Atsevišķa citoskeleta proteīnu grupa ir mikrotubulu proteīni. Tie ietver tubulīnu, ar mikrotubuliem saistītos proteīnus (MAP 1, MAP 2, MAP 4, tau utt.) un translokatora proteīnus (dineīnu, kinezīnu, dinamīnu). Mikrocaurules ir proteīna cauruļveida struktūras, kuru diametrs ir aptuveni 25 nm un garums līdz vairākiem desmitiem mikrometru; to sieniņu biezums ir aptuveni 6 nm. Tie ir būtiska eikariotu šūnu citoplazmas sastāvdaļa. Mikrocaurules veido dalīšanās vārpstu (ahromatisku figūru) mitozes un meiozes gadījumā, kustīgu skropstu un flagellas aksonēmu (centrālo struktūru), centriolu un bazālo ķermeņu sienu. Mikrotubulām ir svarīga, ja ne galvenā loma šūnu morfoģenēzē un dažu veidu šūnu kustībā.
Mikrotubulu sienas ir veidotas no proteīna tubulīna, kas veido 90% no svara. Tubulīns ir globulārs proteīns, kas pastāv kā α- un β-apakšvienību dimērs ar molekulmasu ~ 55 kDa. Mikrotubulai ir doba cilindra forma, kura siena sastāv no lineārām tubulīna dimēru ķēdēm, tā sauktajiem protofilamentiem. Protofilamentos iepriekšējā dimēra α-apakšvienība ir savienota ar nākamā dimēra β-apakšvienību. Dimēri blakus esošajos protofilamentos ir pārvietoti viens pret otru, veidojot spirālveida rindas. Šķērsgriezumā redzami 13 tubulīna dimēri, kas atbilst 13 protofilamentiem iekšā
mikrotubulu siena (9. att.). Katra apakšvienība satur apmēram 450 aminoskābes, un apakšvienību aminoskābju sekvences ir aptuveni 40% homologas viena otrai. Tubulīns ir GTP saistošs proteīns, un β-apakšvienība satur labilu saistītu GTP vai GDP molekulu, kas var apmainīties ar GTP šķīdumā, un α-apakšvienība satur cieši saistītu GTP molekulu.
Rīsi. 9. Mikrotubulu uzbūve.
Tubulīns spēj spontāni polimerizēties in vitro. Šāda polimerizācija ir iespējama fizioloģiskās temperatūrās un labvēlīgos jonu apstākļos (Ca2+ jonu trūkums), un tai ir nepieciešami divi faktori: augsta tubulīna koncentrācija un GTP klātbūtne. Polimerizāciju pavada GTP hidrolīze, un tubulīns mikrotubulā paliek saistīts ar IKP, bet neorganiskais fosfāts nonāk šķīdumā.
Tubulīna polimerizācija sastāv no divām fāzēm: nukleācijas un pagarināšanas. Kodolēšanas laikā veidojas sēklas un tās laikā
pagarinājums - to pagarinājums ar mikrotubulu veidošanos. Jāņem vērā, ka tubulīna polimerizācijas laikā subvienības tiek pievienotas tikai mikrotubulu galos.
Mikrotubulu pretējie gali atšķiras pēc augšanas ātruma. Ātri augošo galu sauc par mikrotubulas plus galu, bet lēni augošo – par mīnusa galu (sk. 9. att.). Šūnā mikrotubulu (–) gali parasti ir saistīti ar centrosomu, savukārt (+) gali ir vērsti uz perifēriju un bieži vien sasniedz pašas šūnas malu.
Mikrotubulas ir jutīgas dinamiska nestabilitāte.
Pie nemainīga polimēra daudzuma notiek atsevišķu mikrotubulu spontāna augšana vai saīsināšana līdz to pilnīgai izzušanai. Sakarā ar GTP hidrolīzes aizkavēšanos attiecībā pret tubulīna iekļaušanu augšanas procesā esošā mikrotubula galā veidojas GTP vāciņš, kas sastāv no 9-18 GTP-tubulīna molekulām. GTP vāciņš stabilizē mikrotubulas galu un veicina tā tālāku augšanu. Ja jaunu heterodimēru iekļaušanas ātrums ir mazāks par GTP hidrolīzes ātrumu vai mikrotubulas mehāniskā plīsuma gadījumā veidojas gals bez GTP vāciņa. Šim galam ir samazināta afinitāte pret jaunām tubulīna molekulām; viņš sāk to izdomāt.
Mikrotubulu polimerizāciju un depolimerizāciju izraisa temperatūras izmaiņas, jonu apstākļi vai īpašu ķīmisko vielu izmantošana. Starp vielām, kas izraisa neatgriezenisku demontāžu, plaši tiek izmantoti indola alkaloīdi (kolhicīns, vinblastīns, vinkristīns utt.).
MIKROTUBIEM SAISTĪTIE PROTEĪNI
Ar mikrotubuliem saistītie proteīni ir sadalīti divās grupās: strukturālie MAP (ar mikrotubuliem saistītie proteīni) un ar mikrotubuliem saistītie proteīni.
translokatori.
Strukturālās IDA
Strukturālo MAP kopīgs īpašums ir to pastāvīgā saistība ar mikrotubulām. Vēl viena šīs proteīnu grupas kopīga īpašība ir tāda, ka atšķirībā no translokatora proteīniem, mijiedarbojoties ar tubulīnu, tie visi saistās ar aptuveni 4 kDa lielu molekulas C-gala daļu.
Ir augstas molekulmasas MAP 1 un MAP 2, tau proteīni ar molekulmasu aptuveni 60-70 kDa un MAP 4 vai MAP U ar molekulmasu aptuveni 200 kDa.
Tādējādi MAP 1B molekula (MAP 1 proteīnu grupas pārstāvis) ir vienas smagas un divu vieglu ķēdes stehiometrisks komplekss, tā ir iegarena stieņa formas molekula, kuras garums ir 190 nm, un tās vienā galā ir 10 nm globulārs domēns. diametrs (acīmredzot, mikrotubulu saistīšanās vieta). tā molekulmasa ir 255,5 kDa.
MAP 2 ir termostabils proteīns. Tas saglabā spēju mijiedarboties ar mikrotubulām un paliek to sastāvā vairākos montāžas-demontāžas ciklos pēc karsēšanas līdz 90°C.
Strukturālie MAP spēj stimulēt iniciāciju un pagarinājumu un stabilizēt gatavās mikrotubulas; sašuj mikrotubulas saišķos. Īss α-
spirālveida hidrofobās sekvences MAP un tau N-galā, aizverot MAP molekulas, kas atrodas uz blakus esošajām mikrotubulām, piemēram, rāvējslēdzēju. Šādas šķērssaistīšanas bioloģiskā loma var būt šūnu mikrotubulu veidoto struktūru stabilizēšana.
Līdz šim eksperimentālie pētījumi ir atklājuši, ka papildus mikrotubulu dinamikas regulēšanai strukturālajiem MAP ir vēl divas galvenās funkcijas: šūnu morfoģenēze un līdzdalība mikrotubulu mijiedarbībā ar citām intracelulārām struktūrām.
Translokatoru proteīni
Šīs grupas proteīnu atšķirīgā iezīme ir spēja pārveidot ATP enerģiju mehāniskā spēkā, kas var pārvietot daļiņas pa mikrotubulām vai mikrotubulām gar substrātu. Attiecīgi translokatori ir mehāniski ķīmiskās ATPāzes, un to ATPāzes aktivitāti stimulē mikrotubulas. Atšķirībā no strukturālajiem MAP, translokatori ir saistīti ar mikrotubulām tikai no ATP atkarīgas kustības laikā.
Translokatora olbaltumvielas iedala divās grupās: kinezīnam līdzīgie proteīni (vidēja kustība no mikrotubulu (–) gala līdz (+) galam) un dyneīnam līdzīgie proteīni (kustība no (+) gala līdz (–) galam. mikrotubulas) (10. att.).
Kinezīns ir tetramērs no divām vieglām (62 kDa) un divām smagām (120 kDa) polipeptīdu ķēdēm. Kinezīna molekula
ir stieņa forma ar diametru 2–4 nm un garumu 80–100 nm ar divām lodveida galvām vienā galā un vēdekļveida pagarinājumu otrā (11. att.).
Rīsi. 10. Olbaltumvielas-translokatori.
Stieņa vidū ir eņģes daļa. Smagās ķēdes N-gala fragmentu, kura izmērs ir aptuveni 50 kDa un kam piemīt mehāniskā ķīmiskā aktivitāte, sauc par kinezīna motora domēnu.
Rīsi. 11. Kinezīna molekulas uzbūve.
Mikrotubulu vispārīgās īpašības. Citoskeleta būtiskākās sastāvdaļas ir mikrotubulas (265. att.), pavedienveida nesazarojošas struktūras, 25 nm biezas, kas sastāv no tubulīna proteīniem un ar tiem saistītajiem proteīniem. Polimerizācijas laikā tubulīni veido dobas caurules (mikrocaurules), kas var būt vairākus mikronus garas, un garākās mikrotubulas atrodas spermas astes aksonēmā.
Mikrocaurules atrodas starpfāzu šūnu citoplazmā atsevišķi, mazos vaļīgos saišķos vai blīvi iesaiņotu veidojumu veidā kā daļa no centriolu, bazālo ķermeņu skropstas un flagellas. Šūnu dalīšanās laikā lielākā daļa šūnas mikrotubulu ir daļa no dalīšanās vārpstas.
Pēc uzbūves mikrocaurulītes ir gari dobi cilindri ar ārējo diametru 25 nm (266. att.). Mikrotubulu siena sastāv no polimerizētām tubulīna olbaltumvielu molekulām. Polimerizācijas laikā tubulīna molekulas veido 13 gareniskus protofilamentus, kas savīti dobā caurulē (267. att.). Tubulīna monomēra izmērs ir aptuveni 5 nm, vienāds ar mikrotubulas sienas biezumu, kura šķērsgriezumā redzamas 13 lodveida molekulas.
Tubulīna molekula ir heterodimērs, kas sastāv no divām dažādām apakšvienībām, a-tubulīna un b-tubulīna, kas pēc asociācijas veido pašu tubulīna proteīnu, kas sākotnēji polarizējas. Abas tubulīna monomēra apakšvienības ir saistītas ar GTP; tomēr GTP a-apakšvienībā netiek pakļauts hidrolīzei, atšķirībā no GTP b-apakšvienībā, kur polimerizācijas laikā GTP tiek hidrolizēts līdz IKP. Polimerizācijas laikā tubulīna molekulas tiek apvienotas tā, ka nākamā proteīna a-apakšvienība asociējas ar viena proteīna b-apakšvienību utt. Līdz ar to atsevišķas protofibrillas rodas kā polāri pavedieni, un attiecīgi arī viss mikrotubulis ir polāra struktūra, kam ir strauji augošs (+) gals un lēni augošs (-) gals (268. att.).
Ar pietiekamu olbaltumvielu koncentrāciju polimerizācija notiek spontāni. Bet tubulīnu spontānās polimerizācijas laikā notiek vienas ar b-tubulīnu saistītās GTP molekulas hidrolīze. Mikrotubulu augšanas laikā tubulīna saistīšanās notiek ātrāk augošajā (+) galā. Tomēr, ja tubulīna koncentrācija ir nepietiekama, mikrocaurules var izjaukt no abiem galiem. Mikrotubulu demontāžu atvieglo temperatūras pazemināšana un Ca ++ jonu klātbūtne.
Mikrotubulas ir ļoti dinamiskas struktūras, kuras var parādīties un diezgan ātri izjaukt. Izolētu mikrotubulu sastāvā tiek atrasti ar tiem saistīti papildu proteīni, tā sauktie mikrotubuli. MAP proteīni (MAP - mikrotubulu palīgproteīni). Šīs olbaltumvielas, stabilizējot mikrotubulas, paātrina tubulīna polimerizācijas procesu (269. att.).
Citoplazmas mikrotubulu loma ir samazināta līdz divām funkcijām: skeleta un motora. Skeleta, sastatņu, loma ir tāda, ka mikrotubulu atrašanās citoplazmā stabilizē šūnas formu; izšķīdinot mikrotubulas, šūnas, kurām bija sarežģīta forma, mēdz iegūt bumbiņas formu. Mikrotubulu motora loma ir ne tikai tā, ka tie rada sakārtotu, vektoru, kustību sistēmu. Citoplazmas mikrotubulas kopā ar specifiskiem saistītajiem motora proteīniem veido ATPāzes kompleksus, kas spēj vadīt šūnu komponentus.
Gandrīz visās hialoplazmas eikariotu šūnās var redzēt garus nesazarotus mikrotubulus. Lielos daudzumos tie ir sastopami nervu šūnu citoplazmas procesos, melanocītu, amēbu un citu šūnu procesos, kas maina savu formu (270. att.). Tos var izolēt paši, vai arī ir iespējams izolēt to veidojošos proteīnus: tie ir tie paši tubulīni ar visām to īpašībām.
mikrotubulu organizēšanas centri. Citoplazmas mikrotubulu augšana notiek polāri: aug mikrotubulu (+) gals. Mikrotubulu kalpošanas laiks ir ļoti īss, tāpēc pastāvīgi veidojas jauni mikrotubuli. Tubulīnu polimerizācijas sākuma process, kodolu veidošanās, notiek skaidri noteiktās šūnas zonās, t.s. mikrotubulu organizēšanas centri (MOTC). CMTC zonās notiek īsu mikrotubulu ieklāšana, to (-) galiem pret CMTC. Tiek uzskatīts, ka (--)-galus COMT zonās bloķē īpaši proteīni, kas novērš vai ierobežo tubulīnu depolimerizāciju. Tāpēc ar pietiekamu brīvā tubulīna daudzumu palielināsies mikrotubulu garums, kas stiepjas no COMT. Kā COMT dzīvnieku šūnās, galvenokārt ir iesaistīti šūnu centri, kas satur centriolus, kā tas tiks apspriests turpmāk. Turklāt kodolzona var kalpot kā CMT, bet mitozes laikā - skaldīšanas vārpstas stabi.
Viens no citoplazmas mikrotubulu mērķiem ir izveidot elastīgu, bet tajā pašā laikā stabilu intracelulāru skeletu, kas nepieciešams, lai saglabātu šūnas formu. Diska formas abinieku eritrocītos gar šūnu perifēriju atrodas apļveida mikrotubulu žņaugs; mikrotubulu kūļi ir raksturīgi dažādiem citoplazmas izaugumiem (vienšūņu aksopodijām, nervu šūnu aksoniem utt.).
Mikrotubulu uzdevums ir veidot sastatnes, lai atbalstītu šūnas ķermeni, stabilizētu un stiprinātu šūnu izaugumus. Turklāt mikrotubulas ir iesaistītas šūnu augšanas procesos. Tādējādi augos šūnu pagarināšanās procesā, kad centrālās vakuolas palielināšanās dēļ notiek ievērojams šūnu tilpuma pieaugums, citoplazmas perifērajos slāņos parādās liels skaits mikrotubulu. Šajā gadījumā mikrotubulas, kā arī šajā laikā augošā šūnu siena it kā pastiprina, mehāniski nostiprina citoplazmu.
Izveidojot intracelulāru skeletu, mikrotubulas ir faktori intracelulāro komponentu orientētai kustībai, radot telpas dažādu vielu virzītām plūsmām un lielu struktūru kustībai. Tātad zivju melanoforu (šūnu, kas satur melanīna pigmentu) gadījumā šūnu procesu augšanas laikā pigmenta granulas pārvietojas pa mikrotubulu kūlīšiem.
Dzīvu nervu šūnu aksonos var novērot dažādu mazu vakuolu un granulu kustību, kas pārvietojas gan no šūnas ķermeņa uz nervu galu (anterogrāds transports), gan pretējā virzienā (retrogrāds transports).
Ir izolēti proteīni, kas ir atbildīgi par vakuolu kustību. Viens no tiem ir kinezīns, proteīns, kura molekulmasa ir aptuveni 300 000.
Ir vesela kinezīnu saime. Tādējādi citozoliskie kinezīni ir iesaistīti pūslīšu, lizosomu un citu membrānas organellu transportēšanā pa mikrotubulām. Daudzi kinezīni īpaši saistās ar to kravām. Tātad daži ir iesaistīti tikai mitohondriju, citi tikai sinaptisko pūslīšu pārnesē. Kinezīni saistās ar membrānām caur membrānas proteīnu kompleksiem – kinektīniem. Vārpstas kinezīni ir iesaistīti šīs struktūras veidošanā un hromosomu segregācijā.
Par retrogrādu transportu aksonā ir atbildīgs cits proteīns – citoplazmas dinīns (275. att.). Tas sastāv no divām smagajām ķēdēm – galviņām, kas mijiedarbojas ar mikrotubulām, vairākām starpposma un vieglajām ķēdēm, kas saistās ar membrānas vakuoliem. Citoplazmas dyneīns ir motorolbaltumviela, kas nogādā kravu līdz mikrotubulu mīnusam. Dineīnus iedala arī divās klasēs: citosoliskie - iesaistīti vakuolu un hromosomu pārnešanā, un aksonēmiskie - atbildīgi par skropstu un flagellu kustību.
Citoplazmas dineīni un kinezīni ir atrasti gandrīz visu veidu dzīvnieku un augu šūnās.
Tādējādi citoplazmā kustība tiek veikta pēc slīdošo pavedienu principa, tikai pa mikrotubulām pārvietojas nevis pavedieni, bet gan īsas molekulas - kustinātāji, kas saistīti ar kustīgām šūnu sastāvdaļām. Šīs intracelulārās transporta sistēmas līdzība ar aktomiozīna kompleksu slēpjas faktā, ka veidojas dubultais komplekss (mikrotubulis + kustinātājs), kuram ir augsta ATPāzes aktivitāte.
Kā redzams, šūnā mikrocaurulītes veido radiāli diverģējošas polarizētas fibrillas, kuru (+) gali ir vērsti no šūnas centra uz perifēriju. (+) un (-) virzītu motoro proteīnu (kinezīnu un dinīnu) klātbūtne rada iespēju tās komponentiem pārvietoties šūnā gan no perifērijas uz centru (endocītiskie vakuoli, ER vakuolu pārstrāde un Golgi aparāts u.c.), un no centra uz perifēriju (ER vakuoli, lizosomas, sekrēcijas vakuoli utt.) (276. att.). Šī transporta polaritāte ir izveidota, pateicoties mikrotubulu sistēmas organizācijai, kas rodas to organizācijas centros, šūnu centrā.
Mikrotubulas ir viena no būtiskām augu šūnu citoplazmas sastāvdaļām. Morfoloģiski mikrotubulas ir gari dobi cilindri ar ārējo diametru 25 nm. Mikrotubulu siena sastāv no polimerizētām tubulīna olbaltumvielu molekulām. Polimerizācijas laikā tubulīna molekulas veido 13 gareniskus protofilamentus, kas tiek savīti dobā caurulē. Tubulīna monomēra apmaiņa ir aptuveni 5 nm, kas ir vienāda ar mikrotubulas sienas biezumu, kuras šķērsgriezumā ir redzamas 13 lodveida molekulas.
Mikrotubulis ir polāra struktūra ar strauji augošu plus galu un lēni augošu mīnus galu.
Mikrotubulas ir ļoti dinamiskas struktūras, kuras var parādīties un diezgan ātri izjaukt. Izmantojot elektroniskās signāla pastiprināšanas sistēmas gaismas mikroskopā, var redzēt, ka dzīvā šūnā mikrotubulas aug, saīsinās un izzūd; pastāvīgi atrodas dinamiskā nestabilitātē. Izrādījās, ka citoplazmas mikrotubulu vidējais pusperiods ir tikai 5 minūtes. Tādējādi 15 minūšu laikā tiek atjaunoti aptuveni 80% no visas mikrotubulu populācijas. Kā daļu no dalīšanās vārpstas mikrotubulu kalpošanas laiks ir aptuveni 15–20 s. Tomēr 10–20% mikrotubulu saglabājas samērā stabili diezgan ilgu laiku (līdz pat vairākām stundām).
Mikrotubulas ir struktūras, kurās ap doba cilindra apkārtmēru ir sakrauti 13 protofilamenti, kas sastāv no α- un β-tubulīna heterodimēriem. Cilindra ārējais diametrs ir aptuveni 25 nm, iekšējais diametrs ir aptuveni 15.
Viens mikrotubulas gals, ko sauc par plus galu, pastāvīgi piestiprina pie sevis brīvo tubulīnu. No pretējā gala - mīnusa gala - tubulīna vienības tiek atdalītas.
Mikrotubulu veidošanā ir trīs fāzes:
aizkavēta fāze vai nukleācija. Tas ir mikrotubulu veidošanās posms, kad tubulīna molekulas sāk apvienoties lielākos veidojumos. Šis savienojums ir lēnāks nekā tubulīna piestiprināšana jau samontētam mikrotubulim, tāpēc fāzi sauc par aizkavētu;
polimerizācijas fāze vai pagarinājums. Ja brīvā tubulīna koncentrācija ir augsta, tā polimerizācija notiek ātrāk nekā depolimerizācija mīnus galā, tādējādi pagarinot mikrotubulu. Pieaugot tubulīna koncentrācijai nokrītas līdz kritiskai un augšanas ātrums palēninās līdz ieiešanai nākamajā fāzē;
līdzsvara stāvokļa fāze. Depolimerizācija līdzsvaro polimerizāciju un apstājas mikrotubulu augšana.
Laboratorijas pētījumi liecina, ka mikrotubulu salikšana no tubulīniem notiek tikai guanozīna trifosfāta un magnija jonu klātbūtnē.
1. att. Mikrotubulu pašmontāžas soļi
Nesen dzīvās šūnās ir novērota mikrotubulu salikšana un demontāža. Ievadot šūnā antivielas pret tubulīnu, kas iezīmētas ar fluorohromiem, un izmantojot elektroniskās signāla pastiprināšanas sistēmas gaismas mikroskopā, var redzēt, ka dzīvā šūnā mikrotubulas aug, saīsinās un izzūd; pastāvīgi atrodas dinamiskā nestabilitātē. Izrādījās, ka citoplazmas mikrotubulu vidējais pusperiods ir tikai 5 min. Tādējādi 15 minūšu laikā tiek atjaunoti aptuveni 80% no visas mikrotubulu populācijas. Tajā pašā laikā atsevišķi mikrotubuli augšanas galā var lēnām (4-7 µm/min) izstiepties un pēc tam diezgan ātri saīsināties (14-17 µm/min). Dzīvās šūnās mikrotubulu, kas ir daļa no dalīšanās vārpstas, kalpošanas laiks ir aptuveni 15–20 s. Tiek uzskatīts, ka citoplazmas mikrotubulu dinamiskā nestabilitāte ir saistīta ar GTP hidrolīzes aizkavēšanos, kas izraisa zonas veidošanos, kas satur nehidrolizētus nukleotīdus (“GTP vāciņš”) mikrotubulas plus galā. Šajā zonā tubulīna molekulas ar augstu afinitāti saistās viena ar otru.
viens otru, un līdz ar to palielinās mikrotubulu augšanas ātrums. Gluži pretēji, ar šīs vietas zudumu mikrotubulas sāk saīsināt.
Tomēr 10–20% mikrotubulu saglabājas samērā stabili diezgan ilgu laiku (līdz pat vairākām stundām). Šāda stabilizācija lielā mērā tiek novērota diferencētās šūnās. Mikrotubulu stabilizācija ir saistīta vai nu ar tubulīnu modifikāciju, vai to saistīšanos ar mikrotubulu piederumu (MAP) proteīniem un citiem šūnu komponentiem.
Lizīna acetilēšana tubulīnu sastāvā ievērojami palielina mikrotubulu stabilitāti. Vēl viens tubulīna modifikācijas piemērs var būt terminālā tirozīna noņemšana, kas ir raksturīga arī stabilām mikrotubulām. Šīs modifikācijas ir atgriezeniskas.
2. att. Mikrotubulu atrašanās vieta fibroblastu (a), melanocītu (b) un neirona (c) citoplazmā
Mikrotubulas pašas nav spējīgas sarauties, tomēr tās ir būtiskas daudzu kustīgu šūnu struktūru sastāvdaļas, piemēram, skropstas un flagellas, piemēram, šūnu vārpstiņa mitozes laikā, kā citoplazmas mikrotubulas, kas ir būtiskas vairākiem intracelulāriem transportiem, piemēram, kā eksocitoze, mitohondriju kustība utt.
Kopumā citoplazmas mikrotubulu lomu var samazināt līdz divām funkcijām: skeleta un motora. Skeleta, sastatņu, loma ir tāda, ka mikrotubulu atrašanās citoplazmā stabilizē šūnas formu; izšķīdinot mikrotubulas, šūnas, kurām bija sarežģīta forma, mēdz iegūt bumbiņas formu. Mikrotubulu motora loma ir ne tikai tā, ka tie rada sakārtotu, vektoru, kustību sistēmu. Citoplazmas mikrotubulas kopā ar specifiskiem saistītajiem motora proteīniem veido ATPāzes kompleksus, kas spēj vadīt šūnu komponentus.
Gandrīz visās hialoplazmas eikariotu šūnās var redzēt garus nesazarotus mikrotubulus. Lielos daudzumos tie ir sastopami nervu šūnu citoplazmas procesos, melanocītu, amēbu un citu šūnu procesos, kas maina savu formu (270. att.). Tos var izolēt paši, vai arī ir iespējams izolēt to veidojošos proteīnus: tie ir tie paši tubulīni ar visām to īpašībām.
Mikrotubulas pašas nav spējīgas sarauties, tomēr tās ir būtiskas daudzu kustīgu šūnu struktūru sastāvdaļas, piemēram, šūnu vārpstas mitozes laikā kā citoplazmas mikrotubulas, kas ir būtiskas vairākiem intracelulāriem transportiem, piemēram, eksocitozei, mitohondriju kustībai, utt.
Kopumā citoplazmas mikrotubulu lomu var samazināt līdz divām funkcijām: skeleta un motora. Skeleta, sastatņu loma ir saistīta ar to, ka mikrotubulu atrašanās citoplazmā stabilizē šūnas formu. Mikrotubulu motora loma ir ne tikai tā, ka tie rada sakārtotu, vektoru kustības sistēmu. Citoplazmas mikrotubulas un asociācijas ar specifiskiem saistītajiem motora proteīniem veido ATPāzes kompleksus, kas spēj vadīt šūnu komponentus. Turklāt mikrotubulas ir iesaistītas šūnu augšanas procesos. Augos šūnu pagarināšanās procesā, kad centrālā vakuola palielināšanās dēļ ievērojami palielinās šūnu tilpums, citoplazmas perifērajos slāņos parādās liels skaits mikrotubulu. Šajā gadījumā mikrotubulas, kā arī šajā laikā augošā šūnu siena it kā pastiprina, mehāniski nostiprina citoplazmu.
Mikrotubulu ķīmiskais sastāvs
Mikrotubulas sastāv no tubulīna proteīniem un ar tiem saistītajiem proteīniem. Tubulīna molekula ir heterodimērs, kas sastāv no divām dažādām apakšvienībām, kuras pēc asociācijas veido pašu tubulīna proteīnu, kas sākotnēji ir polarizēts. Polimerizācijas laikā tubulīna molekulas tiek apvienotas. Līdz ar to atsevišķas protofibrillas rodas kā polāri pavedieni, un attiecīgi arī viss mikrotubulis ir polāra struktūra ar strauji augošu plusgalu un lēni augošu mīnusgalu. Ar pietiekamu olbaltumvielu koncentrāciju polimerizācija notiek spontāni. Spontānās tubulīnu polimerizācijas laikā tiek hidrolizēta viena GTP molekula. Mikrotubulas pagarināšanas laikā tubulīna saistīšanās notiek ātrāk augošajā plus galā. Tomēr, ja tubulīna koncentrācija ir nepietiekama, mikrocaurules var izjaukt no abiem galiem. Mikrotubulu demontāžu atvieglo temperatūras pazemināšana un Ca 2 jonu klātbūtne.
Ir vairākas vielas, kas ietekmē tubulīna polimerizāciju. Tādējādi alkaloīds kolhicīns saistās ar atsevišķām tubulīna molekulām un novērš to polimerizāciju. Tas noved pie polimerizēties spējīgā brīvā tubulīna koncentrācijas samazināšanās, kas izraisa ātru citoplazmas mikrotubulu un vārpstas mikrotubulu demontāžu. Kolcemidam un nokodozolam ir tāds pats efekts, nomazgājot, notiek pilnīga mikrotubulu atjaunošana. Taksolam ir stabilizējoša iedarbība uz mikrotubulām, kas veicina tubulīna polimerizāciju pat zemās koncentrācijās. Mikrotubulās ir arī papildu proteīni, kas saistīti ar tiem, tā sauktie MAP proteīni. Šie proteīni, stabilizējot mikrotubulus, paātrina tubulīna polimerizācijas procesu.
Mikrotubulu funkcijas
Šūnā esošās mikrotubulas tiek izmantotas kā "sliedes" daļiņu transportēšanai. Membrānas pūslīši un mitohondriji var pārvietoties pa to virsmu. Transportēšanu caur mikrotubuliem veic proteīni, ko sauc par motorolbaltumvielām. Tie ir lielmolekulārie savienojumi, kas sastāv no divām smagajām (sver aptuveni 300 kDa) un vairākām vieglām ķēdēm. Smagās ķēdes iedala galvas un astes domēnos. Abi galvas domēni saistās ar mikrotubulām un darbojas kā motori, savukārt astes domēni saistās ar organellām un citiem intracelulāriem veidojumiem, kas jātransportē.
Ir divu veidu motorolbaltumvielas: citoplazmas dineini; kinezīni.
Dineīni pārvieto kravu tikai no mikrotubulas plus gala uz mīnus galu, tas ir, no šūnas perifērajiem reģioniem uz centrosomu. Kinezīni, gluži pretēji, virzās uz plus-galu, tas ir, uz šūnu perifēriju.
Kustība tiek veikta ATP enerģijas dēļ. Šim nolūkam motoro proteīnu galvas domēni satur ATP saistošas vietas.
Papildus transporta funkcijai mikrotubulas veido centrālo skropstu un flagella struktūru - aksonēmu. Tipisks aksonēms satur 9 pārus apvienotu mikrotubulu gar perifēriju un divus pilnīgus mikrotubulus centrā. Mikrocaurules sastāv arī no centriolām un dalīšanas vārpstas, kas nodrošina hromosomu novirzīšanos uz šūnas poliem mitozes un meiozes laikā. Mikrotubulas ir iesaistītas šūnas formas uzturēšanā un organellu (jo īpaši Golgi aparāta) izvietojumā šūnu citoplazmā.
Gandrīz visās hialoplazmas eikariotu šūnās var redzēt ilgi nesazarotas mikrotubulas. Lielos daudzumos tie atrodami nervu šūnu citoplazmas procesos, fibroblastos un citās šūnās, kas maina savu formu. Tos var izolēt paši, vai arī var izolēt tos veidojošos proteīnus: tie ir tie paši tubulīni ar visām to īpašībām.
Galvenā funkcionālā vērtībaŠādu citoplazmas mikrotubulu mērķis ir izveidot elastīgu, bet tajā pašā laikā stabilu intracelulāru karkasu (citoskeletu), kas nepieciešams, lai saglabātu šūnas formu.
Nemembrānas organellās ietilpst mikrocaurules - dažāda garuma cauruļveida veidojums ar ārējo diametru 24 nm, sieniņu biezumu aptuveni 5 nm un "lūmena" platumu 15 nm. Tie rodas brīvā stāvoklī šūnu citoplazmā vai kā flagellas (spermatozoīdu), skropstu (trahejas epitēlija), mitotiskās vārpstas un centriolu (dalās šūnas) struktūras elementi.
Mikrotubulas tiek veidotas, saliekot (polimerizējoties) tubulīna proteīnam. mikrotubulas polārais: tajos izšķir galus (+) un (-). To augšana notiek no īpašas nedalāmu šūnu struktūras - mikrotubulu organizēšanas centrs, ar kuru organelle ir savienota ar galu (-) un kuru attēlo divi elementi, kas pēc struktūras ir identiski šūnas centra centrioliem. Mikrotubulas ir pagarinātas par jaunu apakšvienību pievienošana beigās (+). Sākotnējā fāzē augšanas virzienu nenosaka, bet no izveidotajiem mikrotubuliem paliek tie, kas saskaras ar to (+) galu ar piemērotu mērķi. Augu šūnās, kurās atrodas mikrotubulas, tādas struktūras kā centrioli nav atrastas.
Mikrotubulas ir iesaistītas:
- saglabājot šūnu formu,
- to motoriskās aktivitātes (flagella, cilias) un intracelulārā transporta (hromosomas mitozes anafāzē) organizēšanā.
Intracelulāro molekulāro motoru funkcijas veic proteīni kinezīns un dinīns, kuriem ir ATPāzes enzīma aktivitāte. Ziedu vai ciliāru kustības laikā dyneīna molekulas, piestiprinoties pie mikrotubulām un izmantojot ATP enerģiju, virzās pa to virsmu uz bazālo ķermeni, tas ir, uz galu (-). Mikrotubulu pārvietošanās viena pret otru izraisa viļņveidīgas karogs vai skropstas, liekot šūnai pārvietoties telpā. Nekustīgu šūnu gadījumā, piemēram, trahejas ciliārais epitēlijs, aprakstītais mehānisms tiek izmantots, lai no elpošanas trakta izvadītu gļotas ar tajās nogulsnētajām daļiņām (drenāžas funkcija).
Mikrotubulu līdzdalība intracelulāro transportu organizēšanā ilustrē pūslīšu (vezikulu) kustību citoplazmā. Kinezīna un dyneīna molekulas satur divas lodveida "galvas" un "astes" olbaltumvielu ķēžu veidā. Ar galviņu palīdzību olbaltumvielas saskaras ar mikrotubulām, virzoties pa to virsmu: kinezīns no gala (-) līdz galam (+), bet dinīns pretējā virzienā. Tajā pašā laikā viņi velk burbuļus, kas piestiprināti pie "astes" aiz sevis. Jādomā, ka "astes" makromolekulārā organizācija ir mainīga, kas nodrošina dažādu transportētu struktūru atpazīšanu.
Ar mikrotubulām kā būtisku mitotiskā aparāta sastāvdaļu ir saistīta centriolu novirzīšanās uz dalošās šūnas poliem un hromosomu kustība mitozes anafāzē. Dzīvnieku šūnām, augu daļas šūnām, sēnēm un aļģēm raksturīgs šūnu centrs (diplosoms), ko veido divi centrioles. Zem elektronu mikroskopa centriols izskatās kā "dobs" cilindrs ar diametru 150 nm un garumu 300-500 nm. Cilindra sienu veido 27 mikrotubulas, kas sagrupētas 9 tripletos. Centriolu funkcija, kas pēc struktūras ir līdzīga mikrotubulu organizācijas centra elementiem (skatīt šeit, iepriekš), ietver mitotiskās vārpstas (dalīšanas vārpstas, klasiskās citoloģijas ahromatīna vārpstas) pavedienu veidošanos, kas ir mikrotubulas. . Centrioli polarizē šūnu dalīšanās procesu, nodrošinot regulāru novirzi no māsas hromatīdu (meitu hromosomu) poliem mitozes anafāzē
Kinezīna struktūra (a) un pūslīšu transportēšana pa mikrotubulu (b)
Ap katru centriolu ir bezstrukturāla vai smalki šķiedraina matrica. Bieži vien var atrast vairākas papildu struktūras, kas saistītas ar centrioliem: satelīti (satelīti), mikrotubulu konverģences perēkļi, papildu mikrocaurules, kas veido īpašu zonu, centrosfēra ap centriolu.
| Parametra nosaukums | Nozīme |
| Raksta tēma: | mikrotubulas |
| Rubrika (tematiskā kategorija) | Ekoloģija |
Mikrotubulu vispārīgās īpašības. Citoskeleta būtiskākās sastāvdaļas ir mikrotubulas (265. att.), pavedienveida nesazarojošas struktūras, 25 nm biezas, kas sastāv no tubulīna proteīniem un ar tiem saistītajiem proteīniem. Polimerizācijas laikā tubulīni veido dobas caurules (mikrocaurules), kas var būt vairākus mikronus garas, un garākās mikrotubulas atrodas spermas astes aksonēmā.
Mikrocaurules atrodas starpfāzu šūnu citoplazmā atsevišķi, mazos irdenos saišķos vai blīvi iesaiņotu veidojumu veidā centriolu, bazālo ķermeņu ciliās un flagellas sastāvā. Šūnu dalīšanās laikā lielākā daļa šūnas mikrotubulu ir daļa no dalīšanās vārpstas.
Pēc uzbūves mikrocaurulītes ir gari dobi cilindri ar ārējo diametru 25 nm (266. att.). Mikrotubulu siena sastāv no polimerizētām tubulīna olbaltumvielu molekulām. Polimerizācijas laikā tubulīna molekulas veido 13 gareniskus protofilamentus, kas savīti dobā caurulē (267. att.). Tubulīna monomēra izmērs ir aptuveni 5 nm, vienāds ar mikrotubulas sienas biezumu, kura šķērsgriezumā redzamas 13 lodveida molekulas.
Tubulīna molekula ir heterodimērs, kas sastāv no divām dažādām apakšvienībām, a-tubulīna un b-tubulīna, kas pēc asociācijas veido pašu tubulīna proteīnu, kas sākotnēji polarizējas. Abas tubulīna monomēra apakšvienības ir saistītas ar GTP; tomēr GTP a-apakšvienībā netiek pakļauts hidrolīzei, atšķirībā no GTP b-apakšvienībā, kur polimerizācijas laikā GTP tiek hidrolizēts līdz IKP. Polimerizācijas laikā tubulīna molekulas tiek apvienotas tā, ka nākamā proteīna a-apakšvienība asociējas ar viena proteīna b-apakšvienību utt. Līdz ar to atsevišķas protofibrillas rodas kā polāri pavedieni, un attiecīgi arī viss mikrotubulis ir polāra struktūra, kam ir strauji augošs (+) gals un lēni augošs (-) gals (268. att.).
Ar pietiekamu olbaltumvielu koncentrāciju polimerizācija notiek spontāni. Bet tubulīnu spontānās polimerizācijas laikā notiek vienas ar b-tubulīnu saistītās GTP molekulas hidrolīze. Mikrotubulu augšanas laikā tubulīna saistīšanās notiek ātrāk augošajā (+) galā. Tomēr, ja tubulīna koncentrācija ir nepietiekama, mikrocaurules var izjaukt no abiem galiem. Mikrotubulu demontāžu atvieglo temperatūras pazemināšana un Ca ++ jonu klātbūtne.
Mikrotubulas ir ļoti dinamiskas struktūras, kuras var parādīties un diezgan ātri izjaukt. Izolētajās mikrotubulās ir ar tiem saistīti papildu proteīni, tā sauktās mikrotubulas. MAP proteīni (MAP - mikrotubulu palīgproteīni). Šīs olbaltumvielas, stabilizējot mikrotubulas, paātrina tubulīna polimerizācijas procesu (269. att.).
Citoplazmas mikrotubulu loma ir samazināta līdz divām funkcijām: skeleta un motora. Skeleta, sastatņu loma būtībā ir tāda, ka mikrotubulu atrašanās citoplazmā stabilizē šūnas formu; izšķīdinot mikrotubulas, šūnas, kurām bija sarežģīta forma, mēdz iegūt bumbiņas formu. Mikrotubulu motora loma ir ne tikai tā, ka tie rada sakārtotu, vektoru, kustību sistēmu. Citoplazmas mikrotubulas kopā ar specifiskiem saistītajiem motora proteīniem veido ATPāzes kompleksus, kas spēj vadīt šūnu komponentus.
Gandrīz visās eikariotu šūnās hialoplazmā var redzēt garus nesazarotus mikrotubulus. Lielos daudzumos tie ir sastopami nervu šūnu citoplazmas procesos, melanocītu, amēbu un citu šūnu procesos, kas maina savu formu (270. att.). Οʜᴎ tiek izolēti paši, vai arī ir iespējams izolēt to veidojošos proteīnus: tie ir tie paši tubulīni ar visām to īpašībām.
mikrotubulu organizēšanas centri. Citoplazmas mikrotubulu augšana notiek polāri: aug mikrotubulu (+) gals. Mikrotubulu kalpošanas laiks ir ļoti īss, saistībā ar to pastāvīgi veidojas jauni mikrotubuli. Tubulīnu polimerizācijas sākuma process, kodolu veidošanās, notiek skaidri noteiktās šūnas zonās, t.s. mikrotubulu organizēšanas centri (MOTC). CMTC zonās notiek īsu mikrotubulu ieklāšana, to (-) galiem pret CMTC. Tiek uzskatīts, ka (--)-galus COMT zonās bloķē īpaši proteīni, kas novērš vai ierobežo tubulīnu depolimerizāciju. Šī iemesla dēļ ar pietiekamu brīvā tubulīna daudzumu palielināsies mikrotubulu garums, kas stiepjas no COMT. Kā COMT dzīvnieku šūnās, galvenokārt ir iesaistīti šūnu centri, kas satur centriolus, kā tas tiks apspriests turpmāk. Turklāt kodolzona var kalpot kā CMT, bet mitozes laikā - sadales vārpstas stabi.
Viens no citoplazmas mikrotubulu mērķiem ir izveidot elastīgu, bet tajā pašā laikā stabilu intracelulāru skeletu, kas ir ārkārtīgi svarīgi šūnas formas saglabāšanai. Diska formas abinieku eritrocītos gar šūnu perifēriju atrodas apļveida mikrotubulu žņaugs; mikrotubulu kūļi ir raksturīgi dažādiem citoplazmas izaugumiem (vienšūņu aksopodijām, nervu šūnu aksoniem utt.).
Mikrotubulu uzdevums ir veidot sastatnes, lai atbalstītu šūnas ķermeni, stabilizētu un stiprinātu šūnu izaugumus. Tajā pašā laikā mikrotubulas ir iesaistītas šūnu augšanas procesos. Tādējādi augos šūnu pagarināšanās procesā, kad centrālās vakuolas palielināšanās dēļ notiek ievērojams šūnu tilpuma pieaugums, citoplazmas perifērajos slāņos parādās liels skaits mikrotubulu. Šajā gadījumā mikrotubulas, kā arī šajā laikā augošā šūnu siena it kā pastiprina, mehāniski nostiprina citoplazmu.
Izveidojot intracelulāru skeletu, mikrotubulas ir intracelulāro komponentu orientētas kustības faktori, nosakot to vietu dažādu vielu virzītām plūsmām un lielu struktūru kustībai.
Izmitināts vietnē ref.rf
Tātad zivju melanoforu (šūnu, kas satur melanīna pigmentu) gadījumā šūnu procesu augšanas laikā pigmenta granulas pārvietojas pa mikrotubulu kūlīšiem.
Dzīvu nervu šūnu aksonos var novērot dažādu mazu vakuolu un granulu kustību, kas pārvietojas gan no šūnas ķermeņa uz nervu galu (anterogrāds transports), gan pretējā virzienā (retrogrāds transports).
Ir izolēti proteīni, kas ir atbildīgi par vakuolu kustību. Viens no tiem ir kinezīns, proteīns, kura molekulmasa ir aptuveni 300 000.
Ir vesela kinezīnu saime. Tādējādi citozoliskie kinezīni ir iesaistīti pūslīšu, lizosomu un citu membrānas organellu transportēšanā pa mikrotubulām. Daudzi kinezīni īpaši saistās ar to kravām. Tātad daži ir iesaistīti tikai mitohondriju, citi tikai sinaptisko pūslīšu pārnesē. Kinezīni saistās ar membrānām caur membrānas proteīnu kompleksiem – kinektīniem. Vārpstas kinezīni ir iesaistīti šīs struktūras veidošanā un hromosomu segregācijā.
Par retrogrādu transportu aksonā ir atbildīgs cits proteīns – citoplazmas dinīns (275. att.). Tas sastāv no divām smagajām ķēdēm – galviņām, kas mijiedarbojas ar mikrotubulām, vairākām starpposma un vieglajām ķēdēm, kas saistās ar membrānas vakuoliem. Citoplazmas dyneīns ir motora proteīns, kas pārvadā slodzi līdz mikrotubulu mīnusa galam. Dineīnus iedala arī divās klasēs: citosoliskie - iesaistīti vakuolu un hromosomu pārnešanā, un aksonēmiskie - atbildīgi par skropstu un flagellu kustību.
Citoplazmas dinezīni un kinezīni ir atrasti praktiski visu veidu dzīvnieku un augu šūnās.
Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, un citoplazmā kustība tiek veikta pēc slīdošo pavedienu principa, tikai pa mikrotubulām pārvietojas nevis pavedieni, bet gan īsas molekulas - kustinātāji, kas saistīti ar kustīgām šūnu sastāvdaļām. Šīs intracelulārās transporta sistēmas līdzība ar aktomiozīna kompleksu slēpjas faktā, ka veidojas dubultais komplekss (mikrotubulis + kustinātājs), kuram ir augsta ATPāzes aktivitāte.
Kā redzams, šūnā mikrocaurulītes veido radiāli diverģējošas polarizētas fibrillas, kuru (+) gali ir vērsti no šūnas centra uz perifēriju. (+) un (-) virzītu motoro proteīnu (kinezīnu un dinezīnu) klātbūtne rada iespēju tās komponentiem pārvietoties šūnā gan no perifērijas uz centru (endocītiskie vakuoli, ER vakuolu pārstrāde un Golgi aparāts u.c.) un no centra uz perifēriju (ER vakuoli, lizosomas, sekrēcijas vakuoli u.c.) (276. att.). Šī transporta polaritāte ir izveidota, pateicoties mikrotubulu sistēmas organizācijai, kas rodas to organizācijas centros, šūnu centrā.
Mikrotubulas - jēdziens un veidi. Kategorijas "Mikrotubulas" klasifikācija un pazīmes 2017, 2018.
