Строение моторных белков микротрубочек

Добавил пользователь Алексей Ф.
Обновлено: 21.12.2024

Микротрубочки состоят из 13 параллельных тубулиновых протофиламентов (нитей), образующих полые цилиндры диаметром 25 нм и длиной в несколько микрометров. Каждая нить собрана из гетеродимерного белка тубулина, состоящего из двух глобулярных субъединиц – α- и β-тубулина. Сборка микротрубочек осуществляется в т.н. центре организации микротрубочек в центросоме. Микротрубочки – динамичные структуры, постоянно подвергающиеся полимеризации и деполимеризации.

Полимеризация и деполимеризация микротрубочек. Удлинение (рост) микротрубочек происходит за счет полимеризации молекул тубулина. В каждой микротрубочке различают (+)-конец и (-)-конец. Микротрубочки постоянно подвергаются полимеризации и деполимеризации с (+)-конца, тогда как с противоположного (-)-конца (если он не занят стабилизирующим белком) тубулиновые гетеродимеры отделяются от микротрубочек. Как только прекращается добавление новых диаметров к растущему концу, в этом мемте сразу начинается разборка полимера. Повторяющиеся раунды полимеризации и деполимеризации характеризуют динамическую нестабильность микротрубочек. Цитозольные белки, способные связываться с концами микротрубочек и стабилизировать их, относят к семейству ассоциированных с микротрубочками белков.

Функции микротрубочек.Микротрубочки участвуют в поддержании формы клетки, антероградном и ретроградном аксоном транспорте макромолекул, органелл и секреторных везикул, фагоцитозе и функции лизосом. Микротрубочки образуют аксонемы и базальные тельца, обеспечивая подвижность жгутиков и ресничек, в составе центриолей они обеспечивают расхождения хромосом при делении клеток.

Молекулярные моторы. Применительно к микротрубочкам под этим термином понимают АТФазы (динеины и кинезины), одним доменом связывающиеся с тубулином микротрубочек, а другим – с различными мембранными органеллами (митохондриями, секреторными везикулами из комплекса Гольджи, элементами эндоплазматической сети, эндоцитозными пузырьками, аутофагосомами) или макромолекулами. За счет расщепления АТФ моторные белки перемещаются вдоль микротрубочек и таким образом транспортируют ассоциированные с ними органеллы и макромолекулы. При этом кинезиновый мотор направлен к (+)-концу, а динеиновый – к (-)-концу микротрубочки.

Тубулин-кинезиновый хемомеханический преобразователь обеспечивает внутриклеточный транспорт органелл и перемещение хромосом вдоль микротрубочек в ходе клеточного деления. Перемещение органелл вдоль микротрубочек с участием кинезинов осуществляется в направлении (+)-конца микротрубочек.

Тубулин-динеиновый хемомеханический преобразователь отвечает за направленный транспорт макромолекул и органелл к (-)-концу микротрубочек. В составе аксонемы тубулиновый молекулярный мотор приводит в движение жгутик сперматозоида и реснички мерцательных клеток.

Аксонемасостоит из 9 периферических пар микротрубочек и двух расположенных центрально одиночных микротрубочек. В каждой периферической паре различают субфириллу А, содержащую 10-11 тубулинвоых протофиламентов, и субфибриллу В, содержащую 13 протофиламентов. Смежные пары микротрубочек соединены между собой эластичным белком нексином. С субфибриллой А связаны наружные и внутренние ручки. В их состав входит белок динеин, сожержащий 2-3 глобулярные головки, соединенные с гибкой фибриллярной частью молекулы. Основание фибриллярной части вплетено в микротрубочку (субфибрилла А). Глобулярная головка обладает АТФазной активностью. При расщеплении АТФ она скользит по поверхности микротрубочки (субфибрилла В) соседней пары по напарвлению к ее (-)-концу. Этот механизм аналогичен скольжению элементов актомиозинового хемомеханического преобразователя в мышце. Аксонема – основной структурный элемент реснички и жгутика.

Базальное тельце состоит из 9 триплетов микротрубочек, расположенных в основании реснички или жгутика; служит матрицей при организации аксонемы.

Ресчника- вырост клетки длиной 5-10 мкм и шириной 0,2 мкм, содержащей аксонему. Реснички присутствуют в эпителиальных клетках воздухопроводящих и половых путей, перемещают слизь с инородными частицами и остатками отмерших клеток и создают ток жидкости около клеточной поверхности.

Жгутик, как правило, не встречается в количестве более двух на клетку. В сперматозоиде человека жгутик имеет длину 50-55 мкм, толщину 0,2-0,5 мкм и содержит аксонему.

Киноцилия – (греч. kinesis, движение; cilium, ресничка) специальная рпганелла подвижности на поверхности волосковых клеток органа равновесия.

Строение моторных белков микротрубочек

• Цитоскелет состоит из полимеров белковой природы. Каждый полимер состоит из нескольких тысяч идентичных субъединиц, связанных вместе с образованием филаментов

• Цитоскелет обеспечивает движение клеток и их механическую поддержку

• Клеточный цитоскелет состоит из трех типов полимеров: актиновые филаменты, промежуточные филаменты и микротрубочки

• Все полимеры имеют динамическую природу; они постоянно наращивают и теряют субъединицы

• Микротрубочки представляют собой полимеры субъединиц тубулина

• Микротрубочки почти всегда функционируют вместе с молекулярными моторами, которые генерируют усилия, осуществляя движение везикул и других комплексов по поверхности микротрубочек

• Реснички и жгутики представляют собой специализированные органеллы, состоящие из микротрубочек и моторных белков, которые обеспечивают движение клеток в жидкой среде или движение жидкости вдоль клеточной поверхности

• Химические соединения, разрушающие микротрубочки, применяются в медицине и в сельском хозяйстве

Фотография представляет собой кадр видеоизображения.
Виден небольшой участок цитоплазмы клетки млекопитающих.
Слева внизу виден край клетки; ядро находится справа вверху и не видно в кадре.
Видеосъемка показывает, что большая часть везикул находится в постоянном движении.

