细胞生物学164-11-210.2 微管1-12_9248

1、10. 细胞骨架与细胞运动:第二节名词,1. 微管(microtubule),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。,微管是由微管蛋白异源二聚体为基本构件, 螺旋盘绕形成微管的壁。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(protofilament), 13 条这样的原纤维纵,向排列组成微管的壁。,2. 微管蛋白(tubulin),组成微管的蛋白质称为微管蛋白。微管蛋白是球形分子, 有两种类型: 微管蛋白(-,tubulin)和 微管蛋白(-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。, 亚基由 450 个氨基酸组成, 亚基是由 455 个氨基酸组成, 它们的分子量约,55kDa。这两种亚基有 3540%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。另外, 这两种微管蛋白与细

2、菌中一种叫作 FysZ 的 GTPase(分子,1,量为 40kDa)同源, 这种酶具有和微管蛋白相似的功能, 能够聚合并且参与细胞分裂。 和 微管蛋白的亚基都是直径为 4nm 的球形分子，它们组成的异源二聚体的,长度为 8nm。, 和 微管蛋白各有一个 GTP 结合位点, 位于 亚基上的 GTP 结合位点, 是不可,逆的结合位点，结合上去的 GTP 不能被水解，也不能被 GDP 替换。位于 亚基上的 GTP 结合位点结合 GTP 后能够被水解成 GDP，所以这个位点又称为可交换的位点,(exchangeable site,E 位点)。,还有一种微管蛋白,即 微管蛋白,不是微管的组成成分, 但是参与微管的组装。,3. 单管(singlet),是以单支存在的微管,大部分细胞质微管是单管微管, 它在低温、Ca 和秋水仙素作,2+,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。,4. 二联管(doublet),常见于特化的细胞结构

3、。二联管是构成纤毛和鞭毛的周围小管, 是运动类型的微,2,管, 它对低温、Ca 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，,2+,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。,5. 三联管(triplet),见于中心粒(centrioles)和基体(basal bodies)，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、Ca 和秋水仙素的作用是稳定的。,2+,6. 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。在多数情况下 MTOC 有一对中心粒和一个中心体, 但是某些表皮细胞和新受,精的卵细胞，有很多 MTOCs,它们看起来并不像中心体。,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

4、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。,3,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。,7. 中心体(centrosome),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。,8. 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 0.2m. 长为 0.4m，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

5、个微管分别称 A、B、C 纤维, A 管伸出两个短臂, 一个伸向中心,4,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。,9. 基体(basal body),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。基体又称动质体(kinetosome),负责鞭毛和纤毛的合成。,10. 微管蛋白( tubulin), 微管蛋白是存于中心体的另一种微管蛋白, 微管蛋白对微管的形成具有重要,作用。通过遗传学的研究，发现 -微管蛋白通过与 -微管蛋白的相互作用帮助微管 的成核反应(nucleation)。即在微管的组装中 微管蛋白先形成一个圆或形成钩环结构, 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 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 ,微管蛋白环状复合体(-tubulin ring complex, -TuRC), 因为在电子显微镜下观察似一 个环。体外实验已经证明 微管蛋白在微管的组装中起关键作用。,11. 成核反应(nuc

6、leation),5,在细胞骨架纤维的组装过程中, 构成骨架的基本构件(如微管蛋白、肌动蛋白)在 一定的调节下形成一个核心, 这一核心具有指导进一步装配的作用。,12. 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。秋水仙素结合到未聚合的微管蛋,白二聚体上。在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。从机理上看, 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, 可阻止其它微管蛋白二聚体的加入或丢失。 所以秋水仙素定位到微管的末端, 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。,不同浓度的秋水仙素对微管的影响不同。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。将这种处理的细胞用无秋水仙素的溶液洗涤之后, 细胞的分裂 功能恢复正常, 这对于获得同步化的细胞非常有用。,6,13. 紫杉醇(ta

7、xol),紫杉醇是红豆杉属植物中的一种复杂的次生代谢产物, 也是目前所了解的惟一一,种可以促进微管聚合和稳定已聚合微管的药物。同位素示踪表明, 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。细胞接触紫杉醇后会在细胞内积累 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，阻断了细胞的正常分裂。,14. 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。微管的两端都可以加上 二,聚体, 或释放 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, “-“端生长得 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

8、解之外，另,7,一个原因是反应系统中游离蛋白的浓度。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。踏 车现象实际上是一种动态稳定现象。,15. 临界浓度(critical concentration),所谓 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浓度,高于此浓度进行组装, 低于此浓度进行去组装。因为微管是动态结构, 细胞中存在大 量的 微管蛋白二聚体, 其浓度也是处于不断的变化之中。由于 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 微管蛋白二聚体, 一种是刚从微管 中脱下的, 这种 微管蛋白二聚体是 GTP-GDP 型, 另外一些 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 微管蛋白二聚体的临界浓度 是指达到组装的最低浓度。,16. 微管结合蛋白(microtubule-associated proteins, MAPs),与微管特异地结合在一起, 对微管的功能起辅助作用的蛋白质称为微管结合蛋白,在微管结构中约占 1015%。,8,一类主要

9、的 MAPs 家族叫作装配 MAPs(assembly MAPs), 作用是将微管在胞质溶 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。,根据序列特点, 将 MAPs 分成两个主要的类型: 型和型(还有其他类型)。,MAP1A 和 MAP1B 含有几个重复的氨基酸序列:Lys-Lys-Glu-X,作为同带负电的微管,蛋白结合的位点。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。 型 MAP 包括 MAP2、MAP4、Tau。这些蛋白有几个与微管蛋白结合的 18 氨基酸,重复序列。,MAPs 具有多方面的功能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。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，因为一些分子马达能够同微管结合转运细胞的物质。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。由此可见, 微管结合蛋白 扩展了微管蛋白的生化功能。,17. 分子发动机(molecular motor),9,将细胞内利用 AT P 供能,产生推动力，进行细胞内的物质运输或细胞运动的蛋白,质分子称为分子发动机或发动机蛋白(motor proteins)。,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。,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。细胞骨架的发动 机分子是机械化学转化器，它将化学能(ATP)转变成机械能，以此运送细胞内的货 物，包括各种类型的小泡、线粒体、溶酶体、染色体、其它的细胞骨架纤维等。,18. 驱动蛋白(kinesins),驱动蛋白是 1985 年从鱿鱼的轴质(axonplasm)中分离的一种发动机蛋白。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, 总分

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