Схема организации цитоскелета. Функции цитоскелета. Роль метода иммуноцитохимии в изучение цитоскелета. Особенности организации цитоскелета в мышечных клетках

ЦИТОСКЕЛЕТ

Цитоскелет представляет собой сложную динамичную систему микротрубочек, микрофиламентов, промежуточных филаментов и микротрабекул. Указанные компоненты цитоскелета являются немем-" бранными органеллами; каждый из них образует в клетке трехмерную сеть с характерным распределением, которая взаимодействует с сетями из других компонентов. Они входят также в состав ряда других более сложно организованных органелл (ресничек, жгутиков, микроворсинок, клеточного центра) и клеточных соединений (десмосом, полудесмосом, опоясывающих десмосом).

Основные функции цитоскелета:

1 поддержание и изменение формы клетки;

2 распределение и перемещение компонентов клетки;

3 транспорт веществ в клетку и из нее;

4 обеспечение подвижности клетки;

5участие в межклеточных, соединениях.

Микротрубочки

Микротрубочки, - наиболее крупные компоненты цитоскелета. Они представляют с^бой полые цилиндрические образования, имеющие форму трубочек, длиной до нескольких микрометров (в жгутиках более 50 нм) диаметром около 24-25 нм, с толщиной стенки 5 нм и диамет­ром просвета 14-15 нм (рис. 3-14).

Стенка микротрубочки состоит из спиралевидно уложенных нитей - протофиламентов толщиной 5 нм (которым на поперечном разрезе со­ответствуют 13 субъединиц), образованных димерами из белковых моле­кул а~ и /3-тубулина.

Функции микротрубочек:

(1) поддержание формы и полярности клетки, распределения ее компонентов,

(2) обеспечение внутриклеточного транспорта,

(3) обеспечение движения ресничек, хромосом в митозе (формиру­ют ахроматиновое веретено, необходимое для клеточного деления),

(4) образование основы других органелл (центриолей, ресничек).

Расположение микротрубочек. Микротрубочки располагаются в цитоплазме в составе нескольких систем;

а) в виде отдельных элементов, разбросанных по всей цитоплазме и формирующих сети;

б) в пучках, где они связаны тонкими поперечными мостиками (в отростках нейронов, в составе митогяческого веретена, манжетки сперматиды, периферического "кольца" тромбоцитов);

в) частично сливаясь друг с другом с формированием пар, или ду­блетов (в аксонеме ресничек и жгутиков), и триплетов (в базальном тельце и центриоли).

Образование и разрушение микротрубочек. Микротрубочки пред­ставляют собой лабильную систему, в которой имеется равновесие меж­ду их постоянной сборкой и диссоциацией. У большинства микро­трубочек один конец (обозначаемый как "-") закреплен, а другой ("+") свободен и участвует в их удлинении или деполимеризации. Структура­ми, обеспечивающими образование микротрубочек, служат особые мел- I кие сферические тельца - сателлиты (от англ, satellite - спутник), отче- { го последние называют центрами организации микротрубочек (ЦОМТ). . Сателлиты содержатся в базалъных тельцах ресничек и клеточном цен- I тре (см. рис. 3-15 и 3-16). После полного разрушения микротрубочек ] в цитоплазме они отрастают от клеточного центра со скоростью около 1 мкм/мин., а их сеть вновь восстанавливается менее, чем за полтора часа. К ЦОМТ относят также и центромеры хромосом.

Связь микротрубочек с другими структурами клетки и между со­бой осуществляется посредством ряда белков, выполняющих различные функции. (1) Микротрубочки с помощью вспомогательных белков при­креплены к другим клеточным компонентам. (2) По своей длине микро­трубочки образуют многочисленные боковые выросты (которые состоят из белков, ассоциированных с микротрубочками) длиной до нескольких десятков нанометров. Благодаря тому, что такие белки последовательно и обратимо связываются с органеллами, транспортными пузырьками, секреторными гранулами и другими образованиями, микротрубочки (ко- ] торые сами не обладают сократимостью) обеспечивают перемещение указанных структур по цитоплазме. (3) Некоторые белки, ассоцииро­ванные с микротрубочками, стабилизируют их структуру, а связываясь с их свободными краями, препятствуют деполимеризации.

Угнетение самосборки микротрубочек посредством ряда веществ, являющихся ингибиторами митоза (колхицин, винбластин, винкрис-тин), вызывает избирательную гибель быстроделящихся клеток. Поэто­му некоторые из таких веществ успешно используются для химиотера-

пии опухолей. Блокаторы микротрубочек нарушают также транспортные процессы в цитоплазме, в частности, секрецию, аксонный транспорт в нейронах. Разрушение микрогрубочек приводит к изменениям формы клетки и дезорганизации ее структуры и распределения органелл.

Клеточный центр (цитоцентр)

Клеточный центр образован двумя полыми цилиндрическими структурами длиной 0.3-0.5 <мкм и диаметром 0.15-0.2 мкм - центриоля-ми, которые располагются вблизи друг друга во взаимно перпендикуляр­ных плоскостях (рис. 3-15). Каждая центриоль состоит из 9 триплетов частично слившихся микротрубочек (А, В и С), связанных поперечны­ми белковыми мостиками ("ручками"). В центральной части центриоли микротрубочки отсутствуют (по некоторым данным, здесь имеется осо­бая центральная нить), что описывается общей формулой (9*3) + 0. Каждый триплет центриоли связан со сферическими тельцами диамет­ром 75 нм - сателлитами; расходящиеся от них микротрубочки образу­ют центросферу.

В неделящейся клетке выявляется одна пара центриолей (диплосо-ма), которая обычно располагается вблизи ядра. Перед делением в S-ne-риоде интерфазы происходит дупликация центриолей пары, причем под прямым углом к каждой зрелой (материнской) центриоли формируется новая (дочерняя), незрелая процентриоль, в которой вначале имеются лишь 9 единичных микротрубочек, позднее превращающихся в трипле­ты. Пары центриолей далее расходятся к полюсам клетки, а во время митоза они служат центрами образования микротрубочек ахроматина-вого веретена деления.

Реснички и жгутики

Реснички и жгутики - органеллы специального значения, участ­вующие в процессах движения, - представляют собой выросты цитоплаз­мы, основу которых составляет каркас из микротрубочек, называемый осевой нитью, или аксонемой (от греч. axis - ось и пета - нить). Длина ресничек равна 2-10 мкм, а их количество на поверхности одной рес­нитчатой клетки может достигать нескольких сотен. В единственном типе клеток человека, имеющих жгутик - спермиях - содержится только по одному жгутику длиной 50-70 мкм.

Аксонема образована 9 периферическими парами микротрубочек и одной центрально расположенной парой; такое строение описывается формулой (9 х 2) + 2 (рис. 3-16). Внутри каждой периферической пары за счет частичного слияния микротрубочек одна из них (А) полная, а вторая (В) - неполная (2-3 димера общие с микротрубочкой А).

Центральная пара микротрубочек окружена центральной оболоч­кой, от которой к периферическим дублетам расходятся радиальные спицы. Периферические дублеты связаны друг с другом мостиками нек-сина, а от микротрубочки А к микротрубочке В соседнего дублета от­ходят "ручки" из белка динеина (см. рис. 3-16), который обладает ак­тивностью АТФазы.

Биение реснички и жгутика обусловлено скольжением соседних дублетов в аксонеме, которое опосредуется движением динеиновых ру­чек. Мутации, вызывающие изменения белков, входящих в состав рес­ничек и жгутиков, приводят к различным нарушениям функции соответ­ствующих клеток. При синдроме Картагенера (синдроме неподвижных, ресничек), обычно обусловленном отсутствием динеиновых ручек, боль­ные страдают хроническими заболеваниями дыхательной системы (свя­занными с нарушением функции очищения поверхности респираторного эпителия) и бесплодием (вследствие неподвижности спермиев).

Базальное тельце, по своему строению сходное с центриолью, ле­жит в основании каждой реснички или жгутика. На уровне апикального конца тельца микротрубочка С триплета заканчивается, а микротру­бочки А и В продолжаются в соответствующие микротрубочки аксоне-мы реснички или жгутика. При развитии ресничек или жгутика базаль-ное тельце играет роль матрицы, на которой поисходит сборка компо­нентов аксонемы.

Микрофиламенты

Микрофиламенты - тонкие белковые нити диаметром 5-7 ни, лежащие в цитоплазме поодиночке, в виде сетей или пучками. В ске­летной мышце тонкие Микрофиламенты образуют упорядоченные пучки, взаимодействуя с более толстыми миозиновыми филаментами.

Кортикальная (терминальная) сеть - зона сгущения микрофила-ментов под плазмолеммой, характерная для большинства клеток. В этой сети Микрофиламенты переплетены между собой и "сшиты" друг с другом с помощью особых белков, самым распространенным из ко­торых является филамин. Кортикальная сеть препятствует резкой и вне­запной деформации клетки при механических воздействиях и обеспе­чивает плавные изменения ее формы путем перестройки, которая облег­чается актин-растворяющими (преобразующими) ферментами.

Прикрепление микрофиламентов к плазмолемме осуществляется благодаря их связи с ее интегральными ("якорными") белками (интег-ринами) - непосредственно или через ряд промежуточных белков - та­лин, винкулин и сс-актинин (см. рис. 10-9). Помимо этого, актиновые микрофиламенты прикрепляются к трансмембранным белкам в особых участках плазмолеммы, называемых адгезионными соединениями, или фокальными контактами, которые связывают клетки друг с другом или клетки с компонентами межклеточного вещества.

Актин - основной белок микрофиламентов - встречается в моно­мерной форме (G -, или глобулярный актин), которая способна в при­сутствии цАМФ и Са 2+ полимеризоваться в длинные цепи (F -, или фибриллярный актин). Обычно молекула актина имеет вид двух спи­рально скрученных нитей (см. рис. 10-9 и 13-5).

В микрофиламентах актин взаимодействует с рядом актин-связы-вающих белков (до нескольких десятков видов), выполняющих различ­ные функции. Некоторые из них регулируют степень полимеризации актина, другие (например, филамин в кортикальной сети или фимбрин и виллин в микроворсинке) способствуют связыванию отдельных микро­филаментов в системы. В немышечных клетках на актин приходится примерно 5-10% содержания белка, лишь около половины его организо­вано в филаменты. Микрофиламенты более устойчивы к физическим и химическим воздействиям, чем микротрубочки.

Функции микрофиламентов:

(1) обеспечение сократимости мышечных клеток (при взаимодей­ствии с миозином);

(2) обеспечение функций, связанных с кортикальным слоем цито­плазмы и плазмолеммой (экзо- и эндоцитоз, образование псевдоподий и миграция клетки);

(3) перемещение внутри цитоплазмы ореанелл, транспортных пу­зырьков и других структур благодаря взаимодействию с некоторыми белками (минимиозином), связанными с поверхностью этих структур;

(4) обеспечение определенной жесткости клетки за счет наличия кортикальной сети, которая препятствует действию деформаций, но са­ма, перестраиваясь, способствует изменениям клеточной формы;

(5) формирование сократимой перетяжки при цитотомии, завер­шающей клеточное деление;

(6) образование основы ("каркаса") некоторых органелл (микро-ворсинок, стереоцилий).

(7) участие в организации структуры межклеточных соединений (опоясывающих десмосом).

Микроворсинки - пальцевидные выросты цитоплазмы клетки ди­аметром 0.1 мкм и длиной 1 мкм, основу которых образуют актиновые микрофиламенты. Микроворсинки обеспечивают многократное увеличе­ние площади поверхности клетки, на которой происходит расщепление и всасывание веществ. На.апикальной поверхности некоторых клеток, активно участвующих в указанных процессах (в эпителии тонкой киш­ки и почечных канальцев) имеется до нескольких тысяч микроворси­нок, образующих в совокупности щеточную каемку.

Каркас каждой микроворсинки образован пучком, содержащим около 40 микрофиламентов, лежащих вдоль ее длинной оси (рис. 3-17). В апикальной части микроворсинки этот пучок закреплен в аморфном веществе. Его жесткость обусловлена поперечными сшивками из бел­ков фимбрина и виллина, изнутри пучок прикреплен к плазмолемме Микроворсинки особыми белковыми мостиками (молекулами минимио- З ина). У основания микроворсинки микрофиламенты пучка вплетается в терминальную сеть, среди элементов которой имеются миозиновые филаменты. Взаимодействие актиновых и миозиновых филаментов тер­минальной сети, вероятно, обусловливает тонус и конфигурацию микро­ворсинки.

Стереоцилии - видоизмененные длинные (в некоторых клетках -ветвящиеся) микроворсинки - выявляются значительно реже, чем мик­роворсинки и, подобно последним, содержат пучок микрофиламентов.

К структурам цитоскелета относят микротрубочки, тонкие микрофиламенты, промежуточные филаменты (микрофибриллы).

Они состоят из белков и не имеют мембран. Эти органеллы выполняют не только опорно-каркасную и формообразующую, но и множество других функций.

Микротрубочки . Они встречаются в цитоплазме практически всех клеток многоклеточных организмов, кроме прокариот. Микротрубочки исследуют при электронной микроскопии. Микротрубочки располагают отдельно в виде самостоятельной структуры или формируют сложные структуры центриолей, ресничек, жгутиков, веретена деления.

Органелла представляет собой прямую, не ветвящуюся, полую структуру. В цитоплазме большинства клеток микротрубочки постоянно подвергаются сборке и разборке. В результате этого динамического равновесия поддерживается вся система распределения органелл цитоплазмы, их положение в клетке, форма клетки, перемещение в ней веществ. Если вызвать в клетке деполимеризацию микротрубочек, введя колхицин или значительно снизив температуру, то форма клети сильно изменится и нарушится распределение в ней транспортных потоков. Следовательно, микротрубочки цитоплазмы формируют эластичный, но вполне устойчивый внутриклеточный скелет - цитоскелет.

При световой микроскопии скопления микротрубочек можно выявить с помощью специфических антител к тубулину. Они формируют скопление вблизи клеточного центра, участвуя в формировании центросферы.

Микротрубочки представляют собой полые цилиндры с общим диаметром 24 нм, внутренний просвет имеет ширину 15 нм, а толщина стенки - 5 нм. Микротрубочки состоят из глобулярных белков - тубулинов (13 на поперечном срезе). Глобулы тубулинов имеют диаметр около 5 нм, молекулярную массу 60 · 10 3 и коэффициент седиментации 3…4 S. Тубулины подразделяют на альфа — и бета-тубулины. Тубулины образуют димер - белок, состоящий из двух глобул тубулинов. Димеры соединяются в виде цепочки, которая формирует спираль. Тубулины могут быть в двух формах: глобулярной (диспергированной в матриксе) и фибриллярной (в виде микротрубочек). В составе тубулинов всегда обнаруживают значительное количество гуаниндифосфата (ГДФ).

Микротрубочки формируются в центрах организации микротрубочек, или микротрубочкоорганизующих центрах: центриолях, базальных тельцах ресничек и жгутиков, зонах кинетохоров митотических хромосом.

Образование микротрубочек происходит путем самосборки. Для этого необходимы: глобулы тубулинов, ГТФ (гуанинтрифосфат), белки, стимулирующие полимеризацию, высокое содержание ионов Mg 2+ и отсутствие ионов Са 2+ . Если эти условия соблюдены, то образование новых микротрубочек происходит даже в пробирке (in vitro).

В начале полимеризации органеллы происходит нуклеация, формируется «затравка» из очень короткой цепи тубулинов в три ряда, затем к обоим концам начинают прикрепляться новые тубулины, и размер микротрубочки увеличивается.

Микротрубочки имеют положительный и отрицательный полюса. Со стороны отрицательного полюса, лежащего ближе к организатору микротрубочек, тубулины полимеризуются медленнее и легко распадаются до глобулярных частиц. Со стороны положительного полюса, направленного к периферии клетки, полимеризация идет быстрее.

Микротрубочки быстро распадаются на глобулярные частицы, взвешенные в гиалоплазме. Распад органеллы можно спровоцировать, увеличив внутри клетки содержание ионов кальция.

Микротрубочки формируют центриоли, несут опорно-каркасную функцию, контролируют транспортные потоки в цитоплазме, участвуя в циклозе, обеспечивают каркасную основу ресничек и жгутиков, формируют веретено деления в митозе и мейозе и др.

Создавая внутриклеточный скелет, микротрубочки могут быть факторами ориентированного движения клетки в целом и ее внутриклеточных компонентов, задавать своим расположением векторы для направленных потоков разных веществ и для перемещения крупных структур.

При разрушении микротрубочек фибробластов в культуре форма клеток из вытянутой становилась округлой или многоугольной (полигональной), их движения стали хаотичными, то есть эти органеллы контролируют направление движения клетки.

Разрушение микротрубочек колхицином нарушает транспорт веществ в аксонах нервных клеток, приводит к блокаде секреции и т. д. По цитоплазматическим интерфазным микротрубочкам, как по рельсам, могут передвигаться различные мелкие вакуоли, например синаптические пузырьки, содержащие нейромедиаторы, в аксоне нервной клетки или митохондрии. Эти перемещения возможны из-за связи микротрубочек со специальными белками - транслокаторами (динеинами и кинезинами), которые, в свою очередь, связываются с транспортируемыми структурами.

С тубулинами микротрубочек связан белок кинезин, обладающий АТФазной активностью и обеспечивающий транспорт органелл и других структур от центра к периферии (от отрицательного к положительному полюсу микротрубочки). Подобную функцию, но в противоположном направлении, выполняет цитоплазматический динеин.

За счет этого микротрубочки могут контролировать транспортные потоки и распределение структур в клетке.

Если оба конца микротрубочки «закрыты» (копированы), то есть связаны, например, с клеточным центром и наружной мембраной, то микротрубочки не распадаются и могут метилироваться (присоединять метальные группы), приобретая устойчивую форму. Такие метилированные, стабильные микротрубочки могут выполнять специализированные функции: служить основой ресничек, жгутиков и клеточного центра. В нейроне они образуют органеллу специального назначения - нейротубулу.

Нейротубулы выполняют разнообразные функции: опорно-каркасную, обеспечивают транспорт веществ (аксоток), контролируют выделение медиаторов, регулируют процессы регенерации в поврежденном нервном волокне и др.

Копировать концы микротрубочек могут белки микротрубочкоорганизующих центров (МОТЦ), или центров организации микротрубочек (ЦОМТ).

По бокам к микротрубочкам могут прикрепляться низкомолекулярные т-белки и высокомолекулярные MAP (microtubule associated proteins). Эти белки формируют «шипы» на микротрубочках, связывают элементы цитоскелета между собой, стабилизируют микротрубочки, могут находиться на конце микротрубочки, прикрывать его (кэпировать) и этим предотвращать их распад (деполимеризацию).

Микротрубочки являются составной частью клеточного центра, ресничек и жгутиков. Система микротрубочек развивается вместе с центриолью, в которой происходит начальная полимеризация тубулинов и рост микротрубочек цитоскелета.

Промежуточный филамент . Это нити с поперечным диаметром 8…11 нм. Их скопления формируют более толстые структуры - микрофибриллы, которые в нейронах участвуют в образовании нейрофибрилл. Они обеспечивают опорно-каркасную функцию. Промежуточные филаменты лежат в центральных областях клеток в виде трехмерной сети. На периферии филаменты нередко объединяются в пучки, прикрепляются к внутренней поверхности десмосом и полудесмосом. Промежуточные филаменты придают клеткам упругость и жесткость. Присоединяясь с помощью десмосом к подобным участкам соседних клеток, они формируют обширную сеть - каркас, который соединяет клетки в механически прочную и в то же время гибкую и эластичную систему. Это особенно важно в эпителиальных тканях, часто подвергающихся механическим воздействиям.

Промежуточные филаменты - неветвящиеся, располагающиеся пупками нити (микрофибриллы). Эти фибриллярные структуры относительно стабильны по сравнению с микротрубочками и тонкими микрофиламентами. Они состоят из фибриллярных белков-мономеров. Эти фибриллярные белки в виде α-спирали переплетаются между собой и поэтому органелла напоминает канат. Особенно хорошо развиты промежуточные филаменты в клетках, которые испытывают значительные механические нагрузки (эпителиальные, мышечные ткани).

Микрофибриллы являются тканеспецифичными, так как их образуют фибриллярные белки, различные по составу в зависимости от происхождения клеток и тканей. Десмины образуют промежуточные филаменты мышечных тканей мезодермального происхождения; виментины - клеток мезенхимального происхождения (ткани внутренней среды); цитокератины - эпителиальных клеток; белки нейрофибриллярного триплета - нейронов; глиальный фибриллярный кислый белок - астроцитов.

Особенностью промежуточных филаментов является то, что образующие их фибриллярные белки комплементарно соединяются друг с другом: кислые цитокератины с цитокератинами, имеющими основные свойства. Три мономера цитокератинов объединяются между собой в виде α-спирали. Каждая такая нить имеет толщину около 2 нм. Эти тонкие нити соединяются в более толстые образования - полые трубки с поперечным сечением 8…11 нм. В некоторых участках филаменты разволокняются, что облегчает связь нитей в органелле. Нити в таком филаменте свернуты в слабо закрученную спираль. Промежуточные филаменты могут формировать крупные комплексы (микрофибриллы).

Промежуточные филаменты в эпителии называются тонофиламентами, а микрофибриллы - тонофибриллами.

В отличие от микротрубочек промежуточные филаменты не имеют полярности и являются стабильными компонентами цитоскелета. На внутренней поверхности ядерной оболочки имеются структуры, аналогичные промежуточным филаментам. Они образованы белками ламинами и участвуют в формировании ядерной пластинки. К ним прикрепляется хроматин.

При помощи иммуноморфологических методов определяют тканевое происхождение тех или иных опухолей именно по белкам их промежуточных филаментов, что очень важно для диагностики и правильного выбора типа химиотерапевтических противоопухолевых препаратов.

Химический состав и молекулярная масса белков промежуточных филаментов довольно разнообразны. Так, выявлено, что кислых цитокератинов около 15 видов. Примерно столько же и основных цитокератинов. Молекулярная масса основных цитокератинов колеблется от 50 000 до 70 000, кислых - от 40 000 до 60 000. Примерно 8 из цитокератинов входят в состав производных кожи (волосы, когти, рога, ногти и т. д.). Их распределение зависит от типа эпителия. В многослойном эпителии цитокератины различны в разных слоях эпителия и преобладание того или иного цитокератина является косвенным признаком степени дифференцировки кератиноцитов (клеток многослойного эпителия).

Промежуточные филаменты нервной клетки - нейрофиламенты у позвоночных сформированы белками NF-Z, NF-M, NF-H, которые значительно отличаются по молекулярной массе (от 57 до 150 кДа). Эти белки и промежуточные филаменты поддерживают форму тел и отростков клеток нервной ткани, а также фиксируют на поверхности белки ионных каналов.

При значительном повреждении клетки промежуточные филаменты формируют клубок - подвергаются коллапсу. В такой клубок погружаются поврежденные органеллы и другие макромолекулярные образования. Вероятно, это облегчает их последующий гидролиз (самопереваривание).

При регенерации сети промежуточных филаментов восстанавливаются от центральных участков клетки, от клеточного центра, что позволяет предполагать его роль как центра формирования не только микротрубочек, но и промежуточных филаментов.

Тонкие микрофиламенты . Представляют собой тонкие нити с поперечным диаметром около 6 нм. Микрофиламенты находятся практически во всех клетках и являются универсальными элементами цитоскелета. Концентрируются на периферии клетки, формируя так называемую «кортикальную» периферическую область клетки, а в толще цитоплазмы лежат в виде сети, отдельных волокон или в виде пучков. В кортикальном слое цитоплазмы тонкие микрофиламенты образуют сгущения под плазмолеммой в виде плотных пучков или слоев. В апикальной зоне эпителия такие сгущения называют кутикулой.

Тонкие микрофиламенты видны как плотно упакованные пучки, направляющиеся в клеточные отростки, где служат основой для их формирования (микроворсинки и стереоцилии).

Наряду с опорой микрофиламенты - это внутриклеточный сократительный аппарат, обеспечивающий не только подвижность клеток при активном амебовидном перемещении, но и при перемещении цитоплазмы, движении вакуолей, митохондрий, делении клетки.

Кроме того, актиновые микрофиламенты выполняют и каркасную функцию, соединяясь с рядом стабилизирующих белков, они могут образовывать временные или постоянные пучки или сети.

В большинстве клеток актины (основные белки тонких микрофиламентов) составляют около 5 % общего содержания белка. Выделяют пять форм актина (изоформ). Все изоформы близки по аминокислотным последовательностям, но строение и состав концевых участков полипептидных цепочек различные. Это приводит к различию в скорости полимеризации актина, что необходимо для двигательной активности клетки и скорости формирования выпячиваний и впячиваний клеточной мембраны.

Молекулы актина в тонких микрофиламентах закручены по а-спирали, располагаясь в виде двух цепочек. Такой актин называется F-актином. Как и тубулины микротрубочек, актиновые нити легко полимеризуются и вновь распадаются на отдельные глобулы. Диспергированный в гиалоплазме актин называют G-актином.

Тонкие микрофиламенты имеют отрицательный и положительный полюса. Область положительного полюса легче полимеризуется, а отрицательный полюс легче распадается.

Образование тонкого микрофиламента, как и микротрубочки, начинается с формирования тримера (нуклеация). Это цепочка из трех актинов. Затем к этому тримеру начинают присоединяться новые актины (элонгация) и длина тонкого филамента увеличивается. Выявлены белки, контролирующие эти процессы. Так, профиллин блокирует нуклеацию. Он присоединяется к активной зоне мономера и формирует димер, который не может связаться с другими белками - актинами. Фрагмин подавляет нуклеацию и элонгацию, также связывая концевые элементы цепочки.

С помощью опорно-каркасных белков микрофиламенты могут соединяться с клеточной мембраной - это α-актинин, талин, винкулин, спектрин, фрагмин, анкирин, адцуцин. Разнообразие сцепляющих белков обусловлено разными способами прикрепления микрофиламентов: параллельно мембране, в виде пучков (по типу копирования) и др.

Микрофиламенты сцепляются между собой с помощью белков фасцина, α-актинина, фимбрина, филамина, виллина. Эти белки могут связывать тонкие микрофиламенты в виде плотных (фимбрин) или рыхлых (α-актинин) пучков, сетей (филамин). Так, белок филамин, являясь еще и белком-стабилизатором тонких микрофиламентов, формирует сшивки в местах пересечения органелл. В результате образуются сети из сцепленных нитей. Если оба конца микрофиламентов сцеплены с мембраной или с какой-либо иной структурой (копированы), они не распадаются и становятся стабильными. Последующее метилирование предотвращает распад микрофиламентов.

Стабильные тонкие микрофиламенты характерны для мышечных тканей, где они называются тонкими миофиламентами. Совместно с миозинами они формируют специализированную органеллу мышечной ткани - миофибриллу. Белок тропомиозин стабилизирует тонкий миофиламент.

Гельзолин, виллин и фрагмин копируют положительный полюс тонкого микрофиламента. Акументин выполняет подобную функцию со стороны отрицательного полюса.

Тонкие микрофиламенты обеспечивают опорно-каркасную функцию, контролируют циклоз, участвуют в формировании адгезивных контактов (пояска сцепления или ленточной десмосомы). В поясках сцепления тонкие микрофиламенты лежат параллельно цитомембране вдоль адгезивного контакта. Они укрепляют данный контакт, связываясь также с элементами внутриклеточного цитоскелета.

Наряду с микротрубочками микрофиламенты контролируют направление транспортных потоков и распределение макромолекулярных образований, органелл. В циклозе важное значение имеет полярность тонких микрофиламентов, противоположная к микротрубочкам.

Микрофиламенты участвуют в движении клетки. Одним из ведущих факторов, обеспечивающих движение, является взаимодействие актина с толстыми микрофиламентами, содержащими миозины. В присутствии ионов кальция в поперечнополосатых мышцах это взаимодействие ведет к сокращению симпласта. В гладких миоцитах и немышечных клетках подобную роль играет взаимодействие с минимиозинами, а также способность актинов к быстрому распаду и полимеризации.

В результате перераспределения тонких микрофиламентов в кортикальной зоне клетка может формировать впячивания (псевдоподии, ламеллоподии). Это позволяет обеспечивать локальные движения и перемещения целой клетки. Подобный процесс лежит в основе фагоцитоза и экзоцитоза.

Если клетка находится в состоянии покоя, в условиях жидкой среды и отсутствия контактов с другими клетками, она отличается округлой формой и равномерной сетью тонких филаментов в цитоплазме. В процессе исследования движения клетки в культурах тканей доказано, что перемещение клетки, например фибробласга, начинается с формирования филоподии - нитчатого выроста цитоплазмы диаметром 0,3…0,5 мкм и длиной до 20 мкм. Затем образуются плоские пластинчатые выросты - ламеллоподии или выросты, напоминающие оборки - «рафлы». Ламеллоподии затем сливаются так, что образуется особая зона - ламеллярная цитоплазма, в которой почти нет органелл и рибосом, но много микрофиламентов. Если клетка равномерно распластана, то она отличается концентрацией органелл вокруг ядра, лежащего в центре. К наружи от органелл тонкие микрофиламенты формируют кольцо.

В процессе формирования ламеллоподий может активироваться движение клетки. Движение обусловлено преобладанием в одном из направлений адгезивных или так называемых хемотаксических факторов.

Хемотаксические факторы - это вещества, стимулирующие перемещение клеток в направлении их наибольшей концентрации. Начало перемещения сопровождается перераспределением органелл и других структур (поляризацией) клетки. Такая активированная к движению клетка отличается тем, что псевдоподии и ламеллярная цитоплазма сохраняются на одной из сторон клетки. Именно эта сторона клетки и есть направление ее дальнейшего перемещения. Боковые поверхности клетки остаются неактивными. Перемещающаяся поверхность взаимодействует с внеклеточными структурами с помощью точечных (фокальных) контактов. Тонкие филаменты распределены в виде пучков вдоль оси перемещения. Область ламеллоподии содержит многочисленные тонкие микрофиламенты и микротрубочки. С их помощью происходит транспорт элементов клеточной мембраны от полюса с малым содержанием хемотаксинов в полюс с их высокой концентрацией. В результате клетка подтягивается в направлении перемещения. В последующем цикл перемещения повторяется.

В течение цикла тонкие микрофиламенты и микротрубочки непрерывно перераспределяются. Сеть микрофиламентов крайне неустойчива и все время перестраивается. В клетке, свободно плавающей в межклеточном веществе, тонкие микрофиламенты располагаются диффузно. В покое тонкие актиновые микрофиламенты концентрируются в виде кольца, а часть из них лежит в виде радиальных пучков. Во время перемещения тонкие микрофиламенты распределяются вдоль основного направления движения. По ламеллярному краю видны отдельные волокна или их пучки, которые лежат параллельно поверхности клетки.

Перемещения клеток необходимы для нормального функционирования и развития тканей и органов. Так, процессы миграции обеспечивают развитие зародышевых листков, внезародышевых клеток, формирование центральной и периферической нервных систем. Без активных перемещений невозможны иммунные реакции, функционирование эпителиальных тканей и фибробластов, многие другие процессы.

Тонкие микрофиламенты являются опорой (основой) для микроворсинок и стереоцилий. В структуре этих специализированных образований тонкие филаменты располагаются в виде тесно лежащих пучков.

Толстые микрофиламенты . Они образованы белками миозинами (меромиозинами). Толстые микрофиламенты в поперечном сечении имеют диаметр 10…12 нм. Эти структуры находятся в мышечной ткани, обеспечивают мышечное сокращение при взаимодействии с актиновыми филаментами.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .

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.

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.

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 (G 0 -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 G 0 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.

Цитоскелет состоит из нескольких компонентов. Там есть микротрубочки, я их упоминал, когда обсуждал фагоцитоз.

Микротрубочки полностью соответствуют своему названию. Это прямые микроскопические трубочки (наружный диаметр 28 нм, внутренний - 14 нм), состоящие из двух похожих друг на друга белков a-тубулина ("альфа-тубулин") и b-тубулина ("бета-тубулин"). Два конца микротрубочки отличаются друг от друга некоторыми важными свойствами (их называют "+" и "-"-концы ). В ДНК клетки имеются два разных гена, содержащие информацию о последовательностях аминокислот a- тубулина и b- тубулина.

После синтеза на рибосомах в цитоплазме молекулы а- и b- тубулина объединяются вдимеры ("ди" - "два", "мерос" - "часть"). Димеры тубулина при определенных условиях могут присоединяться к "+"-концу микротрубочки, микротрубочка при этом удлиняется. С "-"-конца микротрубочки могут разбираться (то есть от него отделяются димеры тубулина, и микротрубочка при этом укорачивается).

Изменяя условия в разных частях цитоплазмы, клетка имеет возможность делать сеть микротрубочек в ней более или, наоборот, менее густой. Кроме того, есть белки, способные присоединяться к "+"-концам микротрубочек, прекращая тем самым их сборку, и другие белки, способные присоединяться к "-"-концам и прекращать разборку микротрубочек (вместе они называются “кэпирующие белки ”).

Известны специальные транспортные белки, способные перетаскивать по микротрубочкам различные органоиды клетки. Один из них, кинезин , переносит их в направлении от "-"- к "+"-концу.

Следующий момент связан с тем, что если какие-то белки портятся, то такая конструкция гарантирует от того, что испортится вся микротрубочка. Если где-то возник разрыв белковой цепочки, то этот белок не присоединиться к плюс-концу или каким-то образом будет удален, или вся микротрубочка разберется. То есть так решается задача как избавляться от испорченных молекул.

Естественно, все макромолекулы в клетке постепенно портятся. И часть конструкций клетки ориентирована на удаление испорченных молекул. Например, в цитоплазме клетки есть ферменты - гидролазы, которые расщепляют белки. У всех белков, находящихся в цитоплазме, концы цепочки аминокислот спрятаны внутрь белковой глобулы. В норме они не торчат наружу. Если появился кончик, значит возник разрыв. И такой белок будет уничтожен, расщеплен на отдельные аминокислоты, которые потом можно опять использовать. И это правильно, так как белок испорчен. Похожая ситуация с нуклеиновыми кислотами - они как правило защищены от разрушения.

Из микротрубочек состоят центриоли. Центриоль - это цилиндр, состоящий из девяти троек микротрубочек. На поверхности цилиндра находятся белковые конструкции, которые служат центрами организации микротрубочек. Они обладают способностью создавать короткие участки микротрубочек из димеров тубулина. И каждому короткому участку дальше могут присоединяться димеры тубулина, и от центриоли в разные стороны расходятся микротрубочки. Это существенно при митозе. Так что центриоль служит центром организации микротрубочек.

Центриоль является также основанием ундулиподии, они же жгутики или реснички. Это характерный органоид, которые, видимо, также как митохондрии и хлоропласты, имеет симбиогенное происхождение. Были некоторые симбиотические бактерии, которые постепенно превратились в ундулиподии.

Есть два варианта того как работают реснички. Есть два варианта работв ундулиподии. Один вариант, который называется ресничка, делает взмах, поверхность, к которой она прикреплена, получает толчок. Начальный участок реснички при этом становится мягкой и начинает сгибаться. Ресничка работает (делает эффективный удар) в одной плоскости.

У протистов (у инфузорий) ресничка иногда может совершать так называемый реверс, то есть бить в обратную сторону. В любом случае движение означает, что для того, чтобы животное двигалось в определенную сторону, все реснички должны быть ориентированы своими плоскостями в одну и ту же сторону. Действительно, так и есть. На теле планарии, например, они ориентированы в одну сторону.

Другой вариант - это жгутик. В этом случае кончик ундулиподии двигается по кругу. При этом в зависимости от того, как изогнута сама нить жгутика, жгутик может быть тянущим или толкающим. На рис. Показан вариант толкающего и тянущего жгутика.

Сама по себе нить закручена в спираль, витки которой перемещаются - обычно от основания к кончику жгутика. В результате в зависимости от того, как соотносится направление вращения и направление закрученности спирали, жгутик или «ввинчивается» в воду или как бы «вывинчивается».

У некоторых простейших бывает промежуточный вариант, когда ундулиподия работает как жгутик, но описывает при этом фигуру не круг, а сильно вытянутый овал.

Как устроена эта конструкция внутри. На срезе реснички видны девять пар микротрубочек. При этом в центре имеются еще две микротрубочки, соединенные некими связками и окруженные цилиндром из белка нексина. Это называется центральный цилиндр, от каждой пары микротрубочек центрального цилиндра отходит спица, которая тоже состоит из белка нексина.

Кроме того, каждая пара имеет «ручки» - выросты, состоящие из белка динеина, который обладает способностью, потребляя АТФ, присоединяться к соседней микротрубочке и создавать разность высот между парами микротрубочек. В результате, когда из 9 пар микротрубочек срабатывают динеиновые «ручки» примерно на половине, то какие-то пары микротрубочек поднимаются выше, а какие-то - опускаются. Жгутик сгибается, происходит взмах. Примерно так работает ундулиподии, которые используется при движении простейших.

Основной белок другой части цитоскелета - микрофиламентов - называется актин. Глобулы актина (называемого в этом состоянии г-актин) способны объединятся в нити, представляющие собой двойные спирали, соединенные между собой. Получается двойная спираль с двумя желобками. Есть большое количество белков, влияющих на архитектуру этой системы нитей. Есть белки, которые соединяют вместе случайно коснувшиеся нити, есть белки, которые слепляют их в пучки, и разные другие другие. Один из белков, регулирующих структуру нитей, называется тропомиозин. Он тоже образуется в виде глобул и формирует нити.

Дальше эти нити укладываются в два желобка на нитях f-актина. Есть еще один белок, называется тропонин, который состоит из трех субъединиц. Одна субъединица связывается с f-актином, вторая способна связываться с тропомиозином, а третья обладает способностью обратимо связывать кальций. При наличии ионов кальция в растворе смесь субъединиц соединяется. Если убрать кальций, то кальций отделяется и все возвращается в исходное состояние.

Такой филамент, состоящий из этих трех белков, в присутствии кальция будет переходить в другое состояние, при котором тропонин, удлинившись, будет вытаскивать из желобков нити тропомиозина. В результате при наличии кальция желобки будут открываться, а если кальций из среды убрать - закрываться. Зачем это нужно, сейчас объясню.

Еще один белок, принимающий участие в сокращении, называется миозин. Его структура хорошо изучена и представляет собой две переплетенные альфа-спирали с головками на концах. При этом имеется так называемая шарнирная область, в которой возможны изгибания. Даже одна такая молекула способна, связываясь головками с желобками актинового филамента, способна в присутствии кальция по нему взбираться, попеременно сгибаясь и разгибаясь (с расходом АТФ).

Молекулы миозина способны объединятся в димеры. Такой димер способен прикрепиться к двум нитям актина и двигать их навстречу друг другу в присутствии кальция. Более того, молекулы миозина способны слипаться друг с другом в агрегаты большего размера, так что получаются конструкции из сотен и даже тысяч молекул. Они представляют собой цилиндр с шестью рядами головок.

Внутри - молекулы миозина, а торчат ряды головок. В середине такой молекулы есть пространство в котором, с одной стороны молекула ориентирована в одну сторону, а с другой - в другую, ширина конструкции примерно равна удвоенной длине молекулы миозина. В агрегате шесть филаментов с одной и шесть с другой стороны, и как только в среде появится кальций, они могут быть потащены навстречу друг другу.

Из таких агрегатов может быть составлена более сложная структура. Агрегат миозина с шестью рядами головок и нити актина (актиновые филаменты) - опять агрегат миозина и т.д. То есть получается по сути кристаллическая структура, в которой каждый актиновый филамент связан с тремя миозиновыми, а каждый миозиновый - с шестью актиновыми. Вся структура может сокращаться, и примерно так устроено мышечное волокно, например, поперечно-полосатые мышцы.

К диску из специального белка с двух сторон прикреплены актиновые филаменты. Между актиновыми филаментами находятся агрегаты миозина. Получается структура с поперечными полосками (отсюда и название поперечно-полосатая мышца). Если в нее подать кальций, а для этого нужны участки эндоплазматической сети и белки-каналы в ней, которые в нужный момент откроются. Чтобы они открылись, нужно, чтобы по мембране мышцы побежал потенциал действия, о котором вам потом расскажут. Кальций выйдет, и тогда вся конструкция сократиться. Головки миозина присоединятся к актиновым филаментам и потянут их.

Ядро и ядерная оболочка. Ядерная оболочка двойная, в ней есть ядерные поры, они окружены в три ряда кругом из восьми белками. Один внешний круг контактирует с цитоплазмой, другой средний и внутренний круг контактирует с внутренностью ядра. Ядерная пора выполняет достаточно сложную функцию. Все белки синтезируются в цитоплазме. Соответственно, ядерная пора должна пропустить внутрь ядра только те белки, которые должны там работать, и не пропустить другие.

Исследования показали, что существует определенная последовательности аминокислот, которая является пропуском внутрь ядра. Если эти 5-6 аминокислот химически присоединить к шарику латекса, и взвесь таких шариков инъецировать внутрь клетки, то белки пор протащат шарики в ядро. С другой стороны, эти же белки должны не выпускать из ядра молекулы ДНК, РНК и др.

Молекулы ДНК особым образом закреплены в ядре, так что каждой молекуле (хромосоме) соответствует определенная хромосомная территория, участок внутри ядра. Иногда при повреждении клетки, например под действием радиации, хромосомы с двух сторон ядра двигаются навстречу друг другу и с помощью специальных белков сравниваются и исправляют повреждение. Это все мало изучено, известно только, что ДНК прикреплена.

Цитоскелет представляет собой сеть волокон, обеспечивающих структурную поддержку (каркас) и археев. В эукариотических клетках эти волокна состоят из сложной сетки белковых нитей и моторных белков, которые помогают в перемещении и стабилизации .

Функция цитоскелета

Цитоскелет распространяется по всей и выполняет ряд важных функций:

• Придает клеткам форму и обеспечивает структурную поддержку.
• Удерживает рядом.
• Помогает в образовании .
• Цитоскелет не является статической структурой, и способен разбирать и собирать свои внутренние части, чтобы обеспечить внутреннюю и общую подвижность клеток. Типы внутриклеточного движения, поддерживаемые цитоскелетом, включают транспортировку везикул в клетку и из нее, манипуляцию во время или и миграцию органелл. Цитоскелет делает возможной миграцию клеток, поскольку мобильность клеток необходима для создания и восстановления тканей, цитокинеза (деление цитоплазмы) при образовании и в ответах иммунных клеток на микробы.
• Цитоскелет помогает в транспортировке сигналов связи между клетками.
• Он образует клеточные придаточные выступы, такие как (в некоторых клетках).

Структура цитоскелета

Цитоскелет состоит по меньшей мере из трех различных типов волокон: микротрубочек, микрофиламентов и промежуточных волокон. Эти волокна отличаются своим размером, причем микротрубочки являются самыми толстыми, а микроволокна являются самыми тонкими.

Протеиновые волокна

• Микротрубочки представляют собой полые стержни, функционирующие прежде всего для поддержки или формирования клетки и выступают в роли «маршрутов», вдоль которых могут перемещаться органеллы. Микротрубочки обычно встречаются во всех эукариотических клетках. Они различаются по длине и составляют около 25 нм (нанометров) в диаметре.
• Микрофиламенты или актиновые нити представляют собой тонкие твердые стержни, которые активны при мышечном сокращении. Они особенно распространены в мышечных клетках. Подобно микротрубочкам, они обычно встречаются во всех эукариотических клетках. Микрофиламенты состоят в основном из сократительного белкового актина и имеют диаметр до 8 нм.
• Промежуточные нити могут быть многочисленными во многих клетках и обеспечивать поддержку микрофиламентов и микротрубочек, удерживая их на месте. Эти нити образуют кератины, обнаруженные в эпителиальных клетках и нейрофиламентах в нейронах. Они имеют диаметр около 10 нм.

Моторные белки

Ряд моторных белков содержится в цитоскелете. Как следует из их названия, эти белки активно перемещают волокна цитоскелета. В результате молекулы и органеллы транспортируются вокруг клетки. Моторные белки питаются от АТФ, который образуется посредством