Цитоскелет строение и функции кратко. Цитоскелет

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 .

Цитоскелет образуется тремя компонентами: микротрубочками, микрофиламентами, и промежуточными филаментами.

Микротрубочки пронизывают всю цитоплазму клетки. Каждая из них представляет собой полый цилиндр диаметром 20 – 30 нм. Стенка микротрубочек образована 13-ю нитями (протофиламентами), скрученными по спирали одна над другой. Каждая нить, в свою очередь, слагается из димеров белка тубулина. Синтез тубулинов происходит на мембранах гранулярной ЭПС, а сборка в спираль – в клеточном центре.

Соответственно, многие микротрубочки имеют радиальное направление по отношению к центриолям. Отсюда они распространяются по всей цитоплазме.

Большинство микротрубочек имеет закрепленный («-») и свободный («+») концы.Свободный конец обеспечивает удлинение и уко­рочение трубочек.В образовании микротрубочек путем самосборки уча­ствуют мелкие сферические тельца – сателлиты (центры организации микротрубочек), содержащиеся в клеточном центре и в базальных тель­цах ресничек, а также центромеры хромосом. Если полностью разру­шить микротрубочки цитоплазмы, то они отрастают от клеточного центра со скоростью 1 мкм/мин. Разрушение микротрубочек приводит к изменению формы клетки (животная клетка обретает обычно сфери­ческую форму). При этом нарушаются структура клетки и распределе­ние органелл.

В клетке микротрубочки могут располагаться:

Ø в виде отдельных элементов;

Ø в пучках, в которых они связаны друг с другом попереч­ными мостиками (отростки нейронов);

Ø в составе пар или дублетов (осевая нить ресничек и жгутиков);

Ø в составе триплетов (центриоли и базальные тельца).

В двух последних вариантах микротрубочки час­тично сливаются друг с другом.

Функции микротрубочек:

а) поддержание формы и полярности клетки;

б) обеспечение упорядоченности располо­жения компонентов клетки;

в) участие в образовании других, более слож­ных органелл (центриоли, реснички и т.д.);

г) участие во внутрикле­точном транспорте;

д) обеспечение движения хромосом при митотическом делении клетки;

е) обеспечение движения ресничек.

Микрофиламенты. Микрофиламентами названы тонкие белковые нити диаметром 5 – 7 нм, встречающиеся практически во всех типах клеток. Они могут располагаться в ци­топлазме пучками, сетевидными слоями или поодиночке.

Основным бел­ком микрофиламентов является актин,на долю которого приходится до 5% от общего количества белков. Кроме него в состав микрофиламентов могут входить миозин, тропомиозин, а также несколько десятков актинсвязывающих белков. Молекула акти­на имеет обычно вид двух спирально скру­ченных нитей. Непосредственно под плазмолеммой располагается кортикальная сеть,в которой микрофиламенты переплетены между собой и соединены друг с другом с помощью особых белков, например филамина. Кортикальная сеть обусловливает плавность изменения формы клеток, постепенно перестраиваясь с участием актин-расщепляющих ферментов.Тем самым она препятствует резкой и внезапной деформации клетки при механи­ческих воздействиях. Отдельные микрофиламенты кортикальной сети прикрепляются к интегральным и трансмембранным белкам плазмолеммы, а также к так называемым адгезионным соединениям (фокальным контактам), которые связывают клетку с компонентами межклеточного вещества или с другими клетками. Микрофиламенты более устойчивы к физическим и химическим воздействиям, чем микротрубочки.

Основные функции микрофиламентов:

1) обеспече­ние определенной жесткости и упругости клетки за счет кортикальной сети микрофиламентов;

2) изменение консистенции цитозоля, в том числе при переходе золя в гель;

3) участие в эндоцитозе и экзоцитозе;

4) обеспечение подвижности немышечных клеток (например, нейтрофилов и макрофагов), в основе которой лежит изменение формы кле­точной поверхности вследствие регулируемой полимеризации актина;

5) участие в сокращении мышечных клеток и волокон;

6) стабилизация локальных выпячиваний плазматической мембраны, обеспечиваемой пучками поперечно сшитых актиновых филаментов (микроворсинки, стереоцилии);

7) участие в формировании межклеточных соединений (опоясывающие десмосомы и др.).

