Отделна група цитоскелетни протеини са микротубулните протеини. Те включват тубулин, протеини, свързани с микротубули (MAP 1, MAP 2, MAP 4, тау и т.н.) и транслокаторни протеини (динеин, кинезин, динамин). Микротубулите са протеинови тубулни структури с диаметър около 25 nm и дължина до няколко десетки микрометра; дебелината на стената им е около 6 nm. Те са основен компонент на цитоплазмата на еукариотните клетки. Микротубулите образуват вретеното на делене (ахроматична фигура) при митоза и мейоза, аксонема (централна структура) на подвижните реснички и флагели, стената на центриолите и базалните тела. Микротубулите играят важна, ако не и ключова, роля в клетъчната морфогенеза и в някои видове клетъчна подвижност.
Стените на микротубулите са изградени от протеина тубулин, който представлява 90% от теглото. Тубулинът е глобуларен протеин, който съществува като димер от α- и β-субединици с молекулно тегло ~55 kDa. Микротубулът има формата на кух цилиндър, чиято стена се състои от линейни вериги от тубулинови димери, така наречените протофиламенти. В протофиламентите α-субединицата на предишния димер е свързана с β-субединицата на следващия. Димерите в съседни протофиламенти се изместват един спрямо друг, образувайки спирални редове. Напречното сечение показва 13 тубулинови димера, което съответства на 13 протофиламента в
микротубулна стена (фиг. 9). Всяка субединица съдържа около 450 аминокиселини и аминокиселинните последователности на субединиците са приблизително 40% хомоложни една на друга. Тубулинът е GTP-свързващ протеин и β-субединицата съдържа лабилно свързана GTP или GDP молекула, която може да обменя с GTP в разтвор, а α-субединицата съдържа плътно свързана GTP молекула.
Ориз. 9. Микротубулна структура.
Тубулинът е способен на спонтанна полимеризация in vitro. Такава полимеризация е възможна при физиологични температури и благоприятни йонни условия (отсъствие на Ca2+ йони) и изисква два фактора: висока концентрация на тубулин и наличие на GTP. Полимеризацията е придружена от хидролиза на GTP и тубулинът в микротубула остава свързан с GDP, докато неорганичният фосфат преминава в разтвор.
Полимеризацията на тубулина се състои от две фази: нуклеация и удължаване. По време на нуклеацията се образуват семена, а по време на
елонгация - тяхното удължаване с образуване на микротубули. Трябва да се отбележи, че по време на полимеризацията на тубулина субединиците се добавят само в краищата на микротубулите.
Противоположните краища на микротубулите се различават по скорост на растеж. Бързо растящият край се нарича плюс край, а бавно растящият край се нарича минус край на микротубула (виж Фиг. 9). В клетката (–) краищата на микротубулите обикновено са свързани с центрозомата, докато (+) краищата са насочени към периферията и често достигат до самия ръб на клетката.
Микротубулите са податливидинамична нестабилност.
При постоянно количество полимер настъпва спонтанен растеж или скъсяване на отделни микротубули до пълното им изчезване. Поради забавянето на хидролизата на GTP във връзка с включването на тубулин, в края на микротубула, който е в процес на растеж, се образува GTP капачка, състояща се от 9-18 молекули GTP-тубулин. Капачката на GTP стабилизира края на микротубула и насърчава по-нататъшния му растеж. Ако скоростта на включване на нови хетеродимери е по-малка от скоростта на GTP хидролиза или в случай на механично разкъсване на микротубула, се образува край без GTP капачка. Този край има намален афинитет към нови тубулинови молекули; той започва да го разбира.
Полимеризацията и деполимеризацията на микротубулите се предизвиква от промени в температурата, йонните условия или използването на специални химични агенти. Сред веществата, които причиняват необратимо разглобяване, широко се използват индолови алкалоиди (колхицин, винбластин, винкристин и др.).
СВЪРЗАНИ С МИКРОТРУБКИ ПРОТЕИНИ
Протеините, свързани с микротубули, се разделят на две групи: структурни MAPs (свързани с микротубули протеини) и протеини, свързани с микротубули.
транслокатори.
Структурни IDA
Общо свойство на структурните MAP е тяхната постоянна връзка с микротубулите. Друго общо свойство на тази група протеини е, че за разлика от транслокаторните протеини, когато взаимодействат с тубулина, всички те се свързват към С-терминалната част на молекулата с размер около 4 kDa.
Има високомолекулни MAP 1 и MAP 2, тау протеини с молекулно тегло от около 60-70 kDa и MAP 4 или MAP U с молекулно тегло от около 200 kDa.
По този начин молекулата MAP 1B (представител на протеиновата група MAP 1) е стехиометричен комплекс от една тежка и две леки вериги, тя е удължена пръчковидна молекула с дължина 190 nm, имаща в единия край глобуларен домен 10 nm в диаметър (очевидно, място за свързване на микротубули). ); молекулното му тегло е 255,5 kDa.
MAP 2 е термостабилен протеин. Той запазва способността си да взаимодейства с микротубулите и да остава в състава им в няколко цикъла на сглобяване-демонтаж след нагряване до 90°C.
Структурните MAP са в състояние да стимулират инициирането и удължаването и да стабилизират готовите микротубули; зашиване на микротубули в снопове. Кратко α-
спирални хидрофобни последователности в N-края на MAP и tau, затваряйки MAP молекулите, разположени върху съседни микротубули, като цип. Биологичната роля на такова кръстосано свързване може да бъде стабилизиране на структурите, образувани от микротубулите в клетката.
Към днешна дата експериментални изследвания са установили, че в допълнение към регулирането на динамиката на микротубулите, структурните MAP имат още две основни функции: клетъчна морфогенеза и участие във взаимодействието на микротубулите с други вътреклетъчни структури.
Транслокаторни протеини
Отличителна черта на протеините от тази група е способността да преобразуват енергията на АТФ в механична сила, която може да движи частици по протежение на микротубули или микротубули по протежение на субстрата. Съответно транслокаторите са механохимични АТФази и тяхната АТФазна активност се стимулира от микротубули. За разлика от структурните MAP, транслокаторите са свързани с микротубули само по време на ATP-зависимо движение.
Транслокаторните протеини се разделят на две групи: кинезин-подобни протеини (посредстват движението от (–) края към (+) края на микротубулите) и динеин-подобни протеини (движение от (+) края към (–) края на микротубули) (фиг. 10).
Кинезинът е тетрамер от две леки (62 kDa) и две тежки (120 kDa) полипептидни вериги. Кинезинова молекула
има формата на пръчка с диаметър 2–4 nm и дължина 80–100 nm с две кълбовидни глави в единия край и ветрилообразно разширение в другия (фиг. 11).
Ориз. 10. Белтъци-транслокатори.
В средата на пръта има шарнирна секция. N-терминалният фрагмент на тежката верига с размер около 50 kDa, който има механохимична активност, се нарича кинезин моторен домен.
Ориз. 11. Строежът на молекулата кинезин.
Обща характеристика на микротубулите.Основните компоненти на цитоскелета включват микротубули (фиг. 265), нишковидни неразклонени структури с дебелина 25 nm, състоящи се от тубулинови протеини и свързаните с тях протеини. По време на полимеризацията тубулините образуват кухи тръби (микротубули), които могат да бъдат дълги няколко микрона, а най-дългите микротубули се намират в аксонема на опашката на спермата.
Микротубулите са разположени в цитоплазмата на интерфазните клетки поотделно, в малки свободни снопчета или под формата на плътно опаковани образувания като част от центриоли, базални тела в ресничките и флагелите. По време на клетъчното делене повечето микротубули на клетката са част от делителното вретено.
По структура микротубулите са дълги кухи цилиндри с външен диаметър 25 nm (фиг. 266). Стената на микротубулите се състои от полимеризирани тубулинови протеинови молекули. По време на полимеризацията молекулите на тубулина образуват 13 надлъжни протофиламента, които са усукани в куха тръба (фиг. 267). Размерът на мономера на тубулина е около 5 nm, равен на дебелината на стената на микротубула, в чието напречно сечение се виждат 13 глобуларни молекули.
Молекулата на тубулина е хетеродимер, състоящ се от две различни субединици, a-тубулин и b-тубулин, които при свързване образуват самия тубулин протеин, първоначално поляризиран. И двете субединици на тубулиновия мономер са свързани с GTP; обаче, GTP на a-субединица не претърпява хидролиза, за разлика от GTP на b-субединица, където GTP се хидролизира до GDP по време на полимеризация. По време на полимеризацията тубулиновите молекули се комбинират по такъв начин, че a-субединица на следващия протеин се свързва с b-субединица на един протеин и т.н. Следователно отделните протофибрили възникват като полярни нишки и съответно цялата микротубула също е полярна структура, имаща бързо растящ (+) край и бавно растящ (-) край (фиг. 268).
При достатъчна концентрация на протеин полимеризацията настъпва спонтанно. Но по време на спонтанна полимеризация на тубулините се получава хидролиза на една молекула GTP, свързана с b-тубулин. По време на растежа на микротубулите, свързването на тубулин се осъществява с по-бърза скорост в нарастващия (+)-край. Въпреки това, ако концентрацията на тубулин е недостатъчна, микротубулите могат да бъдат разглобени от двата края. Разглобяването на микротубулите се улеснява чрез понижаване на температурата и наличието на Ca ++ йони.
Микротубулите са много динамични структури, които могат да се появят и разглобят доста бързо. В състава на изолирани микротубули се откриват допълнителни протеини, свързани с тях, така наречените микротубули. MAP протеини (MAP - microtubule accessory proteins). Тези протеини, стабилизирайки микротубулите, ускоряват процеса на полимеризация на тубулина (фиг. 269).
