Связанные с микротрубочками белки

Название	Функция
БАМ-1 (350 кД) БАМ-2 (270 кД)	стимулируют полимеризацию
t-белки (55-70 кД)	сшивают микротрубочки боковыми сторонами
динеин (> 400 кД) кинезин (300 кД)	обеспечивают передвижение миротрубочек с затратой энергии АТФ
нексин	образует мостики между парами микротрубочек

Подобными же свойствами обладают и t-белки. Механохимический белок динеин обеспечивает колебания ресничек с затратой энергии АТФ, функционируя аналогично миозину у микрофиламентов. Сходный с ним белок кинезин (молекулярный вес 300 кД) участвует в передвижении содержащих медиаторы везикул по аксону нейрона. Процессами сборки и разборки микротрубочек управляют протеинкиназы.

В отличие от микрофиламентов микротрубочки не образуют гель. БАМ и другие тубулин-связанные белки только стабилизируют микротрубочки и сшивают их между собой, а также присоединяют микротрубочки к мембранам и промежуточным филаментам.

Ряд веществ, в том числе колхицин (алкалоид из безвременника осеннего), колцемид и нокодозол, подавляют полимеризацию тубулинов, что приводит к обратимой диссоциации микротрубочек. Свойство колхицина и его аналогов разрушать состоящее из микротрубочек веретено деления используется для получения полиплоидных клеток.

Универсальной структурой, организующей систему микротрубочек в клетках животных, является клеточный центр (центросома). Он локализиется около пластинчатого комплекса у клеточного ядра и состоит из двух центриолей и центросферы.

Центриоль представляет собой полый цилиндр шириной 150 нм и длиной до 500 нм. Стенка центриоли состоит из девяти триплетов микротрубочек. Первая микротрубочка каждого триплета (A-микротрубочка) имеет по окружности 13 молекул тубулина диаметром 5 нм каждая, а примыкающие к ним вплотную B-микрорубочка и C-микротрубочка – по 11 молекул. Триплеты расположены равномерно по периметру центриоли и повернуты на угол 40^O относительно радиуса. От A-микротрубочки отходят две “ручки” – боковые выросты, образованные БАМ. Один из них направлен к микротрубочке C соседнего триплета, а второй – к центру. Триплеты погружены в аморфную муфту, или оправу.

В клеточном центре обе центриоли располагаются строго перпендикулярно друг к другу, образуя диплосому. Центриоли диплосомы не одинаковы. Одна из них, материнская, на дистальном конце имеет выросты - “ шпоры”. Проксимальный конец дочерней центриоли, который приближен к поверхности материнской, содержит “ втулку ” диаметром 25 нм и 9 “ спиц ”, направленных к микротрубочкам А.

Окружающая диплосому центросфера состоит из радиально отходящих от центриолей микротрубочек. Они не имеют непосредственного контакта с центриолями, но связаны с муфтой или сателлитами. Последние располагаются на триплетах материнской центриоли и состоят из конусовидных ножек и округлых головок. Вокруг диплосомы могут также находиться фокусы схождения микротрубочек - плотные тельца диаметром 20-40 нм, к которым прикреплены одна или несколько микротрубочек.

Клеточный центр отсутствует в клетках высших растений, некоторых грибов и простейших. В делящихся клетках клеточный центр участвует в формировании веретена деления. В неделящихся клетках клеточный центр может превращаться в базальное тельце специализированных органоидов движения - ресничек и жгутиков.

Реснички и жгутики устроены однотипно и представляют собой выросты плазмолеммы диаметром 300 нм. Центральную часть этого выроста занимает состоящая из микротрубочек осевая структура - аксонема, прикрепленная к расположенному в цитоплазме базальному тельцу. Диаметр аксонемы и базального тельца составляет 200 нм. Стенка аксонемы состоит из девяти дублетов микротрубочек, а ее центральную часть занимают еще две свободные микротрубочки. A-микротрубочка дублета содержит по окружности 13,. а примыкающая к ней B-микротрубочка – 11 молекул тубулина. A-микротрубочка имеет три отростка: две ручки, направленные к B-микротрубочке соседнего дублета, и спицу, которая отходит в радиальном направлении. Спица заканчивается головкой, присоединенной к центральной муфте диаметром около 70 нм, которая окружает две свободные микротрубочки, отстоящие друг от друга на 25 нм. Оси дублетов наклонены под углом 10^O к радиусу аксонемы. В отличие от аксонемы базальное тельце имеет структуру как у центриоли. В месте перехода аксонемы в базальное тельце расположена поперечная пластинка из аморфного вещества.

Волнообразные движения ресничек и жгутиков обеспечиваются белком динеином, который образует ручки дублетов. Динеин обладает АТФ-азной активностью, он образован 12 полипептидами молекулярной массой от 85 до 400 кД. При его взаимодействии с микротрубочками происходит продольное скольжение дублетов друг относительно друга, что приводит к изгибанию реснички.

Промежуточные филаменты

Промежуточные филаменты названы так потому, что их диаметр составляет около 10 нм, что является промежуточной величиной между диаметром микрофиламентов (6 нм) и микротрубочек (25 нм). В отличие от микрофиламентов и микротрубочек они являются не молекулярными полимерами, а поликонденсатами фибриллярных мономеров. Промежуточные филаменты обнаружены во всех клетках животных, но особенно много их в покровном эпителии, нервной и мышечных тканях.

В центральной части молекулы белков промежуточных филаментов содержится одинаковая аминокислотная последовательность из 130 остатков, формирующая a-спираль. Тем не менее, эти белки обладают выраженной тканевой специфичностью, которая определяется концевыми участками их молекул. Сборка филаментов происходит путем упорядоченной конденсации a-спиральных структур.

Белки промежуточных филаментов принадлежат к одной из четырех различных групп – кератинам, белкам мезенхимных клеток, белкам нейрофибрилл и ламинам.

Кератины представляют собой семейство фибриллярных белков с молекулярной массой 40–70 кД, специфичных для эпителиальных клеток. Отдельные белки, которых в семействе около тридцати, лишь незначительно отличаются по аминокислотной последовательности, но их комплексы могут формировать различные супрамолекулярные структуры, которые придают эпителиальным клеткам различные физико-химические свойства. В частности, именно кератины обеспечивают механические свойства волос, ногтей, перьев и других производных эпидермиса у позвоночных животных.

Белки промежуточных филаментов клеток мезенхимального происхождения представлены виментином клеток соединительной ткани, эндотелия сосудов и крови, десмином (скелетином) мышечных тканей и глиальным кислым фибриллярным белком астроцитов и других клеток нейроглии. Эти белки имеют молекулярную массу 53-58 кД и формируют в клетках опорные структуры. В частности, десмин входит в состав Z-пластинок, к которым прикреплены актиновые нити в сократительных органоидах мышечных волокон – миофибриллах.

К белкам нейрофиламентов относятся три полипептида с молекулярной массой 68, 145 и 220 кД. Они вместе с микротрубочками входят в состав характерных для нервных клеток структур – нейрофибрилл, которые участвуют в формировании системы внутриклеточного транспорта в теле нейрона и его отростках.

Промежуточные филаменты цитоплазмы локализуются в основном вокруг клеточного ядра, а также образуют пучки, идущие от ядра на периферию клетки. Распределение промежуточных филаментов в клетке в значительной степени совпадает с распределением микротрубочек, что отражает их совместное участие во внутриклеточных транспортных системах.

В отличие цитоплазматических белков, образующих фибриллы, локализованные в клеточном ядре ламины A, B и C (молекулярная масса 60-70 кД) собраны в прямоугольные решетки. Сформированный ими остов, или ядерный матрикс, контактирует с внутренней мембраной нуклеолеммы, обеспечивая поддержание размеров и формы клеточного ядра. Ядерный матрикс из ламинов служит также опорной структурой для хромосом. При митозе или мейозе ламины фосфорилируются киназами клеточного деления, что приводит к их деполимеризации и распаду нуклеолеммы на отдельные рассеянные по цитоплазме пузырьки. В конце деления активируются фосфатазы, обеспечивающие полимеризацию ламинов и восстановление ядерного матрикса и нуклеолеммы.

Микротрабекулярная сеть

Микротрабекулярная сеть состоит из фибрилл, которые прикреплены к уплотнениям на различных органоидах клетки. В отличие от других компонентов цитоскелета они гетерогенны, различаясь между собой как по диаметру, так и по длине. Микротрабекуы состоят из специфических белков. Один из таких белков, спазмин, был выделен из клеток простейших, где он участвует в изменении формы клетки в зависимости от концентрации кальция. Впоследствии спазмин обнаружили также в клетках млекопитающих вблизи клеточного центра.

 

 

Митохондрии и пластиды

Митохондрии и пластиды в отличие от других цитоплазматических органоидов эукариотической клетки имеют две мембраны, ДНК и белоксинтезирующую систему. В митохондриях происходит синтез АТФ, тогда как основная форма пластид – хлоропласты - обеспечивает фотосинтез.

Митохондрии

Этот органоид был впервые обнаружен в мышцах насекомых Р. Келликером еще в 1850 г. Однако вплоть до 90 гг. XIX в. саркосомы (как тогда называли митохондрии) считали органоидом, характерным только для мышечной ткани. В 1890 г. Р. Альтманн подробно исследовал этот органоид под именем “биобласт” в различных клетках, используя специфический для него краситель фуксин. В 1898 г. К. Бенда, изучая сперматогенез, обнаружил в клетках окрашивающиеся кристаллическим фиолетовым нити, которые он назвал митохондриями (от греч. mitos – нить).

Наблюдавшаяся Р. Альтманном автономность митохондрий и их способность к делению, а также открытое в начале XX в. явление цитоплазматической наследственности дали основание считать, что этот органоид способен к самовоспроизведению и содержит цитоплазматические гены. Синтез АТФ в мышцах был обнаружен русским ученым В.А. Энгельгардтом в 1930 г. То, что образование основного количества АТФ происходит именно в митохондриях, было окончательно доказано в 1949 г. А. Ленинджером.

Митохондрии присутствуют в клетках у всех эукариот. Они отличаются значительной вариабельностью размеров, формы и количества в клетке. В соматических клетках млекопитающих число митохондрий может достигать нескольких сотен, их размеры варьируют от 1 до 10 мкм.

Митохондрии располагаются в клетке в тех местах, где расходуется много энергии. Например, в сперматозоидах они выстраиваются вдоль жгутика, в мышечных волокнах локализуются рядом с миофибриллами, в эпителии почечных канальцев концентрируются в базальной части клеток у плазмолеммы, где интенсивно работают мембранные насосы.

Ультраструктура митохондрий

Несмотря на большую изменчивость размеров и формы тонкая структура митохондрий однотипна у всех организмов. Они состоят из наружной и внутренней мембран толщиной по 7 нм, межмембранного пространства шириной 10-20 нм и митохондриального матрикса (митоплазмы).

Наружная и внутренняя мембраны митохондрий значительно различаются по физическим свойствам. При изменении осмотического давления наружная мембрана способна только расширяться, в то время как внутренняя мембрана может и расширяться, и сжиматься. Наружная мембрана отличается также неспецифической проницаемостью, тогда как внутренняя специфична в отношении активного транспорта веществ. Наружная мембрана митохондрий обладает большим сходством с мембранами плазматической сети.

Мембраны митохондрии отличаются и по химическому составу. В наружной мембране содержится менее 20 % белка, а во внутренней его около 75 %. Содержание белка во внутренней мембране столь высоко, что в ней местами нарушается типичное для биомембран взаимное расположение липидов и белков, причем липиды не образуют бимолекулярного слоя, локализуясь на поверхности. Липиды внутренней мембраны отличаются высоким содержанием насыщенных жирных кислот и холестерола.

Внутренняя мембрана митохондрий способна формировать многочисленные инвагинации внутрь матрикса – кристы. Ориентация крист по отношению к центральной оси митохондрии может быть различной. Наиболее часто встречается поперечная ориентация крист. Она характерна, например, для клеток печени и почек. В клетках сердечной мышцы, однако, кристы ориентированы вдоль оси митохондрий. В некоторых клетках кристы могут располагаться без определенной ориентации, их концы могут формировать дополнительные выросты. Мелкие митохондрии имеют шаровидную форму, их немногочисленные кристы ориентированы радиально.

На внутренней поверхности внутренней мембраны митохондрии обнаруживаются многочисленные грибовидные тельца. Они имеют головку диаметром 8 нм и прикреплены к мембране ножкой. Грибовидные тельца равномерно покрывают поверхность крист, причем расстояние между соседними структурами составляет около 10 нм. Головки грибовидных телец состоят из 5 различных белковых субъединиц и проявляют АТФ-азную активность. Ножка грибовидных телец является встроенным в мембрану протонным каналом. Полный супрамолекулярный комплекс грибовидных телец, включающий как головку, так и ножку, обладает АТФ-синтетазной активностью. Развитие системы крист приводит к увеличению поверхности внутренней митохондриальной мембраны, росту числа грибовидных телец и усилению энергетической функции митохондрии.

Матрикс митохондрий на малом увеличении электронного микроскопа (до 10 000х) выглядит однородным. При большем увеличении в нем обнаруживаются фибриллы диаметром около 2 нм, мелкие гранулы величиной 15-20 нм и более крупные гранулы величиной 20-40 нм. Фибриллы матрикса идентифицированы как молекулы митохондриальной ДНК. Мелкие гранулы представляют собой митохондриальные рибосомы. У млекопитающих они относятся к 55S-рибосомам (минирибосомам). Крупные гранулы состоят из отложений солей кальция и магния.

Функции митохондрий

Основной функцией митохондрий является окислительное фосфорилирование - запасание энергии, которая выделяется при окислении органического субстрата, в макроэргические связи молекул АТФ.

Начальные этапы получения энергии клеткой происходят в гиалоплазме без участия кислорода в ходе частичного расщепления углеводов – гликолиза. В результате гликолиза молекула глюкозы распадается до триоз с выделением 2 молекул АТФ. Если в клетке отсутствуют митохондрии (как, например, на ранних стадиях эмбриогенеза), она получает всю необходимую ей энергию путем гликолиза.

Образующаяся в ходе гликолиза пировиноградная кислота поступает в митохондрии, где под воздействием кислорода подвергается полному расщеплению с выделением углекислого газа, воды и 36 молекул АТФ. Энергетическая эффективность гликолиза и окислительного фосфорилирования примерно равна, составляя около 40 %.

Высокий энергетический выход окислительного фосфорилирования объясняется тем, что полное окисление субстрата в митохондриях осуществляется кислородом постепенно, без значительной тепловой деградации энергии. Это достигается согласованной работой окислительных ферментов цикла Кребса, белков цепи переноса электронов и АТФ-синтетаз.

Ферменты цикла Кребса (цикла трикарбоновых кислот, цикла лимонной кислоты) локализованы в митохондриальном матриксе. Они обеспечивают окисление субстрата, перенос свободных электронов на кофермент никотинамидадениндинуклотид (НАД) и выделение углекислого газа. Электроны передаются затем в дыхательную цепь, которая состоит из сукцинатдегидрогеназы (СДГ), НАД-дегидрогеназы (НАД-ДГ), убихинона (кофермента Q), а также цитохромов b, c1, c, a и a3. Большинство компонентов дыхательной цепи локализуется на внешней стороне внутренней мембраны. Они последовательно осуществляют окислительно-восстановительные реакции с участием гема, причем цитохромы транспортируют электроны от одного иона железа к другому с помощью белков, содержащих негеминовое железо и медь.

Согласно хемоосмотической теории окислительного фосфорилирования (П. Митчел, 1961), ферменты – переносчики электронов - связаны в мембране с протонными насосами, которые захватывают протоны, накапливающиеся в матриксе при окислительно-восстановительных реакциях, и перебрасывают их в межмембранное пространство. В результате межмембранное пространство закисляется, тогда как матрикс, наоборот, защелачивается, а на внутренней митохондриальной мембране возникает электрический потенциал. Этот потенциал используется грибовидными тельцами для синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата. По протонному каналу в ножке грибовидного тельца протоны из межмембранного пространства возвращаются в матрикс. Таким образом, грибовидные тельца митохондрий являются теми структурами, которые обеспечивают сопряжение окисления с фосфорилированием у эукариот.

Кроме синтеза АТФ митохондрии могут выполнять и другие функции. Например, в клетках коры надпочечников митохондрии участвуют в синтезе стероидных гормонов, а в лейкоцитах морских млекопитающих запасают углеводы. Необходимо отметить высокую пластичность митохондрий, которые могут в широких пределах адаптироваться к потребностям клетки, принимая на себя функции других органоидов.

Размножение митохондрий

Митохондрии размножаются тремя способами: делением перетяжкой, почкованием наружу и почкованием внутрь. Делению митохондрии предшествует репликация митохондриальной ДНК. Она представляет собой двухцепочечную кольцевую молекулу массой от 10 до 40 мД. В одной митохондрии может быть до 10 молекул ДНК. Митохондриальная ДНК по химическому составу, плавучей плотности и другим характеристикам ближе к ДНК прокариот. В частности, она почти полностью лишена регуляторных и высокоповторяющихся последовательностей, кодируя главным образом структурные гены. Размеры митохондриального генома позволяют закодировать не более 100 белков. Это намного меньше, чем размер генома у бактерий (порядка 1000 мД), который обеспечивает кодирование до 3000 различных белков.

Митохондрии обладают также своей собственной белоксинтезирующей системой прокариотического типа, включая рибосомы, тРНК и аминоацил-тРНК-синтетазы. Рибосомы митохондрий высших растений имеют константу седиментации 70S, рибосомы митохондрий грибов – 75S, рибосомы митохондрий млекопитающих – 55S. Это свидетельствует о значительной видовой специфичности митохондриальных рибосом по сравнению с цитоплазматическими рибосомами. Тем не менее, рибосомы митохондрий толерантны к матрице и могут транслировать иРНК любого происхождения.

Гены митохондриального генома кодируют ряд белков, входящих в состав внутренней мембраны митохондрии, в том числе 4 из 10 субъединиц грибовидного тельца, а также некоторые субъединицы ферментов и цитохромов дыхательной цепи. Однако подавляющее большинство белков в митохондриях кодируется генами клеточного ядра. Более того, ключевые ферменты транскрипции, рибосомальные и регуляторные белки также кодируются ядерной ДНК, что свидетельствует о высокой степени интеграции ядерного и митохондриального геномов.