第一节 微丝与细胞运动
微丝又称肌动蛋白丝( actin filament)，或纤维状肌动蛋白( fibrous actin，F- actin)，这种直径为7nm的纤维存在于所有真核细胞中。微丝网络的空间结构与功能取决于与之相结合的微丝结合蛋白( microfilament binding protein)。在不同类型的细胞内，甚至是在同细胞的不同区域，不同的微丝结合蛋白赋予了微丝网络不同的结构特征和功能。如小肠上皮细胞微绒毛内部的微丝束及细胞皮层的微丝网络，与黏着斑相连的应力纤维，迁移中的成纤维细胞前缘的片足和丝足中临时性的微丝结构，胞质分裂环，以及存在于肌细胞中的细肌丝。微丝网络结构的动态变化与多种细胞生命活动过程相关，如细胞突起(微绒毛、伪足)的形成及对细胞微环境的感知和调节、细胞质分裂、吞噬作用、细胞迁移。作为肌球蛋白运动的轨道，微丝还在细胞收缩(如肌细胞)和物质运输等过程中发挥重要作用。
一、微丝的组成及其组装
(-)结构与成分
微丝的主要结构成分是肌动蛋白( actin)。在大多数真核细胞中，肌动蛋白是含量最丰富的蛋白质之一。在肌细胞中，肌动蛋白占细胞总蛋白质量的10%以上；即使在非肌细胞中，也占细胞总蛋白质量的1%-5%。肌动蛋白在细胞内有两种存在形式，即肌动蛋白单体(又称球状肌动蛋白，G- actin)和由单体组装而成的纤维状肌动蛋白。肌动蛋白的电镜图像呈球状，但经Ⅹ射线付射得到的三维结构显示该分子上有一条裂缝将其分成两瓣，其底部有两段肽链相连。在裂缝内部有一个核苷酸(AP或ADP)结合位点和一个二价阳离子(Mg2+或Ca2)结合位点(图8-2A)。与肌动蛋白结合的核苷酸可以自由地与周围介质中游离的核苷酸交换，但由于ATP与肌动蛋白的结合力更强，所以游离的肌动蛋白通常是带有ATP的。另外，由于细胞质中游离Mg2+的浓度远高于Ca2+的浓度，所以肌动蛋白的二价阳离子结合位点也被Mg2占据。
肌动蛋白在生物演化过程中是高度保守的。在哺乳动物和鸟类细胞中至少已分离到6种肌动蛋白，4种为α-肌动蛋白，分别为横纹肌、心肌、血管平滑肌和肠道平滑肌所特有，它们与肌球蛋白等结构组分一起组装成细胞的收缩性装置；另外2种为β肌动蛋白和y肌动蛋白，存在于所有的细胞中。其中β-肌动蛋白通常定位于细胞的边缘，而y肌动蛋白是应力纤维的组成成分。不同类型的a-肌动蛋白分子的一级结构(约400个氨基酸残基)仅有4-6个氨基酸残基不同，β肌动蛋白或γ-肌动蛋白与α-肌动蛋白(来自横纹肌)
也仅相差约25个氨基酸残基。显然这些肌动蛋白基因是从同一个祖先基因演化而来。多数简单的真核生物，如酵母和黏菌，仅含单个肌动蛋白基因。然而大多数多细胞真核生物含有多个编码肌动蛋白的基因，如海胆有11个，网柄菌属( Dictyostelium)有17个，在某些种类的植物基因组中肌动蛋白基因的数目多达60个。
尽管不同生物的肌动蛋白具有很高的相似性，但微小的差异可能会导致功能上的变化。如在果蝇细胞中表达酵母的肌动蛋白基因，将导致果蝇飞翔障碍。另外，在一些原核生物如杆状和螺旋状的细菌中也存在一些肌动蛋白类似物，如MreB和Mbl。这些蛋白质也能组装成与微丝相似的结构，并调控细胞的形态和染色体的分离。MreB突变的大肠杆菌菌体呈球状，而一些球菌的基因组内没有发现编码该蛋白的基因。显然，MeB与细菌的形态相关。
电镜图像显示微丝是一条直径约为7nm的扭链(图8-2C)，整根微丝在外观上类似于由两股肌动蛋白纤维呈右手螺旋盘绕而成，螺距为36nm(图8-2B)。
在纤维内部，每个肌动蛋白亚基周围都有4个单体，上、下各一个，另外两个位于一侧。肌动蛋白分子上的裂缝使得该蛋白本身在结构上具有不对称性。在组装成微丝之后，每一个肌动蛋白亚基的裂缝都朝向微丝的同端，从而使微丝在结构上具有极性。在结构上，具有裂缝的一端为负极(-)，而另一端为正极(+)。在细胞内，多种微丝结合蛋白与微丝的表面相互作用，调节微丝的结构和功能。
