Поверхностный аппарат клетки. Методические указания.. Михеев в. С

• Название: Михеев в. С
• Анкор: Поверхностный аппарат клетки. Методические указания..doc
• Дата: 25.04.2017
• Размер: 0.92 Mb.
• Имя файла: Поверхностный аппарат клетки. Методические указания..doc
• Тип: Реферат; #4868
• Категория: Биология. Ветеринария. Сельское хозяйство
• страница: 5 из 18

Пучки актиновых МФ, прикрепляясь концами к определенным белкам плазмалеммы, выполняют функции нитей натяжения, или стресс-фибрилл, обеспечивая противодействие осмотическому дав­лению, направленному на увеличение объема клетки. При разреза­нии нитей натяжения лазерным лучом происходит набухание (увеличение объема цитоплазмы) клеток, которое может приводить к разрыву плазмалеммы и цитолизу (разрушению клетки).

Аналогичные последствия вызывает внеклеточная гипотониче­ская среда (раствор с низкой концентрацией солей). В этом случае в клетку через плазмалемму начинает поступать большое количество молекул воды, внутриклеточное давление на плазмалемму резко возрастает и стресс-фибриллы не справляются со своей функцией.
В клетках эпителия тонкой кишки пучки актиновых МФ являются скелетной основой микроворсинок, увеличивающих площадь поверхности этих клеток, которые осуществляют пристеночное пищеварение и всасывание его продуктов. МФ таких пучков соединены сшивающими белками (виллин и фимбрин) и с помощью якорного белка соединены с мембранным белком участка плазмалеммы, входящего в состав микроворсинки.

Специализированные рецепторные клетки внутреннего уха, волосковые клетки, вы­полняющие функцию рецепции звуковых сигналов, имеют стереоцилии, содержащие пучок актиновых МФ, соединенный с участками плазмалеммы. С помощью стереоцилий осущест­вляется восприятие звуковых колебаний даже с очень низкой амплитудой (до 1 нм).
Обнаружены химические вещества, влияющие на полимериза­цию МФ. Например, метаболиты некоторых грибов цитохалазины (низкомолекулярные гетероциклические соединения), попав в клет­ку, взаимодействуют с молекулами свободного G-актина. Такой комплекс присоединяется к плюс-концу МФ, блокируя полимеризацию F-актина, что приводит к его деполимеризации (разрушению МФ).

Циклический пептид фаллоидин (токсин гриба бледной поганки), напротив, взаимодействует сразу с F-актином, вызывая его супер­стабилизацию. В результате МФ теряют способность к деполимери­зации, т.е. к перестройке, необходимой в определенных ситуациях.

Известны наследственные болезни, обусловленные дефектами АСБ. К ним относится один из видов миодистрофии (слабости ске­летных мышц) - миодистрофия Дюшена. Причина этой болезни - дефицит или нарушение структуры якорного АСБ, названного дистрафином. К 8—13 годам больные данной миодистрофией теряют способность ходить, а в более позднем возрасте многие из них поги­бают от дыхательной или сердечной недостаточности на фоне респи­раторных инфекционных заболеваний.

Ген, кодирующий структуру этого белка, локализован в X-хромосоме, и так как миодистрофия Дюшена является рецессивным заболеванием, она встречается почти исключительно у мальчиков.

Дистрофии - полипептид, включающий 3685 аминокислотных остатков и формирую­щий 4 домена. Один из доменов имеет структуру, сходную с известным сшивающим АСБ α-актинином. Главной функцией дистрофина является прикрепление актиновых МФ к белкам плазмалеммы. В мышечных клетках этот белок необходим для фиксации миофибрилл (сократительных мышечных фибрилл) к плазмалемме мышечного волокна (сарколем­ме). Дефекты структуры дистрофина вызывают нарушение сократительной функции мышечных клеток, что и приводит к развитию симптомов миодистрофии.
Актиновые МФ в клетке являются не только элементами цитоскелета, но и компонентами одной из универсальных двигательных внутриклеточ­ных систем - актомиозиновой системы_ (АМС). В состав АМС входит также двигательный белок миозин. В настоящее время известны 3 вариан­та этого белка: миозин I(«одноголовый» миозин), миозин II («двухголо­вый» миозин) и миозин V.

Миозин II (М II) представляет собой гетерогексамер, молекулярная масса которого достигает 500 кДа. В молекуле имеется 3 разных цепи (полипептида): тяжелая цепь (ТЦ), легкая структурную цепь (ЛСЦ) и лег­кая регуляторная цепь (ЛРЦ). Таким образом, в молекуле М II присутст­вуют по две одинаковых ТЦ, ЛСЦ и ЛРЦ.

ТЦ (1200 аминокислотных остатков) имеет 2 домена: глобулярный (головку), вклю­чающий чуть больше 800 аминокислотных остатков, и фибриллярный (стержень), длина которого составляет 150 нм, а толщина - 2 нм. Глобулярная ЛСЦ взаимодействует с ТЦ в проксимальной области головки, а ЛРЦ - на границе головки и стержня. Молекулярная масса каждой из ЛЦ составляет около 20 кДа.

При образовании МII три разных полипептида формируют гетеротример с крупной головкой и длинным стержнем. Фибриллярный стер­жень такого тримера является α-спиральным, благодаря чему стержневые участки двух одинаковых тримеров взаимодействуют друг с другом. В результате этого формируется молекула МII, состоящая из двух головок и общего двухспирального стержня.

В жестком стержне МII имеются 2 гибких (шарнирных) участка в середине стержня и на его границе с головкой. Они обеспечивают изме­нение положения головки по отношению к стержню, а также сгибание стержня в его центральном участке.

Главная функция стержня - формирование миозиновых филаментов. В немышечных клетках и клетках гладких мышц образуются тонкие миозиновые филаменты путем взаимодействия двух молекул МII своими дистальными участками стержня по принципу «хвост к хвосту». В ре­зультате этого формируется тонкий миозиновый филамент, на обоих кон­цах которого находятся двойные головки.
В клетках исчерченных мышц (скелетных и сердечной) обнаруживаются более длин­ные толстые миозиновые филаменты. Они состоят из большого количества молекул МII, взаимодействующих друг с другом двумя способами. Первый из них - антипараллельный, характерный для образования и тонких миозиновых филаментов.

При втором способе молекулы МII объединяются параллельно друг другу различными районами дистальной части стержня. В результате таких взаимодействий формируется биполярный толстый миозиновый филамент. В центре филамента расположена зона, не имеющая головок, а на концах - две зоны, на поверхности которых спирально расположены многочисленные (около 500) двойные миозиновые головки.
Функции миозиновых головок обусловлены наличием в каждой из них АТФазного центра и нескольких актинсвязывающих центров. В АТФазном центре осуществляется присоединение и гидролиз АТФ (ATфазная реакция, которая является Мg²⁺-зависимой). В ходе АТФазной реакции происходит изменение конформации головки, в результате чего изменяется ее сродство к F-актину и положение по отношению к стержню.

Находясь в комплексе с АТФ, головка миозина не обладает сродством к F-актину. Гидролиз АТФ приводит к тому, что в АТФазном центре ока­зывается комплекс АДФ-Фн (неорганический фосфат), вызывающий из­менение конформации головки. Новое конформационное состояние головки характеризуется активацией ее актинсвязывающих центров, в результате чего головка взаимодействует с F-актином.

Связывание головки с F-актином, в свою очередь, приводит к даль­нейшему изменению ее конформации и выводу Фн из АТФазного центра. Следствием этого является формирование сильных связей между голов­кой миозина и F-актином, изменяющее положение головки по отношению к стержню миозина (осуществление рабочего хода головки). Таким образом, рабочий ход головки обеспечивает движение молекулы миозина по F-актину.

Новый цикл работы АМС начинается с замены АДФ в головке миозина на молекулу АТФ. Это событие приводит к изменению конформации головки, потере ее связи с F-актином и возвращению в исходное положение по отношению к стержню. В результате головка миозина после гидролиза АТФ получает возможность взаимодействовать с другим участком F-актина и делать очередной шаг по МФ в направлении от ее минус-конца к плюс-концу.

Реально в состав АМС входят не отдельные молекулы МП, а миози-новые филаменты (тонкие или толстые) с головками на обоих концах -бипо:1ярн_ые_миозиновые филаменты. С одной стороны, это дает возмож­ность взаимодействия с двумя (или более) параллельно расположенными МФ. Однако, с другой стороны, головки таких миозиновых филаментов должны «шагать» по МФ в разных направлениях.

В результате этого происходит движение не миозиновых филаментов по МФ, а МФ по отношению к миозиновому филаменту, причем разные МФ перемещаются в противоположных направлениях. Таким образом, мирзиновые филаменты в АМС обеспечивает взаимное скольжение МФ, связанных с головками разных концов миозинового филамента.

Если концы МФ прикреплены к белкам плазмалеммы, работа АМС приводит к их сближению в билипидном слое, что имеет функциональное значение для определенных мембранных белков. Когда мембранные бел­ки или белковые комплексы зафиксированы в плазмалемме достаточно жестко, действие АМС приводит к сокращению клетки, что является важ­нейшей функцией мышечных клеток.

В клетках исчерченной мускулатуры функциональной единицей АМС, обеспечивающей процесс сокращения, является саркомер. Его границы формируются поперечно расположенными белковыми Z-дисками. От каждого из этих дисков навстречу друг другу отходят многочисленные МФ, которые в скелетной мускулатуре прикрепляются к дискам молеку­лами фибриллярного белка небулина, расположенными вдоль МФ.

В клетках сердечной мышцы небулин отсутствует. МФ прикреплены и к сложному гликопротеину плазмалеммы с помощью белка дистрофина. Толстые миозиновые филаменты расположены между МФ и прикреп­ляются одновременно к обоим дискам специальным белком коннексином (титином).

Наследственные дефекты дистрофика приводят развитию миодистрофий - болезней, характеризующихся нарушением сократи­тельной активности скелетных и сердечной мышц. Примером такого заболевания является миодистрофия Дюшена (см. выше). Наследст­венные дефекты небулина также вызывают миодистрофию, но в этом случае нарушаются функции только скелетной мускулатуры.
Пучки актиновых МФ в комплексе с миозиновыми филаментами имеются не только в мышечных клетках. Например, подобный вариант АМС характерен для одного из видов контактов между эпителиальными клетками. Аналогичная АМС необходима для заверше­ния процесса деления клеток у животных - цитотомии (деления цитоплазмы).
Работа АМС в клетке регулируется с помощью ионов Са++, т.е. явля­ется Са-зависимой. В немышечных клетках центральный момент регу­ляции - фосфорилирование и дефосфортирование одной из легких цепей миозина, ЛРЦ.

При низких концентрациях Са++ в гиалоплазме ЛРЦ подавляет активность АТФазного и актинсвязывающих центров головки миозина. Повышение концентрации Са++ (после определенного сигнала, получаемого клеткой) вызывает связывание ионов регулягорным белком кальмодулином, который после этого активирует фермент киназу легкой цепи миози­на. Данная киназа фосфорилирует РЛЦ, вызывая ее инактивацию и снимая ее ингибирующее влияние на активные центры головки миозина. Таким образом, фосфорилирование ЛРЦ индуцирует pa6oiy АМС.

При снижении концентрации Са²⁺ в гиалоплазме механизм фосфорилирования ЛРЦ выключается и начинает работать механизм дефосфорилирования ЛРЦ. Он обусловлен активностью фермента протеинфосфатазы, которая катализирует удаление фосфатных групп, присоединенных к ЛРЦ с помощью киназы легкой цепи миозина.

В результате дефосфорилирования ЛРЦ возвращается к исходной конформации и по­давляет действие активных центров головок миозина - ингибируст работу АМС. Так как данный механизм регуляции обусловлен изменением конформации компонентов миозина, он получил название регуляции миозинового типа.
В клетках исчерченных мышц (скелетных и сердечной) регуляция действия АМС также является Са²⁺зависимой, но осуществляется другим способом.
В состав актиновых МФ саркомеров входят АСБ тропонины (Тн): ТнС (кальцийсвязывающий), ТнI (ингибиторный) и ТнТ (тропомиозинсвязывающий), образующие структурно единые комплексы (по молекуле каждого Тн в комплексе). Тронониновые комплексы с помощью ТнТ взаимодействуют с тропомиозином и располагаются вдоль актиновой МФ через определенные промежутки.

ТнС является Са-связывающим белком (имеет 4 центра, связывающих по иону Са²⁺). Взаимодействуя с ионами сальция, он изменяет свою конформацию и вызывает конформационные изменения ТнI. ТнI связан со всеми компонентами МФ: ТнС, ТнI, тропомиозином и F-актином. Он является ингибитором активности головок миозина, т.е. подавляет работу АМС.

При низкой концентрации ионов Са²⁺ в гиалоплазме реализуется ингибиторная актив­ность ТнI, блокирующая функцию АМС. Повышение концентрации Са²⁺ приводит к связы­ванию этих ионов ТнС, изменению его конформации и, соответственно, конформации ТнI. Конформационное изменение ТнI устраняет его ингибирующее действие на головки миози­на, в результате чего индуцируются их АТФазная и актинсвязывающая функции - происхо­дит активация АМС.

При снижении концентрации Са²⁺ начинается диссоциация ионов кальция и ТнС, вы­зывающая цепь конформаиионных переходов и восстановление ингибирующей активности TнI. Таким образом, этот тип регуляции работы АМС определяется изменениями конфор­мации АСБ, а не головок миозина. Исходя из этого, его обозначают как регуляцию актинового типа.
В клетках гладких мышц Са²⁺-зависимая регуляция функций АМС осуществляется с участием двух дополнительных регуляторных АСБ: кальдесмона и кальпонина.
При низких концентрациях Са в гиалоплазме оба белка связаны с F-актином МФ, блокируя взаимодействие миозиновых головок с МФ и их АТФазную активность. При повышении концентрации Са²⁺ ионы связываются белком кальмодулином, который активи­рует 2 разных фермента с функциями протеинкиназ. Одна из протеинкиназ катализирует фосфорилирование и кальдесмона, и кальпонина, вызывая инактивацию этих регуляторных белков и снимая блок взаимодействия миозиновых головок с МФ.

Другая протеинкиназа (киназа легкой цепи миозина) обеспечивает фосфорилирование ЛРЦ, активируя АТФазную и актинсвязывающую функции головок миозина (что происхо­ди! и в немышечных клетках). В результате Са-зависимая инактивация АСБ (кальдесмона и кальпонина) и активация головок миозина приводит к индукции функционирования АМС в гладкомышечных клетках. Данный способ регуляции можно обозначить как регуляцию актин-миозинового типа.
Миозин I (MI) обнаружен сравнительно недавно, и его функции в клетке изучены недостаточно. С помощью молекул MI осуществляется прикрепление пучка актиновых МФ к плазмалемме в микроворсинках клеток эпителия тонкой кишки. Не исключено, что молекулы MI, прояв­ляя АТФазную активность, могут изменять высоту микроворсинок - пе­ремещать пучок МФ в вертикальном направлении.

MI принимает участие в "распластывании" внутриклеточных мем­бранных структур. В частности, являясь мембранным компонентом цис­терн комплекса Гольджи, молекулы одноголового миозина взаимодействуют с МФ. Так как эти МФ расположены между цистернами, такое взамодействие делает их улучщенными и объединяет соседние цис­терны в единый мембранный комплекс.

Очевидно, MI способен встраиваться в мембраны цитоплазматических пузырьков. В таком случае АТФазная активность головки позволяет обеспечивать движение мембранных пузырьков вдоль актиновых МФ.
MI является белком, состоящим из разных полипептидов - одной тяжелой цепи (ТЦ) и одной-трех легких кальмодулиновых цепей. ТЦ формирует 2 домена: глобулярный (голов­ку) и короткий фибриллярный (стержень). В головке MI, как и МII, имеются АТФазный центр и актинсвязывающие центры, благодаря чему MI может связываться с актиновыми МФ и двигаться по ним.

Стержень MI является намного более коротким, чем стержень МII, поэтому молекулы миозина I не взаимодействуют друг с другом и не формируют двухголовых молекул, как МII. Однако стержень MI имеет участок связывания с определенными компонентами мем­бран, в том числе и плазмалеммы. С этой точки зрения, MI можно называть мембранным миозином.

Активность MI, как и МII, регулируется клеткой. Одним из известных механизмов ре­гуляции является фосфорилирование-дефосфорилирование головки, т.е. регуляция миози­нового типа. Однако в этом случае функционирует особая протеинкиназа - киназа ТЦ MI, которая неактивна в отношении ТЦ МII. Наличие в структуре MI легких кальмодулиновых цепей указывает на возможное участие в регуляции ионов Са²⁺.
Миозин V (MV) представляет собой разновидность двухголового миозина, неспособного формировать миозиновые филаменты (ни тонкие, ни толстые). Концом своего стержня он прикрепляется к внутриклеточ­ным мембранным пузырькам и, благодаря АТФазной активности головок, обеспечивает движение пузырьков вдоль актиновых фибрилл. В частно­сти, таким способом происходит транспорт мембранных пузырьков с нейромедиаторами к пресинаптической мембране окончаний аксонов нейронов (по самому аксону пузырьки двигаются другим способом).
Молекула MV состоит из двух идентичных тяжелых цепей, каждая из которых форми­рует головку с АТФазным центром и стержень. Первичная структура стержней такова, что они взаимодействуют друг с другом только районами, прилегающими к головке. В резуль­тате дистальный конец молекулы оказывается раздвоенным, V-образным, что и отражено в названии этого варианта двухголового миозина. В состав MV входят и несколько легких кальмодулиновых цепей, что указывает на Са²⁺-зависимую регуляцию активности данного вида миозина.
Скелетные фибриллы (СФ), или промежуточные филаменты, яв­ляются универсальным элементом COCA эукариотических клеток и пред­ставляют собой белковые нити диаметром около 10 нм. СФ характеризуются высокой устойчивостью к действию физических и хими­ческих факторов, благодаря чему они играют важнейшую роль в цитоскелета (исходно термин "цитоскелета" использовался только для системы СФ).

Особенно много СФ встречается там, где необходимо поддерживать определенную форму клетки (эпителиальные клетки, аксоны нейронов) или противодействовать механическим нагрузкам (в зонах механических контактов между клетками). СФ в клетке являются компонентами не только ПА, но также цитоплазмы и ядра, формируя единую систему ци­тоскелета.

Структурную основу СФ составляют фибриллярные белки, называе­мые белками СФ. Эти белки способны к полимеризации, в результате которого и образуются СФ. В различных типах клеток обнаруживаются разные белки СФ, которые в настоящее время подразделяют на 4 типа.