細胞生物學講義：細胞骨架

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(zhì)中還有一個三維的網(wǎng)絡結構系統(tǒng)，這個

系統(tǒng)被稱為細胞骨架（圖10-1）。

圖10-1細胞骨架系統(tǒng)

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(tài)。細胞骨架是細胞運動的軌道，也是細胞形態(tài)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(nèi)以蛋白質(zhì)纖維為主要成分的網(wǎng)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(zhì)四周擴散。微絲主要分布在細胞質(zhì)

膜的內(nèi)側。而中間纖維則分布在整個細胞中（圖10-2）。

肌動蛋白纖維

微管

2(nm26卬

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(tài)結構及內(nèi)部結構的有序性，以及在細胞運動、物

質(zhì)運輸、能量轉(zhuǎn)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(tài)提供支持結構，如紅細胞質(zhì)膜膜骨

架結構維持。

?在細胞內(nèi)形成一個框架(framework)結構,為細胞內(nèi)的各種細胞器提供附著

位點。細胞骨架是胞質(zhì)溶膠的組織者，將細胞內(nèi)的各種細胞器組成各種不同的體

系和區(qū)域的網(wǎng)絡結構。

?為細胞器的運動和細胞內(nèi)物質(zhì)運輸提供機械支持。細胞骨架作為細胞內(nèi)物

質(zhì)運輸?shù)能壍溃辉谟薪z分裂和減數(shù)分裂過程中染色體向兩極的移動，以及含有神

經(jīng)細胞產(chǎn)生的神經(jīng)遞質(zhì)的小泡向神經(jīng)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(fā)現(xiàn)細胞骨架相當完整，許多與蛋白質(zhì)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(zhì)膜的內(nèi)表面接觸，這

對于細胞外環(huán)境中的信號在細胞內(nèi)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，核分裂和胞質(zhì)分裂都與細

胞骨架有關。

什么是細胞骨架？在細胞內(nèi)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(tài)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(tài)性質(zhì)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(zhì)運輸?shù)取?/p>

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(zhì)在細胞內(nèi)的位置，因為標記的

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(nèi)的纖維被染色。（a）

含有肌動蛋白的纖維被蘑菇毒素鬼筆環(huán)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（videomicroscopy）

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(shù)

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(zhì)，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(fā)展導致一種觀察分子發(fā)動機（molecularmotor）移動的方法的產(chǎn)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(tǒng)將含有分子發(fā)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(fā)動機能夠

以ATP為能量來源沿著微管移動（圖10-4）。

圖10-4用電視顯微鏡觀察到的微管發(fā)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(zhì)是在非離子去垢劑，如TritonX-100處理時保持

非溶解狀態(tài)。當用這類去垢劑處理細胞時，可溶性的物質(zhì)、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(jù)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TritonX-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(zhì)骨架系統(tǒng)中的主要成分，是1963年首先由Slautterback在水蛆細

胞中發(fā)現(xiàn)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24?26nm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，在某些特化細胞中，微管可長達幾厘米（如中樞神經(jīng)系統(tǒng)的運

動神經(jīng)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(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)管等結構。

■微管的基本構件一一微管蛋白（tubulin）

微管是以微管蛋白異源二聚體為基本構件構成的（圖10-6）o

a-微管蛋白。一微管赍白

GTP分類線

。一微管送白GTPGDPB一微管蛋白

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a和B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a微管蛋白(a-tubulin)和B微管蛋白(B-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

a亞基由450個氨基酸組成，B亞基由455個氨基酸組成，它們的相對分子質(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。a和B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a亞基，另一個位于

B亞基上。a亞基上的GTP結合位點是不可逆的結合位點。結合在B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(exchangeablesite,E

位點)。

■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(singlet)

大部分細胞質(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管狀結構，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)

常見于特化的細胞結構。二聯(lián)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、Ca"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)

管是由兩個單管融合而成的，一個二聯(lián)管只有23根原纖維。

?三聯(lián)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(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微管的動力學(microtubuledynamics)

除了特化細胞的微管外，大多數(shù)細胞質(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Ca,+濃度、用某些化學試劑1(如秋

水仙素)處理生活細胞都會破壞細胞質(zhì)微管的動態(tài)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(microtubuleorganizingcenters,MTOC)

存在于細胞質(zhì)中決定微管在生理狀態(tài)或?qū)嶒炋幚斫饩酆笾匦陆M裝的結構叫微

管組織中心。

MT0C的主要作用是幫助大多數(shù)細胞質(zhì)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(zhì)微管組裝的一個獨特的性質(zhì)，即細胞質(zhì)微管的組裝

受統(tǒng)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(zhì)基質(zhì)(pericentriolarmatrix)。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0.2Nm.長為0.4um,是

中空的短圓柱狀結構。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

微管組成，每個微管包埋在致密的基質(zhì)中。組成三聯(lián)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(lián)

管的C纖維，9組三聯(lián)管串聯(lián)在一起，形成一個由短臂連起來的齒輪狀環(huán)形結構

（圖10-9）.

(C?

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(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（basalbody）纖毛和鞭毛的微管組織中心，不過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（spindlepolebody）。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?？拷?/p>

MTOCs的一端由于生長慢而稱之為負端（minusend）,遠離MTOCs一端的微管生

長速度快，被稱為正端（plusend）,所以（+）端指向細胞質(zhì)基質(zhì)，常常靠近細胞質(zhì)

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，

通常是紡錘體的（+）端同染色體接觸。

■丫微管蛋白(Ytubulin)在微管組裝中的作用

雖然組成微管的亞基是a、B微管蛋白二聚體，但是存于中心體的另一種微管

蛋白：丫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(fā)

現(xiàn)Y-微管蛋白通過與B-微管蛋白的相互作用幫助微管的成核反應(nucleation)。

(b)(+)端

(-)端

圖10-10Y微管蛋白介導微管組裝的兩種模型

在這兩個模型中，丫微管蛋白先形成一個圓環(huán)(左)或形成鉤環(huán)結構(右)，丫微

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Y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Y微管蛋白環(huán)狀復合體(Y-tubulinringcomplex,y-TuRC),因為在電子顯微

鏡觀察似一個環(huán)。

■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aB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，組裝成的微管的一端是a-微

管蛋白亞基組成的環(huán)，而相對的一端是以B-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，負端則慢，同樣，如果微管

去組裝也是正端快負端慢（圖10-12）。

(-)(+)

核

微管蛋白＞Q

趨于在（+）端

添加微管蛋白

微管蛋白vCc

趨于在（-）端

添加微管蛋白

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，RichardWeisenberg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(fā)現(xiàn)，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(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,因為B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(fā)現(xiàn)a6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aB微管蛋白二聚體上的

GDP要與GTP交換，使aB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(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（criticalconcentration）、藥物等（圖10-13）。

升溫

降溫

OrOO無秋水仙素

88有秋水仙素

88低壓微管

8

商壓

微管蛋白

異二聚體

圖10-13影響微管穩(wěn)定性的某些條件

?乙?；腿ダ野彼嶙饔?/p>

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(wěn)定狀態(tài)。典型的例子

是微管a亞基的乙?；腿ダ野彼嶙饔?。微管蛋白的乙?；怯晌⒐艿鞍滓阴；?/p>

酶催化的，它能夠?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a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(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(nèi)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(wěn)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(chǎn)物，紫杉醇只結

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(wěn)定。

■微管組裝的動力學行為：動態(tài)不穩(wěn)定性

?動態(tài)不穩(wěn)定狀態(tài)(dynamicinstability)

微管在體外組裝時發(fā)現(xiàn)有兩個因素決定微管的穩(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。細胞內(nèi)的微管處于動態(tài)不穩(wěn)定狀態(tài)

(dynamicinstability)

什么是微管的動態(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態(tài)平衡的一種現(xiàn)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(xiàn)

象的原因除了GTP水解之外，另一個原因是反應系統(tǒng)中游離蛋白的濃度。踏車現(xiàn)

象實際上是一種動態(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（criticalconcentration）

因為微管是動態(tài)結構，細胞中存在大量的aB微管蛋白二聚體，其濃度也是

處于不斷的變化之中。由于aB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aB微管蛋白二聚體，一種是剛從微管中脫下的，這種aB微管蛋

白二聚體是GTP-GDP型，另外一些aB微管蛋白二聚體的兩個亞基都結合有GTP,

是GTP-GTP型。所謂正端的aB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(tài)不穩(wěn)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(fā)生了變化。實際上，細胞內(nèi)的微管常常是處于生長和

縮短的動蕩狀態(tài)（圖10-16）。

結合GDP做管蛋白結合GTP微管蛋白

(-)8888888、8888

8888888888888

CDmO0CDCDCDOOCDOD

函/觸卷,ODOOB880088888EH

JMTUTT"WMJwinco8co888888B8oo工

f添加結合GTP

微管量白

888888888888888

888888888888888

888800008880088CO88

888888888888888

888888888888888

高濃度結合

GTP微管我自

00888008008800ODOOODOOCDCD<30

888888008CDOD00ODCD(30CO88

8888880D8888CD888B8

888888888888008888

000000000088888880088800

穩(wěn)定

圖10-16微管的動態(tài)不穩(wěn)定性：生長或縮短

什么是微管的GTP帽和GDP帽？對微管的動態(tài)性質(zhì)有什么影響？

10.2.3微管結合蛋白(microtubule-associatedproteins,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(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)細胞也發(fā)現(xiàn)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(assemblyMAPs),主要是將微管在胞質(zhì)

溶膠中進行交聯(lián)。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(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胞中

(表10-1)。

表10-1某些微管結合蛋白

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,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)動蛋6(dynamin)100神經(jīng)組織

■MAPs的功能

MAPs具有多方面的功能：①使微管相互交聯(lián)形成束狀結構，也可以使微管同

其它細胞結構交聯(lián)，這些結構包括質(zhì)膜、微絲和中間纖維等；②通過與微管成核

點的作用促進微管的聚合；③在細胞內(nèi)沿微管轉(zhuǎn)運囊泡和顆粒，因為一些分子發(fā)

動機能夠同微管結合轉(zhuǎn)運細胞內(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(fā)動機（molecularmotor）

細胞內(nèi)有一類蛋白質(zhì)能夠用ATP供能，產(chǎn)生推動力，進行細胞內(nèi)的物質(zhì)運輸，

這種蛋白分子稱為分子發(fā)動機或發(fā)動機蛋白（motorproteins）。圖10-18是假設的

分子發(fā)動機的工作模型，它不同于火車沿著鐵軌運輸貨物，而是靠它的臂同固定

軌道的結合并不停地擺動向前推進。

①在一次機械活動的循環(huán)中，發(fā)動機與軌道的結合點結合；②在力的驅(qū)動下，

發(fā)動機進行機械運動；③發(fā)動機與結合點脫離；④發(fā)動機回到原來的位置；開始

新的循環(huán)。

■分子發(fā)動機的類型

至今所發(fā)現(xiàn)的分子發(fā)動機可分為三個不同的家族：肌球蛋白（myosins）家族、驅(qū)

動蛋白（kinesins）家族、動力蛋白（dyneins）家族。

其中驅(qū)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(fā)動機分子。

■分子發(fā)動機運輸?shù)闹饕攸c

分子發(fā)動機引導的運輸有兩個主要的特點：

?分子發(fā)動機的運輸是單方向進行的，一種發(fā)動機分子只能引導一種方向的

運輸。例如驅(qū)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(fā)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(xù)運

行的。之所以要逐步進行，是因為分子發(fā)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(fā)動機運行的方式

■驅(qū)動蛋白（kinesins）的結構和功能

?分子結構

驅(qū)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(chǎn)生動力的“電機”；還有一個扇形

的尾，是貨物結合部位。

（b）

球形頭

同微管結合

與運輸小泡結合

圖10-20驅(qū)動蛋白的結構

?運輸方向

體外實驗證明驅(qū)動蛋白的運輸具有方向性，從微管的（-）端移向微管的（+）端，

驅(qū)動蛋白是正端走向的微管發(fā)動機（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，而負端朝向細胞體，所以驅(qū)動蛋白

在神經(jīng)細胞中負責正向的運輸任務。

?運輸速度

驅(qū)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900nmo驅(qū)動蛋白每跨一步的長度為8nm,正好是一個aB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)動蛋白一次在

微管軌道上移動兩個球形亞基。

類驅(qū)動蛋白不限于神經(jīng)細胞，它們在所有的真核細胞中都有存在，參與ER產(chǎn)

生的各種小泡的運輸。

頭桿尾

圖10-21驅(qū)動蛋白的結構和運輸方式

（a）驅(qū)動蛋白的結構；（b）驅(qū)動蛋白的運輸方式

細胞質(zhì)動力蛋白（cytoplasmicdyneins）

1963年發(fā)現(xiàn)的第一個與微管相關的發(fā)動機蛋白是與纖毛和鞭毛運動有關的發(fā)

動機蛋白，相對分子質(zhì)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(fā)動機，擔負小

泡和各種膜結合細胞器的運輸任務。細胞質(zhì)動力蛋白在微管上移動的方向與驅(qū)動

蛋白相反，從正端移向負端。

圖10-22細胞質(zhì)動力蛋白的結構與運輸作用

(a)細胞質(zhì)動力蛋