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系列综述——微管生长动力学及其数值模拟 Day 1

我也来开新坑啦。从今天起,打算做一个关于细胞骨架微管生长动力学的专题,介绍其中的基本知识和前沿课题。这是一个多学科交叉的飞速发展的领域,相信其中一定有您感兴趣的内容。

本系列所有章节、图片和引文都是连续的。全系列共约三到四章,每章若干节。理想的状态是每天更新一节。

1. 背景知识

1.1. 细胞、细胞骨架与微管

细胞是生命活动的基本功能单元。所有细胞的活动基本是相似的:单个细胞摄取化学能或生物能,其中一部分能量通过代谢转为有用的机械功或用于合成储能分子;细胞通过有丝分裂或减数分裂来完成自我繁殖;细胞维持一个能抵抗外界环境剧烈变化的特定内部结构和内部体积;细胞维持其内部与外部间的离子浓度差,形成跨膜静息电位,以满足通讯需求;许多细胞能以爬行或游动的方式移动;细胞能感知环境,从而调控其内部成分、获取输入信号、或改变自身行为;细胞能感知其内部状态,反馈和调控其内部成分;作为反馈的一个极端形式,细胞可以自毁,即细胞凋亡……细胞的这些行为定义了生命。

所有的细胞在功能上是基本相似的,因而,尽管它们的尺寸、形态、生存环境等大相径庭,其在内部结构上享有许多共性。绝大多数细胞都拥有近稳定的、能在光学显微镜下观察到的精细结构,这种结构可以分为两类,也定义了大千世界中细胞、乃至生物体的分类:原核细胞(生物)与真核细胞(生物)。

原核细胞是最简单、古老的细胞,其主要结构是一个被细胞壁包裹的单个内区室,称为质膜的薄层紧贴细胞壁内侧,没有能明确定义的核。细菌是典型的单细胞原核生物,体长约$1 ~ {\rm \mu m}$。真核细胞中有被薄膜包裹的细胞核,这也是定义“真核”的依据所在。细胞核中包含遗传物质。植物细胞外有细胞壁,动物细胞则没有,但与原核细胞一样,真核细胞均由质膜包围。质膜与核之间的细胞组成统称为胞质,其中含有多种可以明确界定的,有薄膜包覆的内区室,称为细胞器。胞质里不属于膜被细胞器的其余部分则称为细胞溶质。真核细胞比原核细胞大,典型直径在$10 ~ {\rm \mu m}$以上。真核生物涵盖了全部的植物、动物(包括单细胞的原生动物)及真菌。

真核细胞的细胞器是细胞内能承担特定功能的离散结构或亚区室,其主要类别和各自功能包括:

  • 线粒体是宽约$1 ~ {\rm \mu m}$的香肠状结构,执行食物代谢的终期步骤,将化学能转为细胞内部的能量通货——ATP分子;
  • 内质网是附着于细胞核的迷宫式结构,负责合成细胞膜结构与其他一些运送至胞外的物质;
  • 高尔基体加工、修饰、分类和包装内质网合成的产物;
  • 叶绿体是绿色植物特有的细胞器,从阳光中制造能量通货ATP;
  • 液泡存在于植物和真菌细胞中,液泡的被膜上维持着一个电位差,对细胞内的环境起调节作用。
  • 溶酶体只存在于动物细胞中,其内腔环境是酸性的,负责分解衰老、受损的细胞器,吞噬并杀死入侵的细菌和病毒。

以上这些职责明确,分工协作的精密细胞结构是悬浮于细胞溶质中的,那么它们彼此间是否会相对运动,发生碰撞呢?事实上,细胞溶质远不是无结构的流动态,相反,它被称作为“细胞骨架”的结构单元所充满,这些离散的结构单元均为由小的蛋白质亚基聚合而成的长纤维,互相之间成束、成网、成架。正是依靠这种骨架结构,细胞器才被锚定在正确的位置,同时细胞也才能得以维持自身形态完整,并发生变形和运动;同时,细胞骨架也负责细胞与外部环境在物理和生化双方面的联系 (1)。动物和植物细胞的结构示意于图1 (2)(真实细胞并非全都拥有图中示意的所有细胞器、微粒和纤维结构,同时也可能含有图中未画出的部分结构,并且不同细胞间形状差异很大)。

图1动物与植物细胞典型结构示意:1. 质膜;2. 线粒体;3. 溶酶体;4. 核膜;5. 核仁;6. 细胞核中的染色质;7. 光面内质网;8. 糙面内质网;9. 高尔基体;10. 分泌泡;11. 过氧化物酶体;12. 细胞骨架纤维;13. 微绒毛;14.细胞壁;15. 液泡;16. 叶绿体 (2)

依据外形、组成和组装方式的不同,细胞骨架元件主要分为三类:微丝、微管和中间丝,三者的比较示意于图2 (2)。微丝又称肌动蛋白丝(或F肌动蛋白),直径$7-9 ~ {\rm nm}$,呈现旋转的双股结构,由肌动蛋白亚基聚合而成;微管外形是直径$24-25 ~ {\rm nm}$ 的中空管状结构,其单元为由$\alpha$-与$\beta$-微管蛋白异聚而成的二聚体;中间丝是直径$10 ~ {\rm nm}$的绳索状结构,其组成蛋白种类繁多。这三类细胞骨架元件的性质和行为各有差异,在细胞内有独立的分布,各自行使功能,同时也互相协作,在一些蛋白的辅助下构成完整的细胞骨架,搭建出细胞、乃至生命的基础。

图2三类细胞骨架元件的结构比较:左:微丝;中:中间丝;右:微管 (2)

名曰“骨架”,细胞骨架纤维却并不是一成不变的支架结构。纤维的亚基好比一块块方便拆卸和组装的柔性积木,不同环境下,每条纤维可以伸长或缩短、新生或湮灭;纤维自身可以变形,相互之间也可以搭接出不同的有序结构。细胞骨架的动态特性对细胞的正常运作起着至关重要的作用,充分展现出细胞叹为观止的组织和调控能力。

需要指出的是,细胞骨架在进化中是高度保守的。基因序列分析表明酵母的肌动蛋白和微管蛋白与人类的基本相同;而在原核细胞中也存在真核细胞肌动蛋白与微管蛋白的同系物:细菌的细胞骨架控制着细菌的长、宽以及细胞分裂的位置,其组成物FtsZ蛋白和MreB蛋白分别是微管蛋白和肌动蛋白的同系物。而在细菌和单细胞真核生物中并没有发现类似中间丝的蛋白,说明中间丝在细胞骨架的进化中出现的较晚。细胞骨架成分的这种进化保守性使得我们可以选择便于实验研究的低等生物作为生物模型,来探究细胞骨架的性质与行为,揭示人体的奥秘 (3)

参考文献:
(1) Fletcher, D. A., and Mullins, D. (2010) Cell mechanics and the cytoskeleton, Nature 463, 485-492.
(2) Berk, A., Matsudaira, P., Kaiser, C. A., Krieger, M., Scott, M. P., Zipursky, L., and Darnell, J. (2003) Molecular cell biology, 5th ed., W. H. Freeman.
(3) Ainsworth, C. (2007) Cilia - Tails of the unexpected, Nature 448, 638-641.

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