第一节 微 管
一、微管的结构和化学组成
化学组成:
微管蛋白(tubulin 80~95%
微管蛋白:aα-微管蛋白bβ-微管蛋白
二价阳离子的结合位点
长春花碱的结合位点
γ-微管蛋白是近年来发现的一种微管蛋白,存在于所有的真核细胞中,虽然在微管蛋白总含量中仅占不足1%,但却是微管执行功能所必不可少的。
γ-微管蛋白的分子量为50 kD,由455个氨基酸组成,与α-微管蛋白和β-微管蛋白的同源性为30%。γ-微管蛋白存在于微管组织中心,对微管的形成和微管极性的确定具有重要作用。
二、微管结合蛋白(microtubule-associated protein, MAP)
微管结合蛋白至少具有1个与微管表面结合的结合区和1个突出区。
突出区的长度可界定微管在成束时彼此间的间距大小: MAP-2的过表达使微管成束时保持较宽的间距,而Tau的过表达则使微管在成束时彼此间非常紧密。
MAP蛋白的功能:
(1) 调节微管装配:MAP-2磷酸化后可抑制微管装配,MAP-1和tau蛋白的作用是控制微管的延长。
(2) 稳定微管:横连相邻微管——一定方式排列,稳定已装配好的微管结构。
(3) 调节微管蛋白同其它蛋白间的相互作用:调节微管同其它微管、肌动蛋白、细胞器或膜结构的相互作用。
(4) 为纤毛与鞭毛的运动提供动力:纤毛和鞭毛中的动力蛋白构成动力蛋白臂(dynein arms),是细胞内的马达蛋白(motor protein).。
三、微管的特性
在一定条件下,微管的一端因发生装配而不断延长,而另一端因发生解聚而不断缩短——踏车运动(tread milling)
微管在体内的装配与解聚在时空上高度有序。微管与微管蛋白单体处于一种相对平衡的状态。但在有些细胞也存在有一些永久性的微管结构,如纤毛和鞭毛等。
2. 微管组织中心 (microtubule organizing center, MTOC)
在所有的动物细胞中, 中心体(centrosome)是主要的MTOC,但并非所有的MTOC都有中心体 !!
小鼠卵母细胞
高等植物细胞
最新的研究结果表明:中心粒周围的一些蛋白质性的成分或与之相当的物质
3. 极性:
aα-和bβ-异二聚体均是按一定的方向排列成微管的,从而使所有的微管均具有固定的极性,即微管的两端在结构上是不同的。在向微管样品中加入动力蛋白时,动力蛋白也均是按一定的方向结合到每条微管上,说明微管在结构上具有一定的极性。
微管的极性由本身的分子结构来决定, β-微管蛋白所处的一端为正(+)端,而α-微管蛋白所处的一端为负(-)端。
另外,微管的生长也具有极性。其生长是通过向其远端(远离MTOC的一端)不断添加微管蛋白异二聚体来实现的。通常,起始端又称为尾端(-),生长端称为头端(+)。微管的聚合与解聚具有头-尾极性,微管蛋白异二聚体在头端的添加和拆卸速度约为尾端的2倍。微管蛋白的添加和释放主要发生在“+”极,微管的延长主要靠在“+”极组装GTP-微管蛋白。
由于微管在结构和生长上均具有极性, 因此凡是由微管构成的细胞器也具有一定的极性。
4. 动态不稳定性:
在微管的装配中,微管蛋白的浓度和GTP的存在两个条件最为重要。
微管总是处于动态不稳定状态中,影响着细胞位移和细胞极性的形成。
微管的特性: 自我装配
微管组织中心
极性
动态不稳定性
四、微管的特异性药物
1. 支持和维持细胞的形态
细胞的各种形态是由微管和其它细胞骨架成分来维持的
细胞内物质运输
2. 微管:仅提供轨道, 指导运输方向
运输动力:马达蛋白(motor protein)
两种摩托蛋白都是通过媒介与膜泡物质结合的。驱动蛋白的媒介是一种跨膜蛋白——kinectin;
而胞质动力蛋白则和一种较大的蛋白质复合物即动力肌动蛋白(dynactin)结合。
动力肌动蛋白复合物具有短的肌动蛋白样纤维,由肌动蛋白相关蛋白1(actin-related protein 1, Arp1)组成。高尔基体膜上覆盖的蛋白质如锚蛋白(ankyrin)和血影蛋白(spectrin)能与Arp1结合,从而介导胞质动力蛋白连接到细胞器上。
3. 维持胞内细胞器的空间定位分布
摩托蛋白与微管的相互作用,不仅与物质运输有关,而且还影响着某些细胞器的空间定位分布。
如果用秋水仙素处理细胞,破坏微管的装配,则这些细胞器的有序空间排列就会坍塌。
内质网因与核被膜相连,于是便积聚到核附近;
而高尔基体因没有这种结构联系则分解成小泡,遍布整个细胞质。
当把秋水仙素去除以后,细胞器的分布便从新恢复正常。
4. 细胞运动
纤毛和鞭毛
细胞变形移动:
白血细胞靠微管导向经延伸和收缩细胞质向一定方向移动
5. 纺锤体与染色体运动
6. 植物细胞壁形成
7. 纤毛和鞭毛运动
六、微管组成的细胞器
1. 中心体(centrosome)
中心体的主要功能是组织形成微管
数百个γg-微管蛋白环,每一个环是一条微管形成的起点
gγ-微管蛋白环:微管生成的真正诱导起点——“晶种”
植物细胞中无中心粒,并不能证明无MTOC
2. 纤毛和鞭毛
(1) 结构
纤毛和鞭毛在来源和结构上基本相同
①纤毛本体:质膜+轴丝(axoneme)
②基体:源于中心粒
③纤毛小根:固定纤毛/收缩
(2) 化学组成
(3) 纤毛运动的机制
如果不能合成动力蛋白,则纤毛或鞭毛不能摆动,因此精子失去了受精能力。Kartageners’ syndrome(不动纤毛综合症,Immotile cilia syndrome):常染色体隐性遗传缺陷,产生不能活动的精子(不育),患慢性支气管炎和鼻窦炎,即是由于缺乏合成动力蛋白能力造成的。
3. 有丝分裂器
4. 轴足(axopodia)
纤毛虫纲有盘亚纲(Suctoria)动物: 能伸缩, 是捕食“器官”
七、细菌鞭毛
某些杆菌和弧菌在表面上长有线状的运动结构,称为鞭毛。
细菌鞭毛无论是在结构上还是在运动机制上, 与真核细胞的鞭毛完全不同。它没有"9+2"式的微管结构,但在功能上二者有相似之处。