Клітка як архітектурне диво.
I. Живі нитки
Ю. М. ВАСИЛЬЄВ
Московський державний університет ім. М.В. Ломоносова
Полімеризації і деполімеризації НИТОК - ОСНОВА ДИНАМИКИ цитоскелетом
Цитоскелет складається з трьох основних типів ниток, що утворюють три системи: мікрофіламенти, мікротрубочки і проміжні філаменти. Кожен тип ниток складається з одного-двох основних білків: мікрофіламенти - з актину, мікротрубочки - з тубуліну, проміжні філаменти - зі спеціальних білків, різних в різних тканинах: кератинів - в епітелію, десмина - в м'язах, віментину - в тканинах внутрішнього середовища ( сполучної тканини, хрящі, кістки та ін.), білків нейрофиламентов - в нейронах.
Мал. 1. Мережа актінових микрофиламентов в цитоплазмі культивованої клітини (фибробласта).
Мікрофотографія з тривимірною репліки цитоскелета під електронним мікроскопом. Збільшення 45 000i. Зменшення при друку в 1.6 рази. Препарат Т.М. Світкіной.
Зрозуміло, білки цитоскелета, як і будь-які білки клітини, закодовані в ДНК і синтезуються на рибосомах. Клітка може змінювати набір синтезованих білків. Однак конструкція цитоскелета може швидко змінюватися навіть без синтезу нових молекул, за рахунок полімеризації і деполімеризації ниток. Окремі молекули, мономери, розчинені в цитоплазмі клітини, здатні з'єднуватися, полимеризоваться в нитки відповідного типу. Нові мономери можуть приєднуватися до кінців нитки, подовжуючи її. Полімеризація оборотна: мономери можуть відділятися від кінців нитки, яка при цьому коротшає і може зникнути зовсім. У клітці весь час йде обмін між нитками і розчином мономерів в цитоплазмі (рис. 2). У багатьох клітинах приблизно половина молекул актину і тубуліну знаходиться в вигляді мономерів в цитоплазмі і половина входить до складу Актинові ниток, мікрофіламентів або мікротрубочок. Локальні умови полімеризації можуть часто змінюватися. Тому одна і та ж нитка може то зменшуватися, то подовжуватися (див. Рис. 2).
Клітка регулює стабільність ниток цитоскелета, приєднуючи до них спеціальні білки, які змінюють швидкість полімеризації і деполімеризації мономерів. Тому нитка, що складається з одного і того ж мономера, може мати дуже різну тривалість життя. Наприклад, індивідуальні мікротрубочки, що входять до складу джгутика або вії, зазвичай живуть багато годин і днів. Навпаки, кожна микротрубочка митотического веретена, що складається з того ж тубуліну, живе в середньому лише кілька хвилин. Микротрубочки веретена весь час зростають і розпадаються, одні мікротрубочки замінюються іншими. Тим часом саме веретено, тобто сукупність микротрубочек, що йдуть від полюсів до хромосом і екватору клітини, зберігається протягом усього мітозу, лише поступово змінюючи свою тонку структуру. Уже в середині мітозу веретено складається з інших мікротрубочок, ніж на його початку. Приклад з веретеном ілюструє загальний принцип роботи більшості цитоскелетних систем, названий принципом динамічної нестабільності: окремі нитки в системі можуть з'являтися і зникати в результаті полімеризації-деполимеризации, і тому детальну будову системи постійно змінюється, але, незважаючи на це, загальний план організації системи може зберігатися .
Розберемо тепер, як виявляється динамічна нестабільність в роботі кожної з трьох цитоскелетних систем.
СИСТЕМА мікрофіламентів
Мономери актину полімеризуються в мікрофіламенти діаметром близько 6 - 7 нанометрів (1 нм = 10 9 м). Мікрофіламенти полярні: їх кінці неоднакові. Полімеризація микрофиламента на одному кінці, званому плюс-кінцем, йде легше, ніж на іншому, мінус-кінці. Полімеризація і деполимеризация молекул регулюються різними актінсвязивающімі білками. Деякі з таких білків приєднуються до одного кінця нитки, блокуючи на цьому кінці полімеризацію і деполимеризацию, тоді зростання і скорочення микрофиламента йдуть лише на іншому кінці, чи не закритому блокуючим білком. Деякі спеціальні білки з'єднують кілька мономерів в "зачаток" нитки, викликають нуклеацию нового микрофиламента. Надалі такі нитки ростуть в одну сторону, звичайно в сторону плюс-кінця. Спеціальні білки можуть приєднуватися до боків декількох мікрофіламентів. При цьому одні білки пов'язують мікрофіламенти в мережі, інші - в пучки.
Особливу роль серед актінсвязивающіх білків відіграють міозин, так як вони можуть рухатися по Мікрофіламентів. В даний час відома структура понад 80 варіантів молекул миозинов. У всіх миозинов молекула складається з трьох частин: головки, шийки і хвоста. Головка здатна приєднуватися до боці актинового микрофиламента, і якщо постачати ці головки який поставляє хімічну енергію речовиною - АТФ, то головка рухається уздовж микрофиламента, від плюс до мінус-кінця, перескакуючи з одного мономера на інший. Цей процес - основа дуже багатьох рухів в клітині. Характер цих рухів багато в чому залежить від структури того міозину, який його здійснює, від того, які у цієї молекули головки і хвости. Наприклад, молекула звичайного міозину з поперечно-смугастих м'язів людини, так званого міозину II, має довгий хвіст. Переплітаючись хвостами, ці молекули утворюють міозіновие філаменти з стирчать назовні багатьма головками (рис. 3). У м'язовій клітці дуже стабільні актинові мікрофіламенти розташовані паралельно один одному на фіксованих відстанях один від одного і від миозинових филаментов, що містяться між ними. Прикріплений до Актинові филаментам, головки міозінових ниток рухаються уздовж цих філаментів, і це ковзання - основа всіх м'язових рухів (див. Рис. 3). У інших миозинов, наприклад у так званих миозинов I, хвости дуже короткі. Тому такі міозину, на відміну від миозинов II, переплітатися хвостами і утворювати філаменти не можуть. Замість цього молекули деяких миозинов I можуть поодинці прикріплятися своїми короткими хвостами до мембран різних органел (наприклад, мітохондрій, лізосом і ін.). Якщо головка тієї ж молекули одночасно прикріпиться до актиновой нитки, то вона може рухати органеллу уздовж цієї нитки (див. Рис. 3).
Мал. 2. Динамічність ниток цитоскелета.
А - Мікрофіламентів, полимеризующийся з мономерів (сині кружки) на плюс-кінці і деполімеризує на мономери на мінус-кінці.
Б - динамічна нестабільність системи з трьох микротрубочек (паралельні прямі), полімеризуються з одного центру (гурток). О, Т1. Т2 - послідовні моменти часу. Верхня микротрубочка сильно укоротилася в інтервалі О - Т1 і знову зросла в інтервалі Т1 - Т2. Нижня микротрубочка: вкорочення (О - Т1), потім зростання (Т1 - Т2). Тут і на рис.3 - 6 всі структури зображені суто схематично, без дотримання точності деталей.
Мал. 3. Взаємодії актінових микрофиламентов (нитки з синіх гуртків) з міозином (червоні структури).
А - схема рухів в миофибрилле м'язи. Молекули міозину II з'єднані довгими хвостами в нитку, з якої назовні стирчать в різні боки головки. Головки миозинових молекул рухаються по двох паралельних Актинові ниток, викликаючи ковзання цих ниток в двох протилежних напрямках.
Б - схема руху органели (зелене коло) уздовж микрофиламента за допомогою міозину I. Молекули міозину I короткими хвостами прикріплені до мембрани органели, а кінцями головок - до актиновой нитки.
Поверхня кінця викинутої псевдоподии може прикріпитися до підкладки, по якій повзе клітина. При цьому утворюється місце міцного контакту, де певні білки мембрани зовнішнім кінцем молекули з'єднуються з білками, прикріпленими до підкладки; внутрішнім кінцем той самий молекула з'єднується, через ряд проміжних ланок, з актиновими микрофиламентами псевдоподии.
Відразу після викидання псевдоподия містить актин, а міозин II проникає в псевдоподию (дифундує) з внутрішньої частини клітини лише кілька хвилин по тому. Взаємодія миозинов з Актинові нитками викликає скорочення псевдоподии. Це скорочення може мати різні наслідки для клітини. Якщо псевдоподия не прикріплений до підкладки, вона втягується і зникає. Навпаки, якщо псевдоподия, викинута на одному з країв клітини, встигла міцно прикріпитися до підкладки, то скорочення її зміщує вперед все тіло клітини. Повторюючи псевдоподіальние реакції, клітина повзе по підкладці. Якщо багато псевдоподий на різних краях клітини викидаються і прикріплюються до підкладки одночасно, то вони, прагнучи скоротитися, натягуються і розтягують клітку в різні боки, уплощая її форму. Цей процес називають распластиваніе.
Термін "псевдоподия" означає в перекладі - помилкова ніжка. Це дійсно ніжка, яка рухає клітку вперед по підкладці. Разом з тим це ніжка особлива: на відміну від ноги людини псевдоподия може вирости заново з тіла клітини, утворити свої м'язи, скоротитися і зникнути за лічені хвилини. Як ми бачили, еволюція псевдоподии є результатом серії складних молекулярних реакцій: полімеризації Актинові ниток, приєднання до цих ниткам інших білків, що зв'язують їх в мережі і викликають їх переміщення, а також зв'язування ниток з білками мембрани.
Мал. 4. Вирости поверхні клітини, що утворюються актиновими микрофиламентами (сині лінії).
А - два варіанти псевдоподий. П - міхур, де під мембраною клітини є шар коротких микрофиламентов, що не має впорядкованої організації. Л - ламеллоподія - пластинчастий виріст, де мікрофіламенти з'єднані в впорядковану мережу молекулами спеціального актин-зв'язуючого білка (вигнуті потовщені лінії).
Б - стереоціліямі на поверхні двох сусідніх волоскових клітин равлика внутрішнього вуха. Вертикальні паралельні актинові мікрофіламенти в кожній стереоціліямі пов'язані один з одним і з клітинної мембраною молекулами миозинов і інших актінсвязивающіх білків (горизонтальні червоні лінії).
В одній клітці різні ряди стереоцилій мають різну строго фіксовану довжину. У сусідніх клітках стереоціліямі відповідних рядів (середнього і правого) також мають різну фіксовану довжину.