细胞生物学/微丝

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细胞骨架与细胞的运动 - 微管 - 微丝 - 中间纤维 - 细胞的运动 - 细胞骨架与疾病
微丝(microfilament, MF)又称肌动蛋白丝(actin filament), 是由肌动蛋白(actin)组成的细丝,普遍存在于真核细胞中,在肌肉细胞中,肌动蛋白占细胞总蛋白的10%, 在非肌肉细胞中占1%~5%。它以束状、网状或散在等多种方式有序地存在于细胞质的特定空间位置上,并由此与微管和中间纤维共同构成细胞骨架,参与细胞形态维持以及细胞运动等生理功能。和微管一样,微丝是不稳定的,但它在细胞中也能形成如肌肉细胞中的收缩单位一样稳定的结构。微丝与许多种肌动蛋白结合蛋白相结合,使它能够在细胞内行使多种功能。

肌动蛋白与微丝的结构[编辑]

微丝的主要成分是肌动蛋白,在电镜下是一种细丝状结构,直径5~8nm, 与微管相比,肌动蛋白微丝更纤细柔顺。单个微丝通常比微管短很多,在细胞内单条微丝并不是独立行动的,而是形成横向连接的聚合物或形成束,这样要比单个微丝更结实。
每一个肌动蛋白分子是由375个氨基酸组成的单链多肽,与一分子ATP紧密相连。肌动蛋白单体外观呈哑铃形,称为G-肌动蛋白(球形-肌动蛋白)。每个G-肌动蛋白由两个亚基组成,它具有阳离子(Mg2+和K+或Na+)、ATP(或ADP)和肌球蛋白结合位点。微丝是由G-肌动蛋白单体形成的多聚体,也称为F-肌动蛋白(纤维状-肌动蛋白)。肌动蛋白单体具有极性,装配时首尾相接,故微丝也有极性。肌动蛋白微丝也和微管一样是极性结构,有两个在结构上不相同的末端,相对迟钝和生长慢的负端(minus end)及一个生长快的正端(plus end)。负端又称为“指向端”(point end), 正端又称为“秃端”(barbed end)。一个细胞内的微丝总长度比微管总长度长至少30倍以上,反映了这两种细胞骨架聚合体在组装及功能上的差别。

微丝结合蛋白及其功能[编辑]

纯化的肌动蛋白在体外能够聚合形成肌动蛋白纤维,但是这种纤维不具有相互作用的能力,也不能行使某种功能。在显微镜下观察,它们只是杂乱无章的堆积而不像活细胞中肌动蛋白纤维能够组织成各种组织,如束状、薄网状等。体外组装的肌动蛋白纤维本身同活体中的肌动蛋白纤维之间没有差别,只是组织结构不同。体内的肌动蛋白纤维是由不同的肌动蛋白纤维结合蛋白将肌动蛋白纤维组织成各种不同的结构,从而执行不同的功能。
肌细胞和非肌细胞中都有微丝结合蛋白,至少已分离出100多种。目前发现,微丝结合蛋白具有多种功能,但它们与肌动蛋白相互作用的方式却十分简单。这些微丝结合蛋白主要与微丝的装配及微丝的功能有关。

单体隔离蛋白[编辑]

抑制蛋白和胸腺素能够与单体肌动蛋白结合,并且抑制它们的聚合,将具有这种作用的蛋白质称为肌动蛋白单体隔离蛋白(monomer sequestering protein), 这种蛋白质在非肌细胞中负责维持高浓度的单体肌动蛋白。没有单体隔离蛋白,细胞质中可溶性的肌动蛋白几乎全部组装成肌动蛋白纤维。改变细胞质中单体隔离蛋白的浓度或改变它们的活性,就会使细胞质中肌动蛋白单体-聚合体的平衡 发生变化,它们的活性和浓度决定着肌动蛋白是趋于聚合还是解聚。

交联蛋白[编辑]

交联蛋白(cross linking protein)的主要功能是改变细胞内肌动蛋白纤维的三维结构。每一种交联蛋白都有两个或两个以上与肌动蛋白结合的位点,这样,能够使两个或多个肌动蛋白纤维产生交联,使细胞内的肌动蛋白纤维形成网络结构。有些交联蛋白是杆状的,能够弯曲,由这种交联蛋白形成的网络结构具有相当的弹性,因而能够抵抗机械压力。有些交联蛋白是球状的,能够促使肌动蛋白成束排列,如微绒毛中的肌动蛋白束就是靠这种蛋白交联的。

末端阻断蛋白[编辑]

末端阻断蛋白(end blocking protein)通过与肌动蛋白纤维的一端或两端的结合调节肌动蛋白纤维的长度。加帽蛋白与肌动蛋白纤维的末端结合之后,相当于加上了一个帽子。如果一个快速生长的肌动蛋白纤维在(+)端加上了帽子,那么在(-)端就会发生解聚。某些加帽蛋白能够促使新的纤维形成,同时抑制已存在微丝的生长,这样导致细胞内有大量较短微丝的存在。

纤维切割蛋白[编辑]

纤维切割蛋白(filament severing protein)能够与已经存在的肌动蛋白纤维结合并将它一分为二。由于这种蛋白质能够控制肌动蛋白丝的长度,因此大大降低了细胞中的黏度。经这类蛋白质作用产生的新末端能够作为生长点,促进肌动蛋白的装配。切割蛋白可作为加帽蛋白封住肌动蛋白纤维的末端。

肌动蛋白纤维解聚蛋白[编辑]

肌动蛋白纤维解聚蛋白(actin filament depolymerizing protein)主要存在于肌动蛋白丝骨架快速变化的部位,它们与肌动蛋白丝结合,并引起肌动蛋白丝的快速解聚形成肌动蛋白单体。

膜结合蛋白[编辑]

膜结合蛋白(membrane binding protein)是非肌细胞质膜下方产生收缩的机器。在剧烈活动时,由收缩蛋白作用于质膜产生的力引起质膜向内或向外移动(如吞噬作用和胞质分裂)。这种运动是由肌动蛋白纤维直接或间接与质膜相结合后所形成的。直接的方式有与膜整合蛋白的结合,间接的方式有与外周蛋白的结合。两个典型的例子是红细胞膜骨架和细胞的整联蛋白连接。这两种情况下,肌动蛋白丝通过膜结合蛋白与细胞质膜连接成一个网络结构。

微丝的装配机制[编辑]

在多数非肌肉细胞中,微丝是一种动态结构,在一定条件下,不断进行聚合和解聚,并与细胞的形态维持及细胞运动有关。

微丝的组装过程分为成核、聚合和稳定三个阶段[编辑]

体外实验表明,球形肌动蛋白组装成肌动蛋白纤维需要ATP和一定的盐浓度(主要是Mg2+和K+),其组装过程也分三个阶段:即成核期、聚合期和稳定期。成核期是微丝组装的限速过程,需要一定的时间,故又称延迟期,此期球状肌动蛋白开始聚合,其二聚体不稳定,易水解,只有形成三聚体才稳定,即核心形成。一旦核心形成,球状肌动蛋白便迅速地在核心两端聚合,进入聚合期。微丝两端的组装速度有差异,正端的组装速度明显快于负端,约为负端的10倍以上。微丝延长到一定时期,肌动蛋白渗入微丝的速度与其从微丝上解离的速度达到平衡,此时即进入平衡期,微丝长度基本不变,正端延长长度等于负端缩短长度,并仍在进行着聚合与解聚活动。

微丝的组装可用踏车模型和非稳态动力学模型来解释[编辑]

微丝的组装可用踏车模型和非稳态动力学模型来解释。目前认为踏车模型在微丝组装过程中可能起主导作用。微丝可以在任何一端以添加肌动蛋白单体的方式增长,但由于微丝具有极性,新的肌动蛋白单体加到微丝两端的速度不同,速度快的一端为正端,速度慢的一端为负端,表现出显著的踏车现象。在微丝装配时,肌动蛋白分子添加到肌动蛋白丝上的速率正好等于肌动蛋白分子从肌动蛋白丝上解离的速率时,微丝净长度没有改变,这种过程称为肌动蛋白的踏车行为。
裸露的微丝就像不结合蛋白的微管一样,呈固有的不稳定性,而且两端都可以解聚,在解聚时正端的速度比负端的速度要快得多。ATP主要调节微丝组装的延长期,每一个游离的肌动蛋白单体带有一个紧密结合的ATP,一旦肌动蛋白单体聚合到肌动蛋白丝上它就水解为ADP,就像GTP对于微管一样,肌动蛋白丝中的ATP水解为ADP,减弱了单体之间的结合力,也就降低了聚合体的稳定性。因此核苷酸的水解促进了解聚,帮助细胞中已形成的微丝解聚。

微丝的组装受多种因素影响[编辑]

微丝的装配除了受G-肌动蛋白临界浓度的影响,还受ATP、Ca2+、Na+、K+浓度和药物的影响。在含有ADP和Ca2+以及低浓度的Na+、K+的溶液中,肌动蛋白单体则装配成微丝。另外,微丝结合蛋白对微丝的组装也有惆控作用。
同微管一样,肌动蛋白也受某些药物分子的影响。主要有细胞松弛素B( cytochalasin B)和鬼笔环肽(phalloidin), 它们与肌动蛋白特异性结合,影响着肌动蛋白单体-多聚体的平衡。
细胞松弛素B是第一个用于研究细胞骨架的药物,它是真菌分泌的生物碱。细胞松弛素及其衍生物在细胞内通过与微丝的正端结合起抑制微丝聚合的作用。当将细胞松弛素加到活细胞后,肌动蛋白纤维骨架消失,使动物细胞的各种活动瘫痪,包括细胞的移动、吞噬作用、胞质分裂等。它对微管没有作用,也不抑制肌收缩,因肌纤维中肌动蛋白丝是稳定的结构,不发生聚合与解聚的动态平衡。鬼笔环肽是从毒蘑菇(amanita)分离的毒素,它同细胞松弛素的作用相反,只与聚合的微丝结合,而不与肌动蛋白单体分子结合。它与聚合的微丝结合后,抑制了微丝的解体,因而破坏了微丝的聚合和解聚的动态平衡。

