Samostatnou skupinou cytoskeletálních proteinů jsou mikrotubulové proteiny. Patří sem tubulin, proteiny asociované s mikrotubuly (MAP 1, MAP 2, MAP 4, tau atd.) a translokační proteiny (dynein, kinesin, dynamin). Mikrotubuly jsou proteinové tubulární struktury o průměru asi 25 nm a délce až několik desítek mikrometrů; jejich tloušťka stěny je asi 6 nm. Jsou nezbytnou součástí cytoplazmy eukaryotických buněk. Mikrotubuly tvoří vřeténo dělení (achromatický obrazec) v mitóze a meióze, axonému (centrální strukturu) pohyblivých řasinek a bičíků, stěnu centriol a bazálních tělísek. Mikrotubuly hrají důležitou, ne-li klíčovou roli v buněčné morfogenezi a v některých typech buněčné motility.
Stěny mikrotubulů jsou postaveny z bílkovinného tubulinu, který tvoří 90 % hmotnosti. Tubulin je globulární protein, který existuje jako dimer α- a β-podjednotek s molekulovou hmotností ~55 kDa. Mikrotubul má tvar dutého válce, jehož stěnu tvoří lineární řetězce tubulinových dimerů, tzv. protofilamenta. V protofilamentech je α-podjednotka předchozího dimeru spojena s β-podjednotkou následujícího. Dimery v sousedních protofilamentech jsou vůči sobě posunuty a tvoří spirálovité řady. Příčný řez ukazuje 13 tubulinových dimerů, což odpovídá 13 protofilamentům v
stěna mikrotubulu (obr. 9). Každá podjednotka obsahuje přibližně 450 aminokyselin a aminokyselinové sekvence podjednotek jsou přibližně ze 40 % vzájemně homologní. Tubulin je protein vázající GTP a β-podjednotka obsahuje labilně navázanou molekulu GTP nebo GDP, která se může vyměňovat s GTP v roztoku, a α-podjednotka obsahuje pevně vázanou molekulu GTP.
Rýže. 9. Struktura mikrotubulů.
Tubulin je schopen spontánní polymerace in vitro. Taková polymerace je možná za fyziologických teplot a příznivých iontových podmínek (absence Ca2+ iontů) a vyžaduje dva faktory: vysokou koncentraci tubulinu a přítomnost GTP. Polymerace je doprovázena hydrolýzou GTP a tubulin v mikrotubulu zůstává vázán na GDP, zatímco anorganický fosfát přechází do roztoku.
Polymerace tubulinu se skládá ze dvou fází: nukleace a elongace. Během nukleace se tvoří semena a během
elongace - jejich prodloužení s tvorbou mikrotubulů. Je třeba poznamenat, že během polymerace tubulinu se podjednotky přidávají pouze na koncích mikrotubulů.
Opačné konce mikrotubulů se liší rychlostí růstu. Rychle rostoucí konec se nazývá plusový konec a pomalu rostoucí konec se nazývá mínusový konec mikrotubulu (viz obr. 9). V buňce jsou (–) konce mikrotubulů obvykle spojeny s centrosomem, zatímco (+) konce směřují k periferii a často dosahují až k samému okraji buňky.
Mikrotubuly jsou citlivé dynamická nestabilita.
Při konstantním množství polymeru dochází k samovolnému růstu nebo zkracování jednotlivých mikrotubulů až k jejich úplnému vymizení. V důsledku zpoždění hydrolýzy GTP ve vztahu k inkorporaci tubulinu se na konci mikrotubulu, který je v procesu růstu, vytvoří uzávěr GTP, který se skládá z 9-18 molekul GTP-tubulinu. GTP uzávěr stabilizuje konec mikrotubulu a podporuje jeho další růst. Pokud je rychlost inkorporace nových heterodimerů menší než rychlost hydrolýzy GTP, nebo v případě mechanického prasknutí mikrotubulu, vznikne konec bez GTP uzávěru. Tento konec má sníženou afinitu k novým tubulinovým molekulám; začne to zjišťovat.
Polymerizace a depolymerizace mikrotubulů je vyvolána změnami teploty, iontových podmínek nebo použitím speciálních chemických prostředků. Z látek, které způsobují nevratnou demontáž, jsou široce používány indolové alkaloidy (kolchicin, vinblastin, vinkristin atd.).
PROTEINY ASOCIOVANÉ S MIKROTUBAMI
Proteiny asociované s mikrotubuly se dělí do dvou skupin: strukturní MAP (proteiny asociované s mikrotubuly) a proteiny asociované s mikrotubuly.
translokátory.
Strukturální IDA
Společnou vlastností strukturních MAP je jejich trvalé spojení s mikrotubuly. Další společnou vlastností této skupiny proteinů je, že na rozdíl od translokátorových proteinů se při interakci s tubulinem všechny vážou na C-terminální část molekuly o velikosti asi 4 kDa.
Existují vysokomolekulární MAP 1 a MAP 2, tau proteiny s molekulovou hmotností asi 60-70 kDa a MAP 4 nebo MAP U s molekulovou hmotností asi 200 kDa.
Molekula MAP 1B (představitel skupiny proteinů MAP 1) je tedy stechiometrický komplex jednoho těžkého a dvou lehkých řetězců, je to protáhlá tyčinkovitá molekula dlouhá 190 nm, na jednom konci má globulární doménu 10 nm v průměr (zjevně místo vázající mikrotubuly).); jeho molekulová hmotnost je 255,5 kDa.
