Биомеханические процессы в жгутиках и ресничках

Реснички и жгутики представляют собой важнейшие двигательные органоиды немышечных клеток. Микроорганизмам и простейшим (класса жгутиконосцев), а также гаметам морских водорослей и сперматозоидам животных жгутики обеспечивают перемещение в пространстве. Например, у кишечной палочки, как правило, 6 жгутиков, каждый из которых в 2-3 раза длиннее тела клетки. При синхронном движении против часовой стрелки все жгутики сплетаются в единый пучок, который вращается подобно пропеллеру, в результате чего бактерия, длина которой меньше 2 мкм, преодолевает за 1 с расстояние в 20 мкм, что эквивалентно бегу лошади со скоростью 180 км • ч-1. Немудрено, что жгутиковые бактерии в своём большинстве обладают лучшей конкурентоспособностью и живучестью по сравнению с микроорганизмами без жгутиков. Следует, правда, заметить, что у бактерий (кроме спирохет) подвижность жгутиков обеспечивается не тубулином, а флагеллином. Однако биофизический механизм движения любых жгутиков, а также ресничек в основных чертах сходен, хотя реснички у животных служат главным образом для перемещения не клеток, которым они принадлежат, а среды вокруг них. Уместно заметить, что и жгутики у некоторых многоклеточных организмов создают циркуляцию внутренней среды, а реснички инфузорий класса Ciliata, ресничных червей (турбеллярий) и гребневиков (из типа морских позвоночных) перемещают их тела в пространстве.

Жгутики и реснички представляют собой тонкие, но довольно длинные выросты клетки, одетые у эукариот плазматической мембраной. Толщина этих структур (0,20-0,25 мкм) находится почти на пределе разрешающей способности световой микроскопии, а длина составляет 5-10 мкм у реснички и до 150 мкм у жгутика. Ресничек у клетки очень много (порядка 100), а жгутики располагаются поодиночке или по несколько штук на хвостовом конце свободно плавающей клетки.

Траектории движений жгутиков и ресничек также различны. Жгутики движутся волнообразно или воронкообразно, а реснички - маятникообразно. В маятникообразном движении реснички различают 2 фазы: замаха и удара (рис. 5.68). По данным В. В. Шабалина, соотношение их продолжительностей в норме соответствует золотой пропорции: t_0IIIKJia: t3aMaxa = t3aMaxa: 1удара= 1,62 ± 0,24. При патологии нарушается как это гармоническое соотношение, так и сама траектория. Если при нормальной работе реснички замах и удар происходят во взаимно перпендикулярных плоскостях, то при развитии патологии они совершаются в одной плоскости, что приводит к колебаниям

Полный гребной удар реснички при последовательном микрофотографировании. Цифрами обозначена последовательность движения

Рис. 5.68. Полный гребной удар реснички при последовательном микрофотографировании. Цифрами обозначена последовательность движения: 1-6 - стадия эффективного удара (а), 6-12 — стадия замаха (б)

окружающей среды (вперёд и назад) относительно стартовой линии (положения равновесия), а не к поступательному однонаправленному движению, обеспечивающему эвакуацию компонентов этой среды.

Дело в том, что биения ресничек на поверхности многоресничных клеток координированы. Расположенные параллельными рядами, они при движении создают над клетками волны, бегущие в определённом направлении. Например, эти волны на поверхности клеток респираторного (реснитчатого) эпителия «бегут» к глотке: сверху вниз - в верхних и снизу вверх - в нижних дыхательных путях человека. Направления движения ресничек генетически детерминированы. Поэтому в участке слизистой оболочки трахеи или бронхов, вырезанном и затем пришитом «задом наперёд», реснички будут совершать удар в сторону альвеол, а не глотки, т.е. сохранять прежнюю траекторию движения (рис. 5.69). Поверхность реснитчатого эпителия, над каждой клеткой которого колеблются 150-200 ресничек, напоминает волнующееся море или подвластное ветру пшеничное поле, по которым бегут волны с определённой частотой (12-

Поверхность реснитчатого эпителия (сканирующая электронная микроскопия)

Рис. 5.69. Поверхность реснитчатого эпителия (сканирующая электронная микроскопия)

16 Гц - у человека). При патологии (например, при хроническом бронхите) частота биений ресничек падает, и эвакуация содержимого бронхов ухудшается.

