www.pervomed.ru

вызваны генетически обусловленными дефектами структуры и функции белков, осуществляющих транспорт липидов и липоидов (как внутриклеточный, так и межклеточный).

наверх

СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ КЛЕТКИ ЖИВОТНЫХ

Неделящаяся клетка представляет собой сложную мембранную систему, в составе которой выделяют 3 главных субсистемы:

поверхностный аппарат, цитоплазму и ядерный аппарат. Эти субсистемы взаимодействуют друг с другом структурно и функционально, благодаря чему клетка является целостной

простейшей биосистемой.

наверх

ПОВЕРХНОСТНЫЙ АППАРАТ КЛЕТКИ

Поверхностный аппарат (ПА) клетки, или цитотека, это целостная структурно-функциональная клеточная субсистема, осуществляющая множество важнейших для клетки функций. ПА включает 3 взаимодействующих компонента: плазмалемму (наружную клеточную мембрану), надмембранный комплекс, или

гликокаликс, и субмембранный комплекс, или субмембранный

опорно-сократительный аппарат.

Плазмалемма (цитолемма) является наиболее универсальным компонентом ПА клетки и представляет собой типичную

жидкостно-мозаичную мембрану с равным весовым соотношением липидов и белков. В билипидном слое плазмалеммы встречаются различные фосфоглицеро-липиды, гликосфинголипиды и фосфосфинголипиды, а также липоиды (холестерол).

Фосфолипиды являются доминирующей в весовом отношении фракцией билипидного слой плазмалеммы - как правило, их доля составляет более 60% мембранных липидов. Чаще других в плазмалемме представлены фосфатидилхолин, фосфатидилэтаноламин и сфингомиелин.

Гликолипиды в плазмалемме большинства типов клеток составляют не более 10% содержимого билииидного слоя, хотя в клетках миелиновой оболочки нейронов они встречаются чаще других мембранных липидов, достигая 30% количества всех

млекопитающих достаточно велика около 20%. При этом молярное отношение холестерола к фосфолипидам составляет 0.6-0.9 (в зависимости от типа клеток).

Билипидный слой плазмалеммы характеризуется слоевой асимметрией. Остатки жирных кислот липидов наружного слоя (обращенного к внеклеточной среде) более длинные и более насыщенные, т.е. данный слой толще и тверже внутреннего (обращенного к цитоплазме). Очевидно, это связано с необходимостью изоляции содержимого клетки от неблагоприятного действия внешних факторов, действующих исходно именно

www.pervomed.ru

на наружный монослой.

Практически все сфинголипиды (ганглиозиды и сфингомиелины) локализованы в наружном слое плазмалеммы, в котором обнаруживается большая доля фосфатиди.чхолина и отсутствует фосфатидычсерин. Внутренний слой плазмалеммы не содержит сфинголипидов, но включает весь мембранный фосфатидилсерин и большинство мембранного фосфатидилэтаноламина и фосфатидилинозитола.

Асимметрия липидной фазы плазмалеммы создается и поддерживается специальными АТФ-зависимыми мембранными белками флиппазами. Вероятно, она необходима для направленного протекания определенных процессов, в которых участвует ПА клетки.

Белки плазмалеммы разнообразны по структуре и положению в билипидном слое. Большинство их является трансмембранными

ферментами, рецепторами, транспортными и контактными (адгезивными) белками. Функциональный спектр белков плазмалеммы зависит от типа клетки.

Например, в плазмалемме эритроцитов млекопитающих обнаружены трансмембранные белки капнофорин (переносчик анионов) и 4 вида гликофоринов, которые являются уникальными для эритроцитов. С другой стороны, во многих типах клеток обнаруживается более 50 разных видов белков плазмалеммы. Часть из них специфична для данного типа клеток, т.е. представляет собой дифференцировочные маркеры (антигены), как гликофорин в эритроцитах.

Надмембранный комплекс, или гликокаликс, расположен над плазмалеммой и включает 2 основных компонента: углеводный и белковый. Углеводный компонент гликокаликса представлен, главным образом, олигосахаридными и полисахаридными остатками мембранных гликолипидов и гликопротеинов (как трансмембранных, так и периферических). Масса таких углеводных компонентов может составлять 2-10% наружной клеточной мембраны. В гликокаликсе ряда клеток обнаруживаются свободные олиго- и полисахариды, в частности,

гликозаминогликаны.

Белковый компонент надмембранного комплекса включает в себя периферические белки, липопротеины и ацшшротеины, локализованные над билипидным слоем. Количество таких белков в гликокаликсе зависит от типа клеток. Например, в надмембранном комплексе эпителиальных клеток тонкой кишки располагается очень большое количество периферических белковферментов, осуществляющих пристеночное пищеварение. С другой стороны, гликокаликс эритроцитов практически не содержит периферических белков, хотя имеет мощно развитый углеводный надмембранный комплекс.

К белковому компоненту гликокаликса принято относить и некоторые интегральные белки, точнее - их наружные домены. Такие белки зафиксированы в билипидном слое плазмалеммы своими грансмембранными доменами и имеют крупные надмембранные домены, функционирующие во

www.pervomed.ru

сократительной системы (микрофибриллы, скелетные фибриллы и микротрубочки).

В специализированных клетках ТФ могут быть представлены в значительном количестве и выполнять специфичные для данных клеток функции. В настоящее время достаточно обосновано мнение о том, что система ТФ функционирует как один из наиболее лабильных элементов цитоскепета (скелета клетки), ограничивающий спонтанную подвижность, в частности, компонентов COCA.

Микрофибриллы (микрофиламенты, МФ) - универсальный элемент ПА клеток в составе COCA, нитевидные структуры диаметром 5-8 нм. МФ состоят из белка актина и группы дополнительных белков, объединяемых термином «актинсвязывающие белки».

МФ, структурную основу которой составляет актин, называют актиновой МФ, или F-актином (фибриллярным актином). F-актин образуется путем полимеризации молекул G-актина (глобулярного актина), т.е. G-актин является протомером F- актина. Необходимое условие полимеризации G-актина - наличие достаточного количества молекул АТФ и ионов Mg2+.

G-актин представляет собой глобулярный белок, состоящий из одной полипептидной цепи длиной 374 или 375 аминокислотных остатков. Существует несколько форм G-актина, которые кодируются разными генами; у человека обнаружено около 30 "актиновых" генов. Все формы G-актина объединяют в 3 семейства: α-актины, β-актины и γ-актины

α-Актины, или мышечные актины, представлены иолипептидом из 375 аминокислотных остатков и обнаруживаются в клетках исчерченных мышц (скелетная мускулатура и миокард - сердечная мышца). β-Актины и γ-актины, или немышечные актины, состоят из полипеитида длиной 374 аминокислотных остатка и характерны для всех немышечных клеток, а также клеток гладких мышц. G-актины незначительно отличаются друг от друга по первичной структуре, но их третичная структура практически одинакова.

G-актин имеет 2 домена, разделенных глубокой щелью, каждый из которых представлен двумя субдоменами На поверхности молекулы находится большое количество отрицательно заряженных аминокислотных радикалов, причем один из доменов содержит их в большем количестве

Вмеждоменной щели располагается центр связывания АТФ (1 молекула на белок) и ионов Mg2+ (Са2+), а также несколько центров слабого связывания катионов (К.+, Са+2 и Mg2+) Ионы Mg2+ (Ca2t) в центре сильного связывания необходимы для взаимодействия G-актина с АТФ, причем Mg21 выполняет эту функцию более эффективно, чем Са+2. При отсутствии данных двухвалентных катионов центр связывания АТФ не функционирует В результате этого происходит необратимая инактивация G-актина - он теряет способность к полимеризации, формируя беспорядочные агрегаты.

Вклетке осуществляется регулируемая полимеризация G-актина

-образование F-актина. Этот процесс включает 3 этапа:

активацию, инициацию (нуклеацию) и элонгацию.

Активации подвергаются свободные молекулы G-актина, которые связаны с АДФ. В норме этот комплекс ассоциирован с одним из регуляторных актинсвязывающих белков тимозином β4, играющим роль ингибитора полимеризации. В ходе активации G- актина происходит диссоциация тимозина и актина с последующей заменой АДФ на АТФ*Мg+2. Это вызывает определенные изменения конформации белка, необходимые для

www.pervomed.ru

формирования F-актина. При активации G-актин взаимодействует с катионами, которые нейтрализуют отрицательный заряд на поверхности белка, препятствующий полимеризации.

Распад комплекса G-актин-тимозин индуцируется белком профилином, который связан с мембранным липидом фосфатидилинозитолфосфатом. При фосфорилировании этого липида образуется фосфатидилинозитолдифосфат, что приводит к освобождению профилина. Свободный профилин вытесняет тимозин из комплекса с актином, стимулирует замену АДФ на АТФ и отсоединяется, создавая все условия для полимеризации G-актина. Таким образом, внутриклеточным сигналом начала полимеризации G-актина является фосфорилирование инозитолфосфата в составе соответствующего мембранного липида.

Инициация (нуклеация) формирования F-актина заключается во взаимодействии трех активированных молекул G-актина с

взаимодействуют друг с другом определенными субдоменами разных доменов. В результате этого и формируется тримерная затравка специфической конфигурации.

Элонгация (удлинение) представляет собой последовательное присоединение активированных молекул G-актина к затравке, что приводит к образованию и удлинению полимерного F-актина. Характер взаимодействия протомеров с полимером основан на тех же особенностях, которые имеют место при образовании затравок (ассоциация разных доменов). В результате этого формируется спиралевидный полимер (F-актин) диаметром 5-7 нм, который выглядит как правосторонняя двойная спираль, состоящая из двух левосторонних.

В ходе элонгации после взаимодействия протомеров происходит спонтанный гидролиз связанного АТФ и выделение неорганического фосфата, т.е. в составе F-актина G-актин становится связанным не с АТФ, а с АДФ. Гидролиз АТФ в данном случае приводит к изменению конформации протомеров и усилению связи между ними.

Удлинение F-актина при высоких концентрациях свободного G-актина осуществляется на обоих концах полимера. Однако, как правило, на одном из них, который называют плюс-концом, полимеризация идет с большей скоростью, чем на другом, минус-конце. Это обусловлено тем, что на плюс-конце F-актина АТФ еще не гидролизован, а на минус-конце уже гидролизован. Взаимодействие G-актина-АТФ происходит эффективнее с такой же молекулой, чем с G-актином - АДФ, благодаря чему один конец удлиняется быстрее другого в 4-6 раз.

Процесс полимеризации является динамичным и обратимым. Так, при высоких концентрациях свободного G-актина на плюс-конце за 1 сек. присоединяется 70 протомеров и отсоединяются 2, а на минус-конце, - соответственно, 20 и 1. При снижении концентрации протомеров происходит сдвиг равновесия реакции в сторону диссоциации. В результате этого скорость элонгации снижается и наступает равновесное состояние - полимеризация на плюс-конце уравновешивается деполимеризацией на минусконце. В такой ситуации длина F-актина не увеличивается, хотя его состав

www.pervomed.ru

и обновляется. Дальнейшее уменьшение концентрации свободного F-актина приводит к тому, что деполимеризация на минус-конце идет быстрее, чем полимеризация на плюс-конце, т.е. F-актиновая нить укорачивается.

F-актин - структурная основа актиновых МФ, в состав которых входят и неактиновые актинсвязывающие белки (АСБ). Существует группа АСБ, которые стабилизируют структуру F- актина, стабилизирующие АСБ. Наиболее универсальным стабилизирующим АСБ является тропомиозин, для которого известно несколько изоформ (α-, Β-, γ-, δ- и ε-тропомиозин), характерных для разного типа клеток.

Тропомиозин - это фибриллярный белок, состоящий из двух идентичных α-спиральных полипептидов, т.е. гомодимер. Молекула тропомиозина имеет 14 актинсвязывающих центров, благодаря чему взаимодействует с семью молекулами G-актина в составе F-актина, располагаясь в канавке его спирали. На концах молекул тропомиозина расположены центры тандемного взаимодействия друг с другом, т.е. ассоциации по принципу «голова к хвосту».

Молекулы тропомиозина формируют тропомиозиновый тяж, локализованный в спиральных канавках F-актина и стабилизирующий структуру актиновой МФ. Объединение молекул тропомиозина с F-актином и удлинение тропомиозинового тяжа осуществляется в ходе элонгации. В клетках имеется АСБ кофилин, который, взаимодействуя с F-актином, блокирует его связывание с

инициации. Регуляторные АСБ, функционирующие на этане элонгации, можно подразделить на 2 группы: кэпирующие и режущие. В отличие от профилина, эти АСБ взаимодействуют не с G-актином, а с F-актином.

Кэпирующие белки (от англ, cap - шапка) в активном состоянии присоединяются к концам МФ и тем самым регулируют процесс элонгации. Известен гетеродимерный белок, взаимодействующий с плюс-концом МФ, - кэп-белок, который останавливает процесс полимеризации на этом конце, т.е. рост МФ.

Обнаружена группа белков, кэпирующих минус-конец (акументин, β-актинин, спектрин и др.) и блокирующих полимеризацию (или деполимеризацию) на этом конце МФ. В зависимости от концентрации свободного G-актина, последствия действия таких белков могут быть разными: уменьшение, стабилизация или удлинение МФ. Таким образом, активируя или синтезируя те или иные кэпирующие белки, клетка способна тонко регулировать длину актиновых МФ.

К регуляторным АСБ относят режущие белки, которые, присоединяясь к F-актину, вызывают его деполимеризацию или фрагментацию (разрезание длинной нити на несколько более коротких). Часть таких белков (гельзолин, виллин) не требуют

www.pervomed.ru

для своей функции ионов Са2+, т.е. являются Са2+-независимыми.

представлена Са2+-зависимыми белками, активирующимися при определенной концентрации этого иона. Они также присоединяются к плюс-концу и разрезают МФ на короткие фрагменты. Благодаря этому при значительных концентрациях Са2+ в периферической гиалоплазме возможна «взрывная» (очень быстрая) деполимеризация МФ.

Большинство режущих белков - это мономеры с молекулярной массой (45-95 кДа). Однако обнаружены и низкомолекулярные представители этой группы, например, актин-деполимеризующий фактор (19 кДа). Этот белок связывает G-актин, после чего приобретает способность к фрагментации МФ.

Актиновые МФ в COCA выполняют пространственно-организующую функцию, являясь одним из элементов цитоскелета. В частности, они способны взаимодействовать с интегральными белками плазмалеммы и тем самым ограничивать их подвижность в билипидном слое. С помощью МФ, соединяющих мембранные белки, осуществляется определенная пространственная ориентация таких белков по отношению друг к другу в плазмалемме.

Отдельные МФ в клетке могут взаимодействовать друг с другом и формировать сложные структуры. Такое взаимодействие осуществляется с помощью особой группы АСБ - сшивающих белков.

К первой подгруппе сшивающих белков относят элонгирующие белки, структура и функции которых практически не изучены. Тем не менее при определенных условиях они вызывают объединение коротких фрагментов F-актина в длинную МФ, т.е. индуцируют быструю, взрывную полимеризацию.

Вторая подгруппа сшивающих белков (фасцин, фимбрин, виллин и др.) обеспечивает образование пучков МФ. Они, как правило, являются мономерными и соединяют МФ параллельно друг другу - формируют пучок МФ. В зависимости от строения

гомодимерами (филамин, β-актинин, фодрин, актиногелин и др.), с помощью которых образуются сети МФ. Эту подгруппу белков называют желактирующими белками, или желактинами. Данные белки каждым из своих протомеров взаимодействуют с одной МФ, объединяя их непараллельно, в результате чего формируются трехмерные сети МФ, расположенные в периферической гиалоплазме.

Еще одну группу АСБ, которую можно отнести к сшивающим белкам, представляют якорные белки. Функцией таких, в большинстве мономерных, белков (винкулин, талин, спектрин и др.) является прикрепление отдельных МФ, их пучков и сетей к

www.pervomed.ru

существуют и якорные белки, фиксирующие концы МФ или пучков МФ. Такие белки можно относить и к кэпирующим белкам.

Действие сшивающих белков регулируется клеткой: они могут быть инактивированы либо путем расщепления с помощью ферментов протеаз, либо путем фосфорилирования с помощью

протеинкиназ.

Пучки и сети МФ, как и отдельные МФ, являются элементами цитоскелета в составе COCA. Сети МФ могут выполнять и пространственно-организующую роль в отношении белков плазмалеммы, определяя их взаимное расположение в билипидном

слое и ограничивая их подвижность.

Пучки актиновых МФ, прикрепляясь концами к определенным белкам плазмалеммы, выполняют функции нитей натяжения, или стресс-фибрилл, обеспечивая противодействие осмотическому

давлению, направленному на увеличение объема клетки. При разрезании нитей натяжения лазерным лучом происходит набухание (увеличение объема цитоплазмы) клеток, которое может приводить к разрыву плазмалеммы и цитолизу (разрушению

клетки).

