Odrębną grupę białek cytoszkieletu stanowią białka mikrotubul. Należą do nich tubulina, białka związane z mikrotubulami (MAP 1, MAP 2, MAP 4, tau itp.) I białka translokacyjne (dyneina, kinezyna, dynamina). Mikrotubule to białkowe struktury rurkowe o średnicy około 25 nm i długości do kilkudziesięciu mikrometrów; ich grubość ścianki wynosi około 6 nm. Są niezbędnym składnikiem cytoplazmy komórek eukariotycznych. Mikrotubule tworzą wrzeciono podziału (figura achromatyczna) w mitozie i mejozie, aksonem (struktura centralna) ruchomych rzęsek i wici, ścianę centrioli i ciał podstawowych. Mikrotubule odgrywają ważną, jeśli nie kluczową, rolę w morfogenezie komórek iw niektórych rodzajach ruchliwości komórek.
Ściany mikrotubul zbudowane są z białka tubuliny, które stanowi 90% masy. Tubulina jest białkiem kulistym występującym jako dimer podjednostek α i β o masie cząsteczkowej ~55 kDa. Mikrotubula ma kształt wydrążonego cylindra, którego ściana składa się z liniowych łańcuchów dimerów tubuliny, tzw. protofilamentów. W protofilamentach podjednostka α poprzedniego dimeru jest połączona z podjednostką β następnego. Dimery w sąsiednich protofilamentach są przemieszczane względem siebie, tworząc spiralne rzędy. Przekrój pokazuje 13 dimerów tubuliny, co odpowiada 13 protofilamentom
ściana mikrotubuli (ryc. 9). Każda podjednostka zawiera około 450 aminokwasów, a sekwencje aminokwasowe podjednostek są w przybliżeniu w 40% homologiczne względem siebie. Tubulina jest białkiem wiążącym GTP, a podjednostka β zawiera nietrwałą związaną cząsteczkę GTP lub GDP, która może wymieniać się z GTP w roztworze, a podjednostka α zawiera ściśle związaną cząsteczkę GTP.
Ryż. 9. Struktura mikrotubul.
Tubulina jest zdolna do spontanicznej polimeryzacji in vitro. Taka polimeryzacja jest możliwa w temperaturach fizjologicznych i sprzyjających warunkach jonowych (brak jonów Ca2+) i wymaga dwóch czynników: wysokiego stężenia tubuliny oraz obecności GTP. Polimeryzacji towarzyszy hydroliza GTP, a tubulina w mikrotubuli pozostaje związana z GDP, podczas gdy nieorganiczny fosforan przechodzi do roztworu.
Polimeryzacja tubuliny składa się z dwóch faz: zarodkowania i wydłużania. Podczas zarodkowania powstają nasiona i podczas
wydłużenie - ich wydłużenie wraz z tworzeniem się mikrotubul. Należy zauważyć, że podczas polimeryzacji tubuliny podjednostki są dodawane tylko na końcach mikrotubul.
Przeciwległe końce mikrotubul różnią się tempem wzrostu. Szybko rosnący koniec nazywany jest końcem dodatnim, a wolno rosnący koniec nazywany jest końcem ujemnym mikrotubuli (patrz ryc. 9). W komórce końce (–) mikrotubul są zwykle związane z centrosomem, natomiast końce (+) są skierowane w stronę obwodu i często sięgają samej krawędzi komórki.
Mikrotubule są wrażliwe dynamiczna niestabilność.
Przy stałej ilości polimeru następuje spontaniczny wzrost lub skrócenie poszczególnych mikrotubul, aż do ich całkowitego zaniku. Ze względu na opóźnienie hydrolizy GTP w stosunku do wbudowywania tubuliny, na końcu znajdującej się w trakcie wzrostu mikrotubuli tworzy się czapeczka GTP, składająca się z 9-18 cząsteczek GTP-tubuliny. Czapka GTP stabilizuje koniec mikrotubuli i sprzyja jej dalszemu wzrostowi. Jeśli szybkość włączania nowych heterodimerów jest mniejsza niż szybkość hydrolizy GTP lub w przypadku mechanicznego pęknięcia mikrotubuli powstaje koniec bez czapeczki GTP. Ten koniec ma zmniejszone powinowactwo do nowych cząsteczek tubuliny; zaczyna to rozumieć.
Polimeryzacja i depolimeryzacja mikrotubul jest indukowana zmianami temperatury, warunków jonowych lub użyciem specjalnych środków chemicznych. Wśród substancji, które powodują nieodwracalny demontaż, szeroko stosowane są alkaloidy indolowe (kolchicyna, winblastyna, winkrystyna itp.).
BIAŁKA ZWIĄZANE Z MIKROPROBÓWKAMI
Białka związane z mikrotubulami dzielą się na dwie grupy: strukturalne MAP (białka związane z mikrotubulami) i białka związane z mikrotubulami.
translokatory.
Strukturalne IDA
Wspólną właściwością strukturalnych MAP jest ich trwałe powiązanie z mikrotubulami. Inną wspólną właściwością tej grupy białek jest to, że w przeciwieństwie do białek translokatorów, podczas interakcji z tubuliną, wszystkie one wiążą się z C-końcową częścią cząsteczki o wielkości około 4 kDa.
Istnieją białka o dużej masie cząsteczkowej MAP 1 i MAP 2, białka tau o masie cząsteczkowej około 60-70 kDa oraz MAP 4 lub MAP U o masie cząsteczkowej około 200 kDa.
Zatem cząsteczka MAP 1B (przedstawiciel grupy białek MAP 1) jest stechiometrycznym kompleksem jednego łańcucha ciężkiego i dwóch lekkich, jest wydłużoną cząsteczką w kształcie pręcika o długości 190 nm, posiadającą na jednym końcu domenę kulistą o długości 10 nm w średnica (najwyraźniej miejsce wiązania mikrotubul). jego masa cząsteczkowa wynosi 255,5 kDa.
MAP 2 jest termostabilnym białkiem. Zachowuje zdolność do interakcji z mikrotubulami i pozostaje w ich składzie w kilku cyklach montażu-demontażu po podgrzaniu do 90°C.
Strukturalne MAP są w stanie stymulować inicjację i wydłużanie oraz stabilizować gotowe mikrotubule; zszyć mikrotubule w pęczki. krótki α-
helikalne sekwencje hydrofobowe na N-końcu MAP i tau, zamykające cząsteczki MAP znajdujące się na sąsiednich mikrotubulach, jak zamek błyskawiczny. Biologiczną rolą takiego sieciowania może być stabilizacja struktur tworzonych przez mikrotubule w komórce.
Dotychczasowe badania eksperymentalne wykazały, że oprócz regulacji dynamiki mikrotubul, strukturalne MAP mają jeszcze dwie główne funkcje: morfogenezę komórkową i udział w interakcji mikrotubul z innymi strukturami wewnątrzkomórkowymi.
Białka translokacyjne
Charakterystyczną cechą białek z tej grupy jest zdolność do przekształcania energii ATP w siłę mechaniczną, która może przemieszczać cząstki wzdłuż mikrotubul lub mikrotubul wzdłuż podłoża. W związku z tym translokatory są mechanochemicznymi ATPazami, a ich aktywność ATPazy jest stymulowana przez mikrotubule. W przeciwieństwie do strukturalnych MAP, translokatory są związane z mikrotubulami tylko w czasie ruchu zależnego od ATP.
Białka translokatorowe dzielą się na dwie grupy: białka kinezynopodobne (pośredniczą w ruchu od końca (–) do końca (+) mikrotubul) i białka podobne do dyneiny (ruch od końca (+) do końca (–) mikrotubul mikrotubule) (ryc. 10).
Kinezyna jest tetramerem dwóch lekkich (62 kDa) i dwóch ciężkich (120 kDa) łańcuchów polipeptydowych. Cząsteczka kinezyny
ma kształt pręcika o średnicy 2–4 nm i długości 80–100 nm z dwiema kulistymi główkami na jednym końcu i wachlarzowatym przedłużeniem na drugim (ryc. 11).
Ryż. 10. Białka-translokatory.
W środku pręta znajduje się sekcja zawiasu. N-końcowy fragment łańcucha ciężkiego o wielkości około 50 kDa, wykazujący aktywność mechanochemiczną, nazywany jest domeną motoryczną kinezyny.
Ryż. 11. Budowa cząsteczki kinezyny.
Ogólna charakterystyka mikrotubul. Do podstawowych składników cytoszkieletu należą mikrotubule (ryc. 265), nitkowate nierozgałęzione struktury o grubości 25 nm, składające się z białek tubuliny i powiązanych z nimi białek. Podczas polimeryzacji tubuliny tworzą wydrążone rurki (mikrotubule), które mogą mieć długość kilku mikronów, a najdłuższe mikrotubule znajdują się w aksonemie witki plemnika.
Mikrotubule znajdują się w cytoplazmie komórek interfazowych pojedynczo, w małych luźnych wiązkach lub w postaci gęsto upakowanych formacji jako część centrioli, ciał podstawnych rzęsek i wici. Podczas podziału komórki większość mikrotubul komórki jest częścią wrzeciona podziałowego.
Ze względu na strukturę mikrotubule są długimi wydrążonymi cylindrami o średnicy zewnętrznej 25 nm (ryc. 266). Ściana mikrotubul składa się ze spolimeryzowanych cząsteczek białka tubuliny. Podczas polimeryzacji cząsteczki tubuliny tworzą 13 podłużnych protofilamentów, które są skręcone w pustą rurkę (ryc. 267). Rozmiar monomeru tubuliny wynosi około 5 nm, co jest równe grubości ściany mikrotubuli, w przekroju której widocznych jest 13 kulistych cząsteczek.
Cząsteczka tubuliny jest heterodimerem składającym się z dwóch różnych podjednostek, a-tubuliny i b-tubuliny, które po połączeniu tworzą samo białko tubuliny, początkowo spolaryzowane. Obie podjednostki monomeru tubuliny są związane z GTP, jednak GTP na podjednostce a nie ulega hydrolizie, w przeciwieństwie do GTP na podjednostce b, gdzie GTP jest hydrolizowany do GDP podczas polimeryzacji. Podczas polimeryzacji cząsteczki tubuliny łączą się w taki sposób, że podjednostka a następnego białka łączy się z podjednostką b jednego białka i tak dalej. W konsekwencji poszczególne protofibryle powstają jako włókna polarne, a zatem cała mikrotubula jest również strukturą polarną, mającą szybko rosnący koniec (+) i wolno rosnący koniec (-) (ryc. 268).
Przy wystarczającym stężeniu białka polimeryzacja zachodzi spontanicznie. Ale podczas spontanicznej polimeryzacji tubulin dochodzi do hydrolizy jednej cząsteczki GTP związanej z b-tubuliną. Podczas wzrostu mikrotubuli wiązanie tubuliny zachodzi szybciej na rosnącym końcu (+). Jeśli jednak stężenie tubuliny jest niewystarczające, mikrotubule można zdemontować z obu końców. Rozkład mikrotubul ułatwia obniżenie temperatury oraz obecność jonów Ca++.
Mikrotubule to bardzo dynamiczne struktury, które mogą pojawiać się i rozkładać dość szybko. W składzie izolowanych mikrotubul znajdują się dodatkowe białka z nimi związane, tzw. mikrotubule. Białka MAP (MAP - białka pomocnicze mikrotubul). Białka te, stabilizując mikrotubule, przyspieszają proces polimeryzacji tubuliny (ryc. 269).
Rola mikrotubul cytoplazmatycznych sprowadza się do dwóch funkcji: szkieletowej i motorycznej. Szkieletowa rola rusztowania polega na tym, że położenie mikrotubul w cytoplazmie stabilizuje kształt komórki; podczas rozpuszczania mikrotubul komórki o złożonym kształcie mają tendencję do przybierania kształtu kuli. Motoryczna rola mikrotubul polega nie tylko na tworzeniu uporządkowanego, wektorowego systemu ruchu. Mikrotubule cytoplazmatyczne w połączeniu ze specyficznymi białkami motorycznymi tworzą kompleksy ATPazy zdolne do kierowania składnikami komórkowymi.
W prawie wszystkich komórkach eukariotycznych w hialoplazmie można zobaczyć długie nierozgałęzione mikrotubule. W dużych ilościach znajdują się w procesach cytoplazmatycznych komórek nerwowych, w procesach melanocytów, ameby i innych komórek, które zmieniają swój kształt (ryc. 270). Można je izolować samodzielnie lub można wyizolować tworzące je białka: są to te same tubuliny ze wszystkimi swoimi właściwościami.
centra organizacji mikrotubul. Wzrost mikrotubul cytoplazmy zachodzi biegunowo: koniec (+) mikrotubuli rośnie. Czas życia mikrotubul jest bardzo krótki, dlatego ciągle powstają nowe mikrotubule. Proces rozpoczynania polimeryzacji tubulin, zarodkowania, zachodzi w ściśle określonych obszarach komórki, w tzw. centra organizacji mikrotubul (MOTC). W strefach CMTC następuje układanie krótkich mikrotubul, których (-) końce są skierowane w stronę CMTC. Uważa się, że końce (--) w strefach COMT są blokowane przez specjalne białka, które zapobiegają lub ograniczają depolimeryzację tubulin. Dlatego przy wystarczającej ilości wolnej tubuliny nastąpi wzrost długości mikrotubul rozciągających się od COMT. Jako COMT w komórkach zwierzęcych zaangażowane są głównie centra komórkowe zawierające centriole, co zostanie omówione poniżej. Ponadto strefa jądrowa może służyć jako CMT, a podczas mitozy bieguny wrzeciona rozszczepienia.
Jednym z zadań mikrotubul cytoplazmatycznych jest stworzenie elastycznego, ale jednocześnie stabilnego szkieletu wewnątrzkomórkowego, niezbędnego do zachowania kształtu komórki. W erytrocytach płazów w kształcie dysku opaska uciskowa z ułożonych kołowo mikrotubul leży wzdłuż obwodu komórki; wiązki mikrotubul są charakterystyczne dla różnych wyrostków cytoplazmy (aksopodia pierwotniaków, aksony komórek nerwowych itp.).
Rolą mikrotubul jest tworzenie rusztowania podtrzymującego ciało komórki, stabilizowanie i wzmacnianie rozrostów komórek. Ponadto mikrotubule biorą udział w procesach wzrostu komórek. Tak więc u roślin, w procesie wydłużania komórek, gdy następuje znaczny wzrost objętości komórek z powodu wzrostu wakuoli centralnej, w obwodowych warstwach cytoplazmy pojawia się duża liczba mikrotubul. W tym przypadku mikrotubule, a także rosnąca w tym czasie ściana komórkowa, wydają się wzmacniać, wzmacniać mechanicznie cytoplazmę.
Tworząc szkielet wewnątrzkomórkowy, mikrotubule są czynnikami ukierunkowanego ruchu składników wewnątrzkomórkowych, tworząc przestrzeń dla ukierunkowanych przepływów różnych substancji i ruchu dużych struktur. Tak więc w przypadku rybich melanoforów (komórek zawierających barwnik melaninowy) podczas wzrostu procesów komórkowych granulki pigmentu przemieszczają się wzdłuż wiązek mikrotubul.
W aksonach żywych komórek nerwowych można zaobserwować ruch różnych małych wakuoli i granulek, które przemieszczają się zarówno od ciała komórki do zakończenia nerwu (transport wsteczny), jak iw kierunku przeciwnym (transport wsteczny).
Wyizolowano białka odpowiedzialne za ruch wakuoli. Jednym z nich jest kinezyna, białko o masie cząsteczkowej około 300 000.
Istnieje cała rodzina kinezyn. Zatem kinezyny cytozolowe biorą udział w transporcie pęcherzyków, lizosomów i innych organelli błonowych przez mikrotubule. Wiele kinezyn wiąże się specyficznie ze swoimi ładunkami. Tak więc niektóre biorą udział w przenoszeniu tylko mitochondriów, inne tylko pęcherzyków synaptycznych. Kinezyny wiążą się z błonami poprzez błonowe kompleksy białkowe - kinektyny. Kinezyny wrzeciona biorą udział w tworzeniu tej struktury oraz w segregacji chromosomów.
Inne białko, dyneina cytoplazmatyczna, odpowiada za transport wsteczny w aksonie (ryc. 275). Składa się z dwóch łańcuchów ciężkich - głów, które oddziałują z mikrotubulami, kilku łańcuchów pośrednich i lekkich, które wiążą się z wakuolami błonowymi. Dyneina cytoplazmatyczna jest białkiem motorycznym, które przenosi ładunek do ujemnego końca mikrotubul. Dyneiny dzielą się również na dwie klasy: cytozolowe – zaangażowane w przenoszenie wakuoli i chromosomów oraz aksonemiczne – odpowiedzialne za ruch rzęsek i wici.
Cytoplazmatyczne dyneiny i kinezyny znaleziono w prawie wszystkich typach komórek zwierzęcych i roślinnych.
Tak więc w cytoplazmie ruch odbywa się zgodnie z zasadą ślizgających się włókien, tylko wzdłuż mikrotubul nie poruszają się włókna, ale krótkie cząsteczki - poruszacze związane z ruchomymi składnikami komórkowymi. Podobieństwo do kompleksu aktomiozyny tego systemu transportu wewnątrzkomórkowego polega na tym, że powstaje podwójny kompleks (mikrotubula + czynnik poruszający), który ma wysoką aktywność ATPazy.
Jak widać, mikrotubule tworzą w komórce rozbieżne promieniowo spolaryzowane fibryle, których (+)-końce są skierowane od środka komórki do obwodu. Obecność białek motorycznych skierowanych (+) i (-) (kinezyny i dyneiny) stwarza możliwość przenoszenia jej składników w komórce zarówno z obwodu do centrum (wakuole endocytarne, recykling wakuoli ER i aparat Golgiego) itp.) oraz od centrum do obwodu (wakuole ER, lizosomy, wakuole wydzielnicze itp.) (ryc. 276). Ta polaryzacja transportu powstaje dzięki organizacji systemu mikrotubul, które powstają w centrach ich organizacji, w centrum komórki.
Mikrotubule są jednym z podstawowych składników cytoplazmy komórki roślinnej. Pod względem morfologicznym mikrotubule są długimi wydrążonymi cylindrami o średnicy zewnętrznej 25 nm. Ściana mikrotubul składa się ze spolimeryzowanych cząsteczek białka tubuliny. Podczas polimeryzacji cząsteczki tubuliny tworzą 13 podłużnych protofilamentów, które są skręcone w pustą rurkę. Wymiana monomeru tubuliny wynosi około 5 nm, co odpowiada grubości ściany mikrotubuli, w przekroju której widocznych jest 13 kulistych cząsteczek.
Mikrotubula jest strukturą polarną z szybko rosnącym końcem dodatnim i wolno rosnącym końcem ujemnym.
Mikrotubule to bardzo dynamiczne struktury, które mogą pojawiać się i rozkładać dość szybko. Używając elektronicznych systemów wzmacniania sygnału w mikroskopie świetlnym, można zobaczyć, że mikrotubule rosną, skracają się i znikają w żywej komórce; są w ciągłej niestabilności dynamicznej. Okazało się, że średni okres półtrwania mikrotubul cytoplazmatycznych wynosi zaledwie 5 minut. W ten sposób w ciągu 15 minut odnawia się około 80% całej populacji mikrotubul. Jako część wrzeciona rozszczepienia mikrotubule mają żywotność około 15–20 s. Jednak 10–20% mikrotubul pozostaje względnie stabilnych przez dość długi czas (do kilku godzin).
Mikrotubule to struktury, w których 13 protofilamentów, składających się z heterodimerów α- i β-tubuliny, jest ułożonych na obwodzie wydrążonego cylindra. Zewnętrzna średnica cylindra wynosi około 25 nm, wewnętrzna średnica wynosi około 15.
Jeden koniec mikrotubuli, zwany końcem dodatnim, stale przyczepia do siebie wolną tubulinę. Z przeciwległego końca - końca ujemnego - odszczepiają się jednostki tubuliny.
Istnieją trzy fazy tworzenia mikrotubul:
faza opóźniona lub zarodkowanie. Jest to etap zarodkowania mikrotubul, kiedy cząsteczki tubuliny zaczynają łączyć się w większe formacje. To połączenie jest wolniejsze niż przyłączenie tubuliny do już złożonej mikrotubuli, dlatego faza ta nazywana jest opóźnioną;
faza polimeryzacji lub wydłużenie. Jeśli stężenie wolnej tubuliny jest wysokie, jej polimeryzacja zachodzi szybciej niż depolimeryzacja na końcu ujemnym, wydłużając w ten sposób mikrotubulę. W miarę wzrostu stężenie tubuliny spada do krytycznego poziomu, a tempo wzrostu zwalnia, aż do wejścia w kolejną fazę;
faza stanu stacjonarnego. Depolimeryzacja równoważy polimeryzację i zatrzymuje wzrost mikrotubul.
Badania laboratoryjne pokazują, że składanie mikrotubul z tubulin zachodzi tylko w obecności trójfosforanu guanozyny i jonów magnezu.
Ryc.1. Etapy samoorganizacji mikrotubul
Ostatnio w żywych komórkach zaobserwowano składanie i rozkładanie mikrotubul. Po wprowadzeniu do komórki przeciwciał przeciwko tubulinie znakowanych fluorochromami i zastosowaniu elektronicznych systemów wzmacniania sygnału w mikroskopie świetlnym można zaobserwować, że mikrotubule rosną, skracają się i zanikają w żywej komórce; są w ciągłej niestabilności dynamicznej. Okazało się, że średni okres półtrwania mikrotubul cytoplazmatycznych wynosi zaledwie 5 min. W ten sposób w ciągu 15 minut odnawia się około 80% całej populacji mikrotubul. Jednocześnie poszczególne mikrotubule mogą powoli (4-7 µm/min) wydłużać się na rosnącym końcu, a następnie dość szybko się skracać (14-17 µm/min). W żywych komórkach mikrotubule jako część wrzeciona rozszczepienia mają żywotność około 15–20 s. Uważa się, że dynamiczna niestabilność mikrotubul cytoplazmatycznych jest związana z opóźnieniem hydrolizy GTP, co prowadzi do powstania strefy zawierającej niezhydrolizowane nukleotydy („czapka GTP”) na dodatnim końcu mikrotubuli. W tej strefie cząsteczki tubuliny wiążą się ze sobą z dużym powinowactwem.
wzajemnie, a w konsekwencji tempo wzrostu mikrotubul wzrasta. Wręcz przeciwnie, wraz z utratą tego miejsca mikrotubule zaczynają się skracać.
Jednak 10–20% mikrotubul pozostaje względnie stabilnych przez dość długi czas (do kilku godzin). Taką stabilizację obserwuje się w dużym stopniu w komórkach zróżnicowanych. Stabilizacja mikrotubul jest związana z modyfikacją tubulin lub ich wiązaniem z białkami pomocniczymi mikrotubul (MAP) i innymi składnikami komórkowymi.
Acetylacja lizyny w składzie tubulin znacznie zwiększa stabilność mikrotubul. Innym przykładem modyfikacji tubuliny może być usunięcie końcowej tyrozyny, co jest również charakterystyczne dla stabilnych mikrotubul. Modyfikacje te są odwracalne.
Ryc.2. Lokalizacja mikrotubul w cytoplazmie fibroblastu (a), melanocytu (b) i neuronu (c)
Same mikrotubule nie są zdolne do skurczu, jednak są niezbędnymi składnikami wielu ruchomych struktur komórkowych, takich jak rzęski i wici, podobnie jak wrzeciono komórkowe podczas mitozy, jako mikrotubule cytoplazmy, które są niezbędne do wielu transportów wewnątrzkomórkowych, takich jak jak egzocytoza, ruch mitochondriów itp.
Ogólnie rolę mikrotubul cytoplazmatycznych można sprowadzić do dwóch funkcji: szkieletowej i motorycznej. Szkieletowa rola rusztowania polega na tym, że położenie mikrotubul w cytoplazmie stabilizuje kształt komórki; podczas rozpuszczania mikrotubul komórki o złożonym kształcie mają tendencję do przybierania kształtu kuli. Motoryczna rola mikrotubul polega nie tylko na tworzeniu uporządkowanego, wektorowego systemu ruchu. Cytoplazmatyczne mikrotubule w połączeniu ze specyficznymi powiązanymi białkami motorycznymi tworzą kompleksy ATPazy zdolne do kierowania składnikami komórkowymi.
W prawie wszystkich komórkach eukariotycznych w hialoplazmie można zobaczyć długie nierozgałęzione mikrotubule. W dużych ilościach znajdują się w procesach cytoplazmatycznych komórek nerwowych, w procesach melanocytów, ameby i innych komórek, które zmieniają swój kształt (ryc. 270). Można je izolować samodzielnie lub można wyizolować tworzące je białka: są to te same tubuliny ze wszystkimi swoimi właściwościami.
Same mikrotubule nie są zdolne do skurczu, są jednak niezbędnymi składnikami wielu ruchomych struktur komórkowych, takich jak wrzeciono komórkowe podczas mitozy, jako mikrotubule cytoplazmy, które są niezbędne do wielu transportów wewnątrzkomórkowych, takich jak egzocytoza, ruch mitochondrialny, itp.
Ogólnie rolę mikrotubul cytoplazmatycznych można sprowadzić do dwóch funkcji: szkieletowej i motorycznej. Szkieletowa rola rusztowania polega na tym, że położenie mikrotubul w cytoplazmie stabilizuje kształt komórki. Motoryczna rola mikrotubul polega nie tylko na tworzeniu uporządkowanego, wektorowego systemu ruchu. Cytoplazmatyczne mikrotubule i asocjacje ze specyficznymi powiązanymi białkami motorycznymi tworzą kompleksy ATPazy zdolne do kierowania składnikami komórkowymi. Ponadto mikrotubule biorą udział w procesach wzrostu komórek. U roślin w procesie wydłużania komórek, gdy następuje znaczny wzrost objętości komórek na skutek wzrostu wakuoli centralnej, w obwodowych warstwach cytoplazmy pojawiają się duże ilości mikrotubul. W tym przypadku mikrotubule, a także rosnąca w tym czasie ściana komórkowa, wydają się wzmacniać, wzmacniać mechanicznie cytoplazmę.
Skład chemiczny mikrotubul
Mikrotubule składają się z białek tubuliny i powiązanych z nimi białek. Cząsteczka tubuliny jest heterodimerem składającym się z dwóch różnych podjednostek, które po połączeniu tworzą samo białko tubuliny, początkowo spolaryzowane. Podczas polimeryzacji cząsteczki tubuliny łączą się. W konsekwencji poszczególne protofibryle powstają jako włókna polarne, a zatem cała mikrotubula jest również strukturą polarną, mającą szybko rosnący koniec dodatni i powoli rosnący koniec ujemny. Przy wystarczającym stężeniu białka polimeryzacja zachodzi spontanicznie. Podczas spontanicznej polimeryzacji tubulin jedna cząsteczka GTP ulega hydrolizie. Podczas wydłużania mikrotubuli wiązanie tubuliny przebiega szybciej na rosnącym końcu dodatnim. Jeśli jednak stężenie tubuliny jest niewystarczające, mikrotubule można zdemontować z obu końców. Rozkład mikrotubul ułatwia obniżenie temperatury i obecność jonów Ca 2 .
Istnieje wiele substancji, które wpływają na polimeryzację tubuliny. W ten sposób alkaloid kolchicyna wiąże się z poszczególnymi cząsteczkami tubuliny i zapobiega ich polimeryzacji. Prowadzi to do spadku stężenia wolnej tubuliny zdolnej do polimeryzacji, co powoduje szybki rozpad mikrotubul cytoplazmatycznych i mikrotubul wrzecionowych. Colcemid i nocodozol mają ten sam efekt, po zmyciu następuje całkowita odbudowa mikrotubul. Taksol działa stabilizująco na mikrotubule, co sprzyja polimeryzacji tubuliny już przy niskich stężeniach. Mikrotubule zawierają również dodatkowe białka z nimi związane, tzw. białka MAP. Białka te, stabilizując mikrotubule, przyspieszają proces polimeryzacji tubuliny.
Funkcje mikrotubul
Mikrotubule w komórce służą jako „szyny” do transportu cząstek. Pęcherzyki błonowe i mitochondria mogą poruszać się po swojej powierzchni. Transport przez mikrotubule jest przeprowadzany przez białka zwane białkami motorycznymi. Są to związki wielkocząsteczkowe, składające się z dwóch łańcuchów ciężkich (o masie około 300 kDa) i kilku łańcuchów lekkich. Łańcuchy ciężkie dzielą się na domeny głowy i ogona. Dwie domeny głowy wiążą się z mikrotubulami i działają jak silniki, podczas gdy domeny ogona wiążą się z organellami i innymi formacjami wewnątrzkomórkowymi, które mają być transportowane.
Istnieją dwa rodzaje białek motorycznych: dyneiny cytoplazmatyczne; kinezyny.
Dyneiny przenoszą ładunek tylko od dodatniego do ujemnego końca mikrotubuli, to znaczy z obwodowych obszarów komórki do centrosomu. Przeciwnie, kinezyny poruszają się w kierunku dodatniego końca, czyli w kierunku obwodu komórki.
Ruch odbywa się dzięki energii ATP. Domeny głowy białek motorycznych przeznaczone do tego celu zawierają miejsca wiązania ATP.
Oprócz funkcji transportowej mikrotubule tworzą centralną strukturę rzęsek i wici - aksonem. Typowy aksonem zawiera 9 par połączonych mikrotubul na obwodzie i dwie kompletne mikrotubule w środku. Mikrotubule składają się również z centrioli i wrzeciona podziałowego, które zapewnia rozbieżność chromosomów względem biegunów komórki podczas mitozy i mejozy. Mikrotubule biorą udział w utrzymaniu kształtu komórki i rozmieszczeniu organelli (w szczególności aparatu Golgiego) w cytoplazmie komórek.
W prawie wszystkich komórkach eukariotycznych w hialoplazmie widać długo nierozgałęzione mikrotubule. W dużych ilościach znajdują się w procesach cytoplazmatycznych komórek nerwowych, fibroblastów i innych komórek, które zmieniają swój kształt. Można je izolować same lub białka, które je tworzą: są to te same tubuliny ze wszystkimi swoimi właściwościami.
Główna wartość funkcjonalna Celem takich mikrotubul cytoplazmy jest stworzenie elastycznego, ale jednocześnie stabilnego rusztowania wewnątrzkomórkowego (cytoszkieletu), niezbędnego do zachowania kształtu komórki.
Organelle niebłonowe obejmują mikrotubule - cylindryczną formację o różnej długości, o średnicy zewnętrznej 24 nm, grubości ścianki około 5 nm i szerokości „prześwitu” 15 nm. Występują w stanie wolnym w cytoplazmie komórek lub jako elementy strukturalne wici (plemników), rzęsek (nabłonka rzęskowego tchawicy), wrzeciona mitotycznego i centrioli (dzielących się komórek).
Mikrotubule są budowane przez łączenie (polimeryzację) białka tubuliny. mikrotubule polarny: wyróżnia się w nich końce (+) i (-). Ich wzrost wynika ze specjalnej struktury niedzielących się komórek - centrum organizacji mikrotubul, z którym organelle są połączone końcem (-) i który jest reprezentowany przez dwa elementy identyczne pod względem budowy z centriolami centrum komórki. Mikrotubule są wydłużone o ok dołączenie nowych podjednostek na końcu (+). W początkowej fazie kierunek wzrostu nie jest określony, ale z utworzonych mikrotubul pozostają te, które zetkną się swoim (+) końcem z odpowiednią tarczą. W komórkach roślinnych, w których obecne są mikrotubule, nie znaleziono struktur takich jak centriole.
Mikrotubule biorą udział w:
- w utrzymaniu kształtu komórek,
- w organizacji ich aktywności ruchowej (wici, rzęski) i transporcie wewnątrzkomórkowym (chromosomy w anafazie mitozy).
Funkcje wewnątrzkomórkowych motorów molekularnych pełnią białka kinezyna i dyneina, które wykazują aktywność enzymu ATPazy. Podczas ruchu wici lub rzęsek cząsteczki dyneiny, przyczepiając się do mikrotubul i wykorzystując energię ATP, poruszają się po ich powierzchni w kierunku ciała podstawowego, czyli w kierunku końca (-). Przemieszczenie mikrotubul względem siebie powoduje falowe ruchy wici lub rzęsek, indukując ruch komórki w przestrzeni. W przypadku komórek nieruchomych, takich jak nabłonek rzęskowy tchawicy, opisany mechanizm służy do usuwania śluzu z dróg oddechowych wraz z osadzającymi się w nim cząsteczkami (funkcja drenażowa).
Udział mikrotubul w organizacji transportów wewnątrzkomórkowych ilustruje ruch pęcherzyków (pęcherzyków) w cytoplazmie. Cząsteczki kinezyny i dyneiny zawierają dwie kuliste „głowy” i „ogony” w postaci łańcuchów białkowych. Za pomocą głów białka stykają się z mikrotubulami, poruszając się po ich powierzchni: kinezyną od końca (-) do końca (+), a dyneiną w przeciwnym kierunku. Jednocześnie ciągną za sobą bąbelki przyczepione do „ogonów”. Przypuszczalnie makrocząsteczkowa organizacja „ogonów” jest zmienna, co zapewnia rozpoznawanie różnych transportowanych struktur.
Z mikrotubulami jako istotnym składnikiem aparatu mitotycznego wiąże się rozbieżność centrioli z biegunami dzielącej się komórki i ruch chromosomów w anafazie mitozy. Komórki zwierzęce, komórki części roślin, grzybów i alg charakteryzują się centrum komórkowym (diplosomem) utworzonym przez dwa centriole. Pod mikroskopem elektronowym centriola wygląda jak „wydrążony” cylinder o średnicy 150 nm i długości 300-500 nm. Ściana cylindra jest utworzona przez 27 mikrotubul zgrupowanych w 9 trojaczków. Funkcja centrioli, podobna w budowie do elementów centrum organizacji mikrotubul (patrz tutaj powyżej), obejmuje tworzenie włókien wrzeciona mitotycznego (wrzeciono podziałowe, wrzeciono achromatynowe klasycznej cytologii), które są mikrotubulami . Centriole polaryzują proces podziału komórki, zapewniając regularną rozbieżność biegunów chromatyd siostrzanych (chromosomów potomnych) w anafazie mitozy
Budowa kinezyny (a) i transport pęcherzyków wzdłuż mikrotubuli (b)
Wokół każdej centrioli znajduje się pozbawiona struktury lub drobno włóknista matryca. Często można znaleźć kilka dodatkowych struktur związanych z centriolami: satelity (satelity), ogniska zbieżności mikrotubul, dodatkowe mikrotubule tworzące specjalną strefę, centroferę wokół centrioli.
| Nazwa parametru | Oznaczający |
| Temat artykułu: | mikrotubule |
| Rubryka (kategoria tematyczna) | Ekologia |
Ogólna charakterystyka mikrotubul. Do podstawowych składników cytoszkieletu należą mikrotubule (ryc. 265), nitkowate nierozgałęzione struktury o grubości 25 nm, składające się z białek tubuliny i powiązanych z nimi białek. Podczas polimeryzacji tubuliny tworzą wydrążone rurki (mikrotubule), które mogą mieć długość kilku mikronów, a najdłuższe mikrotubule znajdują się w aksonemie witki plemnika.
Mikrotubule znajdują się w cytoplazmie komórek interfazowych pojedynczo, w małych luźnych wiązkach lub w postaci gęsto upakowanych formacji w składzie centrioli, ciał podstawnych rzęsek i wici. Podczas podziału komórki większość mikrotubul komórki jest częścią wrzeciona podziałowego.
Ze względu na strukturę mikrotubule są długimi wydrążonymi cylindrami o średnicy zewnętrznej 25 nm (ryc. 266). Ściana mikrotubul składa się ze spolimeryzowanych cząsteczek białka tubuliny. Podczas polimeryzacji cząsteczki tubuliny tworzą 13 podłużnych protofilamentów, które są skręcone w pustą rurkę (ryc. 267). Rozmiar monomeru tubuliny wynosi około 5 nm, co jest równe grubości ściany mikrotubuli, w przekroju której widocznych jest 13 kulistych cząsteczek.
Cząsteczka tubuliny jest heterodimerem składającym się z dwóch różnych podjednostek, a-tubuliny i b-tubuliny, które po połączeniu tworzą samo białko tubuliny, początkowo spolaryzowane. Obie podjednostki monomeru tubuliny są związane z GTP, jednak GTP na podjednostce a nie ulega hydrolizie, w przeciwieństwie do GTP na podjednostce b, gdzie GTP jest hydrolizowany do GDP podczas polimeryzacji. Podczas polimeryzacji cząsteczki tubuliny łączą się w taki sposób, że podjednostka a następnego białka łączy się z podjednostką b jednego białka i tak dalej. W konsekwencji poszczególne protofibryle powstają jako włókna polarne, a zatem cała mikrotubula jest również strukturą polarną, mającą szybko rosnący koniec (+) i wolno rosnący koniec (-) (ryc. 268).
Przy wystarczającym stężeniu białka polimeryzacja zachodzi spontanicznie. Ale podczas spontanicznej polimeryzacji tubulin dochodzi do hydrolizy jednej cząsteczki GTP związanej z b-tubuliną. Podczas wzrostu mikrotubuli wiązanie tubuliny zachodzi szybciej na rosnącym końcu (+). Jeśli jednak stężenie tubuliny jest niewystarczające, mikrotubule można zdemontować z obu końców. Rozkład mikrotubul ułatwia obniżenie temperatury oraz obecność jonów Ca++.
Mikrotubule to bardzo dynamiczne struktury, które mogą pojawiać się i rozkładać dość szybko. Wyizolowane mikrotubule zawierają związane z nimi dodatkowe białka, tzw. mikrotubule. Białka MAP (MAP - białka pomocnicze mikrotubul). Białka te, stabilizując mikrotubule, przyspieszają proces polimeryzacji tubuliny (ryc. 269).
Rola mikrotubul cytoplazmatycznych sprowadza się do dwóch funkcji: szkieletowej i motorycznej. Szkieletowa rola rusztowania polega zasadniczo na tym, że położenie mikrotubul w cytoplazmie stabilizuje kształt komórki; podczas rozpuszczania mikrotubul komórki o złożonym kształcie mają tendencję do przybierania kształtu kuli. Motoryczna rola mikrotubul polega nie tylko na tworzeniu uporządkowanego, wektorowego systemu ruchu. Mikrotubule cytoplazmatyczne w połączeniu ze specyficznymi białkami motorycznymi tworzą kompleksy ATPazy zdolne do kierowania składnikami komórkowymi.
W prawie wszystkich komórkach eukariotycznych w hialoplazmie można zobaczyć długie nierozgałęzione mikrotubule. W dużych ilościach znajdują się w procesach cytoplazmatycznych komórek nerwowych, w procesach melanocytów, ameby i innych komórek, które zmieniają swój kształt (ryc. 270). Οʜᴎ są izolowane same lub możliwe jest wyizolowanie tworzących je białek: są to te same tubuliny ze wszystkimi swoimi właściwościami.
centra organizacji mikrotubul. Wzrost mikrotubul cytoplazmy zachodzi biegunowo: koniec (+) mikrotubuli rośnie. Czas życia mikrotubul jest bardzo krótki, w związku z tym ciągle powstają nowe mikrotubule. Proces rozpoczynania polimeryzacji tubulin, zarodkowania, zachodzi w ściśle określonych obszarach komórki, w tzw. centra organizacji mikrotubul (MOTC). W strefach CMTC następuje układanie krótkich mikrotubul, których (-) końce są skierowane w stronę CMTC. Uważa się, że końce (--) w strefach COMT są blokowane przez specjalne białka, które zapobiegają lub ograniczają depolimeryzację tubulin. Z tego powodu przy wystarczającej ilości wolnej tubuliny nastąpi zwiększenie długości mikrotubul rozciągających się od COMT. Jako COMT w komórkach zwierzęcych zaangażowane są głównie centra komórkowe zawierające centriole, co zostanie omówione poniżej. Ponadto strefa jądrowa może służyć jako CMT, a podczas mitozy bieguny wrzeciona podziałowego.
Jednym z zadań mikrotubul cytoplazmatycznych jest stworzenie elastycznego, ale jednocześnie stabilnego szkieletu wewnątrzkomórkowego, co jest niezwykle ważne dla zachowania kształtu komórki. W erytrocytach płazów w kształcie dysku opaska uciskowa z ułożonych kołowo mikrotubul leży wzdłuż obwodu komórki; wiązki mikrotubul są charakterystyczne dla różnych wyrostków cytoplazmy (aksopodia pierwotniaków, aksony komórek nerwowych itp.).
Rolą mikrotubul jest tworzenie rusztowania podtrzymującego ciało komórki, stabilizowanie i wzmacnianie rozrostów komórek. Jednocześnie mikrotubule biorą udział w procesach wzrostu komórek. Tak więc u roślin, w procesie wydłużania komórek, gdy następuje znaczny wzrost objętości komórek z powodu wzrostu wakuoli centralnej, w obwodowych warstwach cytoplazmy pojawia się duża liczba mikrotubul. W tym przypadku mikrotubule, a także rosnąca w tym czasie ściana komórkowa, wydają się wzmacniać, wzmacniać mechanicznie cytoplazmę.
Tworząc szkielet wewnątrzkomórkowy, mikrotubule są czynnikami ukierunkowanego ruchu składników wewnątrzkomórkowych, wyznaczając ich położenie w przestrzeni dla ukierunkowanych przepływów różnych substancji oraz dla ruchu dużych struktur.
Hostowane na ref.rf
Tak więc w przypadku rybich melanoforów (komórek zawierających barwnik melaninowy) podczas wzrostu procesów komórkowych granulki pigmentu przemieszczają się wzdłuż wiązek mikrotubul.
W aksonach żywych komórek nerwowych można zaobserwować ruch różnych małych wakuoli i granulek, które przemieszczają się zarówno od ciała komórki do zakończenia nerwu (transport wsteczny), jak iw kierunku przeciwnym (transport wsteczny).
Wyizolowano białka odpowiedzialne za ruch wakuoli. Jednym z nich jest kinezyna, białko o masie cząsteczkowej około 300 000.
Istnieje cała rodzina kinezyn. Zatem kinezyny cytozolowe biorą udział w transporcie pęcherzyków, lizosomów i innych organelli błonowych przez mikrotubule. Wiele kinezyn wiąże się specyficznie ze swoimi ładunkami. Tak więc niektóre biorą udział w przenoszeniu tylko mitochondriów, inne tylko pęcherzyków synaptycznych. Kinezyny wiążą się z błonami poprzez błonowe kompleksy białkowe - kinektyny. Kinezyny wrzeciona biorą udział w tworzeniu tej struktury oraz w segregacji chromosomów.
Inne białko, dyneina cytoplazmatyczna, odpowiada za transport wsteczny w aksonie (ryc. 275). Składa się z dwóch łańcuchów ciężkich - głów, które oddziałują z mikrotubulami, kilku łańcuchów pośrednich i lekkich, które wiążą się z wakuolami błonowymi. Dyneina cytoplazmatyczna jest białkiem motorycznym, które przenosi ładunki do ujemnego końca mikrotubul. Dyneiny dzielą się również na dwie klasy: cytozolowe – zaangażowane w przenoszenie wakuoli i chromosomów oraz aksonemiczne – odpowiedzialne za ruch rzęsek i wici.
Dynezyny i kinezyny cytoplazmatyczne znaleziono praktycznie we wszystkich typach komórek zwierzęcych i roślinnych.
Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, aw cytoplazmie ruch odbywa się zgodnie z zasadą ślizgających się nici, tylko nie nici poruszają się po mikrotubulach, ale krótkie cząsteczki - poruszacze związane z ruchomymi składnikami komórkowymi. Podobieństwo do kompleksu aktomiozyny tego systemu transportu wewnątrzkomórkowego polega na tym, że powstaje podwójny kompleks (mikrotubula + czynnik poruszający), który ma wysoką aktywność ATPazy.
Jak widać, mikrotubule tworzą w komórce rozbieżne promieniowo spolaryzowane fibryle, których (+)-końce są skierowane od środka komórki do obwodu. Obecność białek motorycznych skierowanych (+) i (-) (kinezyny i dynezyny) stwarza możliwość przenoszenia jej składników w komórce zarówno z obwodu do centrum (wakuole endocytarne, recykling wakuoli ER i aparat Golgiego) itp.) oraz od centrum do obwodu (wakuole ER, lizosomy, wakuole wydzielnicze itp.) (ryc. 276). Ta polaryzacja transportu powstaje dzięki organizacji systemu mikrotubul, które powstają w centrach ich organizacji, w centrum komórki.
Mikrotubule - pojęcie i rodzaje. Klasyfikacja i cechy kategorii „Mikrotubule” 2017, 2018.
