Цитоскелет строение и функции
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 |
|
|
|
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
К структурам цитоскелета относят микротрубочки, тонкие микрофиламенты, промежуточные филаменты (микрофибриллы).
Они состоят из белков и не имеют мембран. Эти органеллы выполняют не только опорно-каркасную и формообразующую, но и множество других функций.
Микротрубочки. Они встречаются в цитоплазме практически всех клеток многоклеточных организмов, кроме прокариот. Микротрубочки исследуют при электронной микроскопии. Микротрубочки располагают отдельно в виде самостоятельной структуры или формируют сложные структуры центриолей, ресничек, жгутиков, веретена деления.
Органелла представляет собой прямую, не ветвящуюся, полую структуру. В цитоплазме большинства клеток микротрубочки постоянно подвергаются сборке и разборке. В результате этого динамического равновесия поддерживается вся система распределения органелл цитоплазмы, их положение в клетке, форма клетки, перемещение в ней веществ. Если вызвать в клетке деполимеризацию микротрубочек, введя колхицин или значительно снизив температуру, то форма клети сильно изменится и нарушится распределение в ней транспортных потоков. Следовательно, микротрубочки цитоплазмы формируют эластичный, но вполне устойчивый внутриклеточный скелет — цитоскелет.
При световой микроскопии скопления микротрубочек можно выявить с помощью специфических антител к тубулину. Они формируют скопление вблизи клеточного центра, участвуя в формировании центросферы.
Микротрубочки представляют собой полые цилиндры с общим диаметром 24 нм, внутренний просвет имеет ширину 15 нм, а толщина стенки — 5 нм. Микротрубочки состоят из глобулярных белков — тубулинов (13 на поперечном срезе). Глобулы тубулинов имеют диаметр около 5 нм, молекулярную массу 60 · 103 и коэффициент седиментации 3…4 S. Тубулины подразделяют на альфа — и бета-тубулины. Тубулины образуют димер — белок, состоящий из двух глобул тубулинов. Димеры соединяются в виде цепочки, которая формирует спираль. Тубулины могут быть в двух формах: глобулярной (диспергированной в матриксе) и фибриллярной (в виде микротрубочек). В составе тубулинов всегда обнаруживают значительное количество гуаниндифосфата (ГДФ).
Микротрубочки формируются в центрах организации микротрубочек, или микротрубочкоорганизующих центрах: центриолях, базальных тельцах ресничек и жгутиков, зонах кинетохоров митотических хромосом.
Образование микротрубочек происходит путем самосборки. Для этого необходимы: глобулы тубулинов, ГТФ (гуанинтрифосфат), белки, стимулирующие полимеризацию, высокое содержание ионов Mg2+ и отсутствие ионов Са2+. Если эти условия соблюдены, то образование новых микротрубочек происходит даже в пробирке (in vitro).
В начале полимеризации органеллы происходит нуклеация, формируется «затравка» из очень короткой цепи тубулинов в три ряда, затем к обоим концам начинают прикрепляться новые тубулины, и размер микротрубочки увеличивается.
Микротрубочки имеют положительный и отрицательный полюса. Со стороны отрицательного полюса, лежащего ближе к организатору микротрубочек, тубулины полимеризуются медленнее и легко распадаются до глобулярных частиц. Со стороны положительного полюса, направленного к периферии клетки, полимеризация идет быстрее.
Микротрубочки быстро распадаются на глобулярные частицы, взвешенные в гиалоплазме. Распад органеллы можно спровоцировать, увеличив внутри клетки содержание ионов кальция.
Микротрубочки формируют центриоли, несут опорно-каркасную функцию, контролируют транспортные потоки в цитоплазме, участвуя в циклозе, обеспечивают каркасную основу ресничек и жгутиков, формируют веретено деления в митозе и мейозе и др.
Создавая внутриклеточный скелет, микротрубочки могут быть факторами ориентированного движения клетки в целом и ее внутриклеточных компонентов, задавать своим расположением векторы для направленных потоков разных веществ и для перемещения крупных структур.
При разрушении микротрубочек фибробластов в культуре форма клеток из вытянутой становилась округлой или многоугольной (полигональной), их движения стали хаотичными, то есть эти органеллы контролируют направление движения клетки.
Разрушение микротрубочек колхицином нарушает транспорт веществ в аксонах нервных клеток, приводит к блокаде секреции и т. д. По цитоплазматическим интерфазным микротрубочкам, как по рельсам, могут передвигаться различные мелкие вакуоли, например синаптические пузырьки, содержащие нейромедиаторы, в аксоне нервной клетки или митохондрии. Эти перемещения возможны из-за связи микротрубочек со специальными белками — транслокаторами (динеинами и кинезинами), которые, в свою очередь, связываются с транспортируемыми структурами.
С тубулинами микротрубочек связан белок кинезин, обладающий АТФазной активностью и обеспечивающий транспорт органелл и других структур от центра к периферии (от отрицательного к положительному полюсу микротрубочки). Подобную функцию, но в противоположном направлении, выполняет цитоплазматический динеин.
За счет этого микротрубочки могут контролировать транспортные потоки и распределение структур в клетке.
Если оба конца микротрубочки «закрыты» (копированы), то есть связаны, например, с клеточным центром и наружной мембраной, то микротрубочки не распадаются и могут метилироваться (присоединять метальные группы), приобретая устойчивую форму. Такие метилированные, стабильные микротрубочки могут выполнять специализированные функции: служить основой ресничек, жгутиков и клеточного центра. В нейроне они образуют органеллу специального назначения — нейротубулу.
Нейротубулы выполняют разнообразные функции: опорно-каркасную, обеспечивают транспорт веществ (аксоток), контролируют выделение медиаторов, регулируют процессы регенерации в поврежденном нервном волокне и др.
Копировать концы микротрубочек могут белки микротрубочкоорганизующих центров (МОТЦ), или центров организации микротрубочек (ЦОМТ).
По бокам к микротрубочкам могут прикрепляться низкомолекулярные т-белки и высокомолекулярные MAP (microtubule associated proteins). Эти белки формируют «шипы» на микротрубочках, связывают элементы цитоскелета между собой, стабилизируют микротрубочки, могут находиться на конце микротрубочки, прикрывать его (кэпировать) и этим предотвращать их распад (деполимеризацию).
Микротрубочки являются составной частью клеточного центра, ресничек и жгутиков. Система микротрубочек развивается вместе с центриолью, в которой происходит начальная полимеризация тубулинов и рост микротрубочек цитоскелета.
Промежуточный филамент. Это нити с поперечным диаметром 8…11 нм. Их скопления формируют более толстые структуры — микрофибриллы, которые в нейронах участвуют в образовании нейрофибрилл. Они обеспечивают опорно-каркасную функцию. Промежуточные филаменты лежат в центральных областях клеток в виде трехмерной сети. На периферии филаменты нередко объединяются в пучки, прикрепляются к внутренней поверхности десмосом и полудесмосом. Промежуточные филаменты придают клеткам упругость и жесткость. Присоединяясь с помощью десмосом к подобным участкам соседних клеток, они формируют обширную сеть — каркас, который соединяет клетки в механически прочную и в то же время гибкую и эластичную систему. Это особенно важно в эпителиальных тканях, часто подвергающихся механическим воздействиям.
Промежуточные филаменты — неветвящиеся, располагающиеся пупками нити (микрофибриллы). Эти фибриллярные структуры относительно стабильны по сравнению с микротрубочками и тонкими микрофиламентами. Они состоят из фибриллярных белков-мономеров. Эти фибриллярные белки в виде α-спирали переплетаются между собой и поэтому органелла напоминает канат. Особенно хорошо развиты промежуточные филаменты в клетках, которые испытывают значительные механические нагрузки (эпителиальные, мышечные ткани).
