第十章 细胞骨架与细胞运动
1．3种细胞骨架之间有什么联系？ 答：其表现在：①细胞骨架在细胞内的分布与布局来看，它们相互配合，在功能上相互呼应。微管和中间纤维大都是从细胞核出发向细胞周边呈放射状伸延，并在细胞内许多部位平行分布。在靠近质膜下的细胞质中发现中等纤维在最上面，微管在次层，由微丝组成的应力纤维在下层。3种纤维间有肌动蛋白丝连接。②从功能上看活细胞内的3种骨架均起支撑作用，微丝与微管参与细胞运动，三者均参与细胞内物质运输；均有可能参与细胞外来的信息传递。③三种骨架均在细胞的统一调控下互相密切配合完成细胞的生命活动。 2．微管在体外组装需要哪些条件，组装过程如何进行？
答：需要的条件有：①在生理温度下；②有GTP和Mg2＋；③含有一定量MAPS；④中等离子强度、弱酸pH6.6~6.7；⑤微管蛋白浓度要大于临界浓度，大约为1mg/ml，当这些条件达到时，二聚体自动聚合为微管，当条件改变如温度低于4℃或加入过量的Ca2+、Mg2+浓度降低、酸碱度改变时，微管发生解聚。微管组装时，首先是α、β微管蛋白形成α、β异二聚体，α、β异二聚体形成短的原纤维，即核心形成，接着二聚体在其两端和侧面增加使之扩展成片状带，至13根原纤维时，即合拢成一段微管。
3．中间纤维是如何组装的？
答：①两个相邻亚基的对应α螺旋形成双股超螺旋，即二聚体；②二聚体以反向平行的方式组成四聚体，即一个二聚体的头部与另一个二聚体的尾部相连；③每个四聚体进一步组装成原丝；④两根原丝相互缠绕，以半分子长度交错的原则形成原纤维，即八聚体；⑤四根原纤维互相缠绕最终形成中间纤维，在横切面上有32个蛋白单体。
1. 什么是细胞骨架?在细胞内的主要功能是什么?
答: 细胞骨架是细胞内以蛋白质纤维为主要成分的网络结构,由主要的三类蛋白纤丝(filamemt)构成，包括微管、肌动蛋白纤维和中间纤维。
细胞骨架对于维持细胞的形态结构及内部结构的有序性，以及在细胞运动、物质运输、能量转换、信息传递、细胞分化等一系列方面起重要作用。
① 作为支架(scaffold),为维持细胞的形态提供支持结构，例如红细胞质膜的内部主要是靠以肌动蛋白纤维为主要成分的膜骨架结构维持着红细胞的结构。
② 在细胞内形成一个框架(framework)结构,为细胞内的各种细胞器提供附着位点。细胞骨架是胞质溶胶的组织者，将细胞内的各种细胞器组成各种不同的体系和区域网络。
③ 为细胞内的物质和细胞器的运输/运动提供机械支持。例如从内质网产生的膜泡向高尔基体的运输、由胞吞作用形成的吞噬泡向溶酶体的运输通常都是以细胞骨架作为轨道的；在有丝分裂和减数分裂过程中染色体向两极的移动，以及含有神经细胞产生的神经递质的小泡向神经细胞末端的运输都要依靠细胞骨架的机械支持。
④ 为细胞从一个位置向另一位置移动提供支撑。一些细胞的运动, 如伪足的形成也是由细胞骨架提供机械支持。典型的单细胞靠纤毛和鞭毛进行运动, 而细胞的这种运动器官主要是由细胞骨架构成的。
⑤为信使RNA提供锚定位点，促进mRNA翻译成多肽。用非离子去垢剂提取细胞成分可发现细胞骨架相当完整，许多与蛋白质合成有关的成分同不被去垢剂溶解的细胞骨架结合在一起。
⑥ 参与细胞的信号传导。有些细胞骨架成分常同细胞质膜的内表面接触，这对于细胞外环境中的信号在细胞内的传导起重要作用。 ⑦ 是细胞分裂的机器。有丝分裂的两个主要事件, 核分裂和胞质分裂都与细胞骨架有关, 细胞骨架的微管通过形成纺锤体将染色体分开, 而肌动蛋白丝则将细胞一分为二。
2. 如何用荧光显微镜研究细胞骨架? 其基本原理是什么?
答: 用荧光显微镜研究细胞骨架主要是基于两方面的原理:一是组成细胞骨架的蛋白亚基能够同小分子的荧光染料共价结合, 使细胞骨架带上荧光标记, 发出荧光。二是可以制备细胞骨架的荧光抗体, 然后用荧光抗体进行细胞骨架的研究。借助于这两方面原理, 可用荧光显微镜研究细胞骨架的动力学。例如，用小分子的荧光染料标记细胞骨架的蛋白亚基, 就可以追踪细胞骨架蛋白在细胞活动中的作用，包括组装、去组装、物质运输等。这种方法还有一个好处，就是在活细胞时就可以观察。
可用荧光抗体研究以很低浓度存在的蛋白质在细胞内的位置, 因为标记的荧光抗体同特异的蛋白具有很高的亲和性, 只要有相应的蛋白存在, 就一定会有反应, 因为这种反应是特异的, 通过荧光显微镜观察就可确定。荧光抗体既可以直接注射活细胞进行反应，也可以加到固定的细胞或组织切片中进行反应和分析。用这种方法对微管、肌动蛋白纤维、中间纤维进行了成功定位。
3. 微管组装的基本过程怎样?
