微管由什麼構成

  微管為中空的管狀結構，其管壁由微管蛋白構成。兩個微管蛋白分子可組成二聚體，其形狀如同花生殼一般。這些二聚體首尾相連形成一條長絲（原絲），而13條原絲縱向連接在一起，便形成了微管的空心管壁結構（如圖6c所示），整個微管還通過相關蛋白的作用以保持其結構的穩定性。在鞭毛與纖毛的軸絲中，一種叫作動力蛋白的分子馬達介導了運動的產生。在這一過程中，動力蛋白將相鄰的微管連接起來，使其以同步的方式發生相互滑動，從而產生彎曲效應。彎曲效應沿著鞭毛向下傳遞，最終引起了「鞭打」運動的出現。在20世紀50年代，比約恩·阿夫澤利烏斯（Bjorn Afzelius）發現動力蛋白臂與鄰近小管之間存在密切的聯繫，而現在我們已經得知，動力蛋白臂與鄰近小管之間的作用模式並非如爬繩子一般兩手交替進行，而是不斷地發生連接與斷裂。

  如果鞭毛動力蛋白發生突變或缺失，後果是非常嚴重的。在發現動力蛋白的25年後，阿夫澤利烏斯在瑞典的一家不孕症診所觀察了4名不育症患者的精子，發現其精子尾部軸絲中缺乏動力蛋白臂，因此，這些精子是「不會游泳的」。毫無疑問，這將導致不育的發生。此外，有一半的患者還同時患有一種被稱為「內臟逆位」的疾病，表現為原本位於身體左側的主要內臟器官（如心臟、脾臟與胰腺）出現在身體右側。其原因在於胚胎發育早期，當左右體軸建立時，胚胎缺乏具有相應功能的纖毛。在20世紀30年代，馬內斯·卡塔格內（Manes Kartagener）對其進行描述後，這一疾病被命名為卡塔格內綜合徵。

  每個細胞都含有一種特化的纖毛。這些「初級纖毛」主要作為感覺結構發揮作用，如同無線電天線一般從周圍環境中收集信息。初級纖毛不能獨立運動，因為它們缺乏中央微管與周圍9個小管之間的動力蛋白連接。目前我們已經得知，初級纖毛可作為機械與化學刺激的受體，發揮重要的作用。在鼻腔內壁，經過修飾的初級纖毛與感覺氣味的嗅上皮特化細胞（樹突小結）上的感受器相連。而在眼睛中，視網膜特化的光感受器也通過初級纖毛附著於細胞上。此外，初級纖毛還在細胞分裂中起到了控制的作用，並很可能參與了細胞的運動過程。

  本章節來源於𝖻𝖺𝗇𝗑𝗂𝖺𝖻𝖺.𝖼𝗈𝗆

  由纖毛缺陷所引起的疾病被稱為纖毛病（ciliopathies）。纖毛病有著廣泛的症狀，在鑑定出共同的細胞學病因之前，這些症狀常常被誤認為是相互獨立的。纖毛病的其中一些症狀可能在所有患者中都出現，而另一些則是相對獨特的。口腔-面部-手指綜合徵患者常患有多指及腎臟問題。於19世紀末首次發現的Bardet-Biedl綜合徵患者同樣存在腎臟問題，但同時還患有可引起失明的視網膜退化、肥胖以及糖尿病等症狀——所有這些症狀都是由缺乏相應功能的纖毛所引起的。

  細胞內微管

  微管曾被認為僅存在於軸絲中，直到20世紀60年代初，隨著電子顯微鏡樣品製備技術的改進，研究者才發現微管存在於整個細胞質中。由於微管總是以直杆的形式呈現，它們最初被認為是一種剛性且穩定的結構。然而，劉易斯·蒂爾尼（Lewis Tilney）與基思·波特（Keith Porter）發現，將一種稱為放線菌的原生動物冷卻到大約4℃時，所有依賴微管的細胞延伸運動都會因為微管解體而崩潰，而在室溫下放置幾分鐘後，微管又會重新形成。直到20世紀80年代，蒂姆·米奇森（Tim Mitchison）發現微管可以在幾秒鐘內發生解體並重新形成，這一過程被稱為「動態不穩定性」。至此，微管的動態特性才為人們所了解。

  除上述功能外，微管也參與了有絲分裂紡錘體框架的形成過程，通過紡錘體的作用，染色體在細胞分裂時被均分至子細胞中（詳見第4章）。研究者將分裂中的細胞暴露於秋水仙鹼中，由於秋水仙鹼可與微管蛋白結合，阻止其相互聚合形成原絲，從而有效抑制有絲分裂紡錘體的形成，引起細胞分裂的「凍結」，這樣便可實現染色體的分析。秋水仙鹼是秋水仙提取物中的活性成分，古埃及人曾利用這一植物治療關節炎。此外，我們還可以通過抑制細胞質微管的降解來抑制有絲分裂紡錘體的重新形成。提取自太平洋紫杉樹皮的紫杉醇便是這樣的一種藥物。紫杉醇已成為一種治療癌症的有效藥物。由於剝去樹皮會導致樹木死亡，人們對紫杉樹皮的需求幾乎使得美國境內的太平洋紫杉遭受滅頂之災。但幸運的是，目前人們已掌握了化學合成紫杉醇的技術。由於癌細胞分裂速度較快，幾乎所有可以干擾微管與紡錘體形成的物質都是潛在的癌症治療藥物。

