论文总字数：21978字

摘 要

细胞骨架广泛存在于真核细胞中，是具有高度有序结构的蛋白纤维三维网络体系；而肌动蛋白单体通过聚集形成的纤维状组装体—肌动蛋白纤维，是细胞骨架的基本组分之一，在细胞运动、形态和功能等方面起到关键作用。研究肌动蛋白纤维化能为细胞功能的认识和调控提供理论依据。本论文综述了肌动蛋白单体及其纤维、细胞骨架的分子结构，探究了肌动蛋白纤维化的动力学过程、肌动蛋白纤维的相关作用及功能，总结了蛋白纤维化过程及其影响因素，如界面的手性特征、界面的形貌和状态变化、界面曲率、粗糙程度等，对蛋白纤维化研究具有重要理论意义。

关键词：细胞骨架；肌动蛋白；纤维化；界面

Abstract

Cytoskeleton is a three-dimensional network system of protein fibers widely existing in eukaryotic cells, which has a highly ordered structure. And actin fiber, a fibrous assembly formed by actin monomer aggregation, is one of the basic components of cytoskeleton, and plays a key role in cell movement, morphology and function. The study of actin fibrosis can provide theoretical basis for the understanding and regulation of cell functions. In this paper, the molecular structure of actin monomers, their fibers and cytoskeletons are reviewed, the dynamic process of actin fibrosis, the related roles and functions of actin fibers are explored, and the process of protein fibrosis and its influencing factors are summarized, such as the chiral characteristics of the interface, the changes of the morphology and state of the interface, and the curvature and roughness of the interface, etc., which are of great significance to the study of protein fibrosis.

Keywords: cytoskeleton; actin; fibrillation; interface

目 录

第1章 绪 论 1

1.1 细胞骨架 1

1.2 肌动蛋白纤维及其作用 1

1.2.1 肌动蛋白纤维 1

1.2.2 肌动蛋白纤维的作用 2

1.3 肌动蛋白单体 4

1.3.1 肌动蛋白单体结构 4

1.3.2 狭缝结构 4

1.4 肌动蛋白纤维化过程 5

1.4.1 ATP分子的水解 5

1.4.2 纤维化过程的四个阶段 6

1.4.3 影响肌动蛋白单体聚合的因素 7

1.4.4 踏车效应 7

1.5 肌动蛋白纤维化的研究意义 8

第2章 有关肌动蛋白纤维化的研究 10

2.1 组装动力学及力学性质研究 10

2.2 机械外力及不同基底对肌动蛋白纤维化的影响 10

2.2.1 原子力显微镜 10

2.2.2 机械外力对肌动蛋白纤维化的影响 11

2.2.3 不同基底对肌动蛋白纤维化的影响 12

2.3 纳米材料基底对肌动蛋白纤维化的影响 13

第3章 对β淀粉样蛋白纤维化过程影响因素的研究 15

3.1 β淀粉样蛋白 15

3.2 多肽修饰的纳米粒子基底 16

3.3 界面的手性特征 18

3.4 界面的形貌和形态 20

3.4.1 界面曲率的影响 20

3.4.2 界面粗糙度的影响 21

3.4.3 界面流动性的影响 22

第4章 总 结 24

参考文献 25

附 录 28

致 谢 29

绪 论

细胞骨架

众所周知，人体的生命活动离不开细胞代谢，而细胞的代谢过程主要发生在细胞质中。生物大分子蛋白质在细胞质中的含量较高，其质量分数达到20%—30%。弱的非共价键使得蛋白质能够相互连接，从而形成纤维状的多聚体——细胞骨架^[1-2]。如图1.1所示，细胞骨架广泛存在于真核细胞中，是具有高度有序结构的蛋白纤维三维网络体系，主要由微管(microtubule)、微丝(microfilament)和中间纤维(intermediate)等生物大分子组成^[3]。其中，微管能够引导细胞中的各类物质运输，是主要的细胞支架和分子轨道；微丝能够保持细胞的形态，使其能够正常地进行细胞活动；而中间纤维的主要作用则是支撑细胞^[4]。随着细胞形态或外部信号传导的变化，大多数细胞骨架能够通过单体蛋白的聚合，以及其多聚体纤维的解聚来参加和调节细胞的众多基础生物过程和功能，如细胞形态、结构、极性、运动、分裂和增殖等^[4-5]。

图1.1 细胞骨架的种类 ^[6] （A）微丝（B）中间纤维（C）微管

肌动蛋白纤维及其作用

肌动蛋白纤维

微丝是细胞骨架的主要组成之一，如图1.2所示，呈扭链式纤维状结构，以束状平行排列或以网状疏散分布于细胞质中，具有高度动态性。微丝的直径在7 nm左右；两段蛋白长链相互螺旋，从而构成微丝；而每段蛋白长链都是由肌动蛋白(actin)通过聚合所形成的纤维状聚集体，称作“肌动蛋白纤维”(actin filament)^{[4, 7-8]}。肌动蛋白纤维的基本单元为单体肌动蛋白，是单体通过范德华力和静电引力等分子间相互作用连接而成的螺旋聚集体。螺旋结构是肌动蛋白纤维最显著的特征之一，肌动蛋白亚基的这种独特的分子排列方式使得肌动蛋白纤维具有许多特殊性质。研究表明，螺旋性是调控肌动蛋白纤维化过程的关键因素之一，尤其是适应和产生机械扭力，以及调控纤维与多种肌动蛋白相关蛋白的相互作用，并且在很大程度上对手性的建立起到了至关重要的作用^[9]。肌动蛋白纤维构成的细胞骨架具有动态性，能够通过肌动蛋白单体在其上的迅速聚合或解聚，对各种环境刺激及发育信号及时做出反应^[10]。

图1.2 肌动蛋白纤维及单体结构模型示意图^[11]

肌动蛋白纤维的作用

纤维肌动蛋白是一类重要的细胞骨架，其在生物体中的作用主要有^{[8, 12-18]}：（1）支撑细胞质膜，如在细胞膜内表面形成凝胶状三维网络结构（称为“细胞皮层”，如图1.3（a）所示），提高细胞质膜的韧性和强度；（2）决定细胞表面形态及功能，如在细胞表面形成凸起的丝状伪足，如图1.3（b）所示，和在神经细胞的突触顶端形成微刺和生长锥（如图1.3（c）所示）等；（3）通过迅速的聚合/解聚过程，为细胞运动提供作用力，如参与原生质环流、膜蛋白定位、细胞吞噬和变形运动等多种细胞运动；（4）为细胞分裂提供驱动力，如在有丝分裂末期的细胞中间形成收缩环，通过不断收缩使两个子细胞逐渐分裂，如1.3（d）所示；（5）控制肌肉收缩，肌动蛋白纤维与肌球蛋白之间产生相对位移，从而使肌肉组织实现收缩运动，如图1.3（e）所示；（6）参与受精过程，如形成精子顶体和卵细胞表面微绒毛，如图1.3（f）所示；（7）参与基因转录调控、染色质重构、DNA修复及核内外信号传导等细胞核的生物过程；（8）调控T、B细胞等免疫细胞功能，如通过重构细胞骨架，影响T细胞的生长，以及其形成免疫突触等重要生理过程；（9）参与细胞内外的物质运输及信号传导，如图1.3（g）所示；（10）调控细胞迁移及细胞凋亡等。

图1.3 纤维肌动蛋白在生物体中的作用^{[6, 11]} （a）细胞皮层（b）丝状伪足（c）生长锥（d）参与细胞分裂 （e）肌纤维（f）微绒毛（g）参与细胞内物质运输

肌动蛋白单体

肌动蛋白单体结构

肌动蛋白单体具有高度保守性，结构较为稳定而不易发生改变，一般为球形，也称“球形肌动蛋白”(G-actin)。单体肌动蛋白仅由一条肽链形成，直径为5 nm，含有374个氨基酸分子，分子质量为43 kDa，分子中含有5个半胱氨酸残基，其中一个与ATP结合。一定浓度的肌动蛋白单体在2 M Mg² 或0.1 M K 存在的条件下，能够发生聚合，从而形成肌动蛋白纤维^{[12, 15, 19]}。肌动蛋白单体在各类细胞的蛋白质总量中所占比例较高，在肌细胞中可以达到10%~15%。肌动蛋白单体主要以三种形式存在，不同种类的肌动蛋白在不同细胞或不同细胞部位起到的作用不同。其中，α-肌动蛋白普遍存在于肌肉组织中，负责调控细胞收缩；β-肌动蛋白和γ-肌动蛋白普遍分布于各类细胞中，前者主要附着于细胞膜内表面，构成细胞皮层和伪足，而后者则负责调控细胞膜的张力，如形成应力纤维等^{[8, 20-21]}。细胞膜通过肌动蛋白单体在膜表面伪足的前端不断聚合所提供的驱动力而持续前进，而细胞体则通过靠近基部的肌动蛋白纤维的不断解聚所提供的收缩拉力而向前运动。许多重要的生理过程，如胚胎的发育、组织的生长、以及细胞的免疫应答等，都与细胞的定向运动息息相关^[22]。

狭缝结构

如图1.4所示，在肌动蛋白单体内，有一个特殊的狭缝结构。狭缝中包含两个能够分别与核苷酸和二价阳离子特异性结合的位点；其中，核苷酸位点能够与三磷酸腺苷(ATP)或二磷酸腺苷(ADP)相结合，而二价阳离子结合位点则能够与二价的钾离子或镁离子相结合^[13]。当狭缝内的核苷酸结合位点与不同类型的核苷酸相结合时，会改变单体的分子构象，使其产生不同的组装行为。若该位点上含有ATP，则单体之间倾向于相互聚合，而形成纤维；若与ADP结合，则易发生解聚，而从肌动蛋白纤维上脱落^[23]。同样，肌动蛋白单体狭缝内的二价阳离子结合位点与不同离子结合时，表现出不同的稳定性；与Ca² 结合的肌动蛋白单体稳定性更高，不容易发生聚合，而与Mg² 结合的单体则更容易发生聚合。因此，含有特殊狭缝结构的肌动蛋白单体在空间上具有一定的极性，并表现出不同的组装方式。在肌动蛋白单体中，狭缝所面对的一端称为“负端”(minus end)或“倒刺末端”(pointed end)，而另一端则称为“正端”(plus end)或“尖刺末端”(barbed end)。与ATP相结合的单体，更倾向于聚集在肌动蛋白纤维的负端。当肌动蛋白单体之间发生聚合时，上一个单体的负端通过弱的非共价键与下一个单体的正端连接，从而使得肌动蛋白纤维形成相反极性的两端——正端和负端，并且所有与ATP结合的狭缝端都朝向纤维的负端^{[13, 22, 24-25]}。

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