落尘小说

02 细胞的结构（第2页）

细胞骨架

提到“骨架”，便会让人联想到亡故已久的人类残骸。骨骼得以长久保存的原因在于成骨细胞在形成骨基质的过程中将磷酸钙等矿物质沉积下来，从而赋予了骨骼刚性的结构。不同的骨骼通过肌腱与韧带结合在一起，形成一个杠杆系统紧密相连，从而保证在日常生活中骨骼可以随时因肌肉收缩而发生移动。在细胞内，同样也存在类似于“骨架”的结构。其中，微管起到了“杠杆”的作用，而“肌肉”的角色则由肌动蛋白微丝与肌球蛋白共同扮演。肌动蛋白微丝与肌球蛋白可以发生相互滑动，像肌肉一样为细胞提供收缩力。然而，与我们自身肌肉-骨骼系统的相对刚性与持久性有所不同，细胞骨架最主要的特征是极强的可塑性与动态性，其元件可通过惊人的速度构建（聚合），并通过分解（解聚）迅速消失。曾有传统观点认为，细胞像是一个充满了果冻的气球，这着实误导了大众多年。事实上，细胞的形状由其内部所控制，可通过接收到的外部环境信号进行调整，并能快速做出响应。细胞不断地改变其形状，改变着其与邻近细胞的位置，在组织中移动，甚至通过进出血液从而在整个机体内进行“长途旅行”。除此之外，在细胞分裂时，染色体的分离需要整个细胞骨架进行重组（这一点将在第4章进行讨论）。可以说，细胞骨架的动态性质是其最主要的特征。

尽管在某些细菌中存在与真核细胞的细胞骨架相类似的原始蛋白，但高度组织化的细胞骨架仍是真核生物的独有特性。真核细胞的细胞骨架被定义为三种大型蛋白构成的网络，其中包括：微管（由更小的蛋白——微管蛋白所构成）、中间丝（一组具有类似性质的纤维蛋白）以及微丝（由更小的蛋白——肌动蛋白所构成）（如图6a、6b所示）。此外，细胞内还存在许多其他相关蛋白，在不同方面帮助细胞骨架蛋白发挥作用。尽管细胞骨架的每一个元件都为细胞的形状变化与运动做出了特定的贡献，但为了更好地理解细胞骨架，我们仍需将其所有组分结合在一起，作为一个完整的系统来看待。除了全细胞反应，细胞骨架在细胞内的物质运输中也起着至关重要的作用。其中，微管可以与动力蛋白等分子马达相互作用，从而为细胞内装载着货物的液泡或细胞器的移动提供一条“铁路干线”。

图6细胞骨架元件

a。b。由纤维网络构成的完整细胞骨架（已除去细胞质中的细胞器，仅留下位于中央的细胞核）；c。在试管中组装起来的微管；d。鞭毛的切片，显示了鞭毛轴丝的“9＋2”排列结构；e。吸管虫触手的切片，显示了围绕食管的微管阵列

接下来的问题是，纤维蛋白能否进入细胞核形成类似细胞骨架的结构？遗憾的是，这一问题的答案始终存在争议。细胞骨架在细胞质的组织架构搭建中具有十分重要的意义，但在细胞核中寻找类似细胞骨架的结构仍然困难重重。细胞骨架的主要元件之一——肌动蛋白是70多年前从肌肉中首次分离得到的。而现在，“非肌肉”的肌动蛋白已经被认为是细胞质的基本成分，甚至是细胞中最常见的蛋白。直到最近，肌动蛋白也终于被发现是细胞核的组成元件之一，它们与中间丝共同参与组装细胞核长丝状蛋白，以形成“细胞核骨架”（on，详见第3章图7c）。中间丝位于核纤层，可为细胞核内容物的排列提供纤维支架。

纤毛与鞭毛

在17世纪末光学显微镜初露锋芒的时候，研究者们已经在单细胞中观察到了皮鞭状的“尾巴”结构。通常情况下，细胞上一到两条尾巴（鞭毛）通过由底部传递至顶端的规律性波动，推动了细胞在水性介质中的运动。在肺部等器官的上皮组织中，细胞被大量的纤毛覆盖，这些纤毛可以推动表层黏液的移动。在气管中，纤毛通过来回摆动，使得黏液层不断向喉部方向移动，从而防止呼吸道中潜在的感染性介质的积聚。

有些细菌同样具有鞭毛，但其结构相对简单，像一个刚性的螺旋状尾巴，其工作模式则如螺旋桨一般，通过分子马达在底部旋转的方式实现摆动。真核生物细胞内的纤毛与鞭毛固定于一个被称为基底体的结构中，在其长度允许范围内，可以通过轴丝（axoneme，由微管所组成）结构产生鞭状运动。引用唐·福塞特1961年的经典著作《细胞》中的一句话：“没有什么细胞活动比纤毛与鞭毛运动更能吸引细胞学家了。”1887年，詹森（Jensen）利用显微镜载玻片与盖玻片将**鞭毛压扁，发现**尾部被“磨成了许多纤维状物”。大约60年后，电子显微镜证实了这一点。英国植物学家艾琳·曼顿（Ireon）通过美国战后“租借”（LendLease）系统获得了早期的电子显微镜，进而发现所有植物鞭毛中都含有与动物鞭毛一样的11种纤维，从而证实了鞭毛结构在整个进化过程中是非常保守的。“标准”的轴丝结构由位于中央的一对微管与周围的9条小管组成（图6d）。在细胞内，基底体由9个三联体微管组成的短圆筒形结构组成，但其中缺少中央微管结构。

微管由什么构成

微管为中空的管状结构，其管壁由微管蛋白构成。两个微管蛋白分子可组成二聚体，其形状如同花生壳一般。这些二聚体首尾相连形成一条长丝（原丝），而13条原丝纵向连接在一起，便形成了微管的空心管壁结构（如图6c所示），整个微管还通过相关蛋白的作用保持其结构的稳定性。在鞭毛与纤毛的轴丝中，一种叫作动力蛋白的分子马达介导了运动的产生。在这一过程中，动力蛋白将相邻的微管连接起来，使其以同步的方式发生相互滑动，从而产生弯曲效应。弯曲效应沿着鞭毛向下传递，最终引起了“鞭打”运动的出现。在20世纪50年代，比约恩·阿夫泽利乌斯（BjornAfzelius）发现动力蛋白臂与邻近小管之间存在密切的联系，而现在我们已经得知，动力蛋白臂与邻近小管之间的作用模式并非如爬绳子一般两手交替进行，而是不断地发生连接与断裂。

如果鞭毛动力蛋白发生突变或缺失，后果是非常严重的。在发现动力蛋白的25年后，阿夫泽利乌斯在瑞典的一家不孕症诊所观察了4名不育症患者的**，发现其**尾部轴丝中缺乏动力蛋白臂，因此，这些**是“不会游泳的”。毫无疑问，这将导致不育的发生。此外，有一半的患者还同时患有一种被称为“内脏逆位”的疾病，表现为原本位于身体左侧的主要内脏器官（如心脏、脾脏与胰腺）出现在身体右侧。其原因在于胚胎发育早期，当左右体轴建立时，胚胎缺乏具有相应功能的纤毛。在20世纪30年代，马内斯·卡塔格内（Maagener）对其进行描述后，这一疾病被命名为卡塔格内综合征。

每个细胞都含有一种特化的纤毛。这些“初级纤毛”主要作为感觉结构发挥作用，如同无线电天线从周围环境中收集信息。初级纤毛不能独立运动，因为它们缺乏中央微管与周围9个小管之间的动力蛋白连接。目前我们已经得知，初级纤毛可作为机械与化学刺激的受体，发挥重要的作用。在鼻腔内壁，经过修饰的初级纤毛与感觉气味的嗅上皮特化细胞（树突小结）上的感受器相连。而在眼睛中，视网膜特化的光感受器也通过初级纤毛附着于细胞上。此外，初级纤毛还在细胞分裂中起到了控制的作用，并很可能参与了细胞的运动过程。

由纤毛缺陷引起的疾病被称为纤毛病（ciliopathies）。纤毛病有着广泛的症状，在鉴定出共同的细胞学病因之前，这些症状常常被误认为是相互独立的。纤毛病的其中一些症状可能在所有患者中都出现，而另一些则是相对独特的。口腔-面部-手指综合征患者常有多指及肾脏问题。于19世纪末首次发现的巴尔德-别德尔（Bardet-Biedl）综合征患者同样存在肾脏问题，但同时还具有可引起失明的视网膜退化、肥胖以及糖尿病等症状——所有这些症状都是由缺乏相应功能的纤毛所引起的。

