原核生物鞭毛

细菌的鞭毛可被去除，因此可对鞭毛丝的再生进行研究。认为鞭 毛蛋白是一种呈球状或卵圆状蛋白，在细胞质内合成，通过鞭毛丝的 中央髓孔进行运输的。当它们到达顶端时，鞭毛蛋白亚基在特定丝状 体帽的指引下自发聚合，所以鞭毛丝是在其顶端而非基部生长的。由 鞭毛蛋白分子来合成鞭毛的过程称为自我组装：鞭毛丝组装所必需的 所有信息都存在于蛋白亚单位本身的结构中，虽然在鞭毛丝延长期， 生长速率很慢，但鞭毛的生长或多或少是不间断的，如果尖端部分折 断，它是可再生。
图16 细菌鞭毛马达结构示意图
MotA/MotB复合物
MotB的穿膜区域具有一个 保守的关键氨基酸—Asp， 它是质子的结合位点；
质子的转移会导致MotA胞 质区（MotAC）的构象改 变，这一改变可能会使 MotAC的关键带电残基 （Arg90和Glu98）与FliGC 上的保守带电残基相互作 用，进而驱动鞭毛马达的 旋转。
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二. 鞭毛的合成
鞭毛的合成是一个复杂的过程,涉及至少40多个 基因，除鞭毛蛋白基因外，还有10个或更多基因用 于编码钩形鞘蛋白和基体蛋白。fla、fli和flg基因是运 动所必需的，这些基因具有几种功能，包括编码鞭 毛器官的结构蛋白，将鞭毛组分从膜运到细胞外 部，还有在新的鞭毛合成中调控其周围的一些生化 变化。细胞中，从细胞分裂周期中发出的代谢因子 信号紧密地调节着鞭毛合成。
FliJ是胞质中的分子伴 侣，它和底物（即未 成熟的鞭毛蛋白）结 合，可以防止底物在 胞质中聚集。
4.3、蛋白输出过程
近期的遗传分析表明FliI水解ATP产生 的能量并不是直接被用于鞭毛蛋白的 转移过程的。而是用于诱导FliHx/FliI6 复合物解聚释放的。真正驱动蛋白转 移的是跨膜质子动力。
图23 鞭毛蛋白输出过程
FliG
F具li有GME和HFPlQiGRC的，保分守别 表面补丁和保守的疏 水补丁，并由一个а螺旋和一个短的延伸
连接子连接起来，该
连接中具有两个保守 的Gly残基，使连接更 加灵活；
图14 FliGMC的保守表面特征示意图
FliG
FliGM和FliGC所具有 EHPQR的保守表面区 和保守的疏水区均与 FliM存在相互作用， 在FliM的调节下，二 者通过它们之间的铰 链连接相对运动，进 而调节马达顺时针或 逆时针旋转。
鞭毛蛋白输出设备： 位于转子胞质面，该 设备可以识别、展开 鞭毛组分，并可以使 这些组分移位进入鞭 毛的中央通道和生长 末端，进而在细胞膜 外构建鞭毛；
定子：图中绿色部分所显 示，它是一种穿膜蛋白复 合物，并与肽聚糖层相 连，起到锚定基体的作 用；另外，形成了质子或 钠离子通道，并把质子流 或钠离子流跨膜形成的运 动力转化成为鞭毛马达旋 转所需要的机械功。
鞭毛丝的生长。鞭毛蛋白亚基通过鞭毛髓孔运输并加到正在生长的端部
鞭 毛 的 生 长 方 式 是 在 其 顶 部 延 伸
鞭毛的合成是自我装配（self-assembly）的一个极好例子。其过 程“是一个比我们任何人以前所想象的都要更复杂的过程”。鞭毛 丝组装所需要的信息就存在于鞭毛蛋白亚基结构中。
“帽子”在合成鞭毛中的作用
T环将PomA/PomB复合物募 集到马达中的一个适当的位 置，进而行使Na离子通道的 功能。
图20 钠离子驱动的鞭毛马达 中的定子装配模型
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4. 鞭毛蛋白输出设备
鞭毛蛋白输出设备由6种 整合膜蛋白（FlhA， FlhB，FliO，FliP，FliQ 和FliR）和三种可溶性 蛋白（FliH，FliI和FliJ） 组成；
G-菌鞭毛的超微结构 左：箭头所指是弯曲的钩形鞘和基体的位置 右：鞭毛基体
一、鞭毛的结构
从Sslmonella(沙门氏菌)野生型细胞 中分离得到的鞭毛的电子显微镜照片
鞭毛的示意图
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鞭毛由三部分组成：
基体：嵌入在细胞壁内的部分，即分子马达； 鞭毛钩：作为分子万向铰链，连接马达的主轴 和鞭毛丝，起传递扭矩的作用； 鞭毛丝：作为执行部件由马达驱动旋转，产生 推进力，驱动细菌运动，功能类似螺旋桨。
图22 FliI及其六聚体的结构示意图
4.2、FliH、FliJ
FliH二聚体结合于一分 子的FliI上；
FliH是FliI ATP酶活性 的负调节蛋白，它与 FliI结合，不但可以使 没有与底物结合的FliI 保持ATPase的低活 性，而且，它还是将 携带底物的FliI定位于 FlhA和FlhB 所必需 的。
2.2、FliM、FliN
FliM和FliN形成一个稳 定的复合物，其中包括 1个FliM拷贝和4个FliN 拷贝，这个复合物占据 了C环的大部分；
FliM既和FliG结合，又 和FliN结合，所以FliM 位于FliG和FliN之间。
图10 C环中FliG， FliM和FliN的假定位置
FliN
FliN是一个环状四聚体；
三. 鞭毛运动的机理
原核鞭毛的工作原理不同于真核鞭毛，其鞭毛丝的形状像一个刚性的螺旋，当 螺旋转动时，细菌运动。大量的证据表明，鞭毛的作用与小船的螺旋桨相似，而具 有直鞭毛或异常的长钩形鞘区域的细菌突变株不能游动。
鞭毛旋转的方向决定了细菌运动的性质。在进 行正常的向前运动时，极生单鞭毛逆时针（CCW） 转动，而细胞本身进行缓慢的顺时针（CW）旋 转。随着拖曳在后面的鞭毛的运动，旋转的螺旋状 鞭毛丝推动着细胞前进。同时，单鞭毛细菌还可通 过改变鞭毛旋转方向而随机停止并翻滚。
2 转子的结构
转子由四种蛋白组 成：FliF，FliG，FliM 和FliN； FliF自装配成嵌于细 胞膜中的MS环；
2.1、FliF（MS环）
利用去污剂溶解细菌 细胞膜碎片，可以分 离得到鞭毛基体，在 这个基体中的MS环主 要是由FliF构成的，所 以它又被称为FliF环， 具有5个结构域 ：R， S，C，M，P。
图7 FliF环的三维结构
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Crystal structures of FliGMC, FliM, and FliN, and a model for subunit organization in the C ring
FliM，FliN和FliG 自装配成C环，并 位于MS环的胞质 侧，它们不但负责 产生扭矩，而且还 可以切换方向，使 得马达可以逆时针 （CCW）或顺时 针（CW）旋转， 因此C环又被称为 切换蛋白（复合 体）。
周生鞭毛细菌，其鞭毛CCW旋转时向前运动， 这时鞭毛的钩形鞘区域弯曲，形成一个旋转簇，推 动它们前进，而鞭毛CW旋转则使该簇解开，细胞 发生翻滚。
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运动机制 鞭毛的运动机制是通过“栓菌”试验验证的。
鞭毛逆时针旋转推动细菌向前运动； 鞭毛顺时针旋转，菌体停止并翻滚（周 生鞭毛菌）或改变运动方向（极生鞭毛 菌，拉细胞代替了推细胞），然后回到 逆时针旋转推动细菌向前运动。
图17 转子与定子上的一些重 要功能性残基示意图
3.2、PomA/PomB复合物
PomA/PomB定子复合物与基体 的连接需要MotX和MotY； MotY的晶体结构包括两个明显的 区域，MotYN和MotYC； MotYN的作用是与MotX协同，将 PomA/PomB复合物连接在转子 周围； MotYC具有一个假定的肽聚糖结 合基序，通过结合于肽聚糖层来 稳定定子和转子之间的连接； 图18 MotY的晶体结构示意图
细菌也可不通过鞭毛旋转来运动。蓝 藻类细菌、粘细菌和一些支原体存在滑 动的运动方式，这些细菌可以3μm/s的 速率沿着固体表面滑动。
从图中可以看出：马达的转子部分看起来主要由杆，以及在 基体的胞质侧与其相连的M环和C环组成。M环和C环由多种蛋 白构成，其中FliG对鞭毛旋转的形成尤其重要。而马达定子部分 的两个最重要蛋白则是MotA和MotB，它们形成一个穿越质膜的 质子通道。
图11 FliN四聚体的晶体结构示意图 图12 FliN 四聚体在基体中的相对位置
2.3、FliG
FliG可以被分成三个结构域：FliGN，FliGM和 FliGC，FliGN负责结合到MS环上，形成M环的 外缘(有时也算作MS环的一部分）； FliGM和FliGC是两个紧凑的球形结构域。
图13 FliGMC的模式图
