【细胞生物学】微丝
2019-02-20 11:23阅读：
一. 微丝的形态和组成
1. 微丝的形态与分布
微丝比微管细，更具有弹性，比通常微管短。细胞中微丝的数量比微管多，全部微丝加起来，其总长度大约是微管的30倍。微丝在细胞中通常成束存在，这种成束的微丝比单个的肌动蛋白纤维的强度大的多。
微丝首先发现于肌细胞中，在横纹肌和心肌细胞中肌动蛋白成束排列组成肌原纤维，具有收缩功能。微丝也广泛存在于非肌细胞中。在细胞周期的不同阶段或细胞流动时，它们的形态，分布可以发生变化。因此，非肌细胞的微丝同胞质微管一样，在多数情况下是一种动态结构，以不同的结构形式来适应细胞活动的需要。
2. 微丝的结构单位：激动蛋白
肌动蛋白以两种形式存在，即单体和多聚体。单体的肌动蛋白是由一条多肽链构成的球形分子，又称球状肌动蛋白（G-激动蛋白）。肌动蛋白的多聚体形成肌动蛋白丝，称为纤维状肌动蛋白（F-肌动蛋白）
肌动蛋白是一种中等大小的蛋白质，由375个氨基酸残基组成，并且是由一个大的、高度保守的基因编码。单体肌动蛋白分子的分子质量为43kDa，其上有3个结合位点。
1个是ATP结合位点，另两个都是与肌动蛋白结合的结合蛋白结合位点。
二、 微丝装配的动力学
1.ATP在装配中的作用
F- 肌动蛋白是由G-肌动蛋白装配而成，在装配中ATP具有重要作用。球形的肌动蛋白是由两个裂片构成，像是两扇门，中间有一个裂，裂和裂片是肌动蛋白的ATPase的活性部位，能够结合ATP和Mg2+。G-肌动蛋白的两个裂片具有弹性，能够开合。肌动蛋白通常有四种存在状态：ATP-G-肌动蛋白、ADP-G-肌动蛋白、ATP-F-肌动蛋白、ADP-F-肌动蛋白两种形式存在。当ATP或ADP与G-肌动蛋白结合之后，会发生构型的改变。如果没有ADP或ATP与肌动蛋白结合，则很快变性。
2.肌动蛋白丝装配
第一个过程是成核，G-肌动蛋白慢慢聚合形成短的，不稳定的寡聚体，该过程较慢。一旦寡聚体达到某一种长度（约3-4个亚基），它就可以作为“种子”，或者“核”，进入第二个过程：快速延长阶段。在延长阶段，G-肌动蛋白单体快速地从短纤维的两端添加上去。生长可被已形成的F-肌动蛋白的自发或突然断裂作用所加强，因为断裂的短-F-肌动蛋白丝的末端可以作为新的核进行延长反应。可以在反应体系中添加小的F-肌动蛋白丝缩短成核期，或绕过成核作用。随着F-激动蛋白的不断生长，游离的G-肌动蛋白的装配第三个阶段
：稳定期。之所以称为稳定期，是因为在这个时期，G-肌动蛋白同F-肌动蛋白丝末端上的亚基进行交换，但不改变F-肌动蛋白丝的量。单体的这种平衡浓度即为临界浓度（Cc）。在正常的体外条件下，Cc是0.1μmol/L。高于该值，G-肌动蛋白倾向于聚合，低于该值，F-激动蛋白将会解聚。
肌动蛋白的聚合过程伴随着ATP水解。在聚合过程中，G-肌动蛋白先要结合ATP，然后ATP-G-肌动蛋白单体再结合到F-肌动蛋白的两端，加到F-肌动蛋白上。一旦ATP-G-肌动蛋白单体结合到F-肌动蛋白丝上，同肌动蛋白结合的ATP就会慢慢降解成ADP，并释放出Pi。由于ATP的水解，装配成的大多数纤维都是由ADP-F-肌动蛋白构成的，但是在纤维的一端是ATP-F-肌动蛋白。虽然结合的ATP常被水解成ADP，但是对于F-肌动蛋白的装配来说，ATP的水解不是必要的过程，因为含有ADP或不能水解的ATP类似物的G-肌动蛋白装配后都是稳定的。
在激动蛋白丝的装配过程中，除了受G-肌动蛋白临界浓度的影响，还受一些离子浓度的影响。如向G-肌动蛋白溶液中添加Mg2+、K+、Na+,可诱导G-肌动蛋白聚合成F-肌动蛋白。该过程是可逆的，当这些离子的浓度较低时，F-肌动蛋白趋于去聚合，而在Mg2+和高浓度K+或Na+的溶液诱导下，G-肌动蛋白则装配成纤维状肌动蛋白。
3. 微丝的动态性质
同微管一样，F-肌动蛋白也有结构上和功能上的极性。由于构成F-肌动蛋白的所有亚基都是从同一个方向加到多聚体上，所以F-肌动蛋白丝具有方向性，结合ATP裂的一端为（-）端，另一端为（+）端。而且，两端的生长速度，（+）端生长速度快、（-）端生长速度慢。
G-
肌动蛋白功能上的极性是指行使功能时具有方向性，如以微丝作为运输轨道的发动机蛋白与微丝的结合则是按方向识别的。
踏车：在微丝装配时，若G-肌动蛋白分子添加到F-肌动蛋白丝上的速度正好等于G-肌动蛋白分子从F-肌动蛋白上失去的速率时，微丝净长度没变，这种过程称为肌动蛋白的踏车。肌动蛋白踏车是由G-肌动蛋白单体的临界浓度决定的，当G-肌动蛋白的临界浓度处于正端和负端G-肌动蛋白浓度之间时，就会出现踏车。
微丝动态平衡：在体内，有些微丝是永久性结构，如及细胞中的细丝及上皮细胞微绒毛中的轴心微丝等。有些微丝是暂时性结构，如胞质分裂环中的微丝。
4. 影响肌动蛋白单体-多聚体平衡的毒素
细胞松弛素B 它是真菌分泌的生物碱。细胞松弛素B及其衍生物在细胞内同微丝的正端结合，并引起F-肌动蛋白解聚，阻断亚基的进一步聚合。当将细胞松弛素加入到活细胞后，肌动蛋白纤维骨架消失，使动物细胞的各种活动瘫痪，包括细胞的移动、吞噬作用、胞质分裂等。
鬼笔环肽 一种毒性菇类中分离的剧毒生物碱，它同细胞松弛素的作用相反，它只与聚合的微丝结合，而不与肌动蛋白单体分子结合。它同聚合的微丝集合后，抑制了微丝的解体，因而破坏了微丝的觉和解聚的动态平衡。
三． 微丝结合蛋白
1. 微丝集合蛋白种类
2. 微丝结合蛋白的功能
单体隔离蛋白 抑制蛋白和胸腺嘧素能够单体G-肌动蛋白结合，并且抑制它们它们的聚合，将具有这种作用的蛋白质称为肌动蛋白单体隔离蛋白，这类蛋白质在非肌细胞中负责维持高浓度的单体激动蛋白。
交联蛋白 这类蛋白质的主要功能是改变细胞内肌动蛋白丝的三维结构。每一种结合蛋白都有两个或两个以上同肌动蛋白结合的位点，这样，能够使两个或多个肌动蛋白丝产生交联，使细胞内的肌动蛋白丝形成网络结构。有些交联蛋白是杆状的，能够弯曲，由这种交联蛋白形成的网络结构具有相当的弹性，因而能够抵抗机械压力。有些交联蛋白是球状的，能够促使肌动蛋白成束排列。
纤维切割蛋白 这类蛋白质能够同已经存在的肌动蛋白丝结合并将它一分为二。由于这种蛋白质能够作为生长点，促进肌动蛋白丝的装配。隔断蛋白可作为加帽蛋白封住肌动蛋白丝的末端。
肌动肌动蛋白丝去聚合蛋白 这类蛋白质主要存在于肌动蛋白丝骨架快速变化的部位，它们同肌动蛋白丝结合，并引起肌动蛋白丝的快速去聚合形成G-肌动蛋白单体。
膜结合蛋白 是非及细胞质膜下方产生收缩的机器。在剧烈活动时，由于收缩蛋白作用于质膜产生的力引起质膜向内或向外移动。这种运动由肌动蛋白丝直接或间接与质膜相结合后形成的。直接的方式有同膜整合蛋白的结合，间接的方式有同外周蛋白的结合。
3.
肌球蛋白：肌动蛋白纤维的分子发动机
肌球蛋白是一种分子发动机，微丝是肌球蛋白运行的轨道。肌球蛋白也是ATPaee，通过ATP水解导致构型的变化从而在肌动蛋白丝上移动。这种ATPase同微管分子发动机一样，能够将化学能转变成机械能，所以又被称为机械化学酶。
肌球蛋白的结构
所有的肌球蛋白都是由一个重链和几个轻链组成，并且成3个结构和功能不同的结构域：头部结构域是最保守的结构域，它含有与肌动蛋白、ATP结合的位点，负责生产力。与头部相邻的结构域是α螺旋颈区,它通过同钙调素或类似钙调素的调节轻链亚基的结合来调节头部的活性。尾部结构域含有决定尾部是同膜结合还是同其他的尾部结合位点，因此它决定是产生肌球蛋白二聚体还产生肌球蛋白纤维。
肌球蛋白的功能
肌球蛋白为肌肉收缩和胞质分裂提供力，而肌球蛋白和则涉及细胞骨架与膜之间的相互作用，如膜泡运输。
所有肌球蛋白的头部都能在肌动蛋白上行使力的作用，但是对于不同种类的肌球蛋白的特殊功能则是由它们的尾部来决定。
与肌球蛋白的膜结合活性相反，两个肌球蛋白能够通过杆状尾部聚合在一起，形成寡聚的肌球蛋白纤维，这种纤维具有双极性，头部位于两端，中间有一个裸露的带，这种结构参与肌收缩。
实际上，肌球蛋白是一种特别的酶，一种能够同运动偶联起来的ATPase。肌球蛋白ATPase的活性有一个特性就是受肌动蛋白激活。在没有肌动蛋白时，溶液中的肌球蛋白也能够将ATP水解成ADP和Pi，但是速度很慢，每小时只能水解4个ATP。然而在肌动蛋白和肌球蛋白复合体中，肌球蛋白ATPase的活性在受到刺激时，可高大每秒钟水解20个ATP，先决条件就是肌球蛋白的头必须同肌动蛋白结合。
肌动蛋白的运动机制