MAP 2 je termostabilní protein. Zachovává si schopnost interagovat s mikrotubuly a zůstat ve svém složení v několika cyklech montáž-demontáž po zahřátí na 90°C.
Strukturální MAP jsou schopny stimulovat iniciaci a prodloužení a stabilizovat hotové mikrotubuly; sešít mikrotubuly do svazků. Krátké α-
spirálové hydrofobní sekvence na N-konci MAP a tau, uzavírající molekuly MAP sedící na sousedních mikrotubulech jako zip. Biologická role takového zesíťování může spočívat ve stabilizaci struktur tvořených mikrotubuly v buňce.
Dosud experimentální studie prokázaly, že kromě regulace dynamiky mikrotubulů mají strukturní MAP ještě dvě hlavní funkce: buněčnou morfogenezi a účast na interakci mikrotubulů s jinými intracelulárními strukturami.
Translokátorové proteiny
Charakteristickým rysem proteinů této skupiny je schopnost přeměnit energii ATP na mechanickou sílu, která může pohybovat částicemi podél mikrotubulů nebo mikrotubulů podél substrátu. V souladu s tím jsou translokátory mechanochemické ATPázy a jejich aktivita ATPázy je stimulována mikrotubuly. Na rozdíl od strukturálních MAP jsou translokátory spojeny s mikrotubuly pouze v době pohybu závislého na ATP.
Translokátorové proteiny se dělí do dvou skupin: kinesinům podobné proteiny (zprostředkují pohyb od (–) konce k (+) konci mikrotubulů) a dyneinům podobné proteiny (pohyb od (+) konce k (–) konci mikrotubuly) (obr. 10).
Kinesin je tetramer dvou lehkých (62 kDa) a dvou těžkých (120 kDa) polypeptidových řetězců. Molekula kinesinu
má tvar tyčinky o průměru 2–4 nm a délce 80–100 nm se dvěma kulovitými hlavicemi na jednom konci a vějířovitým prodloužením na druhém (obr. 11).
Rýže. 10. Proteiny-translokátory.
Uprostřed tyče je část závěsu. N-terminální fragment těžkého řetězce o velikosti asi 50 kDa, který má mechanochemickou aktivitu, se nazývá kinesinová motorická doména.
Rýže. 11. Struktura molekuly kinesinu.
Obecná charakteristika mikrotubulů. K podstatným složkám cytoskeletu patří mikrotubuly (obr. 265), vláknité nerozvětvené struktury o tloušťce 25 nm, skládající se z tubulinových proteinů a jejich přidružených proteinů. Během polymerace tubuliny tvoří duté trubičky (mikrotubuly), které mohou být dlouhé několik mikronů a nejdelší mikrotubuly se nacházejí v axonému ocasu spermie.
Mikrotubuly se nacházejí v cytoplazmě interfázních buněk jednotlivě, v malých volných svazcích nebo ve formě hustě zabalených útvarů jako součást centriol, bazálních tělísek u řasinek a bičíků. Během buněčného dělení je většina mikrotubulů buňky součástí dělicího vřeténka.
Strukturou jsou mikrotubuly dlouhé duté válce s vnějším průměrem 25 nm (obr. 266). Stěna mikrotubulů se skládá z polymerizovaných molekul tubulinových proteinů. Při polymeraci tvoří molekuly tubulinu 13 podélných protofilament, které jsou stočeny do duté trubičky (obr. 267). Velikost tubulinového monomeru je asi 5 nm, rovná se tloušťce stěny mikrotubulu, v jehož průřezu je vidět 13 globulárních molekul.
Molekula tubulinu je heterodimer sestávající ze dvou různých podjednotek, a-tubulinu a b-tubulinu, které po spojení tvoří samotný tubulinový protein, zpočátku polarizovaný. Obě podjednotky tubulinového monomeru jsou vázány na GTP, nicméně GTP na a-podjednotce nepodléhá hydrolýze, na rozdíl od GTP na b-podjednotce, kde je GTP během polymerace hydrolyzován na GDP. Během polymerace se molekuly tubulinu spojují tak, že se a-podjednotka dalšího proteinu spojí s b-podjednotkou jednoho proteinu a tak dále. V důsledku toho jednotlivé protofibrily vznikají jako polární filamenta, a proto je celý mikrotubul také polární strukturou s rychle rostoucím (+) koncem a pomalu rostoucím (-) koncem (obr. 268).
Při dostatečné koncentraci proteinu dochází samovolně k polymeraci. Ale během spontánní polymerace tubulinů dochází k hydrolýze jedné molekuly GTP spojené s b-tubulinem. Během růstu mikrotubulů dochází k vazbě tubulinu rychleji na rostoucím (+)-konci. Pokud je však koncentrace tubulinu nedostatečná, lze mikrotubuly z obou konců rozebrat. Demontáž mikrotubulů je usnadněna snížením teploty a přítomností Ca++ iontů.
Mikrotubuly jsou velmi dynamické struktury, které se mohou poměrně rychle vynořit a rozložit. Ve složení izolovaných mikrotubulů se nacházejí další proteiny s nimi spojené, tzv. mikrotubuly. MAP proteiny (MAP - mikrotubulové doplňkové proteiny). Tyto proteiny stabilizací mikrotubulů urychlují proces polymerace tubulinu (obr. 269).
Role cytoplazmatických mikrotubulů je redukována na dvě funkce: kosterní a motorickou. Role kostry, lešení, spočívá v tom, že umístění mikrotubulů v cytoplazmě stabilizuje tvar buňky; při rozpouštění mikrotubulů mají buňky, které měly složitý tvar, tendenci získat tvar koule. Motorická role mikrotubulů nespočívá pouze v tom, že vytvářejí uspořádaný vektorový systém pohybu. Cytoplazmatické mikrotubuly ve spojení se specifickými asociovanými motorickými proteiny tvoří komplexy ATPázy schopné řídit buněčné komponenty.
Téměř ve všech eukaryotických buňkách v hyaloplazmě lze vidět dlouhé nerozvětvené mikrotubuly. Ve velkém množství se nacházejí v cytoplazmatických procesech nervových buněk, v procesech melanocytů, améb a dalších buněk, které mění svůj tvar (obr. 270). Mohou být izolovány samy o sobě, nebo je možné izolovat jejich tvořící se proteiny: jedná se o stejné tubuliny se všemi jejich vlastnostmi.
centra pro organizaci mikrotubulů. Růst mikrotubulů cytoplazmy probíhá polárně: (+) konec mikrotubulu roste. Životnost mikrotubulů je velmi krátká, proto neustále vznikají nové mikrotubuly. Proces zahájení polymerace tubulinů, nukleace, probíhá v jasně definovaných oblastech buňky, v tzv. centra pro organizování mikrotubulů (MOTC). V zónách CMTC dochází k pokládání krátkých mikrotubulů, jejichž (-) konce směřují ke CMTC. Předpokládá se, že (--)-konce v COMT zónách jsou blokovány speciálními proteiny, které zabraňují nebo omezují depolymerizaci tubulinů. Proto při dostatečném množství volného tubulinu dojde ke zvětšení délky mikrotubulů vybíhajících z COMT. Jako COMT v živočišných buňkách jsou zapojena hlavně buněčná centra obsahující centrioly, jak bude diskutováno níže. Kromě toho může jaderná zóna sloužit jako CMT a během mitózy póly štěpného vřeténka.
Jedním z účelů cytoplazmatických mikrotubulů je vytvořit elastický, ale zároveň stabilní intracelulární skelet, nezbytný pro udržení tvaru buňky. V diskovitých erytrocytech obojživelníků leží podél buněčné periferie turniket kruhově uložených mikrotubulů; svazky mikrotubulů jsou charakteristické pro různé výrůstky cytoplazmy (axopodie prvoků, axony nervových buněk aj.).
Úlohou mikrotubulů je tvořit lešení pro podporu buněčného těla, stabilizovat a posilovat buněčné výrůstky. Kromě toho se mikrotubuly účastní procesů růstu buněk. U rostlin se tedy v procesu prodlužování buněk, kdy dochází k výraznému zvětšení objemu buněk v důsledku zvětšení centrální vakuoly, objevuje velké množství mikrotubulů v periferních vrstvách cytoplazmy. V tomto případě se zdá, že mikrotubuly, stejně jako buněčná stěna rostoucí v této době, zesilují, mechanicky posilují cytoplazmu.
Vytvářením intracelulárního skeletu jsou mikrotubuly faktory orientovaného pohybu intracelulárních komponent, vytvářejí prostory pro usměrněné toky různých látek a pro pohyb velkých struktur. V případě rybích melanoforů (buňky obsahující pigment melanin) se tedy během růstu buněčných procesů granule pigmentu pohybují po svazcích mikrotubulů.
V axonech živých nervových buněk lze pozorovat pohyb různých malých vakuol a granulí, které se pohybují jak z těla buňky do nervového zakončení (anterográdní transport), tak i opačným směrem (retrográdní transport).
Byly izolovány proteiny odpovědné za pohyb vakuol. Jedním z nich je kinesin, protein s molekulovou hmotností asi 300 000.
Existuje celá rodina kinesinů. Cytosolické kinesiny se tedy podílejí na transportu vezikul, lysozomů a dalších membránových organel přes mikrotubuly. Mnoho z kinesinů se specificky váže na jejich náklad. Některé se tedy podílejí na přenosu pouze mitochondrií, jiné pouze synaptických váčků. Kinesiny se vážou na membrány prostřednictvím membránových proteinových komplexů – kinectinů. Vřetenové kinesiny se podílejí na tvorbě této struktury a na segregaci chromozomů.
Další protein, cytoplazmatický dynein, je zodpovědný za retrográdní transport v axonu (obr. 275). Skládá se ze dvou těžkých řetězců - hlav, které interagují s mikrotubuly, několika středních a lehkých řetězců, které se vážou na membránové vakuoly. Cytoplazmatický dynein je motorický protein, který přenáší náklad na mínus konec mikrotubulů. Dyneiny se také dělí do dvou tříd: cytosolické – podílejí se na přenosu vakuol a chromozomů, a axonemické – zodpovědné za pohyb řasinek a bičíků.
Cytoplazmatické dyneiny a kinesiny byly nalezeny téměř ve všech typech živočišných a rostlinných buněk.
V cytoplazmě se tedy pohyb uskutečňuje na principu posuvných filament, pouze podél mikrotubulů se nepohybují filamenty, ale krátké molekuly - hybatele spojené s pohybujícími se buněčnými složkami. Podobnost s aktomyosinovým komplexem tohoto systému intracelulárního transportu spočívá v tom, že vzniká dvojitý komplex (mikrotubul + mover), který má vysokou aktivitu ATPázy.
Jak je vidět, mikrotubuly tvoří v buňce radiálně se rozbíhající polarizované fibrily, jejichž (+)-konce směřují ze středu buňky k periferii. Přítomnost (+) a (-)-řízených motorických proteinů (kinesiny a dyneiny) vytváří možnost přenosu jejích složek v buňce jak z periferie do centra (endocytární vakuoly, recyklace ER vakuol a Golgiho aparát). , atd.), a od centra k periferii (ER vakuoly, lysozomy, sekreční vakuoly atd.) (obr. 276). Tato polarita transportu je vytvořena díky organizaci systému mikrotubulů, které vznikají v centrech jejich organizace, v centru buňky.
Mikrotubuly jsou jednou ze základních složek cytoplazmy rostlinných buněk. Morfologicky jsou mikrotubuly dlouhé duté válce s vnějším průměrem 25 nm. Stěna mikrotubulů se skládá z polymerizovaných molekul tubulinových proteinů. Během polymerace tvoří molekuly tubulinu 13 podélných protofilament, které jsou stočeny do duté trubice. Výměna tubulinového monomeru je asi 5 nm, což se rovná tloušťce stěny mikrotubulu, v jehož průřezu je vidět 13 globulárních molekul.
Mikrotubul je polární struktura s rychle rostoucím plusovým koncem a pomalu rostoucím mínusovým koncem.
Mikrotubuly jsou velmi dynamické struktury, které se mohou poměrně rychle vynořit a rozložit. Při použití elektronických systémů pro zesílení signálu ve světelném mikroskopu je vidět, že mikrotubuly rostou, zkracují se a mizí v živé buňce; jsou neustále v dynamické nestabilitě. Ukázalo se, že průměrný poločas rozpadu cytoplazmatických mikrotubulů je pouze 5 minut. Za 15 minut se tak obnoví asi 80 % celé populace mikrotubulů. Jako součást štěpného vřeténka mají mikrotubuly životnost asi 15–20 s. 10–20 % mikrotubulů však zůstává relativně stabilních po poměrně dlouhou dobu (až několik hodin).
Mikrotubuly jsou struktury, ve kterých je po obvodu dutého válce naskládáno 13 protofilament, sestávajících z α- a β-tubulinových heterodimerů. Vnější průměr válce je asi 25 nm, vnitřní průměr je asi 15 nm.
Jeden konec mikrotubulu, nazývaný plusový konec, k sobě neustále připojuje volný tubulin. Z opačného konce - mínusového konce - se odštěpují tubulinové jednotky.
Při tvorbě mikrotubulů existují tři fáze:
zpožděná fáze neboli nukleace. Jedná se o fázi nukleace mikrotubulů, kdy se molekuly tubulinu začínají spojovat do větších útvarů. Toto spojení je pomalejší než připojení tubulinu k již sestavenému mikrotubulu, proto se fáze nazývá zpožděná;
polymerační fáze nebo elongace. Pokud je koncentrace volného tubulinu vysoká, dochází k jeho polymeraci rychleji než k depolymerizaci na záporném konci, čímž dochází k prodloužení mikrotubulu. Jak roste, koncentrace tubulinu klesá na kritickou a rychlost růstu se zpomaluje až do vstupu do další fáze;
fáze ustáleného stavu. Depolymerizace vyrovnává polymeraci a růst mikrotubulů se zastaví.
Laboratorní studie ukazují, že k sestavování mikrotubulů z tubulinů dochází pouze v přítomnosti guanosintrifosfátu a hořečnatých iontů.
Obr. 1. Kroky samosestavení mikrotubulů
Nedávno bylo v živých buňkách pozorováno skládání a rozkládání mikrotubulů. Po zavedení protilátek proti tubulinu značených fluorochromy do buňky a použití systémů pro zesílení elektronického signálu ve světelném mikroskopu je vidět, že mikrotubuly rostou, zkracují se a mizí v živé buňce; jsou neustále v dynamické nestabilitě. Ukázalo se, že průměrný poločas rozpadu cytoplazmatických mikrotubulů je pouze 5 min. Za 15 minut se tedy obnoví asi 80 % celé populace mikrotubulů. Současně se jednotlivé mikrotubuly mohou pomalu (4-7 µm/min) prodlužovat na rostoucím konci a pak se poměrně rychle zkracovat (14-17 µm/min). V živých buňkách mají mikrotubuly jako součást štěpného vřeténka životnost asi 15–20 s. Předpokládá se, že dynamická nestabilita cytoplazmatických mikrotubulů je spojena se zpožděním hydrolýzy GTP, což vede k vytvoření zóny obsahující nehydrolyzované nukleotidy („GTP cap“) na plusovém konci mikrotubulu. V této zóně se molekuly tubulinu na sebe vážou s vysokou afinitou.
a v důsledku toho se zvyšuje rychlost růstu mikrotubulu. Naopak se ztrátou tohoto místa se začnou mikrotubuly zkracovat.
10–20 % mikrotubulů však zůstává relativně stabilních po poměrně dlouhou dobu (až několik hodin). Taková stabilizace je pozorována ve velké míře u diferencovaných buněk. Stabilizace mikrotubulů je spojena buď s modifikací tubulinů nebo s jejich vazbou na proteiny příslušenství mikrotubulů (MAP) a další buněčné složky.
Acetylace lysinu ve složení tubulinů výrazně zvyšuje stabilitu mikrotubulů. Dalším příkladem modifikace tubulinu může být odstranění terminálního tyrosinu, který je také charakteristický pro stabilní mikrotubuly. Tyto úpravy jsou vratné.
Obr.2. Umístění mikrotubulů v cytoplazmě fibroblastu (a), melanocytu (b) a neuronu (c)
Mikrotubuly samy o sobě nejsou schopny kontrakce, jsou však nezbytnými součástmi mnoha pohyblivých buněčných struktur, jako jsou řasinky a bičíky, jako buněčné vřeténka během mitózy, jako mikrotubuly cytoplazmy, které jsou nezbytné pro řadu intracelulárních transportů, např. jako exocytóza, mitochondriální pohyb atd. .
Obecně lze úlohu cytoplazmatických mikrotubulů redukovat na dvě funkce: kosterní a motorickou. Role kostry, lešení, spočívá v tom, že umístění mikrotubulů v cytoplazmě stabilizuje tvar buňky; při rozpouštění mikrotubulů mají buňky, které měly složitý tvar, tendenci získat tvar koule. Motorická role mikrotubulů nespočívá pouze v tom, že vytvářejí uspořádaný vektorový systém pohybu. Cytoplazmatické mikrotubuly ve spojení se specifickými asociovanými motorickými proteiny tvoří komplexy ATPázy schopné řídit buněčné komponenty.
Téměř ve všech eukaryotických buňkách v hyaloplazmě lze vidět dlouhé nerozvětvené mikrotubuly. Ve velkém množství se nacházejí v cytoplazmatických procesech nervových buněk, v procesech melanocytů, améb a dalších buněk, které mění svůj tvar (obr. 270). Mohou být izolovány samy o sobě, nebo je možné izolovat jejich tvořící se proteiny: jedná se o stejné tubuliny se všemi jejich vlastnostmi.
Mikrotubuly samy o sobě nejsou schopny kontrakce, jsou však nezbytnými součástmi mnoha pohyblivých buněčných struktur, např. buněčného vřeténka při mitóze jako mikrotubuly cytoplazmy, které jsou nezbytné pro řadu intracelulárních transportů, jako je exocytóza, pohyb mitochondrií, atd.
Obecně lze úlohu cytoplazmatických mikrotubulů redukovat na dvě funkce: kosterní a motorickou. Role skeletu, lešení, spočívá v tom, že umístění mikrotubulů v cytoplazmě stabilizuje tvar buňky. Motorická role mikrotubulů nespočívá pouze v tom, že vytvářejí uspořádaný vektorový systém pohybu. Cytoplazmatické mikrotubuly a asociace se specifickými asociovanými motorickými proteiny tvoří komplexy ATPázy schopné řídit buněčné komponenty. Kromě toho se mikrotubuly účastní procesů růstu buněk. U rostlin se v procesu prodlužování buněk, kdy dochází k výraznému zvětšení objemu buněk v důsledku zvětšení centrální vakuoly, objevuje velké množství mikrotubulů v periferních vrstvách cytoplazmy. V tomto případě se zdá, že mikrotubuly, stejně jako buněčná stěna rostoucí v této době, zesilují, mechanicky posilují cytoplazmu.
Chemické složení mikrotubulů
Mikrotubuly se skládají z tubulinových proteinů a s nimi spojených proteinů. Molekula tubulinu je heterodimer sestávající ze dvou různých podjednotek, které po spojení tvoří samotný tubulinový protein, zpočátku polarizovaný. Během polymerace se molekuly tubulinu spojují. V důsledku toho jednotlivé protofibrily vznikají jako polární filamenta, a proto je celý mikrotubul také polární strukturou s rychle rostoucím plusovým koncem a pomalu rostoucím mínusovým koncem. Při dostatečné koncentraci proteinu dochází samovolně k polymeraci. Při spontánní polymeraci tubulinů dochází k hydrolýze jedné molekuly GTP. Během prodlužování mikrotubulu navazování tubulinu probíhá rychleji na rostoucím plus-endu. Pokud je však koncentrace tubulinu nedostatečná, lze mikrotubuly z obou konců rozebrat. Demontáž mikrotubulů je usnadněna snížením teploty a přítomností Ca 2 iontů.
Existuje řada látek, které ovlivňují polymeraci tubulinu. Alkaloid kolchicin se tedy váže na jednotlivé molekuly tubulinu a zabraňuje jejich polymeraci. To vede k poklesu koncentrace volného tubulinu schopného polymerace, což způsobuje rychlou demontáž cytoplazmatických mikrotubulů a vřetenových mikrotubulů. Colcemid a nokodozol mají stejný účinek, při smytí dochází k úplné obnově mikrotubulů. Taxol má stabilizační účinek na mikrotubuly, což podporuje polymeraci tubulinu i při nízkých koncentracích. Mikrotubuly také obsahují další proteiny s nimi spojené, tzv. MAP proteiny. Tyto proteiny stabilizací mikrotubulů urychlují proces polymerace tubulinu.
Funkce mikrotubulů
Mikrotubuly v buňce se používají jako „kolejnice“ k transportu částic. Po jejich povrchu se mohou pohybovat membránové váčky a mitochondrie. Transport mikrotubuly je prováděn proteiny nazývanými motorické proteiny. Jedná se o vysokomolekulární sloučeniny skládající se ze dvou těžkých (o hmotnosti asi 300 kDa) a několika lehkých řetězců. Těžké řetězy se dělí na doménu hlavy a ocasu. Dvě hlavové domény se vážou na mikrotubuly a působí jako motory, zatímco ocasní domény se vážou na organely a další intracelulární formace, které mají být transportovány.
Existují dva typy motorických proteinů: cytoplazmatické dyneiny; kinesiny.
Dyneiny přemísťují náklad pouze od kladného konce k zápornému konci mikrotubulu, tedy z periferních oblastí buňky do centrosomu. Kinesiny se naopak pohybují směrem k plus-endu, tedy k periferii buňky.
Pohyb se provádí díky energii ATP. Hlavní domény motorických proteinů pro tento účel obsahují místa vázající ATP.
Kromě transportní funkce tvoří mikrotubuly centrální strukturu řasinek a bičíků – axoném. Typická axonéma obsahuje 9 párů spojených mikrotubulů podél periferie a dva kompletní mikrotubuly ve středu. Mikrotubuly se dále skládají z centriol a dělicího vřeténka, které zajišťuje divergenci chromozomů k pólům buňky při mitóze a meióze. Mikrotubuly se podílejí na udržování tvaru buňky a uspořádání organel (zejména Golgiho aparátu) v cytoplazmě buněk.
Téměř ve všech eukaryotických buňkách v hyaloplazmě lze vidět dlouho nerozvětvené mikrotubuly. Ve velkém množství se nacházejí v cytoplazmatických procesech nervových buněk, fibroblastů a dalších buněk, které mění svůj tvar. Mohou být izolovány samy o sobě nebo mohou být izolovány proteiny, které je tvoří: jedná se o stejné tubuliny se všemi svými vlastnostmi.
Hlavní funkční hodnota takových mikrotubulů cytoplazmy je vytvořit elastický, ale zároveň stabilní intracelulární skelet (cytoskelet), nezbytný pro udržení tvaru buňky.
Mezi nemembránové organely patří mikrotubuly – různě dlouhý tubulární útvar s vnějším průměrem 24 nm, tloušťkou stěny asi 5 nm a šířkou „lumenu“ 15 nm. Vyskytují se ve volném stavu v cytoplazmě buněk nebo jako strukturní prvky bičíků (spermatozoa), řasinek (ciliární epitel průdušnice), mitotického vřeténka a centrioly (dělící se buňky).
Mikrotubuly se vytvářejí sestavením (polymerizací) tubulinového proteinu. mikrotubuly polární: jsou v nich rozlišeny konce (+) a (-). Jejich růst pochází ze speciální struktury nedělících se buněk - centrum pro organizování mikrotubulů, se kterým je organela spojena koncem (-) a který je reprezentován dvěma prvky identickými strukturou s centrioly buněčného centra. Mikrotubuly jsou prodlouženy o připojení nových podjednotek na konci (+). V počáteční fázi se směr růstu neurčuje, ale z vytvořených mikrotubulů zůstávají ty, které přijdou do kontaktu svým (+) koncem s vhodným terčem. V rostlinných buňkách, ve kterých jsou přítomny mikrotubuly, nebyly nalezeny struktury jako centrioly.
Mikrotubuly se podílejí na:
- k udržení tvaru buněk,
- v organizaci jejich motorické aktivity (bičíky, řasinky) a intracelulárního transportu (chromozomy v anafázi mitózy).
Funkce intracelulárních molekulárních motorů plní proteiny kinesin a dynein, které mají aktivitu enzymu ATPázy. Při bičíkovém nebo ciliárním pohybu se molekuly dyneinu, navazující na mikrotubuly a využívající energii ATP, pohybují po svém povrchu směrem k bazálnímu tělesu, tedy ke konci (-). Vzájemné posunutí mikrotubulů způsobuje vlnovité pohyby bičíku nebo řasinek, což buňku přiměje k pohybu v prostoru. V případě nepohyblivých buněk, jako je řasinkový epitel průdušnice, se popsaný mechanismus používá k odstranění hlenu z dýchacích cest s usazenými částicemi v něm (drenážní funkce).
Účast mikrotubulů na organizaci intracelulárních transportů ilustruje pohyb vezikul (vezikuly) v cytoplazmě. Molekuly kinesinu a dyneinu obsahují dvě kulovité „hlavy“ a „ocasy“ ve formě proteinových řetězců. Pomocí hlav se proteiny dostávají do kontaktu s mikrotubuly a pohybují se po jejich povrchu: kinesin od konce (-) ke konci (+) a dynein v opačném směru. Zároveň za sebou tahají bubliny připevněné k „ocáskům“. Předpokládá se, že makromolekulární organizace „ocasů“ je variabilní, což zajišťuje rozpoznání různých transportovaných struktur.
S mikrotubuly jako základní složkou mitotického aparátu je spojena divergence centriol k pólům dělící se buňky a pohyb chromozomů v anafázi mitózy. Živočišné buňky, buňky části rostlin, hub a řas se vyznačují buněčným centrem (diplosomem) tvořeným dvěma centrioly. Pod elektronovým mikroskopem vypadá centriol jako „dutý“ válec o průměru 150 nm a délce 300-500 nm. Stěnu válce tvoří 27 mikrotubulů seskupených do 9 trojic. Funkce centriol, strukturou podobná prvkům centra organizace mikrotubulů (viz zde výše), zahrnuje tvorbu filament mitotického vřeténka (rozdělovací vřeteno, achromatinové vřeténo klasické cytologie), což jsou mikrotubuly . Centrioly polarizují proces buněčného dělení a zajišťují pravidelnou divergenci k jeho pólům sesterských chromatid (dceřiných chromozomů) v anafázi mitózy.
Struktura kinesinu (a) a transport vezikul podél mikrotubulu (b)
Kolem každého centriolu je bezstrukturní nebo jemně vláknitá matrice. Často můžete najít několik dalších struktur spojených s centrioly: satelity (satelity), ohniska konvergence mikrotubulů, další mikrotubuly, které tvoří zvláštní zónu, centrosféru kolem centriolu.
| Název parametru | Význam |
| Předmět článku: | mikrotubuly |
| Rubrika (tematická kategorie) | Ekologie |
Obecná charakteristika mikrotubulů. K podstatným složkám cytoskeletu patří mikrotubuly (obr. 265), vláknité nerozvětvené struktury o tloušťce 25 nm, skládající se z tubulinových proteinů a jejich přidružených proteinů. Během polymerace tubuliny tvoří duté trubičky (mikrotubuly), které mohou být dlouhé několik mikronů a nejdelší mikrotubuly se nacházejí v axonému ocasu spermie.
Mikrotubuly se nacházejí v cytoplazmě interfázních buněk jednotlivě, v malých volných svazcích nebo ve formě hustě nabalených útvarů ve složení centriol, bazálních tělísek v řasinkách a bičíkech. Během buněčného dělení je většina mikrotubulů buňky součástí dělicího vřeténka.
Strukturou jsou mikrotubuly dlouhé duté válce s vnějším průměrem 25 nm (obr. 266). Stěna mikrotubulů se skládá z polymerizovaných molekul tubulinových proteinů. Při polymeraci tvoří molekuly tubulinu 13 podélných protofilament, které jsou stočeny do duté trubičky (obr. 267). Velikost tubulinového monomeru je asi 5 nm, rovná se tloušťce stěny mikrotubulu, v jehož průřezu je vidět 13 globulárních molekul.
Molekula tubulinu je heterodimer sestávající ze dvou různých podjednotek, a-tubulinu a b-tubulinu, které po spojení tvoří samotný tubulinový protein, zpočátku polarizovaný. Obě podjednotky tubulinového monomeru jsou vázány na GTP, nicméně GTP na a-podjednotce nepodléhá hydrolýze, na rozdíl od GTP na b-podjednotce, kde je GTP během polymerace hydrolyzován na GDP. Během polymerace se molekuly tubulinu spojují tak, že se a-podjednotka dalšího proteinu spojí s b-podjednotkou jednoho proteinu a tak dále. V důsledku toho jednotlivé protofibrily vznikají jako polární filamenta, a proto je celý mikrotubul také polární strukturou s rychle rostoucím (+) koncem a pomalu rostoucím (-) koncem (obr. 268).
Při dostatečné koncentraci proteinu dochází samovolně k polymeraci. Ale během spontánní polymerace tubulinů dochází k hydrolýze jedné molekuly GTP spojené s b-tubulinem. Během růstu mikrotubulů dochází k vazbě tubulinu rychleji na rostoucím (+)-konci. Pokud je však koncentrace tubulinu nedostatečná, lze mikrotubuly z obou konců rozebrat. Demontáž mikrotubulů je usnadněna snížením teploty a přítomností Ca++ iontů.
Mikrotubuly jsou velmi dynamické struktury, které se mohou poměrně rychle vynořit a rozložit. Izolované mikrotubuly obsahují další s nimi spojené proteiny, tzv. mikrotubuly. MAP proteiny (MAP - mikrotubulové doplňkové proteiny). Tyto proteiny stabilizací mikrotubulů urychlují proces polymerace tubulinu (obr. 269).
Role cytoplazmatických mikrotubulů je redukována na dvě funkce: kosterní a motorickou. Role kostry, lešení, je v podstatě to, že umístění mikrotubulů v cytoplazmě stabilizuje tvar buňky; při rozpouštění mikrotubulů mají buňky, které měly složitý tvar, tendenci získat tvar koule. Motorická role mikrotubulů nespočívá pouze v tom, že vytvářejí uspořádaný vektorový systém pohybu. Cytoplazmatické mikrotubuly ve spojení se specifickými asociovanými motorickými proteiny tvoří komplexy ATPázy schopné řídit buněčné komponenty.
Téměř ve všech eukaryotických buňkách lze v hyaloplazmě vidět dlouhé nerozvětvené mikrotubuly. Ve velkém množství se nacházejí v cytoplazmatických procesech nervových buněk, v procesech melanocytů, améb a dalších buněk, které mění svůj tvar (obr. 270). Οʜᴎ jsou izolovány samy o sobě, nebo je možné izolovat jejich tvořící se proteiny: jedná se o stejné tubuliny se všemi jejich vlastnostmi.
centra pro organizaci mikrotubulů. Růst mikrotubulů cytoplazmy probíhá polárně: (+) konec mikrotubulu roste. Životnost mikrotubulů je velmi krátká, v souvislosti s tím neustále vznikají nové mikrotubuly. Proces zahájení polymerace tubulinů, nukleace, probíhá v jasně definovaných oblastech buňky, v tzv. centra pro organizování mikrotubulů (MOTC). V zónách CMTC dochází k pokládání krátkých mikrotubulů, jejichž (-) konce směřují ke CMTC. Předpokládá se, že (--)-konce v COMT zónách jsou blokovány speciálními proteiny, které zabraňují nebo omezují depolymerizaci tubulinů. Z tohoto důvodu při dostatečném množství volného tubulinu dojde ke zvětšení délky mikrotubulů vybíhajících z COMT. Jako COMT v živočišných buňkách jsou zapojena hlavně buněčná centra obsahující centrioly, jak bude diskutováno níže. Kromě toho může jaderná zóna sloužit jako CMT a během mitózy póly dělícího vřeténka.
Jedním z účelů cytoplazmatických mikrotubulů je vytvoření elastického, ale zároveň stabilního intracelulárního skeletu, který je nesmírně důležitý pro udržení tvaru buňky. V diskovitých erytrocytech obojživelníků leží podél buněčné periferie turniket kruhově uložených mikrotubulů; svazky mikrotubulů jsou charakteristické pro různé výrůstky cytoplazmy (axopodie prvoků, axony nervových buněk aj.).
Úlohou mikrotubulů je tvořit lešení pro podporu buněčného těla, stabilizovat a posilovat buněčné výrůstky. Mikrotubuly se zároveň podílejí na procesech buněčného růstu. U rostlin se tedy v procesu prodlužování buněk, kdy dochází k výraznému zvětšení objemu buněk v důsledku zvětšení centrální vakuoly, objevuje velké množství mikrotubulů v periferních vrstvách cytoplazmy. V tomto případě se zdá, že mikrotubuly, stejně jako buněčná stěna rostoucí v této době, zesilují, mechanicky posilují cytoplazmu.
Vytvářením intracelulárního skeletu jsou mikrotubuly faktory orientovaného pohybu intracelulárních komponent, nastavují jejich umístění prostoru pro usměrněné toky různých látek a pro pohyb velkých struktur.
Hostováno na ref.rf
V případě rybích melanoforů (buňky obsahující pigment melanin) se tedy během růstu buněčných procesů granule pigmentu pohybují po svazcích mikrotubulů.
V axonech živých nervových buněk lze pozorovat pohyb různých malých vakuol a granulí, které se pohybují jak z těla buňky do nervového zakončení (anterográdní transport), tak i opačným směrem (retrográdní transport).
Byly izolovány proteiny odpovědné za pohyb vakuol. Jedním z nich je kinesin, protein s molekulovou hmotností asi 300 000.
Existuje celá rodina kinesinů. Cytosolické kinesiny se tedy podílejí na transportu vezikul, lysozomů a dalších membránových organel přes mikrotubuly. Mnoho z kinesinů se specificky váže na jejich náklad. Některé se tedy podílejí na přenosu pouze mitochondrií, jiné pouze synaptických váčků. Kinesiny se vážou na membrány prostřednictvím membránových proteinových komplexů – kinectinů. Vřetenové kinesiny se podílejí na tvorbě této struktury a na segregaci chromozomů.
Další protein, cytoplazmatický dynein, je zodpovědný za retrográdní transport v axonu (obr. 275). Skládá se ze dvou těžkých řetězců - hlav, které interagují s mikrotubuly, několika středních a lehkých řetězců, které se vážou na membránové vakuoly. Cytoplazmatický dynein je motorický protein, který přenáší zátěž na mínus konec mikrotubulů. Dyneiny se také dělí do dvou tříd: cytosolické – podílejí se na přenosu vakuol a chromozomů, a axonemické – zodpovědné za pohyb řasinek a bičíků.
Cytoplazmatické dynesiny a kinesiny byly nalezeny prakticky ve všech typech živočišných a rostlinných buněk.
Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ a v cytoplazmě se pohyb provádí podle principu posuvných nití, pouze se nepohybují vlákna po mikrotubulech, ale krátké molekuly - hybatele spojené s pohyblivými buněčnými složkami. Podobnost s aktomyosinovým komplexem tohoto systému intracelulárního transportu spočívá v tom, že vzniká dvojitý komplex (mikrotubul + mover), který má vysokou aktivitu ATPázy.
Jak je vidět, mikrotubuly tvoří v buňce radiálně se rozbíhající polarizované fibrily, jejichž (+)-konce směřují ze středu buňky k periferii. Přítomnost (+) a (-)-řízených motorických proteinů (kinesiny a dynesiny) vytváří možnost přenosu jejích složek v buňce jak z periferie do centra (endocytární vakuoly, recyklace ER vakuol a Golgiho aparát). , atd.) a od centra k periferii (ER vakuoly, lysozomy, sekreční vakuoly atd.) (obr. 276). Tato polarita transportu je vytvořena díky organizaci systému mikrotubulů, které vznikají v centrech jejich organizace, v centru buňky.
Mikrotubuly - pojem a typy. Klasifikace a vlastnosti kategorie "Mikrotubuly" 2017, 2018.
