Система микротрубочек
Микротрубочки представляют цилиндры диаметром 25 нанометров с полостью внутри. Их стенка образована мономерами тубулина. Микротрубочки, подобно актиновым микрофиламентам, полярны: полимеризация из мономеров идет легче на плюс – конце, чем на минус – конце. Система микротрубочек, в отличие от актинового кортекса, в большинстве клеток строго централизована: в то время как в кортексе может работать одновременно множество центров полимеризации, из которых растут новые микрофиламенты, микротрубочки часто имеют лишь 1 – 2 центра полимеризации на клетку. Практически все микротрубочки в клетках растут из этих центров плюс – концами к периферии, и поэтому системы микротрубочек часто имеют вид звезд. Наиболее распространенные варианты ЦОМТ – центросомы, из которых растет митотическое веретено и «звезды» микротрубочек во многих клетках, а также базальные тельца, из которых растут микротрубочки жгутиков и ресничек. Замечательное свойство этих центров, что они способны репродуцироваться: новый центр вырастает рядом со старым и затем «материнский» и дочерний центры расходятся. Долго искали в центрах ДНК, но не нашли. Удвоение центров, видимо, имеет совсем особый механизм, отличный от удвоения ДНК, но природа его еще неизвестна.
Как уже говорилось, микротрубочки разных структур сильно различаются по стабильности. Если инъецировать в клетки раствор тубулина, меченного флуоресцентной краской, то микротрубочки становятся окрашенными, и в флуоресцентный микроскоп можно непосредственно наблюдать, как отдельные микротрубочки быстро растут от центра к периферии, затем быстро укорачиваются, иногда исчезают совсем, опять растут и т.д. Эта смена фаз роста и укорочения – характерная черта систем нестабильных микротрубочек. У многих стабильных микротрубочек, например, в жгутиках сохраняется постоянная длина. Большую или меньшую стабильность придают микротрубочкам особые белки, связывающиеся с их наружной стенкой и укрепляющие ее.
Среди белков, прикрепленных к микротрубочкам, очень важны моторные молекулы – динеины и кинезины. Эти молекулы одним концом прикрепляются сбоку к микротрубочке и могут двигаться по ней, если доставлять им энергию в виде АТФ. При этом большинство вариантов кинезина двигается по трубочке к ее плюс – концу, а все динеины – к минус – концу. Другим полюсом молекула динеина или кинезина может прикрепиться к мембранным органеллам или к другим микротрубочкам. В результате эти молекулярные моторы могут совершать много разных типов движений.
Промежуточные филаменты
Это третий основной компонент цитоскелета, названный так потому, что его нити по диаметру (8 – 10 нанометров) меньше, чем микротрубочки, но больше, чем микрофиламенты. Эти нити многочисленны в цитоплазме большинства клеток; по-видимому, они растут из многих центров, но этот вопрос еще окончательно не решен. Промежуточные филаменты – очень прочные структуры: разными экстрагирующими солевыми растворами можно удалить из клетки все ее компоненты, а сеть промежуточных филаментов сохраняется, пока мы не применим сверхсильные денатурирующие агенты, например концентрированный раствор мочевины. Другое отличие этих филаментов от других цитоскелетных нитей: их мономеры легко полимеризуются, но с большим трудом деполимеризуются, поэтому в клетке свободных растворенных мономеров почти нет. Впрочем, когда это необходимо, клетка легко перестраивает свою систему межуточных филаментов. например, при митозе все филаменты распадаются на фрагменты, по-видимому, в результате того, что специальный фермент присоединяет к их мономерам фосфатные группы. После митоза филаменты быстро восстанавливаются.
Загадкой остается вопрос о том, почему в разных тканях эти морфологически сходные филаменты построены из разных белков. Особенно велико разнообразие белков межуточных филаментов эпителиальных тканей, кератинов в каждой клетке. Выделено уже более 30 кератинов, комбинирующихся по два типа в каждой клетке. разные наборы кератинов имеются в различных типах эпителиев и даже в разных участках одного эпителия. Например, в Эпителии кожи, покрывающем ладони и пятки человека, обнаружен особый кератин (№ 9), которого нет в эпителиях других участков кожи или каких-либо иных тканей. Не одинаковы по белковому составу и промежуточные филаменты (нейрофибриллы) разных типов нервных клеток.
Вопрос о функциях всех этих филаментов совершенно неясен. Наиболее вероятная гипотеза: промежуточные филаменты укрепляют клетки и ткани механически, делают их более прочными. Вспомним, что кожа пятки и ладони испытывает разную нагрузку и, возможно, что молекулярные различия кератинов делают филаменты лучше приспособленными к разным нагрузкам.
Сильным аргументом в пользу механической роли промежуточных филаментов являются новые данные о том, что основой некоторых наследственных кожных болезней, при которых резко снижается прочность кожного эпителия, являются мутации генов определенных кератинов. В частности, при мутациях упомянутого выше кератина № 9, специфичного для пятки и ладони, нарушается прочность кожи именно в этих участках.
II. Цитоскелет, способный
чувствовать и помнить
Все клетки ползут, образуя на переднем крае динамические выросты – псевдоподии разной формы. В псевдоподиях под мембраной клетки полимеризуются актиновые микрофиламенты, которые связываются с миозином и другими белками. Псевдоподии могут прикрепляться к поверхности подложки и, сокращаясь, тянут всю клетку вперед. Таков основной механизм движения. Очевидно, направление движения определяется тем, на каком краю клетки будут образовываться, прикрепляться и сокращаться псевдоподии.
Что же определяет места образования псевдоподий? Для того чтобы это понять, рассмотрим движения одной из клеток, чаще всего используемых в экспериментах, клеток соединительной ткани – фибробластов. Они поляризованы, то есть образуют псевдоподии лишь на одном или двух полюсах. Эти клетки могут ползти направленно в сторону одного из актиновых полюсов. Их боковые края неактивны.
Благодаря динамике цитоскелета фибробласт может менять форму и направление движений в ответ на изменения окружающего внешнего мира: например, в ответ на изменения питательной среды и поверхности подложки. Ориентировка этих клеток начинается с того, что клетка получает направленный сигнал из внешнего мира. Это явление называется положительным химиотаксисом. Веществами, вызывающими такой химиотаксис у фибробластов, являются некоторые специальные белки, так называемые факторы роста. Химиотаксические вещества связываются со специальными белками – рецепторами в наружной мембране клетки и активизируют их. Такая активация через какие-то еще неясные промежуточные химические реакции вызывает полимеризацию актина под соответствующим местом мембраны и выпячивание псевдоподии. Если концентрация активирующих веществ с разных сторон клетки различна, то на одном конце клетки будет образовываться и прикрепляться к подложке больше псевдоподий, чем на другом. Контакт с другой клеткой может действовать противоположно химиотаксису: если какой-то участок активного края фибробласта касается поверхности другой клетки, то образование псевдоподий в этом месте края немедленно прекращается; происходит «контактное торможение» или «контактный паралич» этого участка.
Механизмы такого паралича еще неясны, но его биологический смысл очевиден: благодаря параличу клетка не заползает на другую клетку, но коснувшись ее, поворачивает туда, где есть свободная поверхность подложки. Двигаясь, клетки соблюдают взаимную вежливость. Третий внешний фактор, меняющий распределение псевдоподий – различная адгезивность («липкость») разных участков поверхности подложки. Например, посадим клетку не на широкое плоское стекло, а на узкий стеклянный цилиндр, диаметр которого (30 микрометров) лишь немногим больше диаметра самой клетки. Тогда фибробласт начинает выбрасывать псевдоподии во все стороны. Но лишь те псевдоподии, которые выброшены вдоль, а не поперек цилиндра, смогут коснуться свободной поверхности стекла и прикрепиться к ней; псевдоподии, выброшенные поперек стекла, такой подложки не найдут, и клетка втянет их обратно.
Таким образом, под влиянием внешних факторов у клетки возникает первичная поляризация образования и прикрепления псевдоподий. Однако такая поляризация часто очень неустойчива. Чтобы направленно двигаться, клетка должна запомнить и стабилизировать эффект внешних факторов. Эта стабилизация выражается в том, что клетка совсем перестает выбрасывать псевдоподии в тех направлениях, где их прикрепление было менее удачно, и начинает их выбрасывать более эффективно только в наиболее удачных направлениях, например, вдоль цилиндра или ближе к источнику химиотаксического вещества.
III. Клетка единая,
но делимая
самоорганизуются в мини-клетки
Упорядоченное взаимное расположение клеточных структур создается и поддерживается самой живой цитоплазмой, способностью этой цитоплазмы к самоорганизации. Действительно, даже малые фрагменты цитоплазмы, отделенные от остальной клетки, способны восстанавливать подобное взаимное расположение сохранившихся структур. Отрежем от периферии культуральной клетки под микроскопом микроножом небольшой кусочек цитоплазмы, составляющий лишь 3 – 5 % клеточной массы. Через короткое время такой безъядерный фрагмент самоорганизуется: в центральной его части эндоплазму, а на периферии формируются тонкие ламеллы, прикрепленные по краям к подложке фокальными адгезиями. По краю ламеллы часто возникают псевдоподии, и при их помощи фрагмент может ползать по подложке. Старый центр организации микротрубочек – центросома обычно не попадает во фрагмент, и сохранившиеся в нем периферические куски микротрубочек расположены вначале почти параллельно друг другу, однако вскоре эти микротрубочки реорганизуются в единую радиальную систему, у них возникает подобие центра, из которого микротрубочки расходятся во все стороны к краям фрагмента. Разумеется, такие фрагменты в отличие от целых клеток погибают обычно через 1-2 суток: ведь у них нет ядра и потому невозможен синтез новых информационных РНК, следовательно, быстро тормозится синтез белков, необходимых для роста и просто замещения разрушающихся со временем белковых молекул. Тем не менее способность фрагментов к самоорганизации в мини-клетки и движениям в течение отведенного им короткого срока жизни замечательна.