答: 离体实验表明, 微管蛋白的体外组装分为成核(nucleation)和延长(elongation)两个反应, 其中成核反应是微管组装的限速步骤。成核反应结束时, 形成很短的微管, 此时二聚体以比较快的速度从两端加到已形成的微管上, 使其不断加长。虽然在体外组装过程中二聚体可以在微管的两端加减, 然而在大多数体外实验的条件下, 二聚体的加减优先在微管的一端进行, 这一端被称为正端(+), 另外一端则被称为负端(-)。
根据体外实验的结果推测微管组装的主要过程是∶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(sheet)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13条原纤维中, 所有αβ二聚体的取向都是相同的, 所以微管的两端是不等价的, 这就是微管的极性。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。
4. 微管体外组装需要哪些基本条件?GTP在组装中起什么作用? 答: 1972年，Richard Weisenberg 首次在体外组装微管获得成功。他将脑的匀浆物置于37℃，然后添加Mg2+,GTP和EGTA(EGTA是Ca2+的螯合剂，抑制聚合作用)。他发现，只要降低或提高反应温度就可以使微管去组装和重组装。通过体外组装实验，还发现在反应系统中添加微管碎片能够加速微管的组装，加入的微管碎片起着“种子”的作用。根据这一实验, 推测微管组装的基本条件是: αβ微管蛋白二聚体、GTP、Mg2+和合适的温度。
聚合过程需要加入GTP，但对于微管的组装来说不需要GTP水解成GDP。实验中发现αβ微管蛋白二聚体加入到微管之后不久所结合的GTP就被水解成GDP。推测GTP的作用有两个: 一是αβ微管蛋白二聚体与GTP结合之后才能作为微管组装的构件,二是通过GTP水解使微管去组装, 保持微管的动态性质。
5. 什么是微管的动态不稳定性? 造成的根本原因是什么?
答: 微管一直处于组装和去组装的动态状态, 称为动态不稳定性。影响微管稳定性的决定因素有两个: 游离微管蛋白的浓度和GTP水解成GDP的速度。高浓度的微管蛋白适合微管的生长, 低浓度的微管蛋白引起GTP的水解, 形成GDP帽, 使微管解聚。GTP的低速水解适合于微管的连续生长, 而快速的水解造成微管的解聚, 细胞内的微管处于动态不稳定状态(dynamic instability)。
6. 什么是微管的GTP帽和GDP帽?对微管的动态性质有什么影响?
答: 所谓微管的GTP或GDP帽就是微管正端αβ微管蛋白二聚体结合GTP或GDP的状态。如果微管正端结合的是由结合GTP的微管蛋白二聚体组成的GTP帽结构, 微管就趋于生长, 如果微管的正端结合的是由结合GDP的微管蛋白二聚体组成的GDP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。细胞内微管的这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。
7. 什么是轴突运输?有什么特点?
答: 在神经元细胞中, 轴突末端到细胞体的距离很长, 并且轴突末梢要释放大量的神经递质, 所以神经元必须不断供给大量的物质, 包括蛋白质、膜, 以补充因轴突部位的胞吐而丧失的成分。由于核糖体只存在于神经细胞的细胞体和树突中, 在轴突和轴突末梢没有蛋白质的合成, 所以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。 轴突中以微管为基础的运输有两种方式∶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，是圆形的部分。细胞体中有细胞核、内质网、高尔基体，以及其它的细胞器。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，这叫外向运输(outward transport)，又称顺向运输(anterograde transport)。轴突末梢膜内吞形成的内吞泡从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(inward transport)，或称为逆向运输(retrograde transport)。另外,不同的物质其运输的速度是不同的，可分为三类: 第一类是快速运输的物质, 主要是各种膜泡, 大约250mm/天, 或3μm/s 。第二类是慢速运输物质, 主要是聚合的骨架蛋白, 运输速度每天不到1mm。像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。
8. 纤毛和鞭毛的结构组成和特点是什么?
答: 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(axoneme)。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\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。外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丝蛋白(nexin)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(radial spoke)与中央微管鞘相连。
纤毛中的微管排列并不始终如一, 在纤毛顶部每组微管逐渐减为一条, 达到顶端时, 它们就相互融合。每一纤毛的基部起始于细胞浅表部的基体(basal body), 基体的结构与中心粒相同, 它缺少两根中央微管, 而周围 9 组是三联管。
9. 什么是纤毛/鞭毛的微管滑动模型(sliding-microtubule model)? 机理如何? 答: 微管滑动模型是说明纤毛和鞭毛运动机制的一种学说。这一学说的主要内容是∶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
正极滑动, 使相邻二联管之间产生弯曲力;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, 开始下一个循环。
10. 简述微丝装配的三个基本过程。
答: 第一个过程是成核作用(nucleation), G-肌动蛋白慢慢地聚合形成短的、不稳定的寡聚体，该过程较慢。一旦寡聚体达到某一种长度(约3～4个亚基)，它就可以作为“种子”，或者“核”，进入第二个过程∶快速延长阶段。在延长阶段，G-肌动蛋白单体快速地从短纤维的两端添加上去。生长期可被已形成的F-肌动蛋白的自发或突然断裂作用所加强，因为断裂的短F-肌动蛋白纤维的末端可以作为新的核进行延长反应。可以在反应体系中添加小的F-肌动蛋白纤维缩短成核期，或除去成核作用。随着F-肌动蛋白的不断生长，游离的G-肌动蛋白单体的浓度越来越低，一直到同F-肌动蛋白纤维的浓度相平衡。一旦达到这种平衡，F-肌动蛋白的装配进入第三阶段∶稳定期(steady state)。之所以称为稳定期，是因为在这个时期，G-肌动蛋白同F-肌动蛋白纤维末端上的亚基进行交换，但不改变F-肌动蛋白纤维的量。 11. 有哪些因素影响微丝的装配?
答: 同微管的装配一样, 微丝的装配同样受肌动蛋白临界浓度的影响。在正常的体外条件下，单体的临界浓度(critical concentration,Cc)Cc是0.1 μM。高于该值，G-肌动蛋白倾向于聚合，低于该值，F-肌动蛋白将会解聚。所以这个值很重要，可用它来测定溶液中G-肌动蛋白聚合的能力。
在肌动蛋白纤维的装配过程中，除了受G-肌动蛋白临界浓度的影响，还受一些离子浓度的影响。如向G-肌动蛋白溶液中添加Mg2+、 K+、Na+, 可诱导G-肌动蛋白聚合成F-肌动蛋白。该过程是可逆的, 当这些离子的浓度较低时, F-肌动蛋白趋于去聚合, 而在Mg2+和高浓度K+或Na+的溶液诱导下, G-肌动蛋白则装配成纤维状肌动蛋白。利用这一特性,可以将肌动蛋白经过几次反复的聚合-解聚循环,从细胞中提纯出来。
12. 比较三种类型肌球蛋白: 肌球蛋白Ⅰ、肌球蛋白Ⅱ和肌球蛋白Ⅴ结构和功能的异同。 答: 在结构上, 三类肌球蛋白都是由一个重链和几个轻链组成，并组成三个结构和功能不同的结构域∶头部结构域是最保守的结构域，它含有与肌动蛋白、ATP结合的位点，负责产生力。与头部相邻的结构域是α螺旋的颈部(α-helical neck region)，它通过同钙调素或类似钙调素的调节轻链亚基的结合来调节头部的活性。尾部结构域含有决定尾部是同膜结合还是同其它的尾部结合的位点。
三种类型的肌球蛋白在结构上有一些差异。肌球蛋白Ⅱ和肌球蛋白Ⅴ是二聚体，肌球蛋白Ⅰ是单体蛋白，它同肌球蛋白Ⅴ一样，含有同膜结合的尾。这三种肌球蛋白间的差异在于同颈部结合的轻链的数量和类型。肌球蛋白Ⅰ和肌球蛋白Ⅴ的轻链是钙调素，而肌球蛋白Ⅱ含有两个不同的轻链，一个是必需轻链，另一个叫调节轻链。两种轻链都是类似于钙调蛋白的钙结合蛋白，但是与钙结合的性质是不同的。肌球蛋白轻链的相似性说明所有的肌球蛋白都是通过钙这一相同的机制调节的。轻链的差异保证了不同的肌球蛋白在细胞钙信号的调节下行使不同的功能。
肌球蛋白Ⅱ的相对分子质量为500kDa, 是一个长形而不对称的分子, 长约16nm, 直径2nm。电镜观察证明, 肌球蛋白有两个球形头部和一个长的杆部。肌球蛋白Ⅱ含有两条相同的长肽链和4条短肽链, 长肽链的相对分子质量为200kDa, 称为重链(heavy chain), 短肽链称为轻链(light chain)。
如果用胰凝乳蛋白酶(chymotrypsin)处理肌球蛋白Ⅱ, 在尾部中间可使肌球蛋白断裂, 产生两个片段, 带有头部的片段称为重酶解肌球蛋白(heavy meromyosin, HMM), 尾部的片段称为轻酶解肌球蛋白(light meromyosin, LMM)。如果用木瓜蛋白酶(papain)进一步处理HMM, 则从头部分离产生两个碎片，分别称为S1和S2。
