Мікротрубочки

Мікротрубочки — білкові внутрішньоклітинні структури, що входять до складу цитоскелету еукаріотів.

Цитоскелет еукаріот. Актинові мікрофіламенти забарвлені в червоний колір, мікротрубочки — в зелений, ядра клітин — в блакитний.

Мікротрубочки є циліндрами діаметром 25 нм з порожниною усередині. Їх довжина може бути від кількох мікрометрів до, ймовірно, кількох міліметрів (в аксонах нервових клітин). Їх стінка утворена димерами тубуліну. Мікротрубочки, подібно актиновим мікрофіламентам, полярні: на одному кінці відбувається самозбирання мікротрубочки, на іншому — розбирання. У клітинах мікротрубочки грають роль структурних компонентів і беруть участь в багатьох клітинних процесах, включаючи мітоз, цитокінез і везикулярний транспорт.

Будова
Структура мікротрубочок
Модель молекули тубуліну.
Поперечний перетин клітини радіолярії (Heliozoa). Мікротрубочки зібрані у спіралевидну конструкцію. Збільшення x65 000.


Мікротрубочки — структури, в яких 13 тубулінових α- та β-гетеродимерів укладені по колу полого циліндра. Зовнішній діаметр циліндра становить близько 25 нм, внутрішній, — близько 15 нм. Один з кінців мікротрубочки, що називається позитивним кінцем (або плюс-кінцем), постійно приєднує до себе вільний тубулін. Від протилежного кінця — негативного (мінус-кінця) — тубулінові субодиниці відщеплюються.

В утворенні мікротрубочки in vitro виділяють три фази:

  1. сповільнена фаза, або нуклеація. Це етап зародження мікротрубочки, коли молекули тубуліна починають з'єднуватися в крупніші утворення. Таке з'єднання відбувається повільніше, ніж приєднання тубуліна до вже зібраної мікротрубочки, тому фаза і називається сповільненою.
  2. фаза полімеризації, або елонгація. Якщо концентрація вільного тубуліну висока, його полімеризація відбувається швидше, ніж деполімерізация на негативному кінці, за рахунок чого мікротрубочка подовжується. У міру її зростання концентрація тубуліну падає до критичної і швидкість росту сповільнюється до вступу до наступної фази;
  3. фаза стабільного стану. Деполімерізация врівноважує полімеризацію, і зростання мікротрубочки зупиняється. Лабораторні дослідження показують, що збірка мікротрубочок з тубуліну відбувається тільки в присутності гуанозинтрифосфату та іонів магнію, оптимально при температурі 37 °C.

Динамічна нестабільність

Мікротрубочки є динамічними структурами і в клітині постійно полімеризуються і деполімерізуются. Центросома, локалізована поблизу ядра, виступає як центр організації мікротрубочок: вони ростуть від неї до периферії клітини. В той же час мікротрубочки можуть раптово припинити своє зростання, у цьому разі вони зазвичай швидко скорочуються назад у напрямку до центросоми до повного розчинення, а потім виростають знову. Мінус-кінець мікротрубочки зазвичай закріплений в центросомі.

Динамічна нестабільність мікротрубочок грає важливу фізіологічну роль. Наприклад, при поділі клітини мікротрубочки ростуть дуже швидко і сприяють правильній орієнтації хромосом і утворенню веретена поділу.

Функція

Мікротрубочки в клітині використовуються як канали для транспортування «вантажів». Транспортування по мікротрубочках здійснюють білки, що називаються моторними. Це високомолекулярні сполуки, що складаються з двох важких (масою близько 300 кДа) і декількох легких ланцюгів. У важких ланцюгах виділяють головний і хвостовий домени. Два головні домени зв'язуються з мікротрубочками і є власне двигунами, а хвостові — зв'язуються з органелами та іншими внутріклітинними утвореннями, що підлягають транспортуванню.

Виділяють два види моторних білків, здатних рухатися уздовж мікротрубочок:

  • цитоплазматичні динеїни переміщують «вантаж» тільки від плюс-кінця до мінус-кінця мікротрубочки, тобто з периферійних областей клітини до центросоми;
  • кінезини, переміщуються до плюс-кінця, тобто до клітинної периферії.

Переміщення здійснюється за рахунок енергії АТФ. Головні домени моторних білків для цього містять АТФ-зв'язуючі ділянки. Крім транспортної функції, мікротрубочки формують центральну структуру війок і джгутиків еукаріотів — аксонему. Типова аксонема містить 9 пар об'єднаних мікротрубочок і дві повні мікротрубочки.

Рослинні мікротрубочки

Мікротрубочки рослин є високодинамічними складовими цитоскелету, які залучені до важливих клітинних процесів, зокрема, сегрегації хромосом, формування фрагмопласту, мікрокомпартменталізації, внутрішньоклітинного транспорту, а також до підтримання сталої форми та полярності клітини. Мобільність мікротрубочок забезпечується динамічною нестабільністю, пересуванням полімерів моторними білками, тредмілінгом та гібридним механізмом тредмілінгу із динамічною нестабільністю плюс-кінця та повільною деполімеризацією мінус-кінця [1].

Організація та динаміка
Мікротрубочки підсвічені зеленим флуорисцентним білком
(внизу, у центрі).

Мікротрубочки є надмірно чутливими до біотичних та абіотичних факторів навколишнього середовища (холоду, освітлення, посухи, засолення, впливу гербіцидів і пестицидів, затоплення, стискання, впливу електричного поля, тиску та сили тяжіння), а також фітогормонів, антимітотичних препаратів та ряду інших біологічно активних сполук [2]. Мікротрубочки є порожнистими полярними циліндричними філаментами діаметром понад 24 нм, що збираються з гетеродимерів α- та β-тубулінів, які у положенні «голова-до-хвоста» формують 13 протофіламентів.

Суттєве обмеження імуногістохімічних досліджень полягає у неможливості прижиттєвої візуалізації динаміки мікротрубочок еукаріотичних та прокаріотичних клітин в режимі реального часу. Це обмеження було подолано завдяки застосуванню конфокальної мікроскопії із зеленим флуоресцентним білком GFP, ізольованим із медузи Aequorea victoria L. [3]. Репортерна конструкція GFP-MBD для гетерологічної трансформації навіть за низького рівня транзієнтної експресії in vivo та in vitro дозволяє візуалізувати динамічну нестабільність мікротрубочок в різних типах клітин кореня. [4] [5]

У клітинах вищих рослин присутні чотири типи побудов мікротрубочок:

  • сітка кортикальних та ендоплазматичних мікротрубочок,
  • препрофазна стрічка,
  • веретено поділу,
  • фрагмопласт [6].

Білки, асоційовані з мікротрубочками

Усі компоненти цитоскелету та інші органели пов'язані між собою низкою специфічних білків, асоційованих з мікротрубочкми (БАМ). У тваринних клітинах найбільш дослідженими БАМ є tau і БАМ2, які стабілізують мікротрубочки та приєднують їх до інших клітинних структур, а також транспортні білки динеїн та кінезин [7]. Функціонування різних груп рослинних мікротрубочок залежить від наявності ізоформ БАМ з родини БАМ65 та регуляторних кіназ і фосфатаз. Зокрема, висококонсервативний тваринний гомолог родини БАМ65 є суттєвим для набуття мікротрубочками певних конфігурацій протягом розвитку рослини. [5] Орієнтація й організація різних популяцій та типів побудов мікротрубочок є ткане- та органоспецифічною [8].

Побудова кореня різушки Таля Arabidopsis thaliana L. є типовою для дводольних рослин. Найближчим до поверхні кореня є епідермальний шар, клітини якого у зрілій зоні в залежності від здатності ініціювати розвиток кореневих волосків є трихобластами чи атрихобластами [9]. Глибше розташовані накопичувальний безхлоропластний кортикальний шар із численними міжклітинниками та плазмодесмами та шар ендодермальних клітин із поясками Каспарі на антиклінальних поверхнях [10]. Центральний циліндр кореня формують паренхімні клітини перициклу [10], які здатні до швидких поділів, та елементи ксилеми і флоеми. Присутнє й функціональне розмежування кореневих зон: зони поділу, елонгації, дозрівання, а також перехідна зона на межі зон ініціації та елонгації. З перициклу формуються бічні корені, а з трихобластів епідермального шару — кореневі волоски [11] [10]. Кінчик кореня вкритий кореневим чохликом із специфічною морфологією клітин колумели.

