Лекция: опорно-двигательная система клетки. цитоскелет

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.

Кератиновые промежуточные филаменты в клетке.

Таким образом, эукариотические клетки обладают своего рода каркасом, который с одной стороны придает им определенную форму, а с другой допускает возможность её изменения, позволяя клеткам двигаться и перемещать свои органеллы с одной части клетки в другую. Кроме основных компонентов цитоскелета важную роль в его организации и функциональной интеграции играют вспомогательные белки. Эти белки отвечают за прикрепление органелл к цитоскелету, обеспечение направленного движения органелл, координацию функций цитоскелета.

Нарушения цитоскелета. Цитоскелет не является пассивной клеточной структурой, обеспечивающей только клеточную морфологию. Доказана роль цитоскелета в двигательной функции клеток, в структуре плазматической мембраны и, что очень важно, в рецепторной функции клеток. Отмечено, что изменения цитоскелета нарушают процесс высвобождения активного вещества (гормона, медиатора и т.д.), а также изменяют рецепторную функцию клеток-мишеней. В результате нарушается рецепция клетками (в частности, нервными) различных стимулирующих веществ. Кроме того, отмечается нарушение двигательной активности клеток (например, бета-клеток поджелудочной железы), в результате возникает недостаточность инсулина. Поэтому проявления диабета довольно постоянны при хромосомных синдромах (Тернера, Клайнфельтера, Дауна и т.п.). Другим примером заболеваний с нарушением цитоскелета являются мышечная дистрофия Дюшенна и мышечная дистрофия Беккера. Обе формы являются результатом мутаций гена, кодирующего белок дистрофин. Дистрофин, в свою очередь, входит в состав цитоскелета. В результате при биопсии мышц выявляют характерные изменения – перерождение мышц и некроз волокон.

Органеллы, содержащие триплеты микротрубочек

Центриоли . Центриоль имеет цилиндрическую форму, диаметр 150 нм и длину 500 нм; стенка образована 9 триплетами (триплетный – состоящий из трёх) микротрубочек. Центриоль – центр организации митотического веретена – участвует в делении клетки. В ходе фазы S клеточного цикла центриоли удваиваются. Образовавшаяся новая центриоль расположена под прямым углом к первоначальной центриоли. При митозе пары центриолей, каждая из которых состоит из первоначальной и вновь образованной, расходятся к полюсам клетки и участвуют в образовании митотического веретена.

Базальное тельце состоит из 9 триплетов микротрубочек, расположенных в основании реснички или жгутика; служит матрицей при организации аксонемы.

Аксонема состоит из 9 периферических пар микротрубочек и двух расположенных центрально одиночных микротрубочек. В каждой периферической паре микротрубочек различают субфибриллу А и субфибриллу В. С субфибриллой А связаны так называемые наружные и внутренние ручки. В их состав входит белок динеин, обладающий способностью расщеплять АТФ. Аксонема – основной структурный элемент реснички и жгутика.

Ресничка – вырост клетки длиной 5-10мкм и толщиной 0,2 мкм, содержащий аксонему. Реснички присутствуют в эпителиальных клетках воздухопроводящих и половых путей; перемещают слизь с инородными частицами и остатками отмерших клеток и создают ток жидкости около клеточной поверхности. Под влиянием табачного дыма реснички воздухоносных путей разрушаются, что способствует задержке секрета в бронхах.

Рис. Схема поперечного сечения реснички. (Из кн. Б. Албертс и др. «Молекулярная биология клетки», том 3.)

Схема строения эукариотической эпителиальной клетки

Рисунок В.П. Андреева

Внутриклеточное пространство внутри клетки – это зона цитозоля неструктурированного мембранами внутриклеточного содержимого. Цитозоль является жидкой частью цитоплазмы и составляет около половины объема клетки. Здесь синтезируются белки, часть которых собирается на полисомах и остается в цитозоле. Цитозоль непосредственно сообщается через крупные ядерные поры с содержимым ядра. В ядре идут процессы транскрипции РНК с ДНК, причем синтезируются как нормальные клеточные, так и вирусные при вирусных инфекциях клеток. РНК из ядра транспортируется для синтеза белка в цитозоль на полирибосомы. Синтезированные белки под контролем шаперонов («катализаторов» принятия полипептидной цепью биологически значимой конформации) направляются в специальные участки эндоплазматического ретикулума. Лишние, испорченные, а также вирусные белки расщепляются в цитозоле так называемыми протеасомами. «Протеасомы» представляют собой мультипротеазные комплексы, состоящие из 28 субъединиц. Протеасомы расщепляют вирусные белки до пептидов- антигенов. Образовавшиеся пептиды- антигены вступают в связь с молекулами главного комплекса гистосовместимости (ГКГ – I), и направляются для экспрессии на клеточную мембрану. Комплексы антиген – ГКГ- I, расположенные на клеточной мембране, узнаются СД8 + Т- лимфоцитами, которые при этом активируются и обеспечивают противовирусную защиту, а также защиту от цитозольных внутриклеточных инфекций.

Внеклеточное пространство внутри клетки – это пространство (зона, компартмент) связанное с внешней внеклеточной средой и ограниченное мембранами структур и везикул, включающее в себя аппарат Гольджи, эндоплазматический ретикулум, лизосомы, эндосомы, фагосомы и фаголизосомы. Особое значение эта зона имеет в структуре антигенпредставляющих клеток, к которым относятся макрофаги и дендритные клетки (вариант лимфоцитов). На рибосомах эндоплазматической сети этих клеток синтезируются цепи молекул главного комплекса гистосовместимости (ГКГ- III). Конформация этих молекул произойдет только в том случае, если они соединятся с пептидами , образующимися в результате протеолиза (расщепления) белков – антигенов, захваченных клеткой посредством эндоцитоза или фагоцитоза. Это происходит тогда, когда фаголизосомы сливаются с везикулами, содержащими несконформированные молекулы ГКГ- II. С участием пептида молекула ГКГ- II принимает правильную конформацию, продвигается к мембране и экспрессируется на ней. Комплексы антигенов-пептидов с молекулами ГКГ- II распознают СД4 + Т – лимфоциты, которые играют главную роль в защитных реакциях от внеклеточных инфекций.

Концепции современной цитологии

Для разных клеточных типов у различных организмов характерны универсальные процессы. Это передача сигналов внутри клетки, регуляция клеточного цикла, апоптоз, тепловой шок, деградация внутриклеточных белков.

Апоптоз – биологический механизм гибели клетки по тому или иному сигналу извне или изнутри, который активирует внутри клетки определенные системы ферментов, обеспечивающих повреждение митохондрий, фрагментацию ДНК и затем фрагментацию ядра и цитоплазмы клетки. В результате клетка распадается на окруженные мембраной апоптозные тельца, которые могут фагоцитироваться соседними эпителиальными клетками и макрофагами. Содержимое погибающей клетки не попадает во внеклеточную среду. В ткани не развивается воспаление. Жизнь многоклеточных организмов невозможна без запрограммированной клеточной гибели, которая регулирует развитие, тканевый гомеостаз, клеточный ответ на повреждение ДНК и старение.

Тепловой шок

Тепловой шок может вызываться не только слишком высокой, но и слишком низкой температурой, ядами и множеством других воздействий, например, сбоем цикла суточной активности. Под воздействием этих факторов в клетке появляются белки с «неправильной» третичной структурой. Многие белки теплового шока как раз и помогают переводить в раствор и вновь сворачивать денатурированные или неправильно свернутые белки.

Реакция теплового шока сопровождается прекращением синтеза обычных для клетки белков и ускоренным синтезом различных защитных белков. Эти белки защищают от повреждений ДНК, матричные РНК, предшественники рибосом, и прочие важные для клетки структуры. Реакция теплового шока необычайно древняя и консервативная. Некоторые белки теплового шока обнаруживают гомологию у бактерий и человека.

К N-концу поврежденных, изношенных, недостроенных и функционально неактивных белков присоединяются молекулы белка-убиквитина, делая их мишенью для ферментов класса протеаз. Ассоциированный с убиквитином белок разрушается в особых мультикомпонентных комплексах, называемых протеасомами. Убиквитин – пример белка теплового шока, функционирующий в клетке и в нормальных условиях. В некоторых клетках, синтезируется до 30% аномальных белков. За открытие роли убиквитина в деградации белков была присуждена в 2004 году Нобелевская премия по химии.

Шапероны (от англ. букв.- пожилая дама, сопровождающая молодую девушку на балах) – семейство специализированных внутриклеточных белков, обеспечивающих быстрое и правильное сворачивание (фолдинг) вновь синтезированных молекул белка.

Кроме этого известны и другие белки шапероны. Например, шаперон HSP 70. Его синтез активируется при многих стрессах, в частности при тепловом шоке (отсюда и название Heart shook protein 70 – белок теплового шока). Цифра 70 означает молекулярную массу в килодальтонах. Основная функция этого белка – предотвращение денатурации других белков при повышении температуры. Шапероны – одни из самых жизненно важных белков всех живых существ. Они возникли на самых ранних стадиях эволюции, возможно еще до разделения организмов на прокариоты и эукариоты

Передача внешнего сигнала в клетку

Клетки не могут сами принять решение о том, что нужно организму. Они должны получить сигнал извне и лишь после этого внутриклеточная регуляция включится в поддержание необходимых процессов. Известные биохимики Вильям Эллиот и Дафна Эллиот приводят аналогию с мореплаванием. «Каждый корабль представляет собой организационную единицу «клетку», где поддерживается порядок и дисциплина, упорядоченно работают все механизмы и т.д. Вместе с тем, цели и маршруты плавания для кораблей определяются внешними сигналами (гормонами) высшего руководства (эндокринные железы и мозг).

Клетка обычно принимает сигнал о «состоянии дел» вокруг нее с помощью рецепторов. Н.Н. Мушкамбаров и С.Л. Кузнецов выделяют несколько механизмов действия сигнальных веществ.

1) Вещество взаимодействует с рецептором плазмолеммы, что индуцирует передачу сигнала внутрь клетки и при этом происходит химическая модификация (фосфорилирование, дефосфорилирование) определенных белков. (Фосфорильная группа несет сильный отрицательный заряд, что способствует изменению конформации белковой молекулы).

2) Вещество взаимодействует с рецептором плазмолеммы, который является одновременно и ионным каналом, открывающимся при связывании регулятора.

3) Внеклеточный регулятор проникает внутрь клетки мишени, связывается с цитоплазматическим или ядерным белком-рецептором и, выступая после этого как транскрипционный фактор, влияет на экспрессию определенных генов. Так действуют гормоны стероидной природы (например, мужские и женские половые гормоны).

В качестве сигнальных молекул иногда выступают простагландины и NO (оксид азота). Они проникают в клетку-мишень и влияют на активность регуляторных ферментов. Конечный результат – модификация определенных белков.

Наиболее часто используемым является механизм первого типа. При этом конкретные способы его реализации весьма разнообразны.

Передача сигналов внутри клетки

Водорастворимые сигнальные молекулы, в том числе известные нейромедиаторы, пептидные гормоны и факторы роста, присоединяются к специфическим белковым рецепторам на поверхности клеток-мишеней. Поверхностные рецепторы связывают сигнальную молекулу (лиганд), проявляя большое сродство к ней, и это внеклеточное событие порождает внутриклеточный сигнал, изменяющий поведение клетки.

Рецепторы являются интегральными мембранными белками.

Существует множество сигнальных путей, начинающихся от мембранного рецептора.

(Изменение мембранных рецепторов сопровождается возникновением различных болезней. Так, например, дефект в рецепторе мужского полового гормона тестостерона приводит к тому, что особи с мужским генотипом (2А+ХУ) выглядят как самки; все млекопитающие, не подвергнувшиеся в эмбриональный период воздействию тестостерона, развиваются по женскому пути. Мутантные самцы имеют нормальные семенники, вырабатывающие тестостерон, но ткани этих самцов не реагируют на гормон из-за дефектности соответствующих рецепторов. В результате у таких самцов развиваются все вторичные половые признаки самок и их семенники не опускаются в мошонку, а остаются в брюшной полости. Этот синдром (тестикулярной феминизации или сидром Морриса) встречается у мышей, крыс, крупного рогатого скота, а также у человека. Хотя изменен только ген, кодирующий рецептор тестостерона, затронутыми оказываются все разнообразные типы клеток, в норме реагирующие на этот гормон. Таким образом, один внешний сигнал может включать различные наборы генов в клетках разного типа.

Подавляющее большинство поверхностных рецепторов для гидрофильных сигнальных молекул, связав лиганд на внешней стороне мембраны, претерпевает конформационное изменение. Это изменение создает внутриклеточный сигнал, изменяющий поведение клетки-мишени. Внутриклеточные сигнальные молекулы часто называют вторыми посредниками (мессенджерами, англ. messenger – посыльный), считая «первым посредником» внеклеточный лиганд. К вторичным (внутриклеточным) посредникам относят циклический аденозинмонофосфат (цАМФ), циклический гуанозин 3΄,5΄ - монофосфат (цГМФ), катионы кальция, инозит-1,4,5-трифосфат, диацилглицерин. Кроме этого, известны сигнальные пути опосредованные белками, липидами, в том числе свободными жирными кислотами, оксидом азота (NO), а также пути не содержащие вторичного посредника. Примером последнего варианта является влияние γ-интерферона на транскрипцию определенных генов, с антивирусной направленностью. Внутриклеточные сигнальные пути регуляции клеточной активности очень сложны, до конца не изучены и многие открытия еще впереди. Достаточно сказать, что внутриклеточный сигнальный путь с участием инсулина, несмотря на многолетние исследования, еще не расшифрован.

— это система нитевидных структур, пререважно являются упорядоченными полимерами белков одного класса, имеющаяся в клетках бактерий и архей. Все исследованные (на 2006 год) белки цитоскелета бактерий способны к самоогрганизации в длинные филаменты in vitro.

Цитоскелет прокариот был впервые открыт в начале 1990 годов, когда было установлено, что почти все бактерии и большинство архей содержат белок FtsZ, который является гомологом тубулина, и может полимеризоваться в филаменты, образующие кольцо (Z-кольцо) во время клеточного деления. Позже были обнаружены и прокариотические гомологи актина. Эти открытия изменили представления о том, что именно отсутствие цитоскелета является важнейшей причиной меньших размеров и простой организации прокариот по сравнению с эукариот. Зато сейчас допускается, что относительная протстота бактерий и архей связана с видсутнсю белков-моторов (по крайней мере до сих пор они обнаружены не были), что «ходят» вдоль филаментов цитоскелета и обеспечивают транспорт различных структур, а также и локомоциях всей клетки.

Наличие у прокариот гомологов актина и тубулина позволяет предполагать, что эти два класса нуклеотид-связывающих белков, которые могут образовывать догви филаменты, возникли в процессе эволюции достаточно давно, еще до появления эукариот. Однако, ядерные и безъядерного организмы по-разному их используют, например, в Цитокинез бактерий задействован гомолог тубулина FtsZ, тогда как у эукариот эту функцию осуществляют актиновые филаменты, в различии молекул ДНК при делении у бактерий наоборот участвуют гомологи актина, а у эукариот — микротрубочки с тубулина, образующие веретено деления. Также у прокариот был обнаружен по крайней мере один класс белков, которые могут считаться гомологами белков промежуточных филаментов и один класс белков цитоскелета — АТФазы типа Walker A (WACA — MinD и PraA) не имеющих соответствий у эукариот.

Гомологи актина

В 2001 году Джонс (англ. Jones) и спивробинтникы обнаружили, что у бактерии Bacillus subtilis присутствуют белки гомологи актина, которые формируют длинные спиральные структуры. Это открытие дало начало интенсивному развитию исследований в области цитоскелета прокариот, в результате чего было обнаружено много других гомологов актина. Для всех этих белков характерно наличие актинового АТФазного домена. Большинство из них, как и актин в еукароит, является частью цитоскелета, однако некоторые имеют другие функции, например FtsA, участвующий в клеточном делении, шаперон DnaK и гексокиназы. Гомологи актина бактерий имеют похожую пространственное строение, но в основном довольно сильно отличаются по аминокислотной последовательности (5-10% идентичности). Также эти белки имеют отличные характеристики динамики полимеризации и свойств филаментов, которые они образуют. Очевидно, что в отличие, от эукариот, которые используют один и тот же актин для самых разных потребностей клетки, бактерии имеют много вариантов подобных белков, каждый из которых специализирован на выполнении отдельной функции.

MreB и его гомологи

MreB (англ. M u r ein cluster B) и его гомологи — белки распространены среди бактреий, имеющих палочковидную или спиральную форму, и отсутствуют в кокков. Некоторые бактерии, например Escherichia coli и Caulobacter crescentus, содержащие только ген белка MreB, тогда как другие, в частности Bacillus subtilis, кроме него должны также гены его гомологов Mbl (англ. M re B — l ike) и MreBH (англ. MreB h omolog). Эти белки обеспечивают поддержание палочковидной формы клетки, ее полярности, а также различия копий бактериальной ДНК при делении.

Структура и динамика филаментов MreB и его гомологов

In vivo белок MreB и его гомологи образуют длинные спиральные филаменты расположены вдоль бактериальной клетки, они могут объединяться в крепкие и довольно гибкие пучки. Такие филаменты являются динамическими структурами, продолжительность их полжизни обычно не превышает нескольких минут. Кроме того, в некоторых видов, в частности C.crescentus и Rhodobacter sphaeroides филаменты MreB меняют свое расположение в течение клеточного цикла: при делении они концентрируются в центральной части клетки и образуют кольцо. Однако, поскольку мутанты с делецией гена mreB не теряют способность к цитокинеза, очевидно белок MreB не является необходимым для этого процесса.

Как было показано в экспериментах на белках бактерии Thermotoga maritima мономерные единицы MreB способны к самоорганизации in vitro в длинные линейные филаменты, которые состоят из двух протофиламентив расположенных параллельно. Итак по строению филаменты MreB отличаются F-актина, образованного двумя цепями спирально закрученными друг вокруг друга. Для полимеризации MreB необходимо наличие в среде АТФ, однако она происходит одинаково успешно и в присутствии ГТФ (в отличие от актина, который полимеризуется только при наличии АТФ). Это связано с тем, что новые субъединицы включаются в состав полимера только в форме связанной с нуклеотидтрифосфатом, позже происходит гидролиз связанного АТФ или ГТФ к АДФ или ГДФ соответственно.

Функции MreB и его гомологов

Одной из основных функций филаментов MreB и гомологичных белков является поддержание палочковидной или спиральной формы бактериальной клетки. Мутации, которые порушуюють экспрессию этих белков, приводят к выраженной изменения формы бактерий (как правило, они превращаются в округлые клетки, или в случае Mbl — в клетки неправильной формы). Однако филаменты MreB НЕ служат непосредственно каркасом для пидримання формы клетки, в свою очередь, располагаясь по спирали вдоль нее они являются сайтами для прикрепления ферментов, синтезирующих пептидогликан клеточной стенки. Таким образом они регулируют характер отложения новых элементов к оболочке бактерий, которая собственно и является определяющим фактором в поддержании постоянной формы. Подобным образом микротрубочки растительной клетки влияют на ее форму, направляя включения молекул целлюлозы в клеточную стенку. Во многих бактерий (в том числе и в E.coli и B.subtilis) ген mreB является частью оперона, в состав которого входят также гены mreC и mreD. Этот оперон входит в большого кластера генов, необходимых для биосинтеза пептидогликана. Продукты генов mreC и mreD — это белки внутренней мембраны грам-отрицательных бактерий, они взаимодействуют с белком MreB и участвуют в организации его комплекса с ферментами, участвующими в биосинтезе муреин, такими как муреинтранспептидаза PBP2. Также в состав этого комплекса входят трансмембранные белки RodZ и RodA.

Филаменты MreB также участвуют в определении некоторых аспектов полярности клетки, в частности концентрации на одном или обоих полюсах некоторых белков, например тех, что отвечают за хемотаксис, подвижность, секрецию и вирулентность.

Еще одной функцией MreB и его гомологов является участие в различии копий бактериальной хромосомы во время деления. Среди мутантов, в которых этот белок отсутствует, были обнаружены клетки с несколькими нуклеоидом в цитоплазме, а также и клетки, которые не имели хромосом. Местом прикрепления белков MreB к бактериальной ДНК является точка oriC, присоединение происходит либо непосредственно, либо при участии других белков. При разделе филаменты цитоскелета обеспечивают различия точек oriC двух копий ДНК в противоположных концов клетки, механизм этого процесса пока (2006 год) не выяснен. Также неизвестно каким образом возникает расхождение хромосом в кокков, в которых отсутствует ген mreB и его гомологи.

Белок разделения плазмид ParM

Многие малокопийних (~ 1-5 копий) плазмид бактерий имеют специальные системы, обеспечивающие их различия после репликации. Эти механизмы необходимы для того, чтобы после разделения каждая из дочерних клеток получила по крайней мере одну молекулу плазмидной ДНК. Известно три типа систем, обеспечивающих различия малокопийних плазмид, в каждой из которых используются различные моторные белки (тип I — АТФазы типа Walker A или ParA-образные белки, тип II — гомологи тубулина или TubZ-образные белки, тип III — гомологи актина или ParM-образные белки). Белок ParM (от англ. Par titioning m otor) был впервые обнаружен при исследовании пламзиды R1 E.coli. Сейчас эта система сегрегации плазмидной ДНК является лучше изученной. Похожая система была обнаружена и в других плазмидах, в частности тех, которые отвечают за распространение устойчивости ко многим препаратам (англ. Multidrug resistance).

Структура и динамика филаментов ParM

Как и все элементы цитоскелета филаменты ParM состоят из мономерных белковых субъединиц. Эти субъединицы способны к полимеризации in vitro в присутствии АТФ или ГТФ. Образующиеся нити состоят из двух протофиламентив, закрученных друг вокруг друга (структура похожа на F-актина). В живых клетках мономеры ParM формируют длинные неразветвленные филаменты, которые размещаются вдоль оси бактерии. В отличие от актина и MreB и его аналогов ParM не образует пучков.

Полимеризация и диссоциации мономеров ParM зависит от присоединения и гидролиза АТФ. Новые субъединицы включаются в состав филаментов в АТФ-связанной форме, причем присоединение может происходить на обоих концах филаментов. Одновременно с включением новой ParM-АТФ субъединицы происходит гидролиз АТФ в последний присоединенной белковой молекуле. Таким образом весь филамент состоит из белков ParM-АДФ, и только на концах находятся ParM-АТФ субъединицы, которые «КЭПУ» всю структуру стабилизируя ее.

При отсутствии соответствующей плазмиды полимеризация филаментов ParM продолжается пока они не достигают определенной критической длины. После этого они начинают очень быстро диссоциировать, причем скорость этого процесса примерно в 100 раз превышает таковую для F-актина, то есть наблюдается так называемая динамическая нестабильность, по которой эти элементы больше напоминают микротрубочки эукариот.

Принцип функционирования филаментов ParM

Ген parM входит в локуса par плазмиды R1, кроме него здесь также содержится участок parC (от англ. C entromere), что играет роль аналогичную центромеры в хромосомах эукариот, а также ген parR, продукт которого ParR (от англ. R epressor) присоединяется к участку parC и осуществляет ауторегуляцию транскрипции локуса par, а также служит адаптером для присоединения белка ParM.

После репликации плазмиды R1 до обоих ее копий в области parC присоединяется белок ParR. В таком состоянии он может связывать и стабилизировать филаменты ParM, которые постоянно собираются и разбираются в цитоплазме. После этого полимерные нити ParM начинают видовжуватись, присоединяя на каждом конце новые мономеры. Этот процесс сопровождается гидролизом АТФ. Вследствие удлинения филаментов две плазмиды, которые присоединены к его краям, розштовхуються в разные стороны пока не достигают полюсов клетки. После этого происходит диссоциация полимера ParM.

Белок организации магнетосом MamK

Еще один прокароитичний гомолог актина MamK участвует в организации мембран магнетосом. Магнетосомы — это окружены мембраной органеллы бактерий родов Magnetospirillum и Magnetococcus, содержащие кристаллы магнетита и помогают бактерии ориентироваться в геомагнитном поле. В клетке магнетосомы расположены в ряд, в результате чего они могут функционировать как игла магнита. Такое расположение обеспечивается филаментами белка MamK, к которому эти мембранные пузырьки крепятся.

Гомологи тубулина

В большинстве прокариот также имеющиеся гомологи еукароитичного белка тубулина, из которого состоят микротрубочки. Лучше изученным из этих гомологов является блилок FtsZ, участвующий в Цитокинез. Тубулин и FtsZ имеют довольно мало идентичности в аминокислотной последовательности, консервативным является только ГТФазний домен, однако по пространственной структуре они похожи. Также в отдельных представителей бактерий и архей были обнаружены другие гомологи тубулина: например белки BtubA / BtubB Prosthebacter dejoneii, а также TubZ и RepX, кодируемых плазмидными генами бактерий рода Bacillus.

FtsZ и Z-кольцо

FtsZ FtsZ (англ. F ilamenting t emperature- s ensitive mutant Z) — один из первый выявленных у прокариот белок цитоскелета. Он есть в клетках практически всех исследованных бактерий и архей, а также в эукариотических органеллах, происходящих от прокариот, в частности пластидах. Этот белок участвует в формировании Z-кольца, обеспечивает цитокинез во время деления клетки. Кроме FtsZ, в этом процессе задействована также большое количество вспомогательных белков, в частности тех, которые принимают участие в синтезе клеточной стенки бактерий.

Структура и динамика филаментов FtsZ

Мономеры FtsZ формируют in vitro протофиламенты, состоящие из одного ряда этих белков. Протофиламенты НЕ объединяются в структуры похожи на микротрубочек, хотя иногда и спострегиаеться формирования пучков или листов. FtsZ полимеризуется в активной ГТФ-связанной форме, однако, в отличие от тубулина, этот белок обычно не гидролизует ГТФ после включения его в состав протофиламенту. Таким образом, в отличие от протофиламентив микротрубочек, которые почти полностью состоят из ГДФ-тубулина, и только на концах имеют кепи с ГТФ-тубулина, в протофиламентах FtsZ соотношение ГТФ-связанных субъединиц к ГДФ-связанных составляет 80:20.

При определенных условиях в протофиламентах FtsZ может происходить гидролиз ГТФ, в таком случае их форма преимущественно изменяется от прямой к изогнутой, и происходит дестабилизация полимера, в результате чего он может распадаться на мономеры. Протофиламенты FtsZ являются динамическими структурами, они постоянно обмениваются субъединицами с пулом свободных мономеров.

Структура Z-кольца

Часть белка FtsZ в клетке участвует в формировании Z-кольца, тогда как остальные находятся в цитоплазме в мономерной форме, или в форме коротких филаментов. Как было показано с помощью флуоресцентной микроскопии (с использованием меченых антител или FtsZ слитого с GFP), Z-кольцо хорошо заметно в центре большинства клеток. Во время клеточного деления оно сокращается, таким образом обеспечивая цитокинез. Одновременно с уменьшением Z-кольца в материнской клетке, FtsZ начинает полимеризоваться в центре дочерних клеток.

Z-кольцо не состоит из одного замкнутого в протофиламенту FtsZ, как показывают многочисленные исследования, количество мономеров FtsZ в Z-кольце достаточное для того, чтобы сделать примерно 2,5 витков вокруг внутреннего диаметра клетки. Поскольку отдельные протофиламенты FtsZ значительно короче окружность клетки, была предложена модель строения Z-кольца, согласно которой оно склкдаеться из большого количества коротких профиламентив перекрывающихся. Эта модель была подтверждена данными полученными с помощью электронной криотомографии. Однако существуют также и альтернативные модели строения Z-кольца, одна из которых предусматривает, что протофиламенты FtsZ взаимодействуют конец к концу и образуют непрерывную спираль.

Для обеспечения цитокинеза Z-кольцо должно каким-то образом крепиться к плазматической мембраны. Эту роль в большинстве бактерий выполняет белок напивинтегральний белок FtsA и трансмембранный белок ZipA, цитоплазматические домены которых крепятся к FtsZ.

Модели функционирования Z-кольца во время цитокинеза

Механизм, по которому происходит сокращение Z-кольца во время цитокинеза сих пор остается не выясненным. Существовало несколько гипотез, описывали это выше:

• Модель ковазння: так как, скорее всего, Z-кольцо слкадаеться с протофиламентив, которые могут взаимодействовать латерально, по аналогии с актина и миозина эукариот, предполагается, что существует определенный моторный белок, который может обеспечивать скольжение этих протофиламентив друг друга. По мере этого процесса также происходит деполимеризация FtsZ, таким образом Z-кольцо укорачивается и тянет плазматическую мембрану за собой. Главным недостатком этой модели является то, что никаких таких моторных белков не было найдено у одного из видов бактерий.
• «Каркасная» модель: протофиламенты FtsZ могут играть пассивную роль в Цитокинез. Согласно этой модели они только привлекают ферменты синтеза клеточной стенки, к месту, где должен состояться цитокинез. Новые слои пептидогликана, откладываемых обеспечивают вгиннання плазматической мембраны, вследствие чего и происходит скрочення Z-кольца. Эта модель не в состоянии объяснить механизма цитокинеза у микобактерий, в частности Mycobacterium tuberculosis, в которых пептидогликан вообще отсутствует в килтинний стенке.
• Модель «повторяющегося сжатия» — наиболее признана в настоящее время. Этот механизм не предусматривает участия каких белков-моторов, а говорит о том, что протофиламенты FtsZ сами могут генерировать силу, необходимую для цитокинеза. Считается, что филаменты в составе Z-кольца присоединяются к цитоплазматической мембраны в ГТФ-связанной форме, в таком случае они имеют прямую конформацию. Впоследствии в них происходит гидролиз ГТФ, что приводит к сгибанию филаментов. Когда это происходит, мебмрана клетки, присоединена к филаментов белками FtsA или ZipA, несколько прогибается. Такое последовательное сжатие мембраны и приводит к цитокинеза. Только последние его этапы не могут происходить по такому механизму, и возможно, проходят без участия белка FtsZ.

Другие гомологи тубулина

Секвенирование геномов многих бактерий позволило выявить некоторые тубулиноподибни белки отличаются от FtsZ. В частности, в бактерии Prosthebacter dejoneii были найдены два белка BtubA и BtubB (англ. B acterial tub ulin), которые являются гомологами соответственно α и β тубулина. Во время полимеризации в присутствии ГТФ они образуют гетеродимера, как и α и β тубулин. Сейчас функция этих белков неизвестна.

Интересно, что эти белки по аминокислитною последовательностью значительно ближе к эукариотических тубулинов, чем к их прокариотических гомолога FtsZ. Считается, что бактерия P. dejoneii получила гены этих белков в результате горизонтального переноса от эукариот.

Другой класс гомологов тубулина был обнаружен в больших плазмидах бактерий рода Bacillus, зокема:

• Белок TubZ Bacillus thuringiensis, кодируемый генами плазиды pBtoxis;
• Белок RepX закодирован в плазмиде pX01 Bacillus anthracis.

Оба эти белки способны образовывать длинные филаменты, в результате полимеризации в присутствии ГТФ, и необходимы для стабильного поддержания соответствующей плазмиды в клетке. Они могут участвовать в сегрегации копий плазмид, репликации плазмид или в обоих процессах.

Кресцентин — гомолог белков промежуточных филаментов

Кресцентин — это белок промежуточных филаментов, найденный в бактерии Caulobacter crescentus и других бактерий этого рода. Этот белок утоврюе длинную изогнутую нитевидные структуры, которая размещаются вдоль внутреннего края комоподибнои бактерии и обеспечивает поддержание такой формы. При отсутствии кресцентину бактерии становятся плачкоподибнимы, но житттездатности не теряют.. Кресцентин имеет 25% идентичности и 40% гомологичности в аминокислотной последовательности с эукариотическими белками промежуточных филаментов, а также похожую организацию белковых доменов — в частности наличие центрального домена двойной спирали (англ. Coiled coil). Полимеризация мономеров кресцентину, как и в случае еукариотинчних белков промежуточных филаментов, проходит без необходимости нуклеотидах. Интересно, что для пидтирмання формы C.crescentus кроме кресцентину необходим также гомолог актина MreB, при его отсутствии клетки становятся сферическими, несмотря на присутствие кресцентину.

Цитоскелетного АТФазы типа Walker A

Кроме гомологов эукариотических актина, тубулина и белков промежуточных филаментов, у бактерий также обнаружены компоненты цитоскелета, не имеющие аналогов в клетках ядерных. В частности таковы белки WACA (англ. Walker A cytoskeletal ATPase — цитоскелетного АТФазы типа Walker A), относящихся к функционально разнородной семьи АТФаз, имеющие в своей структуре консервативной аномальный домен Walker A и димерезуються в присутствии АТФ.

Белки WACA в АТФ-связанной форме могут образовывать полимеры на определенных поверхностях, например, на клеточной мембране, и считаются элементами цитоскелета. К этому классу относится белок MinD, участвующий в определении места, в котором будет проходить цитокинез во время разделения, и белки ParA, Soj, а также SopA и ParF, которые обеспечивают различия (сегрегацию) копий плазмид и бактериальной хромосомы. Несмотря на то, что они имеют разные функции, эти белки имеют очень похожую пространственное строение и высокий уровень гомологии в аминокислотной последовательности. Все WACA способны к гидролизу АТФ, их каталитическая активность регулируется путем взаимодействия с активирующими белками: для MinD — это белок MinE, а для ParA — ДНК-связывающий белок ParB. Также эту семью белков объединяет то, что за всеми ними наблюдается динамическая поведника in vivo: полимеризоваться формы этих белков осциллируют между определенными клеточными участками. Например, MinD полимеризуются то на одном полюсе клетки, то на другом, продолжительность такого цикла составляет 40-50 сек. Белки ParA и Soj осциллируют преимущественно между двумя нуклеоидом перед делением, а временные интервалы «перепрыгивание» у них менее регулярные (от нескольких минут до часа).

Система MinCDE

Механизм осцилювання лучше изучен на примере системы MinCDE, в состав которой входит WACA MinD. Эта система необходима клетке для того, чтобы точно разместить Z-кольцо в центральной части для правильного прохождения цитокинеза. В ее состав входят три белка:

• MinC — ингибитор полимеризации FtsZ;
• MinD — цитоскелетного белок WACA, что полимеризуется на цитоплазматической мембране;
• MinE — белок, стимулирующий гидролитическую активность MinD.

В E.coli эта система функционирует следующим образом: после присоединения молекулы АТФ MinD полимеризуется на плазматической мембране, образуя спирали. В такой активированной форме он связывает белок MinC, из-за чего в этом Конкрет месте подавляется образование Z-кольца. Также MinD-АТФ может взаимодействовать с MinE, что стимулирует гидролиз АТФ, после этого инактивированный MinD отсоединяется от мембраны и может диссоциировать в другое место. Распадается он преимущественно на противоположный полюс клетки, где не белка MinE, там начинается полимеризация нового комплекса, которая продолжается до тех пор, пока не закончится деполимеризация старого. А когда она начинает подходить к концу, то белок MinE высвобождается и начинает «разрушать» новообразованный комплекс MinD / MinC. Таким образом этот комплекс «скачет» от одного полюса к другому с переиодичнистю 40-50мин, и не затрагивает только центральный участок, где и происходит образование Z-кольца, поскольку там ее ничего не подавляет.

Несмотря на то, что MinD очень консервативным белком среди прокариот, у разных видов он функционирует по-разному, например в B.subtilis не происходит осцилювання: MinD постоянно присоединен к клеточным полюсов с помощью другого белка DivIVA. Кроме того, бактерии имеют «запасные» механизмы пространственного регулирования цитокинеза, которые действуют даже при отсутствии MinCDE, например механизм «избегание нуклеоида»: формирование Z-кольца подавляется вблизи нуклеоида.

В некоторых бактерий вообще отсутствует и система MinCDE и механизм «избегание нуклеоида», например в C.crescentus место прохождения цитокинеза определяется с помощью белка MipZ (что имеет сходство с ParA). Этот белок полимеризуется вблизи точки ori и также подавляет образование Z-кольца.

Использованные источники

1. Shih YL, Rothfield L (2006). The bacterial cytoskeleton. Microbiol Mol Biol Rev 70. с. 729-54. doi: 10.1128 / MMBR.00017-06. PMID 16959967.
2. Bi EF, Lutkenhaus J (1991). FtsZ ring structure associated with division in Escherichia coli. Nature 354. с. 161-4. doi: 10.1038 / 354161a0. PMID 1944597.
3. Alberts B, Johnson A, Lewis J, Raff M, Roberts K, Walter P (2007). Molecular Biology of the Cell (изд. 5th). Garland Science. ISBN 978-0-8153-4105-5.
4. Gitai Z (2005). The new bacterial cell biology: moving parts and subcellular architecture. Cell 120.
5. Gerdes K (2009). RodZ, a new player in bacterial cell morphogenesis. The EMBO Journal 28. с. 171 — 172. doi: 10.1038 / emboj.2008.287. PMID 19194484.
6. Salje J, Gayathri P, Löwe J (2005). The ParMRC system: molecular mechanisms of plasmid segregation by actin-like filaments. Cell 120. с. 577-86. doi: 10.1016 / j.cell.2005.02.026. PMID 15766522.
7. Taoka A, Asada R, Wu LF, Fukumori Y (2007). Polymerization of the actin-like protein MamK, which is associated with magnetosomes. J Bacteriol 189. с. 8737-40. doi: 10.1128 / JB.00899-07. PMID 17905974.
8. Thanbichler M, Shapiro L (2008). Getting organized — how bacterial cells move proteins and DNA. Nat Rev Microbiol 6. с. 28-40. doi: 10.1038 / nrmicro1795. PMID 18059290.
9. Pogliano J. (» The bacterial cytoskeleton. Curr Opin Cell Biol 20. с. 19-27. doi: 10.1016 / j.ceb.2007.12.006. PMID 18243677.
10. Erickson HP, Anderson DE, Osawa M (2010). FtsZ in Bacterial Cytokinesis: Cytoskeleton and Force Generator All in One. Microbiol Mol Biol Rev 74. с. 504-28. doi: 10.1128 / MMBR.00021-10. PMID 21119015.
11. Li Z, Trimble MJ, Brun YV, Jensen GJ (2007). The structure of FtsZ filaments in vivo suggests a force-generating role in cell division. EMBO J 26. с. 4694-708. doi: 10.1038 / sj.emboj.7601895. PMID 17948052.

Долгое время считалось, что цитоскелетом обладают только эукариоты. Однако с выходом в 2001 году статьи Jones и соавт., 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 и MreBH.

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.

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.

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. (), 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

Напишите отзыв о статье "Цитоскелет"

Примечания

Отрывок, характеризующий Цитоскелет

После стольких прошедших лет, для всех нас детство становится больше похожим на давно слышанную добрую и красивую сказку. Вспоминаются тёплые мамины руки, заботливо укрывающие перед сном, длинные солнечные летние дни, пока ещё не затуманенные печалями и многое, многое другое – светлое и безоблачное, как само наше далёкое детство… Я родилась в Литве, в маленьком и удивительно зелёном городке Алитус, далеко от бурной жизни знаменитых людей и «великих держав». В нём жило в то время всего около 35,000 человек, чаще всего в своих собственных домах и домиках, окружённых садами и цветниками. Весь городок окружал древний многокилометровый лес, создавая впечатление огромной зелёной чаши, в которой тихо мирно ютился, живя своей спокойной жизнью, княжеский городок.

Он строился в 1400 году литовским князем Алитис на берегу широкой красавицы реки Нямунас. Вернее, строился замок, а вокруг уже позже обстраивался городок. Вокруг городка, как бы создавая своеобразную защиту, река делала петлю, а в середине этой петли голубыми зеркалами сияли три небольших лесных озера. От старинного замка до наших дней, к сожалению, дожили только лишь руины, превратившиеся в огромный холм, с вершины которого открывается изумительный вид на реку. Эти руины были любимым и самым загадочным местом наших детских игр. Для нас это было местом духов и привидений, которые казалось всё ещё жили в этих старых полуразрушенных подземных тоннелях и искали своих «жертв», чтобы утащить их с собой в свой загадочный подземный мир… И только самые храбрые мальчишки отваживались идти туда достаточно глубоко, чтобы потом пугать всех оставшихся страшными историями.

Насколько я себя помню, большая половина моих самих ранних детских воспоминаний была связана именно с лесом, который очень любила вся наша семья. Мы жили очень близко, буквально через пару домов, и ходили туда почти каждый день. Мой дедушка, которого я обожала всем своим детским сердечком, был похож для меня на доброго лесного духа. Казалось, он знал каждое дерево, каждый цветок, каждую птицу, каждую тропинку. Он мог часами рассказывать об этом, для меня совершенно удивительном и незнакомом мире, никогда не повторяясь и никогда не уставая отвечать на мои глупые детские вопросы. Эти утренние прогулки я не меняла ни на что и никогда. Они были моим любимым сказочным мирком, которым я не делилась ни с кем.

К сожалению, только спустя слишком много лет я поняла, кем по-настоящему был мой дед (к этому я ещё вернусь). Но тогда это был просто самый близкий, тёплый и хрупкий человечек с яркими горящими глазами, который научил меня слышать природу, говорить с деревьями и даже понимать голоса птиц. Тогда я ещё была совсем маленьким ребёнком и искренне думала, что это совершенно нормально. А может даже и не думала об этом вообще… Я помню моё первое знакомство с «говорящим» деревом. Это был старый огромный дуб, который был слишком объёмистым для моих маленьких детских ручонок.
– Видишь, какой он большой и добрый? Слушай его… Слушай... – как сейчас помнится тихий, обволакивающий дедушкин голос. И я услышала…
До сих пор ярко, как будто это случилось только вчера, я помню то, ни с чем не сравнимое чувство слияния с чем-то невероятно огромным и глубоким. Ощущение, что вдруг перед моими глазами начали проплывать странные видения каких-то чужих далёких жизней, не по-детски глубокие чувства радости и грусти… Знакомый и привычный мир куда-то исчез, а вместо него всё вокруг сияло, кружилось в непонятном и удивительном водовороте звуков и ощущений. Не было страха, было только огромное удивление и желание чтобы это никогда не кончалось...
Ребёнок – не взрослый, он не думает о том, что это неправильно или что этого (по всем нашим «знакомым» понятиям) не должно быть. Поэтому для меня совершенно не казалось странным, что это был другой, абсолютно ни на что не похожий мир. Это было чудесно, и это было очень красиво. И показал мне это человек, которому моё детское сердце доверяло со всей своей непосредственной чистой и открытой простотой.
Природу я очень любила всегда. Я была «намертво» слита с любым её проявлением вне зависимости от места, времени или чьих-то желаний. С самых первых дней моего сознательного существования любимым местом моих каждодневных игр являлся наш огромный старый сад. До сих пор я буквально до мельчайших подробностей помню ощущение того неповторимого детского восторга, которое я испытывала, выбегая солнечным летним утром во двор! Я с головой окуналась в тот удивительно знакомый и в то же время такой загадочный и меняющийся мир запахов, звуков и совершенно неповторимых ощущений.

Мир, который, к нашему общему сожалению, растёт и меняется соответственно тому, как растём и меняемся мы. И позже уже не остаётся ни времени, ни сил чтобы просто остановиться и прислушаться к своей душе.
Мы постоянно мчимся в каком-то диком водовороте дней и событий, гонясь каждый за своей мечтой и пытаясь, во что бы то ни стало, «добиться чего-то в этой жизни»… И постепенно начинаем забывать (если когда-то помнили вообще...) как удивительно красив распускающийся цветок, как чудесно пахнет лес после дождя, как невероятно глубока порой бывает тишина… и как не хватает иногда простого покоя нашей измученной каждодневной гонкой душе.
Обычно я просыпалась очень рано. Утро было моим любимым временем суток (что, к сожалению, полностью изменилось, когда я стала взрослым человеком). Я обожала слышать, как просыпается от утренней прохлады ещё сонная земля; видеть, как сверкают первые капли росы, ещё висящие на нежных цветочных лепестках и от малейшего ветерка бриллиантовыми звёздочками срывающиеся вниз. Как просыпается к новому дню ЖИЗНЬ… Это был по-настоящему МОЙ мир. Я его любила и была абсолютно уверена, что он будет со мной всегда…

Раздел посвщённый изучению скелета клетки - цитоскелету

Микротрубочки

Параметры микротрубочек

Время полужизни микротрубочки ~5 мин, во время первой половины митоза ~15c
Диаметр микротрубочки 25нм.

Образование микротрубочек

Структурной единицей микротрубочки является гетеродимер белка тубулина , состоящий из α- и β-субъединиц (53 и 55 кДа), не прибывающих по отдельности, схожие но не идентичные. Каждая из субъединиц имеет сайт для связывания нуклеотида. α-тубулин связывает молекулу GTP, которая не гидролизуется, β-тубулин может связывать GDP или GTP (рис.1). β-тубулин одного гетеродимера связывает GTP и соединяется с α-тубулином другого гетеродимера, при этом GTP гидролизуется до GDP. α-тубулин является GTP-активирующим белком и катализирует гидролиз GTP β-тубулина (рис.2). Таким образом гетеродимеры образуют линейные цепочки – протофиламенты, 13 протофиламентов образуют спиральный циклический комплекс, такие кольца полимеризуются в трубку (рис.3). Фосфорилирование тубулина усиливает полимеризацию.

Рис.1 Гетеродимер тубулина. α-тубулин (син.) с сайтом связывания GTP (голуб.). β-тубулин (зел.) с сайтами связывания GTP и GDP (красн.)
Микротрубочки - динамические полярные стр-ры. (+)-конец динамически нестабильный (β-тубулин) и (-)-конец стабилизируется, связываясь с центром организации микротрубочек (см. обзор Центросома).
Тредмиллинг - движение микротрубочек в результате одновременного наращивания одного конца и диссоциации другого конца микротрубочек.
ДНК тубулина в нуклеотид-связывающем домене имеет высококонсервативную последовательность GGGTG(T/S)G.
Бактериальный белок FtsZ - гомолог тубулина является компонентом бактериального цитоскелета и полимеризуется с образованием микротрубочек.

Микротрубочки

рис.2 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.

Белки соединяющиеся с микротрубочками.

С микротрубочками ассоциируют два вида белков: структурныерные
белки (MAP-microtubuls-associated proteins) и белки транслокаторы.

Присоединение MAP регулируется фосфорилированием, в результате
которого некоторые MAP отсоединяются от микротрубочек.

+TIPS - белки взаимодействующие с (+)-концом
микротрубочки, многие из которых являются моторными белками,
другие обеспечивают взавимодействие с микрофиламентами в
клеточном кортексе, присоединяя микротрубочки к плазматической
мембране. Некоторые +TIPS регулируют динамику микротрубочек
и стабильность (+)-конца, например, XMAP215
семейство белков стабилизирует (+)-конец предотвращая разрушение
и обеспечивая рост микротрубочек.

CLASP - белки обеспечивающие присоединение
димеров тубулина к (+)-концу и ингибируют катастрофины .
Они взаимодействуют с кинетохором - комплексом который соединяет
(+)-конец микротрубочки с хромосомой.

Катастрофины - +TIP белки связывающиеся с (+)-концом микротрубочек
и обепечивающие диссоциацию димеров тубулина. Они способны
активировать гидролиз GTP или изменение конформации протофиломентов
(MCAK - кинезин, располагающийся в кинетохоре
и обеспечивает диссоциацию (+)-конца во время анафазы митоза).

Стасмин - дестабилизирующий белок, находящийся
в раковых клетках. Присоединяется с тубулиновым гетеродимером
затрудняя их полимеризацию. Стасмины ингибируются фосфорилированием.

Катанин - разделяет микротрубочки образуя новый нестабильный
(+)-конец.

НекоторыеMAP соединяют микротрубочки
друг с другом, с мембраной или промежуточными филаментами.

Тип I MAP обнаружен в аксонах и дендритах нервных клеток
и некоторых других имеет несколько повторов KKEX (Lys-Lys-Glu-X)
которые связывают (-)-заряженные участки тубулина.

Тип II MAP также обнаружен в аксонах и дендритах нервных
клеток и некоторых других. Они имеют 3-4 повтора из 18 остатков
последовательности, которая присоединяет тубулин.

Белки взаимодействующие с (+)-концом микротрубочек

APC, Kar9 (Sc )*

APC (adenomatous polyposis coli) - опухолевый супрессор,
являющийся основой для белкового комплекса регулирующего
фосфорилирование b-катенинов.

EB1, Bim1 (Sc), Mal3 (Sp)

EB1 (end-binding protein 1) - белок взаимодействующий с
APC.

Nud (An)

Nud (nuclear distribution) - белок регулирующий динеины.

Lis1/NUDF (An), Pac1 (Sc )

Lis (lissencephaly) - нарушение развития человеческого мозга
(гладкий мозг). Белок взаимодействует с динеином регулируя
его функцию.

NUDE (An), R011 (Neurospora
crassa)/Ndl1 (Sc); Nde1, Ndel1
(млекопитающие).

Эти белки взаимодействуют с Lis1 и денеинами и обеспечивают
их функционирование.

Kar3 (Sc)

Kar3 - кинезин, имеющий C-концевой моторный домен и пренадлежит
к семейству Kinesin-14.

Kip2 (Sc ), Tea2
(Sp ), KipA (An )

Кинезины грибов принадлежащие семейству Kinesin-7 включающее
CENP-E - центромерный белок млекопитающих, Kip2 , Tea2 and
KipA

Klp10A (Dm), Klp59C, MCAK

Члены семейства Kinesin-13. Klp10A - предполагаемый гомолог
Kif2A млекопитающих. Klp59C (Dm) - предпоплагаемый гомолог
MCAK млекопитающих. KLP10A и другие члены Kin I
субсемейства кинезинов взаимодействующих с некепированным
(-)-концом микротрубочек веретена деления во время митоза.
Они обеспечивают диссоциацию тубулиновых димеров полюсов
клетки, способствуя тедмиллингу (движению
микротрубочек к полюсам и укорочение микротрубочек во время
анафазы митоза).

Dynactin

Комплекс белков включающий белок p150glued. Динактин связывает
динеин и регулирует его свойства, а такжи присоединяет везикулы
к динеину. p150glued - гомолог NUDMA. nidulans.

CLIP-170, Bik1 (Sc ), Tip
(Sp )

CLIP-170 обеспечивает стабилизацию и рост микротрубочек,
а так же регулирует локализацию динеина.

СLIP-170 - обеспечивает посадку комплекса динеин-динактин,
участвующего в транспорте везикул, на конец микротрубочки.
LIP-170 находится в цитоплазме в неактивной конформации
в которой N-конец связывающийся с микротрубочкой связан
с С-концом той же молекулы. При связывании N-конца с тубулином
или (+)-концом микротрубочки, C-конец освобождается и связывается
с комплексом динеин-динактин через молекулу p150Glued, микротрубочка
стабилизируется. Диненин-динактин освобождается и начинает
движение вдоль микротрубочки (рис.3)

Некоторые токсины и лекарства, некоторые из которых нарушают митоз влияют на полимеризацию и деполимеризацию тубулина:
таксол - противоопухолевое лекарство, стабилизирует микротрубочки.
колхицин связывает тубулин блокируя полимеризацию. Микротрубочки деполимеризуются при высокой концентрации колхицина.
винбластин - усиливает деполимеризацию образуя паракристаллы винбластин-тубулин.
нокодазол - обеспечивает деполимеризацию микротрубочек.
Ассоциация подавляется винбластин, винкристин, колхицин, усиливается – таксол.
Гамма-сома – центр организующий микротрубочки на внешней поверхности ядра.

Микрофиламенты

Мономер G-актин (глобулярный актин)- ассиметричный
(42кДа) состоит из двух доменов, по мере повышения ионной
силы агрегирует в скрученный в спираль полимер F-актин (фибриллярный
актин).

G-актин имеет участки связывания двухвалентных катионов
и нуклеотидов в физиологических условиях занятые Mg 2+
и ATP.

Полимеризация G-актина в F-актин

F-актин обладает полярностью (+) и (-) имеющих
различные свойства.

Молекула G-актина несет прочно связанную АТФ, который при
переходе в F-актин медленно гидролизуется до АДФ – проявляет
свойства АТФ-азы Полимеризация сопровождается гидролизом
АТФ, что не необходимо т.к. полимеризация идет и в присутствии
негидролизуемых аналогов АТФ

Полимеризация состоит из нескольких процессов: нуклеация ,
элонгация , диссоциация ,
фрагментация , стыковка .
Эти процессы протекают одновременно.

Нуклеация – соединение трех G-актинов –
инициация полимеризации.

Элонгация - наращивание цепи актина путем
присоединения G-актина к (+)-концу F-актина.

Диссоциация - укорачивание цепи. Деполимеризация
актина имеет одинаковую скорость с обоих концов

Фрагментация - в результате теплового движения
F-актин может фрагментироваться.

Стыковка - отдельные фрагменты могут соединяться
друг с другом конец в конец.

При конценрации G>F – одновременно происходит полимеризация
(+) и (–) конца.

Если G (–)-конца – тредмиллинг – движение F-актина
за счет одновременного наращивания (+)-конца и диссоциации
(-)-конца. При G ~ F – динамическое равновесие - происходит
полимеризация (+) и деполимеризация (–)-конца с затратой
энергии ATP G-актин связ с ATP и полимеризуясь гидролизует
ATP.при критических конц G-актина (+) конец удлиняется,
а (-) – укорачивается

Актиновые микрофиламенты

F-актин – фибриллярный, длина оборота спирали 37
нм, d=6-8нм.

Актинсвязывающие белки

Более 50 белков в цитоплазме связываются с актином выполняя
различные функции: регулируют объем G-актинового пула (профилин),
влияют на скорость полимеризации (виллин), стабилизируют
концы нитей (фрагин, а-актинин), сшивают филаменты др с
др или с др компонентами (виллин, α-актин, спектрин,
MARCKS, фимбрин), разрушают двойную спираль F-актина (гельзолин).
Активность этих белков регулируется Ca 2+ и протеинкиназами.

Имеется пять мест действия белков: с мономером
актина, с (+)-концом (оперенный), с (-)-концом (заостренный),
с боковой поверхностью. Актин-связывающие белки могут быть
чувствительны или нечувствительны к Ca 2+

1. Белки связывающиеся c мономером актина - подавляют нуклеацию
(профилин, фрагментин - чувствительны к Ca 2+).
Профилин с мономером способны надстраивать F-актин, а фрагментин
нет, блокируя и нуклеацию и элонгацию. Не чувствительные
к Ca 2+ ДНКазаI и белок связывающийся с витамином
D - функционируют вне клетки.

2. Кепирующие(+)-конец может быть блокирован кепирующими
белками - блокирование элонгации и стыковки, способствуют
нуклеации - появление укороченных филаментов (гельзолин,
виллин, фрагмин)

3. (-)-конец - инициирование нуклеации, подавление стыковки
и элонгации - увеличение числа и уменьшение длины фрагментов.
Акументин в макрофагах, бревин - сывороточный белок вызывает
быстрое снижение вязкости раствора F-актина. Оба белка не
чувствительны к Ca 2+

4. Не сшивающие - боковое связывание может как стабилизировать
так и дестабилизировать F-актин Тропомиозин (Ca-независим)
стабилизирует, северин, виллин (Ca-зависим) - связываясь
с F-актином разрезают его.

5. Сшивающие F-актин между собой с образованием геля. Такие
белки индуцируют нуклеацию. Такие белки димерны или имеют
два актин-связывающих домена. α-актин тромбоцитов,
виллин, фимбрин, актиногелин из макрофагов (Ca-независим).

кэпирующие белки - закрывают концы актиновых
филаментов, предотвращая полимеризацию-деполимеризацию,
способствуют прикреплению филамента к мембране.

фаллоидин – яд бледной поганки, связывается
с (-)-концом и ингибирует деполяризацию.

цитохалазин – токсин плесневых грибов присоединяется
к (+) концу, блокируя полимеризацию.

кэпирующие-фрагментирующие белки - фрагментируют
F-актин, вызывая переход геля в золь (гельзолин 90kD активируясь
Ca2+ 10-6M разрывает F-актин и связывается с его концами).

белки связывающие F-актин

Структуры образуемые актином

Клеточный кортекс – сеть из актиновых филаментов
под плазматической мембраной.

Филлоподии

Стресс-фибриллы - образуются, когда у клетки есть
возможность прикрепиться к субстрату

Промежуточные филаменты

ПРОМЕЖУТОЧНЫЕ ФИЛАМЕНТЫ
белки промеж филаментов клетки число M, kD тип
кислые кератины эпит >15 40-57 I
основные кератины эпит >15 53-67 II
десмин мыш 1 53 III
кислый фибриллярный белок глиальн, астроциты 1 50
виментин мезенх, нек эпит 1 57
периферин нервные 1 57
белки нейрофиламентов: аксоны и дендриты IV
NF-L 1 62
NF-M 1 102
NF-H 1 110
интернексин ЦНС 1 66
нестин эпит нервн ткани 1 240
ламин A ядра всех клеток 1 70 V
ламин B 1 67
ламин С 1 67
септамерный мономер?параллельный димер?антипараллельный тетрамер?протофиламент? протофибрилла?ПФ
промежуточные филаменты
d=10нм, (цитокератины, десмин, виментин, кислый фибриллярный глиапротеин (GFAP), нейрофиламент) состоят из базовой стержневой стр-ры – суперспирализованная -спираль, такие димеры ассоциируют антипараллельно, образуя тетрамер, агрегация тетрамеров «голова к голове» дает протофиламент, 8 протофиламентов образ. промежуточное волокно | полимеризация ведет к образ. устойчивых неполярных полимерных молекул

белки связанные с ПФ
белок M, kD локализация
BPAG1 230 полудесмосомы
плакоглобин 3 десмосомы
десмоплакинI 250 десм
десмоплакинII 215 десм
плектин 300 кортек. зона
анкирин 140 кортек. зона
филаггрин 30 цитозоль
рецептор B-ламина 58 ядро
У мутантов мышей отсутствует виментин, мыши при этом живут совершенно нормально.
В растительных клетках цитоскелет представлен микротрубочками и микрофиламентами, промежуточных филаментов нет, но есть ламины

Реснички

Ресничка - вырост цитоплазмы h=300нм, покрытый пм
аксонема – d=200нм, 9 дублетов микротрубочек, 100, 2 центральные микротрубочки, А-микротрубочка - 13 субъединиц, В-микротрубочка – 11 субъединиц,
базальное тельце - погружено в цитоплазму d = 200 нм, 9 триплетов микротрубочек, имеет ручки, втулку и спицы в проксимальной части.
Скорость движения клеток за счет ресничек может достигать ~5мм/c. Число ресничек в кл трахеи ~300, в клетке инфузории ~14тыс.
кинетоцилии – способные к движению (эпителии, спермии), первичные реснички – не двигаются.