Строение и функции кортикальных микротрубочек
Обновлено: 03.05.2024
Общая характеристика микротрубочек. К обязательным компонентам цитоскелета относятся микротрубочки (рис. 265), нитчатые неветвящиеся структуры, толщиной 25 нм, состоящие из белков-тубулинов и ассоциированных с ними белков. Тубулины при полимеризации образуют полые трубки (микротрубочки), длина которых может достигать нескольких мкм, а самые длинные микротрубочки встречаются в составе аксонемы хвостов спермиев.
Микротрубочки располагаются в цитоплазме интерфазных клеток поодиночке, небольшими рыхлыми пучками, или в виде плотноупакованных образований в составе центриолей, базальных телец в ресничках и жгутиках. При делении клеток большая часть микротрубочек клетки входит в состав веретена деления.
По строению микротрубочки представляют собой длинные полые цилиндры с внешним диаметром 25 нм (рис. 266). Стенка микротрубочек состоит из полимеризованных молекул белка тубулина. При полимеризации молекулы тубулина образуют 13 продольных протофиламентов, которые скручиваются в полую трубку (рис. 267). Размер мономера тубулина составляет около 5 нм, равного толщине стенки микротрубочки, в поперечном сечении которой видны 13 глобулярных молекул.
Молекула тубулина представляет собой гетеродимер, состоящий из двух разных субъедниц, из a–тубулина и b– тубулина, которые при ассоциации образуют собственно белок тубулин, изначально поляризованный. Обе субъединицы мономера тубулина связаны с ГТФ, однако на a-субъдинице ГТФ не подвергается гидролизу, в отличие от ГТФ на b-субъединице, где при полимеризации происходит гидролиз ГТФ до ГДФ. При полимеризации молекулы тубулина объединяются таким образом, что с b-субъединицей одного белка ассоциирует a–субъединица следующего белка и т.д. Следовательно, отдельные протофибриллы возникают как полярные нити, и соответственно вся микротрубочка тоже является полярной структурой, имеющей быстро растущий (+)-конец и медленно растущий (-) конец (рис. 268).
При достаточной концентрации белка полимеризация происходит спонтанно. Но при спонтанной полимеризации тубулинов происходит гидролиз одной молекулы ГТФ, связанной с b-тубулином. Во время наращивания длины микротрубочки связывание тубулинов происходит с большей скоростью на растущем (+)-конце. Но при недостаточной концентрации тубулина микротрубочки могут разбираться с обоих концов. Разборке микротрубочек способствует понижение температуры и наличие ионов Са ++.
Микротрубочки являются очень динамичными структурами, которые могут достаточно быстро возникать и разбираться. В составе выделенных микротрубочек обнаруживаются ассоциированные с ними дополнительные белки, т.н. МАР-белки (МАР- microtubule accessory proteins). Эти белки, стабилизируя микротрубочки, ускоряют процесс полимеризации тубулина (рис. 269).
Роль цитоплазматических микротрубочек сводится к выполнению двух функций: скелетной и двигательной. Скелетная, каркасная, роль заключается в том, что расположение микротрубочек в цитоплазме стабилизирует форму клетки; при растворении микротрубочек клетки, имевшие сложную форму, стремятся приобрести форму шара. Двигательная роль микротрубочек заключается не только в том, что они создают упорядоченную, векторную, систему движения. Микротрубочки цитоплазмы в ассоциации со специфическими ассоциированными моторными белками образуют АТФ-азные комплексы, способные приводить в движение клеточные компоненты.
Практически во всех эукариотических клетках в гиалоплазме можно видеть длинные неветвящиеся микротрубочки. В больших количествах они обнаруживаются в цитоплазматических отростках нервных клеток, в отростках меланоцитов, амеб и других изменяющих свою форму клетках (рис. 270). Они могут быть выделены сами или же можно выделить их образующие белки: это те же тубулины со всеми их свойствами.
Центры организации микротрубочек. Рост микротрубочек цитоплазмы происходит полярно: наращивается (+)-конец микротрубочки. Время жизни микротрубочек очень коротка, поэтому постоянно происходит образование новых микротрубочек. Процесс начала полимеризации тубулинов, нуклеация, происходит в четко ограниченных участках клетки, в т.н. центрах организации микротрубочек (ЦОМТ). В зонах ЦОМТ происходит закладка коротких микротрубочек, обращенных своими (-)-концами к ЦОМТ. Считается, что в зонах ЦОМТ (--)-концы заблокированы специальными белками, предотвращающими или ограничивающими деполимеризацию тубулинов. Поэтому при достаточном количестве свободного тубулина будет происходить наращивание длины микротрубочек, отходящих от ЦОМТ. В качестве ЦОМТ в клетках животных участвуют главным образом клеточные центры, содержащие центриоли, о чем будет сказано далее. Кроме того в качестве ЦОМТ может служить ядерная зона, и во время митоза полюса веретена деления.
