第九章細(xì)胞骨架第二節(jié)微管微管在胞質(zhì)中形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，作為運(yùn)輸路軌并起支撐作用。微管是由微管蛋白組成的管狀結(jié)構(gòu)，對(duì)低溫、高壓和秋水仙素敏感。一、分子結(jié)構(gòu)微管是由13條原纖維（protofilament）構(gòu)成的中空管狀結(jié)構(gòu)（圖9-15），直徑22~25nm。每一條原纖維由微管蛋白二聚體線性排列而成。微管蛋白二聚體由結(jié)構(gòu)相似的α和β球蛋白構(gòu)成，兩種亞基均可結(jié)合GTP，α球蛋白結(jié)合的GTP從不發(fā)生水解或交換，是α球蛋白的固有組成部分，β球蛋白結(jié)合的GTP可發(fā)生水解，結(jié)合的GDP可交換為GTP，可見(jiàn)β亞基也是一種G蛋白（圖9-16）。圖9-15微管纖維圖9-16微管蛋白分子模型微管具有極性，（+）極(plusend)生長(zhǎng)速度快，（-）極(minusend)生長(zhǎng)速度慢，也就是說(shuō)微管蛋白在（+）極的添加速度高于-極。（+）極的最外端是β球蛋白，（-）極的最外端是α球蛋白。微管和微絲一樣具有踏車(chē)行為。微管形成的有些結(jié)構(gòu)是比較穩(wěn)定的，是由于微管結(jié)合蛋白的作用和酶修飾的原因。如神經(jīng)細(xì)胞軸突、纖毛和鞭毛中的微管纖維。大多數(shù)微管纖維處于動(dòng)態(tài)的組裝和去組裝狀態(tài)，這是實(shí)現(xiàn)其功能所必需的過(guò)程（如紡錘體）。秋水仙素(colchicine)結(jié)合的微管蛋白可加合到微管上，但阻止其他微管蛋白單體繼續(xù)添加，從而破壞紡錘體結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)春花堿具有類(lèi)似的功能。紫杉酚(taxol)，能促進(jìn)微管的裝配,并使已形成的微管穩(wěn)定。但這種穩(wěn)定性會(huì)破壞微管的正常功能。以上藥物均可以阻止細(xì)胞分裂，可用于癌癥的治療。二、微管結(jié)合蛋白微管結(jié)合蛋白（microtubuleassociatedproteinsMAPs）分子至少包含一個(gè)結(jié)合微管的結(jié)構(gòu)域和一個(gè)向外突出的結(jié)構(gòu)域。突出部位伸到微管外與其它細(xì)胞組分（如微管束、中間纖維、質(zhì)膜）結(jié)合（）。MAP的主要功能是：①促進(jìn)微管聚集成束；②增加微管穩(wěn)定性或強(qiáng)度；③促進(jìn)微管組裝。包括I型和II型兩大類(lèi)，I型對(duì)熱敏感，如MAP1a、MAP1b，主要。II型熱穩(wěn)定性高，包括MAP4和tau蛋白。其中表9-1細(xì)胞內(nèi)主要的微管結(jié)合蛋白三、分子發(fā)動(dòng)機(jī)(Molecularmotor)也稱(chēng)為發(fā)動(dòng)蛋白，目前已鑒定多達(dá)數(shù)十種。根據(jù)其結(jié)合的骨架纖維以及運(yùn)動(dòng)方向和攜帶的轉(zhuǎn)運(yùn)物不同而分為不同類(lèi)型。胞質(zhì)中沿微管運(yùn)輸物質(zhì)的分子發(fā)動(dòng)機(jī)分為兩大類(lèi)：驅(qū)動(dòng)蛋白kinesin，動(dòng)力蛋白dynein，兩者均需ATP提供能量。(一)驅(qū)動(dòng)蛋白(kinesins)Kinesin發(fā)現(xiàn)于1985年，是由兩條輕鏈和兩條重鏈構(gòu)成的四聚體（圖9-21），外觀具有兩個(gè)球形的頭（具有ATP酶活性）、一個(gè)螺旋狀的桿和兩個(gè)扇子狀的尾。通過(guò)結(jié)合和水解ATP，導(dǎo)致頸部發(fā)生構(gòu)象改變，使兩個(gè)頭部交替與微管結(jié)合，從而沿微管“行走”，將“尾部”結(jié)合的“貨物”（運(yùn)輸泡或細(xì)胞器）轉(zhuǎn)運(yùn)到其它地方。據(jù)估計(jì)哺乳動(dòng)物中類(lèi)似于kinesin的蛋白（KLP,kinesin-likeproteinorKRB,kinesin-relatedprotein）超過(guò)50余種，大多數(shù)KLP能向著微管（+）極運(yùn)輸小泡，也有些如Ncd蛋白（一種著絲點(diǎn)相關(guān)的蛋白）趨向微管的（-）極。圖9-21Kinesin(二)動(dòng)力蛋白(dyneins)Dynein發(fā)現(xiàn)于1963年，因與鞭毛和纖毛的運(yùn)動(dòng)有關(guān)而得名。dynein分子量巨大（接近1.5Md），由兩條相同的重鏈和一些種類(lèi)繁多的輕鏈以及結(jié)合蛋白構(gòu)成（鞭毛二聯(lián)微管外臂的動(dòng)力蛋白具有三個(gè)重鏈）。其作用主要有以下幾個(gè)方面：在細(xì)胞分裂中推動(dòng)染色體的分離、驅(qū)動(dòng)鞭毛的運(yùn)動(dòng)、向著微管（-）極運(yùn)輸小泡（圖9-22）。圖9-22Dynein（圖片來(lái)自G.Karp2002）四、微管組織中心微管組織中心（microtubuleorganizingcenterMTOCs）是微管進(jìn)行組裝的區(qū)域，著絲粒、成膜體、中心體、基體均具有微管組織中心的功能。所有微管組織中心都具有γ微管球蛋白，這種球蛋白的含量很低，可聚合成環(huán)狀復(fù)合體，像模板一樣參與微管蛋白的核化，幫助α和β球蛋白聚合為微管纖維。中心體（centrosome）位于細(xì)胞的中心部位（圖9-18）。由兩個(gè)相互垂直的中心粒（centriole）構(gòu)成（圖9-19），周?chē)且恍o(wú)定形或纖維形、高電子密度的物質(zhì)，叫做外中心粒物質(zhì)（PCM，pericentriolarmaterial）。中心粒直徑0.2mm，長(zhǎng)0.4mm，由9組3聯(lián)微管構(gòu)成，不直接參與微管蛋白的核化，具有召集PCM的作用。圖9-18中心體結(jié)構(gòu)模型圖9-19中心粒電鏡照片微管蛋白以環(huán)狀的γ球蛋白復(fù)合體為模板核化、先組裝出（-）極，然后開(kāi)始生長(zhǎng)，因此中心體周?chē)奈⒐埽?）極指向中心體，（+）級(jí)遠(yuǎn)離中心體。1972年R.Weisenberg證明提純的微管，在微酸性環(huán)境（PH=6.9），適宜的溫度下，存在GTP、Mg2+和去除Ca2+的條件下能自發(fā)的組裝成微管。但這種微管只有11條原纖維，可能是因?yàn)闆](méi)有γ微管球蛋白構(gòu)成的模板。微管β球蛋白結(jié)合的GTP水解并不是微管組裝所必需的步驟，但是結(jié)合GTP的微管蛋白二聚體能加合到微管纖維上，在快速生長(zhǎng)的纖維兩端微管球蛋白結(jié)合的GTP來(lái)不及水解，形成的“帽子”，使微管纖維較為穩(wěn)定。一旦暴露出結(jié)合GDP的亞單位微管，則開(kāi)始去組裝。五、微管的功能1、支架作用細(xì)胞中的微管就像混凝土中的鋼筋一樣，起支撐作用，在培養(yǎng)的細(xì)胞中，微管呈放射狀排列在核外，（+）端指向質(zhì)膜（圖9-20），形成平貼在培養(yǎng)皿上的形狀。在神經(jīng)細(xì)胞的軸突和樹(shù)突中，微管束沿長(zhǎng)軸排列，起支撐作用，在胚胎發(fā)育階段為管幫助軸突生長(zhǎng)，突入周?chē)M織，在成熟的軸突中，微管是物質(zhì)運(yùn)輸?shù)穆奋墶D9-20以細(xì)胞核為中心向外放射狀排列的微管纖維（紅色）圖片來(lái)自/2、細(xì)胞內(nèi)運(yùn)輸真核細(xì)胞內(nèi)部是高度區(qū)域化的體系，細(xì)胞中合成的物質(zhì)、一些細(xì)胞器等必須經(jīng)過(guò)細(xì)胞內(nèi)運(yùn)輸過(guò)程。這種運(yùn)輸過(guò)程與細(xì)胞骨架體系中的微管及其分子發(fā)動(dòng)機(jī)有關(guān)。如神經(jīng)細(xì)胞軸突中物質(zhì)運(yùn)輸即沿著微管進(jìn)行。在神經(jīng)細(xì)胞軸突中存在兩種運(yùn)輸方式：外向運(yùn)輸和內(nèi)向運(yùn)輸。分泌小泡靠驅(qū)動(dòng)蛋白運(yùn)向軸突末梢，稱(chēng)為外向運(yùn)輸，也稱(chēng)順向運(yùn)輸；軸突末梢內(nèi)吞形成的內(nèi)吞泡靠動(dòng)力蛋白運(yùn)向細(xì)胞體，稱(chēng)為內(nèi)向運(yùn)輸，也稱(chēng)逆向運(yùn)輸。圖9-21神經(jīng)細(xì)胞軸突中物質(zhì)的運(yùn)輸3、形成紡錘體紡錘體是一種微管構(gòu)成的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，其作用是在分裂細(xì)胞中牽引染色體到達(dá)分裂極，詳細(xì)內(nèi)容參見(jiàn)第十三章。4、纖毛與鞭毛的運(yùn)動(dòng)纖毛與鞭毛是相似的兩種細(xì)胞外長(zhǎng)物，前者較短，約5~10um；后者較長(zhǎng)，約150um，兩者直徑相似，均為0.15~0.3um。鞭毛和纖毛均由基體和鞭桿兩部分構(gòu)成（圖9-23），鞭毛中的微管為9+2結(jié)構(gòu)，即由9個(gè)二聯(lián)微管和一對(duì)中央微管構(gòu)成，其中二聯(lián)微管由AB兩個(gè)管組成，A管由13條原纖維組成，B管由10條原纖維組成，兩者共用3條。A管對(duì)著相鄰的B管伸出兩條動(dòng)力蛋白臂（圖9-24），并向鞭毛中央發(fā)出一條輻?；w的微管組成為9+0，并且二聯(lián)微管