细胞内微管

微管曾被认为仅存在于轴丝中，直到20世纪60年代初，随着电子显微镜样品制备技术的改进，研究者才发现微管存在于整个细胞质中。由于微管总是以直杆的形式呈现，它们最初被认为是一种刚性且稳定的结构。然而，刘易斯·蒂尔尼（LewisTilney）与基思·波特（KeithPorter）发现，将一种称为放线菌的原生动物冷却到大约4℃时，所有依赖微管的细胞延伸运动都会因为微管解体而崩溃，而在室温下放置几分钟后，微管又会重新形成。直到20世纪80年代，蒂姆·米奇森（TimMit）发现微管可以在几秒钟内发生解体并重新形成，这一过程被称为“动态不稳定性”。至此，微管的动态特性才为人们所了解。

除上述功能外，微管也参与了有丝分裂纺锤体框架的形成过程，通过纺锤体的作用，染色体在细胞分裂时被均分至子细胞中（详见第4章）。研究者将分裂中的细胞暴露于秋水仙碱中，由于秋水仙碱可与微管蛋白结合，阻止其相互聚合形成原丝，从而有效抑制有丝分裂纺锤体的形成，引起细胞分裂的“冻结”，这样便可实现染色体的分析。秋水仙碱是秋水仙提取物中的活性成分，古埃及人曾利用这一植物治疗关节炎。此外，我们还可以通过抑制细胞质微管的分解来抑制有丝分裂纺锤体的重新形成。提取自太平洋紫杉树皮的紫杉醇便能达到这样的效果，它已成为一种治疗癌症的有效药物。由于剥去树皮会导致树木死亡，人们对紫杉树皮的需求几乎使得美国境内的太平洋紫杉遭受灭顶之灾。但幸运的是，目前人们已掌握了化学合成紫杉醇的技术。由于癌细胞分裂速度较快，几乎所有可以干扰微管与纺锤体形成的物质都是潜在的癌症治疗药物。

成纤维细胞是微管功能研究的首选细胞，存在于关节、韧带、肌腱等结缔组织中。人工培养的成纤维细胞呈长而扁平的形状，可在培养皿表面移动，具有宽的前缘与窄的后缘（如图3c所示）。与之相反，人工培养的上皮细胞仍保持着扁平与多边形的形状特点（如图3b所示）。在所有人工培养的细胞中，细胞质微管从靠近细胞核的中心体处向外辐射。中心体作为微管的组织中心，可以控制微管的量与分布情况。中心体由中心粒构成，这些中心粒与鞭毛或纤毛基部的基底体具有相同的结构。中心粒以成对的形式出现，彼此呈直角。在细胞分裂早期，它们将分离并迁移至细胞的两端，进而组织搭建形成有丝分裂纺锤体的微管。

体外细胞培养是一个相对简短的技术步骤，包括在培养瓶中培养细胞、为细胞提供合适的环境（37℃的培养箱）以及将培养瓶放置于显微镜载物台上以便进行活细胞功能观察等。由于活细胞基本呈透明状，如果缺乏相差显微镜等光学设备的帮助，我们将很难看到细胞中的诸多细节。通过相差显微系统，细胞成分中折射特性的微小差异便可以转化为亮与暗的区域。因为这一重大进展，弗里茨·泽尼克（FritsZernicke）于1953年获得了诺贝尔奖。如今，通过将目的基因与绿色荧光蛋白（GFP，专有名称为水母光蛋白）相结合的方式，几乎所有蛋白均可被“标记”上荧光（当被紫外光照射时便可发光）。GFP最初从一个“夜光”水母中提取获得，通过改变其氨基酸序列，荧光性质也随之发生改变，呈现出蓝色、橙色、黄色与红色荧光，这样便可以在同一个活细胞中同时追踪几种不同的蛋白信号。除此之外，低光照相机也可以在一个细胞中捕获到几个分子的信号，同时还具有激光照射、计算机成像与分析功能，并可以对活细胞进行观察。这些新兴的技术为研究者们提供了几年前无法想象的海量信息。如今，我们可以在光学显微镜下观察特定的活细胞，然后在毫秒内将其“快速冻结”，并进一步利用电子显微镜观察。一种被称为量子点的微探针既可发出荧光（可以用于光学显微镜），又具有电子致密的特点（可以用于电子显微镜），因此，利用微探针便可以对同一个分子进行标记，进而通过光学显微镜与电子显微镜两种技术进行观察。

利用相差显微镜对大多数活细胞进行初步观察，可能会让一些外行人大失所望，因为在镜下看起来似乎没有什么特别的事情发生。单细胞生命体可以在鞭毛或纤毛的驱动下四处游动，而阿米巴原虫也可以缓慢爬行。对于培养中的细胞，科普节目中所展示的细胞活动视频必然是通过间歇性拍摄法得到的，即以几秒钟的时间间隔拍摄出单幅图像，然后再进行加速播放。原本细胞将花费一小时时间进行分裂，而在拍摄时，我们每隔10秒才拍摄一张图片，最后再以每秒25帧的方式播放图像，这可以将整个细胞分裂的过程压缩到10秒以内，使图像看起来更加动态。

大约在20世纪70年代中期，人们通过缩时定格显微镜观察到了看似不同寻常的细胞内运动。除了细胞质连续且随机的布朗运动外，细胞内还存在一种明显的停止运动模式，即一个粒子在细胞中突然移动了几微米，并时常在停止与运动之间切换。令人惊奇的是，这种“跳跃式”运动往往沿直线产生，就像在轨道上一样。在冷刺激或秋水仙碱（可以破坏微管）处理后，跳跃运动将受到干扰；而经过紫杉醇（可以稳定微管）处理后，跳跃运动则不受干扰。很显然，这说明完整的微管就像导轨一样，介导了细胞内囊泡的运输。直到20世纪90年代中期，人们才发现物质是如何沿着微管运动的，同时鉴定出负责运输的马达蛋白——驱动蛋白。驱动蛋白的形状就像一个颠倒的“Y”字母，因此它就像有了两条腿，可以“沿着微管行走”，并且在头顶上顶着一个大气球（附着的液泡），宛如一名走钢丝的杂技演员。细胞质形式的动力蛋白（可以驱动鞭毛微管彼此通过）也以非常相似的方式工作着。驱动蛋白分子和动力蛋白分子的能量均由ATP提供。蛋白分子在行走时，“每一步”是16纳米，每微米行程须走62步，因此几微米（横跨半个细胞）的路程约在几分钟内便可完成。通过在电子显微镜下对分子细节进行分辨，驱动蛋白和微管之间的分子相互作用最终得以确定。这一研究结果得益于细胞瞬时冷冻技术的发展，它可以使细胞内分子结构固定至与活细胞完全一致的状态。在网络上可以找到相关的分子动画，它们很好地展示了运动蛋白与微管间的相互作用关系。

中间丝

动物对运动**方式的需求推动了不同机械强度的产生。不管是贝壳、昆虫与甲壳动物的外骨骼，还是鱼类、两栖动物、爬行动物、鸟类以及哺乳动物的内骨骼，总之生命体需要组建一个骨架。在任何情况下，骨骼物质都是由细胞所分泌的蛋白质构成的。而在某些情况下，这些物质还会发生矿化以增加硬度。这种物质便是细胞外基质。在单个的动物细胞内，其机械强度由一组被称为中间丝的蛋白提供。中间丝宛如一条高强度却柔韧的电缆，贯穿整个细胞中。位于组织中的细胞则通过一种被称为桥粒（desmosome）的强化膜连接结构与其邻近细胞相连接。桥粒可被中间丝锚定，在整个组织中提供一个张力网络。

微丝

细胞中最细的丝状蛋白叫作微丝，其直径约为6纳米，仅为中间丝直径的一半，由肌动蛋白构成。肌动蛋白是一种球状蛋白，即球型肌动蛋白。然而，当其组装成细丝时，肌动蛋白将以另一种形式——纤维型肌动蛋白存在。纤维型肌动蛋白可被大量的肌动蛋白结合蛋白集结成束状或网状。在非肌肉细胞中，它们可以形成至少15种不同的结构模式。

对肌动蛋白的研究可以追溯到60多年前，阿尔伯特·赞特-乔尔吉（AlbertSzent-Gyi）于20世纪40年代证实了横纹肌中存在肌动蛋白与肌球蛋白。安德鲁·赫胥黎（AndrewHuxley）与休·赫胥黎（HughHuxley）于20世纪50年代进一步证实当肌肉收缩时，肌动蛋白丝可以在肌球蛋白丝上发生滑动，这一相互作用可使肌肉缩短，并产生力。ATP转化为ADP所释放的能量可以为这种分子间的相互作用提供必需的能量。

肌肉具有高度组织化的几何分子结构，每一个肌球蛋白分子都被一个由六个肌动蛋白分子组成的“圆柱体”所包围，这使得分子间可以发生相互滑动。由于当时人们只在肌肉细胞中发现了这种排列方式，因此多年来人们一直认为，非肌肉细胞中可能不存在肌动蛋白与肌球蛋白通过相互作用产生收缩力的现象。然而，1973年汤姆·波拉德（TomPollard）发现非肌肉细胞中存在多种肌球蛋白。现在我们知道，哺乳动物体内其实存在着超过40种不同的肌球蛋白，并且肌球蛋白（与纤维型肌动蛋白一起）为细胞分裂、细胞运动以及细胞对外来物质摄取（胞吞）等过程提供了动力。此外，肌动蛋白还在细胞骨架的搭建中提供结构支持。肌动蛋白丝的核心通过与绒毛蛋白相结合的方式，为细胞膜的手指状突起（丝状伪足与微绒毛）提供支持力。

从细胞核内部到细胞表面，几乎所有的丝状蛋白之间都存在联系。细胞核内的核纤层蛋白是一类中间丝（参见第3章内容），它们通过穿过核被膜的蛋白质桥与细胞质中间丝相连。所有的细胞骨架元件间均相互连接。除中间丝与微管外，中间丝与细胞骨架的第三个主要元件——微丝之间也通过蛋白（斑蛋白）直接相连。具有不同性质的微管、中间丝与微丝相互连接，形成蛋白质支架，通过共同作用维持了动物细胞的结构与机械完整性，同时赋予了细胞移动的能力（参见第4章内容）。

在活细胞内，三种细胞骨架成分协同工作，这可能是经过40亿年进化后的结果。单独对细胞骨架的某一个成分进行阐述，就像抛开整个工作引擎这个前提，单独对活塞、连杆与曲轴进行观察——对于细胞骨架与引擎而言，整体都远远大于部分之和。

张拉整体

30年前，当唐纳德·英格伯（DonaldIngber）还在耶鲁大学攻读本科学位时，他已经坚信将细胞视为“装满果冻的橡皮袋”的观点有些过于简单了。英格伯十分痴迷于20世纪40年代巴克明斯特·富勒（BusterFuller）的革命性建筑，即一系列名为地穹的坚固建筑（包括他自己的房子）。地穹不含有任何梁或柱等主要的支撑结构，仅由一个外壳构成，这个外壳由多个小的刚性三角形组成。富勒本人主要受肯尼思·斯内尔森（KehSnelson）的雕塑的影响。在斯内尔森的雕塑中，坚硬的不锈钢杆似乎飘浮在稀薄的空气中，但事实上，它们由缆绳系统所支撑，就像帆船上的索具一样，桅杆在张力与压缩力的平衡中保持在适当的位置。桅杆本身是刚性的，从而能抵抗索具张力产生的压缩力。这一结构十分坚固，只有当桅杆扣或索具断裂时才会崩塌。这便是拉伸完整性或张拉整体的原则，它能以最小的能量与材料消耗提供最大的强度支持。英格伯推测每个细胞中都能找到张拉整体的影子，即刚性的微管抵抗着肌动蛋白与中间丝所介导的压缩力。因此，无论是扁平六边形的上皮细胞，还是长达1米的神经细胞轴突，张拉整体能为所有类型的细胞提供力量。即使在分裂过程中细胞形状发生了改变，张拉整体同样可以发挥作用。在培养过程中，扁平或细长的细胞会在分裂开始时变成球形，随后从中央箍断形成两个球形的子细胞，之后子细胞将重新恢复扁平形状并扩散开来。当细胞边缘变得扁平时，其边缘周围可清晰地看见由肌动蛋白纤维形成的三角形结构，其中每6个相邻的三角形可形成一个六边形，恰好就像巴克明斯特·富勒地穹边缘的样子。之后，细胞将进一步变得更加扁平，其形状将变成典型的成纤维细胞的形态，并在细胞膜与基底层之间形成黏着斑，直到其重新作为单细胞再次发生迁移。与之相反，上皮细胞在培养时会附着在邻近细胞上，移动时就像一片纸。培养的上皮细胞通过桥粒相互连接，这与在活细胞组织中的情况是一样的。桥粒是局部细胞膜强化后所形成的坚韧斑块状结构，并由中间丝锚定在细胞内。在皮肤中，组织常常不断地发生弯曲或拉伸。表皮细胞具有多个桥粒，且其上的中间丝被大量的角蛋白细丝所强化（图6a、6b）。因此，当每一个表皮细胞都存在这样的结构时，这将促使一个极其坚韧的组织诞生。