Строение микротрубочек и их функции
Обновлено: 23.04.2024
• Микротрубочки поддерживают структуру клеток, поскольку они являются наиболее прочными из полимеров цитоскелета. Микротрубочки устойчивы к сжатию
• В клетке происходят динамические процессы сборки и разборки микротрубочек, позволяющие быстро реорганизовать цитоскелет
• Клетки могут обеспечивать большую или меньшую динамичность характера функционирования микротрубочек, предоставляя им большие адаптационные возможности (при более динамичном характере) или повышая их устойчивость (при более стабильном характере)
• В соответствии со специфическими требованиями различные клетки характеризуются специфической организацией микротрубочек
Простые эксперименты, при которых разрушаются микротрубочки, иллюстрируют значимость этих компонентов цитоскелета. При действии веществ, аналогичных колхицину, связанные вместе субъединицы тубулина могут деполимеризоваться. Эти вещества блокируют образование новых микротрубочек, вызывая дисбаланс между постоянным образованием и распадом компонентов цитоскелета. Микротрубочки, которые подверглись деполимеризации, не могут восстановиться, что вскоре приводит к потере всех микротрубочек в цитоплазме.
Обычно, при деполимеризации микротрубочек, большинство клеток приобретает шаробразную форму. Также нарушается внутренняя организация клеток. Комплекс Гольджи, который обычно локализован рядом с ядром в виде дискретной структуры, образует рассеянные по клетке фрагменты. ЭПР, который представляет собой сеть, пронизывающую всю цитоплазму, собирается вокруг ядра, поскольку он связан с ядерной оболочкой.
При удалении веществ, деполимеризующих микротрубочки, все эти изменения проходят. Сеть микротрубочек восстанавливается, возвращается форма клетки, а ЭПР и аппарат Гольджи занимают прежнее положение. Этот простой эксперимент иллюстрирует функции микротрубочек в организации структуры и подвижности клеток.
В клетке функции микротрубочек определяются двумя их свойствами, имеющими противоречивую природу: микротрубочки могут действовать как жесткие структурные элементы, и они в то же время они способны легко разрушаться. Характер структуры и относительно большой диаметр микротрубочек обеспечивают их относительную жесткость и устойчивость к сжатию. В этом отношении они напоминают водопроводный шланг, который на значительном протяжении может перегибаться, но при этом не сжимается. Однако, в отличие от шланга, микротрубочки характеризуются крайне динамичной природой.
На снимке, сделанном во флуоресцентном микроскопе, показано около 12 клеток, в которых видны микротрубочки и хромосомы.
Одна из митотических клеток, в которой микротрубочки собраны в митотическое веретено, окружена интерфазными клетками.
Реорганизация микротрубочек, которая происходит при вступлении клетки в митоз, носит глубокий характер, но требует всего нескольких минут.
Они постоянно увеличиваются или укорачиваются за счет добавления или потери субъединиц. Укорочение микротрубочек может иметь особенно существенные последствия, так как при этом часто существенно уменьшается их длина, вплоть до полного исчезновения. После сборки микротрубочкам свойственна диссоциация, и часто клетка использует другие белки для их стабилизации и предотвращения этого процесса. Хотя свойство разрушаться кажется странным для структурных элементов, подобная неустойчивость обладает большим преимуществом, позволяя микротрубочкам при необходимости разбираться и реорганизовываться в течение минут.
Примером этого является полная перестройка сети микротрубочек, которая происходит в начале митоза и занимает всего несколько минут. Еще одним примером служит реорганизация микротрубочек, которая происходит в развивающихся ооцитах и иллюстрирует обширный характер этого процесса. На рисунке ниже показан ооцит лягушки Xenopus laevis. В диаметре он составляет около 1 мм в диаметре и содержит примерно полмиллиона микротрубочек, средняя длина которых достигает 600 мкм. Если все субъединицы этих микротрубочек вытянуть в одну непрерывную линию, то длина ее составит 300 м, т. е. три футбольных поля. Несмотря на столь большое количество микротрубочек, при стимуляции ооцита к созреванию в яйцеклетку весь цитоскелет деполимеризуется и реорганизуется в пределах 30 мин.
Для некоторых клеток динамическая природа микротрубочек означает больше чем просто способность к быстрому переходу одного типа цитоскелета в другой. Например, фибробласт должен обладать способностью перемещаться в теле и при этом менять направление движения. В этих клетках микротрубочки организованы в виде радиальных лучистых структур, которые распространяются из одной точки, поблизости от ядра.
Эти микротрубочки существуют недолго, в течение лишь части времени, необходимого для передвижения клетки на определенное расстояние. Фибробласт может продолжать двигаться, даже если все микротрубочки подверглись деполимеризации. Интересно, однако, что без микротрубочек клетка не способна изменять направление движения. По-видимому, для этого необходима динамическая природа микротрубочек.
Нейрон сильно отличается по форме и по поведению от фибробласта. Нейрон представляет собой неподвижную клетку, которая характеризуется небольшим телом и выступающими из него отростками (аксонами и дендритами), распространяющимися на большие расстояния. Внутри отростков проходит система микротрубочек Эти микротрубочки переносят большое количество везикул и других материалов к синапсам и в противоположном направлении. В отличие от микротрубочек, присутствующих в фибробласте, отростки нейрона являются стабильными и играют основную роль в обеспечении структуры клетки.
Зрелый ооцит Xenopus laevis представляет собой крупную клетку, в которой плотно упакованы микротрубочки.
На двух фотографиях представлены микротрубочки, расположенные близко к краям ооцита.
Несмотря на большое количество присутствующих микротрубочек и на то, что их общая длина достигает существенной величины,
они способны полностью разобраться в течение нескольких минут.
При деполимеризации происходит медленное разрушение отростков. Таким образом, нейроны используют особенности строения микротрубочек для создания стабильных структурных элементов.
Хотя зрелые нейроны используют микротрубочки для упрочения своей структуры, растущие нейроны также используют динамические свойства микротрубочек. Когда нейроны начинают расти и образуют синапсы с другими нейронами, их клеточные тела формируют тонкие выросты, которые становятся аксонами и дендрита-ми. На конце каждого выроста находится очень активная подвижная область, которая называется конусом роста и которую можно видеть на рисунке ниже. Конусы роста распространяются на большие расстояния, и по мере их продвижения за ними формируются выросты. Конусы роста содержат динамические микротрубочки, которые функционируют так же, как и в подвижных фибробластах, и способствуют движению конусов роста.
Таким образом, нейроны сами решают вопрос о том, в какие моменты и в каких местах клетки микротрубочки должны приобретать динамический характер, а когда должны оставаться стабильными. Способность регулировать динамическое состояние микротрубочек во времени и пространстве является общим свойством всех клеток.
Микротрубочки организованы в соответствии с индивидуальными нуждами каждой клетки. На рисунке ниже представлены два близких по форме типа клеток: одноклеточные делящиеся дрожжи Schizosaccharomyces pombe, и ядерные эритроциты некоторых позвоночных, таких как птицы и амфибии. В том и другом случае клетки имеют продолговатую форму, однако микротрубочки у них организованы по-разному. В клетках S. pombe пучки микротрубочек ориентированы продольно и направлены к клеточному краю, где аккумулируются компоненты, необходимые для полярного роста клетки. Пучки микротрубочек также позиционируют ядро в центре клетки.
В клетках S. pombe микротрубочки не выполняют защитной функции от механических воздействий, поскольку они защищены клеточной стенкой. В красных кровяных клетках обнаруживается совершенно другая организация микротрубочек, поскольку у них, как и у всех клеток животных, отсутствует клеточная стенка. Эти клетки обладают пучками микротрубочек, объединенными вместе с плазматической мембраной в структуру, расположенную по периферии клетки (т. н. маргинальный пучок).
Различная форма двух типов клеток требует разной организации их микротрубочек.
В фибробласте человека видны отдельные микротрубочки, которые начинаются в точке, расположенной поблизости от ядра, и проходят через цитоплазму.
В нейроне микротрубочки упакованы вместе в длинные тонкие образования, которые выходят из тела клетки.
Микротрубочки маргинального пучка обеспечивают жесткость клеточной мембраны; такой же функцией в красных кровяных клетках млекопитающих обладают белки анкерин и спектрин.
Приведенные примеры иллюстрируют общие функции микротрубочек и порождают много вопросов. Каким образом микротрубочки способны столь быстро собираться и диссоциировать? Каким образом клетки регулируют динамику сборки и разборки микротрубочек? Что определяет организацию микротрубочек в клетке?
Каким образом образующие цитоскелет микротрубочки участвуют в движении клеток? На все эти вопросы мы ответим в последующих статьях на сайте (рекомендуем пользоваться формой поиска на главной странице сайта).
Слева вверху изображен нейрон, от тела которого отходят несколько аксонов.
На конце каждого аксона находится конус роста (обозначен голубым цветом).
На основной фотографии в увеличенном виде показан конус роста правого аксона.
Микротрубочки окрашены красным цветом, а актиновые филаменты голубым. Дрожжи S. pombe (слева) содержат относительно немного микротрубочек, собранных в пучки и расположенных в центре клетки.
Микротрубочки транспортируют ростовые факторы к концевым участкам клетки.
В красных кровяных клетках амфибий (справа) кольцевой пучек микротрубочек расположен под плазматической мембраной
и помогает клетке справляться с деформациями при их прохождении через капилляры.
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
Строение микротрубочек и их функции
• 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.
Микротрубочки
Микротрубочки состоят из 13 параллельных тубулиновых протофиламентов (нитей), образующих полые цилиндры диаметром 25 нм и длиной в несколько микрометров. Каждая нить собрана из гетеродимерного белка тубулина, состоящего из двух глобулярных субъединиц – α- и β-тубулина. Сборка микротрубочек осуществляется в т.н. центре организации микротрубочек в центросоме. Микротрубочки – динамичные структуры, постоянно подвергающиеся полимеризации и деполимеризации.
Полимеризация и деполимеризация микротрубочек. Удлинение (рост) микротрубочек происходит за счет полимеризации молекул тубулина. В каждой микротрубочке различают (+)-конец и (-)-конец. Микротрубочки постоянно подвергаются полимеризации и деполимеризации с (+)-конца, тогда как с противоположного (-)-конца (если он не занят стабилизирующим белком) тубулиновые гетеродимеры отделяются от микротрубочек. Как только прекращается добавление новых диаметров к растущему концу, в этом мемте сразу начинается разборка полимера. Повторяющиеся раунды полимеризации и деполимеризации характеризуют динамическую нестабильность микротрубочек. Цитозольные белки, способные связываться с концами микротрубочек и стабилизировать их, относят к семейству ассоциированных с микротрубочками белков.
Функции микротрубочек.Микротрубочки участвуют в поддержании формы клетки, антероградном и ретроградном аксоном транспорте макромолекул, органелл и секреторных везикул, фагоцитозе и функции лизосом. Микротрубочки образуют аксонемы и базальные тельца, обеспечивая подвижность жгутиков и ресничек, в составе центриолей они обеспечивают расхождения хромосом при делении клеток.
Молекулярные моторы. Применительно к микротрубочкам под этим термином понимают АТФазы (динеины и кинезины), одним доменом связывающиеся с тубулином микротрубочек, а другим – с различными мембранными органеллами (митохондриями, секреторными везикулами из комплекса Гольджи, элементами эндоплазматической сети, эндоцитозными пузырьками, аутофагосомами) или макромолекулами. За счет расщепления АТФ моторные белки перемещаются вдоль микротрубочек и таким образом транспортируют ассоциированные с ними органеллы и макромолекулы. При этом кинезиновый мотор направлен к (+)-концу, а динеиновый – к (-)-концу микротрубочки.
Тубулин-кинезиновый хемомеханический преобразователь обеспечивает внутриклеточный транспорт органелл и перемещение хромосом вдоль микротрубочек в ходе клеточного деления. Перемещение органелл вдоль микротрубочек с участием кинезинов осуществляется в направлении (+)-конца микротрубочек.
Тубулин-динеиновый хемомеханический преобразователь отвечает за направленный транспорт макромолекул и органелл к (-)-концу микротрубочек. В составе аксонемы тубулиновый молекулярный мотор приводит в движение жгутик сперматозоида и реснички мерцательных клеток.
Аксонемасостоит из 9 периферических пар микротрубочек и двух расположенных центрально одиночных микротрубочек. В каждой периферической паре различают субфириллу А, содержащую 10-11 тубулинвоых протофиламентов, и субфибриллу В, содержащую 13 протофиламентов. Смежные пары микротрубочек соединены между собой эластичным белком нексином. С субфибриллой А связаны наружные и внутренние ручки. В их состав входит белок динеин, сожержащий 2-3 глобулярные головки, соединенные с гибкой фибриллярной частью молекулы. Основание фибриллярной части вплетено в микротрубочку (субфибрилла А). Глобулярная головка обладает АТФазной активностью. При расщеплении АТФ она скользит по поверхности микротрубочки (субфибрилла В) соседней пары по напарвлению к ее (-)-концу. Этот механизм аналогичен скольжению элементов актомиозинового хемомеханического преобразователя в мышце. Аксонема – основной структурный элемент реснички и жгутика.
Базальное тельце состоит из 9 триплетов микротрубочек, расположенных в основании реснички или жгутика; служит матрицей при организации аксонемы.
Ресчника- вырост клетки длиной 5-10 мкм и шириной 0,2 мкм, содержащей аксонему. Реснички присутствуют в эпителиальных клетках воздухопроводящих и половых путей, перемещают слизь с инородными частицами и остатками отмерших клеток и создают ток жидкости около клеточной поверхности.
Жгутик, как правило, не встречается в количестве более двух на клетку. В сперматозоиде человека жгутик имеет длину 50-55 мкм, толщину 0,2-0,5 мкм и содержит аксонему.
Киноцилия – (греч. kinesis, движение; cilium, ресничка) специальная рпганелла подвижности на поверхности волосковых клеток органа равновесия.
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.
Читайте также: