细胞生物学第三次作业

细胞生物学第三次作业细胞生物学第三次作业 题目：肌动蛋白的结构和功能题目：肌动蛋白的结构和功能 姓名：陈涛 学号：1200012156 院系：生命科学学院 手机2014 年 12 月 肌动蛋白的介绍肌动蛋白的介绍 在大多数真核细胞中，肌动蛋白是最为丰富的蛋白质之一。它拥有高度保守的结构特 征，同时参与蛋白质与蛋白质之间的相互作用。肌动蛋白在离子，大量肌动蛋白结合蛋白 以及核苷酸水解的控制下，可以在单体和纤维状聚合体两种结构中进行转化。这些功能使 得肌动蛋白在细胞正常功能的行使中参与了重要的作用，例如：细胞运动和维持细胞形态； 细胞极性；转录的调控等等。此外，纤维状肌动蛋白和肌球蛋白之间的相互作用是肌肉收 缩的基础。 肌动蛋白单体的结构肌动蛋白单体的结构 脊椎动物主要表达有三种不同的肌动蛋白亚型：骨骼、心脏、平滑肌的三种 亚型； 在肌肉和非肌肉细胞中表达的 和 亚型。三种亚型只有很少部分的氨基酸差别，其中绝 大部分差别是在 N 端(1)。肌动蛋白也经历了多种不同形式的翻译后修饰，比如：骨骼肌 肌动蛋白的 His73 位点的甲基化。N 端的甲硫氨酸和半胱氨酸残基被乙酰化和裂解，产 生的 N 端天冬氨酸被再乙酰化。 因为一开始对肌动蛋白的晶体结构的测定是肌动蛋白和 DNase I 的复合物(2)，超过 80 种结构被报道出来，如图一。 图 1 肌动蛋白单体结构来自(Dominguez and Holmes 2011)(3) 绝大多数这些结构是肌动蛋白结合蛋白（ABPs）与小分子的复合物，或者是通过化学 修饰或者变异等方法阻止了聚合的肌动蛋白单体。但是如果忽略结合的分子和核苷酸分子， 肌动蛋白单体的构型大致都是一致的。肌动蛋白和糖激酶、己糖激酶、Hsp70 蛋白属于同 一个结构总科。和该家族里的其他蛋白质相同，肌动蛋白的 375 个氨基酸形成的多肽链折 叠成两个主要的结构域： 和 结构域（图 1a） 。鉴于它们在肌动蛋白纤维上的位置，这两 个结构域也被作为外层结构域和内层结构域，又因为它们在电镜下显著的大小差别，它们 被称为小结构域、大结构域。然而传统上又把其结构分为四个子域(2)：1 和 3 子域结构相关， 可能出现自基因复制，而 2 和 4 子域可看作 1 和 3 的大型插入子域。 肌动蛋白的两个结构域之间没有太多的联系，多肽链只在两结构域之间经过两次：中 心环的 Lys336 残基和链接螺旋 Gln137-Ser145 这个结构也是两个结构域的枢纽中心，从而 形成了上下的两个裂口，上部裂口结合核苷酸并于二价阳离子相关联（细胞内 Mg2+） ，在 1、3 子域间的下部裂口由很多疏水氨基酸残基相关联，这个裂口功能和肌动蛋白单体在纤 维中的相互作用有关，也是大多数肌动蛋白结合蛋白的结合位点(4)。这两个裂口间的联系 也表明了为何核苷酸与肌动蛋白纤维组成以及肌动蛋白结合蛋白的结合有关。 肌动蛋白结合蛋白有 DNase I、Gelsolin、Profilin、ADF/Cofilin、RPEL Domain 还有其 余的小分子。鉴于篇幅在此不多做叙述。 肌动蛋白纤维的结构肌动蛋白纤维的结构 虽然肌动蛋白单体和纤维密切相关， 但是肌动蛋白单体和纤维中的肌动蛋白亚 单位结构是不一样的。因为没有办法结晶 肌动蛋白纤维，所以肌动蛋白纤维的结构 细节是从肌动蛋白纤维的凝胶 x 射线衍射 以及电子显微镜的数据中推断出来的。现 在已经产生出了肌动蛋白纤维的原子模型。 肌动蛋白纤维的负染色电镜图显示肌 动蛋白由两条链组成，两条链互相缠绕成 右手螺旋(5)。实际的对称性是一个左手遗传 螺旋，在轴向 35.9nm 也就是每 6 圈中大约 有 13 分子重复。沿着螺旋方向分子的距离 是 27.6。因为每个分子的扭曲为-166 度大 约 180 度，因而结构就像两个右手螺旋的 组合，见图 2。 图 2、肌动蛋白纤维结构 来自(Dominguez and Holmes 2011)(3) 关于肌动蛋白纤维模型的提出， Fujii et al. (6)和 Oda et al.