Samostatnou skupinou cytoskeletálnych proteínov sú mikrotubulové proteíny. Patria sem tubulín, proteíny spojené s mikrotubulami (MAP 1, MAP 2, MAP 4, tau atď.) a translokačné proteíny (dyneín, kinezín, dynamín). Mikrotubuly sú proteínové tubulárne štruktúry s priemerom asi 25 nm a dĺžkou až niekoľko desiatok mikrometrov; ich hrúbka steny je asi 6 nm. Sú základnou zložkou cytoplazmy eukaryotických buniek. Mikrotubuly tvoria deliace vreteno (achromatický obrazec) pri mitóze a meióze, axonému (centrálnu štruktúru) pohyblivých riasiniek a bičíkov, stenu centriol a bazálnych teliesok. Mikrotubuly hrajú dôležitú, ak nie kľúčovú úlohu v bunkovej morfogenéze a v niektorých typoch bunkovej motility.
Steny mikrotubulov sú postavené z proteínového tubulínu, ktorý tvorí 90 % hmotnosti. Tubulín je globulárny proteín, ktorý existuje ako dimér α- a β-podjednotiek s molekulovou hmotnosťou ~55 kDa. Mikrotubul má tvar dutého valca, ktorého stenu tvoria lineárne reťazce tubulínových dimérov, takzvané protofilamenty. V protofilamentoch je α-podjednotka predchádzajúceho diméru spojená s β-podjednotkou nasledujúceho. Diméry v susedných protofilamentoch sú voči sebe posunuté a tvoria špirálovité rady. Prierez ukazuje 13 tubulínových dimérov, čo zodpovedá 13 protofilamentom v
steny mikrotubulov (obr. 9). Každá podjednotka obsahuje približne 450 aminokyselín a aminokyselinové sekvencie podjednotiek sú približne zo 40 % navzájom homológne. Tubulín je proteín viažuci GTP a β-podjednotka obsahuje labilne viazanú molekulu GTP alebo GDP, ktorá sa môže vymieňať s GTP v roztoku, a α-podjednotka obsahuje pevne viazanú molekulu GTP.
Ryža. 9. Štruktúra mikrotubulov.
Tubulín je schopný spontánnej polymerizácie in vitro. Takáto polymerizácia je možná pri fyziologických teplotách a priaznivých iónových podmienkach (neprítomnosť iónov Ca2+) a vyžaduje dva faktory: vysokú koncentráciu tubulínu a prítomnosť GTP. Polymerizácia je sprevádzaná hydrolýzou GTP a tubulín v mikrotubule zostáva naviazaný na GDP, zatiaľ čo anorganický fosfát prechádza do roztoku.
Polymerizácia tubulínu pozostáva z dvoch fáz: nukleácie a predlžovania. Počas nukleácie sa tvoria semená a počas
elongácia - ich predĺženie s tvorbou mikrotubulov. Treba poznamenať, že počas polymerizácie tubulínu sa podjednotky pridávajú iba na konce mikrotubulov.
Opačné konce mikrotubulov sa líšia rýchlosťou rastu. Rýchlo rastúci koniec sa nazýva plusový koniec a pomaly rastúci koniec sa nazýva mínusový koniec mikrotubulu (pozri obr. 9). V bunke sú (–) konce mikrotubulov zvyčajne spojené s centrozómom, zatiaľ čo (+) konce sú nasmerované smerom k periférii a často dosahujú až na samotný okraj bunky.
Mikrotubuly sú citlivé dynamická nestabilita.
Pri konštantnom množstve polyméru dochádza k samovoľnému rastu alebo skracovaniu jednotlivých mikrotubulov až k ich úplnému vymiznutiu. V dôsledku oneskorenia hydrolýzy GTP vo vzťahu k inkorporácii tubulínu sa na konci mikrotubulu, ktorý je v procese rastu, vytvorí GTP uzáver, ktorý pozostáva z 9-18 molekúl GTP-tubulínu. GTP uzáver stabilizuje koniec mikrotubulu a podporuje jeho ďalší rast. Ak je rýchlosť inkorporácie nových heterodimérov nižšia ako rýchlosť hydrolýzy GTP, alebo v prípade mechanického pretrhnutia mikrotubulu sa vytvorí koniec bez uzáveru GTP. Tento koniec má zníženú afinitu k novým molekulám tubulínu; začne to zisťovať.
Polymerizácia a depolymerizácia mikrotubulov je vyvolaná zmenami teploty, iónových podmienok alebo použitím špeciálnych chemických prostriedkov. Medzi látkami, ktoré spôsobujú nezvratnú demontáž, sú široko používané indolové alkaloidy (kolchicín, vinblastín, vinkristín atď.).
PROTEÍNY ASOCIOVANÉ S MIKROTUBMI
Proteíny spojené s mikrotubulami sú rozdelené do dvoch skupín: štrukturálne MAP (proteíny spojené s mikrotubulami) a proteíny spojené s mikrotubulami.
translokátory.
Štrukturálne IDA
Spoločnou vlastnosťou štrukturálnych MAP je ich trvalé spojenie s mikrotubulami. Ďalšou spoločnou vlastnosťou tejto skupiny proteínov je, že na rozdiel od translokačných proteínov sa pri interakcii s tubulínom všetky viažu na C-koncovú časť molekuly s veľkosťou približne 4 kDa.
Existujú MAP 1 a MAP 2 s vysokou molekulovou hmotnosťou, tau proteíny s molekulovou hmotnosťou asi 60-70 kDa a MAP 4 alebo MAP U s molekulovou hmotnosťou asi 200 kDa.
Molekula MAP 1B (predstaviteľ proteínovej skupiny MAP 1) je teda stechiometrický komplex jedného ťažkého a dvoch ľahkých reťazcov, je to predĺžená tyčinkovitá molekula s dĺžkou 190 nm, ktorá má na jednom konci globulárnu doménu 10 nm v priemer (zrejme miesto viažuce mikrotubuly). jeho molekulová hmotnosť je 255,5 kDa.
MAP 2 je termostabilný proteín. Zachováva si schopnosť interagovať s mikrotubulami a zostávať v ich zložení v niekoľkých cykloch montáže-demontáže po zahriatí na 90°C.
Štrukturálne MAP sú schopné stimulovať iniciáciu a predĺženie a stabilizovať hotové mikrotubuly; zošite mikrotubuly do zväzkov. Krátke α-
špirálové hydrofóbne sekvencie na N-konci MAP a tau, uzatvárajúce molekuly MAP sediace na susedných mikrotubuloch ako zips. Biologickou úlohou takéhoto zosieťovania môže byť stabilizácia štruktúr tvorených mikrotubulami v bunke.
Doteraz experimentálne štúdie preukázali, že okrem regulácie dynamiky mikrotubulov majú štrukturálne MAP ďalšie dve hlavné funkcie: bunkovú morfogenézu a účasť na interakcii mikrotubulov s inými intracelulárnymi štruktúrami.
Translokačné proteíny
Charakteristickým znakom proteínov tejto skupiny je schopnosť premeniť energiu ATP na mechanickú silu, ktorá môže pohybovať časticami pozdĺž mikrotubulov alebo mikrotubulov pozdĺž substrátu. V súlade s tým sú translokátory mechanochemické ATPázy a ich aktivita ATPázy je stimulovaná mikrotubulami. Na rozdiel od štrukturálnych MAP sú translokátory spojené s mikrotubulmi iba v čase pohybu závislého od ATP.
Translokátorové proteíny sa delia do dvoch skupín: proteíny podobné kinezínu (sprostredkujú pohyb od (–) konca k (+) koncu mikrotubulov) a proteíny podobné dyneínu (pohyb od (+) konca k (–) koncu mikrotubuly) (obr. 10).
Kinezín je tetramér dvoch ľahkých (62 kDa) a dvoch ťažkých (120 kDa) polypeptidových reťazcov. Molekula kinezínu
má tvar tyčinky s priemerom 2–4 nm a dĺžkou 80–100 nm s dvoma guľovitými hlavicami na jednom konci a vejárovitým nástavcom na druhom (obr. 11).
Ryža. 10. Proteíny-translokátory.
V strede tyče je časť závesu. N-terminálny fragment ťažkého reťazca s veľkosťou približne 50 kDa, ktorý má mechanochemickú aktivitu, sa nazýva kinezínová motorická doména.
Ryža. 11. Štruktúra molekuly kinezínu.
Všeobecné charakteristiky mikrotubulov. K základným zložkám cytoskeletu patria mikrotubuly (obr. 265), vláknité nerozvetvujúce sa štruktúry, hrubé 25 nm, pozostávajúce z tubulínových proteínov a ich pridružených proteínov. Počas polymerizácie tubulíny vytvárajú duté trubice (mikrotubuly), ktoré môžu byť dlhé niekoľko mikrónov a najdlhšie mikrotubuly sa nachádzajú v axoneme chvosta spermií.
Mikrotubuly sa nachádzajú v cytoplazme medzifázových buniek jednotlivo, v malých voľných zväzkoch alebo vo forme husto zbalených útvarov ako súčasť centriol, bazálnych teliesok v mihalniciach a bičíkoch. Počas delenia buniek je väčšina mikrotubulov bunky súčasťou deliaceho vretienka.
Štruktúrou sú mikrotubuly dlhé duté valce s vonkajším priemerom 25 nm (obr. 266). Stena mikrotubulov pozostáva z polymerizovaných tubulínových proteínových molekúl. Pri polymerizácii tvoria molekuly tubulínu 13 pozdĺžnych protofilamentov, ktoré sú stočené do dutej rúrky (obr. 267). Veľkosť tubulínového monoméru je asi 5 nm, čo sa rovná hrúbke steny mikrotubulu, v priereze ktorej je viditeľných 13 globulárnych molekúl.
Molekula tubulínu je heterodimér pozostávajúci z dvoch rôznych podjednotiek, a-tubulínu a b-tubulínu, ktoré po spojení tvoria samotný tubulínový proteín, spočiatku polarizovaný. Obe podjednotky tubulínového monoméru sú naviazané na GTP, avšak GTP na a-podjednotke nepodlieha hydrolýze, na rozdiel od GTP na b-podjednotke, kde sa GTP počas polymerizácie hydrolyzuje na GDP. Počas polymerizácie sa molekuly tubulínu spájajú takým spôsobom, že a-podjednotka nasledujúceho proteínu sa spája s b-podjednotkou jedného proteínu atď. V dôsledku toho jednotlivé protofibrily vznikajú ako polárne vlákna, a preto je celý mikrotubul tiež polárnou štruktúrou s rýchlo rastúcim (+) koncom a pomaly rastúcim (-) koncom (obr. 268).
Pri dostatočnej koncentrácii proteínu dochádza k polymerizácii spontánne. Ale počas spontánnej polymerizácie tubulínov dochádza k hydrolýze jednej molekuly GTP asociovanej s b-tubulínom. Počas rastu mikrotubulov dochádza k rýchlejšej väzbe tubulínu na rastúcom (+) konci. Ak je však koncentrácia tubulínu nedostatočná, mikrotubuly možno z oboch koncov rozobrať. Demontáž mikrotubulov je uľahčená znížením teploty a prítomnosťou iónov Ca++.
Mikrotubuly sú veľmi dynamické štruktúry, ktoré sa môžu pomerne rýchlo objaviť a rozložiť. V zložení izolovaných mikrotubulov sa nachádzajú ďalšie s nimi spojené proteíny, takzvané mikrotubuly. MAP proteíny (MAP - mikrotubulárne akcesorické proteíny). Tieto proteíny stabilizáciou mikrotubulov urýchľujú proces polymerizácie tubulínu (obr. 269).
Úloha cytoplazmatických mikrotubulov je redukovaná na dve funkcie: kostrovú a motorickú. Úloha skeletu spočíva v tom, že umiestnenie mikrotubulov v cytoplazme stabilizuje tvar bunky; pri rozpúšťaní mikrotubulov majú bunky, ktoré mali zložitý tvar, tendenciu nadobúdať tvar gule. Motorická úloha mikrotubulov nespočíva len v tom, že vytvárajú usporiadaný, vektorový, systém pohybu. Cytoplazmatické mikrotubuly v spojení so špecifickými pridruženými motorickými proteínmi tvoria komplexy ATPázy schopné poháňať bunkové komponenty.
Takmer vo všetkých eukaryotických bunkách v hyaloplazme možno vidieť dlhé nerozvetvené mikrotubuly. Vo veľkom množstve sa nachádzajú v cytoplazmatických procesoch nervových buniek, v procesoch melanocytov, améb a iných buniek, ktoré menia svoj tvar (obr. 270). Môžu sa izolovať sami, alebo je možné izolovať ich tvoriace sa proteíny: sú to rovnaké tubulíny so všetkými ich vlastnosťami.
organizačné centrá mikrotubulov. Rast mikrotubulov cytoplazmy prebieha polárne: (+) koniec mikrotubulu rastie. Životnosť mikrotubulov je veľmi krátka, preto neustále vznikajú nové mikrotubuly. Proces začatia polymerizácie tubulínov, nukleácia, prebieha v jasne vymedzených oblastiach bunky, v tzv. centrá organizujúce mikrotubuly (MOTC). V zónach CMTC dochádza k ukladaniu krátkych mikrotubulov, ktorých (-) konce smerujú k CMTC. Predpokladá sa, že (--)-konce v zónach COMT sú blokované špeciálnymi proteínmi, ktoré zabraňujú alebo obmedzujú depolymerizáciu tubulínov. Preto pri dostatočnom množstve voľného tubulínu dôjde k zvýšeniu dĺžky mikrotubulov siahajúcich od COMT. Ako COMT v živočíšnych bunkách sú zahrnuté hlavne bunkové centrá obsahujúce centrioly, ako bude diskutované nižšie. Okrem toho môže jadrová zóna slúžiť ako CMT a počas mitózy póly štiepneho vretena.
Jedným z účelov cytoplazmatických mikrotubulov je vytvorenie elastického, no zároveň stabilného vnútrobunkového skeletu, potrebného na udržanie tvaru bunky. V diskovitých erytrocytoch obojživelníkov leží pozdĺž bunkového obvodu turniket kruhovo uložených mikrotubulov; zväzky mikrotubulov sú charakteristické pre rôzne výrastky cytoplazmy (axopódie prvokov, axóny nervových buniek atď.).
Úlohou mikrotubulov je vytvoriť lešenie na podporu bunkového tela, stabilizovať a posilniť bunkové výrastky. Okrem toho sa mikrotubuly podieľajú na procesoch rastu buniek. V rastlinách sa teda v procese predlžovania buniek, keď dochádza k výraznému zvýšeniu objemu buniek v dôsledku zvýšenia centrálnej vakuoly, objavuje veľké množstvo mikrotubulov v periférnych vrstvách cytoplazmy. V tomto prípade sa zdá, že mikrotubuly, ako aj bunková stena rastúca v tomto čase, zosilňujú a mechanicky posilňujú cytoplazmu.
Vytvorením vnútrobunkového skeletu sú mikrotubuly faktormi orientovaného pohybu vnútrobunkových komponentov, vytvárajú priestory pre usmernené toky rôznych látok a pre pohyb veľkých štruktúr. V prípade rybích melanofórov (bunky obsahujúce pigment melanín) sa teda počas rastu bunkových procesov granule pigmentu pohybujú po zväzkoch mikrotubulov.
V axónoch živých nervových buniek možno pozorovať pohyb rôznych malých vakuol a granúl, ktoré sa pohybujú ako z tela bunky do nervového zakončenia (anterográdny transport), tak aj v opačnom smere (retrográdny transport).
Izolovali sa proteíny zodpovedné za pohyb vakuol. Jedným z nich je kinezín, proteín s molekulovou hmotnosťou približne 300 000.
Existuje celá rodina kinezínov. Cytosolické kinezíny sa teda podieľajú na transporte vezikúl, lyzozómov a iných membránových organel cez mikrotubuly. Mnohé z kinezínov sa viažu špecificky na ich náklad. Niektorí sa teda podieľajú na prenose iba mitochondrií, iní iba synaptických vezikúl. Kinezíny sa viažu na membrány prostredníctvom membránových proteínových komplexov – kinetínov. Vretienkové kinezíny sa podieľajú na tvorbe tejto štruktúry a na segregácii chromozómov.
Ďalší proteín, cytoplazmatický dyneín, je zodpovedný za retrográdny transport v axóne (obr. 275). Pozostáva z dvoch ťažkých reťazcov – hláv, ktoré interagujú s mikrotubulmi, niekoľkých intermediárnych a ľahkých reťazcov, ktoré sa viažu na membránové vakuoly. Cytoplazmatický dyneín je motorický proteín, ktorý prenáša náklad na mínus koniec mikrotubulov. Dyneíny sa tiež delia do dvoch tried: cytosolické – podieľajú sa na prenose vakuol a chromozómov a axonemické – zodpovedné za pohyb mihalníc a bičíkov.
Cytoplazmatické dyneíny a kinezíny boli nájdené takmer vo všetkých typoch živočíšnych a rastlinných buniek.
V cytoplazme sa teda pohyb uskutočňuje na princípe posuvných filamentov, len pozdĺž mikrotubulov sa nepohybujú filamenty, ale krátke molekuly - pohybovače spojené s pohyblivými bunkovými zložkami. Podobnosť s aktomyozínovým komplexom tohto systému vnútrobunkového transportu spočíva v tom, že vzniká dvojitý komplex (mikrotubul + mover), ktorý má vysokú aktivitu ATPázy.
Ako je možné vidieť, mikrotubuly tvoria v bunke radiálne sa rozbiehajúce polarizované vlákna, ktorých (+)-konce sú nasmerované zo stredu bunky na perifériu. Prítomnosť (+) a (-)-riadených motorických proteínov (kinezínov a dyneínov) vytvára možnosť prenosu jej zložiek v bunke z periférie do centra (endocytické vakuoly, recyklácia ER vakuol a Golgiho aparát , atď.), a od centra k periférii (ER vakuoly, lyzozómy, sekrečné vakuoly atď.) (obr. 276). Táto polarita transportu je vytvorená vďaka organizácii systému mikrotubulov, ktoré vznikajú v centrách ich organizácie, v bunkovom centre.
Mikrotubuly sú jednou zo základných zložiek cytoplazmy rastlinných buniek. Morfologicky sú mikrotubuly dlhé duté valce s vonkajším priemerom 25 nm. Stena mikrotubulov pozostáva z polymerizovaných tubulínových proteínových molekúl. Počas polymerizácie tvoria molekuly tubulínu 13 pozdĺžnych protofilamentov, ktoré sú stočené do dutej trubice. Výmena tubulínového monoméru je asi 5 nm, čo sa rovná hrúbke steny mikrotubulu, v priereze ktorej je viditeľných 13 globulárnych molekúl.
Mikrotubul je polárna štruktúra s rýchlo rastúcim plusovým koncom a pomaly rastúcim mínusovým koncom.
Mikrotubuly sú veľmi dynamické štruktúry, ktoré sa môžu pomerne rýchlo objaviť a rozložiť. Pri použití elektronických systémov na zosilnenie signálu vo svetelnom mikroskope je možné vidieť, že mikrotubuly rastú, skracujú sa a miznú v živej bunke; sú neustále v dynamickej nestabilite. Ukázalo sa, že priemerný polčas rozpadu cytoplazmatických mikrotubulov je len 5 minút. Za 15 minút sa teda obnoví asi 80 % celej populácie mikrotubulov. Ako súčasť štiepneho vretienka majú mikrotubuly životnosť asi 15–20 s. Avšak 10–20 % mikrotubulov zostáva relatívne stabilných pomerne dlhý čas (až niekoľko hodín).
Mikrotubuly sú štruktúry, v ktorých je po obvode dutého valca naskladaných 13 protofilamentov, ktoré pozostávajú z α- a β-tubulínových heterodimérov. Vonkajší priemer valca je asi 25 nm, vnútorný priemer je asi 15 nm.
Jeden koniec mikrotubulu, nazývaný plus koniec, k sebe neustále pripája voľný tubulín. Z opačného konca – mínusového konca – sa odštiepia jednotky tubulínu.
Pri tvorbe mikrotubulov existujú tri fázy:
oneskorená fáza alebo nukleácia. Toto je štádium nukleácie mikrotubulov, keď sa molekuly tubulínu začínajú spájať do väčších útvarov. Toto spojenie je pomalšie ako pripojenie tubulínu k už zostavenému mikrotubulu, preto sa fáza nazýva oneskorená;
polymerizačná fáza alebo elongácia. Ak je koncentrácia voľného tubulínu vysoká, jeho polymerizácia prebieha rýchlejšie ako depolymerizácia na mínusovom konci, čím sa mikrotubuly predlžujú. Ako rastie, koncentrácia tubulínu klesá na kritickú hodnotu a rýchlosť rastu sa spomaľuje, až kým neprejde do ďalšej fázy;
fáza ustáleného stavu. Depolymerizácia vyrovnáva polymerizáciu a rast mikrotubulov sa zastaví.
Laboratórne štúdie ukazujú, že k zostaveniu mikrotubulov z tubulínov dochádza iba v prítomnosti guanozíntrifosfátu a horečnatých iónov.
Obr.1. Kroky samo-montáže mikrotubulov
Nedávno bolo v živých bunkách pozorované skladanie a rozoberanie mikrotubulov. Po zavedení protilátok proti tubulínu značených fluorochrómmi do bunky a použití systémov na zosilnenie elektronického signálu vo svetelnom mikroskope je možné vidieť, že mikrotubuly rastú, skracujú sa a miznú v živej bunke; sú neustále v dynamickej nestabilite. Ukázalo sa, že priemerný polčas rozpadu cytoplazmatických mikrotubulov je len 5 minút. Za 15 minút sa teda obnoví asi 80 % celej populácie mikrotubulov. Súčasne sa jednotlivé mikrotubuly môžu pomaly (4-7 µm/min) na rastúcom konci predlžovať a potom pomerne rýchlo skracovať (14-17 µm/min). V živých bunkách majú mikrotubuly ako súčasť štiepneho vretienka životnosť asi 15–20 s. Predpokladá sa, že dynamická nestabilita cytoplazmatických mikrotubulov je spojená s oneskorením hydrolýzy GTP, čo vedie k vytvoreniu zóny obsahujúcej nehydrolyzované nukleotidy („GTP cap“) na plusovom konci mikrotubulu. V tejto zóne sa molekuly tubulínu na seba viažu s vysokou afinitou.
navzájom a následne sa zvyšuje rýchlosť rastu mikrotubulov. Naopak, so stratou tohto miesta sa mikrotubuly začnú skracovať.
Avšak 10–20 % mikrotubulov zostáva relatívne stabilných pomerne dlhý čas (až niekoľko hodín). Takáto stabilizácia sa pozoruje vo veľkej miere v diferencovaných bunkách. Stabilizácia mikrotubulov je spojená buď s modifikáciou tubulínov, alebo s ich väzbou na mikrotubulové doplnkové (MAP) proteíny a iné bunkové zložky.
Acetylácia lyzínu v zložení tubulínov výrazne zvyšuje stabilitu mikrotubulov. Ďalším príkladom modifikácie tubulínu môže byť odstránenie terminálneho tyrozínu, ktorý je tiež charakteristický pre stabilné mikrotubuly. Tieto úpravy sú reverzibilné.
Obr.2. Umiestnenie mikrotubulov v cytoplazme fibroblastov (a), melanocytov (b) a neurónov (c)
Samotné mikrotubuly nie sú schopné kontrakcie, sú však základnými zložkami mnohých pohyblivých bunkových štruktúr, ako sú mihalnice a bičíky, ako bunkové vretienko počas mitózy, ako mikrotubuly cytoplazmy, ktoré sú nevyhnutné pre množstvo vnútrobunkových transportov, napr. ako exocytóza, mitochondriálny pohyb atď.
Vo všeobecnosti možno úlohu cytoplazmatických mikrotubulov zredukovať na dve funkcie: kostrovú a motorickú. Úloha skeletu spočíva v tom, že umiestnenie mikrotubulov v cytoplazme stabilizuje tvar bunky; pri rozpúšťaní mikrotubulov majú bunky, ktoré mali zložitý tvar, tendenciu nadobúdať tvar gule. Motorická úloha mikrotubulov nespočíva len v tom, že vytvárajú usporiadaný, vektorový, systém pohybu. Cytoplazmatické mikrotubuly v spojení so špecifickými asociovanými motorickými proteínmi tvoria komplexy ATPázy schopné poháňať bunkové komponenty.
Takmer vo všetkých eukaryotických bunkách v hyaloplazme možno vidieť dlhé nerozvetvené mikrotubuly. Vo veľkom množstve sa nachádzajú v cytoplazmatických procesoch nervových buniek, v procesoch melanocytov, améb a iných buniek, ktoré menia svoj tvar (obr. 270). Môžu sa izolovať sami, alebo je možné izolovať ich tvoriace sa proteíny: sú to rovnaké tubulíny so všetkými ich vlastnosťami.
Samotné mikrotubuly nie sú schopné kontrakcie, sú však základnými zložkami mnohých pohyblivých bunkových štruktúr, ako je bunkové vretienko počas mitózy ako mikrotubuly cytoplazmy, ktoré sú nevyhnutné pre množstvo intracelulárnych transportov, ako je exocytóza, mitochondriálny pohyb, atď. atď.
Vo všeobecnosti možno úlohu cytoplazmatických mikrotubulov zredukovať na dve funkcie: kostrovú a motorickú. Úloha skeletu, lešenia, spočíva v tom, že umiestnenie mikrotubulov v cytoplazme stabilizuje tvar bunky. Motorická úloha mikrotubulov nespočíva len v tom, že vytvárajú usporiadaný vektorový systém pohybu. Cytoplazmatické mikrotubuly a asociácie so špecifickými asociovanými motorickými proteínmi tvoria komplexy ATPázy schopné poháňať bunkové komponenty. Okrem toho sa mikrotubuly podieľajú na procesoch rastu buniek. V rastlinách sa v procese predlžovania buniek, keď dochádza k výraznému zvýšeniu objemu buniek v dôsledku zvýšenia centrálnej vakuoly, objavuje veľké množstvo mikrotubulov v periférnych vrstvách cytoplazmy. V tomto prípade sa zdá, že mikrotubuly, ako aj bunková stena rastúca v tomto čase, zosilňujú a mechanicky posilňujú cytoplazmu.
Chemické zloženie mikrotubulov
Mikrotubuly sú zložené z tubulínových proteínov a ich pridružených proteínov. Molekula tubulínu je heterodimér pozostávajúci z dvoch rôznych podjednotiek, ktoré po spojení tvoria samotný tubulínový proteín, spočiatku polarizovaný. Počas polymerizácie sa molekuly tubulínu spájajú. V dôsledku toho jednotlivé protofibrily vznikajú ako polárne vlákna, a preto je celý mikrotubul tiež polárnou štruktúrou s rýchlo rastúcim plusovým koncom a pomaly rastúcim mínusovým koncom. Pri dostatočnej koncentrácii proteínu dochádza k polymerizácii spontánne. Počas spontánnej polymerizácie tubulínov sa hydrolyzuje jedna molekula GTP. Počas predlžovania mikrotubulu prebieha väzba tubulínu rýchlejšou rýchlosťou na rastúcom plusovom konci. Ak je však koncentrácia tubulínu nedostatočná, mikrotubuly možno z oboch koncov rozobrať. Demontáž mikrotubulov je uľahčená znížením teploty a prítomnosťou iónov Ca 2 .
Existuje množstvo látok, ktoré ovplyvňujú polymerizáciu tubulínu. Alkaloid kolchicín sa teda viaže na jednotlivé molekuly tubulínu a zabraňuje ich polymerizácii. To vedie k poklesu koncentrácie voľného tubulínu schopného polymerizácie, čo spôsobuje rýchlu demontáž cytoplazmatických mikrotubulov a vretenových mikrotubulov. Colcemid a nokodozol majú rovnaký účinok, keď sa vymyjú, dôjde k úplnej obnove mikrotubulov. Taxol má stabilizačný účinok na mikrotubuly, čo podporuje polymerizáciu tubulínu aj pri nízkych koncentráciách. Mikrotubuly obsahujú aj ďalšie s nimi spojené proteíny, takzvané MAP proteíny. Tieto proteíny stabilizáciou mikrotubulov urýchľujú proces polymerizácie tubulínu.
Funkcie mikrotubulov
Mikrotubuly v bunke sa používajú ako "koľajnice" na transport častíc. Membránové vezikuly a mitochondrie sa môžu pohybovať pozdĺž ich povrchu. Transport cez mikrotubuly sa uskutočňuje proteínmi nazývanými motorické proteíny. Ide o vysokomolekulárne zlúčeniny pozostávajúce z dvoch ťažkých (s hmotnosťou približne 300 kDa) a niekoľkých ľahkých reťazcov. Ťažké reťazce sa delia na hlavovú a chvostovú doménu. Dve hlavové domény sa viažu na mikrotubuly a pôsobia ako motory, zatiaľ čo chvostové domény sa viažu na organely a iné intracelulárne formácie, ktoré majú byť transportované.
Existujú dva typy motorických proteínov: cytoplazmatické dyneíny; kinezíny.
Dyneíny presúvajú náklad iba z plusového konca na mínusový koniec mikrotubulu, to znamená z periférnych oblastí bunky do centrozómu. Kinezíny sa naopak pohybujú smerom k plus-endu, teda smerom k bunkovej periférii.
Pohyb sa uskutočňuje vďaka energii ATP. Hlavové domény motorických proteínov na tento účel obsahujú miesta viažuce ATP.
Okrem transportnej funkcie tvoria mikrotubuly centrálnu štruktúru mihalníc a bičíkov – axonému. Typická axonéma obsahuje 9 párov spojených mikrotubulov pozdĺž periférie a dva úplné mikrotubuly v strede. Mikrotubuly sa skladajú aj z centriolov a deliaceho vretienka, ktoré zabezpečuje divergenciu chromozómov k pólom bunky počas mitózy a meiózy. Mikrotubuly sa podieľajú na udržiavaní tvaru bunky a usporiadaní organel (najmä Golgiho aparátu) v cytoplazme buniek.
Takmer vo všetkých eukaryotických bunkách v hyaloplazme je možné vidieť dlho nerozvetvené mikrotubuly. Vo veľkom množstve sa nachádzajú v cytoplazmatických procesoch nervových buniek, fibroblastov a iných buniek, ktoré menia svoj tvar. Môžu sa izolovať samy, alebo sa dajú izolovať proteíny, ktoré ich tvoria: sú to tie isté tubulíny so všetkými ich vlastnosťami.
Hlavná funkčná hodnota takýchto mikrotubulov cytoplazmy je vytvoriť elastický, ale zároveň stabilný intracelulárny skelet (cytoskelet), potrebný na udržanie tvaru bunky.
Medzi nemembránové organely patria mikrotubuly – rúrkovitý útvar rôznej dĺžky s vonkajším priemerom 24 nm, hrúbkou steny asi 5 nm a šírkou „lúmenu“ 15 nm. Vyskytujú sa vo voľnom stave v cytoplazme buniek alebo ako štruktúrne prvky bičíkov (spermie), mihalníc (ciliárny epitel priedušnice), mitotického vretienka a centrioly (deliace sa bunky).
Mikrotubuly sa vytvárajú zostavením (polymerizáciou) tubulínového proteínu. mikrotubuly polárny: sú v nich rozlíšené konce (+) a (-). Ich rast pochádza zo špeciálnej štruktúry nedeliacich sa buniek - organizačné centrum mikrotubulov, s ktorým je organela spojená koncom (-) a ktorý je reprezentovaný dvoma prvkami identickými štruktúrou s centrioly bunkového centra. Mikrotubuly sú predĺžené o pripojenie nových podjednotiek na konci (+). V počiatočnej fáze sa neurčuje smer rastu, ale z vytvorených mikrotubulov zostávajú tie, ktoré prídu do kontaktu s ich (+) koncom s vhodným terčom. V rastlinných bunkách, v ktorých sú prítomné mikrotubuly, neboli nájdené štruktúry ako centrioly.
Mikrotubuly sa podieľajú na:
- pri udržiavaní tvaru buniek,
- v organizácii ich motorickej aktivity (bičíky, mihalnice) a intracelulárneho transportu (chromozómy v anafáze mitózy).
Funkcie intracelulárnych molekulárnych motorov vykonávajú proteíny kinezín a dyneín, ktoré majú aktivitu enzýmu ATPázy. Počas bičíkového alebo ciliárneho pohybu sa molekuly dyneínu, ktoré sa viažu na mikrotubuly a využívajú energiu ATP, pohybujú po svojom povrchu smerom k bazálnemu telu, teda ku koncu (-). Vzájomné posunutie mikrotubulov spôsobuje vlnovité pohyby bičíka alebo riasiniek, čo vedie k pohybu bunky v priestore. V prípade nepohyblivých buniek, ako je riasinkový epitel priedušnice, sa opísaný mechanizmus používa na odstránenie hlienu z dýchacieho traktu s časticami, ktoré sa v ňom usadzujú (drenážna funkcia).
Účasť mikrotubulov na organizácii intracelulárnych transportov ilustruje pohyb vezikúl (vezikúl) v cytoplazme. Molekuly kinezínu a dyneínu obsahujú dve globulárne „hlavy“ a „chvosty“ vo forme proteínových reťazcov. Pomocou hláv sú proteíny v kontakte s mikrotubulmi a pohybujú sa pozdĺž ich povrchu: kinezín od konca (-) ku koncu (+) a dyneín v opačnom smere. Zároveň za sebou ťahajú bubliny pripevnené k „chvostom“. Predpokladá sa, že makromolekulárna organizácia „chvostov“ je variabilná, čo zabezpečuje rozpoznávanie rôznych transportovaných štruktúr.
S mikrotubulmi ako podstatnou zložkou mitotického aparátu je spojená divergencia centriolov k pólom deliacej sa bunky a pohyb chromozómov v anafáze mitózy. Živočíšne bunky, bunky časti rastlín, húb a rias sa vyznačujú bunkovým centrom (diplozómom) tvoreným dvoma centrioles. Pod elektrónovým mikroskopom vyzerá centriol ako „dutý“ valec s priemerom 150 nm a dĺžkou 300-500 nm. Stenu valca tvorí 27 mikrotubulov zoskupených do 9 trojíc. Funkcia centriol, podobnej štruktúre ako prvky centra organizácie mikrotubulov (pozri tu vyššie), zahŕňa tvorbu filamentov mitotického vretienka (deliace vreteno, achromatínové vreteno klasickej cytológie), čo sú mikrotubuly . Centrioly polarizujú proces bunkového delenia a poskytujú pravidelnú divergenciu k jeho pólom sesterských chromatidov (dcérskych chromozómov) v anafáze mitózy
Štruktúra kinezínu (a) a transport vezikúl pozdĺž mikrotubulu (b)
Okolo každého centriolu je bezštruktúrna alebo jemne vláknitá matrica. Často môžete nájsť niekoľko ďalších štruktúr spojených s centriolami: satelity (satelity), ohniská konvergencie mikrotubulov, ďalšie mikrotubuly, ktoré tvoria špeciálnu zónu, centrosféru okolo centriolu.
| Názov parametra | Význam |
| Predmet článku: | mikrotubuly |
| Rubrika (tematická kategória) | Ekológia |
Všeobecné charakteristiky mikrotubulov. K základným zložkám cytoskeletu patria mikrotubuly (obr. 265), vláknité nerozvetvujúce sa štruktúry, hrubé 25 nm, pozostávajúce z tubulínových proteínov a ich pridružených proteínov. Počas polymerizácie tubulíny vytvárajú duté trubice (mikrotubuly), ktoré môžu byť dlhé niekoľko mikrónov a najdlhšie mikrotubuly sa nachádzajú v axoneme chvosta spermií.
Mikrotubuly sa nachádzajú v cytoplazme medzifázových buniek jednotlivo, v malých voľných zväzkoch alebo vo forme husto zbalených útvarov v zložení centriol, bazálnych teliesok v mihalniciach a bičíkoch. Počas delenia buniek je väčšina mikrotubulov bunky súčasťou deliaceho vretienka.
Štruktúrou sú mikrotubuly dlhé duté valce s vonkajším priemerom 25 nm (obr. 266). Stena mikrotubulov pozostáva z polymerizovaných tubulínových proteínových molekúl. Pri polymerizácii tvoria molekuly tubulínu 13 pozdĺžnych protofilamentov, ktoré sú stočené do dutej rúrky (obr. 267). Veľkosť tubulínového monoméru je asi 5 nm, čo sa rovná hrúbke steny mikrotubulu, v priereze ktorej je viditeľných 13 globulárnych molekúl.
Molekula tubulínu je heterodimér pozostávajúci z dvoch rôznych podjednotiek, a-tubulínu a b-tubulínu, ktoré po spojení tvoria samotný tubulínový proteín, spočiatku polarizovaný. Obe podjednotky tubulínového monoméru sú naviazané na GTP, avšak GTP na a-podjednotke nepodlieha hydrolýze, na rozdiel od GTP na b-podjednotke, kde sa GTP počas polymerizácie hydrolyzuje na GDP. Počas polymerizácie sa molekuly tubulínu spájajú takým spôsobom, že a-podjednotka nasledujúceho proteínu sa spája s b-podjednotkou jedného proteínu atď. V dôsledku toho jednotlivé protofibrily vznikajú ako polárne vlákna, a preto je celý mikrotubul tiež polárnou štruktúrou s rýchlo rastúcim (+) koncom a pomaly rastúcim (-) koncom (obr. 268).
Pri dostatočnej koncentrácii proteínu dochádza k polymerizácii spontánne. Ale počas spontánnej polymerizácie tubulínov dochádza k hydrolýze jednej molekuly GTP asociovanej s b-tubulínom. Počas rastu mikrotubulov dochádza k rýchlejšej väzbe tubulínu na rastúcom (+) konci. Ak je však koncentrácia tubulínu nedostatočná, mikrotubuly možno z oboch koncov rozobrať. Demontáž mikrotubulov je uľahčená znížením teploty a prítomnosťou iónov Ca++.
Mikrotubuly sú veľmi dynamické štruktúry, ktoré sa môžu pomerne rýchlo objaviť a rozložiť. Izolované mikrotubuly obsahujú ďalšie s nimi spojené proteíny, takzvané mikrotubuly. MAP proteíny (MAP - mikrotubulárne akcesorické proteíny). Tieto proteíny stabilizáciou mikrotubulov urýchľujú proces polymerizácie tubulínu (obr. 269).
Úloha cytoplazmatických mikrotubulov je redukovaná na dve funkcie: kostrovú a motorickú. Úlohou kostry, lešenia, je v podstate to, že umiestnenie mikrotubulov v cytoplazme stabilizuje tvar bunky; pri rozpúšťaní mikrotubulov majú bunky, ktoré mali zložitý tvar, tendenciu nadobúdať tvar gule. Motorická úloha mikrotubulov nespočíva len v tom, že vytvárajú usporiadaný, vektorový, systém pohybu. Cytoplazmatické mikrotubuly v spojení so špecifickými pridruženými motorickými proteínmi tvoria komplexy ATPázy schopné poháňať bunkové komponenty.
Takmer vo všetkých eukaryotických bunkách možno v hyaloplazme vidieť dlhé nerozvetvené mikrotubuly. Vo veľkom množstve sa nachádzajú v cytoplazmatických procesoch nervových buniek, v procesoch melanocytov, améb a iných buniek, ktoré menia svoj tvar (obr. 270). Οʜᴎ sa izolujú samy o sebe, alebo je možné izolovať ich tvoriace sa proteíny: ide o rovnaké tubulíny so všetkými ich vlastnosťami.
organizačné centrá mikrotubulov. Rast mikrotubulov cytoplazmy prebieha polárne: (+) koniec mikrotubulu rastie. Životnosť mikrotubulov je veľmi krátka, v súvislosti s tým neustále vznikajú nové mikrotubuly. Proces začatia polymerizácie tubulínov, nukleácia, prebieha v jasne vymedzených oblastiach bunky, v tzv. centrá organizujúce mikrotubuly (MOTC). V zónach CMTC dochádza k ukladaniu krátkych mikrotubulov, ktorých (-) konce smerujú k CMTC. Predpokladá sa, že (--)-konce v zónach COMT sú blokované špeciálnymi proteínmi, ktoré zabraňujú alebo obmedzujú depolymerizáciu tubulínov. Z tohto dôvodu pri dostatočnom množstve voľného tubulínu dôjde k zväčšeniu dĺžky mikrotubulov siahajúcich od COMT. Ako COMT v živočíšnych bunkách sú zahrnuté hlavne bunkové centrá obsahujúce centrioly, ako bude diskutované nižšie. Okrem toho môže jadrová zóna slúžiť ako CMT a počas mitózy póly deliaceho vretena.
Jedným z účelov cytoplazmatických mikrotubulov je vytvorenie elastického, no zároveň stabilného vnútrobunkového skeletu, ktorý je mimoriadne dôležitý pre udržanie tvaru bunky. V diskovitých erytrocytoch obojživelníkov leží pozdĺž bunkového obvodu turniket kruhovo uložených mikrotubulov; zväzky mikrotubulov sú charakteristické pre rôzne výrastky cytoplazmy (axopódie prvokov, axóny nervových buniek atď.).
Úlohou mikrotubulov je vytvoriť lešenie na podporu bunkového tela, stabilizovať a posilniť bunkové výrastky. Mikrotubuly sa zároveň podieľajú na procesoch rastu buniek. V rastlinách sa teda v procese predlžovania buniek, keď dochádza k výraznému zvýšeniu objemu buniek v dôsledku zvýšenia centrálnej vakuoly, objavuje veľké množstvo mikrotubulov v periférnych vrstvách cytoplazmy. V tomto prípade sa zdá, že mikrotubuly, ako aj bunková stena rastúca v tomto čase, zosilňujú a mechanicky posilňujú cytoplazmu.
Vytvorením vnútrobunkového skeletu sú mikrotubuly faktormi orientovaného pohybu vnútrobunkových komponentov, určujúc ich umiestnenie priestoru pre usmernené toky rôznych látok a pre pohyb veľkých štruktúr.
Hostené na ref.rf
V prípade rybích melanofórov (bunky obsahujúce pigment melanín) sa teda počas rastu bunkových procesov granule pigmentu pohybujú po zväzkoch mikrotubulov.
V axónoch živých nervových buniek možno pozorovať pohyb rôznych malých vakuol a granúl, ktoré sa pohybujú ako z tela bunky do nervového zakončenia (anterográdny transport), tak aj v opačnom smere (retrográdny transport).
Izolovali sa proteíny zodpovedné za pohyb vakuol. Jedným z nich je kinezín, proteín s molekulovou hmotnosťou približne 300 000.
Existuje celá rodina kinezínov. Cytosolické kinezíny sa teda podieľajú na transporte vezikúl, lyzozómov a iných membránových organel cez mikrotubuly. Mnohé z kinezínov sa viažu špecificky na ich náklad. Niektorí sa teda podieľajú na prenose iba mitochondrií, iní iba synaptických vezikúl. Kinezíny sa viažu na membrány prostredníctvom membránových proteínových komplexov – kinetínov. Vretienkové kinezíny sa podieľajú na tvorbe tejto štruktúry a na segregácii chromozómov.
Ďalší proteín, cytoplazmatický dyneín, je zodpovedný za retrográdny transport v axóne (obr. 275). Pozostáva z dvoch ťažkých reťazcov – hláv, ktoré interagujú s mikrotubulmi, niekoľkých intermediárnych a ľahkých reťazcov, ktoré sa viažu na membránové vakuoly. Cytoplazmatický dyneín je motorický proteín, ktorý prenáša záťaž na mínus koniec mikrotubulov. Dyneíny sa tiež delia do dvoch tried: cytosolické – podieľajú sa na prenose vakuol a chromozómov a axonemické – zodpovedné za pohyb mihalníc a bičíkov.
Cytoplazmatické dynezíny a kinezíny boli nájdené prakticky vo všetkých typoch živočíšnych a rastlinných buniek.
Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ a v cytoplazme sa pohyb uskutočňuje podľa princípu posuvných nití, len sa nepohybujú vlákna pozdĺž mikrotubulov, ale krátke molekuly - hybné prostriedky spojené s pohyblivými bunkovými zložkami. Podobnosť s aktomyozínovým komplexom tohto systému vnútrobunkového transportu spočíva v tom, že vzniká dvojitý komplex (mikrotubul + mover), ktorý má vysokú aktivitu ATPázy.
Ako je možné vidieť, mikrotubuly tvoria v bunke radiálne sa rozbiehajúce polarizované vlákna, ktorých (+)-konce sú nasmerované zo stredu bunky na perifériu. Prítomnosť (+) a (-)-riadených motorických proteínov (kinezínov a dynezínov) vytvára možnosť prenosu jej zložiek v bunke z periférie do centra (endocytické vakuoly, recyklácia ER vakuol a Golgiho aparát , atď.) a od centra k periférii (ER vakuoly, lyzozómy, sekrečné vakuoly atď.) (obr. 276). Táto polarita transportu je vytvorená vďaka organizácii systému mikrotubulov, ktoré vznikajú v centrách ich organizácie, v bunkovom centre.
Mikrotubuly - pojem a typy. Klasifikácia a vlastnosti kategórie "Mikrotubuly" 2017, 2018.
