Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Цитоскелеттің құрамына кіретін тубулин полимері.
Polymer of tubulin that forms part of the cytoskeleton
Микротубульдер – цитоскелеттің құрамына кіретін тубулин полимерлері, эукариотты жасушаларға құрылым мен пішін береді. Микротубульдердің ұзындығы 50 микрометрге дейін, ені 23-27 нм, ал ішкі диаметрі 11-15 нм аралығында болуы мүмкін. Олар екі шар тәрізді ақуыз – альфа және бета тубулиннің димерінің полимерленуі арқылы протофиламенттерге айналады, содан кейін олар бүйірлі жағынан қосылып, қуыс түтік – микротубуль құрайды. Микротубульдің ең көп таралған түрі түтікшелік құрылымдағы 13 протофиламенттен тұрады. Микротубульдер көптеген жасушалық процестерде маңызды рөл атқарады. Олар жасушаның құрылымын сақтауға қатысады және микрофиламенттер мен аралық талшықтармен бірге цитоскелетті құрайды. Сонымен қатар, кірпікшелер мен қамшылардың ішкі құрылымын құрайды. Олар жасушаішілік тасымалдау үшін платформа ұсынады және секреторлық көпіршіктердің, органеллалардың және жасушаішілік макромолекулалық жинақтардың қозғалысы сияқты түрлі жасушалық процестерге қатысады. Олар жасушаның бөлінуіне (митоз және мейоз арқылы) қатысады және эукариоттық хромосомаларды ажырату үшін қолданылатын митоздық шпиндельдердің негізгі құрамдас бөліктері болып табылады. Микротубульдер микротубуль ұйымдастырушы орталықтар арқылы ядроланады және ұйымдастырылады, мысалы, көптеген жануарлар жасушаларының ортасындағы центросома, кірпікшелер мен қамшылардың базалық денелері немесе көптеген саңырауқұлақтарда кездесетін шпиндельді полюс денелері. Микротубульдерге динеин және кинезин сияқты моторлы ақуыздар, катанин сияқты микротубульдерді кесуші ақуыздар және микротубульдердің динамикасын реттеу үшін маңызды басқа ақуыздар қоса алғанда, көптеген ақуыздар байланысады. Жақында грамположит бактерия Bacillus thuringiensis-те актинге ұқсас белок табылды, ол плазмидтердің бөлінуіне қатысатын нанотубуль деп аталатын микротубульге ұқсас құрылымды құрайды. Басқа бактериялық микротубульдердің бес протофиламенттен тұратын сақинасы бар.
Microtubules are polymers of tubulin that form part of the cytoskeleton and provide structure and shape to eukaryotic cells. Microtubules can be as long as 50 micrometres, as wide as 23 to 27 nm and have an inner diameter between 11 and 15 nm. They are formed by the polymerization of a dimer of two globular proteins, alpha and beta tubulin into protofilaments that can then associate laterally to form a hollow tube, the microtubule. The most common form of a microtubule consists of 13 protofilaments in the tubular arrangement. Microtubules play an important role in a number of cellular processes. They are involved in maintaining the structure of the cell and, together with microfilaments and intermediate filaments, they form the cytoskeleton. They also make up the internal structure of cilia and flagella. They provide platforms for intracellular transport and are involved in a variety of cellular processes, including the movement of secretory vesicles, organelles, and intracellular macromolecular assemblies. They are also involved in cell division (by mitosis and meiosis) and are the main constituents of mitotic spindles, which are used to pull eukaryotic chromosomes apart. Microtubules are nucleated and organized by microtubule organizing centres, such as the centrosome found in the center of many animal cells or the basal bodies of cilia and flagella, or the spindle pole bodies found in most fungi. There are many proteins that bind to microtubules, including the motor proteins dynein and kinesin, microtubule severing proteins like katanin, and other proteins important for regulating microtubule dynamics. Recently an actin like protein has been found in the gram positive bacterium Bacillus thuringiensis, which forms a microtubule like structure called a nanotubule, involved in plasmid segregation. Other bacterial microtubules have a ring of five protofilaments.
Тарих
Тюбулин және микротубульдер арқылы жүзеге асырылатын жасушалардың қозғалысы сияқты процестерді алғашқы микроскопистер, мысалы Ливенгук (1677) байқаған. Дегенмен, флагеллумның талшықты құрылымы және басқа да құрылымдар екі ғасырдан кейін жақсартылған жарық микроскоптары арқылы ашылды және 20-ғасырда электронды микроскоптар мен биохимиялық зерттеулермен расталды. Динеин және кинезин сияқты микротубульдік моторлы ақуыздарды зерттеу үшін микротубульді немесе моторлы ақуыздарды флуоресценттік таңбалап, микроскопқа арналған слайдқа бекітіп, содан кейін бейне күшейткіш микроскопия арқылы слайдты қарап моторлы ақуыздардың қозғалысын жазуға болады. Бұл моторлы ақуыздардың микротубульдер бойымен немесе микротубульдердің моторлы ақуыздар арқылы қозғалуын мүмкіндік береді. Осының салдарынан кейбір микротубульдік процестерді кимография арқылы анықтауға болады.
Tubulin and microtubule mediated processes, like cell locomotion, were seen by early microscopists, like Leeuwenhoek (1677). However, the fibrous nature of flagella and other structures were discovered two centuries later, with improved light microscopes, and confirmed in the 20th century with the electron microscope and biochemical studies. In vitro assays for microtubule motor proteins such as dynein and kinesin are researched by fluorescently tagging a microtubule and fixing either the microtubule or motor proteins to a microscope slide, then visualizing the slide with video enhanced microscopy to record the travel of the motor proteins. This allows the movement of the motor proteins along the microtubule or the microtubule moving across the motor proteins. Consequently, some microtubule processes can be determined by kymograph.
Құрылымы
Эукариоттарда микротубулалар – полимерленген α және β тубулин димерлерінен тұратын ұзын қуыс цилиндрлер. Қуыс микротубула цилиндрлерінің ішкі кеңістігі люмен деп аталады. α және β тубулин суббірліктері аминқышқылы деңгейінде ~50% бірдей, ал екеуінің де молекулалық салмағы шамамен 50 кДа. Бұл α/β тубулин димерлері тізбектей бірігіп, бір микротубула құру үшін бүйірлей бірігіп тұратын протофиламенттерге полимерленеді, содан кейін оны α/β тубулин димерлерін қосу арқылы ұзартуға болады. Әдетте, микротубулалар он үш протофиламенттің қатарлас бірігуі арқылы қалыптасады, бірақ аз немесе көп протофиламенттерден тұратын микротубулалар түрлі түрлерде және in vitro жағдайында да байқалады. Микротубулалардың биологиялық функциясы үшін маңызды ерекше полярлығы бар. Тубулин тізбектей полимерленеді, бір тубулин димерінің β суббірліктері келесі димердің α суббірліктерімен жанасады. Сондықтан протофиламенттің бір ұшында α суббірліктері, ал екінші ұшында β суббірліктері болады. Бұл ұштар тиісінше (-) және (+) ұштар деп аталады. Протофиламенттер бір-біріне параллель түйіледі, бірдей полярлықты сақтайды, сондықтан микротубулада бір ұшы, (+) ұшы, тек β суббірліктерімен ашық, ал екінші ұшы, (-) ұшы, тек α суббірліктерімен ашық болады. Микротубуланың ұзаруы (+) және (-) екі ұшында да болуы мүмкін, бірақ (+) ұшында айтарлықтай жылдам. Протофиламенттердің бүйірлік бірігуі псевдо спиральді құрылымды тудырады, спиральдің бір айналымында әртүрлі протофиламенттен 13 тубулин димері болады. Ең көп таралған "13 3" архитектурасында 13-ші тубулин димері келесі тубулин димерімен спиральдің тікұшақтығына байланысты 3 тубулин мономерінің тік ығысуымен өзара әрекеттеседі. Басқа да баламалы архитектуралар бар, мысалы 11 3, 12 3, 14 3, 15 4 немесе 16 4, олар сирек кездеседі. Микротубулалар форманифера сияқты протест организмдерінде байқалатын спиральді талшықтар сияқты басқа да нысандарға айналуы мүмкін. Микротубуланың ішкі жағындағы бүйірлік протофиламенттердің А және В типті торлар деп аталатын суббірліктері арасында екі түрлі өзара әрекеттесулер болады. А типті торда протофиламенттердің бүйірлік байланыстары іргелес α және β тубулин суббірліктері арасында пайда болады (яғни бір протофиламенттегі α тубулин суббірлігі іргелес протофиламенттегі β тубулин суббірлігімен өзара әрекеттеседі). В типті торда бір протофиламенттегі α және β тубулин суббірліктері сәйкесінше іргелес протофиламенттегі α және β тубулин суббірліктерімен өзара әрекеттеседі. Эксперименттік зерттеулер көрсеткендей, В типті тор микротубулалардың ішіндегі басты құрылым болып табылады. Алайда, көптеген микротубулаларда тубулиннің α β суббірліктері өзара әрекеттесетін тігіс бар. Микротубулалардың қалыптасу кезіндегі молекулалардың тізбегі мен нақты құрамын былай қорытындылауға болады: β-тубулин ковалентті байланыс болмаған жағдайда α-тубулинмен қосылады, олардың біріккен түрі гетеродимер болып табылады, себебі олар екі түрлі полипептидтен тұрады (β-тубулин және α-тубулин). Гетеродимерлер пайда болғаннан кейін олар бір бағытта (мысалы, жоғары қарай) өрнектеліп тұратын ұзын тізбектерді құру үшін бірігеді. Белгілі бір бағытта байланысқан гетеродимерлер протофиламенттер құрайды. Бұл ұзын тізбектер (протофиламенттер) біртіндеп бір-біріне жинақталып, түтік тәрізді құрылымды құрайды, оның түтікке тән люмені бар. Сәйкесінше, микротубулалардың сыртқы қабырғасын негізінен 13 протофиламент құрайды. Гетеродимерлер оң және теріс ұштардан тұрады, альфа-тубулин теріс ұшты, ал бета-тубулин оң ұшты құрайды. Гетеродимерлер бір-біріне үйіліп орналасқандықтан, әрқашан теріс және оң ұштары болады. Микротубулалар плюс ұшында гетеродимерлер қосылуы арқылы өседі. Простекобактердің кейбір түрлерінде де микротубулалар бар. Бұл бактериялық микротубулалардың құрылымы эукариоттық микротубулаларға ұқсас, бактериялық тубулин А (BtubA) және бактериялық тубулин В (BtubB) гетеродимерлерінен құралған протофиламенттерден тұратын қуыс түтікшеден тұрады. BtubA және BtubB альфа және β тубулиндерінің ерекшеліктерін бөліседі. Эукариоттық микротубулалардан айырмашылығы, бактериялық микротубулалардың қатуына шаперон қажет емес. Эукариоттық микротубуланың 13 протофиламентімен салыстырғанда, бактериялық микротубулада тек бес протофиламент бар.
In eukaryotes, microtubules are long, hollow cylinders made up of polymerized α and β tubulin dimers. The inner space of the hollow microtubule cylinders is referred to as the lumen. The α and β tubulin subunits are ~50% identical at the amino acid level, and both have a molecular weight of approximately 50 kDa. These α/β tubulin dimers polymerize end to end into linear protofilaments that associate laterally to form a single microtubule, which can then be extended by the addition of more α/β tubulin dimers. Typically, microtubules are formed by the parallel association of thirteen protofilaments, although microtubules composed of fewer or more protofilaments have been observed in various species as well as in vitro. Microtubules have a distinct polarity that is critical for their biological function. Tubulin polymerizes end to end, with the β subunits of one tubulin dimer contacting the α subunits of the next dimer. Therefore, in a protofilament, one end will have the α subunits exposed while the other end will have the β subunits exposed. These ends are designated the (−) and (+) ends, respectively. The protofilaments bundle parallel to one another with the same polarity, so, in a microtubule, there is one end, the (+) end, with only β subunits exposed, while the other end, the (−) end, has only α subunits exposed. While microtubule elongation can occur at both the (+) and (−) ends, it is significantly more rapid at the (+) end. The lateral association of the protofilaments generates a pseudo helical structure, with one turn of the helix containing 13 tubulin dimers, each from a different protofilament. In the most common "13 3" architecture, the 13th tubulin dimer interacts with the next tubulin dimer with a vertical offset of 3 tubulin monomers due to the helicity of the turn. There are other alternative architectures, such as 11 3, 12 3, 14 3, 15 4, or 16 4, that have been detected at a much lower occurrence. Microtubules can also morph into other forms such as helical filaments, which are observed in protist organisms like foraminifera. There are two distinct types of interactions that can occur between the subunits of lateral protofilaments within the microtubule called the A type and B type lattices. In the A type lattice, the lateral associations of protofilaments occur between adjacent α and β tubulin subunits (i. e. an α tubulin subunit from one protofilament interacts with a β tubulin subunit from an adjacent protofilament). In the B type lattice, the α and β tubulin subunits from one protofilament interact with the α and β tubulin subunits from an adjacent protofilament, respectively. Experimental studies have shown that the B type lattice is the primary arrangement within microtubules. However, in most microtubules there is a seam in which tubulin subunits interact α β. The sequence and exact composition of molecules during microtubule formation can thus be summarised as follows: A β tubulin connects in the context of a non existent covalent bond with an α tubulin, which in connected form are a heterodimer, since they consist of two different polypeptides (β tubulin and α tubulin). So after the heterodimers are formed, they join together to form long chains that rise figuratively in one direction (e. g. upwards). These heterodimers, which are connected in a certain direction, form protofilaments. These long chains (protofilaments) now gradually accumulate next to each other so that a tube like structure is formed, which has a lumen typical of a tube. Accordingly, mostly 13 protofilaments form the outer wall of the microtubules. The heterodimers consist of a positive and negative end, with alpha tubulin forming the negative end and beta tubulin the positive end. Due to the fact that the heterodimers are stacked on top of each other, there is always a negative and positive end. Microtubules grow by an addition of heterodimers at the plus end. Some species of Prosthecobacter also contain microtubules. The structure of these bacterial microtubules is similar to that of eukaryotic microtubules, consisting of a hollow tube of protofilaments assembled from heterodimers of bacterial tubulin A (BtubA) and bacterial tubulin B (BtubB). Both BtubA and BtubB share features of both α and β tubulin. Unlike eukaryotic microtubules, bacterial microtubules do not require chaperones to fold. In contrast to the 13 protofilaments of eukaryotic microtubules, bacterial microtubules comprise only five.
Жасушааралық ұйым
Микротубулалар цитоскелеттің бір бөлігі, яғни жасушаның цитоплазмасындағы құрылымдық желі. Микротубула цитоскелетінің қызметтеріне механикалық қолдау көрсету, цитоплазманы ұйымдастыру, тасымалдау, қозғалу және хромосомаларды бөлу кіреді. Дамитын нейрондарда микротубулалар нейротүтіктер деп аталады және цитоскелеттің тағы бір құрамы – актиннің динамикасын реттеуге қабілді. Микротубула күш тудыру үшін өсуге және қысқаруға шамасы бар, сондай-ақ органеллалар мен басқа жасушалық құрамдастарды микротубула бойымен тасымалдауға мүмкіндік беретін моторлы ақуыздар бар. Микротубулалардың осы қызметтерінің үйлесімі жасушаішілік құрамдастарды ұйымдастыру және жылжыту үшін маңызды. Жасушадағы микротубулалардың ұйымдасуы жасуша түріне қарай өзгереді. Эпителийлерде микротубула полимерінің минус ұштары жасушалардың байланысқан жеріне жақын бекітіліп, апикальды-базальды ось бойымен ұйымдастырылған. Нуклеациядан кейін минус ұштары босатылып, кейін ninein және PLEKHA7 сияқты факторлармен периферияға қайта бекітіледі. Осылайша, олар ақуыздардың, көпіршіктердің және органеллалардың жасушаның апикальды-базальды осі бойымен тасымалдануына көмектеседі. Фибробластар мен басқа мезенхималық жасуша түрлерінде микротубулалар центросомаға бекітіліп, олардың плюс ұштарымен жасуша перифериясына қарай сәулеленеді (бірінші суретте көрсетілгендей). Бұл жасушаларда микротубулалар жасушалардың қозғалуында маңызды рөл атқарады. Сонымен қатар, микротубулалардың полярлығы моторлы ақуыздардың әсеріне ұшырайды, олар жасушаның көптеген құрамдастарын, соның ішінде эндоплазмалық тор мен Гольджи аппаратын ұйымдастырады.
Microtubules are part of the cytoskeleton, a structural network within the cell's cytoplasm. The roles of the microtubule cytoskeleton include mechanical support, organization of the cytoplasm, transport, motility and chromosome segregation. In developing neurons microtubules are known as neurotubules, and they can modulate the dynamics of actin, another component of the cytoskeleton. A microtubule is capable of growing and shrinking in order to generate force, and there are motor proteins that allow organelles and other cellular components to be carried along a microtubule. This combination of roles makes microtubules important for organizing and moving intracellular constituents. The organization of microtubules in the cell is cell type specific. In epithelia, the minus ends of the microtubule polymer are anchored near the site of cell cell contact and organized along the apical basal axis. After nucleation, the minus ends are released and then re anchored in the periphery by factors such as ninein and PLEKHA7. In this manner, they can facilitate the transport of proteins, vesicles and organelles along the apical basal axis of the cell. In fibroblasts and other mesenchymal cell types, microtubules are anchored at the centrosome and radiate with their plus ends outwards towards the cell periphery (as shown in the first figure). In these cells, the microtubules play important roles in cell migration. Moreover, the polarity of microtubules is acted upon by motor proteins, which organize many components of the cell, including the endoplasmic reticulum and the Golgi apparatus.
Ядролық
Нуклеация – тубулин димерінен микротубулалардың қалыптасуын бастайтын құбылыс. Микротубулалар әдетте ядролық және микротубулаларды ұйымдастыру орталықтары (МТОЦ) деп аталатын органеллалар арқылы ұйымдастырылады. МТОЦ-де микротубулалардың α және β суббірліктерінен өзгеше γ-тубулиннің тағы бір түрі бар. γ-тубулин бірнеше басқа қатарласқан ақуыздармен бірігіп, "γ-тубулин сақина кешені" (γ TuRC) деп аталатын құлыпты шайба сияқты құрылымды құрайды. Бұл кешен α/β тубулин димерлерінің полимерленуі үшін матрица ретінде әрекет етеді; ол (−) ұшының қақпағы ретінде әрекет етеді, ал микротубулалардың өсуі (+) бағытында МТОЦ-тен алыстайды. Центросома – көптеген жасуша түрлерінің негізгі МТОЦ. Дегенмен, микротубулалар басқа да жерлерден нуклеациялануы мүмкін. Мысалы, кірпікшелер мен қамшыларда базалық денелер деп аталатын МТОЦ-тер бар. Сонымен қатар, Вандербильт университетіндегі Каверина тобының және басқалардың зерттеулері Голги аппараты микротубулалардың нуклеациялануы үшін маңызды платформа ретінде қызмет ете алатынын көрсетеді. Центросомадан нуклеация симметриялық болғандықтан, Голгиге байланысты микротубулалық нуклеация жасушаға микротубулалық желіде асимметрияны орнатуға мүмкіндік береді. Соңғы зерттеулерде UCSF-дегі Vale тобы центросомаға тәуелді, шпиндельге негізделген микротубулалардың пайда болуы үшін маңызды фактор ретінде аугмин ақуыз кешенін анықтады. Ол γ TuRC-мен өзара әрекеттесіп, митоздық шпиндельдің басталу орнының маңындағы микротубулалардың тығыздығын арттырады. Өсімдік жасушалары сияқты кейбір жасуша түрлерінде анықталған МТОЦ-тер жоқ. Бұл жасушаларда микротубулалар цитоплазмадағы дискретті жерлерден нуклеацияланады. Басқа жасуша түрлерінде, мысалы, трипаносоматид паразиттерінде МТОЦ бар, бірақ ол қамшының табанында тұрақты түрде орналасқан. Мұнда құрылымдық рөлдер үшін және митоздық шпиндельді құру үшін микротубулалардың нуклеациялануы канондық центриол сияқты МТОЦ-тен емес.
Nucleation is the event that initiates the formation of microtubules from the tubulin dimer. Microtubules are typically nucleated and organized by organelles called microtubule organizing centers (MTOCs). Contained within the MTOC is another type of tubulin, γ tubulin, which is distinct from the α and β subunits of the microtubules themselves. The γ tubulin combines with several other associated proteins to form a lock washer like structure known as the "γ tubulin ring complex" (γ TuRC). This complex acts as a template for α/β tubulin dimers to begin polymerization; it acts as a cap of the (−) end while microtubule growth continues away from the MTOC in the (+) direction. The centrosome is the primary MTOC of most cell types. However, microtubules can be nucleated from other sites as well. For example, cilia and flagella have MTOCs at their base termed basal bodies. In addition, work from the Kaverina group at Vanderbilt, as well as others, suggests that the Golgi apparatus can serve as an important platform for the nucleation of microtubules. Because nucleation from the centrosome is inherently symmetrical, Golgi associated microtubule nucleation may allow the cell to establish asymmetry in the microtubule network. In recent studies, the Vale group at UCSF identified the protein complex augmin as a critical factor for centrosome dependent, spindle based microtubule generation. It that has been shown to interact with γ TuRC and increase microtubule density around the mitotic spindle origin. Some cell types, such as plant cells, do not contain well defined MTOCs. In these cells, microtubules are nucleated from discrete sites in the cytoplasm. Other cell types, such as trypanosomatid parasites, have a MTOC but it is permanently found at the base of a flagellum. Here, nucleation of microtubules for structural roles and for generation of the mitotic spindle is not from a canonical centriole like MTOC.
Полимерлеу
Бастапқы ядролық оқиғадан кейін, өсіп келе жатқан полимерге тубулин мономерлері қосылуы тиіс. Мономерлерді қосу немесе алып тастау процесі, αβ тубулин димерлерінің ерітіндідегі концентрациясына, оның ішінде критикалық концентрацияға қатысты. Критикалық концентрация – бұл микротүтік ұшындағы жалпы құрастыру немесе бөлшектену тоқтатылатын димерлердің тұрақты күйдегі концентрациясы. Егер димер концентрациясы критикалық концентрациядан жоғары болса, микротүтік полимерленіп өседі. Егер концентрация критикалық концентрациядан төмен болса, микротүтіктің ұзындығы қысқарады.
Following the initial nucleation event, tubulin monomers must be added to the growing polymer. The process of adding or removing monomers depends on the concentration of αβ tubulin dimers in solution in relation to the critical concentration, which is the steady state concentration of dimers at which there is no longer any net assembly or disassembly at the end of the microtubule. If the dimer concentration is greater than the critical concentration, the microtubule will polymerize and grow. If the concentration is less than the critical concentration, the length of the microtubule will decrease.
Динамикалық тұрақсыздық
Динамикалық тұрақсыздық – микротүтіктердің ұштарында құрастыру мен ыдыраудың бірдей жүруі. Микротүтік осы аймақта өсу және қысқару фазалары арасында динамикалық түрде ауыса алады. Тубулин димерлері GTP-нің екі молекуласын байланыстыра алады, олардың біреуі құрастырылғаннан кейін гидролизденеді. Полимерлену кезінде тубулин димерлері GTP-ге байланысқан күйде болады. Микротүтік ұшындағы GDP-ге байланысқан тубулин суббірлігі түсіп қалуы мүмкін, бірақ микротүтік ортасындағы GDP-ге байланысқан тубулин полимерден өздігінен шыға алмайды. Тубулин микротүтік ұшына GTP-ге байланысқан күйде қосылатындықтан, оны ыдыраудан қорғайтын GTP-ге байланысқан тубулиннің ұшында қақпақша бар деген ұсыныс бар. Гидролиз микротүтік ұшына жеткенде, ол жылдам деполимеризацияланып, қысқарады. Өсуден қысқаруға ауысу "апат" деп аталады. GTP-ге байланысқан тубулин микротүтік ұшына қайтадан қосыла бастайды, жаңа қақпақша құрып, микротүтікті қысқарудан қорғайды. Бұл "құтқару" деп аталады.
Dynamic instability refers to the coexistence of assembly and disassembly at the ends of a microtubule. The microtubule can dynamically switch between growing and shrinking phases in this region. Tubulin dimers can bind two molecules of GTP, one of which can be hydrolyzed subsequent to assembly. During polymerization, the tubulin dimers are in the GTP bound state. A GDP bound tubulin subunit at the tip of a microtubule will tend to fall off, although a GDP bound tubulin in the middle of a microtubule cannot spontaneously pop out of the polymer. Since tubulin adds onto the end of the microtubule in the GTP bound state, a cap of GTP bound tubulin is proposed to exist at the tip of the microtubule, protecting it from disassembly. When hydrolysis catches up to the tip of the microtubule, it begins a rapid depolymerization and shrinkage. This switch from growth to shrinking is called a catastrophe. GTP bound tubulin can begin adding to the tip of the microtubule again, providing a new cap and protecting the microtubule from shrinking. This is referred to as "rescue".
"Қорау және түсіру" моделі
1986 жылы Марк Киршнер мен Тим Митчисон микротүтіктердің плюс ұштарындағы өсу және ықшаюдың динамикалық қасиеттерін пайдаланып, жасушаның үш өлшемді кеңістігін зерттейтінін ұсынды. Плюс ұштары кинетохорларға немесе полярлық орталықтарға кездескенде тұрақтап, енді өспей немесе қысқармайды. 5–10 минут жартылай ыдырау периодына ие қалыпты динамикалық микротүтіктерден өзгеше, тұрақталған микротүтіктер сағаттап сақталады. Бұл идея "іздеу және ұстау" моделі деп белгілі. Іс жүзінде, содан бері жасалған зерттеулер бұл идеяны көбінесе растады. Кинетохорда микротүтіктердің (+) ұштарын ұстауға қабілетті әртүрлі кешендер анықталды. Сонымен қатар, интерфазалық микротүтіктер үшін (+) ұштарын шектеу белсенділігі де сипатталған. Бұл кейінгі белсенділікті формандар, аденоматозды полипоз coli протеині және микротүтіктердің өсуші плюс ұштарымен бірге қозғалатын EB1 протеині жүзеге асырады.
In 1986, Marc Kirschner and Tim Mitchison proposed that microtubules use their dynamic properties of growth and shrinkage at their plus ends to probe the three dimensional space of the cell. Plus ends that encounter kinetochores or sites of polarity become captured and no longer display growth or shrinkage. In contrast to normal dynamic microtubules, which have a half life of 5–10 minutes, the captured microtubules can last for hours. This idea is commonly known as the "search and capture" model. Indeed, work since then has largely validated this idea. At the kinetochore, a variety of complexes have been shown to capture microtubule (+) ends. Moreover, a (+) end capping activity for interphase microtubules has also been described. This later activity is mediated by formins, the adenomatous polyposis coli protein, and EB1, a protein that tracks along the growing plus ends of microtubules.
Плюс-оң жаққа қарайтын протеиндер (+TIP)
Плюс-соңы бар протеиндер – өсіп келе жатқан микротубулалардың ұштарына байланысып, микротубула динамикасын реттеуде маңызды рөл атқаратын MAP протеиндері. Мысалы, +TIP-тер митоз кезінде микротубулалардың хромосомалармен өзара әрекеттесуіне қатысатыны байқалды. +TIP ретінде анықталған алғашқы MAP – CLIP170 (цитоплазмалық байланыстырушы белок), ол микротубуланың деполимеризациясы кезіндегі құтқару оқиғаларында рөл атқаратыны көрсетілген. +TIP-тердің басқа мысалдары: EB1, EB2, EB3, p150Glued, Dynamitin, Lis1, CLIP115, CLASP1 және CLASP2.
Plus end tracking proteins are MAP proteins which bind to the tips of growing microtubules and play an important role in regulating microtubule dynamics. For example, +TIPs have been observed to participate in the interactions of microtubules with chromosomes during mitosis. The first MAP to be identified as a +TIP was CLIP170 (cytoplasmic linker protein), which has been shown to play a role in microtubule depolymerization rescue events. Additional examples of +TIPs include EB1, EB2, EB3, p150Glued, Dynamitin, Lis1, CLIP115, CLASP1, and CLASP2.
Моторлы ақуыздар
Микротубулалар моторлы ақуыздардың субстраттары ретінде әрекет ете алады, олар везикула тасымалы және жасушалық бөліну сияқты маңызды жасушалық функцияларға қатысады. Басқа микротубуламен байланысқан ақуыздардан айырмашылығы, моторлы ақуыздар АТФ гидролизінен алынған энергияны субстрат бойымен ақуызды жылжытатын механикалық жұмыс жасау үшін пайдаланады. Микротубулалармен өзара әрекеттесетін негізгі моторлы ақуыздар – кинезин, ол әдетте микротубуланың (+) ұшына қарай қозғалады, және динеин, ол (−) ұшына қарай қозғалады. Динеин екі бірдей ауыр тізбекшенің құрамынан тұрады, олар екі ірі шар тәрізді бас доменін және өзгермелі сандағы аралық және жеңіл тізбекшені құрайды. Динеин арқылы тасымалдау микротубуланың (+) ұшынан (−) ұшына қарай жүзеге асырылады. АТФ гидролизі шар тәрізді бас домендерінде жүреді, олар ААА+ (жасушалық әрекеттерге байланысты АТФаза) ақуыз отбасымен ұқсастықтарды бөліседі. Бұл домендердегі АТФ гидролизі микротубуламен байланысу домендері арқылы микротубула бойымен қозғалумен байланысты. Динеин цитоплазмада везикулалар мен органеллаларды тасымалдайды. Мұны істеу үшін динеин молекулалары органелла мембраналарына динактин сияқты бірқатар элементтерді қамтитын ақуыз кешені арқылы байланысады. Кинезиннің құрылымы динеинге ұқсас. Кинезин микротубуланың (+) ұшына қарай везикулалар, органеллалар, ақуыз кешендері және мРНК сияқты әртүрлі жасушалық жүктерді тасымалдауға қатысады. Геномдарын көбейту үшін ядроға кіруді қажет ететін кейбір вирустар (ретровирустар, герпес вирустары, парвовирустар және аденовирустар) моторлы ақуыздарға қосылады.
Microtubules can act as substrates for motor proteins that are involved in important cellular functions such as vesicle trafficking and cell division. Unlike other microtubule associated proteins, motor proteins utilize the energy from ATP hydrolysis to generate mechanical work that moves the protein along the substrate. The major motor proteins that interact with microtubules are kinesin, which usually moves toward the (+) end of the microtubule, and dynein, which moves toward the (−) end. Dynein is composed of two identical heavy chains, which make up two large globular head domains, and a variable number of intermediate and light chains. Dynein mediated transport takes place from the (+) end towards the ( ) end of the microtubule. ATP hydrolysis occurs in the globular head domains, which share similarities with the AAA+ (ATPase associated with various cellular activities) protein family. ATP hydrolysis in these domains is coupled to movement along the microtubule via the microtubule binding domains. Dynein transports vesicles and organelles throughout the cytoplasm. In order to do this, dynein molecules bind organelle membranes via a protein complex that contains a number of elements including dynactin. Kinesin has a similar structure to dynein. Kinesin is involved in the transport of a variety of intracellular cargoes, including vesicles, organelles, protein complexes, and mRNAs toward the microtubule's (+) end. Some viruses (including retroviruses, herpesviruses, parvoviruses, and adenoviruses) that require access to the nucleus to replicate their genomes attach to motor proteins.
Орталықтар
Центросома митоз кезінде жасушаның негізгі MTOC (микротубулаларды ұйымдастыру орталығы) болып табылады. Әрбір центросома бір-біріне тік бұрышпен орналасқан екі цилиндр – центриолдардан тұрады. Центриол 9 негізгі микротүтіктерден құралған, әрқайсысына екі толық емес микротүтік бекітілген. Әрбір центриолдың ұзындығы шамамен 400 нм, ал көлденеңі шамамен 200 нм. Центросома митоз үшін маңызды, себебі процеске қатысатын көптеген микротүтіктер одан пайда болады. Әрбір микротүтіктің минус ұшы центросомадан басталады, ал плюс ұшы барлық бағытта таралады. Осылайша, центросома митоз кезінде микротүтіктердің полярлығын сақтауда да маңызды рөл атқарады. Көптеген жасушаларда жасушалық циклдің көп бөлігінде тек бір центросома болады, бірақ митозға дейін центросома көбейеді, нәтижесінде жасушада екі центросома пайда болады. Центросомадан таралатын кейбір микротүтіктер бауырлас центросомадан тікелей алыстайды. Бұл микротүтіктер астральдық микротүтіктер деп аталады. Осы астральдық микротүтіктердің көмегімен центросомалар бір-бірінен жасушаның қарама-қарсы жақтарына қарай жылжиды. Осы жерде митоз үшін қажетті басқа микротүтіктер, соның ішінде интерполярлық микротүтіктер және К талшықтары қалыптаса бастайды. Митоз кезінде центросомалар мен микротүтіктерге қатысты маңызды ескерту: центросома митозға қажетті микротүтіктер үшін MTOC болғанымен, зерттеулер көрсеткендей, микротүтіктер өздері қалыптасқаннан және дұрыс орналасқаннан кейін митоздың жүзеге асуы үшін центросомалардың өзі қажет емес.
The centrosome is the main MTOC (microtubule organizing center) of the cell during mitosis. Each centrosome is made up of two cylinders called centrioles, oriented at right angles to each other. The centriole is formed from 9 main microtubules, each having two partial microtubules attached to it. Each centriole is approximately 400 nm long and around 200 nm in circumference. The centrosome is critical to mitosis as most microtubules involved in the process originate from the centrosome. The minus ends of each microtubule begin at the centrosome, while the plus ends radiate out in all directions. Thus the centrosome is also important in maintaining the polarity of microtubules during mitosis. Most cells only have one centrosome for most of their cell cycle, however, right before mitosis, the centrosome duplicates, and the cell contains two centrosomes. Some of the microtubules that radiate from the centrosome grow directly away from the sister centrosome. These microtubules are called astral microtubules. With the help of these astral microtubules the centrosomes move away from each other towards opposite sides of the cell. Once there, other types of microtubules necessary for mitosis, including interpolar microtubules and K fibers can begin to form. A final important note about the centrosomes and microtubules during mitosis is that while the centrosome is the MTOC for the microtubules necessary for mitosis, research has shown that once the microtubules themselves are formed and in the correct place the centrosomes themselves are not needed for mitosis to occur.
Микротубульдердің кіші кластары
Астральды микротубулалар – митоз кезінде және оның айналасында ғана болатын микротубулалардың кіші класы. Олар центросомадан пайда болады, бірақ хромосомалармен, кинетохорлармен немесе екінші центросомадан пайда болған микротубулалармен өзара әрекеттеспейді. Оның орнына, олардың микротубулалары жасуша мембранасына қарай сәулеленіп таралады. Олар арнайы моторлы ақуыздармен өзара әрекеттесіп, микротубулаларды, яғни бүкіл центросоманы жасуша мембранасына қарай тартатын күш жасайды. Жоғарыда айтылғандай, бұл центросомалардың жасушада бір-бірінен алыстауына көмектеседі. Дегенмен, бұл астральды микротубулалар митоздық шпиндельдің өзімен өзара әрекеттеспейді. Эксперименттер астральды микротубулаларсыз митоздық шпиндельдің қалыптасатынын көрсетті, алайда оның жасушадағы бағыты әрқашан дұрыс бола бермейді, сондықтан митоз тиімді жүрмейді. Астральды микротубулалардың тағы бір маңызды қызметі – цитокинезге көмектесу. Олар жасуша мембранасындағы моторлы ақуыздармен өзара әрекеттесіп, хромосомалар екі еселенгеннен кейін шпиндельді және бүкіл жасушаны бөліп алады. Интерполярлық/полярлық микротубулалар – митоз кезінде центросомадан сәулеленіп шығатын микротубулалар класы. Бұл микротубулалар астральды микротубулалардан айырмашылығы, митоздық шпиндельге қарай сәулеленіп таралады. Интерполярлық микротубулалар – митоз кезіндегі ең көп таралған және динамикалық микротубулалардың кіші класы. Митоздық шпиндельдегі микротубулалардың шамамен 95 пайызы интерполярлық болып сипатталады. Сонымен қатар, олардың жартылай ыдырау мерзімі өте қысқа, бір минуттан да аз. Кинетохорларға тікелей қосылмаған интерполярлық микротубулалар кинетохорлармен бүйірлік өзара әрекеттесу арқылы хромосомалардың жиналуына көмектеседі. К талшықтары/Кинетохор микротубулалары – митоздық микротубулалардың үшінші маңызды кіші класы. Бұл микротубулалар митоздық шпиндельдегі кинетохорлармен тікелей байланыс жасайды. Әрбір К талшығы 20–40 параллель микротубуладан тұрады, олар бір шетінен центросомаға, екінші жағынан әрбір хромосоманың ортасында орналасқан кинетохорға жалғастырылған берік түтік құрайды. Әрбір центросома әрбір хромосома жұбымен байланысатын К талшығына ие болғандықтан, хромосомалар митоздық шпиндельдің ортасында К талшықтарымен бекітіледі. К талшықтарының жартылай ыдырау мерзімі интерполярлық микротубулаларға қарағанда ұзақ – 4 пен 8 минут аралығында. Митоздың соңында әрбір К талшығын құрайтын микротубулалар ажыраса бастайды, осылайша К талшықтары қысқарады. К талшықтары қысқарғанда хромосома жұптары цитокинез алдында бір-бірінен ажыратылады. Бұрын кейбір зерттеушілер К талшықтарының басқа микротубулалар сияқты центросомадан пайда болатын минус ұшында қалыптасады деп сенген, алайда жаңа зерттеулер басқа механизмді көрсетті. Бұл жаңа механизмде К талшықтары бастапқыда кинетохорлармен плюс ұшында тұрақтандырылып, одан өседі. Осы К талшықтарының минус ұшы ақырында бар болатын интерполярлық микротубулаға қосылады және осылайша центросомаға жалғастырылады.
Astral microtubules are a subclass of microtubules which only exist during and around mitosis. They originate from the centrosome, but do not interact with the chromosomes, kinetochores, or with the microtubules originating from the other centrosome. Instead their microtubules radiate towards the cell membrane. Once there they interact with specific motor proteins which create force that pull the microtubules, and thus the entire centrosome towards the cell membrane. As stated above, this helps the centrosomes orient themselves away from each other in the cell. However these astral microtubules do not interact with the mitotic spindle itself. Experiments have shown that without these astral microtubules, the mitotic spindle can form, however its orientation in the cell is not always correct and thus mitosis does not occur as effectively. Another key function of the astral microtubules is to aid in cytokinesis. Astral microtubules interact with motor proteins at the cell membrane to pull the spindle and the entire cell apart once the chromosomes have been replicated. Interpolar/Polar microtubules are a class of microtubules which also radiate out from the centrosome during mitosis. These microtubules radiate towards the mitotic spindle, unlike astral microtubules. Interpolar microtubules are both the most abundant and dynamic subclass of microtubules during mitosis. Around 95 percent of microtubules in the mitotic spindle can be characterized as interpolar. Furthermore, the half life of these microtubules is extremely short as it is less than one minute. Interpolar microtubules that do not attach to the kinetochores can aid in chromosome congregation through lateral interaction with the kinetochores. K fibers/Kinetochore microtubules are the third important subclass of mitotic microtubules. These microtubules form direct connections with the kinetochores in the mitotic spindle. Each K fiber is composed of 20–40 parallel microtubules, forming a strong tube which is attached at one end to the centrosome and on the other to the kinetochore, located in the center of each chromosome. Since each centrosome has a K fiber connecting to each pair of chromosomes, the chromosomes become tethered in the middle of the mitotic spindle by the K fibers. K fibers have a much longer half life than interpolar microtubules, at between 4 and 8 minutes. During the end of mitoses, the microtubules forming each K fiber begin to disassociate, thus shorting the K fibers. As the K fibers shorten the pair chromosomes are pulled apart right before cytokinesis. Previously, some researchers believed that K fibers form at their minus end originating from the centrosome just like other microtubules, however, new research has pointed to a different mechanism. In this new mechanism, the K fibers are initially stabilized at their plus end by the kinetochores and grow out from there. The minus end of these K fibers eventually connect to an existing Interpolar microtubule and are eventually connected to the centrosome in this way.
Митоздық ораудағы микротубульдер ядросы
Митоздық орауды құрайтын микротубульдердің көпшілігі центросомадан пайда болады. Бастапқыда осы микротубульдердің барлығы жоғарыда сипатталған іздеу және тұтқындау әдісі арқылы центросомадан шығады деп есептелген, бірақ жаңа зерттеулер митоз кезінде микротубульдердің қосымша түзілу механизмдері бар екенін көрсетті. Бұл қосымша механизмдердің ең маңыздысы – RAN GTP жолы. RAN GTP митоз кезінде хроматинмен байланысып, хромосомалар маңында микротубульдердің жергілікті түзілуіне жағдай жасайтын градиент құрайды. Сонымен қатар, аугмин/HAUS кешені деп аталатын екінші механизм (кейбір организмдер көбірек зерттелген аугмин кешенін пайдаланса, адам сияқты басқалары HAUS деп аталатын аналогты кешенді қолданады) митоздық шпиндельде микротубульдердің қосымша түзілуін қамтамасыз етеді. Динамикалық микротубульдер клетканың жиырылуы мен таралуын реттейтін RhoA және Rac1 сияқты маңызды G ақуыздарының деңгейін реттейді. Динамикалық микротубульдер көші-қон үшін қажетті ошақтық жабысудың ыдырауына да жауап береді. Микротубульдер жасуша қозғалысы кезінде артқы жиектің кері тартылуы үшін қажетті созылу күштеріне қарсы тұратын "тірек" ретінде әрекет ететіндігі анықталды. Жасушаның артқы жиегіндегі микротубульдер динамикалық болғанда, олар кері тартылуға мүмкіндік беретіндей өзгеріске ұшырай алады. Динамикасы басылғанда микротубульдер өзгермейді және созылу күштеріне қарсы тұрады. Алайда, жоғары концентрациядағы дәрілер немесе микротубульдерді ыдырататын мутациялар жасушалардың көшіп кетуін қалпына келтіре алады, бірақ бағыттылығы жоғалады. Сонымен, микротубульдер жасушалардың қозғалысын шектейді және бағыттылығын анықтайды.
Most of the microtubules that form the mitotic spindle originate from the centrosome. Originally it was thought that all of these microtubules originated from the centrosome via a method called search and capture, described in more detail in a section above, however new research has shown that there are addition means of microtubule nucleation during mitosis. One of the most important of these additional means of microtubule nucleation is the RAN GTP pathway. RAN GTP associates with chromatin during mitosis to create a gradient that allows for local nucleation of microtubules near the chromosomes. Furthermore, a second pathway known as the augmin/HAUS complex (some organisms use the more studied augmin complex, while others such as humans use an analogous complex called HAUS) acts an additional means of microtubule nucleation in the mitotic spindle. Dynamic microtubules regulate the levels of key G proteins such as RhoA and Rac1, which regulate cell contractility and cell spreading. Dynamic microtubules are also required to trigger focal adhesion disassembly, which is necessary for migration. It has been found that microtubules act as "struts" that counteract the contractile forces that are needed for trailing edge retraction during cell movement. When microtubules in the trailing edge of cell are dynamic, they are able to remodel to allow retraction. When dynamics are suppressed, microtubules cannot remodel and, therefore, oppose the contractile forces. On the other hand, high drug concentrations, or microtubule mutations that depolymerize the microtubules, can restore cell migration but there is a loss of directionality. It can be concluded that microtubules act both to restrain cell movement and to establish directionality.
Шөлдеттер мен жалаушалар
Микротубулалар эукариоттық кірпікшелер мен қамшыларда маңызды құрылымдық рөл атқарады. Кірпікшелер мен қамшылар әрқашан тікелей МТОК-тан, осы жағдайда базальді дене деп аталатын жерден өседі. Кірпікше немесе қамшы бойымен жүретін әртүрлі микротубула жіптеріне динеин моторлы ақуыздарының әсері органеллаға иіліп, жүзуге, жасушадан тыс материалды жылжытуға және басқа да қызметтер үшін күш тудыруға мүмкіндік береді. Прокариоттарда тубулинге ұқсас ақуыздар, соның ішінде FtsZ бар. Дегенмен, прокариоттық қамшылардың құрылымы эукариоттық қамшылардан толығымен өзгеше және микротубулаға негіделген құрылымдарды қамтымайды.
Microtubules have a major structural role in eukaryotic cilia and flagella. Cilia and flagella always extend directly from a MTOC, in this case termed the basal body. The action of the dynein motor proteins on the various microtubule strands that run along a cilium or flagellum allows the organelle to bend and generate force for swimming, moving extracellular material, and other roles. Prokaryotes possess tubulin like proteins including FtsZ. However, prokaryotic flagella are entirely different in structure from eukaryotic flagella and do not contain microtubule based structures.
Даму
Микротубулалардан құралған цитоскелет организмнің дамуының морфогенетикалық процесі үшін өте маңызды. Мысалы, Drosophila melanogaster жұмыртқасының осьін қалыптастыру үшін оның эмбриогенезі кезінде поляризацияланған микротубулалардың желісі қажет. Фолликулярлық жасушалар мен жұмыртқа клеткасы арасында жіберілетін сигналдар (эпидермалық өсу факторына ұқсас факторлар сияқты) микротубулалардың қайта ұйымдастырылуына себеп болады, осылайша олардың ( ) ұштары жұмыртқа клеткасының төменгі бөлігінде орналасып, құрылымды поляризациялайды және алдыңғы-артқы осьтің пайда болуына әкеледі. Дене құрылымына қатысы бар осы процесс сүтқоректілерде де байқалады. Микротубулалардың маңызды рөл атқаратын тағы бір саласы – жоғары омыртқалы жануарлардағы жүйке жүйесінің дамуы, онда тубулиннің және оған байланысты ақуыздардың (мысалы, микротубуламен байланысты ақуыздардың) динамикасы жүйке жүйесінің даму кезінде қатаң бақыланады.
The cytoskeleton formed by microtubules is essential to the morphogenetic process of an organism's development. For example, a network of polarized microtubules is required within the oocyte of Drosophila melanogaster during its embryogenesis in order to establish the axis of the egg. Signals sent between the follicular cells and the oocyte (such as factors similar to epidermal growth factor) cause the reorganization of the microtubules so that their ( ) ends are located in the lower part of the oocyte, polarizing the structure and leading to the appearance of an anterior posterior axis. This involvement in the body's architecture is also seen in mammals. Another area where microtubules are essential is the development of the nervous system in higher vertebrates, where tubulin's dynamics and those of the associated proteins (such as the microtubule associated proteins) are finely controlled during the development of the nervous system.
Гендік реттеу
Жасушалық цитоскелет – динамикалық жүйе, ол әр түрлі деңгейде жұмыс істейді: жасушаға нақты пішін берумен және көпіршіктер мен органеллалардың тасымалын қамтамасыз етумен қатар, гендік экспрессияға да әсер ете алады. Осы байланысқа қатысқан сигналдық жүйелердің механизмдері жеткілікті зерттелмеген. Дегенмен, дәрілік заттардың әсерінен микротубулалардың деполимеризациясы мен транскрипция факторларының белгілі бір экспрессиясы арасындағы байланыс сипатталды, бұл аталған факторлардың болуына байланысты гендердің әртүрлі экспрессиясы туралы мәліметтер берді. Цитоскелет пен жасушалық жауаптың реттелуі арасындағы осы байланыс өсу факторларының әрекетімен де байланысты: мысалы, мұндай байланыс дәнекер тінінің өсу факторына қатысты бар.
The cellular cytoskeleton is a dynamic system that functions on many different levels: In addition to giving the cell a particular form and supporting the transport of vesicles and organelles, it can also influence gene expression. The signal transduction mechanisms involved in this communication are little understood. However, the relationship between the drug mediated depolymerization of microtubules, and the specific expression of transcription factors has been described, which has provided information on the differential expression of the genes depending on the presence of these factors. This communication between the cytoskeleton and the regulation of the cellular response is also related to the action of growth factors: for example, this relation exists for connective tissue growth factor.