Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (djvu) (1129766), страница 310
Текст из файла (страница 310)
Гидролиз 6ТР после сборки изменяет хонформацию субъединиц н способствует приобретению протофилэментэми изогнутой формы, которой сложнее встроиться в михротрубочну. в) В инта хт ной м их рот рубочхе протофил э менты, состоящие из 6 ОР содержащих субъеди ниц, принимают линейную форму зэ счет многочисленных лэтерэльных связей в стенке михротрубочки при условии наличия стабильного 6ТР-хэпэ. Однако потеря 6ТР-хэпэ позволяет6ОР-содержащим протофилэ менте м реп эхсиров ать в и вогнугую вон формацию.
Это приводит х разрушению михротрубочхи. Нэ расположенных над схемами рэ пущей и ухорэч ива ю щейся м их ротрубоч ел зле хтронных михрофотогрэфиях повязаны реальные михротрубочхи в этих двух состояниях, приготовленные в стекловидном льде. Обратите внимание на зэхрученные распадающиеся 6ОР-содержэщие протофнлэменты нэ конце ухорэчивэющейся михротрубочхи. 1в, результаты Е. М.
Мэпг)ейгощ Е. Мэпг)ейгош эпг) а. А. Мййбэп, !. Сед В!о!. 114: 977-991, 1991. С любезного разрешения издательства Тке йос)ге!ейег цпгхегясу Ргем.) 1506 Мань 1зс. Внутрйннялрргайиаация клетки в пределах микрометра, тогда как для микротрубочек в состоянии динамической нестабильности флуктуации могут достигать десятков микрометров. Считают, что в большинстве зукариотических клеток динамическая нестабильность больше свой ственна микротрубочкам, а тредмиллинг -- актиновым филаментам. Тредмиллинг и динамическая нестабильгккть позволяют клетке поддерживать постоянное суммарное содержание филаментов, при этом отдельные субъсдиницы непрерывно циркулируют между филаментами и цитозолсм.
11асколько динамичны микротрубочки и актиновые филаментьг живой клетки? Обычно микротрубочка, чей растущий и укорачиваююийся концы структурно различны, переключается между ростом и укорочением каждые несколько минут. Таким образом, динамическую нестабильность концов отдельных микротрубочек можно наблюдать в реальном времени (рггс. 16.17). Пгзскольку актшювые филаменты меньше по размеру и плотнее упакованы, получить хорошее ра.зрешегше их концов в живой клетке затруднительно. Однако при помощи соответствующих методов, основанных на флуоресцентной микроскопии, можно показ пъ, что акюшовые филаменгы очень быстро циркули руют: отдельные филаменты сузцествун>т всего липзь десятки секунд или минугьг.
666 с г з 10 мкм Зот с Рис. 16.17. Прямое наблюдение динамической неустойчивости мин ротрубочек в живой клетке. Микро- трубочки в эпителиальной клетки легкого тритона наблюдали после введения в клетку небольшого количества меченного родамином тубулина, как на рис. 16.15. Обратите внимание на динамическую неустойчивость микротрубочек на краю клетки. Для наглядности отмечены четыре отдельные микротрубочки; на каждой из ник можно наблюдать переключение между укорочением и ростом. (С любезного разрешения ууеоду С.
5а1озол и С1аге ууатегозап-51огег.) 11а первый взгляд, динамическое повсдение филаментов может показаться бес смысленным расходом энергии. Для поддержания постоянной концегпрации акти новых филаментов и микротрубочек, болыпинство которых претерпевает нропсссы тредмиллинга или динамической нестабильности, клетка должна птдролизовать большое количество нуклеозидтрифосфатов. Как мы в начале главы объяснили на примере муравьиных трон, преимущество для клетки, по видимому, закчючается в пргзстранственной и временной гибкости, присущей структурированной системе с постоянной циркуляцией.
Отдельные субъединицы невелики и способны очень быстро диффундировать; субъединица актина или тубулина диффундируст на рас- 16.1. Самосборка и динамическая структура филаментов цитоскелета 1507 стояние диаметра типичной эукариотической клетки за несколько секунд. Как отмечалось ранее, лимитируюшим этапом образования нового филамента является нуклеация, поэтому быстро диффундируюшие субъединицы стремятся присоединиться либо к концам уже существующих филаментов, либо к определенным сайтам, где специальные белки катализируют этап зародышеобразования.
Новые филаменты в этом случае высокодинамичны и, если только их специфически не стабилизовать, существуют недолго. Контролируя места нуклеации филаментов и селективной стабилизации, клетка может контролировать расположение своих филаментных систем и, следовательно, свою структуру. Возникает ощущение, что клетка непрерывно тестирует многочисленные внутренние структуры, сохраняя только те, которые оказываются полезными. Г1ри изменении внешних условий или появлении внутреннего сигнала (например, при переходах в клеточном цикле) клетка должна быстро уравновесить свою внутреннюю структуру (см, рис.
1б.2 и 1бА). Эволюция гидролиза нуклеозидтрифосфатов актином и тубулином происходила независимо и позволила филаментам легко деполимеризоваться после сборки. Аминокислотные последовательности актина и тубулина не имеют ничего обшего: структура актина родственна ферменту гликолиза гексокиназе, а тубулин является дальним родственником крупного семейства ОТРаз, в число которого входят гетеротримерные С-белки и мономерные СТРазы, например йаз (см.
главу 3). В обоих белковых семействах сопряжение между гидролизом нуклеотидов и конформационной перестройкой белков, изменяюшей белковую функцию, по-видимому, является очень древним; однако назначение такого структурного сопряжения со временем стало включать в себя передачу сигнала, катализ и регуляцию цикла полимеризации,'деполимеризации. В определенных специализированных структурах части цитоскелета становятся менее динамичными.
В окончательно дифференцированных клетках, например нейронах, предпочтительнее поддерживать постоянную структуру, и многие актиновые филаменты и микротрубочки в таких клетках стабилизируются за счет связывания с другими белками. Однако когда в мозге возникают новые связи, как происходит при переводе усваиваемой вами в данный момент информации в долговременную память, даже такая стабильная клетка, как нейрон, может сформировать новые отростки и новые синапсы. Для этого нейрону требуются динамические, поисковые свойства его цитосклетных филаментов. 1б.1.10.
С эволюционной точки зрения эукариотические тубулин и актин высококонсервативны Тубулин содержится во всех эукариотических клетках, и сушествует несколько его изоформ. Аминокислотные последовательности тубулина человека и дрожжей идентичны на 75 Э'. У млекопитающих по крайней мере б форм а-тубулина и столько же форм 1)-тубулина; все они кодируются разными генами. Формы тубулина очень похожи друг на друга, и в пробирке они обычно будут полимеризоваться в одну смешанную микротрубочку.
Однако в клетке они могут располагаться в различных местах и выполнять несколько отличные функции. В качестве яркого примера можно упомянуть специфическую форму 1)-тубулина, которая образовывает микротрубочки в шести специализированных чувствительных к прикосновению ней)юнак нематоды СаепогйаЬИЫЬ е1едапз.
Мутации, выключающие этот ген, приводят к потере чувствительности к прикосновению без нарушения других функций. 1508 Часть 1Ч. Внутренняя организация клетки Как и тубулин, актин встречается по всех эукариотических клетках. У большинства организмов он кодируется несколькими генами; у человека генов актина шесть. Актин эукариот удивительно высококонсервативен.
Аминокислотные последовательности актинов различных видов обычно идентичны на 90 1. Но, как и тубулин, небольшие различия в аминокислотной последовательности могут привести к значительным функциональным различиям. У позвоночных встречается три изоформы актина, обозначаемые буквами а, 8 и у. Они немного различаются по аминокислотной последовательности.
а-актив экспрессируется только в мышечных клетках, а 8- и у-актив встречаются вместе почти во всех немышечных клетках. Актины дрожжей и Огозорlл1а идентичны на 89 /, однако экспрессия дрожжевого актина в мушках приводит к развитию нормально выглядящих, но неспособных летать особей. Почему аминокислотные последовательности актина и тубулина почти не менялись в процессе эволюции эукариот, тогда как последовательности почти всех остальных цитоскелетных белков, включая белки промежуточных филаментов и крупные семейства связывающих актин и тубулин дополнительных белков, значительно изменились? Вероятное объяснение состоит в том, что взаимодействие большого числа других белков с поверхностью актиновых филаментов и тубу- лина ограничивает изменчивость этих структур.
Генетические и биохимические исследования дрожжей эассйаготусез сегео(з1ае показали, что актин напрямую взаимодействует с десятками других белков, а косвенно — с еще большим количеством (рнс. 16.18). Таким образом, любая мутация актина, способная привести к благоприятному изменению его взаимодействия с одним белком, может привести к неблагоприятным изменениям во взаимодействии с другими белками, связывающимися вблизи или рядом с исходным сайтом. Со временем эволюционирующие организмы нашли более выгодным постоянство актина и тубулина при изменении их белков-партнеров. 1б.1.11. Структура промежуточных филаментов зависит от латерального объединения и скручивания спиралей в суперспираль У всех эукариот есть актин и тубулин.
Но третий основной тип цитоскелетных белков, промежуточный филамент, образует цитоплазматические филаменты только в клетках некоторых многоклеточных, включая позвоночных, нематод и моллюсков. Но даже в этих организмах промежуточные филаменты не являются необходимыми для всех типов клеток. Специализированные глиальные клетки (носящие название олигодендритов), синтезирующие миелин в центральной нервной системе позвоночных, не несут промежуточных филаментов. Промежуточных филаментов особенно много в цитоплазме клеток, подвергающихся механическому давлению, и обычно они не встречаются у животных, обладающих жестким внешним цитоскелегом, например у членистоногих и иглокожих. По-видимому, промежуточные филаменты играют важную роль в передаче механической силы в ткани у более «мягких» животных.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
