Микротрубочки для чего нужны

Микротрубочки для чего нужны

• Микротрубочки поддерживают структуру клеток, поскольку они являются наиболее прочными из полимеров цитоскелета. Микротрубочки устойчивы к сжатию

• В клетке происходят динамические процессы сборки и разборки микротрубочек, позволяющие быстро реорганизовать цитоскелет

• Клетки могут обеспечивать большую или меньшую динамичность характера функционирования микротрубочек, предоставляя им большие адаптационные возможности (при более динамичном характере) или повышая их устойчивость (при более стабильном характере)

• В соответствии со специфическими требованиями различные клетки характеризуются специфической организацией микротрубочек

Простые эксперименты, при которых разрушаются микротрубочки, иллюстрируют значимость этих компонентов цитоскелета. При действии веществ, аналогичных колхицину, связанные вместе субъединицы тубулина могут деполимеризоваться. Эти вещества блокируют образование новых микротрубочек, вызывая дисбаланс между постоянным образованием и распадом компонентов цитоскелета. Микротрубочки, которые подверглись деполимеризации, не могут восстановиться, что вскоре приводит к потере всех микротрубочек в цитоплазме.

Обычно, при деполимеризации микротрубочек, большинство клеток приобретает шаробразную форму. Также нарушается внутренняя организация клеток. Комплекс Гольджи, который обычно локализован рядом с ядром в виде дискретной структуры, образует рассеянные по клетке фрагменты. ЭПР, который представляет собой сеть, пронизывающую всю цитоплазму, собирается вокруг ядра, поскольку он связан с ядерной оболочкой.

При удалении веществ, деполимеризующих микротрубочки, все эти изменения проходят. Сеть микротрубочек восстанавливается, возвращается форма клетки, а ЭПР и аппарат Гольджи занимают прежнее положение. Этот простой эксперимент иллюстрирует функции микротрубочек в организации структуры и подвижности клеток.

В клетке функции микротрубочек определяются двумя их свойствами, имеющими противоречивую природу: микротрубочки могут действовать как жесткие структурные элементы, и они в то же время они способны легко разрушаться. Характер структуры и относительно большой диаметр микротрубочек обеспечивают их относительную жесткость и устойчивость к сжатию. В этом отношении они напоминают водопроводный шланг, который на значительном протяжении может перегибаться, но при этом не сжимается. Однако, в отличие от шланга, микротрубочки характеризуются крайне динамичной природой.

На снимке, сделанном во флуоресцентном микроскопе, показано около 12 клеток, в которых видны микротрубочки и хромосомы.
Одна из митотических клеток, в которой микротрубочки собраны в митотическое веретено, окружена интерфазными клетками.
Реорганизация микротрубочек, которая происходит при вступлении клетки в митоз, носит глубокий характер, но требует всего нескольких минут.

Они постоянно увеличиваются или укорачиваются за счет добавления или потери субъединиц. Укорочение микротрубочек может иметь особенно существенные последствия, так как при этом часто существенно уменьшается их длина, вплоть до полного исчезновения. После сборки микротрубочкам свойственна диссоциация, и часто клетка использует другие белки для их стабилизации и предотвращения этого процесса. Хотя свойство разрушаться кажется странным для структурных элементов, подобная неустойчивость обладает большим преимуществом, позволяя микротрубочкам при необходимости разбираться и реорганизовываться в течение минут.

Примером этого является полная перестройка сети микротрубочек, которая происходит в начале митоза и занимает всего несколько минут. Еще одним примером служит реорганизация микротрубочек, которая происходит в развивающихся ооцитах и иллюстрирует обширный характер этого процесса. На рисунке ниже показан ооцит лягушки Xenopus laevis. В диаметре он составляет около 1 мм в диаметре и содержит примерно полмиллиона микротрубочек, средняя длина которых достигает 600 мкм. Если все субъединицы этих микротрубочек вытянуть в одну непрерывную линию, то длина ее составит 300 м, т. е. три футбольных поля. Несмотря на столь большое количество микротрубочек, при стимуляции ооцита к созреванию в яйцеклетку весь цитоскелет деполимеризуется и реорганизуется в пределах 30 мин.

