第十八章细胞骨架 学习目标 通过本章的学习，你应该能够： 掌握细胞骨架的概念，微管、微丝和中间纤维的化学组成、结构、分布、组装与 功能。 熟悉微管、微丝和中间纤维结合蛋白质的类型及作用，细胞骨架参与形成的 此亚细胞结构的物成和作用 了解细胞骨架与疾病的关系。 细胞骨架(cytoskeleton)是指广泛存在于真核细胞中的三维蛋白纤维网络系统。细胞骨架的概念最 早由Nikolaj Koltzoff于1928年提出，研究发展到今天，有狭义与广义之分。狭义的细胞骨架仅指细胞质 骨架，包括微管、微丝和中间纤维。广义的细胞骨架还包括细胞核骨架（核基质）、细胞膜骨架及细胞外 基质，形成贯穿于细胞核、细胞质和细胞外的一体化网络结构。 细胞骨架是一种高度动态的结构体系。在不同的细胞功能状态、分裂时相及分化状态中，细胞骨架 不断发生组装与去组装，其形态分布、蛋白质组成都有差异和变化。细胞骨架不仅在细胞内发挥重要的 机械支撑与空间组织作用，还参与几乎所有形式的细胞运动及胞内膜泡运输等生命活动。 对细胞骨架的研究是近代细胞生物学中最活跃的领域之一。 本章主要介绍细胞质骨架的三种蛋白纤维及相关的生理功能，并简单介绍细胞骨架异常与人类疾 病的关系。 第一节微管 除人与哺乳类动物成熟的红细胞等极少数特化细胞外，微管(microtubule,MT)普遍存在于真核细 胞中，是由微管蛋白和微管相关蛋白组成的中空管状结构。微管主要分布在细胞核周围，在胞质中呈网 状或束状分布，对低温、高压和秋水仙素敏感。微管作为膜泡运输的导轨和确定膜性细胞器的位置，还 能与其他蛋白共同组成中心体、基体、鞭毛、纤毛、纺锤体等亚细胞结构，与细胞形态的维持、细胞运动和 细胞分裂等功能有关。 一、微管的形态结构和化学组成 (一)微管的形态结构 运用免疫荧光染色标记培养的成纤维细胞，在光学显微镜下可观察到在细胞核周围向外呈放射状 分布的微管（图18-1）。电镜下，微管为不分支的中空管状结构，其外径平均为25m,内径约为15m,管 4g9
第四篇细胞的结构与功能 壁由13根原纤维(protofilament)平行环列排布，每根原纤维由微管蛋白异二聚体头尾相连而成。不同 细胞中，徽管的形态和结构基本相同，长度变化却很大，一般为几微米，但某些特定的细胞如位于中枢神 经系统的运动神经元，其长度可达数厘米（图18-2）。 图181免疫荧光染色显示成纤维细胞内微管分布 (c) a B (D) 形态：(C,D)微管形态结构模式图 微管的结构动态可变，如微管在胞质呈放射状排布的间期细胞，当进人分裂期后，微管迅速重建为 纺锤体；微管也可以是稳定的结构，如肺上皮细胞的纤毛，其中的微管在整个细胞生命周期都具有稳定 的长度和位置。 (二)微管的化学组成 1.微管蛋白构成微管的结构蛋白是微管蛋白(tubulir),球形，是一类酸性蛋白，占微管总蛋白含 量的80%~95%。胞质中的微管蛋白一般以异二聚体(heterodimer)的形式存在，两个亚基分别是a微 管蛋白(a-tubulin)和B微管蛋白(B-tubulin)。两种微管蛋白理化性质相似，分子大小相近，其中a微管 蛋白由450个氨基酸残基组成，B微管蛋白由455个氨基酸残基组成，两者的C末端均含有酸性氨基酸 序列，使微管表面带有较强的负电荷，它们的相对分子量约55kDa,有35%~40%的氨基酸序列同源，极 为保守。但二者多肽链中的氨基酸组成和排列顺序还是有所不同。 通过α微管蛋白单克隆抗体识别发现，在不同种类的细胞中，微管蛋白远不止一种，如动物脑组织 430
第十八章细胞骨架、 中达18种。而在同一类细胞中，其胞质微管也由抗原性不同的微管蛋白亚基组成。这些差异也可能与 微管相关蛋白的选择性结合有关。微管蛋白的多样性主要是其基因的复杂性以及转录后修饰（如α微 管蛋白亚基上赖氨酸残基的乙酰化及C末端的去酪氨酸作用)造成的。现知微管蛋白基因是一个多基 因家族，各个基因散布于整个基因组中。这是微管结构与功能多样性的重要基础。 a和B微管蛋白结合形成的异二聚体，是细胞内游离态微管蛋白的主要存在形式，也是微管组装的 基本结构单位（图183）。每一个微管蛋白异二聚体有两个GTP结合位点，一个位于α亚基，另一个位 于B亚基上。a亚基上的GTP结合位点是不可逆的，称为不可交换位点(nonexchangeable site,N位点)， 结合上去的GTP不会被水解，也不能被GDP替换，微管蛋白与GTP结合是其固有组成形式。结合在 B亚基上的GTP在参与微管组装后即被水解成GDP,当微管去组装时，该GDP可以被GTP替换并再资 参与微管组装.所以这个位点又称为可交换位点(exchangeable site.E位点)。此外，微管蛋白上环有 价阳离子(Mg“,Ca2“)的结合位点，a微管蛋白上有秋水仙素结合位点，B微管蛋白上有长春碱的结合 位点。 a-微管蛋白 微管蛋白 图183微管蛋白异二聚体的三维结构模型 微管蛋白家族还有第三个成员y微管蛋白(y-tubulin),它由455个氨基酸残基组成，分子量50kDa, 存在于微管组织中心。虽然微管蛋白约只占到微管蛋白总量的1%，但在微管的功能活动中具有不 可或缺的重要作用。γ微管蛋白的异常可造成微管数量、长度的减少及细胞有丝分裂器的缺失，从而影 响细胞分裂。 2.微管相关蛋白。微管除含微管蛋白外，还含有微管相关蛋白(microtubule associated protein MAP),它们是维持微管结构与功能的必需成分，也是形成不同微 管差异的主要原因。微管相关蛋白至少句含两个结构战：一个 带正电荷的结合微管的区域，能与带负电荷的微管表面相互作 用，促进微管组装及聚集成束：另一个是带负电荷向外突出的结 物域.也叫描桥，它伸到微管外与相邻微管或其他细胞组分（如由 间纤维、质膜等)结合，横桥的长度决定微管在成束时的间距大小 (图18-4)。 微管相关蛋白主要包括MAPI、MAP2、Tau、MAP4等，前三种 主要存在于神经元中，MAP4广泛存在于各种细胞中。不同微管 相关蛋白分布在细胞的不同区域.执行特定的功能。如MAP2分 微管 布于神经元的胞体和树突内，促进微管聚合成束，起稳定微管的 作用。Tu则存在于轴突中，可提高微管起始装配速度，从而促进 图18-4微管相关蛋白MAP2
第四篇细胞的结构与功能 微管组装及聚合，维持微管的稳定性 还有一类微管相关蛋白是马达蛋白(motor protein),含微管结合区域和ATPase活性区域（即马达结 构域)，包括动力蛋白、驱动蛋白等，主要参与细胞内膜泡转运、染色体运动等。 (三)微管的存在类型 微管在细胞内存在有单管、二联管和三联管三种类型（图185），各自执行不同的功能 0.d A B ●● 单管 二联管 三联管 图185微管的三种存在类型 大部分细胞质微管是单管，由13根原纤维环围而成，常单独存在或成束分布。单管在低温、C“和 秋水仙素等因素作用下容易解聚，并随细胞生理功能状态的改变，处于不断聚合与解聚的动态变化中， 属于不稳定微管，如纺锤体微管 二联管构成纤毛和鞭毛的周围小管。二联管由A管和B管组成，其中A管与单管结构相同，B管 有3根原纤维与A管共有 三联管见于中心粒和纤毛、鞭毛的基体，由A、B、C三管组成，A管是完整的单管结构，B管和A 管、C管和B管间分别共用3根原纤维。二联管和三联管对于低温、C·和秋水仙素等的作用是稳 定的 （四）微管的极性 微管蛋白异二聚体在微管头尾相连接，因此对每一根原纤维，它们在微管的某一端都是α微管蛋 白，而在另一端都是B微管蛋白，这使得微管中所有的原纤维的两端都是不对称的，是有方向性的，从而 使整根微管在结构上呈现极性状态。结构上的不对称也导致微管组装时微管蛋白异二聚体在两端聚合 速度的差异，人们通常将组装较快的一端称为正极或(+)极(plus end),此处微管蛋白异二聚体的聚合 速度大于解聚速度，微管在这一端得以不断延长，其最外端是B微管蛋白，指向质膜的方向。而另一端 称为负极或(-)极(minus end),它最外端是a微管蛋白，在细胞中定位于微管组织中心里。一般认为 微管两极聚合速度的差异本质是两端反应的临界浓度(critical concentration)不同。所谓临界浓度是指 微管蛋白异二聚体达到组装的最低浓度。微管正极的临界浓度显然低于负极的。由于微管在结构和生 长上均具极性，故由微管构成的细胞器也具有一定的极性 二、微管的组装 有关微管的组装过程及机制，虽然还有许多尚待探明的问题，但大量的研究表明，它是一个受多种 因素影响、具有高度时空顺序性的自我组装过程。细胞质微管是一种动态变化的结构，根据细胞的生理 功能需要，通过微管蛋白聚合或解聚，引起微管的组装和去组装以达成某种平衡 (一）微管的组装过程 最早对微管组装的研究来自体外实验。1972年，R.Weisenberg证明提纯的微管蛋白在微酸性环境 (pH=6.9)及适宜的温度(>20℃)，存在GTP、Mg2和去除Ca2“的条件下能自发的组装成微管。还发现 只要降低或提高反应温度就可以使微管去组装和重组装。若在反应系统中添加微管碎片能够加速微管 的组装，加入的微管碎片起到“种子”的作用。 一般将微管体外组装分为三个时期：成核期、聚合期和稳定期。①成核期(nucleation phase),先由 一些微管蛋白异二聚体聚合成片状或环状的核心，接着在核心两端和侧面增加异二聚体使之延伸、扩展 432
第十八章细胞骨架 成13根原纤维，随即合拢成一段微管。由于该期是微管聚合的开始，速度缓慢，是微管组装的限速阶 段，也叫延迟期(lag phase):②聚合期(polymerization phase)或延长期(elongation),在此阶段，高浓度的 微管蛋白异二聚体快速添加到微管末端，使微管得以生长、延长：③稳定期(stead山y state phase),也叫平 衡期(equilibrium phase),随着游离微管蛋白浓度的下降，微管的组装与去组装速度相等，微管长度趋于 相对稳定 当游离的微管蛋白异二聚体浓度介于正、负两极的临界浓度之间时，微管在正极组装延长，在负极 解聚缩短，若延长和缩短速度相等，微管净长度保持不变，这种动态行为称为踏车现象(treadmilling)。 (二)微管组织中心 微管在体内的组装要复杂得多，除遵循体外组装的条件外，还受到细胞内各种因素的影响和调节。 微管体外组装的限速步骤是成核期，但在活细胞内成核过程非常迅速，并且成核位置也是固定的 实验证明，这个成核位置就是细胞中的微管组织中心(microtubule organizing center,MTOC)。MTOC是 细胞内微管起始组装的特定区域，包括中心体、鞭毛和纤毛的基体等。所有微管组织中心都具有y微管 蛋白，这种球蛋白的含量很低，也是保守蛋白质，与其结合蛋白一起构成γ微管蛋白环形复合物(Y tubuliny ring complex,Y-TuRC),作为模板启动微管定点聚合，还决定微管的数量、位置及极性。MTOC 是微管组装的特异性核心形成位点，又叫成核位点。 研究表明，中心体(centrosome)是动物细胞中主要的微管组织中心，位于间期细胞的细胞核附近，由 对相互垂直的中心粒(centriole)构成，周围是一些无定形、高电子密度的物质，叫做中心粒外周物质 (pericentriolar material,PCM)。中心粒直径0.2mm,长0.4mm,由9组三联微管围成一个圆筒状结构，即 “9×3+0”的结构（图18-6）。中心粒不直接参与微管蛋白的核化，具有召集和稳定PCM的作用。在 PCM表面，有许多环状的YTRC,像一个个基座，微管蛋白异二聚体按照一定的方向添加到这个环上， 然后微管开始生长和延长。Y微管蛋白只与α微管蛋白结合，结果生长的微管负极被Y-TuRC封闭，微 管的游离端则为正极（图187），也意味着细胞内多数微管只能在正极发生组装与去组装。 图18-6中心粒结构模式图及电镜图 433
、第四篇细胞的结构与功能 图187微管在中心体上的聚合 中心体作为微管组织中心，可装配为胞内微管网络、纺锤体、神经元突起里的维管束等。在细胞周 期S期，中心体进行复制（两个中心粒分别来自母体和重新合成），进入有丝分裂期时，分别移动至细胞 两极，组织形成纺锤体微管。基体(oasal body)位于鞭毛和纤毛的根部，组织形成鞭毛、纤毛的微管轴 丝。基体与中心粒结构相似，呈“9×3+0”排列，即含9组三联管，无中央徽管，亦可自我复制。 (三)微管组装的动态不稳定性 微管的组装是一个耗能的过程，GTP的重要作用在于与微管蛋白异二聚体的N、E位点结合（即 GTP-tubulin)后装配到微管(+)端，组装完成后，E位点的GTP会水解成GDP(即GDP-tubulin),这种异 二聚体不稳定，会去组装，释放出来的微管蛋白异二聚体上的GDP要与GTP交换，使它重新结合上 GTP,才能再次作为微管组装的结构单位。当GTP-tubulin聚合速度远大于GTP的水解速度时，微管(+) 端不断加入大量GTP-tubulin,形成GTP帽(GTP cap),此帽可保护微管末端，抑制解聚，使微管稳定延 长；随着胞内GTP-tubulin的消耗，微管(+)端聚合速度会下降，则GTP水解成GDP,因而GTP帽会变短 直至消失，暴露出GDP-tubulin,形成GDP帽(GDPcap),微管开始解聚缩短（图18-8）。在微管组装过程 中，受细胞内各种因素作用，微管不断在延长和缩短两种状态下转变，这就是微管的动态不稳定性(y namic instability),此时细胞质中微管蛋白库与装配完成的微管之间达成一个动态的平衡，以维持细胞 相应的功能状态 GTP帽 ,GTP-微管蛋白 微管的组装 GTP cap 微管的去组装 图18-8微管的组装与去组装 踏车现象和动态不稳定性都可以描述微管蛋白组装成微管的动力学特征，但目前普遍认为后者在 微管的组装过程中起主导作用 434
第十八章细胞骨架 (四)微管特异性药物 浩成微管不稳定性的因素很多，句括前已叙术的微管蛋白临界浓度(1mg/L)、GTP浓度、某些离 子浓度、温度（最适温度37℃）、pH(最适pH=6.9)等，还有某些药物。这些药物能够抑制与微管的组装 和去组装有关的细胞活动，也是研究微管功能的有力工具，主要原因在于，一是这些药物只同微管或 管蛋白异二聚体结合，二是它们在细胞中的浓度很容易控制。其中用得最多的是秋水仙素、紫杉醇等 秋水仙素(colchicine)是一种生物碱，可与微管蛋白异二聚体特异性结合，形成的复合物添加到微管的 末端后，可阻止其他微管蛋白异一聚体的加人，但末端带有秋水仙素的微管其去组装并没有影响.从而 抑制了微管聚合，导致细胞内微管系统的解体。秋水仙素处理细胞后能抑制纺锤体的形成，使细胞被阻 断在有丝分裂中期，导致细胞死亡。紫衫醇(tax)是从红豆杉属植物中提取的一种四环二萜化合物，紫 杉醇结合到聚合的微管上后可以阻止微管蛋白的解聚，增强了微管的稳定，但不影响新的微管蛋白异 聚体在微管末端的组装，结果是微管不停地组装而不会解聚，这种状态破坏了微管的动态不稳定性，对 细胞有毒害作用，同样阻断细胞的有丝分裂。因此，虽然作用机制不同，秋水仙素和紫杉醇都可以发挥 抗肿瘤细胞的作用。也进一步阐明了要行使正常的微管功能，微管动态不稳定性是其重要基础。 三、微管的主要功能 (二）维持细胞的形态 维持细胞形态是微管的基本功能。微管具有一定的强度，能够抗压和抗弯曲，这种特性给细胞提供 了机械支持力。在体外培养的细胞中，微管围绕细胞核向外呈放射状分布，(+)端指向质膜，形成平贴 在培养皿上的形状。在神经细胞的轴突和树突中，微管束沿长轴排列，起支撑作用。用秋水仙素、低温 等方法处理的细胞变成球形，可见微管破坏，原有细胞形态消失。 (二)鞭毛和纤毛的运动 箱毛(aum)和纤毛(cium)都是某些细胞表面的特化结构，具有运动功能。狮毛和纤毛在来 源、结构上基本相同，一般把少而长者称为鞭毛，短而多者称为纤毛。纤毛和鞭毛都含有一个规则排列 的由微管、动力蛋白和其他相关蛋白相互连接形成的骨架，称为轴丝(axoneme),轴丝的外面由细胞膜句 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，中央有两根单微管 成为“9×2+2”的微管结构（图189）。中央的两个单微管之间由细丝相连，外包有中央销。相邻二联管 之间诵时连接蛋白(nexin)相连，二联管的A管对若相邻一联管的B管方向伸出动力蛋白臂(dvne am),属马达蛋白，是动力蛋白家族成员之一，其头部有ATP酶活性，可水解ATP做功，为鞭毛和纤毛的 运动提供动力。二联管的A管还向着鞭毛中央鞘伸出一根放射辐条(radial spoke),其末端膨大，称为辐 外侧二联管 连接蛋白连 A管 外动力蛋白壁 内动力 中间鞘 图189鞭毛和纤毛杆部横切面的结构示意图及电镜照片 435
第四篇细胞的结构与功能 头(spoke he©ad)。纤毛和鞭毛的轴丝根部起始于细胞浅表部的基体，基体作为微管组织中心调控轴丝 微管的组装。 鞭毛和纤毛的运动是由于它们局部弯曲，从基部向顶端波浪式地推进的结果，是由其轴丝中动力蛋 白臂介导引起相邻二联微管之间的相互滑动所致，微管滑动模型(sliding-micotubule model)是关于鞭毛 和纤毛运动机制的最好解释。其主要内容是：A管的动力蛋白臂头部与B管的接触促使动力蛋白臂结 合的ATP水解，同时造成头部角度改变，使头部向相邻二联管正极滑动；头部结合新的ATP,与B管脱 离；ATP水解，释放的能量使头部的角度复原，而与B管另一个更靠近负极的位点结合，开始下一个循 环。由于相邻二联管之间通过连接蛋白形成一个整体，放射辐条的幅头也与中央鞘有接触、脱落的变 化，最后使相邻二联管之间的滑动受到限制，从而变为轴丝的弯曲摆动。 纤毛不动综合征(immotile cilia syndrome,ICS)是由纤毛结构缺陷（主要是动力蛋白臂缺陷或缺失） 引起的一种遗传病。纤毛结构的异常可以引起呼吸道纤毛麻痹，纤毛黏液传输功能障碍，引发肺部炎 症、支气管炎、慢性鼻炎、鼻窦炎等症状，同时男性的精子因鞭毛失去运动功能而导致男性不育（先天性 精子不动症)。 (三)参与细胞内物质运输 研究表明徽管还是细胞内物质运输的轨道，其极性和分布对物质运输方向起着引导作用。细胞内 各种膜性囊泡如转运小泡、分泌泡，色素颗粒等、神经元轴突运输(axonal transport)以及溶酶体、线粒体 等膜性细胞器的定向运输都是沿着微管进行的。胞内物质转运还需要ATP供能，这是微管相关马达蛋 白介导的。耳达蛋白是指一类能利用AP水解产生的能量驱动自身携带运载物船着微管或微丝运动 的蛋白质。目前发现，与微管结合而起运输作用的马达蛋白多达几十种，可分为两大家族，即动力蛋白 (dynein)和驱动蛋白(kinesin)。一般情况下，动力蛋白能向微管负极运输膜泡，驱动蛋白能反向朝着微 管正极运输膜泡（图18-10）。 微管相关马达蛋白都有一个尾部和两个 头部，通过一个颈部连接起来。其尾部可识 别结合运载物（膜泡或膜性细胞器），从而决 定所运载物的种类。球形头部有微管结合区 域和ATPase活性区域，当结合和水解ATP 时，导致颈部发生构象改变，使头部完成与微 动力蛋白一 管结合、脱落、再结合的交棒动作，从而沿微 管移动，实现运载物在细胞内的转运。 细胞 9 内马达蛋白还有其他的功能。动力蛋白家情 驱动蛋白 的作用主要有以下几个方面：动力蛋白臂驱 动鞭毛、纤毛的运动；胞质动力蛋白向着微管 负极运输膜泡，介导内质网至高尔基体之间 以及细胞胞吞至细胞内部的膜泡运输：在细 胞分裂中推动染色体的分离等。驱动蛋白家 族大多数成员向着微管正极运输膜泡，介导 图18-10动力蛋白和驱动蛋白介导的胞内膜泡转运 从高尔基反面膜囊出芽的分泌泡的转运。 阿尔茨海默病(Alzheimer disease,AD)又 称为老年痴呆症，是一种以进行性记忆和认知能力丧失为临床特征的大脑退行性疾病。发病原因之 是Tau蛋白异常而被高度磷酸化，参与形成神经细胞内的神经原纤维缠结(neurofibrillary tangles,NFT)。 这是AD主要的神经病理特征之 ,被异常磷酸化的Tu蛋白失去和微管蛋白结合的能力，同时，还可 与微管蛋白竞争结合正常Tu蛋白和其他大分子微管相关蛋白，导致正常的微管解聚、变形、退化，从而 使正常轴突转运受损，神经细胞内信息、物质转运功能受到障碍，导致神经细胞功能丧失。 436
第十八意组胞骨架 (四)维持细胞器的定位分布与位移 微管及其相关的马达蛋白对维持真核细胞内膜性细胞器的位置及分布具有重要作用。例如细胞内 线粒体的分布于微管相伴随：细胞核位置的固定，需要微管的帮助：微管使粗面内质网在细胞质中展开 分布，使高尔基复合体位于细胞核外侧。不同细胞功能状态下，膜性细胞器有位移的变化，都是微管来 介导的。 (五)组织形成纺锤体并参与染色体的运动 细胞从间期进入分裂期时，细胞质微管全面解聚，中心体重新组织装配形成纺锤体，介导染色体的 运动；分裂末期，纺锤体微管解聚，又组装成细胞质微管。 第二节微丝 微丝(microfilament,MF)是由肌动蛋白(actin)组成的直径约5~7nm的纤维结构，又称肌动蛋白纤 维(actin filament),普遍存在于真核细胞中，在胞质里呈束状、网状或散在分布，主要在细胞形态维持和 细胞运动中发挥极其重要的作用。 一、微丝的化学组成及形态结构 (一）肌动蛋白 肌动蛋白单体是组成微丝的基本结构单位，由375个氨基酸残基构成，相对分子量为43kDa,球形， 中央有一个深的豁口，使得外观是哑铃形。这个豁口内部有一个腺苷酸(ATP或ADP)和一个二价阳离 子(Mg“或Ca2·)的结合位点，是肌动蛋白ATPase的活性部位。细胞中肌动蛋白有两种存在形式：一种 是球形单体，称为球状肌动蛋白(globular actin,G-actin)；一种是C-actin的多聚体即首尾相连接形成的 纤维结构，称为纤维状肌动蛋白(ilamentous actin,F-actin)(图18-llA、B)。这两种形式在一定条件下 通过聚合和解聚而互相转换。 正端 NH: 437
