Кіріспе

Жасушалардың ішкі қаңқасын құрайтын жіп тәрізді ақуыздардың желісі.

Цитоскелет – барлық жасушалардың, бактериялар мен археялардың жасуша цитоплазмасында кездесетін, бір-бірімен байланысқан ақуыздық жіптердің күрделі, динамикалық желісі. Эукариоттарда ол жасуша ядросынан жасуша мембранасына дейін созылады және түрлі организмдердегі ұқсас ақуыздардан тұрады. Ол үш негізгі компоненттен тұрады: микрофиламенттер, аралық филаменттер және микротубулалар. Бұл компоненттердің барлығы жасушаның қажеттілігіне қарай жылдам өсуге немесе ыдырауға қабілетті. Цитоскелет көптеген функцияларды атқарады. Оның басты қызметі – жасушаға пішін беру және деформацияға қарсы механикалық тұрақтылықты қамтамасыз ету. Сондай-ақ, жасушадан тыс байланыстыру тіндерімен және басқа жасушалармен байланыс арқылы бүкіл тіндерді тұрақтандырады. Одан бөлек, ол көптеген жасушалық сигналдық жолдарға, жасушадан тыс материалды сіңіруге (эндоцитозға), жасушалық бөліну кезінде хромосомалардың бөлінуіне қатысады және жасуша ішіндегі құрылымдарды кеңістікте ұйымдастыруға арналған тіреуші құрылым ретінде қызмет етеді. Тропомиозин актин мен миозин арасындағы өзара әрекеттесуді тежейді, ал тропонин кальций деңгейінің жоғарылауын сезініп, бұл тежеуді босатады. Бұл әрекет бұлшық жасушасын қысқартады, ал көптеген бұлшық жасушаларындағы синхронды процестердің нәтижесінде бүкіл бұлшық қысқарады.

Тарих

1903 жылы Николай К. Колцов жасушалардың пішіні цитоскелет деп аталатын түтікшелер желісімен анықталады деп ұсынды. Цитоплазмалық биохимияны динамикалық үйлестіретін ақуыз мозаикасы туралы ұғымды 1929 жылы Рудольф Петерс енгізді, ал «цитоскелет» терминін (француз тілінде) алғаш рет француз эмбриологы Пол Винтреберт 1931 жылы қолданды. Цитоскелет алғаш таныстырылған кезде, ол органеллалардың орнында тұруына көмектесетін қарапайым гель тәрізді зат деп есептелді. Цитоскелеттің және оның құрамдас бөліктерінің қызметін түсіну үшін көптеген зерттеулер жүргізілді. Алғашқыда цитоскелет тек эукариоттарға ғана тән деп ойылған, бірақ 1992 жылы ол прокариоттарда да кездесетіні анықталды. Бұл жаңалық бактериялардың тубулин мен актинге гомологты ақуыздарға ие екенін анықтағаннан кейін болды; тубулин мен актин – эукариоттық цитоскелеттің негізгі құрамдас бөліктері.

Эукариоттық цитоскелет

Эукариоттық жасушаларда цитоскелеттік талшықтардың үш негізгі түрі бар: микрофиламенттер, микротубулалар және аралық талшықтар. Нейрондарда аралық талшықтар нейрофиламенттер деп аталады. Әрбір түрі әртүрлі ақуыз суббірлігінің полимерленуі арқылы қалыптасады және өзіне тән пішінге және жасушаішілік таралуға ие. Микрофиламенттер актин ақуызының полимерлері болып табылады және диаметрі 7 нм-ге тең. Микротубулалар тубулинден тұрады және диаметрі 25 нм. Аралық талшықтар жасушаның түріне байланысты әртүрлі ақуыздардан құралған; олардың диаметрі әдетте 8-12 нм. Цитоскелеттік элементтер жасушалық мембраналармен тығыз байланыста болады. Паркинсон ауруы, Альцгеймер ауруы, Хантингтон ауруы және амиотрофиялық бүйірлік склероз (АБС) сияқты нейродегенеративті ауруларға қатысты зерттеулер осы ауруларда цитоскелет зардап шегетінін көрсетеді. Паркинсон ауруы нейрондардың деградациялануымен сипатталады, бұл дірілге, қатаюға және қозғалысқа қатысты емес басқа да симптомдарға әкеледі. Зерттеулер көрсеткендей, цитоскелеттегі микротубулалардың құралуы мен тұрақтылығы бұзылып, нейрондардың уақыт өте келе деградациялануына себеп болады. Альцгеймер ауруында микротубулаларды тұрақтандыратын тау ақуыздарының бұзылуы, ауру прогрессиясында цитоскелет патологиясына алып келеді. Хантингтон ауруына байланысты белоктағы артық глутамин, цитоскелетке везикулаларды байланыстыруға қатысты, сонымен қатар аурудың дамуына ықпал етеді деп саналады. Амиотрофиялық бүйірлік склероз қозғалыс нейрондарының деградациялануынан туындаған қозғалыс жоғалуымен және цитоскелет ақауларымен байланысты. Стюарт Хамерофф пен Роджер Пенроуз сананың пайда болуында нейрондардағы микротубулалардың дірілдерінің ролі бар екенін ұсынады. Моторлық ақуыздарды қоса алғанда, қосымша ақуыздар талшықтарды басқа жасушалық құралымдармен және бір-бірімен реттеп, байланыстырады және цитоскелеттік талшықтардың белгілі бір жерлерде бақыланатын құралуы үшін маңызды. Актинмен және микротубулалармен өзара әрекеттесетін цитоскелеттік препараттардың бірнеше шағын молекулалары табылды. Бұл қосылыстар цитоскелетті зерттеуде пайдалы болды және олардың кейбіреулері клиникалық қолданыста қолданылады.

Микротубульдер

Микротубулалар диаметрі шамамен 23 нм (ішкі кеңістік диаметрі шамамен 15 нм) болатын қуыс цилиндрлер болып табылады, көбінесе 13 протофиламенттен тұрады, олар өз кезегінде альфа және бета тубулиннің полимерлері болып табылады. Олардың өте динамикалық қасиеттері бар, полимерлену үшін ГТФ-қа байланысады. Көбінесе центросомамен ұйымдастырылады. Тоғыз үштік жиынтықта (жұлдыз тәрізді) олар центриолаларды құрайды, ал тоғыз жұпты тілде екі қосымша микротубулаға (дөңгелек тәрізді) бағытталғанда, кірпікшелер мен қамшыларды құрайды. Соңғы құрылым әдетте "9+2" реттелгендігімен сипатталады, онда әр жұп микротубула басқасына динеин ақуызы арқылы байланысады. Қамшы мен кірпікшелер жасушаның құрылымдық компоненттері болғандықтан және микротубулалармен ұсталып тұрғандықтан, оларды цитоскелеттің бөлігі деп санауға болады. Кірпікшелердің екі түрі бар: қозғалмалы және қозғалмайтын кірпікшелер. Кірпікшелер қамшылардан қысқа және саны көп. Қозғалмалы кірпікшелер қозғалмайтын кірпікшелерге қарағанда ырғақты толқынды немесе соққылы қозғалысқа ие, ал қозғалмайтын кірпікшелер жасуша үшін сезімдік ақпаратты қабылдайды; басқа жасушалардан немесе оны қоршаған сұйықтықтардан келетін сигналдарды өңдейді. Сонымен қатар, микротубулалар кірпікшелер мен қамшылардың соғуын (қозғалысын) бақылайды. Сондай-ақ, микротубулаларға бекітілген динеин қолдары молекулалық моторлар ретінде жұмыс істейді. Кірпікшелер мен қамшылардың қозғалысы микротубулалардың бір-бірінің басынан жылғалануы арқылы туындайды, бұл үшін АТФ қажет.

Септиндер

Септиндер – эукариоттарда кездесетін, жоғары сақталған GTP байланысатын ақуыздар тобы. Әртүрлі септиндер бір-бірімен ақуыздық кешендер құрайды. Олар жіпшелер мен сақиналар түрінде жиналуы мүмкін. Сондықтан септиндерді цитоскелеттің құрамына жатқызуға болады. Септиндердің жасушадағы функцияларына басқа ақуыздар үшін локальді бекітілу орталығы болып қызмет ету және белгілі бір молекулалардың жасуша ішіндегі бір бөлімінен екінші бөліміне таралуына кедерілсіздік тудыру кіреді.

Спектрин

Спектрин – эукариоттық жасушалардың плазмалық мембранасының ішкі жағын астарлайтын цитоскелеттік ақуыз. Спектрин бесбұрыш немесе алтыбұрыш пішіндес құрылымдарды жасайды, қаңқа ретінде қызмет етеді және плазмалық мембрананың тұтастығын және цитоскелеттік құрылымды сақтауда маңызды рөл атқарады.

Ашытқы цитоскелеті

Құрғақ ашытқыда (маңызды модельді организмде) актин қабықшалық жамауларды, актин кабельдерін, цитокинетикалық сақинаны және қақпақты құрайды. Қабықшалық жамаулар – мембранадағы дискретті актин денелері және эндоцитоз үшін, әсіресе жасуша қабырғасының синтезі үшін маңызды глюкан синтезасының қайта өңдеуі үшін өте қажет. Актин кабельдері – актин жіпшелерінің жиынтығы және қақпаққа қарай (жасуша өсуін поляризациялайтын бірнеше түрлі ақуыздарды қамтиды) және митохондриялардың орналасуына қатысады. Цитокинетикалық сақина жасуша бөліну орнының айналасында пайда болып, тарылады.

Прокариоттық цитоскелет

2001 жылы Джонс және авторлар тобының жұмысына дейін жасуша қабырғасы көптеген бактерия жасушаларының пішінін, оның ішінде таяқшалар мен спиральдардың пішінін анықтайтын маңызды фактор деп есептелген. Зерттеулер көрсеткендей, пішін бұзылған көптеген бактерияларда жасуша қабығының дамуымен байланысты мутациялар табылды. Цитоскелет бұрын тек эукариоттық жасушаларға тән ерекшелік деп саналған, бірақ эукариоттық цитоскелеттің негізгі барлық ақуыздарына гомологтар прокариоттарда да кездеседі. Гарольд Эриксон 1992 жылға дейін цитоскелет компоненттері тек эукариоттарда ғана болатын деп есептелген. Дегенмен, 90-жылдардың басындағы зерттеулер бактериялар мен археяларда актин мен тубулинге гомологтар бар екенін, және олар эукариоттық микротубулалар мен микрофиламенттердің құрамына кіретінін көрсетті. Эволюциялық байланыстар соншалықты алыс болғандықтан, оларды тек ақуыз тізбектерін салыстыру арқылы анықтау қиын, бірақ олардың үш өлшемді құрылымдарының ұқсастығы және жасуша пішіні мен полярлығын сақтаудағы ортақ функциялары эукариоттық және прокариоттық цитоскелеттердің нағыз гомолог екенін қуатты дәлелдейді. Үш тәуелсіз зертхана FtsZ ақуызында, бактериялық цитокинезде маңызды рөл атқаратыны белгілі, барлық α, β және γ тубулиндерге тән "тубулиннің ерекше тізбегі" бар екенін анықтады.

FtsZ

FtsZ прокариот цитоскелетінде алғашқы анықталған ақуыз болды. Тубулин сияқты, FtsZ гуанозин трифосфаты (GTP) қатысында жіпшелер құрайды, бірақ бұл жіпшелер түтікшелерге бірікпейді. Жасуша бөліну кезінде FtsZ бөліну орнына алғашқы көшетін ақуыз және бөлінетін жасушалар арасындағы жаңа жасуша қабырғасын синтездейтін басқа ақуыздарды тарту үшін қажетті.

MreB және ParM

Прокариоттық актинге ұқсас ақуыздар, мысалы MreB, жасуша пішінін сақтауға қатысады. Сфера пішіндес емес барлық бактерияларда актинге ұқсас ақуыздарды кодтайтын гендер бар, және бұл ақуыздар жасуша мембранасының астында спиральді желі құрайды, ол жасуша қабырғасының биосинтезіне қатысатын ақуыздарды бағыттайды. Кейбір плазмидалар актинге ұқсас ақуыз ParM қатысатын жеке жүйені кодтайды. ParM жіпшелері динамикалық тұрақсыздық көрсетеді және еукариоттық митоз кезінде микротубулалар қолданатын сияқты механизм арқылы плазмидалық ДНК-ны бөлінетін қызыл жасушаларға бөлуге мүмкіндік береді.

Ай жарым шамасы

Caulobacter crescentus бактериясы еукариот клеткаларының аралық жіпшелеріне байланысты үшінші белок – кресцентин қамтиды. Кресцентин бактериялардың спираль және вибриоид пішіндері сияқты клетка пішінін сақтауға да қатысады, бірақ оның қалай істелетіні әзірге белгісіз. Бұған қоса, пептидогликан синтезі бұзылған жағдайда қисықтық, жарты ай тәрізді жіпшелердің орын ауысуы арқылы сипатталуы мүмкін.

Цитоскелет пен жасуша механикасы

Цитоскелет – жоғары анизотроптық және динамикалық желі, жасушалық микроортаның өзгеруіне жауап ретінде үнемі өздігінен қайта құрылады. Бұл желі жасушаның механикалық қасиеттері мен динамикасына құрамдас талшықтарын (негізінен актин мен миозин, бірақ микротубулалар мен аралық талшықтар да маңызды рөл атқарады) дифференциалды полимерлендіру және деполимерлендіру арқылы әсер етеді. Бұл күштерді жасайды, олар жасушаға оның микроортасы туралы ақпарат беруде маңызды рөл атқарады. Атап айтқанда, кернеу, беріктік және серпімді күштер жасушаның тағдырына, дифференциациясына, миграциясына және жылжу қабілетіне әсер ететіні дәлелденді. Механотрансдукция нәтижесінде цитоскелет өзінің құрамын және/немесе бағытын күштің әсеріне бейімдеп, жасушаның тиісті жауап беруін қамтамасыз етеді. Цитоскелет анықталған күштерге жауап ретінде жасушаның механикалық қасиеттерін өзгертеді. Мысалы, плазмалық мембранадағы кернеудің артуы иондық каналдардың ашылу ықтималдығын арттырады, бұл иондық өткізгіштікті күшейтеді және жасушаның иондардың кіруі немесе шығуы мүмкіндігін арттырады. Цитоскелетпен тығыз байланыспаған мембраналық ақуыз, егер ол нақты бағытталған күшке ұшыраса, кортикальдық актин желісіне елеулі әсер етпейді. Дегенмен, цитоскелетпен тығыз байланысты мембраналық ақуыздар күштірек жауапты тудырады. Диаметрі 10–50 мкм болатын жасушалар, цитоплазмадағы жасушалық қызметті үйлестіруге қажетті молекулалардан мыңдаған есе үлкен. Жасушалар маңызды биомолекулалардан әлдеқайда үлкен болғандықтан, цитоплазманың әртүрлі бөліктерінің бір-бірімен байланысуы қиын. Сонымен қатар, биомолекулалар жасушаның ұзындығымен салыстырылатын ұзындыққа дейін полимерленуі керек, бірақ нәтижедегі полимерлер ұйымсыз болуы және цитоплазманың бір бөлігінен екіншісіне сигналдарды тиімді жеткізе алмауы мүмкін. Осылайша, полимерлерді ұйымдастыру және олардың жасушаның барлық бөлігімен тиімді байланыс құруын қамтамасыз ету үшін цитоскелет қажет.

Прокариоттар мен эукариоттардың ортақ ерекшеліктері мен айырмашылықтары

Анықтама бойынша, цитоскелет – барлық организмдерде бойлық құрылымдар (талшықтар) құрайтын ақуыздардан тұрады. Бұл талшық құраушы ақуыздар 4 классқа бөлінеді: тубулинге ұқсас, актинге ұқсас, Уолкер А цитоскелеттік АТФазалар (WACA ақуыздары) және аралық талшықтар. Өсімдіктер мен балдырлар жасушалары көбінесе басқа көптеген жасушалардан ірі болады, сондықтан цитоплазмалық ағыс осы жасушалар үшін маңызды. Себебі жасушаның артық көлемі органеллаларды бүкіл жасушаға тарату үшін цитоплазмалық ағысқа мұқтаж. Органеллалар цитоскелеттегі микроталшықтармен миозин моторларының көмегімен қозғалады, актин талшықтарының жиынтығына байланысып, итеріп жылжытады.