细胞的运动

细胞的运动 第七章细胞的运动 细胞运动（cell motility）是生命进化的最重要成果之一。原始的细胞可能是不能主动 地运动的，它们飘浮在周围的液体环境中，代谢物靠扩散作用在细胞内分布。但是随着细 胞体积的增大以及功能的越来越复杂，细胞内形成了负责物质流动的转运系统。这些系统 同时也构成了细胞的运动器，使细胞能够转移到更适合其生长的地点。细胞运动与医学也 有着密切的联系。 第一节细胞运动的形式 细胞运动的 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现形式多种多样，从染色体分离到纤毛、鞭毛的摆动，从细胞形状的改 变到位置的迁移。所有的细胞运动都和细胞内的细胞骨架体系（尤其是微管、微丝）有 关，同时需要ATP和动力蛋白(motor protein)，后者分解ATP，所释放的能量驱使细胞运 动。 一、细胞的位置移动 与位置移动有关的细胞运动方式大体上可分为：?局部性的、近距离的移动；?整体性 的、远距离的移动。例如，在动物发育过程中，胚胎内单个细胞或一群细胞发生位置迁 徙，形成原始器官；吞噬细胞具有趋向性，能主动搜寻侵入体内的病原微生物，保护宿主 抵御感染。另一方面，肿瘤扩散也是由于癌细胞的运动功能失去控制而造成的。 （一）鞭毛、纤毛摆动 从细胞水平而言，单细胞生物可以依赖某些特化的细胞结构如纤毛、鞭毛的摆动在液 态环境中移动其体位。高等动物精子的运动，基本上也属于这一类。在多细胞动物中，纤 毛摆动有时不能引起细胞本身在位置上的移动，但可以起到运送物质的作用。例如，哺乳 类的输卵管内摆动的纤毛能将卵细胞推向子宫的方向；人体气管的纤毛上皮细胞凭借纤毛 的摆动，可使混悬在液体中的固体颗粒在细胞表面运行。 （二）阿米巴样运动 原生动物阿米巴(amoeba)是进行这类运动的典型例子，这种运动方式也因此而得名。 高等动物中巨噬细胞和部分白细胞等也进行类似的运动方式。 当阿米巴附着在固体的表面移动时，在前进方向的一端，细胞伸出一个或数个大小不 等的伪足(pseudopodium)，一部分细胞质就移进这些伪足，同时后面的原生质也随着收缩 前进。应该指出，如果细胞不附着于固体表面的话，虽然仍可有伪足伸出，但细胞不能前 进。这说明，细胞进行阿米巴样运动需要“附着点”。 （三）褶皱运动 将哺乳动物的成纤维细胞进行体外培养，可以看到另一种细胞运动方式，即细胞膜表 面变皱，形成若干波动式的褶皱和较长的突起。细胞的移动是靠这些褶皱和突起不断交替 地与玻璃表面相接触。在细胞移动时，原生质也跟着流动，但仅局限于细胞的边缘区，而 不像阿米巴样运动那样是在细胞的中央部位。 二、细胞的形态改变 并非所有的细胞都会产生位置的移动。事实上，体内大多数细胞的位置是相对固定不 变的，但是它们仍然能表现出十分活跃的形态改变。例如，肌纤维收缩、顶体反应、神经 元轴突生长、细胞表面突起（微绒毛、伪足等）、细胞分裂中的胞质分裂(cytokinesis)等 等。细胞骨架能维持细胞的形状，却又不仅仅是一个被动的支架，而是非常复杂的动态网 络，不断组装（聚合）和去组装（解聚），使细胞能适应其功能状态发生形状改变及其它 运动方式。 在形态发生时，某些细胞的移动是微丝收缩的结果，如神经板形成神经沟、胰脏的开 始隆起和原肠的形成等等。参与这些形态建成的细胞顶端，都有一圈微丝纤维束，当微丝 收缩时，使平板内陷或外突而形成沟或束。有的形态建成运动与微管的作用密切相关。例 如当精细胞形成精子时，细胞核伸得很长，与此同时，细胞中出现有大量规则排列的微管 与细胞核相互缠绕在一起。 三、细胞内运动 细胞运动中最复杂微妙的方式当属那些发生在细胞内的运动。 （一）细胞质流动 在体积较大的圆柱状藻类植物如丽藻(Nitella)和轮藻(Chara)中很容易观察到细胞质流 动(cytoplasmic streaming)，即细胞质以大约4.5mm/min的速率进行快速环流。细胞代谢物主 要通过胞质环流来实现在细胞内的扩散，这对于植物细胞和阿米巴等体积较大的细胞尤为 重要。研究发现，胞质流动的速率从细胞中央（0）到细胞壁（最大）逐渐增大，说明驱动细胞质流动的力量位于细胞膜。经研究现已知道：在细胞质中有成束的微丝存在并与环 流方向平行。 （二）膜泡运输 细胞内常见的而且很重要的运输形式是以生物膜将所要运输的物质包装起来，形成膜 泡在细胞内移行运输。这些包装膜可以源自细胞膜、内质网膜以及高尔基复合体的膜囊等 等，分别运输不同的 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 物。膜泡运输不仅把某些物质从甲地运至乙地，同时也说明细胞 内各种膜性结构的动态关系及膜的相互移行现象，这对于树立细胞整体性的观点和理解细 胞活动是很重要的。 胞吞作用与微丝密切相关。在将要形成吞噬体的细胞膜下方，微丝明显增多。在吞噬 体形成过程中，微丝集中在其周围，一侍吞噬泡完全形成，微丝即迅速消失。关于胞吐作 用，多数学者认为它与微丝、微管有一定关系。 （三）物质运输 神经元是一种具有特别形状的细胞，其轴突可长达数米。由于核糖体只存在于神经元 的胞体和树突中，因此，在胞体中合成的蛋白质、神经递质、小分子物质以及线粒体等膜 性结构都必须沿轴突运输到神经末梢；同理，一些物质也要运回胞体，在胞体内被破坏或 重新组装；有些病毒或毒素进入外周后，也可沿轴突到达胞体。这些发生在轴突内的物质 运输称为轴突运输(axonal transport)。目前已知，轴突运输是沿着微管提供的轨道进行的。 许多两栖类的皮肤和许多鱼类的鳞片含有特化的色素细胞。在神经和肌肉的控制下， 这些细胞中的色素颗粒可以在几秒钟内迅速地分布到细胞各处，从而使皮肤颜色变深；又 能很快地运回到细胞中心，而使皮肤颜色变浅。观察表明，微管为这一过程提供了运输轨 道。 （四）染色体分离 在周期细胞的有丝分裂期，染色体在细胞内剧烈运动。中期时染色体排列组装赤道板 上，后期姐妹染色单体分离移向细胞的两极。染色体的这种运动对于其正确分离，保证遗 传稳定性具有重要意义。生殖细胞在减数分裂产生配子的过程中也要进行染色体分离。 第二节细胞运动的机制与实例 细胞运动有两种基本机制。其中第一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。第二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)，目前已鉴定出了十余种肌球蛋白家族成员， 其中含量最丰富的是肌球蛋白?和?，此外肌球蛋白V也引起了关注。肌球蛋白?为肌肉 收缩和胞质分裂提供动力；肌球蛋白?、?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)可以将其消化成三个片段（图7-1）：? 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；? 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；? 尾部，是重链的C端，含有特殊的结合位点，决定了肌球蛋白是形成二聚体还是细丝，是 与其它尾部结合还是与膜结合。三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 三种主要肌球蛋白类型的比较 区别点 ? 型 ? 型 ? 型 存在形式 单体 二聚体 二聚体 膜结合位点 有 无 有 轻链成分 钙调蛋白×3 钙调蛋白样蛋白 钙调蛋白×4 （必需轻链×1 调节轻链×1） （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，由二条重链和二条 轻链聚合而成。驱动蛋白含有三个结构域：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浆动位蛋白和纤毛（或鞭毛）动位蛋白。 图7-3 动位蛋白参与鞭毛A管、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（11～15 nm），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。 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（图7-4）：? 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；? 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；? ATP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；? 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，带动颈部和尾部朝肌动蛋白丝的(＋)端移动；? ADP释放，肌球蛋白恢复初始状态。 图7-4 ATP水解和肌球蛋白运动的偶联 肌球蛋白?和?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?成的粗丝被固定，能拉动由肌动蛋白丝组成的细丝朝(－)端移动，粗细肌丝的相对滑动便引起了肌肉收缩。 图7-5 肌球蛋白结合膜泡沿微丝运动模式图 驱动蛋白和动位蛋白的运动机制和肌球蛋白相似，但是它们以微管作为运动的轨道。 驱动蛋白的运动方向朝微管的(＋)端；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，在某一特定的时间里，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(＋)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。 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，及由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(－)端走动，从而引起二联管 之间相互滑动而实现的（图7-6）。 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 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一边弯曲，激活另一半则朝另一边 弯曲。二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。 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。以下仅举例说明。 （一）顶体反应 海参卵的表面覆盖着一层厚50 μm米的胶状物，为了越过这道屏障，精子细胞首先伸出一根长80 μm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）。 图7-7 海参精子的顶体反应 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 单胞李斯特菌(Listeria monocytogenes)感染哺乳动物细胞后，能在宿主细胞浆内以约11 μm/min的速度移动。荧光染色显示，肌动蛋白短细丝在细菌的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）：? 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；? 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三种，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。第三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7-8 有丝分裂器 （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 proteins, KRPs)和(－)向运动的动位蛋白。KRPs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，同时也与胞浆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KRPs 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，在胞浆内“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：? 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（或其它能量来源）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；? 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。 （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，但它们的排列不象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三套肌丝系统，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。 2+2+肌肉收缩受细胞质Ca浓度的调节，游离Ca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2+2+2+Ca，使细胞质中游离Ca浓度升高。Ca能与肌钙蛋白(TN)结合，调节原肌球蛋白(TM) 2+的位置。无Ca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 2+2+肉松弛；有Ca时，Ca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(fast-moving)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，目前存在三种假说：? 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理相同；? 质膜作为肌球蛋白?的“货物”，由后者携带沿着肌动蛋白骨架向前“爬动”；? 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。 图7-10 成纤维细胞的运动模式图 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，在细胞腹面形成粘着斑(adhesion plague)。粘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。粘着斑形成后，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（细胞核及其它细胞器被包裹于其 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 小的一部分细胞仍粘附于基底面上。 八、白细胞运动 白细胞（及阿米巴）运动的基本过程与其它细胞的移动相似，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。 快速移动的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粘度发生改变。在 细胞中央的胞浆（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，细胞浆的粘度升高，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总结如表7-2。 表7-2 细胞运动各实例的机制总结 实例 机制类型 动力蛋白类型 细胞骨架类型 轴突运输 第一类 肌球蛋白、驱动蛋白 微丝、微管 纤毛和鞭毛运动 第一类 动位蛋白 微管 顶体反应 第二类 微丝 染色体分离 第一类、第二类 微管动力蛋白 微管 胞质分裂 第一类 肌球蛋白 微丝 肌肉收缩 第一类 肌球蛋白 微丝 成纤维细胞运动 第二类 微丝 白细胞运动 第二类 微丝 第三节细胞运动的调节 所有的细胞运动方式都不是随机进行的，而是受到精密的调控，在特定的时间特定的 部位发生。如前所述，细胞骨架（微管和微丝）为细胞内物质流动和膜泡运输提供了轨 道；微管微丝的组装、动力蛋白的运动都具有方向性。另一方面，细胞受到各种信号的调 节，决定其运动的反向。运动着的细胞的一个显著特点就是具有极性，亦即有前后之分， 当细胞的运动反向改变时，就在新的反向产生伪足。 一、G蛋白的作用 处于静息状态的成纤维细胞接受生长因子的刺激后，便开始生长分裂：首先（立即） 聚合肌动蛋白细丝，引起细胞前端的膜产生变皱运动，随后通过形成张力丝紧密粘附于基 代谢途径，引起细胞移2底层。已经有证据表明，生长因子激活了G蛋白相关的信号传递途径，其中对两种Ras相关 动的早期事件（肌动蛋白聚合，膜变皱等）；而Rho激活酪氨酸激酶，引起细胞运动的后的G蛋白（Rac和Rho）的研究较多。目前的观点认为Rac能激活PIP 期事件（张力丝、粘着斑形成等）。Rac对Rho具有调节作用，机制不明。 二、细胞外分子的趋化作用 在某些情况下，细胞外的化学分子能指引细胞的运动反向。有时，细胞运动由基底层 上不溶于水的分子指引；有时，细胞能感应外界的可溶性分子，并朝该分子泳动，即具有 趋化性(chemotaxis)。许多分子都可以作为趋化因子，包括糖、肽、细胞代谢物、细胞壁和 膜脂等。例如，网柄菌属(Dictyostelium)阿米巴趋向高浓度的cAMP运动；白细胞趋向由细 菌分泌的三肽Met-Leu-Phe运动，进而吞噬细菌。所有趋化分子的作用机制相似，即趋化分 子结合细胞表面受体，激活G蛋白介导的信号传递系统，然后通过激活或抑制肌动蛋白结 合蛋白影响细胞骨架的结构。 三、Ca2+梯度 细胞前后趋化分子的浓度差很小，细胞如何感应这这么小的浓度差呢？研究发现，在 2+含有趋化分子梯度的溶液中，运动细胞的胞浆中Ca的分布也具有梯度，即在细胞前部2+2+2+Ca浓度最低，在后部Ca浓度最高。当改变细胞外趋化分子的浓度梯度时，细胞内Ca 2+的梯度分布也随之发生改变，在趋化分子浓度高的一侧Ca浓度最低。而后细胞改变运动 2+2+方向，按照新的Ca浓度梯度运动。可见Ca梯度决定了细胞的趋化性。 2+许多肌动蛋白结合蛋白都受Ca浓度调节，如肌球蛋白?和?、凝溶胶蛋白 2+(gelsolin)、毛缘蛋白(fimbrin)和α-辅肌动蛋白(a-actinin)等。因此Ca可以调节细胞在运动中 2+的凝－溶转换(gel-sol transition)，细胞前部的低Ca环境有利于形成肌动蛋白网络，后部高 2+Ca则导致肌动蛋白网络解聚形成溶胶。 四、影响细胞骨架与运动的药物 一些特殊药物可改变肌动蛋白的聚合状态，影响细胞的生物特性。细胞松弛素 （cytochalasins）是由真菌所分泌的代谢产物，它可阻止肌动蛋白分子聚合，使动物细胞的 各种活动瘫痪，包括细胞移动、吞噬作用、胞质分裂等等。细胞松弛素的主要作用是和肌 动蛋白快速生长的正极处结合，制止肌动蛋白分子聚合成微丝。 另一种药物鬼笔环肽（phalloidin），它是由毒蕈提取的剧毒生物碱，不同于细胞松弛 素，它稳定微丝，抑制解聚。因为它不易通过细胞质膜，为了有效作用必须将它注射入细 胞内，这样才能阻断变形虫和培养细胞的迁移运动。鬼笔环肽只与聚合的微丝结合，而不 与肌动蛋白单体分子结合，破坏了微丝聚合及解聚的动态平衡。 。每分子秋水仙素能和一个微纺锤体微管对有些药物很敏感，如秋水仙素(colchicines) 管蛋白分子结合，阻止了它的聚合能力，因此一个分裂细胞加入了秋水仙素就会引起有丝 分裂纺锤体消失，在几分钟内就阻止细胞的分裂。当这些药物被去除后，纺锤体很快出 现，有丝分裂重新形成。由于这些药物能破坏纺锤体的微管，那些快速分裂的细胞将很快 被杀死，因此抗分裂药物如长春新碱、长春花碱广泛地使用于抗癌治疗。除了上述抑制微 管聚合的药物外，还有一些药物如紫衫酚（taxol），能紧密和微管结合，起到稳定微管、抑制微管解聚的作用，这样可使分裂期的分裂细胞停止分裂。 第四节 细胞运动与医学 原发性纤毛运动障碍（PCD）或纤毛无运动综合征是纤毛超微结构具有特异的、先天 性遗传缺陷导致的一组疾病。目前认为：PCD是一种常染色体隐性基因遗传病，有家族倾 向。卡塔格内氏综合征是PCD的一种表现形式，由鼻窦炎、支气管扩张、内脏反位临床三 联征组成。一些成年患者，精液检查精子无运动，导致不育。研究发现胚胎上皮的纤毛运 动与内脏器官的右旋和双侧对称性有关，纤毛运动障碍时胎儿器官排列失常使内脏旋转不 良。PCD纤毛异常一般以内、外动位蛋白臂的缺如为常见，故许多学者认为动位蛋白臂的 缺如对PCD的诊断具有特异性。有报道PCD病人纤毛动位蛋白臂中ATP酶缺乏或代谢异常，以致微管滑行缺乏能量，使纤毛摆动受阻，而微管的异常组合亦将影响纤毛的清除功 能。由于PCD纤毛异常的不可逆性，故患者气道的防御工具——粘液纤毛系统将不能正常地工作。 与阿尔茨海默氏病（AD）（早老性痴呆病）临床症状的严重性最有关的是新皮层和 海马中突触的丧失。突触丧失中断了脑内很多功能通路中的联系，引起多方面的功能障 碍，尤其严重的是认知和记忆衰竭。因此，突触丧失是痴呆的生物学的最合理的原因。究 竟是什么原因引起突触丧失？早有学者提出，不正常的和有缺陷的轴浆流（axoplas mic flow）所引起的营养障碍可导致神经炎和轴突死亡。轴浆流是神经活动的基本机制，通过 这种机制，基质和细胞器从细胞体运出，经轴突和树突，运送至这两种突起的末梢；而其 他产物从末梢运回至胞体。实验已经 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 ，这一运输过程主要依赖于完整无损的微管。微 管一旦被融化或溃解，轴浆运输旋即终止。驱动蛋白为沿着微管顺行方向的快速运输提供 动力；而动位蛋白是逆行运输方向的动能。这两种运动蛋白通过水解ATP获得能量，但两 者必须沿着完好无缺的微管起作用。早在30多年以前，皮层活体组织的电镜研究首次证 明，在AD的神经元中微管是缺乏的或是扭曲变形的。目前正在进行的运动蛋白异常的研 究也将为通过轴浆流减少的方式而引起AD突触丧失的假说作出贡献。 癌症患者恶化细胞内的微丝短、微丝束减少。由于微丝的组装发生了变化，使微丝不 能呈束。间期恶化细胞内的微管数目减少。由于钙调蛋白增多，抑制微管聚合，使癌细胞 的细胞器的运动发生异常。 肿瘤的浸润和转移是恶性肿瘤的生物学特征之一。与肿瘤转移有关的因素很多，其中 肿瘤细胞活跃的移动能力是浸润生长的重要因素。实验表明：具高度侵袭力的肿瘤细胞， 往往同时具有活跃的移动能力。有报道肿瘤细胞内微管存在的状况以及在各种影响因素作 用下微管的形态改变特征与肿瘤细胞侵袭及肿瘤转移潜能有关。观察显示，细胞的伪足是 运动和侵袭的部分，去核的伪足细胞部分，虽然不能保持长久存活，但仍表现出具有对刺 激的感受和朝向刺激物方向的运动能力。作为细胞骨架系统成分之一的微管，分散在胞浆 中，在正常细胞运动及肿瘤侵袭的活动中起着重要作用。许多微管抑制物如秋水仙碱能与 微管蛋白α、β结合，阻止二聚体形成，长春花碱破坏业已形成的微管，从而起到抗肿瘤作 用。有报道抗癌药道诺红菌素 能破坏细胞微管成分，微管的破坏可能抑制肿瘤细胞的转移。 有研究表明，正常胆道括约肌细胞含有大量排列整齐、集结成束的微丝及密体，这是 胆道括约肌产生“高压带”，以调节胆流的重要结构基础，如果某些因素促使这一结构发生构型或数量的变化，必将影响到胆道括约肌的收缩功能，继而对整个胆系产生重大影响。 因此胆道括约肌细胞骨架的改变，对于目前所谓胆道括约肌功能紊乱及胆结石成因等的解 释均具有重要意义。 相信在不久的将来，随着细胞骨架的基础研究的进展，在这方面探讨疾病的发病机理 和治疗手段将大有可为。现在凭借荧光显微镜，透射电镜技术，超高压电镜技术，免疫组 化技术等进行研究，这些技术的局限性也使目前的研究难以深入。随着技术的发展，必将 揭示细胞骨架在某些疾病发生中的作用，找到更好的治疗方法，使基础研究为临床实践提 供理论基础。 （李红智）