Saylor.org的细胞生物学/肌动蛋白
肌动蛋白、肌球蛋白和细胞运动
肌动蛋白丝，通常与肌球蛋白相关，负责许多类型的细胞运动。肌球蛋白是分子马达的原型——一种将ATP形式的化学能转化为机械能的蛋白质，从而产生力和运动。这种运动最显著的类型是肌肉收缩，它为理解肌动蛋白-肌球蛋白相互作用和肌球蛋白分子的运动活性提供了模型。然而，肌动蛋白和肌球蛋白的相互作用不仅负责肌肉收缩，还负责非肌肉细胞的各种运动，包括细胞分裂，因此这些相互作用在细胞生物学中起着核心作用。此外，肌动蛋白细胞骨架负责细胞在表面爬行的运动，这些运动似乎是由肌动蛋白聚合以及肌动蛋白-肌球蛋白相互作用直接驱动的。
肌肉收缩。
肌肉细胞高度专门化于一项任务，即收缩，正是这种结构和功能上的专门化使肌肉成为在细胞和分子水平上研究运动的原型。脊椎动物中存在三种不同的肌肉细胞：骨骼肌，负责所有随意运动；心肌，从心脏泵血；平滑肌，负责胃、肠、子宫和血管等器官的非随意运动。在骨骼肌和心肌中，细胞骨架的收缩元件以高度有序的阵列存在，从而产生特征性的横纹图案。正是对骨骼肌中这些结构的表征，导致了我们目前在分子水平上对肌肉收缩和其他基于肌动蛋白的细胞运动的理解。
骨骼肌是肌纤维的束，肌纤维是单个大型细胞（直径约50 μm，长度可达几厘米），由发育过程中许多单个细胞融合而成（图5.1）。大部分细胞质由肌原纤维组成，肌原纤维是两种类型的丝状体的圆柱形束：肌球蛋白的粗丝（直径约15 nm）和肌动蛋白的细丝（直径约7 nm）。每个肌原纤维被组织成一系列称为肌节的收缩单位，肌节负责骨骼肌和心肌的横纹外观。
肌节（长约2.3 μm）由几个不同的区域组成，可以通过电子显微镜识别，这为理解肌肉收缩的机制提供了重要的见解（图5.2）。每个肌节的末端由Z线界定。在每个肌节内，深色带（称为A带，因为在偏振光下观察时是各向异性的）与浅色带（称为I带，因为是各向同性的）交替出现。这些带对应于肌球蛋白丝的存在或不存在。I带仅包含细（肌动蛋白）丝，而A带包含粗（肌球蛋白）丝。肌球蛋白和肌动蛋白丝在A带的外围区域重叠，而中间区域（称为H区）仅包含肌球蛋白。肌动蛋白丝的正端连接到Z线，Z线包含交联蛋白α-肌动蛋白。肌球蛋白丝锚定在肌节中间的M线上。
另外两种蛋白质（肌联蛋白和纤连蛋白）也有助于肌节的结构和稳定性（图5.3）。肌联蛋白是一种非常大的蛋白质（3000 kd），单个肌联蛋白分子从M线延伸到Z线。这些长的肌联蛋白分子被认为像弹簧一样，使肌球蛋白丝保持在肌节的中心，并保持静止张力，使肌肉在过度伸展时能够弹回。纤连蛋白丝与肌动蛋白相关，并被认为通过充当决定其长度的标尺来调节肌动蛋白丝的组装。
理解肌肉收缩的基础是滑动丝模型，该模型于1954年由安德鲁·赫胥黎和拉尔夫·尼德格克以及休·赫胥黎和珍·汉森共同提出（图5.4）。在肌肉收缩过程中，每个肌节都会缩短，使Z线彼此靠近。A带的宽度没有变化，但I带和H区几乎完全消失。这些变化可以通过肌动蛋白和肌球蛋白丝彼此滑动来解释，因此肌动蛋白丝移动到A带和H区。因此，肌肉收缩是由肌动蛋白和肌球蛋白丝之间的相互作用产生的，该相互作用产生它们彼此相对的运动。这种相互作用的分子基础是肌球蛋白与肌动蛋白丝的结合，使肌球蛋白能够充当驱动丝状体滑动的马达。
肌肉中存在的肌球蛋白类型（肌球蛋白II）是一种非常大的蛋白质（约500 kd），由两条相同的重链（每条约200 kd）和两对轻链（每条约20 kd）组成（图5.5）。每条重链由一个球状头部区域和一个长的α-螺旋尾部组成。两条重链的α-螺旋尾部相互缠绕形成卷曲螺旋结构形成二聚体，两条轻链与每个头部区域的颈部相关联，形成完整的肌球蛋白II分子。