Колебания ресничек, расположенных на поверхности бронхиальных эпителиоцитов, формирует поток жидкости над ними. У здорового человека за сутки в среднем секретируется в нижних дыхательных путях 0,75 мл слизи на 1 кг массы тела. Благодаря непрерывной работе секреторных клеток (бокаловидных и клеток Клара) слизистая оболочка дыхательных путей человека и животных выстлана слоем слизи. Толщина слизистого покрытия около 7 мкм. Оно неоднородно в своём профиле: нижние 5 мкм - золь, а верхние 2 мкм - гель. Золь обладает гораздо меньшей вязкостью (около 1 мПа • с), чем гель (до 10 мПа • с), вследствие чего движения ресничек в золе совершаются за счёт сравнительно небольших усилий. Толщина этого слоя почти совпадает с длиной реснички, что позволяет ей экономно расходовать энергию. Только верхними кончиками реснички касаются геля, в котором обычно находятся частицы, подлежащие эвакуации из дыхательных путей (рис. 5.70). Слой геля в них удерживает на своей поверхности частицы массой до 12 мг. Они вместе с гелем скользят по поверхности золя. Возможно, кон-

Профиль просвета бронха (в пределах 10 мкм от поверхности)

Рис. 5.70. Профиль просвета бронха (в пределах 10 мкм от поверхности).

Обозначения: 1 - реснички; 2 - слой золя; 3 - слой геля

чики ресничек контактируют с неровностями на нижней поверхности геля, что способствует более эффективной эвакуации слизи. Скорость её перемещения составляет в мелких бронхах около 1 мм • мин-1, а в трахее 10-15 мм • мин-1.

Взаимодействие бьющихся ресничек со слизью в дыхательных путях обеспечивает так называемый мукоцилиарный клиренс (clearance - очищение, mucus - слизь, cilia - ресничка), т.е. очищение дыхательных путей посредством перемещения слизи к глотке, происходящего при колебаниях ресничек. Заметим, что этот процесс, называемый мукоцилиарным транспортом (МЦТ), не единственный механизм мукоцилиарного клиренса. В его осуществлении важная роль принадлежит также альвеолярным макрофагам (особенно, в самых мелких бронхах и альвеолах). Очищению крупных бронхов и трахеи способствует кашель, а верхних дыхательных путей - чихание и насморк.

Ради понимания биомеханических процессов в ресничке рассмотрим её ультраструктурную организацию. Под плазмолеммой находится аксонема - цилиндрическое образование, построенное из 9 пар микротрубочек, связанных между собой динеиновыми ручками. В центре аксонемы находятся ещё две микротрубочки, заключённые в оболочку (центральную капсулу). Поэтому говорят, что реснички (равно как и жгутики) имеют структурную модель: 9 + 2 (рис. 5.71). Девять периферических дублетов соединяются с центральной парой радиальными «спицами». В основании лежат базальные тельца: в ресничке одно, в жгутиках - два, расположенные взаимно перпендикулярно.

Каждый из 9 периферических дублетов построен из полной микротрубочки (А), образованной 13 тубулиновыми протофиламен- тами и неполной (В), составленной из 10 тубулиновых протофила-

Схема улътраструктурной организации реснички

Рис. 5.71. Схема улътраструктурной организации реснички

ментов. Полная и неполная микротрубочки соединяются между собой таким образом, что 3 «лишние» протофиламента трубочки а становятся для них общими (объединяющими обе трубочки).

Кроме того, полная микротрубочка (А) взаимодействует с неполной микротубулой (В) прилежащего (соседнего) дублета посредством пары тангенциально ориентированных боковых ручек. Они по форме напоминают гантели и образованы динеином. В связи ручек с трубочками участвует белок пектин. Как и другие динеиновые (а также кинезиновые и миозиновые) надмолекулярные структуры, ручки работают как «цитомышцы» на «цитоскелете». С ними связано и энергетическое обеспечение движения реснички. Механохими- ческий процесс взаимодействия динеина с тубулином приводит к перемещению друг относительно друга двух дублетов микротрубочек, соединённых боковыми ручками. Механизм этого перемещения напоминает скольжение миозиновых нитей вдоль актиновых. Модель взаимного скольжения компонентов реснички предложил П. Сатирп- римерно через 10 лет после появления гипотезы скользящих нитей в миоците (А. Хаксли и X. Хаксли). Обнаружено поразительное сходство в работе двух основных клеточных систем подвижности: в обеих происходит скользящее перемещение «цитокостей» за счёт натяжения «цитомышц».

Энергетическое обеспечение механохимического процесса в микротрубочке также осуществляется за счёт гидролиза АТФ, причём АТ- Фазной активностью обладают глобулярные головки динеина. В опытах на цилиарных аксонемах, лишённых плазмолеммы и радиальных спиц, добавление в среду АТФ приводило к быстрому и значительному удлинению исследуемой структуры, в результате чего поднимающиеся вверх дублеты могли упасть (подобно тому, как падает гусеница, доползающая до края ветки).

Если же дублеты соединены между собой нексиновыми мостиками, дополняющими боковые ручки, и связаны радиальными спица-

Изгиб реснички при нормальном взаимодействии её компонентов ми, то при скольжении они не разделяются, а изгибаются

Рис. 5.72. Изгиб реснички при нормальном взаимодействии её компонентов ми, то при скольжении они не разделяются, а изгибаются (рис. 5.72). Боковые ручки, расположенные в плоскости сгибания, которая перпендикулярна плоскости центральной пары микротрубочек, обеспечивают ресничке возвратно-поступательное движение. Для этого ручки, расположенные на стороне изгиба, максимально сокращаются, а противоположные - расслабляются. При замахе первые расслабляются, а вторые - испытывают максимальное сокращение. Ручки, лежащие в плоскости, перпендикулярной плоскости сгибания, остаются пассивными. На самом деле сложная траектория формируется разной степенью сокращения и расслабления многих динеино- вых ручек, расположенных между взаимно перпендикулярными плоскостями, т.е. между пассивными и наиболее активными динеи- новыми ручками.

Изложенная схема весьма упрощает механизм биения ресничек. В нём участвуют более сотни различных белков, входящих в состав аксонемы. Однако ведущая роль принадлежит тубулину и дине- ину. Поражает отсутствие эволюции основных молекулярных механизмов двигательной активности от спирохет до человека.

Мукоцилиарная система органов дыхания нарушается при многих патологических состояниях, включая профпатологию. Работа в атмосфере с высоким содержанием агрессивных веществ уже через 1-2 года приводит к угнетению мукоцилиарного транспорта в верхних дыхательных путях. Позже подобные изменения происходят в бронхах, а они, в свою очередь, опережают клинические проявления пневмокониозов и бронхитов. Любые формы дисфункции ресничек в дыхательных путях служат противопоказаниями к работе в условиях запылённости и загазованности рабочих помещений. С другой стороны, при хронических бронхитах (хронической обструктивной болезни лёгких) содержание реснитчатых клеток в слизистой оболочке бронхов заметно уменьшается. Если в норме они составляют 80-90% эпителия дыхательных путей, то при бронхите - около 50-60%. Потеря «шевелюры» слизистой оболочкой приводит к нарушению мукоцилиарного клиренса, усугубляющему патологический процесс. Наркоз угнетает двигательную активность ресничек, что является одним из существенных факторов развития послеоперационных пневмоний.

Вместе с тем есть такие формы патологии, этиология которых непосредственно связана с дефектами развития тубулин-динеиновой системы. Яркий пример тому - синдром Картагенера (первичная цилиарная дискинезия). Это наследственная аномалия развития, обусловленная генетическим дефектом тубулин-динеиновой системы, приводящим к отсутствию в ресничках динеиновых ручек и транспозиции радиальных спиц. Происходит транслокация микротрубочек. Естественно, что двигательная активность таких ресничек, а следовательно, и мукоцилиарный транспорт резко нарушены. Однако проявления синдрома Картагенера не ограничивается дыхательной системой. Страдают и пищеварение, поскольку реснички на поверхности эпителиальных клеток желудочно-кишечного тракта обеспечивают эффективное перемешивание химуса в зоне пристеночного пищеварения. Наконец, люди с синдромом Картагенера бесплодны, поскольку жгутики сперматозоидов не способны быть для них пропеллерами, и мужские половые клетки обречены на неподвижность и невозможность встречи с яйцеклетками.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >