Окрему групу білків цитоскелета складають білки мікротрубочок. До них відносяться тубулін, білки, асоційовані з мікротрубочками (МАР 1, МАР 2, МАР 4, тау та ін) та білки - транслокатори (дінеїн, кінезин, динамін). Мікротрубочки - це білкові трубчасті структури діаметром близько 25 нм і завдовжки кілька десятків мікрометрів; товщина стінок – близько 6 нм. Вони є обов'язковим компонентом цитоплазми еукаріотів. Мікротрубочки утворюють веретено поділу (ахроматинову фігуру) в мітозі та в мейозі, аксонему (центральну структуру) рухливих вій і джгутиків, стінку центріолей та базальних тілець. Мікротрубочкам відводиться важлива, якщо не ключова, роль клітинного морфогенезу і в деяких видах клітинної рухливості.
Стіни мікротрубучок побудовані з білка тубуліна, частку якого припадає 90% за вагою. Тубулін – це глобулярний білок, який існує у вигляді димеру α- та β-субодиниць з молекулярною масою ~55 кДа. Мікротрубочка має форму порожнистого циліндра, стінка якого складається з лінійних ланцюжків тубулінових димерів, так званих протофіламентів. У протофіламентах α-суодиниця попереднього димера з'єднана з β-субодиницею наступного. Димери в сусідніх протофіламентах зміщені один до одного, утворюючи спіральні ряди. На попереченому зрізі видно 13 димерів тубуліна, що відповідає 13 протофіламентів
стінці мікротрубочки (рис. 9). Кожна субодиниця містить близько 450 амінокислот та амінокислотні послідовності субодиниць гомологічні один одному приблизно на 40%. Тубулін – ГТФзв'язуючий білок, причому β-субодиниця містить лабільно зв'язану молекулу ГТФ або ГДФ, здатну обмінюватися з ГТФ у розчині, а α-субодиниця – міцно пов'язану молекулу ГТФ.
Мал. 9. Будова мікротрубочки.
Тубулін здатний до спонтанної полімеризації in vitro. Така полімеризація можлива за фізіологічних температур і сприятливих іонних умов (відсутність іонів Ca2+) і потребує наявності двох факторів: високої концентрації тубуліна та присутності ГТФ. Полімеризація супроводжується гідролізом ГТФ, і тубулін у складі мікротрубочки залишається пов'язаним із ГДФ, а неорганічний фосфат виходить у розчин.
Полімеризація тубуліна складається з двох фаз: нуклеації та елонгації. При нуклеації відбувається формування затравок, а при
елонгації - їх подовження з утворенням мікротрубочок. Слід зазначити, що при полімеризації тубуліна субодиниці додаються тільки по кінцях мікротрубочок.
Протилежні кінці мікротрубочок різняться за швидкостями зростання. Швидкозростаючий кінець прийнято називати плюскінцем, а повільнозростаючий - мінус-кінцем мікротрубочки (див. рис. 9). У клітині (-)-кінці мікротрубочок, як правило, асоційовані з центросомою, а (+)-кінці спрямовані до периферії і нерідко доходять до краю клітини.
Мікротрубочки схильнідинамічної нестабільності.
При постійній кількості полімеру відбувається спонтанне зростання або вкорочення окремих мікротрубочок аж до повного їх зникнення. Через запізнення гідролізу ГТФ по відношенню до вбудовування тубуліна на кінці мікротрубочки, що знаходиться в процесі росту, формується ГТФ-кеп, що складається з 9-18 молекул ГТФ-тубуліна. ГТФ-кеп стабілізує кінець мікротрубочки та сприяє її подальшому зростанню. Якщо ж швидкість включення нових гетеродимерів виявляється меншою за швидкість гідролізу ГТФ або у разі механічного розриву мікротрубочки, утворюється кінець, позбавлений ГТФ-кепа. Такий кінець має знижену спорідненість до нових молекул тубуліна; він починає розбиратися.
Полімеризацію та деполімеризацію мікротрубочок індукують змінами температури, іонних умов або використанням спеціальних хімічних агентів. Серед речовин, що викликають незворотне розбирання, широко використовуються індольні алкалоїди (колхіцин, вінбластин, вінкристин та ін).
БІЛКИ, АСОЦІЙОВАНІ З МІКРОТРУБОЧКАМИ
Білки, асоційовані з мікротрубочками, діляться на дві групи: структурні МАР (microtubule-associated proteins) та білки-
транслокатори.
Структурні МАР
Загальною властивістю структурних МАР є їхня перманентна асоціація з мікротрубочками. Ще однією загальною властивістю цієї групи білків є те, що на відміну від білків-транслокаторів при взаємодії з тубуліном всі вони зв'язуються з С-кінцевою частиною молекули розміром близько 4 кДа.
Розрізняють високомолекулярні МАР 1 і МАР 2, білки тау з молекулярною масою близько 60-70 кДа та МАР 4 або МАР U з молекулярною масою близько 200 кДа.
Так, молекула МАР 1В (представник групи білків МАР 1) – це стехіометричний комплекс одного важкого та двох легких ланцюгів, являє собою витягнуту паличкоподібну молекулу довжиною 190 нм, що має на одному кінці глобулярний домен діаметром 10 нм (мабуть, ділянку зв'язування з мікрот ); його молекулярна маса становить 255.5 кДа.
БЕРЕЗЬ 2 – термостабільний білок. Він зберігає здатність взаємодіяти з мікротрубочками і залишатися в їх складі в кількох циклах зборки-розбирання після нагрівання до 90о.
Структурні МАР здатні стимулювати ініціацію та елонгацію та стабілізувати готові мікротрубочки; зшивати мікротрубочки в пучки. У такому зшиванні беруть участь короткі α-
спіральні гідрофобні послідовності на N-кінці МАР та тау, що замикають молекули МАР, що сидять на сусідніх мікротрубочках, на кшталт застібки «блискавка». Біологічна роль такого зшивання може полягати у стабілізації структур, утворених мікротрубочками у клітині.
На сьогоднішній день експериментальними дослідженнями встановлено, що крім регуляції динаміки мікротрубочок структурні МАР мають ще дві основні функції: клітинний морфогенез та участь у взаємодії мікротрубочок з іншими внутрішньоклітинними структурами.
Білки-транслокатори
До відмінної особливості білків цієї групи відноситься властивість перетворювати енергію АТФ на механічне зусилля, здатне переміщати частинки вздовж мікротрубочок або мікротрубочки вздовж субстрату. Відповідно транслокатори є механохімічними АТФазами, та його АТФазна активність стимулюється микротрубочками. На відміну від структурних МАР, транслокатори асоційовані мікротрубочками тільки в момент АТФ-залежного переміщення.
Білки-транслокатори поділяються на дві групи: кінезиноподібні білки (опосередковують рух від (–)-кінця до (+)-кінця мікротрубочок) та динеїноподібні білки (рух від (+)-кінця до (–)- кінця мікротрубочок) (рис. 10). ).
Кінезин є тетрамером двох легких (62 кДа) і двох важких (120 кДа) поліпептидних ланцюгів. Молекула кінезину
має форму стрижня діаметром 2-4 нм та довжиною 80-100 нм з двома глобулярними головками на одному кінці та віялоподібним розширенням на іншому (рис. 11).
Мал. 10. Білки-транслокатори.
У середині стрижня знаходиться шарнірна ділянка. N-Кінцевий фрагмент важкого ланцюга розміром близько 50 кДа, що має механохімічну активність, називається моторним доменом кінезину.
Мал. 11. Будова молекули кінезину.
Загальна характеристика мікротрубочок.До обов'язкових компонентів цитоскелета відносяться мікротрубочки (рис. 265), нитчасті структури, що не гілкуються, товщиною 25 нм, що складаються з білків-тубулінів і асоційованих з ними білків. Тубуліни при полімеризації утворюють порожнисті трубки (мікротрубочки), довжина яких може досягати декількох мкм, а найдовші мікротрубочки зустрічаються у складі аксонеми хвостів сперміїв.
Мікротрубочки розташовуються в цитоплазмі інтерфазних клітин поодинці, невеликими пухкими пучками, або у вигляді щільноупакованих утворень у складі центріолей, базальних тілець в війках і джгутиках. При розподілі клітин більшість мікротрубочок клітини входить до складу веретена поділу.
За будовою мікротрубочки є довгі порожнисті циліндри із зовнішнім діаметром 25 нм (рис. 266). Стінка мікротрубочок складається з полімеризованих молекул білка тубуліна. При полімеризації молекули тубуліна утворюють 13 поздовжніх протофіламентів, які скручуються в порожнисту трубку (рис. 267). Розмір мономеру тубуліна становить близько 5 нм, що дорівнює товщині стінки мікротрубочки, у поперечному перерізі якої видно 13 глобулярних молекул.
Молекула тубуліна є гетеродимером, що складається з двох різних суб'єдниць, з a-тубуліна і b-тубуліна, які при асоціації утворюють власне білок тубулін, спочатку поляризований. Обидві субодиниці мономеру тубуліна пов'язані з ГТФ, проте на a-субодиниці ГТФ не піддається гідролізу, на відміну від ГТФ на b-субодиниці, де при полімеризації відбувається гідроліз ГТФ до ГДФ. При полімеризації молекули тубуліна поєднуються таким чином, що з b-субодиницею одного білка асоціює a-субодиниця наступного білка і т.д. Отже, окремі протофібрили виникають як полярні нитки, і відповідно вся мікротрубочка теж є полярною структурою, що має швидко зростаючий (+)-кінець і кінець, що повільно зростає (-) (рис. 268).
При достатній концентрації білка полімеризація відбувається спонтанно. Але при спонтанній полімеризації тубулінів відбувається гідроліз однієї молекули ГТФ, пов'язаної з b-тубуліном. Під час нарощування довжини мікротрубочки зв'язування тубулінів відбувається з більшою швидкістю на зростаючому (+) кінці. Але за недостатньої концентрації тубуліна мікротрубочки можуть розбиратися з обох кінців. Розбиранню мікротрубочок сприяє зниження температури та наявність іонів Са++.
Мікротрубочки є дуже динамічними структурами, які можуть досить швидко виникати та розбиратися. У складі виділених мікротрубочок виявляються асоційовані із нею додаткові білки, т.зв. МАР-білки (МАР- microtubule accessory proteins). Ці білки, стабілізуючи мікротрубочки, прискорюють процес полімеризації тубуліна (рис. 269).
Роль цитоплазматичних мікротрубочок зводиться до виконання двох функцій: скелетної та рухової. Скелетна, каркасна, роль полягає в тому, що розташування мікротрубочок у цитоплазмі стабілізує форму клітини; при розчиненні мікротрубочок клітини, що мали складну форму, прагнуть набути форми кулі. Рухова роль мікротрубочок полягає не тільки в тому, що вони створюють впорядковану, векторну систему руху. Мікротрубочки цитоплазми в асоціації зі специфічними асоційованими моторними білками утворюють АТФ-азні комплекси, здатні приводити в рух клітинні компоненти.
Практично у всіх еукаріотичних клітинах в гіалоплазмі можна бачити довгі мікротрубочки, що не гілкуються. У великих кількостях вони виявляються в цитоплазматичних відростках нервових клітин, у відростках меланоцитів, амеб та інших клітинах, що змінюють свою форму (рис. 270). Вони можуть бути виділені самі або можна виділити їх утворюють білки: це ті ж тубуліни з усіма їх властивостями.
Центри організації мікротрубочок.Зростання мікротрубочок цитоплазми відбувається полярно: збільшується (+)-кінець мікротрубочки. Час життя мікротрубочок дуже короткий, тому постійно відбувається утворення нових мікротрубочок. Процес початку полімеризації тубулінів, нуклеація, відбувається у чітко обмежених ділянках клітини, у т.зв. центрах організації мікротрубочок (ЦОМТ). У зонах ЦОМТ відбувається закладка коротких мікротрубочок, звернених своїми (-)-кінцями до ЦОМТ. Вважається, що в зонах ЦОМТ (--)-кінці заблоковані спеціальними білками, що запобігають або обмежують деполімеризацію тубулінів. Тому за достатньої кількості вільного тубуліна відбуватиметься нарощування довжини мікротрубочок, що відходять від ЦОМТ. Як ЦОМТ у клітинах тварин беруть участь головним чином клітинні центри, що містять центріолі, про що буде сказано далі. Крім того, як ЦОМТ може служити ядерна зона, і під час мітозу полюса веретена поділу.
Одним із призначень мікротрубочок цитоплазми полягає у створенні еластичного, але одночасно стійкого внутрішньоклітинного скелета, необхідного для підтримки форми клітини. У дископодібних формою еритроцитів амфібій по периферії клітини лежить джгут циркулярно покладених мікротрубочок; Пучки мікротрубочок характерні для різних виростів цитоплазми (аксоподії найпростіших, аксони нервових клітин тощо).
Роль мікротрубочок полягає в освіті каркаса для підтримки клітинного тіла, для стабілізації та зміцнення клітинних виростів. Крім того, мікротрубочки беруть участь у процесах росту клітин. Так, у рослин у процесі розтягування клітин, коли за рахунок збільшення центральної вакуолі відбувається значне зростання обсягу клітин, велика кількість мікротрубочок з'являються в периферичних шарах цитоплазми. У цьому випадку мікротрубочки, так само як і клітинна стінка, що росте в цей час, як би армують, механічно зміцнюють цитоплазму.
Створюючи внутрішньоклітинний скелет, мікротрубочки є факторами орієнтованого руху внутрішньоклітинних компонентів, задаючи своїм розташуванням простору для спрямованих потоків різних речовин та переміщення великих структур. Так, у разі меланофорів (клітини, що містять пігмент меланін) риб при зростанні клітинних відростків гранули пігменту пересуваються вздовж пучків мікротрубочок.
В аксонах живих нервових клітин можна спостерігати переміщення різних дрібних вакуолей та гранул, які рухаються як від тіла клітини до нервового закінчення (антероградний транспорт), так і у протилежному напрямку (ретроградний транспорт).
Було виділено білки, відповідальні за рух вакуолей. Один із них кінезин, білок із молекулярною вагою близько 300 тис.
Існує ціла родина кінезинів. Так, цитозольні кінезини беруть участь у транспорті мікротрубочками везикул, лізосом та інших мембранних органел. Багато хто з кінезинів зв'язуються специфічно зі своїми вантажами. Так деякі беруть участь у перенесенні лише мітохондрій, інші – лише синаптичних пухирців. Кінезини зв'язуються з мембранами через мембранні білкові комплекси – кінектини. Кінезини веретена поділу беруть участь у освіті цієї структури та у розбіжності хромосом.
За ретроградний транспорт в аксон відповідає інший білок - цитоплазматичний дінеїн (рис. 275). Він складається з двох важких ланцюгів – головок, що взаємодіють із мікротрубочками, кількох проміжних та легких ланцюгів, які зв'язуються з мембранними вакуолями. Цитоплазматичний дінеїн є моторним білком, що переносить вантажі до мінус-кінця мікротрубочок. Дінеїни також поділяються на два класи: цитозольні - що беруть участь у перенесенні вакуолей і хромосом, і аксонемні - що відповідають за рух вій і джгутиків.
Цитоплазматичні дінеїни та кінезини були виявлені практично у всіх типах клітин тварин та рослин.
Таким чином, і в цитоплазмі рух здійснюється за принципом ковзних ниток, тільки вздовж мікротрубочок переміщуються не нитки, а короткі молекули - рушії, пов'язані з клітинними компонентами, що переміщаються. Подібність до актоміозинового комплексу цієї системи внутрішньоклітинного транспорту полягає в тому, що утворюється подвійний комплекс (мікротрубочка + рушій), що володіє високою АТФ-азною активністю.
Як видно, мікротрубочки утворюють в клітині поляризовані фібрили, що радіально розходяться, (+)-кінці яких спрямовані від центру клітини до периферії. Наявність же (+) і (-)-спрямованих моторних білків (кінезинів і дінеїнів) створює можливість для перенесення в клітині її компонентів як від периферії до центру (ендоцитозні вакуолі, рециклізація вакуолей ЕР та апарату Гольджі та ін), так і від центру до периферії (вакуолі ЕР, лізосоми, секреторні вакуолі та ін) (рис. 276). Така полярність транспорту створюється з допомогою організації системи мікротрубочок, що у центрах їх організації, у клітинному центрі.
Одним із обов'язкових компонентів цитоплазми рослинної клітини є мікротрубочки. У морфологічному відношенні мікротрубочки є довгими порожнистими циліндрами із зовнішнім діаметром 25 нм. Стінка мікротрубочок складається з полімеризованих молекул білка тубуліна. При полімеризації молекули тубуліна утворюють 13 поздовжніх протофіламентів, які скручуються в порожнисту трубку. Розмін мономеру тубуліна становить близько 5 нм, що дорівнює товщині стінки мікротрубочки, у поперечному перерізі якої видно 13 глобулярних молекул.
Мікротрубочка є полярною структурою, що має швидко зростаючий плюс-кінець і мінус-кінець, що повільно зростає.
Мікротрубочки є дуже динамічними структурами, які можуть досить швидко виникати та розбиратися. З використанням електронних систем посилення сигналу у світловому мікроскопі можна побачити, що у живої клітині мікротрубочки ростуть, коротшають, зникають, тобто. постійно перебувають у динамічній нестабільності. Виявилося, що середній час напівжиття цитоплазматичних мікротрубочок становить лише 5 хвилин. Так за 15 хв близько 80% всієї популяції мікротрубочок оновлюється. У складі веретена поділу мікротрубоски мають час життя близько 15-20 с. Однак 10-20% мікротрубочок залишаються відносно стабільними досить довгий час (до кількох годин).
Мікротрубочки - це структури, в яких 13 протофіламентів, що складаються з гетеродимерів - і -тубуліна, укладені по колу порожнистого циліндра. Зовнішній діаметр циліндра близько 25 нм, внутрішній – близько 15 нм.
Один із кінців мікротрубочки, званий плюс-кінцем, постійно приєднує до себе вільний тубулін. Від протилежного кінця – мінус-кінця – тубулінові одиниці відщеплюються.
В освіті мікротрубочки виділяють три фази:
сповільнена фаза, або нуклеація. Це етап зародження микротрубочки, коли молекули тубуліна починають з'єднуватися у великі освіти. Таке з'єднання відбувається повільніше, ніж приєднання тубуліна до вже зібраної мікротрубочку, тому фаза і називається уповільненою;
фаза полімеризації, або елонгація. Якщо концентрація вільного тубуліна висока, полімеризація відбувається швидше, ніж деполімеризація на мінус-кінці, за рахунок чого мікротрубочка подовжується. У міру її зростання концентрація тубуліна падає до критичної та швидкість зростання уповільнюється аж до вступу до наступної фази;
фаза стабільного стану. Деполімеризація врівноважує полімеризацію, і зростання мікротрубочки зупиняється.
Лабораторні дослідження показують, що складання мікротрубочок з тубулінів відбувається лише у присутності гуанозинтрифосфату та іонів магнію.
Рис.1. Стадії самоскладання мікротрубочок
Останнім часом процес збирання та розбирання мікротрубочок стали спостерігати в живих клітинах. Після введення в клітину мічених флуорохромами антитіл до тубуліну та при використанні електронних систем посилення сигналу у світловому мікроскопі можна бачити, що в живій клітині мікротрубочки ростуть, коротшають, зникають, тобто. постійно перебувають у динамічній нестабільності. Виявилося, що середній час напівжиття цитоплазматичних мікротрубочок становить лише 5 хв. Так, за 15 хв близько 80% усієї популяції мікротрубочок оновлюється. При цьому окремі мікротрубочки можуть на кінці, що зростає, повільно (4-7 мкм/хв) подовжуватися, а потім досить швидко (14-17 мкм/хв) укорочуватися. У живих клітинах мікротрубочки у складі веретена поділу мають час життя близько 15-20 с. Вважається, що динамічна нестабільність цитоплазматичних мікротрубочок пов'язана із затримкою гідролізу ГТФ, це призводить до того, що на плюс-кінці мікротрубочки утворюється зона, що містить негідролізовані нуклеотиди (ГТФ-ковпачок). У цій зоні молекули тубуліна пов'язуються з великою спорідненістю один до
другові, і, отже, швидкість зростання мікротрубочки зростає. Навпаки, при втраті цієї ділянки, мікротрубочки починають коротшати.
Однак 10-20% мікротрубочок залишаються відносно стабільними досить довгий час (до кількох годин). Така стабілізація спостерігається великою мірою диференційованих клітинах. Стабілізація мікротрубочок пов'язана або з модифікацією тубулінів або їх зв'язуванням з додатковими (MAP) білками мікротрубочок і з іншими клітинними компонентами.
Ацетилювання лізину у складі тубулінів значно збільшує стабільність мікротрубочок. Іншим прикладом модифікації тубулінів може бути видалення термінального тирозину, що також характерне для стабільних мікротрубочок. Ці модифікації оборотні.
Рис.2. Розташування мікротрубочок у цитоплазмі фібробласта (а), меланоцита (б) та нейрона (в)
Самі мікротрубочки не здатні до скорочення, однак вони є обов'язковими компонентами багатьох рухомих клітинних структур, таких як вії та джгутики, як веретено клітини під час мітозу, як мікротрубочки цитоплазми, які обов'язкові для цілого ряду внутрішньоклітинних транспортів, таких як екзоцитоз, рух мітохондрій та ін. .
У цілому ж роль цитоплазматичних мікротрубочок може бути зведена до двох функцій: скелетної та рухової. Скелетна, каркасна, роль полягає в тому, що розташування мікротрубочок у цитоплазмі стабілізує форму клітини; при розчиненні мікротрубочок клітини, що мали складну форму, прагнуть набути форми кулі. Рухова роль мікротрубочок полягає не тільки в тому, що вони створюють впорядковану, векторну систему руху. Мікротрубочки цитоплазми в асоціації зі специфічними асоційованими моторними білками утворюють АТФазні комплекси, здатні приводити в рух клітинні компоненти.
Практично у всіх еукаріотичних клітинах в гіалоплазмі можна бачити довгі мікротрубочки, що не гілкуються. У великих кількостях вони виявляються в цитоплазматичних відростках нервових клітин, у відростках меланоцитів, амеб та інших клітинах, що змінюють свою форму (рис. 270). Вони можуть бути виділені самі або можна виділити їх утворюють білки: це ті ж тубуліни з усіма їх властивостями.
Самі мікротрубочки не здатні до скорочення, проте вони є обов'язковими компонентами багатьох клітинних структур, що рухаються, таких як веретено клітини під час мітозу як мікротрубочки цитоплазми, які обов'язкові для цілого ряду внутрішньоклітинних транспортів, таких як екзоцитоз, рух мітохондрій та ін.
В цілому роль цитоплазматичних мікротрубочок може бути зведена до двох функцій: скелетної та рухової. Скелетна, каркасна, роль полягає в тому, що розташування мікротрубочок у цитоплазмі стабілізує форму клітини. Рухова роль мікротрубочок полягає не тільки в тому, що вони створюють впорядковану векторну систему руху. Мікротрубочки цитоплазми а асоціації зі специфічними асоційованими моторними білками утворюють АТФазні комплекси, здатні приводити в рух клітинні компоненти. Крім того, мікротрубочки беруть участь у процесах росту клітин. У рослин, в процесі розтягування клітин, коли за рахунок збільшення центральної вакуолі відбувається значне зростання обсягу клітин, велика кількість мікротрубочок з'являються в периферичних шарах цитоплазми. У цьому випадку мікротрубочки, так само як і клітинна стінка, що росте в цей час, як би армують, механічно зміцнюють цитоплазму.
Хімічний склад мікротрубочок
Мікротрубочки складаються з білків-тубулінів та асоційованих з ними білків. Молекула тубуліна є гетеродимером, що складається з двох різних суб'єдениць, які при асоціації утворюють власне білок тубулін, спочатку поляризований. При полімеризації молекули тубуліна поєднуються. Отже, окремі протофібрили виникають як полярні нитки, і відповідно вся мікротрубочка теж є полярною структурою, що має зростаючий плюс-кінець і мінус-кінець, що повільно зростає. При достатній концентрації білка полімеризація відбувається спонтанно. При спонтанній полімеризації тубулінів здійснюється гідроліз однієї молекули ГТФ. Під час нарощування довжини мікротрубочки зв'язування тубулінів йде з більшою швидкістю на зростаючому плюс-кінці. Але за недостатньої концентрації тубуліна мікротрубочки можуть розбиратися з обох кінців. Розбирання мікротрубочок сприяють зниження температури та наявність іонів Са 2 .
Існує низка речовин, які впливають на полімеризацію тубуліна. Так, алкалоїд колхіцин, що зв'язується з окремими молекулами тубуліна і рпедотвращает їх полімеризацію. Це призводить до падіння концентрації вільного тубуліна, здатного до полімеризації, що викликає швидке розбирання цитоплазматичних мікротрубочок і мікротрубочок веретена поділу. Таку ж дію мають колцемід і нокодозол, при відмиванні яких відбувається повне відновлення мікротрубочок. Стабілізуючу дію на мікротрубочки має таксол, який сприяє полімеризації тубуліна навіть за його низьких концентрацій. Також у складі мікротрубочок виявляються асоційовані із нею додаткові білки, звані МАР-белки. Ці білки, стабілізуючи мікротрубочки, прискорюють процес полімеризації тубуліна.
Функції мікротрубочок
Мікротрубочки в клітині використовуються як «рейки» для транспортування частинок. По їх поверхні можуть переміщатися мембранні бульбашки та мітохондрії. Транспортування мікротрубочками здійснюють білки, звані моторними. Це високомолекулярні сполуки, що складаються з двох важких (масою близько 300 кДа) та кількох легких кіл. У важких ланцюгах виділяють головний та хвостовий домени. Два головні домени зв'язуються з мікротрубочками і є власне двигунами, а хвостові зв'язуються з органелами та іншими внутрішньоклітинними утвореннями, що підлягають транспортуванню.
Виділяють два види моторних білків: цитоплазматичні динеїни; кінезини.
Дінеїни переміщують вантаж тільки від плюс-кінця до мінус-кінця мікротрубочки, тобто з периферійних областей клітини до центросоми. Кінезини, навпаки, переміщаються до плюс-кінця, тобто клітинної периферії.
Переміщення здійснюється рахунок енергії АТФ. Головні домени моторних білків для цього містять АТФ-зв'язувальні ділянки.
Крім транспортної функції, мікротрубочки формують центральну структуру вій і джгутиків - аксонему. Типова аксонема містить 9 пар об'єднаних мікротрубочок по периферії та дві повні мікротрубочки в центрі. З мікротрубочок складаються також центріолі та веретено поділу, що забезпечує розбіжність хромосом до полюсів клітини при мітозі та мейозі. Мікротрубочки беруть участь у підтримці форми клітини та розташування органоїдів (зокрема, апарату Гольджі) у цитоплазмі клітин.
Практично у всіх еукаріотичних клітинах у гіалоплазмі можна бачити довгі негалузеві мікротрубочки. У великих кількостях вони виявляються в цитоплазматичних відростках нервових клітин, фібробластів та інших клітин, що змінюють свою форму. Вони можуть бути виділені самі або можна виділити білки, що їх утворюють: це ті ж тубуліни з усіма їх властивостями.
Головне функціональне значеннятаких мікротрубочок цитоплазми полягає у створенні еластичного, але одночасно стійкого внутрішньоклітинного каркасу (цитоскелета), необхідного для підтримки форми клітини.
До органел немембранної будови відносять мікротрубочки - трубчастої форми утворення різної довжини із зовнішнім діаметром 24 нм, товщиною стінки близько 5 нм і шириною «просвіту» 15 нм. Вони зустрічаються у вільному стані в цитоплазмі клітин або як структурні елементи джгутиків (сперматозоїди), вій (миготливий епітелій трахеї), мітотичного веретена і центріолей (клітини, що діляться).
Мікротрубочки будуються шляхом збирання (полімеризації) білка тубуліна. Мікротрубочки полярні:у них виділяють кінці (+) та (-). Їх зростання походить від спеціальної структури клітин, що не діляться. центру організації мікротрубочок, з яким органела пов'язана кінцем (-) і який представлений двома елементами, ідентичними за будовою центріол клітинного центру. Подовження мікротрубочок відбувається шляхом приєднання нових субодиниць на кінці (+).У початковій фазі напрям зростання не визначено, але з мікротрубочок, що утворюються, зберігаються ті, які вступають в контакт своїм (+) кінцем з відповідною мішенню. У рослинних клітинах, у яких мікротрубочки є, структур типу центріолей не знайдено.
Мікротрубочки беруть участь:
- у підтримці форми клітин,
- в організації їхньої рухової активності (джгутики, вії) та внутрішньоклітинних транспортів (хромосоми в анафазі мітозу).
Функції внутрішньоклітинних молекулярних двигунів виконують білки кінезин та дінеїн, що мають активність ферменту АТФ-ази. При джгутиковому або війчастому русі молекули динеїну, прикріплюючись до мікротрубочок і використовуючи енергію АТФ, переміщаються по поверхні до базального тільця, тобто до кінця (-). Зміщення мікротрубочок один щодо одного викликає хвилеподібні рухи джгутика або вій, що спонукають клітину до переміщення в просторі. У разі нерухомих клітин, наприклад, війчастого епітелію трахеї, описаний механізм використовується для виведення з дихальних шляхів слизу з частинками, що осідають у ній (дренажна функція).
Участь мікротрубочок у створенні внутрішньоклітинних транспортів ілюструє переміщення у цитоплазмі бульбашок (везикул). Молекули кінезину та динеїну містять дві глобулярні «головки» і «хвости» у вигляді білкових ланцюгів. За допомогою головок білки контактують з мікротрубочками, переміщаючись по поверхні: кінезин від кінця (-) до кінця (+), а дінеїн у протилежному напрямку. При цьому вони тягнуть за собою бульбашки, прикріплені до хвостів. Імовірно, макромолекулярна організація «хвостів» варіабельна, чим забезпечується впізнавання різних структур, що транспортуються.
З мікротрубочками як обов'язковим компонентом мітотичного апарату пов'язують розбіжність центріолей до полюсів клітини, що ділиться, і переміщення хромосом в анафазі мітозу. Для тварин клітин, клітин частини рослин, грибів та водоростей характерний клітинний центр (диплосома), утворений двома центріолями. Під електронним мікроскопом центріоль має вигляд «порожнистого» циліндра діаметром 150 нм та довжиною 300-500 нм. Стінка циліндра утворена 27 мікротрубочками, згрупованими в 9 триплет. У функцію центріолей, подібних за структурою з елементами центру організації мікротрубочок (див. тут же, вище), входить утворення ниток мітотичного веретена (веретена поділу, ахроматинового веретена класичної цитології), що є мікротрубочками. Центріолі поляризують процес поділу клітини, забезпечуючи закономірну розбіжність до її полюсів сестринських хроматид (дочірніх хромосом) в анафазі мітозу.
Структура кінезину (а) та транспорт везикули по мікротрубочці (б)
Навколо кожної центріолі розташований безструктурний, або тонковолокнистий матрикс. Часто можна виявити кілька додаткових структур, пов'язаних із центріолями: супутники (сателіти), фокуси сходження мікротрубочок, додаткові мікротрубочки, що утворюють особливу зону, центросферу навколо центріолі.
| Найменування параметру | Значення |
| Тема статті: | Мікротрубочки |
| Рубрика (тематична категорія) | Екологія |
Загальна характеристика мікротрубочок.До обов'язкових компонентів цитоскелета відносяться мікротрубочки (рис. 265), нитчасті структури, що не гілкуються, товщиною 25 нм, що складаються з білків-тубулінів і асоційованих з ними білків. Тубуліни при полімеризації утворюють порожнисті трубки (мікротрубочки), довжина яких може досягати декількох мкм, а найдовші мікротрубочки зустрічаються у складі аксонеми хвостів сперміїв.
Мікротрубочки розташовуються в цитоплазмі інтерфазних клітин поодинці, невеликими пухкими пучками, або у вигляді щільноупакованих утворень у складі центріолей, базальних тілець в війках і джгутиках. При розподілі клітин більша частина мікротрубочок клітини входить до складу веретена поділу.
За будовою мікротрубочки являють собою довгі порожнисті циліндри із зовнішнім діаметром 25 нм (рис. 266). Стінка мікротрубочок складається з полімеризованих молекул білка тубуліна. При полімеризації молекули тубуліна утворюють 13 поздовжніх протофіламентів, які скручуються в порожнисту трубку (рис. 267). Розмір мономеру тубуліна становить близько 5 нм, рівного товщині стінки мікротрубочки, у поперечному перерізі якої видно 13 глобулярних молекул.
Молекула тубуліна є гетеродимером, що складається з двох різних суб'єдниць, з a-тубуліна і b-тубуліна, які при асоціації утворюють власне білок тубулін, спочатку поляризований. Обидві субодиниці мономеру тубуліна пов'язані з ГТФ, проте на a-субодиниці ГТФ не піддається гідролізу, на відміну від ГТФ на b-субодиниці, де при полімеризації відбувається гідроліз ГТФ до ГДФ. При полімеризації молекули тубуліна поєднуються таким чином, що з b-субодиницею одного білка асоціює a-субодиниця наступного білка і т.д. Отже, окремі протофібрили виникають як полярні нитки, і відповідно вся мікротрубочка теж є полярною структурою, що має швидко зростаючий (+)-кінець і кінець, що повільно зростає (-) (рис. 268).
При достатній концентрації білка полімеризація відбувається спонтанно. Але при спонтанній полімеризації тубулінів відбувається гідроліз однієї молекули ГТФ, пов'язаної з b-тубуліном. Під час нарощування довжини мікротрубочки зв'язування тубулінів відбувається з більшою швидкістю на зростаючому (+) кінці. Але за недостатньої концентрації тубуліна мікротрубочки можуть розбиратися з обох кінців. Розбиранню мікротрубочок сприяє зниження температури та наявність іонів Са++.
Мікротрубочки є дуже динамічними структурами, які можуть досить швидко виникати та розбиратися. У складі виділених мікротрубочок виявляються асоційовані з ними додаткові білки, т.зв. МАР-білки (МАР- microtubule accessory proteins). Ці білки, стабілізуючи мікротрубочки, прискорюють процес полімеризації тубуліна (рис. 269).
Роль цитоплазматичних мікротрубочок зводиться до виконання двох функцій: скелетної та рухової. Скелетна, каркасна, роль полягає по суті в тому, що розташування мікротрубочок у цитоплазмі стабілізує форму клітини; при розчиненні мікротрубочок клітини, що мали складну форму, прагнуть набути форми кулі. Рухова роль мікротрубочок полягає не тільки в тому, що вони створюють впорядковану, векторну систему руху. Мікротрубочки цитоплазми в асоціації зі специфічними асоційованими моторними білками утворюють АТФ-азні комплекси, здатні приводити в рух клітинні компоненти.
Практично у всіх еукаріотичних клітинах в гіалоплазмі можна бачити довгі мікротрубочки, що не гілкуються. У великих кількостях вони виявляються в цитоплазматичних відростках нервових клітин, у відростках меланоцитів, амеб та інших клітинах, що змінюють свою форму (рис. 270). Вони бувають виділені самі або ж можна виділити їх утворюють білки: це ті ж тубуліни з усіма їх властивостями.
Центри організації мікротрубочок.Зростання мікротрубочок цитоплазми відбувається полярно: збільшується (+)-кінець мікротрубочки. Час життя мікротрубочок дуже короткий, у зв'язку з цим постійно відбувається утворення нових мікротрубочок. Процес початку полімеризації тубулінів, нуклеація, відбувається у чітко обмежених ділянках клітини, у т.зв. центрах організації мікротрубочок (ЦОМТ). У зонах ЦОМТ відбувається закладка коротких мікротрубочок, звернених своїми (-)-кінцями до ЦОМТ. Вважається, що в зонах ЦОМТ (--)-кінці заблоковані спеціальними білками, що запобігають або обмежують деполімеризацію тубулінів. Тому при достатній кількості вільного тубуліна відбуватиметься нарощування довжини мікротрубочок, що відходять від ЦОМТ. Як ЦОМТ у клітинах тварин беруть участь головним чином клітинні центри, що містять центріолі, про що буде сказано далі. Крім того, як ЦОМТ може служити ядерна зона, і під час мітозу полюса веретена поділу.
Одним із призначень мікротрубочок цитоплазми полягає у створенні еластичного, але одночасно стійкого внутрішньоклітинного скелета, вкрай важливого для підтримки форми клітини. У дископодібних формою еритроцитів амфібій по периферії клітини лежить джгут циркулярно покладених мікротрубочок; Пучки мікротрубочок характерні для різних виростів цитоплазми (аксоподії найпростіших, аксони нервових клітин тощо).
Роль микротрубочек полягає у освіті каркаса підтримки клітинного тіла, для стабілізації і зміцнення клітинних виростів. Разом з тим мікротрубочки беруть участь у процесах росту клітин. Так, у рослин у процесі розтягування клітин, коли рахунок збільшення центральної вакуолі відбувається значне зростання обсягу клітин, великі кількості мікротрубочок з'являються в периферичних шарах цитоплазми. У цьому випадку мікротрубочки, так само як і клітинна стінка, що росте в цей час, як би армують, механічно зміцнюють цитоплазму.
Створюючи внутрішньоклітинний скелет, мікротрубочки є факторами орієнтованого руху внутрішньоклітинних компонентів, задаючи своїм розташуванням простору для спрямованих потоків різних речовин і для переміщення великих структур.
Розміщено на реф.
Так, у разі меланофорів (клітини, що містять пігмент меланін) риб при зростанні клітинних відростків гранули пігменту пересуваються вздовж пучків мікротрубочок.
В аксонах живих нервових клітин можна спостерігати переміщення різних дрібних вакуолей та гранул, які рухаються як від тіла клітини до нервового закінчення (антероградний транспорт), так і у протилежному напрямку (ретроградний транспорт).
Було виділено білки, відповідальні за рух вакуолей. Один із них кінезин, білок із молекулярною вагою близько 300 тис.
Існує ціле сімейство кінезинів. Так, цитозольні кінезини беруть участь у транспорті мікротрубочками везикул, лізосом та інших мембранних органел. Багато хто з кінезинів зв'язується специфічно зі своїми вантажами. Так деякі беруть участь у перенесенні тільки мітохондрій, інші – тільки синаптичних бульбашок. Кінезини зв'язуються з мембранами через мембранні білкові комплекси – кінектини. Кінезини веретена поділу беруть участь в утворенні цієї структури і в розбіжності хромосом.
За ретроградний транспорт в аксоні відповідає інший білок – цитоплазматичний дієїн (рис. 275). Він складається з двох важких ланцюгів – головок, що взаємодіють із мікротрубочками, кількох проміжних та легких ланцюгів, які зв'язуються з мембранними вакуолями. Цитоплазматичний динєїн є моторним білком, що переносить вантажі до мінус-кінця мікротрубочок. Диєїни також поділяються на два класи: цитозольні – що беруть участь у перенесенні вакуолей і хромосом, і аксонемні – відповідальні за рух вій і джгутиків.
Цитоплазматичні дієніни і кінезини були виявлені практично у всіх типах клітин тварин і рослин.
Τᴀᴋᴎᴎᴩᴀᴀᴈᴏᴍ, і в цитоплазмі рух здійснюється за принципом ковзних ниток, тільки вздовж мікротрубочок переміщуються не нитки, а короткі молекули - рушії, пов'язані з клітинними компонентами, що переміщаються. Подібність до актоміозинового комплексу цієї системи внутрішньоклітинного транспорту полягає по суті в тому, що утворюється подвійний комплекс (мікротрубочка + рушій), що володіє високою АТФ-азною активністю.
Як видно, мікротрубочки утворюють в клітині поляризовані фібрили, що радіально розходяться, (+)-кінці яких спрямовані від центру клітини до периферії. Наявність же (+) і (-)-спрямованих моторних білків (кінезинів і дієїнів) створює можливість для перенесення в клітині її компонентів як від периферії до центру (ендоцитозні вакуолі, рециклізація вакуолей ЕР та апарату Гольджі та ін), так та від центру до периферії (вакуолі ЕР, лізосоми, секреторні вакуолі та ін) (рис. 276). Така полярність транспорту створюється рахунок організації системи мікротрубочок, що у центрах їх організації, в клітинному центрі.
Мікротрубочки - поняття та види. Класифікація та особливості категорії "Мікротрубочки" 2017, 2018.
