К структурам цитоскелета относят микротрубочки, тонкие микрофиламенты, промежуточные филаменты (микрофибриллы).
Они состоят из белков и не имеют мембран. Эти органеллы выполняют не только опорно-каркасную и формообразующую, но и множество других функций.
Микротрубочки. Они встречаются в цитоплазме практически всех клеток многоклеточных организмов, кроме прокариот. Микротрубочки исследуют при электронной микроскопии. Микротрубочки располагают отдельно в виде самостоятельной структуры или формируют сложные структуры центриолей, ресничек, жгутиков, веретена деления.
Органелла представляет собой прямую, не ветвящуюся, полую структуру. В цитоплазме большинства клеток микротрубочки постоянно подвергаются сборке и разборке. В результате этого динамического равновесия поддерживается вся система распределения органелл цитоплазмы, их положение в клетке, форма клетки, перемещение в ней веществ. Если вызвать в клетке деполимеризацию микротрубочек, введя колхицин или значительно снизив температуру, то форма клети сильно изменится и нарушится распределение в ней транспортных потоков. Следовательно, микротрубочки цитоплазмы формируют эластичный, но вполне устойчивый внутриклеточный скелет — цитоскелет.
При световой микроскопии скопления микротрубочек можно выявить с помощью специфических антител к тубулину. Они формируют скопление вблизи клеточного центра, участвуя в формировании центросферы.
Микротрубочки представляют собой полые цилиндры с общим диаметром 24 нм, внутренний просвет имеет ширину 15 нм, а толщина стенки — 5 нм. Микротрубочки состоят из глобулярных белков — тубулинов (13 на поперечном срезе). Глобулы тубулинов имеют диаметр около 5 нм, молекулярную массу 60 · 103 и коэффициент седиментации 3…4 S. Тубулины подразделяют на альфа — и бета-тубулины. Тубулины образуют димер — белок, состоящий из двух глобул тубулинов. Димеры соединяются в виде цепочки, которая формирует спираль. Тубулины могут быть в двух формах: глобулярной (диспергированной в матриксе) и фибриллярной (в виде микротрубочек). В составе тубулинов всегда обнаруживают значительное количество гуаниндифосфата (ГДФ).
Микротрубочки формируются в центрах организации микротрубочек, или микротрубочкоорганизующих центрах: центриолях, базальных тельцах ресничек и жгутиков, зонах кинетохоров митотических хромосом.
Образование микротрубочек происходит путем самосборки. Для этого необходимы: глобулы тубулинов, ГТФ (гуанинтрифосфат), белки, стимулирующие полимеризацию, высокое содержание ионов Mg2+ и отсутствие ионов Са2+. Если эти условия соблюдены, то образование новых микротрубочек происходит даже в пробирке (in vitro).
В начале полимеризации органеллы происходит нуклеация, формируется «затравка» из очень короткой цепи тубулинов в три ряда, затем к обоим концам начинают прикрепляться новые тубулины, и размер микротрубочки увеличивается.
Микротрубочки имеют положительный и отрицательный полюса. Со стороны отрицательного полюса, лежащего ближе к организатору микротрубочек, тубулины полимеризуются медленнее и легко распадаются до глобулярных частиц. Со стороны положительного полюса, направленного к периферии клетки, полимеризация идет быстрее.
Микротрубочки быстро распадаются на глобулярные частицы, взвешенные в гиалоплазме. Распад органеллы можно спровоцировать, увеличив внутри клетки содержание ионов кальция.
Микротрубочки формируют центриоли, несут опорно-каркасную функцию, контролируют транспортные потоки в цитоплазме, участвуя в циклозе, обеспечивают каркасную основу ресничек и жгутиков, формируют веретено деления в митозе и мейозе и др.
Создавая внутриклеточный скелет, микротрубочки могут быть факторами ориентированного движения клетки в целом и ее внутриклеточных компонентов, задавать своим расположением векторы для направленных потоков разных веществ и для перемещения крупных структур.
При разрушении микротрубочек фибробластов в культуре форма клеток из вытянутой становилась округлой или многоугольной (полигональной), их движения стали хаотичными, то есть эти органеллы контролируют направление движения клетки.
Разрушение микротрубочек колхицином нарушает транспорт веществ в аксонах нервных клеток, приводит к блокаде секреции и т. д. По цитоплазматическим интерфазным микротрубочкам, как по рельсам, могут передвигаться различные мелкие вакуоли, например синаптические пузырьки, содержащие нейромедиаторы, в аксоне нервной клетки или митохондрии. Эти перемещения возможны из-за связи микротрубочек со специальными белками — транслокаторами (динеинами и кинезинами), которые, в свою очередь, связываются с транспортируемыми структурами.
С тубулинами микротрубочек связан белок кинезин, обладающий АТФазной активностью и обеспечивающий транспорт органелл и других структур от центра к периферии (от отрицательного к положительному полюсу микротрубочки). Подобную функцию, но в противоположном направлении, выполняет цитоплазматический динеин.
За счет этого микротрубочки могут контролировать транспортные потоки и распределение структур в клетке.
Если оба конца микротрубочки «закрыты» (копированы), то есть связаны, например, с клеточным центром и наружной мембраной, то микротрубочки не распадаются и могут метилироваться (присоединять метальные группы), приобретая устойчивую форму. Такие метилированные, стабильные микротрубочки могут выполнять специализированные функции: служить основой ресничек, жгутиков и клеточного центра. В нейроне они образуют органеллу специального назначения — нейротубулу.
Нейротубулы выполняют разнообразные функции: опорно-каркасную, обеспечивают транспорт веществ (аксоток), контролируют выделение медиаторов, регулируют процессы регенерации в поврежденном нервном волокне и др.
Копировать концы микротрубочек могут белки микротрубочкоорганизующих центров (МОТЦ), или центров организации микротрубочек (ЦОМТ).
По бокам к микротрубочкам могут прикрепляться низкомолекулярные т-белки и высокомолекулярные MAP (microtubule associated proteins). Эти белки формируют «шипы» на микротрубочках, связывают элементы цитоскелета между собой, стабилизируют микротрубочки, могут находиться на конце микротрубочки, прикрывать его (кэпировать) и этим предотвращать их распад (деполимеризацию).
Микротрубочки являются составной частью клеточного центра, ресничек и жгутиков. Система микротрубочек развивается вместе с центриолью, в которой происходит начальная полимеризация тубулинов и рост микротрубочек цитоскелета.
Промежуточный филамент. Это нити с поперечным диаметром 8…11 нм. Их скопления формируют более толстые структуры — микрофибриллы, которые в нейронах участвуют в образовании нейрофибрилл. Они обеспечивают опорно-каркасную функцию. Промежуточные филаменты лежат в центральных областях клеток в виде трехмерной сети. На периферии филаменты нередко объединяются в пучки, прикрепляются к внутренней поверхности десмосом и полудесмосом. Промежуточные филаменты придают клеткам упругость и жесткость. Присоединяясь с помощью десмосом к подобным участкам соседних клеток, они формируют обширную сеть — каркас, который соединяет клетки в механически прочную и в то же время гибкую и эластичную систему. Это особенно важно в эпителиальных тканях, часто подвергающихся механическим воздействиям.
Промежуточные филаменты — неветвящиеся, располагающиеся пупками нити (микрофибриллы). Эти фибриллярные структуры относительно стабильны по сравнению с микротрубочками и тонкими микрофиламентами. Они состоят из фибриллярных белков-мономеров. Эти фибриллярные белки в виде α-спирали переплетаются между собой и поэтому органелла напоминает канат. Особенно хорошо развиты промежуточные филаменты в клетках, которые испытывают значительные механические нагрузки (эпителиальные, мышечные ткани).
Микрофибриллы являются тканеспецифичными, так как их образуют фибриллярные белки, различные по составу в зависимости от происхождения клеток и тканей. Десмины образуют промежуточные филаменты мышечных тканей мезодермального происхождения; виментины — клеток мезенхимального происхождения (ткани внутренней среды); цитокератины — эпителиальных клеток; белки нейрофибриллярного триплета — нейронов; глиальный фибриллярный кислый белок — астроцитов.
