细胞生物学[第九章细胞骨架]课程预习

细胞生物学[第九章细胞骨架]课程预习

1.细胞生物学[第九章细胞骨架]课程预习 篇一

课程学习： 10.细胞骨架与细胞运动 >> 10.3.4 肌细胞: 特化的肌收缩功能

10.3.4 肌细胞: 特化的肌收缩功能

肌细胞在进化的过程中形成了一种高度特化的的功能:肌收缩(muscle

contraction)。在肌细胞中, 肌动蛋白和肌球蛋白联合形成一种复合物:称为肌动球蛋白(actomyosin), 一种高度有序的结构, 并能高效地工作。

■ 骨骼肌细胞的基本结构 ● 肌纤维(myofibers)

肌纤维(myofibers)是圆柱形的肌细胞(长度可达40mm, 宽为10-100μm), 并且含有许多核(可多达100个核)。每个肌纤维被一层细胞质膜包被，这种细胞膜称作肌纤维膜(sarcolemma)。扁平的细胞核位于肌纤维膜的下方，并沿细胞的长度多点分布。

● 肌原纤维(myofibril)

肌原纤维是横纹肌中长的、圆柱形的结构。肌原纤维有明暗相间的带，明带称为I带(I band)，暗带称为A带(A band)。在I带中有一条着色较深的线, 叫Z线。

● 肌节(sarcomere)

肌节是Z线将肌原纤维分成的一系列的重复单位,含有一个完整的A带和两个二分之一I带（图10-46）, 肌节是肌收缩的单位。

图10-46 肌细胞的结构 ■ 肌原纤维的结构

在电子显微镜下揭示肌原纤维是由两种类型的长纤维构成, 一种是细肌丝，直径为6nm；另一种是粗肌丝，直径为15nm。明带只含有细肌丝，所以比较亮，而暗带之所以暗，是因为有粗肌丝和细肌丝的重叠。粗肌丝的长度占据整个A带，而细肌丝没有伸展到A带的中央区，所以A带的中央区也比较明亮，该区叫H带(图10-47)。

图10-47 肌原纤维的结构

● 粗肌丝(think filament)组成肌节的肌球蛋白丝。

● 细肌丝(thin filament)组成肌节的肌动蛋白丝。细肌丝是由三种蛋白组成, 除了肌动蛋白外, 还有两个结合蛋白, 即原肌球蛋白和肌钙蛋白。

细肌丝的两端分别与两个不同的肌动蛋白加帽蛋白结合(图10-48),一个是CapZ蛋白, 另一个是原肌球调节蛋白(tropomodulin)。

图10-48 肌节中与细肌丝结合的加帽蛋白的结合部位和作用

CapZ蛋白结合在肌动蛋白的(+)端, 位于Z线。原肌球调节蛋白结合在肌动蛋白的(-)端。这两种蛋白的结合有利于细肌丝的稳定, 防止去聚合。

● Z线(Z disk)是纤维网状结构, 它的主要功能是锚定肌动蛋白纤丝的正端。至于肌动蛋白纤丝是如何同Z线结合的, 尚不清楚, 推测加帽蛋白Cap Z蛋白和交联蛋白α-辅肌动蛋白(α-actinin)都有作用。α-辅肌动蛋白是Z线提取物中的主要成份, 它很可能在I带中将细肌丝交联成束。● 原肌球蛋白(tropomyosin, Tm)

原肌球蛋白是细肌丝中肌动蛋白的结合蛋白，由两条平行的多肽链组成α螺旋构型，每条原肌球蛋白首尾相接形成一条连续的链同肌动蛋白细肌丝结合, 正好位于双螺旋的沟(grooves)中。每一条原肌球蛋白有7个肌动蛋白结合位点，因此Tm同肌动蛋白细肌丝中7个肌动蛋白亚基结合(图10-49a,b)。

● 肌钙蛋白(troponin.Tn)

肌钙蛋白由3个多肽，即肌钙蛋白T(Tn-T)、肌钙蛋白I(Tn-I)、肌钙蛋白C(Tn-C)组成的复合物。Tn-T是一种长形的纤维状分子(图10-49c), Tn-I和Tn-C都是球形分子。Tn-I能够同肌动蛋白以及Tn-T结合, 它同肌动蛋白的结合就抑制了肌球蛋白与肌动蛋白的结合。Tn-C是肌钙蛋白的Ca结合亚基，Tn-C控制着原肌球蛋白在肌动蛋白纤维表面的位置。在细肌丝上大约每隔40nm就结合有一个肌钙蛋白。

2+

图10-49 原肌球蛋白及其结合蛋白

(a)原肌球蛋白的螺旋结构;(b)原肌球蛋白的序列特征, C是保守区, V是可变区, 不同来源的原肌球蛋白的V区序列可能不同;非肌细胞中的原肌球蛋白的长度要短些, 但保守区的组成相同;(c)原肌球蛋白、肌钙蛋白和肌动蛋白的结合关系。

肌联蛋白(titin)与伴肌动蛋白(nebulin)在肌节中除了上述的蛋白成分外,还有两种重要的蛋白:肌联蛋白和伴肌动蛋白(图10-50)。

图10-50 肌联蛋白-伴肌动蛋白纤维系统对粗肌丝和细肌丝的稳定作用(a)每条粗肌丝都有肌联蛋白纤维维持它的稳定,跨度起自Z线到M线;每条细肌丝的(+)端到(-)都结合有伴肌动蛋白纤维；(b)用凝溶脚蛋白（一种纤维切割蛋白）处理肌细胞, 破坏了肌节中的细肌丝, 没有了肌动蛋白的支持, 伴肌动蛋白凝缩在Z

线。

■ 肌收缩的滑动丝模型(sliding filament model)及分子基础 ● 实验依据

研究发现:肌收缩过程中，肌节几乎缩短50%，但是肌节的A带的长度并没有发生变化。肌节的缩短只是伴随着I带的缩短，在整个收缩的肌纤维中，I带几乎消失了。

● 滑动丝模型

两个英国研究小组的科学家们提出滑动丝模型解释肌收缩的机理。他们推测:肌节的缩短并不是因纤丝的缩短而引起, 而是由纤丝互相滑动所致。细肌丝向肌节中央滑动, 肌丝滑进了A带之中导致重叠部分增加, 使得I带和H带的宽度缩小, 其结果是缩短了肌节，减少了肌纤维的长度(图10-51)。

图10-51 肌收缩时肌节的收缩

(a)肌收缩时肌节长度变化及肌节结构差异示意图。在肌收缩时,肌球蛋白的交联桥(cross-bridge)与周围的细肌丝接触, 细肌丝被推动滑向肌节的中心。(b)肌

收缩时的电子显微镜照片。

● 肌球蛋白Ⅱ的作用

粗肌丝同细肌丝之间的滑动主要涉及粗肌丝中肌球蛋白Ⅱ的头部同肌动蛋白细肌丝接触，产生细肌丝与粗肌丝之间的交联桥(crossbridges)，才能产生滑动。研究发现: 肌收缩时,每个肌球蛋白的头都向外伸出, 并与细肌丝紧紧地结合, 形成细肌丝与粗肌丝间的交联桥。肌球蛋白Ⅱ的头部一旦同细肌丝结合, 头部就会快速向中心部位弯曲，使细肌丝沿粗肌丝向肌节中央移动5～15nm。

● 旋转升降臂(swinging lever arm)假说

1993年Ivan Rayment 等提出旋转升降臂假说解释肌球蛋白与肌动蛋白之间滑动的机理:他们认为ATP水解释放出的能量诱导肌球蛋白头部构型发生少许改变, 然后通过旋转使肌球蛋白α螺旋的颈部伸展,实际上,肌球蛋白的颈部作为强度极高的升降臂(lever arm),引起肌动蛋白纤维快速的远距离滑动(图10-52)。

图10-52 肌球蛋白颈部作为旋转升降臂开关的模型, 详见正文

什么是滑动丝模型和旋转升降臂假说? ■ Ca离子在肌收缩中的作用 2+● 原肌球蛋白的抑制作用

原肌球蛋白能够同7个肌动蛋白单体结合，并封闭了肌动蛋白上同肌球蛋白结合的位点。在这种情况下，肌节中的粗肌丝和细肌丝之间不可能形成交联桥，只有解除原肌球蛋白对肌动蛋白纤维的抑制，才有可能形成交联桥(图10-53)。

图10-53 原肌球蛋白在肌收缩中的作用

当原肌球蛋白处于b位时,抑制了肌球蛋白头部与肌动蛋白的结合, 当原肌球蛋白移动到a位时, 解除了抑制的肌球蛋白的头部得以同肌动蛋白接触。● Ca离子对肌收缩的调节作用

细胞中Ca离子浓度能够调节原肌球蛋白对肌动蛋白的抑制作用, 因为高浓度的Ca离子能够同肌钙蛋白的Tn-C亚基结合，改变原肌球蛋白同肌动蛋白结合的位置，解除原肌球蛋白对肌动蛋白的抑制，露出与肌球蛋白结合的位点(图10-54)。2+2+2+

图10-54 Ca离子对原肌球蛋白与肌动蛋白结合的影响

当Ca离子很低时, 肌动蛋白上与肌球蛋白结合的位点被原肌球蛋白占据, Ca2+

2+

2+离子浓度高时, 通过与肌钙蛋白Tn-C亚基的结合, 改变原肌球蛋白在肌动蛋白纤维中的结合部位,暴露出与肌球蛋白结合的位点。

● Ca离子浓度调节:肌收缩与神经兴奋相偶联

神经系统的电信号传递是以膜电位的形式沿着神经细胞传递的,这种膜电位叫动作电位(action potentials)。当动作电位到达神经细胞末梢时，它触发神经递质扩散，穿过轴突，并同相邻靶细胞的质膜结合，使细胞质膜去极化，最后信号通过与肌质网相邻的T管激发肌质网向胞质溶胶释放贮存的Ca2+离子, 从而使胞质溶胶中的Ca2+离子浓度快速升高, 使电信号转变成化学信号(图10-55)。2+

图10-55 肌质网对骨骼肌胞质溶胶中Ca离子浓度的调节作用

(a)肌纤维的三维结构图;(b)SR释放Ca离子。①神经信号传递到肌纤维的细胞质膜,经T管靠近肌质网;②诱导肌质网释放Ca离子, 使胞质溶胶中Ca离子浓度升高。

释放出来的Ca离子同肌钙蛋白结合，解除原肌球蛋白对肌动蛋白的抑制，使得粗肌丝肌球蛋白的头部得以同肌动蛋白接触，形成交联桥。然后再由ATP同肌球蛋白头部的ATP结合位点结合，并通过ATP的水解提供能量，以及肌球蛋白头部构型的变化，引起粗肌丝与细肌丝间的滑动，产生肌肉的收缩。

怎样通过Ca离子浓度调节使肌收缩与神经兴奋相偶联?

2+

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2+2+2+2+