微丝的功能[编辑]

微丝构成细胞的支架并维持细胞的形态[编辑]

在细胞中,微丝不能单独发挥作用,必须形成网络结构或束状结构才能发挥作用。细胞的特化结构包括微绒毛(microvilli)和应力纤维(stress fiber)。
微绒毛是质膜顶端表面的指状形突起, 在微绒毛中,由微丝形成的微丝束构成了微 绒毛的骨架,另外还有一些微丝结合蛋白,在调节微绒毛长度和保持其形状方面具有重要作用。微绒毛的核心是由20~30个同向平行的微丝组成的束状结构,其中有绒毛蛋白和毛缘蛋白(fimbrin) , 它们将微丝连接成束,赋予微绒毛结构刚性。另外还有肌球蛋白-Ⅰ(myosin-Ⅰ) 和钙调蛋白(calmodulin) , 它们在微丝束的侧面与微绒毛膜之间形成横桥连接,提供张力以保持微丝束处于微绒毛的中心位置。微绒毛在小肠吸收上皮细胞最多,使细胞的吸收面积增大20倍,对千增强消化和吸收功能具有重要意义。
应力纤维也叫张力纤维,是真核细胞中广泛存在由微丝束构成的较为稳定的纤维状结构,在细胞内紧邻质膜下方,常与细胞的长轴大致平行并贯穿细胞的全长。这些微丝束具有极性,一端与质膜的特定部位相连,另一端插入到细胞质中,或与中间丝结合。应力纤维具有收缩功能,但不能产生运动,而只能用于维持细胞的形状和赋予细胞韧性和强度。

微丝参与细胞运动[编辑]

许多动物细胞在进行位置移动时多采用变形运动的方式。如变形虫、巨噬细胞和白细胞以及器官发生时的胚胎细胞等,这些细胞含有丰富的微丝,依赖肌动蛋白和微丝结合蛋白的相互作用,可进行变形运动。这些细胞通过肌动蛋白聚合使细胞表面形成突起,如片状伪足或丝状伪足。当片状伪足或丝状伪足接触到一片合适的表面时,它们就黏附在上面,这时称为整联蛋白(integrin)的穿膜蛋白就与胞外基质中的分子或与另一细胞表面上的分子结合。同时整联蛋白在胞内面紧紧抓住肌动蛋白丝,从而为细胞内部的肌动蛋白丝系统创造了一个牢靠的锚着点。细胞然后通过内部的收缩产生拉力,利用这一铀着点把自己的身体拉向前。

微丝参与细胞分裂[编辑]

动物细胞有丝分裂末期,继核分裂完成后,在即将分离的两个子细胞之间肌动蛋白微丝与肌球蛋白-Ⅱ组装形成瞬时性收缩束以维持特殊的功能,然后解体。最突出的是有丝分裂的动物细胞质膜下皮层由微丝与肌球蛋白-Ⅱ形成的腰带状束,称为收缩环(contractile ring)。收缩环产生的动力将质膜向内拉,细胞的腰部紧缩最终一分为二完成胞质的分裂过程,把两个细胞分隔开。

微丝参与肌肉收缩[编辑]

真核细胞中很多与微丝相结合的蛋白都是在肌细胞中首先发现,肌细胞的收缩是实现有机体的一切机械运动和各脏器生理功能的重要途径。
骨骼肌收缩的基本结构单位一肌小节(sarcomere)的主要成分是肌原纤维。电镜下观察证明肌原纤维由粗肌丝(thick myofilament)和细肌丝(thin myofilament)组成。粗肌丝直径约为10nm, 长约1.5mm, 由肌球蛋白(myosin)组成。细肌丝直径约为5nm, 由肌动蛋白、原肌球蛋白(tropomyosin)和肌钙蛋白(troponin)组成,又称肌动蛋白丝。
myosin租丝与肌动蛋白细丝相互交错,myosin粗丝为双极对称的组装形式,分布在中线两侧肌细胞的收缩机制可用滑动丝模型(sliding filament model)来解释。1954年A. F. Huxley提出肌收缩的滑动丝模型,认为肌细胞收缩是由于粗肌丝与细肌丝之间相互滑动的结果。肌细胞收缩的分子基础是:肌球蛋白的头部与邻近的细肌丝结合并发生一系列的构象变化,触发肌球蛋白头部沿着细肌丝正端“行走”,从而导致肌肉的收缩。

微丝参与细胞内物质运输[编辑]

微丝在微丝结合蛋白介导下可与微管一起进行细胞内物质运输,例如小泡的运输,通过肌球蛋白-Ⅰ微丝结合,将小泡沿微丝的(-)端向(+)端移动。另外,肌球蛋白-Ⅰ的尾部与质膜结合,利用其头部可将微丝从一个部位运向另一个部位。

微丝参与细胞内信号传递[编辑]

细胞表面的受体在受到外界信号作用时,可触发质膜下肌动蛋白的结构变化,从而启动细胞内激酶变化的信号传导过程。