Кортикальні мікротрубочки

Ацентросомальні кортикальні мікротрубочки (КМТ) важливі для морфогенезу рослин, регуляції клітинного поділу і елонгації [12]. Високодинамічна популяція мембранозв'язаних коротких КМТ швидко реорієнтується з інтерфазного поперечного положення у поздовжнє при елонгації клітини [13]. Ацентросомальні кортикальні мікротрубочки мають невпорядковане розміщення плюс-кінців і виявляють динамічну нестабільність, а вільні мінус–кінці КМТ повільно деполімеризуються, тобто КМТ самоорганізуються гібридним механізмом динамічної нестабільності та тредмілінгу [1]. Енуклеація відбувається по всій поверхні плазматичної мембрани [13] [1]. Білок SPR1 регулює динаміку та організацію плюс-кінця КМТ рослин, що позначається на анізотропному рості клітини [14] [15]. Ацентросомальні кортикальні мікротрубочки розташовуються паралельно до целюлозних мікрофібрил [16], правильна організація КМТ є суттєвою для нормального синтезу клітинної стінки [17]. Встановлено, що КМТ об'єднуються у вузли, які часто перетинаються для стабілізації мікротрубочок та втримання білків на їх поверхні [15].

Латеральні циліндричні вирости трихобластів, кореневі волоски, досягають значної довжини відносно власної товщини з досить сталим діаметром у Arabidopsis thaliana L.: (незрілі ~ 6–10 нм; зрілі — понад 1 мм) і характеризуються високополярною цитоархітектурою [18]. Видовження їх відбувається за допомогою верхівкового росту (англ. tip growth) шляхом поляризованого екзоцитозу, що відзначається зворотно-фонтанним током цитоплазми, градієнтом цитоплазматичного Ca2+, активністю F-актину та зміщенням клітинного вмісту до верхівки волоска. На ранніх стадіях розвитку кореневі волоски 3-денних проростків Arabidopsis thaliana L. ростуть зі швидкістю 0,4 мкм/хв, прискорюючись пізніше до 1—2,5 мкм/хв [18].

Рослинним клітинам притаманна організована популяція кортикальних мікротрубочок [7], яка у кореневих волосках присутня на усіх рівнях розвитку [19] [20]. При переході із зародкового стану до стану видовження, кортикальні мікротрубочки верхівки волосків не візуалізуються, оскільки з'являються ендоплазматичні мікротрубочки. Кортикальні мікротрубочки орієнтовані поздовжньо або спірально [20] [21]. У кукурудзи Zea mays L. та салату Lactuca sativa L. ініціація росту кореневих волосків пов’язана з реорганізацією популяції КМТ у трихобластах [22] [23] [20]. Ця популяція контролює стабільність та напрямок апікального росту кореневих волосків [24] [25]. Порівняння чотирьох стандартних параметрів динамічної нестабільності КМТ in vivo — рівня ростової активності, швидкості розбирання, частоти переходів від розбирання до росту («порятунок») і навпаки («катастрофа») виявило, що КМТ молодих кореневих волосків є динамічнішими за зрілі. Сітка мікротрубочок реорганізується у відповідь на змінні параметри навколишнього середовища та стимули диференціації шляхом варіювання показників динамічної нестабільності [25].

Примітки
  1. Shaw et al., 2003.
  2. Weber and Westermann, 2003.
  3. Ueda, 1999.
  4. Marc et al., 1998.
  5. Wasteneys and Yang, 2004.
  6. Barlow and Balushka, 2000.
  7. Goddard et al., 1994.
  8. Lloyd, 1994.
  9. Sugimoto et al., 2000.
  10. Dolan et al., 1993.
  11. Рейвн и др., 1990.
  12. Dixit et al., 2006.
  13. Yuan et al., 1994.
  14. Dixit and Cyr , 2004.
  15. Lloyd., 1994.
  16. Baskin et al., 2004.
  17. Burk et al., 2006.
  18. Dolan et al., 1994.
  19. Sieberer et al., 2002.
  20. Van Bruaene et al., 2004.
  21. Sieberer et al., 2005
  22. Balusˇka et al., 2000.
  23. Geitmann and Emons, 2000.
  24. Bibikova et al., 1999.
  25. Vassileva et al., 2005.

Див. також

Література
  1. Фаллер Дж. М., Шилдс Д., Молекулярная биология клетки. Руководство для врачей. Пер. с англ. — М.: «БИНОМ», 2006. — 256 с. (рос.)
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.