Atskira citoskeleto baltymų grupė yra mikrotubuliniai baltymai. Tai tubulinas, su mikrotubuliais susiję baltymai (MAP 1, MAP 2, MAP 4, tau ir kt.) ir translokatoriai (dyneinas, kinezinas, dinaminas). Mikrovamzdeliai – tai baltyminės vamzdinės struktūros, kurių skersmuo yra apie 25 nm, o ilgis – iki kelių dešimčių mikrometrų; jų sienelių storis apie 6 nm. Jie yra esminis eukariotinių ląstelių citoplazmos komponentas. Mikrovamzdeliai sudaro dalijimosi verpstę (achromatinę figūrą) esant mitozei ir mejozei, judrių blakstienų ir žvynelių aksonemą (centrinę struktūrą), centriolių ir bazinių kūnų sienelę. Mikrotubulai vaidina svarbų, jei ne pagrindinį, vaidmenį ląstelių morfogenezėje ir kai kurių tipų ląstelių judrume.
Mikrotubulių sienelės yra sudarytos iš baltymo tubulino, kuris sudaro 90% masės. Tubulinas yra rutulinis baltymas, kuris egzistuoja kaip α- ir β-subvienetų dimeras, kurio molekulinė masė ~55 kDa. Mikrotubulas turi tuščiavidurio cilindro formą, kurio sienelę sudaro linijinės tubulino dimerų grandinės, vadinamieji protofilamentai. Protofilamentuose ankstesnio dimero α-subvienetas yra prijungtas prie kito β-subvieneto. Dimeriai gretimuose protofilamentuose yra pasislinkę vienas kito atžvilgiu, sudarydami sraigtines eilutes. Skerspjūvis rodo 13 tubulino dimerų, kurie atitinka 13 protofilamentų
mikrovamzdelių sienelė (9 pav.). Kiekviename subvienete yra apie 450 aminorūgščių, o subvienetų aminorūgščių sekos yra maždaug 40% homologiškos viena kitai. Tubulinas yra GTP surišantis baltymas, o β-subvienete yra labiliai surišta GTP arba GDP molekulė, kuri tirpale gali keistis su GTP, o α-subvienete yra tvirtai surišta GTP molekulė.
Ryžiai. 9. Mikrovamzdelių sandara.
Tubulinas gali spontaniškai polimerizuotis in vitro. Tokia polimerizacija galima esant fiziologinėms temperatūroms ir palankioms joninėms sąlygoms (nesant Ca2+ jonų) ir reikalauja dviejų veiksnių: didelės tubulino koncentracijos ir GTP buvimo. Polimerizaciją lydi GTP hidrolizė, o tubulinas mikrotubulėje lieka susietas su BVP, o neorganinis fosfatas patenka į tirpalą.
Tubulino polimerizacija susideda iš dviejų fazių: branduolio susidarymo ir pailgėjimo. Brandinimosi metu susidaro sėklos, o per
pailgėjimas – jų pailgėjimas susidarant mikrovamzdeliams. Pažymėtina, kad tubulino polimerizacijos metu subvienetai pridedami tik mikrotubulių galuose.
Priešingi mikrovamzdelių galai skiriasi augimo greičiu. Greitai augantis galas vadinamas pliusiniu, o lėtai augantis – minusiniu mikrovamzdelio galu (žr. 9 pav.). Ląstelėje mikrovamzdelių (–) galai dažniausiai yra susieti su centrosoma, o (+) galai yra nukreipti į periferiją ir dažnai pasiekia patį ląstelės kraštą.
Mikrotubulai yra jautrūs dinaminis nestabilumas.
Esant pastoviam polimero kiekiui, vyksta spontaniškas atskirų mikrotubulių augimas arba trumpėjimas iki visiško jų išnykimo. Dėl GTP hidrolizės vėlavimo, palyginti su tubulino įsisavinimu, augimo procese esančio mikrotubulo gale susidaro GTP dangtelis, susidedantis iš 9-18 GTP-tubulino molekulių. GTP dangtelis stabilizuoja mikrotubulo galą ir skatina tolesnį jo augimą. Jei naujų heterodimerų įsijungimo greitis yra mažesnis už GTP hidrolizės greitį arba esant mechaniniam mikrotubulo plyšimui, susidaro galas be GTP dangtelio. Šis galas turi sumažintą afinitetą naujoms tubulino molekulėms; jis pradeda tai suprasti.
Mikrovamzdelių polimerizaciją ir depolimerizaciją skatina temperatūros pokyčiai, joninės sąlygos arba specialių cheminių priemonių naudojimas. Tarp medžiagų, sukeliančių negrįžtamą ardymą, plačiai naudojami indolo alkaloidai (kolchicinas, vinblastinas, vinkristinas ir kt.).
SU MIKROTUBĖLIAIS SUSIJUSI BALTYMAI
Su mikrotubuliais susiję baltymai skirstomi į dvi grupes: struktūrinius MAP (su mikrotubuliais asocijuotus baltymus) ir su mikrotubuliais susijusius baltymus.
translokatoriai.
Struktūrinės IDA
Bendra struktūrinių MAP savybė yra jų nuolatinis ryšys su mikrotubuliais. Kita bendra šios baltymų grupės savybė yra ta, kad, skirtingai nei translokatoriai, sąveikaudami su tubulinu, jie visi jungiasi prie maždaug 4 kDa dydžio molekulės C-galinės dalies.
Yra didelės molekulinės masės MAP 1 ir MAP 2, tau baltymai, kurių molekulinė masė yra apie 60-70 kDa, ir MAP 4 arba MAP U, kurių molekulinė masė yra apie 200 kDa.
Taigi MAP 1B molekulė (MAP 1 baltymų grupės atstovė) yra vienos sunkiosios ir dviejų lengvųjų grandinių stechiometrinis kompleksas, tai pailgos lazdelės formos 190 nm ilgio molekulė, kurios viename gale yra 10 nm rutulinis domenas. skersmuo (matyt, mikrotubulių surišimo vieta). jo molekulinė masė yra 255,5 kDa.
MAP 2 yra termostabilus baltymas. Jis išlaiko gebėjimą sąveikauti su mikrovamzdeliais ir išlikti jų sudėtyje per kelis surinkimo-išmontavimo ciklus po kaitinimo iki 90°C.
Struktūriniai MAP gali paskatinti iniciaciją ir pailgėjimą bei stabilizuoti baigtus mikrovamzdelius; susiūti mikrovamzdelius į ryšulius. Trumpas α-
spiralinės hidrofobinės sekos MAP ir tau N-gale, uždarančios MAP molekules, sėdinčias ant gretimų mikrotubulių, kaip užtrauktuką. Tokio kryžminio susiejimo biologinis vaidmuo gali būti stabilizuoti struktūras, kurias sudaro mikrotubulai ląstelėje.
Iki šiol eksperimentiniais tyrimais nustatyta, kad, be mikrotubulių dinamikos reguliavimo, struktūriniai MAP atlieka dar dvi pagrindines funkcijas: ląstelių morfogenezę ir dalyvavimą mikrotubulių sąveikoje su kitomis tarpląstelinėmis struktūromis.
Translokatorių baltymai
Išskirtinis šios grupės baltymų bruožas yra gebėjimas ATP energiją paversti mechanine jėga, kuri gali perkelti daleles išilgai mikrotubulių arba mikrotubulių išilgai substrato. Atitinkamai, translokatoriai yra mechanocheminės ATPazės, o jų ATPazės aktyvumą skatina mikrotubulai. Skirtingai nuo struktūrinių MAP, translokatoriai yra susieti su mikrotubuliais tik nuo ATP priklausomo judėjimo metu.
Translokatorių baltymai skirstomi į dvi grupes: į kineziną panašius baltymus (tarpinis judėjimas nuo mikrotubulių (–) galo iki (+) galo) ir į dyneiną panašius baltymus (judėjimas nuo (+) galo iki (–) galo. mikrovamzdeliai) (10 pav.).
Kinezinas yra dviejų lengvųjų (62 kDa) ir dviejų sunkiųjų (120 kDa) polipeptidinių grandinių tetrameras. Kinezino molekulė
turi 2–4 nm skersmens ir 80–100 nm ilgio strypo formą su dviem rutuliškomis galvutėmis viename gale, o kitame – vėduoklės formos tęsinį (11 pav.).
Ryžiai. 10. Baltymai-translokatoriai.
Strypo viduryje yra vyrių dalis. Sunkiosios grandinės N-galinis fragmentas, kurio dydis yra apie 50 kDa, turintis mechanocheminį aktyvumą, vadinamas kinezino motoriniu domenu.
Ryžiai. 11. Kinezino molekulės sandara.
Bendrosios mikrovamzdelių charakteristikos. Esminiai citoskeleto komponentai yra mikrovamzdeliai (265 pav.), 25 nm storio siūlinės nesišakojančios struktūros, susidedančios iš tubulino baltymų ir su jais susijusių baltymų. Polimerizacijos metu tubulinai suformuoja tuščiavidurius vamzdelius (mikrovamzdelius), kurie gali būti kelių mikronų ilgio, o ilgiausi mikrovamzdeliai randami spermos uodegos aksoneme.
Mikrovamzdeliai yra tarpfazių ląstelių citoplazmoje pavieniui, mažuose laisvuose ryšuliuose arba tankiai susikaupusių darinių pavidalu kaip centriolių dalis, baziniai kūnai blakstienose ir žvyneliai. Ląstelių dalijimosi metu dauguma ląstelės mikrotubulių yra dalijimosi veleno dalis.
Pagal struktūrą mikrovamzdeliai yra ilgi tuščiaviduriai cilindrai, kurių išorinis skersmuo yra 25 nm (266 pav.). Mikrotubulių sienelę sudaro polimerizuotos tubulino baltymų molekulės. Polimerizacijos metu tubulino molekulės suformuoja 13 išilginių protofilamentų, kurie susukami į tuščiavidurį vamzdelį (267 pav.). Tubulino monomero dydis yra apie 5 nm, lygus mikrotubulo sienelės storiui, kurio skerspjūvyje matosi 13 rutulinių molekulių.
Tubulino molekulė yra heterodimeras, susidedantis iš dviejų skirtingų subvienetų, a-tubulino ir b-tubulino, kurie susijungę sudaro patį tubulino baltymą, iš pradžių poliarizuotą. Abu tubulino monomero subvienetai yra prijungti prie GTP; tačiau a-subvieneto GTP nehidrolizuojamas, priešingai nei GTP b-subvienete, kur polimerizacijos metu GTP hidrolizuojasi iki BVP. Polimerizacijos metu tubulino molekulės sujungiamos taip, kad kito baltymo a-subvienetas asocijuojasi su vieno baltymo b-subvienetu ir pan. Vadinasi, atskiros protofibrilės atsiranda kaip poliniai siūlai, ir atitinkamai visas mikrovamzdelis taip pat yra poliarinė struktūra, turinti greitai augantį (+) galą ir lėtai augantį (-) galą (268 pav.).
Esant pakankamai baltymų koncentracijai, polimerizacija vyksta spontaniškai. Tačiau spontaniškos tubulinų polimerizacijos metu vyksta vienos su b-tubulinu susijusios GTP molekulės hidrolizė. Mikrotubulų augimo metu tubulino surišimas vyksta greičiau augančioje (+) gale. Tačiau jei tubulino koncentracija yra nepakankama, mikrovamzdelius galima išardyti iš abiejų galų. Mikrovamzdelius išardyti palengvina temperatūros sumažinimas ir Ca ++ jonų buvimas.
Mikrovamzdeliai yra labai dinamiškos struktūros, kurios gali atsirasti ir gana greitai išardyti. Išskirtų mikrotubulių sudėtyje randama papildomų su jais susijusių baltymų, vadinamųjų mikrotubulių. MAP baltymai (MAP – mikrotubulų priediniai baltymai). Šie baltymai, stabilizuodami mikrovamzdelius, pagreitina tubulino polimerizacijos procesą (269 pav.).
Citoplazminių mikrotubulių vaidmuo sumažinamas iki dviejų funkcijų: skeleto ir motorinės. Skeleto, karkaso, vaidmuo yra tas, kad mikrotubulių vieta citoplazmoje stabilizuoja ląstelės formą; Tirpdamos mikrovamzdelius, sudėtingos formos ląstelės linkusios įgauti rutulio formą. Motorinis mikrotubulių vaidmuo yra ne tik tai, kad jie sukuria tvarkingą, vektorių, judėjimo sistemą. Citoplazminiai mikrotubulai, kartu su konkrečiais susijusiais motoriniais baltymais, sudaro ATPazės kompleksus, galinčius vairuoti ląstelių komponentus.
Beveik visose eukariotinėse hialoplazmos ląstelėse galima pamatyti ilgus neišsišakojusius mikrovamzdelius. Dideliais kiekiais jų randama nervinių ląstelių citoplazminiuose procesuose, melanocitų, amebų ir kitų formą keičiančių ląstelių procesuose (270 pav.). Jie gali būti izoliuoti patys arba galima išskirti juos formuojančius baltymus: tai tie patys tubulinai su visomis jų savybėmis.
mikrotubulų organizavimo centrai. Citoplazmos mikrotubulių augimas vyksta poliškai: auga (+) mikrovamzdelio galas. Mikrovamzdelių gyvenimo trukmė labai trumpa, todėl nuolat formuojasi nauji mikrovamzdeliai. Tubulinų polimerizacijos pradžios procesas, branduolių susidarymas, vyksta aiškiai apibrėžtose ląstelės vietose, vadinamosiose. mikrotubulų organizavimo centrai (MOTC). CMTC zonose vyksta trumpų mikrovamzdelių klojimas, jų (-) galai atsukti į CMTC. Manoma, kad COMT zonose esantys (--)-galai blokuojami specialiais baltymais, kurie neleidžia arba riboja tubulinų depolimerizaciją. Todėl, esant pakankamam laisvojo tubulino kiekiui, padidės mikrotubulių, besitęsiančių iš COMT, ilgis. Kaip COMT gyvūnų ląstelėse, daugiausia dalyvauja ląstelių centrai, kuriuose yra centriolių, kaip bus aptarta toliau. Be to, branduolinė zona gali tarnauti kaip CMT, o mitozės metu – dalijimosi veleno poliai.
Viena iš citoplazminių mikrovamzdelių paskirčių – sukurti elastingą, bet kartu stabilų tarpląstelinį skeletą, būtiną ląstelės formai palaikyti. Disko formos varliagyvių eritrocituose išilgai ląstelės periferijos guli žiediškai išdėstytų mikrovamzdelių žnyplė; mikrovamzdelių ryšuliai būdingi įvairioms citoplazmos ataugoms (pirmuonių aksopodijos, nervinių ląstelių aksonai ir kt.).
Mikrovamzdelių vaidmuo – suformuoti karkasą, palaikantį ląstelės kūną, stabilizuoti ir sustiprinti ląstelių ataugas. Be to, mikrovamzdeliai dalyvauja ląstelių augimo procesuose. Taigi augaluose, vykstant ląstelių pailgėjimui, kai dėl centrinės vakuolės padidėjimo labai padidėja ląstelių tūris, periferiniuose citoplazmos sluoksniuose atsiranda daug mikrotubulių. Tokiu atveju mikrovamzdeliai, kaip ir šiuo metu auganti ląstelės sienelė, tarsi sustiprina, mechaniškai sustiprina citoplazmą.
Kurdami tarpląstelinį skeletą, mikrovamzdeliai yra veiksniai, lemiantys tarpląstelinių komponentų orientuotą judėjimą, nustatantys erdves nukreiptam įvairių medžiagų srautui ir didelių struktūrų judėjimui. Taigi žuvų melanoforų (ląstelių, kuriose yra melanino pigmento) atveju ląstelių procesų augimo metu pigmento granulės juda išilgai mikrotubulų ryšulių.
Gyvų nervinių ląstelių aksonuose galima stebėti įvairių smulkių vakuolių ir granulių judėjimą, kurie juda tiek iš ląstelės kūno link nervinio galo (anterogradinis transportas), tiek priešinga kryptimi (retrogradinis transportas).
Išskirti baltymai, atsakingi už vakuolių judėjimą. Vienas iš jų yra kinezinas, baltymas, kurio molekulinė masė yra apie 300 000.
Yra visa kinezinų šeima. Taigi citozoliniai kinezinai dalyvauja pūslelių, lizosomų ir kitų membraninių organelių pernešime per mikrovamzdelius. Daugelis kinezinų jungiasi specialiai su jų kroviniais. Taigi vieni dalyvauja tik mitochondrijų pernešime, kiti – tik sinapsines pūsleles. Kinezinai prie membranų jungiasi per membraninių baltymų kompleksus – kinektinus. Verpstės kinezinai dalyvauja šios struktūros formavime ir chromosomų segregacijoje.
Kitas baltymas – citoplazminis dyneinas – atsakingas už retrogradinį transportą aksone (275 pav.). Jį sudaro dvi sunkiosios grandinės – galvutės, kurios sąveikauja su mikrovamzdeliais, kelios tarpinės ir lengvosios grandinės, kurios jungiasi prie membranos vakuolių. Citoplazminis dyneinas yra motorinis baltymas, pernešantis krovinį į minusinį mikrotubulių galą. Dineinai taip pat skirstomi į dvi klases: citozolinius – dalyvaujančius vakuolių ir chromosomų pernešime, ir aksoneminius – atsakingus už blakstienų ir žvynelių judėjimą.
Citoplazminiai dyneinai ir kinezinai buvo rasti beveik visų tipų gyvūnų ir augalų ląstelėse.
Taigi citoplazmoje judėjimas vykdomas pagal slenkančių gijų principą, tik išilgai mikrovamzdelių juda ne gijos, o trumpos molekulės – judėjai, susiję su judančiais ląstelių komponentais. Šios intracelulinio transportavimo sistemos panašumas su aktomiozino kompleksu slypi tuo, kad susidaro dvigubas kompleksas (mikrotubulas + judesys), turintis didelį ATPazės aktyvumą.
Kaip matyti, ląstelėje mikrovamzdeliai formuoja radialiai besiskiriančias poliarizuotas fibriles, kurių (+) galai yra nukreipti iš ląstelės centro į periferiją. (+) ir (-) nukreiptų motorinių baltymų (kinezinų ir dineinų) buvimas sukuria galimybę jos komponentams pernešti ląstelėje tiek iš periferijos į centrą (endocitinės vakuolės, ER vakuolių perdirbimas ir Golgi aparatas). ir kt.), o iš centro į periferiją (ER vakuolės, lizosomos, sekrecinės vakuolės ir kt.) (276 pav.). Šis transporto poliškumas susidaro dėl mikrotubulių sistemos organizavimo, kurie atsiranda jų organizacijos centruose, ląstelių centre.
Mikrovamzdeliai yra vienas iš esminių augalų ląstelių citoplazmos komponentų. Morfologiškai mikrovamzdeliai yra ilgi tuščiaviduriai cilindrai, kurių išorinis skersmuo yra 25 nm. Mikrotubulių sienelę sudaro polimerizuotos tubulino baltymų molekulės. Polimerizacijos metu tubulino molekulės sudaro 13 išilginių protofilamentų, kurie susukami į tuščiavidurį vamzdelį. Tubulino monomero mainai yra apie 5 nm, tai lygu mikrotubulo sienelės storiui, kurios skerspjūvyje matoma 13 rutulinių molekulių.
Mikrovamzdeliai yra poliarinė struktūra su greitai augančiu pliusiniu galu ir lėtai augančiu minusiniu galu.
Mikrovamzdeliai yra labai dinamiškos struktūros, kurios gali atsirasti ir gana greitai išardyti. Šviesos mikroskopu naudojant elektronines signalo stiprinimo sistemas, matyti, kad gyvoje ląstelėje mikrovamzdeliai auga, trumpėja ir nyksta; yra nuolat dinamiško nestabilumo. Paaiškėjo, kad vidutinis citoplazminių mikrotubulių pusinės eliminacijos laikas yra tik 5 minutės. Taigi per 15 minučių atnaujinama apie 80% visos mikrovamzdelių populiacijos. Kaip dalijimosi veleno dalis, mikrovamzdeliai gyvena apie 15–20 s. Tačiau 10–20 % mikrovamzdelių gana ilgai išlieka stabilūs (iki kelių valandų).
Mikrovamzdeliai yra struktūros, kuriose 13 protofilamentų, sudarytų iš α- ir β-tubulino heterodimerų, yra sukrauti aplink tuščiavidurio cilindro perimetrą. Išorinis cilindro skersmuo yra apie 25 nm, vidinis - apie 15.
Vienas mikrotubulo galas, vadinamas pliusiniu galu, nuolat prie savęs pritvirtina laisvą tubuliną. Iš priešingo galo - minuso galo - tubulino vienetai yra atskiriami.
Yra trys mikrotubulų susidarymo fazės:
uždelsta fazė arba branduolių susidarymas. Tai mikrovamzdelių formavimosi stadija, kai tubulino molekulės pradeda jungtis į didesnius darinius. Šis ryšys yra lėtesnis nei tubulino prisitvirtinimas prie jau surinkto mikrovamzdelio, todėl fazė vadinama uždelsta;
polimerizacijos fazė arba pailgėjimas. Jei laisvojo tubulino koncentracija yra didelė, jo polimerizacija vyksta greičiau nei depolimerizacija minusiniame gale ir taip pailgėja mikrovamzdeliai. Jam augant, tubulino koncentracija nukrenta iki kritinės ir augimo greitis sulėtėja iki patekimo į kitą fazę;
pastovios būsenos fazė. Depolimerizacija subalansuoja polimerizaciją ir sustabdo mikrotubulių augimą.
Laboratoriniai tyrimai rodo, kad mikrovamzdeliai iš tubulinų susidaro tik esant guanozino trifosfatui ir magnio jonams.
1 pav. Mikrotubulų savaiminio surinkimo žingsniai
Pastaruoju metu gyvose ląstelėse buvo stebimas mikrotubulių surinkimas ir išardymas. Į ląstelę įvedus antikūnus prieš tubuliną, paženklintą fluorochromais ir panaudojus elektronines signalo stiprinimo sistemas šviesos mikroskopu, matyti, kad gyvoje ląstelėje mikrovamzdeliai auga, trumpėja ir nyksta; yra nuolat dinamiško nestabilumo. Paaiškėjo, kad vidutinis citoplazminių mikrotubulių pusinės eliminacijos laikas yra tik 5 min. Taigi per 15 minučių atnaujinama apie 80% visos mikrovamzdelių populiacijos. Tuo pačiu metu atskiri mikrovamzdeliai gali lėtai (4-7 µm/min) pailgėti augimo gale, o vėliau gana greitai sutrumpėti (14-17 µm/min). Gyvose ląstelėse mikrovamzdeliai, kurie yra dalijimosi veleno dalis, gyvena apie 15–20 s. Manoma, kad dinaminis citoplazminių mikrotubulų nestabilumas yra susijęs su GTP hidrolizės vėlavimu, dėl kurio mikrotubulo pliuso gale susidaro zona, kurioje yra nehidrolizuotų nukleotidų („GTP dangtelis“). Šioje zonoje tubulino molekulės jungiasi viena su kita dideliu afinitetu.
vienas kitą, todėl mikrovamzdelių augimo greitis didėja. Priešingai, praradus šią vietą, mikrovamzdeliai pradeda trumpėti.
Tačiau 10–20 % mikrovamzdelių gana ilgai išlieka stabilūs (iki kelių valandų). Toks stabilizavimas didžiąja dalimi stebimas diferencijuotose ląstelėse. Mikrotubulių stabilizavimas yra susijęs su tubulinų modifikavimu arba jų prisijungimu prie mikrotubulių priedų (MAP) baltymų ir kitų ląstelių komponentų.
Lizino acetilinimas tubulinų sudėtyje žymiai padidina mikrotubulių stabilumą. Kitas tubulino modifikavimo pavyzdys gali būti galutinio tirozino pašalinimas, kuris taip pat būdingas stabiliems mikrotubulams. Šios modifikacijos yra grįžtamos.
2 pav. Mikrotubulių vieta fibroblastų (a), melanocitų (b) ir neurono (c) citoplazmoje
Patys mikrovamzdeliai negali susitraukti, tačiau yra esminiai daugelio judančių ląstelinių struktūrų, tokių kaip blakstienų ir žvynelių, komponentai, kaip ir ląstelės verpstė mitozės metu, kaip citoplazmos mikrotubulai, būtini daugeliui tarpląstelinių pernešimų, pvz. kaip egzocitozė, mitochondrijų judėjimas ir kt.
Apskritai citoplazminių mikrotubulių vaidmuo gali būti sumažintas iki dviejų funkcijų: skeleto ir motorinės. Skeleto, karkaso, vaidmuo yra tas, kad mikrotubulių vieta citoplazmoje stabilizuoja ląstelės formą; Tirpdamos mikrovamzdelius, sudėtingos formos ląstelės linkusios įgauti rutulio formą. Motorinis mikrotubulių vaidmuo yra ne tik tai, kad jie sukuria tvarkingą, vektorių, judėjimo sistemą. Citoplazminiai mikrotubulai kartu su konkrečiais susijusiais motoriniais baltymais sudaro ATPazės kompleksus, galinčius vairuoti ląstelių komponentus.
Beveik visose eukariotinėse hialoplazmos ląstelėse galima pamatyti ilgus neišsišakojusius mikrovamzdelius. Dideliais kiekiais jų randama nervinių ląstelių citoplazminiuose procesuose, melanocitų, amebų ir kitų formą keičiančių ląstelių procesuose (270 pav.). Jie gali būti izoliuoti patys arba galima išskirti juos formuojančius baltymus: tai tie patys tubulinai su visomis jų savybėmis.
Patys mikrovamzdeliai negali susitraukti, tačiau yra esminiai daugelio judančių ląstelių struktūrų komponentai, pavyzdžiui, ląstelės verpstės mitozės metu kaip citoplazmos mikrovamzdeliai, būtini daugeliui tarpląstelinių pernešimų, tokių kaip egzocitozė, mitochondrijų judėjimas, ir tt
Apskritai citoplazminių mikrotubulių vaidmuo gali būti sumažintas iki dviejų funkcijų: skeleto ir motorinės. Skeleto, karkaso, vaidmuo slypi tame, kad mikrotubulių išsidėstymas citoplazmoje stabilizuoja ląstelės formą. Motorinis mikrotubulių vaidmuo yra ne tik tai, kad jie sukuria tvarkingą, vektorinę judėjimo sistemą. Citoplazminiai mikrotubulai ir asociacijos su konkrečiais susijusiais motoriniais baltymais sudaro ATPazės kompleksus, galinčius vairuoti ląstelių komponentus. Be to, mikrovamzdeliai dalyvauja ląstelių augimo procesuose. Augaluose ląstelių pailgėjimo procese, kai dėl centrinės vakuolės padidėjimo labai padidėja ląstelių tūris, periferiniuose citoplazmos sluoksniuose atsiranda daug mikrotubulių. Tokiu atveju mikrovamzdeliai, kaip ir šiuo metu auganti ląstelės sienelė, tarsi sustiprina, mechaniškai sustiprina citoplazmą.
Mikrotubulių cheminė sudėtis
Mikrotubulus sudaro tubulino baltymai ir su jais susiję baltymai. Tubulino molekulė yra heterodimeras, susidedantis iš dviejų skirtingų subvienetų, kurie susijungę sudaro patį tubulino baltymą, iš pradžių poliarizuotą. Polimerizacijos metu tubulino molekulės sujungiamos. Vadinasi, atskiros protofibrilės atsiranda kaip poliniai siūlai, todėl visas mikrotubulas taip pat yra poliarinė struktūra, turinti greitai augantį pliusinį galą ir lėtai augantį minusinį galą. Esant pakankamai baltymų koncentracijai, polimerizacija vyksta spontaniškai. Savaiminės tubulinų polimerizacijos metu hidrolizuojama viena GTP molekulė. Ilgėjant mikrotubuliui, tubulino jungimasis vyksta sparčiau augančioje pliusinėje dalyje. Tačiau jei tubulino koncentracija yra nepakankama, mikrovamzdelius galima išardyti iš abiejų galų. Mikrovamzdelius išardyti palengvina temperatūros sumažinimas ir Ca 2 jonų buvimas.
Yra daugybė medžiagų, kurios turi įtakos tubulino polimerizacijai. Taigi alkaloidas kolchicinas jungiasi prie atskirų tubulino molekulių ir neleidžia joms polimerizuotis. Dėl to sumažėja laisvojo tubulino, galinčio polimerizuotis, koncentracija, o tai sukelia greitą citoplazminių mikrotubulių ir veleno mikrotubulių išardymą. Kolcemidas ir nokodozolas turi tokį patį poveikį, nuplaunant visiškai atsistato mikrovamzdeliai. Taksolis stabilizuoja mikrovamzdelius, o tai skatina tubulino polimerizaciją net esant mažoms koncentracijoms. Mikrotubuliuose taip pat yra papildomų su jais susijusių baltymų, vadinamųjų MAP baltymų. Šie baltymai, stabilizuodami mikrovamzdelius, pagreitina tubulino polimerizacijos procesą.
Mikrovamzdelių funkcijos
Ląstelėje esantys mikrovamzdeliai naudojami kaip „bėgeliai“ dalelėms transportuoti. Membraninės pūslelės ir mitochondrijos gali judėti išilgai jų paviršiaus. Pernešimą per mikrotubulus atlieka baltymai, vadinami motoriniais baltymais. Tai didelės molekulinės masės junginiai, susidedantys iš dviejų sunkiųjų (sveriančių apie 300 kDa) ir kelių lengvųjų grandinių. Sunkiosios grandinės skirstomos į galvos ir uodegos sritis. Du galvos domenai jungiasi prie mikrotubulių ir veikia kaip varikliai, o uodegos domenai jungiasi prie organelių ir kitų tarpląstelinių darinių, kuriuos reikia transportuoti.
Yra dviejų tipų motoriniai baltymai: citoplazminiai dyneinai; kinezinai.
Dineinai perkelia krovinį tik iš mikrotubulo pliusinio galo į minusinį galą, tai yra, iš periferinių ląstelės sričių į centrosomą. Priešingai, kinezinai juda link pliuso galo, tai yra, link ląstelės periferijos.
Judėjimas atliekamas dėl ATP energijos. Šiuo tikslu motorinių baltymų galvos domenuose yra ATP surišimo vietų.
Be transportavimo funkcijos, mikrovamzdeliai sudaro centrinę blakstienų ir žvynelių struktūrą – aksonemą. Įprastą aksonemą sudaro 9 poros sujungtų mikrotubulių išilgai periferijos ir du pilni mikrovamzdeliai centre. Mikrovamzdeliai taip pat susideda iš centriolių ir dalijimosi veleno, kuris užtikrina chromosomų nukrypimą į ląstelės polius mitozės ir mejozės metu. Mikrovamzdeliai dalyvauja palaikant ląstelės formą ir organelių (ypač Golgi aparato) išsidėstymą ląstelių citoplazmoje.
Beveik visose eukariotinėse hialoplazmos ląstelėse galima pamatyti ilgai neišsišakojusias mikrovamzdeliai. Dideliais kiekiais jie randami nervinių ląstelių, fibroblastų ir kitų formą keičiančių ląstelių citoplazminiuose procesuose. Jie gali būti izoliuoti patys arba juos formuojantys baltymai: tai tie patys tubulinai su visomis jų savybėmis.
Pagrindinė funkcinė vertė Tokių citoplazmos mikrotubulių tikslas yra sukurti elastingą, bet kartu stabilų tarpląstelinį karkasą (citoskeletą), būtiną ląstelės formai palaikyti.
Prie nemembraninių organelių priskiriami mikrovamzdeliai – įvairaus ilgio vamzdinis darinys, kurio išorinis skersmuo yra 24 nm, sienelės storis apie 5 nm, o „liumeno“ plotis – 15 nm. Jie atsiranda laisvoje būsenoje ląstelių citoplazmoje arba kaip žvynelių (spermatozoidų), blakstienų (trachėjos epitelio), mitozinio verpstės ir centriolių (dalijimosi ląstelės) struktūriniai elementai.
Mikrovamzdeliai susidaro surenkant (polimerizuojant) tubulino baltymą. mikrovamzdeliai poliarinis: juose išskiriami galai (+) ir (-). Jų augimas kyla dėl specialios nesidalijančių ląstelių struktūros - mikrotubulų organizavimo centras, su kuriuo organelė yra sujungta galu (-) ir kurią vaizduoja du elementai, savo struktūra identiški ląstelės centro centriolėms. Mikrovamzdeliai pailgėja naujų subvienetų pritvirtinimas pabaigoje (+). Pradinėje fazėje augimo kryptis nenustatoma, tačiau iš susidariusių mikrovamzdelių lieka tie, kurie su jų (+) galu liečiasi su tinkamu taikiniu. Augalų ląstelėse, kuriose yra mikrotubulių, tokių struktūrų kaip centrioliai nerasta.
Mikrotubulai dalyvauja:
- išlaikant ląstelių formą,
- organizuojant jų motorinę veiklą (flagela, blakstiena) ir tarpląstelinį transportą (chromosomos mitozės anafazėje).
Viduląstelinių molekulinių variklių funkcijas atlieka baltymai kinezinas ir dyneinas, kurie turi ATPazės fermento aktyvumą. Žvynelinės ar ciliarinio judėjimo metu dyneino molekulės, prisitvirtindamos prie mikrotubulių ir panaudodamos ATP energiją, juda išilgai jų paviršiaus link bazinio kūno, tai yra, link galo (-). Mikrovamzdelių poslinkis vienas kito atžvilgiu sukelia banginius žvynelinės ar blakstienų judesius, skatinančius ląstelę judėti erdvėje. Esant nejudrioms ląstelėms, pavyzdžiui, trachėjos blakstieniniam epiteliui, aprašytas mechanizmas yra naudojamas gleivėms iš kvėpavimo takų pašalinti su jose nusėdančiomis dalelėmis (drenažo funkcija).
Mikrotubulių dalyvavimas tarpląstelinio pernešimo organizavime iliustruoja pūslelių (pūslelių) judėjimą citoplazmoje. Kinezino ir dyneino molekulėse yra dvi rutulinės „galvos“ ir „uodegos“ baltymų grandinių pavidalu. Galvučių pagalba baltymai kontaktuoja su mikrovamzdeliais, judėdami jų paviršiumi: kinezinas nuo galo (-) iki galo (+), o dyneinas – priešinga kryptimi. Tuo pačiu metu jie traukia burbulus, pritvirtintus prie „uodegų“ už savęs. Manoma, kad „uodegų“ makromolekulinė organizacija yra kintama, o tai užtikrina įvairių pernešamų struktūrų atpažinimą.
Mikrovamzdeliai yra esminis mitozinio aparato komponentas, todėl centriolių nukrypimas į besidalijančios ląstelės polius ir chromosomų judėjimas mitozės anafazėje yra susijęs. Gyvūnų ląstelėms, dalies augalų ląstelėms, grybams ir dumbliams būdingas ląstelių centras (diplosomas), kurį sudaro du centrioliai. Elektroniniu mikroskopu centriolė atrodo kaip „tuščiaviduris“ cilindras, kurio skersmuo yra 150 nm, o ilgis – 300–500 nm. Cilindro sienelę sudaro 27 mikrovamzdeliai, sugrupuoti į 9 tripletus. Centrolių, savo struktūra panašių į mikrovamzdelių organizavimo centro elementus (žr. čia, aukščiau), funkcija apima mitozinio veleno (klasikinės citologijos dalijimosi veleno, klasikinės citologijos achromatino verpstės), kurie yra mikrovamzdeliai, gijų formavimąsi. . Centrioliai poliarizuoja ląstelių dalijimosi procesą, suteikdami reguliarų nukrypimą nuo seserinių chromatidų (dukterinių chromosomų) polių mitozės anafazėje.
Kinezino struktūra (a) ir pūslelių pernešimas išilgai mikrovamzdelių (b)
Aplink kiekvieną centriolę yra bestruktūrinė arba smulkiai pluoštinė matrica. Dažnai galima rasti keletą papildomų struktūrų, susijusių su centrioliais: palydovai (palydovai), mikrovamzdelių konvergencijos židiniai, papildomi mikrovamzdeliai, kurie sudaro specialią zoną, centrosfera aplink centriolę.
| Parametrų pavadinimas | Reikšmė |
| Straipsnio tema: | mikrovamzdeliai |
| Rubrika (teminė kategorija) | Ekologija |
Bendrosios mikrovamzdelių charakteristikos. Esminiai citoskeleto komponentai yra mikrovamzdeliai (265 pav.), 25 nm storio siūlinės nesišakojančios struktūros, susidedančios iš tubulino baltymų ir su jais susijusių baltymų. Polimerizacijos metu tubulinai suformuoja tuščiavidurius vamzdelius (mikrovamzdelius), kurie gali būti kelių mikronų ilgio, o ilgiausi mikrovamzdeliai randami spermos uodegos aksoneme.
Mikrovamzdeliai yra tarpfazių ląstelių citoplazmoje pavieniui, mažuose laisvuose ryšuliuose arba tankiai susikaupusių formacijų pavidalu centriolių, bazinių kūnelių pavidalu blakstienose ir žvyneliuose. Ląstelių dalijimosi metu dauguma ląstelės mikrotubulių yra dalijimosi veleno dalis.
Pagal struktūrą mikrovamzdeliai yra ilgi tuščiaviduriai cilindrai, kurių išorinis skersmuo yra 25 nm (266 pav.). Mikrotubulių sienelę sudaro polimerizuotos tubulino baltymų molekulės. Polimerizacijos metu tubulino molekulės suformuoja 13 išilginių protofilamentų, kurie susukami į tuščiavidurį vamzdelį (267 pav.). Tubulino monomero dydis yra apie 5 nm, lygus mikrotubulo sienelės storiui, kurio skerspjūvyje matosi 13 rutulinių molekulių.
Tubulino molekulė yra heterodimeras, susidedantis iš dviejų skirtingų subvienetų, a-tubulino ir b-tubulino, kurie susijungę sudaro patį tubulino baltymą, iš pradžių poliarizuotą. Abu tubulino monomero subvienetai yra prijungti prie GTP; tačiau a-subvieneto GTP nehidrolizuojamas, priešingai nei GTP b-subvienete, kur polimerizacijos metu GTP hidrolizuojasi iki BVP. Polimerizacijos metu tubulino molekulės sujungiamos taip, kad kito baltymo a-subvienetas asocijuojasi su vieno baltymo b-subvienetu ir pan. Vadinasi, atskiros protofibrilės atsiranda kaip poliniai siūlai, ir atitinkamai visas mikrovamzdelis taip pat yra poliarinė struktūra, turinti greitai augantį (+) galą ir lėtai augantį (-) galą (268 pav.).
Esant pakankamai baltymų koncentracijai, polimerizacija vyksta spontaniškai. Tačiau spontaniškos tubulinų polimerizacijos metu vyksta vienos su b-tubulinu susijusios GTP molekulės hidrolizė. Mikrotubulų augimo metu tubulino surišimas vyksta greičiau augančioje (+) gale. Tačiau jei tubulino koncentracija yra nepakankama, mikrovamzdelius galima išardyti iš abiejų galų. Mikrovamzdelius išardyti palengvina temperatūros sumažinimas ir Ca ++ jonų buvimas.
Mikrovamzdeliai yra labai dinamiškos struktūros, kurios gali atsirasti ir gana greitai išardyti. Išskirtuose mikrotubuliuose yra papildomų su jais susijusių baltymų, vadinamųjų mikrotubulių. MAP baltymai (MAP – mikrotubulų priediniai baltymai). Šie baltymai, stabilizuodami mikrovamzdelius, pagreitina tubulino polimerizacijos procesą (269 pav.).
Citoplazminių mikrotubulių vaidmuo sumažinamas iki dviejų funkcijų: skeleto ir motorinės. Skeleto, pastolių, vaidmuo iš esmės yra tas, kad mikrotubulių vieta citoplazmoje stabilizuoja ląstelės formą; Tirpdamos mikrovamzdelius, sudėtingos formos ląstelės linkusios įgauti rutulio formą. Motorinis mikrotubulių vaidmuo yra ne tik tai, kad jie sukuria tvarkingą, vektorių, judėjimo sistemą. Citoplazminiai mikrotubulai, kartu su konkrečiais susijusiais motoriniais baltymais, sudaro ATPazės kompleksus, galinčius vairuoti ląstelių komponentus.
Beveik visose eukariotinėse ląstelėse hialoplazmoje galima pamatyti ilgus neišsišakojusius mikrovamzdelius. Dideliais kiekiais jų randama nervinių ląstelių citoplazminiuose procesuose, melanocitų, amebų ir kitų formą keičiančių ląstelių procesuose (270 pav.). Οʜᴎ yra išskiriami patys arba galima išskirti juos formuojančius baltymus: tai tie patys tubulinai su visomis jų savybėmis.
mikrotubulų organizavimo centrai. Citoplazmos mikrotubulių augimas vyksta poliškai: auga (+) mikrovamzdelio galas. Mikrovamzdelių gyvenimo trukmė yra labai trumpa, todėl nuolat formuojasi nauji mikrovamzdeliai. Tubulinų polimerizacijos pradžios procesas, branduolių susidarymas, vyksta aiškiai apibrėžtose ląstelės vietose, vadinamosiose. mikrotubulų organizavimo centrai (MOTC). CMTC zonose vyksta trumpų mikrovamzdelių klojimas, jų (-) galai atsukti į CMTC. Manoma, kad COMT zonose esantys (--)-galai blokuojami specialiais baltymais, kurie neleidžia arba riboja tubulinų depolimerizaciją. Dėl šios priežasties, esant pakankamam laisvojo tubulino kiekiui, pailgės mikrotubulai, besitęsiantys iš COMT. Kaip COMT gyvūnų ląstelėse, daugiausia dalyvauja ląstelių centrai, kuriuose yra centriolių, kaip bus aptarta toliau. Be to, branduolinė zona gali tarnauti kaip CMT, o mitozės metu – padalijimo veleno poliai.
Viena iš citoplazmos mikrovamzdelių paskirčių – sukurti elastingą, bet kartu stabilų tarpląstelinį skeletą, kuris itin svarbus ląstelės formai palaikyti. Disko formos varliagyvių eritrocituose išilgai ląstelės periferijos guli žiediškai išdėstytų mikrovamzdelių žnyplė; mikrovamzdelių ryšuliai būdingi įvairioms citoplazmos ataugoms (pirmuonių aksopodijos, nervinių ląstelių aksonai ir kt.).
Mikrovamzdelių vaidmuo – suformuoti karkasą, palaikantį ląstelės kūną, stabilizuoti ir sustiprinti ląstelių ataugas. Tuo pačiu metu mikrovamzdeliai dalyvauja ląstelių augimo procesuose. Taigi augaluose, vykstant ląstelių pailgėjimui, kai dėl centrinės vakuolės padidėjimo labai padidėja ląstelių tūris, periferiniuose citoplazmos sluoksniuose atsiranda daug mikrotubulių. Tokiu atveju mikrovamzdeliai, kaip ir šiuo metu auganti ląstelės sienelė, tarsi sustiprina, mechaniškai sustiprina citoplazmą.
Kurdami tarpląstelinį skeletą, mikrovamzdeliai yra veiksniai, lemiantys tarpląstelinių komponentų orientuotą judėjimą, nustatantys jų vietą nukreiptam įvairių medžiagų srautui ir didelių struktūrų judėjimui.
Priglobta ref.rf
Taigi žuvų melanoforų (ląstelių, kuriose yra melanino pigmento) atveju ląstelių procesų augimo metu pigmento granulės juda išilgai mikrotubulų ryšulių.
Gyvų nervinių ląstelių aksonuose galima stebėti įvairių smulkių vakuolių ir granulių judėjimą, kurie juda tiek iš ląstelės kūno link nervinio galo (anterogradinis transportas), tiek priešinga kryptimi (retrogradinis transportas).
Išskirti baltymai, atsakingi už vakuolių judėjimą. Vienas iš jų yra kinezinas, baltymas, kurio molekulinė masė yra apie 300 000.
Yra visa kinezinų šeima. Taigi citozoliniai kinezinai dalyvauja pūslelių, lizosomų ir kitų membraninių organelių pernešime per mikrovamzdelius. Daugelis kinezinų jungiasi specialiai su jų kroviniais. Taigi vieni dalyvauja tik mitochondrijų pernešime, kiti – tik sinapsines pūsleles. Kinezinai prie membranų jungiasi per membraninių baltymų kompleksus – kinektinus. Verpstės kinezinai dalyvauja šios struktūros formavime ir chromosomų segregacijoje.
Kitas baltymas – citoplazminis dyneinas – atsakingas už retrogradinį transportą aksone (275 pav.). Jį sudaro dvi sunkiosios grandinės – galvutės, kurios sąveikauja su mikrovamzdeliais, kelios tarpinės ir lengvosios grandinės, kurios jungiasi prie membranos vakuolių. Citoplazminis dyneinas yra motorinis baltymas, pernešantis apkrovas į minusinį mikrotubulių galą. Dineinai taip pat skirstomi į dvi klases: citozolinius – dalyvaujančius vakuolių ir chromosomų pernešime, ir aksoneminius – atsakingus už blakstienų ir žvynelių judėjimą.
Citoplazminiai dinezinai ir kinezinai buvo rasti beveik visų tipų gyvūnų ir augalų ląstelėse.
Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, o citoplazmoje judėjimas vykdomas pagal slankiojančių siūlų principą, tik išilgai mikrovamzdelių juda ne siūlai, o trumpos molekulės – judesiai, susiję su judančiais ląstelių komponentais. Šios intracelulinio transportavimo sistemos panašumas su aktomiozino kompleksu slypi tuo, kad susidaro dvigubas kompleksas (mikrotubulas + judesys), turintis didelį ATPazės aktyvumą.
Kaip matyti, ląstelėje mikrovamzdeliai formuoja radialiai besiskiriančias poliarizuotas fibriles, kurių (+) galai yra nukreipti iš ląstelės centro į periferiją. (+) ir (-) nukreiptų motorinių baltymų (kinezinų ir dinezinų) buvimas sukuria galimybę jos komponentams pernešti ląstelėje tiek iš periferijos į centrą (endocitinės vakuolės, ER vakuolių perdirbimas ir Golgi aparatas). ir kt.) ir nuo centro iki periferijos (ER vakuolės, lizosomos, sekrecinės vakuolės ir kt.) (276 pav.). Šis transporto poliškumas susidaro dėl mikrotubulių sistemos organizavimo, kurie atsiranda jų organizacijos centruose, ląstelių centre.
Mikrovamzdeliai – samprata ir tipai. Kategorijos „Mikrovamzdeliai“ klasifikacija ir ypatumai 2017, 2018 m.
