Лекция: Клеточный центр (центросома)

Центросомы или клеточный центр были обнаружены в 1875 году Флемингом. В 1876 – Бенеденом. Располагаются в геометрическом центре клетки. Они характерны для клеток животных. Их нет у высших растений, у низших грибов и некоторых простейших. В клеточный центр входят мелкие плотные тельца центриоли, обычно в паре. Пара центриолей – диплосома. В этой паре центриоли ориентированы перпендикулярно друг к другу. Диплосома окружена более светлой цитоплазмой, от которой отходят радиально тонкие фибриллы – центросфера.

Основу строения центриоли составляют расположенные по окружности девять триплетов микротрубочек. Образованный девятью триплетами полый цилиндр имеет ширину приблизительно 0, 15 мкм, а длину 0,3 – 0,5 мкм. Первая микротрубочка триплета называется а-микротрубочка. Она полная микротрубочка. Вторая и третья микротрубочки являются не полными. Они содержат 11 протофиламентов и вплотную примыкают друг к другу Другими словами, участок, соединяющий микротрубочки является общим.

Каждый триплет располагается примерно под углом 40 градусов к радиусу цилиндра. Микротрубочки состоят из тубулина. Кроме тубулина в состав центриоли входят дополнительные структуры, представленные белком динеином.

Обычно, в интерфазных клетках в составе диплосомы выделяют материнскую центриоль и дочернюю. Дочерняя располагается перпендикулярно к продольной оси материнской центриоли. В центральной части центриоли располагается так называемая втулка, которая представлена белком нексином. Нексин формирует выросты, которые назваются спицами, девять спиц в направлении каждого триплета. Объем, который занимает внутри центриоли втулка со спицами может занимать от 3\4 до 1\5. Рядом с диплосомый от материнской центриоли располагаются в виде аморфного материала выросты, которые называются придатками или сателлитами материнской центриоли. У дочерней придатков никогда нет.

Систему микротрубочек центриолей описывают формулой 9+0. Вокруг центриолей тонковолокнистый матрикс – муфта, в который погружены микротрубочки. В муфте есть спутники (= перецентриолярные сателлиты). Они состоят из фибриллярных структур с треугольной ножкой. Ножка несет головку. Контактируют с мелкими тельцами. Сателлиты – центры, на которых происходит сборка микротрубочек.

Такая морфология диплосомы не является данной. Все это является очень пластичной структурой. Строение и активность центросомы кардинально меняется в зависимости от периода клеточного цикла.

Клеточным циклом называется время от начала образования клетки до ее собственного деления.

Периоды: деление (деление ядра и деление цитоплазмы), составляет примерно 1\7 часть клеточного цикла. А остальное – период подготовки к делению (интерфаза).

Для каждой стадии клеточного цикла характерны свои особенности метаболизма и морфологии.

Во время деления в клетках находится 2 центросомы. Клетка имеет 4 центриоли, они располагаются на полюсах клетки в виде 2 диплосом. Материнская центриоль на всех стадиях митоза окружена довольно широкой зоной, шириной примерно 0,3 мкм, представленной тонкими фибриллами. Эта зона называется центриолярным фибриллярным гало. От этого гало радиально отходят микротрубочки. Важно, что дочерняя центриоль не имеет ни гало, ни микротрубочек. И такая диплосома выполняет функции формирования веретена митотического аппарата. Ахроматическое веретено деления.

Зона диплосом, центросфера диплосом, называемая перицентриолярным матриксом, является центром организации или полимеризации микротрубочек (ЦОМТ). Это первая форма активности центриолей.

Центриоли – центры полимеризации микротрубочек. К концу телофазы, когда практически произошло разделение цитоплазмы клеток, хромосомы начинают деконденсироваться и образуются новые дочерние ядра. Происходит разрушение ахроматического веретена деления и трубочки веретена деполимеризуются. Клеточные центры тоже меняют свою структуру, а именно материнская и дочерняя центриоли теряют взаимное перпендикулярное расположение и отходят друг от друга. Расстояние варьирует до 2 мкм. Эти центриоли в начале G1-периода формируют сателлиты, от которых радиально отходят микротрубочки. Центриоли становятся местом формирования цитоплазматических микротрубочек. По мере роста микротрубочек связь с областью центриолей теряется и микротрубочки свободно существуют в цитоплазме некоторое время. И в клетке происходит как бы конвеерная смена и репродукция цитоплазматических микротрубочек. Если запретить клетке переходить в следующую фазу, то будет стадия покоя (G₀-период).

Переход клетки в стадию выполнения своих функций связан с функционированием клеточного центра как структуры, формирующей ресничку или вырост плазматической мембраны заполненной аксонемой. Аксонема – осевая нить.

Аксонема состоит из девяти дуплетов микротрубочек, которые отрастают из центриолей, и также располагаются по окружности радиально и в каждом дуплете выделяют полную и неполную микротрубочку. Кроме дуплетов микротрубочек, для реснички характерно наличие двух одиночных центральных микротрубочек, которые окружены дополнительным белком нексином в форме осевого или центрального цилиндра. (9+2). Центриоли выполняют функцию базального тела.

При наступлении S периода клеточный центр выполняет еще одну форму активности, а именно удвоение числа центриолей. Размножение центриолей не связано с их делением, а происходит путем образование зачатка или процентриоли, которая формируется как бы на стенке имеющейся центриоли перпендикулярно к каждой центриоли. Вначале закладывается девять одиночных микротрубочек, затем они преобразуются в девять дуплетов и только потом в девять триплетов. Такое наращивание называется дупликация. Благодаря такому росту структур сначала образуется короткая дочерняя центриоль, которая, затем, дорастает до размеров материнской. В S-периоде, одновременно с дупликацией, материнская центриоль продолжает образовывать цитоплазматические микротрубочки.

В результате процесса дупликации возле каждой центриоли вырастает новая центриоль. Дупликация центриолей является пусковым механизмом или сигналом для репликации молекулы ДНК. После завершения S-периода в клетке находится уже две диплосомы.

После наступает следующий период клеточного цикла. Постсинтетический период, прямо предшествующий делению. В это время исчезают сателлиты на материнской диплосоме. Обе материнские центриоли покрываются фибриллярным гало и начинают формировать теперь уже митотические микротрубочки.

Помимо этого, в цитоплазме происходит распад микротрубочек и клетка стремится приобрести шаровидную форму. Клетки, которые способны к длительному размножению, они повторяют эти события от цикла к циклу. Если же клетка находится в состоянии G₀ периода, то центриоль будет участвовать, во-первых, в процессе полимеризации цитоплазматических микротрубочек, а во-вторых, образования аппарата движения ресничек и трубочек.

Реснички подразделяются на две группы: кинетоцилии, которые характерны для специальных эпителиев или свободно плавающих клеток и первичные реснички.

Ресничка представляет собой тонкий цилиндрический вырост в цитоплазме с постоянным диаметром 300 нм. Вырост от основания до верхушки покрыт плазмолеммой. Внутри выроста расположена структура аксонема, состоящая в основном из тубулина и динеина.

Нижняя проксимальная часть реснички погружена в цитоплазму и называется базальное тельце. Диаметры аксонемы и базального тельца одинаковы. Аксонема в своем составе имеет девять дуплетов, образующих внешнюю стенку цилиндра аксонемы. Дуплеты микротрубочек слегка повернуты под углом примерно 10 градусов по отношению к радиусу аксонемы. В дуплетах микротрубочек так же различают полную или А-микротрубочку, состоящую из 13 протофиламентов и В-микротрубочку, неполную, она имеет 11 протофиламентов. А-микротрубочка несет на себе выросты, которые направлены к В-микротрубочке с соседнего дуплета. Формируют эти ручки дополнительный белок динеин. Денеин представлен крупными белковыми комплексами, состоящими из 9 – 12 полипептидных цепей, содержащих 2 – 3 глобулярные головки, связанные вместе более гибкими линейными участками. Каждая головка динеина имеет активный центр для взаимодействия с молекулой АТФ. От А-микротрубочек к центру центрально цилиндра отходят радиальные вспомогательные белки, которые формируют спицы, отходящие от центрально цилиндра.

Базальное тельце реснички имеет точно такое же строение, как и центриоль. Имеются ручки, втулка и спицы, расположенные в нижней части базального тельца. На участке базального тельца, примыкающего к плазмолемме, имеется девять придатков, идущих от каждого триплета к плазматической мембране и связывающих его с клеточной тканью. Поэтому базальное тельце и ресничка структурно связаны друг с другом и составляют единое целое. А- и В-микротрубочки в триплетах базального тельца, продолжаются в А- и В-микротрубочках в дуплетах аксонем. А вот внутренние части отличны друг от друга и часто в зоне перехода базального тельца в ресничку наблюдают аморфную поперечную пластинку, от которой начинаются в область аксонемы рост центральных микротрубочек. Реснички не сокращаются. Они изгибаются или бьются. В этом движении динеин является мото- или двигательным белком. При ассоциации динеина с субъединицами тубулина происходит продольное скольжение дуплетов один относительно другого. Происходит перемещение головок микротрубочек от положительного конца к отрицательному кольцу и соседний дуплет сдвигается к верхушке реснички. Дуплеты микротрубочек связаны друг с другом вспомогательными белками с центральной парой микротрубочек. Такое кооперативное смещение дуплетов в сторону верхушки приводит не к удлинению реснички, а к ее изгибу. Процесс является энергозависимым.