Промежуточные филаменты представляют собой сплетенные белковыми нитями канаты толщиной около 10 нм. Такой показатель обусловил отведение им промежуточного места между микротрубоч­ками и микрофиламентами. Промежуточные филаменты образуют трехмерные сети в клетках различных тканей животного организма. Они окружают ядро и могут находиться в различных участ­ках цитоплазмы, образуют межклеточные соединения (десмосомы и полудесмосомы), располагаются внутри отростков нервных клеток.

Основные функции промежуточных филаментов:

1) структурная;

2) опорная;

3) функция распределения органелл в определенных уча­стках клетки.

Эукариотические клетки способны изменять свою форму, перемещаться, передвигать органеллы по цитоплазме и разделять хромосомы во время митоза. Эта способность обеспечивается трехмерной сетью белковых нитей (филаментов), составляющих главную архитектуру клетки ­– цитоскелет (иногда обозначаемый как цитоматрикс). Белковые волокна пронизывают цитоплазму эукариотических клеток и во множестве точек связаны с белками плазматической мембраны и органелл. Все эти волокна представляют собой структуры, состоящие из субъединиц – особых глобулярных белков. (Белки цитоскелета, как и другие белки клетки, закодированы в генах и синтезируются на рибосомах.)

Субъединицы цитоскелета соединяются между собой слабыми связями (водородными, ионными и др.) и это свойство позволяет клетке формировать легко изменяющиеся динамичные пространственные структуры цитоскелета. Отмечено, что при различных воздействиях клетка в первую очередь перестраивает цитоскелет, демонтируя основные компоненты своей архитектуры, а затем формирует их заново, в соответствии с характером полученного сигнала; при этом детальное строение цитоскелета постоянно меняется при сохранении общего плана его организации. Такую форму работы цитоскелетной системы называют принципом динамической нестабильности.

В зависимости от диаметра филаменты разделяются на три группы: микрофиламенты (5­–7 нм), промежуточные волокна (около 10 нм) и микротрубочки (около 25 нм). Каждый тип цитоскелетных структур образует в клетке собственную систему со своими основными и минорными белками. Эти системы не являются абсолютно независимыми, а взаимодействуют друг с другом и с другими компонентами клетки – плазматической мембраной, ядром и другими органоидами клетки. Согласно существующим представлениям, цитоскелет не только способствует поддержанию формы клетки и осуществляет все типы клеточных движений, но и объединяет разные части клетки и обеспечивает передачу сигналов внутри клетки за счет образования пространственных белковых комплексов между рецепторами и ферментами.

Микрофиламенты встречаются практически во всех типах клеток и состоят из белка актина – наиболее распространенного в эукариотических клетках. (Актин составляет около 5% общего белка клетки; в скелетных мышцах – приблизительно 20% клеточной массы.) Актин может существовать в виде мономера (G-актин – «глобулярный актин», состоящий из 375 аминокислотных остатков) или волокна (F-актин – «фибриллярный актин»). Каждый F-актиновый филамент представляет спиралевидную структуру длиной несколько микрометров. Волокна F-актина имеет два разноименно заряженных конца, которые полимеризуются с различной скоростью. Быстро растущий конец называется плюс-концом, а медленно растущий – минус-концом. Плюс-конец актинового филамента растет в 10 раз быстрее, чем минус-конец.

Микрофиламенты участвуют в динамических процессах, таких, как мышечное сокращение, движение немышечных клеток, фагоцитоз, образование выростов цитоплазмы у подвижных клеток и акросом в процессе слияния сперматозоида с яйцеклеткой. Все эти процессы осуществляются с помощью актин-связывающих белков.

В цитоплазме клеток имеются более 50 различных типов актин-связывающих белков, которые специфически взаимодействуют с G-актином и F-актином. Эти белки выполняют различные функции: регулируют объём G- актинового пула (профилин), стабилизируют концы нитей F-актина (фрагин), сшивают филаменты с другими компонентами цитоскелета. Некоторые актин-связывающие белки, например, гельформирующие (от слова ­– желе) – скрепляют волокна актина крест-накрест и, тем самым, переводят состояние участка цитоплазмы из состояния золь (от лат. solutio ­­– раствор) в гель. Ещё один актин-связывающий белок – спектрин, называемый также фодрином, соединяет волокна актина в пучки и прикрепляет их к цитоплазматической мембране и к сетке, построенной из промежуточных волокон. Белок валлин сцепляет актиновые филаменты в параллельно упорядоченные жесткие структуры и оказывает влияние на скорость полимеризации G-актина.

Почти все типы движений в клетке происходят с участием актин-связывающего белка миозина. У всех молекул миозина имеется головка, шейка и хвост. Головка миозина способна присоединяться к мономеру актина и, при наличии АТФ, двигаться от плюс- к минус-концу микрофиламента. В скелетных мышцах молекулы актина и миозина расположены на фиксированных расстояниях друг от друга, а перемещение головок миозина по актиновым нитям ­ приводит к сокращению мышц. В немышечных клетках при взаимодейстии с белком миозином актиновые филаменты могут формировать сократительные пучки, благодаря которым образуются инвагинации (впячивания) клеточной поверхности. Такие инвагинации образуются, например, при делении клеток. В общем, характер движений в клетке зависит от строения белка миозина, структура которого имеет более 80 вариантов. Комбинируя актиновые микрофиламенты с различными вариантами миозина и другими актин-связывающими белками, клетка формирует структуры, различающиеся по архитектуре, подвижности и времени существования.

У большинства клеток микрофиламенты образуют под плазматической мембраной трехмерную структуру, так называемую актиновую кору (актиновый кортекс). Особенность этой структуры – быстрое обновление микрофиламентов; например, в кортексе лейкоцита филаменты существуют не более 5 секунд. Основной тип перестроек кортекса у подвижных клеток связан с образованием

псевдоподий – выростов цитоплазмы. Псевдоподии могут иметь форму плоской пластинки (ламеллоподия), узкого цилиндра (филоподия) или шаровидного пузыря. Форма псевдоподий зависит от типа актин-связывающих белков, взаимодействующих с микрофиламентами и плазматической мембраной.

Актиновые микрофиламенты участвуют также в создании сложных пространственных и относительно стабильных цитоскелетных структур. Например, основу микроворсинок эпителиальных клеток кишечника и почек составляют длинные пучки актиновых филаментов. На верхней поверхности волосковых клеток улитки внутреннего уха, отвечающих за восприятие звуков, находятся специализированные отростки (волоски) – стереоцилии. Стереоцилии располагаются правильными рядами подобно трубам клавишно-музыкального инструмента – оргáна. Внутренняя полость волоска-стереоцилии заполнена актиновыми филаментами и молекулами других белков. Мутации некоторых генов, кодирующих эти белки, приводит к дегенерации волосковых клеток и проявляется в виде одной из форм наследственной глухоты (синдром Ашера).

Микрофиламенты принимают активное участие в движении клетки. При этом актиновые филаменты постоянно полимеризуется на конце двигательного края клетки и деполимеризуется с внутренней стороны. Процессы полимеризации и деполимеризации F-актина могут быть нарушены ядами (токсинами) грибов. Например, фаллоидин (яд бледной поганки) связывается с минус-концом актина и ингибирует деполимеризацию, в то время как цитохалазин (токсин из плесневых грибов, обладающий свойством цитостатика) присоединяется к плюс-концу, блокируя полимеризацию актина и движение клетки. Длительное воздействие веществ, нарушающих полимеризацию или деполимеризацию актиновых филаментов, приводит к смерти этих клеток.

Полимеризация актина – это точно регулируемый процесс, контролируемый с помощью поверхностных рецепторов клетки, ферментов (протеинкиназ) и ионов кальция. Нарушение этого процесса сопровождается клиническими проявлениями. Например, в трансформированных клетках отмечается уменьшение экспрессии белков, регулирующих сборку актина. Значительные аномалии актиновых филаментов наблюдаются в клетках некоторых злокачественных опухолей. В клетках саркомы (опухоли соединительной ткани) обнаружено наличие тонких и коротких филаментов актина. Эти клетки, в отличие от нормальных клеток, очень подвижны и обладают большой способностью к метастазированию.

Промежуточные филаменты состоят из белков специфических для определенных клеточных типов (напр. кератины в эпителиальных клетках, виментин в клетках соединительной ткани, десмин в клетках мышечных тканей и др). Промежуточные филаменты придают прочность клетке, так как они представляют собой крепкие, волокнистые, устойчивые к растяжению полипептиды и распределяются по всей цитоплазме клетки, образуя прочную сеть. Кроме того, промежуточные волокна присутствуют в ядре, образуя сеть филаментов (ламину) на внутренней поверхности ядерной мембраны, тесно связанную с ядерными порами.

Структурными элементами промежуточных волокон являются белки, принадлежащие к пяти родственным семействам и проявляющие высокую степень клеточной специфичности. Типичными представителями этих белков являются цитокератины, десмин, виментин, кислый фибриллярный глиапротеин и нейрофиламент. Все эти белки имеют в центральной части базовую стержневую структуру, которая носит название α-спирали. Две пептидные цепи (димер) образуют суперспираль. Такие димеры соединяются антипараллельно, образуя тетрамер. Агрегация тетрамеров по принципу «голова к голове» даёт протофиламент. Восемь протофиламентов сплетаются вместе и образуют промежуточное волокно диаметром 10 нм. Эластичность промежуточных филаментов обеспечивается тем, что димеры каждого тетрамера расположены в шахматном порядке относительно друг друга.

Волосы и ногти человека, шерсть, перья, иглы, когти, и копыта животных состоят главным образом из кератина (цитокератина). В одном волокне шерсти переплетены миллионы фибрилл. Отдельные цепи кератина скреплены многочисленными дисульфидными связями, что придает им дополнительную твердость. Выделено более 30 различных кератинов, комбинирующихся по два типа в эпителиальных клетках человека. Кроме того описано восемь изоформ тяжелых кератинов, специфичных для волос и ногтей. В нервных клетках существуют нейрофиламенты, придающие необходимую механическую опору длинным аксонам. Филаменты десмина расположены в Z-дисках саркомеров скелетных мышц. В различных типах клеток промежуточные филаменты играют важную роль в формировании клеточных контактов, называемых десмосомами, которые соединяют соседние клетки. Полудесмосомы прикрепляют эпителиальные клетки к базальной мембране, на которой они расположены.

Микротрубочки

Присутствующие во всех эукариотических клетках микротрубочки представляют собой длинные нитевидные структуры, протянутые по всей цитоплазме и формирующие сеть, которая поддерживает структурную организацию и локализацию некоторых органелл.

Микротрубочки образуются при полимеризации белка тубулина (лат. tubula – трубочка), который является гетеродимером, образованным субъединицами α- и β- тубулина. В процессе полимеризации α -тубулин одного димера контактирует сβ -тубулином следующего димера с образованием протофиламентов. Тринадцать тубулиновых продольных рядов протофиламентов (нитей), идущих по спирали, образуют микротрубочку диаметром 24 нм и длиной несколько микрометров.

Рис. Схема строения микротрубочки, показывающая каким образом тубулиновые полипептиды, связываясь друг с другом, образуют цилиндрическую стенку. А. Поперечный срез Б – Короткий отрезок микротрубочки.

Микротрубочки способны образовывать синглет , дублет и триплет .
A микротрубочка дублета или триплета состоит из 13 протофиламентов.
Трубочки B и C состоят из меньшего числа протофиламентов, обычно 10.

Полимеризация микротрубочек происходит в направлении от головы к хвосту таким образом, что микротрубочка имеет определенную полярность: её концы обозначаются соответственно как плюс- и минус-концы. Микротрубочки в клетке нестабильны. Они могут быстро собираться и разбираться. В клетке минус-концы связаны с центром организации микротрубочек (ЦОМТ) – структурой, расположенной около ядра, которая содержит в животных клетках пару маленьких телец – центриолей, образованных из слившихся микротрубочек. Как правило, микротрубочки ассоциированы с другими белками (миозин, динеин, кинезин), которые связывают микротрубочки с другими элементами цитоскелета и органеллами. Кинезин обеспечивает транспорт органелл и везикул (пузырьков) из одной части клетки в другую от плюс-конца микротрубочки к минус-концу, а динеин от минус-конца к плюс-концу.

Известны химические соединения, способные блокировать сборку микротрубочек (колхицин, винбластин) и стимулирующие образование стабильных микротрубочек (таксол). Следует отметить, что в развивающемся организме могут сложиться условия (недостаток кислорода, пониженная или повышенная температура и т.д.), когда нарушается сборка микротрубочек в клетках, это может служить причиной отклонения от нормального развития.

Микротрубочки, как и актиновые филаменты, принимают участие в поддержании формы клетки. Наряду со статической функцией, микротрубочки участвуют во многих процессах, протекающих во всех эукариотических клетках: мейозе, митозе, клеточном движении и секреции. Они служат направляющими «рельсами» для транспорта органелл. Вместе с ассоциированными белками микротрубочки способны осуществлять механическую работу, например, транспорт митохондрий, перемещение синаптических пузырьков, движение ресничек (волосоподобных выростов клеток в эпителии легких, кишечника и яйцеводов) и биение жгутика сперматозоида. Пузырьки, образуемые аппаратом Гольджи, направляются в различные места клетки по микротрубочкам строго по назначению. Кроме того микротрубочки в форме митотического веретена – важнейшая часть аппарата, обеспечивающего правильное распределение хромосом между дочерними клетками при делении эукариотических клеток.

Функции микротрубочек: 1) обеспечение расхождения хромосом при делении клеток, 2) поддержание формы клетки, 3) участие в транспорте макромолекул и органелл, 4) обеспечение подвижности жгутиков, ресничек.

Функции цитоскелета

Цитоскелет выполняет три главные функции.

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

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

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

Микрофиламенты и промежуточные волокна.

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

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

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

Все клетки представляют собой ячейки, заполненные жидким содержимым и ограниченные мембраной подобной стенке мыльного пузыря. Что же обуславливает жесткость клеток, способствует поддержанию их формы и обеспечивает возможность совершать направленные и координированные движения? Эту функцию выполняет цитоскелет - сложная сеть белковых нитей , пронизывающих всю цитоплазму. Однако, цитоскелет это не неподвижный каркас или скелет как можно думать исходя из названия, это одновременно и цитомускулатура - гибкая и сложная система, состоящая из структурных элементов, способных передвигаться друг относительно друга и только некоторые из них являются истинными фиксаторами. Более того, элементы цитоскелета обладают удивительной способностью быстро распадаться на крошечные строительные блоки и вновь собираться в структуры различной формы, что позволяет осуществлять направленные и координированные передвижения как клетки в целом, так и отдельных внутриклеточных органелл. Цитоскелет формируется из микротрубочек и двух типов микрофибрилл : актиновых филаментов и промежуточных филаментов .

В эукариотических клетках белок актин содержится в больших количествах (до 5% и более от общего белка клетки) и представляет собой полипептидные цепочки состоящие из 375 аминокислот (вес 42 000), свернутые в глобулярную (шарообразную) структуру или глобулу . Примерно половина всех молекул актина находится в виде индивидуальных субъединиц, называемых G-актином . Другая половина молекул актина соединена последовательно друг с другом, посредством специальных участков (сайтов) связывания, образуя длинные актиновые филаменты (английское filamentous - нитевидный) или волокна, называемые F-актином . Полимеризация актина не требует энергии (однако идет только в присутствии АТФ) и может быть вызвана в экспериментальных условиях повышением концентрации соли до уровня, близкого к физиологическому; при этом раствор актина, лишь не намного более вязкий, чем вода, быстро "густеет" по мере образования филаментов. Актиновые филаменты представляют собой плотную двойную спираль толщиной 6-8 нм (длина шага около 73 нм).

Располагаясь в виде пучков волокон соединенных поперечными сшивками непосредственно под плазматической мембраной актиновые филаменты образуют однородную трехмерную сеть. Эта сеть или клеточный кортекс , придает механическую прочность поверхностному слою клетки. Наиболее распространенным сшивающим элементом клеточного кортекса является длинная, димерная молекула белка филамина . В клетках содержание этого белка может составлять до 1% от всего клеточного белка (один димер филамина примерно на молекул 50 G-актина. На обоих концах молекулы филамина имеются участки связывания, с помощью которых филамин соединяется с актиновыми филаментами, фиксируя их друг относительно друга. Плазматическая мембрана настолько плотно связана с актиновым кортексом, что обе структуры могут рассматриваться как единый комплекс. Соединение кортекса и плазмалеммы обеспечивается специальными белками, которые расположены как в мембране, так и в непосредственной плизости от нее. Впервые такие белки – спектрин и анкирин были выявлены в эритроцитах.

Структура кортекса может быть различной у разных клеток и даже в разных участках одной и той же клетки. Иногда это плотная трехмерная сеть, в которую не могут проникать органеллы и другие крупные частицы. В других случаях кортекс заметно тоньше и больше похож на двухмерную структуру. Плотная трехмерная сеть актиновых филаментов под некоторыми участками плазматической мембраны может быстро распадаться при действии специальной внутриклеточной системы, которая не только устраняет поперечные сшивки между актиновыми филаментами, но и частично их деполимеризует. В частности, локальная деградация кортекса наблюдается, когда фагоцитирующий лейкоцит вступает в контакт с микроорганизмом. Это позволяет поверхностному слою цитоплазмы окружить и поглотить микробную клетку. На поверхности многих животных клеток небольшие пучки из 20-30 параллельных актиновых филаментов отходят под прямым углом от наружной стороны кортекса и заполняют продолговатые (длина около 1 мкм) и тонкие (ширина около 0,08 мкм) выпячивания клеточной поверхности, называемые микроворсинки. Особенно много микроворсинок на поверхности эпителиальных клеток, выстилающих внутреннюю поверхность тонкого кишечника. Важнейшей функцией этих клеток является всасывание. Благодаря микроворсинкам, количество которых на этих клетках достигает нескольких тысяч, значительно (в 20 раз) увеличивается всасывающая поверхность клетки.

Кроме актина в кортексе присутствует другой основной белок - миозин . Волокна миозина имеют боковые выросты - ножки, обладающие АТФ-азной активностью, благодаря колебательным движениям которых одни актиновые филаменты способны подтягиваться и передвигаться относительно других (подобно тому, как это происходит при мышечном сокращении) и благодаря этому клетка способна двигаться и изменять свою форму. Актиновые филаменты и миозин формируют при делении клетки сократимое кольцо , которое, сокращаясь, тянет за собой плазматическую мембрану разделяя клетку на две части. Принципиально другой механизм движения клеток связан со способностью актиновых волокон непрерывно удлинятся на своем так называемом плюс-конце (за счет постоянно идущей полимеризации). При этом на минус-конце идет постоянная деполимеризация филамента. Хотя общая его длина при этом не меняется, актиновая нить перемещается в направлении минус-плюс, подталкивая плазматическую мембрану, что приводит к образованию выростов на мембране и даже перемещению всей клетки. В отличие от простой сборки актиновых волокон из субъедениц в растворе, этот процесс, получивший название тредмиллинг , требует энергии гидролиза АТФ. В следствие тредмиллинга на поверхности клеток постоянно возникают динамичные выступы - микрошипы , благодаря которым клетки могут мигрировать и изменять свою форму. Например, растущий конец аксона, длинного отростка нервной клетки, выпускает длинные микрошипы – филоподии , длина которых может достигать 50 мкм. Внутри микрошипы содержат рыхлые пучки примерно из 20 актиновых филаментов, ориентированных плюс-концами наружу. Эти выступы клеточной поверхности очень подвижны и могут быстро появляться и исчезать. Предполагают, что они действуют подобно щупальцам, которыми клетка исследует окружающую среду. По-видимому, те микрошипы, которые прочно прикрепляются к какому-либо субстрату, направляют движение клетки в этом направлении. Микрошипы, которым прикрепиться к субстрату не удалось, втягиваются обратно. Некоторые природные вещества, например, цитохалазины , выделяемые различными плесневыми грибками избирательно влияют на процессы полимеризации и деполимеризации актина. Они способны специфически связываться с плюс-концами актиновых волокон и блокировать присоединение к ним новых мономеров актина.

Считают, что актин принимает участие не только в двигательной реакции, но также и в координации обменных процессов клетки. В частности, F-актин комплексируется с гликолитическими ферментами, и активность некоторых из них в результате такого взаимодействия меняется

Используя цитохалазины вещества, ученые доказали, что механизм тредмиллинга играет важную роль в различных типах клеточных движений. В частности оказалось, что цитохолазины подавляют такие формы подвижности клеток позвоночных, как цитокинез, фагоцитоз, образование выростов и шипов. В тоже время эти вещества не влияют на деление клеток в результате сокращения сократимого кольца, в котором участвуют стабильные актиновые филаменты, не подвергающиеся сборке и разборке и на расхождение хромосом в митозе, которое зависит в основном от функции микротрубочек .

Микротрубочки образуются путем полимеризации молекул белка тубулина. Молекула тубулина является гетеродимерной, поскольку состоит из двух различных субъединиц - α- и β- тубулинов . Тубулин присутствует практически во всех эукариотических клетках. Особенно много этого белка в нейронах головного мозга позвоночных до 10-20 % от всего растворимого белка клетки. В ходе сборки молекулы тубулина укладываются, бок о бок по спирали, вокруг центральной области, которая на электронных микрофотографиях кажется пустой, образуя длинные, полые структуры, диаметром 24 нм. На один шаг спирали затрачивается 13 молекул тубулина. Активирует процесс полимеризации тубулина ГТФ, ионы Mg 2+ и физиологическая температура, а деполимеризации – ионы Ca 2+ и охлаждение. Подобно актиновым филаментам, микротрубочки являются полярными структурами, у которых есть плюс-концы, растущие быстро, и минус-концы, растущие медленно.

Рис. 8 Структура микротрубочек

Микротрубочки формируют в цитоплазме систему транспортных волокон. Она зарождается в начале интерфазы из области центриолей , в так называемых центрах организации микротрубочек и растет за счет процессов полимеризации вдоль длинной оси клетки, поддерживая тем самым удлиненную форму клетки в целом. Система цитоплазматических микротрубочек являются своеобразными "рельсами", по которым транспортируются различные пузырьки и органеллы. Благодаря транспортной системе микротрубочек вещества, включенные в пузырьки, быстро переносятся из одной области клетки в другую. Особенно интенсивно эти процессы протекают при так называемом быстром аксонном транспорте, в ходе которого транспортные пузырьки с большой скоростью переносятся от тела клетки к нервному окончанию на десятки сантиметров и обратно.

Интересные «детали» двунаправленного транспорта митохондрий при помощи двигательных белков, перемещающихся вдоль антипараллельных микротрубочек приведены в работе на примере дендритов культивируемых нейронов.

Высокая концентрация тубулина в нервных клетках как раз и обусловлена наличием в этих клетках большого количества микротрубочек, связанных с системой быстрого аксонного транспорта. Кроме, транспортной функции, микротрубочки определяют (фиксируют) местоположение в клетке ЭР и аппарата Гольджи.

микротрубочковый цитоскелет необходим для опосредуемой инсулином транслокации пузырьков переносчика GLUT4 глюкозы, которые в базальных условиях ассоциированы с полимеризованными микротрубочками

Система цитоплазматических микротрубочек очень лабильна и видоизменяется в зависимости от состояния клетки. Например, в начале митоза она распадается и перестраивается в микротрубочки митотического веретена, которые соединяются с хромосомами в области центромеры и перемещают их сначала в область экватора делящейся клетки, где они образуют метафазную пластинку, а затем разводят их в дочерние клетки. Движущая сила в первом случае возникает за счет АТФ-зависимой полимеризации молекул тубулина и удлинения микротрубочек, во втором случае, напротив, активируются процессы деполимеризации, укорачивающие микротрубочки. В часто делящихся (недифференцированных) клетках микротрубочки митотического веретена пребывают в состоянии необычайно быстрой сборки и разборки, и это объясняет крайнюю чувствительность веретена к различным препаратам, способным связываться с тубулином. К таким веществам относится колхицин, один из алкалоидов безвременника осеннего, который использовался в лечебных целях еще древними египтянами. Колхицин прочно связывается с молекулами тубулина и препятствует тем самым их полимеризации. В зависимости от используемой концентрации он может задержать деление клетки в митозе или заблокировать процесс расхождения хромосом, что приводит к образованию клеток с диплоидным (двойным) набором хромосом. Действие колхицина обратимо и удаление препарата, во многих случаях, дает возможность веретену образоваться, а митозу завершиться. Вещества, блокирующие рост микротрубочек, называются антимитотическими агентами . Так как нарушение роста микротрубочек митотического веретена особенно пагубно сказывается на быстро делящиеся клетки и, в первую очередь, раковые, ряд антимитотических препаратов, в частности винбластин и винкристин, широко используется в терапии опухолей.

Многие клетки человека имеют реснички, а один вид клеток (сперматтозоиды) - жгутики. Структурной основой ресничек и жгутиков являются цилиндрические пучки из девяти так называемых дублетов микротрубочек расположенных по окружности и одной центральной пары микротрубочек. Дублеты, каждый из которых образован двумя слившиеся микротрубочками, способны за счет энергии гидролиза АТФ перемещаться относительно друг друга, аналогично тому, что происходит в случае актиновых филаментов, только передвигает дублеты друг относительно друга не миозин, а другой белок с АТФ-азной активностью - динеин . Синхронное скольжение дублетов преобразуется в изгиб реснички или жгутика. В организме человека огромное количество ресничек (10 9 /см 2), имеют клетки эпителия бронхов и других влажных поверхностей. Каждая такая клетка имеет до нескольких сотен ресничек, длиной 5-15 мкм. Реснички движутся координировано, при этом циклы движения соседних ресничек едва заметно сдвинуты во времени, вследствие чего на поверхности клетки образуются однонаправленные бегущие волны. В бронхах волнообразные движения ресничек, непрерывно, со скоростью 6 мм/мин перемещают из легких к полости носа, а затем наружу слизь с частицами пыли.

Рис. 9 Структура промежуточных филаментов

Промежуточные филаменты - это жесткие и прочные белковые волокна в цитоплазме большинства клеток высших эукариот. Структура их напоминает переплетенные канаты, а толщина составляет 8-10 нм. В отличие от мономеров актина и тубулина, которые представляют собой глобулярные белки, субъединицы промежуточных филаментов, в частности различные кератины , являются вытянутыми фибриллярными белками. Они объединяются в продольные пучки, где перекрываются по длине, образуя длинные нити с высокой химической и механической прочностью. Фактически термин "цитоскелет" был первоначально введен именно для обозначения этих чрезвычайно стойких и нерастворимых волокон. Особенно много промежуточных кератиновых филаментов там, где клетки подвергаются механическим нагрузкам, например в эпителиях . Здесь эти нити участвуют в соединении клеток друг с другом (при помощи десмосом). Еще разнообразнее кератины в эпидермисе кожи, который представляет собой плотный многослойный эпителий, клетки которого производят кератин по мере своего старения во все увеличивающихся количествах за счет массивной аутофагии (самопожирания) других внутриклеточных структур. Одновременно кератиновые волокна начинают интенсивно связываться между собой посредством поперечных дисульфидных связей. К тому моменту, когда клетки становятся высохшими и безжизненными, они образуют единый чрезвычайно плотный защитный пласт, из которого образуется чешуя, ногти, когти, рог или клюв, а также волосы и перья.

Цитоскелет образован белками, выделяют несколько основных систем, называемых либо по основным структурным элементам, заметным при электронно-микроскопических исследованиях (микрофиламенты , промежуточные филаменты , микротрубочки), либо по основным белкам, входящим в их состав (актин -миозиновая система, кератины , тубулин -динеиновая система).

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

✪ Элементы цитоскелета и белковый транспорт

✪ Цитология. Лекция 4. Цитоскелет. Окштейн И.Л.

✪ Цитоскелет клеток - Иван Воробьев

✪ Цитоскелет | Строение клетки | Биология (часть 6)

✪ Inner_Life_Of_A_Cell_-_Full_Version.mkv

Субтитры

Цитоскелет эукариот

Актиновые филаменты (микрофиламенты)

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

Промежуточные филаменты

Цитоскелет прокариот

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

Бактериальные гомологи актина

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

MreB и его гомологи

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

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

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

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

ParM

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

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

MamK

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

Гомологи тубулина

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

FtsZ

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

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

BtubA/B

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

Кресцентин, гомолог белков промежуточных филаментов

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

MinD и ParA

Эти белки не имеют гомологов среди эукариот.

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

См. также