Цитоскелет: структура и функции клетки

Введение

Сеть нитевидных белков, формирующих внутренний каркас клеток.

Цитоскелет – это сложная, динамичная сеть взаимосвязанных белковых нитей, присутствующая в цитоплазме всех клеток, включая бактерии и археи. У эукариот он простирается от ядра клетки до плазматической мембраны и состоит из сходных белков у различных организмов. Он состоит из трех основных компонентов: микрофиламентов, промежуточных филаментов и микротрубочек, и все они способны к быстрому росту или дезагрегации в зависимости от потребностей клетки. Цитоскелет выполняет множество функций. Его основная функция – придание клетке формы и обеспечение механической устойчивости к деформации, а посредством связи с внеклеточной соединительной тканью и другими клетками он стабилизирует целые ткани. Кроме того, он участвует во многих клеточных сигнальных путях, в захвате внеклеточного материала (эндоцитозе), в разделении хромосом во время клеточного деления, а также служит каркасом для организации клеточного содержимого в пространстве. Тропомиозин ингибирует взаимодействие между актином и миозином, в то время как тропонин определяет повышение концентрации кальция и снимает ингибирование. Это приводит к сокращению мышечной клетки, и благодаря синхронному процессу во многих мышечных клетках – всей мышцы.

История

В 1903 году Николай К. Колцов предположил, что форма клеток определяется сетью канальцев, которую он назвал цитоскелетом. Концепция белковой мозаики, динамически координирующей цитоплазменную биохимию, была предложена Рудольфом Петерсом в 1929 году, а термин (cytosquelette, на французском языке) впервые ввел французский эмбриолог Поль Винтреберт в 1931 году. Когда цитоскелет был впервые описан, его считали не представляющим особого интереса гелеобразным веществом, помогающим органеллам удерживаться на месте. Было проведено множество исследований, чтобы понять назначение цитоскелета и его компонентов. Изначально полагали, что цитоскелет характерен исключительно для эукариотов, но в 1992 году было обнаружено его присутствие и у прокариотов. Это открытие стало возможным после того, как выяснилось, что бактерии содержат белки, гомологичные тубулину и актину – основным компонентам цитоскелета эукариотов.

Цитоскелет эукариотов

В эукариотических клетках содержится три основных вида цитоскелетных нитей: микрофиламенты, микротрубочки и промежуточные филаменты. В нейронах промежуточные филаменты известны как нейрофиламенты. Каждый тип формируется в результате полимеризации специфического типа белковой субъединицы и имеет свою характерную форму и внутриклеточное распределение. Микрофиламенты являются полимерами белка актина и имеют диаметр 7 нм. Микротрубочки состоят из тубулина и имеют диаметр 25 нм. Промежуточные филаменты состоят из различных белков, в зависимости от типа клетки, в которой они находятся; их диаметр обычно составляет 8–12 нм. Цитоскелетные элементы интенсивно и тесно взаимодействуют с клеточными мембранами. Исследования нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера, болезнь Хантингтона и боковой амиотрофический склероз (БАС), показывают, что цитоскелет поражается при этих заболеваниях. Болезнь Паркинсона характеризуется деградацией нейронов, что приводит к тремору, ригидности и другим немоторным симптомам. Исследования показали, что сборка и стабильность микротрубочек в цитоскелете нарушаются, вызывая деградацию нейронов с течением времени. При болезни Альцгеймера белки тау, стабилизирующие микротрубочки, функционируют неправильно в процессе развития болезни, вызывая патологию цитоскелета. Избыток глутамина в белке Хантингтона, участвующем в связывании везикул с цитоскелетом, также считается фактором развития болезни Хантингтона. Амиотрофический латеральный склероз приводит к потере двигательной активности из-за деградации мотонейронов и также включает в себя дефекты цитоскелета. Стюарт Хамерофф и Роджер Пенроуз предполагают, что вибрации микротрубочек в нейронах могут играть роль в возникновении сознания. Аксессуарные белки, включая моторные белки, регулируют и связывают филаменты с другими клеточными компонентами и друг с другом, и необходимы для контролируемой сборки цитоскелетных филаментов в определенных участках клетки. Было обнаружено несколько лекарственных препаратов, воздействующих на цитоскелет, которые взаимодействуют с актином и микротрубочками. Эти соединения оказались полезными при изучении цитоскелета, и некоторые из них имеют клиническое применение.

Eukaryotic cells contain three main kinds of cytoskeletal filaments: microfilaments, microtubules, and intermediate filaments. In neurons the intermediate filaments are known as neurofilaments. Each type is formed by the polymerization of a distinct type of protein subunit and has its own characteristic shape and intracellular distribution. Microfilaments are polymers of the protein actin and are 7 nm in diameter. Microtubules are composed of tubulin and are 25 nm in diameter. Intermediate filaments are composed of various proteins, depending on the type of cell in which they are found; they are normally 8 12 nm in diameter. Cytoskeletal elements interact extensively and intimately with cellular membranes. Research into neurodegenerative disorders such as Parkinson's disease, Alzheimer's disease, Huntington's disease, and amyotrophic lateral sclerosis (ALS) indicate that the cytoskeleton is affected in these diseases. Parkinson's disease is marked by the degradation of neurons, resulting in tremors, rigidity, and other non motor symptoms. Research has shown that microtubule assembly and stability in the cytoskeleton is compromised causing the neurons to degrade over time. In Alzheimer's disease, tau proteins which stabilize microtubules malfunction in the progression of the illness causing pathology of the cytoskeleton. Excess glutamine in the Huntington protein involved with linking vesicles onto the cytoskeleton is also proposed to be a factor in the development of Huntington's Disease. Amyotrophic lateral sclerosis results in a loss of movement caused by the degradation of motor neurons, and also involves defects of the cytoskeleton. Stuart Hameroff and Roger Penrose suggest a role of microtubule vibrations in neurons in the origin of consciousness. Accessory proteins including motor proteins regulate and link the filaments to other cell compounds and each other and are essential for controlled assembly of cytoskeletal filaments in particular locations. A number of small molecule cytoskeletal drugs have been discovered that interact with actin and microtubules. These compounds have proven useful in studying the cytoskeleton, and several have clinical applications.

Микротубулы

Микротрубочки — это полые цилиндры диаметром около 23 нм (диаметр просвета – приблизительно 15 нм), чаще всего состоящие из 13 протофиламентов, которые, в свою очередь, являются полимерами альфа- и бета-тубулина. Они демонстрируют высокую динамичность, связывая ГТФ для полимеризации. Обычно они организованы центросомой. В девяти триплетных группах (звездообразной формы) они формируют центриоли, а в девяти дублетах, ориентированных вокруг двух дополнительных микротрубочек (колесообразной формы), – реснички и жгутики. Последнее образование обычно называют организацией «9+2», где каждый дублет соединен с другим белком динеином. Поскольку как жгутики, так и реснички являются структурными компонентами клетки и поддерживаются микротрубочками, их можно рассматривать как часть цитоскелета. Существуют два типа ресничек: подвижные и неподвижные. Реснички короче и многочисленнее жгутиков. Подвижные реснички совершают ритмичные волнообразные или взмахивающие движения, в то время как неподвижные реснички воспринимают сенсорную информацию для клетки, обрабатывая сигналы от других клеток или окружающей жидкости. Кроме того, микротрубочки контролируют взмахи (движение) ресничек и жгутиков. Также, динеиновые «рукава», прикрепленные к микротрубочкам, функционируют как молекулярные моторы. Движение ресничек и жгутиков создается за счет скольжения микротрубочек относительно друг друга, что требует АТФ.

Септины

Септины – это группа высококонсервативных белков, связывающих ГТФ, обнаруженных у эукариот. Различные септины формируют белковые комплексы друг с другом, которые могут собираться в филаменты и кольца. Таким образом, септины можно рассматривать как часть цитоскелета. Функции септинов в клетках включают служение локализованным местом прикрепления для других белков и предотвращение диффузии определенных молекул между клеточными компартментами.

Спектрин

Спектрин – это цитоскелетный белок, который выстилает внутреннюю сторону плазматической мембраны в эукариотических клетках. Спектрин формирует пятиугольные или шестиугольные образования, создавая каркас и играя важную роль в поддержании целостности плазматической мембраны и структуры цитоскелета.

Цитоскелет дрожжей

В дрожжах, находящихся в стадии почкования (важный модельный организм), актин формирует кортикальные пятна, актин-кабели, цитокинетическое кольцо и кап (или апикальную область). Кортикальные пятна – это отдельные актиновые структуры на мембране, необходимые для эндоцитоза, особенно для рециркуляции глюкансинтазы, важной для синтеза клеточной стенки. Актин-кабели представляют собой пучки актиновых филаментов и участвуют в транспорте везикул к капу (который содержит множество различных белков, необходимых для поляризации роста клеток) и в позиционировании митохондрий. Цитокинетическое кольцо формируется и сужается вокруг места деления клетки.

Прокариотический цитоскелет

До работы Джонса и др., 2001 года, считалось, что клеточная стенка определяет форму многих бактериальных клеток, включая палочковидные и спиральные. При изучении многих бактерий с аномальной формой было обнаружено, что у них есть мутации, связанные с развитием клеточной оболочки. Ранее цитоскелет считался признаком исключительно эукариотических клеток, однако гомологи всех основных белков цитоскелета эукариот были обнаружены у прокариот. Гарольд Эриксон отмечает, что до 1992 года полагали, что компоненты цитоскелета присутствуют только в эукариотических клетках. Однако исследования в начале 1990-х годов показали, что у бактерий и архей имеются гомологи актина и тубулина, которые являются основой эукариотических микротрубочек и микрофиламентов. Несмотря на то, что эволюционные связи настолько отдалены, что не выявляются при простом сравнении аминокислотных последовательностей, сходство их трехмерной структуры и аналогичные функции в поддержании формы и полярности клетки служат веским доказательством истинной гомологии эукариотического и прокариотического цитоскелетов. Три лаборатории независимо друг от друга обнаружили, что FtsZ, белок, уже известный как ключевой участник бактериального цитокинеза, содержит "сигнатурную последовательность тубулина", присутствующую во всех α, β и γ тубулинах.

FtsZ

FtsZ был первым идентифицированным белком прокариотического цитоскелета. Подобно тубулину, FtsZ формирует филаменты в присутствии гуанозинтрифосфата (GTP), однако эти филаменты не собираются в тубулы. В процессе деления клетки FtsZ первым перемещается в место деления и играет ключевую роль в привлечении других белков, синтезирующих новую клеточную стенку между разделяющимися клетками.

MreB и ParM

Прокариотические белки, подобные актину, такие как MreB, участвуют в поддержании формы клетки. Все нешаровидные бактерии имеют гены, кодирующие белки, подобные актину, и эти белки формируют спиральную сеть под клеточной мембраной, которая направляет белки, участвующие в биосинтезе клеточной стенки. Некоторые плазмиды кодируют отдельную систему, включающую белок, подобный актину ParM. Филаменты ParM демонстрируют динамическую нестабильность и могут разделять плазмидную ДНК между делящимися дочерними клетками посредством механизма, аналогичного используемому микротрубочками во время митоза эукариотических клеток.

Полумесяц

Бактерия Caulobacter crescentus содержит третий белок, кресентин, который гомологичен промежуточным филаментам эукариотических клеток. Кресцентин также участвует в поддержании формы клеток, включая спиральные и вибриоидные формы бактерий, однако механизм, посредством которого это происходит, в настоящее время не установлен. Кроме того, кривизну можно объяснить смещением серповидных филаментов после нарушения синтеза пептидогликана.

Цитоскелет и клеточная механика

Цитоскелет – это высокоанизотропная и динамичная сеть, постоянно ремоделирующая себя в ответ на изменяющуюся клеточную микросреду. Эта сеть влияет на механику и динамику клетки, дифференциально полимеризуя и деполимеризуя свои составные филаменты (преимущественно актин и миозин, но микротрубочки и промежуточные филаменты также играют роль). Это генерирует силы, которые играют важную роль в передаче информации клетке о ее микросреде. В частности, показано, что такие силы, как напряжение, жесткость и силы сдвига, влияют на клеточную судьбу, дифференцировку, миграцию и подвижность. В результате механотрансдукции цитоскелет изменяет свой состав и/или ориентацию, чтобы адаптироваться к силовому стимулу и обеспечить соответствующий ответ клетки. Цитоскелет изменяет механические свойства клетки в ответ на обнаруженные силы. Например, увеличение напряжения в плазменной мембране повышает вероятность открытия ионных каналов, что увеличивает ионную проводимость и делает клеточные изменения, связанные с притоком или оттоком ионов, более вероятными. Мембранный белок, не плотно связанный с цитоскелетом, например, не окажет существенного влияния на кортикальную актиновую сеть при воздействии направленной силы. Однако мембранные белки, более тесно связанные с цитоскелетом, вызовут более значительный ответ. Клетки, диаметром около 10–50 мкм, в несколько тысяч раз больше молекул, находящихся в цитоплазме и необходимых для координации клеточной деятельности. Из-за того, что клетки настолько велики по сравнению с жизненно важными биомолекулами, в отсутствие организующей сети различным частям цитоплазмы трудно взаимодействовать. Более того, биомолекулы должны полимеризоваться до длины, сопоставимой с длиной клетки, но полученные полимеры могут быть сильно дезорганизованы и не способны эффективно передавать сигналы из одной части цитоплазмы в другую. Таким образом, цитоскелет необходим для организации полимеров и обеспечения эффективной коммуникации между ними по всей клетке.

The cytoskeleton is a highly anisotropic and dynamic network, constantly remodeling itself in response to the changing cellular microenvironment. The network influences cell mechanics and dynamics by differentially polymerizing and depolymerizing its constituent filaments (primarily actin and myosin, but microtubules and intermediate filaments also play a role). This generates forces, which play an important role in informing the cell of its microenvironment. Specifically, forces such as tension, stiffness, and shear forces have all been shown to influence cell fate, differentiation, migration, and motility. As a result of mechanotransduction, the cytoskeleton changes its composition and/or orientation to accommodate the force stimulus and ensure the cell responds accordingly. The cytoskeleton changes the mechanics of the cell in response to detected forces. For example, increasing tension within the plasma membrane makes it more likely that ion channels will open, which increases ion conductance and makes cellular change ion influx or efflux much more likely. A membrane protein that is not closely coupled to the cytoskeleton, for instance, will not produce a significant effect on the cortical actin network if it is subjected to a specifically directed force. However, membrane proteins that are more closely associated with the cytoskeleton will induce a more significant response. Cells, which are around 10–50 μm in diameter, are several thousand times larger than the molecules found within the cytoplasm that are essential to coordinate cellular activities. Because cells are so large in comparison to essential biomolecules, it is difficult, in the absence of an organizing network, for different parts of the cytoplasm to communicate. Moreover, biomolecules must polymerize to lengths comparable to the length of the cell, but resulting polymers can be highly disorganized and unable to effectively transmit signals from one part of the cytoplasm to another. Thus, it is necessary to have the cytoskeleton to organize the polymers and ensure that they can effectively communicate across the entirety of the cell.

Общие черты и различия между прокариот и эукариот

По определению, цитоскелет состоит из белков, способных формировать продольные массивы (волокна) во всех организмах. Эти белки, формирующие филаменты, классифицируются на 4 класса: тубулиноподобные, актиноподобные, цитоскелетные АТФазы Уолкера А (белки WACA) и промежуточные филаменты. Клетки растений и водорослей обычно крупнее многих других клеток, поэтому цитоплазматическое течение играет важную роль в этих типах клеток. Это объясняется тем, что больший объем клетки требует цитоплазматического течения для перемещения органелл по всей клетке. Органеллы движутся вдоль микрофиламентов цитоскелета, приводимые в движение миозиновыми моторами, которые связываются с пучками актиновых нитей и толкают их.