За образование цитоскелета отвечает

Цитоскелет — это клеточный каркас или скелет, находится в цитоплазме живой клетки. Он присутствует во всех клетках, как эукариот (животных, растений, грибов и простейших), так и прокариот. Это динамичная структура постоянно меняется, в функции которой входит поддержка и адаптация формы клетки к внешним воздействиям, экзо- и эндоцитоз, обеспечение движения клетки как целого, активный внутриклеточный транспорт и клеточное деление. Цитоскелет образованный белками. В цитоскелета выделяют несколько основных систем, называемых или основными структурными элементами, заметными при электронно-микроскопических исследованиях (микрофиламенты, промежуточные филаменты, микротрубочки), или по основным белками, входящих в их состав (актин-миозиновых система, кератиновое система, тубулин- динеинова система).

Общий план строения филаментов цитоскелета

Элементы цитоскелета являются полимерами, мономерами которых выступают определенные белковые субъединицы. В отличие от других биополимеров, таких как сами белки или нуклеиновые кислоты, структурные единицы цитоскелета соединены друг с другом слабыми нековалентными связями. Полимерная строение выгодна из-за того, что позволяет клетке быстро перегруппировывать цитоскелет: белковые мономеры маленькие, и они могут быстро диссоциировать в цитоплазме, в отличие от длинных филаментов.

Промежуточные филаменты состоят из субъединиц, которые сами являются удлиненными фибриллярного белка, в то время как мономерами микрофиламентов и микротрубочек является глобулярные белки актин и тубулин соответственно. Белки цитоскелета могут самоорганизовываться в длинные филаменты, образуя различные типы латеральных контактов и контактов типа «хвост-голова». В живой клетке этот процесс регулируется огромным количеством вспомогательных белков.

Элементы цитоскелета могут быть одновременно динамичными и очень прочными за того, что они состоят из нескольких протофиламентив — длинных линейных нитей, построенных с мономеров, размещенных в один ряд. Обычно протофиламенты спирально закручиваются друг вокруг друга. Микротрубочки состоят из тринадцати протофиламентив размещенных по кругу, микрофиламенты — из двух спирально закрученных, а промежуточные филаменты — с восьми. Вследствие такого строения диссоциация мономера с конца фибриллы происходит значительно легче, чем разрыв посередине, так как для диссоциации необходимо разрушения только одного продольного связи и одного-двух латеральных, а для разрыва — большого количества продольных связей. Поэтому перестройка элементов цитоскелета происходит относительно легко, и в то же время они могут легко противостоять тепловым повреждением и выдерживать различные механические воздействия.

Элементы цитоскелета эукариот

Основными функциями цитоскелета является поддержание формы клетки и обеспечения перемещения как клетки в целом, так и внутриклеточных компонентов внутри клетки. Цитоскелет состоит из трех основных компонентов: микрофиламентов, микротрубочек и промежуточных филаментов. Это супрамолекулярные, протяжные полимерные структуры, состоящие из белков одного типа.

Сравнительная характеристика основных элементов цитоскелета
	Микротрубочки	Актиновые филаменты	Промежуточные филаменты
Фотография
Схема строения
Струкутра	Трубка из 13 протофиламентив белка тубулина	Два закрученных одна вокруг одного протофиламенты актина	Несколько протофиламентив, состоящие из фибриллярных белков объединены в канатоподибну структуру
Диаметр	25Нм с просветом в 15 нм	7 нм	8-12нм
Белковые субъединицы	Тубулин — димер, состоящий из α- и β-тубулина	Актин	Различные белки в зависимости от типа клеток и функции (например кератин, белки ламины, виментину т.д.)
Нуклеотиды нужны для полимеризации	ГТФ	АТФ	Не нужны
Основные функции	Поддержание формы клетки Утоворення ресничек и жгутиков, обеспечивающих локомоциях клетки Расхождения хромосом во время деления клеток Транспорт органелл	Поддержание клеточной формы Изменения в форме клеток Сокращение мышц Движение цитоплазмы Локомоция клетки с помощью псевдоподий Обеспечение цитокинеза	Поддержание формы клетки Закрепление ядра и других органелл в определенном положении Образование ядерной ламины Поддержка аксонов в нейронах

Динамика элементов цитоскелета

Элементы цитоскелета являются динамическими структурами: их можно сравнить с цепочкой муравьев, которые идут к месту сбора пищи. Хотя сам цепочка может существовать часами, каждый муравей в нем находится в постоянном движении. Так же и элементы цитоскелета постоянно обмениваются субъединицами с цитоплазмой, где мономеры находятся в растворимой форме. Относительной стабильностью характеризуются только промежуточные филаменты, поэтому информация о динамике касается в большей степени микротрубочек и актиновых филаментов.

Примером динамичности и гибкости цитоскелета клетки может быть перегруппировки микротрубочек, которые в интерфазе образуют структуру похожую на звезду, лучи которой отходят от центра клетки, а перед разделением способны быстро создать веретено деления.
то же время некоторые структуры, построенные из элементов цитоскелета могут существовать очень долгое время: например на поверхности волосковых клеток внутреннего уха является вырасти — стереоцили, поддерживаемых пучками микрофиламентов. Эти пучки существуют на протяжении всей жизни животного, хотя их субъединицы постоянно обновляются

Скорость присоединения и диссоциации субъединиц описывается константами _k on (измеряется в М ^-1 × ^с -1) и _k off (измеряется в ^с -1) соответственно. Причем скорость присоединения зависит не только от _k on, но и от концентрации свободных мономеров в цитоплазме, а скорость диссоциации является постоянной. Когда филамент растет, то количество свободных мономеров в цитоплазме падает, пока не достигнет определенного уровня — критической концентрации _(C C), при которой скорость присоединения будет равна скорости диссоциации: _{_C} C × k on = _k off, откуда:

Нуклеация

Мономеры элементов цитоскелета могут спонтанно образовывать комплексы в растворе. Однако, такие олигомеры обычно нестабильны, потому что каждая субъединица в них образует связи только с небольшим количеством других. Этих взаимодействий часто недостаточно, чтобы удержать комплекс, и он в основном быстро распадается.
я образования длинных филаментов необходимо наличие первоначального агрегата с такого количества мономеров, которой будет достаточно для стабилизации, такой агрегат называется ядром, а процесс его образования — нуклеации. Для актиновых филаментов, ядро должно состоять минимум из трех субъединиц, тогда как образование микротрубочек начинается с сложного комплекса (предположительно, из 13 молекул тубулина, образующих кольцо).

Нуклеация обычно является лимитирующим этапом в образовании длинных филаментов в растворе свободных мономеров. После инициации полимеризации в таком растворе наблюдается лаг-фаза, во время которой не наблюдается образование филаментов. Ее существование объясняется тем, что нестабильность небольших олигомеров создает кинетический барьер в полимеризации, и длится она до тех пор, пока не произойдет процесс нуклеации. Если к раствору мономеров добавить готовые комплексы субъединиц (например, состоящие из соединенных ковалентно мономеров), тогда лаг-фазы наблюдаться не будет.

Потребность в нуклеации используется клеткой для регулирования образования новых элементов цитоскелета. Существуют специальные белки, которые могут катализировать нуклеации в специфическом месте, где необходимо образование микротрубочек или актиновых филаментов.

Полярность микротрубочек и микрофиламентов

В отличие от мономеров промежуточных филаментов, актин и тубулин имеют два структурно и функционально разные концы. В составе микрофиламентов и микротрубочек все субъединицы возвращены в одну сторону, таким образом данные элементы цитоскелета обладают полярностью. Два конца этих филаментов отличаются по динамике полимеризации и деполимеризации:

конец, на котором полимеризация и деполимеризация происходят быстрее называется плюс концов;
конец, на котором полимеризация и деполимеризация происходят медленнее называется минус концов.

В микротрубочках α-субъединицы тубулина возвращены в минус-конца, а β — до плюс. В Микрофиламентов мономеры актина размещены таким образом, что их АТФ-связывающая щель указывает в сторону минус конца.

Несмотря на то, что абсолютные занчення _k on и _k off могут сильно отличаться для плюс и минус конца, их соотношение является постоянной величиной. Поскольку изменение свободной энергии ΔG вследствие диссоциации или присоединения новой субъединицы одинакова, не в зависимости от того, на каком конце филамента произошли изменения. Поэтому, когда концентрация свободных мономеров C <C _C, оба конца укорачиваются, а когда C> C _C, оба конца растут. Это подтверждается только при отсутствии гидролиза нуклеозидтрифосфатов (АТФ или ГТФ).

Гидролиз нуклеотидтрифосфатив

Актин и тубулин — это не просто мономеры элементов цитоскелета, они также являются ферментами, которые могут осуществлять гидролиз АТФ и ГТФ соответственно. Одна молекула актина связывает одну молекулу АТФ, тогда как димер тубулина — две молекулы ГТФ (по одной на каждую субъединицу), то ГТФ, что находится в α-субъединицы никогда не гидролизуетья и не обменивается, тогда как ГТФ β-субъединицы может превращаться на ГДФ.

В свободных мономерах актина и тубулина гидролиз нуклеотидов происходит очень медленно, для ускорения этого процесса необходимо действие определенного фактора — ГТФаза- или АТФаза-активирующих белков. Причем для тубулина и актина такими факторами являются другие молекулы тубулина или актина соответственно, поэтому гидролиз нуклеотидтрифосфату значительно ускоряется после инкорпорации мономера в филамент цитоскелета, где он взаимодействует с другими идентичинмы молекулами. Микротрубочки и микрофиламенты могут существовать в двух формах «Т-форме» (мономеры связаны с ГТФ или АТФ) и «Д-форме» (мономеры связаны с ГДФ или АДФ).

После гидролиза нуклеотидтрифосфату большая часть энергии, высвобождаемой «хранится» в структуре филаментов. Поэтому изменение свободной энергии для диссоциации мономера с Д-формы становится негативный, чем для диссоциации с Т-формы, а следовательно и соотношение _k off / _k on, равное значению критической концентрации, будет больше для Д-формы, чем для Т. Иными словами, Д-форма более «склонна» к диссоциации. При определенном значении концентрации свободных субъединиц C, когда C _C (T) <C <C _C (D), Т-форма филаментов будет расти, а Д-форма — вкорочуватись.

Тредмилинг

Вероятность того, что определенная субъединица филаментов цитоскелета гидролизует связан нуклеотидтрифосфат и перейдет в Д-форму, тем больше, чем дольше эта субъединица находится в составе полимера. Поэтому посередине филаментов, где все мономеры уже «древние», они имеют в своем составе нуклеотиддифосфаты. К концам присоединяются преимущественно новые молекулы в Т-форме (поскольку концентрация АТФ или ГТФ в цитоплазме в десятки раз превышает концентрацию АДФ и ГДФ соответственно). На минус-конце полимеризация происходит медленно, поэтому гидролиз «успевает» за ней, и не происходит накопления субъединиц в Т-форме. Зато на плюс-конце, где полимеризация значительно быстрее, образуется «кэп» из нескольких субъединиц, содержащих негидролизовани нуклеотидтрифосфаты. Таким образом один конец (+) филамента находится в Т-форме, а другой (-) — в Д-форме и при концентрации свободных филаментов C, где C _C (T) <C <C _C (D), плюс-конец расти , а минус- — вкорочуватиметься, а общая длина не будет меняться. Этот процесс называется тредмилинг, он наблюдается как в микротрубочек, так и в актиновых филаментов, но характерно для последних. Тредмилинг всегда нуждается в энергии, выделяемой за счет гидролиза АТФ.

Динамическая нестабильность

В зависимости от скорости полимеризации и гидролиза нуклеотидтрифосфатив конце филаментов цитоскелета могут изменять свое состояние: переходить с Т-формы в Д-форму и наоборот.
ли концентрация свободных филаментов при этом меньше _C C (T) и больше _C C (D), то такой переход будет иметь важные последствия: филамент будет переходить от роста к укорочению (это событие называется катастрофа) либо наоборот (восстановления). Способность элементов цитоскелета быстрой смены «режимов» полимеризация / деполимеризация при постоянной концентрации свободных субъединиц называется динамической нестабильностью.

Явление динамической нестабильности особенно характерно для микротрубочек. В Т-форме их протофиламенты прямые, а при переходе к Д-формы они искривляются. Когда микротрубочки имеет ГТФ-кэп, он стабилизирует всю структуру, однако после ее потери (из-за замедления полимеризации или ускорения гидролиза) протофиламенты в Д-форме начинают очень быстро «розлуплюватись».

Также наблюдаются некоторые флуктуации длины актиновых филаментов, однако они в десяток раз меньше, чем в микротрубочек.

Яды, влияющие на цитоскелет эукариот

Поскольку нормальное функционирование системы микротрубочек и промежуточных филаментов необходимо для выживания и разделения килтины, эти клеточные компоненты часто являются мишенями действия природных токсинов. Некоторые из этих ядов связываются со свободными мономерами актина или тубулина и препятствуют им полимеризоваться, другие же наоборот — взаимодействуют с полимерными формами и не допускают диссоциации мономеров.
пример вещество таксол с тихоокеанского тиса (Taxus brevifolia) стабилизирует микротрубочки в полимерных форме, в то время как колхицин с безвременника осеннего (Colchicum autumnale) и винбластин с катарантуса (Catharanthus) наоборот не дают мономерам тубулина объединяться. Существуют вещества, аналогичным образом действуют и на актиновые филаменты: фалоидин с бледной поганки (Amanita phalloides) способствует филаментозний форме актина, а латрункулин с морской губки Latrunculia magnifica — наоборот, растворимой мономерной.

Кроме того, что подобные вещества широко используются для изучения свойств цитоскелета, некоторые из них также есть и терапевтическими препаратами. Таксол и винбластин благодаря своей способности изменять характер полимеризации микротрубочек способны достаточно эффективно убивать клетки, которые быстро делятся, при этом проявляя небольшое влияние на другие клетки. Поэтому их используют для лечения раковых заболеваний. Особенно популярен таксол для терапии рака молочной железы и рака легких, он часто бывает эффективным даже в тех случаях, когда другие методы химиотерапии не действуют.

Цитоскелет прокариот

До недавнего времени считалось, что цитоскелет имеют только эукариоты. Но последние исследования показывают, что для всех составных частей эукариотического цитоскелета можно найти гомологи у прокариот. Хотя сходство в аминокислотной последовательности белков небольшая, восстановления трехмерной структуры белковых молекул позволяет говорить о значительной структурное сходство и гомологичнисть этих структур.

Гомологи тубулина: с гомологов тубулина распространенным среди прокариот является белок FtsZ, что был первым найденным компонентом прокариотической цитоскелета. Подобно тубулина, FtsZ формирует филаменты тратя ГТФ, но эти филаменты НЕ группируются в трубочки. В течение деления клетки, FtsZ — первый белок, перемещается на место разделения, формируя «кольцо разделения» или Z-кольцо, которое обеспечивает прохождение цитокинеза, также FtsZ важен для привлечения ферментов, которые синтезируют новую клеточную стенку между дочерними клетками.
Гомологи актина: MreB и ParM — это актино-образные белки прокариот. MreB нужен для придания формы клетке, в частности отвечает за различие между пиличкоподибнимы и спиральными бактериями. Все несферических бактерии имеют гены MreB или его близких гомологов. Продукты этих генов формируют спиральную сеть под клеточной мембраной, которая служит для удержания ферментов, задействованных в биосинтезе клеточной стенки. Белок ParM кодируется плазмидной ДНК многих бактерий и нужен для сегрегации копий плазмиды при делении.
Гомолог белков промежуточных филаментов кресцентин: бактерия Caulobacter crescentus содержит третий белок, кресцентин, гомологический промежуточных филаментов эукариот. Кресцентин также используется для поддержания формы клетки.
Элементы цитоскелета прокариот, не имеющих гомологов у эукариот: у прокариот также имеющийся класс элементов цитоскелета, принадлежащих к семье WACA (англ. Walker A cytoskeletal ATPase) и не имеют гомологов в еукароит. К этому классу относится белок MinD, который является составной частью системы MinCDE, что обеспечивает определение места прохождения цитокинеза, а также белки, необходимые для различия копий плазмид, такие как ParA, Soj и другие.

Эволюция цитоскелета

Родственны между собой элементы цитоскелета были найдены у подавляющего большинства представителей всех трех доменов живых организмов: эукариот, бактерий и архей. Это свидетельствует о том, что белки цитоскелета возникли еще до выделения этих трех ветвей, каким бы путем оно не происходило.

Белок FtsZ, с которого позже возник тубулин, вероятно, эволюционно очень древним. Он содержит очень мало аминокислот аргинина, лизина, фенилаланина, тирозина и гистидина и практически не содержит триптофана. Поскольку считается, что кодоны этих аминокислот были добавлены в генетический код последними, вполне вероятно, что какая-то форма FtsZ возникла еще до окончательного установления генетического кода и уже тогда служила для осуществления цитокинеза. Белки гомологи тубулина образуют отдельную семью ГТФаз, и не имеют никаких близких родственников. Зато MreB более «молодой» с эволюционной точки зрения белок, он, вместе с другими актиноподибнимы белками и актиний, принадлежит к семье АТФаз, которая также включает ферменты гексокиназы и шаперон hsp70. Причем первыми из этой семьи, больше всего, возникли гексокиназы.

Сравнение последовательностей аминокислот в белках FtsZ различных видов бактерий и архей между собой и с эукариотическими тубулина, а также MreB между собой и с эукариотическими актина выявило интересную закономерность:

Белки FtsZ очень далеких друг от друга видов прокариот, таких как бактерии Escherichia coli, Bacillus subtilis, Mycoplasma pulmonis и Архебактерии рода Halobacterium имели высокую степень идентичности в аминокислотной последовательности (от 46 до 53%); аналогичное справедливо и для белка MreB.
Эукариотические тубулина и актин даже еще более консервативные (напирклад между тубулина человека и дрожжей существует 75% идентичности, в то время как актин любых видов эукариот, обычно отличаются не более чем на 10%);
Несмотря на большую консервативность белков цитоскелета в пределах групп эукариот и прокариот, при сравнении этих белков между группами, оказывается, что идентичность настолько мала, что ее почти невозможно обнаружить обычными методами (менее 15%). Причем гомология наиболее выражена в ГТФ- и АТФ-связывающих доменах.

Для объяснения этой «загадки» была выдвинута гипотеза о том, что такая резкая дивергенция эукариотических белков цитоскелета от прокариотических состоялась вследствие изменения их роли в клетке. FtsZ перестал обеспечивать прохождение цитокинеза и стал механической опорой клетки, а позже взял на себя и другие функции, в то время как MreB, взял на себя роль осуществления деления клетки и фагоцитоза.

Чрезвычайно высокий уровень косервативности актина и тубулина в клетках эукариот объясняется тем, что эти белки взаимодействуют с огромным количеством других: регуляторных, вспомогательных, моторных и др. Именно актин является «чемпионом» среди эукариотических белков по количеству белков-партнеров, поэтому замена любой аминокислоты может привести к нарушению этих взаимодействий и иметь катастрофические последствия.

Третий тип элементов цитоскелета — промежуточные филаменты, эволюционировали другим путем. Они имеющиеся фактически только у эукариот, и хотя их гомолог кресцентин и был обнаружен у одного вида бактерий, скорее всего, эти бактерии получили его в результате горизонтального переноса генов от эукариот. Белки промежуточных филаментов, в отличие от актина и тубулина, не отличаются особой консервативностью.

Источник: info-farm.ru

Само высказывание о цитоскелете было впервые предложено Кольцовым, выдающимся русским цитологом в начале ХХ века, который и открыл их в 1920г. Элементы цитоскелета встречаются во всех эукариотических клетках, а вот аналоги этих структур есть и у прокариот. Степень выраженности элементов цитоскелета в разных клетках различна. Например, клетки эпидермиса кожи особенно богаты промежуточными филаментами. У мышечных волокон больше актиновых микрофиламентов, а микротрубочки больше встречаются в отростках нервных клеток, пигментных клеток. Общими свойствами элементов цитоскелета является то, что это белковые неветвящиеся фибриллярные полимеры, способные к увеличению площади поверхности и разрушению. Такая нестабильность элементов цитоскелета приводит к подвижности клетки. Например, к изменению их формы. Некоторые компоненты цитоскелета при участии специальных дополнительных белков могут стабилизироваться и образовывать сложные фибриллярные ансамбли, играя роль каркаса. При взаимодействии с другими специальными белками, которые относятся к моторным белками или транслокаторам, компоненты цитоскелета могут участвовать в разнообразных клеточных движениях.

Цитоскелет объединяет три подсистемы. Они различаются по составу, по ультраструктуре, по функциональным свойствам. Это система микрофиламентов (актин-миозин), система микротрубочек (тубулин-динеин) и система промежуточных филаментов (10-нм филаменты).

Микрофиламенты образуют пучки в цитоплазме подвижных клеток животных, образуя так же слой (под плазмалеммой) кортикальный, а в растительных клетках и грибах располагаются в слоях движущейся цитоплазмы. Основным белком микрофиламентов является белок актин. Это комплекс нескольких белков. Каждый белок в этом комплексе кодируется своим геном. Выделяют два вида актина – мономерную форму (глобулярную форму) G-актин., который содержит молекулу АТФ. При полимеризации G-актина образуется тонкая фибрилла, толщиной примерно 8 мкм. Эта структура называется F-актин. Актиновые микрофиламенты полярны по своим свойствам. Это динамичные структуры, которые могут собираться и разбираться в зависимости от соотношения глобулярного и фибриллярного актина.

Неустойчивая фибриллярная система в клетках стабилизируется огромным количеством вспомогательных белков, которые взаимодействуют с F-актином. так, например, белок тропомиозин обеспечивает взаимодействие нескольких нитей актина, придавая им жесткость. Белки филламин и альфа-актинин образуют поперечные сцепки между нитями F-актина, что приводит к образованию сложной трехмерной сети. Эта сеть придает гелеобразное состояние цитозолю. Другие дополнительные белки могут связывать филаменты в пучки. Например, белок фимбрин. Кроме того, существуют белки, которые взаимодействуют с концами микрофиламентов и предотвращает из разрушение. Взаимодействие F-актина со всеми вспомогательными белками регулирует агрегатное состояние микрофиламентов, обеспечивая их рыхлое или, наоборот, тесное расположение. И обеспечивает их взаимодействие с другими компонентами.

Особую роль при взаимодействии с актином играет белок миозин. Он не относится к вспомогательным белкам. Он является вторым главным компонентом актиновой системы.

Миозин – семейство сходных белков. У всех этих белков в структуре выделяют головную или моторную часть, которая отвечает за АТФазную активность комплекса. Второй компонент миозиновых белков – шейка, которая связана с несколькими регуляторными белками. И третий компонент – хвостовая часть, который специфична для каждого вида миозина и определяет функцию этого белка.

Весь этот комплекс миозинов подразделяют на три типа: миозин I, миозин II и миозин V.

Миозин I. Представляет собой мономерную молекулу.

Миозины II и V – димеры. Их участок хвостовой части образует так называемую альфа-сверхспиральную структуру. 2 молекулы миозина II могут взаимодействовать между собой и образовывать фибрилу.

Миозин I и V участвуют во взаимодействии цитоплазмы и мембраны, например, в транспорте везикул. Механизм взаимодействия этих белков, основных белков системы микрофиламентов, начинается с взаимодействия миозиновой головки с актиновым филаментом, что приводит к изгибанию участка молекул миозина и последующему перемещению.

За каждый цикл миозиновая головка перемещается в направлении положительного конца актинового филамента за счет гидролиза одной молекул АТФ на 5 – 25 нм. Т.е., происходит однонаправленное скольжение филамента актина относительно молекул миозина. Эта модель получила название модели Хаксли. Теория скользящих молекул.

Поперечно-полосатые мышечные волокна являются увеличенной моделью микрофиламента. Миофибриллы представляют собой нить толщиной 1-2 мкм с чередующимися темными и светлыми участками. Единицей строения миофибриллы является саркомер или участок, расположенный между двумя Z-дисками или белками. Функции Z-дисков заключается в связывании соседних структур друг с другом. Сами Z-белки не являются сократимыми структурами.

Величина саркомеров в расслабленном состоянии варьирует от 1,8 до 2,8 мкм. Вдоль саркомера располагаются три участка протофибрилл. Тонкие, связанные с Z-диском, которые являются нитями актина. И толстые нити, которые представлены молекулами миозина. Располагаются толстые нити как бы в промежутках между нитями актина.

Головки молекул миозина взаимодействуют с нитями актина и возникают актин-миозиновые комплексы в результате взаимодействия двух самостоятельных белков активность этих комплексов во много раз больше АТФазных активов одного белка миозина.

Сокращение миофибрилл происходит за счет уменьшения расстояния между Z-дисками. Т.е. длина саркомера сокращается примерно на 20 процентов. Механизм сокращения заключается в кооперативном укорачивании всех саркомеров по длине миофибриллы. В основе сокращения лежит перемещение относительно друг друга тонких и толстых нитей, при этом, толстые нити миозина входят в промежутки между нитями актина, сближая Z-диска.

Какую функцию выполняет система микрофибрилл в составе цитоскелета:

1) Образование сократительного аппарата клетки, обеспечивающего подвижность.

2) Формирование скелетных структур, способных к собственному движению за счет процесса полимеризации и деполимеризации актина (G-актин и F-актин).

3) Механомеханическое перемещение в процессах эндо- и экзоцитоза и цитотомии (деление тела клетки).

Вторая опорно-сократительная часть цитоскелета – тубулиновая система или система микротрубочек.Эта система микротрубочек имеет много общего с уже рассмотренной актин-миозиновой системой. Похожа на нее, во-первых, способностью к полимеризации и деполимеризации. Во-вторых, так же имеет полярность белковых нитей. В-третьих, это большое количество вспомогательных белков.

Основной белок этой системы – тубулин. Тубулин является гетеродимером. Состоит из двух частей – альфа и бета тубулина. Эти субъединицы при ассоциации образуют собственно белок тубулин.

В процессе полимеризации молекулы тубулина объединяются таким образом, что бета субъединица взаимодействует с альфа-субъединицей, а альфа-субъединица взаимодействует с бета-субъединицей.

Такие молекулы выстраиваются друг за другом в длинные нити протофиламенты.

Одновременно с настраиванием протофиламента в длину при полимеризации происходит и настраивание в ширину. В шахматном порядке. В ширину максимум до 13 протофиламентов. Продольные протофиламенты скручиваются в полую трубочку, в которой каждый мономер тубулина характеризуется линейным размером 5 нм. Внешний диаметр образовавшегося цилиндра равен примерно 25 нм. Вот такие микротрубочки, которые получились в результате полимеризации отдельных молекул тубулина в цитоплазме называются одиночными микротрубочками. Это динамические структуры. Динамическая нестабильность – самая емкая характеристика трубочки. Они быстро разбираются и быстро собираются. Этот процесс зависит от соотношения в клетке молекул одиночных и организованных в микротрубочки.

При достаточной концентрации белка тубулина полимеризация происходит спонтанно и скорость полимеризации всегда выше на одном из концов микротрубочки, который и называется положительным концом. При недостаточной концентрации тубулина микротрубочки будут разбираться с обоих концов. Разборке микротрубочек способствует, во-первых, понижение температуры, а во-вторых, этот процесс требует присутствия ионов кальция.

Выделяют несколько типов веществ, алколоидов растения, которые определяют скорость разборки или сборки молекул тубулина. Самый распространенный алколоид колхицин. Это вещество взаимодействует с отдельными молекулами тубулина и предотвращает полимеризацию. Среднее время жизни примерно равно пяти минутам. Такое состояние характерно для интерфазы. Отдельные микротрубочки на растущем конце удлиняются со скоростью 4-7 мкм/минуту, а затем достаточно быстро укорачиваются. 14-17 мкм/м. В делящихся клетках микротрубочки собираются в особую структуру. Организуются в ахроматическое веретено деления, обеспечивающее процессы распределения генетического материала между дочерними клетками. Время жизни этих микротрубочек в составе ахроматического веретена всего 15-20 сек. Считается, что нестабильность микротрубочек связана с задержкой гидролиза ГТФ. Однако, 20% микротрубочек остаются относительно стабильные в течении 20 часов в дифференцированных клетках. Связана эта стабильность с модификацией тубулина.

Сами микротрубочки не являются сократимыми, однако они являются обязательными компонентами движущихся клеточных органелл, таких как реснички, жгутики, ахроматическое веретено деления, как микротрубочки цитоплазмы, которые обязательны для внутриклеточного транспорта, процессов экзоцитоза, эндоцитоза и транспорта всех видов.

Цитоплазматические одиночные микронемы, локализуясь в гиалоплазме, выполняют две функции – каркасную (скелетную) и двигательную Скелетная заключается в стабилизации формы клетки. При искусственном растворении их клетка теряет свою форму и стремится стать шаром. Создавая внутриклеточные организации, микротрубочки являются факторами ориентированного движения внутриклеточных структур.

Двигательная роль микротрубочек заключается в том, что они создают упорядоченную векторную систему движения. Положительные концы микротрубочек направлены от центра клетки к периферии. А наличие этих положительных и отрицательно направленных полярных концов микротрубочек с динеинами создают возможность переноса в клетке компонентов от периферии к центру.

Микротрубочки растут из центра организации микротрубочек (ЦОМТ).

В этих центрах микротрубочки начинают свой рост от специальных участков и рост осуществляется полярно. Наращивается положительный конце микротрубочек. В качестве ЦОМТов в клетках животных главным образом участвует матрикс клеточных центров или центросомы. Своими отрицательными концами микротрубочки обращены к ЦОМТам и в них происходит заякоривание. Под этим понимают взаимодействие со специальными белками, ограничивающих набор микротрубочек. В клетках высших растений полимеризация микротрубочек происходит по периферии клеточного ядра, от которого трубочки расходятся радиально..

В большинстве случаев в интерфазных клетках животных организма новообразование и рост микротрубочек происходит от специального образования.

Функции:

1) Микротрубочки формируют организованные структуры входя в состав ресничек, центриолей и жгутиков, обуславливая движение ресничек и биение жгутиков.

2) Микротрубочки организуются в нити ахроматического веретена деления при делении клетки.

3) Осуществляют транспорт внутри клетки, перемещая мембранные, секреторные и транспортные белки и органоиды.

4) Являются цитоскелетом клетки, обеспечивая удержание формы.

ЛЕКЦИЯ: Клеточный центр (центросома)

Центросомы или клеточный центр были обнаружены в 1875 году Флемингом. В 1876 – Бенеденом. Располагаются в геометрическом центре клетки. Они характерны для клеток животных. Их нет у высших растений, у низших грибов и некоторых простейших. В клеточный центр входят мелкие плотные тельца центриоли, обычно в паре. Пара центриолей – диплосома. В этой паре центриоли ориентированы перпендикулярно друг к другу. Диплосома окружена более светлой цитоплазмой, от которой отходят радиально тонкие фибриллы – центросфера.

Основу строения центриоли составляют расположенные по окружности девять триплетов микротрубочек. Образованный девятью триплетами полый цилиндр имеет ширину приблизительно 0, 15 мкм, а длину 0,3 – 0,5 мкм. Первая микротрубочка триплета называется а-микротрубочка. Она полная микротрубочка. Вторая и третья микротрубочки являются не полными. Они содержат 11 протофиламентов и вплотную примыкают друг к другу Другими словами, участок, соединяющий микротрубочки является общим.

Каждый триплет располагается примерно под углом 40 градусов к радиусу цилиндра. Микротрубочки состоят из тубулина. Кроме тубулина в состав центриоли входят дополнительные структуры, представленные белком динеином.

Обычно, в интерфазных клетках в составе диплосомы выделяют материнскую центриоль и дочернюю. Дочерняя располагается перпендикулярно к продольной оси материнской центриоли. В центральной части центриоли располагается так называемая втулка, которая представлена белком нексином. Нексин формирует выросты, которые назваются спицами, девять спиц в направлении каждого триплета. Объем, который занимает внутри центриоли втулка со спицами может занимать от 34 до 15. Рядом с диплосомый от материнской центриоли располагаются в виде аморфного материала выросты, которые называются придатками или сателлитами материнской центриоли. У дочерней придатков никогда нет.

Систему микротрубочек центриолей описывают формулой 9+0. Вокруг центриолей тонковолокнистый матрикс – муфта, в который погружены микротрубочки. В муфте есть спутники (= перецентриолярные сателлиты). Они состоят из фибриллярных структур с треугольной ножкой. Ножка несет головку. Контактируют с мелкими тельцами. Сателлиты – центры, на которых происходит сборка микротрубочек.

Такая морфология диплосомы не является данной. Все это является очень пластичной структурой. Строение и активность центросомы кардинально меняется в зависимости от периода клеточного цикла.

Клеточным циклом называется время от начала образования клетки до ее собственного деления.

Периоды: деление (деление ядра и деление цитоплазмы), составляет примерно 17 часть клеточного цикла. А остальное – период подготовки к делению (интерфаза).

Для каждой стадии клеточного цикла характерны свои особенности метаболизма и морфологии.

Во время деления в клетках находится 2 центросомы. Клетка имеет 4 центриоли, они располагаются на полюсах клетки в виде 2 диплосом. Материнская центриоль на всех стадиях митоза окружена довольно широкой зоной, шириной примерно 0,3 мкм, представленной тонкими фибриллами. Эта зона называется центриолярным фибриллярным гало. От этого гало радиально отходят микротрубочки. Важно, что дочерняя центриоль не имеет ни гало, ни микротрубочек. И такая диплосома выполняет функции формирования веретена митотического аппарата. Ахроматическое веретено деления.

Зона диплосом, центросфера диплосом, называемая перицентриолярным матриксом, является центром организации или полимеризации микротрубочек (ЦОМТ). Это первая форма активности центриолей.

Центриоли – центры полимеризации микротрубочек. К концу телофазы, когда практически произошло разделение цитоплазмы клеток, хромосомы начинают деконденсироваться и образуются новые дочерние ядра. Происходит разрушение ахроматического веретена деления и трубочки веретена деполимеризуются. Клеточные центры тоже меняют свою структуру, а именно материнская и дочерняя центриоли теряют взаимное перпендикулярное расположение и отходят друг от друга. Расстояние варьирует до 2 мкм. Эти центриоли в начале G1-периода формируют сателлиты, от которых радиально отходят микротрубочки. Центриоли становятся местом формирования цитоплазматических микротрубочек. По мере роста микротрубочек связь с областью центриолей теряется и микротрубочки свободно существуют в цитоплазме некоторое время. И в клетке происходит как бы конвеерная смена и репродукция цитоплазматических микротрубочек. Если запретить клетке переходить в следующую фазу, то будет стадия покоя (G₀-период).

Переход клетки в стадию выполнения своих функций связан с функционированием клеточного центра как структуры, формирующей ресничку или вырост плазматической мембраны заполненной аксонемой. Аксонема – осевая нить.

Аксонема состоит из девяти дуплетов микротрубочек, которые отрастают из центриолей, и также располагаются по окружности радиально и в каждом дуплете выделяют полную и неполную микротрубочку. Кроме дуплетов микротрубочек, для реснички характерно наличие двух одиночных центральных микротрубочек, которые окружены дополнительным белком нексином в форме осевого или центрального цилиндра. (9+2). Центриоли выполняют функцию базального тела.

При наступлении S периода клеточный центр выполняет еще одну форму активности, а именно удвоение числа центриолей. Размножение центриолей не связано с их делением, а происходит путем образование зачатка или процентриоли, которая формируется как бы на стенке имеющейся центриоли перпендикулярно к каждой центриоли. Вначале закладывается девять одиночных микротрубочек, затем они преобразуются в девять дуплетов и только потом в девять триплетов. Такое наращивание называется дупликация. Благодаря такому росту структур сначала образуется короткая дочерняя центриоль, которая, затем, дорастает до размеров материнской. В S-периоде, одновременно с дупликацией, материнская центриоль продолжает образовывать цитоплазматические микротрубочки.

В результате процесса дупликации возле каждой центриоли вырастает новая центриоль. Дупликация центриолей является пусковым механизмом или сигналом для репликации молекулы ДНК. После завершения S-периода в клетке находится уже две диплосомы.

После наступает следующий период клеточного цикла. Постсинтетический период, прямо предшествующий делению. В это время исчезают сателлиты на материнской диплосоме. Обе материнские центриоли покрываются фибриллярным гало и начинают формировать теперь уже митотические микротрубочки.

Помимо этого, в цитоплазме происходит распад микротрубочек и клетка стремится приобрести шаровидную форму. Клетки, которые способны к длительному размножению, они повторяют эти события от цикла к циклу. Если же клетка находится в состоянии G₀ периода, то центриоль будет участвовать, во-первых, в процессе полимеризации цитоплазматических микротрубочек, а во-вторых, образования аппарата движения ресничек и трубочек.

Реснички подразделяются на две группы: кинетоцилии, которые характерны для специальных эпителиев или свободно плавающих клеток и первичные реснички.

Ресничка представляет собой тонкий цилиндрический вырост в цитоплазме с постоянным диаметром 300 нм. Вырост от основания до верхушки покрыт плазмолеммой. Внутри выроста расположена структура аксонема, состоящая в основном из тубулина и динеина.

Нижняя проксимальная часть реснички погружена в цитоплазму и называется базальное тельце. Диаметры аксонемы и базального тельца одинаковы. Аксонема в своем составе имеет девять дуплетов, образующих внешнюю стенку цилиндра аксонемы. Дуплеты микротрубочек слегка повернуты под углом примерно 10 градусов по отношению к радиусу аксонемы. В дуплетах микротрубочек так же различают полную или А-микротрубочку, состоящую из 13 протофиламентов и В-микротрубочку, неполную, она имеет 11 протофиламентов. А-микротрубочка несет на себе выросты, которые направлены к В-микротрубочке с соседнего дуплета. Формируют эти ручки дополнительный белок динеин. Денеин представлен крупными белковыми комплексами, состоящими из 9 – 12 полипептидных цепей, содержащих 2 – 3 глобулярные головки, связанные вместе более гибкими линейными участками. Каждая головка динеина имеет активный центр для взаимодействия с молекулой АТФ. От А-микротрубочек к центру центрально цилиндра отходят радиальные вспомогательные белки, которые формируют спицы, отходящие от центрально цилиндра.

Базальное тельце реснички имеет точно такое же строение, как и центриоль. Имеются ручки, втулка и спицы, расположенные в нижней части базального тельца. На участке базального тельца, примыкающего к плазмолемме, имеется девять придатков, идущих от каждого триплета к плазматической мембране и связывающих его с клеточной тканью. Поэтому базальное тельце и ресничка структурно связаны друг с другом и составляют единое целое. А- и В-микротрубочки в триплетах базального тельца, продолжаются в А- и В-микротрубочках в дуплетах аксонем. А вот внутренние части отличны друг от друга и часто в зоне перехода базального тельца в ресничку наблюдают аморфную поперечную пластинку, от которой начинаются в область аксонемы рост центральных микротрубочек. Реснички не сокращаются. Они изгибаются или бьются. В этом движении динеин является мото- или двигательным белком. При ассоциации динеина с субъединицами тубулина происходит продольное скольжение дуплетов один относительно другого. Происходит перемещение головок микротрубочек от положительного конца к отрицательному кольцу и соседний дуплет сдвигается к верхушке реснички. Дуплеты микротрубочек связаны друг с другом вспомогательными белками с центральной парой микротрубочек. Такое кооперативное смещение дуплетов в сторону верхушки приводит не к удлинению реснички, а к ее изгибу. Процесс является энергозависимым.

Многие бактерии способны к движению с помощью других органелл. Это бактериальный жгутик или флагелла. Жгутики бактерий принципиально отличны. Они имеют сложное строение. Состоят из трех основных частей: внешней длинной волокнистой нити собственно жгутика, крючочка и базального тельца. Жгутиковая нить построена из белка флагеллина. Молекулярная масса его от 40 до 60 тыс. Глобулярные субъединицы флагеллина полимеризуются в спирально закрученные нити так, что образуется структура. Диаметр 12 – 25 нм. Полая внутри. Белки флагеллина не способны к движению. Они могут спонтанно полимеризоваться в спиральные нити с определенным шагом спирали.

Вблизи клеточной поверхности бактерий флагелла переходит к более широкому участку, который называется крючок.

Длина крючка около 45 нм. Он состоит их других белков.

Бактериальное базальное тельце состоит из стержня связанного с крючком и четырех колец «дисков». Одно кольцо погружено в липосахаридную мембрану, другое – в слой муреина. Другие погружены в белковый комплекс. У эукариот жгутики движутся за счет продольного движения дуплетов. У бактерий движение жгутиков происходит за счет вращения базального тельца вокруг своей оси в плоскости плазматической мембраны. Движение жгутиков не зависит от АТФ.

Третья составная часть – 10-нм промежуточные филаменты. Они строятся из фибриллярных мономеров. Основная конструкция промежуточных филаментов напоминает канат, который имеет фиксированную толщину.

Локализация промежуточных филаментов строго центрирована в клетке. Они располагаются в околоядерной зоне и в пучках фибрилл, отходящих к периферии клеток.

Встречаются промежуточные филаменты во всех типах клеток животных, но особенно много в тех клетках, которые подвержены механические воздействия. Например, эпидермис, мышцы, нервные отростки. В клетках растений нет промежуточных филаментов.

В состав филаментов входит большая группа изомерных белков, которые подразделяются на четыре группы:

1) Кератиновые волокна. Они способны к полимеризации. Состоят из двух подтипов. Разделяются на кислые и нейтральные.

2) Виментин, виментиновые волокна, которые характерны для мезенхимных тканей. Десмин. Характерен для мышечной ткани, причем, и гладкой и поперечно-полосатой. Глиальный белок – оболочка вокруг нейронов.

3) Нейрофиламенты. Аксоны нервных клеток.

4) Белки ламины. Они не располагаются в субмембранном слое клетки, но последние данные показали, что по строению и свойствами ламины являются промежуточными филаментами.

Для всех промежуточных белков характерная сходная аминокислотная последовательность, представленная 130-ю остатками аминокислот в центральной части фибриллы, имеют спиральное строение – альфа-спираль (одинаковая у всех).

Кольцевые участки характеризуются разной аминокислотной поверхностью, разной длиной, представлены не спиралью.

Наличие центральных доменов позволяет образовать двойную спираль – димер, длиной около 48 нм. Димеры ассоциируют бок о бок. Образуют короткий проторфиламент, в котором будет уже 4 первоначальных молекулы и называется он тетрамер. Толщина его около 3 нм. Протофиламенты еще раз определяются попарно и образуются длинные тонкие фибриллы из состоящей из восьми продольных протофиламентов (октамер, диаметр 10нм). В этом особенность полимеризации промежуточных филаментов.

Белки ядерной ламины, они полимеризуются иначе. Они образуют димеры с головками на одном конце, они, полиризуясь по 2, формируют рыхлую сетчатую прямоугольную решетку. Такая решетка связанная из димеров, способна к реакции фосфорилирования, что приводит к распаду рыхлой прямоугольной решетки. Цитоплазматические промежуточные филаменты относятся к самым стабильным и долгоживущим элементам цитоскелета. Это и есть истинно-опорная система.

Интересно, что расположение промежуточных филаментов как бы дублирует расположение микротрубочек. При разрушении микротрубочек наблюдается интересное явление, которое называется коллапс промежуточных филаментов. Они собираются в плотные пучки вокруг ядра.

Функции промежуточных филаментов:

1) Структурная, противодействуют силам растяжения;

2) Интеграция трех систем клетки: поверхностного аппарата, цитозоля и ядра.

Итог темы. В составе цитоскелета можем выделить такие элементы цитоскелета: только каркасные (промежуточные филаменты) и опорно-двигательные (актин-миозин, тубулин-динеин). В опорно-двигательных элементах существуют 2 различных способа движения:

1) Основан на способности основного белка микрофиламентов актина и основного белка микротрубочек тубулина к полимеризации и деполимеризации, что приводит при связи этих белков с плазматической мембраной к ее морфологическим изменениям в виде образования псевдоподий, с целью перемещения клеток на поверхность субстрата.

2) При втором способе передвижения фибриллы актина или тубулина являются направляющими структурами, по которым перемещаются специальные подвижные белки – моторы. Они взаимодействуют с мембранными или фибриллярными компонентами клетки, вызывая ее перемещение.

Источник: studopedia.info