Микрофибриллы являются тканеспецифичными, так как их образуют фибриллярные белки, различные по составу в зависимости от происхождения клеток и тканей. Десмины образуют промежуточные филаменты мышечных тканей мезодермального происхождения; виментины — клеток мезенхимального происхождения (ткани внутренней среды); цитокератины — эпителиальных клеток; белки нейрофибриллярного триплета — нейронов; глиальный фибриллярный кислый белок — астроцитов.
Особенностью промежуточных филаментов является то, что образующие их фибриллярные белки комплементарно соединяются друг с другом: кислые цитокератины с цитокератинами, имеющими основные свойства. Три мономера цитокератинов объединяются между собой в виде α-спирали. Каждая такая нить имеет толщину около 2 нм. Эти тонкие нити соединяются в более толстые образования — полые трубки с поперечным сечением 8…11 нм. В некоторых участках филаменты разволокняются, что облегчает связь нитей в органелле. Нити в таком филаменте свернуты в слабо закрученную спираль. Промежуточные филаменты могут формировать крупные комплексы (микрофибриллы).
Промежуточные филаменты в эпителии называются тонофиламентами, а микрофибриллы — тонофибриллами.
В отличие от микротрубочек промежуточные филаменты не имеют полярности и являются стабильными компонентами цитоскелета. На внутренней поверхности ядерной оболочки имеются структуры, аналогичные промежуточным филаментам. Они образованы белками ламинами и участвуют в формировании ядерной пластинки. К ним прикрепляется хроматин.
При помощи иммуноморфологических методов определяют тканевое происхождение тех или иных опухолей именно по белкам их промежуточных филаментов, что очень важно для диагностики и правильного выбора типа химиотерапевтических противоопухолевых препаратов.
Химический состав и молекулярная масса белков промежуточных филаментов довольно разнообразны. Так, выявлено, что кислых цитокератинов около 15 видов. Примерно столько же и основных цитокератинов. Молекулярная масса основных цитокератинов колеблется от 50 000 до 70 000, кислых — от 40 000 до 60 000. Примерно 8 из цитокератинов входят в состав производных кожи (волосы, когти, рога, ногти и т. д.). Их распределение зависит от типа эпителия. В многослойном эпителии цитокератины различны в разных слоях эпителия и преобладание того или иного цитокератина является косвенным признаком степени дифференцировки кератиноцитов (клеток многослойного эпителия).
Промежуточные филаменты нервной клетки — нейрофиламенты у позвоночных сформированы белками NF-Z, NF-M, NF-H, которые значительно отличаются по молекулярной массе (от 57 до 150 кДа). Эти белки и промежуточные филаменты поддерживают форму тел и отростков клеток нервной ткани, а также фиксируют на поверхности белки ионных каналов.
Десминсодержащие промежуточные филаменты поперечнополосатых мышечных тканей присоединяются к телофрагмам (Z-дискам) миофибрилл. Они связывают Z-диски, а через них и миофибриллы между собой. Миофибриллы могут прикрепляться через промежуточные филаменты к наружной мембране, соединяться с полудесмосомами.
При значительном повреждении клетки промежуточные филаменты формируют клубок — подвергаются коллапсу. В такой клубок погружаются поврежденные органеллы и другие макромолекулярные образования. Вероятно, это облегчает их последующий гидролиз (самопереваривание).
При регенерации сети промежуточных филаментов восстанавливаются от центральных участков клетки, от клеточного центра, что позволяет предполагать его роль как центра формирования не только микротрубочек, но и промежуточных филаментов.
Тонкие микрофиламенты. Представляют собой тонкие нити с поперечным диаметром около 6 нм. Микрофиламенты находятся практически во всех клетках и являются универсальными элементами цитоскелета. Концентрируются на периферии клетки, формируя так называемую «кортикальную» периферическую область клетки, а в толще цитоплазмы лежат в виде сети, отдельных волокон или в виде пучков. В кортикальном слое цитоплазмы тонкие микрофиламенты образуют сгущения под плазмолеммой в виде плотных пучков или слоев. В апикальной зоне эпителия такие сгущения называют кутикулой.
Тонкие микрофиламенты видны как плотно упакованные пучки, направляющиеся в клеточные отростки, где служат основой для их формирования (микроворсинки и стереоцилии).
Наряду с опорой микрофиламенты — это внутриклеточный сократительный аппарат, обеспечивающий не только подвижность клеток при активном амебовидном перемещении, но и при перемещении цитоплазмы, движении вакуолей, митохондрий, делении клетки.
Кроме того, актиновые микрофиламенты выполняют и каркасную функцию, соединяясь с рядом стабилизирующих белков, они могут образовывать временные или постоянные пучки или сети.
В большинстве клеток актины (основные белки тонких микрофиламентов) составляют около 5 % общего содержания белка. Выделяют пять форм актина (изоформ). Все изоформы близки по аминокислотным последовательностям, но строение и состав концевых участков полипептидных цепочек различные. Это приводит к различию в скорости полимеризации актина, что необходимо для двигательной активности клетки и скорости формирования выпячиваний и впячиваний клеточной мембраны.
Молекулы актина в тонких микрофиламентах закручены по а-спирали, располагаясь в виде двух цепочек. Такой актин называется F-актином. Как и тубулины микротрубочек, актиновые нити легко полимеризуются и вновь распадаются на отдельные глобулы. Диспергированный в гиалоплазме актин называют G-актином.
Тонкие микрофиламенты имеют отрицательный и положительный полюса. Область положительного полюса легче полимеризуется, а отрицательный полюс легче распадается.
Образование тонкого микрофиламента, как и микротрубочки, начинается с формирования тримера (нуклеация). Это цепочка из трех актинов. Затем к этому тримеру начинают присоединяться новые актины (элонгация) и длина тонкого филамента увеличивается. Выявлены белки, контролирующие эти процессы. Так, профиллин блокирует нуклеацию. Он присоединяется к активной зоне мономера и формирует димер, который не может связаться с другими белками — актинами. Фрагмин подавляет нуклеацию и элонгацию, также связывая концевые элементы цепочки.
С помощью опорно-каркасных белков микрофиламенты могут соединяться с клеточной мембраной — это α-актинин, талин, винкулин, спектрин, фрагмин, анкирин, адцуцин. Разнообразие сцепляющих белков обусловлено разными способами прикрепления микрофиламентов: параллельно мембране, в виде пучков (по типу копирования) и др.
Микрофиламенты сцепляются между собой с помощью белков фасцина, α-актинина, фимбрина, филамина, виллина. Эти белки могут связывать тонкие микрофиламенты в виде плотных (фимбрин) или рыхлых (α-актинин) пучков, сетей (филамин). Так, белок филамин, являясь еще и белком-стабилизатором тонких микрофиламентов, формирует сшивки в местах пересечения органелл. В результате образуются сети из сцепленных нитей. Если оба конца микрофиламентов сцеплены с мембраной или с какой-либо иной структурой (копированы), они не распадаются и становятся стабильными. Последующее метилирование предотвращает распад микрофиламентов.
Стабильные тонкие микрофиламенты характерны для мышечных тканей, где они называются тонкими миофиламентами. Совместно с миозинами они формируют специализированную органеллу мышечной ткани — миофибриллу. Белок тропомиозин стабилизирует тонкий миофиламент.
Гельзолин, виллин и фрагмин копируют положительный полюс тонкого микрофиламента. Акументин выполняет подобную функцию со стороны отрицательного полюса.
Тонкие микрофиламенты обеспечивают опорно-каркасную функцию, контролируют циклоз, участвуют в формировании адгезивных контактов (пояска сцепления или ленточной десмосомы). В поясках сцепления тонкие микрофиламенты лежат параллельно цитомембране вдоль адгезивного контакта. Они укрепляют данный контакт, связываясь также с элементами внутриклеточного цитоскелета.
Наряду с микротрубочками микрофиламенты контролируют направление транспортных потоков и распределение макромолекулярных образований, органелл. В циклозе важное значение имеет полярность тонких микрофиламентов, противоположная к микротрубочкам.