第四篇细胞的结构与功能 肌动蛋白是真核细胞中最丰富的蛋白质。在肌细胞中，肌动蛋白占总蛋白的10%，在非肌细胞中 肌动蛋白也占细胞总蛋白的1%~5%。肌动蛋白具有3种异构体，其中《~肌动蛋白分布于各种肌肉细 胞中，B-肌动蛋白和y肌动蛋白分布于肌细胞和非肌细胞中。肌动蛋白在进化上高度保守。不同类型 肌肉细胞的α肌动蛋白分子一级结构仅相差4~6个氨基酸残基，B-肌动蛋白和y肌动蛋白与α横纹 肌肌动蛋白相差约25个氨基酸残基。酵母和免子肌肉的肌动蛋白有88%的同源性。肌动蛋白也要经 过翻译后修饰，如N端乙酰化或组氨酸残基的甲基化，这种修饰作用增加了其结构和功能的多样性。 (二)微丝的结构 微丝是由2条F-actin绕成的右手螺旋，直径7nm左右，螺旋间的距离为37nm.状如双线捻成的闻 子。和微管一样，徽丝也有结构和功能上的极性。由于构成F-a©的所有单体都是从同一个方向加到 多聚体上，所以F-acin具有方向性，结合ATP豁口的一端为负端，另外一端为正端（图181C)。正端 生长快，负端生长慢。微丝比微管细，通常比微管短，更具有弹性。微丝在细胞中通常成束、成网络存 在，成束的肌动蛋白纤维比单根的肌动蛋白纤维的强度更大。 二、微丝的组装 非肌细胞的微丝同胞质微管一样，大多数情况下是一种动态结构，能不断进行组装与去组装，进而 参与细胞不同的功能活动。 (一)微丝的组装及调控 肌动蛋白的组装过程伴随着ATP的水解。G-actin先要结合ATP,然后ATP-G-actin单体结合到F actn的两端。装配后，肌动蛋白构象会改变，与之结合的ATP就会水解成ADP,释放出,并容易从末 端解离下来，因此微丝本身就是一个不稳定、易解聚的结构。 体外实验表明，在含有起始浓度的G-acti溶液中加入合适浓度的Mg2·、Na和K,在ATP的存在下 G-actin可以自发聚合形成F-actin.。当降低溶液的离子浓度或加人Ca时，F-actin又解聚成G-actin。与微 管类似，微丝的装配也分为成核期、延长期和平衡期三个时相，二者最大的区别在于成核过程不同。成核 期也是微丝组装的限速步骤，此时G-ac单体在成核蛋白(Ap2/3复合体)帮助下聚合成三聚体即核心 然后G-actin快速在核心两端聚合，进人微丝的延长期。由于微丝的极性，此时在两端的组装速度有差异， -般而言，正极组装速度比负极快5~10倍。而去组装时，负极又比正极快。微丝生长到一定长度后，G-ac 添加到微丝的速度与其从微丝上解离的速度达成平衡，微丝长度基本不变，从而表现为踏车行为（图18-12）。 °。0 9 ● & F-肌动蛋白 F肌动蛋白 G-肌动蛋白 (-)端 成枝期 聚合期 稳定期 图1812微丝组装的基本过程 微丝组装及调控与微管有相类似的地方，都表现踏车现象和动态不稳定性，但目前认为踏车现象在 微丝组装中可能起主导作用。肌动蛋白的踏车现象是由G-actin单体的临界浓度决定的，当G-actin的 临界浓度处于正端和负端G-act临界浓度之间时，就会出现踏车现象。微丝呈现出动态不稳定性，主 要取决于F-actin结合的ATP水解速度与游离的G-actin单体浓度之间的关系。 微丝动态变化是与细胞生理功能变化相适应的。在细胞内，有些微丝是永久性结构，如肌肉中的细 肌丝及上皮细胞微绒毛中的轴心微丝束等。有些微丝是暂时性结构，如胞质分裂环中的微丝束。在大 多数动物细胞中，大约有70%的肌动蛋白是游离的单体或者和其他蛋白结合成小的复合物，在游离肌 动蛋白分子和微丝之间存在着动态平衡，它们可以帮助激发和调节细胞内微丝的功能 438