Тубулин-динеиновая и тубулин-кинезиновая молекулярные системы подвижности

Системы микротрубочек

Микротрубочки (микротубулы) представляют собой полые цилиндры, стенка которых образована молекулами глобулярного белка- тубулина. Его не очень крупные (диаметром около 4 нм и молекулярной массой примерно 115 кДа) молекулы обладают полярностью и по- лимеризуются на стороне положительного полюса (подобно G-акти- ну). Поэтому сборка микротрубочек посредством полимеризации тубулина происходит путём «наступления» положительных полюсов тубулиновых глобул от центров к периферии. Наличие комплементарной оси типа «замок-ключ» позволяет осуществлять безграничное линейное объединение молекул тубулина.

Различают 2 модификации тубулина (а и (3), причём соединения этих близкородственных белков между собой более прочные, чем между тубулинами одноимённой модификации. Поэтому распад микротрубочек при их перестройках происходит не до элементарных молекул тубулина (а или (3), а до димеров - а-|3-соединений (рис. 5.65, а), вследствие чего аналогом (эквивалентом) G-актина, из которого строится F-актин, считают не мономеры тубулина, а его а-(3-гетеродимер. Из таких димеров тубулина посредством их линейного объединения за счёт образования р-сс-связей в клетках собираются тубулиновые протофиламенты, т.е. первичные нитеобразные ультраструктуры. В них субъединицы в силу присущих им асимметрии и полярности расположены вдоль оси полимера по принципу «голова к хвосту». Поэтому каждый протофиламент напоминает длинную стрелу, состоящую из коротких стрелок, направленных в одну и ту же сторону.

Каждая молекула а- и р-тубулина имеет и вторую систему «ключ-замок», т.е. обладает способностью образовать боковые связи с тубулинами соседних протофиламентов (рис. 5.65, б). Эта латеральная сборка происходит ступенчато, в результате чего каждая а- р-субъединица одного протофиламента взаимодействует с а-р-субъ- единицами соседних протофиламентов, сдвинутых примерно на четверть её длины.

Формирующийся таким образом полимолекулярный пласт из 13 протофиламентов приобретает изогнутую поверхность и выстраивается в полый цилиндр, наружный диаметр которого составляет 28 нм, а внутренний (ограничивающий полость) - 14 нм (рис. 5.66). Ступенчатый характер бокового соединения протофиламентов приводит не только к возникновению цилиндрической структуры, но и к спиральной периодичности идентичных субъединиц. Энергетическое обеспечение сборки микротрубочек осуществляется посредством гидролиза гуанозинтрифосфата (ГТФ), а не АТФ.

Подобно микрофиламентам, микротубулы беспрестанно распадаются и созидаются. Ими образованы многие внутриклеточные ультраструктуры. Во всех клетках они играют роль внутриклеточного каркаса с прекрасными механическими свойствами, причём пре-

Молекулы тубулина и гетеродимер (образован а — и Р-молекулами тубулина) — а; образующийся протофиламент — б

Рис. 5.65. Молекулы тубулина и гетеродимер (образован а — и Р-молекулами тубулина)а; образующийся протофиламент — б

Микротрубочка (цилиндр), образованная посредством латерального ступенчатого соединения протофиламентов

Рис. 5.66. Микротрубочка (цилиндр), образованная посредством латерального ступенчатого соединения протофиламентов

имущества трубчатых опорных элементов биологические системы «открыли» более миллиарда лет назад.

Микротрубочками укреплены отростки нейронов. В аксонах по каналам в микротубулах перемещаются от тела нейрона на периферию разнообразные вещества со скоростью до 8 мкм • с-1 (это называется аксональным током).

Вместе с тем микротубулы, как и микрофиламенты, служат «рельсами», по которым не внутри, как аксональный ток, а по наружной поверхности перемещаются (скользят) белки-моторы (динеины и кинезины). Они одним своим концом контактируют с наружной поверхностью микротрубочки и при гидролизе АТФ могут двигаться по ней. Другой конец молекулы-мотора может прикрепляться к органоидам или к соседним трубочкам. В первом случае обеспечивается транспорт органоидов по цитоплазме, а во втором - перемещение отдельных участков клетки относительно соседних.

