Лекция: опорно-двигательная система клетки. цитоскелет. Функции цитоскелета. Строение цитоскелета Есть ли в животной клетке цитоскелет

Само высказывание о цитоскелете было впервые предложено Кольцовым, выдающимся русским цитологом в начале ХХ века, который и открыл их в 1920г. Элементы цитоскелета встречаются во всех эукариотических клетках, а вот аналоги этих структур есть и у прокариот. Степень выраженности элементов цитоскелета в разных клетках различна. Например, клетки эпидермиса кожи особенно богаты промежуточными филаментами. У мышечных волокон больше актиновых микрофиламентов, а микротрубочки больше встречаются в отростках нервных клеток, пигментных клеток. Общими свойствами элементов цитоскелета является то, что это белковые неветвящиеся фибриллярные полимеры, способные к увеличению площади поверхности и разрушению. Такая нестабильность элементов цитоскелета приводит к подвижности клетки. Например, к изменению их формы. Некоторые компоненты цитоскелета при участии специальных дополнительных белков могут стабилизироваться и образовывать сложные фибриллярные ансамбли, играя роль каркаса. При взаимодействии с другими специальными белками, которые относятся к моторным белками или транслокаторам, компоненты цитоскелета могут участвовать в разнообразных клеточных движениях.

Цитоскелет объединяет три подсистемы. Они различаются по составу, по ультраструктуре, по функциональным свойствам. Это система микрофиламентов (актин-миозин), система микротрубочек (тубулин-динеин) и система промежуточных филаментов (10-нм филаменты).

Микрофиламенты образуют пучки в цитоплазме подвижных клеток животных, образуя так же слой (под плазмалеммой) кортикальный, а в растительных клетках и грибах располагаются в слоях движущейся цитоплазмы. Основным белком микрофиламентов является белок актин. Это комплекс нескольких белков. Каждый белок в этом комплексе кодируется своим геном. Выделяют два вида актина – мономерную форму (глобулярную форму) G-актин., который содержит молекулу АТФ. При полимеризации G-актина образуется тонкая фибрилла, толщиной примерно 8 мкм. Эта структура называется F-актин. Актиновые микрофиламенты полярны по своим свойствам. Это динамичные структуры, которые могут собираться и разбираться в зависимости от соотношения глобулярного и фибриллярного актина.

Неустойчивая фибриллярная система в клетках стабилизируется огромным количеством вспомогательных белков, которые взаимодействуют с F-актином. так, например, белок тропомиозин обеспечивает взаимодействие нескольких нитей актина, придавая им жесткость. Белки филламин и альфа-актинин образуют поперечные сцепки между нитями F-актина, что приводит к образованию сложной трехмерной сети. Эта сеть придает гелеобразное состояние цитозолю. Другие дополнительные белки могут связывать филаменты в пучки. Например, белок фимбрин. Кроме того, существуют белки, которые взаимодействуют с концами микрофиламентов и предотвращает из разрушение. Взаимодействие F-актина со всеми вспомогательными белками регулирует агрегатное состояние микрофиламентов, обеспечивая их рыхлое или, наоборот, тесное расположение. И обеспечивает их взаимодействие с другими компонентами.

Особую роль при взаимодействии с актином играет белок миозин. Он не относится к вспомогательным белкам. Он является вторым главным компонентом актиновой системы.

Миозин – семейство сходных белков. У всех этих белков в структуре выделяют головную или моторную часть, которая отвечает за АТФазную активность комплекса. Второй компонент миозиновых белков – шейка, которая связана с несколькими регуляторными белками. И третий компонент – хвостовая часть, который специфична для каждого вида миозина и определяет функцию этого белка.

Весь этот комплекс миозинов подразделяют на три типа: миозин I, миозин II и миозин V.

Миозин I. Представляет собой мономерную молекулу.

Миозины II и V – димеры. Их участок хвостовой части образует так называемую альфа-сверхспиральную структуру. 2 молекулы миозина II могут взаимодействовать между собой и образовывать фибрилу.

Миозин I и V участвуют во взаимодействии цитоплазмы и мембраны, например, в транспорте везикул. Механизм взаимодействия этих белков, основных белков системы микрофиламентов, начинается с взаимодействия миозиновой головки с актиновым филаментом, что приводит к изгибанию участка молекул миозина и последующему перемещению.

За каждый цикл миозиновая головка перемещается в направлении положительного конца актинового филамента за счет гидролиза одной молекул АТФ на 5 – 25 нм. Т.е., происходит однонаправленное скольжение филамента актина относительно молекул миозина. Эта модель получила название модели Хаксли. Теория скользящих молекул.

Поперечно-полосатые мышечные волокна являются увеличенной моделью микрофиламента. Миофибриллы представляют собой нить толщиной 1-2 мкм с чередующимися темными и светлыми участками. Единицей строения миофибриллы является саркомер или участок, расположенный между двумя Z-дисками или белками. Функции Z-дисков заключается в связывании соседних структур друг с другом. Сами Z-белки не являются сократимыми структурами.

Величина саркомеров в расслабленном состоянии варьирует от 1,8 до 2,8 мкм. Вдоль саркомера располагаются три участка протофибрилл. Тонкие, связанные с Z-диском, которые являются нитями актина. И толстые нити, которые представлены молекулами миозина. Располагаются толстые нити как бы в промежутках между нитями актина.

Головки молекул миозина взаимодействуют с нитями актина и возникают актин-миозиновые комплексы в результате взаимодействия двух самостоятельных белков активность этих комплексов во много раз больше АТФазных активов одного белка миозина.

Сокращение миофибрилл происходит за счет уменьшения расстояния между Z-дисками. Т.е. длина саркомера сокращается примерно на 20 процентов. Механизм сокращения заключается в кооперативном укорачивании всех саркомеров по длине миофибриллы. В основе сокращения лежит перемещение относительно друг друга тонких и толстых нитей, при этом, толстые нити миозина входят в промежутки между нитями актина, сближая Z-диска.

Какую функцию выполняет система микрофибрилл в составе цитоскелета:

1) Образование сократительного аппарата клетки, обеспечивающего подвижность.

2) Формирование скелетных структур, способных к собственному движению за счет процесса полимеризации и деполимеризации актина (G-актин и F-актин).

3) Механомеханическое перемещение в процессах эндо- и экзоцитоза и цитотомии (деление тела клетки).

Вторая опорно-сократительная часть цитоскелета – тубулиновая система или система микротрубочек. Эта система микротрубочек имеет много общего с уже рассмотренной актин-миозиновой системой. Похожа на нее, во-первых, способностью к полимеризации и деполимеризации. Во-вторых, так же имеет полярность белковых нитей. В-третьих, это большое количество вспомогательных белков.

Основной белок этой системы – тубулин. Тубулин является гетеродимером. Состоит из двух частей – альфа и бета тубулина. Эти субъединицы при ассоциации образуют собственно белок тубулин.

В процессе полимеризации молекулы тубулина объединяются таким образом, что бета субъединица взаимодействует с альфа-субъединицей, а альфа-субъединица взаимодействует с бета-субъединицей.

Такие молекулы выстраиваются друг за другом в длинные нити протофиламенты.

Одновременно с настраиванием протофиламента в длину при полимеризации происходит и настраивание в ширину. В шахматном порядке. В ширину максимум до 13 протофиламентов. Продольные протофиламенты скручиваются в полую трубочку, в которой каждый мономер тубулина характеризуется линейным размером 5 нм. Внешний диаметр образовавшегося цилиндра равен примерно 25 нм. Вот такие микротрубочки, которые получились в результате полимеризации отдельных молекул тубулина в цитоплазме называются одиночными микротрубочками. Это динамические структуры. Динамическая нестабильность – самая емкая характеристика трубочки. Они быстро разбираются и быстро собираются. Этот процесс зависит от соотношения в клетке молекул одиночных и организованных в микротрубочки.

При достаточной концентрации белка тубулина полимеризация происходит спонтанно и скорость полимеризации всегда выше на одном из концов микротрубочки, который и называется положительным концом. При недостаточной концентрации тубулина микротрубочки будут разбираться с обоих концов. Разборке микротрубочек способствует, во-первых, понижение температуры, а во-вторых, этот процесс требует присутствия ионов кальция.

Выделяют несколько типов веществ, алколоидов растения, которые определяют скорость разборки или сборки молекул тубулина. Самый распространенный алколоид колхицин. Это вещество взаимодействует с отдельными молекулами тубулина и предотвращает полимеризацию. Среднее время жизни примерно равно пяти минутам. Такое состояние характерно для интерфазы. Отдельные микротрубочки на растущем конце удлиняются со скоростью 4-7 мкм/минуту, а затем достаточно быстро укорачиваются. 14-17 мкм/м. В делящихся клетках микротрубочки собираются в особую структуру. Организуются в ахроматическое веретено деления, обеспечивающее процессы распределения генетического материала между дочерними клетками. Время жизни этих микротрубочек в составе ахроматического веретена всего 15-20 сек. Считается, что нестабильность микротрубочек связана с задержкой гидролиза ГТФ. Однако, 20% микротрубочек остаются относительно стабильные в течении 20 часов в дифференцированных клетках. Связана эта стабильность с модификацией тубулина.

Сами микротрубочки не являются сократимыми, однако они являются обязательными компонентами движущихся клеточных органелл, таких как реснички, жгутики, ахроматическое веретено деления, как микротрубочки цитоплазмы, которые обязательны для внутриклеточного транспорта, процессов экзоцитоза, эндоцитоза и транспорта всех видов.

Цитоплазматические одиночные микронемы, локализуясь в гиалоплазме, выполняют две функции – каркасную (скелетную) и двигательную Скелетная заключается в стабилизации формы клетки. При искусственном растворении их клетка теряет свою форму и стремится стать шаром. Создавая внутриклеточные организации, микротрубочки являются факторами ориентированного движения внутриклеточных структур.

Двигательная роль микротрубочек заключается в том, что они создают упорядоченную векторную систему движения. Положительные концы микротрубочек направлены от центра клетки к периферии. А наличие этих положительных и отрицательно направленных полярных концов микротрубочек с динеинами создают возможность переноса в клетке компонентов от периферии к центру.

Микротрубочки растут из центра организации микротрубочек (ЦОМТ).

В этих центрах микротрубочки начинают свой рост от специальных участков и рост осуществляется полярно. Наращивается положительный конце микротрубочек. В качестве ЦОМТов в клетках животных главным образом участвует матрикс клеточных центров или центросомы. Своими отрицательными концами микротрубочки обращены к ЦОМТам и в них происходит заякоривание. Под этим понимают взаимодействие со специальными белками, ограничивающих набор микротрубочек. В клетках высших растений полимеризация микротрубочек происходит по периферии клеточного ядра, от которого трубочки расходятся радиально..

В большинстве случаев в интерфазных клетках животных организма новообразование и рост микротрубочек происходит от специального образования.

1) Микротрубочки формируют организованные структуры входя в состав ресничек, центриолей и жгутиков, обуславливая движение ресничек и биение жгутиков.

2) Микротрубочки организуются в нити ахроматического веретена деления при делении клетки.

3) Осуществляют транспорт внутри клетки, перемещая мембранные, секреторные и транспортные белки и органоиды.

4) Являются цитоскелетом клетки, обеспечивая удержание формы.

ЛЕКЦИЯ: Клеточный центр (центросома)

Центросомы или клеточный центр были обнаружены в 1875 году Флемингом. В 1876 – Бенеденом. Располагаются в геометрическом центре клетки. Они характерны для клеток животных. Их нет у высших растений, у низших грибов и некоторых простейших. В клеточный центр входят мелкие плотные тельца центриоли, обычно в паре. Пара центриолей – диплосома. В этой паре центриоли ориентированы перпендикулярно друг к другу. Диплосома окружена более светлой цитоплазмой, от которой отходят радиально тонкие фибриллы – центросфера.

Основу строения центриоли составляют расположенные по окружности девять триплетов микротрубочек. Образованный девятью триплетами полый цилиндр имеет ширину приблизительно 0, 15 мкм, а длину 0,3 – 0,5 мкм. Первая микротрубочка триплета называется а-микротрубочка. Она полная микротрубочка. Вторая и третья микротрубочки являются не полными. Они содержат 11 протофиламентов и вплотную примыкают друг к другу Другими словами, участок, соединяющий микротрубочки является общим.

Каждый триплет располагается примерно под углом 40 градусов к радиусу цилиндра. Микротрубочки состоят из тубулина. Кроме тубулина в состав центриоли входят дополнительные структуры, представленные белком динеином.

Обычно, в интерфазных клетках в составе диплосомы выделяют материнскую центриоль и дочернюю. Дочерняя располагается перпендикулярно к продольной оси материнской центриоли. В центральной части центриоли располагается так называемая втулка, которая представлена белком нексином. Нексин формирует выросты, которые назваются спицами, девять спиц в направлении каждого триплета. Объем, который занимает внутри центриоли втулка со спицами может занимать от 3\4 до 1\5. Рядом с диплосомый от материнской центриоли располагаются в виде аморфного материала выросты, которые называются придатками или сателлитами материнской центриоли. У дочерней придатков никогда нет.

Систему микротрубочек центриолей описывают формулой 9+0. Вокруг центриолей тонковолокнистый матрикс – муфта, в который погружены микротрубочки. В муфте есть спутники (= перецентриолярные сателлиты). Они состоят из фибриллярных структур с треугольной ножкой. Ножка несет головку. Контактируют с мелкими тельцами. Сателлиты – центры, на которых происходит сборка микротрубочек.

Такая морфология диплосомы не является данной. Все это является очень пластичной структурой. Строение и активность центросомы кардинально меняется в зависимости от периода клеточного цикла.

Клеточным циклом называется время от начала образования клетки до ее собственного деления.

Периоды: деление (деление ядра и деление цитоплазмы), составляет примерно 1\7 часть клеточного цикла. А остальное – период подготовки к делению (интерфаза).

Для каждой стадии клеточного цикла характерны свои особенности метаболизма и морфологии.

Во время деления в клетках находится 2 центросомы. Клетка имеет 4 центриоли, они располагаются на полюсах клетки в виде 2 диплосом. Материнская центриоль на всех стадиях митоза окружена довольно широкой зоной, шириной примерно 0,3 мкм, представленной тонкими фибриллами. Эта зона называется центриолярным фибриллярным гало . От этого гало радиально отходят микротрубочки. Важно, что дочерняя центриоль не имеет ни гало, ни микротрубочек. И такая диплосома выполняет функции формирования веретена митотического аппарата. Ахроматическое веретено деления .

Зона диплосом, центросфера диплосом, называемая перицентриолярным матриксом, является центром организации или полимеризации микротрубочек (ЦОМТ). Это первая форма активности центриолей.

Центриоли – центры полимеризации микротрубочек. К концу телофазы, когда практически произошло разделение цитоплазмы клеток, хромосомы начинают деконденсироваться и образуются новые дочерние ядра. Происходит разрушение ахроматического веретена деления и трубочки веретена деполимеризуются. Клеточные центры тоже меняют свою структуру, а именно материнская и дочерняя центриоли теряют взаимное перпендикулярное расположение и отходят друг от друга. Расстояние варьирует до 2 мкм. Эти центриоли в начале G1-периода формируют сателлиты, от которых радиально отходят микротрубочки. Центриоли становятся местом формирования цитоплазматических микротрубочек. По мере роста микротрубочек связь с областью центриолей теряется и микротрубочки свободно существуют в цитоплазме некоторое время. И в клетке происходит как бы конвеерная смена и репродукция цитоплазматических микротрубочек. Если запретить клетке переходить в следующую фазу, то будет стадия покоя (G 0 -период).

Переход клетки в стадию выполнения своих функций связан с функционированием клеточного центра как структуры, формирующей ресничку или вырост плазматической мембраны заполненной аксонемой. Аксонема – осевая нить.

Аксонема состоит из девяти дуплетов микротрубочек, которые отрастают из центриолей, и также располагаются по окружности радиально и в каждом дуплете выделяют полную и неполную микротрубочку. Кроме дуплетов микротрубочек, для реснички характерно наличие двух одиночных центральных микротрубочек, которые окружены дополнительным белком нексином в форме осевого или центрального цилиндра. (9+2). Центриоли выполняют функцию базального тела.

При наступлении S периода клеточный центр выполняет еще одну форму активности, а именно удвоение числа центриолей. Размножение центриолей не связано с их делением, а происходит путем образование зачатка или процентриоли, которая формируется как бы на стенке имеющейся центриоли перпендикулярно к каждой центриоли. Вначале закладывается девять одиночных микротрубочек, затем они преобразуются в девять дуплетов и только потом в девять триплетов. Такое наращивание называется дупликация. Благодаря такому росту структур сначала образуется короткая дочерняя центриоль, которая, затем, дорастает до размеров материнской. В S-периоде, одновременно с дупликацией, материнская центриоль продолжает образовывать цитоплазматические микротрубочки.

В результате процесса дупликации возле каждой центриоли вырастает новая центриоль. Дупликация центриолей является пусковым механизмом или сигналом для репликации молекулы ДНК. После завершения S-периода в клетке находится уже две диплосомы.

После наступает следующий период клеточного цикла. Постсинтетический период, прямо предшествующий делению. В это время исчезают сателлиты на материнской диплосоме. Обе материнские центриоли покрываются фибриллярным гало и начинают формировать теперь уже митотические микротрубочки.

Помимо этого, в цитоплазме происходит распад микротрубочек и клетка стремится приобрести шаровидную форму. Клетки, которые способны к длительному размножению, они повторяют эти события от цикла к циклу. Если же клетка находится в состоянии G 0 периода, то центриоль будет участвовать, во-первых, в процессе полимеризации цитоплазматических микротрубочек, а во-вторых, образования аппарата движения ресничек и трубочек.

Реснички подразделяются на две группы: кинетоцилии, которые характерны для специальных эпителиев или свободно плавающих клеток и первичные реснички.

Ресничка представляет собой тонкий цилиндрический вырост в цитоплазме с постоянным диаметром 300 нм. Вырост от основания до верхушки покрыт плазмолеммой. Внутри выроста расположена структура аксонема, состоящая в основном из тубулина и динеина.

Нижняя проксимальная часть реснички погружена в цитоплазму и называется базальное тельце . Диаметры аксонемы и базального тельца одинаковы. Аксонема в своем составе имеет девять дуплетов, образующих внешнюю стенку цилиндра аксонемы. Дуплеты микротрубочек слегка повернуты под углом примерно 10 градусов по отношению к радиусу аксонемы. В дуплетах микротрубочек так же различают полную или А-микротрубочку, состоящую из 13 протофиламентов и В-микротрубочку, неполную, она имеет 11 протофиламентов. А-микротрубочка несет на себе выросты, которые направлены к В-микротрубочке с соседнего дуплета. Формируют эти ручки дополнительный белок динеин. Денеин представлен крупными белковыми комплексами, состоящими из 9 – 12 полипептидных цепей, содержащих 2 – 3 глобулярные головки, связанные вместе более гибкими линейными участками. Каждая головка динеина имеет активный центр для взаимодействия с молекулой АТФ. От А-микротрубочек к центру центрально цилиндра отходят радиальные вспомогательные белки, которые формируют спицы, отходящие от центрально цилиндра.

Базальное тельце реснички имеет точно такое же строение, как и центриоль. Имеются ручки, втулка и спицы, расположенные в нижней части базального тельца. На участке базального тельца, примыкающего к плазмолемме, имеется девять придатков, идущих от каждого триплета к плазматической мембране и связывающих его с клеточной тканью. Поэтому базальное тельце и ресничка структурно связаны друг с другом и составляют единое целое. А- и В-микротрубочки в триплетах базального тельца, продолжаются в А- и В-микротрубочках в дуплетах аксонем. А вот внутренние части отличны друг от друга и часто в зоне перехода базального тельца в ресничку наблюдают аморфную поперечную пластинку, от которой начинаются в область аксонемы рост центральных микротрубочек. Реснички не сокращаются . Они изгибаются или бьются. В этом движении динеин является мото- или двигательным белком. При ассоциации динеина с субъединицами тубулина происходит продольное скольжение дуплетов один относительно другого. Происходит перемещение головок микротрубочек от положительного конца к отрицательному кольцу и соседний дуплет сдвигается к верхушке реснички. Дуплеты микротрубочек связаны друг с другом вспомогательными белками с центральной парой микротрубочек. Такое кооперативное смещение дуплетов в сторону верхушки приводит не к удлинению реснички, а к ее изгибу. Процесс является энергозависимым.

Многие бактерии способны к движению с помощью других органелл. Это бактериальный жгутик или флагелла . Жгутики бактерий принципиально отличны. Они имеют сложное строение. Состоят из трех основных частей: внешней длинной волокнистой нити собственно жгутика, крючочка и базального тельца. Жгутиковая нить построена из белка флагеллина. Молекулярная масса его от 40 до 60 тыс. Глобулярные субъединицы флагеллина полимеризуются в спирально закрученные нити так, что образуется структура. Диаметр 12 – 25 нм. Полая внутри. Белки флагеллина не способны к движению. Они могут спонтанно полимеризоваться в спиральные нити с определенным шагом спирали.

Вблизи клеточной поверхности бактерий флагелла переходит к более широкому участку, который называется крючок.

Длина крючка около 45 нм. Он состоит их других белков.

Бактериальное базальное тельце состоит из стержня связанного с крючком и четырех колец «дисков». Одно кольцо погружено в липосахаридную мембрану, другое – в слой муреина. Другие погружены в белковый комплекс. У эукариот жгутики движутся за счет продольного движения дуплетов. У бактерий движение жгутиков происходит за счет вращения базального тельца вокруг своей оси в плоскости плазматической мембраны. Движение жгутиков не зависит от АТФ.

Третья составная часть – 10-нм промежуточные филаменты . Они строятся из фибриллярных мономеров. Основная конструкция промежуточных филаментов напоминает канат, который имеет фиксированную толщину.

Локализация промежуточных филаментов строго центрирована в клетке. Они располагаются в околоядерной зоне и в пучках фибрилл, отходящих к периферии клеток.

Встречаются промежуточные филаменты во всех типах клеток животных, но особенно много в тех клетках, которые подвержены механические воздействия. Например, эпидермис, мышцы, нервные отростки. В клетках растений нет промежуточных филаментов.

В состав филаментов входит большая группа изомерных белков, которые подразделяются на четыре группы:

1) Кератиновые волокна. Они способны к полимеризации. Состоят из двух подтипов. Разделяются на кислые и нейтральные.

2) Виментин, виментиновые волокна, которые характерны для мезенхимных тканей. Десмин. Характерен для мышечной ткани, причем, и гладкой и поперечно-полосатой. Глиальный белок – оболочка вокруг нейронов.

3) Нейрофиламенты. Аксоны нервных клеток.

4) Белки ламины. Они не располагаются в субмембранном слое клетки, но последние данные показали, что по строению и свойствами ламины являются промежуточными филаментами.

Для всех промежуточных белков характерная сходная аминокислотная последовательность, представленная 130-ю остатками аминокислот в центральной части фибриллы, имеют спиральное строение – альфа-спираль (одинаковая у всех).

Кольцевые участки характеризуются разной аминокислотной поверхностью, разной длиной, представлены не спиралью.

Наличие центральных доменов позволяет образовать двойную спираль – димер, длиной около 48 нм. Димеры ассоциируют бок о бок. Образуют короткий проторфиламент, в котором будет уже 4 первоначальных молекулы и называется он тетрамер. Толщина его около 3 нм. Протофиламенты еще раз определяются попарно и образуются длинные тонкие фибриллы из состоящей из восьми продольных протофиламентов (октамер, диаметр 10нм). В этом особенность полимеризации промежуточных филаментов.

Белки ядерной ламины, они полимеризуются иначе. Они образуют димеры с головками на одном конце, они, полиризуясь по 2, формируют рыхлую сетчатую прямоугольную решетку. Такая решетка связанная из димеров, способна к реакции фосфорилирования, что приводит к распаду рыхлой прямоугольной решетки. Цитоплазматические промежуточные филаменты относятся к самым стабильным и долгоживущим элементам цитоскелета. Это и есть истинно-опорная система.

Интересно, что расположение промежуточных филаментов как бы дублирует расположение микротрубочек. При разрушении микротрубочек наблюдается интересное явление, которое называется коллапс промежуточных филаментов . Они собираются в плотные пучки вокруг ядра.

Функции промежуточных филаментов:

1) Структурная, противодействуют силам растяжения;

2) Интеграция трех систем клетки: поверхностного аппарата, цитозоля и ядра.

Итог темы. В составе цитоскелета можем выделить такие элементы цитоскелета: только каркасные (промежуточные филаменты) и опорно-двигательные (актин-миозин, тубулин-динеин). В опорно-двигательных элементах существуют 2 различных способа движения:

1) Основан на способности основного белка микрофиламентов актина и основного белка микротрубочек тубулина к полимеризации и деполимеризации, что приводит при связи этих белков с плазматической мембраной к ее морфологическим изменениям в виде образования псевдоподий, с целью перемещения клеток на поверхность субстрата.

2) При втором способе передвижения фибриллы актина или тубулина являются направляющими структурами, по которым перемещаются специальные подвижные белки – моторы. Они взаимодействуют с мембранными или фибриллярными компонентами клетки, вызывая ее перемещение.

Подвижность является фундаментальным и необходимым свойством всех эукариотических клеток

Актиновые филаменты образуют много различных клеточных струтур

Белки, связанные с актиновым цитоскелетом, способны развивать усилия, обеспечивающие подвижность клеток

Актиновый цитоскелет представляет собой динамическую структуру и перестраивается в ответ на сигналы, поступающие из клетки или из окружающей среды

При полимеризации актина генерируются усилия, которые вызывают удлинение клеточных выростов и обеспечивают подвижность некоторых органелл

Внутренний цитоскелет, состоящий из микротрубочек, актиновых филаментов (также называемых микрофиламентами) и промежуточных филаментов, обеспечивает клетке механическую прочность и помогает ей поддерживать определенную форму.

Наряду с этим, цитоскелет представляет собой опорную структуру, позволяющую клетке осуществлять контроль за передвижением, изменением формы и перестройкой внутренних элементов. Движения, которые совершаются при участии цитоскелета, обеспечивают клеточную подвижность.

Для осуществления многих клеточных функций необходимо согласованное действие двух или трех структур цитоскелета , состоящих из филаментов. Однако актиновые филаменты играют ведущую роль в реализации многих клеточных функций, например в цитокинезе, фагоцитозе и мышечном сокращении.

Белок актин полимеризуется с образованием длинных фибриллярных филаменто в, диаметр которых достигает 8 нм. Эти филаменты могут сшиваться другими белками, образуя разнообразные клеточные структуры. На рисунке ниже представлены некоторые структуры, основным компонентом которых служит актиновый цитоскелет.

К их числу относятся кишечные микроворсинки , стереоцилии сенсорного эпителия, стресс-фибриллы прикрепленных клеток, конус роста нейронов, выросты (ламеллоподии и филоподии) на границе подвижных клеток, и тонкие филаменты клеток мышц. Почти все структуры, построенные на основе актина, являются динамичными и способны к перестройке в ответ на внутренние или внешние сигналы.

Актиновый цитоскелет генерирует силу и осуществляет движение клеток двумя путями: за счет полимеризации актиновых мономеров в филаменты и взаимодействия с миозиновыми моторами. Последние связываются с актиновыми филаментами латерально и генерируют усилия и движение за счет энергии гидролиза АТФ.

При этом движение может совершаться по отношению к актиновому филаменту , как, например, при мышечном сокращении и транспорте везикул. Например, сила, которая генерируется за счет полимеризации актина, используется для выталкивания вперед плазматической мембраны при движении клетки. Во многих процессах, например при мышечном сокращении, актин и миозин функционируют совместно.

В дальнейших статьях мы рассмотрим механизм подвижности клеток эукариот, связанный с актомиозиновым комплексом . Многие закономерности подвижности клеток удалось выяснить при проведении биохимических экспериментов с использованием очищенных белков и клеточных компонентов. На основании этих экспериментов можно смоделировать более сложные движения клеток.

Поэтому в первую очередь мы охарактеризуем молекулярные свойства актинового цитоскелета (строение, сборку и разборку филаментов и белков, регулирующих динамику в клетке). Затем мы обсудим актин и связанные с ним белки в связи с их функционированием в клетке. Актиновый цитоскелет играет критическую роль почти в каждом клеточном процессе; в дальнейших статьях мы рассмотрим двигательную активность, связанную со сборкой актиновых филаментов, а также с сокращением актомиозинового комплекса, и вопросы транспорта с его участием. Мы также приводим ссылки на другие статьи на сайте, в которых обсуждается значимость актинового цитоскелета в жизнедеятельности клетки и его динамика.

-Совокупность нитевидных белковых структур – микротрубочек и микрофиламентов, составляющих опорно-двигательную систему клетки.

Цитоскелет - высокодинамичная система цитоплазмы. Многие структуры цитоскелета могут легко разрушаться и вновь возникать, меняя свое расположение или морфологию. В основе этих особенностей цитоскелета лежат реакции полимеризации-деполимеризации основных структурных цитоскелетных белков и их взаимодействие с другими белками, как структурными, так и регуляторными.

Цитоскелетом обладают только эукариотические клетки, в клетках прокариот (бактерий) его нет, что является важным различием этих двух типов клеток. Цитоскелет придаёт клетке определённую форму даже при отсутствии жёсткой клеточной стенки. Он организует движение органоидов в цитоплазме (т. н. течение протоплазмы), лежащее в основе амёбоидного движения. Цитоскелет легко перестраивается, обеспечивая в случае необходимости изменение формы клеток. Способность клеток изменять форму обусловливает перемещение клеточных пластов на ранних стадиях зародышевого развития. При делении клетки (митозе) цитоскелет «разбирается» (диссоциирует), а в дочерних клетках вновь происходит его самосборка.

Функции цитоскелета многообразны. Он способствует поддержанию формы клетки, осуществляет все типы клеточных движений. Кроме того, цитоскелет может принимать участие в регуляции метаболической активности клетки.

Цитоскелет образован белками. В цитоскелете выделяют несколько основных систем, называемых либо по основным структурным элементам, заметным при электронно-микроскопических исследованиях (Микрофиламенты, промежуточные филаменты, микротрубочки), либо по основным белкам, входящим в их состав (актин-миозиновая система, кератины, тубулин-динеиновая система).

Промежуточные филаменты являются наименее понятной структурой среди основных компонентов цитоскелета в отношении их сборки, динамики и функций. Их свойства и динамика сильно отличаются от соответствующих характеристик как микротрубочек, так и актиновых филаментов. Функции же промежуточных филаментов до сих пор остаются в области гипотез.

Цитоплазматические промежуточные филаменты обнаружены в подавляющем большинстве укариотических клеток, как у позвоночных, так и беспозвоночных животных, у высших растений. Редкие примеры клеток животных, у которых не обнаружены промежуточные филаменты, не могут считаться окончательными, так как белки промежуточных филаментов могут образовывать необычные структуры.

Морфологические микротрубочки представляют собой полые цилиндры диаметром около 25 нм с толщиной стенки около 5 нм. Стенка цилиндра состоит их протофиламентов - линейных полимеров тубулина с продольно ориентированными гетеродимерами. В составе микротрубочек протофиламенты идут вдоль их длинной оси с небольшим сдвигом друг относительно друга, так что субъединицы тубулина образуют трехстартовую спираль. В состав микротрубочек большинства животных входит 13 протофиламентов

Актиновые филаменты играют ключевую роль в сократительном аппарате мышечных и немышечных клеток, а также принимают участие во многих других клеточных процессах, таких как подвижность, поддержание формы клетки, цитокинез

Актиновые филаменты или фибриллярный актин ( F-актин) представляют собой тонкие фибриллы диаметром 6-8 нм. Они являются результатом полимеризации глобулярного актина - G-актина. В клетке актиновые филаменты с помощью других белков могут образовывать множество разнообразных структур.

Цитоскелет - это совокупность нитевидных белковых структур находящихся в цитоплазме живой клетки и образующих клеточный скелет или каркас. В 2001 году было установлено, что цитоскелет есть и в эукариотичских и прокариотических клетках. До 2001 года считалось то, что прокариотические клетки не имеют цитоскелета. Выделяют несколько основных систем цитослекелета клетки, которые делятся по основным белкам, входящим в состав (кератины, тубулин-динеиновая система или актин-миозиновая система) или по основным структурным элементам, заметным при электронно-микроскопических исследованиях (микрофиламенты, микротрубочки или промежуточные филаменты).

Функции цитоскелета

Цитоскелет выполняет следующие функции:
1. Из названия цитоскелет можно понять его главную функцию. Он является скелетом или каркасом клетки;
2. Он придаёт клетке определённую форму и обеспечивает внутри клетки перемещение и взаимодействие органелл;
3. Цитоскелет может изменяться при изменении внешних условий и состояния клетки;
4. За счёт измененеия структуры обеспечивает движение цитоплазмы, изменение формы клеток в процессе роста.

Из определения цитоскелета можно понять, что цитоскелет клетки состоит из белков трёх разных видов. В состав цитосклета входят микрофиламенты, промежуточные филаменты и микротрубочки.
1. Микрофиламентами называются нити, состоящие из молекул глобулярного белка актина, миозина, тропомиозина, актинина. Имеют размер 7-8 нанометров. Состоят из двух перекрученных цепочек белка;
2. Промежуточными филаментами называются нитевидные структуры из особых белков четырёх типов. Имеют размер 9-11 нанометров;
3. Микротрубочками цитоскелета называют белковые структуры представляющие собой полые цилиндры образованные димерами тубулина. Диаметр цилиндр равен 25 нанометрам. Микротрубочки как и микрофиламенты являются полярными.

— это система нитевидных структур, пререважно являются упорядоченными полимерами белков одного класса, имеющаяся в клетках бактерий и архей. Все исследованные (на 2006 год) белки цитоскелета бактерий способны к самоогрганизации в длинные филаменты in vitro.

Цитоскелет прокариот был впервые открыт в начале 1990 годов, когда было установлено, что почти все бактерии и большинство архей содержат белок FtsZ, который является гомологом тубулина, и может полимеризоваться в филаменты, образующие кольцо (Z-кольцо) во время клеточного деления. Позже были обнаружены и прокариотические гомологи актина. Эти открытия изменили представления о том, что именно отсутствие цитоскелета является важнейшей причиной меньших размеров и простой организации прокариот по сравнению с эукариот. Зато сейчас допускается, что относительная протстота бактерий и архей связана с видсутнсю белков-моторов (по крайней мере до сих пор они обнаружены не были), что «ходят» вдоль филаментов цитоскелета и обеспечивают транспорт различных структур, а также и локомоциях всей клетки.

Наличие у прокариот гомологов актина и тубулина позволяет предполагать, что эти два класса нуклеотид-связывающих белков, которые могут образовывать догви филаменты, возникли в процессе эволюции достаточно давно, еще до появления эукариот. Однако, ядерные и безъядерного организмы по-разному их используют, например, в Цитокинез бактерий задействован гомолог тубулина FtsZ, тогда как у эукариот эту функцию осуществляют актиновые филаменты, в различии молекул ДНК при делении у бактерий наоборот участвуют гомологи актина, а у эукариот — микротрубочки с тубулина, образующие веретено деления. Также у прокариот был обнаружен по крайней мере один класс белков, которые могут считаться гомологами белков промежуточных филаментов и один класс белков цитоскелета — АТФазы типа Walker A (WACA — MinD и PraA) не имеющих соответствий у эукариот.

Гомологи актина

В 2001 году Джонс (англ. Jones) и спивробинтникы обнаружили, что у бактерии Bacillus subtilis присутствуют белки гомологи актина, которые формируют длинные спиральные структуры. Это открытие дало начало интенсивному развитию исследований в области цитоскелета прокариот, в результате чего было обнаружено много других гомологов актина. Для всех этих белков характерно наличие актинового АТФазного домена. Большинство из них, как и актин в еукароит, является частью цитоскелета, однако некоторые имеют другие функции, например FtsA, участвующий в клеточном делении, шаперон DnaK и гексокиназы. Гомологи актина бактерий имеют похожую пространственное строение, но в основном довольно сильно отличаются по аминокислотной последовательности (5-10% идентичности). Также эти белки имеют отличные характеристики динамики полимеризации и свойств филаментов, которые они образуют. Очевидно, что в отличие, от эукариот, которые используют один и тот же актин для самых разных потребностей клетки, бактерии имеют много вариантов подобных белков, каждый из которых специализирован на выполнении отдельной функции.

MreB и его гомологи

MreB (англ. M u r ein cluster B) и его гомологи — белки распространены среди бактреий, имеющих палочковидную или спиральную форму, и отсутствуют в кокков. Некоторые бактерии, например Escherichia coli и Caulobacter crescentus, содержащие только ген белка MreB, тогда как другие, в частности Bacillus subtilis, кроме него должны также гены его гомологов Mbl (англ. M re B — l ike) и MreBH (англ. MreB h omolog). Эти белки обеспечивают поддержание палочковидной формы клетки, ее полярности, а также различия копий бактериальной ДНК при делении.

Структура и динамика филаментов MreB и его гомологов

In vivo белок MreB и его гомологи образуют длинные спиральные филаменты расположены вдоль бактериальной клетки, они могут объединяться в крепкие и довольно гибкие пучки. Такие филаменты являются динамическими структурами, продолжительность их полжизни обычно не превышает нескольких минут. Кроме того, в некоторых видов, в частности C.crescentus и Rhodobacter sphaeroides филаменты MreB меняют свое расположение в течение клеточного цикла: при делении они концентрируются в центральной части клетки и образуют кольцо. Однако, поскольку мутанты с делецией гена mreB не теряют способность к цитокинеза, очевидно белок MreB не является необходимым для этого процесса.

Как было показано в экспериментах на белках бактерии Thermotoga maritima мономерные единицы MreB способны к самоорганизации in vitro в длинные линейные филаменты, которые состоят из двух протофиламентив расположенных параллельно. Итак по строению филаменты MreB отличаются F-актина, образованного двумя цепями спирально закрученными друг вокруг друга. Для полимеризации MreB необходимо наличие в среде АТФ, однако она происходит одинаково успешно и в присутствии ГТФ (в отличие от актина, который полимеризуется только при наличии АТФ). Это связано с тем, что новые субъединицы включаются в состав полимера только в форме связанной с нуклеотидтрифосфатом, позже происходит гидролиз связанного АТФ или ГТФ к АДФ или ГДФ соответственно.

Функции MreB и его гомологов

Одной из основных функций филаментов MreB и гомологичных белков является поддержание палочковидной или спиральной формы бактериальной клетки. Мутации, которые порушуюють экспрессию этих белков, приводят к выраженной изменения формы бактерий (как правило, они превращаются в округлые клетки, или в случае Mbl — в клетки неправильной формы). Однако филаменты MreB НЕ служат непосредственно каркасом для пидримання формы клетки, в свою очередь, располагаясь по спирали вдоль нее они являются сайтами для прикрепления ферментов, синтезирующих пептидогликан клеточной стенки. Таким образом они регулируют характер отложения новых элементов к оболочке бактерий, которая собственно и является определяющим фактором в поддержании постоянной формы. Подобным образом микротрубочки растительной клетки влияют на ее форму, направляя включения молекул целлюлозы в клеточную стенку. Во многих бактерий (в том числе и в E.coli и B.subtilis) ген mreB является частью оперона, в состав которого входят также гены mreC и mreD. Этот оперон входит в большого кластера генов, необходимых для биосинтеза пептидогликана. Продукты генов mreC и mreD — это белки внутренней мембраны грам-отрицательных бактерий, они взаимодействуют с белком MreB и участвуют в организации его комплекса с ферментами, участвующими в биосинтезе муреин, такими как муреинтранспептидаза PBP2. Также в состав этого комплекса входят трансмембранные белки RodZ и RodA.

Филаменты MreB также участвуют в определении некоторых аспектов полярности клетки, в частности концентрации на одном или обоих полюсах некоторых белков, например тех, что отвечают за хемотаксис, подвижность, секрецию и вирулентность.

Еще одной функцией MreB и его гомологов является участие в различии копий бактериальной хромосомы во время деления. Среди мутантов, в которых этот белок отсутствует, были обнаружены клетки с несколькими нуклеоидом в цитоплазме, а также и клетки, которые не имели хромосом. Местом прикрепления белков MreB к бактериальной ДНК является точка oriC, присоединение происходит либо непосредственно, либо при участии других белков. При разделе филаменты цитоскелета обеспечивают различия точек oriC двух копий ДНК в противоположных концов клетки, механизм этого процесса пока (2006 год) не выяснен. Также неизвестно каким образом возникает расхождение хромосом в кокков, в которых отсутствует ген mreB и его гомологи.

Белок разделения плазмид ParM

Многие малокопийних (~ 1-5 копий) плазмид бактерий имеют специальные системы, обеспечивающие их различия после репликации. Эти механизмы необходимы для того, чтобы после разделения каждая из дочерних клеток получила по крайней мере одну молекулу плазмидной ДНК. Известно три типа систем, обеспечивающих различия малокопийних плазмид, в каждой из которых используются различные моторные белки (тип I — АТФазы типа Walker A или ParA-образные белки, тип II — гомологи тубулина или TubZ-образные белки, тип III — гомологи актина или ParM-образные белки). Белок ParM (от англ. Par titioning m otor) был впервые обнаружен при исследовании пламзиды R1 E.coli. Сейчас эта система сегрегации плазмидной ДНК является лучше изученной. Похожая система была обнаружена и в других плазмидах, в частности тех, которые отвечают за распространение устойчивости ко многим препаратам (англ. Multidrug resistance).

Структура и динамика филаментов ParM

Как и все элементы цитоскелета филаменты ParM состоят из мономерных белковых субъединиц. Эти субъединицы способны к полимеризации in vitro в присутствии АТФ или ГТФ. Образующиеся нити состоят из двух протофиламентив, закрученных друг вокруг друга (структура похожа на F-актина). В живых клетках мономеры ParM формируют длинные неразветвленные филаменты, которые размещаются вдоль оси бактерии. В отличие от актина и MreB и его аналогов ParM не образует пучков.

Полимеризация и диссоциации мономеров ParM зависит от присоединения и гидролиза АТФ. Новые субъединицы включаются в состав филаментов в АТФ-связанной форме, причем присоединение может происходить на обоих концах филаментов. Одновременно с включением новой ParM-АТФ субъединицы происходит гидролиз АТФ в последний присоединенной белковой молекуле. Таким образом весь филамент состоит из белков ParM-АДФ, и только на концах находятся ParM-АТФ субъединицы, которые «КЭПУ» всю структуру стабилизируя ее.

При отсутствии соответствующей плазмиды полимеризация филаментов ParM продолжается пока они не достигают определенной критической длины. После этого они начинают очень быстро диссоциировать, причем скорость этого процесса примерно в 100 раз превышает таковую для F-актина, то есть наблюдается так называемая динамическая нестабильность, по которой эти элементы больше напоминают микротрубочки эукариот.

Принцип функционирования филаментов ParM

Ген parM входит в локуса par плазмиды R1, кроме него здесь также содержится участок parC (от англ. C entromere), что играет роль аналогичную центромеры в хромосомах эукариот, а также ген parR, продукт которого ParR (от англ. R epressor) присоединяется к участку parC и осуществляет ауторегуляцию транскрипции локуса par, а также служит адаптером для присоединения белка ParM.

После репликации плазмиды R1 до обоих ее копий в области parC присоединяется белок ParR. В таком состоянии он может связывать и стабилизировать филаменты ParM, которые постоянно собираются и разбираются в цитоплазме. После этого полимерные нити ParM начинают видовжуватись, присоединяя на каждом конце новые мономеры. Этот процесс сопровождается гидролизом АТФ. Вследствие удлинения филаментов две плазмиды, которые присоединены к его краям, розштовхуються в разные стороны пока не достигают полюсов клетки. После этого происходит диссоциация полимера ParM.

Белок организации магнетосом MamK

Еще один прокароитичний гомолог актина MamK участвует в организации мембран магнетосом. Магнетосомы — это окружены мембраной органеллы бактерий родов Magnetospirillum и Magnetococcus, содержащие кристаллы магнетита и помогают бактерии ориентироваться в геомагнитном поле. В клетке магнетосомы расположены в ряд, в результате чего они могут функционировать как игла магнита. Такое расположение обеспечивается филаментами белка MamK, к которому эти мембранные пузырьки крепятся.

Гомологи тубулина

В большинстве прокариот также имеющиеся гомологи еукароитичного белка тубулина, из которого состоят микротрубочки. Лучше изученным из этих гомологов является блилок FtsZ, участвующий в Цитокинез. Тубулин и FtsZ имеют довольно мало идентичности в аминокислотной последовательности, консервативным является только ГТФазний домен, однако по пространственной структуре они похожи. Также в отдельных представителей бактерий и архей были обнаружены другие гомологи тубулина: например белки BtubA / BtubB Prosthebacter dejoneii, а также TubZ и RepX, кодируемых плазмидными генами бактерий рода Bacillus.

FtsZ и Z-кольцо

FtsZ FtsZ (англ. F ilamenting t emperature- s ensitive mutant Z) — один из первый выявленных у прокариот белок цитоскелета. Он есть в клетках практически всех исследованных бактерий и архей, а также в эукариотических органеллах, происходящих от прокариот, в частности пластидах. Этот белок участвует в формировании Z-кольца, обеспечивает цитокинез во время деления клетки. Кроме FtsZ, в этом процессе задействована также большое количество вспомогательных белков, в частности тех, которые принимают участие в синтезе клеточной стенки бактерий.

Структура и динамика филаментов FtsZ

Мономеры FtsZ формируют in vitro протофиламенты, состоящие из одного ряда этих белков. Протофиламенты НЕ объединяются в структуры похожи на микротрубочек, хотя иногда и спострегиаеться формирования пучков или листов. FtsZ полимеризуется в активной ГТФ-связанной форме, однако, в отличие от тубулина, этот белок обычно не гидролизует ГТФ после включения его в состав протофиламенту. Таким образом, в отличие от протофиламентив микротрубочек, которые почти полностью состоят из ГДФ-тубулина, и только на концах имеют кепи с ГТФ-тубулина, в протофиламентах FtsZ соотношение ГТФ-связанных субъединиц к ГДФ-связанных составляет 80:20.

При определенных условиях в протофиламентах FtsZ может происходить гидролиз ГТФ, в таком случае их форма преимущественно изменяется от прямой к изогнутой, и происходит дестабилизация полимера, в результате чего он может распадаться на мономеры. Протофиламенты FtsZ являются динамическими структурами, они постоянно обмениваются субъединицами с пулом свободных мономеров.

Структура Z-кольца

Часть белка FtsZ в клетке участвует в формировании Z-кольца, тогда как остальные находятся в цитоплазме в мономерной форме, или в форме коротких филаментов. Как было показано с помощью флуоресцентной микроскопии (с использованием меченых антител или FtsZ слитого с GFP), Z-кольцо хорошо заметно в центре большинства клеток. Во время клеточного деления оно сокращается, таким образом обеспечивая цитокинез. Одновременно с уменьшением Z-кольца в материнской клетке, FtsZ начинает полимеризоваться в центре дочерних клеток.

Z-кольцо не состоит из одного замкнутого в протофиламенту FtsZ, как показывают многочисленные исследования, количество мономеров FtsZ в Z-кольце достаточное для того, чтобы сделать примерно 2,5 витков вокруг внутреннего диаметра клетки. Поскольку отдельные протофиламенты FtsZ значительно короче окружность клетки, была предложена модель строения Z-кольца, согласно которой оно склкдаеться из большого количества коротких профиламентив перекрывающихся. Эта модель была подтверждена данными полученными с помощью электронной криотомографии. Однако существуют также и альтернативные модели строения Z-кольца, одна из которых предусматривает, что протофиламенты FtsZ взаимодействуют конец к концу и образуют непрерывную спираль.

Для обеспечения цитокинеза Z-кольцо должно каким-то образом крепиться к плазматической мембраны. Эту роль в большинстве бактерий выполняет белок напивинтегральний белок FtsA и трансмембранный белок ZipA, цитоплазматические домены которых крепятся к FtsZ.

Модели функционирования Z-кольца во время цитокинеза

Механизм, по которому происходит сокращение Z-кольца во время цитокинеза сих пор остается не выясненным. Существовало несколько гипотез, описывали это выше:

• Модель ковазння: так как, скорее всего, Z-кольцо слкадаеться с протофиламентив, которые могут взаимодействовать латерально, по аналогии с актина и миозина эукариот, предполагается, что существует определенный моторный белок, который может обеспечивать скольжение этих протофиламентив друг друга. По мере этого процесса также происходит деполимеризация FtsZ, таким образом Z-кольцо укорачивается и тянет плазматическую мембрану за собой. Главным недостатком этой модели является то, что никаких таких моторных белков не было найдено у одного из видов бактерий.
• «Каркасная» модель: протофиламенты FtsZ могут играть пассивную роль в Цитокинез. Согласно этой модели они только привлекают ферменты синтеза клеточной стенки, к месту, где должен состояться цитокинез. Новые слои пептидогликана, откладываемых обеспечивают вгиннання плазматической мембраны, вследствие чего и происходит скрочення Z-кольца. Эта модель не в состоянии объяснить механизма цитокинеза у микобактерий, в частности Mycobacterium tuberculosis, в которых пептидогликан вообще отсутствует в килтинний стенке.
• Модель «повторяющегося сжатия» — наиболее признана в настоящее время. Этот механизм не предусматривает участия каких белков-моторов, а говорит о том, что протофиламенты FtsZ сами могут генерировать силу, необходимую для цитокинеза. Считается, что филаменты в составе Z-кольца присоединяются к цитоплазматической мембраны в ГТФ-связанной форме, в таком случае они имеют прямую конформацию. Впоследствии в них происходит гидролиз ГТФ, что приводит к сгибанию филаментов. Когда это происходит, мебмрана клетки, присоединена к филаментов белками FtsA или ZipA, несколько прогибается. Такое последовательное сжатие мембраны и приводит к цитокинеза. Только последние его этапы не могут происходить по такому механизму, и возможно, проходят без участия белка FtsZ.

Другие гомологи тубулина

Секвенирование геномов многих бактерий позволило выявить некоторые тубулиноподибни белки отличаются от FtsZ. В частности, в бактерии Prosthebacter dejoneii были найдены два белка BtubA и BtubB (англ. B acterial tub ulin), которые являются гомологами соответственно α и β тубулина. Во время полимеризации в присутствии ГТФ они образуют гетеродимера, как и α и β тубулин. Сейчас функция этих белков неизвестна.

Интересно, что эти белки по аминокислитною последовательностью значительно ближе к эукариотических тубулинов, чем к их прокариотических гомолога FtsZ. Считается, что бактерия P. dejoneii получила гены этих белков в результате горизонтального переноса от эукариот.

Другой класс гомологов тубулина был обнаружен в больших плазмидах бактерий рода Bacillus, зокема:

• Белок TubZ Bacillus thuringiensis, кодируемый генами плазиды pBtoxis;
• Белок RepX закодирован в плазмиде pX01 Bacillus anthracis.

Оба эти белки способны образовывать длинные филаменты, в результате полимеризации в присутствии ГТФ, и необходимы для стабильного поддержания соответствующей плазмиды в клетке. Они могут участвовать в сегрегации копий плазмид, репликации плазмид или в обоих процессах.

Кресцентин — гомолог белков промежуточных филаментов

Кресцентин — это белок промежуточных филаментов, найденный в бактерии Caulobacter crescentus и других бактерий этого рода. Этот белок утоврюе длинную изогнутую нитевидные структуры, которая размещаются вдоль внутреннего края комоподибнои бактерии и обеспечивает поддержание такой формы. При отсутствии кресцентину бактерии становятся плачкоподибнимы, но житттездатности не теряют.. Кресцентин имеет 25% идентичности и 40% гомологичности в аминокислотной последовательности с эукариотическими белками промежуточных филаментов, а также похожую организацию белковых доменов — в частности наличие центрального домена двойной спирали (англ. Coiled coil). Полимеризация мономеров кресцентину, как и в случае еукариотинчних белков промежуточных филаментов, проходит без необходимости нуклеотидах. Интересно, что для пидтирмання формы C.crescentus кроме кресцентину необходим также гомолог актина MreB, при его отсутствии клетки становятся сферическими, несмотря на присутствие кресцентину.

Цитоскелетного АТФазы типа Walker A

Кроме гомологов эукариотических актина, тубулина и белков промежуточных филаментов, у бактерий также обнаружены компоненты цитоскелета, не имеющие аналогов в клетках ядерных. В частности таковы белки WACA (англ. Walker A cytoskeletal ATPase — цитоскелетного АТФазы типа Walker A), относящихся к функционально разнородной семьи АТФаз, имеющие в своей структуре консервативной аномальный домен Walker A и димерезуються в присутствии АТФ.

Белки WACA в АТФ-связанной форме могут образовывать полимеры на определенных поверхностях, например, на клеточной мембране, и считаются элементами цитоскелета. К этому классу относится белок MinD, участвующий в определении места, в котором будет проходить цитокинез во время разделения, и белки ParA, Soj, а также SopA и ParF, которые обеспечивают различия (сегрегацию) копий плазмид и бактериальной хромосомы. Несмотря на то, что они имеют разные функции, эти белки имеют очень похожую пространственное строение и высокий уровень гомологии в аминокислотной последовательности. Все WACA способны к гидролизу АТФ, их каталитическая активность регулируется путем взаимодействия с активирующими белками: для MinD — это белок MinE, а для ParA — ДНК-связывающий белок ParB. Также эту семью белков объединяет то, что за всеми ними наблюдается динамическая поведника in vivo: полимеризоваться формы этих белков осциллируют между определенными клеточными участками. Например, MinD полимеризуются то на одном полюсе клетки, то на другом, продолжительность такого цикла составляет 40-50 сек. Белки ParA и Soj осциллируют преимущественно между двумя нуклеоидом перед делением, а временные интервалы «перепрыгивание» у них менее регулярные (от нескольких минут до часа).

Система MinCDE

Механизм осцилювання лучше изучен на примере системы MinCDE, в состав которой входит WACA MinD. Эта система необходима клетке для того, чтобы точно разместить Z-кольцо в центральной части для правильного прохождения цитокинеза. В ее состав входят три белка:

• MinC — ингибитор полимеризации FtsZ;
• MinD — цитоскелетного белок WACA, что полимеризуется на цитоплазматической мембране;
• MinE — белок, стимулирующий гидролитическую активность MinD.

В E.coli эта система функционирует следующим образом: после присоединения молекулы АТФ MinD полимеризуется на плазматической мембране, образуя спирали. В такой активированной форме он связывает белок MinC, из-за чего в этом Конкрет месте подавляется образование Z-кольца. Также MinD-АТФ может взаимодействовать с MinE, что стимулирует гидролиз АТФ, после этого инактивированный MinD отсоединяется от мембраны и может диссоциировать в другое место. Распадается он преимущественно на противоположный полюс клетки, где не белка MinE, там начинается полимеризация нового комплекса, которая продолжается до тех пор, пока не закончится деполимеризация старого. А когда она начинает подходить к концу, то белок MinE высвобождается и начинает «разрушать» новообразованный комплекс MinD / MinC. Таким образом этот комплекс «скачет» от одного полюса к другому с переиодичнистю 40-50мин, и не затрагивает только центральный участок, где и происходит образование Z-кольца, поскольку там ее ничего не подавляет.

Несмотря на то, что MinD очень консервативным белком среди прокариот, у разных видов он функционирует по-разному, например в B.subtilis не происходит осцилювання: MinD постоянно присоединен к клеточным полюсов с помощью другого белка DivIVA. Кроме того, бактерии имеют «запасные» механизмы пространственного регулирования цитокинеза, которые действуют даже при отсутствии MinCDE, например механизм «избегание нуклеоида»: формирование Z-кольца подавляется вблизи нуклеоида.

В некоторых бактерий вообще отсутствует и система MinCDE и механизм «избегание нуклеоида», например в C.crescentus место прохождения цитокинеза определяется с помощью белка MipZ (что имеет сходство с ParA). Этот белок полимеризуется вблизи точки ori и также подавляет образование Z-кольца.

Использованные источники

1. Shih YL, Rothfield L (2006). The bacterial cytoskeleton. Microbiol Mol Biol Rev 70. с. 729-54. doi: 10.1128 / MMBR.00017-06. PMID 16959967.
2. Bi EF, Lutkenhaus J (1991). FtsZ ring structure associated with division in Escherichia coli. Nature 354. с. 161-4. doi: 10.1038 / 354161a0. PMID 1944597.
3. Alberts B, Johnson A, Lewis J, Raff M, Roberts K, Walter P (2007). Molecular Biology of the Cell (изд. 5th). Garland Science. ISBN 978-0-8153-4105-5.
4. Gitai Z (2005). The new bacterial cell biology: moving parts and subcellular architecture. Cell 120.
5. Gerdes K (2009). RodZ, a new player in bacterial cell morphogenesis. The EMBO Journal 28. с. 171 — 172. doi: 10.1038 / emboj.2008.287. PMID 19194484.
6. Salje J, Gayathri P, Löwe J (2005). The ParMRC system: molecular mechanisms of plasmid segregation by actin-like filaments. Cell 120. с. 577-86. doi: 10.1016 / j.cell.2005.02.026. PMID 15766522.
7. Taoka A, Asada R, Wu LF, Fukumori Y (2007). Polymerization of the actin-like protein MamK, which is associated with magnetosomes. J Bacteriol 189. с. 8737-40. doi: 10.1128 / JB.00899-07. PMID 17905974.
8. Thanbichler M, Shapiro L (2008). Getting organized — how bacterial cells move proteins and DNA. Nat Rev Microbiol 6. с. 28-40. doi: 10.1038 / nrmicro1795. PMID 18059290.
9. Pogliano J. (» The bacterial cytoskeleton. Curr Opin Cell Biol 20. с. 19-27. doi: 10.1016 / j.ceb.2007.12.006. PMID 18243677.
10. Erickson HP, Anderson DE, Osawa M (2010). FtsZ in Bacterial Cytokinesis: Cytoskeleton and Force Generator All in One. Microbiol Mol Biol Rev 74. с. 504-28. doi: 10.1128 / MMBR.00021-10. PMID 21119015.
11. Li Z, Trimble MJ, Brun YV, Jensen GJ (2007). The structure of FtsZ filaments in vivo suggests a force-generating role in cell division. EMBO J 26. с. 4694-708. doi: 10.1038 / sj.emboj.7601895. PMID 17948052.