Промежуточные филаменты

Название «промежуточные филаменты» отражает тот факт, что по своей толщине они занимают промежуточное место между микрофиламентами и мимикротрубочками. Они характеризуются рядом особенностей, отличающих их от микрофиламентов и микротрубочек. Так, белки, образующие промежуточные филаменты, являются не глобулярными, как актин и тубулин, а фибриллярными. Объединяясь в продольные пучки, они образуют длинные нити, напоминающие переплетенные канаты (рис.37). Белки этих структур обладают тканевой специфичностью, а также выполняют только каркасную функцию.

Промежуточные филаменты встречаются в клетках всех типов животных, но не обнаружены в растительных клетках (кроме белков ядерной ламины). Промежуточные филаменты обладают высокой стабильностью, прочностью, химической и физической устойчивостью, поэтому их роль наиболее велика в тканях, испытывающих механические нагрузки, как, например, в эпителиях или мышечных волокнах.

В настоящее время все известные промежуточные филаменты разделены по их первичной структуре на 4 большие группы:

1 тип включает в себя кератины эпителиальных тканей;

2 тип объединяет виментин тканей, имеющих мезенхимное происхождение (клетки соединительной ткани, крови и эндотелия кровеносных сосудов); десмин, встречающийся в клетках и волокнах мышечной ткани; глиальные филаменты астроцитов и некоторых шванновских клеток

3 тип– нейрофиламенты аксонов и дендритов нервных клеток;

4 тип – белки ядерной ламины, раположенные на внутренней поверхности ядерной мембраны. Они синтезируются во всех клетках эукариот.

Рис. 37. Изображение промежуточных филаментов в разных клетках, полученное с помощью электронного микроскопа:

а – нейрофиламенты в аксоне нейрона; б – глиальные филаменты в астроците

В пределах одного типа промежуточных филаментов могут встречаться подтипы. Наиболее многочисленны они в эпителиальных тканях. В клетках разных морфологических типов эпителия выделено 20 форм кератинов и еще 10 форм – найдено в производных эпидермиса - ногтях и волосах. Как правило, различные эукариотические клетки содержат ядерные ламины и по крайней мере один тип цитоплазматических белков. Однако втречаются клетки, например, некоторые эпителиальные клетки, которые содержат и кератиновые и виментиновые филаменты.

Несмотря на большое разнообразие промежуточных филаментов, они обладают некоторым биохимическим и структурным сходством. Во всех белковых молекулах, из которых построены промежуточные филаменты, есть гомологичный центральный участок вытянутой формы, длина которого строго постоянна (рис. 38). Составляющие его аминокислотные остатки у разных промежуточных филаментов идентичны на 30-70%. Этот домен обладает α-спиральным строением и является структурной основой при сборке промежуточных филаментов. В отличие от него, оба концевых домена не имеют α-спирального строения и содержат разные аминокислотные последовательности, а их длина варьирует у разных представителей. Именно глобулярные домены на обоих концах полипептидов обусловливают разнообразие свойств промежуточных филаментов.

Рис. 38. Общая схема строения у промежуточных филаментов в клетках различного происхождения

При формировании промежуточных филаментов стержневые α-спиральные домены взаимодействуют друг с другом, образуя жесткую сердцевину, тогда как концевые глобулярные домены выступают с поверхности промежуточных филаментов наружу. Такие димеры, объединяясь бок к боку, формируют тетрамерные протофиламенты. Окончательная более толстая и длинная фибрила образуется из 8 протофиламентов, которые связываются продольно со сдвигом относительно друг друга. Такое расположение тетрамеров обеспечивает эластичность этих филаментов.

Ядерная ламина, в отличие от цитоплазматических промежуточных филаментов, образует высокоупорядоченные двумерные сети в виде прямоугольной решетки, способной быстро разбираться во время митоза и восстанавливаться при возвращении клетки в интерфазу (рис. 39). Такая высокая динамичность обусловлена фосфорилированием нескольких аминокислот в белковых молекулах, вызывающем обратимую диссоциацию ядерной ламины в период вступления клеток в митоз, и их дефосфорилированием в конце митоза.

Рис. 39. Изображение ядерной ламины, полученное с помощью электронного микроскопа

Считается, что промежуточные филаменты играют в клетке только структурную роль, обеспечивая главным образом механическую поддержку клетки и ее ядра. В некоторых типах эпителиальных тканей они принимают участие в формировании клеточных контактов. В частности, в эпидермисе пучки кератиновых филаментов связаны со специализированными участками плазматической мембраны соседних клеток – десмосомами. Это обеспечивает плотную упаковку эпителиальных клеток, благодаря которой эпителий в целом приобретает высокую устойчивость к воздействию внешних нагрузок.

В некоторых неэпителиальных клетках промежуточные филаменты соединены с расположенной под плазматической мембраной сетью из актина и спектрина. В эритроцитах птиц виментиновые филаменты связаны с плазматической мембраной через актинсвязывающий белок анкирин, а в жировых клетках они окружают и поддерживают крупные жировые капли. В аксонах нервных клеток нейрофиламенты создают своеобразный каркас, обеспечивающий прочность отростков. В то же время наличие поперечных мостиков между концевыми участками белков придают длинным отросткам гибкость и эластичность. В поперечно-полосатых мышечных волокнах десмины, скрепляют края Z-дисков и соединяют их друг с другом как внутри одной миофибриллы, так и расположенных соседних миофибрилл, а также связывает Z-диски с плазматической мембраной.

Вместе с тем, благодаря наличию у промежуточных филаментов вариабельных участков, они обладают способностью к самосборке, а также к взаимодействию с другими элементами цитоскелета или с плазматической мембраной. Как и в случае микрофиламентов и микротрубочек, где приспособление к выполнению различных функций осуществляется с помощью актинсвязывающих белков, и белков, ассоциированных с микротрубочками, такое взаимодействие с другими клеточными компонентами может обеспечивать приспособление к различным нуждам клетки.

В живой клетке отдельные компоненты опорно-двигательной системы связаны в единое целое, а их функции строго скоординированы. Микрофиламенты, микротрубочки и промежуточные филаменты и связанные с ними белки способны к самопроизвольной сборке с формированием сложной сети белковых нитей, играющей ведущую роль в определении формы клетки и структурной организованности содержимого цитоплазмы. Различные составные элементы цитоскелета не только служат каркасом для прикрепления цитоплазматических компонентов, но и совместно участвуют в движении.