Цитоскелет. Структура и функции микрофибрилл и микротрубочек

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

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

Рис. 7 Структура актиновых микрофиламентов

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

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

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

Микротрубочки образуются путем полимеризации молекул белка тубулина. Молекула тубулина является гетеродимерной, поскольку состоит из двух различных субъединиц - α- и β- тубулинов. Тубулин присутствует практически во всех эукариотических клетках. Особенно много этого белка в нейронах головного мозга позвоночных до 10-20 % от всего растворимого белка клетки. В ходе сборки молекулы тубулина укладываются, бок о бок по спирали, вокруг центральной области, которая на электронных микрофотографиях кажется пустой, образуя длинные, полые структуры, диаметром 24 нм. На один шаг спирали затрачивается 13 молекул тубулина. Активирует процесс полимеризации тубулина ГТФ, ионы Mg²⁺ и физиологическая температура, а деполимеризации – ионы Ca²⁺ и охлаждение. Подобно актиновым филаментам, микротрубочки являются полярными структурами, у которых есть плюс-концы, растущие быстро, и минус-концы, растущие медленно.

Рис. 8 Структура микротрубочек

Микротрубочки формируют в цитоплазме систему транспортных волокон. Она зарождается в начале интерфазы из области центриолей, в так называемых центрах организации микротрубочек и растет за счет процессов полимеризации вдоль длинной оси клетки, поддерживая тем самым удлиненную форму клетки в целом. Система цитоплазматических микротрубочек являются своеобразными "рельсами", по которым транспортируются различные пузырьки и органеллы. Благодаря транспортной системе микротрубочек вещества, включенные в пузырьки, быстро переносятся из одной области клетки в другую. Особенно интенсивно эти процессы протекают при так называемом быстром аксонном транспорте, в ходе которого транспортные пузырьки с большой скоростью переносятся от тела клетки к нервному окончанию на десятки сантиметров и обратно. Высокая концентрация тубулина в нервных клетках как раз и обусловлена наличием в этих клетках большого количества микротрубочек, связанных с системой быстрого аксонного транспорта. Кроме, транспортной функции, микротрубочки определяют (фиксируют) местоположение в клетке ЭР и аппарата Гольджи. Система цитоплазматических микротрубочек очень лабильна и видоизменяется в зависимости от состояния клетки. Например, в начале митоза она распадается и перестраивается в микротрубочки митотического веретена, которые соединяются с хромосомами в области центромеры и перемещают их сначала в область экватора делящейся клетки, где они образуют метафазную пластинку, а затем разводят их в дочерние клетки. Движущая сила в первом случае возникает за счет АТФ-зависимой полимеризации молекул тубулина и удлинения микротрубочек, во втором случае, напротив, активируются процессы деполимеризации, укорачивающие микротрубочки. В часто делящихся (недифференцированных) клетках микротрубочки митотического веретена пребывают в состоянии необычайно быстрой сборки и разборки, и это объясняет крайнюю чувствительность веретена к различным препаратам, способным связываться с тубулином. К таким веществам относится колхицин, один из алкалоидов безвременника осеннего, который использовался в лечебных целях еще древними египтянами. Колхицин прочно связывается с молекулами тубулина и препятствует тем самым их полимеризации. В зависимости от используемой концентрации он может задержать деление клетки в митозе или заблокировать процесс расхождения хромосом, что приводит к образованию клеток с диплоидным (двойным) набором хромосом. Действие колхицина обратимо и удаление препарата, во многих случаях, дает возможность веретену образоваться, а митозу завершиться. Вещества, блокирующие рост микротрубочек, называются антимитотическими агентами. Так как нарушение роста микротрубочек митотического веретена особенно пагубно сказывается на быстро делящиеся клетки и, в первую очередь, раковые, ряд антимитотических препаратов, в частности винбластин и винкристин, широко используется в терапии опухолей.

Многие клетки имеют реснички, а некоторые жгутики. Структурной основой ресничек и жгутиков являются цилиндрические пучки из девяти так называемых дублетов микротрубочек расположенных по окружности и одной центральной пары микротрубочек. Дублеты, каждый из которых образован двумя слившиеся микротрубочками, способны за счет энергии гидролиза АТФ перемещаться относительно друг друга, аналогично тому, что происходит в случае актиновых филаментов, только передвигает дублеты друг относительно друга не миозин, а другой белок с АТФ-азной активностью - динеин. Синхронное скольжение дублетов преобразуется в изгиб реснички или жгутика. В организме человека огромное количество ресничек (10⁹/см²), имеют клетки эпителия бронхов и других влажных поверхностей. Каждая такая клетка имеет до нескольких сотен ресничек, длиной 5-15 мкм. Реснички движутся координировано, при этом циклы движения соседних ресничек едва заметно сдвинуты во времени, вследствие чего на поверхности клетки образуются однонаправленные бегущие волны. В бронхах волнообразные движения ресничек, непрерывно, со скоростью 6 мм/мин перемещают из легких к полости носа, а затем наружу слизь с частицами пыли.

Рис. 9 Структура промежуточных филаментов

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