细胞骨架与细胞力学_细胞分子生物力学

细胞骨架与细胞力学由刀豆文库小编整理，希望给你工作、学习、生活带来方便，猜你可能喜欢“细胞分子生物力学”。

細胞骨架與細胞力學 細胞力學研究的重要性

近三十年以來，細胞力學的研究逐漸受到重視，特別是細胞力學與基材之間的交互作用所誘發出不同的細胞生理現象(7-9)，如細胞貼附、細胞骨架的聚合與分解、細胞活動性(Motility)、細胞遷移(Migration)、細胞凋亡等都以生物物理學的角度重新思考。透過瞭解與量化細胞的力學行為，希望能幫助我們去預測和控制細胞在不同環境下或人造材料上其細胞生理活動的行為，也期待能更進一步透過力學的途徑以控制細胞的生長，達到防制其病變的目的。此項基礎的研究，未來可應用在生物感測器、醫學植入物、組織工程、人造神經網路等領域上。引發細胞力學的細胞骨架

細胞骨架（cytoskeleton）是指真核細胞中的蛋白纖維網絡結構。發現較晚，主要是因為一般電鏡制樣採用低溫（0-4℃）固定，而細胞骨架會在低溫下解聚。直到20世紀60年代後，採用戊二醛常溫固定，才逐漸認識到細胞骨架的客觀存在。真核細胞借以維持其基本形態的重要結構，被形象地稱為細胞骨架，它通常也被認為是廣義上細胞器的一種。細胞骨架不僅在維持細胞形態，承受外力、保持細胞內部結構的有序性方面起重要作用，而且還參與許多重要的生命活動，如：在細胞分裂中細胞骨架牽引染色體分離，在細胞物質運輸中，各類小泡和細胞器可沿着細胞骨架定向轉運；在肌肉細胞中，細胞骨架和它的結合蛋白組成動力系統；在白細胞(白血球)的遷移、精子的遊動、神經細胞軸突和樹突的伸展等方面都與細胞骨架有關。另外，在植物細胞中細胞骨架指導細胞壁的合成。

微管可在所有哺乳類動物細胞中存在，除了紅細胞(紅血球)外，所有微管均由約55kD的α及β微管蛋白（tubulin）組成。它們正常時以β二聚體形式存在,並以頭尾相連的方式聚合，形成微管蛋白原纖維（protofilament），一般由13根這樣的原纖維構成一個中空的微管，直徑22~25nm。少數變異的微管如線蟲等所有的則有其他數目的原纖維。微管確定膜性細胞器（membrane-enclosed organelle）的位置和作為膜泡運輸的導軌。微管是細胞骨架的架構主幹，並也是某些胞器的主體，例如中心粒(centriole)就是由9組3聯微管組成的構造，而真核生物的纖毛(cilium)與鞭毛(flagellum)也是由以微管為9+2結構，即由9個二聯微管和一對中央微管構成，其中二聯微管由AB兩個管組成，A管由13條原纖維組成，B管由10條原纖維組成，兩者共用5條。A管對着相鄰的B管伸出兩條動力蛋白臂，並向鞭毛中央發出一條輻。基體的微管組成為9+0，並且二聯微管為三聯微管所取代，結構類似於中心粒。組成的軸絲(axoneme)為主體。

從各種組織中提純微管蛋白可以發現還存在一些其他蛋白成分（5%-20%），稱之謂微管相關蛋白（microtube aociated proteins MAPs）。這些蛋白具有組織特異性，表現出從相同αβ二聚體聚合形成的微管具有獨特的性質，已從人類不同組織中發現了多種α及β微管蛋白，並追蹤微管基因表現出部分基因家族，某些基因被認為是編碼獨特的微管蛋白。

微管形成的有些結構是比較穩定的，是由於微管結合蛋白的作用和酶修飾的原因。如神經細胞軸突、纖毛和鞭毛中的微管纖維。大多數微管纖維處於動態的聚合和災變(一種突然的，迅速的，一般不可逆轉的分解)狀態，這是實現其功能所必需的性質（如紡錘體）。與秋水仙素(colchicine)結合的微管蛋白可加合到微管上，並阻止其他微管蛋白單體繼續添加，進而破壞紡錘體的結構，長春花鹼具有類似的功能。紫杉酚(taxol)，能促進微管的聚合，並使已形成的微管穩定，然而這種穩定性會破壞微管的正常功能。這些藥物可以利用破壞微管功能以阻止細胞分裂，成為癌症治療的新希望。在人類至少發現兩種明顯區別的α-微管蛋白及三種明顯區別的β-微管基因，它們產生具有特定功能的微管蛋白mRNA，由於這些編碼在結構組分上十分近似蛋白質分子，在不同組織存在多少特異性的具有差異表達的微管蛋白亞型，尚待深入研究。除了α-與β-微管蛋白有編碼相似的不同變異型，近幾年來又發現了多種編碼差異更大的新的微管蛋白，形成不同的基因家族。其中gamma微管蛋白位於細胞內的微管組織中心（microtubule organizing center, MTOC），是用以提供α及β微管蛋白進行聚合反應形成微管的起始核心。而delta與epsilon則被認為與中心體(centrosome)的結構與形成有關。其他尚有eta, zeta, theta等等多種變異，不過通常僅存在少數幾種真核單細胞生物如原蟲或纖毛蟲裡，可能跟這些生物獨特的結構與生理習性有關，進一步詳情仍待研究。

微絲（microfilament）也普遍存在於所有真核細胞中，是一個實心狀的纖維，一般細胞中含量約占細胞內總蛋白質的1%-2%，但在活動較強的細胞中可占20%-30%。在一般細胞主要分佈於細胞的表面，直接影響細胞的形狀。微絲具有多種功能，在不同細胞的表現不同，在肌細胞組成粗肌絲、細肌絲，可以收縮（收縮蛋白），在非肌細胞中主要起支撐作用、非肌性運動和信息傳導作用。微絲主要由肌動蛋白（actin）構成，和肌球蛋白（myosin，一種‎分子馬達蛋白）一起作用，使細胞運動。它們參與細胞的變形蟲運動、植物細胞的細胞質流動與肌肉細胞的收縮：植物細胞的細胞質流動： 微絲中的actin(肌動蛋白)與myosin(肌球蛋白)在細胞質形成三維的網路體系。actin位於外質，myosin位於內質。myosin連結著細胞質顆粒，由ATP供給能量，myosin與細胞質顆粒的結合體沿著actin filament滑動，從而帶動整個細胞質的環流。變形蟲運動(amoeboid movememt，阿米巴運動)： 肌肉細胞的收縮：如同微管蛋白，肌動蛋白的基因組成一個超家族，並組成多種極為相似的結構。例如，各種肌肉細胞有不同的機動蛋白：①骨骼肌的條紋纖維；②心肌的條紋纖維；③血管壁的平滑肌；④胃腸道壁的平滑肌。它們在胺基酸組分上有微小的差異（大約在400個胺基酸殘基序列中有4-6個變異），在肌肉與非肌細胞中都還存在β及γ肌動蛋白，它們與具有橫紋的α肌動蛋白可有25個胺基酸的差異。G-肌動蛋白單體（含ATP）可聚合為呈纖維狀的F-肌動蛋白（含ADP），它們可由Mg2+及高濃度的K+或Na+誘導而聚合，聚合後ATP水解為ADP及C-肌動蛋白ADP單體，組成F-肌動蛋白。在骨骼肌的細肌絲（thin filament，由肌動蛋白構成）與粗肌絲（thick filament，由肌球蛋白構成）相互作用而使肌肉收縮（肌球蛋白可以起作肌動蛋白激活的ATPase的作用）。肌球蛋白也存在於哺乳動物的非肌細胞中（但以非聚合狀態存在）。

細胞骨架的第三種纖維結構稱中等纖維或中間纖維（intermediate filament,IF），又稱中間絲，為中空的骨狀結構，直徑介於微管和微絲之間，其化學組成比較複雜，在不同細胞中，成分變化較大。中間纖維使細胞具有張力和抗剪切力。中間纖維有共同的基本結構，即構建成一個中央α螺旋桿狀區，兩側則是大小和化學組成不同的端區。端區的多樣性決定了中間纖維外形和性質的差異和特異性。以上這些結構單元並非是一成不變的，而是隨細胞的生命活動而呈現高度的動態性，它們均由單體蛋白以較弱的非共價鍵結合在一起，構成纖維型多聚體，很容易進行組裝和去組裝，這正是實現其功能所必需的特點。

細胞力學的分類與評估技術

目前評估細胞的力學行為主要包含有細胞黏著力(Adhesion Force)、細胞黏彈行為(Viscoelastic)、細胞牽引力學(Traction Force)等領域。以下將對各領域的力學評估法作一敘述。

1.細胞黏著力的評估

在細胞黏著力的分析方法上，主要透過光鑷及微流場分析進行間接性、局部性 的細胞表面黏著力的量測。

2.細胞黏彈特性的評估黏彈性的測定原理主要測定細胞在力量或頻率改變 下其形變的反應量。在透過一已知正弦訊號（振幅與頻率為變異數）的應力施予，量測應變訊號的響應（相角 與振幅的變化量），可得知 細胞的黏彈特性。3.細胞牽引力的評估

細胞牽引力的力學量測原理大都是利用基材的形變程度來進行定量觀測(17-18)，為了在微小尺度下研究細胞牽引力的大小，大部分的研究者皆採用柔軟的彈性材料為基材，並透過化學方式來控制其機械強度，如以乳膠、不同交聯程度的水膠薄膜或具有彈性的矽氧樹脂(7,8,19-21)來進行量測。在細胞牽引力的評估上，有利用可皺摺式基材或彈性基材內鑲嵌標定用的微珠，來量化彈性基材形變量的方法；或將細胞直接培養在彈性微柱元件上，藉由微柱的偏移來量化細胞收縮或移動所產生的牽引力