Многие бактерии способны к движению с помощью других органелл. Это бактериальный жгутик или флагелла. Жгутики бактерий принципиально отличны. Они имеют сложное строение. Состоят из трех основных частей: внешней длинной волокнистой нити собственно жгутика, крючочка и базального тельца. Жгутиковая нить построена из белка флагеллина. Молекулярная масса его от 40 до 60 тыс. Глобулярные субъединицы флагеллина полимеризуются в спирально закрученные нити так, что образуется структура. Диаметр 12 – 25 нм. Полая внутри. Белки флагеллина не способны к движению. Они могут спонтанно полимеризоваться в спиральные нити с определенным шагом спирали.

Вблизи клеточной поверхности бактерий флагелла переходит к более широкому участку, который называется крючок.

Длина крючка около 45 нм. Он состоит их других белков.

Бактериальное базальное тельце состоит из стержня связанного с крючком и четырех колец «дисков». Одно кольцо погружено в липосахаридную мембрану, другое – в слой муреина. Другие погружены в белковый комплекс. У эукариот жгутики движутся за счет продольного движения дуплетов. У бактерий движение жгутиков происходит за счет вращения базального тельца вокруг своей оси в плоскости плазматической мембраны. Движение жгутиков не зависит от АТФ.

Третья составная часть – 10-нм промежуточные филаменты. Они строятся из фибриллярных мономеров. Основная конструкция промежуточных филаментов напоминает канат, который имеет фиксированную толщину.

Локализация промежуточных филаментов строго центрирована в клетке. Они располагаются в околоядерной зоне и в пучках фибрилл, отходящих к периферии клеток.

Встречаются промежуточные филаменты во всех типах клеток животных, но особенно много в тех клетках, которые подвержены механические воздействия. Например, эпидермис, мышцы, нервные отростки. В клетках растений нет промежуточных филаментов.

В состав филаментов входит большая группа изомерных белков, которые подразделяются на четыре группы:

1) Кератиновые волокна. Они способны к полимеризации. Состоят из двух подтипов. Разделяются на кислые и нейтральные.

2) Виментин, виментиновые волокна, которые характерны для мезенхимных тканей. Десмин. Характерен для мышечной ткани, причем, и гладкой и поперечно-полосатой. Глиальный белок – оболочка вокруг нейронов.

3) Нейрофиламенты. Аксоны нервных клеток.

4) Белки ламины. Они не располагаются в субмембранном слое клетки, но последние данные показали, что по строению и свойствами ламины являются промежуточными филаментами.

Для всех промежуточных белков характерная сходная аминокислотная последовательность, представленная 130-ю остатками аминокислот в центральной части фибриллы, имеют спиральное строение – альфа-спираль (одинаковая у всех).

Кольцевые участки характеризуются разной аминокислотной поверхностью, разной длиной, представлены не спиралью.

Наличие центральных доменов позволяет образовать двойную спираль – димер, длиной около 48 нм. Димеры ассоциируют бок о бок. Образуют короткий проторфиламент, в котором будет уже 4 первоначальных молекулы и называется он тетрамер. Толщина его около 3 нм. Протофиламенты еще раз определяются попарно и образуются длинные тонкие фибриллы из состоящей из восьми продольных протофиламентов (октамер, диаметр 10нм). В этом особенность полимеризации промежуточных филаментов.

Белки ядерной ламины, они полимеризуются иначе. Они образуют димеры с головками на одном конце, они, полиризуясь по 2, формируют рыхлую сетчатую прямоугольную решетку. Такая решетка связанная из димеров, способна к реакции фосфорилирования, что приводит к распаду рыхлой прямоугольной решетки. Цитоплазматические промежуточные филаменты относятся к самым стабильным и долгоживущим элементам цитоскелета. Это и есть истинно-опорная система.

Интересно, что расположение промежуточных филаментов как бы дублирует расположение микротрубочек. При разрушении микротрубочек наблюдается интересное явление, которое называется коллапс промежуточных филаментов. Они собираются в плотные пучки вокруг ядра.

Функции промежуточных филаментов:

1) Структурная, противодействуют силам растяжения;

2) Интеграция трех систем клетки: поверхностного аппарата, цитозоля и ядра.

Итог темы. В составе цитоскелета можем выделить такие элементы цитоскелета: только каркасные (промежуточные филаменты) и опорно-двигательные (актин-миозин, тубулин-динеин). В опорно-двигательных элементах существуют 2 различных способа движения:

1. Основан на способности основного белка микрофиламентов актина и основного белка микротрубочек тубулина к полимеризации и деполимеризации, что приводит при связи этих белков с плазматической мембраной к ее морфологическим изменениям в виде образования псевдоподий, с целью перемещения клеток на поверхность субстрата.

2. При втором способе передвижения фибриллы актина или тубулина являются направляющими структурами, по которым перемещаются специальные подвижные белки – моторы. Они взаимодействуют с мембранными или фибриллярными компонентами клетки, вызывая ее перемещение.