(二)微丝的组装及其动力学特性
有关肌动蛋白组装的信息大多来源于体外实验的结果。在试管中，微丝的组装/解聚与溶液中所含肌动蛋白的状态(结合ATP或ADP)、离子的种类及浓度等参数有关。通常，只有结合ATP的肌动蛋白才能参与微丝的组装。当溶液中含有适当浓度的Ca2，而NatK+的浓度很低时，微丝趋向于解聚；而当溶液中含有ATP、Mg2以及较高浓度的Na、K+时，溶液中的G-actin则趋向于组装成 F-actin，即新的 G-actin加到微丝末端，使微丝延伸。
肌动蛋白组装成微丝的过程大体上可以分为几个阶段：首先是成核反应( nucleation)。当聚合作用在只含有 G-actin，而没有F- actin的试管中进行时，组装的起始过程相当缓慢。 G-actin必须先形成一个具有2~3个亚基的低聚物，即所谓的成核过程。该过程是G- actin组装的限速步骤，称为延迟期。跟随着延迟期的是一个纤维快速延长的过程。当体系中肌动蛋白-ATP的浓度较高时，微丝的组装会在两极同时发生，但由于微丝的两端存在结构上的差异，导致肌动蛋白亚基组装的速度也不同，通常是肌动蛋白在微丝正端加入的速度比负端快5~10倍。随着组装过程的进行，系统中肌动蛋白单体浓度逐渐降低，组装的速度会逐步减慢。最后，系统(如果ATP足够多的话)会到达一个稳定状态，即纤维正极端组装的速度与负极端解聚的速度相同，纤维的长度保持不变。此时，体系中肌动蛋白单体的浓度称为临界浓度(C)，在数值上等于解聚速度常数和组装速度常数的比值，即C=K。mKm。微丝末端的延长或解聚取决于增加亚基时体系中自由能(△G)的变化，当体系中游离的肌动蛋白的浓度高于C时，△G小于零，微丝的末端会继续组装。相反，当游离的肌动蛋白浓度低于C时，ΔG大于零，微丝将自发解聚。
在细胞内，微丝的成核过程需要肌动蛋白相关蛋白( actin-related protein，ARP)Ap2/3复合物的参与，在该复合物由Amp2、Ap3及其他5种蛋白质组成，可以与微丝或其他细胞结构结合，并以此作为微丝组装的起点。肌动蛋白单体与Ap2/3复合物结合而使纤维延长。
肌动蛋白在参与微丝的组装前通常先与ATP结合，而肌动蛋白亚基组装到微丝的末端以后，构象发生变化，具有了ATP酶的活性，能将本身结合的ATP水解成ADP，并释放磷酸基。当微丝的组装速度快于肌动蛋白水解ATP的速度时，处于微丝末端的一些肌动蛋白亚基所携带的是ATP，相当于在微丝的末端有一个由肌动蛋白-ATP亚基所构成的帽，带有这种结构的微丝比较稳定，可以持续组装。相反，当微丝末端的组装速度较肌动蛋白亚基水解ATP的速度慢，肌动蛋白亚基所结合的ATP都被水解成ADP时，这段微丝就比较容易解聚。由于微丝两端在结构上存在差异，而且负极端往往与Arp2/3复合物及细胞结构结合，所以新的肌动蛋白亚基通常是在正极端加入，而很少在负极端加入。细胞内微丝的稳定性受多种结合蛋白的调控，其动态性比体外组装更为复杂。待微丝组装到一定长度时，其正极端有可能与微丝结合蛋白或其他细胞结构相结合而使其处于稳定状态，也可能是两端都发生解聚。相比之下，负极端更容易与帮助微丝解聚的蛋白质相互作用，这样就使得微丝正极端不断组装，而负极端不断解聚，如细胞迁移时片足内部微丝结构的变化就是如此。在体外组装过程中有时也可以见到微丝的正极端由于肌动蛋白亚基的不断添加而延长，而负极端则由于解离而缩短，这一现象称为踏车行为( treadmilling)(图8-3)。
(三)影响微丝组装的特异性药物
些药物可以影响肌动蛋白的聚合或解离，从而影响细胞内微丝网络的结构。细胞松弛素( cytochalasin)是一类真菌的代谢产物，可与微丝结合并将其切断。细胞松弛素结合在微丝末端后还可阻止肌动蛋白在该部位的聚合，但对微丝的解聚没有明显影响，因而用细胞松弛素处理细胞可以破坏微丝的网络结构，并阻止细胞的运动。鬼笔环肽( phalloidin)是一种由毒蕈( Amanita phallodie)产生的双环杆肽，与微丝表面有强亲和力但不与游离的肌动蛋白单体结合，因此，用荧光标记的鬼笔环肽染色可清晰地显示微丝在细胞中的分布。鬼笔环肽与微丝结合后能阻止微丝的解聚，使其保持稳定状态；而且，将鬼笔环肽注射到细胞内同样能阻止细胞运动。可见细胞内微丝的功能依赖于其组装和解聚的动态过程。