  成纖維細胞是微管功能研究的首選細胞。成纖維細胞存在於關節、韌帶、肌腱等結締組織中。人工培養的成纖維細胞呈長而扁平的形狀，可在培養皿表面移動，具有寬的前緣與窄的後緣（如圖3c所示）。與之相反，人工培養的上皮細胞仍保持著扁平與多邊形的形狀特點（如圖3b所示）。在所有人工培養的細胞中，細胞質微管從靠近細胞核的中心體處向外輻射。中心體作為微管的組織中心，可以控制微管的量與分布情況。中心體由中心粒所構成，這些中心粒與鞭毛或纖毛基部的基底體具有相同的結構。中心粒以成對的形式出現，彼此呈直角。在細胞分裂早期，它們將分離並遷移至細胞的兩端，進而組織搭建形成有絲分裂紡錘體的微管。

  體外細胞培養是一個相對簡短的技術步驟，包括在培養瓶中培養細胞、為細胞提供合適的環境（37℃的培養箱）以及將培養瓶放置於顯微鏡載物台上以便進行活細胞功能觀察等。由於活細胞基本呈透明狀，如果缺乏相差顯微鏡等光學系統的幫助，我們將很難看到細胞中的許多細節。通過相差顯微系統，細胞成分中折射特性的微小差異便可以轉化為亮與暗的區域。由於這一重大進展，弗里茨·澤尼克（Frits Zernicke）於1953年獲得了諾貝爾獎。如今，通過將目的基因與綠色螢光蛋白（GFP，專有名稱為水母光蛋白）相結合的方式，幾乎所有蛋白均可被「標記」上螢光（當被紫外光照射時便可發光）。GFP最初從一個「夜光」水母中提取獲得，通過改變其胺基酸序列，GFP的螢光性質也隨之發生改變，呈現出藍色、橙色、黃色與紅色螢光，這樣便可以在同一個活細胞中同時追蹤幾種不同的蛋白信號。除此之外，低光照相機也可以在一個細胞中捕獲到幾個分子的信號，同時還具有雷射照射、計算機成像與分析功能，並可以對活細胞進行觀察。這些新興的技術為研究者們提供了幾年前仍無法想像的海量信息。如今，我們可以在光學顯微鏡下觀察特定的活細胞，然後在毫秒內將其「快速凍結」，並進一步利用電子顯微鏡進行觀察。一種被稱為量子點的微探針既可發出螢光（可以用於光學顯微鏡觀察），又具有電子緻密的特點（可以用於電子顯微鏡觀察），因此，利用微探針便可以對同一個分子進行標記，進而通過光學顯微鏡與電子顯微鏡兩種技術進行觀察。

  利用相差顯微鏡對大多數活細胞進行初步觀察，可能會讓一些外行人大失所望，因為在鏡下看起來，似乎並沒有什麼特別的事情發生。單細胞生命體可以在鞭毛或纖毛的驅動下四處遊動，而阿米巴原蟲也可以緩慢爬行。對於培養中的細胞，科普節目中所展示的細胞活動視頻必然是通過間歇性拍攝法所實現的，即以幾秒鐘的時間間隔拍攝出單幅圖像，然後再進行加速播放。通過這樣的方法，原本細胞將花費一小時時間進行分裂，而在拍攝時，我們每隔10秒才拍攝一張圖片，最後再以每秒25幀的方式播放圖像，這可以將整個細胞分裂的過程壓縮到10秒以內，使其呈現出更為動態的特點。

  大約在20世紀70年代中期，人們通過縮時定格顯微鏡觀察到了看似不同尋常的細胞內運動。除了細胞質連續且隨機的布朗運動外，細胞內還存在一種明顯的停止/運動模式，即一個粒子在細胞中突然移動了幾微米，並時常在停止與運動之間切換。令人驚奇的是，這種「跳躍式」運動往往沿直線產生，就如同在軌道上一般。在冷刺激或秋水仙鹼（可以破壞微管）處理後，跳躍運動將受到干擾；而在紫杉醇（可以穩定微管）處理後，跳躍運動則不受干擾。很顯然，這說明完整的微管就像導軌一樣，介導了細胞內囊泡的運輸。直到20世紀90年代中期，人們才發現物質是如何沿著微管運動的，同時鑑定出了負責運輸的馬達蛋白——驅動蛋白。驅動蛋白的形狀就像一個顛倒的「Y」字母，因此它就像擁有了兩條腿一般，可以「沿著微管行走」，並且在頭頂上頂著一個大氣球（附著的液泡），宛如一名走鋼絲的步行者一般。細胞質形式的動力蛋白（可以驅動鞭毛微管彼此通過）也以非常相似的方式工作著。以上兩種分子的能量由ATP所提供。分子在行走時，「每一步」是16納米，而每微米行程則須走62步，因此幾個微米（橫跨半個細胞）的路程約在幾分鐘內便可完成。通過在電子顯微鏡下對分子細節進行分辨，驅動蛋白和微管之間的分子相互作用最終得以確定。這一研究結果得益於瞬時細胞冷凍技術的發展，它可以使細胞內分子結構固定至與活細胞完全一致的狀態。在網絡上可以找到相關的分子動畫，它們很好地展示了運動蛋白與微管間的相互作用關係。