2.2.2.2. Цитоскелет клетки

Клетки постоянно меняют свою форму, перемещается их содержимое (органеллы, транспортные пузырьки, хромосомы при делении), деформи- руются мембраны, образуя выступы, впячивания, складки. Клетки движу- тся во все стороны, вращаются, вытягиваются, протискиваются сквозь узкие отверстие, захватывают и заглатывают частицы, образуют псевдоподии, размахивают ресничками и жгутиками. И все это разнообразие форм движения клетки осуществляется при помощи ее цитоскелета.

Цитоскелет представляет собой гибкую сложную систему, состоящую из структурных элементов, которые обладают способностью фиксироваться в клетке или быстро распадаться на отдельные строительные блоки и вновь собираться в структуры различной формы; скользить друг относительно друга или относительно других компонентов клетки. Цитоскелет:

1 - служит клетке механическим каркасом, который придает клетке типическую форму и обеспечивает связь между мембраной и органеллами. Каркас постоянно изменяется по мере изменения внешних условий и состояния клетки;

2 - функционирует как «мотор» для клеточного движения. Дви - гательные белки (молекулярные двигатели) содержатся во всех клетках тканей организма. Компоненты цитоскелета определяют направление движения и изменение формы клеток в процессе их миграции, деления и роста; обеспечивают перемещение органелл и движение цитоплазмы;

3 - служит в качестве «рельсов» для транспорта органелл и других крупных комплексов внутри клетки;

4 - компоненты цитоскелета играют важную роль в передаче информации от внешней среды на ДНК ядра, то есть, участвуют в регуляции дифференциальной активности генома.

Цитоскелет представлен микротрубочками и микрофиламентами (рис.102-103), которые образованы рядом белков, способных взаимодействовать друг с другом и родственными им веществами. В результате образуются элементы цитоскелета в виде микротрубочек и микрофиламентов, а также более сложноустроенные структуры, такие как клеточный центр, микроворсинки, реснички, жгутики и мышечные волокна.

Рис.102. Цитоскелет клетки. Микрофотография: синим обозна - чено ядро, красным - актиновые фи- ламенты, зелёным – микротрубочки (Из: Интернет-ресурсы – структура и функции цитоскелета)

Рис. 103. Цитоскелет клетки. Показано взаиморасположение частей цитоске -

лета и их строение (Из: Интернет-ресурсы - структура и функции ци-

тоскелета)

Все белки цитоскелета делятся на основные и вспомогательные.

2.2.2.2.1. Основные белки цитоскелета

Основные белки цитоскелета включают следующие типы белков: тубулин, актин, виментин, кератин, ядерные ламины, белки нейрофиламентов. Эти белки способны объединяться и образовывать линейные массивы свыше 10-15 мкм - филаменты. Процесс образования филаментов - полимеризация (полимеризация – процесс синтеза высокомолекулярных соединений, состоящих из повторяющихся частей) происходит всегда в одном направлении, то есть, белковые молекулы добавляются только к одному концу растущего филамента. Филаменты полярны и имеют структурные различия на концах, обознача­емых плюс-конец (который растет) и минус-конец (который теряет белки до полной стабилиза­ции) (рис.104).

Рис.104. Процесс полимеризации на

«+»-конце и деполимеризации на «–»-конце филамента (Из: Интернет-ресурсы - структура и функции цито-

скелета)

К белкам цитоскелета относятся:

- белки, образующие микрофиламенты: актины, миозины, тропо- модулин, тропонин, тропомиозин; актинин, гельсолин,профилин, титин;

- белки, образующие промежуточные филаменты: кератины, десмин, GFAP, виментин, интернексин, нестин, белки нейрофиламентов, ламины A, B и С;

- белки, образующие микротрубочки: тубулины и белки, связанные с микротрубочками динеины, кинезины, таупротеины, динамины, тектины;

- другие белки, принимающие участие в формировании и функционировании цитоскелета: дистрофин, десмоплакин, плектин, спектрин, талин, винкулин.

Актин - самый распространенный белок клеток (5% от общего количества белка) имеет две формы: глобулярную (G-актин) и фибрил- лярную (F-актин). Глобулярная форма (G-актин) является белком с молекулярной массой 43 кДа, полипептид которого содержит 375 аминокислотных остатков и прочно связан с молекулой АТФ (рис.105,а). Диаметр глобулы 5 нм. Глобула G-актина имеет яйцевидную форму с двумя участками прикрепления: полярную и латеральную. Глобулы нековалентно соединяются вместе полярными участками, образуя актиновую цепь (рис.105,б). Две цепи соединяются латеральными участками; связывание двух параллельных цепей происходит с направленным слегка вправо поворотом, образуя спираль с шагом в 75нм с 17 парами субъединиц в одном витке (рис.105,в). Диаметр спирали 70Аº. Эта спираль называется F-актин и является полимером, в котором мономерами выступают глобулы G-актина. F-актин может распадаться на молекулы G-актина и опять полимеризоваться в спираль. Такие взаимопревращения позволяют клетке собирать и разбирать F-актин в зависимости от нужд клетки. Молекула F-актина напоминает две нитки бус, скрученных друг с другом. Актин сконцентрирован в основном в коре клетки под плазмалеммой. Между этими формами в клетке существует динамичное равновесие.

Рис.105. Структура актинового филамента: А - глобулярный G актин;

Б-полимеризация G-актина:молеку- ла G-актина имеет пару компле- ментарных сайтов: полярный К(выс- туп) и латеральный 3 (замок), кото - рые соединяются, образуя спираль - ный двунитчатый F-актин, состоя - щий из 14 пар молекул G-актина в одном полном витке длиной 77нм. Цитохалазин прекращает присоеди - нение G-актина к филаменту (Из: Де Дюв, 1987)

Тубулин - это димерный глобулярный белок с молекулярной массой 111кДа, состоящий из двух субъединиц α и β (рис.106). Эти субъединицы существуют в шести разных типах, каждый из них кодируется около десятка генами, так что каждая форма существует в виде множества подтипов, специфичных для определенных тканей. Например, тубулин III-β характерен только для нейронов. Кроме того, по одному гену кодируют еще три формы тубулина : δ-, ε-, и γ-тубулин, которые, встречаются в основном в центриолях. α- и β-субъединицы соединяются с образованием гетеродимеров, те, в свою очередь, собираются продольно в протофиламенты при помощи полярных частей по принципу «замок - ключ» (рис.105).

Рис.106. Схема образования микротрубочек. Α- и β–тубулин образуют гетеродимеры (А), которые с соединяется в протофиламент (Б); 13 протофиламентов латерально соединяется (В) с образованием микротрубочек (С). Желтым цветом показаны белки, ассоциированные с микротрубочками (МАР), расположенные в желобках между протофиламентами и выступающие латерально (Из: Де Дюв, 1987)

Виментиноподобные белки. К ним относятся десмин, периферин, виментин. Десмин - основ­ной белок промежуточных филаментов с молекулярной массой 53кДа, который связывает миофибриллы мышц; виментин с массой 54кДа составляет основу различных мезенхимных клеток; периферии характерен для нейронов.

Кератины - семейство фибриллярных белков разнообразного типа с массой от 40 - 70кДа, обладающих прочностью, подобной хитину. Все кератины по вторичной структуре белка делятся на α- и β-кератины. Обладая механической прочностью и нерастворимостью, кератины являются одним из основных компонентов для производных элементов кожи животных, выполняющих защитную функцию. Значительную часть наружного слоя кожи составляют α-кератины. Эластичные α-кератины входят в состав волос, шерсти, ногтей, роговых чехлов рогов когтей и копыт млекопитающих. Чешуйки и когти пресмыкающихся, а также перья, роговой чехол клюва и когти у птиц кроме α-кератинов содержат и более жёсткие β-кератины.

Первичная структура α-кератинов характеризуется высоким содержанием цистеина и множеством S-S-связей; β-кератинов – высоким содержанием глицина с характерной повторяющейся последователь- ностью Г-Ц-Г-А-Г-А-. Чем меньше S-S-связей, тем более упругими и эластичными становятся волокна (кератин волос и шерсти); чем больше S-S- связей, тем тверже волокна (кератин копыт, ногтей и когтей).

Вторичная структура α-кератинов является α-спиралью (волосы,шерсть, рога когти и ногти), β-кератинов – β-структурой, придавая кератиновым волокнам твердость (когти, чешуя рептилий, перья птиц).

Рис.107. Структура кератинового филамента. А - 3 различные полипептидные це -

пи кератина (каждая является правозакрученной α-спиралью или полипептидом с

β-структурой) образуют трехнитчатую левозакрученную спираль длиной 60-90нм;

Б - такие спирали соединяются конец в конец, а также собираются латерально

по 9-10, образуя промежуточный кератиновый филамент с шириной 6.5 нм (Б) (Из: Де Дюв, 1987)

Три разных по аминокислотному составу правозакрученных α-спиралей скручиваются в левозакрученные спирали (рис.107.А), которые соединяются конец в конец, образуя протофибриллу (рис.107,Б); 9-10 протофибрилл собираются латерально, образуя промежуточный керати - новый филамент шириной 6.5нм. В целом образуется система много - жильного каната, в котором молекулы полипептида соединяются дополнительно дисульфиными связями, делая структуру еще прочнее.

Всего известно около 20 различных кератинов в эпителиальных клет- ках человека. Кроме того, описаны 8 изоформ тяжелых кератинов характерных для волос и ногтей. Кератины можно подразделить на два типа: I тип (кислые кератины) имеют 16 изоформ и II тип (щелочные кератины) - 13 изоформ. Кератиновые филаменты могут состоять из разных кератиновых полипептидов и содержаться в эпителиальных клетках, нитях, волосах.

Белки нейрофилламентов составляют основу цитоскелета нейроцита (нервная клетка) и объеденены в 3 класса:

1 - низкомолекулярные белки NF-L с массой 60кДа;

2 - средние белки NF-М с массой 70-100кДа;

3 - высокомолекулярные белки NF-Н с массой 100-130 кДа.

Нейрофилламенты располага- ются вдоль нейрона и сшиваются между С-концами поперечными мостиками, обеспечивающими эластичность нейронных отростков. Нейрофилламенты образуются путем скручивания двух мономеров полипептидов в димер; 2 димера образуют тетарамер. Тетрамер является протофилламентом; 2 протофи- ламента скручивается в протофи - бриллу, последние - в промежу- точный филамент (рис.108).

Рис.108.Структура нейрофиламен- тов: пара филаментов образуют тетрамер; тетрамеры образуют прото- филамент, соединяясь конец в конец или латерально; протофиламенты объединяются в протофибриллу, последние образуют промежуточный филамент (Из: Фаллер, Шилдс, 2004)

Ламины – это фибриллярные белки, обеспечивающие структурную функцию и регуляцию транскрипции в ядре. Белки ламины входят в состав ядерной ламины, которая представляет собой тонкий фиброзный слой, подстилающий внутреннюю мембрану ядерной оболочки (рис.109). Различают 3 типа ламин: А, В и С. Ламины В встречаются во всех клетках, С - в тканеспецифичных, А – в развивающихся. Два из них, ламины A и C, сходны друг к другу иммунологически и по пептидному составу. Ламин B от них отличается, так как, он является липопротеидом и поэтому более прочно связывается с ядерной мембраной. Эта связь с мембранами сохраняется даже во время митоза. Ламины А и С освобождаются при разрушении ядерной ламины в процессе митоза и диффузно распределяются по клетке, так как при фосфорилировании серина в ламинах, они становятся растворимы. По окончанию митоза они вновь образуют ламину, так как, вследствие дефосфорилирования ламин восстанавливается их нераст - воримость, что облегчает восстановление ядерной ламины. Ламины разрушаются во время митоза и восстанавливаются в конце митоза.

Рис.109. Участок ядерной оболочки: А - поверхностно-поперечный срез ядерной оболочки ЦФ - цитоплазматический филамент, ЦК- цитоплазматическое кольцо ядерный поры, НЯМ - наружная ядерная мембрана, ВЯМ - внутренняя ядерная мембрана, РП-радиальные плечи, НК – нуклеоплазменное кольцо , ЯЛ - сетчатая ядерная ламина, ЯПК - ядерный поровый комплекс, РНП - рибонуклеопротеины, связанные с ядерной ламиной, ЯМ – белки ядерного матрикса (Из: Фаллер, Шилдс,2003);

Б – схема поперечного среза ядерной оболочки: 1 – наружная мембраны, 2 - белки ядерног о матрикса, 3 – внутренняя мембрана, 4 – А, Б и С ламины, 5 – хроматин, 6 – ядерная пора (Из: Интернет–ресурсы – структура ядра)