第二节 微管及其功能

1、第二节第二节 微管及其功能微管及其功能生技31103 许瑶 一、微管的结构组成与极性一、微管的结构组成与极性 二、微管的组装和去组装二、微管的组装和去组装 三、微管组织中心三、微管组织中心 四、微管的动力学性质四、微管的动力学性质 五、微管结合蛋白对微管网络结构的调节五、微管结合蛋白对微管网络结构的调节 六、微管对细胞结构的组织作用六、微管对细胞结构的组织作用 七、细胞内依赖于微管的物质运输七、细胞内依赖于微管的物质运输 八、纤毛和鞭毛的结构与功能八、纤毛和鞭毛的结构与功能 九、纺锤体和染色体运动九、纺锤体和染色体运动一、微管的结构组成与极性一、微管的结构组成与极性1、微管由微管蛋白亚基组装而

2、成。每个微管蛋白亚基都是由2个非常相似的球状蛋白（微管蛋白和微管蛋白结合而成的导二聚体，这种-微管蛋白二聚体是细胞质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（P280，LR2，W1）。 微管蛋白含450个氨基酸残基，微管蛋白含455个氨基酸残基。两者均含有酸性C端序列（P281，L4，W3） 。 2、从低等的单细胞真核生物到高等哺乳动物，微管蛋白在生物进化过程可能是最稳定的蛋白分子之一（P281，L7，W1） 。3、微管管壁是由-微管蛋白二聚体纵向排列而成的原纤丝构成，13根原纤丝合拢后构成微管的管壁（P328，LR11，W1） 。4、每一根原纤丝，它们在微管的某一端都是-微

3、管蛋白，而在另一端都是-微管蛋白。人们通常将组装较快的一端（-微管蛋白端）称为正极，而另一端（-微管蛋白端）为负极（P282，L9，WR8） 。5、比结构上看，细胞内的微管有3种类型，它们是单管（细胞质微管和纺锤体微管）、二联管（纤毛或鞭毛的轴丝微管），三联管（中心粒或基体的微管） （P282，LR6，W17） 。1313+1013+10+10二、微管的组装和去组装二、微管的组装和去组装 微管的体外组装与踏车行为微管的体外组装与踏车行为 作用于微管的特异性药物作用于微管的特异性药物微管在体外的组装过程可分为成核和延伸两个阶段。微管在体外的组装过程可分为成核和延伸两个阶段。一些微管蛋白（一些微管

4、蛋白（微管蛋白和微管蛋白和微管蛋白）二聚体（微管蛋白）二聚体（ 二聚体二聚体）首先纵向聚合形成短的丝状结构（首先纵向聚合形成短的丝状结构（ 原纤维原纤维），即所谓的成核反应），即所谓的成核反应然后通过两端以及侧面增加二聚体而扩展成片状，当片状聚合物加宽到大致然后通过两端以及侧面增加二聚体而扩展成片状，当片状聚合物加宽到大致13根原纤丝时，即合拢成为一段微管（根原纤丝时，即合拢成为一段微管（ 微管微管）。新的微管蛋白二聚体不断地）。新的微管蛋白二聚体不断地组装到这段微管的两端，使之延长组装到这段微管的两端，使之延长 通常持有通常持有微管蛋白的负极端组装较慢，而微管蛋白的负极端组装较慢，而持有持有

5、微管蛋白的正极端组装较快。微管的微管蛋白的正极端组装较快。微管的组装同样与其底物（携带组装同样与其底物（携带GDP 二聚体）二聚体）的浓度有关（微管两端具的浓度有关（微管两端具GTP帽，微管将帽，微管将继续装配，具继续装配，具GDP帽则解聚）帽则解聚） 当一端组装的速度和另一端解聚的速度相当一端组装的速度和另一端解聚的速度相同时，微管的长度保持稳定，即所谓的踏同时，微管的长度保持稳定，即所谓的踏车行为车行为 细胞内微管的组装和去组装在时间和空间细胞内微管的组装和去组装在时间和空间上是高度有序的上是高度有序的 细胞内的微管组装通常都起源于某一特殊细胞内的微管组装通常都起源于某一特殊位点，如间期、

