Molekuljarnaja Biologija Kletki v2
.pdf311
компонентами клетки (в том числе с другими элементами цитоскелета и мембранами некоторых органелл); другие же ответственны за перемещение органелл вдоль по микротрубочкам.
11-32
11.4.8. Микротрубочки часто направляют передвижение органелл в цитоплазме [48]
Если мы рассмотрим живую клетку позвоночного животного в фазово-конграстный микроскоп или в микроскоп с дифференциальным интерференционным контрастом (разд. 4.1.5), мы увидим, что ее цитоплазма находится в непрестанном движении. Митохондрии и более мелкие мембранные органеллы за несколько минут успевают изменить свое местоположение в клетке путем характерных периодических скачков, которые слишком упорядоченны и направленны, чтобы их можно было спутать со столь же безостановочным броуновским движением-результатом случайного теплового движения молекул. Многие из таких внутриклеточных перемещений происходят в тесной связи с микротрубочками. Если клетку, в которой движутся органеллы, быстро зафиксировать и приготовить из нее срезы для электронной микроскопии, то можно увидеть, что мембрана таких органелл зачастую соединена с микротрубочками цитоплазмы тонкими нитевидными структурами. Можно предположить поэтому, что микротрубочки играют важную роль в подобном движении, хотя, как мы уже говорили (разд. 11.2.4), некоторые перемещения пузырьков в цитоплазме происходят вдоль актиновых филаментов, а не микротрубочек. Наиболее яркой демонстрацией транспортной роли микротрубочек явилось изучение быстрого аксонного транспорта в нервных клетках, где перемещение мембранных пузырьков в обоих направлениях по аксону - между телом клетки и нервным окончанием - идет с большой интенсивностью.
11.4.9. Кинезин и цитоплазматический динеин осуществляют движение пузырьков вдоль микротрубочек аксона в противоположных направлениях, используя энергию гидролиза АТР [49]
Гигантский аксон кальмара можно извлечь из тела животного, а его цитоплазму выдавить, как зубную пасту из тюбика. Если капельку выдавленной аксоплазмы расплющить покровным стеклом и заснять через микроскоп на видеопленку (разд. 4.1.6), то можно увидеть, как органеллы движутся вдоль тонких нитевидных «дорожек». Методом иммунофлуоресценции в сочетании с электронной микроскопией удается показать, что эти «дорожки» представляют собой отдельные микротрубочки.
Выделенные внутриклеточные пузырьки и даже искусственные частицы вроде полистироловых шариков способны связываться с микротрубочками в выдавленной аксоплазме и двигаться вдоль этих микротрубочек практически так же, как это происходит в живой клетке. Поскольку выдавленная аксоплазма больше не укрыта плазматической мембраной, можно без труда изменять содержание в ней различных ионов и низкомолекулярных веществ и исследовать их влияние на аксонный транспорт. Таким образом было показано, что AMPPNP-негидролизуемый аналог АТР - останавливает транспорт и фиксирует органеллы в неподвижном, связанном с микротрубочками состоянии.
Такой эффект AMPPNP позволяет выявить компоненты, ответственные за перемещение пузырьков. При поиске в экстрактах аксоплаз-
312
Рис. 11-71. Кинезин и цитоплазматический динеин-крупные белки, ассоциированные с микротрубочками (БАМ), которые способны двигаться по микротрубочке в противоположных направлениях, используя энергию гидролиза АТР (А). Эти белки представляют собой комплексы из двух одинаковых «тяжелых цепей» и нескольких меньших «легких цепей». Каждая тяжелая цепь образует глобулярную головку, с помощью которой белок при участии АТР присоединяется к микротрубочке. Таким образом, подобно миозину, кинезин (Б, показаны четыре молекулы) и цитоплазматический динеин (В, две молекулы) имеют две головки. В отличие от этого динеин ресничек (Г) имеет три головки (см. рис. 11-57).
[Электронные микрофотографии получил John Heuser методом замораживания-травления; белки выделили Trina Schroer, Jeff Gelles, Michael Scheetz (£); Eric Steuer (B); Ursula Goodenough (Г).]
мы белков, которые связываются с микротрубочками в присутствии AMPPNP, но отделяются от них при добавлении АТР, был выделен крупный белковый комплекс, названный кинезином. Кинезин оказался АТРазой, использующей энергию гидролиза АТР для однонаправленного перемещения пузырьков вдоль по микротрубочке (разд. 3.4.11). Это движение осуществляется со скоростью от 0,5 до 2 мкм/с, без перерывов и скачков, характерных для движения в интактном аксоне и обусловленных, как полагают, частыми столкновениями перемещаемого пузырька с различными элементами цитоплазмы.
Направление движения, создаваемого кинезином, было определено с помощью полистироловых шариков, которые перемещались по микротрубочкам, полимеризованным in vitro на центросомах. В то время как неочищенные экстракты аксоплазмы перемещают частицы в обоих направлениях, очищенный кинезин обеспечивает транспорт только в одном направлении-«наружу», т.е. к плюс-концам микротрубочек (напомним, что динеин в ресничках осуществляет движение в противоположном направлении-см. разд. 11.3.10). Поскольку микротрубочки в аксоне, как известно, ориентированы плюс-концами от тела клетки (см. рис. 11-63), перемещение пузырьков с помощью кинезина должно быть направлено от тела к кончику аксона. Кажется вероятным, что за транспорт в обратном направлении ответствен динеиноподобный белок. И действительно, недавно из нескольких источников, включая мозг млекопитающего, был выделен высокомолекулярный БАМ с такими свойствами (рис. 11-71).
Этот белок был назван цитоплазматическим динеином.
11.4.10. Микротрубочки определяют местоположение эндоплазматического ретнкулума и аппарата Гольджи внутри клетки [50]
Двигательные белки, сходные с кинезином и динеином, существуют не только в нейронах. По-видимому, они имеются во всех клетках, где есть микротрубочки, и ряд важных организующих функций микротрубочек осуществляется, судя по всему, именно благодаря этим белкам. Как показали недавние исследования in vitro, кинезин прикрепляется к мембране эндоплазматического ретикулума и может растягивать ее вдоль ориентированных микротрубочек, превращая эту органеллу в характерную сложную сеть. Работы, проведенные на интактных клетках, тоже указывают на то, что ретикулум растягивается по ходу микротрубочек в направлении от центросомы, как и следует ожидать, если это происходит при участии кинезина. Наконец, иммунофлуоресцентными методами показано, что тонкие края цистерн ретикулума в периферических участках клеток часто располагаются вдоль микротрубочек (рис. 11-72, А и Б).
313
Рис. 11-72. Расположение мембран эндоплазматического ретикулума (ЭР) и микротрубочек в культивируемых клетках. А. Иммунофлуоресцентное окрашивание белков ЭР выявляет цистерны ЭР в виде кружевной сети на периферии клеток. Б. Расположение
микротрубочек в той же клетке. В, Г и Д. Влияние микротрубочек на аппарат Гольджи. Если в культивируемой клетке одновременно окрасить флуоресцентными антителами и микротрубочки (В), и мембраны Гольджи (Г), последние обнаружатся в виде скопления вокруг центросомы. Но если клетку обработать нокодазолом, вызывающим деполимеризацию микротрубочек, то мембраны Гольджи будут распределены по всей цитоплазме (Д), как это бывает во время митоза. [С любезного разрешения Mark Terasaki и Lan Во Chen (A, Б); Viki Allan и Thomas Kreis (В, Г. Д).]
В то время как мембрана эндоплазматического ретикулума активно перемещается в сторону от центросоми по «дорожкам» из микротрубочек (оставаясь соединенной на другом конце с ядерной оболочкой), мембраны цистерн Гольджи, по-видимому, транспортируются в обратном направлении, как если бы они были связаны с динеиноподобными белками; в результате аппарат Гольджи оказывается вблизи центросомы (рис. 11-72,5 и Г). И аппарат Гольджи, и эндоплазматический ретикулум во время митоза подвергаются сильной фрагментации (разд. 13.5.16), и когда потом в цитоплазме вновь образуются микротрубочки, именно их ориентация, вероятно, направляет восстановление этих органелл из мелких пузырьков и фрагментов мембран (рис. 11-72, Д).
Заключение
Микротрубочки образуются путем полимеризации молекул тубулина, после чего эти молекулы гидролизуют прочно связанный с ними GTP (этот процесс несколько отстает от полимеризации). Микротрубочки растут медленно, нестабильны и склонны к взрывообразной, «катастрофической» деполимеризации: однако они могут стабилизироваться при ассоциации с другими структурами, которые прикрывают («кэпируют») их концы. Центры организации микротрубочек, такие как центросомы, все время инициируют образование новых микротрубочек, которые растут в случайных направлениях. Любая микротрубочка, которая натолкнется на какую-либо структуру, способную кэпировать свободный плюс-конец этой микротрубочки, будет избирательно стабилизирована, тогда как другие со временем деполимеризуются. Полагают, что именно этот процесс в основном определяет полярность и расположение систем микротрубочек в клетке.
Втех микротрубочках, которые образовались в нужных местах, субъединицы тубулина подвергаются модификации - ацетилированию
идетирозилированию. Эти модификации играют роль «маркеров» зрелых микротрубочек и создают участки для связывания специальных белков, ассоциированных с микротрубочками (БАМ), которые еще больше повышают устойчивость микротрубочек к деполимеризации и адаптируют их для выполнения специфических функций в клетке. Особая группа таких белков использует энергию гидролиза АТР для однонаправленного перемещения вдоль по микротрубочке, обеспечивая этим направленное движение в цитоплазме клеточных органелл и их правильную пространственную организацию.
11.5. Промежуточные филаменты [51]
Промежуточные филаменты (ПФ)-это жесткие и прочные белковые волокна в цитоплазме большинства клеток высших эукариот. Структура их напоминает переплетенные канаты, а толщина составляет 8-10 нм,
314
т. е. промежуточная между толщиной толстых и тонких филаментов в мышцах, где ПФ были впервые описаны; по толщине они занимают также промежуточное место между актиновыми филаментами и микротрубочками. В большинстве животных клеток они формируют характерную «корзинку» вокруг ядра, откуда по слегка искривленным путям тянутся к периферии клетки. Особенно много ПФ там, где клети подвергаются механическим нагрузкам, например в эпителиях, где это нити участвуют в соединении клеток друг с другом (при помощн десмосом, см. разд. 14.1.4), в нервных волокнах и во всей цитоплазме гладкомышечных клеток. При экстракции клеток растворами с высокой и низкой ионной силой и солюбилизации неионными детергентами ПФ остаются целыми, тогда как большая часть остальных цитоскелетных структур разрушается. Фактически термин «цитоскелет» был первоначально введен именно для обозначения этих чрезвычайно стойких и нерастворимых волокон.
11.5.1. Промежуточные филаменты образуются из фибриллярных полипептидов четырех типов [51, 52]
В отличие от мономеров актина и тубулина, которые представляют собой глобулярные белки, субъединицы ПФ имеют вытянутую, фибриллярную форму. Они объединяются в продольные пучки, где перекрываются по длине, так что образуют длинные нити с высокой механической прочностью. В латеральных взаимодействиях, за счет которых строятся ПФ, нередко участвует лишь часть молекулы белковой субъединицы ПФ, поэтому структура остальной ее части может значительно варьировать, не изменяя общего строения нити. В связи с этим ПФ в отличие от актиновых филаментов и микротрубочек построены из полипептидов с весьма различной молекулярной массой - от 40 до 130 тыс. в зависимости от типа клеток.
Промежуточные филаменты по их первичной структуре делят на четыре большие группы (табл. 11-5). Белки ПФ типа I наиболее характерны для эпителиальных клеток и включают два подсемейства керати-
Таблица 11-5. Главные типы белков промежуточных филаментов
Образующий полипептид (мол. масса) Локализация
Тип І |
Кислые кератины (40000-70000) |
|
Нейтральные и основные кератины (40 000-70 000) |
Тип II |
Виментин (53000) |
|
Десмин (52000) |
|
Глиальный фибриллярный кислый белок (45000) |
Эпителиальные клетки и производные эпидермиса (волосы, ногти и т.п.)
Многие клетки мезенхимного происхождения; часто экспрес-сируется клетками в культуре Мышечные клетки
Глиальные клетки (астроциты и некоторые шванновские клетки)
Тип III |
Белки нейрофиламентов (около 1300001), 1000001) и 60000) |
Нейроны |
Типы IV |
Ядерные ламины А, В и С (65000 -75000) |
Ядерная ламина во всех клетках |
1) Из-за того, что эти белки при электрофорезе в гелях с додецилсульфатом натрия мигрируют аномально медленно, раньше их молекулярную массу считали большей.
315
Рис. 11-73. Иммунофлуоресцентная микрофотография эпителиальных клеток кенгуровой крысы (РtК2) в интерфазе. Клетки окрашены одновременно антителами к виментину (А) и к кератину (Б). Обратите внимание, что содержащиеся в клетке системы виментиновых и кератиновых
филаментов существуют раздельно, хотя и имеют сходное распределение. (С любезного разрешения Магу Osborn.)
нов: кислые кератины и нейтральные или основные кератины. Кератиновые филаменты - всегда гетерополимеры, образованные поровну субъединицами каждого из этих двух подсемейств. Вообще кератины - самая обширная группа белков ПФ; известно уже не менее 19 различных форм в составе эпителиев человека и еще 8 в волосах и ногтях. Многие типы эпителиев, различающихся морфологически и функционально, синтезируют также разные формы кератинов.
К белкам ПФ типа II относятся 1) виментин, 2) десмин и 3) глиальный фибриллярный кислый белок. Виментин широко распространен в клетках мезенхимного происхождения, включая фибробласты, клетки эндотелия кровеносных сосудов и лейкоциты; он часто образуется в культивируемых клетках и временно появляется в различных клетках в ходе онтогенеза. Десмин содержится в клетках мышц, как гладких, так и поперечнополосатых, а глиальный фибриллярный кислый белок образует глиальные филаменты в определенного рода клетках глии (астроцитах и некоторых шванновских клетках) в нервной системе. Все эти белки способны in vitro к самосборке с образованием гомополимеров, а также к образованию гетерополимеров с другими белками типа II. Последняя способность проявляется и in vivo: в клетках некоторых типов были обнаружены сополимеры виментина с десмином и виментина с глиальным фибриллярным кислым белком.
Из белков ПФ типа III построены нейрофиламенты - важный компонент цитоскелета в аксонах и дендритах нервных клеток. У позвоночных три таких белка, их называют «нейрофиламентным триплетом». И наконец, белки ПФ типа lV-это ядерные ламины (разд. 11.5.5); они сходны с другими белками ПФ по аминокислотной последовательности, но имеют несколько характерных отличий. Наиболее примечательно то, что они образуют высокоупорядоченные двумерные сети из филаментов, подвергающиеся быстрой разборке и сборке на определенных стадиях митоза.
Все клетки эукариот синтезируют ядерные ламины и по крайней мере один тип цитоплазматических белков ПФ. В некоторых клетках есть цитоплазматические ПФ двух типов, образующие раздельные структу-
316
ры. Таковы, например, некоторые эпителиальные клетки, содержащие отдельные системы кератиновых и виментиновых филаментов (рис, 11-73).
11-28
11.5.2. Промежуточные филаменты образуются из димерных субъединиц со стержневидным срединным доменом
[53]
Несмотря на значительную разницу в размерах, все белки ПФ цитоплазмы кодируются генами одного мультигенного семейства. У всех этих белков в первичной структуре полипептида есть гомологичный срединный участок примерно из 310 аминокислот, образующий протяженную а-спираль с тремя короткими не-α-спиральными вставками (рис. 11-74). Кроме того, большие отрезки этой срединной области имеют последовательность, характерную для полипептидов, способных к образованию спирали из двух спиралей (см. разд. 11.1.6). Подобно тропомиозину или хвосту мышечного миозина, эта двухцепочечная спираль представляет собой димер из двух одинаковых полипептидов ПФ. Эти две цепи в гомодимере ПФ уложены параллельно друг другу, причем к срединному стержневидному домену примыкают на обоих концах глобулярные домены. При сборке ПФ стержневидные домены взаимодействуют друг с другом и формируют однородную сердцевину филамента, а глобулярные, величина которых сильно варьирует у разных белков ПФ, выступают с поверхности филамента наружу. Одна из моделей сборки ПФ из димерных субъединиц показана на рис. 11-75.
11.5.3. Промежуточные филаменты простираются от ядерной оболочки до периферии клетки [54]
Если окрасить культивируемые клетки антителами к одному из цитоплазматических белков ПФ (например, виментину), то обычно будет видна ажурная сеть нитей, окружающая ядро и охватывающая всю, цитоплазму (см. рис. 11-73). По структуре эта сеть отлична от других компонентов цитоскелета, хотя местами ее нити, по-видимому, идут параллельно микротрубочкам цитоплазмы. Вероятно, организация цитоплазматических ПФ зависит от взаимодействия с микротрубочками, так как деполимеризация микротрубочек при обработке веществами типа колхицина ведет к «осаждению» всей сети ПФ в виде околоядерной «шапки». Можно думать, что многие ПФ цитоплазмы связаны с ядерной оболочкой и в норме оттягиваются от нее к периферии клетки микротрубочками, с которыми они соединены.
Организация ПФ в цитоплазме может также определяться их взаимодействием с плазматической мембраной. В эритроцитах птиц
(которые
Рис. 11-74. У всех белков промежуточных филаментов имеется гомологичная центральная область (около 310 аминокислотных остатков), формирующая протяженную α-спираль с тремя короткими участками иной структуры. N-концевой и С-концевой домены не состоят из α -спирали и
сильно варьируют по размерам и последовательности аминокислот у белков разных промежуточных филаментов.
317
Рис. 11-75. Одна из современных моделей сборки промежуточных фнламентов (ПФ). Мономер (А) объединяется с таким же мономером, образуя димер (Б), в котором консервативные α-спиральные участки лежат параллельно, обвиваясь друг около друга. Затем два таких димера укладываются бок о бок, образуя протофиламент длиной 48 нм и толщиной 3 нм, который состоит из четырех полипептидных цепей (В). Такие
протофиламенты затем образуют все более крупные структуры, укладываясь с продольным сдвигом (Г и Д). Окончательная структура промежуточного филамента толщиной 10 нм состоит из восьми рядов протофиламентов (32 полипептидных цепей), соединенных в длинный тяж, похожий на канат (Е). Вверху представлена электронная микрофотография такого «окончательного» филамента. Неизвестно, являются ли ПФ полярными структурами, как актин и тубулин, или неполярными, как двойная спираль ДНК (или, что то же самое, лежат ли две скрученные спирали в составе протофиламента в параллельной ориентации или же в антипараллельной. (Микрофотография любезно предоставлена N. Geisler и
К. Weber.)
в отличие от эритроцитов млекопитающих имеют ядро и ПФ) виментин, как полагают, связан с плазматической мембраной через анкирин (разд. 6.2,4). В эпителиальных клетках кератиновые ПФ присоединены к плазматической мембране в десмосомах - специализированных межклеточных соединениях, помогающих удерживать соседние клетки вместе (разд. 14.1.4). Так как кератиновые филаменты каждой клетки через десмосомы соединены с такими же филаментами соседних клеток, они образуют непрерывную сеть, охватывающую весь эпителий.
11-29
11.5.4. Сборка промежуточных филаментов может контролироваться с помощью фосфорилирования [55]
Изолированные промежуточные филаменты (ПФ) в ионной среде, соответствующей цитоплазме, чрезвычайно стабильны; более того, сколько-нибудь значительного пула неполимеризованных белков ПФ (какой
318
имеется в случае актина и тубулина) в клетке нет. И все же клетка явно может регулировать число, длину и расположение своих промежуточных филаментов, что указывает на ее способность контролировать их сборку и разборку. Важный фактор этого контроля-фосфорилирование определенных остатков в белках ПФ. Виментин, например, существует как в нефосфорилированной, так и в фосфорилированной форме. Если фосфорилировать изолированные виментиновые нити с помощью протеинкиназы, они распадаются на меньшие фрагменты. Однако самый впечатляющий пример того, насколько важную роль играет в контроле разборки ПФ фосфорилирование, - это ядерные ламины, которые подвергаются деполимеризации всякий раз, когда клетка вступает в митоз,
11.5.5. Ядерная ламина образована особым классом промежуточных филаментов [56]
Ядерная ламина - это белковая сеть (обычно толщиной от 10 до 20 нм), подстилающая изнутри поверхность внутренней ядерной мембраны (см. рис. 9-1). Она представляет собой прямоугольную решетку из промежуточных филаментов (рис. 11-76, Д), построенных у млекопитающих из трех белков ПФ типа Vl-ламинов А, В и С (см. рис. 11-74 и табл. 11-3), Ламины образуют димеры, у которых имеется стержневидный домен и две глобулярные головки на одном из концов (рис. 11-76, Б). При подходящих рН и ионной силе димеры самопроизвольно ассоциируют, образуя филаменты, которые по толщине и повторяющейся структуре сходны с цитоплазматическими ПФ.
Однако по ряду признаков ядерные ламины отличаются от белков ПФ цитоплазмы. Наиболее очевидное отличие-это организация образуемых филаментов в прямоугольную решетку (рис. 11-76, А), хотя для такой организации, видимо, необходимо объединение их с другими белками. Кроме того, ядерная ламина - структура очень динамичная. Когда клетки млекопитающих вступают в митоз, кратковременное фосфорилирование нескольких остатков серина в ламинах вызывает обратимую диссоциацию ядерной ламины на тетрамеры гиперфосфорилированных ламинов А и С и связанного с мембраной ламина В. При возвращении клетки в интерфазу ламины дефосфорилируются, и вокруг разошедшихся хромосом вновь образуется цельная ядерная оболочка (разд. 13.5.11).
11.5.6. Кератиновые филаменты удивительно разнообразны [52]
Из всех типов промежуточных филаментов наиболее стабильные и долгоживущие - кератиновые, они же и самые разнообразные. Эпителии с примитивной организацией, например в развивающемся эмбрионе, а также некоторые зрелые ткани (такие, как печень) содержат кератины двух типов - один кислый и один нейтральный. В эпителиях других органов (например, языка, мочевого пузыря, потовых желез) имеются шесть или больше различных кератинов, причем их конкретный спектр зависит от анатомической локализации. Кератиновые филаменты ввиду их многообразия и стабильности могут служить своего рода «отпечатками пальцев», позволяющими уточнить происхождение некоторых опухолей эпителиальной природы.
Еще разнообразнее кератины в эпидермисе, который представляет собой плотный многослойный эпителий (разд. 17.4.2). В клетках разных слоев эпидермиса экспрессируются разные наборы кератинов. Кератиновые филаменты в них постепенно сшиваются поперечными ковалентными связями друг с другом и с ассоциированными белками, и по мере
Рис. 11-76. А. Электронная микрофотография участка ядерной ламины в ооците Xenopus (препарат получен методом лиофилизации и напыления металлом). Ламину образует высокоупорядоченная прямоугольная сеть из промежуточных филаментов, состоящих из ядерных ламинов. Б. Изолированные димеры ламина (L) (электронная микрофотография, напыление металлом). По форме они напоминают мышечный миозин (М): у
них есть стержневидный хвост и две глобулярные головки, но они гораздо меньше. Глобулярные головки образованы двумя большими С- концевыми доменами. (С любезного разрешения Ueli Aebi.)
319
гибели клеток в самых наружных слоях эпидермиса поперечносшитый кератиновый скелет становится важнейшим защитным барьером на поверхности тела. Специализированные эпителиальные клетки, образующие такие поверхностные структуры, как волосы, когти и перья, обеспечивают дополнительные локальные вариации в наборе кератинов. Таким образом, промежуточные филаменты защищают животное от потери тепла и воды, предоставляют ему «оружие» и средства камуфляжа или, наоборот, привлечения партнера (окраска).
11.5.7. Какова функция промежуточных филаментов?
Животные клетки могут обходиться и без промежуточных филаментов. В ЦНС глиальные клетки, вырабатывающие миелин, совершенно лишены их. Если культивируемым фибробластам сделать внутриклеточную инъекцию антител к белкам промежуточных филаментов, то последние разрушатся, и это не окажет заметного влияния на организацию или поведение клеток. Кажется вероятным, что главная функция большинства ПФ состоит в чисто механической «поддержке» клетки и ее ядра. Промежуточные филаменты в эпидермальных пластах образуют «трансклеточную» (соединяющую множество клеток воедино) сеть, роль которой, скорее всего, заключается в противодействии внешним нагрузкам. Нейрофиламенты в нервных волокнах противостоят механическим деформациям, возникающим при движении животного, иначе эти длинные тонкие цилиндры из цитоплазмы легко рвались бы. Десминовые нити в клетках мышц создают механическую опору для саркомеров, а виментиновые окружают (и, вероятно, поддерживают) крупные жировые капли в жировых клетках.
Но если функция промежуточных филаментов сводится всего лишь к сопротивлению растягивающим силам, для чего нужно так много различных вариантов их белковых субъединиц? Какова роль вариабельных частей их молекул - ведь они как будто бы не участвуют в построении самого филамента? Детальных ответов на эти вопросы пока нет, но ясно, что как характер опорной функции промежуточных филаментов, так и способ их соединения с другими компонентами клетки сильно различаются в клетках разного типа. Например, десминовые филаменты, скрепляющие края Z-дисков в поперечнополосатых мышцах, по-видимому, имеют участки для связывания специфических белков Z-диска; нейрофиламенты подвергаются меньшим нагрузкам, но они могут соединяться вместе боковыми поверхностями, образуя непрерывный «трос» до метра и больше длиной; вероятно, именно поэтому
Рис. 11-77. Электронная микрофотография промежуточных филаментов двух типов, встречающихся в нервной ткани (препарат после быстрого замораживания и глубокого травления). А. Нейрофиламенты в аксоне соединены многочисленными поперечными белковыми сшивками; как полагают, такая организация придает этому длинному клеточному отростку большую прочность на разрыв. По-видимому, сшивки образованы длинными неспиральными участками С-концевой части наиболее крупного белка нейрофиламентов (см. рис. 11-74). Б. Промежуточные филаменты (называемые глиальными филаментами) в астроците. Они подвергаются меньшим механическим нагрузкам. Их поверхность довольно гладкая, и
поперечных сшивок между ними мало. (С любезного разрешения N. Hirokawa.)
320
нейрофиламенты имеют по всей своей длине большие выступы, которых нет у других промежуточных филаментов (рис. 11-77).
Различные потенции к связыванию других белков могут обеспечиваться вариабельными участками белков промежуточных филаментов, Влияя на свойства филамента, эти вариабельные участки определяют не только его способность к самосборке, но и то, как он будет взаимодействовать с другими компонентами клетки (например, с микротрубочками и плазматической мембраной). Это совершенно иная стратегии чем в случае двух других важнейших элементов цитоскелета - актиновных филаментов и микротрубочек; как мы уже знаем, эти полимеры в основном инвариантны по структуре, а к выполнению различных функций они приспосабливаются с помощью разных наборов актин-связывающих белков и белков, ассоциированных с микротрубочками. Таким образом, роль вариабельных участков в белках промежуточных филаментов та же, что и у вспомогательных белков актиновых филаментов и микро-трубочек, - разница лишь в том, что одни ковалентно связаны с субъединицами филамента, а другие представляют собой отдельные молекулы.
Заключение
Промежуточные филаменты (ПФ) - это полимеры, по структуре подобные канатам, собранным из нитевидных полипептидов. Повидимому, они поддерживают структуру клеток или противостоят растягивающим нагрузкам. Существует много тканеспецифических форм ПФ, построенных из различных полипептидов: кератиновые филаменты эпителиальных клеток, нейрофиламенты нейронов, глиальные филаменты астроцитов и шванновских клеток, десминовые филаменты мышечньа волокон и виментиновые филаменты фибробластов и клеток многих других типов. Отдельное семейство белков ПФ составляют ядерные ламины, из которых построена волокнистая пленка (ламина), выстилающая изнутри оболочку ядра; они имеются во всех эукариотических клетках.
Полипептиды, входящие в состав промежуточных филаментов различных типов, различаются по аминокислотной последовательности, а также - и очень сильно - по молекулярной массе. Однако у всех имеется гомологичный центральный домен, который при димеризации белка образует жесткую структуру из обвивающих друг друга спиралей. Такие димерные субъединицы складываются в большие пучки «внахлест», формируя промежуточные филаменты. Стержневидные домены субъединиц при этом создают структурную сердцевину ПФ, а глобулярные домены на обоих концах выступают наружу и обусловливают разнообразие свойств ПФ. Именно благодаря этой вариабельности механические свойства ПФ и взаимодействия их с другими клеточными компонентами приспособлены к специфическим нуждам клеток того или иного типа.
11.6. Организация цитоскелета
До сих пор мы рассматривали микротрубочки, актиновые филаменты и промежуточные филаменты так, как будто это независимые составные части цитоскелета. В действительности, конечно, различные элементы цитоскелета должны быть связаны в единое целое, а их функции скоординированы, чтобы клетка могла осуществлять разного рода движения и изменять свою форму. Например, когда находящийся в культуре фибробласт округляется, готовясь к делению, реорганизуется весь его цитоскелет в целом: исчезают стрессовые волокна и цитоплазматические микротрубочки, появляется митотическое веретено,