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1、F肌动蛋白简介07306143苏宇泉肌动蛋白由Halliburton于1887年发现，当时将其视为导致肌肉收缩的成分。 但直到1941年，肌动蛋白才被分离且确认为一种独立的蛋白质。现在我们知道， 肌动蛋白是一类分子量大约在42,000的球形蛋白质。除了线虫类精子细胞，在 所有的真核细胞当中均发现有该蛋白质，浓度约在100UM以上。在生物分子进 化当中，肌动蛋白是被高度保留下来的蛋白质分子之一，从藻类细胞到人体细胞 肌动蛋白只有不到20%的变化。肌动蛋白是生物体中微丝的一个单节结构，而微 丝则是细胞骨架三大组成结构之一，肌动蛋白还构成了肌细胞中具有收缩功能的 组织。所以，肌动蛋白对于细胞活动起到
2、很大的作用，比如肌肉的收缩，细胞的 转移、分裂和原质的流动，动物胞囊和器官的运动，细胞间信息的传递，以及细 胞的形状和连结的建立和维持等等。图1 F-actin分子F肌动蛋白（F-actin），又称微丝（Microfilament），是由肌动蛋白单体组成的 直径约为7nm纤维结构。肌动蛋白单体（又被称为G-Actin，全称为球状肌动蛋 白，Globular Actin，下文简称G肌动蛋白）为球形，其表面上有一 ATP结合位点。 肌动蛋白单体一个接一个连成一串肌动蛋白链，两串这样的肌动蛋白链互相缠绕 扭曲成一股微丝。微丝能被组装和去组装。当单体上结合的是ATP时，就会有较高的相互亲和 力，单体趋
3、向于聚合成多聚体，就是组装。而当ATP水解成ADP后，单体亲和 力就会下降，多聚体趋向解聚，即是去组装。高ATP浓度有利于微丝的组装。所 以当将细胞质放入富含ATP的溶液时，细胞质会因为微丝的大量组装迅速凝固成 胶。而微丝的两端组装速度并不一样。快的一端（+极）比慢的一端（-极）快上 5到10倍。当ATP浓度达一定临界值时，可以观察到+极组装而-极同时去组装的 现象，被命为“踏车”。微丝的组装和去组装受到细胞质内多种蛋白的调节，这 些蛋白能结合到微丝上，影响其组装去组装速度，被称之为微丝结合蛋白（association protein）。在细胞当中，肌动蛋白皮层是一个亚微米级的网络，网格大小从
4、几个亚微米 到几微米不等。这一网络处于不断的变化中。肌动蛋白的受控聚合以及由此产生 的在聚合物不同位点上不同的聚合速度在细胞运动中起着关键作用。胞内F肌动 蛋白网络的准确化学组成和力学特性至今尚不清楚。由于胞内与肌动蛋白有关的过程过于复杂，对其的研究必须同时包括活体实 验和脱离胞内复杂环境的体外实验。其中后者一直是近年研究的热点。自从发现以来，F肌动蛋白的物理化学性质一直是许多体外实验的对象。虽 然在早期实验中F肌动蛋白只能被透射电子显微镜所观察到，但其凝胶的力学性 质已经通过宏观流变学方法被广泛研究。在体外形成F肌动蛋白网络的其中一个关键因素是准确地将其从原本环境中 分离出来。Myosin-
5、II，通过与F肌动蛋白相互作用而影响肌肉收缩的一种驱动蛋 白很早就被分离出来了。自上世纪70年代以来，几种与肌动蛋白相连的蛋白质 陆续被发现、提纯和描述。体外F肌动蛋白网络实验利用的是肌动蛋白单体 （G-actin）在盐度和ATP浓度适中的缓冲液中会自发形成丝状网络。因此，将合 适剂量的G肌动蛋白和交联剂ABP（雄激素结合蛋白）混合后可以系统地研究网 络形态学和力学特征。这些实验一般通过使用粒子微观流变学或特别的流变仪来 研究微小的液滴。电子显微镜、荧光显微镜和动态散射被用于跟踪样品的结构变 化。这些小泡可以看成是细胞最简单的力学模型，虽然里面的微丝的体积和三维 结构会导致所得到的力学行为与胞
6、内的二维网格不同，但在其中小尺度的形态学 特征和网格大小跟胞内肌动蛋白是类似的。几项使用交联分子或二价离子的研究 已经发表Bausch et al.最近发表了一系列讨论F肌动蛋白与交联蛋白的相互作用 怎样表现在样品的宏观流变学属性中以及两种交联剂怎样互相干涉。通常情况下F肌动蛋白网络会产生一个高度无序的三维网孔系统。准二维细 胞膜的力学性质只能通过肌动蛋白凝胶的小泡来研究Bendix et al.报道了包含肌 动蛋白、a辅肌动蛋白和肌凝蛋白的小液滴在临界浓度的交联剂下的收缩行为。还有其它几个实验结合了F肌动蛋白网络的有限体积来在三维模型下研究细 胞的力学。在这些实验中肌动蛋白在球型液滴的有限空
7、间中聚合，生成了一个往 往分布于球面边缘的网络。在这些实验中所得到的肌动蛋白的伸缩性可以通过对小泡膜的分析来得到。 如果小泡的体积增大，改变肌动蛋白的浓度会导致网络具有不同的形态学特征。 对于一个更真实的细胞模型来说，把F肌动蛋白固定在膜上是很重要的。F肌动 蛋白细丝对膜上的电荷有反应但没有特别的相互作用出现。而想模仿真实细胞环 境使用ABP去把F肌动蛋白固定在膜上也是很苦难的，因为细胞内的复杂性包含 了数种蛋白质。实验发现几种与F肌动蛋白结合的蛋白质会与膜通过静电力或疏 水作用而有相互作用，但并不实质地另F肌动蛋白固定在磷脂双分子层上。但是， 通过各种方法来实现人工固定是可行的。F肌动蛋白的
8、形成和机制属性强烈依赖于弯曲系数和每条蛋白细丝间的作用 力。最早观察到单条F肌动蛋白是在上世纪八十年代中期。当时荧光显微技术让 单条细丝第一次可见。这些形象化使F肌动蛋白的形状及生长过程可被观察到。 此外，对ABP提纯和活化的成功不单只允许了直接交联实验的进行，还使单条 细丝层面上的实验变得可行，使得相互作用力和分子机制可以被研究到。单条细 丝的实验虽然最早在上世纪八十年代进行，但实验方法是在最近15年才得益于 各种高灵敏度的力学测量仪器而发展。这些实验不但在技术上有挑战性，在非接 触力的测量和数据分析上也是很复杂的。Patrick等人最近观察到F肌动蛋白从各向同性相到向列型液晶相的一阶相变，
9、 而理论结果一直是二阶的。他们观察到细丝长度比较短的F肌动蛋白的溶液在适 当的浓度下会发生相分离形成类晶团聚体液滴。他们认为这些液晶是最小自由能 的结果，并且显示了一个双极的场。这些液晶是由于两种不同的机制形成的：成 核生长和调幅分解。两种机制产生的液晶单体尺寸都是相同数量级的。此外，对 系统的分析显示了几种亚稳性。该溶液可以在几个平衡附近的稳态下存在，但也 很容易被打乱。图2 F-actin的向列型液晶相F肌动蛋白被发现已久，但人们对其的认识是在近年才有了突破。在其液晶相变 被观察到之后，可以预见更多研究会把注意力集中于对这一现象的计算机模拟上， 这将使对F肌动蛋白的研究达到一个新的高度。参
10、考文献：Tam_s Haraszti, Anabel E.-M. Clemen, Joachim P. Spatz. Biomimetic F-Actin Cortex Models. ChemPhysChem ,2009, 10, 2777 - 2786Patrick W. Oakes, Jorge Viamontes, and Jay X. Tang. Growth of tactoidal droplets during the first-order isotropic to nematic phase transition of F-actin. PHYSICAL REVIEW E 75, 061902 (2007) Yu-Guo Tao and W. K. den Otter. Isotropic-nematic spinodals of rigid long thin rodlike colloids by event-driven Brownian dynamics simulations. THE JOURNAL OF CHEMICAL PHYSICS 124, 134906 (2006)
