1) 13 Параллельно расположенных протофиламентов, состоящих из глобулярных белковых субъединиц и-тубулинов; 2) поперечное сечение микротрубочки.

Полярность протофиламентов определяет полярность микротрубочек. На их плюс-концах осуществляется быстрая спонтанная полимеризация за счёт присоединения димеров (при высокой их концентрации в цитоплазме), а на минус-концах при этих условиях происходит медленная полимеризация. При сниженной концентрации димеров тубулинов преобладает разборка микротрубочки на минус-конце. При оптимальной концентрации a- и b-тубулинов процессы сборки и разборки динамически уравновешены:

Димеры +тубулина « Микротрубочки

Микротрубочки растут достаточно быстро и достаточно быстро разбираются. Полимеризация микротрубочек - это энергозависимый процесс, в котором вместо АТФ используется энергия, высвобождаемая при гидролизе ГТФ (гуанозинтрифосфорной кислоты).

Сборка и разборка микротрубочек в цитоплазме осуществляются чрезвычайно быстро. Среднее время жизни цитоплазматических микротрубочек составляет в среднем всего около 10 минут. В течение 15 минут около 80% всех микротрубочек цитоплазмы обновляется. Микротрубочки веретена деления существуют около 15-20 секунд. Тем не менее, часть микротрубочек (10-20% их общего количества в клетке) остаются относительно стабильными достаточно долго. Их стабилизацию обеспечивают так называемые МАР-белки (от англ. Microtubule Accessory Proteins - белки, ассоциированные с микротрубочками). МАР-белки имеют участки связывания с тубулинами и другими элементами цитоскелета.

В живых клетках образование микротрубочек происходит постоянно. Причём, полимеризация тубулинов начинается в локальных зонах клетки - так называемых центрах организации микротрубочек (ЦОМТ). Вначале образуются короткие затравки микротрубочек, обращённые своими минус-концами к ЦОМТ. Считается, что минус-концы заблокированы белками, не позволяющими им разбираться. Поэтому при достаточной концентрации димеров и-тубулинов в цитоплазме отходящие от ЦОМТ микротрубочки будут расти. Далее микротрубочки теряют связь с ЦОМТ, разбираются или стабилизируются МАР-белками. Роль ЦОМТ в животных клетках выполняют центриоли, а во время митоза также кинетохоры хромосом. Микротрубочки, из которых построены центриоли, аксонемы, базальные тельца ресничек и жгутиков (см. далее) обладают достаточной стабильностью.

Микротрубочки имеют несколько вариантов расположения в цитоплазме:

1. в виде отдельных элементов, образующих в цитоплазме рыхлую сеть, взаимодействующую с сетями других цитоскелетных фибрилл;

2. объединяются в пары - дуплеты аксонем жгутиков и ресничек, или тройки - триплеты центриолей (рис. 25);

3. образуют пучки, например, в отростках нейронов, или примемранном слое цитоплазмы тромбоцитов.

Функции микротрубочек в жизнедеятельности клетки могут быть сведены к двум основным: скелетной и двигательной. Остановимся на этом более подробно.

• Микротрубочки необходимы для ориентированного движения внутриклеточных мембранных органоидов (митохондрий, экзо- и эндоцитозных пузырьков, вакуолей, различного рода транспортных пузырьков и т.д.). Сами по себе микротрубочки не способны ни к каким видам движения. Они служат направительными векторами, или, образно говоря, «рельсами», по которым перемещаются специальные двигательные (моторные) белки - транслокаторы (миозин, кинезины и динеины). Белки-транслокаторы имеют сходную пространственную конструкцию, которая позволяет им закрепить «груз» (например, мембранный пузырёк с секретом) и доставить его в любую часть клетки. Они имеют по две тяжёлые глобулярные головки и лёгкие фибриллярные хвосты. Головками они прикрепляются к микротрубочкам, а их хвосты присоединяется к мембране транспортного пузырька или другой транспортируемой органеллы. Вдоль поверхности микротрубочки белки-транслокаторы перемещаются «шажками» длиной в 8 нм. Кинезины движутся к плюс-концам микротрубочек, то есть к периферии клетки, в направлении от ядра (рис. 26). Динеины, наоборот, транспортируют свой груз к минус-концам микротрубочек, т. е. по направлению к ядру. В процессах эндоцитоза участвуют динеины, а за экзоцитоз и секрецию отвечают кинезины. Необходимо добавить, что описанный выше процесс - энергозависимый и протекает с использованием энергии АТФ.

  2

  +

  _

  1

Рисунок 26. Динеин (1) с прикреплённым к нему транспортным пузырьком движется вдоль микротрубочки к минус-концу, а кинезин (2) - к плюс-концу (по Ченцову, 1995).

• Каркасная роль микротрубочек заключается в поддержании формы и полярности клетки. При разборке микротрубочек клетка приобретает форму шара. В длинных аксонах нейронов, которые уходят от тела клетки на огромные расстояния (аксоны мотонейронов человека достигают 1 метра в длину), микротрубочки одновременно выполняют и опорную, и транспортную функции. По ним к синаптическим окончаниям транспортируются пузырьки с нейромедиаторами (см. главу 6).

• В интерфазных клетках микротрубочки цитоплазмы, наряду с другими элементами цитоскелета, формируют внутриклеточную сеть, поддерживающую мембранные органеллы, например, структуру цистерн и полостей эндоплазматического ретикулума, аппарата Гольджи и т.д.

• В делящихся клетках микротрубочки формируют митотическое веретено и обеспечивают расхождение хромосом к полюсам.

• Микротрубочки образуют основу центриолей и специальных двигательных структур многих клеток - ресничек и жгутиков.

Для роста микротрубочек в клетке, помимо достаточной концентрация тубулинов и ГТФ, необходимым условием является температура 37^оС и наличие ионов Mg²⁺. В эксперименте процесс самосборки микротрубочек легко остановить, убрав хотя бы один из этих факторов.

К факторам, препятствующим полимеризации микротрубочек, относятся: недостаточная концентрация тубулинов, понижение температуры среды ниже 37^оС, наличие ионов Са²⁺, а также присутствие специальных веществ, относящихся к группе цитостатиков. Цитостатики, связываясь с отдельными молекулами тубулинов, предотвращают их полимеризацию, ингибируют митоз и вызывают избирательную гибель быстро делящихся клеток. Это свойство цитостатиков используется в онкологической практике для прекращения пролиферации опухолевых клеток. К цитостатикам относятся алкалоид колхицин, содержащийся в безвременнике осеннем, Colchicum autumnale; винбластин, содержащийся в Vinca rosea, и их аналоги. Следствием разрушения микротрубочек в клетке также является изменение её формы, дезорганизация цитоплазмы (нарушается распределение органелл), искажение внутриклеточных транспортных процессов, например таких важных, как секреция или аксонный транспорт.