运动细胞
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2023年3月18日发(作者：devenv)第八讲细胞运动的奥秘
本讲内容：
1.细胞的“骨骼”。
2.骨架蛋白的分分合合。
3.细胞内的“高铁”和“公路”。
4.奔跑吧，细胞！
5.细胞骨架异常那些事儿。
第一节细胞的“骨骼”
静止是相对的，运动是永恒的。世间万物每时每刻都处在运动中，那构成生
物体最基本单位的细胞是怎样运动的呢？本节课，我们就一起来探索细胞运动的
奥秘。
人体的运动离不开骨骼的支撑，同样，细胞作为最基本的生命系统，它的运
动也离不开其特有“骨骼”的支持，我们将这个骨骼称之为细胞骨架。这是细胞
骨架的视频，从视频中我们可以看出细胞骨架是一种动态的纤维网格结构，包括
三种蛋白纤丝。微管，微丝，中间纤维。
我们来看，这是微管。微管是由微管蛋白组装而成的一种中空圆管状结构，
主要参与细胞形态的维持、某些细胞结构的形成、细胞器的定位、细胞运动、胞
内物质运输和细胞分裂等过程。而微丝，则是实心细丝结构。它成束地或分散地
存在于细胞质中。使细胞具有一定的韧性和弹性。中间纤维则是另一种纤维管状
结构。具有很强的抗拉强度，使细胞在被牵伸时能经受住机械力。因可在多种细
胞生命活动过程中起重要作用。
以上就是细胞骨架的三种类型，在细胞复杂的生命活动中，它们并非独立发
挥作用，而是相互协调配合，使细胞生命活动有条不紊地顺利进行下去。
第二节骨架蛋白的分分合合
细胞骨架是由骨架蛋白构成的纤维网络结构，那这些散在的蛋白分子是如何
组装起来形成细胞骨架结构的呢？这个动态的细胞骨架结构又是如何维持的
呢？我们来看一段视频。微管是由微管蛋白构成的中空管状结构，微丝是由肌动
蛋白聚合而成的实心细丝结构。它们的聚合过程也伴随着解聚，这是一个动态的
过程。下面我们以微丝为例，来详细了解一下这个骨架蛋白们分分合合的过程。
我们将肌动蛋白单体比做大海中的一条小船，这小船首尾相连形成的就是微
丝。开始，肌动蛋白单体小船们在细胞海洋中漫无目的的四处游离着，后来有两
三条小船聚到一起，商量着要聚到一起干件大事，于是形成了领导核心，这是成
核阶段，形成核心后，其他小船们从四面八方赶来，首尾相连，船队越来越长，
但在这延长阶段中啊，有一些小船由于各种原因要离开船队去往别处，我们就将
不断有小船加入的一端叫做正端，将有小船离开的一端叫做负端，当加入和离开
的小船相等时，船队的长度就达到了一个动态的平衡，这时就到达了稳定阶段。
这就是微丝装配和解聚的模式图。
类似于微丝，微管也拥有一个动态的组装过程，那微管是如何由微管蛋白装
配而成的呢？下面我们就一起来看一下微管蛋白的装配过程。首先由αβ-微管
蛋白组成二聚体，这些二聚体有规律的排列成一根纤维丝。然后通过在两端以及
侧面增加二聚体而扩展成片状，当片状聚合物加宽到大致13根纤维丝时，即合
拢成为一段微管。同样的，在这个过程中，聚合和解聚是同时发生的。而中间纤
维则是由纤维蛋白逐级装配，最终形成实心管状结构。相对于我们熟知的生活中
出现的分分合合来说，细胞骨架蛋白的分分合合并不是一个悲伤的故事，而是对
复杂细胞生命活动的一种适应，正是由于骨架蛋白的装配与去装配，才使得细胞
骨架能够精确地行使功能。
第三节细胞内的“高铁”和“公路”
我们的日常生活中，交通运输已经非常的快速和便捷，人们出行会选择不同
的交通工具，货物运输也有多种途径，其中高速铁路的最高时速已达310Km/h，
高速公路行驶时速最高可达120Km/h。而细胞中每时每刻都进行着各种生物化学
反应，参加反应的物质可通过不同的方式被运输到相应位点，这个过程就需要微
管和微丝的参与。
细胞中的微管就相当于我们所熟知的高速铁路，在细胞内进行着快速的物质
运输以满足细胞代谢的需要，在微管这个高速铁路上行驶的火车又是什么呢？我
们来看，其中沿微管正极向负极携带货物行驶的是驱动蛋白，反过来，由微管负
极向正极行驶的是动力蛋白。它们密切配合，完成在“高速铁路”微管上的运输。
而细胞中的微丝就相当于高速公路，在这条高速公路上也进行着繁忙的物质运
输，相比于微管，微丝上运输货物的载体较为单一，只有肌球蛋白行驶货车的功
能，它携带着货物沿着微丝的负极向正极移动。细胞中正是由于高速铁路微管和
高速公路微丝的存在，才使得反应物能够及时高效地被运送到反应部位，从而保
证细胞内生命活动的有序进行。
第四节奔跑吧，细胞！
人类的奔跑依赖于骨骼、肌肉、神经系统等多个部位的密切配合，细胞的奔
跑同样也需要细胞骨架和其他细胞结构的广泛参与。这是单细胞生草履虫的运动
过程。大家都知道草履虫生活在水环境中，身体表膜上密密的长着近万根纤毛，
它依靠纤毛的摆动在水中旋转前进，而这个纤毛就是由微管构成的。这是我们所
熟知的寄生在人和动物肠道中的大肠杆菌。我们仔细观察它的结构可以发现它周
身长满鞭毛，可依赖鞭毛进行运动，而这个鞭毛和纤毛一样也是由微管构成的。
以上这两种运动方式本质上都是依赖于微管的，那同样作为细胞骨架的微丝，与
细胞运动的关系也十分密切。
这是一段电镜下拍摄的变形虫摄食运动的影像。变形虫通过身体前端微丝的
不断聚合和身体后端微丝的不断解聚来向前运动，最终完成摄食。依赖于微丝的
运动还包括肌肉的收缩过程。在这个过程中肌球蛋白丝和肌动蛋白丝相互滑动，
使肌肉中肌细胞的纤维缩短，完成肌肉收缩。另外，我们都知道细胞的增殖主要
依赖于有丝分裂，微管和微丝在这个过程中也起着重要的作用，例如纺锤体和胞
质收缩环的形成。通过以上的例子，我们可以发现细胞骨架在细胞的运动中发挥
着不可替代的作用，正是由于细胞骨架的存在，细胞才能正常运动，使生物体正
常生活运动。
第五节细胞骨架异常那些事儿
草莓富含多种维生素，是大家喜爱的水果之一，现在市面上可购买的草莓琳
琅满目大小不一，右边个硕大的草莓其实是人工培育的结果，这个过程又和细胞
骨架密切相关，接下来，我们来具体了解一下，大个草莓是如何诞生的？我们平
时见到的自然条件生长的草莓都是二倍体生物，为了获得更优质的草莓品种，科
学家用秋水仙素处理草莓幼苗，这个秋水仙素可以抑制细胞分裂时纺锤体的形
成，从而引起细胞内染色体数目加倍，获得我们刚才看到的大个的多倍体草莓。
与二倍体植物相比，多倍体植株果实和种子都比较大，蛋白质和糖类等营养物质
的含量都有所增加，更具有经济价值。而纺锤体主要由微管组成，秋水仙素可抑
制微管蛋白的聚合，从而导致微管不能正常形成。
而无子西瓜的培养也是利用秋水仙素抑制微管这一原理。我们可以根据生产
需要利用细胞骨架的异常培育出具有经济价值的作物品种，这里使用的可用于细
胞骨架的药物，如秋水仙素，被称为细胞骨架特异性药物。但是在自然情况下，
细胞骨架自身出现的异常，往往会导致一些疾病，例如，人类不动纤毛综合征，
它是一类遗传性疾病，其发病原因往往是由于纤毛、鞭毛结构中的动力蛋白缺失
或缺陷，从而使气管上皮组织纤毛运动麻痹，精子尾部鞭毛不能移动，导致慢性
气管炎和男性不育。另外，近些年来的研究表明，肿瘤的发生与细胞骨架结构异
常也高度相关，因此细胞骨架功能的正常行使是细胞乃至有机体的正常运转所不
可或缺的一部分。