Для некоторых клеток динамическая природа микротрубочек означает больше чем просто способность к быстрому переходу одного типа цитоскелета в другой. Например, фибробласт должен обладать способностью перемещаться в теле и при этом менять направление движения. В этих клетках микротрубочки организованы в виде радиальных лучистых структур, которые распространяются из одной точки, поблизости от ядра.

Эти микротрубочки существуют недолго, в течение лишь части времени, необходимого для передвижения клетки на определенное расстояние. Фибробласт может продолжать двигаться, даже если все микротрубочки подверглись деполимеризации. Интересно, однако, что без микротрубочек клетка не способна изменять направление движения. По-видимому, для этого необходима динамическая природа микротрубочек.

Нейрон сильно отличается по форме и по поведению от фибробласта. Нейрон представляет собой неподвижную клетку, которая характеризуется небольшим телом и выступающими из него отростками (аксонами и дендритами), распространяющимися на большие расстояния. Внутри отростков проходит система микротрубочек Эти микротрубочки переносят большое количество везикул и других материалов к синапсам и в противоположном направлении. В отличие от микротрубочек, присутствующих в фибробласте, отростки нейрона являются стабильными и играют основную роль в обеспечении структуры клетки.

Зрелый ооцит Xenopus laevis представляет собой крупную клетку, в которой плотно упакованы микротрубочки.
На двух фотографиях представлены микротрубочки, расположенные близко к краям ооцита.
Несмотря на большое количество присутствующих микротрубочек и на то, что их общая длина достигает существенной величины,
они способны полностью разобраться в течение нескольких минут.

При деполимеризации происходит медленное разрушение отростков. Таким образом, нейроны используют особенности строения микротрубочек для создания стабильных структурных элементов.

Хотя зрелые нейроны используют микротрубочки для упрочения своей структуры, растущие нейроны также используют динамические свойства микротрубочек. Когда нейроны начинают расти и образуют синапсы с другими нейронами, их клеточные тела формируют тонкие выросты, которые становятся аксонами и дендрита-ми. На конце каждого выроста находится очень активная подвижная область, которая называется конусом роста и которую можно видеть на рисунке ниже. Конусы роста распространяются на большие расстояния, и по мере их продвижения за ними формируются выросты. Конусы роста содержат динамические микротрубочки, которые функционируют так же, как и в подвижных фибробластах, и способствуют движению конусов роста.

Таким образом, нейроны сами решают вопрос о том, в какие моменты и в каких местах клетки микротрубочки должны приобретать динамический характер, а когда должны оставаться стабильными. Способность регулировать динамическое состояние микротрубочек во времени и пространстве является общим свойством всех клеток.

Микротрубочки организованы в соответствии с индивидуальными нуждами каждой клетки. На рисунке ниже представлены два близких по форме типа клеток: одноклеточные делящиеся дрожжи Schizosaccharomyces pombe, и ядерные эритроциты некоторых позвоночных, таких как птицы и амфибии. В том и другом случае клетки имеют продолговатую форму, однако микротрубочки у них организованы по-разному. В клетках S. pombe пучки микротрубочек ориентированы продольно и направлены к клеточному краю, где аккумулируются компоненты, необходимые для полярного роста клетки. Пучки микротрубочек также позиционируют ядро в центре клетки.

В клетках S. pombe микротрубочки не выполняют защитной функции от механических воздействий, поскольку они защищены клеточной стенкой. В красных кровяных клетках обнаруживается совершенно другая организация микротрубочек, поскольку у них, как и у всех клеток животных, отсутствует клеточная стенка. Эти клетки обладают пучками микротрубочек, объединенными вместе с плазматической мембраной в структуру, расположенную по периферии клетки (т. н. маргинальный пучок).

Различная форма двух типов клеток требует разной организации их микротрубочек.
В фибробласте человека видны отдельные микротрубочки, которые начинаются в точке, расположенной поблизости от ядра, и проходят через цитоплазму.
В нейроне микротрубочки упакованы вместе в длинные тонкие образования, которые выходят из тела клетки.

