3. Актинові філаменти в не м’язових клітинах

Актин складає значну частку білку всіх еукаріотичних клітин. Наприклад, в фібробластах частка досягає майже 10%, причому 50% знаходиться в дисоційованому (мономерному) стані (G-актин); 50% в складі філаментів — це F-актин. В не м’язових клітинах актинові філаменти виконують в основному дві функції: опорну — утворюють пучки з поперечними зшивками, які є опорою для різних внутрішньоклітинних структур та зовнішніх відростків; скорочувальну — разом з міозином актинові філаменти формують різні скорочувальні системи, які відповідальні за багато проявів клітинної рухомості.

Найбільш розповсюдженими актин-міозиновими скорочувальними комплексами в не м’язових клітинах є скорочувальне кільце, опоясувальна десмосома та напружувальні нитки, дифузна динамічна система актинових філаментів цитоплазми.

Скорочувальне кільце з актину та міозину формується в клітині, що поділяється під самою плазматичною мембраною. Скорочення цього кільця призводить до утворення в телофазі перетяжки посередині клітини та розподілу її на дві дочірні клітини.

Напружені нитки характерні для клітин, які здатні до руху. Вони мають товщину 0,5 мкм та довжину до 5 мкм, мають в складі крім актинових та міозинових молекул інші допоміжні білки, наприклад, тропоміозин в асоціації з актиновими фібрилами.

Менш упорядковані, чим вказані вище, системи актинових філаментів є в усій цитоплазмі, де виконують структурну та рухову функції. Входячи до тимчасових асоціацій з не м’язовим міозином, вони приймають участь в різних рухових реакціях (наприклад утворюючі потоки цитоплазми). Структурна їх функція проявляється в утворенні желеподібних структур.

Злагоджена взаємодія актинових філаментів з іншими допоміжними білками демонстративно проявляється при русі рухливих клітин — фібробластів, макрофагів.

4. Мікротрубочки цитоскелету

Наступною постійною цитоскелетною структурою руху клітини є мікротрубочки. Однак всі вони утворюються завдяки діяльності ЦОМТів — центрів організації мікротрубочок. ЦОМТи — це електронно щільні утворення аморфної мілкозернистої структури. Вони виявляються в клітинному центрі біля центріолей в тваринних клітинах. В клітинах вищих рослин центріолей немає і ЦОМТи розташовуються безпосередньо в цитоплазмі. ЦОМТами також вважаються центромери (кінетохори) еукаріотичних хромосом. Хімічний склад ЦОМТів представлений комплексом РНК, білками та ДНК. ЦОМТи — самореплікуюча структура, тому доведена в них наявність ДНК. Згідно симбіотичній теорії ЦОМТи — є ендосимбіонтами — залишками спіроплазм, в структурі яких є мікротрубочки, завдяки котрим спіроплазми здатні рухатися в просторі, утворюючі ундулюючі (хвилеподібні) рухи.

Основна функція ЦОМТів полягає в тому, що вони приймають участь в індукції зборки (полімеризації) мікротрубочок. Похідними ЦОМТів є: мікротрубочки (МТ) веретена поділу; МТ цитоплазми; МТ центріолей; МТ базального тільця і аксонеми війок та джгутиків.

Мікротрубочки — це пусті циліндри з зовнішнім діаметром 25 нм, внутрішнім — 14 нм. Вони складаються з тубулярних білків α та β-тубуліну, які близькі по молекулярній вазі (50 тис.) та амінокислотному складу. Вони з’єднуються в гетеродимери, а потім утворюють ниткоподібні структури — протофіламенти, в яких β-тубулін одного димеру пов’язаний з α-тубуліном іншого. 13 протофіламентів розташовуючись паралельно утворюють саме мікротрубочку.

4. Мікротрубочки джгутиків

Мікротрубочки війок та джгутиків зібрані в упорядковані структури: базальне тіло та аксонему, покриту виростом цитоплазми. Базальне тільце має форму короткого циліндру розміром 1 мкм. Мікротрубочки організовані в структури типу (9+0): по периферії розташовані 9 триплетів злитих мікротрубочок, в центрі мікротрубочок немає. Триплет утворений однією пустою мікротрубочкою і двома іншими, які прилягають до неї (неповні мікротрубочки). Перші дві пари мікротрубочок базального тільця продовжуються в аксонему, в якій мікротрубочки утворюють структуру 9+2: по периферії розташовуються 9 диплетів мікротрубочок (одна повна, інша неповна), в центрі 2 повні мікротрубочки, які не доходять до базального тіла. Крім тубуліну, аксонема має інші допоміжні білки, які утворюють різноманітні структури:

1. Динеїн — білок, що утворює пару коротких бічних виступів («ручки»), які відходять від кожного диплету мікротрубочок зовнішнього кільця у напрямку до сусіднього диплету. Динеїнові ручки забезпечують упор та ковзання дуплетів один відносно одного при русі.

2. Нексин — утворює між сусідніми дуплетами поперечні зв’язки. Ці білки еластичні та стягують аксонему по колу як обручі, які стягують бочку.

3. Білки радіальних «спиць», які відходять від кожного периферійного дуплету всередину до білків центральної капсули.

4. Білки центральної капсули аксонеми. Останні дві структури забезпечують міцність та злагодженість ковзання дуплетів мікротрубочок.

Рух війок та джгутиків відбувається завдяки функції білка динеїна шляхом ковзання мікротрубочок відносно один одного призводить до згрібання війки або джгутика по типу хлиста. У відсутності двохвалентних іонів та АТФ динеїнові ручки відходять від сусідніх дуплетів і аксонема розправляється.

З’ясовано, що сам по собі динеїн ще не має АТФ-азної активності і взагалі за своєю функцією подібний до молекули міозину, особливо до функції їх головок в актин-міозиновому комплексі.

Мікротрубочки війок та джгутиків, як і міофібрили м’язових клітин, відносно стабільні утворення, спеціалізовані на виробництві рухів, що повторюються. Однак більшість форм клітинного та внутрішньоклітинного руху пов’язана з лабільними структурами, які з’являються на визначних стадіях клітинного циклу або у відповідь на зовнішній сигнал, а потім знов зникаючих. До них відносяться: веретено поділу клітин, центріолі клітинного центру, мікротрубочки цитоплазми.

4. Проміжні філаменти

Проміжні філаменти представляють собою міцні та довготривалі білкові фібрили. Один раз утворившись вони існують протягом всього життєвого циклу клітини. Останньою ознакою вони відрізняються від цитоплазматичних мікротрубочок та актинових філаментів, які динамічні у відношенні полімеризації та розборки. Проміжні філаменти на електронограмах виглядають як прямі, або злегка вигнуті волокна, товщиною 8-10 нм, тобто за діаметром вони займають проміжне положення між мікротрубочками (25 нм) та актиновими філаментами (8 нм). Найбільш багаті на проміжні філаменти клітини або частини клітин, які підлягають механічним навантаженням: ділянки дисковидних десмосом, клітини гладкої мускулатури, клітини епітелію шкіри: білок десмін поєднує в Z-дисках актинові нитки сусідніх саркомерів. Фактично термін «цитоскелет» був спочатку введений для визначення саме таких дуже стійких волокон.

Проміжні філаменти утворені фібрилярними, ниткоподібними пептидами, часто поєднаними по 3 молекули в структуру по типу витого канату, яка подібна молекулі колагену — бік в бік, своїми фібрилярними частками. Інші не фібрилярні ділянки білкових субодиниць, не приймають участь безпосередньо у формуванні філаменту і, вірогідно, виконують інші функції. Така будова пояснює їх високу міцність до властивостей розтягуватися. Набір білкових субодиниць за хімічним складом та молекулярною вагою в проміжних філаментах дуже різноманітний. Однак всі ці мономери мають схожу центральну фібрилярну ділянку — структурну основу при зборці полімеру. Вважають, що фібрилярні поліпептиди групуються центральними фібрилярними ділянками по три зі зсувом по довжині. Глобулярні кінці не приймають участь в асоціаціях.

Приклади проміжних філаментів

В нейронах є (1тип) нейрофіламенти, які складаються з триплетів фібрилярних білків. Вони надають міцності відросткам клітини. В епітеліальних клітинах розташовуються (2 тип) кератинові філаменти, так звані тонофіламенти, хімічний склад білків кератинів варіює, але має подібні риси.

Тонофіламенти входять до складу дисків демосом з боку цитоплазми і утворюють нерегулярну сітку в цитоплазмі епітеліальної клітини. Інші тонофіламенти тягнуться через міжклітинний простір від клітини до клітини, що поєднує половину десмосоми двох клітин. В результаті утворюється непереривна розгалужена сітка тонофіламентів.

Таке розташування тонофіламентів придає всьому епітеліальному шару міцність. В клітинах епітелію шкіри в процесі їх диференціювання тонофіламенти додатково зшиваються дисульфідними зв’язками між собою. Епітеліальні клітини наприкінці відмирають, а їх кератинові скелети у вигляді рогових лусок залишаються, виконуючи захисну функцію. Шляхом відмирання клітин та ущільнення кератинових скелетів відбувається формування волосся, нігтів, рогів, копит.

Більшість не епітеліальних клітин має розповсюджені (3 вид) філаменти, що мають віментин. Основний білок віментин поєднується з іншими специфічними для даного типу клітин тканин, утворюючі різноманіття проміжних фібрил. В м’язових клітинах віментин поєднується з десміном, утворюючі філаменти, які утримують в правильному положенні міофібрили, зв’язуючи Z-диски один з одним. В гліальних клітинах віментин з’єднується з гліальним кислим білком. Проміжні філаменти фібробластів, як і у більшості клітин складаються з одного віментину.

Основні цитоскелетні структури клітини: мікротрубочки, актинові філаменти, проміжні філаменти структурно та функціонально взаємозв’язані. Їх функціональні зміни чітко скоординовані в клітині по часу та простору, що забезпечує необхідні зміни форми клітини та визначені види рухів. Наприклад, коли фібробласт в культурі округляється та готується до поділу, в ньому відбувається реорганізація всього скелету: напружені нитки та цитоплазматичні мікротрубочки розпадаються, починає формуватися мітотичне веретено, а потім і скорочувальне кільце. Це строго контрольований послідовний ланцюг подій. Однак про молекулярні механізми цієї координації нам поки що нічого не відомо.

Контрольні питання:

1. Які структури цитоскелету більш стабільні в онтогенезі клітин?

2. Механізм дії колхіцину на полімеризацію мікротрубочок.

3. Який хімічний склад ЦОМТ?

4. Яка зі структур цитоскелету є ендосимбіонтом?

5. Чим обумовлена поперечносмугаста мікроструктура м’язів?

6. Назвіть актинові філаменти не м’язових клітин.

7. Які філаменти обумовлюють зв’язок клітин, форму нервових клітин?

Література: основна — 1-5; додаткова — 1-9, 11.