鞭毛合成涉及到众多微小部件，这些微小部件可以穿过鞭毛 中的空心通道从细胞胞体到达鞭毛的顶端。鞭毛顶端被一个 蛋白复合物“帽子”所覆盖，当微小部件吸附在鞭毛上时，不 知什么原因蛋白复合物总会使其通过。利用电子显微镜观察 这个过程，Koji Yonekura和同事们确定这个“帽子”有5条朝 下指向鞭毛生长区域的“腿”。当“帽子”旋转时，这些“腿”灵活 地调整它们形态，只为鞭毛留出一个小狭缝用于通行。 Robert M. Macnab在一篇相关的研究评述中写到，如果这种 解释是正确的话，这个远离细菌细胞的结构的装配过程“是一 个比我们任何人以前所想象的都要更复杂的过程”。
该设备位于MS-C环胞质 面的中央；
其中， FlhA和FlhB是 FliI/FliH的附着平台。
图21 鞭毛蛋白输出设备模型
4.1、FliI
FliI是蛋白输出设备的ATP酶； FliI的原子结构由三个结构域组成：N端的 β状结构域，α/βATP酶结构域和C端α 螺旋结构域； 它的序列与F0F1-ATP合成酶的α、β亚单 位具有显著的相似性； FliI能自装配成同源六聚体。
革兰氏阴性和阳性细菌的鞭毛
G-
G+
三部分：
（1）鞭毛丝：为中空、坚硬的圆柱体，由分子量为3~6×104的单一蛋白构成，称为鞭 毛蛋白，其顶端是封盖蛋白； （2）钩形鞘：连结鞭毛丝和基体的一段短小、弯曲的部分，相当于一个弹性联轴节， 比鞭毛丝略宽，由不同的蛋白亚基组成； （3）基体：包埋于细胞中，固定在细胞质膜与细胞壁上，是鞭毛中最复杂的部分。
图15 切换蛋白复合体中 亚单位的组织形式
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Fra Baidu bibliotek
3.定子在基体上的定位和结合
定子分为两类： 1、MotA/MotB复合物—由质子流驱动（如：
大肠杆菌和沙门氏菌）；
2、PomA/PomB复合物 —由钠离子流驱动 （如：溶藻弧菌）；
3.1、MotA/MotB复合物
MotA和MotB是整合膜蛋白，其 中，MotA有4个穿膜α螺旋结构 域，而MotB只有1个。它们形成的 复合物是由4个MotA和2个MotB组 成的；
MotA/MotB复合物作为跨细胞质膜 的质子通路，将质子流和扭矩的产 生偶联起来；
M处o，tB具在有它一的个C肽端聚周糖质结域合（mMoottiBf，C） 用于与肽聚糖层非共价连接，进而 将MotA/MotB复合物锚定于转子周 围。但定子与转子之间的相互作用 并不总是紧密结合的，而是高度动 态的。
1、基体（鞭毛马达）的结构
马达是由以下部分组成：
LP环：作为马达轴承， 其中L环固定于细胞壁外 层，P环固定于细胞壁内 层；
转子：也就是MS-C环， 它是穿膜蛋白复合物， 也是带动鞭毛运动的关 键部分；
图5 鞭毛钩—基体的示意图
中心杆：位于轴承中 央，相当于转杆，它 穿过L、P和M S环， 可以自由转动；
鞭毛不是直的而是螺旋形，平展时，在两个相邻弯曲间表 现出恒定的长度，叫做波长，这种波长对各种生物体来说是恒 定的。
鞭毛的形状和波长一部分由鞭毛蛋白质的结构决定，在 某种程度上还由鞭毛旋转方向决定。这里讨论的基本鞭毛结构 在原核生物机制中是基本不变的，在细菌和古细菌的各种种类 中鞭毛基本结构与运动是非常相似的。鞭毛的结构在相关各群 细菌中是高度保守的，这进一步说明鞭毛运动性有很深进化根 源。
鞭毛(flagella)
引言——细菌的鞭毛
极生单毛 铜绿假单胞菌
Pseudomonas aeruginosa on Mica Imaged in Air; AC mode, 5µm scan.
端生丛毛
幽门螺杆菌 Helicobacter pylori
周生鞭毛 破伤风梭菌 Clostridium tetani
PomA/PomB复合物
MotY输出到周质，并 和MotX一起自由扩 散，找到鞭毛基体上 的结合位点，以此在 基体上适当地安装和 锚定，最终形成T 环。
图19 T环在基体中的相对位置
PomA/PomB复合物
MotY被输出到周质，和MotX 形成一个复合物，该复合物在 基体周围扩散；
通过MotYN介导，MotX/MotY 复合物与基体，可能为基体中 P环之间的相互作用，导致了 MM也oo因ttYY此CC的牢稳构固定象的了发结M生合otX变在/M化PoG，t上Y这复，使合 物与基体的结合，进而形成T 环；