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(2019-03-12 21:44:48)
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一、微管
1.微管的结构和类型
（1）微管的基本构件——微管蛋白
微管是以微管蛋白异源二聚体为基本构件，螺旋盘绕形成的。在每根微管中微管蛋白二聚体头尾相接，形成细长的原纤维，13条这样的原纤维纵向排列组成微管的壁。
组成微管的球形微管蛋白是α微管蛋白和β微管蛋白，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，作为微管装配的亚基。
α和β微管蛋白都由450个氨基酸组成，它们的分子质量约450个氨基酸组成，它们的分子质量约55kDa.直径为4nm球形分子，所以这种异源二聚体的长度为8nm。
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，是不可逆的GTP结合位点，结合上去的GTP不能被世界，也不能被GDP替换。另一个位于β亚基上，结合在该位点上的GTP能够被水解成GDP，所以这个位点又称为可交换位点（E位点）。多肽链63-77位的氨基酸序列结合GTP的嘌呤部分，180-183位的氨基酸序列结合GTP的喝汤汤部分，GTP的磷酸部分的结合区域由142-148位氨基酸残基组成。
（2）微管的类型
单体微管：在多数情况下，微管都是以简单的单体存在，大部分细胞质微管是单体微管，它在低温、Ca2+和秋水仙素作用下容易解聚，属于不稳定微管。
双联体：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。组成双联体的单管分别称为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，所以双联体是由两个单体融合而成的，一个双联体只有23根原纤维。
三联体见于中心粒和基体，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，所以一个三联体共有33根原纤维。三联体对于低温、Ca2+和秋水仙素的作用是稳定的。
根据微管的稳定性，可分为两类：稳定的长寿微管和动态短寿微管。当微管的结构需要快速装配和去装配的时候，微管就是动态的。其中，纺锤丝是动态的短寿微管。在一些不进行复制的细胞中含有稳定的长寿的微管结构。
微管结构和成分
二、微管装配的动力学
1.微管装配的起始点：微管组织中心
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装配的结构叫微管组织中心（MTOC）。多数情况下MTOC是中心体。
MTOC的主要作用是帮助大多数细胞质微管装配过程中的成核反应，微管从MTOC开始生长，这是细胞质微管装配的一个独特的性质，即细胞质微管的装配受统一的功能位点控制。
中心体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旁基质。中心粒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，且相互垂直成“L”形排列。中心粒直径为0.2μm。长为0.4μm，是中空的短柱状结构。圆柱的壁由9组兼具均匀的三联管组成，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个微管分别称为A、B、C纤维，A伸出两个端壁，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。
中心体并非是唯一的MTOC，基体是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。其他类型的细胞具有不同类型的MTOC，如真菌的细胞有初级MTOC，称为纺锤极体。
MTOC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MTOC的一端由于生长慢而称之为负端，远离MTOC一端的微管生长速度快而被称之为正端，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。
神经细胞中微管的指向是一个例外。在树突中，没有明显的MTOC，树突中的微管既有（+）端指向神经细胞体，也有（-）端指向神经细胞体。但是在轴突中，所有微管的极性相同。
在植物细胞既没有中心体，又没有中心粒，植物细胞中的MTOC是细胞核外被表面的成膜体。
微管从微管组织中心向外生长
2.γ微管蛋白在微管装配中的作用
存在于中心体的另一种微管蛋白，即γ微管蛋白对微管形成有着重要的作用，γ微管蛋白通过与β微管蛋白胨额相互作用帮助微管成核。
中心粒装配结构
3.微管的组装过程
体内微管装配的过程比较复杂，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微管蛋白的交换位点结合有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。在同一根微管的条原纤维中，所有αβ二聚体的去向都是相同的。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。
微管装配过程
4.微管的极性
微管的极性有两层含义，一是装配的方向性，二是生长速度的快慢。由于微管以αβ二聚体为基本构件进行装配的，并且是以首尾排列的方式进行组装，所以，装配成的微管的一端是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。极性的另一层含义是两端的装配速度是不同的，（+）端生长得很快，（-）端则慢，同样，如果微管去组装
也是（+）端快（-）端慢。
5.影响微管组装和去组装的因素
造成微管不稳定的因素很多，包括GTP的浓度、压力、温度、pH、微管蛋白临界通读、药物等。
除了上述因素外，使微管处于稳定的不解聚的不解聚状态，包括某些微管结合蛋白、药物以及修微管的酶。
6.影响微管稳定性的药物
秋水仙素
是一种生物碱，能够与微管特异性结合。秋水仙素结合到未聚合的微管蛋白二聚体上。自每一个二聚体上有一个与秋水仙素高亲和结合位点和一个低亲和的结合位点，后一个结合位点在秋水仙素浓度较低的情况下可能没有作用。从机理看，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，可阻止其他微管蛋白二聚体的计入或丢失。所以秋水仙素定位到微管末端，改变了微管组装和去组装稳定
状态的平衡，其结果破坏了微管的动态性质。
秋水仙素分子结构
紫杉醇
是红豆杉属植物中的一种复杂的次生代谢产物，可以促进微管聚合和稳定已聚合微管的药物。细胞接触紫杉醇后悔在细胞内积累大量的微管，这些微管的积累干扰了细胞的各种功能，特别是使细胞分裂停止于有丝分裂期，从而影响了细胞的正常分裂。
紫杉醇分子结构
7.微管装配的动力学行为：动态不稳定性
微管在体外组装时发现铀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。
踏车
又称轮回，是微管组装后处于动态平衡的一种现象。微管两端都可以加上αβ二聚体，或释放αβ二聚体。但在（+）端，由于结合有GTP帽结构的存在，同二聚体的亲和力高，所以，新结合上去的比释放出来的快。但在（-）端，由于GTP已水解成GDP，同二聚体的亲和力低，释放出来的二聚体比结合上的快，这样，（+）端生长得快，（-）端生长的慢，结合上二聚体的GTP又不断水解，向（-）端推移。如果（+）端结合上去的与（-）端释放出来的速度相同，就会形成轮回现象。即微管总长度不变，但结合上的二聚体从（+）端不断向（-）端推移，最后到达（-）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质的浓度。当（+）端的游离微管蛋白二聚体的浓度高于临界浓度，而（-）端游离微管蛋白二聚体的浓度低于临界浓度就会发生踏车现象。
所谓αβ微管蛋白二聚体的临界浓度就是微管进行组装和去组装的转换浓度，高于此浓度进行组装，低于此浓度进行去组装。
造成微管的这种不稳定性的主要因素是微管正端的帽结构。如果微管正端是由GTP的微管蛋白二聚体组成的帽结构，微管就趋于生长；若是由结合GDP的微管蛋白二聚体组成的帽结构，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。
三、微管结合蛋白
1.微管结合蛋白的种类和特点：
将MAP分成两个主要的类型：I型和II型。MAP1A和MAP1B属于I型，含有几个重复的氨基酸序列：Lys-Lys-Glu-X，作为同带负电荷的微管蛋白结合位点。这些位点可中和微管中微管蛋白间的电荷，维持聚合体的稳定。MAP1A和MAP1B是存在于神经组织的轴突和树突中大的纤维状的蛋白质分子。
II型MAP包括MAP2，MAP4，Tau。这些蛋白有几个与微管蛋白结合的10氨基酸重复序列。MAP2存在于树突，有两个结构域，一个是碱性的微管蛋白结合结构域，另一个是酸性的外申的结构域。外伸的结构域像是从微管壁上伸出的纤维臂，从微管上伸出的臂能与膜、中间纤维和其他微管结合，形成交联桥。MPA4是最为广泛的微管结合蛋白，即存在与神经细胞，又存在于非神经细胞。在细胞分裂时，MAP4可调节微管的稳定性。Tau是比其他MPA都要小的分子，存在于轴突和树突中。Tau有4-5种不同的形式，是Tau前mRNA可变剪接的结果。Tau可使微管交联结束，使树突中的微管维持稳定。
2.MAP的功能
MAP具有多方面的功能：使微管相互交联成束状结构，也可以使微管同其他细胞结构交联，这些结构包括质膜、微丝和和中间纤维等；通过与微管成核点的作用促进微管的聚合；在细胞内沿微管转运囊泡和颗粒；提高微管的稳定性。
MAP同微管的结合可以改变微管的动力学性质。MPA外伸的部分能够被MAP蛋白酶磷酸化，而被磷酸化了的MPA就不再与别的微管结合，因而促使微管去装配。另外，MAP蛋白激酶还参与许多信号转导途径，提示MAP也是细胞外信号的靶位点。MAP，特别死MAP4能够被周期蛋白2（cdc2）蛋白激酶磷酸化，也表明MAP与细胞周期的调控也有关。
四、分子发动机
1.分子发动机的类型
至今所发现的分子发动机可分为3个不同的家族：肌球蛋白家族、驱动蛋白家族、动力蛋白家族。
细胞骨架的发动机是化学机械转化器，它将化学能（ATP）转变成机械能，以此运送细胞的内的货物，包括：各种类型的小泡、线粒体、溶酶体、染色体和其他的细胞骨架纤维等。
2.分子发动机运输的特点
第一，运输是单方向的，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微管的（-）端向（+）端的运输，而动力蛋白是驱动从（+）端向（-）运输。
第二，运输方式是逐步进行而不像火车的轮子连续进行。这是因为分子发动机要通过一系列的构象变化才能完成进行的动作。分子发动机所用能源是ATP，利用ATP作为能源是一个复杂的过程。首先要将ATP分子结合到分子发动机上，然后进行世界产生ADP和Pi。接着要将这些产物从发动机分子上释放出来，然后再结合一个新的ATP分子，开始下一个循环，剬从一个位置移向另一个位置。
3.驱动蛋白的结构和功能
驱动蛋白是一个四聚体的结构，包括两条重链和两条轻链，总分子质量为380kDa。它有一对球形的头，这是生产动力的“电机”；还有一个扇形的尾，是货物结合部位。启动蛋白是类驱动蛋白超家族中的一个成员，它们头部序列相似，说明微管上的运输作用类似；它们之间在尾部序列不同，说明它们运输的货物是不同的。神经细胞中驱动单笔的功能是将膜泡以及其他的细胞器从神经细胞的细胞体运向轴突末端。
驱动蛋白是（+）端走向的微管发动机。由于神经轴中所有的微管都是（+）端朝向轴突的末端，而（-）端朝向细胞体，所以驱动蛋白在神经细胞中负责正向运输任务。
分子发动机运输时是ATP依赖性的，一个驱动蛋白沿着一条原纤维运输，移动的速度与ATP浓度有关，高速度时，可达到每秒900nm。在低ATP的浓度时，驱动蛋白移动的速度相当慢。驱动蛋白没跨一步的长度为8nm，正好是一个αβ微管蛋白二聚体的长度。因此，驱动蛋白一次在微管轨道上移动两个球形亚基。
特别要注意的是，类驱动蛋白不限于神经细胞，它们存在于所有的真核细胞，参与ER产生的各种小泡的运输。
驱动蛋白结构
驱动蛋白运输方式
4.细胞质动力蛋白
细胞质动力蛋白是一个巨大的分子，分子质量超过10万，由9-10个多肽链组成。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。在神经细胞中，细胞质动力蛋白参与将细胞质细胞器向神经节的细胞体运输。
五、微管的功能
1.支持作用
维持细胞形态是微管的基本功能。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。微管围绕细胞核向外呈放射状分布。微管能帮助细胞产生极性，确定方向。
在植物细胞中，微管对细胞形态的维持也有间接的作用。在植物细胞质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。其结果使产生的纤维素纤维与微管平行排列。反过来，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作用。
动物细胞中的微管
2.细胞内物质运输
鞭毛/纤毛动力微管动力滑动模型
（1）轴突运输
在神经元细胞中，轴突末端到细胞体的距离很长，并且轴突末端要释放大量的神经递质，所以神经元必须不断提供大量的物质，包括蛋白质、膜，以补充因轴突部位的胞吐而丧失的成分。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、中间纤维以及各种方式互联的微管等。轴突中以微管为基础的运输方式有两种方式：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，是圆形部分。细胞体中有细胞核、内质网、高尔基体以及其他的细胞器。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，这叫向外运输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，或称为逆向运输。另外，不同的物质其运输的速度是不同的，可分为3类：第一类是快速运输的物质，主要是各种膜泡。第二类是慢速运输物质，主要是聚合的骨架蛋白。而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。
（2）色素颗粒的运输
许多两栖类生物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，从而改变皮肤的颜色，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。色素颗粒实际上是沿微管转运的。
3.纤毛和鞭毛：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。纤毛和鞭毛有两个主要的功能：第一是帮助细胞锚定在一个地方，使细胞不易移动；第二是使细胞在液体介质中运动。
细胞微管介导的物质运输
（1）纤毛和鞭毛的结构
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。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。内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接蛋白将相邻微管二联体结合在一起。另外，每个二联管的A管上有放射辐条与中央微管鞘相连。
鞭毛微管排列
（2）纤毛动力蛋白
纤毛动力蛋白丝一种多头的发动机蛋白。纤毛动力蛋白像是具有2~3个头的一束花，每一支花都是由一个大的球形结构域和一个小的球形结构域组成，中间通过一个小的杆部同基部相连。头部具有ATP结合位点，能够水解ATP。
（3）纤毛和鞭毛的运动机制：微管滑动模型
这一模型的主要内容是：纤毛和鞭毛的动力蛋白头部与相邻二联管的B微管接触，促进同动力蛋白结合的ATP水解，并释放ADP和Pi;由于ATP水解，改变了A微管动力蛋白头部的构象，促使头部朝向相邻二联管的正端滑动，使相邻二联微管之间产生弯曲力；新的ATP结合，促使动力蛋白头部与相邻B微管脱离；ATP水解，使动力蛋白头部的角度复原；带有水解产物的动力蛋白头部与相邻二联管的B微管上的另一位点结合，开始下一循环。
4.纺锤体和染色体运动
微管在细胞的有丝分裂中起重要作用。有丝分裂涉及许多复杂的力学过程。首先，染色体必须在中期排列的赤道板上，到了后期已经在S期复制的子染色体要分开、分别被移动到母细胞相对的两极。此外在胞质分裂中，细胞还必须保证每一个子细胞得到适量的母性细胞器和细胞骨架蛋白等。在所有这些过程中，微管均起到重要作用。一方面，微管通过形成有丝分裂纺锤体来组织染色体的运动，另一方面微管还在有丝分裂过程中出现的亚细胞运动中起作用。
鞭毛/纤毛动力微管动力滑动模型
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