WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 8 |

КЛЕТКА КАК РХИТЕКТУРНОЕ ЧУДО.

I. Живые нити.

Ю. М. ВАСИЛЬЕВ.

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова.

THE CELL AS A MIRACLE OF ARCHITECTURE I. LIVING FIBRILS YU. M. VASIL'E This paper discusses the principles of the organiza­tion of cytoskeleton, that is, ot the system ot three types of protein fibrils responsible for the shape and mobility of a cell. It is shown that depolymerization and poly­merization of these fibrils is the basis of cytoskele­ton dynamics. Molecular mechanisms of cytoskeletal fibrils movement and of cel­lular organelles movement along these fibrils are described. Examples of dif­ferent constructions being built in a cell from these fibrils are given.

В статье разбираются принципы организации цитоскелета системы из трех типов белковых ни­тей, определяющих фор­му и подвижность клетки. Показано, что основа ди­намики цитоскелета по­лимеризация и деполиме­ризация нитей. Описаны молекулярные механиз­мы движений нитей цито­скелета и движений кле­точных органелл вдоль этих нитей. Приведены примеры разнообразных конструкций, которые строятся в клетке из этих нитей.

ВВЕДЕНИЕ Каждый знает, что наш организм есть федерация огромного множества отдельных клеток. Однако мы часто недооцениваем тот простой факт, что каж­дая из этих клеток — сложный индивидуум, облада­ющий собственными принципами поведения. Если не понять эти принципы, нельзя разобраться во вза­имодействиях клеток в организме. Изучать поведе­ние отдельных клеток лучше всего, пользуясь мето­дом клеточных культур, то есть выделяя отдельные клетки из организма и помещая их в сосуд с пита­тельной средой. Если наблюдать эти клетки под ми­кроскопом и фиксировать их поведение на киноили видеопленке, то легко убедиться в том, что каж­дая клетка в такой культуре живет самостоятельной сложной жизнью: прикрепляется ко дну сосуда и ползает по этому дну (подложке), меняя свою фор­му и направление движения, выбрасывая и втягивая отростки. Внутри клеток отдельные пузырькиорганеллы все время движутся. Долго казалось, что ра­зобраться в механизмах этого сложного поведения клеток и их частей почти невозможно.

Замечательное достижение последних десятиле­тий — открытие и исследование системы структур, ответственных за подвижную архитектуру клетки, за ее движения и форму. Этой системой в клетках эукариот оказался цитоскелет — система белковых нитей, наполняющих цитоплазму (рис. 1). В этой статье я попытаюсь кратко рассказать о том, как ор­ганизован цитоскелет, каковы основные типы его конструкций.

ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ И ДЕПОЛИМЕРИЗАЦИЯ НИТЕЙ ОСНОВА ДИНАМИКИ ЦИТОСКЕЛЕТА Цитоскелет состоит из трех основных типов ни­тей, образующих три системы: микрофиламенты, микротрубочки и промежуточные филаменты. Каждый тип нитей состоит из одного—двух основ­ных белков: микрофиламенты — из актина, микро­трубочки — из тубулина, промежуточные филамен­ты — из специальных белков, различных в разных тканях: кератинов — в эпителиях, десмина — в мыш­цах, виментина — в тканях внутренней среды (со­единительной ткани, хряще, кости и др.), белков нейрофиламентов — в нейронах.

Рис. 1. Сеть актиновых микрофиламентов в цито­плазме культивируемой клетки (фибробласта). Микрофотография с трехмерной реплики цитоскелета под электронным микроскопом. Увеличе­ние 45000х. Уменьшение при печати в 1.6 раза. ПрепаратТ.М. Свиткиной.

Разумеется, белки цитоскелета, как и любые и деполимеризация молекул регулируются разными актинсвязывающими белками. Некоторые из таких белков присоединяются к одному концу нити, бло­кируя на этом конце полимеризацию и деполиме­ризацию, тогда рост и укорочение микрофиламента идут лишь на другом конце, не закрытом блоки­рующим белком. Некоторые специальные белки соединяют несколько мономеров в "зачаток" ни­ти, вызывают нуклеацию нового микрофиламен­та. В дальнейшем такие нити растут в одну сторону, обычно в сторону плюсконца. Специальные белки могут присоединяться к бокам нескольких микрофиламентов. При этом одни белки связывают микрофиламенты в сети, другие — в пучки.

Особую роль среди актинсвязывающих белков играют миозины, так как они могут двигаться по микрофиламенту. В настоящее время известна структура свыше 80 вариантов молекул миозинов. У всех миозинов молекула состоит из трех частей: головки, шейки и хвоста. Головка способна присое­диняться к боку актинового микрофиламента, и ес­ли снабжать эти головки поставляющим химичес­кую энергию веществом — АТФ, то головка движется вдоль микрофиламента, от плюс к ми­нусконцу, перескакивая с одного мономера на дру­гой. Этот процесс — основа очень многих движений в клетке. Характер этих движений во многом зави­сит от структуры того миозина, который его осуще­ствляет, от того, каковы у этой молекулы головки и хвосты. Например, молекула обычного миозина из поперечнополосатых мышц человека, так называе­мого миозина II, имеет длинный хвост. Переплета­ясь хвостами, эти молекулы образуют миозиновые филаменты с торчащими наружу многими головка­ми (рис. 3). В мышечной клетке очень стабильные актиновые микрофиламенты расположены парал­лельно друг другу на фиксированных расстояниях друг от друга и от миозиновых филаментов, поме­щающихся между ними. Прикрепляясь к актиновым филаментам, головки миозиновых нитей дви­жутся вдоль этих филаментов, и это скольжение — основа всех мышечных движений (см. рис. 3). У других миозинов, например у так называемых ми­озинов I, хвосты очень короткие. Поэтому такие миозины, в отличие от миозинов II, переплетаться хвостами и образовывать филаменты не могут. Вме­сто этого молекулы некоторых миозинов I могут по­одиночке прикрепляться своими короткими хвос­тами к мембранам разных органелл (например, митохондрий, лизосом и др.). Если головка той же молекулы одновременно прикрепится к актиновой нити, то она может двигать органеллу вдоль этой нити (см. рис. 3).



Комбинируя стандартные актиновые микрофи­ламенты с различными миозинами и другими ак­тинсвязывающими белками, клетка строит самые различные структуры, отличающиеся по архитекту­ре и подвижности. Мы уже упоминали об одной из таких структур — миофибрилле, образующейся в высоко специализированных мышечных клетках. Так как в мышце все нити строго параллельны друг другу, то их скольжение и сокращение всей мышцы идет в одном направлении и мышца может развить большое напряжение. У большинства других кле­ток, например в клетках соединительной ткани (фибробластах), клетках эпителия, лейкоцитах и других клетках, большая часть микрофиламентов образует другую структуру — актиновый кортекс, располагающийся под мембраной. Кортекс, подоб­но миофибрилле, может сокращаться за счет взаи­модействия актиновых микрофиламентов с миозиновыми молекулами. Однако, в отличие от миофибриллы, в кортексе микрофиламенты далеко не всегда параллельны друг другу, часто они образу­ют сложные сети. Поэтому сжатие кортекса идет обычно в нескольких направлениях. Кроме того, в кортексе, в отличие от миофибриллы, микрофила­менты очень динамичны; кортекс все время обнов­ляется и перестраивается путем полимеризациидеполимеризации нитей. Если средняя продолжи­тельность жизни микрофиламента в миофибрилле более 7 дней, то в кортексе лейкоцита — всего лишь 5с.

Основным и очень важным типом перестроек кортекса являются псевдоподиальные реакции:

Рис. 3. Взаимодействия актиновых микрофила­ментов (нити из синих кружков) с миозинами (красные структуры).

А схема движений в миофибрилле мышцы. Мо­лекулы миозина II соединены длинными хвостами в нить, из которой наружу торчат в разные сторо­ны головки. Головки миозиновых молекул движут­ся по двум параллельным актиновым нитям, вы­зывая скольжение этих нитей в двух противопо­ложных направлениях.

Б схема движения органеллы (зеленый круг) вдоль микрофиламента при помощи миозина I. Молекулы миозина I короткими хвостами при­креплены к мембране органеллы, а концами голо­вок к актиновой нити.

выбрасывание, прикрепление и сокращение псев­доподий. Рассмотрим подробнее эти реакции. При выбрасывании псевдоподии на поверхности клетки очень быстро, в течение нескольких минут или даже секунд, образуется вырост цитоплазмы. Такой вы­рост может иметь разную форму, например форму плоской пластинки (ламеллоподия), узкого цилин­дра (филоподия) или просто шаровидного пузыря. Внутреннее строение всех типов псевдоподий про­сто: они часто не содержат никаких структур, кроме кортикальных микрофиламентов. При этом в ламеллоподиях эти микрофиламенты образуют гус­тую уплощенную сеть, а в пузырях — менее упо­рядоченный слой под мембраной (рис. 4). Если микрошприцем инъецировать в клетку раствор мо­номеров актина, помеченных флуоресцирующей краской, а затем наблюдать такую клетку в флуорес­центном микроскопе, где краска ярко светится, то можно видеть, что микрофиламенты из меченых мономеров появляются раньше всего именно в псевдоподиях. Таким образом, псевдоподии явля­ются местом, где из мономеров полимеризуются микрофиламенты. Вероятно, под мембраной в этих местах концентрируются какието белки, вызываю­щие полимеризацию новых микрофиламентов, но пока природу этих белков мы еще точно не знаем.





Форма выпячивания может определяться тем, с какими белками свяжутся вновь возникшие микро­филаменты. Это подтверждается недавними опыта­ми Штосселя (Stossel Т. Science, 1993. V. 260. Р. 1086). Он обнаружил, что клетки одной из линий клеток в культуре выпячивают на поверхности лишь шаро­видные пузыри, но не ламеллоподии. Оказалось, что в геноме этих клеток отсутствовал ген, кодиру­ющий белок, который связывает актиновые микро­филаменты в сеть. Специальными методами генной инженерии исследователи ввели в клетки недостаю­щий ген, и тогда клетки стали делать не пузыри, а уп­лощенные ламелоподии. Таким образом, появление в актиновом кортексе одного дополнительного бел­ка направленно изменило архитектуру псевдоподий.

Поверхность конца выброшенной псевдоподии может прикрепиться к подложке, по которой ползет клетка. При этом образуется место прочного кон­такта, где определенные белки мембраны наруж­ным концом молекулы соединяются с белками, прикрепленными к подложке; внутренним концом та же молекула соединяется, через ряд промежуточ­ных звеньев, с актиновыми микрофиламентами псевдоподии.

Сразу после выбрасывания псевдоподия со­держит актин, а миозин II проникает в псевдопо­дию (диффундирует) из внутренней части клетки лишь несколько минут спустя. Взаимодействие ми­озинов с актиновыми нитями вызывает сокращение псевдоподии. Это сокращение может иметь разные последствия для клетки. Если псевдоподия не при­креплена к подложке, она втягивается и исчезает.

Рис. 4. Выросты поверхности клетки, образуе­мые актиновыми микрофиламентами (синие ли­нии).

А два варианта псевдоподий. /7пузырь, где под мембраной клетки имеется слой коротких микро­филаментов, не имеющий упорядоченной органи­зации. Л ламеллоподия пластинчатый вырост, где микрофиламенты соединены в упорядочен­ную сеть молекулами специального актинсвязывающего белка (изогнутые утолщенные линии). Б стереоцилии на поверхности двух соседних волосковых клеток улитки внутреннего уха. Верти­кальные параллельные актиновые микрофила­менты в каждой стереоцилии связаны друг с дру­гом и с клеточной мембраной молекулами миози­нов и других актинсвязывающих белков (горизонтальные красные линии). В одной клетке разные ряды стереоцилии имеют разную строго фиксированную длину. В соседних клетках стереоцилии соответствующих рядов (среднего и правого) также имеют разную фикси­рованную длину.

Напротив, если псевдоподия, выброшенная на од­ном из краев клетки, успела прочно прикрепиться к подложке, то сокращение ее смещает вперед все те­ло клетки. Повторяя псевдоподиальные реакции, клетка ползет по подложке. Если много псевдопо­дий на разных краях клетки выбрасываются и при­крепляются к подложке одновременно, то они, стремясь сократиться, натягиваются и растягивают клетку в разные стороны, уплощая ее форму. Этот процесс называют распластыванием.

Термин "псевдоподия" означает в переводе — ложная ножка. Это действительно ножка, которая двигает клетку вперед по подложке. Вместе с тем это ножка особая: в отличие от ноги человека псев­доподия может вырасти заново из тела клетки, об­разовать свои мышцы, сократиться и исчезнуть за считанные минуты. Как мы видели, эволюция псевдоподии является результатом серии сложных молекулярных реакций: полимеризации актиновых нитей, присоединения к этим нитям других белков, связывающих их в сети и вызывающих их перемещение, а также связывания нитей с белками мембраны.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 8 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.