二、微丝网络结构的调节与细胞运动
(-)非肌细胞内的微丝结合蛋白
尽管纯化的肌动蛋白可以在合适的体外环境下组装成微丝，但其复杂性和有序性都远不能与细胞内的相比。细胞内的微丝与多种结合蛋白相互作用，具有复杂的三维网络结构，并执行相应的功能。在细胞内，有些微丝结构相当稳定，如肌细胞中的细肌丝及小肠上皮细胞微绒毛中的微丝束，而另一些微丝只是暂时性的结构，如由微丝和肌球蛋白组装形成的胞质分裂环，在血小板激活及无脊椎动物精子顶体反应过程中出现的微丝束，只有在执行某种功能时才进行组装。实际上，在大多数非肌细胞中的微丝是一种高度动态的结构，它们持续地进行组装和解聚。微丝的这种动态不稳定性与细胞形态的持续变化及细胞运动有密切的关系。细胞内肌动蛋白的组装受到可溶性肌动蛋白的存在状态和微丝结合蛋白的种类两个不同层次的调节
细胞内微丝网络的组织形式和功能通常取决于与之结合的微丝结合蛋白，而不是微丝本身。在不同的细胞中，甚至是同一细胞的不同部位，由于微丝结合蛋白的种类及存在状态的差异，微丝网络的结构有可能完全不中，甚至是同一细胞的不同部位，由于微丝结合蛋白的种类及存在状态的差异，微丝网络的结构有可能完全不同。微丝结合蛋白通过影响微丝的组装与解聚，介导微丝与其他细胞结构之间的相互作用来决定微丝的组织行为。此外，微丝还可以通过和肌球蛋白之间的相互作用来转运生物大分子复合物及多种细胞器，并对细胞的形态结构和蛋白质的定位起组织作用，进而调节细胞的行为。目前，人们已经从各种组织细胞中分离到100多种不同的微丝结合蛋白，根据其作用方式的不同，可以分成如下几种类型。
1.肌动蛋白单体结合蛋白
在细胞内，可溶性的肌动蛋白和纤维状肌动蛋白的比例大体是1：1。也就是说，细胞内游离态肌动蛋白的浓度远远高于肌动蛋白组装所需的临界浓度，但由于游离态肌动蛋白常与肌动蛋白单体结合蛋白(如胸腺素B4和前纤维蛋白)结合在一起，从而使肌动蛋白组装成微丝的过程受到必要的调控，储存在细胞内的肌动蛋白只有在相关信号的刺激下才会被释放，成为真正的游离状态参与微丝的组装。
胸腺素β4是由43个氨基酸残基组成的小肽，能与游离的肌动蛋白结合，并封闭肌动蛋白聚合的位点，从而阻止肌动蛋白组装到微丝的末端。在细胞内，胸腺素β4的浓度通常与游离的肌动蛋白库的容量相关，它与肌动蛋白按1：1的比例结合。由于胸腺素β4与带ATP的肌动蛋白的亲和力高于带ADP的肌动蛋白，所以游离态的肌动蛋白主要是带有ATP的(图8-4)。
前纤维蛋白( profilin)又名抑制蛋白，该蛋白与肌动蛋白的底部(正极端)结合，从而阻碍了前纤维蛋白一肌动蛋白复合体在微丝负极端的聚合，但这并不影响该复合体在微丝正极端的组装。当前纤维蛋白-肌动蛋白复合体与微丝的正极端结合后，前纤维蛋白便解离
下来(图8-4)。
2.成核蛋白
细胞内肌动蛋白的组装受外部信号、Ap2/3复合物及形成蛋白( formin)等因素的调控，以实现细胞形态和行为的快速变化。
Amp2/3复合物由Amp2、Am3和其他5种蛋自质组成，其中Ap2、Am3与肌动蛋白的相似性达45%，但其本身不能组装成纤维。在该复合物中，A2和Amp3形成类似于微丝正极端肌动蛋白两个亚基的结构，从而可以启动肌动蛋白的成核过程。在外来信号的作用下，活化的Am2/3复合物与细胞膜或其他适当的细胞结构结合，并为肌动蛋白提供组装的起始点。新的肌动蛋白亚基在正极端加入，而Am23复合物则位于纤维的负端(图8-5)。Ap2/3复合物也可以结合在已有的微丝上，启动微丝分支的组装。在这种情况下，新组装的侧支与原有的微丝呈70°夹角。多个侧支的组装可使微丝连接成一个树状网络。由于Amp2/3复合物与携带ATP的肌动蛋白亚基的亲和力远大于带有ADP的肌动蛋白亚基，因此微丝的分支往往在新组装的一端产生。随着结合在肌动蛋白亚基内部的ATP的水解和Pi的释放，A2/3复合物有可能从微丝上解离，导致分支的脱落。
