Кресцентин - белок, который является бактериальным гомологом промежуточных филаментов эукариотических клеток. У тубулинов и актинов, главных цитоскелетных белков, есть прокариотические гомологи - белки FtsZ и MreB; также белки промежуточные филаменты эволюционно связаны с белком кресцентином.
Межкле́точные конта́кты - молекулярные комплексы, обеспечивающие соединения между смежными клетками или между клеткой и внеклеточным матриксом (ВКМ). Межклеточные контакты критически важны для жизнеспособности многоклеточных организмов. Среди контактов, опосредующих соединение двух клеток, выделяют плотные контакты, которые регулируют межклеточный транспорт и предотвращают диффузию мембранных белков; адгезивные контакты, которые связывают актиновый цитоскелет примыкающих друг к другу клеток; десмосомы...
Микрофибриллы или промежуточные филаменты , представляют собой тонкие (10 нм) неветвящиеся нити, локализующиеся преимущественно в кортикальном (подмембранном) слое цитоплазмы. Они состоят из белка, но разного в разных клетках (в эпителиальных клетках кератина, в фибробластах виментина, в мышечных клетках десмина и другие). Функциональная роль микрофибрилл состоит в участии, наряду с микротрубочками, в формировании клеточного каркаса, выполняя опорную функцию. В некоторых клетках (эпидермоциты кожи) микрофибриллы объединяются в пучки и образуют тонофибриллы, которые рассматриваются как специальные органеллы, выполняющие опорную роль.
В промежуточных филаментах обнаружено 5 основных типов белков: десмин, виментин, цитокератин (прекератин), белок глиальных филаментов, белок нейрофиламентов. В клетках мезенхимального происхождения промежуточные волокна состоят из виментина, в миогенных клетках – из десмина, в эпителиальных – из цитокератина, в клетках глии – из белка глии, в нервных клетках – из так называемых белков нейрофиламентов. Иммуногистохимическое изучение с помощью моноклональных антител белков промежуточных волокон в опухолевых клетках различных эпителиальных и мезенхимальных новообразований показало, что в них стойко сохраняются те белки, которые характерны для промежуточных волокон нормальных клеток, явившихся источником развития данной опухоли, причем сохранность белков не зависит от степени катаплазии опухолевых клеток и зрелости новообразования в целом.
Цитоскелет клетки представляет собой трехмерную сеть, в которой различные органеллы и растворимые белки связаны с микротрубочками. Главную роль в образовании цитоскелета играют микротрубочки, помимо них принимают участие актиновые, миозиновые и промежуточные филаменты . Микротрубочки, имеющиеся в цитоплазме всех эукариотических клеток, образованы белком тубулином. Микротрубочки образуют клеточный скелет (цитоскелет) и участвуют в транспорте веществ внутри клетки (рис. 6).
Внутренняя ядерная мембрана содержит сеть переплетающихся промежуточных (виментиновых) филаментов, связанных с ядерной пластинкой, к которой прикрепляются интерфазные хромосомы. Ядерная пластинка состоит из переплетенных промежуточных филаментов (ламинов) толщиной 80-100 нм, образующих кариоскелет.
Полудесмосо́мы (англ. Hemidesmosomes) - клеточные контакты, расположенные на базальной стороне мембраны эпителиальной клетки и связывающие её с внеклеточным матриксом. Точнее, полудесмосомы связывают сеть промежуточных филаментов эпителиальных клеток с внеклеточным матриксом при помощи трансмембранных рецепторов. Электронная микроскопия показала, что структуры десмосом и полудесмосом очень похожи (полудесмосома выглядит как половина десмосомы, за что эта структура и получила своё название), однако...
Цитоскеле́т прокарио́т - совокупное название для всех структурных филаментов прокариот. В прошлом считалось, что у прокариот цитоскелета нет, однако с начала 1990-х стали накапливаться данные о наличии у прокариот разнообразных филаментов. У прокариот не только имеются аналоги ключевых белков цитоскелета эукариот, но и белки, не имеющие аналогов у эукариот. Элементы цитоскелета играют важные роли в делении клеток, защите, поддержании формы и определении полярности у различных прокариот.
Расти́тельные кле́тки - эукариотические клетки, однако несколькими своими свойствами они отличаются от клеток остальных эукариот. К их отличительным чертам относят...
Десмосо́мы (англ. Desmosomes) - межклеточные контакты, обеспечивающие структурную целостность слоёв клеток за счёт связывания воедино их сетей промежуточных филаментов. Белковый состав десмосом немного различается в клетках разных типов и тканей. Десмосомы функционируют как адгезивные структуры, а также принимают участие в передаче сигналов. Нарушения в функционировани десмосом снижают прочность эпителиев, что приводит к разнообразным заболеваниям.
Кле́точная мембра́на (также цитолемма, плазмалемма, или плазматическая мембрана) - эластическая молекулярная структура, состоящая из белков и липидов. Отделяет содержимое любой клетки от внешней среды, обеспечивая её целостность; регулирует обмен между клеткой и средой; внутриклеточные мембраны разделяют клетку на специализированные замкнутые отсеки - компартменты или органеллы, в которых поддерживаются определённые условия среды.
Хлоропла́сты (от греч. χλωρός - «зелёный» и от πλαστός - вылепленный) - зелёные пластиды, которые встречаются в клетках фотосинтезирующих эукариот. С их помощью происходит фотосинтез. Хлоропласты содержат хлорофилл. У зелёных растений являются двумембранными органеллами. Под двойной мембраной имеются тилакоиды (мембранные образования, в которых находится электронтранспортная цепь хлоропластов). Тилакоиды высших растений группируются в граны, которые представляют собой стопки сплюснутых и тесно прижатых...
Эндомембра́нная систе́ма - система разнообразных мембран, располагающихся в цитоплазме эукариотической клетки (исключая мембраны митохондрий, пероксисом и хлоропластов). Эти мембраны делят клетку на функциональные компартменты, или органеллы. К компонентам эндомембранной системы относят ядерную оболочку, эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, лизосомы, везикулы, вакуоли и клеточную мембрану. Мембраны эндомембранной системы составляют единую функциональную единицу и либо непосредственно соединяются...
Вне́шняя бактериа́льная мембра́на , или нару́жная бактериа́льная мембра́на (англ. bacterial outer membrane) - биологическая мембрана, располагающаяся поверх слоя пептидогликана у грамотрицательных бактерий. По составу она отличается от внутренней, клеточной мембраны. На её поверхности находятся липополисахариды, являющиеся антигенами грамотрицательных патогенных бактерий.
Органеллы (от орган и др.-греч. εἶδος - вид), - постоянные компоненты клетки, жизненно необходимые для её существования. Органеллы располагаются во внутренней части клетки - цитоплазме, в которой, наряду с органеллами, могут находиться различные включения.
Кле́тка - структурно-функциональная элементарная единица строения и жизнедеятельности всех организмов (кроме вирусов и вироидов - форм жизни, не имеющих клеточного строения). Обладает собственным обменом веществ, способна к самовоспроизведению. Организм, состоящий из одной клетки, называется одноклеточным (многие простейшие и бактерии). Раздел биологии, занимающийся изучением строения и жизнедеятельности клеток, называется цитологией. Также принято говорить о биологии клетки, или клеточной биологии...
Клеточная стенка - оболочка клетки, расположенная снаружи от цитоплазматической мембраны и выполняющая структурные, защитные и транспортные функции. Обнаруживается у большинства бактерий, архей, грибов и растений. Животные и многие простейшие не имеют клеточной стенки.
Грамотрица́тельные бакте́рии - бактерии, которые не окрашиваются кристаллическим фиолетовым при окрашивании по Граму. В отличие от грамположительных бактерий, которые сохраняют фиолетовую окраску даже после промывания обесцвечивающим растворителем (спирт), грамотрицательные полностью обесцвечиваются. После промывания растворителем при окрашивании по Граму добавляется контрастный краситель (обычно сафранин), который окрашивает все грамотрицательные бактерии в красный или розовый цвет. Это происходит...
Планктомице́ты (лат. Planctomycetes) - тип грамотрицательных бактерий, отличающихся уникальной клеточной структурой, а именно наличием сложной системы замкнутых мембран. В частности, у некоторых представителей нуклеоид находится в ядерном тельце, окружённом двойной мембраной. Некоторые виды осуществляют анаммокс - процесс анаэробного окисления аммиака, в ходе которого образуется элементарный азот).
Ретикулон ы (англ. reticulon, RTN - у позвоночных; у других эукариотов - ретикулоно-подобные белки, англ. reticulon-like proteins, RTNL) - семейство эволюционно-консервативных белков, преимущественно обнаруживаемых в эндоплазматическом ретикулуме и предположительно играющих роль в передвижении молекул между ретикулумом и комплексом Гольджи, формировании везикул, морфогенезе мембраны, однако этим их функции не ограничиваются, поскольку взаимодействия ретикулонов исследованы не до конца. Так, ретикулон...
Плазмоде́смы (англ. plasmodesmata) - цитоплазматические мостики, соединяющие соседние клетки растений. Плазмодесмы проходят через канальцы поровых полей первичной клеточной стенки. Благодаря плазмодесмам растительные клетки образуют многоклеточные структуры - симпласты, в пределах которых между клетками напрямую передаются ионы и малые молекулы (в том числе сигнальные молекулы). Плазмодесмы могут закрываться и открываться. Многие вирусы растений увеличивают размер пор плазмодесм, чтобы обеспечить...
Спектрин - это белок цитоскелета, который выстилает внутреннюю сторону плазматической мембраны многих типов клеток. Спектрин формирует длинные молекулы структурной сетки и играет важную роль в поддержании целостности клеточной мембраны и структуры цитоскелета. Как показала криоэлектронная томография, формируемая с участием спектрина сетка имеет гетерогенную структуру, которая меняется при растяжении клеточной мембраны.В определенных случаях черепно-мозговых травм, таких как диффузное аксональное...
Протеогликаны - сложные белки. Высокомолекулярные соединения, состоящие из белка (на белковую часть приходится 5-10% от общей массы) с высокой степенью гликозилирования (на углеводную часть приходится 90-95% от общей массы), углеводные остатки которых представляют собой длинные неразветвленные полисахаридные цепи - гликозаминогликаны, образованные чередующимися остатками гексозамина и уроновой кислоты (глюкуроновой, идуроновой или галактуроновой) либо галактозы. Гликозаминогликановые цепи зачастую...
Гликолипиды - (от греч. γλυκός (glykos) - сладкий и λίπος (lípos) - жир) сложные липиды, образующиеся в результате соединения липидов с углеводами. В молекулах гликолипидов есть полярные «головы» (углевод) и неполярные «хвосты» (остатки жирных кислот). Благодаря этому гликолипиды (вместе с фосфолипидами) входят в состав клеточных мембран.
Кле́точное ядро ́ (лат. nucleus) - окружённый двумя мембранами компартмент эукариотической клетки (в клетках прокариот ядро отсутствует). Обычно в клетках эукариот имеется одно ядро, однако некоторые типы клеток, например, эритроциты млекопитающих, не имеют ядра, а другие содержат несколько ядер.
Пласти́ды (от др.-греч. πλαστός «вылепленный») - полуавтономные органеллы высших растений, водорослей и некоторых фотосинтезирующих простейших. Пластиды имеют от двух до четырёх мембран, собственный геном и белоксинтезирующий аппарат.
Актин - глобулярный белок, из которого образованы микрофиламенты - один из основных компонентов цитоскелета эукариотических клеток. Актин состоит из 376 аминокислотных остатков, с молекулярной массой около 42-kDa диаметром 4-9нм. Имеет 2 формы: мономерную G-актин и полимеризованную форму (F-актин). Вместе с белком миозином образует основные сократительные элементы мышц - актомиозиновые комплексы саркомеров. Присутствует в основном в цитоплазме, но в небольшом количестве также найден в ядре клетки...
Кавео́лы (от лат. caveola - «малая пещера») - небольшие (размером 50-100 нм) колбообразные впячивания плазматической мембраны в клетках позвоночных многих типов, в особенности эндотелиальных клетках (где они и были впервые обнаружены), адипоцитах и альвеолоцитах I типа (кавеолы могут составлять 30-70 % мембран этих клеток). В состав кавеол входит ключевой белок - кавеолин, а также такие липиды, как холестерин и сфинголипиды. Кавеолы участвуют в передаче клеточных сигналов, эндоцитозе, онкогенезе...
Клеточная подвижность - это спонтанное движение клетки из одного места в другое с потреблением энергии. Является центральным процессом в развитии и поддержании многоклеточных организмов. Тканеобразование во время эмбрионального развития, заживления ран и иммунных реакций требует проведения организованного движения клеток в определенных направлениях в определенных местах. Клетки часто мигрируют в ответ на конкретные внешние сигналы, включая химические сигналы и механические сигналы.
Пло́тные конта́кты (англ. tight junctions) - запирающие межклеточные контакты, присущие клеткам позвоночных животных, в составе которых мембраны соседних клеток максимально сближены и «сшиты» специализированными белками клаудинами и окклюдинами. Распространены в эпителиальных тканях, где составляют наиболее апикальную часть (лат. zonula occludens) комплекса контактов между клетками, в который входят адгезионные контакты и десмосомы. Плотные контакты построены из нескольких лент, опоясывающих клетку...
Коллаге́н - фибриллярный белок, составляющий основу соединительной ткани организма (сухожилие, кость, хрящ, дерма и т. п.) и обеспечивающий её прочность и эластичность. Коллаген обнаружен у животных; отсутствует у растений, бактерий, вирусов, простейших и грибов. Коллаген - основной компонент соединительной ткани и самый распространённый белок у млекопитающих, составляющий от 25 % до 45% белков во всём теле.
Криптофи́товые во́доросли , или криптомона́ды, или криптофи́ты (лат. Cryptophyta), - группа одноклеточных эукариотических фотосинтезирующих организмов, включающая около 165 видов, которой традиционно присваивают ранг типа. Почти все криптофитовые имеют монадную форму с дорсовентральным строением, несут два неравных жгутика. Покровы клетки представлены перипластом, имеются стрекательные структуры (эжектосомы). Хлоропласты окружены четырьмя мембранами и содержат редуцированное ядро - нуклеоморф. Основные...
Жгу́тик - поверхностная структура, присутствующая у многих прокариотических и эукариотических клеток и служащая для их движения в жидкой среде или по поверхности твёрдых сред. Жгутики прокариот и эукариот принципиально различаются: бактериальный жгутик имеет толщину 10-20 нм и длину 3-15 мкм, он пассивно вращается расположенным в мембране «мотором»; жгутики же эукариот толщиной до 200 нм и длиной до 200 мкм, они могут самостоятельно изгибаться по всей длине. У эукариот часто также присутствуют реснички...
Митохо́ндрия (от греч. μίτος - нить и χόνδρος - зёрнышко, крупинка) - двумембранная сферическая или эллипсоидная органелла диаметром обычно около 1-0,5 микрометра. Характерна для большинства эукариотических клеток, как автотрофов (фотосинтезирующие растения), так и гетеротрофов (грибы, животные). Энергетическая станция клетки; основная функция - окисление органических соединений и использование освобождающейся при их распаде энергии для генерации электрического потенциала, синтеза АТФ и термогенеза...
Кальмодулин - небольшой, кислый, высококонсервативный кальций-связывающий белок, представитель суперсемейства белков EF-hand.
Гликосо́ма (англ. Glycosome) - органелла, окружённая мембраной и содержащая ферменты гликолиза. Термин был введён Скотом и Стиллом в 1968 году, когда они показали, что гликоген, содержащийся в клетке, есть не статичная, а динамичная молекула. Гликосома имеется у нескольких видов протистов, а именно у ряда представителей класса кинетопластид (Kinetoplastea), среди которых есть возбудители таких болезней человека, как сонная болезнь, болезнь Шагаса и лейшманиоз. Органелла окружена одной мембраной и...
Хлоросо́мы (англ. Chlorosome от др.-греч. χλωρός - зелёный) - обогащённые липидами везикулы зелёных серныx бактерий и нитчатых аноксигенных фототрофных бактерий, локализованные в цитоплазме и связанные с клеточной мембраной кристаллической базальной пластинкой. Внутри хлоросомы находятся пучки палочковидных структур, содержащих молекулы бактериохлорофиллов c, d или e. Таким образом, в хлоросомах собраны светособирающие системы.
Эукарио́ты (устар. эвкарио́ты; лат. Eukaryota от др.-греч. εὖ- ‘хорошо’ или ’полностью’ + κάρυον ‘ядро’), или я́дерные, - домен (надцарство) живых организмов, клетки которых содержат ядро. Все организмы, кроме прокариот (бактерий и архей), являются ядерными. Вирусы и вироиды также не являются ни прокариотами, ни эукариотами; более того, сам вопрос, считать ли их живыми организмами, является дискуссионным.
Амёба обыкновенная (лат. Amoeba proteus), или амёба протей (корненожка) - относительно крупный (0,2-0,5 мм) амебоидный организм, представитель класса ]. Полиподиальная форма (характеризуется наличием многочисленных (до 10 и более)) псевдоподий - лобоподий, цилиндрических выростов с внутренними токам цитоплазмы.
Динофлагелля́ты , или динофи́товые во́доросли, или динофи́ты, или перидине́и, или па́нцирные жгутиконо́сцы (лат. Dinoflagellata syn. Dinophyta, Peridinea), - крупная группа протистов из надтипа альвеолят (Alveolata), которой традиционно присваивают ранг типа. Известно около 4000 ископаемых и более 2500 современных видов, из которых 90 % обитает в морях, остальные - в пресных водах. Около половины представителей - свободноживущие фотосинтезирующие организмы, однако известны и бесцветные гетеротрофные...
Центр организации микротрубочек (ЦОМТ, англ. microtubule-organising centre, MTOC) - структура эукариотической клетки, на которой собираются микротрубочки. ЦОМТ имеет две основные функции - сборка жгутиков и ресничек, а также образование нитей веретена деления в ходе митоза и мейоза.
Пластоцианин - медьсодержащий белок, вовлечённый в транспорт электронов от фотосистемы II к фотосистеме I. Этот мономерный белок, состоящий у большинства сосудистых растений из 99 аминокислот, имеет молекулярную массу около 10,5 кДа. Он является представителем пластоцианинового семейства медьсвязывающих белков.
Кле́точная пласти́нка , или Межкле́точная пласти́нка, или Среди́нная пласти́нка - пектиновая перегородка, возникающая во время цитокинеза у растительных клеток.
Пили ́, или фи́мбрии, или ворси́нки - нитевидные белковые структуры, расположенные на поверхности клеток многих бактерий. Размер пилей варьирует от долей мкм до более чем 20 мкм в длину и 2-11 нм в диаметре. Пили участвуют в передаче генетического материала между бактериальными клетками (конъюгация), прикреплении бактерий к субстрату и другим клеткам, отвечают за адаптацию организмов, служат местами прикрепления многих бактериофагов.
Гликозаминогликаны , мукополисахариды (от лат. mucus – слизь) - углеводная часть протеогликанов, полисахариды, в состав которых входят аминосахара-гексозамины. В организме гликозаминогликаны ковалентно связаны с белковой частью протеогликанов и в свободном виде не встречаются.
Меланосома - это органелла, содержащаяся в клетках царства животных, имеющая в составе меланин и другие светопоглощающие пигменты.
Аппара́т (ко́мплекс) Го́льджи - мембранная структура эукариотической клетки, органелла, в основном предназначенная для выведения веществ, синтезированных в эндоплазматическом ретикулуме. Аппарат Гольджи назван в честь итальянского учёного Камилло Гольджи, впервые обнаружившего его в 1898 году.
Микроне́мы - клеточные органеллы, свойственные простейшим из типа Apicomplexa. Расположены в передней трети тела организма, окружены мембраной, при электронной микроскопии можно видеть, что они наполнены электронно-плотным содержимым из-за высокого содержания белка. Они являются специализированными секреторными органеллами, участвующими в проникновении в клетку хозяина.
Внутренняя мембрана митохондрий - митохондриальная мембрана, разделяющая митохондриальный матрикс и межмембранное пространство.
Промежуточные филаменты (ПФ) строятся из фибриллярных мономеров. Поэтому основная конструкция промежуточных филаментов напоминает канат, имеющий толщину около 8-10 нм. Они локализуются главным образом в околоядерной зоне и в пучках фибрилл, отходящих к периферии клеток и располагающихся под плазматической мембраной (рис. 238, 240, 241). Встречаются промежуточные филаменты во всех типах клеток животных, но особенно обильны в тех, которые подвержены механически воздействиям: клетки эпидермиса, нервные отростки, гладкие и исчерченные мышечные клетки. В клетках растений ПФ не обнаружены.
В состав промежуточных филаментов входит большая группа изобелков, родственных белков, которую можно разделить на четыре типа. Первый – кератины , кислые и нейтральные, встречающиеся в эпителиальных клетках; они образуют гетерополимеры из этих двух подтипов. Кератины, кроме того, имеют некоторую гетерогенность, зависящую от тканевого источника. Так, в эпителиях встречается до 20 форм кератинов, 10 форм других кератинов найдено в волосах и ногтях. Молекулярный вес кератинов колеблется от 40 до 70 тыс.
Второй тип белков ПФ включает в себя три вида белков, имеющих сходный молекулярный вес (45-53 тыс.). Это – виментин , характерный для клеток мезенхимного происхождения, входящий в состав цитоскелета клеток соединительной ткани, эндотелия, клеток крови. Десмин – характерен для мышечных клеток, как гладких, так и исчерченных. Глиальный фибриллярный белок входит в состав ПФ некоторых клеток нервной глии – в астроциты и некоторые Шванновские клетки. Периферин – входит в состав периферических и центральных нейронов.
Третий тип – белки нейрофиламентов (мол. вес от 60 до 130 тыс.) встречается в аксонах нервных клеток.
И наконец, четвертый тип – белки ядерной ламины . Хотя эти последние имеют ядерную локализацию, они сходны по строению и свойствам со всеми белками промежуточных филаментов.
Как уже говорилось, промежуточные филаменты, построены из фибриллярных белков наподобие каната. При этом некоторые белки могут образовывать сополимеры, например виментин с десмином, или виментин с глиальными белками.
Все белки промежуточных филаментов обладают сходной аминокислотной последовательностью из 130 остатков в центральной части фибриллярной молекулы, которая обладает a-спиральным строением. Концевые же участки молекул имеют разные последовательности аминокислот, разную длину, и не имеют a-спирального строения. Наличие протяженных a-спиральных участков позволяет двум молекулам образовывать двойную спираль, подобно тому, что приводит к образованию палочковидного димера, длиной около 48 нм. Два димера, объединяясь бок о бок, образуют короткий протофиламент, тетрамер, толщиной около 3 нм. Такие протофиламенты могут объединяться в более толстые и длинные фибриллы и в конечном итоге в промежуточный полный филамент, состоящий из 8 продольных протофиламентов (рис. 242).
Иначе полимеризуются белки ядерной ламины: они образуют димеры с головками на одном конце и полимеризуются, образую рыхлую прямоугольную решетку. Такие слои ламины быстро разрушаются во время митоза при фосфорилировании ламинов.
Цитоплазматические промежуточные филаменты относятся к самым стабильным и долгоживущим элементам цитоскелета. Однако in vivo наблюдается включение инъецированных меченых молекул кератина в состав ПФ эпителиальных клеток. ПФ устойчивы к действию солей низкой и высокой концентрации, разрушаются только после воздействия денатурирующих растворов, таких как мочевина.
Такая структура и химическая устойчивость промежуточных филаментов, вероятно, определяет и их физическую устойчивость. Они служат как бы истинно опорной системой в клетках подвергающихся значительным физическим нагрузкам. В клетках кожного эпидермиса промежуточные филаменты образуют пучки (тонофиламенты), связанные с десмосомами, и создают жесткую внутриклеточную сеть (рис. 243). Так, в нервных аксонах, простирающихся на многие десятки сантиметров, ПФ или нейрофиламенты создают жесткую основу, обеспечивающую гибкость и целостность тонких цитоплазматических отростков нервных клеток. В поперечно исчерченных мышечных клеток десминовые филаменты входят в состав z-дисков и связывают их друг с другом как в составе саркомера, так и в соседних миофибриллах, а также с плазматической мембраной.
Специфических ингибиторов полимеризации белков промежуточных филаментов пока еще не найдено. Поэтому остается неясным сам процесс сборки и разборки этих элементов цитоскелета в живой клетке. Вероятнее всего, что они подобно ламинам деполимеризуются при действии цитоплазматических киназ, приводящих к их фосфорилированию. Выделенные промежуточные филаменты под действием фосфорилаз могут распадаться на мономеры, деполимеризоваться.
Топографически в клетке расположение промежуточных филаментов повторяет расположение микротрубочек, они как бы идут бок о бок. При разрушении микротрубочек колхицином, происходит т.н. колапс промежуточных филаментов: они собираются в плотные пучки или кольца вокруг ядра. Восстановление новой сети промежуточных филаментов начинается от зоны клеточного центра. Это наводит на мысль, что центром их полимеризации или нуклеации могут быть центры, общие с микротрубочками.
Глава 21.Микрофиламенты
Общие свойства микрофиламентов .
Микрофиламенты встречаются во всех клетках эукариот. Особенно они обильны в мышечных волокнах и клетках – высокоспециализированных клетках, выполняющих функции сокращения мышц. Микрофиламенты (МФ) входят также в состав специальных клеточных компонентов, таких как микроворсинки, ленточные соединения эпителиальных клеток, в состав стереоцилий чувствительных клеток. МФ образуют пучки в цитоплазме подвижных клеток животных, и образуют слой под плазматической мембраной – кортикальный слой (рис. 244а, 245). У многих растительных клеток и клеток низших грибов они располагаются в слоях движущейся цитоплазмы.
Основным белком микрофиламентов является актин. Актин – неоднородный белок, в различных клетках могут быть разные его варианты или изоформы, каждая из которых кодируется своим геном. Так, у млекопитающих есть 6 различных актинов: один в скелетных мышцах, один в сердечной мышце, два типа – в гладких мышцах (один из них в сосудах), и два, немышечных, цитоплазматических актина, являющихся универсальным компонентом любых клеток млекопитающих. Все эти изоформы актина очень сходны по аминокислотным последовательностям, вариантными в них являются концевые участки, которые определяют скорость полимеризации, но не влияют на сокращение. Такое сходство актинов, несмотря на некоторые отличия, определяет их общие свойства. Актин имеет молекулярный вес около 42 тыс. и в мономерной форме имеет вид глобулы (G-актин), содержащей в своем составе молекулу АТФ. При его полимеризации образуется тонкая фибрилла (F-актин) толщиной 8 нм, представляющая собой пологую спиральную ленту (рис. 246). Актиновые микрофиламенты полярны по своим свойствам. При достаточной концентрации G-актин начинает самопроизвольно полимеризоваться. При такой спонтанной полимеризации актина на образовавшейся нити микрофиламента один из ее концов быстро связывается с G-актином (+)- конец микрофиламента) и поэтому растет быстрее, чем противоположный (минус-конец). Если концентрация G-актина будет недостаточной, то образовавшиеся фибриллы F-актина начинают разбираться. В растворах, содержащих т.н. критическую концентрацию G-актина, будет устанавливаться динамическое равновесие между полимеризацией и деполимеризацией, в результате чего фибрилла F-актина будет иметь постоянную длину (рис. 247). Из этого следует, что актиновые микрофиламенты представляют собой очень динамичные структуры, которые могут возникать и расти или же, наоборот, разбираться и исчезать в зависимости от наличия глобулярного актина. На растущем конце нити актина встраиваются мономеры, содержащие АТФ. По мере нарастания полимера происходит гидролиз АТФ, и мономеры остаются связанными с АДФ. Молекулы актина, связанные с АТФ, прочнее взаимодействуют друг с другом, чем мономеры, связанные с АДФ.
В клетках такая, казалось бы, неустойчивая фибриллярная система, стабилизируется массой специфических белков, ассоциирующих с F-актином. Так, белок тропомиозин , взаимодействуя с микрофиламентами, придает им необходимую жесткость. Целый ряд белков, например филамин и a-актинин образуют поперечные скрепки между нитями F–актина, что приводит к образованию сложной трехмерной сети, придающей гелеобразное состояние цитоплазме. Другие дополнительные белки могут связывать филаменты в пучки (фимбрин) и т.д. Кроме того, существуют белки, взаимодействующие с концами микрофиламентов и предотвращая их разборку, стабилизируют их. Взаимодействие F–актина со всей этой группой белков регулирует агрегатное состояние микрофиламентов, их рыхлое или наоборот тесное расположение, связь их с другими компонентами. Особую роль при взаимодействии с актином играют белки миозинового типа , которые образуют вместе с актином комплекс, способный к сокращению при расщеплении АТФ (см. ниже) (рис. 262).
Таким образом, МФ представляют собой фибриллы полимеризованного актина, связанного с многими другими белками. В принципе микрофиламенты во всех немышечных клетках могут осуществлять по крайней мере два ряда функций: быть частью сократительного аппарата, взаимодействуя с моторными белками (миозин), или участвовать в формировании скелетных структур, способных к собственному движению за счет процессов полимеризации и деполимеризации актина.
Особенно много сведений о цитоскелете, и о микрофиламентах получено при изучении фибробластов в культуре ткани, обладающих способностью к амебоидному движению. Эти клетки не имеют ответственных за движение постоянных фибриллярных структур, их фибриллярный аппарат все время находится в реорганизации: часть фибриллярных элементов разбирается в одних участках клетки и новообразуется в других.
Обычно ползущий по поверхности субстрата фибробласт поляризован: у него есть движущийся конец и “хвостовой” отдел. (рис. 248, 249) На движущемся конце, который часто более распластан по субстрату, чем боковые и хвостовые участки фибробласта, постоянно возникают и убираются тонкие нитевидные или пластинчатые выросты – ламеллоподии. Это – ведущий край клетки (ламеллоплазма). Который и обеспечивает движение фибробласта вперед. В таком движущемся фибробласте с помощью антител можно узнать места расположения актина. Он будет распределяться по трем основным частям клетки: он в виде тонкого слоя (1) располагается по всему периметру клетки под плазматической мембраной. Это кортикальный (cortex – кора) слой. Обильно актин выявляется в выростах цитоплазмы ведущего края клетки (2) и (3) в пучках актиновых филаментов, отходящих от ведущего края вглубь клетки (рис. 245).
Кортикальный слой состоит из плотной трехмерной сети актиновых филаментов, ассоциированных с плазматической мембраной (таб.). Он обеспечивает механическую устойчивость поверхностному слою цитоплазмы и создает условия, позволяющие клетке изменять свою форму и двигаться. Этот слой постоянно меняет свое агрегатное состояние, переходя из состояния структурированного геля в жидкий золь. Такие переходы гель-золь связаны с изменениями в структуре кортикального слоя. Здесь в ассоциации с актиновыми филаментами находятся фибриллярные белки-стабилизаторы (например, филамин ), которые образуют сшивки в местах пересечения филаментов, что придает жесткость всему кортикальному слою. Однако эта жесткость может быть легко снята за счет взаимодействия с другими белками, такими как гельзолин, которые вызывают фрагментацию и разборку филаментов и тем разжижают гель. Такая перестройка подмембранного слоя особенно выражена в ведущем крае, что позволяет быстро менять форму его поверхности, образовывать ламеллоподии и двигаться вперед. С другой стороны сеть актиновых филаментов способна к сокращению, т.к. в ней обнаружены короткие миозиновые агрегаты. Это приводит или к втягиванию ламеллоподий или же к подтаскиванию клеток вперед. Сеть актиновых филаментов в ведущем крае организована более определенно, чем в остальном кортексе. Здесь от небольших начальных выростов плазмалеммы внутрь клетки отходят пучки актиновых филаментов, оканчивающихся своими (+)-концами на плазматической мембране.
Сам процесс образования актиновых филаментов и их роста в зоне ламеллоплазмы зависит от ряда регуляторных белков. Один из них белок WASp/Scar связывается с плазматической мембраной. В его составе есть участки, связывающиеся с актином, другой специальный белковый комплекс Arp2/3, который связывается с (-)-концом растущей цепи полимера, препятствуя его деполимеризации. Такие сложные взаимодействия двух групп регуляторных белков приводят к тому, что на границе с плазматической мембраной происходит надстраивание растущих филаментов, которые могут прогибать плазматическую мембрану так, что возникает тонкий вырост – филоподия (рис. 250).
Иначе происходит полимеризация актина при образовании ламеллоподий. Здесь также ведущую роль играют белки WASp/Scar, которые закрепляются на плазматической мембране и связываются с комплексом Arp2/3и прикрепляют его к боковой поверхности уже готовой актиновой фибриллы. Комплекс Arp2/3 инициирует полимеризацию новой актиновой фибриллы, которая начинает расти под углом около 70 0 по отношению к первичной нити актина и закрепляется на плазматической мембране. Таких новых белковых цепей возникает несколько, и они как бы веером простираются к плазматической мембране и толкают ее вперед. Так образуется псевдоподия или ламеллоподия (рис. 251) За счет наращивания актиновых филаментов на (+) концах. Одновременно с этим происходит деполимеризация тех (-) концов филаментов, которые не заблокированы комплексами Arp2/3 и подвергаются воздействию белков, способствующих деполимеризации МФ.
Таким образом сложный процесс роста МФ приводит к перемещению в пространстве края движущейся клетки. По мере возникновения ламеллоподий их плазматическая мембрана с помощью белков интегринов образует с субстратом фокальные контакты, от которых отходят пучки актиновых филаментов, участвующие уже в другой форме подвижности, связанной со взаимодействиями между актиновыми филаментами и моторными белками-миозинами.
Миозины являются одним из составных компонентов МФ. Основная работа по перемещению клеток или их внутренних компонентов с помощью МФ происходит за счет работы акто-миозинового комплекса, где актиновые фибриллы играют роль направляющих (“рельсы”), а миозины – транслокаторы. Весь акто-миозиновый комплекс представляет собой АТФ-азу, и движение происходит за счет энергии гидролиза АТФ.
Миозины представляют собой семейство сходных белков. У всех из них есть головная (моторная) часть, отвечающая за АТФ-азную активность комплекса, шейка , которая связана с несколькими регуляторными белковыми субъединицами и хвост , характерный для каждого типа миозина, определяющего специфичность функции в клетке. Существуют три основных типа миозинов. Миозин II и миозин V являются димерами, у которых a-спиральный участок хвоста образует сверхспиральный палочковидный участок. Миозин I представляет собой мономерную молекулу (рис. 252). Две молекулы миозина II могут ассоциировать друг с другом, образуя биполярную толстую фибриллу, участвующую в мышечном сокращении, при сокращении внутриклеточных пучков МФ и при делении клетки. Миозины I и V типа участвуют во взаимодействиях между элементами цитоскелета и мембранами, например в транспорте везикул.
Механизмы работы актомиозиновых комплексов очень сходен, независимо от типа миозина: он начинается со связи миозиновой головки с актиновым филаментом, ее изгибанием и последующим откреплением. За каждый цикл миозиновая головка перемещается в направлении (+)-конца актинового филамента на 5-25 нм при гидролизе одной молекулы АТФ. Таким образом происходит однонаправленное смещение или скольжение МФ относительно молекул миозина (рис. 253).
Содержатся как в цитоплазме, так и в ядре большинства эукариотических клеток. Средний диаметр ПФ - около 10 нм (9-11 нм), меньше, чем у микротрубочек (около 25 нм) и больше, чем у актиновых микрофиламентов (5-9 нм). Название получили из-за того, что толщина цитоскелетных структур, состоящих из ПФ, занимала промежуточное положение между толщиной миозиновых филаментов и микротрубочек . В ядре известен только один тип ПФ - ламиновых , остальные типы - цитоплазматические.
Локусная структура белковых молекул ПФ довольно консервативна. Полипептид обычно имеет два глобулярных домена на N- и C-концах, которые соединены протяженным суперскрученным палочковидным доменом, состоящим из альфа-спиралей . Основной строительный блок филамента - димер , а не мономер. Он образован двумя полипептидными цепями, обычно двух разных белков, которые взаимодействуют между собой своими палочковидными доменами, образующими двойную суперскрученную спираль. Цитоплазматические ПФ образованы из таких димеров, образующих неполярные нити, толщиной в один блок. Отсутствие полярности у ПФ обусловлено антипараллельной ориентацией димеров в тетрамере. Из них далее образуются более сложные структуры, в которых ПФ могут уплотняться, вследствие чего имеют непостоянный диаметр.
Цитоплазматические ПФ есть не у всех эукариот, они обнаружены только у некоторых групп животных. Так, ПФ есть у нематод. моллюсков и позвоночных. но не найдены у членистоногих и иглокожих . У позвочноных ПФ отсутствуют в некоторых клетках (например, олигодендроцитах). В растительных клетках ПФ не обнаружены.
В большинстве животных клеток ПФ образуют «корзинку» вокруг ядра , откуда направлены к периферии клеток. ПФ особенно много в клетках, подверженных механическим нагрузкам: в эпителиях , где ПФ участвуют в соединении клеток друг с другом через десмосомы , в нервных волокнах , в клетках гладкой и поперечно-полосатой мышечной ткани.
В отличие от других основных элементов цитоскелета, ПФ в цитоплазме клеток разных тканей состоят из разных, хотя и похожих по своей структуре белков. Все белки ПФ у человека кодируют около 70 генов. На основе особенностей аминокислотного состава и строения выделяют пять основных групп белков ПФ.
Из кератинов с молекулярной массой 40 - 70 кДа состоит наиболее разнообразная группа ПФ. Данный тип белков делится на 2 подсемейства:
Димер кератина состоит из одного кислого и одного основного кератина. Среди многочисленных изоформ кератина выделяют две основные группы - эпителиальные кератины (см. цитокератин), включающую около 20 видов кератинов, и кератины волос (примерно 10 видов), из которых построены также ногти , рога и чешуя пресмыкающихся .
Второй тип белков ПФ включает в себя 4 вида белков:
Промежуточные филаменты в клетках различных типов различаются по своей химической природе и молекулярному весу. Выделяют 6 основных классов промежуточных филаментов
Цитокератины – промежуточные филаменты, характерные для клеток эпителия. Этот класс включает около 20 близких полипептидов (тонофиламентов). Кератиновые филаменты входят в состав десмосом и полудесмосом, участвуют в образовании рогового вещества в эпителии кожи и являются главным компонентом волос и ногтей.
Десмины – промежуточные филаменты мышечных тканей (за исключением миоцитов сосудов). Десмины играют важную роль в организации миофибрилл в мышечной ткани и обеспечении сократительной функции
Виментины – филаменты, характерные для различных клеток мезенхимного происхождения (фибробласты, макрофаги, остеобласты, эндотелий и гладкие миоциты сосудов).
Нейрофиламенты – промежуточные филаменты нейронов, которые играют важную роль в поддержании формы отростков нервных клеток.
Глиальные клетки содержат глиальный фибриллярный кислый белок и встречаются только в клетках нейроглии (астроциты, олигодендроциты).
Идентификация классов промежуточных филаментов (методами иммуноцитохимии с антителами к данному типу промежуточных филаментов) имеет большое значение в диагностике опухолей, и, следовательно, в прогнозе и выборе противоопухолевого лечения. Так, выявление различных форм кератинов свидетельствует о недифференцированных опухолях эпителиального происхождения, карциномах, аденокарциномах. Десмин является маркёром опухолей мышечного происхождения, а глиальный фибриллярный кислый белок – маркёр опухолей глиального происхождения.
ВКЛЮЧЕНИЯ
В отличие от органелл, включения цитоплазмы – непостоянные компоненты цитоплазмы, возникающие и исчезающие в зависимости от метаболического состояния клеток.
Включения подразделяются на трофические, секреторные, экскреторные и пигментные.
Трофические включения разделяются в зависимости от природы накапливаемого вещества на липидные, углеводные и белковые. Липидные включения – это капли нейтрального жира различного диаметра, которые накапливаются в цитоплазме и служат резервом энергетических субстратов, используемых клеткой. Из углеводных включений наиболее распространены гранулы гликогена (полимер глюкозы), эти включения также используются в качестве источника энергии. Примером белковых включений могут служить запасы белка вителлина в яйцеклетках животных. Они являются источником питания на ранних стадиях развития зародыша.
Секреторные включения имеют вид пузырьков, окруженные мембраной и содержащие биологически активные вещества, которые синтезируются в самой клетке, а затем выделяются (секретируются) во внешнюю среду. К таким включениям относятся секреторные гранулы, содержащие пищеварительные проферменты (зимогеновые гранулы), гормоны, медиаторы и др.
Экскреторные включения по своему строению сходны с секреторными, но в отличие от них, содержат вредные продукты метаболизма, подлежащие удалению из цитоплазмы клеток.
Пигментные включения представляют собой скопления эндогенных (синтезированных клеткой), или экзогенных (захваченных клеткой извне) окрашенных веществ - пигментов. Наиболее распространенными эндогенными пигментами являются гемоглобин, гемосидерин, билирубин, меланин, липофусцин; к экзогенным пигментам относят каротин, различные красители, пылевые частицы и др. Меланин – тёмно-коричневый пигмент, встречающийся в норме в коже, волосах, пигментной оболочке сетчатки в виде меланосом - гранул, окруженных мембраной. Липофусцин – гранулы жёлто-коричневого пигмента из продуктов лизосомного переваривания – накапливается в долгоживущих клетках (нейроны, кардиомиоциты), и поэтому его рассматривают как «пигмент старения».
ГИАЛОПЛАЗМА
Гиалоплазму называют также цитозолем , или клеточным матриксом . Гиалоплазма – сложная коллоидная система, которая может менять своё агрегатное состояние: переходить из более жидкого (золь) в более плотное (гель). Гиалоплазма состоит из гомогенного мелкозернистого вещества с низкой электронной плотностью, в которое погружены органеллы и включения. В составе гиалоплазмы – вода, белки (ферменты), нуклеиновые кислоты, полисахариды, липиды, а также неорганические вещества.
Функции гиалоплазмы:
· создание жидкой микросреды;
· метаболическая: метаболизм белков, жиров, углеводов.
III. ЯДРО. КЛЕТОЧНЫЙ ЦИКЛ. ДЕЛЕНИЕ КЛЕТКИ. КЛЕТОЧНЫЕ ПОПУЛЯЦИИ. ГИБЕЛЬ КЛЕТОК.
Ядро – важнейший компонент клетки, содержащий её генетический аппарат.
Функции ядра :
· хранение генетической информации (в молекулах ДНК, находящихся в хромосомах);
· реализация генетической информации, контролирующей различные процессы в клетке: транскрипция информационных, рибосомальных, транспортных РНК → синтетическая активность; апоптоз и т.д.);
· воспроизведение и передача генетической информации при делении клетки
В ядре неделящейся (интерфазной) клетки выявляются следующие компоненты ядра:
· ядерная оболочка (кариолемма);
· хроматин;
· ядрышко;
· кариоплазма.
Ядерная оболочка (кариолемма, нуклеолемма) на светооптическом уровне практически не определяется. Под электронном микроскопом обнаруживается, что она состоит из двух мембран – наружной и внутренней мембран, разделенных полостью шириной 15-40 нм – перинуклеарной цистерной.
Наружная мембрана составляет единое целое с мембранами грЭПС: на её поверхности имеются рибосомы, а перинуклеарная цистерна сообщается с цистерной грЭПС
Внутренняя мембрана – гладкая, её интегральные белки связаны со слоем, состоящим из сети промежуточных филаментов (ламинов), - ламиной , или ядерной пластинкой. Ламина играет большую роль в поддержании формы ядра, укладке хроматина и структурной организации поровых комплексов.
В определенных точках наружная и внутренняя мембрана смыкаются, образуя ядерные поры. Ядерная пора образована двумя параллельными кольцами диаметром 80 нм, содержащих по 8 белковых гранул, от которых к центру поры тянутся фибриллы, формирующие диафрагму толщиной около 5 нм. В середине диафрагмы лежит центральная гранула. Белковые гранулы ядерной поры структурно связаны с белками ламины. Совокупность компонентов, входящих в состав ядерной поры, называется комплексом ядерной поры .
Ядерная оболочка клетки содержит 2000-4000 поровых комплексов. Число поровых комплексов возрастает с увеличением функциональной активности: в клетках с высокой синтетической активностью ядерные поры занимают до 35% поверхности кариолеммы.
Комплекс ядерной поры обеспечивает избирательный транспорт веществ между цитоплазмой и ядром. По каналу, образованному поровым комплексом, движутся мелкие водорастворимые молекулы и ионы; активно переносятся в ядро белки, синтезируемые в цитоплазме (белки с маркировкой в виде с особой последовательности аминокислот – NLS, распознаваемой рецепторами NLS в комплексе поры); из ядра в цитоплазму переносятся субъединицы рибосом.
Хроматин в интерфазной (неделящейся) клетке соответствует хромосомам и состоит из комплекса ДНК и белка. Выраженность спирализации каждой из хромосом неодинакова по длине. Соответственно, различают два вида хроматина: эухроматин и гетерохроматин .
Эухроматин соответствует участкам хромосом, которые деспирализованы и открыты для транскрипции . Эти участки не окрашиваются и не видны в световой микроскоп.
Гетерохроматин соответствует конденсированным сегментам хромосом, что делает их недоступными для транскрипции . Гетерохроматин интенсивно окрашивается основными красителями, и в световом микроскопе имеет вид мелких гранул и глыбок.
По соотношению эу- и гетерохроматина в ядре можно оценить активность процессов транскрипции, и, следовательно, синтетической функции клетки. При её повышении это соотношение изменяется в пользу эухроматина, при снижении – нарастает содержание гетерохроматина. Соотношение эухроматин-гетерохроматин может, например, служить основой для дифференциальной диагностики доброкачественных и злокачественных опухолевых клеток.
При полном подавлении функции ядра в поврежденных и гибнущих клетках, оно уменьшается в размерах и содержит только гетерохроматин. Такое явление называется кариопикнозом .
Половой хроматин (тельце Барра ) – скопление гетерохроматина, соответствующее одной из пары Х-хромосом , которая в интерфазе плотно скручена и неактивна.
Выявление полового хроматина используется как диагностический тест для определения генетического женского пола, что существенно при изучении генетических аномалий и, особенно, в спортивной медицине. Обычно анализируют эпителиальные клетки слизистой оболочки полости рта, где, как и в большинстве других клеток, половой хроматин выявляется как крупная глыбка гетерохроматина, лежащая рядом с ядерной оболочки. В нейтрофильных лейкоцитах крови половой хроматин имеет вид маленькой добавочной дольки ядра («барабанной палочки»).
Упаковка хроматина в ядре
В деконденсированном состоянии длина одной молекулы (двойной спирали) ДНК, образующей одну хромосому, составляет около 5 см, а общая длина молекул ДНК в ядре – более 2 м. Такие длинные нити ДНК компактно и упорядоченно упакованы в ядре диаметром всего 5-10 мкм.
Компактная упаковка молекул ДНК осуществляется благодаря связи ДНК со специальными основными белками – гистонами .
Начальный уровень упаковки хроматина – нуклеосома
с
диаметром 11 нм.
· Нуклеосома состоит из блока, образованного комплексом из 8 молекул гистонов, на который намотана двойная нить ДНК (цепочка из 166 пар нуклеотидов).
· Нуклеосомы разделены короткими участками свободной ДНК (48 пар
оснований). Нуклеосомная нить имеет вид нитки с бусинами, где каждая бусина – нуклеосома.
· Второй уровень упаковки также обусловлен гистонами и приводит к скручиванию нуклеосомной нити (виток из 6 нуклеосом) с формированием хроматиновой фибриллы диаметром 30 нм.
· Хроматиновые фибриллы образуют петли диаметром 300 нм. При делении клетки в результате еще более компактной укладки и сверхспирализации ДНК появляются хромосомы (диаметр 700 нм), видимые под световым микроскопом.
Компактная упаковка ДНК в ядре обеспечивает упорядоченное расположение очень длинных молекул ДНК в небольшом объеме ядра, а также функциональный контроль активности генов.
Ядрышко выявляется в интерфазном ядре на светооптическом уровне как мелкая (~ 1 мкм в диаметре), плотная сферическая структура, интенсивно окрашивающееся основными красителями. Ядрышко образовано специализированными участками хромосом – ядрышковыми организаторами, на которых происходит синтез рибосомальной РНК, а также её сборка в предшественники рибосомальных субъединиц.
Компоненты ядрышка:
· Аморфный компонент , слабо окрашиваемый, представляет собой участки расположения ядрышковых организаторов: крупные петли ДНК, активно участвующих в транскрипции рибосомальной РНК;
· Фибриллярный компонент состоит из множества нитей диаметром 5-8 нм, преимущественно во внутренней части ядрышка, и представляет собой длинные молекулы рРНК (первичные транскрипты);
· Гранулярный компонент образован скоплением плотных мелких гранулярных частиц, представляющие собой зреющие субъединицы рибосом. Рибосомальные субъединицы образуется из рРНК, синтезированной в ядрышке, и белков, синтезированных в цитоплазме.
· Фибриллярный и гранулярный компоненты ядрышка образуют ядрышковую нить – нуклеолонему , которая образует петлистую сеть, выделяющуюся большой плотностью на фоне менее плотного ядерного матрикса
Размеры и объем ядрышек увеличиваются при повышении функциональной активности клетки. Особенно крупные ядрышки характерны для эмбриональных и активно синтезирующих белки клеток, а также клеток быстрорастущих злокачественных опухолей.
Ядрышко исчезает в профазе митоза, в результате инактивации рибосомных генов при конденсации соответствующих хромосом, и вновь формируется в поздней телофазе.
Ядерный матрикс – компонент ядра, в котором располагаются хроматин и ядрышко. Ядерный матрикс образован кариоплазмой и кариоскелетом . Кариоплазма – жидкий компонент ядра, содержащий РНК, ионы, ферменты, метаболиты, растворенные в воде. Кариоскелет состоит из ламины и других фибриллярных белков.
Клеточный цикл – совокупность процессов, происходящих в клетке между двумя последовательными делениями или между её образованием и гибелью. Клеточный цикл включает в себя собственно митотическое деление и интерфазу – промежуток между делениями
Интерфаза занимает около 90% всего времени клеточного цикла и подразделяется на три периода:
· пресинтетический или постмитотический – G1 (от англ. gap – промежуток);
· синтетический – S;
· постсинтетический илипремитотический - G2.
Пресинтетический период – G1 – характеризуется активным ростом клетки, синтезом белка и РНК , благодаря чему клетка восстанавливает необходимый набор органелл и достигает нормальных размеров . G1 период длится от нескольких часов до нескольких дней. В течение этого периода синтезируются особые «запускающие» белки – активаторы S периода. Они обеспечивают достижение клеткой точки R (точки ограничения), после которого она вступает в S-период.
Если клетка не достигает точки R, она выходит из цикла и вступает в период репродуктивного покоя (G0). Клетки некоторых тканей под влиянием определенных факторов способны возвращаться из периода G0 в клеточный цикл, клетки других тканей (кардиомиоциты, нейроны) утрачивают эту способность по мере дифференцировки. Абсолютное большинство дифференцированных клеток организма, выполняющих свои специфические функции, не делятся.
Синтетический период –S- характеризуется репликацией (удвоением содержания) ДНК, синтезом гистонов и других белков . В результате происходит удвоение числа хромосом . Одновременно удваивается число центриолей . S-период длится у большинства клеток 8-12 часов.
Постсинтетический период – G2 - длится 2-4 часа и продолжается вплоть до митоза. В течение этого периода запасается энергия, и синтезируются белки, в частности тубулины , необходимые для процесса деления.
Митоз (кариокинез ) является универсальным механизмом деления соматических клеток. Во время митоза родительская клетка делится, и каждая из дочерних клеток получает набор хромосом идентичный родительскому, и, таким образом, происходит равномерное распределение генетического материала. Продолжительность митоза – 1-3 часа.
Митоз условно разделяют на 4 основные фазы:
· профазу;
· метафазу;
· анафазу;
· телофазу.
Профазаначинается сконденсации хромосом, которые становятся видимыми в световой микроскоп как нитевидные структуры. Каждая хромосома состоит из двух параллельно лежащих сестринских хроматид, связанных в области центромеры. Ядерная оболочка распадается на мембранные пузырьки и исчезает к концу профазы, так же как и ядрышко. Кариоплазма смешивается с цитоплазмой. Пары центриолей расходятся к противоположным полюсам клетки и дают начало микротрубочкам митотического веретена.
В метафазе хромосомы выстраиваются в области экватора митотического веретена (в равной удаленности от центриолей противоположных полюсов), и образуют картину экваториальной (метафазной) пластинки (вид сбоку) или материнской звезды (вид со сторону полюсов). Сестринские хроматиды к концу этой фазы разделяются щелью, однако удерживаются в области центромеры.
Анафаза начинается с синхронного расщепления всех хромосом на сестринские хроматиды (в области центромеры) и движения дочерних хромосом к противоположным полюсам клеток, происходящего вдоль микротрубочек. Анафаза завершается скоплением на полюсах клетки двух идентичных наборов хромосом, которые образуют картину звезд (стадия дочерних звезд). В конце анафазы начинает образовываться клеточная перетяжка, благодаря сокращению актиновых микрофиламентов, которые концентрируются по окружности клетки.
Телофаза характеризуется реконструкцией ядер дочерних клеток и завершением их разделения. Ядерная оболочка восстанавливается, хромосомы постепенно деспирализуются, замещаясь картиной хроматина интерфазного ядра, а в конце телофазы вновь появляется ядрышко. Углубление клеточной перетяжки завершается полной цитотомией с формированием двух дочерних клеток . При этом происходит приблизительно равное распределение органелл между дочерними клетками.
Эндомитоз – процесс увеличения числа хромосом внутри ядерной оболочки без последующего деления клетки, что приводит к повышенному содержанию ДНК в ядре – полиплоидии .
Полиплоидные ядра имеют больший объем. Полиплоидные клетки могут также возникнуть вследствие митотического деления без последующей цитотомией. При таком делении образуются двуядерные клетки с увеличенным вдвое набором хромосом. Основной смысл развития полиплоидии заключается в усилении функциональной активности клеток.
Наличие полиплоидных – тетра- (4n, если 1n – гаплоидный набор хромосом) и октаплоидных (8n) клеток – нормальное явление для гепатоцитов (клеток печени), переходного эпителия мочевого пузыря, секреторных клеток поджелудочной и слюнных желез. Уровень полиплоидизации мегакариоцитов красного костного мозга достигает – 16-32n.
По уровню обновления ткани организма подразделяются на три группы – три типа клеточных популяций :
· Обновляющиеся клеточные популяции характеризуются постоянным обновлением. Естественная убыль дифференцированных клеток, специализированных к выполнению определенных функций и неспособных к делению уравновешена образованием новых клеток в результате деления малодифференцированных камбиальных клеток и последующей дифференцировки (физиологическая регенерация ). К таким популяциям относят клетки костного мозга и крови, эпителий кишки, эпидермис кожи.
· Растущие клеточные популяции способны к увеличению массы ткани за счет нарастания числа клеток и их полиплоидизации. Их долгоживущие клетки выполняют специализированные функции, но сохраняют способность при стимуляции, под действием некоторых факторов вновь вступать в клеточный цикл, чтобы восстановить свою нормальную численность. К растущим популяциям относят эпителий почек, различных желез, печени.
· Стабильные клеточные популяции состоят из высокоспециализированных клеток с полной потерей способности к делению. К таким популяциям относятся нейроны, кардиомиоциты.
Регуляция клеточного цикла в различных тканях организма осуществляется сложной системой механизмов, стимулирующих или ингибирующих клеточное деление.
Протоонкогены – группа генов-активаторов, контролирующих клеточное деление и дифференцировку. Изменения структуры и усиление активности экспрессии протоонкогенов вызывает развитие опухолей. Повышение активности протоонкогенов может быть связано с изменениями строениями ДНК (в результате мутаций), увеличением количества генов (генной амплификации) или их перегруппировкой, при которой гены размещаются вблизи активного промотора (т.e., участка ДНК, ответственного за инициацию транскрипции). Злокачественная трансформация клетки может возникнуть не только вследствие повышения активности протоонкогенов, но и в результате снижения активности другой группы генов, называемых антионкогенами .
Антионкогены – гены, которые продуцируют супрессоры опухолевого роста, угнетающие митотическую активность клеток. Пример антионкогенов – ген р53 . Ген р53 обеспечивает поддержание стабильности генетического аппарата и контролирует клеточный цикл. Его экспрессия резко усиливается при повреждении ДНК. Активация гена р53 приводит к остановке клеточного цикла (выходу в G0) для репарации ДНК, а при тяжелых повреждениях запускает программу апоптоза (клеточной гибели). Выявлена четкая связь между утратой функции гена р53 (в результате мутации или делеции) и развитием более 50 видов злокачественных опухолей у человека.
Факторы роста представляют собой гликопептиды, продуцируемые клетками различных тканей, усиливающие митотическую активность в определенных клетках-мишенях, имеющих специфические рецепторы на плазмолемме. К ним относятся фактор роста нервов, инсулиноподобные факторы роста, колониестимулирующие факторы, интерлейкины и другие цитокины.
Кейлоны, напротив, подавляют клеточное деление. Кейлоны образуются всеми зрелыми дифференцированными клетками и локально воздействуют на камбиальные элементы (стволовые и полустволовые клетки) этой же ткани. Они обеспечивают стабильную численность клеточной популяции, а их выделение контролируется механизмом отрицательной обратной связи. При уменьшении численности зрелых клеток данной популяции (например, потеря лейкоцитов при кровотечении или эпидермиса при ранении) продукция кейлонов снижается, что приводит к усилению митотической активности клеток, способных к делению, - репаративной регенерации.
Число клеток в организме, органах и тканях регулируется гомеостатическими механизмами и динамическим равновесием междуобразованием клеток и их гибелью . Гибель клеток, наряду с их размножением (пролиферацией) и дифференцировкой , является одним из ключевых процессов в обеспечении нормальной жизнедеятельности различных тканей
При гибели клеток могут наблюдаться два вида морфологических изменений, которые соответствуют различным механизмам её развития:
· некроз и
· апоптоз.
Некроз возникает под действием резко выраженных повреждающих факторов: перегревания (гипертермии), переохлаждения (гипотермии), недостатка кислорода (гипоксии), нарушения кровоснабжения (ишемии), метаболических ядов, механической травмы и др. Некроз – «смерть в результате несчастного случая».
Поздние явления при некрозе включают: разрыв ядерной оболочки, плазмолеммы и мембран органелл, разрушение и растворение ядра (кариолизис), исчезновение клеточных границ и распад клетки
Апоптоз - физиологическая (запрограммированная) гибель клеток; «смерть клетки в результате самоубийства (самоуничтожения)». Апоптоз – это активный, генетически контролируемый процесс, регулируемый внутренней программой, которая запускается внешними факторами. Факторы могут разными: повреждающие физические и химические факторы, умеренные по интенсивности; некоторые инфекции (вирусные); воздействие физиологических активаторов (индукторов) апоптоза; дефицит стимулирующих факторов, потеря контакта с другими клетками и др.
Развитие апоптоза индуцируется особыми генами (киллерными генами – р53 и др.). Это энергоёмкий процесс и сопровождается активацией сигнальных систем в клетке. Развитие апоптоза морфологически на светооптическом уровне проявляется уплотнением ядра (кариопикноз и кариорексис без разрушения кариолеммы), конденсацией цитоплазмы, которая уплотняется, сморщивается и уменьшается в размерах, органеллы при этом сохраняют свою целостность. При прогрессировании апоптоза изменяется форма клетки – образуются многочисленные крупные вздутия и выросты на поверхности – и происходит распад клетки на фрагменты – апоптозные тела.
IY. МЕЖКЛЕТОЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ.
МЕЖКЛЕТОЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
Внешние клеточные мембраны участвуют в образовании межклеточных контактов, которые обеспечивают межклеточные взаимодействия.
Простое межклеточное соединение – сближение плазмолемм соседних клеток на расстояние 15-20 нм. Важную роль при этом играют клеточные рецепторы-гликопротеины, называемые клеточными адгезионными молекулами (КАМ), такие как кадгерины, интегрины, способные распознавать и связывать плазмолеммы соседних клеток. Интегрины – трансмембранные белки, внутриклеточная молекула интегрина через ряд других промежуточных белков (таких как винкулин, α-актинин) связана с цитоскелетом. Наружная часть молекулы через другие гликопротеины (фибронектин, ламинин) связана с клетками и молекулами внеклеточного матрикса. При этом плазмолеммы соседних клеток могут формировать интердигитации, то есть взаимные выпячивания двух соседних клеток. Такой тип межклеточных соединений усиливает механическую прочность соединения клеток и увеличивает площадь обменной поверхности.
Сложные межклеточные соединения – небольшие парные специализированные участки плазматических мембран соседних клеток. Сложные межклеточные соединения подразделяются на изолирующие (запирающие), сцепляющие, обусловливающие механическое сцепление и соединение клеток, и коммуникационные соединения, обеспечивающие химическую (метаболическую, ионную) и электрическую связь между клетками. Особенно ярко выражены межклеточные соединения в эпителиальных тканях (рис. 13).
К изолирующим соединениям относятся плотные контакты.
Плотный контакт (zonula occludens) окружает апикальную часть клеток по периметру в виде пояска. Это область частичного слияния наружных листков плазмолемм двух соседних клеток. Специальные белки, образующие подобие ячеистой сети (окклюдины), как бы «сшивают» соседние плазмолеммы. Основная функция плотного контакта – блокировать проникновение и распространение веществ по межклеточному пространству.
К сцепляющим (заякоривающим) соединениям относят поясок сцепления и десмосомы. Для сцепляющих соединений характерно наличие слоя примембранных белков, примыкающих к цитоплазме в области контакта, к которым подходят фибриллярные элементы цитоскелета. Поясок сцепления (zonula adherens, опоясывающая десмосома) также опоясывает клетки в виде ленты, но локализуется на латеральной поверхности клеточной мембраны ниже, чем плотный контакт. Здесь клетки связаны друг с другом интегральными гликопротеидами, к которым примыкает слой примембранных белков (винкулин и др.). С этим слоем связаны пучки актиновых микрофиламентов. Десмосома (macula adherens)- парная структура, состоящая из утолщенных и уплотненных участков цитоплазмы, прилегающих к плазмолеммам соседних клеток, так называемых пластинок прикрепления, разделенных межклеточной щелью. Каждая пластинка прикрепления имеет форму диска (диаметр около 0.5 мкм) и содержит особые белки (десмоплакины и др.), к которым прикреплены пучки промежуточных филаментов (тонофиламентов). При этом находящиеся в межклеточном пространстве Са 2+- связывающие белки взаимодействуют с пластинками прикрепления, благодаря чему усиливается механическое сцепление клеток. Десмосомы не имеют определенной локализации и разбросаны по поверхности клетки.
Десмосома
Рис.13.
Коммуникационные соединения представлены щелевыми контактами и синапсами. Щелевое соединение (нексус) представляет собой участок протяженностью 0,5-3 мкм, где плазмолеммы разделены узкой межклеточной щелью (2-3 нм). При этом в структуре плазмолемм соседних клеток друг против друга располагаются трубчатые трансмембранные структуры – коннексоны (из белка коннексина), которые образуют межцитоплазматические каналы, обеспечивающие свободный обмен низкомолекулярными соединениями между клетками (рис.14). Число конексонов в одном щелевом контакте обычно исчисляется сотнями. Функциональная роль щелевых соединений заключается в переносе ионов и мелких молекул от клетки к клетке.
Рис.14. Щелевой контакт
(нексус)
Синаптические соединения – высокоспециализированные контакты нервных клеток, проводящие импульсы в одном направлении. Синаптические контакты устанавливаются также между нейронами и мышечными и железистыми клетками.
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
ПФ - промежуточные филаменты
ЭР - эндоплазматический ретикулум
GFAP - кислый глиальный белок
IFAP - ПФ-ассоциированные белки
ВВЕДЕНИЕ
Помимо основных внутриклеточных компонентов некоторые клетки имеют специализированные структуры, реснички или жгутики, которые позволяют им или самим перемещаться, или перемещать окружающую их жидкость. У многоклеточных животных организмов есть специализированные клетки, мышечная работа которых позволяет производить различные движения органов, отдельных его частей или всего организма. В основе всех этих многочисленных двигательных реакций лежат общие молекулярные механизмы. Кроме того, наличие каких-либо двигательных аппаратов должно сочетаться и структурно связываться с существованием опорных, каркасных или скелетных внутриклеточных образований. Поэтому можно говорить об опорно-двигательной системе клеток.
Существует три системы двигательных элементов, которые различаются по химическому составу, ультраструктуре и функциональным свойствам. Это микрофиламенты, микротрубочки и промежуточные филаменты.
В данной работе будет описана молекулярная организация, ультраструктура и функциональные свойства последней группы двигательных элементов.
ГЛАВА 1. ОБЩЕЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ И СВОЙСТВА ПРОМЕЖУТОЧНЫХ ФИЛАМЕНОТВ
Промежуточные филаменты (ПФ) нитевидные структуры из особых белков, один из трех основных компонентов цитоскелета клеток эукариот. ПФ строятся из фибриллярных мономеров . Они называются промежуточными, поскольку их диаметр (812 нм) имеет промежуточное значение по сравнению с микротрубочками (25 нм) и актиновыми микрофиламентами (58 нм) . Поэтому основная конструкция ПФ напоминает канат, имеющий толщину около 8-12 нм. Они локализуются главным образом в околоядерной зоне и в пучках фибрилл, отходящих к периферии клеток и располагающихся под плазматической мембраной. Встречаются ПФ во всех типах животных клеток, но особенно они обильны в тех клетках, которые подвержены механическим воздействиям: клетки эпидермиса, нервные отростки, гладкие и исчерченные мышечные клетки. В клетках растений ПФ не обнаружены .
На разных этапах эмбрионального развития, на разных стадиях дифференцировки, в разных типах клеток экспрессируются ПФ, состоящие из разных белков. В некоторых типах клеток одновременно присутствуют несколько различных ПФ. Всего в геноме человека обнаружено около 70 генов, кодирующих различные белки ПФ, которые образуют одно из самых многочисленных белковых семейств .
Исследования in vitro показали очень высокую устойчивость ПФ к механическим нагрузкам. Большое число полипептидов на поперечном сечении филамента, сильные боковые гидрофобные взаимодействия, характерные для белков, содержащих скрученную суперспираль, и электростатические взаимодействия, возникающие при образовании тетрамеров, придают ПФ свойства каната: они легко гнутся, но крайне трудно рвутся. При обработке клетки детергентами, растворами с высокой ионной силой ПФ последними из клеточных структур переходят в раствор, то есть проявляют очень высокую стабильность. ПФ могут собираться in vitro в физиологическом буфере без каких-либо кофакторов после полной денатурации белка в мочевине. Как показали недавние исследования, ПФ проявляют высокую динамичность и подвижность in vivo . Экзогенный виментин, инъецированный в клетку, быстро встраивается в уже сформированные филаменты. Это показывает, что структура ПФ регулируется равновесием между протофиламентами и полимерами и что обмен субъединицами происходит по всей длине филамента.
ГЛАВА 2. БЕЛКИ ПРОМЕЖУТОЧНЫХ ФИЛАМЕНТОВ
В состав ПФ входит большая группа изобелков. Эти белки, в отличие от глобулярных актина и тубулина, имеют палочковидную форму. Общим свойством всех белков промежуточных филаментов является наличие центрального стержневого домена с высоким содержанием α-спиральных участков. Он очень консервативен по размерам, вторичной структуре и первичной последовательности. Этот стержневой домен имеет около 310 аминокислот (350 для ламинов и белков беспозвоночных) и состоит из 4 α-спиральных участков, соединенных связками. Концевые домены белков ПФ не имеют спиральной структуры. Они сильно различаются по длине и по последовательности аминокислот. Все белки ПФ способны фосфорилироваться. Участки фосфорилирования локализованы на С- и N-концах молекул. Кроме того, белки промежуточных филаментов могут подвергаться другим типам посттрансляционной модификации, а именно, ограниченному протеолизу с помощью высокоспецифичных, активируемых ионами кальция протеаз, гликозилированию, убихитинированию, карбоксиметилированию.
Основываясь на биохимическом, иммунологическом и структурном сходстве, выделяют пять различных типов ПФ.
Наиболее многочисленной и наиболее сложной по составу группой белков ПФ являются кератины, они представлют два типа белков I и II тип. Кислые кератины относятся к типу I (16 изоформ), а основные к типу II (13 изоформ). Для сборки кератиновых ПФ необходимы белки обоих типов они образуют гетерополимеры. Известны эпидермальные кератины, простые эпителиальные кератины и кератины, которые экспрессирутся в волосах, шерсти и ногтях. К белкам ПФ III типа относятся четыре белка: десмин, виментин, переферин и кислый глиальный белок (GFAP). Десмин экспрессируется во всех типах мышечных клеток; виментин обнаружен в фибробластах, лимфоцитах, эндотелиальных клетках и некоторых других мезенхимальных тканях; перферин присутствует, в основном, в периферических нейронах, где он участвует в сборке ПФ вместе с белками IV типа; GFAP экспрессируется в глиальных клетках. В отличие от кератинов белки ПФ III типа могут формировать гомополимеры, однако они могут образовывать и гетерополимеры с другими белками III типа и с белком NF-L. Белки ПФ IV типа экспрессируются, главным образом, в нервных клетках, где они участвуют в радиальном росте аксонов. К ним относится α-интернексин и триплет белков нейрофиламентов: NF-L, NF-M, NF-H. Еще один белок, нестин, впервые обнаруженный в предшественниках нервных клеток, иногда относят к особому типу белков ПФ VI. Однако исходя из его структурных особенностей, нестин можно отнести к IV типу. Кроме вышеперечисленных белков, которые входят в состав цитоплазматических ПФ, существуют еще два типа, сильно от них отличающихся это ядерные ламины, образующие V тип, и два белка VI типа, найденные в хрусталике глаза. Пять типов белков ПФ, выделенных на основе гомологии последовательностей, разделяют на три группы, различающихся принципами сборки. К первой группе относят кератины, ко второй ПФ III и IV типа, а третью группу сборки образуют ламины. Эти три группы могут сосуществовать как 3 независимые системы ПФ внутри одной и той же клетки. Цитоплазматические ПФ могут собираться in vitro в отсутствие вспомогательных белков. Члены первой группы являются облигатными гетерополимерами, то есть для сборки кератиновых филаментов необходимо соединение ПФ I и II типов. Кератины не способны образовывать полимеры с ПФ других типов. Белки ПФ III типа и NF-L, относящиеся ко второй группе сборки, образуют гомополимеры in vitro , однако в клетке они очень часто обнаруживаются в виде сополимеров. Ламины не способны образовывать сополимеры с белками цитоплазматических ПФ .
ГЛАВА 3. СТРУКТУРА ПРОМЕЖУТОЧНЫХ ФИЛАМЕНТОВ
Субъединицы промежуточных филаментов включают различные типы мономерных белков, которые состоят только из одного вида белка, тогда как другие (например нейрофиламенты) состоят из трёх различных белков.
Вне зависимости от типа клетки белки ПФ представляют собой волокнистые длинные полипептиды с N -концевым головным доменом, C -концевым хвостовым доменом и центральным стержневым доменом. Последний состоит из α-спирального участка, который содержит серию повторений участка из 7 аминокислот. Этот участок отвечает за образование скрученных спиральных димеров между двумя параллельными α-спиралями.
При формировании ПФ два скрученных спиральных димера связываются друг с другом антипараллельно и образуют тетрамер; т.е. N -конец одного димера и С-конец другого ориентированы в одном направлении. Поскольку N -конец и С-конец белков ПФ различаются, а димеры и тетрамеры уложены антипараллельно, филаменты не полярны; скорее идентичны с каждой стороны. Это отличает их от полярной структуры микротрубочек и актиновых филаментов и объясняет, почему ПФ имеют совершенно другие свойства.
Эластичность этих филаментов обеспечивается в частности тем, что димеры каждого тетрамера расположены в шахматном порядке относительно друг друга; это строение позволяет тетрамерам связываться между собой. Когда тетрамеры выравниваются вдоль оси филамента и связываются со свободными концами, образуется зрелый ПФ .
Анализ первичной последовательности белков ПФ показал, что, несмотря на большое разнообразие, все они имеют общий план строения (рис. 1). У всех белков ПФ есть центральный α-спиральный домен, который фланкирован неспиральными N-концевым («голова») и C-концевым («хвост») доменами. Концевые домены разных типов ПФ сильно различаются по размерам и первичной аминокислотной последовательности.
Рисунок 1. Схематическое изображение молекул некоторых белков ПФ.
Строение центрального домена, наоборот, чрезвычайно консервативно. Он содержит четыре спиральных сегмента 1А, 1В, 2А, 2В, прерывающихся в трех местах короткими не спиральными участками-линкерами L1, L1-2 и L2, которые часто содержат остатки пролина и глицина. Аминокислотная последовательность α-спиральных участков центрального домена состоит из повторов, представляющих собой гептады вида (abcdefg)n, где положения а и d предпочтительно занимают небольшие гидрофобные остатки лейцин, изолейцин, метионин и валин. Такой повторяющийся мотив из 7 а.о. характерен для белков, способных к образованию скрученной α- спирали (coiled-coil) или по-другому суперспирали, состоящей из двух α-спиралей. Поверхность α-спирального домена белков ПФ сильно заряжена. Например, у виментина из 310 аминокислот, образующих центральный домен, заряженными являются 116 70 кислых и 46 основных аминокислот. Таким образом, на одну субъединицу виментина приходится избыток отрицательного заряда 24 кислых аминокислотных остатка. В отличие от центрального домена, «голова» многих белков ПФ заряжена положительно. У виментина в N-концевом домене содержится 12 аргининов, а у ламина B2 3. При этом количество положительно заряженных аминокислотных остатков коррелирует с длиной N-концевого домена (у виментина он состоит из 102 остатков, а у ламина В2 из 25). Даже кислый глиальный белок, с коротким N-концевым доменом из 68 аминокислот, содержит 9 основных остатков. Считают, что положительно заряженные аминокислотные остатки «головы» взаимодействуют с отрицательно заряженными аминокислотами центрального домена. Кроме того, эти заряженные кластеры на поверхности филаментов могут являться потенциальными участками связывания с различными клеточными компонентами.
Центральный домен цитоплазматических ПФ длиной около 45 нм состоит из 310 аминокислот. У ядерных ламинов из-за наличия дополнительных 42 аминокислот в сегменте 1В, центральный домен содержит 356 аминокислотных остатков, и его длина составляет 53 нм. Размеры сегментов, образующих α-спиральный домен ПФ, высоко консервативны: 1А 35 аминокислот, 1В 101 аминокислота, 2А 19 аминокислот и 2В 115 аминокислот. Оказалось, что у различных по аминокислотной последовательности ПФ есть две области, расположенные на концах α-спирального домена, неизменные по своему составу. Одна из них участок из 26 a.о., первые две трети сегмента 1А, 8 из которых абсолютно консервативны; другая участок из 32 остатков на самом конце сегмента 2В, содержащий 13 абсолютно консервативных остатков. С помощью метода поперечных сшивок установлено, что обе эти области участвуют во взаимодействии соседних димеров белков ПФ в зрелых филаментах. Еще одной характерной особенностью строения сегмента 2В является небольшое нарушение гептадной структуры. После 8 полных гептад у всех белков ПФ обнаружена вставка из 4 дополнительных остатков. Это нарушение структуры также важно для сборки ПФ. Линкер L1 сильно варьирует по размеру и последовательности, в то время как последовательность линкера L2 высоко консервативна и состоит из 8 аминокислот у всех пяти типов ПФ. Сильнее всего различаются по длине и аминокислотному составу неспиральные концевые домены белков ПФ «голова» и «хвост». Например, длина «хвоста» у кератина К19 всего 9 остатков, а длина «хвоста» нестина 1491 остатков.
Таким образом, все белки ПФ имеют похожий по структуре и размеру центральный домен, несущий суммарный отрицательный заряд, и сильно варьирующие по длине и аминокислотному составу концевые домены, несущие суммарный положительный заряд .
ГЛАВА 4. СБОРКА ПРОМЕЖУТОЧНЫХ ФИЛАМЕНТОВ
ПФ это полимеры, которые обладают уникальной способностью к самосборке без участия дополнительных белков и, в отличие от микротрубочек и актиновых микрофиламентов, без дополнительной энергии в виде молекул АТФ или ГТФ. На основе данных о структуре белков ПФ был предсказан возможный механизм их сборки, который затем был в основном подтвержден электронно-микроскопическими наблюдениями, а также с помощью рентгеноструктурного анализа и ЭПР-спектроскопии.
Сборка ПФ происходит в несколько этапов (рис.2). Сначала образуются димеры центральные домены двух полипептидных цепочек обвиваются друг относительно друга, образуя скрученную спираль с шагом 14 нм. Димеры получаются в результате гидрофобных взаимодействий между аминокислотными остатками, расположенными в положениях а и d гептадных повторов взаимодействующих белковых молекул.
Рисунок 2 . Схема, показывающая отдельные этапы самосборки ПФ.
Особую роль в сборке ПФ играют концевые участки центрального домена. Исследования формирования филаментов in vitro показали, что даже точечная замена аминокислоты на N-конце сегмента 1А или на С-конце сегмента 2В приводит к серьезным нарушениям их структуры.
Следующий этап сборки соединение димеров в более крупные комплексы. В случае цитоплазматических ПФ это объединение димеров в тетрамеры, что отличает их от ламинов, которые при сборке соединяются по механизму «голова к хвосту» образуя линейные полимеры. В образовании тетрамеров участвуют электростатические взаимодействия чередующихся зон положительных зарядов, избыток которых имеется в N-концевом домене виментина, и отрицательных, преобладающих в центральном домене молекулы. Существует несколько моделей соединения димеров в тетрамеры, предложенных на основе результатов, полученных методом поперечных сшивок (рис. 3).
Рисунок 3. Схема, показывающая три возможных модели образования тетрамеров при сборке ПФ.
Этот метод заключается в образовании ковалентной связи между определенными остатками аминокислот соседних молекул с помощью специальных реагентов, имеющих две реакционных группы, взаимодействующие с этими остатками. Чаще других используются реагенты, которые реагируют с лизином или цистеином. Полученные комплексы выделяют, очищают, расщепляют протеазами и анализируют при помощи хроматографии. Сравнение хроматографических профилей образцов, полученных до и после расщепления сшивок периодатом натрия, позволяет обнаружить несколько возможных вариантов поперечных сшивок между молекулами или внутри одной молекулы. Пики на хроматограммах, которые исчезают после обработки периодатом натрия, соответствуют молекулам, которые образовались в результате поперечных сшивок между разными молекулами или внутри одной молекулы белка. Таким образом, этот метод позволяет обнаружить участки белков, расположенные в непосредственной близости друг от друга, т.е. выяснить взаимное расположение субъединиц в филаментах. Большинство пептидов, полученных в результате протеолитического расщепления виментиновых ПФ, оказались довольно короткими (меньше 10 остатков), так что их аминокислотный состав позволил однозначно определить расположение пептида внутри последовательности виментина. В некоторых случаях, когда обнаруживался только один пептид после обработки периодатом, это означало, что поперечная сшивка образовалась внутри цепи.
Для виментина были найдены 16 уникальных поперечных сшивок, 5 из которых возникают между двумя параллельными цепочками, находящимися «в регистре» и образующими двухцепочечную скрученную гомодимерную молекулу виментина. 11 поперечных сшивок могут быть отнесены к трем возможным моделям межмолекулярного взаимодействия, изображенным на рис. 3. Модель А 11 (6 поперечных сшивок) предполагает, что два антипараллельных димера взаимодействуют таким образом, что 1В сегменты их центральных доменов значительно перекрываются. Согласно другой модели, А 22 (3 поперечные сшивки), два антипараллельных димера перекрываются в области сегментов 2В. В третьей модели А 12 (2 поперечных сшивки) два димера антипараллельны и полностью перекрываются. Существование этих трех типов взаимодействия димерных молекул было подтверждено для кератинов. Для виментина предложена еще и четвертая модель взаимодействия между димерными комплексами в составе филаментов A CN . Если два тетрамера, образованные согласно моделям А 11 и А 22 , оказываются рядом, то по одному димеру из каждого тетрамера будут взаимодействовать по принципу «голова-хвост». В этом случае 510 N-концевых остатков сегмента 1А одного димера будут перекрываться с 510 C-концевыми остатками сегмента 2В другого димера. Сходные данные были получены и для структуры десминовых ПФ.
До недавнего времени структурную информацию о сборке ПФ можно было получить, только наблюдая препараты, зафиксированные через определенные промежутки времени, при помощи электронного микроскопа. Позднее для наблюдения за ходом процесса сборки был применен метод малоуглового рассеяния рентгеновских лучей (small angle x-ray scattering SAXS), который используется для исследования макромолекул в растворе. Оказалось, что сборка виментиновых ПФ in vitro происходит с последовательным образованием различных олигомеров, включающих тетрамеры, октамеры единичный протофиламент, состоящий из четырех октамеров. Измерения, проведенные с помощью этого метода, указывают на то, что димеры в тетрамере находятся на расстоянии 3,4 нм друг от друга, в то время как расстояние между скрученными спиралями 1,5 нм. Возможно, такое разъединение связано с тем, что непосредственный контакт кислых центральных доменов электростатически неблагоприятен. Также оказалось, что соединение димеров в тетрамер в соответствии с моделью А 11 происходит во многом благодаря второй половине головного домена (3570 остатков), т.е. электростатическое притяжение положительно заря женной «головы» и кислого центрального домена, по-видимому, является движущей силой. Конечная субъединица ПФ - протофиламент единичной длины (65 нм) в среднем состоит из четырех октамеров. В поперечном сечении протофиламент единичной длины скорее овальный, чем круглый. Согласн измерениям, полученным с помощью сканирующего электронного микроскопа, отдельные протофиламенты могут значительно различаться по количеству образующих его виментиновых цепочек. На последнем этапе сборки происходит уплотнение субъединиц филаментов до толщины 1012 нм. Возможно, этот этап также сопровождается перестройкой внутри филаментов, потому что варианты сборки тетрамеров А 22 и А 12 обнаруживаются только в зрелых структурах. Существование тетрамеров виментина in vivo уже доказано, а вот вопрос о присутствии других промежуточных компонентов сборки, таких как октамеры или единичные филаменты, требует дальнейших исследований. Количество протофибрилл (октамеров), приходящихся на поперечный срез ПФ, варьирует от 2 до 6, в зависимости от типа ПФ и условий сборки. Предполагается, что каждая протофибрилла состоит из двух протофиламентов, а каждый протофиламент, в свою очередь, состоит из тетрамеров, соединенных конец к концу. Таким образом, по ширине один филамент может состоять из 2440 полипептидов (обычно из 2 8 тетрамеров). Толщина может меняться не только от одного филамента к другому, но даже в пределах одного филамента .
Иначе полимеризуются белки ядерной ламины: они образуют димеры с головками на одном конце и полимеризуются, создавая рыхлую прямоугольную решётку.
Топографически в клетке расположение ПФ повторяет расположение микротрубочек, они как бы идут бок о бок. При разрушении микротрубочек колхицином происходит так называемый коллапс ПФ: они собираются в плотные пучки или кольца вокруг ядра. Восстановление новой сети ПФ начинается от зоны клеточного центра. Это наводит на мысль о том, что центром их полимеризации или нуклеации могут быть центры, общие с микротрубочками .
ГЛАВА 5. ПРОМЕЖУТОЧНЫЕ ФИЛАМЕНТЫ В КЛЕТКЕ
Зрелые ПФ и их предшественники динамичны и подвижны внутри клеток. Сборка, разборка и перемещение ПФ в клетках происходят непрерывно. Образование внутриклеточной сети раз личных типов ПФ в разных типах клеток происходит по-разному. Это может быть связано с тем, что ПФ взаимодействуют с разными типами молекулярных моторов и другими факторами. Субъединицы ПФ и зрелые полимеры находятся в цитоплазме в равновесии, и включение новой субъединицы может происходить в любом месте зрелого филамента. Однако образование сети ПФ начинается около ядра. Перемещаются в клетках не только отдельные субъединицы, но и зрелые фибриллы. Для виментиновых ПФ было показано, что они могут перемещаться в цитоплазме как по направлению к клеточной поверхности, так и по направлению к ядру. Средняя скорость перемещения длинных ПФ составляет 0,20,3 мкм/мин, субъединицы ПФ двигаются быстрее (12 мкм/сек), в основном вдоль микротрубочек. Большинство из них (6570%) перемещается к периферии клетки. Способность виментиновых субъединиц двигаться вдоль микротрубочек в разном направлении объясняется их ассоциацией с моторными белками кинезином и динеином. Связывание с кинезином обуславливает движение виментиновых филаментов и их субъединиц к плюс-концу микротрубочек и к поверхности клетки. Движение к минус-концу микротрубочек, к ядру, обусловлено взаимодействием с моторным комплексом, состоящим из динеина и динактина. По-видимому, эти взаимодействия необходимы для формирования и поддержания сети ПФ. Длинные виментиновые ПФ связываются с IFAP, например, с плектином, который образует поперечные связи между отдельными ПФ и другими структурами цитоскелета, тем самым препятствуя их движению. По-видимому, такое взаимодействие необходимо для стабилизации ПФ в особых областях цитоплазмы, подвергающихся механическому стрессу или деформации. В отличие от виментиновых ПФ, состоящих из одного белка, кератиновые ПФ всегда являются гетерополимерами. Поэтому для поддержания стабильной сети кератиновых филаментов необходим баланс между кератинами I и II типа, избыток кератинов одного из типов приводит к нарушению сети ПФ. Интересно, что в клетках, одновременно экспрессирующих кератин и виментин, длинные кератиновые филаменты двигаются в 3 раза медленнее виментиновых (0,06 мкм/мин), а кератиновые субъединицы в 15 раз медленнее виментиновых субъединиц. Кроме того, транспорт кератиновых субъединиц в основном направлен к ядру (84%). Возможно, причина этих различий заключается в разной способности кератинов и виментина связываться с микротрубочками и моторными белками. Действительно, большая часть кератиновых субъединиц ассоциирована с сетью актиновых микрофиламентов, и динамические свойства кератиновых ПФ обусловлены взаимодействием с миозином. А поскольку миозин перемещается медленнее моторных белков, ассоциированных с микротрубочками, этим, возможно, и объясняются различия в скорости перемещения кератинов и виментина внутри одного типа клеток. Особый интерес представляет формирование системы ПФ в нейронах, называемых нейрофиламентами. Отростки этих клеток могут достигать длины порядка метра. Если бы транс порт ПФ происходил с той же скоростью, что и медленный транспорт других структур цитоскелета (0,38 мм/день), то понадобились бы годы, чтобы они могли достичь дистальных областей отростков. Однако субъединицы нейрофиламентов перемещаются вдоль аксона со скоростью, равной 1,8 мкм/сек, так как они транспортируются по микротрубочкам при помощи кинезина и динеина. Правда, движение этих структур прерывается долгими паузами, так что двигаются они только 27% времени, а в зрелых сенсорных аксонах нейрофиламенты находятся в покое около 99% времени .
ГЛАВА 6. ФУНКЦИИ ПРОМЕЖУТОЧНЫХ ФИЛАМЕНТОВ
По сложившимся представлениям, основной функцией ПФ является поддержание клеточной и тканевой целостности, основанной на их механических свойствах и способности к самосборке. Повышенный интерес к их механической роли связан с тем, что известны наследственные заболевания, вызванные нарушениями структуры ПФ в тканях, подверженных механическому стрессу, таких как кожа, мышцы и кровеносные сосуды. Однако ПФ имеются во всех типах клеток, в том числе и не подверженных механическому стрессу, а нарушение их сетей также приводит к патологическим последствиям. Существуют, например, серьезные болезни, связанные с нарушением функций ПФ в нервной системе. Этот факт, а также динамическая природа ПФ и наличие большого количества связанных с ними сигнальных белков, указывает на то, что ПФ не только обеспечивают устойчивость к внешним воздействиям, но также выполняют другие специализированные функции в клетках. Хотя эти функции в различных типах клеток пока недостаточно изучены, уже сейчас видно, как велико их значение. По-видимому, немеханическая функция ПФ связана с их участием во внутриклеточном распределении органелл и белков, а также в транспорте липидов. Функции ПФ обусловлены их взаимодействием с многообразными клеточными компонентами. Так, механическую целостность клеток ПФ обеспечивают, связываясь с другими компонентами цитоскелета микротрубочками, микрофиламентами и плазматической мембраной, взаимодействие с которой происходит в особых участках прикрепления: в десмосомах и полудесмосомах эпителиальных клеток и в местах фокальных контактов фибробластов. Для взаимодействия с такими органеллами, как митохондрии, аппарат Гольджи, эндосомы и лизосомы ПФ связываются с различными компонентами мембран этих органелл. Это связывание обеспечивается большим семейством белков IFAP, но, по-видимому, может происходить и непосредственно.
6.1. Механические функции
Как показывают электронно-микроскопические исследования, различные структуры цитоскелета связаны между собой и с мембранными органеллами. Различимые на электронных микрофотографиях «мостики» долгое время считались связующими структурами неизвестной природы. Позже выяснилось, что за связь многих клеточных органелл с микротрубочками отвечают молекулярные моторы кинезины и динеины. Роль кинезина для взаимодействия ПФ с микротрубочками была продемонстрирована с помощью антител, блокирующих работу этого моторного белка. Оказалось, что радиальное распределение ПФ вдоль микротрубочек осуществляется благодаря кинезин-зависимому транспорту.
Но основную роль во взаимодействии ПФ со многими клеточными компонентами играют IFAP, которые соединяют их и с органеллами, микрофиламентами и микротрубочками, и с межклеточными контактами. Такие белки, как десмоплакин, BPAG1 и плектин относятся к семейству плакинов. Все они содержат очень длинный центральный α-спиральный домен, который обра зует скрученную спираль при образовании димерного комплекса. Центральный домен фланкирован не спиральным N-концевым доменом, который может содержать места связывания с актином и/или места связывания с микротрубочками, и С-концевым доменом, который, помимо участков связывания с ПФ, может содержать различное количество повторяющихся доменов А, В, С, типичных для десмоплакина.
Наиболее хорошо изучен белок плектин, который может соединять три различные цитоскелетные системы и взаимодействовать с различными белками. При помощи электронной микроскопии можно увидеть, что плектин образует боковые отростки, отходящие от ПФ, длиной примерно 200 нм и толщиной 23 нм. Способность плектина связываться с ПФ обоими концами навела на мысль, что концы его цепи одинаковы по своим свойствам, и его молекулы являются гомотетрамерами. Количественный анализ комплексов виментин-плектин показал, что на участок ПФ длиной 1мкм приходится 10 молекул плектина. В мышцах плектин колокализуется с десминовыми ПФ около Z-дисков и структур, образующих внутриклеточный миофибриллярный каркас.
6.2. Внутриклеточное распределение органелл
Вплоть до недавнего времени никто не предполагал, что ПФ могут участвовать в мембранном транспорте, однако недавно было показано, что ПФ играют важную роль не только в транспорте мембранных органелл, но и в их функционировании.
6.2.1. Митохондрии и промежуточные филаменты
Одним из наиболее важных для физиологии клеток типом мембранных органелл являются митохондрии. Они располагаются около ПФ в различных типах клеток, и это, по-видимому, играет важную роль. Так оказалось, что у митохондрий в сердечных и скелетных мышцах, лишенных десмина, изменяется морфология и внутри клеточная локализация. Кроме того, в таких митохондриях наблюдается прогрессирующее разрушение матрикса, а сами они собираются в группы около сарколеммы. Все эти изменения приводят к нарушению функций митохондрий: снижается максимальная скорость дыхания, АДФ-стимулируемое потребление кислорода, исчезает креатинкиназа, падает уровень цитохрома с.
6.2.2. Аппарат Гольджи и промежуточные филаменты
Аппарат Гольджи располагается вдоль ПФ около центра организации микротрубочек. Взаимодействие аппарата Гольджи и виментиновых ПФ хорошо изучено, и найдены белки, с помощью которых происходит их связывание. Один из них форм-имино-трансфераза циклодеаминаза, белок, расщепляющий гистидин. Другой белок аппарата Гольджи - GM130 при разрушении микротрубочек, приводящем к нарушению распределения аппарата Гольджи, также локализуется вдоль виментиновых филаментов. Третий белок, MICAL (molecule interacting with CasL), непосредственно связывает виментин и ГТФазу Rab1, которая является главным участником везикулярного транспорта от эндоплазматического ретикулума к аппарату Гольджи. Таким образом, связь между ПФ и аппаратом Гольджи, изученная на культуре клеток, играет, по-видимому, важную физиологическую роль.
6.2.3. Эндосомы, лизосомы и промежуточные филаменты
Другим примером участия ПФ в функциях мембранных органелл является их роль в транспорте эндосом и лизосом. Установлено, что виментин, периферин и α-интернексин связываются с адаптерным белком АР-3. Белок АР-3 это гетеротетрамерный адаптерный комплекс, который участвует в транспорте везикул между эндосомальным и лизосомальным компартментами и регулируетпоступление белков в лизосомы и тканеспецифичные органеллы меланосомы, гематопоэтические гранулы и синаптические везикулы. С ПФ белок АР-3 взаимодействует при помощи специализированного домена субъединиц β3А и β3В, который также необходим для выполнения АР-3 функции, связанной с сортировкой белков, и это единственный его участок, взаимодействующий с виментином. Отсутствие в клетках АР-3 или виментина приводит к появлению одинакового фенотипа, в обоих случаях нарушается распределение ионов цинка. В фибробластах, лишенных АР-3 или виментина, снижается его уровень. Внутриклеточный цинк в основном локализуется в эндоцитарных везикулах и в эндосомах, а его запасание зависит от тока ионов хлора через их мембраны. Каналы, через которые поступает хлор, регулируют и рН в эндосомах, и запасание в них ионов цинка. Белки, образующие эти каналы, переносятся мембранными везикулами, с которыми связан адаптерный комплекс АР-3. Предполагается, что отсутствие комплекса АР-3 в клетках приводит к нарушению рН внутри эндосом, который определяется транспортом ионов хлора. У клеток, лишенных виментина, содержание цинка в везикулах падает в 40 раз.
Другой груз, за транспорт которого отвечает комплекс АР-3, это молекула LAMP-2 (lysosome associated membrane protein). Она представляет собой резидентый белок эндосом и лизосом, который нужен для их слияния с вакуолями автофагосом, которые образуются из эндоплазматического ретикулума, охватывают органеллу, предназначенную для расщепления, и доставляют ее к лизосомам или эндосомам. Показано, что нарушение сборки ПФ приводит к нарушению образования вакуолей автофагосом, однако механизм их взаимодействия пока не известен. Существует предположение, что совместное действие ПФ и АР-3 связано с транспортом белка LAMP-2. Важно отметить, тем не менее, что локализация эндосом и лизосом от ПФ не зависит.
6.2.4. Ядро и промежуточные филаменты
Одной из важных функций ПФ является локализация ядер. Однако роль ПФ в локализации ядра изучена пока недостаточно. Скорее всего, она заключается в удержании ядра на месте и в привлечении белков, которые могли бы взаимодействовать с остальными компонентами цитоскелета.
6.2.5. Другие функции промежуточных филаментов
К другим известным функциям ПФ можно отнести их участие в под держании липидного состава мембран. Так, в преадипоцитах отсутствие или нарушение структуры виментиновых ПФ вызывало снижение стабильности триглицеридов, а в фибробластах и клетках надпочечников приводило к нарушению метаболизма холестерина. Целый ряд данных указывает на то, что изменения в липидном составе мембран возникают в результате повреждений, происходящих на поздних стадиях эндосомального пути. Оказалось, что с виментиновыми ПФ взаимодействует один из ключевых ферментов холестеринового обмена оксистеролсвязывающий белок. В клетках, лишенных ПФ, наблюдается повышение синтеза холестерина, и снижение образования из него сложного эфира. Предполагают, что это также связано с нарушениями перехода холестерина в эндосомальные и лизосомальные мембраны. Также замедляется созревание гликосфинголипидов в клетках, лишенных ПФ, потому что затруднен их транспорт из аппарата Гольджи в эндосомальную систему. Нарушения транспорта липидов говорят о том, что, по-видимому, роль взаимодействия транспортных везикул с ПФ чрезвычайно важна. В заключение можно отметить многообразие функций ПФ в клетке. Наряду с другими компонентами цитоскелета они обеспечивают механическую прочность клетки, участвуют в правильном расположении внутриклеточных органелл и ядра и в транспорте белков. Однако некоторые детали и тонкие механизмы этих взаимодействий пока остаются невыясненными, как и роли многих участников .
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Необходимость более глубокого изучения принципов и механизмов функционирования ПФ в различных типах клеток диктуется, прежде всего тем, что нарушения, связанные с этими структурами цитоскелета являются причиной многих патологических состояний. К настоящему времени установлены мутации генов белков ПФ, лежащих в основе тяжелых наследственных заболеваний. Среди них есть такие, как наследственный буллезный эпидермолиз, связанный с мутациями кератинов 5 и 14; миопатия и кардиомиопатия, вызванные нарушениями десмина; такие тяжелые неврологические заболевания, как амиотрофический латеральный склероз и болезнь Александра, связанные с мутациями периферина и GFAP, соответственно; болезнь Паркинсона и некоторые другие тяжелые нервные патологии, причиной которых являются нарушения нейрофиламентов. Другим приложением фундаментальных знаний о ПФ явилось успешное использование образующих их белков в качестве маркеров различных злокачественных опухолей. Для многих видов опухолей тип «неправильного» белка ПФ может служить диагностическим маркером. В последнее время в связи с повышенным интересом к проблеме использования стволовых клеток многие исследователи обратили внимание на ПФ как удобный маркер клеточной дифференцировки. Действительно, выяснив, какой белок ПФ экспрессируется в клетках, можно легко и быстро определить их тип. Таким образом, ПФ представляют собой важный компонент цитоскелета, который обладает многими уникальными свойствами и играет важную роль в физиологии клеток.
ЛИТЕРАТУРА