Ролята на цитоплазмените микротубули се свежда до две функции: скелетна и двигателна. Ролята на скелета е, че местоположението на микротубулите в цитоплазмата стабилизира формата на клетката; при разтваряне на микротубулите клетките, които имат сложна форма, са склонни да придобият формата на топка. Двигателната роля на микротубулите е не само в това, че те създават подредена векторна система за движение. Цитоплазмените микротубули, във връзка със специфични асоциирани моторни протеини, образуват ATPase комплекси, способни да задвижват клетъчни компоненти.
В почти всички еукариотни клетки в хиалоплазмата могат да се видят дълги неразклонени микротубули. В големи количества те се намират в цитоплазмените процеси на нервните клетки, в процесите на меланоцитите, амебите и други клетки, които променят формата си (фиг. 270). Те могат да бъдат изолирани сами или е възможно да се изолират образуващите ги протеини: това са същите тубулини с всичките им свойства.
микротубулни организационни центрове.Растежът на микротубулите на цитоплазмата се извършва полярно: (+) крайът на микротубулата расте. Животът на микротубулите е много кратък, така че постоянно се образуват нови микротубули. Процесът на започване на полимеризация на тубулините, нуклеация, се случва в ясно определени области на клетката, в т.нар. микротубулни организиращи центрове (MOTC). В зоните на CMTC се полагат къси микротубули, чиито (-) краища са обърнати към CMTC. Смята се, че (--)-краищата в COMT зоните са блокирани от специални протеини, които предотвратяват или ограничават деполимеризацията на тубулините. Следователно, с достатъчно количество свободен тубулин, ще настъпи увеличаване на дължината на микротубулите, простиращи се от COMT. Като COMT в животинските клетки участват главно клетъчни центрове, съдържащи центриоли, както ще бъде обсъдено по-долу. В допълнение, ядрената зона може да служи като CMT, а по време на митоза - полюсите на вретеното на делене.
Една от целите на цитоплазмените микротубули е да създадат еластичен, но в същото време стабилен вътреклетъчен скелет, необходим за поддържане на формата на клетката. В еритроцитите на земноводните с форма на диск, турникет от кръгло разположени микротубули лежи по периферията на клетката; снопове от микротубули са характерни за различни израстъци на цитоплазмата (аксоподия на протозои, аксони на нервни клетки и др.).
Ролята на микротубулите е да образуват скеле за поддържане на клетъчното тяло, за стабилизиране и укрепване на клетъчните израстъци. В допълнение, микротубулите участват в процесите на растеж на клетките. Така при растенията, в процеса на удължаване на клетката, когато настъпи значително увеличение на клетъчния обем поради увеличаване на централната вакуола, в периферните слоеве на цитоплазмата се появяват голям брой микротубули. В този случай микротубулите, както и клетъчната стена, растяща по това време, изглежда подсилват, механично укрепват цитоплазмата.
Създавайки вътреклетъчен скелет, микротубулите са фактори за ориентираното движение на вътреклетъчните компоненти, създавайки пространства за насочени потоци от различни вещества и за движение на големи структури. По този начин, в случай на рибни меланофори (клетки, съдържащи меланинов пигмент) по време на растежа на клетъчните процеси, пигментните гранули се движат по снопове микротубули.
В аксоните на живите нервни клетки може да се наблюдава движението на различни малки вакуоли и гранули, които се движат както от тялото на клетката към нервните окончания (антерограден транспорт), така и в обратна посока (ретрограден транспорт).
Изолирани са протеини, отговорни за движението на вакуолите. Един от тях е кинезин, протеин с молекулно тегло около 300 000.
Има цяло семейство кинезини. Така цитозолните кинезини участват в транспортирането на везикули, лизозоми и други мембранни органели през микротубулите. Много от кинезините се свързват специфично с техните товари. Така че някои участват в преноса само на митохондрии, други само на синаптични везикули. Кинезините се свързват с мембраните чрез мембранни протеинови комплекси – кинектини. Кинезините на вретеното участват във формирането на тази структура и в хромозомната сегрегация.
Друг протеин, цитоплазменият динеин, е отговорен за ретроградния транспорт в аксона (фиг. 275). Състои се от две тежки вериги - глави, които взаимодействат с микротубули, няколко междинни и леки вериги, които се свързват с мембранните вакуоли. Цитоплазменият динеин е двигателен протеин, който пренася товара към минус края на микротубулите. Динеините също се разделят на два класа: цитозолни - участват в прехвърлянето на вакуоли и хромозоми и аксонемни - отговорни за движението на ресничките и флагелите.
Цитоплазмени динеини и кинезини са открити в почти всички видове животински и растителни клетки.
По този начин в цитоплазмата движението се извършва според принципа на плъзгащи се нишки, само по протежение на микротубулите не се движат нишки, а къси молекули - двигатели, свързани с движещи се клетъчни компоненти. Сходството с актомиозиновия комплекс на тази система за вътреклетъчен транспорт се крие във факта, че се образува двоен комплекс (микротубула + двигател), който има висока АТФазна активност.
Както може да се види, микротубулите образуват радиално разминаващи се поляризирани фибрили в клетката, чиито (+)-краища са насочени от центъра на клетката към периферията. Наличието на (+) и (-)-насочени моторни протеини (кинезини и динеини) създава възможност за трансфер на неговите компоненти в клетката както от периферията към центъра (ендоцитни вакуоли, рециклиране на ER вакуоли и апарата на Голджи и т.н.) и от центъра към периферията (ER вакуоли, лизозоми, секреторни вакуоли и др.) (Фиг. 276). Тази полярност на транспорта се създава поради организирането на система от микротубули, които възникват в центровете на тяхната организация, в клетъчния център.
Микротубулите са един от основните компоненти на цитоплазмата на растителната клетка. Морфологично, микротубулите са дълги кухи цилиндри с външен диаметър 25 nm. Стената на микротубулите се състои от полимеризирани тубулинови протеинови молекули. По време на полимеризацията тубулиновите молекули образуват 13 надлъжни протофиламента, които са усукани в куха тръба. Обменът на мономера на тубулина е около 5 nm, което е равно на дебелината на стената на микротубула, в чието напречно сечение се виждат 13 глобуларни молекули.
Микротубулата е полярна структура с бързо растящ плюс край и бавно растящ минус край.
Микротубулите са много динамични структури, които могат да се появят и разглобят доста бързо. Когато се използват електронни системи за усилване на сигнала в светлинен микроскоп, може да се види, че микротубулите растат, съкращават се и изчезват в жива клетка; са постоянно в динамична нестабилност. Оказа се, че средният полуживот на цитоплазмените микротубули е само 5 минути. Така за 15 минути се обновява около 80% от цялата популация на микротубулите. Като част от вретеното на делене, микротубулите имат живот около 15–20 s. Въпреки това, 10–20% от микротубулите остават относително стабилни за доста дълго време (до няколко часа).
Микротубулите са структури, в които 13 протофиламента, състоящи се от α- и β-тубулинови хетеродимери, са подредени около обиколката на кух цилиндър. Външният диаметър на цилиндъра е около 25 nm, вътрешният диаметър е около 15.
Единият край на микротубула, наречен плюс край, постоянно прикрепя свободен тубулин към себе си. От противоположния край - минус край - тубулиновите единици се отделят.
Има три фази в образуването на микротубули:
забавена фаза или нуклеация. Това е етапът на нуклеация на микротубулите, когато тубулиновите молекули започват да се комбинират в по-големи образувания. Тази връзка е по-бавна от прикрепването на тубулина към вече сглобена микротубула, поради което фазата се нарича забавена;
фаза на полимеризация или удължаване. Ако концентрацията на свободен тубулин е висока, неговата полимеризация протича по-бързо от деполимеризацията в минус края, като по този начин се удължава микротубула. Докато расте, концентрацията на тубулин пада до критична и скоростта на растеж се забавя до навлизане в следващата фаза;
стационарна фаза. Деполимеризацията балансира полимеризацията и растежът на микротубулите спира.
Лабораторните изследвания показват, че сглобяването на микротубули от тубулини става само в присъствието на гуанозин трифосфат и магнезиеви йони.
Фиг. 1. Стъпки на самосглобяване на микротубули
Напоследък се наблюдава сглобяване и разглобяване на микротубули в живи клетки. След въвеждане на антитела срещу тубулин, белязан с флуорохроми в клетката и използване на електронни системи за усилване на сигнала в светлинен микроскоп, може да се види, че микротубулите растат, съкращават се и изчезват в жива клетка; са постоянно в динамична нестабилност. Оказа се, че средният полуживот на цитоплазмените микротубули е само 5 минути. Така за 15 минути се обновява около 80% от цялата популация на микротубулите. В същото време отделните микротубули могат бавно (4-7 µm/min) да се удължат в нарастващия край и след това да се скъсят доста бързо (14-17 µm/min). В живите клетки микротубулите като част от вретеното на делене имат живот около 15–20 s. Смята се, че динамичната нестабилност на цитоплазмените микротубули е свързана със забавяне на хидролизата на GTP, което води до образуването на зона, съдържаща нехидролизирани нуклеотиди ("GTP cap") в плюс края на микротубула. В тази зона тубулиновите молекули се свързват с висок афинитет една към друга.
взаимно и следователно скоростта на растеж на микротубулите се увеличава. Напротив, със загубата на това място микротубулите започват да се скъсяват.
Въпреки това, 10–20% от микротубулите остават относително стабилни за доста дълго време (до няколко часа). Такава стабилизация се наблюдава до голяма степен в диференцирани клетки. Стабилизирането на микротубулите е свързано или с модификация на тубулините, или с тяхното свързване с микротубулни допълнителни (MAP) протеини и други клетъчни компоненти.
Ацетилирането на лизин в състава на тубулините значително повишава стабилността на микротубулите. Друг пример за модификация на тубулин може да бъде отстраняването на крайния тирозин, което също е характерно за стабилните микротубули. Тези модификации са обратими.
Фиг.2. Местоположение на микротубулите в цитоплазмата на фибробласта (а), меланоцита (b) и неврона (c)
Микротубулите сами по себе си не са способни на свиване, но те са основни компоненти на много движещи се клетъчни структури, като реснички и флагели, като клетъчното вретено по време на митоза, като микротубули на цитоплазмата, които са от съществено значение за редица вътреклетъчни транспорти, като като екзоцитоза, митохондриално движение и др.
Като цяло ролята на цитоплазмените микротубули може да се сведе до две функции: скелетна и двигателна. Ролята на скелета е, че местоположението на микротубулите в цитоплазмата стабилизира формата на клетката; при разтваряне на микротубулите клетките, които имат сложна форма, са склонни да придобият формата на топка. Двигателната роля на микротубулите е не само в това, че те създават подредена векторна система за движение. Цитоплазмените микротубули във връзка със специфични асоциирани моторни протеини образуват ATPase комплекси, способни да управляват клетъчни компоненти.
В почти всички еукариотни клетки в хиалоплазмата могат да се видят дълги неразклонени микротубули. В големи количества те се намират в цитоплазмените процеси на нервните клетки, в процесите на меланоцитите, амебите и други клетки, които променят формата си (фиг. 270). Те могат да бъдат изолирани сами или е възможно да се изолират образуващите ги протеини: това са същите тубулини с всичките им свойства.
Самите микротубули не са способни на свиване, но те са основни компоненти на много движещи се клетъчни структури, като клетъчното вретено по време на митоза като микротубули на цитоплазмата, които са от съществено значение за редица вътреклетъчни транспорти, като екзоцитоза, митохондриално движение, и т.н.
Като цяло ролята на цитоплазмените микротубули може да се сведе до две функции: скелетна и двигателна. Ролята на скелета, скелета, се състои във факта, че местоположението на микротубулите в цитоплазмата стабилизира формата на клетката. Двигателната роля на микротубулите е не само, че те създават подредена векторна система на движение. Цитоплазмените микротубули и асоциациите със специфични асоциирани моторни протеини образуват ATPase комплекси, способни да управляват клетъчни компоненти. В допълнение, микротубулите участват в процесите на растеж на клетките. При растенията, в процеса на удължаване на клетката, когато настъпи значително увеличение на клетъчния обем поради увеличаване на централната вакуола, в периферните слоеве на цитоплазмата се появяват голям брой микротубули. В този случай микротубулите, както и клетъчната стена, растяща по това време, изглежда подсилват, механично укрепват цитоплазмата.
Химичен състав на микротубулите
Микротубулите са съставени от тубулинови протеини и свързаните с тях протеини. Тубулиновата молекула е хетеродимер, състоящ се от две различни субединици, които при асоцииране образуват самия тубулин протеин, първоначално поляризиран. По време на полимеризацията тубулиновите молекули се комбинират. Следователно отделните протофибрили възникват като полярни нишки и съответно цялата микротубула също е полярна структура, имаща бързо нарастващ плюс край и бавно нарастващ минус край. При достатъчна концентрация на протеин полимеризацията настъпва спонтанно. По време на спонтанната полимеризация на тубулините една молекула GTP се хидролизира. По време на удължаването на микротубула, свързването на тубулина протича с по-бърза скорост в нарастващия плюс-край. Въпреки това, ако концентрацията на тубулин е недостатъчна, микротубулите могат да бъдат разглобени от двата края. Разглобяването на микротубулите се улеснява чрез понижаване на температурата и наличието на Ca 2 йони.
Има редица вещества, които влияят върху полимеризацията на тубулина. Така алкалоидът колхицин се свързва с отделните молекули на тубулина и предотвратява тяхната полимеризация. Това води до спад в концентрацията на свободен тубулин, способен на полимеризация, което причинява бързо разглобяване на цитоплазмените микротубули и вретеновидни микротубули. Колцемид и нокодозол имат същия ефект, когато се измият, настъпва пълно възстановяване на микротубулите. Таксолът има стабилизиращ ефект върху микротубулите, което насърчава полимеризацията на тубулина дори при ниски концентрации. Микротубулите също съдържат допълнителни протеини, свързани с тях, така наречените MAP протеини. Тези протеини, чрез стабилизиране на микротубулите, ускоряват процеса на полимеризация на тубулина.
Функции на микротубулите
Микротубулите в клетката се използват като "релси" за транспортиране на частици. Мембранните везикули и митохондриите могат да се движат по тяхната повърхност. Транспортирането през микротубулите се осъществява от протеини, наречени моторни протеини. Това са високомолекулни съединения, състоящи се от две тежки (с тегло около 300 kDa) и няколко леки вериги. Тежките вериги са разделени на главни и опашни домени. Двата главни домена се свързват с микротубулите и действат като двигатели, докато опашните домени се свързват с органели и други вътреклетъчни образувания, за да бъдат транспортирани.
Има два вида моторни протеини: цитоплазмени динеини; кинезини.
Динеините преместват товара само от плюс-края към минус-края на микротубула, т.е. от периферните области на клетката към центрозомата. Кинезините, напротив, се движат към плюс-края, тоест към периферията на клетката.
Движението се извършва благодарение на енергията на АТФ. Главните домени на моторните протеини за тази цел съдържат ATP-свързващи места.
В допълнение към транспортната функция, микротубулите образуват централната структура на ресничките и жгутиците - аксонема. Типичната аксонема съдържа 9 двойки обединени микротубули по периферията и две пълни микротубули в центъра. Микротубулите също се състоят от центриоли и вретено на делене, което осигурява дивергенцията на хромозомите към полюсите на клетката по време на митоза и мейоза. Микротубулите участват в поддържането на формата на клетката и подреждането на органелите (по-специално апарата на Голджи) в цитоплазмата на клетките.
В почти всички еукариотни клетки в хиалоплазмата могат да се видят дълго неразклонени микротубули. В големи количества те се намират в цитоплазмените процеси на нервните клетки, фибробластите и други клетки, които променят формата си. Те могат да бъдат изолирани сами или протеините, които ги образуват, могат да бъдат изолирани: това са същите тубулини с всичките им свойства.
Основна функционална стойностна такива микротубули на цитоплазмата е да се създаде еластично, но в същото време стабилно вътреклетъчно скеле (цитоскелет), необходимо за поддържане на формата на клетката.
Немембранните органели включват микротубули – тръбна формация с различна дължина с външен диаметър 24 nm, дебелина на стената около 5 nm и ширина на „лумена“ 15 nm. Те се срещат в свободно състояние в цитоплазмата на клетките или като структурни елементи на флагели (сперматозоиди), реснички (ресничести епител на трахеята), митотично вретено и центриоли (делящи се клетки).
Микротубулите се изграждат чрез сглобяване (полимеризация) на протеина тубулин. микротубули полярен:в тях се разграничават краищата (+) и (-). Техният растеж идва от специална структура от неделящи се клетки - микротубулен организиращ център, с която органелата е свързана с края (-) и която е представена от два елемента, идентични по структура на центриолите на клетъчния център. Микротубулите са удължени с прикрепване на нови субединици в края (+).В началната фаза посоката на растеж не се определя, но от образуваните микротубули остават тези, които влизат в контакт с (+) края си с подходяща цел. В растителните клетки, в които присъстват микротубули, не са открити структури като центриоли.
Микротубулите участват в:
- за поддържане формата на клетките,
- в организацията на тяхната двигателна активност (камшичета, реснички) и вътреклетъчен транспорт (хромозоми в анафазата на митозата).
Функциите на вътреклетъчни молекулни двигатели се изпълняват от протеините кинезин и динеин, които имат активността на ензима АТФаза. По време на флагеларно или цилиарно движение молекулите на динеин, прикрепени към микротубулите и използващи енергията на АТФ, се движат по тяхната повърхност към базалното тяло, т.е. към края (-). Изместването на микротубулите един спрямо друг причинява вълнообразни движения на флагела или ресничките, което кара клетката да се движи в пространството. В случай на неподвижни клетки, като ресничестия епител на трахеята, описаният механизъм се използва за отстраняване на слуз от дихателните пътища с частици, утаени в него (дренажна функция).
Участието на микротубулите в организирането на вътреклетъчния транспорт илюстрира движението на везикулите (везикулите) в цитоплазмата. Молекулите кинезин и динеин съдържат две кълбовидни „глави“ и „опашки“ под формата на протеинови вериги. С помощта на главите протеините се свързват с микротубулите, движейки се по тяхната повърхност: кинезин от края (-) до края (+) и динеин в обратна посока. В същото време те дърпат зад себе си мехурчетата, прикрепени към "опашките". Предполага се, че макромолекулната организация на "опашките" е променлива, което осигурява разпознаването на различни транспортирани структури.
С микротубулите като основен компонент на митотичния апарат са свързани дивергенцията на центриолите към полюсите на деляща се клетка и движението на хромозомите в анафазата на митозата. Животинските клетки, клетките на част от растенията, гъбите и водораслите се характеризират с клетъчен център (диплозома), образуван от две центриоли. Под електронен микроскоп центриола изглежда като "кух" цилиндър с диаметър 150 nm и дължина 300-500 nm. Стената на цилиндъра е изградена от 27 микротубули, групирани в 9 триплета. Функцията на центриолите, подобни по структура на елементите на центъра на организацията на микротубулите (виж тук, по-горе), включва образуването на нишки на митотичното вретено (вретено на делене, ахроматиново вретено на класическата цитология), които са микротубули . Центриолите поляризират процеса на клетъчно делене, осигурявайки редовно отклонение към неговите полюси на сестрински хроматиди (дъщерни хромозоми) в анафазата на митозата
Структурата на кинезина (а) и транспортирането на везикули по протежение на микротубула (б)
Около всеки центриол има безструктурна или фино влакнеста матрица. Често можете да намерите няколко допълнителни структури, свързани с центриолите: сателити (сателити), огнища на конвергенция на микротубулите, допълнителни микротубули, които образуват специална зона, центросферата около центриола.
| Име на параметъра | Значение |
| Тема на статията: | микротубули |
| Рубрика (тематична категория) | Екология |
Обща характеристика на микротубулите.Основните компоненти на цитоскелета включват микротубули (фиг. 265), нишковидни неразклонени структури с дебелина 25 nm, състоящи се от тубулинови протеини и свързаните с тях протеини. По време на полимеризацията тубулините образуват кухи тръби (микротубули), които могат да бъдат дълги няколко микрона, а най-дългите микротубули се намират в аксонема на опашката на спермата.
Микротубулите са разположени в цитоплазмата на интерфазните клетки поединично, в малки свободни снопчета или под формата на плътно опаковани образувания в състава на центриоли, базални тела в ресничките и камшичетата. По време на клетъчното делене повечето микротубули на клетката са част от делителното вретено.
По структура микротубулите са дълги кухи цилиндри с външен диаметър 25 nm (фиг. 266). Стената на микротубулите се състои от полимеризирани тубулинови протеинови молекули. По време на полимеризацията молекулите на тубулина образуват 13 надлъжни протофиламента, които са усукани в куха тръба (фиг. 267). Размерът на мономера на тубулина е около 5 nm, равен на дебелината на стената на микротубула, в чието напречно сечение се виждат 13 глобуларни молекули.
Молекулата на тубулина е хетеродимер, състоящ се от две различни субединици, a-тубулин и b-тубулин, които при свързване образуват самия тубулин протеин, първоначално поляризиран. И двете субединици на тубулиновия мономер са свързани с GTP; обаче, GTP на a-субединица не претърпява хидролиза, за разлика от GTP на b-субединица, където GTP се хидролизира до GDP по време на полимеризация. По време на полимеризацията тубулиновите молекули се комбинират по такъв начин, че a-субединица на следващия протеин се свързва с b-субединица на един протеин и т.н. Следователно отделните протофибрили възникват като полярни нишки и съответно цялата микротубула също е полярна структура, имаща бързо растящ (+) край и бавно растящ (-) край (фиг. 268).
При достатъчна концентрация на протеин полимеризацията настъпва спонтанно. Но по време на спонтанна полимеризация на тубулините се получава хидролиза на една молекула GTP, свързана с b-тубулин. По време на растежа на микротубулите, свързването на тубулин се осъществява с по-бърза скорост в нарастващия (+)-край. Въпреки това, ако концентрацията на тубулин е недостатъчна, микротубулите могат да бъдат разглобени от двата края. Разглобяването на микротубулите се улеснява чрез понижаване на температурата и наличието на Ca ++ йони.
Микротубулите са много динамични структури, които могат да се появят и разглобят доста бързо. Изолираните микротубули съдържат допълнителни протеини, свързани с тях, така наречените микротубули. MAP протеини (MAP - microtubule accessory proteins). Тези протеини, стабилизирайки микротубулите, ускоряват процеса на полимеризация на тубулина (фиг. 269).
Ролята на цитоплазмените микротубули се свежда до две функции: скелетна и двигателна. Ролята на скелета, скелето, е по същество, че местоположението на микротубулите в цитоплазмата стабилизира формата на клетката; при разтваряне на микротубулите клетките, които имат сложна форма, са склонни да придобият формата на топка. Двигателната роля на микротубулите е не само в това, че те създават подредена векторна система за движение. Цитоплазмените микротубули, във връзка със специфични асоциирани моторни протеини, образуват ATPase комплекси, способни да задвижват клетъчни компоненти.
В почти всички еукариотни клетки в хиалоплазмата могат да се видят дълги неразклонени микротубули. В големи количества те се намират в цитоплазмените процеси на нервните клетки, в процесите на меланоцитите, амебите и други клетки, които променят формата си (фиг. 270). Οʜᴎ се изолират сами или е възможно да се изолират образуващите ги протеини: това са същите тубулини с всичките им свойства.
микротубулни организационни центрове.Растежът на микротубулите на цитоплазмата се извършва полярно: (+) крайът на микротубулата расте. Животът на микротубулите е много кратък, във връзка с това постоянно се образуват нови микротубули. Процесът на започване на полимеризация на тубулините, нуклеация, се случва в ясно определени области на клетката, в т.нар. микротубулни организиращи центрове (MOTC). В зоните на CMTC се полагат къси микротубули, чиито (-) краища са обърнати към CMTC. Смята се, че (--)-краищата в COMT зоните са блокирани от специални протеини, които предотвратяват или ограничават деполимеризацията на тубулините. Поради тази причина, с достатъчно количество свободен тубулин, ще настъпи увеличаване на дължината на микротубулите, простиращи се от COMT. Като COMT в животинските клетки участват главно клетъчни центрове, съдържащи центриоли, както ще бъде обсъдено по-долу. В допълнение, ядрената зона може да служи като CMT, а по време на митоза - полюсите на вретеното на делене.
Една от целите на цитоплазмените микротубули е да създават еластичен, но в същото време стабилен вътреклетъчен скелет, който е изключително важен за поддържане формата на клетката. В еритроцитите на земноводните с форма на диск, турникет от кръгло разположени микротубули лежи по периферията на клетката; снопове от микротубули са характерни за различни израстъци на цитоплазмата (аксоподия на протозои, аксони на нервни клетки и др.).
Ролята на микротубулите е да образуват скеле за поддържане на клетъчното тяло, за стабилизиране и укрепване на клетъчните израстъци. В същото време микротубулите участват в процесите на растеж на клетките. Така при растенията, в процеса на удължаване на клетката, когато настъпи значително увеличение на клетъчния обем поради увеличаване на централната вакуола, в периферните слоеве на цитоплазмата се появяват голям брой микротубули. В този случай микротубулите, както и клетъчната стена, растяща по това време, изглежда подсилват, механично укрепват цитоплазмата.
Създавайки вътреклетъчен скелет, микротубулите са фактори за ориентираното движение на вътреклетъчните компоненти, определяйки местоположението им на пространство за насочени потоци от различни вещества и за движение на големи структури.
Хостван на ref.rf
По този начин, в случай на рибни меланофори (клетки, съдържащи меланинов пигмент) по време на растежа на клетъчните процеси, пигментните гранули се движат по снопове микротубули.
В аксоните на живите нервни клетки може да се наблюдава движението на различни малки вакуоли и гранули, които се движат както от тялото на клетката към нервните окончания (антерограден транспорт), така и в обратна посока (ретрограден транспорт).
Изолирани са протеини, отговорни за движението на вакуолите. Един от тях е кинезин, протеин с молекулно тегло около 300 000.
Има цяло семейство кинезини. Така цитозолните кинезини участват в транспортирането на везикули, лизозоми и други мембранни органели през микротубулите. Много от кинезините се свързват специфично с техните товари. Така че някои участват в преноса само на митохондрии, други само на синаптични везикули. Кинезините се свързват с мембраните чрез мембранни протеинови комплекси – кинектини. Кинезините на вретеното участват във формирането на тази структура и в хромозомната сегрегация.
Друг протеин, цитоплазменият динеин, е отговорен за ретроградния транспорт в аксона (фиг. 275). Състои се от две тежки вериги - глави, които взаимодействат с микротубули, няколко междинни и леки вериги, които се свързват с мембранните вакуоли. Цитоплазменият динеин е двигателен протеин, който пренася товари към минус края на микротубулите. Динеините също се разделят на два класа: цитозолни - участват в прехвърлянето на вакуоли и хромозоми и аксонемни - отговорни за движението на ресничките и флагелите.
Цитоплазмените динезини и кинезини са открити в почти всички видове животински и растителни клетки.
Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, а в цитоплазмата движението се извършва според принципа на плъзгащите се нишки, само че не нишките се движат по микротубулите, а късите молекули - двигатели, свързани с движещи се клетъчни компоненти. Сходството с актомиозиновия комплекс на тази система за вътреклетъчен транспорт се крие във факта, че се образува двоен комплекс (микротубула + двигател), който има висока АТФазна активност.
Както може да се види, микротубулите образуват радиално разминаващи се поляризирани фибрили в клетката, чиито (+)-краища са насочени от центъра на клетката към периферията. Наличието на (+) и (-)-насочени моторни протеини (кинезини и динезини) създава възможност за трансфер на неговите компоненти в клетката както от периферията към центъра (ендоцитни вакуоли, рециклиране на ER вакуоли и апарат на Голджи и др.) и от центъра към периферията (ER вакуоли, лизозоми, секреторни вакуоли и др.) (фиг. 276). Тази полярност на транспорта се създава поради организирането на система от микротубули, които възникват в центровете на тяхната организация, в клетъчния център.
Микротубули - понятие и видове. Класификация и характеристики на категория "Микротубули" 2017, 2018.