形成蛋白家族的成员在结构上很保守，在微丝的延长过程中形成蛋白始终与其正极端结合，通过与前纤维蛋白相互作用而提高微丝的组装速度，还可保护正极端免受加帽蛋白的干扰。
3.加帽蛋白
细胞内微丝的组装一旦停止，其末端的肌动蛋白亚基所带的AP很可能因为水解而使得整个纤维处于不稳定状态，而微丝的过度组装也会影响细胞的结构和功能。加帽蛋白( capping protein)是指一类可与微丝的末端结合，从而阻止微丝解聚或过度组装的微丝结合蛋白。如与微丝的负极端结合的Am2/3复合物和原肌球调节蛋白( tropomodulin)，与正极端结合的CapZ和凝溶胶蛋白家族的成员(图8-5)。这些与微丝末端相互作用的蛋白质在调节微丝的动力学性质方面发挥作用。在细胞运动过程中，对微丝加帽和脱帽的调控显得非常重要，这些过程受细胞膜上的G蛋白偶联受体及下游的4，5-二磷酸磷脂酰肌醇(PIP2)的调节。
4.交联蛋白
微丝的排列方式主要由微丝交联蛋白的种类决定。成束蛋白( bundling protein)将相邻的微丝交联成相互平行的束状结构，而凝胶形成蛋白(gel- forming protein)将微丝连接成网状。微丝交联蛋白都有一个或两个相似的微丝结合位点，能够单独或者以二聚体的形式将相邻的微丝交联在一起。多肽链或二聚体上两个微丝结合位点之间的距离决定了它们所交联形成的微丝束或网络的松紧程度。
丝東(毛缘)蛋白( fimbrin)是分布很广的微丝成束蛋白，由于分子较小，肽链上两个微丝结合位点靠得很近，并分别结合到相邻的微丝上，多个丝束蛋白分子与微丝结合可形成排列紧密的微丝束(图8-6A)。在细胞前缘丝足中的微丝束就是这种类型，由于微丝的排列很紧密，肌球蛋白分子很难进入相邻的微丝之间，因此丝足中的微丝束没有收缩能力。绒毛蛋白( villin)是一种与丝束蛋白相似的微丝成束蛋白，主要存在于微绒毛和细胞表面的指状突起中，也可将微丝交联成紧密排列的束状结构。微绒毛中的核心微丝束可通过肌球蛋白I
与微绒毛膜相连。a-辅肌动蛋白(a- actinin)只有一个微丝结合位点，但该蛋白可形成反向平行的二聚体，位于二聚体两端的两个微丝结合位点相距较远，因此，由a-辅肌动蛋白交联形成的微丝束(如应力纤维)中微丝的排列相对宽松(图8-6B)。肌球蛋白Ⅱ可以进入相邻的微丝之间，并依靠其马达结构域与微丝相互作用，所以应力纤维具有收缩能力。
成束蛋白的两个肌动蛋白结合位点之间的区域都是僵直的，而另外一些微丝交联蛋白，如细丝蛋白( filamin)和血影蛋白(见第四章)，它们的两个肌动蛋自结合位点之间的区域是柔软的，或者本身就是弯曲的。当微丝与这些交联蛋白相互作用时就会形成网状或凝胶样的结构。两个细丝蛋白的一端相互作用形成二聚体，另两个末端将两根微丝以90°的夹角交联，使微丝形成松散的网络结构(图8-6C)。这种凝胶样的结构存在于片足中，能帮助细胞在基质表面爬行。血影蛋白是四条多肽链(两条a链和两条β链)组成的细长而容易弯曲的蛋白质分子，在细胞膜的内侧将微丝交联成二维网络，并将这个网络与细胞质膜相连，形成一个结实而富有弹性的细胞皮层，对细胞质膜有机械支撑作用。
5.割断及解聚蛋白
在细胞迁移或其他运动过程中，细胞需要将特定区域的微丝快速解聚，或者是形成大量的末端以加速组装。
凝溶胶蛋白( gelsolin)在高Ca2浓度(大于1pmo)情况下能将较长微丝切断，使肌动蛋白由凝胶态转化成溶胶态。微丝被切断后产生许多游离的正端和负端，在某些条件下可以加速微丝的解聚，而在另外一些条件下可以形成大量新的组装位点，促进微丝在短时间内快速组装。丝切蛋白/肌动蛋白解聚因子( cofilin/ actin depolymerizing factor，， cofilin/ADF)能与游离的肌动蛋白或微丝结合，提高微丝的解聚速度。
(二)细胞皮层
免疫荧光染色的结果显示，细胞内大部分微丝都集中在紧贴细胞质膜的细胞质区域，并由微丝结合蛋白交联成凝胶态三维网络结构，该区域通常称为细胞皮层( cell cortex)。皮层内一些微丝还与细胞质膜上的蛋白质结合，使膜蛋白的流动性受到某种程度的限制。
皮层内密布的微丝网络可以为细胞质膜提供强度和韧性，有助于维持细胞形状。细胞的多种生理活动，如胞质环流( cyclosis)、阿米巴运动( ameboid movement)、变皱膜运动( ruffled membrane locomotion)、吞噬( phagocytosis)以及膜蛋白的定位等都与皮层内微丝网络的溶胶态-凝胶态转化相关
(三)应力纤维
体外培养的细胞在基质表面铺展时，常在细胞质膜的特定区域与基质之间形成紧密黏附的黏着斑。在紧贴黏着斑的细胞质膜内侧有大量成束状排列的微丝，这种连接相邻的黏着斑或特定的细胞结构的微丝束称为应力纤维( stress fiber)(图8-7)。应力纤维的结构与骨骼肌细胞中的肌原纤维非常相似，其结构组分除微丝外，还含有肌球蛋白Ⅱ、原肌球蛋白、细丝蛋白和α-辅肌动蛋白等。
应力纤维是真核细胞内广泛存在的微丝结构。用肌球蛋白重链的S1片段标记应力纤维微丝的极性，结果显示应力纤维中相邻的微丝呈反向平行排列，而非肌动蛋白组分则表现不连续的周期性分布。应力纤维通过黏着斑与细胞外基质相连，可能在细胞形态发生、细胞分化和组织结构的维持等方面发挥作用。从应力纤维的蛋白组分来看，它应当可以产生张力。当细胞受到外界刺激开始运动时，细胞内的应力纤维将发生变化或消失。
(四)细胞伪足的形成与细胞迁移
体外培养的细胞常常会在基质表面迁移。这种现象也发生在动物体内，如在神经系统发育过程中，神经嵴细胞从神经管向外迁移；在发生炎症反应时，中性粒细胞向炎症组织迁移；神经元的轴突顺基质上的化学信号向靶标生长。细胞的这些运动过程主要是通过微丝的组装/解聚，以及与其他细胞结构的相互作用来实现的。
以成纤维细胞为例，细胞在基质或相邻细胞表面的迁移过程通常包含以下几个步骤：首先，细胞在它运动方向的前端伸出突起；接着，突起与基质之间形成新的锚定位点(如黏着斑)，使突起附着在基质表面；然后，细胞以附着点为支点向前移动；最后，位于细胞后部的附着点与基质脱离，细胞的尾部前移。在迁移过程中，位于细胞前缘的肌动蛋白聚合使细胞伸出宽而扁平的片足( lamellipodium)，在伪足内部微丝的正极端位于细胞的前缘，存在于该部位的WASP蛋白家族的成员能够激活A23复合物，导致肌动蛋白的聚合及树枝状微丝网络的形成。片足常呈波形运动，在其前端还有一些比较纤细的突起，称为丝足( filopodium)(图8-8)。
片足和丝足的形成依赖于肌动蛋白的聚合，并由此导致细胞形态的变化。当细胞受到外来信号的刺激时，位于细胞质膜附近的WASP蛋白将Ap2/3复合物激活，并使之成为微丝组装的成核位点，启动微丝的组装。前纤维蛋白可以促进结合ATP的肌动蛋白单体在微丝正极端聚合，使其向前延伸，并推动细胞膜向外形成突起。待微丝延伸到一定程度后，Arp2/3复合物结合到微丝侧面，在此启动新微丝的组装，形成分支。游离的肌动蛋白不断在正极端加入而使侧支向细胞质膜处延伸，Ap2/3复合物结合在侧支上面再形成新的分支，并继续延伸。持续延伸的肌动蛋白网络推动细胞质膜向信号源方向伸出，形成伪足
神经元生长锥的生长方式与成纤维细胞迁移时片足的动态行为非常相似。生长锥位于神经突起的顶端，前面有一个宽大扁平的伪足。突起生长时伪足起伏波动，并不停地伸出丝足勘探周围的环境信号，而微丝及其结合蛋白在片足和丝足的形成和运动过程中发挥主导
作用。当某个丝足获得向前生长的信号时，微丝向前组装，突起生长，而其他方向的突起由于内部微丝的解聚而缩回。
(五)微绒毛
在小肠上皮细胞的游离面有大量的微绒毛( microvilli)，其轴心是一束平行排列的微丝，对微绒毛的形态起支撑作用，其下端终止于端网结构( terminal web)。微丝结合蛋白如绒毛蛋白、丝束蛋白、胞衬蛋白( fodrin)等在微丝束的形成、维持及其与细胞质膜的连接中发挥作用。将肌球蛋白的S1片段与微绒毛内的微丝结合，然后用快速冷冻-深度蚀刻电镜技术可显示微绒毛内部微丝的极性，其正极端在微绒毛的顶部，在微绒毛的基部微丝束与细胞质中间丝相连(图8-9)。
(六)胞质分裂环
胞质分裂环(收缩环)是有丝分裂末期在两个即将分裂的子细胞之间形成的一个起收缩作用的环型结构(图8-10)。收缩环的主体结构由大量反向平行的微丝组装而成。胞质分裂的动力来源于结合在收缩环上的肌球蛋白所介导的极性相反的微丝之间的滑动。
随着收缩环的收缩，两子细胞被缢缩分开。收缩环是非肌细胞中具有收缩功能的微丝束的典型代表，能在很短的时间内迅速组装与解聚以完成胞质分裂过程。
三、肌球蛋白：依赖于微丝的分子马达
在细胞内参与物质运输的马达蛋白( motor protein)可以分为三类：沿微丝运动的肌球蛋白( myosin)、沿微管运动的驱动蛋白( kinesin)和动力蛋白( dynein)。
这些蛋白既有与微丝或微管结合的马达结构域，又有与膜性细胞器或大分子复合物特异结合的“货物”结合结构域，利用水解ATP所提供的能量沿微管或微丝运动。
(一)肌球蛋白的种类
有关肌球蛋白最初的信息来自对骨骼肌细胞的研究，发现多个Ⅱ型肌球蛋白分子(图8-11)组装成肌原纤维的粗肌丝，并被相关的细胞结构约束在一定的区域，肌球蛋白的头部和组成微丝的肌动蛋白亚基之间的相互作用导致粗肌丝与细肌丝之间的滑动。随后，人们又陆续发现了多种不同类型的肌球蛋白分子。马达结构域是肌球蛋白超家族成员最保守的部位，是肌球蛋白定性和分类的依据，而这些肌球蛋白分子的C端和N端扩展部分则变化很大(图8-12)。基于马达结构域多肽链一级结构的相似性，至少可以将肌球蛋白超家族的成员分成18个家族，一些类群还可以进一步分成多个亚家族。不同生物细胞所表达的肌球蛋白的种类具有较大的差别，如芽殖酵母表达的5种肌球蛋白分属3个不同的家族，而人类细胞表达40多种肌球蛋白，它们分别属于12个不同的肌球蛋白家族。
在生物演化过程中，不同类型肌球蛋白成员逐步适应于特殊的细胞功能。如Ⅱ型肌球蛋白的成员在心肌、骨骼肌和平滑肌细胞中与肌动蛋白纤维组装在一起能产生强大的收缩力，也在收缩环、应力纤维等具有收缩能
力的细胞结构中发挥作用；V型肌球蛋白与细胞内膜泡和其他细胞器的运输相关，Ⅰ、Ⅵ、Ⅸ和Ⅹ型肌球蛋白的一些成员参与了细胞内吞作用以及吞噬泡的运输，另些肌球蛋白家族的成员在细胞形态和极性化细胞结构的建立及维持过程中发挥功能，如I型肌球蛋白家族的成员将膜脂和微丝结构相连接，参与细胞突起的形成一些Ⅱ型肌球蛋白的成员与应力纤维及细胞皮层的微丝相互作用，Ⅶ型肌球蛋白参与黏着斑的动态变化，还有些肌球蛋白参与了细胞感知系统及信号转导过程，如某些Ⅰ型肌球蛋白分子对钙通道的活性具有调控作用，Ⅲ型肌球蛋白的成员与光感受器的信号分子相互作用，Ⅵ、Ⅶ和XV型肌球蛋白的一些成员与耳朵感觉细胞中的微丝结构相关，如果编码这些蛋白质的基因发生突变有可能造成听力障碍。
(二)肌球蛋白的结构
肌球蛋白是沿微丝运动的马达分子，该蛋白通常含有三个功能结构域。它们是与运动相关的马达结构域，位于马达结构域后部的调节结构域，以及参与肌球蛋白复合体的组装并选择性地与所运输的“货物”结合的尾部结构域。马达结构域位于肌球蛋白的头部，包含一个肌动蛋白亚基的结合位点和一个具有ATP酶活性的ATP结合位点，负责将ATP水解所释放的化学能转变成机械能。ATP的水解及磷酸基团的释放等会改变马达结构域和调控结构域的构象。当ATP与肌球蛋白结合时，马达结构域与微丝的亲和力降低。调节结构域是
