第十六章 细胞骨架
为了使细胞正常运作，它们必须在空间中组织自己，并相互之间以及与环境进行机械交互。它们必须形状笔直、物理坚固且内部结构合理。许多细胞不得不改变他们的形状，从一个地方搬到另一个地方。所有细胞都必须能够在生长、分裂和适应不断变化的环境时重新排列其内部成分。这些空间和机械功能取决于称为细胞骨架的非凡细丝系统（图 16-1）。
细胞骨架的不同功能取决于蛋白质丝的三个主要家族的行为——肌动蛋白丝、微管和中间丝。每种类型的细丝都有不同的机械性能、动力学和生物作用，但都有某些共同的基本特征。正如我们需要韧带、骨骼和肌肉协同工作一样，所有三个细胞骨架系统通常必须共同发挥作用，以赋予细胞力量、形状以及分裂和移动的能力。
在本章中，我们描述了细胞丝系统的功能和进化保守性。我们解释了细丝组装和拆卸的基本原理，以及其他蛋白质如何与细丝相互作用以改变其动力学并指导其组织。最后，我们讨论了细胞骨架系统如何与其他细胞成分协同工作以产生细胞极性，这对于细胞行为和功能的许多方面都至关重要。
细胞骨架的功能和动力学
三种主要的细胞骨架丝负责细胞空间组织和机械特性的不同方面。
肌动蛋白丝决定细胞表面的形状，是全细胞运动所必需的;它们还会将一个细胞捏成两个细胞。
微管决定细胞器的位置，指导细胞内运输，并形成在细胞分裂过程中分离染色体的有丝分裂纺锤体。
中间细丝提供机械强度。
所有这些细胞骨架丝都与数百种辅助蛋白相互作用，这些辅助蛋白调节并将细丝与其他细胞成分以及彼此连接起来。辅助蛋白对于细胞骨架丝在特定位置的受控组装至关重要，它们包括运动蛋白，这是一种非凡的分子机器，可将 ATP 水解的能量转化为机械力，可以沿细胞丝移动或移动细丝本身。在本章的这一部分，我们讨论了构成细胞骨架细丝的蛋白质的一般特征。我们关注它们形成高度动态的固有极化和自组织结构的能力，使细胞能够在条件发生变化时快速改变细胞骨架结构和功能。
细胞骨架丝是动态的，但仍然可以形成稳定的结构
细胞骨架系统是动态的和适应性强的，更像蚂蚁的足迹，而不是州际公路。一条蚂蚁的足迹可能会持续数小时，从蚂蚁巢延伸到美味的野餐地点，但小径内的单只蚂蚁绝不是静态的。如果蚂蚁侦察兵找到了新的、更好的食物来源，或者如果野餐者清理干净后离开，动态结构就会以惊人的速度适应。以类似的方式，大规模的细胞骨架结构可以根据需要改变或持续，持续时间从不到一分钟到细胞的寿命不等。但是构成这些结构的各个大分子成分处于恒定的通量状态。因此，就像蚂蚁足迹的改变一样，当条件发生变化时，细胞中的结构重排几乎不需要额外的能量。
对细胞骨架丝的动态行为和组装的调节使真核细胞能够从三个基本丝系统构建大量结构。面板 16-1 中的显微照片说明了其中一些结构。肌动蛋白丝位于动物细胞质膜的一层（称为细胞皮层）之下，为薄脂质双层提供强度和形状。它们还形成多种类型的细胞表面突起。其中一些是动态结构，例如细胞用来探索区域和四处移动的filopodia, lamellipodia, and pseudopodia。更稳定的阵列使细胞能够支撑自己对抗底层并使肌肉收缩。内耳毛细胞表面的规则立体纤毛束包含稳定的肌动蛋白丝束，这些丝束会响应声音而像刚性棒一样倾斜，肠上皮细胞表面的微绒毛大大增加了顶端细胞表面积，以增强营养吸收。在植物中，肌动蛋白丝驱动细胞质在细胞内的快速流动。
微管经常出现在延伸到细胞外围的细胞质阵列中，在细胞分裂过程中可以迅速重新排列以形成双极有丝分裂纺锤体。它们还可以形成纤毛，纤毛在细胞表面起到运动鞭子或感觉装置的作用，或者紧密排列的束，作为物质沿着长神经元轴突运输的轨道。在植物细胞中，有组织的微管阵列有助于指导细胞壁同义论的模式，在许多原生动物中，它们形成了构建整个细胞的框架。
中间丝排列在核膜的内表面，为细胞的 DNA 形成一个保护笼;在胞质溶胶中，它们被扭曲成坚固的电缆，可以将上皮细胞片固定在一起或帮助神经细胞延长长而强壮的轴突，它们使我们能够形成坚韧的附属物，例如头发和指甲。
细胞骨架快速重组的一个重要而引人注目的例子发生在细胞分裂过程中，如图 16-2 所示，在组织培养皿中生长的成纤维细胞。染色体复制后，扩散到整个细胞质的间期微管阵列被侦察到双极有丝分裂纺锤体中，该纺锤体将每条染色体的两个拷贝转移到单独的子核中。同时，使成纤维细胞能够在培养皿表面爬行的特殊肌动蛋白结构重新排列，使细胞停止移动并呈现出更球形的形状。然后，肌动蛋白及其相关的运动蛋白肌球蛋白在细胞中间形成一条带，即收缩环，它像一块细小的肌肉一样收缩，将细胞一分为二。当分裂完成时，两个子成纤维细胞的细胞骨架重建它们的间期结构，从而将两个圆润的子细胞转化为扁平、爬行的母细胞的较小版本。
许多细胞在间期也需要快速的细胞骨架重排才能发挥其正常功能。例如，中性粒细胞（一种白细胞）会追逐并吞噬意外进入身体的细菌和真菌细胞，例如通过皮肤上的切口。像大多数爬行细胞一样，中性粒细胞通过扩展与新聚合的肌动蛋白丝形成的突出结构来前进。当难以捉摸的细菌猎物向不同的方向移动时，嗜中性粒细胞可以在几秒钟内重组其极化的突出结构（图 16-3）。
细胞骨架决定细胞组织和极性
在已实现稳定分化形态的细胞（如成熟神经元或上皮细胞）中，细胞骨架的动态元件为细胞组织产生稳定的大规模结构。例如，在肠道和肺等器官的特化上皮细胞上，基于细胞骨架的细胞表面突起（包括微绒毛和纤毛）能够在细胞的整个生命周期内保持恒定的位置、长度和直径。对于肠上皮细胞上微绒毛核心的肌动蛋白束，这只有几天。但是内耳毛细胞上的立体纤毛必须在动物的整个生命周期内保持稳定的组织结构，因为这些细胞不会替换。值得注意的是，立体纤毛中的肌动蛋白丝非常稳定，仅在其尖端观察到多聚体化和解聚。我们不了解这些肌动蛋白结构是如何在几十年内保持恒定长度的。
除了形成稳定、特化的细胞表面突起外，细胞骨架还负责大规模的细胞极性，使细胞能够分辨顶部和底部或前后之间的区别。细胞骨架组织传递的极性信息通常在细胞的整个生命周期中保持不变。例如，极化上皮细胞使用有组织的微管、肌动蛋白丝和中间丝阵列来维持顶端表面和基底外侧表面之间的关键差异。它们还必须彼此保持牢固的粘合接触，以使这层细胞能够作为有效的物理屏障（图 16-4）。本章的最后一部分讨论了如何建立细胞极性。
细丝由赋予特定物理和动态特性的蛋白质亚基组装而成
细胞骨架细丝可以从细胞的一端到达另一端，跨越数十甚至数百微米。然而，形成细丝的单个蛋白质分子只有几纳米大小。该细胞通过组装大量小亚基来构建细丝，就像用砖块建造摩天大楼一样。因为这些亚基很小，所以它们可以在胞质溶胶中迅速扩散，而组装的细丝则不能。通过这种方式，细胞可以进行快速的结构重组，在一个位点分解细丝，然后在另一个遥远的位点重新组装它们。
肌动蛋白丝和微管由小小的球状亚基构成——肌动蛋白丝的肌动蛋白亚基和微管的微管蛋白亚基——而中间丝由本身细长且呈纤维状的亚基组成。所有三种主要类型的细胞骨架都使用端到端和侧对侧蛋白质接触的组合形成自缔合的亚基的聚合物组装。虽然许多生物聚合物（包括 DNA、RNA 和蛋白质）的骨架结合在一起是依赖共价键的作用，但将三种类型的细胞骨架聚合物结合在一起的是弱的非共价相互作用。由于共价键没有形成或断裂，因此组装和拆卸会迅速发生。亚基结构的差异以及它们如何相互结合，对每种细丝的稳定性和机械性能产生重要差异。
肌动蛋白丝和微管的亚基是不对称的，并且从头到尾相互结合，因此它们都具有方向。这种亚基极性使细丝沿其长度具有结构极性，并使每种聚合物的两端表现不同。此外，肌动蛋白和微管蛋白亚基是分别催化核苷三磷酸 （NTP） — ATP 和 GTP 水解的酶。正如我们稍后讨论的那样，NTP 水解产生的能量有助于细丝快速重塑。它允许细胞利用这些丝的极性和动态特性在特定方向上产生力，例如，将迁移细胞的前缘向前移动，或在细胞分裂过程中将染色体拉开。相反，中间丝的亚基是对称的，因此不会形成具有两个不同末端的极化丝。中间丝亚基也不催化 ATP 或 GTP 的水解。然而，中间长丝可以在需要时快速拆卸。例如，在有丝分裂中，激酶磷酸化中间丝的亚基，导致它们解离。
活细胞中的细胞骨架丝不是简单地将亚基串成一个文件来构建的。例如，一千个首尾相连的微管蛋白亚基将跨越一个小真核细胞的直径，但以这种方式形成的细丝将缺乏避免被环境能量断裂的强度，除非细丝中的每个亚基都非常紧密地结合在其两个相邻的亚基上。这种紧密的结合会限制细丝的分解速度，使细胞骨架成为静态的且不太有用的结构。
为了提供强度和适应性，微管由 13 根protofilaments(首尾相连的线性亚基串）构成，它们彼此横向结合形成一个空心圆柱体。在一个原丝末端添加或丢失一个亚基会形成或断开少量键。相比之下，从原丝中间丢失一个亚基需要断开更多的键，而将其一分为二需要同时断开多个原丝中的键（图 16-5）。同时破坏多个非共价键所需的更大能量使微管能够抵抗热断裂，同时允许在细丝末端快速添加和丢失亚基。虽然仅由 2 根链而不是 13 根链组成，但螺旋肌动蛋白丝亚基还可以进行端到端和侧对侧接触，从而在细丝末端实现快速动态，同时沿细丝长度提供足够的强度。然而，微管的管状几何形状使其比双链肌动蛋白丝硬得多。
与其他特异性蛋白质-蛋白质相互作用一样，许多疏水相互作用和非共价键将细胞骨架丝中的亚基固定在一起（参见图 3-4）。亚基-亚基接触的位置和类型因不同的细丝而异。例如，中间丝通过在α螺旋的卷曲螺旋之间形成牢固的横向接触来组装，这些线圈延伸到每个细长纤维亚基的大部分长度上。由于单个亚基在细丝中交错排列，因此中间细丝形成坚固的绳状结构，比肌动蛋白细丝或微管更能容忍拉伸和弯曲（图 16-6）。
辅助蛋白和马达作用于细胞骨架丝
细胞调节其细胞骨架丝的长度和稳定性、它们的数量和几何形状，以及它们彼此之间以及与细胞其他成分的附着。因此，细丝可以形成各种高阶结构。细丝亚基的直接共价修饰可调节一些细丝特性，但大部分调节由数百种辅助蛋白执行，这些辅助蛋白决定细丝的空间分布和动态行为，将通过信号通路接收的信息转化为细胞骨架作用。这些辅助蛋白与细丝或其亚基结合以确定新细丝的组装位点，调节细丝和亚基形式之间聚合物蛋白的分配，从而改变细丝组装和拆卸的动力学，利用能量产生力，并将细丝彼此连接或连接到其他细胞结构，如细胞器和质膜。在这些过程中，辅助蛋白使细胞骨架结构受到细胞外和细胞内信号的控制，包括触发每个细胞周期中发生的细胞骨架剧烈转变的信号。辅助蛋白成群作用，使细胞能够保持高度组织但灵活的内部结构，并且在许多情况下能够移动。
与细胞骨架相关的最迷人的蛋白质之一是马达蛋白。这些蛋白质与极化的细胞骨架丝结合，并利用 ATP 水解重复循环产生的能量沿着它移动。数十种不同的运动蛋白共存于每个真核细胞中。它们结合的细丝类型（肌动蛋白或微管）、沿细丝移动的方向以及它们携带的“货物”各不相同。许多运动蛋白将膜封闭的细胞器（如线粒体、高尔基体堆栈或分泌囊泡）运送到细胞中的适当位置。其他运动蛋白导致细胞骨架丝施加张力或相互滑动，从而产生驱动肌肉收缩、纤毛跳动和细胞分裂等现象的力量。
沿定向聚合物轨道单向移动的细胞骨架运动蛋白让人想起本书其他地方讨论的其他一些蛋白质和蛋白质复合物，例如 DNA 和 RNA 聚合酶、解旋酶和核糖体。所有这些蛋白质都具有利用化学能沿着线性轨道推动自身的能力，滑动方向取决于轨道的结构极性。它们都通过将核苷三磷酸水解与大规模构象变化偶联来产生运动（参见图 3-71）。
分子马达在以布朗运动为主的细胞环境中运行
由于细胞的微观尺寸，基于马达的运动发生在由于称为布朗运动的随机热波动而高度动态的环境中。如第 1 章所述（见第 9 页），布朗运动驱动细胞内所有分子的扩散，因此它对需要分子碰撞的生化反应的速率至关重要。另一个重要影响是它在小尺度上产生粘性阻力。例如，沿着细胞骨架丝移动的运动蛋白不断受到与水和其他分子的随机碰撞的冲击。一旦它的运动活动停止，由于这些碰撞产生的粘性阻力，运动蛋白就会停止在其轨道上。
任何物体在流体中移动的停止距离都由雷诺数决定，雷诺数是作用在该物体上的惯性力与粘性力的比值。该比率取决于物体的大小及其在流体中的移动速度。例如，虽然细菌和鱼都可以在水中推动自己，但鱼的大小和速度为它提供了很大的惯性，因此当它停止游泳时，它会继续在水中滑行一段距离。相比之下，由于其体积小得多且移动速度慢，停止自我推进的细菌将立即停止（图 16-7）。为了使鱼具有类似的行为，需要将其放置在非常粘稠的介质中，例如屋顶焦油。在细胞内部，由于粘性力远大于惯性力，因此移动分子的微小尺寸和缓慢速度导致雷诺数极低。因此，细胞内没有 “滑动”。
随机布朗运动也可用于控制小尺度的运动，即使在没有运动蛋白的情况下也是如此。正如我们在本章后面所描述的，一些细胞内病原体，如细菌：单胞增生李斯特菌 利用肌动蛋白聚合的力量在细胞内移动。这种运动不涉及运动蛋白。相反，肌动蛋白丝被诱导在一端与细菌表面相邻。当细菌随机由于布朗运动而向前移动，肌动蛋白迅速填充间隙，使细菌无法滑回其原始位置。通过这种方式，肌动蛋白聚合产生一股推动细菌穿过细胞质的力（参见图 16-17）。类似的过程驱动迁移动物细胞前缘的质膜向前移动（参见图 1-7）。这种现象，即以定向方式利用随机热运动，创造了一个布朗棘轮。
总结
真核细胞的细胞质在空间上由称为细胞骨架的蛋白质网络组织。该网络包含三种主要类型的 f-ilaments：肌动蛋白丝、微管和中间丝。所有三种类型的细丝都是由亚基组装体形成的，这些亚基使用端到端和侧对侧蛋白质接触的组合进行自缔合。亚基结构的差异及其自组装方式赋予了细丝不同的机械特性。亚基组装和拆卸不断重塑所有三种类型的细胞骨架丝。肌动蛋白和微管蛋白（分别为肌动蛋白丝和微管的亚基）结合和水解核苷三磷酸（分别为 ATP 和 GTP）并从头到尾组装以产生具有产生力的极化丝。在活细胞中，包括分子马达在内的辅助蛋白调节细胞骨架丝的动力学和组织，导致细胞分裂、迁移或肌肉收缩等复杂事件，并产生复杂的细胞结构以形成极化组织，例如上皮细胞。
肌动蛋白
肌动蛋白细胞骨架在多种细胞类型中发挥着广泛的功能。每个肌动蛋白亚基，有时称为球状或 G-肌动蛋白，是一种 375 个氨基酸的多肽，携带一个紧密结合的 ATP 或 ADP 分子（图 16-8A）。肌动蛋白在真核生物中非常保守。来自不同真核生物物种的肌动蛋白的氨基酸序列通常约为 90% 相同。肌动蛋白氨基酸序列的微小变化会导致显著的功能差异：例如，在脊椎动物中，有三种亚型的肌动蛋白，称为 α、β 和 γ，它们的氨基酸序列略有不同，具有不同的功能。α-肌动蛋白仅在肌肉细胞中表达，而 β-和 γ-肌动蛋白几乎一起存在于所有非肌肉细胞中。
肌动蛋白亚基从头到尾组装形成柔性的极性细丝
肌动蛋白亚基从头到尾组装形成一个紧密的右旋螺旋，形成一个约 8 nm 宽的结构，称为丝状或 F 肌动蛋白（图 16-8B 和 C）。因为细丝的不对称肌动蛋白亚基都指向同一方向，所以细丝是极性的，并且在结构上具有不同的末端：生长较慢的负端和生长较快的正端。负端也称为尖端pointed end，正端称为倒钩端barbed end，因为在电子显微照片中可见的肌动蛋白丝和运动蛋白肌球蛋白之间形成的复合物的箭头外观（图 16-9）。在细丝内，亚基位于 ATP 结合裂隙中，指向负端。
单个肌动蛋白丝非常灵活。细丝的刚度可以用它的persistence length来表征，即随机热波动可能导致其弯曲的最小细丝长度。肌动蛋白丝的持久性长度只有几十微米。然而，在活细胞中，辅助蛋白经常交联并将细丝捆绑在一起，从而形成比单个肌动蛋白细丝更坚硬的大规模肌动蛋白结构。
成核是肌动蛋白丝形成的限速步骤
肌动蛋白丝形成的调节是细胞控制其形状和运动的重要机制。肌动蛋白亚基可以自发地相互结合，但在亚基组装成初始寡聚体或核之前是不稳定的，其通过多个亚基-亚基接触稳定，然后可以通过添加更多亚基快速伸长。这个过程称为微丝成核。
肌动蛋白成核和聚合的许多特征已在试管中用纯化的肌动蛋白进行了研究（图 16-10）。较小肌动蛋白寡聚体的不稳定性使成核效率低下。当聚合开始时，这会导致滞后期，在此期间不会观察到细丝。然而，在这个滞后阶段，小的、不稳定的寡聚体逐渐成功地转变为更稳定的形式，类似于肌动蛋白丝。这导致细丝快速伸长阶段，在此期间，亚基迅速添加到有核细丝的末端（图 16-10A）。最后，随着肌动蛋白单体浓度的降低，系统接近稳定状态，在该状态下，新亚基添加到细丝末端的速率正好平衡亚基解离的速率。此时留在溶液中的游离亚基的浓度称为临界浓度 Cc。如面板 16–2 中所述，临界浓度值等于亚基损失的速率常数除以亚基添加的速率常数;即 Cc = koff/kon，它等于解离常数 Kd 和平衡常数的倒数 K（参见图 3-42）。在试管中，肌动蛋白聚合的 Cc（即聚合物中肌动蛋白分数停止增加的游离肌动蛋白单体浓度）约为 0.1 μM。在细胞内部，未聚合肌动蛋白的浓度远高于此，并且细胞已经进化出机械肌动蛋白以防止其大部分单体肌动蛋白组装成细丝，正如我们稍后讨论的那样。
如果在聚合反应开始时将预先存在的种子（例如肌动蛋白丝的片段）添加到溶液中，则消除了丝生长的滞后期（图 16-10B）。细胞充分利用了成核屏障：它使用特殊蛋白质在特定位点催化丝成核，从而确定新肌动蛋白丝组装的位置。
肌动蛋白丝有两个不同的末端，它们以不同的速度生长
由于丝中不对称肌动蛋白亚基的统一取向，其两端的结构不同。这种取向使每种聚合物的两端不同，从而对细丝生长速率产生深远影响。肌动蛋白亚基结合和解离的动力学速率常数（分别为 kon 和 koff）在正端比负端大得多。当允许过量的纯化肌动蛋白单体组装到极性标记的细丝上时，可以看到这一点——细丝的正端伸长速度提高了 10 倍（参见图 16-9）。如果快速稀释细丝，使游离亚基浓度降至临界浓度以下，则正端也会更快地解聚。
然而，重要的是要注意，如果所有亚基都与 ATP 或 ADP 结合，则肌动蛋白丝的两端对肌动蛋白亚基具有相同的净亲和力。在 n 个亚基的细丝的任一端添加一个亚基，得到 n + 1 个亚基的细丝。因此，在聚合物的两端添加亚基时，自由能差以及平衡常数（和临界浓度）必须相同。在这种情况下，速率常数的比率 koff/kon 在两端必须相同，即使这些速率常数的绝对值在每一端都非常不同（请参见面板 16-2）。
细胞利用肌动蛋白丝动力学和极性来做机械工作。当添加可溶性亚基的自由能变化 （∆G） 小于零时，细丝伸长会自发进行。当溶液中亚基的浓度超过临界浓度时，就会出现这种情况。细胞可以将能量上不利的过程与这个自发过程耦合;因此，细胞可以利用自发细丝聚合过程中释放的自由能来移动附加的负载。例如，通过将肌动蛋白丝的快速生长正端朝向其前缘，运动细胞可以将其质膜向前推，正如我们稍后讨论的那样。
肌动蛋白丝内的 ATP 水解导致稳态踏车
在我们讨论肌动蛋白丝动力学时，我们忽略了肌动蛋白可以催化核苷三磷酸 ATP 水解的关键事实。对于游离肌动蛋白亚基，这种水解进行得非常缓慢;然而，当亚基掺入细丝中时，它会加速。ATP 水解发生后不久，游离磷酸基团从每个亚基中释放出来，但 ADP 仍然被困在细丝结构中。因此，可以存在两种不同类型的细丝结构，一种是 ATP 结合的 T 形式，另一种是 ADP 结合的 D 形式。
当 ATP 水解时，磷酸-磷酸键的断裂作用释放的大部分自由能储存在聚合物中。这使得亚基从 D 型聚合物解离的自由能变化比亚基从T 型聚合物解离的自由能变化更负。因此，D 型聚合物的 koff/kon 比值（数值等于其临界浓度 [Cc（D）]）大于 T 型聚合物的相应比值。因此，Cc（D） 大于 Cc（T）。因此，在一定浓度的游离亚基下，D 型聚合物会收缩，而 T 型聚合物会生长。
在活细胞中，大多数可溶性肌动蛋白亚基为 T 形式，因为 ATP 的自由浓度比 ADP 高约 10 倍。然而，亚基在肌动蛋白丝中的时间越长，它们水解 ATP 的可能性就越大。细丝两端的亚基是 T 形式还是 D 形式取决于这种水解速率与亚基添加速率的比较。如果肌动蛋白单体的浓度都大于 T 型和 D 型聚合物的临界浓度，则亚基将在先前添加的亚基中的 ATP 被水解之前添加到聚合物的两端;因此，肌动蛋白丝的尖端将保持 T 形式。另一方面，如果亚基浓度低于 T 型和 D 型聚合物的临界浓度，则可能在添加下一个亚基之前发生水解，细丝的两端将呈 D 型并收缩。在中等浓度的肌动蛋白亚基下，亚基添加速率可能在正端比 ATP 水解快，但比负端的 ATP 水解慢。在这种情况下，细丝的正端保持 T 构象，而负端采用 D 构象。然后，细丝在正端经历亚基的净添加，同时从负端丢失亚基。这导致了细丝踏车的显着特性（图 16-11;参见面板 16-2）。
在特定的中间亚基浓度下，正端的细丝生长正好平衡了负端的细丝收缩。在这些条件下，亚基在游离状态和丝状状态之间快速循环，而细丝的总长度保持不变。这种稳态踏车需要以 ATP 水解的形式持续消耗能量。