Микротрубочки
Микротрубочки – третий компонент цитоскелета. Микротрубочки представляют цилиндры диаметром 25 нанометров с полостью внутри. Как и актиновые микрофиламенты, микротрубочки находятся в постоянном состоянии сборки- разборки.
Структурной единицей микротрубочки является гетеродимер белка тубулина, состоящий из α- и β-субъединиц (53 и 55 кДа), схожих, но не идентичных. Каждая из субъединиц имеет сайт для связывания нуклеотида. α-тубулин связывает молекулу GTP, которая не гидролизуется, β-тубулин может связывать GDP или GTP. β-тубулин одного гетеродимера связывает GTP и соединяется с α-тубулином другого гетеродимера, при этом GTP гидролизуется до GDP. α-тубулин является GTP-активирующим белком и катализирует гидролиз GTP β-тубулина. Таким образом гетеродимеры образуют линейные цепочки – протофиламенты, 13 протофиламентов образуют спиральный циклический комплекс, такие кольца полимеризуются в трубку. Фосфорилирование тубулина усиливает полимеризацию.
Микротрубочки, подобно актиновым микрофиламентам, полярны: полимеризация из мономеров идет легче на плюс-конце, чем на минус-конце.
Тредмиллинг - движение микротрубочек в результате одновременного наращивания одного конца и диссоциации другого конца микротрубочек.
Микротрубочки различаются по стабильности. Если инъецировать в клетки раствор тубулина, меченного флуоресцентной краской, то микротрубочки становятся окрашенными, и в флуоресцентный микроскоп можно непосредственно наблюдать, как отдельные микротрубочки быстро растут от центра к периферии, затем быстро укорачиваются, иногда исчезают совсем, опять растут и т.д. Эта смена фаз роста и укорочения - характерная черта систем нестабильных микротрубочек. Это касается микротрубочек, свободно расположенных в цитоплазме. Стабильные МТ – МТ жгутиков и ресничек. У них сохраняется постоянная длина. Большую или меньшую стабильность придают микротрубочкам особые белки, связывающиеся с их наружной стенкой и укрепляющие ее.
Система микротрубочек, в отличие от актинового кортекса, в большинстве клеток строго централизована: в то время как в кортексе может работать одновременно множество центров полимеризации, из которых растут новые микрофиламенты, микротрубочки часто имеют лишь 1 - 2 центра полимеризации на клетку.
Эти центры, организующие микротрубочки (ЦОМТ), хорошо видны не только под электронным, но и под световым микроскопом. Практически все микротрубочки в клетках растут из этих центров плюс-концами к периферии, и поэтому системы микротрубочек часто имеют вид звезд. Наиболее распространенные варианты ЦОМТ - центросомы, из которых растет митотическое веретено и "звезды" микротрубочек во многих клетках, а также базальные тельца, из которых растут микротрубочки жгутиков и ресничек.
Центросомы состоят из двух цилиндров (центриолей), расположенных строго под прямым углом. Открыты центросомы в 1888 г. Theodor Boveri. Центриоли образованы микротрубочками, внутри – пустые. Снаружи с поверхностью центриолей связано гранулярное вещество, формирующее сателлитные структуры, которые явдяются своеобразной платформой для роста микротубочек и участвуют в делении центриолей.
Замечательное свойство центросом - способность репродуцироваться: новый центр вырастает рядом со старым и затем "материнский" и дочерний центры расходятся. Это происходит в ходе митотического деления. Долго искали в центрах ДНК, но не нашли. Удвоение центров, видимо, имеет совсем особый механизм, отличный от удвоения ДНК, но природа его еще не установлена.
Некоторые растения образуют специальные яды - вещества, которые избирательно нарушают динамику микротрубочек в самых разных типах клеток. Большая группа таких веществ (колхицин, колцемид, винбластин) деполимеризует нестабильные микротрубочки. Точнее говоря, молекулы этих веществ присоединяются к мономерам тубулина и блокируют рост микротрубочек. При этом их распад продолжается, и через короткое время все микротрубочки исчезают. В частности, у таких клеток в митозе исчезает митотическое веретено и хромосомы не могут разойтись к полюсам, поэтому деление клеток не завершается.
Из коры тиса было выделено особое вещество, таксол, действие которого на микротрубочки противоположно действию веществ группы колхицина: молекулы таксола, связываясь с микротрубочками, препятствуют их деполимеризации. Все трубочки становятся стабильными и не могут укорачиваться и исчезать. Во время митоза обработанные таксолом клетки со сверхустойчивыми микротрубочками не могут разделиться, так же как обработанные колхицином клетки, у которых нет микротрубочек. Очевидно, для нормальной работы веретена и, вероятно, многих других систем микротрубочек существенно не только присутствие трубочек, но и их динамичность, постоянный рост и распад. Вещества, действующие на микротрубочки (винбластин, таксол и другие), широко используются в клинике при химиотерапии некоторых опухолей для остановки деления опухолевых клеток.
Реснички и жгутики
Помимо участия в формировании цитоскелета и транспорта органоидов, микротрубочки образуют и более сложные структуры – центриоли, реснички и жгутики. Т.е., в основе всех этих структур лежит белок тубулин.
Реснички и жгутики эукариот известны очень давно, однако в последние годы они проявились «в новом свете». Реснички осуществляют сенсорные и моторные функции и являются ключевыми органеллами во многих физиологических процессах.
Существует две категории ресничек: первичные и подвижные. Первичная ресничка обычно одна на клетку, она неподвижна и находится на апикальной поверхности клетки. Она работает как своеобразная «антенна», воспринимающая внеклеточные сигналы (ростовые факторы, гормоны, ароматические вещества, морфогены.
Подвижные реснички осуществляют перемещение слизи, спинномозговой жидкости, т.е., назначение ресничек – перемещать окружающую среду, жидкость или слизь. Жгутик – тоже ресничка, только длинная, присутствует в сперматозоидах и низших эукариот. Задача жгутиков – перемещать саму клетку.
Реснички и жгутики образованы из микротрубочек и покрыты плазмалеммой, и являются достаточно сложными структурами.
Подвижные реснички и жгутики состоят из 9 пар микротрубочек, расположенных по окружности, и центральной пары. Периферические пары – одна микротрубочка полная (А-трубочка), а вторая – неполная (В-трубочка). Центральные трубочки обе полные и лежат отдельно. А-трубочка периферического дуплета имеет «ручки» (динеин), периодичность их составляет 24 нм (по длине микротрубочки). Дуплеты соединены нексиновыми мостиками. К центральной паре микротрубочек идут «спицы», соединяющиеся с белками, окружающими центральную пару. Получается весьма прочная конструкция.
Снаружи поверхность микротрубочек несет различные белки, которые называют «белки, ассоциированные с микротрубочками».
У первичной реснички отсутствует центральная пара микротрубочек.
Как ресничка движется. Динеин обладает АТФ-азной активностью. В присутствии АТФ динеиновые «ручки» перемещаются от одного тубулина к другому. Микротрубочки в дуплете перемещаются относительно друг друга, телескопически, ресничка сгибается. Процесс перемещения динеина синхронизирован, и в итоге получается биение реснички. Нексиновые мостики и радиальные спицы ограничивают скольжение, если их убрать ферментами, то ресничка может сократиться (телескопически) в 9 раз. Таким образом, ресничка сгибается, затем разгибается.
Сборка ресничек происходит в несколько стадий. Сначала формируются базальные тельца, которые мигрируют к клеточной поверхности и располагаются в актиновом кортексе. По пути к кортексу с базальными тельцами связываются мембранные пузырьки, производные аппарата Гольджи, которые образуют мембранный компартмент ресничек. Затем от базального тельца вырастают микротрубочки, формирующие «скелет» реснички, который в процессе роста покрывается плазмалеммой. Нужно отметить, что выросшая ресничка постоянно обновляет свои компоненты, этот процесс до конца не изучен.
Чтобы гнать жидкость или слизь, реснички должны работать синхронно. Синхронизацией занимаются «базальные тельца», которые образуются из центриолей, расположенные под плазмалеммой.
Туфелька-парамеция имеет реснички по всей поверхности, которые должны работать синхронно, чтобы она двигалась в одном направлении. На этой модели было показано, что именно базальные тельца регулируют движение ресничек.
Центриоли и базальные тельца имеют 9 периферических триплетов и не имеют центральной пары микротрубочек. Как происходит замена триплетов на дуплеты – неизвестно.
Центриоли размножаются автономно. Может быть или деление существующей центриоли, или формирование заново. Изначально формирование центриоли начинается в цитоплазме, в скоплениях тубулина и других «нужных» для образования микротрубочек белков. Формируется процентриоль, и каждая центриоль начинается с одной микротрубочки, потом появляется триплет. После завершения формирования, центриоли остаются в центре и организуют цитоскелет, или мигрируют на периферию клетки, образуют базальные тельца.
Таким образом, центриоли, формируя базальные тельца, определяют формирование ресничек и жгутиков и организуют их работу.
Цитоскелет клеток используют различные микроорганизмы в ходе своего репродуктивного цикла. Так, патогенный штамм кишечной палочки, вызывающий диарею у детей и являющийся причиной смерти более чем миллиона детей в слаборазвитых странах, индуцирует формирование выростов клетками кишечного эпителия (пьедестал). Эти выросты лишены микроворсинок и поднимают бактериальные клетки на 10 мкм над поверхностью клетки. Формирование выростов индуцируется бактериальными белками и происходит при участии актина. Бактерии, проникающие в клетки, используют актиновые микрофиламенты для перемещения в цитоплазме зараженной клетки, а также для выталкивания бактериальной клетки наружу. Вирусы используют систему микротрубочек для перемещения вирусных компонентов в цитоплазме. Поксвирусы используют систему актиновых микрофиламентов для выталкивания вирусных частиц наружу. Они так же «заставляют» клетку формировать длинные отростки, перемещающие вирусные частицы на значительные (до 100 мкм) расстояния.