Особенностью промежуточных филаментов является то, что образующие их фибриллярные белки комплементарно соединяются друг с другом: кислые цитокератины с цитокератинами, имеющими основные свойства. Три мономера цитокератинов объединяются между собой в виде α-спирали. Каждая такая нить имеет толщину около 2 нм. Эти тонкие нити соединяются в более толстые образования — полые трубки с поперечным сечением 8…11 нм. В некоторых участках филаменты разволокняются, что облегчает связь нитей в органелле. Нити в таком филаменте свернуты в слабо закрученную спираль. Промежуточные филаменты могут формировать крупные комплексы (микрофибриллы).
Промежуточные филаменты в эпителии называются тонофиламентами, а микрофибриллы — тонофибриллами.
В отличие от микротрубочек промежуточные филаменты не имеют полярности и являются стабильными компонентами цитоскелета. На внутренней поверхности ядерной оболочки имеются структуры, аналогичные промежуточным филаментам. Они образованы белками ламинами и участвуют в формировании ядерной пластинки. К ним прикрепляется хроматин.
При помощи иммуноморфологических методов определяют тканевое происхождение тех или иных опухолей именно по белкам их промежуточных филаментов, что очень важно для диагностики и правильного выбора типа химиотерапевтических противоопухолевых препаратов.
Химический состав и молекулярная масса белков промежуточных филаментов довольно разнообразны. Так, выявлено, что кислых цитокератинов около 15 видов. Примерно столько же и основных цитокератинов. Молекулярная масса основных цитокератинов колеблется от 50 000 до 70 000, кислых — от 40 000 до 60 000. Примерно 8 из цитокератинов входят в состав производных кожи (волосы, когти, рога, ногти и т. д.). Их распределение зависит от типа эпителия. В многослойном эпителии цитокератины различны в разных слоях эпителия и преобладание того или иного цитокератина является косвенным признаком степени дифференцировки кератиноцитов (клеток многослойного эпителия).
Промежуточные филаменты нервной клетки — нейрофиламенты у позвоночных сформированы белками NF-Z, NF-M, NF-H, которые значительно отличаются по молекулярной массе (от 57 до 150 кДа). Эти белки и промежуточные филаменты поддерживают форму тел и отростков клеток нервной ткани, а также фиксируют на поверхности белки ионных каналов.
Десминсодержащие промежуточные филаменты поперечнополосатых мышечных тканей присоединяются к телофрагмам (Z-дискам) миофибрилл. Они связывают Z-диски, а через них и миофибриллы между собой. Миофибриллы могут прикрепляться через промежуточные филаменты к наружной мембране, соединяться с полудесмосомами.
При значительном повреждении клетки промежуточные филаменты формируют клубок — подвергаются коллапсу. В такой клубок погружаются поврежденные органеллы и другие макромолекулярные образования. Вероятно, это облегчает их последующий гидролиз (самопереваривание).
При регенерации сети промежуточных филаментов восстанавливаются от центральных участков клетки, от клеточного центра, что позволяет предполагать его роль как центра формирования не только микротрубочек, но и промежуточных филаментов.
Тонкие микрофиламенты. Представляют собой тонкие нити с поперечным диаметром около 6 нм. Микрофиламенты находятся практически во всех клетках и являются универсальными элементами цитоскелета. Концентрируются на периферии клетки, формируя так называемую «кортикальную» периферическую область клетки, а в толще цитоплазмы лежат в виде сети, отдельных волокон или в виде пучков. В кортикальном слое цитоплазмы тонкие микрофиламенты образуют сгущения под плазмолеммой в виде плотных пучков или слоев. В апикальной зоне эпителия такие сгущения называют кутикулой.
Тонкие микрофиламенты видны как плотно упакованные пучки, направляющиеся в клеточные отростки, где служат основой для их формирования (микроворсинки и стереоцилии).