Любой белок из большого семейства кинезинов представляет собой гетеротример палочкообразной формы. В его составе две тяжёлые (массой по 120 кДа) и две лёгкие (массой по 70 кДа) полипептидные цепи. Каждая из тяжёлых цепей увенчана двумя маленькими «головками» (глобулярными молекулярными структурами, образованными примерно 340 аминокислотными остатками). Остальная часть тяжёлой цепи напоминает стержень, заканчивающийся перообразным «хвостом». С ним соединены две лёгкие полипептидные цепи. Этим «хвостом» кинезин прикрепляется к тем веществам и ультраструктурам, которые необходимо транспортировать внутри клетки по поверхности микротубул.

С тубулярной поверхностью взаимодействуют головки кинези- на. На них есть активные центры (связывающие домены) для тубули- на и АТФ. Механизм взаимодействия кинезина с микротрубочкой аналогичен скольжению миозина по актиновым микрофиламентам. При каждом шаге, а он составляет 8 нм, развивается сила в 5 пиконьютонов. КПД такого перемещения достигает 50%.

Кинезины обеспечивают активные деформации клеток, участвуют в работе эндоплазматической сети по синтезу макромолекул, подтягивая мономеры по микротубуле к положительному полюсу созидаемых полимеров. Кинезины переносят секреторные гранулы и вакуоли к апикальному концу секреторной клетки, перемещают удвоившиеся хромосомы к противоположным полюсам родительской клетки в процессе их митотического деления.

Ещё в XIX веке было установлено, что хромосомы, расходящиеся в анафазе митоза к противоположным полюсам родительской клетки, движутся по определённым траекториям вдоль системы строго упорядоченных фибрилл, которую за её конфигурацию назвали митотическим веретеном. Позднее выяснилось, что его основным компонентом являются микротрубочки, построенные из тубулина.

Митотическое веретено (схема)

Рис. 5.67. Митотическое веретено (схема)

По ним перемещаются так называемые кинетохоры - молекулы-моторы, которые головками взаимодействуют с тубулином, а хвостами - с хромосомами (рис. 5.67). Предполагают, что кинетохор, встречаясь с тубулином, осуществляет разборку микротрубочки и при этом «хватается» за её остающийся конец, как за страховочный канат, и вместе с хромосомой продолжает движение по сохранившейся части микротрубочки к полюсу клетки. Возможно, что роль кинетохоров исполняют кинезины.

Другим важнейшим молекулярным мотором в системе микротрубочек являются динеины. Всё их семейство составляют крупные молекулярные комплексы (с молекулярной массой порядка 106 Да), имеющие 2-3 глобулярные головки на 1 «стебельке». Каждая головка - белковая молекула с молекулярной массой более 400 кДа, обладающая АТФазной активностью. Кроме столь высокомолекулярных компонентов, динеин содержит полипептидные цепи с молекулярной массой около 100 кДа (промежуточные) и 20 кДа (лёгкие).

Уникальное свойство динеина - способность скользить по поверхности микротрубочки к её отрицательному полюсу. Динеин взаимодействует с тубулином подобно тому, как миозин с актином, и в результате механического процесса перемещаются 2 дублета микротрубочек, соединённых так называемыми боковыми ручками, образованными динеином, который к тому же катализирует гидролиз АТФ, необходимый для энергетического обеспечения скольжения микротрубочек. Поэтому боковые ручки микротрубочек называют «цитомышцами», а сами микротрубочки - «цитоскелетом». Эти термины адресуют также соответственно миозиновым и актиновым фи- ламентам.

Все динеины устремляются в клетках к отрицательному, а большинство кинезинов - к положительному полюсу микротрубочки. Поэтому органоиды могут «ездить»по одним и тем же «рельсам» (микротрубочкам) к центру и периферии клетки, пользуясь разными «локомотивами» (динеинами или кинезинами). Благодаря таким транспортным системам один и тот же органоид, меняя их неоднократно, может изменять направление своего движения по цитоплазме несколько раз в минуту.

Предполагают, что на одном и том же органоиде «сидят» разные молекулы-моторы (миозины, динеины, кинезины), которые включаются и переключаются специальными регуляторами (например, ферментами, присоединяющими к ним ортофосфат, освобождающийся при гидролизе АТФ). По-видимому, микротрубочки служат «рельсами кинезинам и динеинам для дальних дорог» в пространстве клетки, а микрофиламенты обеспечивают транспорт органоидов по актиновым нитям при помощи миозинов на меньшие расстояния.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >