Лекция: Опорно-двигательная система клетки. Цитоскелет.

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

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

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

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

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

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

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

Миозин I. Представляет собой мономерную молекулу.

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

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

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

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

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

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

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

Какую функцию выполняет система микрофибрилл в составе цитоскелета:

1) Образование сократительного аппарата клетки, обеспечивающего подвижность.

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

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

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

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

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

Такие молекулы выстраиваются друг за другом в длинные нити протофиламенты.

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

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

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

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

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

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

Микротрубочки растут из центра организации микротрубочек (ЦОМТ).

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

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

Функции:

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

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

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

4) Являются цитоскелетом клетки, обеспечивая удержание формы.