Цитоплазма эукариотических клеток находится в постоянном движении, поскольку органеллы все время перемещаются с места на место. Это движение особенно заметно в цитоплазме крупных клеток удлиненной формы, таких как нейроны.

Движение цитоплазмы отмечается также и в других клетках. Движение органелл необходимо для выполнения ряда функций. Секреторные везикулы выходят из аппарата Гольджи, который расположен в середине клетки, и транспортируются к плазматической мембране, где экскретируют свое содержимое в межклеточную среду. В то же время везикулы, интернализованные в мембрану, транспортируются в эндосомы. Митохондрии все время находятся в движении, а ЭПР постоянно растягивается и реорганизуется.

В митотических клетках хромосомы вначале выстраиваются в метафазную пластинку, а затем расходятся в противоположные стороны. Движение органелл и хромосом в правильном направлении и в надлежащее время обеспечивается цитоскелетом, который представляет собой белковые структуры, формирующие рельсовую транспортную систему клетки и моторных белков, двигающихся по ним.

Цитоскелет также обладает другими важными функциями: он обеспечивает подвижность клеток, а также необходим для организации и структурной поддержки формы всех клеток. Многие клетки движутся или самостоятельно, например находясь в организме (клетки животных), или перемещаясь с током окружающей среды (одноклеточные организмы и гаметы).

Клетки, подобные белым кровяным клеткам, которые находят и разрушают патогенные бактерии, способны перемещаться по плоской поверхности. Другие, например сперматозоиды, чтобы достигнуть места назначения, передвигаются в жидкой среде. Цитоскелет обеспечивает все формы такого движения клеток и его направление. Наряду с кинематической функцией, цитоскелет обеспечивает организацию внутренней структуры клетки и формирует верхнюю и нижнюю, левую и правую, а также переднюю и заднюю ее части.

Определяя общую характеристику цитоплазмы, цитоскелет задает общую форму клетки, образуя прямоугольные эпителиальные клетки, нейроны с длинными тонкими аксонами, и дендриты, которые у человека в длину могут достигать одного метра.

Три кадра видеоизображения аксона живого нейрона.
На верхнем кадре схематически изображена вся нервная клетка.
Три везикулы, помеченные красной, желтой и голубой стрелками, наблюдались на протяжении 6 с.
Две везикулы движутся в направлении конца аксона, а одна в направлении тела клетки.

Цитоскелет состоит из трех основных типов структурных элементов: микротрубочек, микрофиламентов. Эти три типа структур, представленные на рисунке ниже, имеют много общих свойств. Каждый белок функционирует не как самостоятельная молекула, а как полимер, состоящий из множества идентичных белковых субъединиц. Подобно тому, как бусины, нанизанные на нитку, образуют ожерелье, полимеры цитоскелета выстраиваются в цитоплазме, связывая между собой тысячи белковых субъединиц. Основная особенность всех полимеров цитоскелета состоит в том, что они не представляют собой статические структуры, а постоянно наращивают и теряют субъединицы. Такая динамичная природа полимеров цитоскелета позволяет осуществлять его реорганизацию, образовывать новые или способствовать функционированию существующих транспортных путей в соответствии с внутриклеточными нуждами.

Хотя все три типа структурных белков проявляют общие свойства, каждый из них обладает уникальностью, что делает его наиболее соответствующим выполнению определенных задач в клетке. Поэтому три типа полимеров будут рассмотрены отдельно, хотя они часто функционируют совместно.

Эта и следующие статьи на сайте посвящаются микротрубочкам. Основная субъединица, образующая микротрубочки, представляет собой белок тубулин. Соединяясь между собой, молекулы тубулина образуют полые трубочки около 25 нм в диаметре. Отсюда они получили свое название. Одна микротрубочка может содержать десятки и сотни тысяч молекул тубулина и в длину достигать нескольких микрон.

Таким образом, микротрубочки способны распространяться более чем на половину длины большинства эукариотических клеток. Обычно интерфазные клетки содержат сотни длинных микротрубочек, проходящих через цитоплазму и соединяющих различные области клетки.

Микротрубочки почти всегда функционируют совместно с молекулярными моторами, которые по ним продвигаются. Эти моторные белки присоединяются к различным грузам, включая органеллы и везикулы, и транспортируют их по поверхности микротрубочек, подобно тому, как грузовики движутся по шоссейным дорогам. Микротрубочки и моторные белки также функционируют вместе при разделении реплицированных хромосом в митозе и образуют основу подвижных структур, которые используются клеткой для перемещения в жидкости или для обеспечения движения жидкости вдоль ее поверхности. Микротрубочки и моторные белки даже используются вирусами, например ВИЧ и аденовирусами, для того чтобы они могли быстро достигнуть ядра и реплицироваться.

Небольшие молекулы органических соединений, которые нарушают полимеризацию микротрубочек, используются в медицине и в сельском хозяйстве. Вещества, в той или иной степени способные стабилизировать микротрубочки, блокируют митоз и применяются как средства для лечения рака. Одним из таких веществ является паклитаксел (Таксол™), формула которого представлена на рисунке ниже и который используется для лечения рака яичников и молочной железы. Таксол связывается с микротрубочками и стабилизирует их, предотвращая диссоциацию субъединиц тубулина. Колхицин представляет собой еще один яд, оказывающий на микротрубочки противоположный эффект, т. е. вызывает их диссоциацию.

Препарат используется для лечения подагры, поскольку разрушение микротрубочек блокирует миграцию белых кровяных клеток, ответственных за воспалительный процесс при этом заболевании. Низкомолекулярные вещества, влияющие на тубулин, находят важное применение в сельском хозяйстве. Например, Зоксамид™ является фунгицидом, который специфически связывается с тубулинами грибков, тем самым предотвращая их рост. Препарат используется для борьбы с поздним фузариозным увяданием картофеля, грибковым заболеванием, которое вызвало массовый неурожай картофеля в Ирландии в 1850 г В настоящее время активно проводится поиск новых препаратов, способных связываться с тубулином и могущих найти применение в медицине и сельском хозяйстве.

Участок фибробласта в электронном микроскопе (слева). Видны многочисленные филаменты.
На снимке справа три типа полимеров, из которых состоит цитоскелет эукариотической клетки, выделены различным цветом. Микротрубочки в фибробласте. Для визуализации микротрубочек клетки обрабатывали красителем, флуоресцирующим зеленым цветом.
Микротрубочки организованы вокруг центральной точки (помеченной красным цветом) и распространяются в цитоплазму.
Большинство микротрубочек обладает достаточной длиной для того, чтобы проникнуть из одной части клетки в другую. Строение трех небольших органических молекул, нарушающих процесс сборки или разборки микротрубочек.
Паклитаксел (Таксол) и колхицин представляют собой природные продукты, образующиеся в некоторых растениях (тихоокеанский тис и безвременник осенний соответственно).
Зоксамид© является синтетическим веществом, которое было обнаружено при скрининге большого числа различных низкомолекулярных соединений по тесту нарушения функционирования микротрубочек.

Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021

• Для осуществления движения моторные белки используют энергию гидролиза АТФ

• Прочность связывания домена головки мотора с микротрубочкой определяется нуклеотидом, ассоциированным с головкой. Это может быть АТФ или АДФ. Связывание может происходит и без участия нуклеотида

• При гидролизе АТФ меняется также форма головки. Это изменение формы амплифицируется, что обеспечивает более выраженное движение мотора

• Циклы гидролиза АТФ и высвобождения нуклеотида сопряжены с присоединением к микротрубочке и с изменениями формы домена головки мотора. Используя этот механизм, мотор движется по микротрубочке, делая один шаг на каждый цикл гидролиза АТФ

Основное требование, предъявляемое к мотору, заключается в том, чтобы за время между присоединением АТФ и образованием АДФ могли пройти очень существенные конформационные перестройки. Это достигается за счет изменений моторного домена и примыкающих к нему участков молекулы и напоминает процесс управления движением наших конечностей. В обоих случаях небольшие локальные изменения формы или положения усиливаются и приводят к гораздо более выраженным изменениям в другом месте. Например, относительно небольшое сокращение мышцы бедра при ходьбе вызывает перемещение голени вверх и вперед, и, таким образом, незначительные изменения длины мышцы усиливаются, вызывая гораздо более выраженные изменения в положении ноги. В случае моторных белков, в результате гидролиза АТФ до АДФ в области связывания нуклеотида (нук-леотид-связывающий карман) происходят небольшие изменения формы головки моторного домена. Эти изменения усиливаются, проявляясь в другой части молекулы в перемещении вперед одной из головок

Так же как и пешеходы, молекулярные моторы должны быть способны открепляться от поверхности, на которой они находятся; в противном случае ни те, ни другие не смогут продвигаться дальше. Так же как и пешеход, для того, чтобы шагнуть вперед должен поднять ногу, белковый мотор должен открепиться от микротрубочки для дальнейшего продвижения. Насколько прочно мотор связывается с микротрубочкой, зависит от содержимого нуклеотид-связывающего кармана. Он может не содержать нуклеотидов, содержать АТФ или АДФ. Для кинезинов связывание с микротрубочками оказывается наиболее прочным, когда в области кармана находится связанный АТФ.

Связь мотора с микротрубочкой регулируется за счет гидролиза АТФ и при высвобождении нуклеотида. Это происходит за счет изменения прочности связи кинезина с микротрубочкой. Поскольку при гидролизе АТФ также изменяется форма головки моторного домена, процессы связывания нуклеотида, его гидролиза и высвобождения обеспечивают координацию между формой мотора и его связыванием с микротрубочкой. Это позволяет мотору сделать один «шаг» на каждую молекулу гидролизованного АТФ, т. е. осуществить один цикл: связывание с микротрубочкой, изменение конформации и высвобождение нуклеотида.

Для мотора с двумя головками можно представить два различных способа перемещения вдоль микротрубочки. Мотор может шагать «через голову», как это представлено на рисунке ниже. При этом, при каждом шаге вперед, головка, расположенная сзади, проходит мимо передней головки. Такой способ напоминает движения, которые мы совершаем при ходьбе, с каждым шагом перенося вперед ногу. Другой способ предполагает, что движение доменов мотора напоминает ползущую гусеницу. Головка, расположенная сзади, подтягивается по направлению к передней, затем передняя начинает двигаться вперед и цикл повторяется. Все известные моторы с двумя головками перемещаются по микротрубочкам, шагая «через голову». Иными словами, можно представить, что кинезин и другие моторы «прогуливаются» по микротрубочке.

Два способа перемещения мотора с двумя головками по микротрубочке.
При согласованных движениях двух головок кинезин перемещается как ползущая гусеница (справа).
При этом головка, обозначенная красным цветом, продвигается вперед, а помеченная оранжевым к ней подтягивается, и весь цикл повторяется.
Оранжевая головка никогда не занимает место впереди красной. Хотя существование этого способа вполне вероятно, такой мотор пока не найден.
Все известные моторы с двумя головками перемещаются по шагающему механизму: две головки перемещаются одна за другой, попеременно становясь ведущими (слева).

Важную роль в перемещении кинезина играет малый домен. Он называется шейным линкером и представляет собой последовательность, состоящую из 15 аминокислот, которая находится между головкой и спирализованной ножкой. Шейный линкер является частью молекулы кинезина, которая усиливает небольшие изменения структуры нуклеотид-связывающего кармана для того, чтобы обеспечить кинезину возможность делать длинные шаги. Усиление достигается за счет качательных движений шейных линкеров, которые можно рассматривать как «ноги» молекулы кинезина. Как мы вскоре увидим, перемещение кинезина обеспечивается АТФазным циклом обеих головок, контролирующих движение шейных линкеров.

При продвижении кинезина по микротрубочке обе головки работают в тандеме. Изменения, происходящие в одной из головок, часто являются результатом изменений в другой. Чтобы понять, каким образом цикл гидролиза АТФ обеспечивает движение мотора по микротрубочке, начнем с момента прикрепления кинезина. Одна из головок прочно зафиксирована на микротрубочке, и ее связывающий карман не содержит нуклеотидов. За головкой расположен шейный линкер. Связывающий карман второй головки содержит АДФ, и сама головка свободно расположена вдоль микротрубочки. Кинезин готов сделать первый шаг, и между обеими головками начинают разворачиваться события, координирующие их дальнейшие движения. При связывании АТФ с передней головкой (головка 1) ее шейный линкер отклоняется вперед по направлению к плюс-концу микротрубочки.

Это движение приводит к тому, что головка 1 перемещает головку 2 в лидирующее положение, и она располагается над следующим сайтом связывания на микротрубочке. Затем головка связывается с сайтом и отщепляет АДФ. Гидролиз АТФ, связанного с головкой 1, приводит к упрочению взаимодействия между головкой 2 и микротрубочкой. Кинезин переходит в промежуточное состояние, при котором обе головки оказываются прочно связанными с микротрубочкой. Как только головка 2, которая теперь занимает лидирующее положение, прочно связалась с микротрубочкой, головка 1 высвобождает фосфатную группу, образующуюся при гидролизе АТФ. Этот процесс приводит к отщеплению головки 1 от микротрубочки и вызывает конформационные изменения в головке 2, в результате которых повторно открывается активный сайт. Вся цепь описанных событий возвращает кинезин в исходное состояние лишь с той разницей, что впереди теперь находится головка 2, и молекула кинезина расположена на 8 нм ближе к плюс-концу микротрубочки.

Когда головка 2 связывает АТФ, наступает второй цикл, и затем две головки будут меняться ролями в течение сотен или тысяч циклов, делая каждый раз по шагу и продвигая мотор вдоль микротрубочки по направлению к плюс-концу. На рисунке ниже представлена серия анимированных изображений молекулы кинезина, которая делает несколько последовательных шагов. Схема иллюстрирует, каким образом координация процессов с участием обеих головок и обмен ролями между ними после каждого шага позволяет мотору двигаться по микротрубочке.

Последовательность процессов, которые происходят при выполнении кинезином каждого шага, напоминают действия канатоходца, шагающего по канату, закрепленному высоко над землей. Вначале кинезин, стоя на одной ноге, сохраняет равновесие и находится в устойчивом положении. Затем он переносит другую ногу вперед (изменение положения шейного линкера) и осторожно нащупывает ею канат (предварительное связывание передней головки). Только когда кинезин убедится в том, что передняя нога надежно ориентирована на канате, он переносит на нее свой вес (укрепление связывания передней головки). Затем кинезин высвобождает вторую ногу и отрывает ее от каната, принимая положение для следующего шага. Если кинезин, так же как и канатоходец, переставит вторую ногу, прочно не укрепив первую, прогулка закончена. Канатоходец оказывается на земле, а белок далеко от микротрубочки.

Если бы кинезин часто освобождал вторую ногу, не дожидаясь, пока передняя нога прочно укрепилась, то постоянное движение на большие расстояния стало бы невозможным.

Например, если бы механическое напряжение вызывало значительное ускорение высвобождения фосфата, то ведомая головка не откреплялась бы от микротрубочки до момента прочного связывания ведущей головки.

Механизм движения кинезинов дает им возможность постоянно продвигаться по микротрубочке (т. е. их движение является высоко «процессивным»). Например, в экспериментах in vitro один кинезиновый мотор с присоединенными к нему стеклянными шариками (выполняющими роль удобного карго) и содержащий две головки способен сделать сотни и тысячи шагов вдоль микротрубочки и, не отсоединяясь от нее, переместить шарики на значительное расстояние. Способность одного кинезинового мотора перемещать по микротрубочке карго на большие расстояния связана с тем, что каждая головка мотора примерно половину времени расходует на связывание с микротрубочкой, и активность двух головок скоординирована таким образом, что, по крайней мере, одна из них всегда находится в связанном состоянии. Существование моторов, у которых одна из двух головок всегда связана с микротрубочкой, характерно для индивидуально функционирующих или небольшой группы моторов, например, транспортирующих везикулы. Работая по такому механизму, они способны транспортировать карго на большие расстояния.

Существуют и такие моторы, у которых одна головка не всегда связана с микротрубочкой, что позволяет им вместе с карго быстро терять контакт с ее поверхностью. Моторы, которые функционируют в больших группах, например присутствующие в жгутиках, гораздо меньше времени находятся в связанном с микротрубочкой состоянии, чем моторы, переносящие везикулы. Некоторые головки могут находиться в связанном состоянии и генерировать силу в структуре, содержащей динеины (в жгутиках). Моторы, завершившие свою функцию, быстро покидают микротрубочку, чтобы не мешать работать на ней другим активным моторам.

В клетке многие органеллы движутся в двух направлениях: вначале органелла движется в одном направлении вдоль микротрубочки, затем она поворачивается и движется в противоположном направлении. Эти органеллы связываются с динеинами и с представителями группы кинезинов. При этом возникает вопрос, что обеспечивает их продолжительное движение в одном направлении? Для объяснения двустороннего движения органелл предложены две модели, представленные на рисунке ниже. Моторы с противоположно направленной полярностью могут конкурировать между собой. Поскольку всегда активны оба типа моторов, то выигрывает тот, который способен генерировать более сильное усилие (поскольку присутствует в большем количестве). Наоборот, активность моторов может быть скоординирована таким образом, что один их набор выключен, а другой функционирует. Вероятно, в клетке работает второй механизм, однако неясно, каким образом активность моторов скоординирована на поверхности везикулы.

Последовательность процессов, приводящих к перемещению кинезина по микротрубочке.
Несколько раз в ответ на изменения в одной головке, в другой также происходят изменения.
Заметьте, что по меньшей мере одна из головок кинезина всегда прочно связана с микротрубочкой. Кадры видеоанимации, показывающие скоординированное движение двух головок кинезина по микротрубочке.
Две головки (обозначены 1 и 2) выделены синим цветом, суперспирализованная область,
серым, и область шейного линкера, желтым (при направлении вперед) и красным (при направлении назад).
Для простоты показан только один протофиламент микротрубочки.
а-, b-субъединицы тубулина выделены белым и зеленым цветами соответственно, и плюс-конец расположен справа. Возможные механизмы двустороннего движения карго по микротрубочке.
В каждом случае оба мотора, транспортирующие карго в плюс- и минус-направлении, связаны с поверхностью везикулы.
На левом рисунке активны оба типа моторов, и мотор, способный развивать большее усилие
(вероятно из-за того, что присутствует в большем количестве копий), определяет направление движения везикулы.
На правом рисунке деятельность моторов скоординирована таким образом, что в каждый момент времени активен мотор, перемещающий карго только в одном направлении.
Имеющиеся данные позволяют считать, что клетки используют механизм, представленный на правом рисунке, однако неясно, каким образом скоординирована деятельность моторов.

• Для выполнения почти каждой клеточной функции, связанной с микротрубочками, необходимы соответствующие моторные белки

• Молекулярные моторы представляют собой ферменты, которые способны генерировать усилия и совершать «прогулку» по микротрубочке в направлении плюс-или минус-конца

• Домен мотора, называемый «головным», связывается с микротрубочками и генерирует усилия

• «Хвостовой» домен обычно связывается с мембраной или с карго (грузом)

• Кинезины в основном «прогуливаются» по направлению к плюс-концу микротрубочки

• Динеины «прогуливаются» в направлении минус-конца микротрубочки

Одна из основных функций-микротрубочек состоит в том, что они служат внутриклеточными транспортными путями для перемещения материалов из одного места клетки в другое. Транспортные средства, которые перевозят грузы по этим внутриклеточным магистралям, называются молекулярными моторами.

Они представляют собой белки, способные связываться с микротрубочками и многократно использующие циклический процесс гидролиза АТФ в качестве источника энергии для постоянного движения вдоль микротрубочки. Моторные белки доставляют секреторные везикулы к плазматической мембране, обеспечивают транспорт интернализированных везикул в эндосомы, и осуществляют внутриклеточное движение митохондрий и ЭПР. Очень наглядным и красочным примером работы молекулярных моторов является согласованное движение пигментных гранул (небольших везикул, содержащих молекулы пигмента) в клетках чешуек и кожи некоторых видов рыб и амфибий.

В ответ на гормональный стимул или на сигнал со стороны центральной нервной системы, молекулярные моторы попеременно концентрируют эти везикулы в середине клетки или распределяют их по цитоплазме. В результате животное меняет окраску, что выполняет защитную функцию от хищников. Соответствующие примеры представлены на рисунках ниже.

Наряду с обеспечением подвижности ряда внутренних мембран клетки, моторы участвуют в перемещении хромосом в митозе и в позиционировании веретена. Они также обеспечивают движение ресничек и жгутиков, дающее возможность таким специализированным клеткам, как сперматозоиды, перемещаться в жидкой среде, а неподвижным клеткам транспортировать через поверхность различные материалы. Некоторые вирусы используют клеточные моторы для своей транспортировки в ядро; одним из примеров таких вирусов является ВИЧ.

На фотографии представлена клетка, содержащая тысячи пигментных гранул — мелких частиц, наполненных темным пигментом.
На картинке справа, в светлой области, в виде мелких точек видны отдельные гранулы.
К каждой грануле присоединены моторные белки, двигающиеся в сторону плюс- и минус-концов.
В ответ на появление гормона мелатонина, минус-концевые моторы сдвигают гранулы от периферии вдоль микротрубочки, и пигмент накапливается в центре клетки.
В отсутствие гормона, другие моторы транспортируют гранулы в обратном направлении, и пигмент снова распределяется по всей клетке.

Однако транспортная функция не является единственной для молекулярных моторов. В отличие от транспортных средств, которые лишь перевозят грузы по готовым шоссе, молекулярные моторы также способны изменять форму и расположение транспортной системы микротрубочек, вдоль которых они перемещаются.

Из краткого описания некоторых возможностей молекулярных моторов должно быть очевидно, что они представляют собой обязательный компонент всех эукариотических клеток и играют основополагающую роль во всех процессах, происходящих с участием микротрубочек.

В клетке находятся два семейства молекулярных моторов, которые перемещаются вдоль микротрубочек. Это кинезины, которые обычно направляются к плюс-концам микротрубочек, и динеины, осуществляющие движение в минус-направлении. Наряду с направлением движения мотора, организация сети микротрубочек является источником навигационной информации, необходимой для направления карго к определенному участку клетки.

В случае радиальной структуры сети микротрубочек, характерной для типичного фибробласта, моторы, которые движутся к минус-концу микротрубочек, будут транспортировать карго в центр клетки (например, к ядру или к аппарату Гольджи). В то же время плюс-моторы будут перемещать карго к периферии (например, на плазматическую мембрану).

Движение вдоль структуры полярного полимера в одном направлении является существенной особенностью всех молекулярных моторов, независимо от того, перемещаются они вдоль микротрубочек или актиновых филаментов. В данном случае полярность полимера способствует направленности движения и проявлению навигационных характеристик мотора. Промежуточные филаменты не обладают полярностью, и не обнаружено моторов, использующих их в качестве транспортных путей Карго, которое переносят кинезин и динеин, может также включать сами микротрубочки, и моторные белки часто принимают участие в их организации и реорганизации.

Как показано на рисунке ниже, если микротрубочка закреплена (например, присоединена к центросоме), то мотор может продвигаться вдоль нее и транспортировать карго. Если, наоборот, зафиксирован моторный белок (например, связан с кортикальным слоем клетки), то мотор приводит в движение микротрубочку, помогая реорганизовать всю структуру. При движении микротрубочки для навигационных целей важна ее полярность; в этом случае полярность микротрубочки определяет направление ее собственного движения.

Все молекулярные моторы, в том числе актин-миозиновый, имеют характерную форму, которая позволяет им выполнять свою задачу. Эта форма видна при исследовании выделенных препаратов белковых моторов в электронном микроскопе. Во всех случаях мотор состоит из двух одинаковых больших глобулярных доменов, присоединенных к концу еще одного домена, имеющего форму длинного стержня. Поэтому в целом мотор имеет удлиненную форму (4-100 нм). Многие моторы также имеют на другом конце вторую пару меньших по размеру глобулярных доменов. Большие глобулярные домены содержат сайты связывания полимерных молекул (микротрубочек или актиновых филаментов) и АТФ, и называются «головными» или «моторными» доменами.

Только эти домены участвуют в выработке силы; остальные служат для ее использования внутри клетки в определенных целях. Динеиновые моторы обладают дополнительной «ножкой», которая выглядит как вырост на глобулярном домене. У динеинов с микротрубочками связывается самый кончик этого выроста. На противоположном конце мотора расположен «хвостовой» домен; в этом месте с мотором связывается карго, например везикулы.

Кадры видеосъемки перемещения пигментных гранул в клетке.
На верхнем кадре пигментные гранулы распределены по клетке. На среднем гранулы агрегированы в центре.
Нижний кадр показывает возвращение гранул к их исходному распределению по клетке.
Видеосъемка показывает, что движение пигментных гранул происходит по линейным траекториям.

Обычно молекула мотора содержит несколько полипептидов различной длины. Основной полипептид представляет собой димер, состоящий из больших полипептидов, и называется тяжелой цепью. Две тяжелые цепи имеют структуру спиралей, которые почти на всем протяжении связаны между собой и образуют центральную стержнеобразную область мотора. Участки, относящиеся к концам спиралей, образуют головной и хвостовой домены. В каждом типе мотора с каждой тяжелой цепью связаны один или два меньших по размеру полипептида, которые называются легкими цепями. Они часто выполняют регуляторные функции.

Кинезиновое семейство молекулярных моторов достаточно велико; в клетках человека содержится около 45 различных кинезиновых моторов. Одно это позволяет предполагать, что они выполняют в клетках разнообразные роли, и некоторые из них являются достаточно высокоспециализированными белками. Более половины кинезинов участвует в транспорте карго в различные компартменты клетки, а остальные функционируют в митозе. В пределах моторного домена кинезины обладают высокой степенью гомологии. Вне этого домена они обнаруживают гораздо большее разнообразие в структуре и часто проявляют существенные различия. По-видимому, эти вариабельные районы способствуют связыванию кинезинов со специфическими карго.

В зависимости от положения моторного домена в тяжелой цепи, семейство кинезинов подразделяется на три группы. У первого из идентифицированных кинезинов моторный домен был расположен поблизости от N-kohцевого участка цепи. Этот «стандартный» кинезин транспортирует везикулы в направлении плюс-конца микротрубочки. У остальных представителей семейства кинезинов моторный домен расположен ближе к С-концевому участку тяжелой цепи. Такое расположение моторного домена характерно для кинезинов, которые осуществляют транспорт к минус-концу микротрубочки. У нескольких кинезинов моторные домены расположены в середине тяжелой цепи (например, у МСАК).

Эти кинезины не участвуют в обеспечении транспортных потребностей клетки, а регулируют динамику микротрубочек, используя энергию гидролиза АТФ для ослабления их концевых структур.

Хвостовые домены некоторых кинезиновых моторов могут ассоциировать друг с другом, образуя биполярные моторы, содержащие четыре головных домена. Как показано на рисунке ниже, наличие моторных доменов, ориентированных в противоположных направлениях, позволяет этим моторам одновременно связываться с двумя микротрубочками, вызывая их перемещение. Такое перемещение микротрубочек относительно друг друга особенно важно в митозе. Оно необходимо для образования как митотического веретена, так и срединного тела — структуры, состоящей из микротрубочек, и играющей существенную роль в цитокинезе.

Очевидно, что моторы этого типа участвуют в перегруппировке микротрубочек цитоскелета, и единственным карго для них служат сами микротрубочки.

По сравнению с кинезиновым семейством моторов, динеиновая группа относительно невелика. В отличие от кинезинов, динеины движутся только в направлении минус-конца микротрубочек. Во всех клетках присутствует единственная цитоплазматическая форма динеина, которая принимает участие в транспорте карго и в митозе. Она представляет собой димер, состоящий из двух одинаковых тяжелых цепей, которые в каждой молекуле динеина образуют два моторных домена. Остальные представители группы динеинов, аксонемные динеины, обнаружены исключительно в жгутиках и ресничках.

В отличие от цитоплазматических динеинов, они являются гетеродимерами или гетеротримерами, состоящими из различных субъединиц тяжелой цепи, и обладают двумя или тремя моторными доменами. Подробнее об аксонемных динеинах и их участии в движении жгутиков и ресничек смотрите отдельную статью на сайте (рекомендуем пользоваться формой поиска на главной странице сайта).

Движение мотора или микротрубочки относительно друг друга зависит от того, какой объект зафиксирован.
В клетке возможны оба варианта. При фиксации микротрубочки возможно перемещение везикул,
а закрепление мотора приводит к перегруппировке цитоскелета. Строение моторных белков микротрубочек по результатам исследований в электронном микроскопе с использованием метода кругового напыления (вверху).
В нижней части рисунка схематически представлено связывание моторов с микротрубочками.
Каждый мотор состоит из двух или более крупных полипептидов (тяжелых цепей) и нескольких полипептидов меньшего размера (промежуточные и легкие цепи). Некоторые кинезины, соединяясь своими хвостовыми доменами, образуют биполярные моторы с двумя моторными доменами на концах.
Такие моторы способны одновременно присоединяться к двум противоположно ориентированным микротрубочкам и перемещать их.
При этом микротрубочки движутся друг относительно друга.
Направление движений мотора обозначено маленькими стрелками;
большие стрелки показывают направление перемещения микротрубочек.

Микротрубочки

Общая характеристика микротрубочек. К обязательным компонентам цитоскелета относятся микротрубочки (рис. 265), нитчатые неветвящиеся структуры, толщиной 25 нм, состоящие из белков-тубулинов и ассоциированных с ними белков. Тубулины при полимеризации образуют полые трубки (микротрубочки), длина которых может достигать нескольких мкм, а самые длинные микротрубочки встречаются в составе аксонемы хвостов спермиев.

Микротрубочки располагаются в цитоплазме интерфазных клеток поодиночке, небольшими рыхлыми пучками, или в виде плотноупакованных образований в составе центриолей, базальных телец в ресничках и жгутиках. При делении клеток большая часть микротрубочек клетки входит в состав веретена деления.

По строению микротрубочки представляют собой длинные полые цилиндры с внешним диаметром 25 нм (рис. 266). Стенка микротрубочек состоит из полимеризованных молекул белка тубулина. При полимеризации молекулы тубулина образуют 13 продольных протофиламентов, которые скручиваются в полую трубку (рис. 267). Размер мономера тубулина составляет около 5 нм, равного толщине стенки микротрубочки, в поперечном сечении которой видны 13 глобулярных молекул.

Молекула тубулина представляет собой гетеродимер, состоящий из двух разных субъедниц, из a–тубулина и b– тубулина, которые при ассоциации образуют собственно белок тубулин, изначально поляризованный. Обе субъединицы мономера тубулина связаны с ГТФ, однако на a-субъдинице ГТФ не подвергается гидролизу, в отличие от ГТФ на b-субъединице, где при полимеризации происходит гидролиз ГТФ до ГДФ. При полимеризации молекулы тубулина объединяются таким образом, что с b-субъединицей одного белка ассоциирует a–субъединица следующего белка и т.д. Следовательно, отдельные протофибриллы возникают как полярные нити, и соответственно вся микротрубочка тоже является полярной структурой, имеющей быстро растущий (+)-конец и медленно растущий (-) конец (рис. 268).

При достаточной концентрации белка полимеризация происходит спонтанно. Но при спонтанной полимеризации тубулинов происходит гидролиз одной молекулы ГТФ, связанной с b-тубулином. Во время наращивания длины микротрубочки связывание тубулинов происходит с большей скоростью на растущем (+)-конце. Но при недостаточной концентрации тубулина микротрубочки могут разбираться с обоих концов. Разборке микротрубочек способствует понижение температуры и наличие ионов Са ++.

Микротрубочки являются очень динамичными структурами, которые могут достаточно быстро возникать и разбираться. В составе выделенных микротрубочек обнаруживаются ассоциированные с ними дополнительные белки, т.н. МАР-белки (МАР- microtubule accessory proteins). Эти белки, стабилизируя микротрубочки, ускоряют процесс полимеризации тубулина (рис. 269).

Роль цитоплазматических микротрубочек сводится к выполнению двух функций: скелетной и двигательной. Скелетная, каркасная, роль заключается в том, что расположение микротрубочек в цитоплазме стабилизирует форму клетки; при растворении микротрубочек клетки, имевшие сложную форму, стремятся приобрести форму шара. Двигательная роль микротрубочек заключается не только в том, что они создают упорядоченную, векторную, систему движения. Микротрубочки цитоплазмы в ассоциации со специфическими ассоциированными моторными белками образуют АТФ-азные комплексы, способные приводить в движение клеточные компоненты.

Практически во всех эукариотических клетках в гиалоплазме можно видеть длинные неветвящиеся микротрубочки. В больших количествах они обнаруживаются в цитоплазматических отростках нервных клеток, в отростках меланоцитов, амеб и других изменяющих свою форму клетках (рис. 270). Они могут быть выделены сами или же можно выделить их образующие белки: это те же тубулины со всеми их свойствами.

Центры организации микротрубочек. Рост микротрубочек цитоплазмы происходит полярно: наращивается (+)-конец микротрубочки. Время жизни микротрубочек очень коротка, поэтому постоянно происходит образование новых микротрубочек. Процесс начала полимеризации тубулинов, нуклеация, происходит в четко ограниченных участках клетки, в т.н. центрах организации микротрубочек (ЦОМТ). В зонах ЦОМТ происходит закладка коротких микротрубочек, обращенных своими (-)-концами к ЦОМТ. Считается, что в зонах ЦОМТ (--)-концы заблокированы специальными белками, предотвращающими или ограничивающими деполимеризацию тубулинов. Поэтому при достаточном количестве свободного тубулина будет происходить наращивание длины микротрубочек, отходящих от ЦОМТ. В качестве ЦОМТ в клетках животных участвуют главным образом клеточные центры, содержащие центриоли, о чем будет сказано далее. Кроме того в качестве ЦОМТ может служить ядерная зона, и во время митоза полюса веретена деления.

Одним из назначений микротрубочек цитоплазмы заключается в создании эластичного, но одновременно устойчивого внутриклеточного скелета, необходимого для поддержания формы клетки. У дисковидных по форме эритроцитов амфибий по периферии клетки лежит жгут циркулярно уложенных микротрубочек; пучки микротрубочек характерны для различных выростов цитоплазмы (аксоподии простейших, аксоны нервных клеток и т.д.).

Роль микротрубочек заключается в образовании каркаса для поддержания клеточного тела, для стабилизации и укрепления клеточных выростов. Кроме того, микротрубочки участвуют в процессах роста клеток. Так, у растений в процессе растяжения клеток, когда за счет увеличения центральной вакуоли происходит значительный рост объема клеток, большие количества микротрубочек появляются в периферических слоях цитоплазмы. В этом случае микротрубочки, так же как и растущая в это время клеточная стенка, как бы армируют, механически укрепляют цитоплазму.

Создавая внутриклеточный скелет, микротрубочки являются факторами ориентированного движения внутриклеточных компонентов, задавая своим расположением пространства для направленных потоков разных веществ и для перемещения крупных структур. Так, в случае меланофоров (клетки, содержащие пигмент меланин) рыб при росте клеточных отростков гранулы пигмента передвигаются вдоль пучков микротрубочек.

В аксонах живых нервных клеток можно наблюдать перемещение различных мелких вакуолей и гранул, которые двигаются как от тела клетки к нервному окончанию (антероградный транспорт), так и в противоположном направлении (ретроградный транспорт).

Были выделены белки, ответственные за движение вакуолей. Один из них кинезин, белок с молекулярным весом около 300 тыс.

Существует целое семейство кинезинов. Так, цитозольные кинезины участвуют в транспорте по микротрубочкам везикул, лизосом и других мембраных органелл. Многие из кинезинов связываются специфически со своими грузами. Так некоторые участвуют в переносе только митохондрий, другие – только синаптических пузырьков. Кинезины связываются с мембранами через мембранные белковые комплексы – кинектины. Кинезины веретена деления участвуют в образовании этой структуры и в расхождении хромосом.

За ретроградный транспорт в аксоне отвечает другой белок – цитоплазматический динеин (рис. 275). Он состоит из двух тяжелых цепей – головок, взаимодействующих с микротрубочками, нескольких промежуточных и легких цепей, которые связываются с мембранными вакуолями. Цитоплазматический динеин является моторным белком, переносящим грузы к минус-концу микротрубочек. Динеины также делятся на два класса: цитозольные – участвующие в переносе вакуолей и хромосом, и аксонемные – отвечающие за движение ресничек и жгутиков.

Цитоплазматические динеины и кинезины были обнаружены практически во всех типах клеток животных и растений.

Таким образом, и в цитоплазме движение осуществляется по принципу скользящих нитей, только вдоль микротрубочек перемещаются не нити, а короткие молекулы – движетели, связанные с перемещающимися клеточными компонентами. Сходство с актомиозиновым комплексом этой системы внутриклеточного транспорта заключается в том, что образуется двойной комплекс (микротрубочка + движетель), обладающий высокой АТФ-азной активностью.

Как видно, микротрубочки образуют в клетке радиально расходящиеся поляризованные фибриллы, (+)-концы которых направлены от центра клетки к периферии. Наличие же (+) и (-)-направленных моторные белков (кинезинов и динеинов) создает возможность для переноса в клетке её компонентов как от периферии к центру (эндоцитозные вакуоли, рециклизация вакуолей ЭР и аппарата Гольджи и др), так и от центра к периферии (вакуоли ЭР, лизосомы, секреторные вакуоли и др) (рис. 276). Такая полярность транспорта создается за счет организации системы микротрубочек, возникающих в центрах их организации, в клеточном центре.

Читайте также: