Какие функции выполняет цитоскелет

Какие функции выполняет цитоскелет

Функции цитоскелета

Цитоскелет выполняет три главные функции.

1. Служит клетке механическим каркасом, который придаёт клетке типичную форму и обеспечивает связь между мембранной и органеллами. Каркас представляет собой динамичную структуру, которая постоянно обновляется по мере изменения внешних условий и состояния клетки.

2. Действует как «мотор» для клеточного движения. Двигательные (сократительные) белки содержатся не только в мышечных клетках, но и в других тканях. Компоненты цитоскелета определяют направление и координируют движение, деление, изменение формы клеток в процессе роста, перемещение органелл, движение цитоплазмы.

3. Служит в качестве «рельсов» для транспорта органелл и других крупных комплексов внутри клетки.

Микрофиламенты и промежуточные волокна.

Микрофиламенты построенные из F-актина пронизывают микроворсинки, образуя узлы. Эти микроволокна удерживаются вместе с помощью актинсвязывающих белков, наиболее важными из которых являются фимбрин и виллин. Кальмодулин и миозиноподобная АТФ – аза соединяют крайние микроволокна с плазматической мембраной. .

Клетка может менять набор синтезируемых белков цитоскелета в зависимости от условий, но процесс этот медленный. Конструкция цитоскелета способна быстро меняться даже без синтеза новых молекул, за счет полимеризации и деполимеризации нитей. В клетке все время идет обмен между нитями и раствором белков-мономеров в цитоплазме. Во многих клетках примерно половина молекул актина и тубулина находится в виде мономеров в цитоплазме и половина входит в состав нитей микрофиламентов. Клетка регулирует стабильность нитей цитоскелета, присоединяя к ним специальные белки, изменяющие скорость полимеризации. Общий принцип функционирования цитоскелета – динамическая нестабильность. Например, форму эритроцита в виде двояковогнутого диска поддерживает примембранный цитоскелет из волокон, образованных белком спектрином. Спектрин связан с белком анкерином (anchor – якорь), который соединяется с белком цитоплазматической мембраны, ответственным за транспорт анионов (Cl- , HCO-3). Дефекты белков спектрина и анкирина вызывают необычную форму эритроцитов. Такие эритроциты очень быстро разрушаются в селезенке. Болезни, вызываемые такими нарушениями, называют наследственным сфероцитозом или наследственным эллиптоцитозом.

Рис. Цитоскелет эукариот. Актиновые микрофиламенты окрашены в красный, микротрубочки — в зеленый, ядра клеток — в голубой цвет.

Кератиновые промежуточные филаменты в клетке.

Таким образом, эукариотические клетки обладают своего рода каркасом, который с одной стороны придает им определенную форму, а с другой допускает возможность её изменения, позволяя клеткам двигаться и перемещать свои органеллы с одной части клетки в другую. Кроме основных компонентов цитоскелета важную роль в его организации и функциональной интеграции играют вспомогательные белки. Эти белки отвечают за прикрепление органелл к цитоскелету, обеспечение направленного движения органелл, координацию функций цитоскелета.

Нарушения цитоскелета. Цитоскелет не является пассивной клеточной структурой, обеспечивающей только клеточную морфологию. Доказана роль цитоскелета в двигательной функции клеток, в структуре плазматической мембраны и, что очень важно, в рецепторной функции клеток. Отмечено, что изменения цитоскелета нарушают процесс высвобождения активного вещества (гормона, медиатора и т.д.), а также изменяют рецепторную функцию клеток-мишеней. В результате нарушается рецепция клетками (в частности, нервными) различных стимулирующих веществ. Кроме того, отмечается нарушение двигательной активности клеток (например, бета-клеток поджелудочной железы), в результате возникает недостаточность инсулина. Поэтому проявления диабета довольно постоянны при хромосомных синдромах (Тернера, Клайнфельтера, Дауна и т.п.). Другим примером заболеваний с нарушением цитоскелета являются мышечная дистрофия Дюшенна и мышечная дистрофия Беккера. Обе формы являются результатом мутаций гена, кодирующего белок дистрофин. Дистрофин, в свою очередь, входит в состав цитоскелета. В результате при биопсии мышц выявляют характерные изменения – перерождение мышц и некроз волокон.

Органеллы, содержащие триплеты микротрубочек

Центриоли. Центриоль имеет цилиндрическую форму, диаметр 150 нм и длину 500 нм; стенка образована 9 триплетами (триплетный – состоящий из трёх) микротрубочек. Центриоль – центр организации митотического веретена – участвует в делении клетки. В ходе фазы S клеточного цикла центриоли удваиваются. Образовавшаяся новая центриоль расположена под прямым углом к первоначальной центриоли. При митозе пары центриолей, каждая из которых состоит из первоначальной и вновь образованной, расходятся к полюсам клетки и участвуют в образовании митотического веретена.

Базальное тельце состоит из 9 триплетов микротрубочек, расположенных в основании реснички или жгутика; служит матрицей при организации аксонемы.

Аксонема состоит из 9 периферических пар микротрубочек и двух расположенных центрально одиночных микротрубочек. В каждой периферической паре микротрубочек различают субфибриллу А и субфибриллу В. С субфибриллой А связаны так называемые наружные и внутренние ручки. В их состав входит белок динеин, обладающий способностью расщеплять АТФ. Аксонема – основной структурный элемент реснички и жгутика.

Ресничка – вырост клетки длиной 5-10мкм и толщиной 0,2 мкм, содержащий 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. Под влиянием табачного дыма реснички воздухоносных путей разрушаются, что способствует задержке секрета в бронхах.

Рис. Схема поперечного сечения реснички. (Из кн. Б. Албертс и др. «Молекулярная биология клетки», том 3.)

Схема строения эукариотической эпителиальной клетки

Рисунок В.П. Андреева

Внутриклеточное пространство внутри клетки – это зона цитозоля неструктурированного мембранами внутриклеточного содержимого. Цитозоль является жидкой частью цитоплазмы и составляет около половины объема клетки. Здесь синтезируются белки, часть которых собирается на полисомах и остается в цитозоле. Цитозоль непосредственно сообщается через крупные ядерные поры с содержимым ядра. В ядре идут процессы транскрипции РНК с ДНК, причем синтезируются как нормальные клеточные, так и вирусные при вирусных инфекциях клеток. РНК из ядра транспортируется для синтеза белка в цитозоль на полирибосомы. Синтезированные белки под контролем шаперонов («катализаторов» принятия полипептидной цепью биологически значимой конформации) направляются в специальные участки эндоплазматического ретикулума. Лишние, испорченные, а также вирусные белки расщепляются в цитозоле так называемыми протеасомами. «Протеасомы» представляют собой мультипротеазные комплексы, состоящие из 28 субъединиц. Протеасомы расщепляют вирусные белки до пептидов- антигенов. Образовавшиеся пептиды- антигены вступают в связь с молекулами главного комплекса гистосовместимости (ГКГ – I), и направляются для экспрессии на клеточную мембрану. Комплексы антиген – ГКГ- I, расположенные на клеточной мембране, узнаются СД8+ Т- лимфоцитами, которые при этом активируются и обеспечивают противовирусную защиту, а также защиту от цитозольных внутриклеточных инфекций.

Внеклеточное пространство внутри клетки – это пространство (зона, компартмент) связанное с внешней внеклеточной средой и ограниченное мембранами структур и везикул, включающее в себя аппарат Гольджи, эндоплазматический ретикулум, лизосомы, эндосомы, фагосомы и фаголизосомы. Особое значение эта зона имеет в структуре антигенпредставляющих клеток, к которым относятся макрофаги и дендритные клетки (вариант лимфоцитов). На рибосомах эндоплазматической сети этих клеток синтезируются цепи молекул главного комплекса гистосовместимости (ГКГ- III). Конформация этих молекул произойдет только в том случае, если они соединятся с пептидами, образующимися в результате протеолиза (расщепления) белков – антигенов, захваченных клеткой посредством эндоцитоза или фагоцитоза. Это происходит тогда, когда фаголизосомы сливаются с везикулами, содержащими несконформированные молекулы ГКГ- II. С участием пептида молекула ГКГ- II принимает правильную конформацию, продвигается к мембране и экспрессируется на ней. Комплексы антигенов-пептидов с молекулами ГКГ- II распознают СД4+ Т – лимфоциты, которые играют главную роль в защитных реакциях от внеклеточных инфекций.

Концепции современной цитологии

Для разных клеточных типов у различных организмов характерны универсальные процессы. Это передача сигналов внутри клетки, регуляция клеточного цикла, апоптоз, тепловой шок, деградация внутриклеточных белков.

Апоптоз – биологический механизм гибели клетки по тому или иному сигналу извне или изнутри, который активирует внутри клетки определенные системы ферментов, обеспечивающих повреждение митохондрий, фрагментацию ДНК и затем фрагментацию ядра и цитоплазмы клетки. В результате клетка распадается на окруженные мембраной апоптозные тельца, которые могут фагоцитироваться соседними эпителиальными клетками и макрофагами. Содержимое погибающей клетки не попадает во внеклеточную среду. В ткани не развивается воспаление. Жизнь многоклеточных организмов невозможна без запрограммированной клеточной гибели, которая регулирует развитие, тканевый гомеостаз, клеточный ответ на повреждение ДНК и старение.

Тепловой шок

Тепловой шок может вызываться не только слишком высокой, но и слишком низкой температурой, ядами и множеством других воздействий, например, сбоем цикла суточной активности. Под воздействием этих факторов в клетке появляются белки с «неправильной» третичной структурой. Многие белки теплового шока как раз и помогают переводить в раствор и вновь сворачивать денатурированные или неправильно свернутые белки.

Реакция теплового шока сопровождается прекращением синтеза обычных для клетки белков и ускоренным синтезом различных защитных белков. Эти белки защищают от повреждений ДНК, матричные РНК, предшественники рибосом, и прочие важные для клетки структуры. Реакция теплового шока необычайно древняя и консервативная. Некоторые белки теплового шока обнаруживают гомологию у бактерий и человека.

К N-концу поврежденных, изношенных, недостроенных и функционально неактивных белков присоединяются молекулы белка-убиквитина, делая их мишенью для ферментов класса протеаз. Ассоциированный с убиквитином белок разрушается в особых мультикомпонентных комплексах, называемых протеасомами. Убиквитин – пример белка теплового шока, функционирующий в клетке и в нормальных условиях. В некоторых клетках, синтезируется до 30% аномальных белков. За открытие роли убиквитина в деградации белков была присуждена в 2004 году Нобелевская премия по химии.

Шапероны (от англ. букв.- пожилая дама, сопровождающая молодую девушку на балах) – семейство специализированных внутриклеточных белков, обеспечивающих быстрое и правильное сворачивание (фолдинг) вновь синтезированных молекул белка.

Кроме этого известны и другие белки шапероны. Например, шаперон HSP 70. Его синтез активируется при многих стрессах, в частности при тепловом шоке (отсюда и название Heart shook protein 70 – белок теплового шока). Цифра 70 означает молекулярную массу в килодальтонах. Основная функция этого белка – предотвращение денатурации других белков при повышении температуры. Шапероны – одни из самых жизненно важных белков всех живых существ. Они возникли на самых ранних стадиях эволюции, возможно еще до разделения организмов на прокариоты и эукариоты

Передача внешнего сигнала в клетку

Клетки не могут сами принять решение о том, что нужно организму. Они должны получить сигнал извне и лишь после этого внутриклеточная регуляция включится в поддержание необходимых процессов. Известные биохимики Вильям Эллиот и Дафна Эллиот приводят аналогию с мореплаванием. «Каждый корабль представляет собой организационную единицу «клетку», где поддерживается порядок и дисциплина, упорядоченно работают все механизмы и т.д. Вместе с тем, цели и маршруты плавания для кораблей определяются внешними сигналами (гормонами) высшего руководства (эндокринные железы и мозг).

Клетка обычно принимает сигнал о «состоянии дел» вокруг нее с помощью рецепторов. Н.Н. Мушкамбаров и С.Л. Кузнецов выделяют несколько механизмов действия сигнальных веществ.

1) Вещество взаимодействует с рецептором плазмолеммы, что индуцирует передачу сигнала внутрь клетки и при этом происходит химическая модификация (фосфорилирование, дефосфорилирование) определенных белков. (Фосфорильная группа несет сильный отрицательный заряд, что способствует изменению конформации белковой молекулы).

2) Вещество взаимодействует с рецептором плазмолеммы, который является одновременно и ионным каналом, открывающимся при связывании регулятора.

3) Внеклеточный регулятор проникает внутрь клетки мишени, связывается с цитоплазматическим или ядерным белком-рецептором и, выступая после этого как транскрипционный фактор, влияет на экспрессию определенных генов. Так действуют гормоны стероидной природы (например, мужские и женские половые гормоны).

В качестве сигнальных молекул иногда выступают простагландины и NO (оксид азота). Они проникают в клетку-мишень и влияют на активность регуляторных ферментов. Конечный результат – модификация определенных белков.

Наиболее часто используемым является механизм первого типа. При этом конкретные способы его реализации весьма разнообразны.

Передача сигналов внутри клетки

Водорастворимые сигнальные молекулы, в том числе известные нейромедиаторы, пептидные гормоны и факторы роста, присоединяются к специфическим белковым рецепторам на поверхности клеток-мишеней. Поверхностные рецепторы связывают сигнальную молекулу (лиганд), проявляя большое сродство к ней, и это внеклеточное событие порождает внутриклеточный сигнал, изменяющий поведение клетки.

Рецепторы являются интегральными мембранными белками.

Существует множество сигнальных путей, начинающихся от мембранного рецептора.

(Изменение мембранных рецепторов сопровождается возникновением различных болезней. Так, например, дефект в рецепторе мужского полового гормона тестостерона приводит к тому, что особи с мужским генотипом (2А+ХУ) выглядят как самки; все млекопитающие, не подвергнувшиеся в эмбриональный период воздействию тестостерона, развиваются по женскому пути. Мутантные самцы имеют нормальные семенники, вырабатывающие тестостерон, но ткани этих самцов не реагируют на гормон из-за дефектности соответствующих рецепторов. В результате у таких самцов развиваются все вторичные половые признаки самок и их семенники не опускаются в мошонку, а остаются в брюшной полости. Этот синдром (тестикулярной феминизации или сидром Морриса) встречается у мышей, крыс, крупного рогатого скота, а также у человека. Хотя изменен только ген, кодирующий рецептор тестостерона, затронутыми оказываются все разнообразные типы клеток, в норме реагирующие на этот гормон. Таким образом, один внешний сигнал может включать различные наборы генов в клетках разного типа.

Подавляющее большинство поверхностных рецепторов для гидрофильных сигнальных молекул, связав лиганд на внешней стороне мембраны, претерпевает конформационное изменение. Это изменение создает внутриклеточный сигнал, изменяющий поведение клетки-мишени. Внутриклеточные сигнальные молекулы часто называют вторыми посредниками (мессенджерами, англ. messenger – посыльный), считая «первым посредником» внеклеточный лиганд. К вторичным (внутриклеточным) посредникам относят циклический аденозинмонофосфат (цАМФ), циклический гуанозин 3΄,5΄ — монофосфат (цГМФ), катионы кальция, инозит-1,4,5-трифосфат, диацилглицерин. Кроме этого, известны сигнальные пути опосредованные белками, липидами, в том числе свободными жирными кислотами, оксидом азота (NO), а также пути не содержащие вторичного посредника. Примером последнего варианта является влияние γ-интерферона на транскрипцию определенных генов, с антивирусной направленностью. Внутриклеточные сигнальные пути регуляции клеточной активности очень сложны, до конца не изучены и многие открытия еще впереди. Достаточно сказать, что внутриклеточный сигнальный путь с участием инсулина, несмотря на многолетние исследования, еще не расшифрован.

Цитоскелет эукариот

Клетки эукариот содержат три типа так называемых филаментов. Это супрамолекулярные, протяжённые структуры, состоящие из белков одного типа, сходные с полимерами. Разница заключается в том, что в полимерах связь между мономерами ковалентная, а в филаментах связь составных единиц обеспечивается за счёт слабого нековалентного взаимодействия.

Актиновые филаменты (микрофиламенты)

Порядка 7 нм в диаметре, микрофиламенты представляют собой две цепочки из мономеров актина, закрученные спиралью. В основном они сконцентрированы у внешней мембраны клетки, так как отвечают за форму клетки и способны образовывать выступы на поверхности клетки (ламеллоподии и микроворсинки). Также они участвуют в межклеточном взаимодействии (образовании адгезивных контактов), передаче сигналов и, вместе с миозином — в мышечном сокращении. С помощью цитоплазматических миозинов по микрофиламентам может осуществляться везикулярный транспорт.

Промежуточные филаменты

Диаметр промежуточных филаментов составляет от 8 до 11 нанометров. Они состоят из разного рода субъединиц и являются наименее динамичной частью цитоскелета.

Схема, показывающая цитоплазму, вместе с её компонентами (или органеллами), в типичной животной клетке. Органеллы:
(1) Ядрышко
(2) Ядро
(3) рибосома (маленькие точки)
(4) Везикула
(5) шероховатый эндоплазматический ретикулум (ER)
(6) Аппарат Гольджи
(7) Цитоскелет
(8) Гладкий эндоплазматический ретикулум
(9) Митохондрия
(10) Вакуоль
(11) Цитоплазма
(12) Лизосома
(13) Центриоль и Центросома

Микротрубочки

Микротрубочки представляют собой полые цилиндры порядка 25 нм диаметром, стенки которых составлены из 13 протофиламентов, каждый из которых представляет линейный полимер из димера белка тубулина. Димер состоит из двух субъединиц — альфа- и бета- формы тубулина. Микротрубочки — крайне динамичные структуры, потребляющие ГТФ в процессе полимеризации. Они играют ключевую роль во внутриклеточном транспорте (служат «рельсами», по которым перемещаются молекулярные моторы — кинезин и динеин), образуют основу аксонемы ундулиподий и веретено деления при митозе и мейозе.

Цитоскелет прокариот

Долгое время считалось, что цитоскелетом обладают только эукариоты. Однако с выходом в 2001 году статьи Jones и соавт. (PMID 11290328), описывающей роль бактериальных гомологов актина в клетках Bacillus subtilis, начался период активного изучения элементов бактериального цитоскелета. К настоящему времени найдены бактериальные гомологи всех трех типов элементов цитоскелета эукариот — тубулина, актина и промежуточных филаментов. Также было установлено, что как минимум одна группа белков бактериального цитоскелета, MinD/ParA, не имеет эукариотических аналогов.

Бактериальные гомологи актина

К наиболее изученным актиноподобным компонентам цитоскелета относятся MreB, ParM и MamK.

MreB и его гомологи

Основная статья: MreB

Белки MreB и его гомологи являются актиноподобными компонентами цитоскелета бактерий, играющими важную роль в поддержании формы клетки, сегрегации хромосом и организации мембранных структур. Некоторые виды бактерий, такие как Escherichia coli, имеют только один белок MreB, тогда как другие могут иметь 2 и более MreB-подобных белков. Примером последних служит бактерия Bacillus subtilis, у которой были обнаружены белки MreB, Mbl (MreB-like) и MreBH (MreB homolog).

В геномах E. coli и B. subtilis ген, отвечающий за синтез MreB, находится в одном опероне с генами белков MreC и MreD. Мутации, подавляющие экспрессию данного оперона, приводят к образованию клеток сферической формы с пониженной жизнеспособностью.

Субъединицы белка MreB образуют филаменты, обвивающие палочковидную бактериальную клетку. Они располагаются на внутренней поверхности цитоплазматической мембраны. Филаменты, образуемые MreB, динамичны, постоянно претерпевают полимеризацию и деполимеризацию. Непосредственно перед делением клетки MreB концентрируется в области, в которой будет формироваться перетяжка. Считается, что функцией MreB также является координация синтеза муреина — полимера клеточной стенки.

Гены, отвечающие за синтез гомологов MreB, были обнаружены только у палочковидных бактерий и не были найдены у кокков.

ParM

Основная статья: ParM

Белок ParM присутствует в клетках, содержащих малокопийные плазмиды. Его функция заключается в разведении плазмид по полюсам клетки. При этом субъединицы белка формируют филаменты, вытянутые вдоль большой оси палочковидной клетки.

Филамент по своей структуре представляет собой двойную спираль. Рост филаментов, образуемых ParM, возможен с обоих концов, в отличие от актиновых филаментов, растущих только на ±полюсе.

MamK

MamK — это актиноподобный белок Magnetospirillum magneticum, отвечающий за правильное расположение магнитосом. Магнитосомы представляют собой впячивания цитоплазматической мембраны, окружающие частички железа. Филамент MamK выполняет роль направляющей, вдоль которой, одна за другой, располагаются магнитосомы. В отсутствие белка MamK магнитосомы располагаются беспорядочно по поверхности клетки.

Гомологи тубулина

В настоящее время у прокариот найдены 2 гомолога тубулина: FtsZ и BtubA/B. Как и эукариотический тубулин, эти белки обладают ГТФазной активностью.

FtsZ

Белок FtsZ чрезвычайно важен для клеточного деления бактерий, он найден практически у всех эубактерий и архей. Также гомологи этого белка были обнаружены в пластидах эукариот, что является ещё одним подтверждением их симбиотического происхождения.

FtsZ формирует так называемое Z-кольцо, выполняющее роль каркаса для дополнительных белков клеточного деления. Вместе они представляют собой структуру, ответственную за образование перетяжки (септы).

BtubA/B

В отличие от широко распространенного FtsZ, эти белки обнаружены только у бактерий рода Prosthecobacter. Они более близки к тубулину по своему строению, чем FtsZ.

Кресцентин, гомолог белков промежуточных филаментов

Основная статья: Кресцентин

Белок был найден в клетках Caulobacter crescentus. Его функцией является придание клеткам C. crescentus формы вибриона. В случае отсутствия экспрессии гена кресцентина клетки C. crescentus приобретают форму палочки. Интересно, что клетки двойных мутантов, кресцентин− и MreB−, имеют сферическую форму.

MinD и ParA

Эти белки не имеют гомологов среди эукариот.

MinD отвечает за положение сайта деления у бактерий и пластид. ParA участвует в разделении ДНК по дочерним клеткам.

> См. также

  • ADF/Кофилин

Примечания

GND: 4121944-2 · NDL: 00576209

Актины (A1, A2, B, C1, G1, G2)

Миозины (1A, 1B, 1C, MYH1, MYH2, MYH3, MYH4, MYH6, MYH7, MYH7B, MYH8, MYH9, MYH10, MYH11, MYH13, MYH14, MYH15, MYH16)

Тропомодулин (1, 2, 3, 4) · Тропонин (T 1 2 3, C 1 2, I 1 2 3) · Тропомиозин (1, 2, 3, 4)

Актинин (1, 2, 3, 4) · Arp2/3 complex · actin depolymerizing factors (Cofilin (1, 2) · Дестрин) · Gelsolin · Profilin (1, 2) · Титин

первого и второго типа (цитокератин, type I, type II) · третьего типа (десмин, GFAP, Peripherin, виментин) · четвертого типа (Internexin, Nestin, нейрофиламент, Synemin, Syncoilin) · пятого типа (ламин A, B)

Динеины · Кинезины · Белки, ассоциированные с микротрубочками (Tau protein, Dynamin) · Tubulins · Stathmin · Tektin

APC · Dystrophin (Dystroglycan) · plakin (Desmoplakin, Plectin) · Spectrin (SPTA1, SPTAN1, SPTB, SPTBN1, SPTBN2, SPTBN4, SPTBN5) · Talin (TLN1) · Utrophin · Vinculin

Словари и энциклопедии Нормативный контроль Белки цитоскелета Микрофиламенты Промежуточные филаменты Микротрубочки Катенины другие
В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена.
Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники.
Эта отметка установлена 15 мая 2011 года.

Загальний план будови філаментів цитоскелету

Схема, що ілюструє причини одночасної міцності та динамічності елементів цитоскелету.

Елементи цитоскелету є полімерами, мономерами яких виступають певні білкові субодиниці. На відміну від інших біополімерів, таких як самі білки чи нуклеїнові кислоти, структурні одиниці цитоскелету сполучені одне з одним слабкими нековалентними зв’язками. Полімерна будова вигідна через те, що дає змогу клітині швидко перегруповувати цитоскелет: білкові мономери маленькі, і вони можуть швидко дисоціювати у цитоплазмі, на відміну від довгих філаментів.

Проміжні філаменти складаються із субодиниць, які самі є видовженими фібрилярними білками, в той час як мономерами мікрофіламентів та мікротрубочок є глобулярні білки актин та тубулін відповідно. Білки цитоскелету можуть самоорганізовуватись у довгі філаменти, утворюючи різні типи латеральних контактів та контактів типу «хвіст-голова». У живій клітині цей процес регулюється величезною кількістю допоміжних білків.

Елементи цитоскелету можуть бути одночасно динамічними і дуже міцними через те, що вони складаються із кількох протофіламентів — довгих лінійних ниток, побудованих із мономерів, розміщених в один ряд. Зазвичай протофіламенти спірально закручуються один навколо одного. Мікротрубочки складаються із тринадцяти протофіламентів розміщених по колу, мікрофіламенти — із двох спірально закручених, а проміжні філаменти — із восьми. Внаслідок такої будови дисоціація мономера із кінця фібрили відбувається значно легше ніж розрив посередині, так як для дисоціації необхідне руйнування тільки одного повздовжнього зв’язка і одного-двох латеральних, а для розриву — великої кількості повздовжніх зв’язків. Тому перебудова елементів цитоскелету відбувається відносно легко, і в той же час вони можуть легко протистояти тепловим пошкодженням і витримувати різні механічні впливи.

Елементи цитоскелету еукаріот

Основними функціями цитоскелету є підтримання форми клітини та забезпечення переміщення як клітини в цілому, так і внутрішньоклітинних компонентів всередині клітини. Цитоскелет складається з трьох основних компонентів: мікрофіламентів, мікротрубочок та проміжних філаментів. Це супрамолекулярні, протяжні полімерні структури, що складаються з білків одного типу.

Порівняльна характеристика основних елементів цитоскелету
Фотографія Мікротрубочки. Імунофлюоресцентне зображення в фіксованій клітині. Актиновий цитоскелет фібробласта мишиного ембріону, фарбований за допомогою фалоїдину Кератинові філаменти у клітинах ембріональної карциноми F9.
Схема будови
Струкутра Трубка із 13 протофіламентів білка тубуліну Два закручених одне навколо одного протофіламенти актину Кілька протофіламентів, що складаються із фібрилярних білків об’єднані у канатоподібну структуру
Діаметр 25нм із просвітом у 15 нм 7 нм 8-12нм
Білкові субодиниці Тубулін – димер, що складається із α- та β-тубуліну Актин Різні білки в залежності від типу клітин і функції (наприклад кератин, білки ламіни, віментин тощо)
Нуклеотиди потрібні для полімеризації ГТФ АТФ Не потрібні
Основні функції
  • Підтримання форми клітини
  • Утоворення війок та джгутиків, що забезпечують локомоцію клітини
  • Розходження хромосом під час клітинного поділу
  • Транспорт органел
  • Підтримання клітинної форми
  • Зміни у формі клітин
  • Скорочення м’язів
  • Рух цитоплазми
  • Локомоція клітини за допомогою псевдоподій
  • Забезпечення цитокінезу
  • Підтримання форми клітини
  • Закріплення ядра та деяких інших органел у певному положенні
  • Утворення ядерної ламіни
  • Підтримка аксонів у нейронах

Динаміка елементів цитоскелету

Швидкість асоціації та дисоціації мономерів елементів цитоскелету описується відповідними константами: kon та koff

Елементи цитоскелету є динамічними структурами: їх можна порівняти із ланцюжком мурашок, що ідуть до місця збору їжі. Хоча сам ланцюжок може існувати годинами, кожна мурашка в ньому перебуває у постійному русі. Так само і елементи цитоскелету постійно обмінюються субодиницями із цитоплазмою, де мономери перебувають у розчинній формі. Відносною стабільністю характеризуються тільки проміжні філаменти, тому інформація про динаміку стосується більшою мірою мікротрубочок та актинових філаментів.

Прикладом динамічності та гнучкості цитоскелету клітини може бути перегрупування мікротрубочок, які в інтерфазі утворюють структуру схожу на зірку, промені якої відходять від центру клітини, а перед поділом здатні швидко утворити веретено поділу. В той же час деякі структури, побудовані із елементів цитоскелету можуть існувати дуже довгий час: наприклад на поверхні волоскових клітин внутрішнього вуха є вирости — стереоцілі, що підтримуються пучками мікрофіламентів. Ці пучки існують впродовж всього життя тварини, хоча їхні субодиниці постійно оновлюються

Швидкість приєднання та дисоціації субодиниць описується константами kon (вимірюється в М-1×с-1)та koff (вимірюється у с-1) відповідно. При чому швидкість приєднання залежить не тільки від kon, а й від концентрації вільних мономерів у цитоплазмі, а швидкість дисоціації є сталою. Коли філамент росте, то кількість вільних мономерів у цитоплазмі падає, допоки не досягне певного рівня — критичної концентрації (CC), за якої швидкість приєднання буде рівна швидкості дисоціації: CC×kon = koff, звідки:

C C = k o f f k o n {\displaystyle C_{C}={\frac {k_{off}}{k_{on}}}}

Нуклеація

Три фази полімеризації актинових філаментів у розчині мономерів актину: 1) лаг-фаза (процес нуклеації), 2) елонгація (видовження), 3) рівноважний стан (швидкість полімеризації рівна швидкості дисоціації).

Мономери елементів цитоскелету можуть спонтанно утворювати комплекси у розчині. Проте, такі олігомери зазвичай нестабільні, через те, що кожна субодиниця в них утворює зв’язки тільки із невеликою кількістю інших. Цих взаємодій часто недостатньо, щоб утримати комплекс, і він переважно швидко розпадається. Для утворення довгих філаментів необхідна наявність початкового агрегату із такої кількості мономерів, якої буде достатньо для стабілізації, такий агрегат називається ядром, а процес його утворення — нуклеацією. Для актинових філаментів, ядро повинно складатись мінімум із трьох субодиниць, тоді як утворення мікротрубочок починається із складнішого комплексу (імовірно, із 13 молекул тубуліну, що утворюють кільце).

Нуклеація зазвичай є лімітуючим етапом в утворенні довгих філаментів у розчині вільних мономерів. Після ініціації полімеризації у такому розчині спостерігається лаг-фаза, під час якої не спостерігається утворення філаментів. Її існування пояснюється тим, що нестабільність невеликих олігомерів створює кінетичний бар’єр у полімеризації, і триває вона доти, доки не відбудеться процес нуклеації. Якщо до розчину мономерів додати готові комплекси субодиниць (наприклад такі, що складаються із з’єднаних ковалентно мономерів), тоді лаг-фази спостерігатись не буде.

Потреба у нуклеації використовується клітиною для регулювання утворення нових елементів цитоскелету. Існують спеціальні білки, які можуть каталізувати нуклеацію у специфічному місці, де необхідне утворення мікротрубочок або актинових філаментів.

Полярність мікротрубочок та мікрофіламентів

На відміну від мономерів проміжних філаментів, актин та тубулін мають два структурно та функціонально різні кінці. У складі мікрофіламентів та мікротрубочок всі субодиниці повернуті в одну сторону, таким чином дані елементи цитоскелету володіють полярністю. Два кінці цих філаментів відрізняються за динамікою полімеризації та деполімеризації:

  • кінець, на якому полімеризація та деполімеризація відбуваються швидше називається плюс-кінцем;
  • кінець, на якому полімеризація та деполімеризація відбуваються повільніше називається мінус-кінцем.

У мікротрубочках α-субодиниці тубуліну повернуті до мінус-кінця, а β – до плюс. В мікрофіламентах мономери актину розміщені таким чином, що їх АТФ-зв’язуюча щілина вказує в сторону мінус кінця.

Не зважаючи на те, що абсолютні занчення kon та koff можуть сильно відрізнятись для плюс та мінус кінця, їх співвідношення є сталою величиною. Оскільки зміна вільної енергії ΔG внаслідок дисоціації чи приєднання нової субодиниці є однаковою, не в залежності від того на якому кінці філамента відбулись зміни. Через це, коли концентрація вільних мономерів C < CC, обидва кінці вкорочуються, а коли C > CC, обидва кінці ростуть. Це справджується тільки за умов відсутності гідролізу нуклеозидтрифосфатів (АТФ чи ГТФ).

Гідроліз нуклеотидтрифосфатів

Графік, що відображає залежніть швидкості полімеризації філаментів цитоскелету Т- та Д-форми від концентрації вільних субодиниць.

Актин та тубулін — це не просто мономери елементів цитоскелету, вони також є ферментами, які можуть здійснювати гідроліз АТФ та ГТФ відповідно. Одна молекула актину зв’язує одну молекулу АТФ, тоді як димер тубуліну — дві молекули ГТФ (по одній на кожну субодиницю), той ГТФ, що знаходиться в α-субодиниці ніколи не гідролізуєтья і не обмінюється, тоді як ГТФ β-субодиниці може перетворюватись на ГДФ.

У вільних мономерах актину та тубуліну гідроліз нуклеотидів відбувається дуже повільно, для пришвидшення цього процесу необхідна дія певного фактора — ГТФаза- або АТФаза-активуючих білків. При чому для тубуліну та актину такими факторами є інші молекули тубуліну чи актину відповідно, тому гідроліз нуклеотидтрифосфату значно прискорюється після інкорпорації мономеру у філамент цитоскелету, де він взаємодіє з іншими ідентичинми молекулами. Мікротрубочки та мікрофіламенти можуть існувати у двох формах «Т-формі» (мономери зв’язані із ГТФ чи АТФ) та «Д-формі» (мономери зв’язані із ГДФ чи АДФ).

Після гідролізу нуклеотидтрифосфату велика частина енергії, що вивільняється «зберігається» у структурі філаменту. Через це зміна вільної енергії для дисоціації мономеру із Д-форми стає негативнішою, ніж для дисоціації із Т-форми, а отже і співвідношення koff/kon, яке рівне значенню критичної концентрації, буде більше для Д-форми, ніж для Т. Іншими словами, Д-форма більш «схильна» до дисоціації. При певному значенні концентрації вільних субодиниць C, коли CC(T) < C < CC(D), Т-форма філаментів буде рости, а Д-форма — вкорочуватись.

Тредмілінг

Схема утворення АТФ- або ГТФ-кепів на плюс кінці філаменту цитоскелету.

Імовірність того, що певна субодиниця філаменту цитоскелету гідролізує зв’язаний нуклеотидтрифосфат і перейде у Д-форму, тим більша, чим довше ця субодиниця перебуває у складі полімеру. Тому посередині філаменту, де всі мономери вже «давні», вони мають у своєму складі нуклеотиддифосфати. До кінців приєднуються переважно нові молекули у Т-формі (оскільки концентрація АТФ чи ГТФ у цитоплазмі в десятки разів перевищує концентрацію АДФ та ГДФ відповідно). На мінус-кінці полімеризація відбувається повільно, тому гідроліз «встигає» за нею, і не відбувається накопичення субодиниць у Т-формі. Натомість на плюс-кінці, де полімеризація значно швидша, утворюється «кеп» із кількох субодиниць, що містять негідролізовані нуклеотидтрифосфати. Таким чином один кінець (+) філамента перебуває у Т-формі, а інший (-) — у Д-формі і при концентрації вільних філаментів C, де CC(T) < C < CC(D), плюс-кінець ростиме, а мінус- — вкорочуватиметься, а загальна довжина не буде змінюватись. Цей процес називається тредмілінг, він спостерігається як у мікротрубочок, так і в актинових філаментів, але характерніший для останніх. Тредмілінг завжди потребує енергії, що виділяється за рахунок гідролізу АТФ.

Динамічна нестабільність

Деполімеризація мікротурбочки після втрати ГТФ-кепу

В залежності від швидкості полімеризації та гідролізу нуклеотидтрифосфатів кінці філаментів цитоскелету можуть змінювати свій стан: переходити із Т-форми у Д-форму і навпаки. Якщо концентрація вільних філаментів при цьому менша за CC(T) і більша за CC(D), то такий перехід буде мати важливі наслідки: філамент буде переходити від росту до вкорочення (ця подія називається катастрофа) або навпаки (відновлення). Здатність елементів цитоскелету швидкої зміни «режимів» полімеризація/деполімеризація за сталої концентрації вільних субодиниць називається динамічною нестабільністю.

Явище динамічної нестабільності особливо характерне для мікротрубочок. У Т-формі їхні протофіламенти прямі, а при переході до Д-форми вони викривлюються. Коли мікротрубочка має ГТФ-кеп, він стабілізує всю структуру, проте після її втрати (через сповільнення полімеризації або пришвидшення гідролізу) протофіламенти у Д-формі починають дуже швидко «розлуплюватись».

Також спостерігаються деякі флуктуації довжини актинових філаментів, проте вони у десяток разів менші ніж у мікротрубочок.

Отрути, що впливають на цитоскелет еукаріот

Оскільки нормальне функціонування системи мікротрубочок та проміжних філаментів є необхідним для виживання та поділу кілтини, ці клітинні компоненти часто є мішенями дії природніх токсинів. Деякі із цих отрут зв’язуються із вільними мономерами актину чи тубуліну і перешкоджають їм полімеризуватись, інші ж навпаки — взаємодіють із полімерними формами і не допускають дисоціації мономерів. Наприклад речовина таксол із тихоокеанського тису (Taxus brevifolia) стабілізує мікротрубочки у полімеризованій формі, в той час як колхіцин із пізньоцвіту осіннього (Colchicum autumnale) та вінбластин із катарантуса (Catharanthus) навпаки не дають мономерам тубуліну об’єднуватись. Існують речовини, що аналогічним чином діють і на актинові філаменти: фалоїдин із блідої поганки (Amanita phalloides) сприяє філаментозній формі актину, а латрункулін із морської губки Latrunculia magnifica — навпаки, розчинній мономерній.

Деякі із отрут, що впливають на цитоскелет та організми, з яких вони були виділені
Тис тихоокеанський Таксол Пізньоцвіт осінній Колхіцин Катарантус Вінбластин Бліда поганка Фалоїдин Латрункулін

Окрім того, що подібні речовини широко використовуються для вивчення властивостей цитоскелету, деякі із них також є і терапевтичними препаратами. Таксол та вінбластин завдяки своїй здатності змінювати характер полімеризації мікротрубочок здатні досить ефективно вбивати клітини, котрі швидко діляться, при цьому проявляючи невеликий вплив на інші клітини. Через це їх використовують для лікування ракових захворювань. Особливо популярним є таксол для терапії раку молочної залози та раку легень, він часто буває ефективним навіть у тих випадках, коли інші методи хіміотерапії не діють.

Цитоскелет прокаріот

Основна стаття:Цитоскелет прокаріот Основні білки прокаріотичного цитоскелету, їх функції та розміщення у клітині бактерії Caulobacter

До недавнього часу вважалося, що цитоскелет мають тільки еукаріоти. Але останні дослідження показують, що для всіх складових частин еукаріотичного цитоскелету можна знайти гомологи у прокаріот. Хоча схожість в амінокислотній послідовності білків невелика, відновлення тривимірної структури білкових молекул дозволяє говорити про значну структурну схожість і гомологічність цих структур.

  • Гомологи тубуліну: із гомологів тубуліну найпоширенішим серед прокаріот є білок FtsZ, що був першим знайденим компонентом прокаріотичного цитоскелету. Подібно до тубуліну, FtsZ формує філаменти витрачаючи ГТФ, але ці філаменти не групуються в трубочки. Протягом поділу клітини, FtsZ — перший білок, що переміщується на місце поділу, формуючи «кільце поділу» або Z-кільце, яке забезпечує проходження цитокінезу, також FtsZ важливий для залучення ферментів, які синтезують нову клітинну стінку між дочірними клітинами.
  • Гомологи актину: MreB і ParM — це актино-подібні білки прокаріот. MreB потрібний для надання форми клітині, зокрема відповідає за відмінність між піличкоподібними та спіральними бактеріями. Всі несферичні бактерії мають гени MreB або його близьких гомологів. Продукти цих генів формують спіральну мережу під клітинною мембраною, яка слугує для утримання ферментів, задіяних у біосинтезі клітинної стінки. Білок ParM кодується плазмідною ДНК багатьох бактерій і потрібний для сегрегації копій плазміди під час поділу.
  • Гомолог білків проміжних філаментів кресцентин: бактерія Caulobacter crescentus містить третій білок, кресцентин, гомологічний проміжним філаментам еукаріот. Кресцентин також використовується для підтримки форми клітини.
  • Елементи цитоскелету прокаріот, що не мають гомологів в еукаріот: у прокаріот також наявний клас елементів цитоскелету, що належать до родини WACA (англ. Walker A cytoskeletal ATPase) і не мають гомологів в еукароіт. До цього класу належить білок MinD, який є складовою системи MinCDE, що забезпечує визначення місця проходження цитокінезу, а також білки, потрібні для розходження копій плазмід, такі як ParA, Soj та інші.

Еволюція цитоскелету

Діагарма, що відображає середній відсоток ідентичності білків цитоскелету різних видів.

Споріднені між собою елементи цитоскелету були знайдені у переважної більшості представників усіх трьох доменів живих організмів: еукаріот, бактерій та архей. Це свідчить про те, що білки цитоскелету виникли ще до виокремлення цих трьох гілок, яким би шляхом воно не відбувалось.

Білок FtsZ, із якого пізніше виник тубулін, імовірно, еволюційно є дуже древнім. Він містить дуже мало амінокислот аргініну, лізину, фенілаланіну, тирозину та гістидину і фактично не містить триптофану. Оскільки вважається, що кодони цих амінокислот були додані в генетичний код останніми, цілком імовірно, що якась форма FtsZ виникла ще до остаточного встановлення генетичного коду і вже тоді слугувала для здійснення цитокінезу. Білки гомологи тубуліну утворюють окрему родину ГТФаз, і не мають ніяких близьких родичів. Натомість MreB більш «молодий» з еволюційної точки зору білок, він, разом із іншими актиноподібними білками та актинами, належить до родини АТФаз, яка також включає ферменти гексокінази та шаперон hsp70. При чому першими із цієї родини, більше всього, виникли гексокінази.

Порівняння послідовностей амінокислот у білках FtsZ різних видів бактерій та архей між собою та з еукаріотичними тубулінами, а також MreB між собою і з еукаріотичними актинами виявило цікаву закономірність:

  • Білки FtsZ дуже далеких одне від одного видів прокаріот, таких як бактерії Escherichia coli, Bacillus subtilis, Mycoplasma pulmonis та архебактерія роду Halobacterium мали високий ступінь ідентичності в амінокислотній послідовності (від 46 до 53%); аналогічне справедливе і для білка MreB.
  • Еукаріотичні тубуліни та актини навіть ще більш консервативні (напирклад між тубулінами людини та дріжджів існує 75% ідентичності, в той час як актини будь-яких видів еукаріот, зазвичай відрізняються не більше ніж на 10%);
  • Не зважаючи на велику консервативність білків цитоскелету в межах груп еукаріот та прокаріот, при порівнянні цих білків між групами, виявляється, що ідентичність настільки мала, що її майже не можливо виявити звичайними методами (менше 15%). При чому гомологія найбільш виражена у ГТФ- та АТФ-зв’язуючих доменах.

Для пояснення цієї «загадки» була висунута гіпотеза про те, що така різка дивергенція еукаріотичних білків цитоскелету від прокаріотичних відбулась внаслідок зміни їхньої ролі в клітині. FtsZ перестав забезпечувати проходження цитокінезу і став механічною опорою клітини, а пізніше перебрав на себе і інші функції, в той час як MreB, взяв на себе роль здійснення поділу клітини і фагоцитозу.

Надзвичайно високий рівень косервативності актину та тубуліну в клітинах еукаріот пояснюється тим, що ці білки взаємодіють із величезною кількістю інших: регуляторних, допоміжних, моторних тощо. Саме актин є «чемпіоном» серед еукаріотичних білків за кількістю білків-партнерів, тому заміна будь-якої амінокислоти може призвести до порушення цих взаємодій і мати катастрофічні наслідки.

Третій тип елементів цитоскелету — проміжні філаменти, еволюціонували іншим шляхом. Вони наявні фактично тільки в еукаріот, і хоча їх гомолог кресцентин і був виявлений в одного виду бактерій, швидше за все, ці бактерії отримали його внаслідок горизонтального перенесення генів від еукаріот. Білки проміжних філаментів, на відміну від актину і тубуліну, не вирізняються особливою консервативністю.

> Джерела

Посилання

Вікісховище має мультимедійні дані за темою: Цитоскелет
  • Відео про будову мікротрубочок;
  • Відео актин та тубулін у живій клітині;
  • Відео цитоскелет клітини під час поділу.

Ядро (і Ядерце) · Цитоплазма · Цитозоль

Клітинна мембрана · Ядерна мембрана · Ендоплазматичний ретикулум · Комплекс Ґольджі

Везикули: Вакуоля · Скоротлива вакуоля · Лізосома · Фагосома · Фаголізосома · Ендосома · Екзосома

Меланосома · Пероксисома · Гліоксисома · Акросома

Мікротрубочки · Мікрофіламенти · Проміжні філаменти · Міофібрила · Цитоскелет прокаріот

Центр організації мікротрубочок: Центросома/Центріоль · Базальне тільце · Джгутик/Війка · Аксонема

Мітохондрія (Мітохондріальна рибосома) · Пластиди: Хлоропласт · Лейкопласт · Хромопласт · Пропластида

Рибосома · Протеасома · Стигма · Сплайсосома · Звід · Екзосома (комплекс)

Структура клітини/Органели клітини Ендомембранна система Цитоскелет Ендосимбіонти Інші внутрішні структури Зовнішні структури
Людські
Мікрофіламенти
та актин-зв’язуючі білки
Проміжні філаменти

  • тип I/хромосома 17
    • 10
    • 12
    • 13
    • 14
    • 15
    • 16
    • 17
    • 19
    • 20
  • хромосома 12
    • 18
  • інші
    • 21
  • тип II/хромосома 12
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5
    • 6A
    • 6B
    • 7
    • 8
    • 9

  • тип I/хромосома 17
    • 31
    • 32
    • 33A
    • 33B
    • 34
    • 35
    • 36
    • 37
    • 38
  • тип II/хромосома 12
    • 81
    • 82
    • 83
    • 84
    • 85
    • 86

Тип 1/2
(Кератин,
Цитокератин)
Епітеліальні кератини
(м’які альфа-кератини)
Кератини волосся
(жорсткі альфа-кератини)
Незгруповані альфа Не-альфа
Тип 3
Тип 4
Тип 5
  • Ламіни: A/C
  • B1
  • B2
Мікротрубочки
та пов’язані білки
Катеніни
Мембранні
Інші
Нелюдські

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *