1、第二節(jié) 微管及其功能,生技31103 許瑤,一、微管的結(jié)構(gòu)組成與極性 二、微管的組裝和去組裝 三、微管組織中心 四、微管的動(dòng)力學(xué)性質(zhì) 五、微管結(jié)合蛋白對(duì)微管網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié) 六、微管對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的組織作用 七、細(xì)胞內(nèi)依賴于微管的物質(zhì)運(yùn)輸 八、纖毛和鞭毛的結(jié)構(gòu)與功能 九、紡錘體和染色體運(yùn)動(dòng),一、微管的結(jié)構(gòu)組成與極性,1、微管由微管蛋白亞基組裝而成。每個(gè)微管蛋白亞基都是由2個(gè)非常相似的球狀蛋白（微管蛋白和微管蛋白結(jié)合而成的導(dǎo)二聚體，這種-微管蛋白二聚體是細(xì)胞質(zhì)內(nèi)游離態(tài)微管蛋白的主要存在形式，也是微管組裝的基本結(jié)構(gòu)單位（P280，LR2，W1）。 微管蛋白含450個(gè)氨基酸殘基，微管蛋白含455個(gè)氨基酸殘

2、基。兩者均含有酸性C端序列（P281，L4，W3） 。 2、從低等的單細(xì)胞真核生物到高等哺乳動(dòng)物，微管蛋白在生物進(jìn)化過程可能是最穩(wěn)定的蛋白分子之一（P281，L7，W1） 。 3、微管管壁是由-微管蛋白二聚體縱向排列而成的原纖絲構(gòu)成，13根原纖絲合攏后構(gòu)成微管的管壁（P328，LR11，W1） 。 4、每一根原纖絲，它們在微管的某一端都是-微管蛋白，而在另一端都是-微管蛋白。人們通常將組裝較快的一端（-微管蛋白端）稱為正極，而另一端（-微管蛋白端）為負(fù)極（P282，L9，WR8） 。 5、比結(jié)構(gòu)上看，細(xì)胞內(nèi)的微管有3種類型，它們是單管（細(xì)胞質(zhì)微管和紡錘體微管）、二聯(lián)管（纖毛或鞭毛的軸絲微管），

3、三聯(lián)管（中心?；蚧w的微管） （P282，LR6，W17） 。,13,13+10,13+10+10,二、微管的組裝和去組裝,微管的體外組裝與踏車行為 作用于微管的特異性藥物,微管在體外的組裝過程可分為成核和延伸兩個(gè)階段。 一些微管蛋白（微管蛋白和微管蛋白）二聚體（ 二聚體） 首先縱向聚合形成短的絲狀結(jié)構(gòu)（ 原纖維），即所謂的成核反應(yīng) 然后通過兩端以及側(cè)面增加二聚體而擴(kuò)展成片狀，當(dāng)片狀聚合物加寬到大致 13根原纖絲時(shí)，即合攏成為一段微管（ 微管）。新的微管蛋白二聚體不斷地 組裝到這段微管的兩端，使之延長,通常持有微管蛋白的負(fù)極端組裝較慢，而持有微管蛋白的正極端組裝較快。微管的組裝同樣與其底物（攜

4、帶GDP 二聚體）的濃度有關(guān)（微管兩端具GTP帽，微管將繼續(xù)裝配，具GDP帽則解聚） 當(dāng)一端組裝的速度和另一端解聚的速度相同時(shí)，微管的長度保持穩(wěn)定，即所謂的踏車行為,細(xì)胞內(nèi)微管的組裝和去組裝在時(shí)間和空間上是高度有序的 細(xì)胞內(nèi)的微管組裝通常都起源于某一特殊位點(diǎn)，如間期、G0期細(xì)胞內(nèi)的微管以及有絲分裂時(shí)的紡錘體微管大都起源于中心體，纖毛和鞭毛內(nèi)部的微管起源于基體。,間期細(xì)胞：細(xì)胞質(zhì)微管與微管亞蛋白庫處于相對(duì)平衡狀態(tài)； 分裂期：胞質(zhì)微管裝配和去裝配動(dòng)態(tài)受細(xì)胞周期控， 前期：胞質(zhì)微管網(wǎng)絡(luò)中的微管去組裝，游離的微管蛋白 亞單位裝配為紡錘體； 末期：發(fā)生逆向轉(zhuǎn)變,作用于微管的特異性藥物,1、一此藥物如秋水

5、仙素和紫杉醇等可以影響細(xì)胞內(nèi)微管的組裝和去組裝。秋水仙素，它阻斷微管蛋白裝配成微管； 紫杉酚能促進(jìn)微管裝配，并使已形成的微管穩(wěn)定。 2、微管組裝和去組裝的動(dòng)態(tài)行為還與溫度有關(guān)。溫度高于20時(shí)微管蛋白亞基可以組裝成微管，而當(dāng)溫度較低時(shí)微管會(huì)發(fā)生去組裝，但冷穩(wěn)定微管不會(huì)去組裝 。,三、微管組織中心,（一）中心體 （二）基體和其他微管組織中心,中心體,1、在活細(xì)胞中，能夠起始微管的成核作用，并使之延伸的細(xì)胞結(jié)構(gòu)稱為微管組織中心（microtubule organizing center, MTOC），除中心體以外，細(xì)胞內(nèi)起微管組織中心作用的類似結(jié)構(gòu)還有位于纖毛和鞭毛基部的基體等細(xì)胞器。 2、動(dòng)物細(xì)胞

6、的間期微管通常都是從中心體開始生長。中心體含有一對(duì)桶狀的中心粒，彼此垂直分布，外面被無定形的中心粒外周物質(zhì)所包圍 。 3、每個(gè)中心粒含有9組等間三聯(lián)體微管（13根原纖絲的微管A，10根原纖絲的微管B，10根原纖絲的微管C） 。 4、微管并不起源于中心粒，而是在中心粒外周物質(zhì)區(qū)域成核。,基體和其他微管組織中心,1、鞭毛和纖毛內(nèi)部的微管起源于其基體的結(jié)構(gòu)?；w在結(jié)構(gòu)上與中心?；疽恢?，其壁由9組三聯(lián)體微管構(gòu)成，微管A完全微管，微管B和C為不完全微管 。 2、中心粒體基體都具有自我復(fù)制的性質(zhì)，新的中心粒是由原來的中心粒在S期復(fù)制而來 。,微管的動(dòng)力學(xué)性質(zhì),細(xì)胞處于生長狀態(tài)時(shí)，微管的組裝與去組裝也并不

7、是同步進(jìn)行的，往往可以觀察到一部分微管正在組裝，而另一部分的微管卻處在解聚過程中。 有時(shí)整根微管解聚后又從中心體的同一個(gè)微管蛋白的環(huán)狀模板上從新組裝。 甚至在同一根微管的末端，其組裝和去組裝可以反復(fù)進(jìn)行。 以上微管所表現(xiàn)的這種動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性通常發(fā)生在正極或中心體遠(yuǎn)端,五、微管結(jié)合蛋白對(duì)微管網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié),始終伴隨著微管的組裝和去組裝而存在的這類蛋白稱之為身微管結(jié)合蛋白（microtubule-associated protein, MAP）。主要有 tau蛋白（神經(jīng)軸突中，具有熱穩(wěn)定性）、MAP1（對(duì)熱敏感，見于神經(jīng)軸突和樹突）、 MAP2（見于神經(jīng)元胞體和樹突，具熱穩(wěn)定性）、 MAP4（各種

8、細(xì)胞中，具高度熱穩(wěn)定性） 。,MAPS與微管的結(jié)合有助于提高微管的穩(wěn)定性，用秋水仙素處理一般間期細(xì)胞可以阻止微管的組裝，但并不影響解聚，在神經(jīng)元的樹突或軸突內(nèi)部，這些藥物同樣能與微管蛋白二聚體結(jié)合而影響微管的組裝，但神經(jīng)突起內(nèi)部的微管似乎并不那么容易解聚，原因是大量的MAPS與微管結(jié)合，從而發(fā)揮穩(wěn)定微管作用,六、微管對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的組織作用,微管與細(xì)胞器的分布以及細(xì)胞的形態(tài)發(fā)生與維持有很大的關(guān)系,七、細(xì)胞內(nèi)依賴于微管的物質(zhì)運(yùn)輸,觀察活細(xì)胞，可以看到許多細(xì)胞器或膜狀小泡在細(xì)胞內(nèi)或軸突內(nèi)部沿微管作定向運(yùn)動(dòng)，在微管和膜泡之間存在一類既能與微管結(jié)合，又能與膜泡特異性結(jié)合的是分子馬達(dá) 分子馬達(dá)：能利用水解A

9、TP將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，有規(guī)則的沿微管運(yùn)輸貨物 分子馬達(dá)主要有驅(qū)動(dòng)蛋白和胞質(zhì)動(dòng)力蛋白,驅(qū)動(dòng)蛋白及其功能,它能運(yùn)載膜性細(xì)胞器沿著微管向軸突末梢移動(dòng) 通常由2條重鏈（KHC）和2條輕鏈（KLC）組成,驅(qū)動(dòng)蛋白沿微管運(yùn)動(dòng)的分子機(jī)制,驅(qū)動(dòng)蛋白馬達(dá)結(jié)構(gòu)有兩個(gè)重要的功能位點(diǎn)：1、ATP結(jié)合位點(diǎn)2、微管結(jié)合位點(diǎn) 驅(qū)動(dòng)蛋白沿微管運(yùn)動(dòng)的分子模型有兩種：步行模型和（inchworm）爬行模型 步行模型像“人走路一樣”每步移動(dòng)16nm，（inchworm）爬行模型每步移動(dòng)8nm。,步行模型過程,兩個(gè)頭部交替與微管結(jié)合，以確保在移動(dòng)過程中不會(huì)從微管上掉下來，馬達(dá)結(jié)構(gòu)域每水解一個(gè)ATP分子，整個(gè)分子就向前移動(dòng)一步（16nm）,八、鞭毛與纖毛的結(jié)構(gòu)與功能,一、纖毛與鞭毛的結(jié)構(gòu) 1、鞭毛與纖毛這種軸絲微管的排列方式被稱為“9+2”排列，與中心體微管一樣，所有的軸絲微管的極性都是正級(jí)端向外，即指向纖毛或鞭毛的頂端（P296，LR18，W6） 微管（-）極指向MTOC，（+）極背向MTOC。 2、位于纖毛和鞭毛基部的基體在結(jié)構(gòu)上與中心粒類似，呈“9+0”模式（P296，LR9，W1） 。,二、纖毛與鞭毛的運(yùn)動(dòng)機(jī)制,1、A管動(dòng)力蛋白頭部B