Микротрубочки

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Структура микротрубочек.

Микротрубочки — белковые внутриклеточные структуры, входящие в состав цитоскелета.

Микротрубочки представляют собой полые внутри 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 компонентов и участвуют во многих клеточных процессах, включая митоз, цитокинез и везикулярный транспорт.

Строение[править | править вики-текст]

Микротрубочки — это структуры, в которых 13 протофиламентов, 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 счет 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[править | править вики-текст]

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[править | править вики-текст]

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[править | править вики-текст]

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 (en:Treadmilling) и гибридным механизмом тредмилинга с динамической нестабильностью плюс-конца и медленной деполимеризацией минус-конца[1].

Организация и динамика[править | править вики-текст]

Микротрубочки, подсвеченные зеленым 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[2]. 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 зеленым флуоресцентным белком, изолированным из медузы Aequorea victoria L.[3]. Репортёрная конструкция GFP-MBD для гетерологической трансформации даже при низком уровне транзиентной экспрессии in vivo и in vitro позволяет визуализировать динамическую нестабильнось микротрубочек в разных типах клеток корня[4][5].

В клетках высших растений присутствуют четыре типа построений микротрубочек:

  • сетка кортикальных и эндоплазматических микротрубочек,
  • препрофазная лента,
  • митотическое веретено,
  • фрагмопласт[6].

Белки, ассоциированные с микротрубочками[править | править вики-текст]

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[7]. 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[5]. Ориентация и организация различных популяций и типов построений микротрубочек является ткане- и органоспецифической[8].

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[9]. Глубже расположены накопительный безхлоропластный кортикальный слой с многочисленными межклетниками и плазмодесмами и слой эндодермальных клеток с поясками Каспари на антиклинальных поверхностях[10]. Центральный цилиндр корня формируют паренхимные клетки перицикла[10], 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[10][11]. Кончик корня покрыт корневым чехликом со специфической морфологией клеток колумеллы.

Кортикальные микротрубочки[править | править вики-текст]

Ацентросомальные кортикальные микротрубочки (КМТ) важны для морфогенеза растений, регуляции клеточного деления и элонгации[12]. Высокодинамическая популяция мембраносвязанных коротких КМТ быстро реориентуеться из интерфазного поперечного положения в продольное при элонгации клетки[13]. 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[1]. Энуклеация происходит по всей поверхности плазматической мембраны[1][13]. Белок SPR1 регулирует динамику и организацию плюс-конца КМТ растений, что сказывается на анизотропном росте клетки[14][15]. Ацентросомальные кортикальные микротрубочки располагаются параллельно целлюлозным микрофибриллам[16], правильная организация КМТ является существенной для нормального синтеза клеточной стенки[17]. Установлено, что КМТ объединяются в узлы, которые часто пересекаются для стабилизации микротрубочек и удержания белков на их поверхности[15].

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[18]. Удлинение их происходит посредством верхушечного роста (англ. tip growth) путем 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[18].

Растительным клеткам присуща организованная популяция кортикальных микротрубочек[7], которая в корневых волосках присутствует на всех уровнях развития[19][20]. При переходе из зачаточного состояния в состояние удлинения, кортикальные микротрубочки верхушки волосков не визуализируются, поскольку появляются эндоплазматические микротрубочки. Кортикальные микротрубочки ориентированы продольно или спирально[20][21]. У кукурузы Zea mays L. и салата Lactuca sativa L. инициация роста корневых волосков связана с реорганизацией популяции КМТ в трихобластах[20][22][23]. Эта популяция контролирует стабильность и направление апикального роста корневых волосков[24][25]. 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 путем варьирования показателей динамической нестабильности[25].

Примечания[править | править вики-текст]

  1. 1 2 3 Shaw et al., 2003.
  2. Weber and Westermann, 2003.
  3. Ueda, 1999.
  4. Marc et al., 1998.
  5. 1 2 Wasteneys and Yang, 2004.
  6. Barlow and Balushka, 2000.
  7. 1 2 Goddard et al., 1994.
  8. Lloyd, 1994.
  9. Sugimoto et al., 2000.
  10. 1 2 3 Dolan et al., 1993.
  11. Рейвн и др., 1990.
  12. Dixit et al., 2006.
  13. 1 2 Yuan et al., 1994.
  14. Dixit and Cyr , 2004.
  15. 1 2 Lloyd., 1994.
  16. Baskin et al., 2004.
  17. Burk et al., 2006.
  18. 1 2 Dolan et al., 1994.
  19. Sieberer et al., 2002.
  20. 1 2 3 Van Bruaene et al., 2004.
  21. Sieberer et al., 2005
  22. Balusˇka et al., 2000.
  23. Geitmann and Emons, 2000.
  24. Bibikova et al., 1999.
  25. 1 2 Vassileva et al., 2005.

См. также[править | править вики-текст]

Литература[править | править вики-текст]

  • Дж. М. Фаллер, Д. Шилдс. Молекулярная биология клетки. Руководство для врачей. Пер. с англ. — М.: «БИНОМ», 2006. — 256 с.