Лекция 11.
ЦИТОСКЕЛЕТ
Термин "цитоскелет" придумал в начале прошлого века русский биолог Н.К. Кольцов на основании большой серии опытов по изучению свойств жгутиков сперматозоидов. Однако этот термин широко распространился лишь в последние три десятилетия. Первоначально предполагалось, что нити цитоскелета являются опорным каркасом клетки, ее скелетом. Однако, это - лишь одна из многих функций этих структур в клетке.
Цитоскелет - система белковых нитей, наполняющих цитоплазму, и ответственных за подвижную архитектуру клетки, за ее движения, перемещение органоидов и форму. Это – своеобразные «леса», поддерживающие и задающие архитектуру клетки. Цитоскелет – «немембранная» органелла.
Важное свойство цитоскелета, его особенность – способность быстро менять свою пространственную организацию, свою конструкцию, без синтеза новых молекул, за счет полимеризации и деполимеризации нитей.
Цитоскелет состоит из трех основных типов белковых нитей, образующих три системы: микрофиламенты, микротрубочки и промежуточные филаменты.
Микрофиламенты и микротрубочки состоят из одного основного белка:
Микрофиламенты (микроволокна) - из актина,
микротрубочки - из тубулина,
а промежуточные филаменты (волокна) - из специальных белков, различных в разных тканях: кератинов - в эпителиях, десмина - в мышцах, виментина - в тканях внутренней среды (соединительной ткани, хряще, кости и др.), белков нейрофиламентов - в нейронах.
Система микрофиламентов
Основной белок цитоскелета – актин. Актин присутствует в клетках всех ныне живущих организмов, и найден даже в клетках прокариот.
В мышечных клетках актин составляет около 20% от массы всего белка. Его содержание высоко и в других типах клеток эукариот – 5-10% всего клеточного белка.
Клетки дрожжей содержат один тип актинового белка. В клетках высших эукариот их несколько. У млекопитающих – по крайней мере, 6 типов, обозначаемых в соответствии с кодом генов семейства актина. 4 типа актина содержатся в разных типах мышечных клеток, а 2 – в остальных.
С актином связаны многочисленные белки (около 150), которые влияют на его структуру и функции.
Пространственная структура мономеров актина и актинового филамента была определена в 1990 г. Актин присутствует в клетке как в форме мономерного белка глобулярно-грушевидной формы с молекулярным весом 42 кД, так и в виде полимеров - длинных нитей и их пучков, связанных с другими элементами цитоскелета и мембранами.
Каждый мономер (G-актин) состоит из 375 аминокислот и имеет два сайта плотного связывания, которые обеспечивают соединение типа головка-хвост. В итоге актиновые мономеры полимеризуются, формируя F–актин – филаментозный актин. Каждый мономер повернут на 166о, что задает формирование двойной спиральной структуры. Т.о., волокно актина представляет собой длинную двойную спираль. Диаметр волокна - 6 - 7 нм.
При полимеризации мономеры актина выстраиваются в ряд, поэтому образованная цепь имеет полярность - + и – концы.
Процесс полимеризации актина подробно изучен in vitro. Полимеризация актина происходит в две стадии. Первая стадия носит название "нуклеация", то есть создание ядра (nucleus) или затравки из первых трех мономеров актина. Димер (комплекс двух мономеров) является нестабильной структурой и легко разрушается. Именно нуклеация определяет общую скорость полимеризации. Вторая стадия, удлинение нити, протекает легче, с большей скоростью.
Полимеризация актина обратима, и одна и та же нить может расти с одного конца и разрушаться с другого. Однако присоединение происходит в 5-10 раз быстрее к плюс-концу.
Мономеры актина связывают АТФ, хотя полимеризация идет без него. Тем не менее, при наличии АТФ полимеризация идет быстрее, и в ее процессе АТФ переходит в АДФ. Этот процесс до конца не понят, хотя очевидно, что связывание АТФ играет важную роль в регуляции сборки и «разборки» актинового волокна.
Существует ряд соединений, влияющих на полимеризацию актина. Эти соединения используются при изучении биологии клетки.
Цитохалазин – связывается с +концом актиновой цепи и блокирует ее удлинение. Это ведет к изменению формы клеток и нарушению митотического деления – иллюстрация необходимости актина для этих процессов.
Фаллоидин – плотно связывается с актиновыми филаментами и блокирует их диссоциацию на отдельные молекулы. Фаллоидин, связанный с флуоресцентными красителями, часто используют для визуализации актиновых филаментов во флуоресцентном микроскопе.
Латрункулин (Latrunculin) - связывает G-актин и блокирует его присоединение к филаменту.
Полимеризация и деполимеризация молекул актина в клетке регулируются большим количеством разных актин-связывающих белков.
Некоторые из таких белков присоединяются к одному концу нити, блокируя на этом конце полимеризацию и деполимеризацию, тогда рост и укорочение микрофиламента идут лишь на другом конце, не закрытом блокирующим белком. Некоторые специальные белки соединяют несколько мономеров в "зачаток" нити и вызывают нуклеацию нового микрофиламента. В дальнейшем такие нити растут в одну сторону, обычно в сторону плюс-конца. Специальные белки могут присоединяться к бокам нескольких микрофиламентов. При этом одни белки связывают микрофиламенты в сети, другие - в пучки. Наличие таких белков, регулирующих связывание актина в нити, позволяет клетке иметь пул свободных молекул актина, которые могут использоваться в случае необходимости.
Белок тимозин – наиболее важная молекула, отвечающая за секвестрацию филаментов актина и препятствующая их включению в филаменты.
Профилин – тоже препятствует сборке актина в филаменты. Однако, профилин может усиливать полимеризацию, связывая АТФ.
Кэпирующие белки – еще один вариант регуляции полимеризации актина.
Отдельные актиновые филаменты могут быть организованы в пучки и сети, которые играют различную роль в клетках.
Актиновые пучки образованы параллельно лежащими филаментами, которые скреплены между собой.
В актиновых сетях филаменты свободно скреплены примерно под прямым углом, образуя сетчатую структур со свойствами полужидкого геля.
Сшивка фимбрином дает жесткие пучки, а альфа-актинином -–более свободные, способные к сокращению. Вариант: актиновая сеть, скрепленная филамином. Само строение сети свидетельствует о ее подвижности.
Филаменты актина в клетке сконцентрированы у ее поверхности, формируя кортекс – сетчатую структуру, связанную с плазмалеммой. Кортекс (кора) имеется во всех клетках. Это – зона активных процессов, зона локализации цитоплазматических доменов трансмембранных белков, соответственно, кортекс играет важную роль в жизнедеятельности клеток. Связь трансмембранных белков с актином.
Кортекс хорошо изучен у эритроцитов, для которых показаны связи актина с различными белками. В отличие от эритроцитов, у большинства клеток плазмалемма неравномерна по строению и функциям. Это отражается и на связи с актином. Так, фибробласты в культуре прикрепляются к внеклеточному веществу с помощью интегринов. Интегрины, в свою очередь, связаны с пучками актина, которые формируют нити натяжения (stress fibers). Нити натяжения формируют остов, определяющий форму клетки.
Актин таким же образом заякорен в клетках эпителия, участвуя в образовании межклеточных контактов (зона слипания, замыкающий комплекс).
Выросты. Поверхность большинства клеток несет различные выросты, образование которых связано с актиновыми микрофиламентами.
Микроворсинки – наиболее хорошо изученные структуры. МВ – пальцевидные выросты на поверхности клеток, которые наиболее характерны для клеток, специализирующихся на всасывании, например, - клетки кишечного эпителия. МВ так много на этих клетках, что они формируют слой – т.н. щеточную кайму. На поверхности каждой клетки находится около 1000 МВ, что увеличивает поверхность в 10-20 раз.
Основа МВ – параллельно расположенные пучки актиновых филаментов, 20-30 штук. Сшивка – виллином и фимбрином. МВ – постоянные образования на клеточной поверхности. Микроворсинки имеют одинаковые размеры, в отличие от других выростов клеточной поверхности.
Псевдоподии, филлоподии и ламеллоподии – выросты клеточной поверхности, формирующиеся в ответ на внешние стимулы. Термин "псевдоподия" означает в переводе - ложная ножка. Это действительно ножка, которая двигает клетку вперед по подложке. Перемещение макрофагов и нейтрофилов в тканях организма также происходит посредством выпускания псевдоподий и подтягиваний тела клетки. Вместе с тем это - ножка особая: псевдоподия может вырасти заново из тела клетки, образовать свои «мышцы», сократиться и исчезнуть за считанные минуты.
Филоподии – палочковидные выросты на поверхности клетки, ламеллоподии – плоские выросты, еще выделяют сладки (ruffles) клеточной поверхности. Исследования последних лет показали, что все эти разновидности выпячиваний клеточной поверхности различаются по молекулярным механизмам формирования и, очевидно, по функциям.
С морфологической точки зрения все эти выросты можно назвать «отросток», и часто именно этот термин используется применительно к срезам клеток.