Наряду с опорой микрофиламенты — это внутриклеточный сократительный аппарат, обеспечивающий не только подвижность клеток при активном амебовидном перемещении, но и при перемещении цитоплазмы, движении вакуолей, митохондрий, делении клетки.
Кроме того, актиновые микрофиламенты выполняют и каркасную функцию, соединяясь с рядом стабилизирующих белков, они могут образовывать временные или постоянные пучки или сети.
В большинстве клеток актины (основные белки тонких микрофиламентов) составляют около 5 % общего содержания белка. Выделяют пять форм актина (изоформ). Все изоформы близки по аминокислотным последовательностям, но строение и состав концевых участков полипептидных цепочек различные. Это приводит к различию в скорости полимеризации актина, что необходимо для двигательной активности клетки и скорости формирования выпячиваний и впячиваний клеточной мембраны.
Молекулы актина в тонких микрофиламентах закручены по а-спирали, располагаясь в виде двух цепочек. Такой актин называется F-актином. Как и тубулины микротрубочек, актиновые нити легко полимеризуются и вновь распадаются на отдельные глобулы. Диспергированный в гиалоплазме актин называют G-актином.
Тонкие микрофиламенты имеют отрицательный и положительный полюса. Область положительного полюса легче полимеризуется, а отрицательный полюс легче распадается.
Образование тонкого микрофиламента, как и микротрубочки, начинается с формирования тримера (нуклеация). Это цепочка из трех актинов. Затем к этому тримеру начинают присоединяться новые актины (элонгация) и длина тонкого филамента увеличивается. Выявлены белки, контролирующие эти процессы. Так, профиллин блокирует нуклеацию. Он присоединяется к активной зоне мономера и формирует димер, который не может связаться с другими белками — актинами. Фрагмин подавляет нуклеацию и элонгацию, также связывая концевые элементы цепочки.
С помощью опорно-каркасных белков микрофиламенты могут соединяться с клеточной мембраной — это α-актинин, талин, винкулин, спектрин, фрагмин, анкирин, адцуцин. Разнообразие сцепляющих белков обусловлено разными способами прикрепления микрофиламентов: параллельно мембране, в виде пучков (по типу копирования) и др.
Микрофиламенты сцепляются между собой с помощью белков фасцина, α-актинина, фимбрина, филамина, виллина. Эти белки могут связывать тонкие микрофиламенты в виде плотных (фимбрин) или рыхлых (α-актинин) пучков, сетей (филамин). Так, белок филамин, являясь еще и белком-стабилизатором тонких микрофиламентов, формирует сшивки в местах пересечения органелл. В результате образуются сети из сцепленных нитей. Если оба конца микрофиламентов сцеплены с мембраной или с какой-либо иной структурой (копированы), они не распадаются и становятся стабильными. Последующее метилирование предотвращает распад микрофиламентов.
Стабильные тонкие микрофиламенты характерны для мышечных тканей, где они называются тонкими миофиламентами. Совместно с миозинами они формируют специализированную органеллу мышечной ткани — миофибриллу. Белок тропомиозин стабилизирует тонкий миофиламент.
Гельзолин, виллин и фрагмин копируют положительный полюс тонкого микрофиламента. Акументин выполняет подобную функцию со стороны отрицательного полюса.
Тонкие микрофиламенты обеспечивают опорно-каркасную функцию, контролируют циклоз, участвуют в формировании адгезивных контактов (пояска сцепления или ленточной десмосомы). В поясках сцепления тонкие микрофиламенты лежат параллельно цитомембране вдоль адгезивного контакта. Они укрепляют данный контакт, связываясь также с элементами внутриклеточного цитоскелета.
Наряду с микротрубочками микрофиламенты контролируют направление транспортных потоков и распределение макромолекулярных образований, органелл. В циклозе важное значение имеет полярность тонких микрофиламентов, противоположная к микротрубочкам.
Микрофиламенты участвуют в движении клетки. Одним из ведущих факторов, обеспечивающих движение, является взаимодействие актина с толстыми микрофиламентами, содержащими миозины. В присутствии ионов кальция в поперечнополосатых мышцах это взаимодействие ведет к сокращению симпласта. В гладких миоцитах и немышечных клетках подобную роль играет взаимодействие с минимиозинами, а также способность актинов к быстрому распаду и полимеризации.
В результате перераспределения тонких микрофиламентов в кортикальной зоне клетка может формировать впячивания (псевдоподии, ламеллоподии). Это позволяет обеспечивать локальные движения и перемещения целой клетки. Подобный процесс лежит в основе фагоцитоза и экзоцитоза.
Если клетка находится в состоянии покоя, в условиях жидкой среды и отсутствия контактов с другими клетками, она отличается округлой формой и равномерной сетью тонких филаментов в цитоплазме. В процессе исследования движения клетки в культурах тканей доказано, что перемещение клетки, например фибробласга, начинается с формирования филоподии — нитчатого выроста цитоплазмы диаметром 0,3…0,5 мкм и длиной до 20 мкм. Затем образуются плоские пластинчатые выросты — ламеллоподии или выросты, напоминающие оборки — «рафлы». Ламеллоподии затем сливаются так, что образуется особая зона — ламеллярная цитоплазма, в которой почти нет органелл и рибосом, но много микрофиламентов. Если клетка равномерно распластана, то она отличается концентрацией органелл вокруг ядра, лежащего в центре. К наружи от органелл тонкие микрофиламенты формируют кольцо.
В процессе формирования ламеллоподий может активироваться движение клетки. Движение обусловлено преобладанием в одном из направлений адгезивных или так называемых хемотаксических факторов.
Хемотаксические факторы — это вещества, стимулирующие перемещение клеток в направлении их наибольшей концентрации. Начало перемещения сопровождается перераспределением органелл и других структур (поляризацией) клетки. Такая активированная к движению клетка отличается тем, что псевдоподии и ламеллярная цитоплазма сохраняются на одной из сторон клетки. Именно эта сторона клетки и есть направление ее дальнейшего перемещения. Боковые поверхности клетки остаются неактивными. Перемещающаяся поверхность взаимодействует с внеклеточными структурами с помощью точечных (фокальных) контактов. Тонкие филаменты распределены в виде пучков вдоль оси перемещения. Область ламеллоподии содержит многочисленные тонкие микрофиламенты и микротрубочки. С их помощью происходит транспорт элементов клеточной мембраны от полюса с малым содержанием хемотаксинов в полюс с их высокой концентрацией. В результате клетка подтягивается в направлении перемещения. В последующем цикл перемещения повторяется.
В течение цикла тонкие микрофиламенты и микротрубочки непрерывно перераспределяются. Сеть микрофиламентов крайне неустойчива и все время перестраивается. В клетке, свободно плавающей в межклеточном веществе, тонкие микрофиламенты располагаются диффузно. В покое тонкие актиновые микрофиламенты концентрируются в виде кольца, а часть из них лежит в виде радиальных пучков. Во время перемещения тонкие микрофиламенты распределяются вдоль основного направления движения. По ламеллярному краю видны отдельные волокна или их пучки, которые лежат параллельно поверхности клетки.
Перемещения клеток необходимы для нормального функционирования и развития тканей и органов. Так, процессы миграции обеспечивают развитие зародышевых листков, внезародышевых клеток, формирование центральной и периферической нервных систем. Без активных перемещений невозможны иммунные реакции, функционирование эпителиальных тканей и фибробластов, многие другие процессы.
Тонкие микрофиламенты являются опорой (основой) для микроворсинок и стереоцилий. В структуре этих специализированных образований тонкие филаменты располагаются в виде тесно лежащих пучков.
Толстые микрофиламенты. Они образованы белками миозинами (меромиозинами). Толстые микрофиламенты в поперечном сечении имеют диаметр 10…12 нм. Эти структуры находятся в мышечной ткани, обеспечивают мышечное сокращение при взаимодействии с актиновыми филаментами.