6、位点，如间期、G0期细胞内的微管以及有期细胞内的微管以及有丝分裂时的纺锤体微管大都起源于中心体，丝分裂时的纺锤体微管大都起源于中心体，纤毛和鞭毛内部的微管起源于基体。纤毛和鞭毛内部的微管起源于基体。 间期细胞：细胞质微管与微管亚蛋白库处于相对平衡状态； 分裂期：胞质微管装配和去装配动态受细胞周期控， 前期：胞质微管网络中的微管去组装，游离的微管蛋白 亚单位装配为纺锤体； 末期：发生逆向转变作用于微管的特异性药物作用于微管的特异性药物 1、一此药物如、一此药物如秋水仙素秋水仙素和和紫杉醇紫杉醇等可以影等可以影响细胞内微管的组装和去组装。响细胞内微管的组装和去组装。秋水仙秋水仙素，它阻断微管蛋白装

7、配成微管；素，它阻断微管蛋白装配成微管； 紫杉紫杉酚能促进微管装配，并使已形成的微管稳酚能促进微管装配，并使已形成的微管稳定。定。 2、微管组装和去组装的动态行为还与温度、微管组装和去组装的动态行为还与温度有关。温度高于有关。温度高于20时微管蛋白亚基可以时微管蛋白亚基可以组装成微管，而当温度较低时微管会发生组装成微管，而当温度较低时微管会发生去组装，但去组装，但冷稳定微管冷稳定微管不会去组装不会去组装 。三、微管组织中心三、微管组织中心 （一）中心体（一）中心体 （二）基体和其他微管组织中心（二）基体和其他微管组织中心中心体中心体 1、在活细胞中，能够起始微管的成核作用，并使之延伸、在活细胞

8、中，能够起始微管的成核作用，并使之延伸的细胞结构称为微管组织中心（的细胞结构称为微管组织中心（microtubule organizing center, MTOC），除中心体以外，细胞内起微管组织中），除中心体以外，细胞内起微管组织中心作用的类似结构还有位于纤毛和鞭毛基部的基体等细胞心作用的类似结构还有位于纤毛和鞭毛基部的基体等细胞器。器。 2、动物细胞的间期微管通常都是从中心体开始生长。中、动物细胞的间期微管通常都是从中心体开始生长。中心体含有一对桶状的中心粒，彼此垂直分布，外面被无定心体含有一对桶状的中心粒，彼此垂直分布，外面被无定形的中心粒外周物质所包围形的中心粒外周物质所包围 。 3

9、、每个中心粒含有、每个中心粒含有9组等间三联体微管（组等间三联体微管（13根原纤丝的根原纤丝的微管微管A，10根原纤丝的微管根原纤丝的微管B，10根原纤丝的微管根原纤丝的微管C） 。 4、微管并不起源于中心粒，而是在中心粒外周物质区域、微管并不起源于中心粒，而是在中心粒外周物质区域成核。成核。 基体和其他微管组织中心基体和其他微管组织中心 1、鞭毛和纤毛内部的微管起源于其基体的、鞭毛和纤毛内部的微管起源于其基体的结构。基体在结构上与中心粒基本一致，结构。基体在结构上与中心粒基本一致，其壁由其壁由9组三联体微管构成，微管组三联体微管构成，微管A完全微完全微管，微管管，微管B和和C为不完全微管为不

10、完全微管 。 2、中心粒体基体都具有自我复制的性质，、中心粒体基体都具有自我复制的性质，新的中心粒是由原来的中心粒在新的中心粒是由原来的中心粒在S期复制而期复制而来来 。微管的动力学性质 细胞处于生长状态时，微管的组装与去组装也并不是同步进行的，往往可以观察到一部分微管正在组装，而另一部分的微管却处在解聚过程中。 有时整根微管解聚后又从中心体的同一个微管蛋白的环状模板上从新组装。 甚至在同一根微管的末端，其组装和去组装可以反复进行。 以上微管所表现的这种动力学不稳定性通常发生在正极或中心体远端五、微管结合蛋白对微管网络结五、微管结合蛋白对微管网络结构的调节构的调节 始终伴随着微管的组装和去组装

11、而存在的始终伴随着微管的组装和去组装而存在的这类蛋白称之为身微管结合蛋白这类蛋白称之为身微管结合蛋白（microtubule-associated protein, MAP）。主要有）。主要有 tau蛋白（神经轴突中，具有热稳定性）、蛋白（神经轴突中，具有热稳定性）、MAP1（对热敏感，见于神经轴突和树（对热敏感，见于神经轴突和树突）、突）、 MAP2（见于神经元胞体和树突，（见于神经元胞体和树突，具热稳定性）、具热稳定性）、 MAP4（各种细胞中，具（各种细胞中，具高度热稳定性）高度热稳定性） 。 MAPS与微管的结合有助于提高微管的稳定与微管的结合有助于提高微管的稳定性，用秋水仙素处理一般

12、间期细胞可以阻性，用秋水仙素处理一般间期细胞可以阻止微管的组装，但并不影响解聚，在神经止微管的组装，但并不影响解聚，在神经元的树突或轴突内部，这些药物同样能与元的树突或轴突内部，这些药物同样能与微管蛋白二聚体结合而影响微管的组装，微管蛋白二聚体结合而影响微管的组装，但神经突起内部的微管似乎并不那么容易但神经突起内部的微管似乎并不那么容易解聚，原因是大量的解聚，原因是大量的MAPS与微管结合，从与微管结合，从而发挥稳定微管作用而发挥稳定微管作用六、微管对细胞结构的组织作用 微管与细胞器的分布以及细胞的形态发生微管与细胞器的分布以及细胞的形态发生与维持有很大的关系与维持有很大的关系七、细胞内依赖于

13、微管的物质运输 观察活细胞，可以看到许多细胞器或膜状小泡在细胞内或轴突内部沿微管作定向运动，在微管和膜泡之间存在一类既能与微管结合，又能与膜泡特异性结合的是分子马达 分子马达：能利用水解ATP将化学能转变为机械能，有规则的沿微管运输货物 分子马达主要有驱动蛋白和胞质动力蛋白驱动蛋白及其功能 它能运载膜性细胞器沿着微管向轴突末梢移动 通常由2条重链（KHC）和2条轻链（KLC）组成驱动蛋白沿微管运动的分子机制 驱动蛋白马达结构有两个重要的功能位点：1、ATP结合位点2、微管结合位点 驱动蛋白沿微管运动的分子模型有两种：步行模型和（inchworm）爬行模型 步行模型像“人走路一样”每步移动16n

14、m，（inchworm）爬行模型每步移动8nm。步行模型过程 两个头部交替与微管结合，以确保在移动过程中不会从微管上掉下来，马达结构域每水解一个ATP分子，整个分子就向前移动一步（16nm）柔韧性铰链转运泡转运泡驱动蛋白受体驱动蛋白受体驱动蛋白驱动蛋白球形头部球形头部驱动蛋白介导转运泡由微管负极向正极移动驱动蛋白介导转运泡由微管负极向正极移动八、鞭毛与纤毛的结构与功能八、鞭毛与纤毛的结构与功能一、纤毛与鞭毛的结构一、纤毛与鞭毛的结构 1、鞭毛与纤毛这种轴丝微管的排列方式被、鞭毛与纤毛这种轴丝微管的排列方式被称为称为“9+2”排列，与中心体微管一样，所排列，与中心体微管一样，所有的轴丝微管的极性都是正级端向外，即有的轴丝微管的极性都是正级端向外，即指向纤毛或鞭毛的顶端（指向纤毛或鞭毛的顶端（P296，LR18，W6） 微管（微管（- -）极指向）极指向MTOCMTOC，（，（+ +）极背）极背向向MTOCMTOC。 2、位于纤毛和鞭毛基部的基体在结构上与、位于纤毛和鞭毛基部的基体在结构上与中心粒类似，呈中心