Микрофиламенты участвуют в движении клетки. Одним из ведущих факторов, обеспечивающих движение, является взаимодействие актина с толстыми микрофиламентами, содержащими миозины. В присутствии ионов кальция в поперечнополосатых мышцах это взаимодействие ведет к сокращению симпласта. В гладких миоцитах и немышечных клетках подобную роль играет взаимодействие с минимиозинами, а также способность актинов к быстрому распаду и полимеризации.
В результате перераспределения тонких микрофиламентов в кортикальной зоне клетка может формировать впячивания (псевдоподии, ламеллоподии). Это позволяет обеспечивать локальные движения и перемещения целой клетки. Подобный процесс лежит в основе фагоцитоза и экзоцитоза.
Если клетка находится в состоянии покоя, в условиях жидкой среды и отсутствия контактов с другими клетками, она отличается округлой формой и равномерной сетью тонких филаментов в цитоплазме. В процессе исследования движения клетки в культурах тканей доказано, что перемещение клетки, например фибробласга, начинается с формирования филоподии — нитчатого выроста цитоплазмы диаметром 0,3…0,5 мкм и длиной до 20 мкм. Затем образуются плоские пластинчатые выросты — ламеллоподии или выросты, напоминающие оборки — «рафлы». Ламеллоподии затем сливаются так, что образуется особая зона — ламеллярная цитоплазма, в которой почти нет органелл и рибосом, но много микрофиламентов. Если клетка равномерно распластана, то она отличается концентрацией органелл вокруг ядра, лежащего в центре. К наружи от органелл тонкие микрофиламенты формируют кольцо.
В процессе формирования ламеллоподий может активироваться движение клетки. Движение обусловлено преобладанием в одном из направлений адгезивных или так называемых хемотаксических факторов.
Хемотаксические факторы — это вещества, стимулирующие перемещение клеток в направлении их наибольшей концентрации. Начало перемещения сопровождается перераспределением органелл и других структур (поляризацией) клетки. Такая активированная к движению клетка отличается тем, что псевдоподии и ламеллярная цитоплазма сохраняются на одной из сторон клетки. Именно эта сторона клетки и есть направление ее дальнейшего перемещения. Боковые поверхности клетки остаются неактивными. Перемещающаяся поверхность взаимодействует с внеклеточными структурами с помощью точечных (фокальных) контактов. Тонкие филаменты распределены в виде пучков вдоль оси перемещения. Область ламеллоподии содержит многочисленные тонкие микрофиламенты и микротрубочки. С их помощью происходит транспорт элементов клеточной мембраны от полюса с малым содержанием хемотаксинов в полюс с их высокой концентрацией. В результате клетка подтягивается в направлении перемещения. В последующем цикл перемещения повторяется.
В течение цикла тонкие микрофиламенты и микротрубочки непрерывно перераспределяются. Сеть микрофиламентов крайне неустойчива и все время перестраивается. В клетке, свободно плавающей в межклеточном веществе, тонкие микрофиламенты располагаются диффузно. В покое тонкие актиновые микрофиламенты концентрируются в виде кольца, а часть из них лежит в виде радиальных пучков. Во время перемещения тонкие микрофиламенты распределяются вдоль основного направления движения. По ламеллярному краю видны отдельные волокна или их пучки, которые лежат параллельно поверхности клетки.
Перемещения клеток необходимы для нормального функционирования и развития тканей и органов. Так, процессы миграции обеспечивают развитие зародышевых листков, внезародышевых клеток, формирование центральной и периферической нервных систем. Без активных перемещений невозможны иммунные реакции, функционирование эпителиальных тканей и фибробластов, многие другие процессы.
Тонкие микрофиламенты являются опорой (основой) для микроворсинок и стереоцилий. В структуре этих специализированных образований тонкие филаменты располагаются в виде тесно лежащих пучков.
Толстые микрофиламенты. Они образованы белками миозинами (меромиозинами). Толстые микрофиламенты в поперечном сечении имеют диаметр 10…12 нм. Эти структуры находятся в мышечной ткани, обеспечивают мышечное сокращение при взаимодействии с актиновыми филаментами.
Источник: www.activestudy.info
Цитоскелет клеток. Строение, функции микротрубочек
Цитоскелет цитоплазмы представляет собой сложную сеть, состоящую из микротрубочек, актиновых филаментов (микрофиламентов) и промежуточных филаментов. Входящие в состав цитоскелета структурные белки обеспечивают поддержание формы клетки, а также играют важную роль в движении органелл и цитоплазматических пузырьков. Цитоскелет участвует также и в движении всей клетки.
Видео строение и функции цитоскелета
Микротрубочки
В цитоплазматическом матриксе эукариотических клеток присутствуют трубчатые структуры, которые известны как микротрубочки. Микротрубочки обнаруживаются также в цитоплазматических выростах, называемых ресничками и жгутиками. Наружный диаметр микротрубочек равен 24 нм, они образованы плотной стенкой толщиной 5 нм, окружающей полую центральную часть шириной 14 нм.
Микротрубочки варьируют по длине, отдельные из них могут достигать длины нескольких микрометров. Иногда две и большее количество микротрубочек связаны ручками, или мостиками.
Субъединицей микротрубочки является гетеродимер, включающий а- и бета-тубулин, молекулы которого обладают близким аминокислотным составом и массой около 50 кДальтон каждая.
Молекулы тубулина располагаются таким образом, что они образуют 13 протофиламентов, как показано на поперечном сечении в верхней части рисунка.
Обратите внимание на актиновые филаменты (АФ) и микротрубочки (МТ). Электронная микрофотография, х60 000.
Обратите внимание на скопление поперечно разрезанных микротрубочек (стрелки).
Электронная микрофотография. Немного уменьшено с оригинала, полученного при увеличении х 80 000.
В соответствующих условиях (in vivo или in vitro) субъединицы тубулина полимеризуются, образуя микротрубочки. С использованием специальных методов окрашивания можно видеть, что тубулин образован гетеродимерами, свернутыми в спираль. Один полный виток спирали образован 13 единицами.
Полимеризация тубулинов с образованием микротрубочек in vivo обеспечивается разнообразными структурами, которые в совокупности известны как центры организации микротрубочек. Этими структурами являются реснички, базальные тельца и центросомы. Рост микротрубочек путем полимеризации субъединиц происходит более быстро на одном из концов существующих микротрубочек.
Этот край называется плюсовым (+) концом, а противоположный край — минусовым (—) концом. Полимеризация тубулина контролируется концентрациями Са2+ и белков, ассоциированных с микротрубочками (БАМ, англ. MAPs — microtubule — associated proteins). Стабильность микротрубочек вариабельна; например, микротрубочки реснички стабильны, а микротрубочки митотического веретена существуют лишь кратковременно.
Алкалоид колхицин, обладающий антимитотической активностью, специфически связывается с тубулином, причем комплекс тубулин-колхицин прикрепляется к микротрубочкам, предотвращая присоединение новых молекул тубулина к плюсовому концу. Микротрубочки митотического веретена распадаются, так как деполимеризация продолжается преимущественно у минусового конца, а разрушенные единицы тубулина не восполняются.
Другим алкалоидом, который нарушает деятельность микротрубочек во время митоза, является таксол, который ускоряет образование микротрубочек, одновременно стабилизируя их.
Весь тубулин цитозоля используется для образования таких стабильных микротрубочек, и на формирование митотического веретена тубулина не остается. Еще один алкалоид — винбластин — обладает деполимеризующим влиянием на уже сформированные микротрубочки с последующей агрегацией, приводящей к образованию паракристаллических структур из тубулина.
Цитоплазматические микротрубочки представляют собой жесткие структуры, которые играют важную роль в создании и поддержании формы клетки. Обычно он и ориентированы таким образом, чтобы создать или сохранить определенную клеточную асимметрию. Воздействия, которые разрушают микротрубочки, приводят к потере этой клеточной асимметрии.
Микротрубочки участвуют также во внутриклеточном транспорте органелл и пузырьков. В качестве примеров можно привести аксоплазматический транспорт в нейронах, транспорт меланина в пигментных клетках, перемещение хромосом митотическим веретеном, а также движение пузырьков между различными компартментами клетки. В каждом из этих примеров движение связано с присутствием сложных сетей микротрубочек, причем если происходит разрушение микротрубочек, указанные процессы приостанавливаются.
Транспорт, направляемый микротрубочками, контролируют особые моторные белки, которые используют энергию для передвижения молекул и пузырьков.
Микротрубочки образуют основу нескольких сложных компонентов цитоплазмы, включая центриоли, базальные тельца, реснички и жгутики. Центриоли представляют собой цилиндрические структуры (диаметром 0,15 мкм и длиной 0,3— 0,5 мкм), которые состоят главным образом из коротких микротрубочек, организованных в сложную систему. Каждая центриоль содержит девять групп микротрубочек, собранных в триплеты. Микротрубочки располагаются столь тесно, что соседние микротрубочки триплета частично сливаются между собой и их стенки становятся общими.
Вблизи ядра неделящейся клетки располагается центросома, состоящая из пары центриолей, окруженных зернистым материалом. В каждой паре длинные оси центриолей находятся под прямым углом друг к другу. Перед клеточным делением, в частности в течение S-периода интерфазы, каждая из центросом дуплицируется, после чего центросома содержит уже две пары центриолей. Во время митоза центросома разделяется на две центросомы, которые двигаются к противоположным полюсам клетки и становятся организующими центрами для микротрубочек митотического веретена.
Антимитотические алкалоиды являются полезными инструментами в клеточной биологии (например, колхицин используется для остановки хромосом в метафазе и для изготовления препаратов с целью изучения кариотипа), а также в химиотерапии рака (например, винбластин, винкристин и таксол используются для остановки пролиферации клеток опухолей). Так как опухолевые клетки быстро пролиферируют, противоопухолевые препараты оказывают на них более выраженное действие, чем на нормальные клетки.
Однако химиотерапия имеет много нежелательных побочных явлений. Так, например, она оказывает повреждающее влияние на некоторые нормальные кроветворные клетки и эпителиальные клетки выстилки пищеварительного тракта, которые так же, как и опухолевые клетки, характеризуются высокой активностью деления.
Я — ядра клеток; С — слизистый секрет в цитоплазме клеток, который на этом препарате выглядит темным. Окраска: гематоксилин-эозин. Большое увеличение.
А — вид микротрубочек под электронным микроскопом после фиксации танниновой кислотой в глютаральдегиде. Неокрашенные субъединицы тубулина выделены плотной танниновой кислотой. На поперечных срезах трубочек выявляется кольцо из 13 субъединиц димеров, расположенных по спирали. Изменения длины микротрубочки обусловлены добавлением или потерей отдельных субъединиц тубулина.
Б — на поперечном срезе реснички видна центральная часть из микротрубочек, называемая аксонемой. Аксонема состоит из двух центральных микротрубочек, окруженных девятью дублетами микротрубочек. В дублетах микротрубочка А является полной и состоит из 13 субъединиц, тогда как микротрубочка Б имеетдва или три общих гетеродимера с микротрубочкой А. При активации АТФ динеиновые «ручки» связывают соседние микротрубочки и обеспечивают скольжение дублетов друг относительно друга.
В — центриоли состоят из девяти триплетов микротрубочек, связанных воедино и образующих подобие цевочного колеса. В триплетах микротрубочка Аявляется полной и состоит из 13 субъединиц, тогда как микротрубочки Б и В имеют общие тубулиновые субъединицы. В нормальных условиях эти органеллы выявляются в виде пар, в которых центриоли располагаются под прямыми углами друг к другу.
Источник: medicalplanet.su