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: 6 из 18

Тип__1_белков_СФ представлен разнообразными кератинами (основными, нейтраль­ными и кислыми). Кератины являются полиморфной группой, характерной для клеток эпителиев и их производных. В частности, в клетках эпителиев человека уже обнаружено 19 различных форм кератинов, а еще 8 - в волосах и ногтях.

Тип II белков СФ включает 3 вида белков: десмин, виментин и глиальный фибрилярный кислый белок. Десмин характерен для всех мышечных клеток. Виментин широко представлен в разных клетках, имеющих мезенхимное происхождение, например, лейкоци­тах, гепатоцитах (клетках печени), фибробластах (клетках соединительной ткани) и эндотелиоцитах (клетках эпителия кровеносных сосудов). Глиальный фибриллярный кислый белок обнаруживается в особых клетках нервной ткани - астроцитах и шванновских клет­ках.

Тип III белков_СФ представлен группой белков, характерных для нейронов, в кото­рых они образуют нейрофибриллы, или нейрофиламенты. Нейрофибриллы являются важ­нейшим компонентом цитоскелета в нервных отростках (аксонах и дендритах) и включают 3 вида белков СФ: NF-1, NF-2 и NF-3.

Тип IV белков СФ включает ядерные белки ламины, формирующие кариоскелет (ске­лет ядра), определяющий форму ядра у человека и других млекопитающих обнаружены 3 вида ламинов: ламин А, ламин В и ламии С.
Белки СФ всех типов представляют собой гомотетрамеры, т.е. со­стоят из четырех идентичных полипептидов (протомеров). Исключение составляют ламины, являющиеся гомодимерами. Разные белки СФ имеют очень сходную третичную и четвертичную структуру.
Протомеры белков СФ содержат до 700 аминокислотных остатков и различаются по своей первичной структуре (последовательности аминокислот). Тем не менее, вторичная и третичная структуры протомеров белков СФ всех типов очень сходны - протомеры форми­руют 3 домена. Центральный домен представлен двумя длинными альфа-спиральными участка­ми, разделенными коротким, не имеющим альфа-спиральной структуры.

Этот домен включает около 310 аминокислотных остатков, имеет размеры порядка 44 нм и является гомологичным для протомеров всех типов СФ. По обеим сторонам централь­ного домена расположены концевые домены, имеющие глобулярную форму и размеры 1-3 нм. Концевые домены одного протомера отличаются друг от друга по своей структуре, как и аналогичные концевые домены протомеров разных белков СФ

Формирование белка СФ из протомеров начинается с образования гомодимеров путем параллельного взаимодействия альфа-спиральных участков их центральных доменов. После этого происходит антипараллельное объединение двух гомодимеров, в результате чего формируется белок СФ, имеющий длину около 50 нм и толщину порядка 3 нм.
Собственно СФ образуется путем полимеризации соответствующих тетрамерных белков СФ, которые имеют центры взаимодействия друг с другом. Тетрамеры могут полимеризоваться двумя вариантами, так как каждый белок СФ способен взаимодействовать своим глобулярным кон­цевым доменом как с глобулярным доменом другой молекулы (по типу «голова к хвосту»), так и с центром фибриллярного домена другого тетрамера. В результате этих взаимодействий формируется СФ диаметром около 10 нм, состоящая из 8 длинных протофиламентов, объединенных друг с другом по принципу «кирпичной кладки».
Такой характер сборки СФ определяет их высокую устойчивость к физическим воздей­ствиям. Если в клетке синтезируются разные белки СФ, они принимают участие в образо­вании гибридной СФ. Например, в эпителиальных клетках одна и та же СФ может содержать различные виды кератинов (белков СФ типа I).

Условия полимеризации белков СФ изучены недостаточно: не исключено, что в клетке происходит самопроизвольная сборка этих элементов цитоскелета. Они могут фосфорили-роваться специальной протеинкиназой, что вызывает деполимеризацию СФ. Если сущест­вуют протеинкиназы, способные фосфорилировать отдельные белки СФ, это может быть механизмом контроля и процесса полимеризации. В таком случае дефосфорилирование белков служило бы условием (пусковым сигналом) их полимеризации.
СФ способны взаимодействовать с определенными белками. Форми­ровании механических контактов между клетками сопровождается ассо­циацией СФ с плакоглобином и десмоплакинами. Белок филаггрин может связываться со СФ, в результате чего образуются пучки СФ. В ядре СФ могут взаимодействовать с рецептором ламина В.

Учитывая свойства и роль СФ, важным параметром нормальной жизнедеятельности клетки является их количество. Например, уве­личение числа СФ должно приводить к нарушениям клеточных функций, что подтверждается существованием наследственных бо­лезней, обусловленных подобными изменениями.

Такие аномалии выявлены в клетках миокарда (сердечной мышцы), что является причиной кардиомиопатий (нарушений работы клеток сердечной мышцы), в аксонах двигательных нейронов, что вызывает миодистрофии (слабость скелетных мышц), в нейронах головного мозга, что вызывает определенные формы старческого слабоумия.

Наследственный дефект кератина14 (отсутствие концевых доме­нов этого белка) приводит к внутриутробной гибели плода. В данном случае измененный кератин14 взаимодействует с нормальным кера­тином4, что блокирует сборку определенных СФ и вызывает от­слоение эпидермиса (эпителия кожи) от дермы (соединительнотканного компонента кожи).

Увеличение числа СФ в клетке могут вызывать и некоторые хи­мические вещества, в частности, этанол при неумеренном и дли­тельном употреблении. В результате у хронических алкоголиков обнаруживается избыток СФ в эпителиальных клетках и, особенно, клетках печени.

Исходя из этого, число СФ в гепатоцитах используют для под­тверждения диагноза хронического алкоголизма. Очевидно, анало­гичные последствия этанол вызывает и в нейронах головного мозга, что может быть одной из причин психической деградации хрониче­ских алкоголиков.

Тот факт, что в клетках разных типов синтезируются различные белки СФ, нашел применение в диагностике метастазов (вторичных опухолей). Если в клетках опухоли тип СФ соответствует таковому клеток ткани, в которой она выявлена, это свилетельствует о том, что данная опухоль первичная (образовалась из клеток этой ткани).

Если такого соответствия не наблюдается, есть все основания считать опухоль вторичной, т.е. метастазом. В этой ситуации необ­ходимо проводить поиск метастазирующей опухоли, в чем помогает знание качественного состава СФ других тканей - СФ метастаза должны соответствовать СФ ткани (органа), где локализована пер­вичная опухоль.

Таким образом, СФ являются важнейшим и универсальным элемен­том цитоскелета, хотя в некоторых специализированных клетках они отсутствуют (определенные клетки нейроглии). СФ способны взаимодействовать друг с другом, МФ и микротрубочками, формируя сложные структуры. Кроме того, СФ связываются со специфическими белками плазмалеммы, т.е. входят в единую систему ПА клетки.

Микротрубочки (МТ) - еще один из элементов COCA, представлен­ный практически во всех эукариотических клетках. МТ, в отличие от СФ и МФ, являются полыми белковыми структурами диаметром 22-25 нм и толщиной стенки около 6 нм. Сборка МТ происходит путем полимеризациии белков тубулинов, в результате чего длина МТ может достигать не­скольких десятков мкм. В клетках МТ выполняют 2 важных функции: входят в состав цитоскелета (опорная функция) и одной из двигательных систем клетки- тубулин-транслокационной системы.

Структурную основу МТ составляют белки тубулины. Кроме того, в МТ обнаруживаются и другие белки, объединяемые термином «ассоции­рованные с микротрубочками белки», или MAPs(от англ, microtubule-associated proteins). Их доля в составе МТ может достигать 20% всех бел­ковых компонентов.

Тубулины - это мономерные глобулярные белки, содержащие около 450 аминокислот­ных остатков. Их размеры составляют около 6 нм. Известны 3 вида тубулинов: α-тубулин, β-тубулин и γ-тубулин, причем для α- и β-тубулинов существуют структурные варианты (изоформы). Виды тубулинов кодируются отдельными генами, число которых может дости­гать 20 для каждого.

Основная масса клеточных тубулинов (99%) представлена α- и (β-тубулинами в эквимолярном соотношении. Именно эти тубулины являют­ся компонентами МТ. Минорная фракция тубулинов (1%), γ-тубулин, в МТ не обнаруживается; практически весь он локализован в клеточном центре, или центросоме. Считается, что γ-тубулин необходим для ини­циации сборки_МТ.

Тубулины являются гуанилатсвязывающими белками, т.е. имеют центр взаимодействия с молекулой ГТФ и Mg²⁺. Комплекс ГТФ-Mg²⁺ необходим для активации этих белков - приобретения ими способности к полимеризации. В этом отношении тубулины проявляют сходство с G-актинами. После активации α- и β-тубулины образуют стабильные гетеродимеры, состоящие из одной молекулы а-тубулина и одной молекулы р-тубулина, каждая из которых связана с комплексом ГТФ-Mg²⁺. Форми­рование гетеродимера сопровождается гидролизом ГТФ, который осуще­ствляется β-тубулином (α-тубулин не обладает ГТФазной активностью.

Процесс сборки МТ начинается в определенных цитоплазматических структурах, которые получили название центры организации МТ (ЦОМТ). Универсальным ЦОМТ является центросома, содержащая у-тубулин. Вероятно, γ-тубулин играет роль своеобразной затравки, необ­ходимой для начала полимеризации гетеродимеров тубулина. В инициа­ции полимеризации МТ участвует еще один белок - перицентрии.

Особенности сборки МТ определяются тем, что α- и β-тубулины ди­меров способны к гетерофильным взаимодействиям, т.е. α-тубулин од­ного димера имеет центры связывания с β-тубулинами трех других димеров и, наоборот, β-тубулин одного димера способен связываться с α-тубулинами грех других димеров. Центры гетерофильного взаимодейст­вия расположены в тубулинах таким образом, что полимеризация димеров идет в двух направлениях.
Во-первых, димеры связываются друг с другом тандемно, в результате чего образуются тубулиновые протофиламенты - нити, состоящие из последовательно расположенных гетеродимеров. Такая полимеризация обеспечивает рост МТ в длину. Во-вторых, как α-, так и β-тубулины разных димеров взаимодействуют друг с другом латерально (боковыми цен­трами), благодаря чему происходит рост будущей МТ в ширину. При этом латеральная полимеризация происходит таким образом, что завершается формированием кольцевидной структуры, по окружности которой расположены 13 связанных друг с другом гетеродиме­ров.
Полимеризация гетеродимеров приводит к формированию короткой МТ, состоящей из 13 тубулиновых протофиламентов. Она удлиняется путем присоединения новых гетеродимеров к концам. Такой характер полимеризации выражается в том, что α- и β-тубулины МТ оказываются расположенными в «шахматном» порядке, а каждый вид тубулинов - по спирали.

Удлинение МТ при достаточном количестве свободных гетеродиме­ров осуществляется на обоих концах, как и в случае актиновых МФ. На одном из них полимеризация идет с большей скоростью, чем на другом, поэтому разные концы МТ обозначают как плюс-конец (быстро растущий) и минус-конец (медленно растущий). При дефиците свободных активиро­ванных димеров на минус-конце наблюдается деполимеризация (укороче­ние) МТ.
Деполимеризация может происходить и на плюс-конце МТ. Это обусловлено спонтан­ным гидролизом молекул ГТФ в α-тубулине димера. Димеры с ГТФ характеризуются боль­шей скоростью ассоциации, чем диссоциации, тогда как димеры с ГДФ, напротив, более склонны к диссоциации, чем к ассоциации. Благодаря этому, если на плюс-конце происхо­дит спонтанный гидролиз ГТФ, МТ начинает деполимеризоваться и на этом конце. Когда процесс сборки МТ не регулируется клеткой, МТ быстро деполимеризуется.
Регуляция формирования МТ осуществляется несколькими способа­ми. Процесс сборки МТ в клетке происходит таким образом, что их ми­нус-концы зафиксированы в ЦОМТ. Благодаря этому деполимеризация на минус-конце фактически заблокирована и изменение длины МТ является результатом процессов, происходящих на плюс-конце.
Вероятный механизм регуляции сборки МТ - химическая модификация α-тубулина, катализируемая специальными ферментами. В частности, тубулин-ацетилтрансфераза обеспечивает ацетилирование α-тубулина по лизиновому остатку после того, как димер включился в МТ. Такая модификация снижает вероятность деполимеризации, т.е. способст­вует росту МТ на плюс-конце. Ацетилированные димеры, вышедшие из состава МТ, дезацетилируются с помощью тубулиндезацетияазы.

Тубулиндетирозилаза катализирует удаление концевого остатка тирозина в α-тубулине после включения димера в МТ. Эта модификация также препятствует деполимеризации. Детирозилированные свободные молекулы тубулина вновь тирозилируются под контролем фермента тубулин-тирозинлигазы.

В комплексе с МТ обнаруживается нуклеозиддифосфаткиназа, с помощью которой фосфорилирустся ГДФ - образуется ГТФ. Не исключено, что этот фермент используется клеткой как противовес спонтанному гидролизу ГТФ в МТ, т.е. для предотвращения депо­лимеризации МТ.
Деполимеризация МТ в клетке может усиливаться при повышении концентрации Са в гиалоплазме. Ионы Са-связываются белком кальмодулином, который активируется ими и стимулирует процесс деполиме­ризации МТ. Очевидно, повышение концентрации Са⁺² является основным клеточным механизмом индуцируемой разборки МТ.

В МТ обнаруживаются и нетубулиновые, высокомолекулярные и низ­комолекулярные, ассоциированные с МТ белки (АМБ): MAP1 (А и В), МАР2 (А, В и С), MAPU, МАРτ (тау-белок), STOP, синапсин 1 и др. Для ряда АМБ известно, что их взаимодействие с МТ регулируется путем фосфорилирования протеинкиназами - чем больше степень фосфорилирования АМБ, тем прочнее их ассоциация с МТ. Взаимодействуя с МТ, АМБ могут выполнять регуляторные и структурные функции.

Регуляторные функции АМБ проявляются в стимуляции роста МТ, что достигается подавлением ими процесса деполимеризации. С этой точки зрения, регуляторными АМБ можно считать и ферменты, регули­рующие полимеризацию: тубулин-ацетилтрансферазу, тубулин-детирозиназу и нуклеозиддифосфаткиназу.

Среди АМБ обнаружены кэп-белки, взаимодействующие с концами МТ, в результате чего происходит стабилизация длины МТ. С помощью кэп-белков МТ способны взаимодействовать с мембранными белками, включая и белки плазмалеммы. Некоторые АМБ (например, STOP) сни­жают чувствительность МТ к деполимеризующему действию физических (пониженная температура) и химических (ионы Са²⁺ и др.) факторов. Структурные функции АМБ проявляются в том, что они участвуют в формировании пучков МТ или комплексов МТ с другими элементами ПА клетки: СФ, МФ и мембранными белками.
Особые АМБ обеспечивают образование специализированных структур, состоящих из МТ. К ним относятся дублеты и триплеты МТ. В состав дублета входит одна «полная» МТ, включающая 13 тубулиновых протофиламентов (МТ-А), и одна «неполная», содержа­щая 10 тубулиновых протофиламентов (МТ-В). С помощью определенных АМБ МТ-В присоединяется к МТ-А таким образом, что обе они формируют единый комплекс с общими тубулиновыми протофиламентами.

В триплет МТ, кроме МТ-А и МТ-В, характерных для дублета, входит еще одна «не­полная» МТ, содержащая 10 тубулиновых протофиламентов - МТ-С. Она присоединяется к МТ-В таким же способом, как МТ-В к МТ-А (латерально по всей длине). Эти комплексы МТ входят в состав ресничек и жгутиков (дублеты) или центриолей (триплеты).
Одной из универсальных клеточных функций МТ является опорная - они представляют собой элемент цитоскелета, определяя форму клеток и других мембранных структур. В частности, кольцевой пучок МТ служит главным элементом скелета тромбоцитов, придающим этим элементам крови дисковидную форму. В фибробластах (клетках рыхлой соедини­тельной ткани) и эпителиальных клетках МТ, взаимодействуя с белками плазмалеммы, обеспечивают их асимметричную форму (поляризацию).

Другая функция МТ заключается в том, что они представляют собой компоненты еще одной универсальной двигательной системы клетки – тубулин-транслокаторной системы ТТС). Собственно двигательную роль в ТТС играют белки-транслокаторы, которые рассматриваются как особая группа АМБ - двигательные АМБ.

Транслокаторы структурно и функционально аналогичны миозинам (двигательным белкам актомиозиновой системы). Они имеют глобуляр­ные моторные домены (головки), способные присоединять и расщеплять нуклеозидтрифосфаты (АТФ, ГТФ и др.). Присоединение и гидролиз соответствующих трифосфатов приводит к изменению конформации го­ловок и характера их взаимодействия с МТ.

Благодаря этому молекулы транслокатора способны перемещаться вдоль МТ, используя энергию трифосфатов. Другим доменом (стержнем) транслокаторы способны взаимодействовать с определенными мембран­ными белками или структурными АМБ. В настоящее время выявлено несколько групп транслокаторов: кинезины, динеины и динамины.

Кинезины, благодаря нуклеозидтрифосфатазной активности мотор­ного домена, перемещаются по МТ только в одном направлении: от ми­нус-конца к плюс-концу. Взаимодействуя (мембранными пузырьками, кинезины обеспечивают их антероградный транспорт (от центра клетки к ПА клетки).
Кинезины представляют собой гетеротетрамеры, состоящие из двух тяжелых (120 кДа) и двух легких (62 кДа) цепей, которые формируют молекулу длиной 90 нм с двумя головками (моторными доменами) на одном конце. На другом конце молекулы имеется веерообраз­ный стержень, с помощью которого кинезины способны взаимодействовать с белками стенок мембранных пузырьков.

Наибольшее содержание кинезинов характерно для нейронов, где они обеспечивают транспорт мембранных пузырьков с нейромедиаторами от тела нейрона по аксону к преси-наптической мембране. С помощью кинезина осуществляется антероградный транспорт и других мембранных внутриклеточных пузырьков, например, меланосом (пигментных гра­нул) в пигментных клетках и лизосом во всех клетках.

Данная ТТС способна функционировать путем гидролиза любых рибонуклеозидтри-фосфатов. Однако максимальная скорость антероградного транспорта наблюдается при использовании АТФ и снижается в ряду АТФ>ГТФ>ТТФ>УТФ>ЦТФ