Posebna grupa proteina citoskeleta su proteini mikrotubula. To uključuje tubulin, proteine povezane s mikrotubulama (MAP 1, MAP 2, MAP 4, tau, itd.) i proteine translokatora (dinein, kinezin, dinamin). Mikrotubule su proteinske tubularne strukture prečnika oko 25 nm i dužine do nekoliko desetina mikrometara; debljina njihovog zida je oko 6 nm. Oni su bitna komponenta citoplazme eukariotskih ćelija. Mikrotubule čine vreteno diobe (akromatska figura) u mitozi i mejozi, aksonemu (centralna struktura) pokretnih cilija i flagela, zid centriola i bazalnih tijela. Mikrotubule igraju važnu, ako ne i ključnu, ulogu u ćelijskoj morfogenezi i u nekim tipovima ćelijske pokretljivosti.
Zidovi mikrotubula su građeni od proteina tubulina, koji čini 90% mase. Tubulin je globularni protein koji postoji kao dimer α- i β-podjedinica s molekulskom težinom od ~55 kDa. Mikrotubul ima oblik šupljeg cilindra, čiji se zid sastoji od linearnih lanaca tubulinskih dimera, takozvanih protofilamenata. U protofilamentima, α-podjedinica prethodnog dimera je povezana sa β-podjedinicom sljedećeg. Dimeri u susjednim protofilamentima su pomjereni jedan u odnosu na drugi, formirajući spiralne redove. Poprečni presjek prikazuje 13 tubulinskih dimera, što odgovara 13 protofilamenata u
zid mikrotubula (slika 9). Svaka podjedinica sadrži oko 450 aminokiselina i aminokiselinske sekvence podjedinica su približno 40% homologne jedna drugoj. Tubulin je protein koji se vezuje za GTP, a β-podjedinica sadrži labilno vezan GTP ili GDP molekul koji se može razmjenjivati s GTP-om u otopini, a α-podjedinica sadrži čvrsto vezan GTP molekul.
Rice. 9. Struktura mikrotubula.
Tubulin je sposoban za spontanu polimerizaciju in vitro. Takva polimerizacija je moguća pri fiziološkim temperaturama i povoljnim jonskim uslovima (odsustvo Ca2+ jona) i zahtijeva dva faktora: visoku koncentraciju tubulina i prisustvo GTP. Polimerizacija je praćena hidrolizom GTP, a tubulin u mikrotubulama ostaje vezan za GDP, dok neorganski fosfat odlazi u rastvor.
Polimerizacija tubulina sastoji se od dvije faze: nukleacije i elongacije. Tokom nukleacije formiraju se sjemenke i tokom
elongacija - njihovo produženje sa formiranjem mikrotubula. Treba napomenuti da se tokom polimerizacije tubulina podjedinice dodaju samo na krajevima mikrotubula.
Nasuprotni krajevi mikrotubula razlikuju se u brzini rasta. Brzo rastući kraj naziva se plus kraj, a kraj koji sporo raste se naziva minus kraj mikrotubula (vidi sliku 9). U ćeliji su (-) krajevi mikrotubula obično povezani sa centrosomom, dok su (+) krajevi usmjereni prema periferiji i često sežu do samog ruba ćelije.
Mikrotubule su osjetljive dinamička nestabilnost.
Pri konstantnoj količini polimera dolazi do spontanog rasta ili skraćivanja pojedinačnih mikrotubula do njihovog potpunog nestanka. Zbog kašnjenja hidrolize GTP-a u odnosu na ugradnju tubulina, na kraju mikrotubula se formira GTP kapa, koja je u procesu rasta, koja se sastoji od 9-18 molekula GTP-tubulina. GTP kapica stabilizuje kraj mikrotubula i potiče njegov dalji rast. Ako je brzina ugradnje novih heterodimera manja od brzine hidrolize GTP, ili u slučaju mehaničke rupture mikrotubula, formira se kraj bez GTP kapice. Ovaj kraj ima smanjen afinitet za nove molekule tubulina; počinje da shvata.
Polimerizacija i depolimerizacija mikrotubula je izazvana promenama temperature, jonskim uslovima ili upotrebom specijalnih hemijskih agenasa. Među supstancama koje uzrokuju nepovratnu demontažu, široko se koriste indol alkaloidi (kolhicin, vinblastin, vinkristin itd.).
PROTEINI POVEZANI MICROTUBE
Proteini povezani s mikrotubulama podijeljeni su u dvije grupe: strukturni MAP (proteini povezani s mikrotubulama) i proteini povezani s mikrotubulama.
translokatori.
Strukturne IDA
Zajedničko svojstvo strukturnih MAP-a je njihova trajna povezanost sa mikrotubulama. Još jedno zajedničko svojstvo ove grupe proteina je da se, za razliku od translokatorskih proteina, u interakciji sa tubulinom, svi oni vezuju za C-terminalni dio molekule veličine oko 4 kDa.
Postoje MAP 1 i MAP 2 visoke molekularne težine, tau proteini sa molekulskom težinom od oko 60-70 kDa i MAP 4 ili MAP U sa molekulskom težinom od oko 200 kDa.
Dakle, molekula MAP 1B (predstavnik grupe proteina MAP 1) je stehiometrijski kompleks od jednog teškog i dva laka lanca, to je izduženi štapićasti molekul dužine 190 nm, koji na jednom kraju ima globularni domen od 10 nm u prečnik (navodno, mesto vezivanja mikrotubula). ); njegova molekularna težina je 255,5 kDa.