Микротрубочки маргинального пучка обеспечивают жесткость клеточной мембраны; такой же функцией в красных кровяных клетках млекопитающих обладают белки анкерин и спектрин.

Приведенные примеры иллюстрируют общие функции микротрубочек и порождают много вопросов. Каким образом микротрубочки способны столь быстро собираться и диссоциировать? Каким образом клетки регулируют динамику сборки и разборки микротрубочек? Что определяет организацию микротрубочек в клетке?

Каким образом образующие цитоскелет микротрубочки участвуют в движении клеток? На все эти вопросы мы ответим в последующих статьях на сайте (рекомендуем пользоваться формой поиска на главной странице сайта).

Слева вверху изображен нейрон, от тела которого отходят несколько аксонов.
На конце каждого аксона находится конус роста (обозначен голубым цветом).
На основной фотографии в увеличенном виде показан конус роста правого аксона.
Микротрубочки окрашены красным цветом, а актиновые филаменты голубым. Дрожжи S. pombe (слева) содержат относительно немного микротрубочек, собранных в пучки и расположенных в центре клетки.
Микротрубочки транспортируют ростовые факторы к концевым участкам клетки.
В красных кровяных клетках амфибий (справа) кольцевой пучек микротрубочек расположен под плазматической мембраной
и помогает клетке справляться с деформациями при их прохождении через капилляры.

Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021

Источник

Микротрубочки: что это такое и какие функции?

Микротрубочки выполняют функцию

С помощью электронного микроскопа в цитоплазме эукариот можно увидеть фибриллярную сеть, функции которой связаны с движением внутриклеточного содержимого, перемещением самой клетки, а также в совокупности с другими структурами поддерживается форма клетки.

Одними из таких фибрилл являются микротрубочки (обычно длиной от нескольких микрометров до нескольких миллиметров), представляющие собой длинные тонкие цилиндры (диаметром около 25 нм) с полостью внутри. Их относят к органоидам клетки.

Стенки микротрубочек состоят из спирально упакованных субъединиц белка тубулина, состоящего из двух частей, то есть представляющего собой димер.

Соседние трубочки могут быть связаны между собой выступами своих стенок.

Данный клеточный органоид относится к динамическим структурам, так может нарастать и распадаться (полимеризуется и деполимеризуется). Рост происходит за счет добавления новых тубулиновых субъединиц с одного конца (плюс), а разрушение – с другого (минус-конец). То есть микротрубочки полярны.

В животных клетках (а также у многих простейших) центрами организации микротрубочек являются центриоли. Они сами состоят из девяти триплетов укороченных микротрубочек и располагаются около ядра. От центриолей трубочки радиально расходятся, то есть растут к периферии клетки. У растений центрами организации выступают другие структуры.

Из микротрубочек состоит веретено деления, которое осуществляет расхождение хроматид или хромосом при митозе или мейозе. Из них состоят базальные тельца, лежащие в основании ресничек и жгутиков. Движение веретена, ресничек и жгутиков происходит за счет скольжения трубочек.

Похожей функцией является перемещение ряда клеточных органоидов и частиц (например, секреторных пузырьков, образующихся в аппарате Гольджи, лизосом, даже митохондрий). При этом микротрубочки играют роль своеобразных рельсов. Специальные моторные белки одним своим концом крепятся к трубочкам, а другим — к органеллам. За счет их движения вдоль трубочек происходит транспорт органелл. При этом одни моторные белки двигаются только от центра к периферии (кинезины), другие (динеины) — от периферии к центру.

Микротрубочки за счет своей жесткости участвуют в формировании опорной системы клетки — цитоскелета. Определяют форму клетки.

Сборка и разборка микротрубочек, а также транспорт по ним идет с затратой энергии.

Расположение микротрубочек

Микро­трубочки располагаются, как правило, в самых глубоких слоях примембранного цитозоля. Поэтому периферические микротру­бочки надлежало бы рассматривать как часть динамичного, организующего микротрубочкового «скелета» клетки. Однако и сократимые, и скелетные фибриллярные структуры перифериче­ского цитозоля также связаны непосредственно с фибриллярны­ми структурами основной гиалоплазмы клетки.

