细胞运动的机制与实例

第二节　细胞运动的机制与实例

细胞运动有两种基本机制，其中第1种机制需要一类特殊的酶参与，这些酶即动力蛋白。动力蛋白能水解ATP获得能量，沿着微丝或微管移动。第2种机制是由于微管蛋白或肌动蛋白聚合，组装成束状或网络而引起细胞运动。此外，有些细胞运动方式由两种机制共同参与。

一、动力蛋白

动力蛋白能沿着有细胞骨架铺就的“轨道”运动，所需的能量由ATP提供。与微丝有关的动力蛋白是肌球蛋白，而与微管有关的动力蛋白有驱动蛋白和动位蛋白等。

(一)肌球蛋白

所有真核细胞都含有肌球蛋白(myosin)。目前已鉴定出了10余种肌球蛋白家族成员，其中含量最丰富的是肌球蛋白Ⅰ和Ⅱ。此外，肌球蛋白Ⅴ也引起了关注。肌球蛋白Ⅱ为肌肉收缩和胞质分裂提供动力;肌球蛋白Ⅰ、Ⅴ则与骨架--膜的相互作用(如膜泡运输)有关。

每个肌球蛋白分子由一条重链和数条轻链组成，用胰凝乳蛋白酶(chymotrypsin)和木瓜蛋白酶(papain)可以将其消化成3个片段(图7-1):①头部又称S₁片段，由重链的N端构成，序列很保守，其上有结合肌动蛋白和ATP的位点，是水解ATP产生动力的部位;②颈部为高度α-螺旋的区域，可以通过结合钙调素或类似的轻链来调节头部的活性;③尾部是重链的C端，其特殊的结合位点，决定了肌球蛋白是形成二聚体还是细丝，是与其他尾部结合还是与膜结合。3种肌球蛋白的主要异同见图7-1和表7-1。

图7-1　肌球蛋白的分子结构

表7-1　3种主要肌球蛋白类型的比较

(二)驱动蛋白

驱动蛋白(kinesin)是微管动力蛋白，其分子结构和肌球蛋白类似，由2条重链和2条轻链聚合而成。驱动蛋白含有3个结构域:一对大球形的头部、中央长柄部和一对小球形尾部，尾部含轻链(图7-2)。其中头部是产生动力的活性部位，尾部能与膜泡结合。

图7-2　驱动蛋白的分子结构

(三)动位蛋白

细胞中还存在另一种微管动力蛋白——动位蛋白(dynein)。动位蛋白又可分为胞质动位蛋白和纤毛(或鞭毛)动位蛋白(图7-3)。

图7-3　动位蛋白参与鞭毛A、B管之间的滑动

二、动力蛋白介导细胞运动的机制

下面主要以肌球蛋白为例阐述动力蛋白介导细胞运动的机制。在ATP存在的情况下，肌球蛋白的头部结合在肌动蛋白丝(微丝)上，通过水解ATP，朝向微丝的(+)端移动。这种移动是不连续的，每水解1分子ATP，肌球蛋白移动2～3个肌动蛋白亚基的距离(11～15nm)，同时产生3～4 pN的力量，这一力量足以引起膜泡运输以及肌细胞中粗、细肌丝的滑动。

图7-4　ATP水解和肌球蛋白运动的偶联

假设水解1分子ATP引发肌球蛋白的一个运动周期，其机制如下(图7-4):①在初始状态，肌球蛋白与肌动蛋白紧密结合，此时ATP结合位点是空的。②当结合ATP后，肌球蛋白头部的肌动蛋白结合位点开放，头部从肌动蛋白丝解离。③ATP被水解成ADP和Pi，ATP结合位点关闭，引起肌球蛋白头部变构弯曲。④变构的肌球蛋白头部结合到新的肌动蛋白亚基上，这时结合还不牢固，随后Pi从ATP结合位点释放出来，结合变得十分牢固。随后肌球蛋白头部的构象恢复，带动颈部和尾部朝向肌动蛋白丝的(+)端移动。⑤ADP释放，肌球蛋白恢复初始状态。

肌球蛋白Ⅰ和Ⅴ的尾部具有膜结合位点，通过上述机制能携带它们的货物(膜泡)沿着微丝运输(图7-5)。事实上，肌球蛋白和肌动蛋白丝的位置移动是相对的。在肌纤维中，由肌球蛋白Ⅱ组成的粗丝被固定，能拉动由肌动蛋白丝组成的细丝朝向(－)端移动，粗、细肌丝的相对滑动便引起了肌肉收缩。

驱动蛋白和动位蛋白的运动机制与肌球蛋白相似，但是它们以微管作为运动的轨道。驱动蛋白的运动方向朝向微管的(+)端移动;而动位蛋白则与之相反，朝向微管的(－)端运动。动位蛋白在纤毛和鞭毛的摆动中起重要作用。

越来越多的证据表明，膜泡既是微管动力蛋白的货物，也是微丝动力蛋白的货物。每一个膜泡上至少结合有两种动力蛋白:一种为肌球蛋白，另一种是驱动蛋白或动位蛋白。因而膜泡既可沿微管运动，也可沿微丝运动。但是，在某一特定时间里，只有一种动力蛋白是有活性的。例如，在轴突运输(胞体往轴突末端方向)中，膜泡首先由驱动蛋白驱使沿微管朝向(+)端运动，到达神经末梢;在神经末梢，这些膜泡必须穿过富含肌动蛋白丝的皮质区到达突触部位，这时的运动是由肌球蛋白驱动的。

图7-5　肌球蛋白结合膜泡沿微丝运动模式图

三、纤毛和鞭毛的运动机制

所有真核细胞的纤毛和鞭毛在结构上是一致的，并以细胞膜包绕一束由微管组成的轴丝;轴丝由9根二联管环绕一对单管而呈“9+ 2”的排列。二联管结构是轴丝特有的，A管伸出内外两条动位蛋白臂，指向相邻二联管的B管。现在已知，纤毛和鞭毛的摆动是通过A管动位蛋白臂水解ATP释放能量，促使动位蛋白沿相邻的B管朝向(－)端走动，从而引起二联管之间相互滑动而实现的(图7-6)。

纤毛和鞭毛摆动的特征是从基体产生滑动，沿着轴丝将弯曲传递到尾部。因此，二联管之间的滑动必须转换为弯曲运动。当轴丝上任意两点的滑动速率不等时，滑动即可转换为弯曲。这种滑动速率的差异主要来自维持轴丝结构的联结蛋白(如放射辐、连丝蛋白等)，它们在一定程度上限制了二联管的自由滑动;其次，在某一时间某一位置，只有部分动位蛋白臂被激活，激活一半的动位蛋白臂使轴丝朝向一边弯曲，激活另一半则朝向另一边弯曲。2条动位蛋白臂的作用不同，内臂产生滑动，导致轴丝弯曲，而外臂可以加快滑动的速度。

图7-6　纤毛和鞭毛的运动是通过二联管之间相互滑动而实现的

四、微丝和微管组装引起细胞运动

除了上述由动力蛋白参与的细胞运动方式外，有时肌动蛋白、微管蛋白的组装和去组装本身就能引起细胞产生某种运动。以下举例说明。

(一)顶体反应

海参卵的表面覆盖着一层厚50μm的胶状物，为了越过这道屏障，精子细胞首先伸出一根长80μm的顶体突起，穿透胶质层和卵黄层，使精卵细胞膜融合而完成受精，这个过程即为顶体反应(acrosomal reaction)(图7-7)。

顶体突起由一束微丝支撑，这些微丝束是在顶体反应开始后才重新聚合组装的。肌动蛋白丝从一小段微丝核心的(+)端不断聚合而延长，推动顶体突起的细胞膜向前伸长。顶体反应后，精子核进入卵细胞。

(二)细菌在宿主细胞内的运动

产单核细胞李斯特菌(Listeria monocytogenes)感染哺乳动物细胞后，能在宿主细胞质内以约11μm/min的速度移动。荧光染色显示，肌动蛋白短细丝在细菌形成类似火箭尾的网状结构，该结构中不含肌球蛋白。进一步研究发现，该“尾巴”不断有肌动蛋白脱落，与此同时，在其最靠近细菌的部位加入新的肌动蛋白单体，说明肌动蛋白尾的组装推动了细菌不断向前移动。

五、染色体分离

通过有丝分裂，复制后的染色体平均分配到两个子细胞中，这个过程很少发生错误。染色体分离包含了微管组装动力学和动力蛋白水解ATP两种机制。

(一)有丝分裂器

细胞的有丝分裂器(mitotic apparatus)是一个动态的结构，在中期细胞中包括两部分(图7-8):①纺锤体(spindle)，是由对称的微管束组成的形似橄榄球的结构，在细胞的赤道板被染色体一分为二;②星体(aster)，在纺锤体的两端各有一个，为一簇呈放射状的微管。纺锤体两极的中心体发出的微管分3种，在纺锤体中有动粒微管和极微管，它们指向赤道板，其中动粒微管与染色体着丝点处的动粒(kinetochore)结合，而极微管不与染色体接触。第3种微管存在于星体中，不参与纺锤体的组装，称为星体微管。

图7-7　海参精子的顶体反应

(二)有丝分裂器的组装

在有丝分裂前期，染色质开始浓集形成特定数目的染色体，同时有丝分裂器开始组装，包括微管蛋白聚合、中心体分离、染色体俘获和排列。这个过程是在动力蛋白和微管组装的共同作用下进行的。参与有丝分裂的动力蛋白包括一类(+)向运动的驱动蛋白相关蛋白(kinesin-related protein，KRP)和另一类(－)向运动的动位蛋白。KRP位于纺锤体微管的重叠部位，其尾部结合在一根微管上，头部则与反向平行的另一根微管结合，既稳定了纺锤体的结构，同时也与胞质动位蛋白一道引起中心体的排列和分离。研究显示，如果把抗KRP或抗动位蛋白的抗体显微注射到动物细胞内，细胞就不能进行有丝分裂。

另一方面，微管表现出高度不稳定性，在(+)端快速发生微管蛋白的聚合和解聚，因此其长度不断伸长和缩短，在胞质内“搜寻”染色体，直至两侧动粒微管的自由端与染色体的两侧动粒结合而将其俘获。染色体与动粒微管结合后在细胞内剧烈振荡，最后两侧相反方向的力量达到平衡，染色体排列在赤道板(中期)。

(三)染色体分离

同样的力量促使染色体在细胞分裂的后期分离并移向细胞的两极。有丝分裂后期分为两个阶段:①后期A，动粒微管缩短，拉动染色体朝细胞的两极运动。体外研究表明，在没有ATP(或其他能量来源)的情况下，动粒微管在(+)端(近动粒)的解聚能产生足够的力量拉动染色体移向(－)端;②后期B，该时期的特征是纺锤体伸长，两极离得更远。这个阶段需要微管动力蛋白参与，极微管相互滑动、延长，同时星体微管也能产生拉动力量。

图7-8　有丝分裂器

注:A．电镜照片;B．模式图

(四)胞质分裂

胞质分裂是有丝分裂的最后一步，同时也是子代细胞生命周期的开始。细胞质通过断裂(cleavage)的方式进行分裂，这一过程通常在有丝分裂后期染色体分别到达细胞两极时就已经开始。在细胞中央的两个子代核之间，大量平行排列但具有不同极性的微丝形成收缩环(contractile ring)，在肌球蛋白作用下，微丝相对滑动，使细胞膜产生凹陷，形成与纺锤体轴相垂直的分裂沟。分裂沟越陷越深，最后将细胞一分为二。星体微管决定了胞质分裂发生的部位。

六、肌肉收缩

肌细胞在进化中特化为具有收缩功能的机器，分为横纹肌(骨骼肌、心肌)和平滑肌两种。

横纹肌纤维(myofiber)呈长圆柱形，由肌原纤维束(myofibril)整齐排列而成，肌原纤维几乎纵向贯穿肌纤维的全长。电镜观察显示，肌原纤维由粗丝和细丝组成。粗丝由肌球蛋白组成;细丝的主要成分是肌动蛋白丝，上面结合有原肌球蛋白(tropomyosin，TM)和肌钙蛋白(troponin，TN)。两条Z线之间为一个肌节单位，I带仅由细丝构成，A带的两端由粗丝和细丝构成，A带的中央为仅由粗丝构成的H区，H区的中央为M线(图7-9)。平滑肌也含有粗、细肌丝，但它们的排列不像横纹肌那样有周期性，而是松散地聚集在细胞质中的致密小体处。

图7-9　肌节结构

肌肉收缩是粗、细肌丝相互滑动的结果。研究发现，肌肉收缩时肌节缩短，但粗丝和细丝的长度均保持不变。肌球蛋白的头部在粗丝的两端构成了粗、细丝之间的横桥，因而粗丝具有双极性。肌肉收缩时，粗丝两端的横桥拉动细丝朝中央移动，使肌节缩短。肌肉中还有另一些大分子蛋白构成第3套肌丝系统，产生抵抗收缩的作用，赋予肌肉弹性。当肌肉收缩力消失，肌节立刻恢复静息状态的长度，粗、细丝的排列亦复原。

肌肉收缩受细胞质Ca²⁺浓度的调节，游离Ca²⁺浓度升高能触发肌肉收缩。当肌膜(SL)去极化的信号传递到肌纤维的三管区(triad)时，肌浆网(SR)便释放其中贮存的Ca²⁺，使细胞质中游离Ca²⁺浓度升高。Ca²⁺能与TN结合，调节TM的位置。无Ca²⁺时，TM位于粗、细丝之间，掩盖了肌球蛋白头部与细丝的结合位点，肌肉松弛;有Ca²⁺时，Ca²⁺与TN结合，TM稍稍移向细丝中央，暴露出细丝上与肌球蛋白结合的位点，肌肉收缩。

七、成纤维细胞的运动

细胞的位置迁移是各部位协调运动的结果。利用特殊的显微照相技术和计算机程序，已能够重建细胞在移动过程中的三维形状，了解细胞运动的主要特点。细胞的移动有快慢之分，成纤维细胞属于慢速移动(slow-moving)的细胞，而白细胞和阿米巴是快速移动(fastmoving)的细胞。

成纤维细胞的运动模式如图7-10所示。首先是细胞膜在朝运动方向的前端突起，形成线状足(filopodia)或片状足(lamellipodia)，该过程伴有肌动蛋白在细胞前缘聚合组装，并交联成束状或网状结构。关于细胞膜突起的机制，目前存在3种假说:①肌动蛋白丝组装所产生的推动力驱使细胞膜向前伸展，即与顶体反应及胞内菌的运动机制相同;②质膜作为肌球蛋白Ⅰ的“货物”，由后者携带沿着肌动蛋白骨架向前“爬动”;③片状足中的细胞骨架成分在渗透压的作用下体积膨胀，引起细胞膜伸展。

随着细胞膜的伸展及细胞骨架的组装，成纤维细胞的线状足和片状足与其附着的基底介质紧密结合，在细胞腹面形成黏着斑(adhesion plague)。黏着斑有两方面的作用:一是将细胞固定在基底上;二是防止细胞回缩。黏着斑形成后，细胞的绝大部分内容物向前移动，具体细节还不清楚。细胞骨架可能作为一个整体(细胞核及其他细胞器被包裹于其中)被推(或拉)向细胞的前端。最后，细胞的尾部也被拉向细胞前方，但通常会留下很小的一部分细胞仍黏附于基底面上。

图7-10　成纤维细胞的运动模式图

八、白细胞运动

白细胞(及阿米巴)运动的基本过程与其他细胞的移动相似，先是细胞膜伸向细胞前方形成宽大的伪足，当伪足与基底接触后，伪足迅速被流入的细胞质充满，最后细胞的尾部被拉向细胞体。但是，与成纤维细胞相比，其移动速度更快，因此必须具备更强有力的机制驱使细胞膜和细胞质向前移动。

快速移动细胞的运动特点是可见伪足伸长和细胞质流动，并伴有皮质区细胞骨架(微丝)在“凝”、“溶”两种状态之间不停转换，从而引起皮质区细胞质的黏度发生改变。在细胞中央的胞质(内浆，endoplasm)是液态(溶)的，能快速流进细胞前端的伪足中。在伪足皮质区内，前纤维蛋白(profilin)促进肌动蛋白聚合，α-辅肌动蛋白等则使肌动蛋白丝交联成凝胶样的网络结构，细胞质的黏度升高，伪足外浆(ectoplasm)成为凝胶。在细胞向前爬动时，处于细胞尾部皮质区的外浆从凝胶转变为溶胶，直至到达细胞的前端。外浆从凝胶转变为溶胶的过程通过断裂蛋白(如凝溶胶蛋白)切割肌动蛋白丝而实现。细胞质在凝、溶状态间的转换循环只有在细胞迁移过程中才发生。

细胞运动各实例的机制如表7-2所示。

表7-2　细胞运动各实例的机制