Одним из назначений микротрубочек цитоплазмы заключается в создании эластичного, но одновременно устойчивого внутриклеточного скелета, необходимого для поддержания формы клетки. У дисковидных по форме эритроцитов амфибий по периферии клетки лежит жгут циркулярно уложенных микротрубочек; пучки микротрубочек характерны для различных выростов цитоплазмы (аксоподии простейших, аксоны нервных клеток и т.д.).
Роль микротрубочек заключается в образовании каркаса для поддержания клеточного тела, для стабилизации и укрепления клеточных выростов. Кроме того, микротрубочки участвуют в процессах роста клеток. Так, у растений в процессе растяжения клеток, когда за счет увеличения центральной вакуоли происходит значительный рост объема клеток, большие количества микротрубочек появляются в периферических слоях цитоплазмы. В этом случае микротрубочки, так же как и растущая в это время клеточная стенка, как бы армируют, механически укрепляют цитоплазму.
Создавая внутриклеточный скелет, микротрубочки являются факторами ориентированного движения внутриклеточных компонентов, задавая своим расположением пространства для направленных потоков разных веществ и для перемещения крупных структур. Так, в случае меланофоров (клетки, содержащие пигмент меланин) рыб при росте клеточных отростков гранулы пигмента передвигаются вдоль пучков микротрубочек.
В аксонах живых нервных клеток можно наблюдать перемещение различных мелких вакуолей и гранул, которые двигаются как от тела клетки к нервному окончанию (антероградный транспорт), так и в противоположном направлении (ретроградный транспорт).
Были выделены белки, ответственные за движение вакуолей. Один из них кинезин, белок с молекулярным весом около 300 тыс.
Существует целое семейство кинезинов. Так, цитозольные кинезины участвуют в транспорте по микротрубочкам везикул, лизосом и других мембраных органелл. Многие из кинезинов связываются специфически со своими грузами. Так некоторые участвуют в переносе только митохондрий, другие – только синаптических пузырьков. Кинезины связываются с мембранами через мембранные белковые комплексы – кинектины. Кинезины веретена деления участвуют в образовании этой структуры и в расхождении хромосом.
За ретроградный транспорт в аксоне отвечает другой белок – цитоплазматический динеин (рис. 275). Он состоит из двух тяжелых цепей – головок, взаимодействующих с микротрубочками, нескольких промежуточных и легких цепей, которые связываются с мембранными вакуолями. Цитоплазматический динеин является моторным белком, переносящим грузы к минус-концу микротрубочек. Динеины также делятся на два класса: цитозольные – участвующие в переносе вакуолей и хромосом, и аксонемные – отвечающие за движение ресничек и жгутиков.
Цитоплазматические динеины и кинезины были обнаружены практически во всех типах клеток животных и растений.
Таким образом, и в цитоплазме движение осуществляется по принципу скользящих нитей, только вдоль микротрубочек перемещаются не нити, а короткие молекулы – движетели, связанные с перемещающимися клеточными компонентами. Сходство с актомиозиновым комплексом этой системы внутриклеточного транспорта заключается в том, что образуется двойной комплекс (микротрубочка + движетель), обладающий высокой АТФ-азной активностью.
Как видно, микротрубочки образуют в клетке радиально расходящиеся поляризованные фибриллы, (+)-концы которых направлены от центра клетки к периферии. Наличие же (+) и (-)-направленных моторные белков (кинезинов и динеинов) создает возможность для переноса в клетке её компонентов как от периферии к центру (эндоцитозные вакуоли, рециклизация вакуолей ЭР и аппарата Гольджи и др), так и от центра к периферии (вакуоли ЭР, лизосомы, секреторные вакуоли и др) (рис. 276). Такая полярность транспорта создается за счет организации системы микротрубочек, возникающих в центрах их организации, в клеточном центре.
Строение и функции кортикальных микротрубочек
• У растений микротрубочки образуются во множественных сайтах
• После нуклеации микротрубочки могут перемещаться вдоль кортекса
• Белки, ассоциированные с микротрубочками, организуют их в параллельные пучки
• В ответ на воздействие гормонов гравитации и света структуры микротрубочек могут перестраиваться
Каким образом в клетках растений достигается столь высокая степень организации микротрубочек? Для того чтобы ответить на этот вопрос, необходимо выяснить, как в клеточном кортексе формируются структуры, состоящие из микротрубочек, и как образуются входящие в него отдельные микротрубочки. В клетках растений нет специфического сайта нуклеации микротрубочек, аналогичного центросоме в клетках животных, и считается, что у растений множественные сайты нуклеации распределены по всей клетке.