В функциональ­ном отношении периферическая опорно-сократимая фибрилляр­ная система клетки находится в теснейшем взаимодействии с системой периферических микротрубочек. Это дает нам основа­ние рассматривать последние как часть субмембранной системы клетки.

Белки микротрубочек

Система микротрубочек являет­ся вторым компонентом опорно-сократимого аппарата, находящаяся, как правило, в тес­ном контакте с микрофибриллярным компонентом.

Стенки микро­трубочек образованы в попереч­нике чаще всего 13 димерными глобулами белка, каждая глобу­ла состоит из α- и β-тубулинов (рис. 6). Последние в большин­стве микротрубочек расположены в шахматном порядке. Тубулин составляет 80% белков содержа­щихся в микротрубочках.

Ос­тальные 20% приходятся на до­лю высокомолекулярных белков МАР1, МАР2 и низкомолекуляр­ного тау-фактора. МАР-белки (microtubule-associated proteins- белки, связанные с микротрубоч­ками) и тау-фактор представля­ют собой компоненты, необходи­мые для полимеризации тубулина. В их отсутствие самосборка микротрубочек путем полимери­зации тубулина крайне затруд­нена и образующиеся микротру­бочки сильно отличаются от на­тивных.

Микротрубочки — очень лабильная структура, так, микро­трубочки теплокровных животных, как правило, разрушаются на холоде.

Существуют и холодоустойчивые микротрубочки, например в нейронахцентральной нервной системы позвоноч­ных их количество варьирует от 40 до 60%. Термостабильные и термолабильные микротрубочки не различаются по свойствам входящего в их состав тубулина; по-видимому, эти отличия определяются добавочными белками.

В нативных клет­ках по сравнению с микрофибриллами основная часть микротрубочковой субмем­бранной системы располага­ется в более глубоко лежа­щих участках цитоплазмы Материал с сайта http://wiki-med.com

Функции микротрубочек

Так же как и микрофибриллы, микротрубочки под­вержены функциональной изменчивости.

Какие функции выполняют микротрубочки?

Для них ха­рактерны самосборка и саморазборка, причем раз­борка происходит до тубулиновых димеров. Соответ­ственно микротрубочки мо­гут быть представлены боль­шим или меньшим количе­ством в связи с преоблада­нием процессов либо саморазборки, либо самосборки микротрубочек из фонда гло­булярного тубулина гиало­плазмы.

Интенсивные про­цессы самосборки микротру­бочек обычно приурочены к местам крепления клеток к субстрату, т. е. к местам усиленной полимеризации фибриллярного актина из глобулярного актина гиало­плазмы.

Такая корреляция степени развития этих двух механохимических систем не случайна и отражает их глубокую функциональную взаимосвязь в целостной опорно-сократимой и транс­портной системе клетки.

В эту группу органоидов входят рибосомы, микротрубочки и микрофиламенты, клеточный центр.

Рибосома

Рибосомы (рис. 1) присутствуют в клетках как эукариот, так и прокариот, поскольку выполняют важную функцию в биосинтезе белков.

В каждой клетке имеются десятки, сотни тысяч (до нескольких миллионов) этих мелких округлых органоидов. Это округлая рибонуклеопротеиновая частица. Диаметр ее составляет 20—30 нм. Состоит рибосома из большой и малой субъединиц, которые объединяются в присутствии нити м-РНК (матричной, или информационной, РНК). Комплекс из группы рибосом, объединенных одной молекулой м-РНК наподобие нитки бус, называется полисомой. Эти структуры либо свободно расположены в цитоплазме, либо прикреплены к мембранам гранулярной ЭПС (в обоих случаях на них активно протекает синтез белка).

Рис.1.Схема строения рибосомы, сидяшей на мембране эндоплазматической сети: 1 — малая субъединииа; 2 иРНК; 3 — аминоацил-тРНК; 4 — аминокислота; 5 — большая субъединица; 6 — — мембрана эндоплазматической сети; 7 — синтезируемая полипептидная цепь

Полисомы гранулярной ЭПС образуют белки, выводимые из клетки и используемые для нужд всего организма (например, пищеварительные ферменты, белки женского грудного молока).

