10细胞骨架与细胞运动

10 第十章. 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)。 HYPERLINK "javascript:openpic('../images/pic/pic1001.gif')" INCLUDEPICTURE "http://202.116.65.197/jpkc/xbsw/10/images/pic/pic1001s.gif" \* MERGEFORMATINET 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)。 HYPERLINK "javascript:openpic('../images/pic/pic1002.gif')" INCLUDEPICTURE "http://202.116.65.197/jpkc/xbsw/10/images/pic/pic1002s.gif" \* MERGEFORMATINET 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, 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?( 什么是细胞骨架?在细胞内的主要功能是什么?（答案） 答: 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、肌动蛋白纤维和中间纤维。 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、细胞分化等一系列方面起重要作用。 ① 作为支架(scaffold),为维持细胞的形态提供支持结构，例如红细胞质膜的内部主要是靠以肌动蛋白纤维为主要成分的膜骨架结构维持着红细胞的结构。 ② 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网络。 ③ 为细胞内的物质和细胞器的运输/运动提供机械支持。例如从内质网产生的膜泡向高尔基体的运输、由胞吞作用形成的吞噬泡向溶酶体的运输通常都是以细胞骨架作为轨道的；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。 ④ 为细胞从一个位置向另一位置移动提供支撑。一些细胞的运动, 如伪足的形成也是由细胞骨架提供机械支持。典型的单细胞靠纤毛和鞭毛进行运动, 而细胞的这种运动器官主要是由细胞骨架构成的。 ⑤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。 ⑥ 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。 ⑦ 是细胞分裂的机器。有丝分裂的两个主要事件, 核分裂和胞质分裂都与细胞骨架有关, 细胞骨架的微管通过形成纺锤体将染色体分开, 而肌动蛋白丝则将细胞一分为二。 ) 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)。 HYPERLINK "javascript:openpic('../images/pic/pic1003.gif')" INCLUDEPICTURE "http://202.116.65.197/jpkc/xbsw/10/images/pic/pic1003s.gif" \* MERGEFORMATINET 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?( 如何用荧光显微镜研究细胞骨架? 其基本原理是什么?（答案） 答: 用荧光显微镜研究细胞骨架主要是基于两方面的原理:一是组成细胞骨架的蛋白亚基能够同小分子的荧光染料共价结合, 使细胞骨架带上荧光标记, 发出荧光。二是可以制备细胞骨架的荧光抗体, 然后用荧光抗体进行细胞骨架的研究。借助于这两方面原理, 可用荧光显微镜研究细胞骨架的动力学。例如，用小分子的荧光染料标记细胞骨架的蛋白亚基, 就可以追踪细胞骨架蛋白在细胞活动中的作用，包括组装、去组装、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。荧光抗体既可以直接注射活细胞进行反应，也可以加到固定的细胞或组织切片中进行反应和。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。 )   ■ 电视显微镜(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)。 HYPERLINK "javascript:openpic('../images/pic/pic1004.gif')" INCLUDEPICTURE "http://202.116.65.197/jpkc/xbsw/10/images/pic/pic1004s.gif" \* MERGEFORMATINET 图10-4 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)。 HYPERLINK "javascript:openpic('../images/pic/pic1005.gif')" INCLUDEPICTURE "http://202.116.65.197/jpkc/xbsw/10/images/pic/pic1005s.gif" \* MERGEFORMATINET 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, 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24～26nm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体为基本构件构成的(图10-6)。 HYPERLINK "javascript:openpic('../images/pic/pic1006.gif')" INCLUDEPICTURE "http://202.116.65.197/jpkc/xbsw/10/images/pic/pic1006s.gif" \* MERGEFORMATINET 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α和β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α微管蛋白(α-tubulin)和β微管蛋白(β-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 α亚基由450个氨基酸组成, β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35～40%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。α和β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α亚基, 另一个位于β亚基上。α亚基上的GTP结合位点是不可逆的结合位点。结合在β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)。 HYPERLINK "javascript:openpic('../images/pic/pic1007.gif')" INCLUDEPICTURE "http://202.116.65.197/jpkc/xbsw/10/images/pic/pic1007s.gif" \* MERGEFORMATINET 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+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)。 HYPERLINK "javascript:openpic('../images/pic/pic1008.gif')" INCLUDEPICTURE "http://202.116.65.197/jpkc/xbsw/10/images/pic/pic1008s.gif" \* MERGEFORMATINET 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0.2μm. 长为0.4μm，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)。 HYPERLINK "javascript:openpic('../images/pic/pic1009.gif')" INCLUDEPICTURE "http://202.116.65.197/jpkc/xbsw/10/images/pic/pic1009s.gif" \* MERGEFORMATINET 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，通常是纺锤体的(+)端同染色体接触。   ■ γ微管蛋白(γ tubulin) 在微管组装中的作用 虽然组成微管的亚基是α、β微管蛋白二聚体, 但是存于中心体的另一种微管蛋白：γ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γ-微管蛋白通过与β-微管蛋白的相互作用帮助微管的成核反应(nucleation)。 HYPERLINK "javascript:openpic('../images/pic/pic1010.gif')" INCLUDEPICTURE "http://202.116.65.197/jpkc/xbsw/10/images/pic/pic1010s.gif" \* MERGEFORMATINET 图10-10 γ微管蛋白介导微管组装的两种模型 在这两个模型中, γ微管蛋白先形成一个圆环(左)或形成钩环结构(右), γ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γ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γ微管蛋白环状复合体(γ-tubulin ring complex, γ-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)。 HYPERLINK "javascript:openpic('../images/pic/pic1011.gif')" INCLUDEPICTURE "http://202.116.65.197/jpkc/xbsw/10/images/pic/pic1011s.gif" \* MERGEFORMATINET 图10-11 微管的组装过程 微管组装的基本过程怎样?( 微管组装的基本过程怎样?（答案） 答: 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。虽然在体外组装过程中二聚体可以在微管的两端加减, 然而在大多数体外实验的条件下, 二聚体的加减优先在微管的一端进行, 这一端被称为正端(+), 另外一端则被称为负端(-)。 根据体外实验的结果推测微管组装的主要过程是∶首先, α微管蛋白和β微管蛋白形成长度为8nm的αβ二聚体, αβ二聚体先沿纵向聚合形成一个短的原纤维，这种原纤维可能是不够稳定的。第二步是以原纤维为基础，经过侧面增加二聚体而扩展为弯曲的片状(sheet)结构，这种片状结构的稳定性大大提高。第三步是αβ二聚体平行于长轴重复排列形成原纤维。当螺旋带加宽至13根原纤维时, 即合拢形成微管的壁。游离的、在β微管的交换位点结合有GTP的αβ微管蛋白二聚体再不断加到这一微管的端点使之延长。 在同一根微管的13条原纤维中, 所有αβ二聚体的取向都是相同的, 所以微管的两端是不等价的, 这就是微管的极性。在αβ二聚体微管蛋白掺入到新生微管之后不久，β亚基上的GTP被水解成GDP，如果聚合作用比水解作用快，那么，就会在微管的一端产生结合有GTP的帽子结构，这就是(+)端，通常(+)端聚合作用的速度是(-)端聚合作用的两倍。 )   ■ 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αβ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, 组装成的微管的一端是α-微管蛋白亚基组成的环，而相对的一端是以β-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)。 HYPERLINK "javascript:openpic('../images/pic/pic1012.gif')" INCLUDEPICTURE "http://202.116.65.197/jpkc/xbsw/10/images/pic/pic1012s.gif" \* MERGEFORMATINET 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β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αβ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αβ微管蛋白二聚体上的GDP要与GTP交换，使αβ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?( 微管体外组装需要哪些基本条件?GTP在组装中起什么作用?（答案） 答: 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)。他发现，只要降低或提高反应温度就可以使微管去组装和重组装。通过体外组装实验，还发现在反应系统中添加微管碎片能够加速微管的组装，加入的微管碎片起着“种子”的作用。根据这一实验, 推测微管组装的基本条件是: αβ微管蛋白二聚体、GTP、Mg2+和合适的温度。 聚合过程需要加入GTP，但对于微管的组装来说不需要GTP水解成GDP。实验中发现αβ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。推测GTP的作用有两个: 一是αβ微管蛋白二聚体与GTP结合之后才能作为微管组装的构件,二是通过GTP水解使微管去组装, 保持微管的动态性质。 ) ● 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 concentration)、药物等( 图10-13)。 HYPERLINK "javascript:openpic('../images/pic/pic1013.gif')" INCLUDEPICTURE "http://202.116.65.197/jpkc/xbsw/10/images/pic/pic1013s.gif" \* MERGEFORMATINET 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α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α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)。 HYPERLINK "javascript:openpic('../images/pic/pic1014.gif')" INCLUDEPICTURE "http://202.116.65.197/jpkc/xbsw/10/images/pic/pic1014s.gif" \* MERGEFORMATINET 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。 HYPERLINK "javascript:openpic('../images/pic/pic1015.gif')" INCLUDEPICTURE "http://202.116.65.197/jpkc/xbsw/10/images/pic/pic1015s.gif" \* MERGEFORMATINET 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αβ微管蛋白二聚体, 其浓度也是处于不断的变化之中。由于αβ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αβ微管蛋白二聚体, 一种是刚从微管中脱下的, 这种αβ微管蛋白二聚体是GTP-GDP型, 另外一些αβ微管蛋白二聚体的两个亚基都结合有GTP, 是GTP-GTP型。所谓正端的αβ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)。 HYPERLINK "javascript:openpic('../images/pic/pic1016.gif')" INCLUDEPICTURE "http://202.116.65.197/jpkc/xbsw/10/images/pic/pic1016s.gif" \* MERGEFORMATINET 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?( 什么是微管的GTP帽和GDP帽?对微管的动态性质有什么影响?（答案） 答: 所谓微管的GTP或GDP帽就是微管正端αβ微管蛋白二聚体结合GTP或GDP的状态。如果微管正端结合的是由结合GTP的微管蛋白二聚体组成的GTP帽结构, 微管就趋于生长, 如果微管的正端结合的是由结合GDP的微管蛋白二聚体组成的GDP帽结构, 这种微管就趋于缩短。决定微管正端是GTP帽还是GDP帽, 又受两种因素影响, 一是结合GTP的游离微管蛋白二聚体的浓度, 二是GTP帽中GTP水解的速度。 当(+)端形成GTP帽，而游离微管蛋白二聚体的浓度又很高时，微管趋向于生长。由于结合GTP的游离微管蛋白二聚体的浓度降低，引起微管延长的速率下降，随着GTP水解的不断进行最后GTP帽结构转变成GDP，逐渐使微管变得不稳定，趋于解聚。细胞内微管的这两种状态是不断发生的, 因为细胞内不断有微管解聚,又不断地有新微管的组装。 ) 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。 HYPERLINK "javascript:openpic('../images/pic/pic1017.gif')" INCLUDEPICTURE "http://202.116.65.197/jpkc/xbsw/10/images/pic/pic1017s.gif" \* MERGEFORMATINET 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 MAP1A 350 神经组织 MAP1B(MPA5) 325 神经组织 MAP2A，MPA2B 270 神经组织 MAP2C 70 神经组织 Tau 蛋白 50-65 神经组织 MAP4 200 广泛存在 MAP3 180 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∶①使微管相互交联形成束状结构，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；②通过与微管成核点的作用促进微管的聚合；③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；④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, 而是靠它的臂同固定轨道的结合并不停地摆动向前推进。 HYPERLINK "javascript:openpic('../images/pic/pic1018.gif')" INCLUDEPICTURE "http://202.116.65.197/jpkc/xbsw/10/images/pic/pic1018s.gif" \* MERGEFORMATINET 图10-18 假设的分子发动机运输模型 ①在一次机械活动的循环中，发动机与轨道的结合点结合；②在力的驱动下，发动机进行机械运动；③发动机与结合点脱离；④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。 HYPERLINK "javascript:openpic('../images/pic/pic1019.gif')" INCLUDEPICTURE "http://202.116.65.197/jpkc/xbsw/10/images/pic/pic1019s.gif" \* MERGEFORMATINET 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。 HYPERLINK "javascript:openpic('../images/pic/pic1020.gif')" INCLUDEPICTURE "http://202.116.65.197/jpkc/xbsw/10/images/pic/pic1020s.gif" \* MERGEFORMATINET 图10-20 驱动蛋白的结构 ● 运输方向 体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αβ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在，参与ER产生的各种小泡的运输。 