11. 9. Нем'язова форма рухливості клітин

Здатність рухатись – одна з основних властивостей усього живого. На клітинному рівні рухливість виявляється в різних формах: по-перше, це рух клітини як цілого у просторі; по-друге, рух всередині клітини її органел та інших компонентів.

Рухливість прокаріотичних організмів. У прокаріотів рухливість виявляється головним чином у зміщенні клітини як цілого. Рух здійснюється за допомогою спеціальних джгутиків. Джгутик – це ниткоподібний виріст, який виходить з тіла бактерії. Бактерія може мати один джгутик чи пучок джгутиків, або джгутики можуть покривати всю поверхню бактеріальної клітини. Довжина джгутика є більшою від тіла бактеріальної клітини. У середньому довжина джгутика становить від 10 до 100 мкм. Через малий діаметр (23 нм) джгутики важко розгледіти в оптичному мікроскопі. Як правило, використовують речовину танін, яка покриває всю поверхню джгутика й збільшує його діаметр, що дозволяє спостерігати за його роботою в оптичному мікроскопі. Нормальні джгутики хвилеподібно вигнуті. Важливим його параметром є довжина хвилі філамента  (рис. 11.31, а). Для нормальних джгутиків  = 2,3 мкм. Існують бактерії з аномальними джгутиками ("кучеряві" джгутики з  у два рази меншою, ніж у нормальних джгутиків, і прямі джгутики), для яких характерною є слабка рухливість або взагалі відсутність такої рухливості.

Рис. 11.31. Схематичне зображення флагелярного мотора: а – джгутик 1, що обертається, базальне тіло 2 і сама бактеріальна клітина E. сoli 3;  – довжина хвилі філамента; б – будова флагелярного мотора: “ротор” включає S- і M-кільця, з якими щільно звязані стрижень (“ведучий вал”), гак (гачок) і флагеліновий філамент; FliF і FliG – білки S- і M- кілець; “статор” – трансмембранні білкові структури MotA і MotB (MotA виконує роль протонного каналу для генерації обертального моменту ротора); L- і P-кільця виконують роль “втулки”, в якій з малим тертям обертається стрижень; С-кільце (FliM і FliN – білки цього кільця) виступає в цитоплазму й виконує роль регулятора швидкості та перемикача напрямку обертання філамента; НАР1 і НАР3 – перехідні кільця, які зєднують гнучкий гак із жорстким філаментом; НАР2 – структура, яка детермінує довжину філамента

Електронна мікроскопія дала змогу виявити деталі будови джгутика бактерії. Джгутик складається з трьох частин: філамента джгутика (флагели), гака й базального тіла (рис. 11.31, б). Найбільш вивченим є філамент джгутика. Він побудований з одного білка флагеліну. Мономерний флагелін (М = 51,5 кДа, 494 амінокислотні залишки) має асиметричну форму (довжина близько 10 нм). Методами диференційної мікрокалориметрії й обмеженого протеолізу виявлена доменна будова флагеліну, в якому містяться два периферійні домени Д₀ і Д₁, D що містять 25 % -спіралей, і два центральні домени Д₂ і Д₃, в яких переважає -структура. Хімічна структура флагеліну є специфічною для кожного штаму бактерій.

У дослідах in vitro флагелінові глобули здатні асоціювати з утворенням фібрилярних структур (філаментів), аналогічних філаментам інтактних джгутиків. При самозбиранні флагеліну відбуваються конформаційні зміни у глобулах, й у фібрилярній формі субодиниці флагеліну набувають більш впорядкованої структури. Філамент джгутика складається з 11 флагелінових протофіламентів, які закручуються в ліву спіраль й утворюють циліндричну структуру діаметром 23 нм. Це зумовлює обертання флагели проти годинникової стрілки.

Гак служить зв'язуючою ланкою між базальним тілом і філаментом і складається з білкових глобул з М = 42 кДа.

Базальне тіло є складною структурою, яка відповідає не тільки за закріплення джгутика в тілі бактерії, але й головне – за генерацію руху. Ультратонка структура базального тіла грамвід'ємної бактерії E. coli (рис. 11.31, б) характеризується наявністю чотирьох кілець, які контактують з різними структурними елементами мембрани бактерії. Субструктура флагелярного мотора утворюється із численних копій білків, які синтезуються відповідними генами клітини. Флагелярний мотор – це обертальний мотор, в якому роль “ротора” виконують М- і S-кільця (М-кільце розміщене у плазматичній мембрані), а роль “статора” – трансмембранні білки MotA i MotB, які у плазматичній мембрані оточують М-кільце. М- і S-кільця утворюються переважно з білка FliF (25 копій) і деякої кількості білка FliG. З М- і S-кільцями жорстко зв’язані стрижень (“ведучий вал”), гак і довгий флагелярний філамент. L- кільце (розмішене в зовнішній мембрані) і Р-кільце (вмонтоване в пептидоглікановий шар) виконують роль “втулки”, в якій з малим тертям і з великою частотою (до 300 Гц) може обертатися стрижень. Тільки S-кільце не контактує з мембранними структурами й перебуває в міжмембранному просторі. Експериментальні дані вказують на те, що тільки з М-кільцем пов'язане обертання джгутика.

Довгий час вважалося, що рух бактерій пов'язаний з коливанням джгутиків (за аналогією з роботою джгутиків еукаріотних клітин) завдяки гідролізу АТФ за участю специфічної АТФази, локалізованої в базальному тілі. Експериментальні спроби виявити АТФазну активність на елементах базального тіла успіху не мали. Разом з тим, в результаті спостережень за клітинами E. coli, прикріпленими флагелами до поверхні скла, було повністю відкинуто ідею про коливання джгутиків і підтверджено гіпотезу про те, що рух бактерій виникає завдяки обертанню флагели зі швидкістю від 50 до 1000 об^-1.

Що ж служить джерелом енергії, необхідної для обертання флагели? Встановлено, що повне виснаження АТФ у бактеріальній клітині не зупинило її рух. Для пояснення цього феномена була запропоновано модель, згідно з якою швидке обертання джгутика відбувається за рахунок трансмембранного протонного градієнта . За хеміосмотичною теорією Мітчела, різниця електрохімічних потенціалів протонів визначається двома складовими – електричним потенціалом  і градієнтом рН (рН) (див. далі 12.1.4, рівняння (12.19)). Отже, якщо якимось способом зменшити величину , тоді можна вповільнювати рух бактерій. Виявилося, що за одночасного введення валіноміцину (розсіює ) й ацетату (знижує рН) повністю припиняється рух бактерій. У моделі обертання бактеріального "мотора" припускається наявність протонного каналу (його роль виконують MotA i MotB) та Н⁺-зв'язуючих груп на М-кільці. У результаті протонування таких груп створюється електричне поле між статором і ротором, яке викликає обертальний момент М-кільця.

У відповідь на хімічні стимули (зміна концентрації речовин у середовищі) змінюється рух бактеріальних клітин. Це явище називається хемотаксисом. У середовищі бактерії рухаються до тих ділянок, де концентрація атрактанту є вищою або репеленту – нижчою. Зміна концентрації іонів Са²⁺ в цитоплазмі бактеріальної клітини регулює перемикання руху "мотора". За концентрації іонів Са²⁺ 5  10^-8 моль/л і вище флагели обертаються за годинниковою стрілкою, зниження концентрації Са²⁺ нижче 10^-8 моль/л викликає реверсію руху флагели, й обертання відбувається проти годинникової стрілки. Роль регулятора швидкості й перемикача напрямку обертання флагели виконує С-кільце, яке виступає в цитоплазму й сприймає внутрішньоклітинні сигнали (іони Са²⁺, цАМФ).

Потужність флагелярного "мотора" N запишеться таким чином:

, (11.12)

де F – сила; v – швидкість руху бактерії. Якщо бактеріальна клітина матиме вигляд сфери радіусом r, то:

. (11.13)

Тоді потужність можна записати таким чином:

. (11.14)

Виразимо лінійну швидкість v через кутову швидкість :

, (11.15)

де n – кількість обертів за секунду. Підставивши (11.15) в (11.14), отримаємо

. (11.16)

Зробимо оцінку потужності флагелярного "мотора", прийнявши r = 1 мкм = 10^-6 м,  = 1,005  10^-3 Па  с і n =10 об^-1. Тоді N = 24  (3,14)³ 1,005  10^-3  10^-18  10²  76,3  10^-18 Вт.

Енергія, що звільняється при проходженні одного протона з зарядом q = 1,6  10^-19 Кл в електричному полі з  = 200 мВ, дорівнюватиме:

. (11.17)

Кількість протонів, які рухаються по електрохімічному градієнту й необхідні для обертання "мотора" на один оберт, становитиме:

.

Незважаючи на досягнуті успіхи, молекулярний механізм перетворення електрохімічної енергії на механічну роботу джгутика, що обертається, потребує подальшого вивчення.

Рухливість еукаріотичних клітин. Форма еукаріотичних клітин, їх переміщення у просторі, рух внутрішньоклітинних структур і компонентів цитоплазми цілком зумовлено розвинутою сіткою білкових філаментів, які утворюють опорно-руховий апарат клітини, який зветься цитоскелетом. Із функціонального погляду цитоскелет становить сукупність специфічних фібрилярних структур, що відповідають за просторову організацію еукаріотичних клітин та їхню рухливість. Цитоскелет складається з трьох типів філаментів: мікротрубочок (тубулінові філаменти) діаметром 25 нм, проміжних філаментів діаметром 10 нм і мікрофіламентів (актинові філаменти) діаметром 6 нм.

Рух клітин, що генерується мікротрубочками і мікрофіламентами, може здійснюватися в основному двома способами: або рухом війок і джгутиків, або амебоподібним рухом.

Рух війок і джгутиків – одна з найпоширеніших форм рухливості, яка притаманна одноклітинним простішим, сперміям, клітинам, що просуваються по яйцеводу. Війки епітеліальних клітин постійно просувають рідину вздовж поверхні клітин. Війки та джгутики – це мініатюрні волосинкоподібні утвори діаметром близько 0,25 мкм на поверхні клітин. Генерація руху у війках і джгутиках здійснюється мікротрубочками, які є стабільними морфологічними структурами. Незважаючи на подібність ультраструктури мікротрубочок, джгутики й війки різних організмів розрізняються за характером їхніх рухів. Джгутик сперміїв і багатьох простіших здійснює хвилеподібні, ундулюючі рухи (слід відрізняти від обертання джгутика бактерій). По всій довжині джгутика поширюються симетричні хвилі вигинів у напрямку від базального тіла до вершини джгутика. Кожна війка здійснює гребний рух. Розрізняють дві фази биття війок: активне пружне, під час якого війка у випрямленому стані проштовхує рідину вздовж поверхні клітини, й зворотнє, за якого війка розслабляється й, вигинаючись, повертається в початкове положення. Кожен цикл війки триває від 0,1 до 0,2 с.

Ділянка війки й джгутика, де відбувається генерація сили, називається аксонемою. Аксонема джгутика є складним комплексом взаємопов'язаних мікротрубочок (рис. 11.32, а). В її центрі розміщена пара мікротрубочок (центральний дублет 1), яка оточена центральною оболонкою 2. На периферії аксонеми розміщуються дев’ять пар мікротрубочок. У кожному периферичному дублеті мікротрубочок одна (основна, або субфібрила А) становить повністю замкнутий циліндр, а друга (субфібрила В) – має серпоподібну форму й незамкнутою частиною примикає до субфібрили А. Усі дев’ять периферичних дублетів з'єднані через стабільні поперечні нексинові містки 7 (складаються з білка нексину). Кожна субфібрила А має подвійний ряд бокових динеїнових ручок 3 довжиною близько 14 нм. З неї виступають у бік центральної оболонки радіальні спиці 4. Усі ці вирости розміщені вздовж субфібрили А на певній відстані: диінеїнові ручки – 24 нм, радіальні спиці – 29 нм і нексинові містки – 86 нм.

