Микротрубочки

Микротрубочки — белковые внутриклеточные структуры, входящие в состав цитоскелета.

Структура микротрубочек

Микротрубочки представляют собой полые цилиндры диаметром 25 нм. Длина их может быть от нескольких микрометров до, вероятно, нескольких миллиметров в аксонах нервных клеток. Их стенка образована димерами тубулина. Микротрубочки, подобно актиновым микрофиламентам, полярны: на одном конце происходит самосборка микротрубочки, на другом — разборка. В клетках микротрубочки играют роль структурных во многих клеточных процессах.

Строение

Микротрубочки — это структуры, в которых 13 протофиламентов[1], состоящих из гетеродимеров α- и β-тубулина, уложены по окружности полого цилиндра. Внешний диаметр цилиндра около 25 нм, внутренний — около 15.

Один из концов микротрубочки, называемый плюс-концом, постоянно присоединяет к себе свободный тубулин. От противоположного конца — минус-конца — тубулиновые единицы отщепляются.

β-тубулин

В образовании микротрубочки выделяют три фазы:

  • Замедленная фаза, или нуклеация. Это этап зарождения микротрубочки, когда молекулы тубулина начинают соединяться в более крупные образования. Такое соединение происходит медленнее, чем присоединение тубулина к уже собранной микротрубочке, поэтому фаза и называется замедленной.
  • Фаза полимеризации, или элонгация. Если концентрация свободного тубулина высока, его полимеризация происходит быстрее, чем деполимеризация на минус-конце, за счёт чего микротрубочка удлиняется. По мере её роста концентрация тубулина падает до критической, и скорость роста замедляется вплоть до вступления в следующую фазу.
  • Фаза стабильного состояния. Деполимеризация уравновешивает полимеризацию, и рост микротрубочки останавливается.

Лабораторные исследования показывают, что сборка микротрубочек из тубулинов происходит только в присутствии гуанозинтрифосфата и ионов магния.

Динамическая нестабильность

Микротрубочки являются динамическими структурами и в клетке постоянно полимеризуются и деполимеризуются. Центросома, локализованная вблизи ядра, выступает в клетках животных и многих протистов как центр организации микротрубочек (ЦОМТ): они растут от неё к периферии клетки. В то же время микротрубочки могут внезапно прекратить свой рост и укоротиться обратно по направлению к центросоме вплоть до полного разрушения, а затем вырасти снова. При присоединении к микротрубочке молекулы тубулина, несущие ГТФ, образуют «шапочку», которая обеспечивает рост микротрубочки. Если локальная концентрация тубулина падает, связанная с бета-тубулином ГТФ постепенно гидролизуется. Если полностью гидролизуется ГТФ «шапочки» на +-конце, это приводит к быстрому распаду микротрубочки. Таким образом, сборка и разборка микротрубочек связана с затратами энергии ГТФ.

Динамическая нестабильность микротрубочек играет важную физиологическую роль. Например, при делении клетки микротрубочки растут очень быстро и способствуют правильной ориентации хромосом и образованию митотического веретена.

Функция

Микротрубочки в клетке используются в качестве «рельсов» для транспортировки частиц. По их поверхности могут перемещаться мембранные пузырьки и митохондрии. Транспортировку по микротрубочкам осуществляют белки, называемые моторными. Это высокомолекулярные соединения, состоящие из двух тяжёлых (массой около 300 кДа) и нескольких лёгких цепей. В тяжёлых цепях выделяют головной и хвостовой домены. Два головных домена связываются с микротрубочками и являются собственно двигателями, а хвостовые — связываются с органеллами и другими внутриклеточными образованиями, подлежащими транспортировке.

Выделяют два вида моторных белков:

Динеины перемещают груз только от плюс-конца к минус-концу микротрубочки, то есть из периферийных областей клетки к центросоме. Кинезины, напротив, перемещаются к плюс-концу, то есть к клеточной периферии.

Перемещение осуществляется за счёт энергии АТФ. Головные домены моторных белков для этого содержат АТФ-связывающие участки.

Помимо транспортной функции, микротрубочки формируют центральную структуру ресничек и жгутиков — аксонему. Типичная аксонема содержит 9 пар объединённых микротрубочек по периферии и две полных микротрубочки в центре. Из микротрубочек состоят также центриоли и веретено деления, обеспечивающее расхождение хромосом к полюсам клетки при митозе и мейозе. Микротрубочки участвуют в поддержании формы клетки и расположения органоидов (в частности, аппарата Гольджи) в цитоплазме клеток.

Растительные микротрубочки

Микротрубочки растений являются высокодинамическими составляющими цитоскелета, которые вовлечены в важные клеточные процессы, в частности, сегрегацию хромосом, формирование фрагмопласта, микрокомпартментализацию, внутриклеточный транспорт, а также в поддержание постоянной формы и полярности клетки. Мобильность микротрубочек обеспечивается динамической нестабильностью, передвижением полимеров моторными белками, тредмилингом) и гибридным механизмом тредмилинга с динамической нестабильностью плюс-конца и медленной деполимеризацией минус-конца[2].

Организация и динамика
Микротрубочки, подсвеченные зелёным флуоресцентным белком (внизу, в центре)

Микротрубочки чрезмерно чувствительны к биотическим и абиотическим факторам окружающей среды (холоду, освещению, засухе, засолению, влиянию гербицидов и пестицидов, затоплению, сжатию, воздействию электрического поля, давлению и силе тяжести), а также к фитогормонам, антимитотическим препаратам и ряду других биологически активных соединений[3]. Микротрубочки являются полыми полярными цилиндрическими филаментами диаметром свыше 24 нм, которые собираются из гетеродимеров α-и β-тубулина, которые в положении «голова-к-хвосту» формируют 13 протофиламентов.

Существенное ограничение иммуногистохимических исследований состоит в невозможности прижизненной визуализации динамики микротрубочек эукариотических и прокариотических клеток в режиме реального времени. Это ограничение было преодолено благодаря применению конфокальной микроскопии с зелёным флуоресцентным белком, изолированным из медузы Aequorea victoria L.[4]. Репортёрная конструкция GFP-MBD для гетерологической трансформации даже при низком уровне транзиентной экспрессии[5] in vivo и in vitro позволяет визуализировать динамическую нестабильность микротрубочек в разных типах клеток корня[6][7].

В клетках высших растений присутствуют четыре типа построений микротрубочек[8]:

Белки, ассоциированные с микротрубочками

Все компоненты цитоскелета и другие органеллы связаны между собой рядом специфических белков, ассоциированных с микротрубочками (БАМ). В животных клетках наиболее исследованными БАМ является tau и БАМ2, которые стабилизируют микротрубочки и присоединяют их к другим клеточным структурам, а также транспортные белки динеин и кинезин[9]. Функционирование различных групп растительных микротрубочек зависит от наличия изоформ БАМ из семьи БАМ65 и регуляторных киназ и фосфатаз. В частности, высококонсервативный животный гомолог семьи БАМ65 важен для получения микротрубочками определенных конфигураций на протяжении развития растения[7]. Ориентация и организация различных популяций и типов построений микротрубочек является ткане- и органоспецифической[10].

Построение корня Резуховидки Таля (Arabidopsis thaliana L.) типично для двудольных растений. Ближайшим к поверхности корня является эпидермальный слой, клетки которого в зрелой зоне в зависимости от способности инициировать развитие корневых волосков являются трихобластами или атрихобластами[11]. Глубже расположены накопительный безхлоропластный кортикальный слой с многочисленными межклетниками и плазмодесмами и слой эндодермальных клеток с поясками Каспари на антиклинальных поверхностях[12]. Центральный цилиндр корня формируют паренхимные клетки перицикла[12], которые способны к быстрому делению, и элементы ксилемы и флоэмы. Присутствует и функциональное разграничение корневых зон: зоны деления, элонгации, созревания, а также переходная зона на границе зон инициации и элонгации. С перициклом формируются боковые корни, а с трихобластами эпидермального слоя — корневые волоски[12][13]. Кончик корня покрыт корневым чехликом со специфической морфологией клеток колумеллы.

Кортикальные микротрубочки

Ацентросомальные кортикальные микротрубочки (КМТ) важны для морфогенеза растений, регуляции клеточного деления и элонгации[14]. Высокодинамическая популяция мембраносвязанных коротких КМТ быстро реориентуется из интерфазного поперечного положения в продольное при элонгации клетки[15]. Ацентросомальные кортикальные микротрубочки имеют неупорядоченное размещение плюс-концов и обнаруживают динамическую нестабильность, а свободные минус-концы КМТ медленно деполимеризируются, то есть КМТ самоорганизуются гибридным механизмом динамической нестабильности и тредмилинга[2]. Энуклеация происходит по всей поверхности плазматической мембраны[2][15]. Белок SPR1 регулирует динамику и организацию плюс-конца КМТ растений, что сказывается на анизотропном росте клетки[16][17]. Ацентросомальные кортикальные микротрубочки располагаются параллельно целлюлозным микрофибриллам[18], правильная организация КМТ является существенной для нормального синтеза клеточной стенки[19]. Установлено, что КМТ объединяются в узлы, которые часто пересекаются для стабилизации микротрубочек и удержания белков на их поверхности[17].

Латеральные цилиндрические выросты трихобластов, корневые волоски, достигают значительной длины относительно собственной толщины с достаточно постоянным диаметром у Arabidopsis thaliana L. (незрелые ~ 6—10 нм; зрелые — более 1 мм) и характеризуются высокополярной цитоархитектурой[20]. Удлинение их происходит посредством верхушечного роста (англ. tip growth) путём поляризованного экзоцитоза, который отмечается возвратно-фонтанным током цитоплазмы, градиентом цитоплазматического Ca2+, активностью F-актина и смещением клеточного содержимого к верхушке волоска. На ранних стадиях развития корневые волоски 3-дневных проростков Arabidopsis thaliana L. растут со скоростью 0,4 мкм/мин, ускоряясь позже до 1—2,5 мкм/мин[20].

Растительным клеткам присуща организованная популяция кортикальных микротрубочек[9], которая в корневых волосках присутствует на всех уровнях развития[21][22]. При переходе из зачаточного состояния в состояние удлинения, кортикальные микротрубочки верхушки волосков не визуализируются, поскольку появляются эндоплазматические микротрубочки. Кортикальные микротрубочки ориентированы продольно или спирально[22][23]. У кукурузы (Zea mays L.) и латука посевного (Lactuca sativa L.) инициация роста корневых волосков связана с реорганизацией популяции КМТ в трихобластах[22][24][25]. Эта популяция контролирует стабильность и направление апикального роста корневых волосков[26][27]. Сравнение четырех стандартных параметров динамической нестабильности КМТ in vivo — уровня ростовой активности, скорости разборки, частоты переходов от разборки к росту («спасение») и наоборот («катастрофа») выявило, что кортикальные микротрубочки (КМТ) молодых корневых волосков являются динамичными, потому что зрелые. Сетка микротрубочек реорганизуется в ответ на меняющиеся параметры окружающей среды и стимулы дифференциации путём варьирования показателей динамической нестабильности[27].

См. также

Примечания
  1. Протофиламе́нт (от др. греч. πρώτος «первый» и англ. filament «нить») - субъединица 2-3 нм диаметром, участвует в создании промежуточных филаментов. Формируется из антипараллельных тетрамер с амино- и карбоновых групп на концах, и, является структурной составляющей микротрубочек. B. Alberts, A. Johnson, D. Lewis, et al. - Molecular biology of the cell, 2012.
  2. Shaw et al., 2003.
  3. Weber and Westermann, 2003.
  4. Ueda, 1999.
  5. Транзиентная экспрессия (от лат. transitus — переход, прохождение и expressio — выражение) — непродолжительная (временная) экспрессия клонированного гена, введенного в непермиссивную клеточную систему с помощью трансфекции и не интегрированного с геномом клетки-хозяина.
  6. Marc et al., 1998.
  7. Wasteneys and Yang, 2004.
  8. Barlow and Balushka, 2000.
  9. Goddard et al., 1994.
  10. Lloyd, 1994.
  11. Sugimoto et al., 2000.
  12. Dolan et al., 1993.
  13. Рейвн и др., 1990.
  14. Dixit et al., 2006.
  15. Yuan et al., 1994.
  16. Dixit and Cyr , 2004.
  17. Lloyd., 1994.
  18. Baskin et al., 2004.
  19. Burk et al., 2006.
  20. Dolan et al., 1994.
  21. Sieberer et al., 2002.
  22. Van Bruaene et al., 2004.
  23. Sieberer et al., 2005
  24. Balusˇka et al., 2000.
  25. Geitmann and Emons, 2000.
  26. Bibikova et al., 1999.
  27. Vassileva et al., 2005.

Литература
  • Дж. М. Фаллер, Д. Шилдс. Молекулярная биология клетки. Руководство для врачей. Пер. с англ. — М.: «БИНОМ», 2006. — 256 с.
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.