HYPERLINK "javascript:openpic('../images/pic/pic1021.gif')" INCLUDEPICTURE "http://202.116.65.197/jpkc/xbsw/10/images/pic/pic1021s.gif" \* MERGEFORMATINET 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。 HYPERLINK "javascript:openpic('../images/pic/pic1022.gif')" INCLUDEPICTURE "http://202.116.65.197/jpkc/xbsw/10/images/pic/pic1022s.gif" \* MERGEFORMATINET 图10-22 细胞质动力蛋白的结构与运输作用 （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。 HYPERLINK "javascript:openpic('../images/pic/pic1023.gif')" INCLUDEPICTURE "http://202.116.65.197/jpkc/xbsw/10/images/pic/pic1023s.gif" \* MERGEFORMATINET 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10-24)。 HYPERLINK "javascript:openpic('../images/pic/pic1024.gif')" INCLUDEPICTURE "http://202.116.65.197/jpkc/xbsw/10/images/pic/pic1024s.gif" \* MERGEFORMATINET 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?( 什么是轴突运输?有什么特点?（答案） 答: 在神经元细胞中, 轴突末端到细胞体的距离很长, 并且轴突末梢要释放大量的神经递质, 所以神经元必须不断供给大量的物质, 包括蛋白质、膜, 以补充因轴突部位的胞吐而丧失的成分。由于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。 轴突中以微管为基础的运输有两种方式∶顺向运输和逆向运输。 神经细胞的细胞体是神经细胞的中心，是圆形的部分。细胞体中有细胞核、内质网、高尔基体，以及其它的细胞器。细胞体中合成的蛋白质有些以分泌小泡的形式向轴突末梢运输，如神经递质等。这些分泌小泡主要是靠驱动蛋白通过微管运向轴突末梢，这叫外向运输(outward transport)，又称顺向运输(anterograde transport)。轴突末梢膜内吞形成的内吞泡从末梢向细胞体部的运输则是由细胞质动力蛋白沿微管向内运输的，这种方向的运输称为向内运输(inward transport)，或称为逆向运输(retrograde transport)。另外,不同的物质其运输的速度是不同的，可分为三类: 第一类是快速运输的物质, 主要是各种膜泡, 大约250mm/天, 或3μm/s 。第二类是慢速运输物质, 主要是聚合的骨架蛋白, 运输速度每天不到1mm。像线粒体之类的细胞器的运输速度介于二者之间, 是第三类物质。 ) ● 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。 HYPERLINK "javascript:openpic('../images/pic/pic1025.gif')" INCLUDEPICTURE "http://202.116.65.197/jpkc/xbsw/10/images/pic/pic1025s.gif" \* MERGEFORMATINET 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。 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 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 (-) HYPERLINK "javascript:openpic('../images/pic/pic1026.gif')" INCLUDEPICTURE "http://202.116.65.197/jpkc/xbsw/10/images/pic/pic1026s.gif" \* MERGEFORMATINET 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。 HYPERLINK "javascript:openpic('../images/pic/pic1027.gif')" INCLUDEPICTURE "http://202.116.65.197/jpkc/xbsw/10/images/pic/pic1027s.gif" \* MERGEFORMATINET 图10-27 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150μm, 数量较少，并且是波浪式摆动。而纤毛较短，平均长度为5-10μm，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)。 HYPERLINK "javascript:openpic('../images/pic/pic1028.gif')" INCLUDEPICTURE "http://202.116.65.197/jpkc/xbsw/10/images/pic/pic1028s.gif" \* MERGEFORMATINET 图10-28 典型的真核细胞的纤毛或鞭毛结构组成 纤毛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)。 HYPERLINK "javascript:openpic('../images/pic/pic1029.gif')" INCLUDEPICTURE "http://202.116.65.197/jpkc/xbsw/10/images/pic/pic1029s.gif" \* MERGEFORMATINET 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?( 纤毛和鞭毛的结构组成和特点是什么?（答案） 答: 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。 A管上有两个短臂长约15nm, 粗约5nm, 两个短臂之间的间隔约24nm。外臂指向邻近一对微管的B微管, 组成臂的成分是动力蛋白。纤毛的动力蛋白是一种多亚基的ATP酶, 能为Ca2+、Mg2+所激活。 中央微管和A管是完全微管, 由13条原纤维组成。B微管只有10条原纤维, 有3条是同A微管共用的，故每组周围微管的原纤维共有23条。在两个相邻二联管之间有微管连丝蛋白(nexin)将相邻微管二联体结合在一起。另外, 每个二联管的A管上有放射辐条(radial spoke)与中央微管鞘相连。 纤毛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。