Rambler's Top100 Service
Поиск   
 
Обратите внимание!   Обратите внимание!
 
  Наука >> Биология >> Клеточная биология | Обзорные статьи
 Написать комментарий  Добавить новое сообщение
 См. также

Обзорные статьиЮ.М. Васильев. Клетка как архитектурное чудо. Часть 3. Клетка единая, но делимая

Обзорные статьиЮ.М. Васильев. Клетка как архитектурное чудо. Часть 3. Клетка единая, но делимая: (1)

Обзорные статьиЮ.М. Васильев. Социальное поведение нормальных клеток и антисоциальное поведение опухолевых клеток. II. Клетки строят ткань

Обзорные статьиА.Н. Тихонов. Молекулярные моторы. Часть 2. Молекулярные основы биологической подвижности

Обзорные статьиЮ.М. Васильев. Клетка как архитектурное чудо. II. Цитоскелет, способный чувствовать и помнить

В начало...

Клетка как архитектурное чудо. I. Живые нити. Ю. М. ВАСИЛЬЕВ. Продолжение.

СИСТЕМА МИКРОТРУБОЧЕК
Микротрубочки представляют цилиндры диаметром 25 нанометров с полостью внутри. Их стенка образована мономерами тубулина. Микротрубочки, подобно актиновым микрофиламентам, полярны: полимеризация из мономеров идет легче на плюс-конце, чем на минус-конце. Система микротрубочек, в отличие от актинового кортекса, в большинстве клеток строго централизована: в то время как в кортексе может работать одновременно множество центров полимеризации, из которых растут новые микрофиламенты, микротрубочки часто имеют лишь 1 - 2 центра полимеризации на клетку. Эти центры, организующие микротрубочки (ЦОМТ), хорошо видны не только под электронным, но и под световым микроскопом. Практически все микротрубочки в клетках растут из этих центров плюс-концами к периферии, и поэтому системы микротрубочек часто имеют вид звезд. Наиболее распространенные варианты ЦОМТ - центросомы, из которых растет митотическое веретено и "звезды" микротрубочек во многих клетках, а также базальные тельца, из которых растут микротрубочки жгутиков и ресничек (рис. 5). Замечательное свойство этих центров, что они способны репродуцироваться: новый центр вырастает рядом со старым и затем "материнский" и дочерний центры расходятся. Долго искали в центрах ДНК, но не нашли. Удвоение центров, видимо, имеет совсем особый механизм, отличный от удвоения ДНК, но природу его мы еще не знаем.
Как уже говорилось, микротрубочки разных структур сильно различаются по стабильности. Если инъецировать в клетки раствор тубулина, меченного флуоресцентной краской, то микротрубочки становятся окрашенными, и в флуоресцентный микроскоп можно непосредственно наблюдать, как отдельные микротрубочки быстро растут от центра к периферии, затем быстро укорачиваются, иногда исчезают совсем, опять растут и т.д. (см. рис. 2). Эта смена фаз роста и укорочения - характерная черта систем нестабильных микротрубочек. У многих стабильных микротрубочек, например, в жгутиках сохраняется постоянная длина. Большую или меньшую стабильность придают микротрубочкам особые белки, связывающиеся с их наружной стенкой и укрепляющие ее.
Некоторые растения образуют специальные яды - вещества, которые избирательно нарушают динамику микротрубочек в самых разных типах клеток. Большая группа таких веществ (колхицин, колцемид, винбластин) деполимеризует нестабильные микротрубочки. Точнее говоря, молекулы этих веществ присоединяются к мономерам тубулина и блокируют рост микротрубочек. При этом их распад продолжается, и через короткое время все микротрубочки исчезают. В частности, у таких клеток в митозе исчезает митотическое веретено и хромосомы не могут разойтись к полюсам, поэтому деление клеток не завершается. Естественно, стабильные микротрубочки в жгутиках мало чувствительны к действию этих веществ.

Рис. 5. Структуры, образуемые системой микротрубочек и организующих их центров.
А - параллельные микротрубочки ресничек, растущие от базальных телец к поверхности клетки.
Б - микротрубочки митотического веретена, растущие навстречу друг другу от двух центров, расположенных на полюсах веретена. Некоторые из микротрубочек прикрепляются плюс-концами к особым участкам (кинетохорам) хромосом. На схеме две хромосомы в метафазе, то есть до начала расхождения к полюсам.


Из коры тиса было выделено особое вещество, таксол, действие которого на микротрубочки противоположно действию веществ группы колхицина: молекулы таксола, связываясь с микротрубочками, препятствуют их деполимеризации. Все трубочки становятся стабильными и не могут укорачиваться и исчезать. Во время митоза обработанные таксолом клетки со сверхустойчивыми микротрубочками не могут разделиться, так же как обработанные колхицином клетки, у которых нет микротрубочек. Очевидно, для нормальной работы веретена и, вероятно, многих других систем микротрубочек существенно не только присутствие трубочек, но и их динамичность, постоянный рост и распад. Вещества, действующие на микротрубочки (винбластин, таксол и другие), широко используются в клинике при химиотерапии некоторых опухолей для остановки деления опухолевых клеток.
Среди белков, прикрепленных к микротрубочкам, очень важны моторные молекулы - динеины и кинезины (рис. 6). Эти молекулы одним концом прикрепляются сбоку к микротрубочке и могут двигаться по ней, если доставлять им энергию в виде АТФ. При этом большинство вариантов кинезина двигается по трубочке к ее плюс-концу, а все динеины - к минус-концу. Другим полюсом молекула динеина или кинезина может прикрепиться к мембранным органеллам или к другим микротрубочкам. В результате эти молекулярные моторы могут совершать много разных типов движений. В жгутике и ресничке молекулы динеина, прикрепляясь к двум соседним микротрубочкам, заставляют эти микротрубочки скользить относительно друг друга. Так как своими основаниями (минус-концами) микротрубочки закреплены на базальных тельцах, то скольжение соседних микротрубочек ведет к тому, что жгутик изгибается (см. рис. 6). Вызванное моторами взаимное скольжение микротрубочек, отходящих от разных полюсов митотического веретена, по-видимому, приводит к расхождению этих полюсов в противоположных направлениях. Соединяясь с органеллами, микротрубочковые моторы могут перемещать эти органеллы в клетке. В зависимости от того, какой мотор работает, направление движения будет разным: кинезин "повезет" органеллу к плюс-концу микротрубочки, то есть к периферии, динеин - к центру клетки. Иначе говоря, органеллы в клетке могут "ездить" по клетке по одним и тем же рельсам-микротрубочкам туда и обратно, пользуясь разными моторами.

Рис. 6. Взаимодействия микротрубочек (цилиндры) с соответствующими моторными молекулами. Р - микротрубочки реснички.
Молекулы динеина прикреплены хвостами (линии) и головками (черные кружки) к соседним микротрубочкам. Перемещение головок вызывает сгибание обеих микротрубочек. К, Д - движения органелл (большие круги) при помощи молекул кинезина (К) или динеина (Д) вдоль микротрубочки в противоположных направлениях.


Сейчас существуют замечательные микроскопы, где контрастность изображения сильно увеличивается с помощью специальных компьютерных программ. Такие приборы позволяют длительно наблюдать за движениями отдельных органелл в живой клетке. Эти наблюдения показывают, что одна и та же органелла, активно двигаясь, то идет к периферии клетки, то возвращается обратно, нередко меняя направление несколько раз в минуту. Что определяет такую смену направлений? Одна из возможностей, которая сейчас активно проверяется, состоит в том, что на одной и той же органелле сидят несколько разных молекул-моторов, способных двигать эту органеллу и к центру и от центра. Эти моторы могут включаться и переключаться специальными регуляторами, например ферментами, присоединяющими к моторной группе фосфатные группы и отщепляющими эти группы. Кроме микротрубочковых моторов, существуют, как мы уже говорили, еще миозиновые молекулы, способные перевозить органеллы вдоль актиновых микрофиламентов. Каково соотношение между этими двумя видами транспорта в клетке? Недавно предложено красивое сравнение: микротрубочки, идущие на дальние расстояния, подобны скоростным шоссе, по которым органеллы быстро перемещаются между центром и периферией клетки, тогда как микрофиламенты - местные дороги. Доехав по микротрубочке до нужной области клетки, органелла может сменить мотор и пересесть на местный микрофиламент, на котором доедет точно до места назначения. Напомним, что и сами рельсы, по которым ездят органеллы, микротрубочки и микрофиламенты, могут быстро менять свою длину и положение в результате полимеризации-деполимеризации. Таким образом, распределение органелл в клетке в каждый данный момент является статистическим результатом сочетания активных перемещений этих органелл по цитоскелетным путям и динамики самих этих путей.


ПРОМЕЖУТОЧНЫЕ ФИЛАМЕНТЫ
Это третий основной компонент цитоскелета, названный так потому, что его нити по диаметру (8 - 10 нанометров) меньше, чем микротрубочки, но больше, чем микрофиламенты. Эти нити многочисленны в цитоплазме большинства клеток; по-видимому, они растут из многих центров, но этот вопрос еще окончательно не решен. Промежуточные филаменты - очень прочные структуры: разными экстрагирующими солевыми растворами можно удалить из клетки все ее компоненты, а сеть промежуточных филаментов сохраняется, пока мы не применим сверхсильные денатурирующие агенты, например концентрированный раствор мочевины. Другое отличие этих филаментов от других цитоскелетных нитей: их мономеры легко полимеризуются, но с большим трудом деполимезируются, поэтому в клетке свободных растворенных мономеров почти нет. Впрочем, когда это необходимо, клетка легко перестраивает свою систему межуточных филаментов. Например, при митозе все филаменты распадаются на фрагменты, по-видимому, в результате того, что специальный фермент присоединяет к их мономерам фосфатные группы. После митоза филаменты быстро востанавливаются.
Загадкой остается вопрос о том, почему в разных тканях эти морфологически сходные филаменты построены из разных белков (см. выше). Особенно велико разнообразие белков межуточных филаментов эпителиальных тканей, кератинов в каждой клетке. Выделено уже более 30 кератинов, комбинирующихся по два типа в каждой клетке. Разные наборы кератинов имеются в различных типах эпителиев и даже в разных участках одного эпителия. Например, в эпителии кожи, покрывающем ладони и пятки человека, обнаружен особый кератин (N 9), которого нет в эпителиях других участков кожи или каких-либо иных тканей. Не одинаковы по белковому составу и промежуточные филаменты (нейрофибриллы) разных типов нервных клеток.
Вопрос о функциях всех этих филаментов совершенно неясен. Наиболее вероятная гипотеза: промежуточные филаменты укрепляют клетки и ткани механически, делают их более прочными. Вспомним, что кожа пятки и ладони испытывает разную нагрузку и, возможно, что молекулярные различия кератинов делают филаменты лучше приспособленными к разным нагрузкам.
Сильным аргументом в пользу механической роли промежуточных филаментов являются новые данные о том, что основой некоторых наследственных кожных болезней, при которых резко снижается прочность кожного эпителия, являются мутации генов определенных кератинов. В частности, при мутациях упомянутого выше кератина N 9, специфичного для пятки и ладони, нарушается прочность кожи именно в этих участках. Однако многие другие попытки выяснить роль промежуточных филаментов дали обескураживающие результаты. Например, недавно группа исследователей методами генной инженерии получила линию мышей, у которых из генома был удален ген виментина, белка, из которого сделаны промежуточные филаменты во всех клетках костей, хряща, соединительной ткани, клеток крови и костного мозга. Такие "безвиментиновые" мыши развивались совершенно нормально, и разнообразные пробы на строение и функции разных тканей не обнаружили у них никаких дефектов. Зачем же в столь многих клетках существуют многочисленные виментиновые филаменты? Вероятно, они играют какую-то важную роль, но мы сегодня еще не придумали эксперимент, который выявил бы эту роль.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ЦИТОСКЕЛЕТ - БОЛЬШЕ, ЧЕМ СКЕЛЕТ
Кто первый употребил термин "цитоскелет"? Еще в начале века русский биолог Н.К. Кольцов на основании большой серии опытов по изучению свойств жгутиков сперматозоидов пришел к выводу о том, что в клетке есть скелетные структуры. Однако термин "цитоскелет" распространился широко лишь в последние два десятилетия. Первоначально предполагалось, что цитоскелетные нити являются опорным каркасом клетки, ее скелетом. Цитоскелет несомненно выполняет эту роль, но это лишь одна из многих функций этих структур в клетке.
Как мы видели, цитоскелет, особенно актиновый, является двигательным аппаратом клеток, а также аппаратом органелл, в чем-то аналогичным системе кровообращения многоклеточного организма. Данные о стереоцилиях иллюстрируют роль цитоскелета в восприятии клеткой сигналов из внешнего мира. В следующей статье мы разберем эксперименты, свидетельствующие о том, что цитоскелет, наряду с клеточной мембраной, играет ключевую роль в обобщении и запоминании результатов реакций на внешние воздействия и в определении поведения клетки. Эту функцию можно сравнить с деятельностью мозга. Все эти многообразные функции цитоскелет выполняет, совершая реорганизации двух типов: а) полимеризацию и деполимеризацию цитоскелетных нитей и б) совершаемые с помощью молекулярных моторов движения одних нитей относительно других и нитей относительно органелл. Эти реорганизации, имеющие бесконечное число вариантов, являются основой уникальной подвижной архитектуры клетки, в которой стабильность удивительно сочетается с динамичностью.


РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Ченцов Ю.С. Общая цитология (Введение в биологию клетки ). 3-е изд. М.: Изд-во МГУ, 1995.
2. Альбертс А., Брей Д., Льюис Р. и др. Молекулярная биология клетки. В 3 т. Пер. с англ. М.: Мир, 1994.
* * *
Юрий Маркович Васильев, доктор медицинских наук, профессор, член-корреспондент РАН, профессор кафедры вирусологии МГУ, зав. лабораторией Всероссийского онкологического научного центра. Автор 180 научных работ, включая 6 монографий на русском и английском языках.


Написать комментарий
 Copyright © 2000-2015, РОО "Мир Науки и Культуры". ISSN 1684-9876 Rambler's Top100 Яндекс цитирования