(7)均提出了自己的模型，他们 的模型是相似的，最重要的差别是 D-环。而 Fujii et al.直接观测到了这个结构，并且他对结 构做的调整更加细微，因而他的模型更可靠。 图 3、来自(Dominguez and Holmes 2011)(3) 接触面的立体观见图 3。分子间的强键沿着纤维的轴向，强键发生在双起点的长距螺 旋的相邻分子之间。图 3 中的沿着遗传螺旋被编号为-2、-1、0、1、2。轴向的相互作用是 广泛存在的。一个非常重要的相互作用是位于相邻分子的 4 和 3 子域之间：4 子域的 Pro243-Asp244-Gly245 环与上一分子 3 子域的两个环有相互作用，它们是一个环中的 Pro322 和 Met325 残基和另一个环的 Met283,Ile287, and Asp288 残基。第二种纵向的交互 作用涉及 D 环。0 号亚单位的 D 环连接到 2 号亚单位的下部裂口（即 1、3 子域裂口） ，此 外，Ile64 残基与 2 亚单位的 3 号子域成键链接(6)。轴向的相互作用主要是静电的作用，也 有输水相互作用的影响。 肌动蛋白单体与肌动蛋白纤维的转化肌动蛋白单体与肌动蛋白纤维的转化 有大量的数据显示肌动蛋白上结合的蛋白质和小分子可以抑制肌动蛋白单体的聚合， 有时候那些分子只是简单的通过空间位阻来阻碍聚合。因此，荧光探针 四甲基若丹明-5-马 来酰亚胺位点在 D 环的结合口袋上，因而抑制了 D 环结合。也就是说抑制分子通过竞争性 结合 D 环的目标位点来抑制长距螺旋的伸长，因而很多肌动蛋白结合蛋白具有调节纤维长 度的能力。 ATP 结合的肌动蛋白单体是肌动蛋白纤维形成的底物，它们可能被诱导形成含 ATP 的 肌动蛋白纤维，因为这是物理状态下能量最低的状态，然而肌动蛋白纤维又是一个缓慢的 ATP 水解酶，因而含 ATP 的肌动蛋白纤维慢慢转化为含 ADP 的肌动蛋白纤维。因为含 ADP 的肌动蛋白纤维是更加不稳定的，这样就造成了肌动蛋白纤维的拆卸和回收。而对于稳定 性的控制则是由 D 环来实现的，研究表明甲基组氨酸传感器环可以检测核苷酸的状态，并 且把信息传递给 D 环，D 环的尾部会移动 1-2 的距离，这会改变它与 1、3 子域间裂口的 结合能力，通过这种方式，最终实现了在肌动蛋白结合蛋白以及核苷酸分子状态的控制下 的肌动蛋白单体与肌动蛋白纤维的转化。 参考资料参考资料 （1）Herman IM. 1993. Actin isoforms. Curr. Opin. Cell Biol. 5:4855 （2）Kabsch W, Mannherz HG, Suck D, Pai EF, Holmes KC. 1990. Atomic structure of the actin:DNase I complex. Nature 347:3744 （3）Dominguez, R. and K. C. Holmes (2011). “Actin structure and function.“ Annu Rev Biophys 40: 169-186. （4）Dominguez R. 2004. Actin-binding proteinsa unifying hypothesis. Trends Biochem. Sci. 29:57278 （5）Hanson J, Lowy J. 1963. The structure of F-actin and the actin filaments isolated from muscle. J. Mol. Biol. 6:4660 （6）Fujii T, Iwane AH, Yanagida T, Namba K. 2010. Direct visualization of secondary structures of F-acti