Saylor.org的細胞生物學/肌動蛋白
肌動蛋白、肌球蛋白和細胞運動
肌動蛋白絲，通常與肌球蛋白相關，負責許多型別的細胞運動。肌球蛋白是分子馬達的原型——一種將ATP形式的化學能轉化為機械能的蛋白質，從而產生力和運動。這種運動最顯著的型別是肌肉收縮，它為理解肌動蛋白-肌球蛋白相互作用和肌球蛋白分子的運動活性提供了模型。然而，肌動蛋白和肌球蛋白的相互作用不僅負責肌肉收縮，還負責非肌肉細胞的各種運動，包括細胞分裂，因此這些相互作用在細胞生物學中起著核心作用。此外，肌動蛋白細胞骨架負責細胞在表面爬行的運動，這些運動似乎是由肌動蛋白聚合以及肌動蛋白-肌球蛋白相互作用直接驅動的。
肌肉收縮。
肌肉細胞高度專門化於一項任務，即收縮，正是這種結構和功能上的專門化使肌肉成為在細胞和分子水平上研究運動的原型。脊椎動物中存在三種不同的肌肉細胞：骨骼肌，負責所有隨意運動；心肌，從心臟泵血；平滑肌，負責胃、腸、子宮和血管等器官的非隨意運動。在骨骼肌和心肌中，細胞骨架的收縮元件以高度有序的陣列存在，從而產生特徵性的橫紋圖案。正是對骨骼肌中這些結構的表徵，導致了我們目前在分子水平上對肌肉收縮和其他基於肌動蛋白的細胞運動的理解。
骨骼肌是肌纖維的束，肌纖維是單個大型細胞（直徑約50 μm，長度可達幾釐米），由發育過程中許多單個細胞融合而成（圖5.1）。大部分細胞質由肌原纖維組成，肌原纖維是兩種型別的絲狀體的圓柱形束：肌球蛋白的粗絲（直徑約15 nm）和肌動蛋白的細絲（直徑約7 nm）。每個肌原纖維被組織成一系列稱為肌節的收縮單位，肌節負責骨骼肌和心肌的橫紋外觀。
肌節（長約2.3 μm）由幾個不同的區域組成，可以透過電子顯微鏡識別，這為理解肌肉收縮的機制提供了重要的見解（圖5.2）。每個肌節的末端由Z線界定。在每個肌節內，深色帶（稱為A帶，因為在偏振光下觀察時是各向異性的）與淺色帶（稱為I帶，因為是各向同性的）交替出現。這些帶對應於肌球蛋白絲的存在或不存在。I帶僅包含細（肌動蛋白）絲，而A帶包含粗（肌球蛋白）絲。肌球蛋白和肌動蛋白絲在A帶的外圍區域重疊，而中間區域（稱為H區）僅包含肌球蛋白。肌動蛋白絲的正端連線到Z線，Z線包含交聯蛋白α-肌動蛋白。肌球蛋白絲錨定在肌節中間的M線上。
另外兩種蛋白質（肌聯蛋白和纖連蛋白）也有助於肌節的結構和穩定性（圖5.3）。肌聯蛋白是一種非常大的蛋白質（3000 kd），單個肌聯蛋白分子從M線延伸到Z線。這些長的肌聯蛋白分子被認為像彈簧一樣，使肌球蛋白絲保持在肌節的中心，並保持靜止張力，使肌肉在過度伸展時能夠彈回。纖連蛋白絲與肌動蛋白相關，並被認為透過充當決定其長度的標尺來調節肌動蛋白絲的組裝。
理解肌肉收縮的基礎是滑動絲模型，該模型於1954年由安德魯·赫胥黎和拉爾夫·尼德格克以及休·赫胥黎和珍·漢森共同提出（圖5.4）。在肌肉收縮過程中，每個肌節都會縮短，使Z線彼此靠近。A帶的寬度沒有變化，但I帶和H區幾乎完全消失。這些變化可以透過肌動蛋白和肌球蛋白絲彼此滑動來解釋，因此肌動蛋白絲移動到A帶和H區。因此，肌肉收縮是由肌動蛋白和肌球蛋白絲之間的相互作用產生的，該相互作用產生它們彼此相對的運動。這種相互作用的分子基礎是肌球蛋白與肌動蛋白絲的結合，使肌球蛋白能夠充當驅動絲狀體滑動的馬達。
肌肉中存在的肌球蛋白型別（肌球蛋白II）是一種非常大的蛋白質（約500 kd），由兩條相同的重鏈（每條約200 kd）和兩對輕鏈（每條約20 kd）組成（圖5.5）。每條重鏈由一個球狀頭部區域和一個長的α-螺旋尾部組成。兩條重鏈的α-螺旋尾部相互纏繞形成捲曲螺旋結構形成二聚體，兩條輕鏈與每個頭部區域的頸部相關聯，形成完整的肌球蛋白II分子。
圖11.22
肌球蛋白II。肌球蛋白II分子由兩條重鏈和兩對輕鏈（稱為必需輕鏈和調節輕鏈）組成。重鏈具有球狀頭部區域和長的α-螺旋尾部，它們相互纏繞（更多...）。肌肉的粗絲由數百個肌球蛋白分子組成，透過其尾部之間的相互作用以平行交錯排列（圖11.23）。肌球蛋白的球狀頭部結合肌動蛋白，在粗絲和細絲之間形成橫橋。需要注意的是，肌球蛋白分子在肌節M線的取向是相反的。肌動蛋白絲（其正端連線到Z線）的極性在M線處也類似地反轉，因此肌球蛋白和肌動蛋白絲的相對取向在肌節的兩半是相同的。如後所述，肌球蛋白的運動活性使其頭部組沿肌動蛋白絲向正端方向移動。這種運動使肌節兩側的肌動蛋白絲向M線滑動，縮短肌節並導致肌肉收縮。
圖11.23
肌球蛋白粗絲的組織。粗絲是由數百個肌球蛋白II分子以交錯排列形成的。肌球蛋白的球狀頭部結合肌動蛋白，在肌球蛋白和肌動蛋白絲之間形成橫橋。（更多...）。除了結合肌動蛋白外，肌球蛋白頭部還結合並水解ATP，這為驅動絲狀體滑動提供能量。這種化學能向運動的轉換是由ATP結合導致的肌球蛋白形狀變化介導的。普遍接受的模型（擺動橫橋模型）是ATP水解驅動肌球蛋白頭部和肌動蛋白之間重複的相互作用迴圈。在每個迴圈中，肌球蛋白的構象變化導致肌球蛋白頭部沿肌動蛋白絲移動。
儘管分子機制尚未完全瞭解，但從肌球蛋白沿肌動蛋白絲運動的體外研究（詹姆斯·斯普迪奇和邁克爾·希茨開發的系統）以及艾萬·雷蒙特及其同事對肌球蛋白三維結構的測定（圖11.24），得出了一個合理的肌球蛋白功能工作模型。迴圈從肌球蛋白（在沒有ATP的情況下）牢固地結合到肌動蛋白開始。ATP結合使肌球蛋白-肌動蛋白複合物解離，然後ATP的水解誘導肌球蛋白的構象變化。這種變化影響肌球蛋白的頸部區域，該區域結合輕鏈（見圖11.22），充當槓桿臂將肌球蛋白頭部移動約5 nm。水解產物（ADP和Pi）仍然結合到肌球蛋白頭部，據說肌球蛋白頭部處於“待發”位置。然後，肌球蛋白頭部在肌動蛋白絲上的新位置重新結合，導致ADP和Pi釋放並觸發“動力衝程”，其中肌球蛋白頭部恢復到其初始構象，從而使肌動蛋白絲向肌節的M線滑動。
圖11.24
肌球蛋白作用模型。ATP的結合使肌球蛋白與肌動蛋白解離。然後ATP水解誘導導致肌球蛋白頭部組位移的構象變化。接下來是肌球蛋白頭部在肌動蛋白絲上的新位置結合（更多...）。骨骼肌的收縮由神經衝動觸發，神經衝動刺激Ca2+從肌漿網釋放——肌漿網是類似於內質網的內部膜的專門網路，儲存高濃度的Ca2+離子。Ca2+從肌漿網的釋放使細胞質溶膠中Ca2+的濃度從大約10-7 M增加到10-5 M。Ca2+濃度的增加透過結合到肌動蛋白絲上的兩種輔助蛋白的作用發出肌肉收縮訊號：原肌球蛋白和肌鈣蛋白（圖11.25）。原肌球蛋白是一種纖維狀蛋白質，沿肌動蛋白絲的溝槽縱向結合。在橫紋肌中，每個原肌球蛋白分子都與肌鈣蛋白結合，肌鈣蛋白是三種多肽的複合體：肌鈣蛋白C（Ca2+結合）、肌鈣蛋白I（抑制性）和肌鈣蛋白T（原肌球蛋白結合）。當Ca2+濃度低時，肌鈣蛋白與原肌球蛋白的複合物會阻斷肌動蛋白和肌球蛋白的相互作用，因此肌肉不會收縮。在高濃度下，Ca2+與肌鈣蛋白C的結合會改變複合物的位置，解除這種抑制並允許收縮排行。
圖11.25
原肌球蛋白和肌鈣蛋白與肌動蛋白絲的結合。（A）原肌球蛋白沿肌動蛋白絲縱向結合，在橫紋肌中，與三種肌鈣蛋白的複合體相關：肌鈣蛋白I（TnI）、肌鈣蛋白C（TnC）和肌鈣蛋白T（TnT）。在（更多...）。
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非肌肉細胞中肌動蛋白和肌球蛋白的收縮裝配。
肌動蛋白和肌球蛋白的收縮結構，類似於肌肉纖維的小規模版本，也存在於非肌細胞中。與肌肉一樣，這些收縮結構中的肌動蛋白絲與雙極肌球蛋白 II 絲交錯，雙極肌球蛋白 II 絲由 15 到 20 個肌球蛋白 II 分子組成，透過使肌動蛋白絲彼此相對滑動產生收縮（圖 11.26）。非肌細胞中收縮束中的肌動蛋白絲也與原肌球蛋白相關，原肌球蛋白促進它們與肌球蛋白 II 的相互作用，可能是透過與纖連蛋白競爭肌動蛋白上的結合位點來實現的。
圖 11.26
非肌細胞中的收縮結構。肌球蛋白 II 的雙極絲透過使肌動蛋白絲向相反方向滑動產生收縮。.前面已經討論了非肌細胞中收縮結構的兩個例子，即應力纖維和粘著帶，它們涉及肌動蛋白細胞骨架與細胞-基質和細胞-細胞接觸區域的連線（參見圖 11.13 和 11.14）。應力纖維的收縮在細胞上產生張力，使細胞能夠拉動其錨定的基質（例如，細胞外基質）。粘著帶的收縮改變了上皮細胞片的形狀：這一過程在胚胎髮育過程中尤其重要，此時上皮細胞片摺疊成管狀等結構。
然而，肌動蛋白-肌球蛋白收縮在非肌細胞中最顯著的例子是胞質分裂——細胞在有絲分裂後分裂成兩個（圖 11.27）。在動物細胞有絲分裂結束時，一個由肌動蛋白絲和肌球蛋白 II 組成的收縮環組裝在質膜下方。它的收縮逐漸向內拉動質膜，收縮細胞的中心並將其夾成兩半。有趣的是，收縮環在收縮時的厚度保持不變，這意味著肌動蛋白絲在收縮過程中會分解。然後，環在細胞分裂後完全分散。
圖 11.27
胞質分裂。有絲分裂（核分裂）完成後，由肌動蛋白絲和肌球蛋白 II 組成的收縮環將細胞分成兩部分。.前面討論的橫紋肌中肌動蛋白-肌球蛋白收縮的調節是由 Ca2+ 與肌鈣蛋白結合介導的。然而，在非肌細胞和平滑肌中，收縮主要受肌球蛋白輕鏈之一磷酸化的調節，稱為調節輕鏈（圖 11.28）。這些細胞中調節輕鏈的磷酸化至少有兩個作用：它促進肌球蛋白組裝成絲，並增加肌球蛋白的催化活性，使收縮得以進行。催化這種磷酸化的酶稱為肌球蛋白輕鏈激酶，它本身受與 Ca2+ 結合蛋白鈣調蛋白的關聯調節。胞質 Ca2+ 的增加促進鈣調蛋白與激酶的結合，導致肌球蛋白調節輕鏈的磷酸化。因此，胞質 Ca2+ 的增加負責（儘管是間接的）啟用平滑肌和非肌細胞以及橫紋肌中的肌球蛋白。
圖 11.28
磷酸化調節肌球蛋白。Ca2+ 結合鈣調蛋白，鈣調蛋白又結合肌球蛋白輕鏈激酶 (MLCK)。然後，活性鈣調蛋白-MLCK 複合物使肌球蛋白 II 調節輕鏈磷酸化，將肌球蛋白從非活性（更多...）。
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非常規肌球蛋白。
除了肌球蛋白 II（“常規”雙頭肌球蛋白）外，非肌細胞中還發現了其他幾種型別的肌球蛋白。與肌球蛋白 II 不同，這些“非常規”肌球蛋白不形成絲，因此不參與收縮。然而，它們可能參與各種其他型別的細胞運動，例如膜囊泡和細胞器沿肌動蛋白絲的運輸、吞噬作用以及變形蟲偽足的伸展（參見圖 11.17）。
這些非常規肌球蛋白中研究得最好的的是肌球蛋白 I 家族成員（圖 11.29）。肌球蛋白 I 蛋白包含一個球狀頭部，就像肌球蛋白 II 一樣，充當分子馬達。然而，肌球蛋白 I 家族成員是更小的分子（哺乳動物細胞中約為 110 kd），缺乏肌球蛋白 II 的長尾，並且不形成二聚體。相反，它們的尾部可以結合其他結構，例如膜囊泡或細胞器。然後，肌球蛋白 I 沿肌動蛋白絲的運動可以運輸其附著的貨物。前面討論過，肌球蛋白 I 的一項功能是形成將肌動蛋白束連線到腸微絨毛質膜的側臂（參見圖 11.16）。在這些結構中，肌球蛋白 I 的運動活性可能會沿肌動蛋白束移動質膜，朝向微絨毛的尖端。肌球蛋白 I 的其他功能可能包括沿肌動蛋白絲運輸囊泡和細胞器，以及在吞噬作用和偽足伸展過程中質膜的運動。
圖 11.29
肌球蛋白 I。肌球蛋白 I 包含與肌球蛋白 II 相似的頭部，但它具有相對較短的尾部，並且不形成二聚體或絲。雖然它不能誘導收縮，但肌球蛋白 I 可以沿著肌動蛋白絲（朝向正端）移動，攜帶（更多...）。除了肌球蛋白 I 和 II 外，還鑑定了至少 12 類其他非常規肌球蛋白（III 到 XIV）。其中一些非常規肌球蛋白像肌球蛋白 II 一樣是雙頭的，而另一些像肌球蛋白 I 一樣是單頭的。這些非常規肌球蛋白中的大多數功能仍有待確定，但有些已被清楚地證明在細胞器運動（肌球蛋白 V 和 VI）和感覺功能（如視覺（肌球蛋白 III）和聽力（肌球蛋白 VI 和 VII））中發揮重要作用。
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細胞爬行。
細胞在表面上的爬行運動代表了一種基本的細胞運動形式，被各種各樣的不同型別的細胞採用。例如，變形蟲的運動、胚胎細胞在發育過程中的遷移、白細胞侵入組織以抵抗感染、參與傷口癒合的細胞的遷移以及惡性腫瘤轉移過程中癌細胞的擴散。類似型別的運動也負責吞噬作用以及神經細胞在神經系統發育過程中突起的延伸。所有這些運動都基於肌動蛋白細胞骨架的動態特性，儘管所涉及的詳細機制仍有待充分了解。
細胞爬行涉及一個協調的運動週期，可以將其視為三個階段。首先，必須從細胞前緣延伸偽足、片狀偽足或微棘等突起（參見圖 11.17）（圖 11.30）。其次，這些延伸必須附著在細胞遷移的基質上。最後，細胞的後緣必須從基質上分離並縮回細胞體內。
圖 11.30
細胞爬行。細胞在表面上的爬行運動可以視為三個階段的協調運動：(1) 前緣的延伸，(2) 前緣與基質的附著，以及 (3) 細胞後部的回縮（更多...）。各種實驗表明，前緣的延伸涉及肌動蛋白絲的聚合和交聯。例如，抑制肌動蛋白聚合（例如，用細胞鬆弛素處理）會阻斷細胞表面突起的形成。如圖 11.5 所示，肌動蛋白絲的調節性更新導致細胞前緣形成絲狀偽足和片狀偽足等突起，並且cofilin 和 Arp2/3 蛋白似乎都參與了這一過程。非常規肌球蛋白也可能參與前緣突起的延伸：肌球蛋白 I 是變形蟲 Dictyostelium 偽足延伸所必需的，肌球蛋白 V 是神經元絲狀偽足延伸所必需的。
在延伸後，前緣的突起必須附著在基質上才能在細胞運動中發揮作用。對於緩慢移動的細胞，例如成纖維細胞，附著涉及粘著斑的形成（參見圖 11.13）。移動速度更快的細胞，例如變形蟲或白細胞，與基質形成更彌散的接觸，其分子組成尚不清楚。
細胞爬行的第三階段，後緣的回縮，是最不瞭解的。後緣與基質的附著被破壞，細胞的後部回縮到細胞體內。該過程似乎需要在細胞的前部和後部之間產生張力，產生收縮力，最終將細胞的後部向前拉。在缺乏肌球蛋白 II 的 Dictyostelium 突變體中，細胞運動的這一方面受損，這與肌球蛋白 II 在收縮肌動蛋白皮層和產生後緣回縮所需力的作用一致。