Значение динамичных микротрубочек для клетки
Обновлено: 24.04.2024
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.
Значение динамичных микротрубочек для клетки
• Динамичные микротрубочки выполняют функцию внутриклеточного поиска и способны быстро обнаруживать необходимые мишени, независимо от их расположения
• Динамичные микротрубочки обладают адаптационными возможностями и способностью к быстрой реорганизации
• Рост и укорочение микротрубочек генерируют силу и могут использоваться для перемещения везикул и других внутриклеточных структур
• Способность микротрубочек генерировать усилия позволяет им самоорганизовываться в звездообразные структуры
Такое свойство микротрубочек цитоскелета, как их нестабильность выработалось в ходе эволюции, поскольку динамичные микротрубочки обнаружены в клетках всех известных эукариотических организмов. Это позволяет предполагать, что на протяжении уже по крайней мере 700 млн лет наличие динамичных микротрубочек является характерной особенностью клеток эукариот. Почему отбор благоприятствовал закреплению в составе клеточных компонентов динамичных полимеров, потребляющих энергию (при гидролизе ГТФ), а не статичных структур, которые необходимо создать лишь один раз? Очевидно, что динамичные микротрубочки легче адаптируются к изменению клеточной активности.
Они выполняют функции поиска, способны к реорганизациии, и даже могут генерировать механические усилия. Все эти свойства делают цитоскелет, компонентом которого являются динамичные микротрубочки, хорошо приспособленным к разнообразным изменениям клеточных функций. Рисунок ниже иллюстрирует динамическую перестройку цитоскелетных микротрубочек при вступлении клетки в митоз; это лишь один пример адаптационных возможностей микротрубочек. (Все это было бы невозможно, если бы микротрубочки не обладали способностью к гидролизу ГТФ. Важность гидролиза ГТФ для обеспечения адаптационных возможностей микротрубочек подчеркивается анализом ситуации, которая могла бы сложиться, если бы микротрубочки не обладали способностью к гидролизу ГТФ. Способность динамичных микротрубочек осуществлять функцию внутриклеточного поиска иллюстрируется образованием митотического веретена.
Для образования этой структуры необходимо, чтобы микротрубочки, образующиеся на центросомах, нашли кинетохоры и связались с ними своими плюс-концами. Кинетохор представляет собой область на каждой хромосоме, к которой присоединяются микротрубочки митотического веретена. В клеточном масштабе кинетохоры чрезвычайно малы, и центросомы отстоят от них на значительном расстоянии.
На фотографии слева представлены микротрубочки и конденсированные хромосомы при вступлении клетки в митоз.
На снимке справа, сделанном с помощью электронного микроскопа, виден небольшой участок конденсированной хромосомы и два кинетохора.
Видны несколько микротрубочек, идущих к каждому кинетохору.
Представленные фотографии иллюстрируют случайное расположение хромосом в начале митоза и крайне небольшие размеры кинетохора по сравнению с целой хромосомой.
Фотография слева показывает плотность динамичных микротрубочек, образованных на каждой центросоме.
Плотность микротрубочек и их динамический характер дают им возможность надежно обнаружить каждый кинетохор, несмотря на его незначительные размеры и нефиксированное положение внутри клетки.
При масштабировании клетки таким образом, чтобы каждый кинетохор по размеру соответствовал бы дюймовому буллю в центре доски для игры в дартс, центросома отстояла бы от него на расстоянии броска дротика. Если бы ориентация микротрубочек осуществлялась посредством центросом, это потребовало бы невероятных усилий и «знания» деталей расположения кинетохора. Вместо этого, за счет динамической нестабильности, центросомы надежно соединяются с кинетохорами, что не требует каких-либо дополнительных усилий.
Центросомы нуклеируют организацию микротрубочки во всех направлениях, тщательно зондируя всю цитоплазму с помощью массы окончаний этих растущих микроструктур. Микротрубочки, которые не обнаруживают кинетохор, быстро диссоциируют, высвобождая тубулиновые субъединицы для построения новых. Те немногие, которые его находят, стабилизируются, устанавливая связь между полюсами и хромосомами. Хотя лишь небольшая часть микротрубочек находит кинетохор, быстрый постоянный процесс их сборки и разборки за счет динамической нестабильности позволяет всего за несколько минут найти все кинетохоры и связать их с центросомами. За столь короткий отрезок времени каждый кинетохор связывает до 40 микротрубочек. Этот механизм образования веретена носит название поиска и захвата и обладает тем преимуществом, что для него не требуется предварительно устанавливать расстояние между центросомами и кинетохорами. Такая гибкость системы используется при каждом делении, поскольку положение хромосом оказывается различным для каждой клетки в начале митоза и для каждого деления.
На рисунке ниже представлены процессы роста, разборки и избирательной стабилизации микротрубочек, которые обеспечивают образование митотического веретена, а также необходимы для осуществления других функций, особенно связанных с реакцией клеток на изменения окружения. Клеткам часто необходимо осуществлять процессы поляризации по отношению к сигналам, которые возникают на плазматической мембране, например при контакте с другими клетками. Место получения клеткой сигнала предсказать заранее невозможно, и оно может занимать лишь небольшую часть клеточной поверхности. Однако постоянно протекающие процессы сборки и разборки динамических микротрубочек в цитоплазме обеспечивают возможность обнаружения сигнала. Если в результате приема клеткой сигнала происходит стабилизация микротрубочек, они начинают функционировать как транспортные пути для везикул, обеспечивая их поступление в определенную клеточную область. За счет образования новой мембраны в определенной области, клетка поляризуется и приобретает более удлиненную форму.
Одним из примеров локальной стабилизации микротрубочек и поляризации клеток является зарастание клетками участка, образующегося при удалении части монослоя культуры, растущей в чашке Петри (искусственная рана). Для зарастания необходимо, чтобы клетки, расположенные с краю, переместились на пустой участок и начали делиться. До начала движения клетки должны поляризоваться в нужном направлении. При поляризации происходит реориентация микротрубочек, за счет локальной стабилизации тех из них, которые обращены в сторону раны.
В ходе эволюции закрепление динамических микротрубочек в качестве элементов внутриклеточных структур произошло также потому, что они оказались способными генерировать механические усилия и обеспечивать подвижность различных объектов. Подвижность объекта зависит от его способности фиксироваться на конце растущей или укорачивающейся микротрубочки, что позволяет ему передвигаться при изменении ее длины. Этой способностью обладают некоторые белки и органеллы, включая хромосомы и некоторые везикулы, которые могут транспортироваться на концах микротрубочек. На рисунке ниже показано перемещение везикулы, расположенной на кончике укорачивающейся микротрубочки. Для движения, связанного с укорачиванием микротрубочек, используется энергия ГТФ, запасаемая в микротрубочке при ее полимеризации. Большинство актов перемещения, происходящих в клетках, осуществляются с помощью молекулярных моторов, а не за счет роста и укорачивания микротрубочек.
Заманчиво предположить, однако, что динамические микротрубочки развились потому, что давали возможность быстрой реорганизации цитоскелета в ответ на внешний сигнал, обладали способностью к поиску мишеней в цитоплазме, а также могли генерировать механические усилия.
Способность динамических микротрубочек генерировать усилия также может использоваться для позиционирования цитоскелета. Это проявляется даже при отсутствии клеточной организации. На рисунке ниже представлены результаты эксперимента с чистыми центросомами и тубулином, иллюстрирующие это положение. Если поместить центросому в пределы очень малого ограниченного пространства (типа камеры, получаемой методом фотопечати на поверхности стекла, т. е. с применением технологии, которая используется для изготовления компьютерных чипов), а затем стимулировать процесс нуклеации микротрубочек, то центросома будут мигрировать в центру камеры, независимо от положения, которые она исходно занимала. Это происходит потому, что растущие микротрубочки отталкиваются от стенок камеры. Поскольку последние неподвижны, то центросома и микротрубочки смещаются.
Когда центросома занимает центральное положение, механические усилия во всех направлениях уравниваются. Процесс развивается аналогично тому, который происходит в клетке, когда в цитоплазме в направлении плазматической мембраны начинает расти много микротрубочек. Так же как и микротрубочки в искусственной камере, в клетке эти микроструктуры растут в направлении плазматической мембраны, позиционируя центросому в центре.
Локальные изменения стабильности микротрубочек обеспечивают поляризацию клеток и изменение ее формы.
Как представлено на рисунке, в клетке округлой формы вначале микротрубочки располагаются радиально.
Микротрубочки все время исследуют клетку, постоянно оборачиваясь за счет динамической нестабильности.
При поступлении локального сигнала происходит стабилизация части микротрубочек.
Затем стабильные микротрубочки создают полярность клетки и определяют специализацию региона,
например, за счет направленного транспорта везикул к определенному участку мембраны.
Этот механизм «селективной стабилизации» представляет собой один из путей,
посредством которого может меняться случайный характер сборки и разборки микротрубочек и образовываться поляризованная клетка. Представлены два кадра видеозаписи.
В эксперименте in vitro к концу микротрубочки была присоединена везикула.
При укорачивании микротрубочки по направлению к сайту нуклеации везикула
остается связанной с концом микротрубочки и транспортируется в том же направлении. В этом эксперименте для формирования радиального расположения динамичных микротрубочек в крошечной камере,
по размеру напоминающей клетку, использовали центросому.
В течение нескольких минут центросома самопроизвольно перемещалась в центр за счет возникновения сил отталкивания растущих микротрубочек от стенок камеры.
Относительная величина возникающих сил выражается стрелками различной толщины.
Способность центрирования или балансировки трехмерной конструкции, состоящей из микротрубочек, продемонстрированная в этом эксперименте,
иногда может использоваться для позиционирования внутриклеточных структур.
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
• 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.
Динамика микротрубочек в клетке
• Динамическая нестабильность является основным способом перестройки (обмена) микротрубочек в клетке
• Плюс-концы микротрубочек намного более динамичны в клетках, чем в системе in vitro
• Свободные минус-концы никогда не растут; они или стабилизируются, или деполимеризуются
• Клетки содержат субпопуляцию нединамичных стабильных микротрубочек
В клетках микротрубочки подвергаются сборке и разборке, которая обеспечивается механизмом динамической нестабильности. Поскольку понятие динамической нестабильности подразумевает одновременный рост одних микротрубочек и укорачивание других, в каждом конкретном случае для выяснения механизма необходимо наблюдать за индивидуальными микротрубочками в клетке.
Для того чтобы иметь возможность проследить за сборкой микротрубочек, необходимо пометить тубулин с помощью флуоресцентной метки. Это достигается с помощью экспрессии тубулина, связанного с флуоресцирующим белком, или при введении в клетки очищенного тубулина, конъюгированного с флуоресцентным красителем. После этого клетки исследуют под световым микроскопом и через каждые несколько секунд регистрируют интенсивность флуоресценции. С помощью этого метода было получено статическое изображение микротрубочек в живой клетке, представленное на рисунке ниже.
В точках, примыкающих к краям клетки, можно видеть много отдельных микротрубочек, которые попеременно растут и укорачиваются. Такие типы микротрубочек часто расположены рядом друг с другом.
На рисунке ниже показаны две такие микротрубочки, расположенные рядом, ближе к краю клетки — одна из них растет, другая диссоциирует.
Описанный метод можно использовать для измерения длины микротрубочек с течением времени и для сравнения их поведения в клетках и in vitro. Было показано, что динамическая нестабильность микротрубочек, которые собираются in vitro из очищенного тубулина, и тех, которые находятся в клетках, различна. В живых клетках плюс-концы микротрубочек гораздо более динамичны, чем у микротрубочек, полимеризованных из очищенного тубулина.
Кадр видеосъемки клетки, которая экспрессирует флуоресцирующий тубулин.
Микротрубочки окрашены зеленым цветом. Видеосъемка показывает, что за счет динамической нестабильности многие микротрубочки растут и укорачиваются.
В двух выделенных областях клетки находятся динамические микротрубочки.
На рисунке ниже представлена серия изображений, полученных для одной из этих областей.
Плюс-концы микротрубочек в клетках растут в 5-10 раз быстрее, чем in vitro. Как следует из рисунка ниже, микротрубочки, находящиеся в клетках, также чаще переключаются от процесса роста к укорочению. Для микротрубочек in vitro реже наблюдаются паузы, в продолжение которых не регистрируется ни роста, ни укорочения. Для микротрубочек в клетке такие паузы регистрируются часто. Эти различия между характером динамики микротрубочек in vitro и in vivo свидетельствуют о том, что клетка меняет динамическую нестабильность, ускоряя или замедляя этот процесс.
Как будет ясно из дальнейшего изложения, это достигается за счет действия белков, связывающихся с микротрубочками.
Способность клеток регулировать процесс сборки микротрубочек впервые была продемонстрирована при сравнении их динамики в интерфазе и в митозе. Первоначально, для наблюдения за процессами, происходящими с микротрубочками в клетке, использовался метод, позволяющий измерить скорость, с которой в определенном участке клетки образуются новые микротрубочки. Эта техника называется методом восстановления флуоресценции после фотообесцвечивания (FRAP). На рисунке ниже представлены фотографии, отражающие изменения микротрубочек, наблюдаемые с помощью FRAP.
Было показано, что интерфазные микротрубочки деполимеризуются и замещаются новополимеризованными микротрубочками с полупериодом 5-10 мин, в то время как митотические микротрубочки замещаются с полупериодом 0,5-1 мин. Прямое наблюдение за отдельными микротрубочками в митотических клетках с помощью вышеописанной техники показало, что увеличение скорости обмена связано с изменением частоты переходов (например, больше катастроф, меньше спасений) и сильным укорачиванием пауз. Пример изменения частоты переходов представлен на графике.
Изменение динамики микротрубочек, которое наблюдается при вступлении клетки в митоз, происходит с участием цитоплазмы. Динамика микротрубочек может регулироваться и в отдельных частях клетки. Например, для микротрубочек, расположенных вблизи клеточного центра, характерна небольшая вероятность наступления катастроф. Они постоянно растут по направлению к периферии клетки. Переключение между ростом и укорочением гораздо чаще происходит в областях, примыкающих к границе клетки вблизи от плазматической мембраны.
Если бы в глубине и на периферии клетки не было дифференциальной регуляции динамики, то лишь некоторые микротрубочки достигли бы ее границ.
Не для всех микротрубочек характерна одна и та же динамика. Многие интерфазные клетки характеризуются присутствием двух различных популяций микротрубчек, которые различаются по скорости обмениваемости. Одна из популяций обладает динамическим характером и обменивается быстро (в течение минут). Вторая состоит из микротрубочек, которые гораздо более стабильны и часто существуют в продолжение часа или дольше. Эти стабильные микротрубочки не растут и не укорачиваются на плюс-концах, что позволяет предполагать, что эти концы у них каким-то образом копированы. На рисунке ниже отчетливо видны различия между этими субпопуляциями.
Стабильные микротрубочки образуются из динамических, хотя пока неясно, каким образом это происходит. В клетках содержится несколько ферментов, которые различными путями ковалентно модифицируют а-тубулин. Возможно, что это играет определенную роль. Стабильные микротрубочки содержат гораздо больше модифицированного тубулина, чем динамические. Это позволяет предполагать, что они являются основными субстратами для этих ферментов и что модифицированные формы тубулина могут подавлять динамику микротрубочек Функции стабильных микротрубочек пока остаются неясными, однако очевидно, что в разных клетках содержится их различное количество.
В недифференцированных клетках примерно 70% микротрубочек представляют собой динамичные структуры, а 30% — стабильные. Стабильные микротрубочки гораздо более характерны для неделящихся дифференцированных клеток, таких как мышечные и эпителиальные, а также нейроны.
Нуклеация микротрубочек происходит на центросомах, однако не все микротрубочки остаются связанными с ними. Микротрубочки способны высвобождаться от центросом, однако скорость, с которой это происходит, зависит от типа клеток и стадии отхождения цикла. Отделение микротрубочек от центросом приводит к их появлению в цитоплазме со свободными плюс- и минус-концами. Свободные микротрубочки также могут образовываться при распаде связанных с центросомами форм.
Свободные микротрубочки могут существовать в клетке в том случае, если их минус-концы стабилизированы, хотя механизм стабилизации неизвестен. В фибробластах свободные микротрубочки быстро диссоциируют, и остаются только те из них, которые связаны с центросомами. В эпителиальных клетках и нейронах минус-концы структур стабильны, и свободные микротрубочки могут существовать в цитоплазме. Эти свободные микротрубочки могут транспортироваться и организовываться при помощи молекулярных моторов ставления о моторных белках микротрубочек), которые позволяют клеткам организовывать микротрубочки в структуры, отличные от радиальных, характерных, например, для фибробластов.
В некоторых клетках, в которых микротрубочки не связаны с центросомами, они подвергаются перестройке (тредмиллингу). Этот процесс характеризуется тем, что за счет динамической нестабильности общий рост микротрубочки обеспечивается преимущественным наращиванием плюс-конца, в то время как минус-конец укорачивается. За счет этого процесса тубулиновые субъединицы присоединяются к плюс-концу и отщепляются с минус-конца. При этом длина микротрубочки сдвигается, как показано на рисунке ниже. Процесс тредмиллинга характерен для клеток растений, в которых отсутствуют центросомы. Тредмиллинг требует участия дополнительных белков и не происходит в растворе очищенного тубулина.
Видеосъемка небольшой области, расположенной на периферии клетки, которая экспрессирует флуоресцирующий тубулин.
Показаны четыре рамки видеоизображения, записанного в течение определенного времени.
Стрелками обозначены две индивидуальные микротрубочки.
Микротрубочка, расположенная слева, постоянно растет, в то время как правая укорачивается. Каждая кривая показывает изменение длины микротрубочки во времени.
Линия голубого цвета показывает рост микротрубочки из очищенного тубулина in vitro.
Как видно, трубочка растет более одной минуты, затем происходит почти полная ее деполимеризация, после чего рост возобновляется.
Красным цветом обозначена кривая, отражающая рост типичной микротрубочки, находящейся в клетке.
По длине эта трубочка в несколько раз превышает образующуюся in vitro, и для нее характерно большее число переходов за тот же промежуток времени.
В отличие от системы in vitro, при каждом цикле деполимеризации трубочка укорачивается лишь частично, и иногда между состоянием роста и укорачивания наблюдается пауза. Исследование быстрой оборачиваемости микротрубочек веретена с помощью метода восстановления флуоресценции после фотообесцвечивания (FRAP).
Представлены микротрубочки митотического веретена в клетке, которая экспрессирует флуоресцирующий тубулин.
Полюса веретена расположены вверху и внизу.
В промежутке времени между съемкой первой и второй рамок флуоресцентная метка тубулина подвергается локальному фотообесцвечиванию на участке,
расположенном поперек веретена (выделен скобками).
В течение 60 с флуоресценция в обесцвеченной области возвращается к первоначальной интенсивности.
Это свидетельствует о том, что через выделенный участок проходят новые микротрубочки, содержащие флуоресцирующие субъединицы тубулина.
Появление микроструктур является результатом постоянной сборки и разборки микротрубочек веретена. Две кривые, описывающие изменение длины типичных интерфазных (голубая линия) и митотических (красная линия) микротрубочек во времени.
Интерфазные микротрубочки гораздо длиннее, и длина их практически не меняется причем иногда они не растут и не укорачиваются.
Длина митотических микротрубочек непостоянна, и с каждым циклом деполимеризации они сокращаются.
Из-за изменений параметров динамической нестабильности, в зависимости от фазы клеточного цикла,
митотические микротрубочки выглядят короче и более динамичны, чем интерфазные. Фотография небольшой области вблизи края клетки, сделанная с помощью флуоресцентного микроскопа.
Ковалентно-модифицированная форма тубулина находится только в стабильных микротрубочках и отмечена зеленым цветом;
немодифицированная форма тубулина обозначена синим цветом. Непосредственно перед приготовлением препаратов для микроскопии в клетки вводили меченый тубулин,
чтобы пометить концы растущих трубочек (обозначен красным цветом).
В клетке микротрубочки окрашены либо зеленым, либо синим цветом, что указывает на существование двух отдельных их субпопуляций.
Только для синих микротрубочек характерны красные кэпы. Это говорит о том, что к стабильным микротрубочкам субъединицы не присоединяются. В некоторых условиях на микротрубочках происходит процесс тредмиллинга,
при котором тубулиновые субъединицы преимущественно добавляются к плюс-концу микротрубочки и отщепляются на минус-конце.
Наращивание субъединиц с одного конца микротрубочки и диссоциация их с другого означает,
что происходит непрерывный «круговорот» тубулиновых субъединиц, сопровождающийся их продвижением от плюс- к минус-концу.
Это показано на примере субъединиц, обозначенных красным цветом.
Тредмиллинг является основным путем обмениваемости микротрубочек в клетках растений.
Информация на сайте подлежит консультации лечащим врачом и не заменяет очной консультации с ним.
См. подробнее в пользовательском соглашении.
Микротрубочки
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: