Цитология (Э.К.Гасымов)

91

Рис. 3.19. Трансмиссионные электоронно-микроскопические рисунки различных промежуточных филаментов.

А - пучки кератиновых промежуточных филаментов в эпителиоцитах потовых желез.

В - промежуточные филаменты в астрацитах зрительного нерва, состоящие из кислого фибриллярного белка глии.

С - промежуточные филаменты в аксонах безмиелиновых нервных волокон, состоящих из нейрофиламентов.

Общий принцип укладки мономеров можно привести на примере кератиновых белков. Вначале по две белковые молекулы мономеров образуют двойную спираль - вкрученный димер, затем каждые две такие спирали объединяются антипараллельно и образуют тетрамеры, и в дальнейшем тетрамеры формируют протофиламент, 2 протофиламента объединяются и образуют протофибриллы диаметром 4-5 нм, 4 протофибриллы формируют филамент диаметром 9-11 нм (рис 3.20).

92

Рис.3. 20. Схематический рисунок формирования промежуточных филаментов. Объяснение имеется в тексте.

В отличие от микрофиламентов и микротрубочек, для формирования промежуточных филаментов не характерна постоянная сборка и разборка. Эти процессы могут происходить под действием специфических киназ, путем их фосфорилирования. Например, во время митоза в результате фосфорилирования ламина в промежуточных филаментах ядра нарушается целостность ядерной мембраны.

Белковый состав промежуточных филаментов тканеспецифичен. Как видно из таблицы 3.1 различают 6 основных типов белков промежуточных филаментов. Цитокератины - характерный компонент цитоскелета эпителиальных клеток. Выделяют 2 вида кератина: кислые и щелочные цитокератины. Синтез обоих видов кератинового белка происходит в эпителиальных клетках любого типа. Затем они, объединяясь друг с другом, формируют промежуточные филаменты в составе как твердого (волосы, ногти), так и мягкого (в других органах) кератина.

Интерес представляет собой и тот факт, что эпителиоциты, имеющие различное происхождение, синтезируют исключительно себе подобный кератин. Так известно, что кератиноциты эпидермиса кожи располагаются в базальном слое и дифференцируются в единый тип клеток. Однако, несмотря на то, что базальные кератиноциты экспрессируют в V и XIV типы кератина, в корнеоцитах рогового слоя синтезируется кератин I и X типа. Следовательно, имеющие единое происхождение клетки эпидермиса при переходе из одного слоя в другой согласно изменяющимся условиям и микроокружению начинают синтезировать соответствующие этим условиям группы кератинового белка.

Объединяясь при помощи специальных групп белков с клеточной мембраной, а также с другими элементами цитоскелета, промежуточные филаменты формируют трехмерную сеть, т.е. создают внутриклеточный каркас, обеспечивают упругость клетки, поддерживают упорядоченность расположения компонентов цитоплазмы.

93

К белкам, связывающихся с промежуточными филаментами относятся филагрин, синемин, эмерин, плакины, ламиносвязывающие белки.

Филлагрин связывает кератиновые филаменты, формирует кератиновые пучки.

Синемин – белок, который участвует при формировании внутриклеточной сети промежуточных филаментов. Имеет молекулярную массу 190 кД.

Среди плакинов самыми распространенными являются десмоплакин и плектин. Десмоплакины, соединяясь с промежуточными филаментами, участвуют при образовании десмосом.

Плектин имеет самую большую молекулярную массу среди всех этих белков - примерно 500 кД, связывает промежуточные филаменты с актиновыми филаментами, с микротрубочками, со спектрином, с полудесмосомами.

Ламино - соединяющие белки связывают ядерную мембрану с ламинами ядра.

формируют димер, молекулярной массой 55кД (рис 3.22).

являются одним из самых нестабильных производных клетки. На их плюс-концах осуществляется быстрая спонтанная полимеризация - удлинение за счет присоединения димеров, а на минусконцах происходит медленная деполимеризация. При сниженной концентрации димеров тубулина преобладает разборка на минус конце. При оптимальной концентрации α и β тубулинов процессы сборки и разборки уравновешены. Микротрубочки растут достаточно быстро и достаточно быстро разбираются. Полимеризация микротрубочек - это энергозависимый процесс, где используется энергия гидролиза ГТФ.

В живых клетках образование микротрубочек происходит постоянно. При формировании микротрубочек в интерфазных клетках важную роль играет перицентриолярные структуры – сателлиты (рис 3.23).

96

Рис. 3.23. Электронно-микроскопический рисунок поперечного среза центросомы. Вокруг центриолей видны перицентриолярные структуры и начинающиеся из них микротрубочки.

Центриоли и окружающий их аморфный матрикс (центросфера) вместе называют клеточным центром или центросомой. Доказано, что микротрубочки не образуют связи с центриолями, они связываются непосредственно с перицентриолярными структурами – с сателлитами. Именно в составе перицентриолярных структур выявлены молекулы третьего типа тубулина - γ (гамма) тубулин, который при помощи специальных белков формирует

комплекс - гамма тубулиновое кольцо, состоящее из 10-13 γ тубулинов. Эти гамма тубулиновые комплексы инициируют полимеризацию тубулиновых димеров при формировании микротрубочек и остаются соединенными с минус концами микротрубочек.

Таким образом, центросомы являются центром организации микротрубочек в цитоплазме и в базальном тельце аксонемы ресничек При этом формирование минус (-) конца микротрубочек начинается из центросом, тогда как плюс (+) концы направляются радиально к плазмолемме (рис 3.24). Иммуногистохимическими методами доказано, что образование микротрубочек в интерфазной клетке всегда начинается с сателлита, а в процессе деления клетки - с центромеры хромосом.

Белки ассоциированные с микротрубочками делятся на две группы:

1.белки, поддерживающие стабильное состояние микротрубочек

2.белки, выполняющие функцию движения (моторная)

Рис.3. 24. Схема радиального расположения микротрубочек во время интерфазы.

Сборка и разборка микротрубочек в цитоплазме осуществляется чрезвычайно быстро. Среднее время пребывания микротрубочек в стабильном состоянии в интерфазе составляет в среднем около 10 мин. Для микротрубочек веретена деления это время измеряется секундами. Тем не менее, часть микротрубочек (10-20%) остаются относительно стабильными достаточно долго. Например, микротрубочки ресничек и жгутиков могут оставаться стабильными несколько дней, даже недель. Стабилизацию микротрубочек обеспечивают так называемые МАР-белки (Microtubule Accessory Proteins-белки ассоциированные с микротрубочками).

В настоящее время к МАР-белкам, стабилизирующим микротрубочки, относят свыше 100 разных белков в различных клетках. Из них наиболее изучены белки МАР-1, МАР-2, Таu

97

и МАР-4. Среди названных белков МАР-4 выявлен во многих клеточных типах, а остальные три только в нервных клетках.

Как известно, в нервных клетках различают аксон, множество дендритов и тело клетки. Микротрубочки поддерживают форму клетки, обеспечивают внутриклеточный транспорт органелл, пузырьков в цитоплазме нервных клеток. В различных частях нервной клетки белки связанные с микротрубочками отличаются друг от друга, поэтому топографическое положение микротрубочек тоже отличаются. Так, минус концы микротрубочек в составе аксона обращены всегда к перикариону, плюс концы не направлены к периферии аксона. А в дендритах нервных клеток (+) и (-) концы микротрубочек по отношению к перикариону обращены в разные стороны, т.е. противоположно. Причиной вышеописанных различий в расположении микротрубочек в разных частях нервных клеток является характер ассоциированных с микротрубочками белков. Так в аксонах выявляются Таu-белки, отсутствуют МАР-2 белки; в дендритах, наоборот, присутствуют МАР-2, а Таu-белки отсутствуют.

В нервных клетках человека наиболее изученным является белок Таu-1. Этот белок состоит из 383 аминокислот, имеет молекулярную массу около 40 кД. В норме имеет линейную форму, располагаясь между протофиламентами микротрубочек, поперечно связывает тубулиновые молекулы соседниех филаментов и обеспечивает их стабильность. Полагают, что одной из причин болезни Альцгеймера у пожилых является нарушение синтеза белка Таu-1 в нервных клетках. В результате этих нарушений образуются нейрофибриллярные клубочки, а увеличение их количества в нервных клетках заканчивается гибелью клеток.

Ко второй группе ассоциированных с микротрубочками белков относятся двигательные (моторные) белки - динеин и кинезины. О них информация дается в следующем разделе.

Каркасная роль микротрубочек заключается в поддержании формы и полярности клетки. При разборке микротрубочек клетка приобретает форму шара. В длинных аксонах нейронов, которые уходят от тела клетки на огромные расстояния (аксоны мотонейронов человека достигает около 1-метра в длину), микротрубочки одновременно выполняют и опорную, и транспортную функции. По ним к синаптическим окончаниям транспортируются пузырьки с нейромедиаторами.

Микротрубочки необходимы для ориентированного движения внутриклеточных мембранных органоидов (митохондрий, экзо- и эндоцитозных пузырьков, вакоулей, различного рода транспортных пузырьков). Сами по себе микротрубочки не способны к какилибо видам движения. Они служат направительными векторами, или образно говоря, рельсами, по которым перемещаются специальные двигательные (моторные) белкитранслокаторы (кинезины, динеины). Белки транслокаторы имеют сходную пространственную конструкцию, которая позволяет им закрепить груз (например мембранный пузырек) и доставить его в любую часть клетки.

В интерфазных клетках микротрубочки цитоплазмы, вместе с другими элементами цитоскелета, формируют внутриклеточную сеть, поддерживающую мембранные органеллы, например, цистерны эндоплазматического ретикуллума, аппарата Гольджи и т. д.

В делящихся клетках микротрубочки формируют митотическое веретено и обеспечивают расхождение хромосом к полюсам.

Присутствие специальных веществ, относящихся к группе цитостатиков препятствует полимеризации микротрубочек. Цитостатики связываются с отдельными молекулами тубулинов, предотвращают их полимеризацию, ингибируют митоз. Это свойство цитостатиков используется в онкологической практике для прекращения пролиферации опухолевых клеток. К цитостатикам относятся алкалоид колхицин, винбластин и т д.

98

ХЕМОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Одним из обязательных свойств всех клеток организма является способность преобразовывать химическую энергию в механическую энергию (в движение). Химическая энергия обычно в клетках аккумулирована в молекулах АТФ, при гидролизе которых и происходит высвобождение этой энергии с дальнейшим ее преобразованием в механическую.

Комплексы, образованные белками, участвующими в этом процессе, называются хемомеханическими преобразователями. В формировании этих комплексов участвуют не только элементы цитоскелета (актин и микротрубочки), но и необходимые белки – транслокаторы, имеющие АТФ - азную активность: динеин, кинезин, миозин.

Для создания определенного движения необходимо присутствие одного из комплексов тубулин-кинезина, тубулин-динеина и актин-миозина.

К хемомеханическим преобразователям, которые образуются при участии микротрубочек относятся комплексы динеин-тубулин, кинезин-тубулин. И динеин и кинезин имеют АТФ - азную активность. В 1965 году İ.Gibbons получил в чистом виде белок динеин,

ав 1985 году S.Brady, R.D. Vale и сотрудники получили в чистом виде белок кинезин.

Спомощью видео-увеличительного микроскопа, который был изобретён в 1980 году, и в дальнейшем R.Allen-ом и S.Inoue, было доказано, что перемещение внутриклеточных структур живой неповрежденной клетки происходит с помощью именно вышеуказанных белков. Более того этими же методами обычно было выявлено, что даже в мазках, изготовленных из цитоплазматических элементов клеток, у которых удалена клеточная мембрана, органеллы и пузырьки сохраняют способность перемещаться в двух направлениях.

Всередине 1980 годов участие динеина и кинезина во внутриклеточных перемещениях полностью было утверждено. В результате углубленного изучения белков динеина и кинезина стало очевидно, что общий план строения головки обоих белков и соответствующего участка белка миозина сходны. Отсюда вытекает, что есть белки - локомоторы (транслокаторы), имеющие АТФ-азную активность и общее происхождение.

Рис. 3.25. Схематический рисунок отдельных частей кинезина и его взаимосвязь с тубулином.

Исследования, проведенные на аксонах нервных клеток показали, что перемещение пузырьков и органелл белками кинезином и динеином происходит с участием микротрубочек. С помощью кинезина пузырьки и органеллы перемещаются в (+) конец

99

микротрубочки (рис.3.25), а с помощью динеина перемещаются в (-) конец микротрубочки (рис.3.26). Учитывая, что в аксонах (-) конец микротрубочек направлен к телу клетки, а (+) конец к концевым разветвлениям клетки, то становится ясным, что с помощью молекулы кинезина пузырьки и органеллы перемещаются от перикариона к периферии (антеградно), а с помощью молекулы динеина в противоположном направлении от периферии к перикариону (ретроградно).

В других клетках (-) конец микротрубочек располагается в области клеточного центра перинуклеарно, а (+) концы радиально расходящихся микротрубочек доходят до клеточной оболочки.

Вышеизложенное перемещение по микротрубочкам в двух направлениях демонстрирует наличие внутри клеток структур, подобных железнодорожным рельсам

(рис.3.24).

Мономер белка кинезина состоит из тяжёлых и лёгких цепей (рис.3.25).

В тяжёлых цепях завершающихся аминогруппой различают глобулярную головку, шейку и хвостовую часть. Начальные и средние участки хвостов между собой переплетаются в виде спирали, а концевые участки остаются свободными и самостоятельно связываются с легкими цепями. Таким образом, формируется димер кинезина, который состоит из двух головок, спиралевидной части и свободного хвостового участка.

Механизм перемещения молекул кинезина по микротрубочкам происходит следующим образом:

1.одна молекула кинезина своим хвостом связывается с «грузом» (органеллы, пузырьки хромосомы, и-РНК и др), а с другой стороны связывается только с одним протофиламентом в составе микротрубочки и самостоятельно перемещается со скоростью 0,5 мкм./сек. до конечного участка (+) конца микротрубочки.

2.молекулы кинезина перемещаются по микротрубочкам «шажками» длиною 8 нм -это общая длина α и β субъединиц одного белка тубулина.

Учеловека существуют 100 и более видов кинезина. Многие из них обеспечивают перемещение «груза» к (+) концу микротрубочки. Некоторые кинезины перемещают «груз» в противоположном направлении. Кроме того, известны специализированные кинезины, соответствующие различным видам «груза», что связано с различным строением их хвостовой части.

Среди белков транслокаторов самым крупным является белок динеин (2000 kD). В своем строении динеин имеет: 2 или 3 тяжёлые цепи и в разных количествах лёгкие и промежуточные цепи (рис.3.26).

100

Рис 3.26. Схематический рисунок отдельных частей динеина и его взаимосвязь с тубулином

Молекулярный вес каждой тяжелой цепи 530 кД. Концевая «нитчатая» часть этой цепи соединяется с микротрубочкой, сферическая по форме часть – с АТФ, а с проксимальной стороны белка динеина имеются соответствующие участки соединения с промежуточными и легкими цепями.

Молекулярный вес четырех более легких промежуточных цепей 53-59 кД, а двух более тяжелых – 74кД.

Те участки промежуточных цепей, которые несут «груз» (станеллы, пузырьки и пр.), а также места соединения их с микротрубочками АТФ-азной активностью не обладают. Кроме того известно, что разные изомеры молекул динеина имеют определенные участки «мишени», по которым они отличаются. Уточнено, что в составе ресничек и жгутиков присутствует 7 видов аксонемного динеина, а в цитоплазме, органеллах, хромосомах и т.д. присутствуют специальные цитоплазматические динеины, перемещающие «груз». Причем в отличие от кинезинов, все формы динеинов перемещают «груз» по микротрубочкам в направлении к (-) концу.

Подробная информация о хемомеханических преобразователях актин-миозиновых комплексов дана в учебниках по общей гистологии. Следует отметить, что в настоящее время в составе различных комплексов актин-миозина изучены около 15 видов белка миозина, имеющих АТФ-азную активность, между тем белок актин бывает только одного вида. В зависимости от вида миозина направление и механизм внутриклеточных перемещений отличаются друг от друга.

Белок, участвующий в сокращении гладких миоцитов и поперечнополосатых мышечных волокон – это белок миозин II, имеющий АТФ-азную активность. Этот белок является димером больших размеров, весом 500 kD. Каждый его мономер организован из 1 тяжёлой цепи и из 2 лёгких цепей. Тяжёлая цепь имеет глобулярную головку и хвостовую часть, состоящую из α спирали, а 2 лёгкие цепи (легкая и регуляторная) объединяясь, располагаются вокруг головки мономера (рис. 3.27).