Это связано с большими размерами вакуолизированных клеток растений. Частично нуклеация может происходить в области, примыкающей к поверхности ядра, поскольку иногда можно видеть выходящие оттуда микротрубочки. Часто это наблюдается сразу после цитокинеза. Однако во многих случаях, в зрелых элонгированных клетках, связанные с ядром микротрубочки исчезают, и остаются только кортикальные. Поэтому не исключено, что к моменту прекращения деления и начала элонгации растительной клетки сайты нуклеации микротрубочек распределяются по внутренней поверхности плазматической мембраны.
В соответствии с этим предположением было обнаружено, что нуклеация микротрубочек происходит во множественных сайтах, находящихся в кортексе. Эти сайты могут мигрировать по кортексу, находясь в связанном виде с теми микротрубочками, которые они нуклеируют. Вполне возможно также, что, по крайней мере в некоторых случаях, они способны открепляться от микротрубочек, которые затем включаются в состав кортикальных структур. Процесс высвобождения микротрубочек происходит с участием разрезающего белка катанина, который присутствует в клетках растений и влияет на организацию кортикальных микротрубочек.
Микрофотография нескольких микротрубочек, которые образовались из очищенного тубулина in vitro,
связанных между собой с помощью МАР65, филаментарного белка, ассоциированного с микротрубочками.
Белок связывает микротрубочки по длине через регулярно расположенные интервалы.
Корикальные микротрубочки представляют собой высокодинамичные структуры. При введении в клетки растений тубулина, содержащего флуоресцентную метку, он быстро включается по всей длине микротрубочек. Это обусловливается динамической нестабильностью микротрубочек, т. е. быстрым укорачиванием и возобновлением роста их плюс-концов.
Способность микротрубочек укорачиваться и возобновлять рост в новых направлениях обеспечивает возможность всей структуре принимать различную конфигурацию. Однако у растений микротрубочки не прикрепляются к центросоме, и дополнительная степень свободы их минус-концов позволяет кортикальным микротрубочкам продвигаться по внутренней поверхности плазматической мембраны. При тредмиллинге потеря субъединиц тубулина с минус-конца микротрубочки уравновешивается их добавлением к плюс-концу, что обеспечивает движение полимера. Однако кортикальным микротрубочкам свойственна гибридная форма тредмиллинга, при которой плюс-конец растет быстрее, чем сокращается минус-конец. Это позволяет микротрубочкам «ползать» по мембране.
Таким образом, процесс нуклеации микротрубочек распределен по кортексу, и затем микротрубочки за счет тредмиллинга продвигаются в разных направлениях. Каким образом в результате этого организуются структуры микротрубочек? Когда встречаются две «ползущие» микротрубочки, результат зависит от угла, под которым это происходит. Встреча под углом более 40° приводит к деполимеризации. Однако, когда растущие микротрубочки встречаются под углом менее 40°, они корректируют дальнейшее продвижение таким образом, что начинают расти в одном направлении (по типу «застежки молнии»).
Известно, что корикальные микротрубочки организованы в параллельные структуры. Не исключено, что такая организация поддерживается за счет регулярных поперечных мостиков, какие образует один из белков микротрубочек, МАР65. Учитывая особенности тредмиллинга, характер контактов и образование сшивок между микротрубочками, мы начинаем понимать, каким образом микротрубочки, вначале растущие в разных направлениях, переключаются на локальный рост в одном направлении. Пока, однако, неизвестно, как координируются эти события, в результате которых микротрубочки приобретают в клеточном кортексе одну и ту же ориентацию, даже в пределах группы клеток. Вероятно, определенную роль при этом играют гормоны растений.
Хотя обычно микротрубочки располагаются перпендикулярно длинной оси элонгированных клеток (в поперечном направлении), они могут размещаться по-другому. Иногда они наклонены по отношению к оси и образуют спиральные структуры, напоминающие полосы на вывеске парикмахерской. Они также могут располагаться параллельно длинной оси вместе с новообразованными слоями микрофибрилл целлюлозы, находящимися в той же ориентации. Переход к такому типу расположения от поперечного часто наблюдается в клетках, у которых прекратилась элонгация. Как показано на рисунке ниже, это характерно для клеток, выходящих из зоны роста и вступающих в зону дифференцировки.
Как показано на рисунке ниже, многие воздействия, оказывающие влияние на форму и рост растений, действуют на клеточном уровне, контролируя ориентацию микротрубочек. В качестве примера можно назвать газ этилен, который действует как гормон растений. Этот гормон вырабатывается самими растениями и высвобождается в местах повреждений их ткани, однако в экспериментальных условиях растения можно помещать в атмосферу этилена. В атмосфере этого газа растения становятся короче, и рост их задерживается, поскольку блокируется процесс элонгации клеток. Под действием этилена в клетках происходит переориентация микротрубочек по отношению к главной оси корень-побег и изменяется структура, в которой микротрубочки становятся перпендикулярными к одной из осей, параллельных главной.
Одновременно с перегруппировкой микротрубочек происходит отложение целлюлозы, так что клетки расширяются перпендикулярно оси («вбок»), а не вдоль нее. При этом образуются более короткие растения с толстыми стеблями. Еще один гормон, гиббериллиновая кислота, обеспечивает удлинение стебля и стимулирует изменение ориентации микротрубочек, при котором они снова располагаются перпендикулярно оси. При этом целлюлоза откладывается так, что клетки прекращают расширяться вбок, и начинается их элонгация. Известны также другие гормоны, которые влияют на рост растений, изменяя расположение кортикальных микротрубочек и направление расширения клеток.
Даже такие воздействия, как свет и гравитация, опосредованы изменениями в расположении микротрубочек. У растений, подвергнутых этим воздействиям, с противоположных сторон оси роста микротрубочки организованы по-разному, в соответствии с направлением расширения клеток Быстрая элонгация клеток с одной стороны стебля и ингибирование с другой ориентируют растение, поворачивая побег по направлению к солнцу, или корень в соответствии с направлением силы тяжести. Поэтому растения, растущие на одном месте, обладают «рулевым механизмом», контролирующим сайты элонгации клеток корня или стебля, причем существенную роль в этом играют микротрубочки.
Слева показан растущий корень Arabidopsis.
Отдельные участки корня, окрашенные на тубулин, показывают,
что микротрубочки в активно растущих клетках остаются в поперечной ориентации,
однако, по мере достижения клеткой полной длины, она меняется на продольную. На фотографиях представлена клетка ткани стебля проростка гороха.
В клетки вводили тубулин, содержащий флуоресцентную метку.
При этом микротрубочки начинали флуоресцировать красным цветом.
В течение примерно полутора часов микротрубочки изменяли расположение с поперечного (слева) до продольного (справа),
через промежуточное положение (в центре). Возможен также переход из продольного в поперечное положение.
Гормон роста растений, этилен, меняет ориентацию от поперечной к продольной,
а гиббереллиновая кислота — в противоположном направлении.
Благодаря влиянию на ориентацию микротрубочек эти гормоны контролируют направление роста растений.
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
• Микротрубочки интерфазных клеток растений находятся непосредственно под плазматической мембраной
• Микротрубочки кортекса часто ориентированы таким же образом, как и новообразованные целлюлозные микрофибриллы
• Кортикальные микротрубочки могут участвовать в организации клеточной стенки, обеспечивая транспортные пути для синтеза и сборки целлюлозных микрофибрилл
Мы уже видели, что произвольно направленное усилие, которое развивается при набухании вакуолей, за счет поперечно расположенных целлюлозных микрофибрилл трансформируется в элонгацию клеток в определенном направлении. Почему эти микрофибриллы расположены на поверхности клеток в столь упорядоченном виде? Ответ, вероятно, заключается в способе организации микротрубочек в клетках растений.
В отличие от многих клеток животных, в клетках растений микротрубочки не распространяются от точки, расположенной рядом с ядром, и не проходят через цитоплазму. Вместо этого в интерфазных клетках растений микротрубочки в основном находятся под внутренней стороной плазматической мембраны и располагаются параллельно ее поверхности. На протяжении большей части своей длины микротрубочки примыкают друг к другу за счет многочисленных связей с мембраной. Они распределяются вдоль мембраны и по всей ее площади и организованы в большие структуры, в которых отдельные микротрубочки располагаются примерно параллельно друг другу.
Фотография поперечного среза кортекса и части цитоплазмы интерфазной клетки традесканции, сделанная в электронном микроскопе.
Непосредственно под плазматической мембраной находится одиночный слой плотно упакованных микротрубочек.
В цитоплазме микротрубочки отсутствуют.
Ориентация этих кортикальных структур не случайна и, вероятно, зависит от характера деятельности клетки. Например, при элонгации клеток микротрубочки обычно располагаются перпендикулярно направлению роста, так, что они окружают ось, вдоль которой оно происходит. Наряду с большим количеством высокоорганизованных кортикальных микротрубочек, в некоторых клетках присутствуют микротрубочки, отходящие от околоядерной зоны. Однако их функция неизвестна, и основную роль в организации клеточной стенки играет структура микротрубочек кортекса.
Взаимосвязь между микротрубочками и организацией клеточной стенки наиболее отчетливо проявляется при деполимеризации микротрубочек. Легче всего ее вызвать с помощью небольших молекул, специфическим образом взаимодействующих с микротрубочками, например такими, как природное соединение колхицин, или же одним из синтетических гербицидов, которые применяются для борьбы с сорняками.
После обработки такими веществами клетки корня продолжают увеличиваться в размерах, однако утрачивают способность к элонгации и набухают во всех направлениях. В результате корень превращается в беспорядочное скопление клеток. На клеточном уровне это происходит потому, что с деполимеризацией микротрубочек теряется способность упорядочивать новосинтезированную целлюлозу в составе клеточной стенки. В клетках, обработанных соответствующими агентами, целлюлоза откладывается случайным образом и не образуются упорядоченные структуры целлюлозных микрофибрилл, необходимые для элонгации.
Как микротрубочки влияют на организацию целлюлозных микрофибрилл? Ответ на этот вопрос заключается в характере взаимного расположения микротрубочек и микрофибрилл. Цитоплазматические микротрубочки располагаются с другой стороны мембраны таким же образом, как и целлюлозные микрофибриллы. Как показано на рисунке ниже, микротрубочки кортикального слоя расположены параллельно новообразованным микрофибриллам, находящимся на наружной стороне мембраны. Эти данные дают возможность предполагать, что микротрубочки выполняют роль матрицы в организации клеточной стенки, каким-то образом направляя синтез и сборку новых целлюлозных структур.
Предложены две модели, объясняющие, как это происходит и как образуются параллельные структуры микротрубочек и целлюлозных микрофибрилл. Согласно представлениям одной модели, комплекс белков, синтезирующих целлюлозу, движется по плазматической мембране вдоль линий, состоящих из микротрубочек. Границей, которую комплекс не может пересекать, служат или сами микротрубочки, или связи, образованные белками, скрепляющими их с мембраной. В этой модели микротрубочки не обеспечивают перемещение комплекса белков, синтезирующих целлюлозу; они всего лишь направляют его движение. Комплекс продвигается по мембране за счет растяжения жесткой линейной целлюлозной микрофибриллы. Другая модель отводит микротрубочкам более активную роль и рассматривает их в качестве источника движущего усилия для белкового комплекса.
С помощью двойного флуоресцентного окрашивания фермента синтазы целлюлозы и микротрубочек было показано, что микротрубочки фактически служат путями, вдоль которых направляются самодвижущиеся ферменты. Неизвестно, однако, прямо или косвенно участвуют в этом микротрубочки.
Микротрубочки в клетке Arabidopsis, экспрессирующей тубулин, содержащий флуоресцентную метку.
Большинство микротрубочек расположено в виде параллельных структур. Слева представлен растущий корень Arabidopsis.
Справа показана группа клеток зоны элонгации другого корня Arabidopsis.
Правый препарат окрашен, с тем чтобы выявить организацию микротрубочек. Почти все микротрубочки расположены перпендикулярно направлению растяжения клеток и корня.
На круглой врезке представлено изображение микротрубочек в одной-двух клетках. Электронная микрофотография среза участка корня Arabidopsis, сделанного под очень малым углом.
Продольная ось клетки направлена сверху вниз.
В верхней половине рисунка видно, что нож постепенно пересекает клеточную стенку, входит в кортекс и обнажает кортикальные микротрубочки.
В кортексе микротрубочки расположены близко друг к другу и ориентированы параллельно волокнам целлюлозы клеточной стенки. Согласно представлениям бамперной модели, кортикальные микротрубочки и связки,
соединяющие их с мембраной, образуют границы, через которую розетки не проходят.
Таким образом, их движение ограничено линией, расположенной между двумя микротрубочками.
Из-за близкого расположения микротрубочек в кортексе они располагаются рядом с новообразованными микротрубочками.
Модель монорельса предполагает, что розетка с помощью белковых моторов просто движется по микротрубочке.
• Цитоскелет состоит из полимеров белковой природы. Каждый полимер состоит из нескольких тысяч идентичных субъединиц, связанных вместе с образованием филаментов
• Цитоскелет обеспечивает движение клеток и их механическую поддержку
• Клеточный цитоскелет состоит из трех типов полимеров: актиновые филаменты, промежуточные филаменты и микротрубочки
• Все полимеры имеют динамическую природу; они постоянно наращивают и теряют субъединицы
• Микротрубочки представляют собой полимеры субъединиц тубулина
• Микротрубочки почти всегда функционируют вместе с молекулярными моторами, которые генерируют усилия, осуществляя движение везикул и других комплексов по поверхности микротрубочек
• Реснички и жгутики представляют собой специализированные органеллы, состоящие из микротрубочек и моторных белков, которые обеспечивают движение клеток в жидкой среде или движение жидкости вдоль клеточной поверхности
• Химические соединения, разрушающие микротрубочки, применяются в медицине и в сельском хозяйстве
Фотография представляет собой кадр видеоизображения.
Виден небольшой участок цитоплазмы клетки млекопитающих.
Слева внизу виден край клетки; ядро находится справа вверху и не видно в кадре.
Видеосъемка показывает, что большая часть везикул находится в постоянном движении.
Цитоплазма эукариотических клеток находится в постоянном движении, поскольку органеллы все время перемещаются с места на место. Это движение особенно заметно в цитоплазме крупных клеток удлиненной формы, таких как нейроны.
Движение цитоплазмы отмечается также и в других клетках. Движение органелл необходимо для выполнения ряда функций. Секреторные везикулы выходят из аппарата Гольджи, который расположен в середине клетки, и транспортируются к плазматической мембране, где экскретируют свое содержимое в межклеточную среду. В то же время везикулы, интернализованные в мембрану, транспортируются в эндосомы. Митохондрии все время находятся в движении, а ЭПР постоянно растягивается и реорганизуется.
В митотических клетках хромосомы вначале выстраиваются в метафазную пластинку, а затем расходятся в противоположные стороны. Движение органелл и хромосом в правильном направлении и в надлежащее время обеспечивается цитоскелетом, который представляет собой белковые структуры, формирующие рельсовую транспортную систему клетки и моторных белков, двигающихся по ним.
Цитоскелет также обладает другими важными функциями: он обеспечивает подвижность клеток, а также необходим для организации и структурной поддержки формы всех клеток. Многие клетки движутся или самостоятельно, например находясь в организме (клетки животных), или перемещаясь с током окружающей среды (одноклеточные организмы и гаметы).
Клетки, подобные белым кровяным клеткам, которые находят и разрушают патогенные бактерии, способны перемещаться по плоской поверхности. Другие, например сперматозоиды, чтобы достигнуть места назначения, передвигаются в жидкой среде. Цитоскелет обеспечивает все формы такого движения клеток и его направление. Наряду с кинематической функцией, цитоскелет обеспечивает организацию внутренней структуры клетки и формирует верхнюю и нижнюю, левую и правую, а также переднюю и заднюю ее части.
Определяя общую характеристику цитоплазмы, цитоскелет задает общую форму клетки, образуя прямоугольные эпителиальные клетки, нейроны с длинными тонкими аксонами, и дендриты, которые у человека в длину могут достигать одного метра.
Три кадра видеоизображения аксона живого нейрона.
На верхнем кадре схематически изображена вся нервная клетка.
Три везикулы, помеченные красной, желтой и голубой стрелками, наблюдались на протяжении 6 с.
Две везикулы движутся в направлении конца аксона, а одна в направлении тела клетки.
Цитоскелет состоит из трех основных типов структурных элементов: микротрубочек, микрофиламентов. Эти три типа структур, представленные на рисунке ниже, имеют много общих свойств. Каждый белок функционирует не как самостоятельная молекула, а как полимер, состоящий из множества идентичных белковых субъединиц. Подобно тому, как бусины, нанизанные на нитку, образуют ожерелье, полимеры цитоскелета выстраиваются в цитоплазме, связывая между собой тысячи белковых субъединиц. Основная особенность всех полимеров цитоскелета состоит в том, что они не представляют собой статические структуры, а постоянно наращивают и теряют субъединицы. Такая динамичная природа полимеров цитоскелета позволяет осуществлять его реорганизацию, образовывать новые или способствовать функционированию существующих транспортных путей в соответствии с внутриклеточными нуждами.
Хотя все три типа структурных белков проявляют общие свойства, каждый из них обладает уникальностью, что делает его наиболее соответствующим выполнению определенных задач в клетке. Поэтому три типа полимеров будут рассмотрены отдельно, хотя они часто функционируют совместно.
Эта и следующие статьи на сайте посвящаются микротрубочкам. Основная субъединица, образующая микротрубочки, представляет собой белок тубулин. Соединяясь между собой, молекулы тубулина образуют полые трубочки около 25 нм в диаметре. Отсюда они получили свое название. Одна микротрубочка может содержать десятки и сотни тысяч молекул тубулина и в длину достигать нескольких микрон.
Таким образом, микротрубочки способны распространяться более чем на половину длины большинства эукариотических клеток. Обычно интерфазные клетки содержат сотни длинных микротрубочек, проходящих через цитоплазму и соединяющих различные области клетки.
Микротрубочки почти всегда функционируют совместно с молекулярными моторами, которые по ним продвигаются. Эти моторные белки присоединяются к различным грузам, включая органеллы и везикулы, и транспортируют их по поверхности микротрубочек, подобно тому, как грузовики движутся по шоссейным дорогам. Микротрубочки и моторные белки также функционируют вместе при разделении реплицированных хромосом в митозе и образуют основу подвижных структур, которые используются клеткой для перемещения в жидкости или для обеспечения движения жидкости вдоль ее поверхности. Микротрубочки и моторные белки даже используются вирусами, например ВИЧ и аденовирусами, для того чтобы они могли быстро достигнуть ядра и реплицироваться.
Небольшие молекулы органических соединений, которые нарушают полимеризацию микротрубочек, используются в медицине и в сельском хозяйстве. Вещества, в той или иной степени способные стабилизировать микротрубочки, блокируют митоз и применяются как средства для лечения рака. Одним из таких веществ является паклитаксел (Таксол™), формула которого представлена на рисунке ниже и который используется для лечения рака яичников и молочной железы. Таксол связывается с микротрубочками и стабилизирует их, предотвращая диссоциацию субъединиц тубулина. Колхицин представляет собой еще один яд, оказывающий на микротрубочки противоположный эффект, т. е. вызывает их диссоциацию.
Препарат используется для лечения подагры, поскольку разрушение микротрубочек блокирует миграцию белых кровяных клеток, ответственных за воспалительный процесс при этом заболевании. Низкомолекулярные вещества, влияющие на тубулин, находят важное применение в сельском хозяйстве. Например, Зоксамид™ является фунгицидом, который специфически связывается с тубулинами грибков, тем самым предотвращая их рост. Препарат используется для борьбы с поздним фузариозным увяданием картофеля, грибковым заболеванием, которое вызвало массовый неурожай картофеля в Ирландии в 1850 г В настоящее время активно проводится поиск новых препаратов, способных связываться с тубулином и могущих найти применение в медицине и сельском хозяйстве.
Участок фибробласта в электронном микроскопе (слева). Видны многочисленные филаменты.
На снимке справа три типа полимеров, из которых состоит цитоскелет эукариотической клетки, выделены различным цветом. Микротрубочки в фибробласте. Для визуализации микротрубочек клетки обрабатывали красителем, флуоресцирующим зеленым цветом.
Микротрубочки организованы вокруг центральной точки (помеченной красным цветом) и распространяются в цитоплазму.
Большинство микротрубочек обладает достаточной длиной для того, чтобы проникнуть из одной части клетки в другую. Строение трех небольших органических молекул, нарушающих процесс сборки или разборки микротрубочек.
Паклитаксел (Таксол) и колхицин представляют собой природные продукты, образующиеся в некоторых растениях (тихоокеанский тис и безвременник осенний соответственно).
Зоксамид© является синтетическим веществом, которое было обнаружено при скрининге большого числа различных низкомолекулярных соединений по тесту нарушения функционирования микротрубочек.
Биология клетки/Часть 1. Клетка как она есть/7/6
Микротрубочки - трубочки диаметром около 24-25 нм, состоящие из белка тубулина. Микротрубочки есть во всех клетках эукариот и могут собираться в цитоплазме, а у многих эукариот и внутри ядра. Микротрубочки:
- Участвуют в поддержании формы клеток
- Влияют на взаимное расположение органелл (например, ЭПС и аппарата Гольджи)
- Обеспечивают транспорт веществ (по их поверхности, как по рельсам, мс помощью двигательных белков кинезинов и динеинов могут передвигаться мембранные пузырьки с грузом и макромолекулы)
- Составляют основу жгутиков и ресничек эукариот, при участии динеинов обеспечивают ресничное и жгутиковое движение
- Составляют основу центриолей, которые во многих клетках эукариот выполняют роль ЦОМТ - центра организации микротрубочек
- Образуют веретено деления и обеспечивают расхождение хромосом к полюсам клетки в ходе ее деления
Содержание
Тубулин — глобулярный белок. В клетках эукариот есть несколько слегка различающихся генов-ортологов, которые кодируют три разных формы тубулина — α-тубулин, β-тубулин и γ-тубулин. У каждого из этих белков выделяют три домена. Одна молекула α-тубулина и одна молекула β-тубулина в цитоплазме клеток объединяются в димер (изображен на рисунки). В составе такого димера к каждой молекуле тубулина присоединено по одной молекуле ГТФ.
На самом деле каждую из форм тубулина кодирует не один ген, а около десятка, так что каждая форма существует в виде множества подтипов. Они могут быть специфичны для определенных тканей. Например, тубулин III-β встречается только в нейронах. Кроме того, по одному гену кодируют еще две формы тубулина — δ- и ε-тубулин, которые, как и γ-тубулин, встречаются в основном в центриолях.
Новые молекулы тубулина могут прикрепляться как к ±, так и к --концу микротрубочки, но легче (при более низкой концентрации) присоединяются к + -концу (и легче отделяются от --конца).
Тубулин способен связываться в растворе с молекулами ГТФ. Рост микротрубочек осуществляется только за счет присоединения димеров тубулина, в которых обе субъединицы связаны с молекулами ГТФ. В стенках микротрубочек происходит гидролиз ГТФ, связанной с β-субъединицей, до ГДФ (связанная с α-субъединицей ГТФ стабильна). Связанная с ГДФ форма тубулина легче отделяется от микротрубочек, что определяет динамическую нестабильность микротрубочек — при определенных условиях они быстро распадаются почти полностью.
Микротрубочка распадается, когда расщепление ГТФ происходит быстрее, чем присоединение новых димеров. Тогда защитная "шапочка" (кэп) на +-конце из димеров, связанных с ГТФ, разрушается, и после эого быстро отваливаются от микротрубочки димеры, связанные с ГДФ.
[[1]] Анимация сборки и разборки микротрубочки
По поверхности микротрубочек, как по рельсам, могут транспортироваться мембранные пузырьки (везикулы) с грузом или макромолекулы. Их перемещение осуществляют две группы моторных белков - кинезины и динеины. Кинезины перемещаются по микротрубочке от --конца к +-концу, то есть обеспечивают транспорт к периферии клеток. Динеины двигаются в противоположном направлении - от +-конца микротрубочки к --концу, то есть обычно перемещают грузы к центру клетки.
Транспорт к периферии клетки часто называют антероградным транспортом, транпорт к центру - ретроградным (особенно эти термины применимы к движению по отросткам клеток - например, аксонам или дендритам. Одно из семейств кинезинов (кинезины-14, в том числе NCD дрозофилы, KAR3 почкующихся дрожжей и ATK5 арабидопсиса, двигаются по микротрубочкам от +-конца к --концу.
[2] Строение и функции кинезинов и динеинов (англ.)
Реснички и жгутики — органеллы, которые есть у многих групп эукариот. Это тонкие (диаметром 0,1-0,6 мкм) волосковидные выросты на поверхности клетки. Длина их составляет от 3-15 мкм до 2 мм (реснички гребных пластинок гребневиков).
Жгутики и реснички всех эукариот имеют сходное строение, поэтому иногда их обозначают общим термином ундулиподии. Это сходство — одно из свидетельств единого (монофилетического) происхождения эукариот. Ундулиподии есть у большинства групп протистов, у споровых и некоторых голосеменных растений раст и практически у всех животных. Настоящие грибы (Eumycota) лишены жгутиков и ресничек.
Различие между жгутиками и ресничками на самом деле заключается в характере их движения: реснички совершают удары в одной плоскости, а жгутик вращается (одновременно по нему может пробегать волна). Но в зоологии принято называть жгутиковыми любые клетки, у которых есть один подвижный жгутик (или ресничка). При наличии многочисленных ресничек клетки называют ресничными.
У многих беспозвоночных животных ими покрыта вся поверхность тела (ресничные черви, личинки кишечнополостных и губок) или отдельные его участки (например, жабры у полихет и двустворчатых моллюсков, подошва ноги у брюхоногих моллюсков). У коловраток из специализированных ресничек состоит коловращательный аппарат. У многих беспозвоночных (кишечнополостные, гребневики, турбеллярии и др.) реснички также имеются на клетках кишечного эпителия.
У позвоночных (в том числе человека) клетки с подвижными ресничками также есть во многих органах. У человека ресничным эпителием выстланы дыхательные пути, евстахиевы трубы, семявыносящие канальцы, желудочки мозга и спинномозговой (центральный) канал. Видоизмененные реснички служат световоспринимающим аппаратом фоторецепторов сетчатки глаза и воспринимающим запахи аппаратом хеморецепторов обонятельного эпителия.
Подвижные реснички и жгутики либо служат для движения, либо создают токи жидкости. Эти токи могут приносить пищу или кислород из внешней среды или служить для транспорта растворенных веществ внутри организма. Неподвижные жгутики и реснички (часто сильно видоизмененные) служат рецепторами у самых разных групп организмов.
Читайте также: