微管(microtubule) 综述

1、.微管 (microtubule) 综述微管 (microtubule) 是存在于所有真核细胞中由微管蛋白(tubulin) 组装成的长管状细胞器结构，平均外径为 24nm ，通过其亚单位的组装和去组装能改变其长度，对低温、高压和秋水仙素敏感。细胞内微管呈网状或束状分布，并能与其它蛋白共同组装成纺锤体、基粒、中心粒、鞭毛、纤毛、轴突、神经管等结构，参与细胞形态的维持、细胞运动和细胞分裂。(一 )成分微管由两种类型的微管蛋白亚基，即-微管蛋白和-微管蛋白组成，它们的氨基酸顺序已经测定， -微管蛋白含450个氨基酸残基，其分子量为50kD ，-管蛋白含 455 个氨基酸， -和 -微管蛋白均含酸性

2、C 末端序列。除极少数例外，如人的红细胞，微管几乎存在于从阿米巴到高等动植物所有真核细胞胞质中，而所有原核生物中没有微管。微管蛋白分子在生物进化上可能是最稳定的蛋白分子之一。-微管蛋白和-微管蛋白形成微管蛋白异二聚体，是微管装配的基本单位。微管蛋白二聚体含有鸟嘌呤核苷酸的两个结合位点，二价阳离子亦能结合于微管蛋白二聚体上。此外，微管蛋白二聚体上具有一个秋水仙素结合位点，一个长春花碱结合位点。(二 )形态微管是由微管蛋白二聚体组装成的长管状细胞器结构，平均外径为24nm ，内径 15nm ，微管壁由13根原纤维排列构成，在横切面上，微管呈中空状，微管壁由13 根原纤维排列构成(图 9-10 ，图

3、.9-11) 。微管可装配成单管，二联管(纤毛和鞭毛中)，三联管 (中心粒和基体中)。细胞内还存在一些微管附属结构，如纤毛或鞭毛中的动力蛋白臂等，微管附属结构的功能有：(1) 稳定微管； (2)构成微管间的连接，使微管成一定的排列；(3) 使微管与其它结构，主要是膜结构相连接；(4) 产生力。(三 )装配1装配过程所有微管遵循同一原则由相似的蛋白亚基装配而成，主要装配方式是：首先，-微管蛋白和-微管蛋白形成长度为8nm 的 二聚体， 二聚体先形成环状核心(ring) ，经过侧面增加二聚体而扩展为螺旋带，二聚体平行于长轴重复排列形成原纤维(protofilament) 。当螺旋带加宽至13根原纤

4、维时， 即合拢形成一段微管。新的二聚体再不断加到这一端微管的端点使之延长。最终微管蛋白与微管达到平衡(图 9-12) 。原纤维中重复的亚单位是异二聚体， ，微管中这种亚单位排列即构成微管的极性，所有的微管都有确定的极性。微管的两个末端在结构上不是等同的，这是非常重要的结构特征。细胞内所有由微管构成的亚细胞结构也是有极性的。即为头 尾的方向，微管蛋白加上或释放主要发生于(+) 极，微管的延长主要依靠在(+) 极组装 GTP- 微管蛋白，然后 GTP 水解为 GDP或 GTP 与微管蛋白分离。目前的微管装配动态模型认为，微管两端具GTP 帽 (取决于微管蛋白浓度 )，微管将继续组装，反之，具GDP

5、 帽则解聚。在一定条件下，微管一端发生装配使微管延.长，而另一端发生去装配而使微管缩短，称为踏车现象(图 9-13)。2体外微管装配条件(1) 微管蛋白浓度：随温度和技术条件而异，有一定的临界浓度，低于此浓度则不发生微管装配，大约为 1mg/mL ； (2) 最适 pH ： pH6.9 ； (3) 离子： Ca2+应尽可能除去， Mg2+ 为装配所必需；(4) 温度： 37 微管蛋白二聚体装配成微管，0微管解聚为二聚体。3体内微管装配动态微管蛋白的合成是自我调节的，多余的微管蛋白单体结合于合成微管蛋白的核糖体上，导致微管蛋白 mRNA 降解。微管在体内的装配和去装配在时间和空间上是高度有序的，

6、间期细胞中， 细胞质微管与微管蛋白亚单位库处于相对平衡状态。有丝分裂期中，胞质微管装配和去装配动态受细胞周期调控，发生显著改变，分裂前期，胞质微管网络中的微管去装配，游离的微管蛋白亚单位组装为纺锤体。分裂末期，发生逆向转变。此外，细胞中存在一些非常稳定的微管结构，如纤毛，鞭毛等。4微管组织中心微管在生理状态及实验处理解聚后重新装配的发生处称为微管组织中心(microtubule-organizingcenter， MTOC) 。动物细胞的MTOC为中心体。MTOC决定了细胞微管的极性，微管的(-) 极指向 MTOC ， (+) 极背向 MTOC 。(三 )微管结合蛋白现已发现有几种蛋白与微管密

7、切相关，附着于微管多聚体上，参与微管的组装并增加微管的稳定.性。然而，在实验条件下，微管蛋白可以在去除这些蛋白的情况下组装。因此这些蛋白称为微管结合蛋白 (microtubule associated protein ，MAP) 。包括 MAP1 ， MAP2 ，MAP4 ，tau 蛋白等。一般认为 MAP 与骨架纤维间的连接有关，近年来的研究显示MAPs 可能具有更广泛的功能。所有不同的微管结构均由相同的-微管蛋白和-微管蛋白亚单位组成，其结构与功能的差异可能取决于所含微管结合蛋白的不同。MAP1 ： 270kD 杆状分子，对热敏感，见于神经轴突和树突中，在微管间形成横桥，但并不使微管成束。

8、 (1)MAP1A ：见于成熟轴突中。(2)MAP1B ：见于新生长的轴突中。(3)MAP1C ：最初认为是大脑中 5种高分子量MAP 之一，后来发现MAP1C 是一种胞质动力蛋白，与逆向的轴突运输有关。MAP2 ：仅见于树突中，在微管间及微管与中间纤维形成横桥，能使微管成束。MAP1 与MAP2不具同源性。MAP2 由单个基因编码，具高度热稳定性，与依赖于cAMP 的蛋白激酶有高度亲和性。 (1)MAP2A ： 270kD ，神经元发育过程中不断增加表达。(2)MAP2B ： 270kD ，神经元发育过程中表达保持恒定。(3)MAP2C ： 70kD ，存在于不成熟的神经元树突中。tau 蛋

9、白：包括 5种蛋白，分子量为55 62kD ，见于神经轴突中，是由单个tau 基因表达的产物，是一组有高度热稳定性的蛋白。其功能是加速微管蛋白的聚合，形成18nm 臂，横向连接相邻微管，以稳定微管，可使微管形成粗大的纤维束，所以神经元轴突中的微管相当稳定。tau 蛋白与MAP2 在微管结合部位有高度同源性。MAP4 ： 200kD ，具高度热稳定性。不同的微管结合蛋白在轴突和树突中的分布，可能决定了轴突和树突的不同形态。(四 )微管特异性药物在微管结构和功能研究中，微管特异性药物发挥了重要作用，其中秋水仙素(colchi-cine)( 图 9-14).是最重要的微管工具药物，用低浓度的秋水仙素

10、处理活细胞，可立即破坏纺锤体结构，秋水仙素不象 Ca2+、高压和低温等因素那样直接破坏微管，而是阻断微管蛋白组装成微管，体外重组装实验可以清晰地显示这一点。结合有秋水仙素的微管蛋白可以组装到微管末端，但阻止其它微管蛋白的加入。紫杉醇 (taxol) 能促进微管的装配，并使已形成的微管稳定。同样重水(D2O) 也会促进微管装配，增加其稳定性。令人惊奇的是，由紫杉醇和重水所致的微管稳定性增加对细胞是有害的，使细胞周期停止于有丝分裂期，由此可见， 为行使正常的微管功能，微管处于动态的装配和解聚状态是重要的。(五 )功能1维持细胞形态维持细胞形态是最早被证实的微管功能。用秋水仙素处理细胞破坏微管，导致

11、细胞变圆，说明微管对维持细胞的不对称形状是重要的。细胞突起部分，如纤毛、鞭毛、轴突的形成和维持，微管亦起关键作用。2细胞内运输真核细胞内部是高度区域化的体系，细胞中物质的合成部位与功能部位往往是不同的，必须经过细胞内运输过程。神经轴突运输和鱼色素细胞中色素颗粒的运输是两个最为直观的例证，说明细胞骨架尤其是微管在胞内转运中起关键性作用。(1) 神经元轴突运输神经元轴突中的蛋白及膜结构都是由胞体合成后转运去的，轴突运输的类型见表 9 2。细胞骨架纤维一方面作为慢速转运的成分而经轴索运动，另一方面又充当快速转运的轨道。微管可作为高尔基体和其它小泡及颗粒运输的轨道，运速可达2m/s。单根微管上的物质运

12、输可以是双向的，神经轴突运输中两种动力分子已经得到纯化，一种是驱动蛋白(kinesin) ，利用 ATP 水解释放的能量向(+) 极运输小泡。另一.种是胞质动力蛋白(dyenin) ，驱动向 (-) 极的运输 (图 9 15)。可在体外无细胞系统中用纯化的动力蛋白分子模拟体内的运输过程。(2) 色素颗粒的运输许多两栖类的皮肤和鱼类的鳞片中含有特化的色素细胞，在神经肌肉控制下，这些细胞中的色素颗粒可在数秒钟内迅速分布到细胞各处，从而使皮肤颜色变黑；又能很快运回细胞中心，而使皮肤颜色变浅，以适应环境的变化。研究发现，色素颗粒的运输是微管依赖性的，色素颗粒实际上是沿微管而转运的。3鞭毛运动和纤毛运动

13、纤毛和鞭毛是细胞表面的特化结构，具有运动功能。纤毛和鞭毛的结构基本相同。纤毛轴心含有一束 “9 2”排列的平行微管，中央微管均为完全微管，外围二联体微管由A ， B 亚纤维组成，A亚纤维为完全微管，由13个球形亚基环绕而成，B 亚纤维仅由10个亚基构成，另3个亚基与A 亚纤维共用 (图 9-16) 。.轴心的主要蛋白结构(图 9 17) ： (1) 微管蛋白二聚体。二联体中的微管蛋白二聚体无秋水仙素结合部位。 (2) 动力蛋白臂 (dynein arms) 。由微管二联体伸出，同相邻微管二联体相互作用使纤毛弯曲。动力蛋白分子量为300 400kD ，最初在鞭毛和纤毛中发现，是一种多亚单位高分子

14、ATP 酶，能为 Ca2+、Mg2+ 所激活。近年来在胞质中亦发现动力蛋白，与微管多种功能活动有关，如细胞内运输，染色体趋极运动。(3) 微管连丝蛋白(nexin) 。 150 160kD ，将相邻微管二联体结合在一起。 (4) 放射幅条 (radial spoke) 。由 9条外围微管二联体伸向中央微管。(5) 鞘突。纤毛运动机制：滑动学说认为纤毛运动由相邻二联体间相互滑动所致(图 9-17) 。(1) 动力蛋白头部与 B 亚纤维的接触促使动力蛋白结合的ATP 水解产物释放，同时造成头部角度的改变；(2) 新的ATP 结合使动力蛋白头部与B 亚纤维脱开；(3)ATP 水解，其释放的能量使头部

15、的角度复原；(4).带有水解产物的动力蛋白头部与B 亚纤维上另一位点结合，开始又一次循环。4纺锤体和染色体运动当细胞从间期进入分裂期时，间期细胞胞质微管网架崩解，微管解聚为管蛋白，经重组装形成纺锤体，介导染色体的运动。分裂末期，纺锤体微管解聚为微管蛋白，经重组装形成胞质微管网。纺锤体微管可分类如下：(1) 着丝点微管：连接着丝点与两极的微管；(2) 极微管：从一极到另一极的连续微管；(3) 中体微管：子染色体之间的微管；(4) 星体微管：组成星体的微管。有关染色体运动的分子机制曾有两种学说：(1)动力平衡学说：认为染色体的运动与微管的装配-去装配有关。(2) 滑行学说：认为染色体的运动与微管间的相互滑动有关。目前对有丝分裂过程中染色体运动的机制有了比较深入的了解(详见第十章第三节)。5基体和中心粒中心体 (centrosome) 是动物细胞中主要的微管组织中心，纺锤体微管和胞质微管由中心体放射出来，中心体由一对相互垂直的中心粒(centrioles) 构成。鞭毛和纤毛的根部称为基体(basal body) 。基体和中心粒均是微管性结构，呈圆柱状，平均大小为0.2 0.5m