Аналогичные последствия вызывает внеклеточная гипотониче-

ская среда (раствор с низкой концентрацией солей). В этом случае в клетку через плазмалемму начинает поступать большое

В клетках эпителия тонкой кишки пучки актиновых МФ являются скелетной основой микроворсинок, увеличивающих площадь поверхности этих клеток, которые осуществляют пристеночное пищеварение и всасывание его продуктов. МФ таких пучков соединены сшивающими белками (виллин и фимбрин) и с помощью якорного белка соединены с мембранным белком участка плазмалеммы, входящего в состав микроворсинки.

Специализированные рецепторные клетки внутреннего уха, волосковые клетки, выполняющие функцию рецепции звуковых сигналов, имеют стереоцилии, содержащие пучок актиновых МФ, соединенный с участками плазмалеммы. С помощью стереоцилий осуществляется восприятие звуковых колебаний даже с очень низкой амплитудой (до 1 нм).

Обнаружены химические вещества, влияющие на полимеризацию МФ. Например, метаболиты некоторых грибов цитохалазины (низкомолекулярные гетероциклические соединения), попав в клетку, взаимодействуют с молекулами свободного G-актина. Такой комплекс присоединяется к плюс-концу МФ, блокируя полимеризацию F-актина, что приводит к его деполимеризации

(разрушению МФ).

Циклический пептид фаллоидин (токсин гриба бледной поганки), напротив, взаимодействует сразу с F-актином, вызывая его суперстабилизацию. В результате МФ теряют способность к деполимеризации, т.е. к перестройке, необходимой в определенных ситуациях.

Известны наследственные болезни, обусловленные дефектами АСБ. К ним относится один из видов миодистрофии (слабости скелетных мышц) - миодистрофия Дюшена. Причина этой болезни - дефицит или нарушение структуры якорного АСБ, названного дистрафином. К 8—13 годам больные данной миодистрофией теряют способность ходить, а в более позднем возрасте многие из них погибают от дыхательной или сердечной недостаточности на

www.pervomed.ru

исключительно у мальчиков.

Дистрофии - полипептид, включающий 3685 аминокислотных остатков и формирующий 4 домена. Один из доменов имеет структуру, сходную с известным сшивающим АСБ α-актинином. Главной функцией дистрофина является прикрепление актиновых МФ к белкам плазмалеммы. В мышечных клетках этот белок необходим для фиксации миофибрилл (сократительных мышечных фибрилл) к плазмалемме мышечного волокна (сарколемме). Дефекты структуры дистрофина вызывают нарушение сократительной функции мышечных клеток, что и приводит к развитию симптомов миодистрофии.

Актиновые МФ в клетке являются не только элементами цитоскелета, но и компонентами одной из универсальных двигательных внутриклеточных систем - актомиозиновой системы_ (АМС). В состав АМС входит также двигательный белок миозин. В настоящее время известны 3 варианта этого белка: миозин I («одноголовый» миозин), миозин II («двухголовый»

миозин) и миозин V.

Миозин II (М II) представляет собой гетерогексамер, молекулярная масса которого достигает 500 кДа. В молекуле имеется 3 разных цепи (полипептида): тяжелая цепь (ТЦ), легкая структурную цепь (ЛСЦ) и легкая регуляторная цепь (ЛРЦ). Таким образом, в молекуле М II присутствуют по две одинаковых ТЦ, ЛСЦ и ЛРЦ.

ТЦ (1200 аминокислотных остатков) имеет 2 домена: глобулярный (головку), включающий чуть больше 800 аминокислотных остатков, и фибриллярный (стержень), длина которого составляет 150 нм, а толщина - 2 нм. Глобулярная ЛСЦ взаимодействует с ТЦ в проксимальной области головки, а ЛРЦ - на границе головки и стержня. Молекулярная масса каждой из ЛЦ составляет около 20 кДа.

При образовании МII три разных полипептида формируют гетеротример с крупной головкой и длинным стержнем. Фибриллярный стержень такого тримера является α-спиральным, благодаря чему стержневые участки двух одинаковых тримеров взаимодействуют друг с другом. В результате этого формируется молекула МII, состоящая из двух головок и общего двухспирального стержня.

В жестком стержне МII имеются 2 гибких (шарнирных) участка в середине стержня и на его границе с головкой. Они обеспечивают изменение положения головки по отношению к стержню, а также сгибание стержня в его центральном участке.

Главная функция стержня - формирование миозиновых филаментов. В немышечных клетках и клетках гладких мышц образуются тонкие миозиновые филаменты путем взаимодействия двух молекул МII своими дистальными участками стержня по принципу «хвост к хвосту». В результате этого формируется тонкий миозиновый филамент, на обоих концах которого находятся двойные головки.

В клетках исчерченных мышц (скелетных и сердечной) обнаруживаются более длинные толстые миозиновые филаменты. Они состоят из большого количества молекул МII, взаимодействующих друг с другом двумя способами. Первый из них - антипараллельный, характерный для образования и тонких миозиновых филаментов.

При втором способе молекулы МII объединяются параллельно друг другу различными районами дистальной части стержня. В результате таких взаимодействий формируется биполярный толстый миозиновый филамент. В центре филамента расположена зона, не имеющая головок, а на концах - две зоны, на поверхности которых спирально расположены многочисленные (около 500) двойные миозиновые головки.

www.pervomed.ru

Функции миозиновых головок обусловлены наличием в каждой из них АТФазного центра и нескольких актинсвязывающих центров. В АТФазном центре осуществляется присоединение и гидролиз АТФ (ATфазная реакция, которая является Мg2+- зависимой). В ходе АТФазной реакции происходит изменение конформации головки, в результате чего изменяется ее сродство к F-актину и положение по отношению к стержню.

Находясь в комплексе с АТФ, головка миозина не обладает сродством к F-актину. Гидролиз АТФ приводит к тому, что в АТФазном центре оказывается комплекс АДФ-Фн (неорганический фосфат), вызывающий изменение конформации головки. Новое конформационное состояние головки характеризуется активацией ее актинсвязывающих центров, в результате чего головка взаимодействует с F-актином.

Связывание головки с F-актином, в свою очередь, приводит к дальнейшему изменению ее конформации и выводу Фн из АТФазного центра. Следствием этого является формирование сильных связей между головкой миозина и F-актином, изменяющее положение головки по отношению к стержню миозина (осуществление рабочего хода головки). Таким образом, рабочий ход головки обеспечивает движение молекулы миозина по F-актину.

Новый цикл работы АМС начинается с замены АДФ в головке миозина на молекулу АТФ. Это событие приводит к изменению конформации головки, потере ее связи с F-актином и

миози-новые филаменты (тонкие или толстые) с головками на обоих концах -бипо:1ярн_ые_миозиновые филаменты. С одной стороны, это дает возможность взаимодействия с двумя (или более) параллельно расположенными МФ. Однако, с другой стороны, головки таких миозиновых филаментов должны «шагать» по МФ в разных направлениях.

В результате этого происходит движение не миозиновых филаментов по МФ, а МФ по отношению к миозиновому филаменту, причем разные МФ перемещаются в противоположных направлениях. Таким образом, мирзиновые филаменты в АМС обеспечивает взаимное скольжение МФ, связанных с головками разных концов миозинового филамента.

Если концы МФ прикреплены к белкам плазмалеммы, работа АМС приводит к их сближению в билипидном слое, что имеет функциональное значение для определенных мембранных белков. Когда мембранные белки или белковые комплексы зафиксированы в плазмалемме достаточно жестко, действие АМС приводит к сокращению клетки, что является важнейшей функцией мышечных клеток.

В клетках исчерченной мускулатуры функциональной единицей

www.pervomed.ru

АСБ: кальдесмона и кальпонина.

При низких концентрациях Са в гиалоплазме оба белка связаны с F-актином МФ, блокируя взаимодействие миозиновых головок с МФ и их АТФазную активность. При повышении концентрации Са2+ ионы связываются белком кальмодулином, который активирует 2 разных фермента с функциями протеинкиназ. Одна из протеинкиназ катализирует фосфорилирование и кальдесмона, и кальпонина, вызывая инактивацию этих регуляторных белков и снимая блок взаимодействия миозиновых головок с МФ.

Другая протеинкиназа (киназа легкой цепи миозина) обеспечивает фосфорилирование ЛРЦ, активируя АТФазную и актинсвязывающую функции головок миозина (что происходи! и в немышечных клетках). В результате Са-зависимая инактивация АСБ (кальдесмона и кальпонина) и активация головок миозина приводит к индукции функционирования АМС в гладкомышечных клетках. Данный способ регуляции можно обозначить как регуляцию актин-миозинового типа.

осуществляется прикрепление пучка актиновых МФ к плазмалемме в микроворсинках клеток эпителия тонкой кишки. Не исключено, что молекулы MI, проявляя АТФазную активность, могут изменять высоту микроворсинок - перемещать пучок МФ в вертикальном направлении.

MI принимает участие в "распластывании" внутриклеточных мембранных структур. В частности, являясь мембранным компонентом цистерн комплекса Гольджи, молекулы одноголового миозина взаимодействуют с МФ. Так как эти МФ расположены между цистернами, такое взамодействие делает их

цитоплазматических пузырьков. В таком случае АТФазная активность головки позволяет обеспечивать движение мембранных пузырьков вдоль актиновых МФ.

MI является белком, состоящим из разных полипептидов - одной тяжелой цепи (ТЦ) и однойтрех легких кальмодулиновых цепей. ТЦ формирует 2 домена: глобулярный (головку) и короткий фибриллярный (стержень). В головке MI, как и МII, имеются АТФазный центр и актинсвязывающие центры, благодаря чему MI может связываться с актиновыми МФ и двигаться по ним.

Стержень MI является намного более коротким, чем стержень МII, поэтому молекулы миозина I не взаимодействуют друг с другом и не формируют двухголовых молекул, как МII. Однако стержень MI имеет участок связывания с определенными компонентами мембран, в том числе и плазмалеммы. С этой точки зрения, MI можно называть мембранным миозином.

Активность MI, как и МII, регулируется клеткой. Одним из известных механизмов регуляции является фосфорилирование-дефосфорилирование головки, т.е. регуляция миозинового типа. Однако в этом случае функционирует особая протеинкиназа - киназа ТЦ MI, которая неактивна в отношении ТЦ МII. Наличие в структуре MI легких кальмодулиновых цепей указывает на возможное участие в регуляции ионов Са2+.

Миозин V (MV) представляет собой разновидность двухголового миозина, неспособного формировать миозиновые филаменты (ни тонкие, ни толстые). Концом своего стержня он прикрепляется к внутриклеточным мембранным пузырькам и, благодаря АТФазной активности головок, обеспечивает движение пузырьков вдоль актиновых фибрилл. В частности, таким способом происходит транспорт мембранных пузырьков с нейромедиаторами к пресинаптической мембране окончаний аксонов нейронов (по самому аксону пузырьки двигаются другим способом).

Молекула MV состоит из двух идентичных тяжелых цепей, каждая из которых формирует головку с АТФазным центром и стержень. Первичная структура стержней такова, что они взаимодействуют друг с другом только районами, прилегающими к головке. В результате дистальный конец молекулы оказывается раздвоенным, V-образным, что и отражено в названии

www.pervomed.ru

полимеризоваться двумя вариантами, так как каждый белок СФ способен взаимодействовать своим глобулярным концевым доменом как с глобулярным доменом другой молекулы (по типу «голова к хвосту»), так и с центром фибриллярного домена другого тетрамера. В результате этих взаимодействий формируется СФ диаметром около 10 нм, состоящая из 8 длинных протофиламентов, объединенных друг с другом по принципу «кирпичной кладки».

Такой характер сборки СФ определяет их высокую устойчивость к физическим воздействиям. Если в клетке синтезируются разные белки СФ, они принимают участие в образовании гибридной СФ. Например, в эпителиальных клетках одна и та же СФ может содержать различные виды кератинов (белков СФ типа I).

Условия полимеризации белков СФ изучены недостаточно: не исключено, что в клетке происходит самопроизвольная сборка этих элементов цитоскелета. Они могут фосфорилироваться специальной протеинкиназой, что вызывает деполимеризацию СФ. Если существуют протеинкиназы, способные фосфорилировать отдельные белки СФ, это может быть механизмом контроля и процесса полимеризации. В таком случае дефосфорилирование белков служило бы условием (пусковым сигналом) их полимеризации.

СФ способны взаимодействовать с определенными белками.

десмоплакинами. Белок филаггрин может связываться со СФ, в результате чего образуются пучки СФ. В ядре СФ могут

взаимодействовать с рецептором ламина В.

Учитывая свойства и роль СФ, важным параметром нормальной жизнедеятельности клетки является их количество. Например, увеличение числа СФ должно приводить к нарушениям клеточных функций, что подтверждается существованием наследственных

болезней, обусловленных подобными изменениями.

Такие аномалии выявлены в клетках миокарда (сердечной мышцы), что является причиной кардиомиопатий (нарушений работы клеток сердечной мышцы), в аксонах двигательных нейронов, что вызывает миодистрофии (слабость скелетных мышц), в нейронах головного мозга, что вызывает определенные

формы старческого слабоумия.

Наследственный дефект кератина14 (отсутствие концевых доменов этого белка) приводит к внутриутробной гибели плода.

В данном случае измененный кератин14 взаимодействует с

химические вещества, в частности, этанол при неумеренном и длительном употреблении. В результате у хронических алкоголиков обнаруживается избыток СФ в эпителиальных клетках и, особенно, клетках печени.

головного мозга, что может быть одной из причин психической деградации хронических алкоголиков.

Тот факт, что в клетках разных типов синтезируются

www.pervomed.ru

различные белки СФ, нашел применение в диагностике метастазов

(вторичных опухолей). Если в клетках опухоли тип СФ соответствует таковому клеток ткани, в которой она выявлена,

ситуации необходимо проводить поиск метастазирующей опухоли, в чем помогает знание качественного состава СФ других тканей - СФ метастаза должны соответствовать СФ ткани (органа), где локализована первичная опухоль.

Таким образом, СФ являются важнейшим и универсальным элементом цитоскелета, хотя в некоторых специализированных клетках они отсутствуют (определенные клетки нейроглии). СФ способны взаимодействовать друг с другом, МФ и микротрубочками, формируя сложные структуры. Кроме того, СФ

представленный практически во всех эукариотических клетках. МТ, в отличие от СФ и МФ, являются полыми белковыми структурами диаметром 22-25 нм и толщиной стенки около 6 нм. Сборка МТ происходит путем полимеризациии белков тубулинов, в результате чего длина МТ может достигать нескольких десятков мкм. В клетках МТ выполняют 2 важных функции: входят в состав цитоскелета (опорная функция) и одной из двигательных систем клетки- тубулин-транслокационной системы.

Структурную основу МТ составляют белки тубулины. Кроме того, в МТ обнаруживаются и другие белки, объединяемые термином «ассоциированные с микротрубочками белки», или MAPs

(от англ, microtubule-associated proteins). Их доля в составе МТ может достигать 20% всех белковых компонентов.

Тубулины - это мономерные глобулярные белки, содержащие около 450 аминокислотных остатков. Их размеры составляют около 6 нм. Известны 3 вида тубулинов: α-тубулин, β- тубулин и γ-тубулин, причем для α- и β-тубулинов существуют структурные варианты (изоформы). Виды тубулинов кодируются отдельными генами, число которых может достигать 20 для каждого.

Основная масса клеточных тубулинов (99%) представлена α- и (β-тубулинами в эквимолярном соотношении. Именно эти тубулины являются компонентами МТ. Минорная фракция тубулинов (1%), γ-тубулин, в МТ не обнаруживается; практически весь он локализован в клеточном центре, или центросоме. Считается, что γ-тубулин необходим для инициации сборки_МТ.

Тубулины являются гуанилатсвязывающими белками, т.е. имеют центр взаимодействия с молекулой ГТФ и Mg2+. Комплекс ГТФ-Mg2+ необходим для активации этих белков - приобретения ими способности к полимеризации. В этом отношении тубулины проявляют сходство с G-актинами. После активации α- и β- тубулины образуют стабильные гетеродимеры, состоящие из одной молекулы а-тубулина и одной молекулы р-тубулина, каждая из которых связана с комплексом ГТФ-Mg2+. Формирование

www.pervomed.ru

катализируемая специальными ферментами. В частности, тубулин-ацетилтрансфераза обеспечивает ацетилирование α-тубулина по лизиновому остатку после того, как димер включился в МТ. Такая модификация снижает вероятность деполимеризации, т.е. способствует росту МТ на плюс-конце. Ацетилированные димеры, вышедшие из состава МТ, дезацетилируются с помощью тубулиндезацетияазы.

Тубулиндетирозилаза катализирует удаление концевого остатка тирозина в α-тубулине после включения димера в МТ. Эта модификация также препятствует деполимеризации. Детирозилированные свободные молекулы тубулина вновь тирозилируются под контролем фермента тубулин-тирозинлигазы.

повышении концентрации Са в гиалоплазме. Ионы Са-связываются белком кальмодулином, который активируется ими и стимулирует процесс деполимеризации МТ. Очевидно, повышение концентрации Са+2 является основным клеточным механизмом индуцируемой разборки МТ.

В МТ обнаруживаются и нетубулиновые, высокомолекулярные и низкомолекулярные, ассоциированные с МТ белки (АМБ): MAP1 (А и В), МАР2 (А, В и С), MAPU, МАРτ (тау-белок), STOP, синапсин 1 и др. Для ряда АМБ известно, что их взаимодействие с МТ регулируется путем фосфорилирования протеинкиназами - чем больше степень фосфорилирования АМБ, тем прочнее их ассоциация с МТ. Взаимодействуя с МТ, АМБ могут выполнять регуляторные и структурные функции.

Регуляторные функции АМБ проявляются в стимуляции роста МТ, что достигается подавлением ими процесса деполимеризации. С этой точки зрения, регуляторными АМБ можно считать и ферменты, регулирующие полимеризацию:

тубулин-ацетилтрансферазу, тубулин-детирозиназу и нуклеозиддифосфаткиназу.

Среди АМБ обнаружены кэп-белки, взаимодействующие с

элементами ПА клетки: СФ, МФ и мембранными белками.

Особые АМБ обеспечивают образование специализированных структур, состоящих из МТ. К ним относятся дублеты и триплеты МТ. В состав дублета входит одна «полная» МТ, включающая 13 тубулиновых протофиламентов (МТ-А), и одна «неполная», содержащая 10 тубулиновых протофиламентов (МТ-В). С помощью определенных АМБ МТ-В присоединяется к МТ-А таким образом, что обе они формируют единый комплекс с общими тубулиновыми протофиламентами.

В триплет МТ, кроме МТ-А и МТ-В, характерных для дублета, входит еще одна «неполная» МТ, содержащая 10 тубулиновых протофиламентов - МТ-С. Она присоединяется к МТ-В таким же способом, как МТ-В к МТ-А (латерально по всей длине). Эти комплексы МТ входят в состав ресничек и жгутиков (дублеты) или центриолей (триплеты).

Одной из универсальных клеточных функций МТ является опорная - они представляют собой элемент цитоскелета, определяя форму клеток и других мембранных структур. В частности, кольцевой пучок МТ служит главным элементом скелета тромбоцитов, придающим этим элементам крови

www.pervomed.ru

дисковидную форму. В фибробластах (клетках рыхлой соединительной ткани) и эпителиальных клетках МТ, взаимодействуя с белками плазмалеммы, обеспечивают их асимметричную форму (поляризацию).

Другая функция МТ заключается в том, что они представляют собой компоненты еще одной универсальной двигательной системы клетки – тубулин-транслокаторной системы ТТС). Собственно двигательную роль в ТТС играют белкитранслокаторы, которые рассматриваются как особая группа АМБ

-двигательные АМБ.

Транслокаторы структурно и функционально аналогичны миозинам (двигательным белкам актомиозиновой системы). Они имеют глобулярные моторные домены (головки), способные присоединять и расщеплять нуклеозидтрифосфаты (АТФ, ГТФ и др.). Присоединение и гидролиз соответствующих трифосфатов приводит к изменению конформации головок и характера их

перемещаться вдоль МТ, используя энергию трифосфатов. Другим доменом (стержнем) транслокаторы способны взаимодействовать с определенными мембранными белками или структурными АМБ. В настоящее время выявлено несколько групп транслокаторов:

кинезины, динеины и динамины.

Кинезины, благодаря нуклеозидтрифосфатазной активности моторного домена, перемещаются по МТ только в одном направлении: от минус-конца к плюс-концу. Взаимодействуя (мембранными пузырьками, кинезины обеспечивают их антероградный транспорт (от центра клетки к ПА клетки).

Кинезины представляют собой гетеротетрамеры, состоящие из двух тяжелых (120 кДа) и двух легких (62 кДа) цепей, которые формируют молекулу длиной 90 нм с двумя головками (моторными доменами) на одном конце. На другом конце молекулы имеется веерообразный стержень, с помощью которого кинезины способны взаимодействовать с белками стенок мембранных пузырьков.

Наибольшее содержание кинезинов характерно для нейронов, где они обеспечивают транспорт мембранных пузырьков с нейромедиаторами от тела нейрона по аксону к преси-наптической мембране. С помощью кинезина осуществляется антероградный транспорт и других мембранных внутриклеточных пузырьков, например, меланосом (пигментных гранул) в пигментных клетках и лизосом во всех клетках.

Данная ТТС способна функционировать путем гидролиза любых рибонуклеозидтрифосфатов. Однако максимальная скорость антероградного транспорта наблюдается при

использовании АТФ и снижается в ряду АТФ>ГТФ>ТТФ>УТФ>ЦТФ

Если функции моторных доменов кинезина нарушены (наследственные изменения структуры белка) или подавлены (например, специфическими антителами), в клетке прекращается только антероградный транспорт мембранных пузырьков.

Динеины представляют собой более разнообразную группу двигательных АМБ, формирующих тубулин-динеиновые системы. Наиболее универсальным является цитоплазматический динеин, количество которого очень велико в нейронах.

В состав цитоплазматического динеина входят 2 тяжелые цепи (400 кДа) с глобулярным моторным и фибриллярным стержневым доменами. Благодаря этому формируется молекула двухголового динеина, содержащая также несколько легких цепей. Моторные домены этого динеина обладают узкой специфичностью в отношении способности гидролиза нуклеозидтрифосфатов - используют только АТФ.

www.pervomed.ru

Цитоплазматический динеин, как и кинезин, выполняет транслокаторную функцию - транспортирует мембранные пузырьки вдоль МТ. Однако, в отличие от кинезина, динеин двигается но МТ от плюс-конца к минус-концу, осуществляя ретроградный транспорт (от ПА клетки к ее центру).

В нейронах ретроградному транспорту подвергаются мембранные пузырьки, выделившие нейромедиаторы в синаптическую щель. Выполнив свою функцию, они возвращаются по МТ аксона в тело нейрона, где вновь «загружаются» нейромедиаторами.

относятся реснички, характерные для ряда эпителиальных клеток (ресничный эпителий), и жгутики, гомологом которых являются хвосты мужских половых клеток сперматозоидов.

В составе данных динеинов обнаруживаются 3 вида тяжелых цепей (более 400 кДа): α-, β- и γ-цепи, а также набор легких и промежуточных цепей (10-80 кДа). Тяжелые цепи динеинов этой подгруппы имеют длинный фибриллярный (стержневой) и глобулярный (моторный) домены, благодаря чему могут формироваться одноголовые, двухголовые и трехголовые молекулы (по числу тяжелых цепей в них). Моторные домены имеют АТФазный центр и центры связывания с тубулином (МТ), благодаря чему могут двигаться вдоль МТ от плюс-конца к минус-концу, т.е. ретроградно.

Стержневой домен «реснично-жаугиковых» динеинов способен прочно связываться с МТ, в результате чего на ней образуются динеиновые ручки. Наличие динеиновых ручек позволяет этой МТ двигаться вдоль другой за счет работы моторных доменов, расщепляющих АТФ. Именно такой механизм и обеспечивает взаимное скольжение дублетов МТ ресничек и жгутиков, в результате чего изменяется форма этих органоидов. Изменение формы жгутика обеспечивает или движение клетки в жидкой среде (сперматозоиды) или движение жидкой среды (слизи) по отношению к клетке (ресничный эпителий слизистых).

изучены недостаточно. Известно, что они обладают ГТФазной активностью, позволяющей им двигаться по МТ от плюс-конца к минус-концу, т.е. ретроградно. При взаимодействии с МТ динамин вызывает формирование гексагонально упакованных пучков МТ, которые "расползаются" при добавлении ГТФ.

В эукариотических клетках обнаружены транслокаторы, не входящие в группы кинезинов, динеинов и динаминов. В частности, известен транслокатор, способный передвигаться по МТ в обоих направлениях (и антерофадно, и ретрофадно). Этот транслокатор выявляется в цитоплазматических пучках МТ, где он обеспечивает скольжение МТ относительно друг друга, индуцируемое добавлением АТФ

Таким образом, МТ представляют собой важный элемент COCA, взаимодействующий структурно и функционально с другими его элементами. МТ являются одной из составляющих цитоскелета, выполняя опорную и пространственно-организующую функцию. С другой стороны, МТ необходимы для осуществления определенных вариантов движения клеточных компонентов, являясь элементом

тубулин-транслокаторной системы.

Благодаря этому нарушение структуры и функций МТ приводит к неблагоприятным последствиям в отношении жизнедеятельности клеток.

На процессы полимеризации-деполимеризации тубулинов влияют определенные физические факторы. В частности, повышенное давление и пониженная температура вызывают разрушение (деполимеризацию) МТ, что следует учитывать в случаях длительного

www.pervomed.ru

переохлаждения организма, использования баротерапии (лечения в барокамере при повышенном давлении) и работе водолазов на больших глубинах.

Эффект пониженной температуры менее всего сказывается в нейронах, где до 60% МТ являются холодоустойчивыми. Эта устойчивость определяется связью МТ с одним из структурных АМБ-STOP. Повышенная температура, напротив, стимулирует

полимеризацию МТ, что также нарушает функции клеток.

Этанол (алкоголь) вызывает разрушение МТ. Это может быть

одной из причин психической деградации хронических алкоголиков, так как МТ играют важнейшую роль в транспорте мембранных пузырьков с нейромедиаторами в клетках мозга. При этом уменьшение числа МТ в клетке приводит к увеличению количества СФ, что вносит свой вклад в нарушение функций клеток, особенно нейронов.

может быть причиной нарушения функций клеток организма.

Растительные алкалоиды колхицин, винбластин и винкристин

связываются с димерами тубулинов, которые, присоединяясь к плюс-концу МТ, блокируют полимеризацию и вызывают деполимеризацию (разрушение) МТ.

Аналогичным эффектом обладает синтетический химический препарат нокодазол, взаимодействующий с МТ и дестабилизирую-

противоопухолевых лекарственных препаратов цитостатиков, так как они блокируют деление раковых клеток, для которого

необходима система МТ (веретено деления).

Растительный препарат тиксол присоединяется к МТ и блокирует их разборку (деполимеризацию) даже при действии деполимери-зующих МТ агентов. Кроме того таксол связывает свободные молекулы тубулина в беспорядочные агрегаты, что вызывает дефицит свободных тубулинов и подавляет процессы

формирования новых МТ и рост уже имеющихся.

В результате клетка теряет способность формировать

веретено деления (или разбирать его) и, соответственно, делиться. Благодаря этому таксол также используют как противоопухолевый, цитостати-ческий препарат.

Наследственные нарушения структуры тубулинов, вероятно, практически несовместимы с жизнью клеток и организма из-за важности функций МТ. Однако известны наследственные болезни, причиной которых является нарушение функций тубулиндинеиновой системы ресничек и жгутиков.

К таким болезням относится синдром неподвижных ресничек, или первичная цилиирная дискинезия (ресничковая неподвижность). Наиболее часто встречается вариант этой болезни, известный под названием синдром Картагенера, который обусловлен дефектом динеиновых ручек. Потеря