MAP 2 je termostabilan protein. Zadržava sposobnost interakcije s mikrotubulama i ostaje u njihovom sastavu u nekoliko ciklusa sklapanja-demontaže nakon zagrijavanja na 90°C.
Strukturni MAP su u stanju da stimulišu inicijaciju i elongaciju i stabilizuju gotove mikrotubule; spojite mikrotubule u snopove. Kratki α-
spiralne hidrofobne sekvence na N-terminusu MAP-a i tau-a, zatvarajući MAP molekule koji se nalaze na susjednim mikrotubulama, poput patent-zatvarača. Biološka uloga takvog umrežavanja može biti stabilizacija struktura koje formiraju mikrotubule u ćeliji.
Do danas su eksperimentalne studije utvrdile da, pored regulacije dinamike mikrotubula, strukturni MAP imaju još dvije glavne funkcije: ćelijsku morfogenezu i učešće u interakciji mikrotubula sa drugim unutarćelijskim strukturama.
Translocator proteins
Posebnost proteina ove grupe je sposobnost pretvaranja energije ATP-a u mehaničku silu koja može pomicati čestice duž mikrotubula ili mikrotubula duž supstrata. Shodno tome, translokatori su mehanohemijske ATPaze, a njihova aktivnost ATPaze je stimulisana mikrotubulama. Za razliku od strukturnih MAP-a, translokatori su povezani s mikrotubulama samo u vrijeme ATP-ovisnog kretanja.
Proteini translokatori podijeljeni su u dvije grupe: proteini slični kinezinu (posredno kretanje od (–) kraja do (+) kraja mikrotubula) i proteini slični dineinu (kretanje od (+) kraja do (–) kraja mikrotubula mikrotubule) (slika 10).
Kinezin je tetramer dva laka (62 kDa) i dva teška (120 kDa) polipeptidna lanca. Molekula kinezina
ima oblik štapa prečnika 2–4 nm i dužine 80–100 nm sa dve kuglaste glave na jednom kraju i lepezastim nastavkom na drugom (Sl. 11).
Rice. 10. Proteini-translokatori.
U sredini šipke nalazi se dio šarke. N-terminalni fragment teškog lanca veličine oko 50 kDa, koji ima mehanohemijsku aktivnost, naziva se kinezinski motorni domen.
Rice. 11. Struktura molekula kinezina.
Opće karakteristike mikrotubula. Bitne komponente citoskeleta uključuju mikrotubule (slika 265), filamentozne strukture koje se ne granaju, debljine 25 nm, koje se sastoje od proteina tubulina i njima povezanih proteina. Tokom polimerizacije, tubulini formiraju šuplje cijevi (mikrotubule), koje mogu biti dugačke nekoliko mikrona, a najduže mikrotubule nalaze se u aksonemu repa sperme.
Mikrotubule se nalaze u citoplazmi interfaznih ćelija pojedinačno, u malim labavim snopićima ili u obliku gusto zbijenih formacija u sklopu centriola, bazalnih tijela u cilijama i flagelama. Tokom diobe ćelije, većina mikrotubula ćelije dio je diobenog vretena.
Po strukturi, mikrotubule su dugi šuplji cilindri sa spoljnim prečnikom od 25 nm (Sl. 266). Zid mikrotubula se sastoji od polimerizovanih proteinskih molekula tubulina. Tokom polimerizacije, molekuli tubulina formiraju 13 uzdužnih protofilamenata, koji su uvijeni u šuplju cijev (Sl. 267). Veličina tubulinskog monomera je oko 5 nm, što je jednako debljini zida mikrotubula, u čijem poprečnom presjeku je vidljivo 13 globularnih molekula.
Molekula tubulina je heterodimer koji se sastoji od dvije različite podjedinice, a-tubulina i b-tubulina, koji nakon povezivanja formiraju sam protein tubulina, inicijalno polariziran. Obje podjedinice tubulinskog monomera su vezane za GTP; međutim, GTP na a-podjedinici ne prolazi kroz hidrolizu, za razliku od GTP-a na b-podjedinici, gdje se GTP hidrolizira u GDP tokom polimerizacije. Tokom polimerizacije, molekuli tubulina se kombinuju na način da se a-podjedinica sledećeg proteina povezuje sa b-podjedinicom jednog proteina i tako dalje. Posljedično, pojedinačni protofibrili nastaju kao polarni filamenti, pa je shodno tome i cijela mikrotubula polarna struktura, koja ima brzo rastući (+) kraj i polako rastući (-) kraj (Sl. 268).
Uz dovoljnu koncentraciju proteina, polimerizacija se javlja spontano. Ali tokom spontane polimerizacije tubulina dolazi do hidrolize jednog molekula GTP-a povezanog sa b-tubulinom. Tokom rasta mikrotubula, vezivanje tubulina se dešava brže na rastućem (+) kraju. Međutim, ako je koncentracija tubulina nedovoljna, mikrotubule se mogu rastaviti s oba kraja. Rastavljanje mikrotubula je olakšano snižavanjem temperature i prisustvom Ca ++ jona.
Mikrotubule su vrlo dinamične strukture koje se mogu pojaviti i rastaviti prilično brzo. U sastavu izoliranih mikrotubula nalaze se dodatni proteini povezani s njima, takozvane mikrotubule. MAP proteini (MAP - pomoćni proteini mikrotubula). Ovi proteini, stabilizujući mikrotubule, ubrzavaju proces polimerizacije tubulina (Sl. 269).
Uloga citoplazmatskih mikrotubula svodi se na dvije funkcije: skeletnu i motoričku. Skeletna, skeleta, uloga je da lokacija mikrotubula u citoplazmi stabilizuje oblik ćelije; pri otapanju mikrotubula, ćelije koje su imale složen oblik imaju tendenciju da dobiju oblik lopte. Motorička uloga mikrotubula nije samo da stvaraju uređeni, vektorski, sistem kretanja. Citoplazmatske mikrotubule, zajedno sa specifičnim povezanim motornim proteinima, formiraju komplekse ATPaze sposobne pokretati ćelijske komponente.
U gotovo svim eukariotskim ćelijama u hijaloplazmi mogu se vidjeti dugačke nerazgranate mikrotubule. U velikim količinama nalaze se u citoplazmatskim procesima nervnih ćelija, u procesima melanocita, ameba i drugih ćelija koje menjaju svoj oblik (Sl. 270). Mogu se izolovati sami, ili je moguće izolovati njihove formirajuće proteine: to su isti tubulini sa svim svojim svojstvima.
centre organizacije mikrotubula. Rast mikrotubula citoplazme odvija se polarno: (+) kraj mikrotubula raste. Životni vijek mikrotubula je vrlo kratak, pa se nove mikrotubule stalno stvaraju. Proces početka polimerizacije tubulina, nukleacije, dešava se u jasno definisanim delovima ćelije, u tzv. centre za organizaciju mikrotubula (MOTC). U CMTC zonama dolazi do polaganja kratkih mikrotubula, čiji (-) krajevi su okrenuti prema CMTC. Vjeruje se da su (--)-krajevi u COMT zonama blokirani posebnim proteinima koji sprječavaju ili ograničavaju depolimerizaciju tubulina. Stoga, s dovoljnom količinom slobodnog tubulina, doći će do povećanja dužine mikrotubula koji se protežu od COMT-a. Kao COMT u životinjskim ćelijama, uglavnom su uključeni ćelijski centri koji sadrže centriole, o čemu će biti reči u nastavku. Osim toga, nuklearna zona može poslužiti kao CMT, a tokom mitoze, polovi fisijskog vretena.
Jedna od namjena citoplazmatskih mikrotubula je stvaranje elastičnog, ali u isto vrijeme stabilnog unutarćelijskog skeleta, neophodnog za održavanje oblika ćelije. U eritrocitima vodozemaca u obliku diska, podvezak od kružno položenih mikrotubula leži duž periferije ćelije; snopovi mikrotubula su karakteristični za različite izrasline citoplazme (aksopodije protozoa, aksoni nervnih ćelija itd.).
Uloga mikrotubula je da formiraju skelu za potporu ćelijskog tijela, da stabiliziraju i ojačaju ćelijske izrasline. Osim toga, mikrotubule su uključene u procese rasta stanica. Tako se kod biljaka, u procesu izduživanja ćelije, kada dođe do značajnog povećanja volumena ćelije usled povećanja centralne vakuole, pojavljuje se veliki broj mikrotubula u perifernim slojevima citoplazme. U ovom slučaju, čini se da mikrotubule, kao i ćelijski zid koji raste u ovom trenutku, ojačavaju, mehanički jačaju citoplazmu.
Stvarajući intracelularni skelet, mikrotubule su faktori orijentisanog kretanja intracelularnih komponenti, postavljajući prostore za usmerene tokove različitih supstanci i za kretanje velikih struktura. Tako se kod ribljih melanofora (ćelija koje sadrže pigment melanina) tokom rasta ćelijskih procesa granule pigmenta kreću duž snopova mikrotubula.
U aksonima živih nervnih ćelija može se uočiti kretanje raznih malih vakuola i granula koje se kreću kako od tela ćelije do nervnog završetka (anterogradni transport), tako i u suprotnom smeru (retrogradni transport).
Izolovani su proteini odgovorni za kretanje vakuola. Jedan od njih je kinezin, protein molekularne težine od oko 300.000.
Postoji čitava porodica kinezina. Dakle, citosolni kinezini su uključeni u transport vezikula, lizosoma i drugih membranskih organela kroz mikrotubule. Mnogi kinezini se specifično vezuju za svoj teret. Dakle, neki su uključeni u prijenos samo mitohondrija, drugi samo sinaptičkih vezikula. Kinezini se vezuju za membrane preko membranskih proteinskih kompleksa - kinektina. Kinezini vretena su uključeni u formiranje ove strukture i segregaciju hromozoma.
Drugi protein, citoplazmatski dinein, odgovoran je za retrogradni transport u aksonu (slika 275). Sastoji se od dva teška lanca - glava koje su u interakciji sa mikrotubulama, nekoliko srednjih i lakih lanaca koji se vezuju za membranske vakuole. Citoplazmatski dinein je motorni protein koji nosi teret do minus kraja mikrotubula. Dineini se također dijele u dvije klase: citosolne - uključene u prijenos vakuola i hromozoma, i aksonemske - odgovorne za kretanje cilija i flagela.
Citoplazmatski dineini i kinezini pronađeni su u gotovo svim vrstama životinjskih i biljnih stanica.
Dakle, u citoplazmi se kretanje odvija po principu kliznih filamenata, samo duž mikrotubula ne kreću se filamenti, već kratke molekule - pokretači povezani s pokretnim ćelijskim komponentama. Sličnost sa aktomiozinskim kompleksom ovog sistema intracelularnog transporta leži u činjenici da se formira dvostruki kompleks (mikrotubul + pokretač) koji ima visoku aktivnost ATPaze.
Kao što se može vidjeti, mikrotubule formiraju radijalno divergentne polarizirane fibrile u ćeliji, čiji su (+)-krajevi usmjereni od centra ćelije prema periferiji. Prisutnost (+) i (-)-usmjerenih motornih proteina (kinezina i dineina) stvara mogućnost za prijenos njenih komponenti u ćeliji kako od periferije do centra (endocitne vakuole, reciklaža ER vakuola i Golgijev aparat , itd.), i od centra ka periferiji (ER vakuole, lizozomi, sekretorne vakuole, itd.) (Sl. 276). Ovaj polaritet transporta nastaje zbog organizacije sistema mikrotubula koji nastaju u centrima njihove organizacije, u ćelijskom centru.
Mikrotubule su jedna od bitnih komponenti citoplazme biljne ćelije. Morfološki, mikrotubule su dugi šuplji cilindri sa vanjskim prečnikom od 25 nm. Zid mikrotubula se sastoji od polimerizovanih proteinskih molekula tubulina. Tokom polimerizacije, molekuli tubulina formiraju 13 uzdužnih protofilamenata, koji su uvijeni u šuplju cijev. Izmjena monomera tubulina je oko 5 nm, što je jednako debljini stijenke mikrotubula, u čijem poprečnom presjeku je vidljivo 13 globularnih molekula.
Mikrotubul je polarna struktura sa brzo rastućim plus krajem i sporo rastućim minus krajem.
Mikrotubule su vrlo dinamične strukture koje se mogu pojaviti i rastaviti prilično brzo. Kada se koriste elektronski sistemi za pojačavanje signala u svjetlosnom mikroskopu, može se vidjeti da mikrotubule rastu, skraćuju se i nestaju u živoj ćeliji; su stalno u dinamičkoj nestabilnosti. Pokazalo se da je prosječno vrijeme poluživota citoplazmatskih mikrotubula samo 5 minuta. Tako se za 15 minuta obnovi oko 80% cjelokupne populacije mikrotubula. Kao dio fisijskog vretena, mikrotubule imaju životni vijek od oko 15-20 s. Međutim, 10-20% mikrotubula ostaje relativno stabilno prilično dugo (do nekoliko sati).
Mikrotubule su strukture u kojima je 13 protofilamenata, koji se sastoje od α- i β-tubulinskih heterodimera, naslagano po obodu šupljeg cilindra. Spoljni prečnik cilindra je oko 25 nm, unutrašnji prečnik je oko 15.
Jedan kraj mikrotubula, koji se naziva plus kraj, stalno vezuje slobodni tubulin za sebe. Sa suprotnog kraja - minus kraja - tubulinske jedinice se odvajaju.
Postoje tri faze u formiranju mikrotubula:
odložena faza ili nukleacija. Ovo je faza nukleacije mikrotubula, kada se molekuli tubulina počinju spajati u veće formacije. Ova veza je sporija od vezivanja tubulina na već sastavljenu mikrotubulu, zbog čega se faza naziva odložena;
faza polimerizacije, odnosno elongacije. Ako je koncentracija slobodnog tubulina visoka, njegova polimerizacija se događa brže od depolimerizacije na minus kraju, čime se produžava mikrotubul. Kako raste, koncentracija tubulina pada na kritičnu i stopa rasta se usporava do ulaska u sljedeću fazu;
faza stacionarnog stanja. Depolimerizacija uravnotežuje polimerizaciju i zaustavlja rast mikrotubula.
Laboratorijske studije pokazuju da se sklapanje mikrotubula iz tubulina odvija samo u prisustvu gvanozin trifosfata i jona magnezijuma.
Fig.1. Koraci za samosastavljanje mikrotubula
Nedavno je u živim ćelijama uočeno sastavljanje i rastavljanje mikrotubula. Nakon uvođenja antitela na tubulin obeleženih fluorohromima u ćeliju i korišćenja sistema za elektronsko pojačavanje signala u svetlosnom mikroskopu, može se videti da mikrotubuli rastu, skraćuju se i nestaju u živoj ćeliji; su stalno u dinamičkoj nestabilnosti. Pokazalo se da je prosječno vrijeme poluživota citoplazmatskih mikrotubula samo 5 minuta. Tako se za 15 minuta obnovi oko 80% cjelokupne populacije mikrotubula. Istovremeno, pojedinačne mikrotubule se mogu polako (4-7 µm/min) izdužiti na rastućem kraju, a zatim prilično brzo skraćivati (14-17 µm/min). U živim ćelijama, mikrotubule kao dio fisionog vretena imaju životni vijek od oko 15-20 s. Vjeruje se da je dinamička nestabilnost citoplazmatskih mikrotubula povezana s kašnjenjem u hidrolizi GTP, što dovodi do formiranja zone koja sadrži nehidrolizirane nukleotide (“GTP cap”) na plus kraju mikrotubula. U ovoj zoni, molekuli tubulina se međusobno vezuju sa visokim afinitetom.
jedni druge, a samim tim i brzina rasta mikrotubula se povećava. Naprotiv, gubitkom ovog mjesta, mikrotubule počinju da se skraćuju.
Međutim, 10-20% mikrotubula ostaje relativno stabilno prilično dugo (do nekoliko sati). Takva stabilizacija se u velikoj mjeri opaža u diferenciranim ćelijama. Stabilizacija mikrotubula je povezana ili sa modifikacijom tubulina ili njihovim vezivanjem za proteine pomoćnih mikrotubula (MAP) i druge ćelijske komponente.
Acetilacija lizina u sastavu tubulina značajno povećava stabilnost mikrotubula. Drugi primjer modifikacije tubulina može biti uklanjanje terminalnog tirozina, što je također karakteristično za stabilne mikrotubule. Ove modifikacije su reverzibilne.
Fig.2. Lokacija mikrotubula u citoplazmi fibroblasta (a), melanocita (b) i neurona (c)
Mikrotubule same po sebi nisu sposobne za kontrakciju, međutim, one su bitne komponente mnogih pokretnih ćelijskih struktura, kao što su cilije i flagele, poput ćelijskog vretena tokom mitoze, kao mikrotubule citoplazme, koje su neophodne za brojne unutarćelijske transporte, kao npr. kao egzocitoza, kretanje mitohondrija, itd.
Općenito, uloga citoplazmatskih mikrotubula može se svesti na dvije funkcije: skeletnu i motoričku. Skeletna, skeleta, uloga je da lokacija mikrotubula u citoplazmi stabilizuje oblik ćelije; pri otapanju mikrotubula, ćelije koje su imale složen oblik imaju tendenciju da dobiju oblik lopte. Motorička uloga mikrotubula nije samo da stvaraju uređeni, vektorski, sistem kretanja. Citoplazmatske mikrotubule zajedno sa specifičnim povezanim motornim proteinima formiraju komplekse ATPaze sposobne pokretati ćelijske komponente.
U gotovo svim eukariotskim ćelijama u hijaloplazmi mogu se vidjeti dugačke nerazgranate mikrotubule. U velikim količinama nalaze se u citoplazmatskim procesima nervnih ćelija, u procesima melanocita, ameba i drugih ćelija koje menjaju svoj oblik (Sl. 270). Mogu se izolovati sami, ili je moguće izolovati njihove formirajuće proteine: to su isti tubulini sa svim svojim svojstvima.
Mikrotubule same po sebi nisu sposobne za kontrakciju, međutim, one su bitne komponente mnogih pokretnih ćelijskih struktura, kao što je ćelijsko vreteno tokom mitoze kao mikrotubule citoplazme, koje su neophodne za niz intracelularnih transporta, kao što su egzocitoza, kretanje mitohondrija, itd.
Općenito, uloga citoplazmatskih mikrotubula može se svesti na dvije funkcije: skeletnu i motoričku. Skeletna, skeletna, uloga leži u činjenici da položaj mikrotubula u citoplazmi stabilizuje oblik ćelije. Motorička uloga mikrotubula nije samo da stvaraju uređeni, vektorski sistem kretanja. Citoplazmatske mikrotubule i asocijacije sa specifičnim povezanim motornim proteinima formiraju komplekse ATPaze sposobne pokretati ćelijske komponente. Osim toga, mikrotubule su uključene u procese rasta stanica. Kod biljaka, u procesu izduživanja ćelije, kada dođe do značajnog povećanja volumena ćelije usled povećanja centralne vakuole, u perifernim slojevima citoplazme pojavljuje se veliki broj mikrotubula. U ovom slučaju, čini se da mikrotubule, kao i ćelijski zid koji raste u ovom trenutku, ojačavaju, mehanički jačaju citoplazmu.
Hemijski sastav mikrotubula
Mikrotubule se sastoje od proteina tubulina i povezanih proteina. Molekul tubulina je heterodimer koji se sastoji od dvije različite podjedinice, koje nakon povezivanja formiraju sam protein tubulina, inicijalno polariziran. Tokom polimerizacije, molekuli tubulina se kombinuju. Posljedično, pojedinačni protofibrili nastaju kao polarni filamenti, pa je shodno tome cijela mikrotubula također polarna struktura, koja ima brzo rastući plus-kraj i polako rastući minus-kraj. Uz dovoljnu koncentraciju proteina, polimerizacija se javlja spontano. Tokom spontane polimerizacije tubulina, jedan molekul GTP se hidrolizira. Tokom produžavanja mikrotubula, vezivanje tubulina se odvija brže na rastućem plus-kraju. Međutim, ako je koncentracija tubulina nedovoljna, mikrotubule se mogu rastaviti s oba kraja. Rastavljanje mikrotubula je olakšano snižavanjem temperature i prisustvom Ca 2 jona.
Postoji niz supstanci koje utiču na polimerizaciju tubulina. Tako se alkaloid kolhicin vezuje za pojedinačne molekule tubulina i sprečava njihovu polimerizaciju. To dovodi do pada koncentracije slobodnog tubulina sposobnog za polimerizaciju, što uzrokuje brzo rastavljanje citoplazmatskih mikrotubula i mikrotubula vretena. Colcemid i nocodozol imaju isti učinak, kada se isperu, dolazi do potpunog obnavljanja mikrotubula. Taksol ima stabilizirajući učinak na mikrotubule, što potiče polimerizaciju tubulina čak i pri niskim koncentracijama. Mikrotubule također sadrže dodatne proteine povezane s njima, takozvane MAP proteine. Ovi proteini, stabilizirajući mikrotubule, ubrzavaju proces polimerizacije tubulina.
Funkcije mikrotubula
Mikrotubule u ćeliji se koriste kao "šine" za transport čestica. Membranske vezikule i mitohondrije mogu se kretati duž njihove površine. Transport kroz mikrotubule obavljaju proteini koji se nazivaju motorni proteini. To su visokomolekularna jedinjenja koja se sastoje od dva teška (težine oko 300 kDa) i nekoliko lakih lanaca. Teški lanci se dijele na domene glave i repa. Dvije glavne domene se vezuju za mikrotubule i djeluju kao motori, dok se repne domene vezuju za organele i druge unutarćelijske formacije koje se transportuju.
Postoje dvije vrste motornih proteina: citoplazmatski dineini; kinezini.
Dineini pomiču teret samo od plus-kraja do minus-kraja mikrotubula, odnosno od perifernih područja ćelije do centrosoma. Kinezini se, naprotiv, kreću prema plus-endu, odnosno prema periferiji ćelije.
Kretanje se odvija zahvaljujući energiji ATP-a. Glavni domeni motornih proteina za ovu svrhu sadrže ATP-vezujuća mjesta.
Pored transportne funkcije, mikrotubule formiraju centralnu strukturu cilija i flagela - aksonemu. Tipična aksonema sadrži 9 pari ujedinjenih mikrotubula duž periferije i dvije potpune mikrotubule u centru. Mikrotubule se sastoje i od centriola i diobenog vretena, koje osigurava divergenciju hromozoma do polova ćelije tokom mitoze i mejoze. Mikrotubule su uključene u održavanje oblika ćelije i rasporeda organela (posebno Golgijevog aparata) u citoplazmi ćelije.
U gotovo svim eukariotskim ćelijama u hijaloplazmi mogu se vidjeti dugo nerazgranate mikrotubule. U velikim količinama nalaze se u citoplazmatskim procesima nervnih ćelija, fibroblastima i drugim ćelijama koje menjaju svoj oblik. Oni se mogu izolovati sami, ili se mogu izolovati proteini koji ih formiraju: to su isti tubulini sa svim svojim svojstvima.
Glavna funkcionalna vrijednost Ovakvih mikrotubula citoplazme treba stvoriti elastičnu, ali istovremeno stabilnu unutarćelijsku skelu (citoskelet), neophodnu za održavanje oblika ćelije.
Nemembranske organele uključuju mikrotubule - tubularne formacije različitih dužina sa vanjskim prečnikom od 24 nm, debljinom stijenke od oko 5 nm i širinom "lumena" od 15 nm. Javljaju se u slobodnom stanju u citoplazmi ćelija ili kao strukturni elementi flagela (spermatozoida), cilija (cilijarnog epitela dušnika), mitotičkog vretena i centriola (ćelije koje se dijele).
Mikrotubule se grade sklapanjem (polimerizacijom) proteina tubulina. mikrotubule polarni: u njima se razlikuju krajevi (+) i (-). Njihov rast dolazi od posebne strukture ćelija koje se ne dijele - centar za organizaciju mikrotubula, s kojim je organela povezana krajem (-) i koji je predstavljen sa dva elementa identična po strukturi centriolama ćelijskog centra. Mikrotubule su izdužene za pričvršćivanje novih podjedinica na kraju (+). U početnoj fazi se ne određuje smjer rasta, ali od formiranih mikrotubula ostaju one koje svojim (+) krajem dođu u kontakt sa odgovarajućom metom. U biljnim ćelijama, u kojima su prisutne mikrotubule, strukture poput centriola nisu pronađene.
Mikrotubule su uključene u:
- u održavanju oblika ćelija,
- u organizaciji njihove motoričke aktivnosti (flagele, cilije) i unutarćelijskog transporta (hromozomi u anafazi mitoze).
Funkcije intracelularnih molekularnih motora obavljaju proteini kinezin i dinein, koji imaju aktivnost enzima ATPaze. Za vrijeme biča ili cilijarnog kretanja, molekule dineina, vežući se za mikrotubule i koristeći energiju ATP-a, kreću se duž njihove površine prema bazalnom tijelu, odnosno prema kraju (-). Pomicanje mikrotubula jedna u odnosu na drugu uzrokuje valovite pokrete flageluma ili cilija, tjerajući ćeliju da se kreće u prostoru. U slučaju nepokretnih ćelija, kao što je trepljasti epitel traheje, opisani mehanizam se koristi za uklanjanje sluzi iz respiratornog trakta sa česticama koje se talože u njemu (drenažna funkcija).
Učešće mikrotubula u organizaciji intracelularnog transporta ilustruje kretanje vezikula (vezikula) u citoplazmi. Molekuli kinezina i dineina sadrže dvije globularne "glave" i "repove" u obliku proteinskih lanaca. Uz pomoć glava, proteini dolaze u kontakt s mikrotubulama, krećući se duž njihove površine: kinezin od kraja (-) do kraja (+), a dinein u suprotnom smjeru. Istovremeno za sobom povlače mjehuriće pričvršćene za "repove". Pretpostavlja se da je makromolekularna organizacija "repova" promjenjiva, što osigurava prepoznavanje različitih transportiranih struktura.
Uz mikrotubule kao bitnu komponentu mitotičkog aparata, povezana je divergencija centriola do polova ćelije koja se dijeli i kretanje kromosoma u anafazi mitoze. Životinjske ćelije, ćelije dijela biljaka, gljive i alge karakteriziraju ćelijski centar (diplozom) formiran od dva centriola. Pod elektronskim mikroskopom, centriol izgleda kao "šuplji" cilindar prečnika 150 nm i dužine 300-500 nm. Zid cilindra čini 27 mikrotubula grupisanih u 9 tripleta. Funkcija centriola, po strukturi slična elementima centra organizacije mikrotubula (vidi ovdje, gore), uključuje formiranje filamenata mitotičkog vretena (razdjelno vreteno, akromatinsko vreteno klasične citologije), koji su mikrotubuli . Centriole polariziraju proces diobe stanice, osiguravajući pravilnu divergenciju svojim polovima sestrinskih hromatida (kromosoma kćeri) u anafazi mitoze
Struktura kinezina (a) i transport vezikula duž mikrotubula (b)
Oko svake centriole nalazi se matrica bez strukture, ili fino vlaknasta. Često možete pronaći nekoliko dodatnih struktura povezanih s centriolama: sateliti (sateliti), žarišta konvergencije mikrotubula, dodatne mikrotubule koje formiraju posebnu zonu, centrosferu oko centriola.
| Naziv parametra | Značenje |
| Tema članka: | mikrotubule |
| Rubrika (tematska kategorija) | Ekologija |
Opće karakteristike mikrotubula. Bitne komponente citoskeleta uključuju mikrotubule (slika 265), filamentozne strukture koje se ne granaju, debljine 25 nm, koje se sastoje od proteina tubulina i njima povezanih proteina. Tokom polimerizacije, tubulini formiraju šuplje cijevi (mikrotubule), koje mogu biti dugačke nekoliko mikrona, a najduže mikrotubule nalaze se u aksonemu repa sperme.
Mikrotubule se nalaze u citoplazmi interfaznih ćelija pojedinačno, u malim labavim snopićima ili u obliku gusto zbijenih formacija u sastavu centriola, bazalnih tijela u cilijama i flagelama. Tokom diobe ćelije, većina mikrotubula ćelije dio je diobenog vretena.
Po strukturi, mikrotubule su dugi šuplji cilindri sa spoljnim prečnikom od 25 nm (Sl. 266). Zid mikrotubula se sastoji od polimerizovanih proteinskih molekula tubulina. Tokom polimerizacije, molekuli tubulina formiraju 13 uzdužnih protofilamenata, koji su uvijeni u šuplju cijev (Sl. 267). Veličina tubulinskog monomera je oko 5 nm, što je jednako debljini zida mikrotubula, u čijem poprečnom presjeku je vidljivo 13 globularnih molekula.
Molekula tubulina je heterodimer koji se sastoji od dvije različite podjedinice, a-tubulina i b-tubulina, koji nakon povezivanja formiraju sam protein tubulina, inicijalno polariziran. Obje podjedinice tubulinskog monomera su vezane za GTP; međutim, GTP na a-podjedinici ne prolazi kroz hidrolizu, za razliku od GTP-a na b-podjedinici, gdje se GTP hidrolizira u GDP tokom polimerizacije. Tokom polimerizacije, molekuli tubulina se kombinuju na način da se a-podjedinica sledećeg proteina povezuje sa b-podjedinicom jednog proteina i tako dalje. Posljedično, pojedinačni protofibrili nastaju kao polarni filamenti, pa je shodno tome i cijela mikrotubula polarna struktura, koja ima brzo rastući (+) kraj i polako rastući (-) kraj (Sl. 268).
Uz dovoljnu koncentraciju proteina, polimerizacija se javlja spontano. Ali tokom spontane polimerizacije tubulina dolazi do hidrolize jednog molekula GTP-a povezanog sa b-tubulinom. Tokom rasta mikrotubula, vezivanje tubulina se dešava brže na rastućem (+) kraju. Međutim, ako je koncentracija tubulina nedovoljna, mikrotubule se mogu rastaviti s oba kraja. Rastavljanje mikrotubula je olakšano snižavanjem temperature i prisustvom Ca ++ jona.
Mikrotubule su vrlo dinamične strukture koje se mogu pojaviti i rastaviti prilično brzo. Izolirane mikrotubule sadrže dodatne proteine povezane s njima, takozvane mikrotubule. MAP proteini (MAP - pomoćni proteini mikrotubula). Ovi proteini, stabilizujući mikrotubule, ubrzavaju proces polimerizacije tubulina (Sl. 269).
Uloga citoplazmatskih mikrotubula svodi se na dvije funkcije: skeletnu i motoričku. Skeletna, skela, uloga je u suštini da lokacija mikrotubula u citoplazmi stabilizuje oblik ćelije; pri otapanju mikrotubula, ćelije koje su imale složen oblik imaju tendenciju da dobiju oblik lopte. Motorička uloga mikrotubula nije samo da stvaraju uređeni, vektorski, sistem kretanja. Citoplazmatske mikrotubule, zajedno sa specifičnim povezanim motornim proteinima, formiraju komplekse ATPaze sposobne pokretati ćelijske komponente.
U gotovo svim eukariotskim ćelijama, u hijaloplazmi se mogu vidjeti dugačke nerazgranate mikrotubule. U velikim količinama nalaze se u citoplazmatskim procesima nervnih ćelija, u procesima melanocita, ameba i drugih ćelija koje menjaju svoj oblik (Sl. 270). Οʜᴎ su izolovani sami, ili je moguće izolovati njihove formirajuće proteine: to su isti tubulini sa svim svojim svojstvima.
centre organizacije mikrotubula. Rast mikrotubula citoplazme odvija se polarno: (+) kraj mikrotubula raste. Životni vijek mikrotubula je vrlo kratak, s tim u vezi stalno se stvaraju nove mikrotubule. Proces početka polimerizacije tubulina, nukleacije, dešava se u jasno definisanim delovima ćelije, u tzv. centre za organizaciju mikrotubula (MOTC). U CMTC zonama dolazi do polaganja kratkih mikrotubula, čiji (-) krajevi su okrenuti prema CMTC. Vjeruje se da su (--)-krajevi u COMT zonama blokirani posebnim proteinima koji sprječavaju ili ograničavaju depolimerizaciju tubulina. Iz tog razloga, uz dovoljnu količinu slobodnog tubulina, doći će do povećanja dužine mikrotubula koji se protežu od COMT-a. Kao COMT u životinjskim ćelijama, uglavnom su uključeni ćelijski centri koji sadrže centriole, o čemu će biti reči u nastavku. Osim toga, nuklearna zona može služiti kao CMT, a tokom mitoze, polovi diobenog vretena.
Jedna od namjena mikrotubula citoplazme je stvaranje elastičnog, ali u isto vrijeme stabilnog unutarćelijskog skeleta, što je izuzetno važno za održavanje oblika ćelije. U eritrocitima vodozemaca u obliku diska, podvezak od kružno položenih mikrotubula leži duž periferije ćelije; snopovi mikrotubula su karakteristični za različite izrasline citoplazme (aksopodije protozoa, aksoni nervnih ćelija itd.).
Uloga mikrotubula je da formiraju skelu za potporu ćelijskog tijela, da stabiliziraju i ojačaju ćelijske izrasline. Istovremeno, mikrotubule su uključene u procese rasta ćelija. Tako se kod biljaka, u procesu izduživanja ćelije, kada dođe do značajnog povećanja volumena ćelije usled povećanja centralne vakuole, pojavljuje se veliki broj mikrotubula u perifernim slojevima citoplazme. U ovom slučaju, čini se da mikrotubule, kao i ćelijski zid koji raste u ovom trenutku, ojačavaju, mehanički jačaju citoplazmu.
Stvarajući intracelularni skelet, mikrotubule su faktori u orijentiranom kretanju intracelularnih komponenti, određujući njihovu lokaciju prostora za usmjerene tokove različitih tvari i za kretanje velikih struktura.
Hostirano na ref.rf
Tako se kod ribljih melanofora (ćelija koje sadrže pigment melanina) tokom rasta ćelijskih procesa granule pigmenta kreću duž snopova mikrotubula.
U aksonima živih nervnih ćelija može se uočiti kretanje raznih malih vakuola i granula koje se kreću kako od tela ćelije do nervnog završetka (anterogradni transport), tako i u suprotnom smeru (retrogradni transport).
Izolovani su proteini odgovorni za kretanje vakuola. Jedan od njih je kinezin, protein molekularne težine od oko 300.000.
Postoji čitava porodica kinezina. Dakle, citosolni kinezini su uključeni u transport vezikula, lizosoma i drugih membranskih organela kroz mikrotubule. Mnogi kinezini se specifično vezuju za svoj teret. Dakle, neki su uključeni u prijenos samo mitohondrija, drugi samo sinaptičkih vezikula. Kinezini se vezuju za membrane preko membranskih proteinskih kompleksa - kinektina. Kinezini vretena su uključeni u formiranje ove strukture i segregaciju hromozoma.
Drugi protein, citoplazmatski dinein, odgovoran je za retrogradni transport u aksonu (slika 275). Sastoji se od dva teška lanca - glava koje su u interakciji sa mikrotubulama, nekoliko srednjih i lakih lanaca koji se vezuju za membranske vakuole. Citoplazmatski dinein je motorni protein koji nosi opterećenje na minus kraj mikrotubula. Dineini se također dijele u dvije klase: citosolne - uključene u prijenos vakuola i hromozoma, i aksonemske - odgovorne za kretanje cilija i flagela.
Citoplazmatski dinezini i kinezini pronađeni su u gotovo svim vrstama životinjskih i biljnih stanica.
Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, a u citoplazmi se kretanje odvija po principu kliznih niti, samo što se ne kreću niti duž mikrotubula, već kratki molekuli - pokretači povezani s pokretnim ćelijskim komponentama. Sličnost sa aktomiozinskim kompleksom ovog sistema intracelularnog transporta leži u činjenici da se formira dvostruki kompleks (mikrotubul + pokretač) koji ima visoku aktivnost ATPaze.
Kao što se može vidjeti, mikrotubule formiraju radijalno divergentne polarizirane fibrile u ćeliji, čiji su (+)-krajevi usmjereni od centra ćelije prema periferiji. Prisutnost (+) i (-)-usmjerenih motornih proteina (kinezina i dinezina) stvara mogućnost za prijenos njenih komponenti u ćeliji kako od periferije do centra (endocitne vakuole, reciklaža ER vakuola i Golgijev aparat itd.) i od centra ka periferiji (ER vakuole, lizozomi, sekretorne vakuole, itd.) (Sl. 276). Ovaj polaritet transporta nastaje zbog organizacije sistema mikrotubula koji nastaju u centrima njihove organizacije, u ćelijskom centru.
Mikrotubule - pojam i vrste. Klasifikacija i karakteristike kategorije "Mikrotubule" 2017, 2018.