Основа джгутика прикріплена до базального тіла, яке розміщене в цитоплазмі клітини. За структурою й функцією базальне тіло схоже на центріоль тваринних клітин; воно об'єднує мікротрубочки в аксонему.

Рис. 11.32. Будова аксонеми джгутика: а – поперечний розріз джугтика: 1 – центральні поодинокі мікротрубочки; 2 – центральна оболонка; 3 – динеїнові ручки; 4 – радіальна спиця; 5 – субфібрила А; 6 – субфібрила В; 7 – нексиновий місток; 8 – мембрана; б – схема, яка показує взаємне ковзання периферичних дублетів мікротрубочок аксонеми (дублет К ковзає вздовж дублету П завдяки дії динеїнових ручок)

Мікротрубочки є головними структурами війок і джгутиків еукаріотичних клітин. Це довгі (кілька мікрометрів) порожнисті циліндри, зовнішній діаметр яких дорівнює 25 нм, а внутрішній – 14 нм. Мікротрубочки складаються з білка тубуліну, який виділяється у вигляді димерів з М = 100 кДа. У свою чергу, димери тубуліну розпадаються на мономерні глобули - і -тубуліну з М = 50 кДа (450 амінокислотних залишків). Подібно до актину або флагеліну, за певних умов мономери тубуліну полімеризуються, утворюючи довгі протофібрили. Полімерізація починається з утворення димерів тубуліну, а потім -тубулін одного димеру зв'язується з -тубуліном слідуючого димеру. Утворюються стрічки з 13 тубулінових протофібрил, які потім скручуються в замкнуті циліндри, як у субфібрили А. Незамкнуті мікротрубочки (субфібрила В) вміщують 10 протофібрил.

З тубуліном мікротрубочок взаємодіють кілька білків, що беруть участь у генерації й регуляції руху. Білок динеїн ( М = 1200–1900 кДа) має АТФазну активність і відіграє основну роль в активному ковзанні дублетів один відносно другого. Нексин з М = 165 кДа отримав цю назву, тому що він зв'язує сусідні дублети мікротрубочок. Він обмежує ступінь зміщення двох сусідніх дублетів при їх ковзанні один відносно одного, і при цьому джгутик тільки вигинається.

Існують дві групи білків, які зв'язані із цитоплазматичними мікротрубочками і позначаються БСМ. Перша група – високомолекулярні БСМ-1 (М = 350 кДа) і БСМ-2 (М = 270 кДа), які присутні, в основному, у мікротрубочках клітин головного мозку. Друга група низькомолекулярних БСМ має назву тау-білки (М = 70 кДа). Усі ці білки сприяють полімеризації тубулінових глобул.

Аксонема генерує рух джгутика за допомогою активного ковзання мікротрубочок. Прямі докази цього було отримано в результаті дослідження на ізольованій аксонемі, обробленій ферментом трипсином. За такої обробки вибірково руйнувалися нексинові містки та радіальні спиці, але залишались інтактними динеїнові ручки. Така аксонема при додаванні до розчину АТФ та іонів Са²⁺ видовжується й стає тонкішою. За відсутності нексинових містків мікротрубочки можуть ковзати одна відносно одної (рис. 11.32, б). Кожна динеїнова ручка (подібно до голівок міозину) утворює поперечний місток із сусіднім дублетом мікротрубочок. При гідролізі АТФ місток розривається, й дінеїнова ручка змінює орієнтацію. Почергове коливання динеїнових ручок викликає взаємне ковзання мікротрубочок доти, поки вони не розділяться. Якщо ж мікротрубочки скріплені нексиновими містками, як в інтактній аксонемі, то при роботі динеїнових ручок відбувається тільки вигинання аксонеми й джгутика. Вибіркове екстрагування динеїну з аксонеми спричинює цілковите припинення руху. Те, що динеїн відповідає за генерацію руху, свідчать дослідження сперміїв людини при одній із форм безпліддя (синдром Картагенера). Такі спермії не здатні рухатись. Електронно-мікроскопічні дослідження показали, що в них периферичні дублети не мають динеїнових ручок.

Крім того, що мікротрубочки мають пряме відношення до руху клітин, вони також є основними компонентами цитоскелета, який підтримує форму клітини. Мікротрубочки цитоскелета є лабільними структурами. Мітотичне веретено  приклад такої лабільної структури. Під час інтерфази мікротрубочки організовуються з клітинного центру і пронизують усю цитоплазму. Однак на самих початкових етапах формування веретена цитоплазматичні мікротрубчки розпадаються. Рух хромосом здійснюється шляхом полімеризації й деполяризації тубулінових глобул. Такі речовини, як колхіцин та колцемід зв'язуються з тубуліновими димерами й перешкоджають полімеризації. Обробка клітин, що діляться, такими алкалоїдами приводить до зникнення мітотичного веретена. Утворення мікротрубочок інгібується також вінбластином і вінкристином. Речовина таксол активує полімеризацію тубулінових глобул і стабілізує мікротрубочки.

Крім суто структурної функції, цитоплазматичні мікротрубочки відіграють головну роль у цитоплазматичному транспорті. Кожна мікротрубочка підтримує транспорт в обох напрямках. У нервових клітинах мікротрубочки транспортують синаптичні везикули, що містять нейромедіатор, до синапсу. Спрямований у бік аксональних закінчень транспорт по мікротрубочках спричиняється білковим мотором кінезином, який за формою є близьким до міозину. Він має дві голівки, де локалізовані АТФазні центри й центри зв’язування з тубуліном, стрижень і пероподібний хвіст. Кінезин (М =380 кДа, довжина 80 нм) складається з двох важких і двох легких субодиниць. Мембрани везикул, які звільнилися після викиду медіатора, збираються в мультивезикулярні тільця й рухаються назад до тіла клітини завдяки цитоплазматичному динеїну (М = 1200 кДа, довжина 45 нм). Цей транспорт здійснюється за допомогою специфічних голівок, що мають АТФазу (аналоги динеїнових ручок в аксонемі). Під час гідролізу АТФ відбувається конформаційна зміна в голівках, а в результаті – активні їх змахи й переміщення транспортуючої частинки. У розслабленому стані голівки повертаються до початкового положення.

Амебоїдний рух - характерний для багатьох клітин таких, як амеби і фібробласти. Цей тип руху охоплює всі форми переміщення клітин за допомогою тимчасово утворених на поверхні клітини виростів, які мають назву псевдоподій. У фібробластів вони звуться ламелоподіями. Амебоїдний рух можливий лише у випадку, коли організм, що переміщується, має можливість прикріплятися до субстрату, до міцної опори. У разі амебоїдного руху основна роль у генерації сили належить мікрофіламентам (актиновим філаментам). Слід зазначити, що, на відміну від війок і джгутиків, де скоротливий апарат є стабільною структурою, мікрофіламенти при амебоїдному русі є динамічним структурами, які оборотно змінюються. Амебоїдний рух вимагає координованої дії багатьох компонентів цитоскелета.

При амебоїдному русі відбуваються структурні зміни цитоплазми, відомі як переходи гельзоль. Центральна частина цитоплазми перебуває в рідкому стані й називається ендоплазмою (золь), периферична – у стані гелю й називається ектоплазмою. Вона утворює потовщений кортикальний шар клітини. Рідинна ендоплазма рухається в бік псевдподії і тут перетворюється на гелеподібну ектоплазму.

Амебоїдний рух генерується скороченням кортикального шару, що зумовлено зфункціонуванням мікрофіламентів, які зутворюються в ектоплазмі. Молекулярний механізм такого руху включає кілька етапів: полімерізацію актину й утворення мікрофіламентів, прошивання актинових філаментів й утворення гелю. При взаємодії з міозином у присутності АТФ та іонів Са²⁺ відбувається ковзання актинових філаментів, прикріплених до мембрани, в результаті чого кортикальний шар скорочується. Після цього актинові філаменти деполімеризуються, і цикл повторюється знову. Мікрофіламенти в цитоплазмі амеби є динамічними структурами. Переходи гель  золь у цитоплазмі зумовлені полімеризацією й деполімеризацією актинових філаментів.

Мікрофіламенти нем'язових клітин складаються в основному з актину (М = 42 кДа), який становить значну частину білка еукаріотичних клітин (наприклад, у фібробластах – до 10 %). У більшості вивчених нем'язових клітин актин перебуває в - і -формах. З актиновими філаментами взаємодіють кілька білків, зокрема міозин. Двоголівковий міозин ІІ (М = 480 кДа), подібний до міозину мязів, агрегує стрижневою частиною й утворює короткі міозинові протофібрили довжиною 300 нм. Такі протофібрили взаємодіють з мікрофіламентами під час генерації руху. Крім того, з грунтової амеби Acanthamoeba castellani було виділено одноголівковий міозин І. Його молекула містить один важкий ланцюг (М = 140 кДа) і два легкі ланцюги (М =16 кДа і М =14 кДа). Міозин І не утворює біполярні протофібрили. Він активується актином тільки у присутності специфічної кінази, яка фосфорилює легкі ланцюги (аналогія з міозином гладеньких м'язів).

У мікрофіламентах міститься нем'язовий тропоміозин. Деякі білки, такі як -актинін і філамін утворюють гнучкі зв'язки між мікрофіламентами, в результаті чого формується тривимірна сітчаста структура. Фібрин зшиває окремі мікрофіламенти в паралельні пучки. Такі білки, як вілін і гельзолін викликають Са²⁺-залежну фрагментацію мікрофіламентів. Білок профілін (М = 160 кДа), зв'язуючись з актиновими глобулами, перешкоджає полімеризації актину.

Деякі хімічні реагенти можуть впливати на полімеризацію й деполімеризацію актину. Речовина цитохалазин В (метаболіт, що виділяється пліснявими грибами) викликає деполімеризацію мікрофіламентів, у результаті чого інгібуються різні форми рухливості: фагоцитоз, цитокінез, локомоція. Фалоїдин, на відміну від цитохалазину В, стабілізує мікрофіламенти.

Цитоплазматичні мікротрубочки й мікрофіламенти мають структурну полярність: два протилежні кінці філамента нарощуються (кінець “+”) і деполімеризуються (кінець ““) з різною швидкістю. Це має важливе значення для закріплення філаментів на мембрані й на різних структурах клітини. Полімеризація й деполімеризація контролюються на обох кінцях філамента кепуючими білками.

У деяких клітинах мікрофіламенти утворюють стабільні структури, наприклад, мікроворсинки епітеліальних клітин кишок або нирок, де забезпечується найбільша площа всмоктування. Серцевина мікроворсинки утворюється пучком із 40 актинових філаментів. Жорсткість такого пучка забезпечується поперечними зшивками за допомогою фімбрину. На поверхні волоскових клітин завитка внутрішнього вуха є мікроворсинки, які називаються стереоцилями. Серцевина стереоцилей також складається з пучка актинових філаментів. Невеликі механічні коливання у стереоцилях перетворюються на електричні сигнали, що передаються в мозок. На волосковій клітині є стереоцилії різної довжини, що дозволяє розрізняти звукові коливання різної частоти.

Найбільш стабільними в цитоскелеті є проміжні філаменти, які виконують головним чином структурну функцію. І снує кілька типів проміжних філаментів. Епітеліальні клітини мають кератинові філаменти. Основними їхніми компонентами є кератиноподібні білки з М = 40–65 кДа. Нервові клітини мають нейрофіламенти. Вони складаються з трьох білків з М = 68 кДа, М =145 кДа і М = 220 кДа. Фібробласти містять у собі філаменти, що складаються з білка віментину (М = 55 кДа).

Мікротрубочки, мікрофіламенти й проміжні філаменти утворюють динамічну взаємопов'язану сітку, яка перебуває під певним контролем і забезпечує зміну форми та рух клітин, а також внутрішньоклітинний транспорт речовин.

357