细胞生物学第四版(细胞骨架2)

七、细胞内依赖于微管的物质运输
• 真核细胞内一些生物大分子的合成部位与行使功能 的部位往往是不同的，因此，必然存在精细的物质 转运系统和分选机制。在微管和一些模性细胞器之 间常常会出现一些横桥样结构。许多细胞器或膜状 小泡在细胞内沿着微管作定向运动。这种依赖于微 管的膜泡运输是个需能的靶向过程。
• 依赖于微管的马达蛋白主要有驱动蛋白和胞质动力 蛋白，它们能将储存于ATP中的化学能转化成机械 能，沿着微管运输“货物”。
• 鞭毛和纤毛内部的微管起源于其基部的基体。基体在 结构上与中心粒基本一致，但C管止于中途。
中心体的微管成核作用（图10-22）
中心体的结构及微管的成核（图10-23）
四、微管的动力学性质
• 微管的稳定性与其所结合的细胞结构组分以及细 胞的生理状态相关。 • 当细胞处于正常的生长状态时，微管的组装和去 组装并不是同步进行的。 • 微管所表现的组装和去组装这种动力学不稳定性 通常都发生在正极或中心体的远端。当微管的游 离端与某些细胞结构结合后整根微管就会变得相 对稳定。
• 不同状态的微管其稳定性差异很大。如微管被乙 酰化修饰而相对稳定，鞭毛或纤毛内部源于基体 的微管；又如与微管结合蛋白结合的微管稳定性 增强。
• 生长中的轴突和树突内部的微管呈束状排列。微 管束在生长锥部位稍显发散并伸展至片状伪足的 中央区，外围区则是微丝。
• 微管结合蛋白（microtubule associated protein， MAP）：一类结合在微管表面的蛋白质，始终伴随微管 的组装和去组装而存在，对微管的组织结构和功能具有 调控作用。包括MAP1、MAP2、MAP3、MAP4和tau 蛋白。
驱动蛋白分子重链和轻链结构模式图 （图10-26）
• 驱动蛋白超家族蛋白（KIFs）成员：已经确定的有14 个家族（1~14阿拉伯数字表示，其中的亚族用英文字 母表示）和一个暂时未成组的“orphan kinesin”。
• 大部分驱动蛋白可通过多肽链上一段卷曲螺旋相互作用 而形成同源二聚体，有的可形成异三聚体或同源四聚体。
• 肌球蛋白不具备沿着微丝持续向前运动的能力， 但却能提高其整体移动的速度，因为粗肌丝上大 量规则排列的肌球蛋白头部与相同的微丝协同相 互作用。
（二）细胞质动力蛋白及其功能
• 动力蛋白（dynein）超家族由2个家族组成：细胞 质动力蛋白（cytoplasmic dynein）和轴丝动力蛋 白（axonemal dynein）（鞭毛或纤毛动力蛋白）。 动力蛋白的重链同样含有马达结构域（ATP结合部 位和微管结合部位），通过水解ATP沿着微管运动。 动力蛋白是马达蛋白中最大的移动速度最快的成员。 • 胞质动力蛋白（cytoplasmic dynein, CyDn）： 由多条肽链组成的巨型马达蛋白，利用ATP水解释 放的能量将“货物” 沿微管向负极端转运。CyDn 与动力蛋白激活蛋白（dynactin）复合物密切相关。 Dynactin调节动力蛋白活性和动力蛋白与其“货物” 的结合能力
• 驱动蛋白的分子结构：在结构上与Ⅱ型肌球蛋白相似 （如驱动蛋白-1），由2条具有马达结构域的重链 （KHC）和2条与重链的尾部结合的具有“货物” 结合 结构域的轻链（KLC）组成。驱动蛋白分子是一条长 80nm的杆状结构，由头部（即重链的N端，具有2个球 状的马达结构域）、颈部（重链）、杆状区（重链）和 扇形尾端（即重链的C端和轻链构成，具有“货物” 结 合结构域）组成。
• 细胞内微管通常以单管（细胞质微管和纺锤体微管）、 二联体微管（纤毛和鞭毛中的轴丝微管）或三联体微 管（中心体或基体的微管）形式存在。 • 马达蛋白利用水解ATP产生的能量携带所运输的“货 物”沿微管运动。
微管和微管蛋白（图10-19）
• 请你仔Байду номын сангаас找一下微管的“接缝”！
二、微管的组装和去组装
• 实际上，微管的快速组装与去组装行为对于微管行使 其功能极为重要；但有些微管与某些蛋白质或细胞结 构结合而保持相对稳定。
微管组装的过程与踏车行为（图10-20）
微管的动态不稳定性依赖于微管末端-微管 蛋白上GTP的有无（图10-21）
（二）作用于微管的特异性药物
• 秋水仙素（colchicine）：低浓度的秋水仙素处理 细胞，可立即破坏细胞内的微管或纺锤体的结构。 秋水仙素在微管末端的结合影响该处的组装，但并 不影响该处的去组装。
驱动蛋白沿微管的步行模型（图10-28）
• L：“前”马达结构域 T：“后”马达结构域 • L ＋ T ·ADP →L ·ATP ＋ T ·ADP前移16nm→ T＋ L ·ADP
• 引发驱动蛋白分子沿着微管持续向前移动的原因 有2个：① 每个驱动蛋白分子的2个马达结构域的 化学-机械循环是互相协调的（始终保证有1个马 达结构域与微管结合着），即在一个马达结构域 还没有与微管结合之前，另一个马达结构域不会 脱离微管，从而保证了步行的连续性，即马达分 子和所运的“货物”不会脱离微管；② 驱动蛋白 的马达结构域在ATP酶循环的大部分时间里都与 微管紧密结合。
（一）微管的体外组装与踏车行为 （二）作用于微管的特异性药物
（一）微管的体外组装与踏车行为
• 微管的体外组装的过程：①原纤丝装配： α/β-微管蛋 白首先装配成原纤丝；②侧面层装配：原纤丝侧向相 互作用形成片层；③微管延伸：由13根原纤丝合拢形 成微管，α/β-微管蛋白从两端聚合（或解聚）使微管延 长（或缩短）。当达到临界浓度时，微管的长度将保 持不变。
• 驱动蛋白的功能：驱动蛋白1~3家族成员主要与大分子 复合物和膜性细胞器的运输相关；其它驱动蛋白家族成 员主要在于调节微管的动态不稳定性和微管网络的结构。
驱动蛋白家族成员的结构与功能（表10-1）
细胞内依赖于微管的物质运输系统（图10-27）
2. 驱动蛋白沿着微管运动的机制
• 驱动蛋白的马达结构域具有2个重要的功能位点： ATP结合位点和微管结合位点。 • 驱动蛋白沿着微管运动的分子模型有2种：① 步行 （hand over hand）模型：驱动蛋白的2个头部交 替向前，每水解1个ATP分子，落在后面的那个马 达结构域将向前移动2倍的步距，即16nm。而原来 领先的那个头部则在下一个循环时再向前移动。② “尺蠖” （inchworm）模型：驱动蛋白2个头部 中的一个始终向前，另一个永远在后，每步移动 8nm（一个微管蛋白长度8nm）。
• 原纤丝（protofilament）：微管的横截面是由13个球 形蛋白亚基构成的环状结构。微管的管壁是由α/β-微 管蛋白异二聚体纵向排列而成的13根原纤丝合拢而成。 由于相邻的原纤丝之间在排列上存在1nm左右的交错， 以至微管蛋白沿微管的圆周呈螺旋状排列，在微管合 拢的位置微管蛋白构成的螺旋被终止，出现α-微管蛋 白和β-微管蛋白之间的横向结合，并产生纵贯长轴的 “接缝”。每一根原纤丝的两端都是不对称的，它们 在微管的某一端都是α-微管蛋白，而在另一端都是β微管蛋白，从而使得整根微管在结构上呈极性状态。 人们通常将微管组装较快的一端称为正极（拥有β-微 管蛋白），而另一端称为负极。
第二节 微管及其功能
一、微管的结构组成与极性 二、微管的组装和去组装 三、微管组织中心 四、微管的动力学性质 五、微管结合蛋白对微管网络结构的调节 六、微管对细胞结构的组织作用 七、细胞内依赖于微管的物质运输 八、纤毛和鞭毛的结构与功能 九、纺锤体与染色体运动
一、微管的结构组成与极性
• 微管（microtubule, MT）：一种内/外径分别为 15/24 nm的中空的管状细胞骨架纤维，由α/β微管蛋白 形成的异二聚体组装而成。大部分微管在细胞质内形 成暂时性的结构。
• 微管去稳定蛋白（stathmin）：去磷酸化的stathmin 结合一对α/β-微管蛋白，降低α/β-微管蛋白的有效浓度， 促进解聚；磷酸化的stathmin则失去与微管蛋白结合的 活性，提高α/β-微管蛋白的有效浓度，促进组装。细胞 可以通过调节局部stathmin 的磷酸化状态来调控微管 的组装与分布。
MAP2和tau蛋白诱导产生的微管束的结构（图10-24）
• A：箭头所指为 tau蛋白横桥 • B：示MAP2 • C：示tau蛋白 • D：示MAP2诱导 微管间距（大） • E：示tau蛋白诱 导微管间距（小）
六、微管对细胞结构的组织作用
• 包括蛋白质和mRNA在内的各种生物大分子、 内质网和高尔基体等细胞器在细胞内通常都有 特定的空间分布，而线粒体总是被运往细胞内 能量需求较大的部位发挥作用。 • 微管的极性与细胞内的物质运输密切相关。物 质沿着微管定向转移为细胞内各种细胞器和生 物大分子的不对称分布以及细胞的形态发生与 维持都提供了可能。
• 微管的主要功能：微管参与细胞形态的发生和维持、 细胞内物质运输、细胞分裂和细胞运动等过程。
微管蛋白（tubulin）：一个能聚合形成微管的
球状细胞骨架蛋白家族。 α/β-微管蛋白异二聚体是微 管组装的基本单位，它们相互作用的界面上呈互补关 系。α/β-微管蛋白上都有一个GTP结合位点，但α-微管 蛋白上结合的GTP不能被水解，称为不可交换位点（N 位点），而β-微管蛋白上结合的GTP可水解，直接参 与微管组装，称为可交换位点（E位点）。此外，微管 蛋白上还有二价阳离子结合位点，一个秋水仙素结合 位点，一个长春花碱结合位点。微管蛋白的C端均含有 酸性氨基酸序列，因此微管表面带有较强的负电荷。 有些微管蛋白亚基上特定的氨基酸残基可被乙酰化修 饰。哺乳动物中至少有6个编码微管蛋白的基因；细菌 和古细菌中的FtsZ蛋白与微管蛋白同源。
（一）驱动蛋白及其功能 （二）细胞质动力蛋白及其功能
在轴突内部的微管和膜性细胞器之间有马达 蛋白构成的横桥（箭头所指）相连（图1025）
（一）驱动蛋白及其功能
1.驱动蛋白的分子结构与功能
• 驱动蛋白（kinesin）：指能利用ATP水解所释放的能 量驱动自身及所携带的“货物” （如膜性细胞器）沿 微管运动的一类马达蛋白，与细胞内物质运输相关。
• γ-微管蛋白对微管的起始组装有重要作用：微管直接 起源于中心粒外围无定形致密周质区（PCM）。成 核模型认为：由13个γ-微管蛋白在中心体的PCM中 呈螺旋状排列形成的开放的环状复合物，决定着微管 原纤丝的数目和极性。当微管组装时，γ-微管蛋白只 与微管蛋白二聚体中的α-微管蛋白结合，这样，朝外 的一端就一定是β-微管蛋白（即正极端）。
五、微管结合蛋白对微管网络结构的调节
• MAP通常都是单基因编码，具有一个或数个带正电荷的 微管结合域，MAP通过其一端带正电荷的微管结合域与 带负电荷的微管表面结合，而另一端（常为N端）的结 构域突出于微管表面与相邻的微管或其它细胞结构相连， 对微管网络的结构和功能进行调控。 • 突出于微管表面的N端结构域的长短决定微管束相邻微 管间横桥的距离。
• 驱动蛋白的行为与其马达结构域在多肽链中的位置有关： ① N-驱动蛋白：（KIF1~12家族）马达结构域在N端， 向正极端移动；② M-驱动蛋白：（KIF13家族）马达结 构域在中部，结合在微管的正极端或负极端，使得微管 处于不稳定状态（动粒微管两端的解聚）；③ C-驱动 蛋白：（KIF14家族）马达结构域在C端，向负极移动。
• 微管的动态不稳定性依赖于微管末端β-微管蛋白上 GTP的有无：当体系中α/β-微管蛋白浓度大于临界浓度 时，微管末端新的微管蛋白加入的速度大于GTP水解 的速度，末端的β-微管蛋白上带有GTP，组装快于解 聚；反之，则发生原纤丝弯曲，微管末端倾向于解聚。
• 踏车行为：当微管一端组装的速度与另一端解聚（去 组装）的速度相等时，微管的长度保持稳定，即所谓 的“踏车行为”。
• 紫杉醇（taxol）：作用于秋水仙素相反，即不影 响微管的组装，但阻止微管的去组装。 • 一些影响细胞内微管组装与去组装的药物用于肿瘤 的治疗 • 微管组装与去组装的动态还与温度有关。通常以 20℃为限，但有些微管在低温下仍保持稳定（冷稳 定性微管）。
三、微管组织中心
• 微管组织中心（microtubule organizing centers, MTOC）：在活细胞中，能够起始微管成核组装并使 之延伸的细胞结构，称为微管组织中心，如中心体、 轴突、基体和其它特殊的部位（核膜外表面、细胞的 两极、高尔基体的反面膜囊区和新断的微管）等。 • 中心体（centrosome）：由一对相互垂直的圆柱状 （桶状）中心粒及周围无定形的电子致密的基质 （PCM）组成，是微管组织中心。中心粒 （centriole）由9组平行排列的等间距的三联体（A、 B和C）微管组成，A管为完全微管，B管和C管为不 完全微管。