Цитоскелет

Цитоскелет, или опорно-двигательная система эукариотической клетки, представляет собой динамичную внутриклеточную сетчатую структуру, состоящую из белковых нитей (филаментов) и трубчатых элементов. Компоненты цитоскелета являются немембранными органеллами цитоплазмы и представлены микрофиламентами, промежуточными филаментами и микротрубочками. Они имеют характерное распределения в клетке.

Каждый тип цитоскелетных структур образует трёхмерную сеть, взаимодействующую с сетями других компонентов. Элементы цитоскелета создают основу других более сложно организованных клеточных органелл: клеточного центра, ресничек, жгутиков, микроворсинок.

Функции цитоскелета сложны и многообразны и контролируются ядерным геномом. Цитоскелет выполняет роль структурного организатора цитоплазмы, обеспечивает поддержание и необходимые изменения формы клетки, все виды движений, обеспечивает транспорт веществ в клетку и из неё. Цитоскелет принимает участие в межклеточных взаимодействиях, формировании межклеточных контактов, а значит, в организации клеточных пластов и тканей.

Впервые понятие о цитоскелете было сформулировано в начале нашего века русским цитологом Н.К. Кольцовым. Затем его идеи были забыты до конца 50-х годов (начала эры электронной микроскопии). Электронная микроскопия, а также метод иммунофлуоресценции стали основными методами для изучения компонентов цитоскелета.

Основные элементы цитоскелета - это сложно организованные гигантские линейные надполимеры. Существуют тонкие механизмы, контролирующие в цитоплазме их сборку и разборку из белковых субъединиц.

В построении цитоскелета участвуют три главных типа белковых фибрилл разного калибра:

1. микрофиламенты представляют собой нитчатые структуры, диаметр которых составляет 5 - 6 нм;

2. промежуточные филаменты, их диаметр примерно равен 10 нм;

3. микротрубочки, их диаметр - около 25 нм.

Помимо трёх основных типов белковых нитей в построении цитоскелета участвует множество вспомогательных белков.

Микрофиламенты встречаются во всех эукариотических клетках. Они образуют тонкую сеть в цитоплазме, упорядоченные пучки и слой под плазматической мембраной, называемый кортикальным, входят в состав микроворсинок и межклеточных контактов. Их особенно много в специализированных мышечных клетках.

Основной белок микрофиламентов - актин. У позвоночных животных в немышечных клетках актин составляет около 5 - 10 % всех клеточных белков. Существует шесть типов (изоформ) актина, имеющих общий принцип строения (см. главу 5, рис. ). Каждый актиновый микрофиламент представляет собой плотную спираль, образованную фибриллярным актином (F-актин). Фибрилла F-актина собрана из мономеров - глобулярных белковых молекул G-актина, имеющих молекулярную массу 41,8 кДа. Каждая молекула G-актина имеет участок связывания с АТФ.

Актиновые микрофиламенты полярны, т. е. имеют два функционально различных конца, которые называются плюс-конец и минус-конец. Плюс-конец является зоной полимеризации и роста актиновой фибриллы. На минус-конце осуществляется обратный процесс - разборка, отсоединение молекул G-актина от фибриллы. При оптимальной концентрации G-актина в цитоплазме процессы полимеризации на плюс-конце и деполимеризации на минус-конце динамически уравновешены и длина фибриллы остаётся постоянной. При увеличении концентрации G-актина в цитоплазме происходит быстрая сборка фибриллы F-актина на плюс-конце и медленная полимеризация на противоположном минус-конце. При этом актиновая фибрилла растёт в длину. При недостаточной концентрации G-актина преобладает деполимеризация фибриллы на минус-конце, и фибрилла укорачивается.

Таким образом, актиновые микрофиламенты представляют собой динамичные структуры, которые могут появляться, расти, разбираться и исчезать в зависимости от концентрации G-актина в среде. Необходимо отметить, что процессы сборки и разборки актиновых микрофиламентов зависят не только от концентрации G-актина. Для его полимеризации необходимо также наличие АТФ и ионов Ca²⁺. При присоединении каждой следующей глобулы G-актина от связанной с ней молекулы АТФ отщепляется концевой фосфат и образуется молекула АДФ, которая остаётся встроенной в фибриллу F-актина.

В живых клетках неустойчивая структура фибриллы F-актина стабилизируется специальными белками (тропомиозин, фимбрин, филамин, актинин и др.). Белок фимбрин, например, связывает актиновые микрофиламенты в пучки, белок филамин связывает отдельные актиновые фибриллы в сетевидных структурах цитоплазмы. Белки спектрины, анкирин и -актинин отвечают за связывание микрофиламентов с плазматической мембраной клетки.

Функции микрофиламентов:

• Актиновые микрофиламенты, ассоциированные с другими белками (бóльшую их часть составляет филамин),. формируют клеточный кортекс, или кортикальную сеть - жёсткий каркас из перекрёстно связанных нитей актина и специальных актин-связывающих белков. Кортикальная сеть поддерживает плазмалемму с внутренней стороны и препятствует внешним деформирующим силам. Существуют белки противоположного действия - актин-разъединяющие белки. Например, белок гельзолин при достаточной концентрации свободных ионов Са²⁺ разрушает сеть актина, которая затем перестраивается. Это приводит к плавному изменению формы клетки.

• Актиновые микрофиламенты цитоплазмы, связываясь в специальных зонах с трансмембранными белками плазмалеммы, участвуют в организации контактов с другими клетками или внеклеточными структурами, например, базальной мембраной эпителия.

• Актиновые микрофиламенты формируют поддерживающие пучки внутри микроворсинок. Микроворсинки представляют собой многочисленные локальные выступы плазматической мембраны, резко увеличивающие её всасывающую поверхность, например, в эпителии тонкого кишечника или почечных канальцев.

• Амебоидное движение клеток осуществляется за счёт образования локальных выступов цитоплазмы, которые образуются в результате динамичной перестройки кортикальной сети микрофиламентов. В живом организме таким образом перемещаются клетки во время эмбриональных миграций, а также свободноживущие, подвижные клетки, например, нейтрофилы или макрофаги. Этот способ движения изучен экспериментально на модели «ползущего фибробласта» по поверхности субстрата в культуре ткани*.

• Микрофиламенты участвуют в процессах экзо- и эндоцитоза.

• Для осуществления любых видов движения в клетках актиновые микрофиламенты взаимодействуют с белками, называемыми миозинами. В основе любого сокращения лежит скольжение актиновых и миозиновых нитей друг относительно друга. Принцип строения и работы актино-миозинового комплекса рассмотрен на примере мышечного сокращения в главе V.

• Актиновые микрофиламенты совместно с миозиновыми фибриллами участвуют в образовании сократимой перетяжки на экваторе завершающей деление клетки.

• Микрофиламенты, взаимодействуя со специальными белками на поверхности органелл, обеспечивают перемещение последних внутри цитоплазмы.

Таким образом, микрофиламенты являются наиболее динамичным, способным к быстрым перестройкам, элементом цитоскелета. Цитоскелет с равным правом можно назвать «цитомускулатурой», поскольку он осуществляет все виды движений и сокращений.

Промежуточные филаменты - это группа стабильных фибриллярных белковых цитоскелетных структур, наиболее прочных и долговечных. Промежуточные филаменты описаны практически во всех клетках животных, ____________________________________________________

* Это один из важнейших цитологических методов, который заключается в выращивании живых клеток, изолированных из организма, в искусственных средах.

но наиболее многочисленны они в клетках, подверженных механическим воздействиям. Термин «цитоскелет» первоначально был введён для обозначения именно этой группы волокон.

Промежуточные филаменты играют важную роль в поддержании внутреннего каркаса клеток. Они окружают ядро и образуют трёхмерную сеть в разных участках цитоплазмы.

Промежуточные филаменты имеют молекулярное строение отличное от других компонентов цитоскелета. Структурными единицами промежуточных филаментов являются линейные белковые молекулы, которые имеют одинаковую для всех типов промежуточных филаментов центральную часть: участок спирали, состоящий из 130 аминокислотных остатков. Концевые участки молекул имеют разное строение. Общий принцип укладки белковых мономеров в фибриллы промежуточных филаментов следующий: вначале по две белковые молекулы образуют двойную спираль (димеры), затем каждые две такие спирали объединяются в тетрамеры, и в дальнейшем формируют длинные фибриллы, которые в поперечнике содержат обычно 8 одинаковых тетрамеров. По своей конструкции такая структура напоминают канат.

Для образования промежуточных филаментов не требуется АТФ. В отличие от микрофиламентов и микротрубочек, для промежуточных филаментов не характерна постоянная сборка и разборка.

В различных клетках организма локализованы шесть основных типов промежуточных филаментов.

• Цитокератины - характерный компонент цитоскелета эпителиальных клеток. В большом количестве они синтезируются и накапливаются в клетках эпидермиса кожи (см. главу 3) и участвуют в образовании рогового вещества. Выделяют два подтипа: кислые и нейтральные цитокератины. Их молекулярный вес колеблется от 40 до 70 кДа. Объединяясь, молекулы обоих типов образуют гетерополимеры. В различных эпителиях встречается около 20 разновидностей кератинов, 8 из них входят в состав ногтей и волос.

• Десмин, молекулярный вес около 51 кДа, характерный компонент цитоскелета клеток гладкой (кроме миоцитов сосудов) и поперечно-полосатой мышечной ткани. Десминовые филаменты входят в состав Z-полосок саркомеров (см. главу 5), связывают Z-полоски соседних миофибрилл между собой и с сарколеммой.

• Глиальный фибриллярный кислый белок (GFAP - glial fibrillary acidic protein), молекулярный вес около 50 кДа, обнаружен в астроцитах (клетках нейроглии) и служит маркёром опухолей глиального происхождения (астроцитом). GFAP обнаружен также в шванновских клетках (см. главу 6).

• Нейрофиламенты имеют молекулярный вес от 60 до 130 кДа и локализованы в нейронах, входят в состав их цитоскелета, образуют жёсткую основу отростков нервных клеток.

• Ламины А, В и С поддерживают внутреннюю мембрану ядерной оболочки всех эукариотических клеток, взаимодействует с пристеночным хроматином и участвуют в образовании ядерного скелета.

• Виментин имеет молекулярный вес около 55 кДа, обнаружен в фибробластах, макрофагах, остеобластах, эндотелии, гладких миоцитов сосудов и других клетках мезенхимного происхождения (см. главы 2 и 4), образует сополимеры с другими промежуточными филаментами.

Цитокератины, десмин, GFAP имеют строгую тканевую и органную локализацию, в то время как виментин обнаружен во многих клеточных типах, он может сосуществовать вместе с другими специализированными промежуточными филаментами, образуя, например, сополимеры виментина с десмином, или виментина с глиальным белком.

Строгая тканевая принадлежность является важным свойством промежуточных филаментов и используется в медицинской диагностике. Только по морфологическим критериям невозможно однозначно определить тип опухоли. Иммунофлуоресцентный анализ позволяет точно установить тип промежуточных филаментов в опухолевых клетках, а значит - и их тканевую принадлежность. Это важно для правильного выбора стратегии лечения.

Когда клетка повреждена, сеть промежуточных филаментов спадается, формируя сферический клубок вокруг ядра, связывая таким образом повреждённые органеллы. Это состояние называют коллапсом промежуточных филаментов. Предполагают, что в такой ситуации промежуточные филаменты действуют как кокон, собирающий повреждённые клеточные компоненты для их последующего удаления путём аутофагии. Затем, в ходе репарации клетка восстанавливает первоначальную архитектуру сети промежуточных филаментов. Этот феномен был обнаружен в гепатоцитах печени: в результате постоянного чрезмерного введения алкоголя пучки кератиновых промежуточных филаментов спадались. Позже причины и механизм коллапса промежуточных филаментов были изучены на модельных системах культуры ткани. Можно искусственно вызвать этот процесс в клетке, например, разрушив колхицином микротрубочки.

Промежуточные филаменты, присоединяясь к трансмембранным белкам в специфических участках клеточных мембран, принимают участие в образовании десмосом и полудесмосом (см.далее).

Микротрубочки - обязательные клеточные структуры, наиболее крупные компоненты цитоскелета. Они представляют собой длинные полые цилиндры, внешний диаметр которых примерно равен 25 нм. Стенка микротрубочек образована 13 параллельными длинными нитями (протофиламентами). Каждый протофиламент - это линейный гетерополимер, который образован двумя видами глобулярных белковых субъединиц:  и -тубулинов. Молекула -тубулина и молекула b-тубулина, объединяясь друг с другом образуют димер. Димеры последовательно полимеризуются в длинные протофиламенты, которые укладываются в микротрубочку параллельно. При этом глобулы a и b- тубулинов соседних протофиламентов образуют витки спирали (рис. 24).

В эукариотических клетках обнаружен также -тубулин. Его роль в процессе формировании микротрубочек изучается. Возможно, он образует «затравки» для образования новых микротрубочек, но в их состав не входит.

Рисунок 24. Строение микротрубочки.