图11.22
肌球蛋白II。肌球蛋白II分子由两条重链和两对轻链（称为必需轻链和调节轻链）组成。重链具有球状头部区域和长的α-螺旋尾部，它们相互缠绕（更多...）。肌肉的粗丝由数百个肌球蛋白分子组成，通过其尾部之间的相互作用以平行交错排列（图11.23）。肌球蛋白的球状头部结合肌动蛋白，在粗丝和细丝之间形成横桥。需要注意的是，肌球蛋白分子在肌节M线的取向是相反的。肌动蛋白丝（其正端连接到Z线）的极性在M线处也类似地反转，因此肌球蛋白和肌动蛋白丝的相对取向在肌节的两半是相同的。如后所述，肌球蛋白的运动活性使其头部组沿肌动蛋白丝向正端方向移动。这种运动使肌节两侧的肌动蛋白丝向M线滑动，缩短肌节并导致肌肉收缩。
图11.23
肌球蛋白粗丝的组织。粗丝是由数百个肌球蛋白II分子以交错排列形成的。肌球蛋白的球状头部结合肌动蛋白，在肌球蛋白和肌动蛋白丝之间形成横桥。（更多...）。除了结合肌动蛋白外，肌球蛋白头部还结合并水解ATP，这为驱动丝状体滑动提供能量。这种化学能向运动的转换是由ATP结合导致的肌球蛋白形状变化介导的。普遍接受的模型（摆动横桥模型）是ATP水解驱动肌球蛋白头部和肌动蛋白之间重复的相互作用循环。在每个循环中，肌球蛋白的构象变化导致肌球蛋白头部沿肌动蛋白丝移动。
尽管分子机制尚未完全了解，但从肌球蛋白沿肌动蛋白丝运动的体外研究（詹姆斯·斯普迪奇和迈克尔·希茨开发的系统）以及艾万·雷蒙特及其同事对肌球蛋白三维结构的测定（图11.24），得出了一个合理的肌球蛋白功能工作模型。循环从肌球蛋白（在没有ATP的情况下）牢固地结合到肌动蛋白开始。ATP结合使肌球蛋白-肌动蛋白复合物解离，然后ATP的水解诱导肌球蛋白的构象变化。这种变化影响肌球蛋白的颈部区域，该区域结合轻链（见图11.22），充当杠杆臂将肌球蛋白头部移动约5 nm。水解产物（ADP和Pi）仍然结合到肌球蛋白头部，据说肌球蛋白头部处于“待发”位置。然后，肌球蛋白头部在肌动蛋白丝上的新位置重新结合，导致ADP和Pi释放并触发“动力冲程”，其中肌球蛋白头部恢复到其初始构象，从而使肌动蛋白丝向肌节的M线滑动。
图11.24
肌球蛋白作用模型。ATP的结合使肌球蛋白与肌动蛋白解离。然后ATP水解诱导导致肌球蛋白头部组位移的构象变化。接下来是肌球蛋白头部在肌动蛋白丝上的新位置结合（更多...）。骨骼肌的收缩由神经冲动触发，神经冲动刺激Ca2+从肌浆网释放——肌浆网是类似于内质网的内部膜的专门网络，储存高浓度的Ca2+离子。Ca2+从肌浆网的释放使细胞质溶胶中Ca2+的浓度从大约10-7 M增加到10-5 M。Ca2+浓度的增加通过结合到肌动蛋白丝上的两种辅助蛋白的作用发出肌肉收缩信号：原肌球蛋白和肌钙蛋白（图11.25）。原肌球蛋白是一种纤维状蛋白质，沿肌动蛋白丝的沟槽纵向结合。在横纹肌中，每个原肌球蛋白分子都与肌钙蛋白结合，肌钙蛋白是三种多肽的复合体：肌钙蛋白C（Ca2+结合）、肌钙蛋白I（抑制性）和肌钙蛋白T（原肌球蛋白结合）。当Ca2+浓度低时，肌钙蛋白与原肌球蛋白的复合物会阻断肌动蛋白和肌球蛋白的相互作用，因此肌肉不会收缩。在高浓度下，Ca2+与肌钙蛋白C的结合会改变复合物的位置，解除这种抑制并允许收缩进行。
图11.25
原肌球蛋白和肌钙蛋白与肌动蛋白丝的结合。（A）原肌球蛋白沿肌动蛋白丝纵向结合，在横纹肌中，与三种肌钙蛋白的复合体相关：肌钙蛋白I（TnI）、肌钙蛋白C（TnC）和肌钙蛋白T（TnT）。在（更多...）。
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非肌肉细胞中肌动蛋白和肌球蛋白的收缩装配。
肌动蛋白和肌球蛋白的收缩结构，类似于肌肉纤维的小规模版本，也存在于非肌细胞中。与肌肉一样，这些收缩结构中的肌动蛋白丝与双极肌球蛋白 II 丝交错，双极肌球蛋白 II 丝由 15 到 20 个肌球蛋白 II 分子组成，通过使肌动蛋白丝彼此相对滑动产生收缩（图 11.26）。非肌细胞中收缩束中的肌动蛋白丝也与原肌球蛋白相关，原肌球蛋白促进它们与肌球蛋白 II 的相互作用，可能是通过与纤连蛋白竞争肌动蛋白上的结合位点来实现的。
图 11.26
非肌细胞中的收缩结构。肌球蛋白 II 的双极丝通过使肌动蛋白丝向相反方向滑动产生收缩。.前面已经讨论了非肌细胞中收缩结构的两个例子，即应力纤维和粘着带，它们涉及肌动蛋白细胞骨架与细胞-基质和细胞-细胞接触区域的连接（参见图 11.13 和 11.14）。应力纤维的收缩在细胞上产生张力，使细胞能够拉动其锚定的基质（例如，细胞外基质）。粘着带的收缩改变了上皮细胞片的形状：这一过程在胚胎发育过程中尤其重要，此时上皮细胞片折叠成管状等结构。
然而，肌动蛋白-肌球蛋白收缩在非肌细胞中最显著的例子是胞质分裂——细胞在有丝分裂后分裂成两个（图 11.27）。在动物细胞有丝分裂结束时，一个由肌动蛋白丝和肌球蛋白 II 组成的收缩环组装在质膜下方。它的收缩逐渐向内拉动质膜，收缩细胞的中心并将其夹成两半。有趣的是，收缩环在收缩时的厚度保持不变，这意味着肌动蛋白丝在收缩过程中会分解。然后，环在细胞分裂后完全分散。
图 11.27
胞质分裂。有丝分裂（核分裂）完成后，由肌动蛋白丝和肌球蛋白 II 组成的收缩环将细胞分成两部分。.前面讨论的横纹肌中肌动蛋白-肌球蛋白收缩的调节是由 Ca2+ 与肌钙蛋白结合介导的。然而，在非肌细胞和平滑肌中，收缩主要受肌球蛋白轻链之一磷酸化的调节，称为调节轻链（图 11.28）。这些细胞中调节轻链的磷酸化至少有两个作用：它促进肌球蛋白组装成丝，并增加肌球蛋白的催化活性，使收缩得以进行。催化这种磷酸化的酶称为肌球蛋白轻链激酶，它本身受与 Ca2+ 结合蛋白钙调蛋白的关联调节。胞质 Ca2+ 的增加促进钙调蛋白与激酶的结合，导致肌球蛋白调节轻链的磷酸化。因此，胞质 Ca2+ 的增加负责（尽管是间接的）激活平滑肌和非肌细胞以及横纹肌中的肌球蛋白。
图 11.28
磷酸化调节肌球蛋白。Ca2+ 结合钙调蛋白，钙调蛋白又结合肌球蛋白轻链激酶 (MLCK)。然后，活性钙调蛋白-MLCK 复合物使肌球蛋白 II 调节轻链磷酸化，将肌球蛋白从非活性（更多...）。
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非常规肌球蛋白。
除了肌球蛋白 II（“常规”双头肌球蛋白）外，非肌细胞中还发现了其他几种类型的肌球蛋白。与肌球蛋白 II 不同，这些“非常规”肌球蛋白不形成丝，因此不参与收缩。然而，它们可能参与各种其他类型的细胞运动，例如膜囊泡和细胞器沿肌动蛋白丝的运输、吞噬作用以及变形虫伪足的伸展（参见图 11.17）。
这些非常规肌球蛋白中研究得最好的的是肌球蛋白 I 家族成员（图 11.29）。肌球蛋白 I 蛋白包含一个球状头部，就像肌球蛋白 II 一样，充当分子马达。然而，肌球蛋白 I 家族成员是更小的分子（哺乳动物细胞中约为 110 kd），缺乏肌球蛋白 II 的长尾，并且不形成二聚体。相反，它们的尾部可以结合其他结构，例如膜囊泡或细胞器。然后，肌球蛋白 I 沿肌动蛋白丝的运动可以运输其附着的货物。前面讨论过，肌球蛋白 I 的一项功能是形成将肌动蛋白束连接到肠微绒毛质膜的侧臂（参见图 11.16）。在这些结构中，肌球蛋白 I 的运动活性可能会沿肌动蛋白束移动质膜，朝向微绒毛的尖端。肌球蛋白 I 的其他功能可能包括沿肌动蛋白丝运输囊泡和细胞器，以及在吞噬作用和伪足伸展过程中质膜的运动。
图 11.29
肌球蛋白 I。肌球蛋白 I 包含与肌球蛋白 II 相似的头部，但它具有相对较短的尾部，并且不形成二聚体或丝。虽然它不能诱导收缩，但肌球蛋白 I 可以沿着肌动蛋白丝（朝向正端）移动，携带（更多...）。除了肌球蛋白 I 和 II 外，还鉴定了至少 12 类其他非常规肌球蛋白（III 到 XIV）。其中一些非常规肌球蛋白像肌球蛋白 II 一样是双头的，而另一些像肌球蛋白 I 一样是单头的。这些非常规肌球蛋白中的大多数功能仍有待确定，但有些已被清楚地证明在细胞器运动（肌球蛋白 V 和 VI）和感觉功能（如视觉（肌球蛋白 III）和听力（肌球蛋白 VI 和 VII））中发挥重要作用。
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细胞爬行。
细胞在表面上的爬行运动代表了一种基本的细胞运动形式，被各种各样的不同类型的细胞采用。例如，变形虫的运动、胚胎细胞在发育过程中的迁移、白细胞侵入组织以抵抗感染、参与伤口愈合的细胞的迁移以及恶性肿瘤转移过程中癌细胞的扩散。类似类型的运动也负责吞噬作用以及神经细胞在神经系统发育过程中突起的延伸。所有这些运动都基于肌动蛋白细胞骨架的动态特性，尽管所涉及的详细机制仍有待充分了解。
细胞爬行涉及一个协调的运动周期，可以将其视为三个阶段。首先，必须从细胞前缘延伸伪足、片状伪足或微棘等突起（参见图 11.17）（图 11.30）。其次，这些延伸必须附着在细胞迁移的基质上。最后，细胞的后缘必须从基质上分离并缩回细胞体内。
图 11.30
细胞爬行。细胞在表面上的爬行运动可以视为三个阶段的协调运动：(1) 前缘的延伸，(2) 前缘与基质的附着，以及 (3) 细胞后部的回缩（更多...）。各种实验表明，前缘的延伸涉及肌动蛋白丝的聚合和交联。例如，抑制肌动蛋白聚合（例如，用细胞松弛素处理）会阻断细胞表面突起的形成。如图 11.5 所示，肌动蛋白丝的调节性更新导致细胞前缘形成丝状伪足和片状伪足等突起，并且cofilin 和 Arp2/3 蛋白似乎都参与了这一过程。非常规肌球蛋白也可能参与前缘突起的延伸：肌球蛋白 I 是变形虫 Dictyostelium 伪足延伸所必需的，肌球蛋白 V 是神经元丝状伪足延伸所必需的。
在延伸后，前缘的突起必须附着在基质上才能在细胞运动中发挥作用。对于缓慢移动的细胞，例如成纤维细胞，附着涉及粘着斑的形成（参见图 11.13）。移动速度更快的细胞，例如变形虫或白细胞，与基质形成更弥散的接触，其分子组成尚不清楚。
细胞爬行的第三阶段，后缘的回缩，是最不了解的。后缘与基质的附着被破坏，细胞的后部回缩到细胞体内。该过程似乎需要在细胞的前部和后部之间产生张力，产生收缩力，最终将细胞的后部向前拉。在缺乏肌球蛋白 II 的 Dictyostelium 突变体中，细胞运动的这一方面受损，这与肌球蛋白 II 在收缩肌动蛋白皮层和产生后缘回缩所需力的作用一致。