连接马达结构域和尾部杆状区的一段α螺旋，也是肌球蛋白轻链的结合部位，它在肌球蛋白分子上发挥杠杆作用。肌球蛋白的轻链大多是钙调蛋白家族的成员，不同的轻链结合特定的肌球蛋白分子，而且这种搭配也随生物体的发育阶段而有所变化。
人们习惯上将Ⅱ型肌球蛋白称为传统的肌球蛋白( conventional myosin)，而将其他的各种类型称为非传统的肌球蛋白(unconventional myosin)。图8-12显示几种类型的肌球蛋白的分子结构，其中研究较多的是I型、Ⅱ型和V型。除Ⅵ型肌球蛋白的运动方向是从微丝的正极端向负极端移动以外，其他各种类型的肌球蛋白都是向微丝的正极端运动的。
1.Ⅱ型肌球蛋白
在肌细胞中，Ⅱ型肌球蛋白组装成肌原纤维的粗肌丝，其含量约占肌细胞总蛋白量的一半。在非肌细胞中，Ⅱ型肌球蛋白是胞质分裂过程中收缩环的主要结构组分，并通过与微丝的相互作用主导收缩过程。Ⅱ型肌球蛋白也是应力纤维的结构组分。典型的Ⅱ型肌球蛋白分子包含2条重链和4条轻链，形成个高度不对称的分子结构(图8-11A)。两条重链的尾部卷曲盘绕形成直径2mm、长约150mm的双股a螺旋。用胰蛋白酶处理肌球蛋白分子，可产生轻酶解肌球蛋白( light meromyosin，LMM)和重酶解肌球蛋白
( heavy meromyosin，HMM)。重酶解肌球蛋白经木瓜蛋白酶处理，形成肌球蛋白头部(HMMS1)和杆部(HMM-S2)。当反应体系中有ATP存在时，固定在盖玻片上的S1片段可以驱动微丝位移(图8-13)。
Ⅱ型肌球蛋白分子的尾部主要起结构作用。双极肌球蛋白纤维组装时其尾部位于纤维的中央，而头部朝向两侧(图8-11B)。在骨骼肌细胞中，由肌球蛋白尾部构成的肌原纤维的粗肌丝是高度稳定的，而在胞质分裂时的收缩环中则是一个临时性结构，在胞质分裂结束后便解体。
2.其他类型的肌球蛋白
Ⅰ型肌球蛋白分子于1973年由T. Pollard和EKom从原生动物 Acanthamoeba中分离得到。与传统的Ⅱ型肌球蛋白分子不同，该蛋白分子只有一个头部(马达结构域)和一个尾部，长度为70m(图8-12)，在体外也不能组装成纤维。其头部结构域能在ATP存在时沿微丝运动，尾部结构域在不同种类的I型肌球蛋白中各不相同，这可能与它们所运输“货物”的种类有关。有些I型肌球蛋白的尾部可以和膜泡结合，也有一些是和细胞质膜结合，牵引质膜和皮层的微丝作相对运动，从而改变细胞的形状V型肌球蛋白分子是由两条肽链组装而成的二聚体，具有两个头部。其颈部的长度大约是Ⅱ型肌球蛋白颈部的3倍，达23mm(图8-12)。在运动过程中，Ⅴ型肌球蛋白的步幅正好是微丝上由13个肌动蛋白亚基所组成的重复结构的长度。该蛋白的两个头部交替与微丝结合可以确保马达分子以及所运载的“货物”始终与微丝相连。
细胞中的有些膜泡表面既有依赖微管的马达分子，也有依赖微丝的非传统类型的肌球蛋白。在细胞质内，些膜性细胞器作长距离转运时通常依赖于微管，而在细胞皮层以及神经细胞生长锥前端等富含微丝的部位，货物的“运输”则依赖微丝进行。然而，在花粉管中的物质运输似乎主要依赖于微丝。
四、肌细胞的收缩运动
高等动物的个体运动有赖于骨骼肌的收缩。肌细胞是高度有序的收缩装置，使人们能从分子水平直至器官水平对其功能进行详细了解。
(一)肌纤维的结构
骨骼肌细胞又称肌纤维，是在胚胎期由单核成肌细胞融合而成，但细胞核仍保留在肌纤维内。用电镜观察肌纤维的纵切面，可见肌纤维是由数百条更细的肌原纤维( myofibril)组成的集束(图8-14)。
每根肌原纤维由称为肌节( sarcomere)的收缩单元呈线性重复排列而成。每个肌节都表现出特征性的带型。肌原纤维的带状条纹由粗肌丝和细肌丝的纤维有序组装而成。粗肌丝由肌球蛋白组装而成，细肌丝的主要成分是肌动蛋白，辅以原肌球蛋白和肌钙蛋白。肌球蛋白的头部突出于粗肌丝的表面，并可与细肌丝上肌动蛋白亚基结合，构成粗肌丝与细肌丝之间的横桥(图8-15)。
原肌球蛋白( tropomyosin，Tm)分子的长度为40nm，由两条平行的多肽链形成螺旋构型。Tm位于肌动蛋白丝的螺旋状沟槽内，一个Tm的长度相当于7个肌动蛋白单体(图8-16)，对肌动蛋白与肌球蛋白头部的结合行使调节功能。
肌钙蛋白( troponin，Tn)含3个亚基，其中肌钙蛋白C(TnC)能与Ca2结合，肌钙蛋白T(Tn-T)与原肌球蛋白有高亲和力，肌钙蛋白I(Tn-1)能抑制肌球蛋白马达结构域的ATP酶活性。细肌丝中每隔40m有一个肌钙蛋白复合体结合到原肌球蛋白上(图8-16)。
除上述分子外，肌肉收缩系统中还有多种蛋白质组分。将细肌丝锚定于Z盘或质膜上的蛋白质有：
①CapZ，由两个亚基构成，定位于Z盘，与肌动蛋白丝正极端结合，使肌动蛋白丝保持稳定。②α-辅肌动蛋白，在细胞内组装成反向平行的二聚体，是骨骼肌Z盘、平滑肌的电子致密部区(致密斑和致密体)及心肌闰盘的主要成分之一，可将微丝横向连接成束。③纽
蛋白( vinculin)，又名黏着斑蛋白，是一种细胞膜骨架蛋白，定位于黏着斑部位，介导整联蛋白和微丝之间的联系。纽蛋白也位于平滑肌细胞的致密区、心肌闰盘，介导微丝与细胞质膜等的结合。
在肌节中起结构作用的蛋白质还有：①肌联蛋白( connectin)，长度达1um，具有弹性，连接Z盘与肌球蛋白纤维，在肌肉收缩或舒张时将粗肌丝定位于肌节中央。②伴肌动蛋白( nebulin)，从Z盘伸出，与肌动蛋白丝伴行，可能参与调节肌动蛋白丝的组装。③肌营养不良蛋白( dystrophin)，可能参与微丝与质膜的锚定作用，对防止肌纤维退化也很重要。
(二)肌肉收缩的滑动模型
H.E. Huxley和J. Hanson(1954)在观察肌肉收缩时发现肌节缩短只是由神经冲动引发的细肌丝与粗肌丝之间的相对滑动所致，在肌节内并无粗/细肌丝的长度变化，这就是肌肉收缩的滑行学说( sliding theory)。在此之后，人们对肌肉收缩的分子机制又有了更为明晰的
认识，其基本过程如下：
1.动作电位的产生
来自脊髓运动神经元的神经冲动经轴突传到运动终板(神经-肌肉接点)，使肌细胞质膜去极化，并经T小管传至肌质网。
2.Ca2+的释放
肌质网去极化后释放Ca2至肌浆中，使Ca2+浓度升高至收缩期的Ca2阈浓度(约为106mo/L)。
3.原肌球蛋白位移
Ca2与TnC结合，引起肌钙蛋白构象变化，TnC与Tn-I、Tn-T结合力增强，导致Tn-与肌动蛋白结合力削弱，使两者脱离；同时，Tn-T使原肌球蛋白移位到肌动蛋白双螺旋沟槽的深处，暴露出细肌丝肌动蛋白与肌球蛋白头部的结合位点，解除了肌动蛋白与肌球蛋白结合的障碍。
4.细肌丝与粗肌丝之间的相对滑动
肌球蛋白将ATP中储存的化学能转化成肌丝滑动的机械能，导致细肌丝和粗肌丝之间发生相对方向的滑动。肌球蛋白的头部结构域与肌动蛋白丝之间的每一个机械运动周期消耗一分子ATP。根据滑动模型(图8-17)，当肌球蛋白头部(马达)结构域没有与ATP结合时，突出于粗肌丝表面的头部结构域与细肌丝上的肌动蛋白单体处于紧密结合状态。当ATP结合到肌球蛋白的头部，引起头部结构域与细肌丝的分离(步骤
1、2)；同时头部结构域的ATP酶被激活，将ATP水解，由此释放的能量被被肌球蛋白吸收，导致进一步的构象变化，头部结构域向前抬升，并结合到靠近细肌丝正极端的一个肌动蛋白亚基上(步骤3、4)；随着Pi和能量的释放，肌球蛋白颈部结构域发生构象变化，由此产生的力改变了头部结构域与细肌丝的角度，拉动肌动蛋白丝产生相对于肌球蛋白丝的滑动(步骤5)；接着是ADP的释放，肌球蛋白的头部结构域与细肌丝之间又回到僵直状态(步骤6)。如果体系中仍有高浓度的Ca2存在，肌球蛋白将继续进行下一个周期沿肌动蛋白丝的滑动。到达肌细胞的冲动一旦停止，肌质网就通过钙泵将Ca回收，使胞质中钙浓度降低，于是收缩周期停止。
