Цитоскелет: опорно-двигательная система клеток

Микрофиламенты, микротрубочки. Центриоли, клеточный центр, веретено деления.

В клетках растений и животных, отдельных клетках, у многоклеточных животных организмов происходят различные многочисленные двигательные реакции, в основе которых лежат общие молекулярные механизмы. Кроме того, наличие каких-либо двигательных аппаратов должно сочетаться и структурно связываться с существованием опорных, каркасных или скелетных внутриклеточных образований. Поэтому можно говорить об опорно-двигательной системе клеток.

К собственно двигательным компонентам клеток относятся различные микрофиламенты и белки, ассоциированные с микротрубочками. К опорным или скелетным внутриклеточным структурам относят микрофибрилы и микрготрубочки.

Микротрубочки — одни из обязательных компонентов цитоскелета эукариот. Это нитчатые неветвящиеся структуры толщиной 25 нм, состоящие из белков-тубулинов и ассоциированных с ними белков. Тубулины микротрубочек при полимеризации образуют полые трубки, откуда и их название. Длина их может достигать нескольких микрометров; самые длинные микротрубочки встречаются в составе аксонемы хвостов спермиев.

Рисунок 1 — Микротрубочки фибробласта, окрашенные антителами к тубулину: Я — ядро; КЦ — клеточный центр.

Микротрубочки обнаруживаются в цитоплазме интерфазных клеток, где они располагаются поодиночке или небольшими рыхлыми пучками, или в виде плотноупакованных микротрубочек в составе центриолей, базальных телец и в ресничках и жгутиках. При делении клеток большая часть микротрубочек клетки входит в состав веретена деления.

В морфологическом отношении микротрубочки представляют собой длинные полые цилиндры с внешним диаметром 25 нм. Стенка микротрубочек состоит из полимеризованных молекул белка тубулина. При полимеризации молекулы тубулина образуют 13 продольных протофиламентов, которые скручиваются в полую трубку. Размер мономера тубулина составляет около 5 нм, равного толщине стенки микротрубочки, в поперечном сечении которой видны 13 глобулярных молекул.

Сами микротрубочки не способны к сокращению, однако они являются обязательными компонентами многих движущихся клеточных структур, таких как реснички и жгутики, как веретено клетки во время митоза, как микротрубочки цитоплазмы, которые обязательны для целого ряда внутриклеточных транспортов, таких как экзоцитоз, движение митохондрий и др. В целом же роль цитоплазматических микротрубочек может быть сведена к двум функциям: скелетной и двигательной. Скелетная, каркасная, роль заключается в том, что расположение микротрубочек в цитоплазме стабилизирует форму клетки; при растворении микротрубочек клетки, имевшие сложную форму, стремятся приобрести форму шара. Двигательная роль микротрубочек заключается не только в том, что они создают упорядоченную, векторную, систему движения. Микротрубочки цитоплазмы в ассоциации со специфическими ассоциированными моторными белками образуют АТФазные комплексы, способные приводить в движение клеточные компоненты.

Практически во всех эукариотических клетках в гиалоплазме можно видеть длинные неветвящиеся микротрубочки. В больших количествах они обнаруживаются в цитоплазматических отростках нервных клеток, в отростках меланоцитов, амеб и других изменяющих свою форму клетках. Они могут быть выделены сами или же можно выделить их образующие белки: это те же тубулины со всеми их свойствами.

Рисунок 2 — Расположение микротрубочек в цитоплазме фибробласта (а), меланоцита (б) и нейрона (в).

Полимеризация и рост цитоплазматических микротрубочек в основном в клетках животных организмов связан с активностью органеллы — клеточного центра.

Микрофиламенты представляют собой очень тонкие и длинные нитевидные белковые структуры, встречающиеся во всей цитоплазме. Под плазматической мембраной микрофиламенты образуют сплошное сплетение, формируя цитосклет. Вся эта структура очень лабильна. Под влиянием различных воздействий (большое значение имеет концентрация кальция) микрофиламенты распадаются на отдельные фрагменты и вновь собираются. Так как микрофиламенты являются сократимыми элементами цитоскелета, то участвуют в изменении формы клетки, во внутриклеточных перемещениях органелл, расхождении хромосом при делении клетки.

Рисунок 3 — Актиновый микрофиламент 1 — актин, 2 — тропомиозин, 3 — тропонины.

Кроме этого микрофиламиенты выполняют исследующие функции: ответственны за перемещение хлоропластов, которые могут изменять свое положение в зависимости от освещения; клеточных ядер; пузырьков; участвуют: в фагоцитозе (но, не в пиноили экзоцитозе); в образовании перетяжки при клеточном делении (здесь действует кольцо из пучков микрофиламентов, опоясывающих клетку); в движении хроматид и хромосом при делении ядра.

Внутриклеточное движение возникает при взаимодействии микрофиламентов из актина (актиновых нитей) с миозином. Микрофиламенты встречаются во всех клетках эукариот. Особенно они обильны в высокоспециализированных мышечных волокнах и клетках, выполняющих функции сокращения мышц. Микрофиламенты входят также в состав специальных клеточных компонентов, таких как микроворсинки, ленточные соединения эпителиальных клеток, в состав стереоцилий чувствительных клеток. Микрофиламенты образуют пучки в цитоплазме подвижных клеток животных и слой под плазматической мембраной — кортикальный слой. У многих растительных клеток и клеток низших грибов они располагаются в слоях движущейся цитоплазмы.

Химический состав микрофиламентов. В состав микрофиламентов входит в основном белок актин. Но кроме него входят миозин, актинин и др.

Актин — глобулярный белок, он составляет 5−15% всего клеточного белка и является важнейшим белком эукариотических клеток. Глобулярный актин (гамма-актин) полимеризуется в актиновые филаменты (F-актин), состоящие из двух закрученных друг около друга спиралей (диаметр — около 6 нм, длина — несколько мкм). Актин образует трехмерную сеть из большого числа нитей или пучки не менее чем из 20 нитей. В клетке существует обратимое равновесие: гамма-актин — F-актин — пучки F-актина.

Это неоднородный белок, в различных клетках могут быть разные его варианты или изоформы, каждая из которых кодируется своим геном. Так, у млекопитающих есть шесть различных актинов: один в скелетных мышцах, один в сердечной мышце, два типа в гладких мышцах (один из них в сосудах) и два немышечных цитоплазматических актина являются универсальным компонентом любых клеток млекопитающих. Все эти изоформы актина очень сходны по аминокислотным последовательностям, вариантными в них являются концевые участки, которые определяют скорость полимеризации, но не влияют на сокращение. Такое сходство актинов, несмотря на некоторые отличия, определяет их общие свойства. Актин имеет молекулярную массу около 42 тыс. и в мономерной форме имеет вид глобулы (G-актин), содержащей в своем составе молекулу АТФ. При его полимеризации образуется тонкая фибрилла (F-актин) толщиной 8 нм, представляющая собой пологую спиральную ленту. Актиновые микрофиламенты полярны по своим свойствам. При достаточной концентрации G-актин начинает самопроизвольно полимеризоваться. При такой спонтанной полимеризации актина на образовавшейся нити микрофиламента один из ее концов быстро связывается с G-актином (плюс-конец микрофиламента) и поэтому растет быстрее, чем противоположный (минус-конец). Если концентрация G-актина будет недостаточной, то образовавшиеся фибриллы F-актина начинают деполимеризоваться. В растворах, содержащих так называемую критическую концентрацию G-актина, будет устанавливаться динамическое равновесие между полимеризацией и деполимеризацией, в результате чего фибрилла F-актина будет иметь постоянную длину. Из этого следует, что актиновые микрофиламенты представляют собой очень динамичные структуры, которые могут возникать и расти или же, наоборот, разбираться и исчезать в зависимости от наличия глобулярного актина. На растущем конце нити актина встраиваются мономеры, содержащие АТФ. По мере нарастания полимера происходит гидролиз АТФ, и мономеры остаются связанными с АДФ. Молекулы актина, соединенные с АТФ, прочнее взаимодействуют друг с другом, чем мономеры, связанные с АДФ.

В клетках такая, казалось бы, неустойчивая фибриллярная система стабилизируется массой специфических белков, ассоциирующих с F-актином. Так, белок тропомиозин, взаимодействуя с микрофиламентами, придает им необходимую жесткость. Целый ряд белков, например филамин и б-актинин, образует поперечные скрепки между нитями F-актина, что приводит к образованию сложной трехмерной сети, придающей гелеобразное состояние цитоплазме. Другие дополнительные белки могут связывать филаменты в пучки (фимбрин) и т. д. Кроме того, существуют белки, взаимодействующие с концами микрофиламентов, предотвращая их разборку, они стабилизируют их. Взаимодействие F-актина со всей этой группой белков регулирует агрегатное состояние микрофиламентов, их рыхлое или, наоборот, тесное расположение, связь их с другими компонентами. Особую роль при взаимодействии с актином играют белки миозинового типа, которые вместе с актином образуют комплекс, способный к сокращению при расщеплении АТФ.

Рисунок 4 — Микрофиламенты поляризованного движущегося фибробласта: 1 — ламеллоподии движущегося края; 2 — сеть актиновых филаментов ламеллы; 3 — пучки микрофиламентов; 4 — микрофиламенты кортикального слоя; 5 — фокальный контакт.

Таким образом, микрофиламенты представляют собой фибриллы полимеризованного актина, связанного с многими другими белками. В принципе микрофиламенты во всех немышечных клетках могут осуществлять по крайней мере два ряда функций: быть частью сократительного аппарата, взаимодействуя с моторными белками (миозин), или участвовать в формировании скелетных структур, способных к собственному движению за счет процессов полимеризации и деполимеризации актина.

В клетках такая, казалось бы, неустойчивая фибриллярная система стабилизируется массой специфических белков, ассоциирующих с F-актином. Так, белок тропомиозин, взаимодействуя с микрофиламентами, придает им необходимую жесткость. Целый ряд белков, например филамин и б-актинин, образует поперечные скрепки между нитями F-актина, что приводит к образованию сложной трехмерной сети, придающей гелеобразное состояние цитоплазме. Другие дополнительные белки могут связывать филаменты в пучки (фимбрин) и т. д. Кроме того, существуют белки, взаимодействующие с концами микрофиламентов, предотвращая их разборку, они стабилизируют их. Взаимодействие F-актина со всей этой группой белков регулирует агрегатное состояние микрофиламентов, их рыхлое или, наоборот, тесное расположение, связь их с другими компонентами. Особую роль при взаимодействии с актином играют белки миозинового типа, которые вместе с актином образуют комплекс, способный к сокращению при расщеплении АТФ.

Особенно много сведений о цитоскелете и о микрофиламентах получено при изучении фибробластов в культуре ткани, обладающих способностью к амебоидному движению. Эти клетки не имеют ответственных за движение постоянных фибриллярных структур, их фибриллярный аппарат все время находится в реорганизации: часть фибриллярных элементов разбирается в одних участках клетки и новообразуется в других. Обычно ползущий по поверхности субстрата фибробласт поляризован: у него есть движущийся конец и «хвостовой» отдел (рисунок 3 и 4). эукариот прокариот тубулин базальный тельце На движущемся конце, который часто более распластан по субстрату, чем боковые и хвостовые участки фибробласта, постоянно возникают и убираются тонкие нитевидные или пластинчатые выросты — ламеллоподии. Это — ведущий край клетки (ламеллоплазма), который и обеспечивает движение фибробласта вперед.

Рисунок 5 — Поляризованный движущийся фибробласт (фото И.С. Григорьева).

В таком движущемся фибробласте с помощью антител можно узнать места расположения актина. Он будет распределяться по трем основным частям клетки: в виде тонкого слоя он располагается по всему периметру клетки под плазматической мембраной. Это кортикальный слой. Обильно актин выявляется в выростах цитоплазмы ведущего края клетки и в пучках актиновых филаментов, отходящих от ведущего края вглубь клетки (рисунок 6).

Рисунок 6 — Пучки актиновых микрофиламентов в клетках культуры ткани, окрашенных флуоресцирующими антителами (фото А.В. Буракова).

Миозин в эукариотических клетках содержится в меньшем количестве (0,3−1,5% клеточного белка), чем актин. Нитевидная молекула миозина (молекулярная масса более 450 000, длина 150 нм) состоит из двух больших и нескольких малых субъединиц, образующих длинную двойную спираль. Один конец этой спирали несет две головки. Конец с головками катализирует расщепление АТФ (миозиновая АТФаза) и может специфически связываться с актином. Актин активирует АТФазу. При расщеплении АТФ освобождается энергия, необходимая для внутриклеточных движений.

Центриоли. Основу строения центриолей составляют расположенные по окружности девять триплетов микротрубочек, образующие полый цилиндр шириной 0,15 мкм и длинной 0,3−0,5 мкм.

Рисунок 7 — Центриоли.

Первая микротрубочка триплета состоит из 13 глобулярных субъединиц. Вторая и третья содержат по 11 субъединиц. Каждый триплет располагается к радиусу цилиндра под углом 40є.

От микротрубочки отходят «ручки» — нити из белка динеина, одна из которых (внешняя) направлена к микротрубочке соседнего триплета, а другая (внутренняя) — к центру цилиндра, где находится центральная «втулка» и 9 спиц, направленных по одной к микротрубочке каждого из триплетов. Такие структуры внутри центриоли расположены на ее проксимальном конце. На дистальном конце центриоли внутри ее таких структур нет. Снаружи центриоль окружена аморфным компонентом.

Центриоли дают начало базальному тельцу, которое имеет аналогичное строение. Главная функция базального тельца — образование реснички (жгутика). Базальные тельца, прикрепляясь к мембране клетки, определяют местоположение ресничек, от их микротрубочек берут начало аксонемы ресничек. Биохимический состав центриолей и базальных телец не вполне ясен. Они не содержат ДНК, имеют немного РНК и различные белки (включая тубулин).

Центриоли составляют основу клеточного центра: центриоли обычно в паре — диплосома, окружены зоной более светлой цитоплазмы, от которой отходят радиально тонкие фибриллы — центросфера.

Диплосома состоит из материнской и дочерней центриолей, расположенных перпендикулярно друг к другу. На материнской центриоли находятся:

• — сателлиты, состоящие из ножки, расположенной на стенке центриоли, и головки заканчивающейся на этой ножке;
• — фокусы схождения микротрубочек — плотные мелкие тельца, к которым подходят одна или несколько микротрубочек; находятся рядом с диплосомой, но не связаны с ней структурно.

Центриоли характерны и обязательны для клеток животных, их нет у высших растений, у низших грибов и некоторых простейших.

Предполагают, что центриоли осуществляют координацию поведения всей клетки, в особенности ее цитоскелета.

Веретено деления — динамичная структура, которая образуется в митозе и мейозе для обеспечения сегрегации хромосом и деления клетки. Типичное веретено является биполярным — между двумя полюсами образуется веретенообразная система микротрубочек. Микротрубочки веретена присоединяются к кинетохорам хроматид в области центромер и обеспечивают движение хромосом по направлению к полюсам.

Веретено образуют три основных структурных элемента: микротрубочки, полюса деления и хромосомы. В организации полюсов деления у животных участвуют центросомы, содержащие центриоли. У растений, а также в ооцитах некоторых животных центросомы отсутствуют, и образуется ацентросомальное веретено с широкими полюсами. Важную роль в формировании веретена играют моторные белки, относящиеся к семействам динеинов и кинезинов.

Полноценное веретено деления образуется на стадии прометафазы после разрушения ядерной мембраны, когда цитоплазматические микротрубочки и центросомы (у животных) получают доступ к хромосомам и другим компонентам веретена. Исключение составляет веретено деления почкующихся дрожжей, которое формируется внутри ядра. Веретено деления вместе с центрами сборки микротрубочек образует митотический аппарат.

Вопросы для самоконтроля

• 1. Какие молекулярные механизмы лежат в основе двигательных реакций?
• 2. Какие компоненты цитоскелета эукариот являются обязательными?
• 3. В состав чего при делении клеток входят микротрубочки?
• 4. Какие функции выполняют микрофиламенты?
• 5. В клетках проили эукариот встречаются микрофиламенты?
• 6. Какой основной белок входит в состав микрофиламентов?
• 7. Что является основой строения центриолей?
• 8. Какая главная функция базального тельца?
• 9. Какие структуры внутри центриоли расположены на ее проксимальном конце?
• 10. Для каких клеток характерны и обязательны центриоли?
• 11. Какие три основных структурных элемента образует веретено деления?
• 12. Какие функции выполняет веретено деления?