(gòu)?；w在結(jié)構(gòu)上與中心粒基本一致，其壁由9組三聯(lián)體微管構(gòu)成，微管A完全微管，微管B和C為不完全微管

。2、中心粒體基體都具有自我復(fù)制的性質(zhì)，新的中心粒是由原來的中心粒在S期復(fù)制而來

。微管的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)細(xì)胞處于生長狀態(tài)時(shí)，微管的組裝與去組裝也并不是同步進(jìn)行的，往往可以觀察到一部分微管正在組裝，而另一部分的微管卻處在解聚過程中。有時(shí)整根微管解聚后又從中心體的同一個(gè)微管蛋白的環(huán)狀模板上從新組裝。甚至在同一根微管的末端，其組裝和去組裝可以反復(fù)進(jìn)行。以上微管所表現(xiàn)的這種動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性通常發(fā)生在正極或中心體遠(yuǎn)端五、微管結(jié)合蛋白對(duì)微管網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)始終伴隨著微管的組裝和去組裝而存在的這類蛋白稱之為身微管結(jié)合蛋白（microtubule-associatedprotein,MAP）。主要有①tau蛋白（神經(jīng)軸突中，具有熱穩(wěn)定性）、②MAP1（對(duì)熱敏感，見于神經(jīng)軸突和樹突）、③MAP2（見于神經(jīng)元胞體和樹突，具熱穩(wěn)定性）、④MAP4（各種細(xì)胞中，具高度熱穩(wěn)定性）。MAPS與微管的結(jié)合有助于提高微管的穩(wěn)定性，用秋水仙素處理一般間期細(xì)胞可以阻止微管的組裝，但并不影響解聚，在神經(jīng)元的樹突或軸突內(nèi)部，這些藥物同樣能與微管蛋白二聚體結(jié)合而影響微管的組裝，但神經(jīng)突起內(nèi)部的微管似乎并不那么容易解聚，原因是大量的MAPS與微管結(jié)合，從而發(fā)揮穩(wěn)定微管作用六、微管對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的組織作用微管與細(xì)胞器的分布以及細(xì)胞的形態(tài)發(fā)生與維持有很大的關(guān)系七、細(xì)胞內(nèi)依賴于微管的物質(zhì)運(yùn)輸觀察活細(xì)胞，可以看到許多細(xì)胞器或膜狀小泡在細(xì)胞內(nèi)或軸突內(nèi)部沿微管作定向運(yùn)動(dòng)，在微管和膜泡之間存在一類既能與微管結(jié)合，又能與膜泡特異性結(jié)合的是分子馬達(dá)分子馬達(dá)：能利用水解ATP將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，有規(guī)則的沿微管運(yùn)輸貨物分子馬達(dá)主要有驅(qū)動(dòng)蛋白和胞質(zhì)動(dòng)力蛋白驅(qū)動(dòng)蛋白及其功能它能運(yùn)載膜性細(xì)胞器沿著微管向軸突末梢移動(dòng)通常由2條重鏈（KHC）和2條輕鏈（KLC）組成驅(qū)動(dòng)蛋白沿微管運(yùn)動(dòng)的分子機(jī)制驅(qū)動(dòng)蛋白馬達(dá)結(jié)構(gòu)有兩個(gè)重要的功能位點(diǎn)：1、ATP結(jié)合位點(diǎn)2、微管結(jié)合位點(diǎn)驅(qū)動(dòng)蛋白沿微管運(yùn)動(dòng)的分子模型有兩種：步行模型和（inchworm）爬行模型步行模型像“人走路一樣”每步移動(dòng)16nm，（inchworm）爬行模型每步移動(dòng)8nm。步行模型過程兩個(gè)頭部交替與微管結(jié)合，以確保在移動(dòng)過程中不會(huì)從微管上掉下來，馬達(dá)結(jié)構(gòu)域每水解一個(gè)ATP分子，整個(gè)分子就向前移動(dòng)一步（16nm）柔韌性鉸鏈轉(zhuǎn)運(yùn)泡驅(qū)動(dòng)蛋白受體驅(qū)動(dòng)蛋白球形頭部驅(qū)動(dòng)蛋白介導(dǎo)轉(zhuǎn)運(yùn)泡由微管負(fù)極向正極移動(dòng)八、鞭毛與纖毛的結(jié)構(gòu)與功能一、纖毛與鞭毛的結(jié)構(gòu)1、鞭毛與纖毛這種軸絲微管的排列方式被稱為“9+2”排列，與中心體微管一樣，所有的軸絲微管的極性都是正級(jí)端向外，即指向纖毛或鞭毛的頂端（P296，LR18，W6）[微管（-）極指向MTOC，（+）極背向MTOC]。2、位于纖毛和鞭毛基部的基體在結(jié)構(gòu)上與中心粒類似，呈“9+0”模式（P296，LR9，W1）。二、纖毛與鞭毛的運(yùn)動(dòng)機(jī)制1、A管動(dòng)力蛋白頭部B管接觸