Кроме этого, рибосомы присутствуют на внутренней поверхности мембран митохондрий, где также принимают активное участие в синтезе белковых молекул.

Микротрубочки

Это трубчатые полые образования, лишенные мембраны. Внешний диаметр составляет 24 нм, ширина просвета — 15 нм, толщина стенки — около 5 нм. В свободном состоянии представлены в цитоплазме, также являются структурными элементами жгутиков, центриолей, веретена деления, ресничек.

Микротрубочки построены из стереотипных белковых субъединиц путем их полимеризации. В любой клетке процессы полимеризации идут параллельно процессам деполимеризации.

Причем соотношение их определяется количеством микротрубочек. Микротрубочки имеют различную устойчивость к разрушающим их факторам, например, к колхицину (это химическое вещество, вызывающее деполимеризацию). Функции микротрубочек:

1) являются опорным аппаратом клетки;

2) определяют формы и размеры клетки;

3) являются факторами направленного перемещения внутриклеточных структур.

Микрофиламенты

Это тонкие и длинные образования, которые обнаруживаются по всей цитоплазме.

Иногда образуют пучки. Виды микро-филаментов:

1) актиновые. Содержат сократительные белки (актин), обеспечивают клеточные формы движения (например, амебоидные), играют роль клеточного каркаса, участвуют в организации перемещений органелл и участков цитоплазмы внутри клетки;

2) промежуточные (толщиной 10 нм). Их пучки обнаруживаются по периферии клетки под плазмалеммой и по окружности ядра.

Выполняют опорную (каркасную) роль.

Микротрубочки

В разных клетках (эпителиальных, мышечных, нервных, фибробластах) построены из разных белков.

Микрофиламенты, как и микротрубочки, построены из субъединиц, поэтому их количество определяется соотношением процессов полимеризации и деполимеризации.

Клетки всех животных, некоторых грибов, водорослей, высших растений характеризуются наличием клеточного центра.

Клеточный центр обычно располагается рядом с ядром.

Он состоит из двух центриолей, каждая из которых представляет собой полый цилиндр диаметром около 150 нм, длиной 300—500 нм.

Центриоли расположены взаимоперпендикулярно.

Стенка каждой центриоли образована 27 микротрубочками, состоящими из белка тубулина. Микротрубочки сгруппированы в 9 триплетов.

Из центриолей клеточного центра во время деления клетки образуются нити веретена деления.

Центриоли поляризуют процесс деления клетки, чем достигается равномерное расхождение сестринских хромосом (хроматид) в анафазе митоза.

Так называются непостоянные компоненты в клетке, присутствующие в основном веществе цитоплазмы в виде зерен, гранул или капелек. Включения могут быть окружены мембраной или же не окружаются ею.

В функциональном отношении выделяют три вида включений: запасные питательные вещества (крахмал, гликоген, жиры, белки), секреторные включения (вещества, характерные для железистых клеток, продуцируемые ими, — гормоны желез внутренней секреции и т. п.) и включения специального назначения (в узкоспециализированных клетках, например гемоглобин в эритроцитах).

Краснодембский Е. Г.»Общая биология: Пособие для старшеклассников и поступающих в вузы»

Н. С. Курбатова, Е. А. Козлова «Конспект лекций по общей биологии»

Реснички и жгутики

Характерная для ресничек инфузорий организация постоян­ных тубулин-динеиновых механохимических комплексов с двумя центральными и девятью периферическими парами микротрубо­чек имеет широкое распространение и в специализированных клетках метазойных животных (реснички и жгутики клеток ресничных эпителиев, жгутики сперматозоидов и др.). Однако такой принцип построения не является единственной конструктивной формой организации постоянных тубулин-динеиновых систем.

Микротрубочки, их строение и функции

Проведенный в последнее время детальный сравнительно-цитологический анализ организации жгутиков сперматозоидов у разных многоклеточных животных показал возможность существенных изменений стандартной формулы 9 + 2 даже у близкородственных животных.

В жгутиках спер­матозоидов некоторых групп животных две центральные микро­трубочки могут отсутствовать, а их роль выполняют цилиндры из электронно-плотного вещества. Среди низших многоклеточ­ных (турбеллярии и близкие к ним группы) подобного рода модификации распределены у отдельных видов животных мо­заично и, вероятно, полифилетичны по своему происхождению, хотя у всех этих видов образуются сходные морфологические структуры.

Еще более значительные модификации постоянных тубулин-динеиновых систем наблюдаются в щупальцах некото­рых простейших. Здесь эта система представлена группой антипараллельных микротрубочек. Динеиновые структуры, связыва­ющие микротрубочки, имеют отличный от динеиновых «рук» рес­ничек и жгутиков характер расположения, хотя принцип рабо­ты динеин-тубулиновой системы ресничек, жгутиков и щупалец простейших, по-видимому, сходен.

Принцип работы тубулин-динеинового комплекса

В настоящее время имеется несколько гипотез, объясняю­щих принцип работы тубулин-динеиновой механохимической системы.

Одна из них предполагает, что эта система функцио­нирует по принципу скольжения. Химическая энергия АТФ пре­вращается в механохимическую энергию скольжения одних дублетов микротрубочек по отношению к другим за счет тубулин-динеинового взаимодействия в местах временных контактов динеиновых «рук» с димерами тубулина в стенках микротрубо­чек. Таким образом, в данной механохимической системе, не­смотря на ее существенные особенности по сравнению с актин- миозиновой системой, используется тот же принцип скольже­ния, базирующийся на специфическом взаимодействии основ­ных сократимых белков.

Необходимо отметить и сходные при­знаки в свойствах основных сократимых белков динеина и мио­зина, с одной стороны, и тубулина и актина — с другой. Для динеина и миозина это близкие молекулярные веса и наличие АТФазной активности. Для тубулина и актина помимо сход­ства молекулярных весов характерны близкие аминокислотный состав и первичная структура белковых молекул.

Совокупность перечисленных признаков структурно-биохимической организа­ции актин-миозиновой и тубулин-динеиновой систем позволяет предполагать, что они развились из одной механохимической системы первичных эукариотных клеток и сложились в резуль­тате прогрессивного усложнения их организации.

Взаимодействие актин-миозиновой и тубулин-динеиновой комплекса

Актин-миозиновая и тубулин-динеиновая комплексы, как пра­вило, в большинстве эукариотных клеток объединяются при функционировании в одну систему.

Так, например, в динамич­ном субмембранном аппарате культивируемых in vitro клеток присутствуют обе механохимические системы: и актин-миозино­вая, и тубулин-динеиновая. Возможно, что это связано с осо­бой ролью микротрубочек как организующих и направляющих скелетных образований клетки. С другой стороны, наличие двух аналогичных систем может повышать пластичность сократи­мых внутриклеточных структур, тем более что регуляция ра­боты актин-миозиновой системы принципиально отличается от регуляции работы динеин-тубулиновой системы.

В частности, необходимые для запуска актин-миозиновой системы ионы кальция тормозят, а в высоких концентрациях и нарушают структурную организацию тубулин-динеиновой системы. Материал с сайта http://wiki-med.com

Постоянная смешанная микротрубочковая и актин-миозиновая система обнаружена в субмембранной области таких край­не специализированных образований, как кровяные пластинки млекопитающих, представляющие собой свободно циркулирую­щие в крови участки цитоплазмы полиплоидных клеток мегакариоцитов.

Помимо хорошо развитой в периферической гиа­лоплазме актин-миозиновой фибриллярной системы здесь име­ется мощное кольцо микротрубочек, по-видимому, обеспечиваю­щих поддержание формы этих структур.

Актин-миозиновая си­стема кровяных пластинок играет важную роль в процессе свертывания крови.

Смешанные постоянные актин-миозиновая и тубулин-динеиновая системы, очевидно, широко распространены у высших простейших и, в частности, у инфузорий.

Однако в настоящее время они изучены преимущественно на уровне чисто морфо логического, ультраструктурного анализа. Функциональное взаимодействие названных двух основных механохимически: систем интенсивно исследуется у метазойных клеток в процес­сах митотического деления. Этот вопрос мы подробнее рассмот­рим ниже, при описании процессов репродукции клеток.

Источник