Мікрофіламенти - студопедія

Загальні властивості микрофиламентов. Мікрофіламенти зустрічаються у всіх клітинах еукаріот. Особливо вони рясні в м'язових волокнах і клітинах - високоспеціалізованих клітинах, що виконують функції скорочення м'язів. Мікрофіламенти (МФ) входять також до складу спеціальних клітинних компонентів, таких як мікроворсинки, стрічкові з'єднання епітеліальних клітин, до складу стереоцилій чутливих клітин. МФ утворюють пучки в цитоплазмі рухомих клітин тварин, і утворюють шар під плазматичноїмембраною - кортикальний шар (рис. 244а, 245). У багатьох рослинних клітин і клітин нижчих грибів вони розташовуються в шарах рухається цитоплазми.

Основним білком мікрофіламентів є актин. Актин - неоднорідний білок, в різних клітинах можуть бути різні його варіанти або ізоформи, кожна з яких кодується своїм геном. Так, у ссавців є 6 різних актину: один в скелетних м'язах, один в серцевому м'язі, два типи - в гладких м'язах (один з них в судинах), і два, нем'язові, цитоплазматических актину, що є універсальним компонентом будь-яких клітин ссавців.

Актин має молекулярну вагу близько 42 тис. І в мономерной формі має вигляд глобули (G-актин), що містить в своєму складі молекулу АТФ. При його полімеризації утворюється тонка фібрила (F-актин) товщиною 8 нм, що представляє собою пологу спіральну стрічку (рис. 246). Актинові мікрофіламенти полярні за своїми властивостями. При достатній концентрації G-актин починає мимоволі полимеризоваться. При такій спонтанної полімеризації актину на утворилася нитки микрофиламента один з її кінців швидко зв'язується з G-актином (+) - кінець микрофиламента) і тому зростає швидше, ніж протилежний (мінус-кінець). Якщо концентрація G-актину буде недостатньою, то утворилися фібрили F-актину починають розбиратися. У розчинах, що містять т.зв. критичну концентрацію G-актину, буде встановлюватися динамічна рівновага між полімеризацією і деполимеризацией, в результаті чого фібрила F-актину матиме постійну довжину (рис. 247). З цього випливає, що актинові мікрофіламенти є дуже динамічні структури, які можуть виникати і зростати або ж, навпаки, розбиратися і зникати в залежності від наявності глобулярного актину. На зростаючому кінці нитки актину вбудовуються мономери, що містять АТФ. У міру наростання полімеру відбувається гідроліз АТФ, і мономери залишаються пов'язаними з АДФ. Молекули актину, пов'язані з АТФ, міцніше взаємодіють один з одним, ніж мономери, пов'язані з АДФ.

У клітинах така, здавалося б, нестійка фібрилярна система, стабілізується масою специфічних білків, які асоціюють з F-актином. Так, білок тропомиозин. взаємодіючи з микрофиламентами, надає їм необхідну жорсткість. Цілий ряд білків, наприклад філамін і a-актінін утворюють поперечні скріпки між нитками F-актину, що призводить до утворення складної тривимірної мережі, що надає гелевидний стан цитоплазмі. Інші додаткові білки можуть пов'язувати філаменти в пучки (фімбрін) і т.д. Крім того, існують білки, які взаємодіють з кінцями микрофиламентов і запобігаючи їх розбирання, стабілізують їх. Взаємодія F-актину з усією цією групою білків регулює агрегатний стан микрофиламентов, їх недолуге або навпаки тісне розташування, зв'язок їх з іншими компонентами. Особливу роль при взаємодії з актином грають білки миозинового типу. які утворюють разом з актином комплекс, здатний до скорочення при розщепленні АТФ (див. нижче) (рис. 262).

Таким чином, МФ є фібрили полімеризованого актину, пов'язаного з багатьма іншими білками. В принципі мікрофіламенти у всіх нем'язові клітинах можуть здійснювати принаймні два ряди функцій: бути частиною скоротливого апарату, взаємодіючи з моторними білками (міозин), або брати участь у формуванні скелетних структур, здатних до власного руху за рахунок процесів полімеризації і деполімеризації актину.

Міозину є одним із складових компонентів МФ. Основна робота по переміщенню клітин або їх внутрішніх компонентів за допомогою МФ відбувається за рахунок роботи акто-миозинового комплексу, де актинові фібрили грають роль напрямних ( "рейки"), а міозину - транслокатора. Весь акто-міозінових комплекс являє собою АТФ-азу, і рух відбувається за рахунок енергії гідролізу АТФ.

Міозину є сімейство подібних білків. У всіх з них є головний (моторна) частина, що відповідає за АТФ-азну активність комплексу, шийка. яка пов'язана з декількома регуляторними білковими субодиницями і хвіст. характерний для кожного типу міозину, що визначає специфічність функції в клітині. Існують три основні типи миозинов. Міозин II і міозин V є димерами, у яких a-спіральний ділянку хвоста утворює сверхспіральний палочковидний ділянку. Міозин I являє собою мономерних молекул (рис. 252). Дві молекули міозину II можуть асоціювати один з одним, утворюючи біполярну товсту фибриллу, що бере участь в м'язовому скороченні, при скороченні внутрішньоклітинних пучків МФ і при діленні клітини. МІОЗИНУ I і V типу беруть участь у взаємодіях між елементами цитоскелета і мембранами, наприклад в транспорті везикул.

Механізми роботи актомиозинового комплексів дуже схожий, незалежно від типу міозину: він починається зі зв'язку міозіновой головки з Актинові філаментів, її згинанням і подальшим відкріплення. За кожен цикл міозіновая головка переміщається в напрямку (+) - кінця актинового філамента на 5-25 нм при гідролізі однієї молекули АТФ. Таким чином відбувається односпрямоване зміщення або ковзання МФ щодо молекул міозину (рис. 253).

Акто-міозіновие комплекси нем'язові клітин. Акто-міозіновие комплекси беруть участь в русі ламеллоплазми. Так молекули міозину I були виявлені на провідному краю рухомих амебних форм діктіостеліума, в той час як міозин II типу виявлявся в тілі і кінці клітини. Міозин I типу бере участь в русі мікроворсинок ентероцитів. Мікроворсинки представляють собою тонкі (0,1 мкм) і довгі (близько 1 мкм) вирости, тісно розташовані одна біля одної, на зразок густої щітки, що покриває всю поверхню клітини, що дивиться в просвіт кишечника. На кожної клітини кишкового епітелію налічується кілька тисяч мікроворсинок, які збільшують всмоктувальну поверхню в десятки разів (рис.). Усередині кожної мікроворсинки розташовується щільний пучок з 20-30 актінових микрофиламентов. Актинові нитки закріплені своїми (+) - кінцями в вершині мікроворсинки. Жорсткість всього пучка визначається рядом білків, що зв'язують актин поперечними зв'язками, фімбріном і фасцину (рис. 254). Нижня частина актинового пучка вплетена в мережу з молекул спектрина, прімембранной білка. Така фібрилярна арматура робить тонкі мікроворсинки жорсткими і міцними. В цьому проявляється каркасна, скелетна роль микрофиламентов. У складі мікроворсинок є міозин I, який містить лише одну головку і короткий хвіст, яким він пов'язаний з мембраною. Головки міозину I зв'язуються з Актинові філаменти і можуть викликати укорочення або подовження мікроворсинок за принципом ковзають ниток.

Міозин I бере участь в транспорті вакуолей. Так, в клітинах кишкового епітелію він пов'язаний з деякими везикулами апарату Гольджі. З везикулами апарату Гольджі в клітинах мозку хребетних пов'язаний миозин V типу. Найбільш широко представлений в актомиозинового комплексах миозин II типу.

Актинові пучки в комплексі з міозином II добре виявляються в фібробластах. Ці фібрилярні пучки (вони звуться напружених ниток або стрес-фібрил) теж містять всі компоненти м'язових тканин (рис. 256, 257). Вони кріпляться за допомогою фокальних контактів на плазматичній мембрані і при скороченні їх викликають поза клітиною натяг на фібрила матриксу (колагенові волокна), що, ймовірно, сприяє орієнтованої полімеризації компонентів позаклітинного матриксу. Це доводиться тим, що якщо фібробласти посадити на тонкі плівкові підкладки, то після утворення стрес-фібрил плівка близько клітин починає кривитися, збиратися в складки.

Іншим прикладом зв'язку актінових микрофиламентов з мембраною є міжклітинні контакти, такі як адгезивний поясок в клітинах кишкового епітелію і фокальний контакт фібробластів. Адгезивний поясок контактує з циркулярним пучком микрофиламентов, в складі яких крім актину є і міозіновие молекули. При акті скорочення цей циркулярний периферичний пучок може стискати клітку, змінювати її форму.

Під час мітозу тварин діляться шляхом утворення перетяжки або борозни ділення. Це відбувається завдяки утворенню в делящейся клітці в її кортикальном шарі скупчення паралельно йдуть актінових фібрил, що утворюють під плазмалеммой скоротливості кільце. До складу кільця крім актину входить миозин II і інші м'язові білки.

Актинові мікрофіламени відносяться до найбільш динамічним елементам цитоскелета, який швидко перебудовується в рухомих клітинах.

М'язові клітини. Спеціалізовані м'язові клітини багатоклітинних тварин організмів мають в цитоплазмі скоротні фібрили, міофібрили. Особливо багато міофібрил в скелетних м'язових клітинах і клітинах серцевого м'яза, в клітинах гладеньких м'язів. Скелетні м'язи складаються не з окремих клітин, а з м'язових волокон, симпластов, що утворилися за рахунок злиття м'язових клітин - міобластів. В скелетної і серцевої мускулатури міофібрили мають характерну особливість - вони виглядають покресленими або поперечносмугастих (звідси і назва - поперечнополосата м'язова тканина) (рис. 259, 260). В світловий мікроскоп видно, що пучки міофібрил фарбуються нерівномірно: через рівні проміжки довжини в них видно чергування темних і світлих ділянок. Темні ділянки називаються анізотропними дисками (А-дисками), а світлі - ізотропні (I-диски). Світлий I-диск перетинається смужкою z. Таким чином, миофибрилла є нитка (товщиною 1-2 мкм) з чергуються ділянками.

Одиницею будови і функціонування міофібрил є саркомер - ділянку між двома Z- дисками. Величина саркомерів в розслабленому стані завжди однакова (1,8-2,8 мкм в залежності від виду тварин). У свою чергу миофибрилла підрозділяється на ряд більш тонких - протофібрілл. Їх діаметр в різних частинах саркомера різний. У I-дисках зустрічаються тонкі (близько 8 нм) нитки довжиною близько 1 мкм, а в А-дисках крім тонких присутні товсті (близько 16 нм завтовшки) нитки довжиною до 1,5 мкм. Всі ці нитки, протофібрілли, розташовуються паралелльно один одному і в один одного не переходять. При детальному розгляді будови саркомера, видно, що уздовж нього розташовуються три ділянки протофібрілл: тонкі, пов'язані з z-диском, потім товсті і знову тонкі, пов'язані з наступним Z-диски (рис.). У зоні А-дисків крім товстих фібрил розташовуються кінці тонких, що йдуть від двох Z-дисків.

Була з'ясована, що тонкі нитки складаються в основному з білка актину, а товсті - з білка міозину II. Z-диски мають в своєму складі білок a- актінін і десмин. В тонких нитках крім актину знаходяться білки тропомиозин і тропонин.

Міозин, що входить до складу товстих ниток, - дуже великий білок (мол. Вага 500 тис.), Що складається з шести ланцюгів: двох довгих, спірально обвиває одна навколо іншої (важкі ланцюги), і чотирьох коротких (легкі ланцюги), які зв'язуються з глобулярними головками довгих ланцюгів. Останні мають АТФ-азной активністю, можуть реагувати з фібрилярні актином, утворюючи актоміозіновий комплекс, здатний до скорочення. Товщина миозинових фібрил обумовлена ​​тим, що довгі (150 нм) молекули міозину утворюють пучки, в які входить близько 300 таких молекул. У миозинових товстих (16 нм) протофібріллах довгі молекули лежать "хвіст до хвоста" так, що головки міозину розташовуються на кінцях таких ниток, в середній їх частині головок немає (рис. 261). Головки утворюють поперечні містки, що зв'язують між собою Актинові і міозіновие нитки.

За рахунок такого зв'язку головок міозину з актином виникають актомиозинового комплекси, активність яких в сотні разів вище, ніж АТФ-азная активність одних миозинов.

Актинові протофібрілли пов'язані на одному кінці з Z-диски, який складається з паличковидних, біполярних молекул білка a-актініна, який пов'язує актинові фібрили в пучки. З двох сторін до Z-диску прикріплюються (+) - кінці Актинові ниток сусідніх саркомеров. Функція Z-дисків полягає як би в зв'язуванні сусідніх саркомеров один з одним; Z-диски не є скоротність структурами.

Товсті, міозіновие, протофіламентов також пов'язані з Z-диском: кінці товстих протофіламентов також стати на якір в Z-диску за допомогою довгих і гнучких фібрилярних білків - тітін. Міозіновие нитки в поперечнику міофібрили розташовуються в гексагональном порядку, так, що кожна міозіновая нитка оточується шістьма Актинові нитками (рис. 262). Скорочення відбувається за рахунок зменшення відстані між Z-дисками, тобто за рахунок зменшення довжини саркомерів приблизно на 20%. Механізм м'язового скорочення полягає в кооперативному укорочуванні всіх саркомерів по всій довжині міофібрили. Г.Хакслі показав, що в основі скорочення лежить переміщення відносно один одного тонких і товстих ниток. При цьому товсті міозіновие нитки як би входять в простору між Актинові нитками, наближаючи один до одного Z-диски. Ця модель ковзають ниток може пояснити не тільки скорочення м'язів, а й будь-яких скоротних структур (рис. 263).

У гладких м'язових клітинах також є Актинові і міозіновие нитки, але вони не так правильно розташовані, як в смугастих м'язах. Тут немає саркомерів, а серед пучків актінових протофібрілл без особливого порядку розташовуються міозіновие молекули, які не утворюють товстих агрегатів як в разі соматичних м'язів, а являють собою комплекси з 15-20 миозинових молекул (рис. 264).