Vahefilamentide ehitus ja funktsioonid. Vahefilamendid Rakuniidid

Vahefilamendid on tuuma- ja tsütoplasmaatilise tsütoskeleti põhikomponendid

Vahefilamendid on vajalikud kudede õige struktuuri ja funktsiooni säilitamiseks.

Läbimõõdu poolest paiknevad vahefilamendid aktiini filamentide ja mikrotuubulite vahel ning moodustavad tugevaid võrgustikke.

Vahefilamendid on valgu subühikutest koosnevad polümeerid.

Vahefilamente moodustavad valgud on heterogeensed ja neid kodeerib suurte ja keerukate geenide perekond.

Inimestel on enam kui 50 haiguse põhjuseks vahepealsete filamentide valkude mutatsioonid.

Mikrotuubulid, aktiini filamendid (mikrofilamendid) ja vahepealsed filamendid on kolm peamist valgufilamentide süsteemi, mis moodustavad tsütoskeleti. Vahefilamendid moodustavad tsütoplasmas ja tuumas võrgustiku ning esinevad kõigis metazoa (looma) rakkudes.

Erinevalt mikrotuubulitest ja aktiini filamentidest, mis on isegi ellujäämiseks hädavajalikud isoleeritud rakud in vitro, vahefilamentide põhifunktsioon avaldub kudede organiseerimise tasandil, kus need on vajalikud kudede ja elundite nõuetekohaseks funktsioneerimiseks. Teatud tüüpi vahepealsed filamendid on seotud rakkude kooshoidmisega, mis on vajalik koe moodustumiseks.

Vahefilamentvalke kodeerivad mitmed suured perekonnad geenid. Need valgud moodustavad keeruka filamentide süsteemi, mis normaalsetes füsioloogilistes tingimustes moodustab kuni 80% raku koguvalgust. Vahefilamentide rakusisene jaotus erineb aktiini filamentide ja mikrotuubulite omast.

Histoloogid avastas need (neuronite neurofibrillide ja epidermise rakkude tonofilamentide kujul) ammu enne 1960. aastatel. lihaskoe elektronmikroskoopilisel uurimisel kirjeldati üksikuid filamente. Lihasrakkudes asusid "vahepealsed" filamendid läbimõõduga keskmise positsiooni müosiin II "paksude filamentide" ja aktiini "õhukeste filamentide" vahel. Nende keskmine läbimõõt on umbes 10 nm, st nad on paksemad kui aktiini filamendid (umbes 8 nm) ja õhemad kui mikrotuubulid (umbes 25 nm). Kõik kolm hõõgniidisüsteemi on näidatud alloleval joonisel.

Vahepealsed filamentvalgud neid iseloomustab ühine molekulaarstruktuur ja need polümeristuvad suure mehaanilise tugevusega filamentideks. Elektronmikroskoobis näevad nad välja ühesugused. Kõrgematel selgroogsetel on vastavate valkude perekond organiseeritud kõige keerulisemal viisil ja seda küsimust käsitletakse selles peatükis.

Sarnased vahepealsed filamendid leidub ka selgrootutel, kuid nende vastavaid valke kodeerivate geenide arv on palju väiksem kui selgroogsetel. Samuti on selgrootute vahepealsed filamendid vähem heterogeensed ja väiksema koespetsiifilisusega kui imetajatel. Inimese genoom sisaldab umbes 70 geeni, mis kodeerivad vahepealseid filamentvalke. Võttes arvesse nende paari alternatiivset splaissimist, läheneb nende valkude koguarv 75-le.

Neid esindab palju suurem hulk variante ja need on heterogeensemad kui aktiini või tubuliini valgud. Kõiki vahepealseid filamentvalke iseloomustab koespetsiifiline ekspressioon. Nende väljendus muutub ka diferentseerumise käigus.

Enamik teavet ekspressiooni ja biokeemilise kohta omadused, saadi enne nende funktsioonide kindlakstegemist ja seost teatud haigustega. Nüüdseks on näidatud, et vahepealsete filamentvalkude geenide mutatsioonid on seotud paljude geneetiliste haigustega, mida iseloomustavad mitmesugused fenotüübilised ilmingud. Nende hulgas on vähemalt 50 üksikut haigust veenilaienditest kuni progeeriani.

Peaaegu kõik tüübid vahepealsed filamentvalgu geenid mis on seotud koe hapruse mingisuguse ilminguga. See viitab sellele, et koe toimimiseks in vivo on vajalik piisav mehaaniline tugevus ja see on suures osas otseselt või kaudselt seotud vahefilamentidega. Arvestades, et vahepealsete filamentvalkude geeniekspressioon on koespetsiifiline, on täiesti võimalik, et kõik need valgud annavad koerakkudele väikseima erinevuse. Koerakud nõuavad erinevaid omadusi, nagu tugevus, plastilisus, kokkupaneku kiirus ja tugevust andvate struktuuride lahtivõtmine.

Võib-olla on see põhjus, miks evolutsiooni käigus tekkis nii palju vahepealseid filamentvalke kodeerivaid geene.

Neid leidub nii enamiku eukarüootsete rakkude tsütoplasmas kui ka tuumas. Keskmine PF läbimõõt on umbes 10 nm (9-11 nm), väiksem kui mikrotuubulite oma (umbes 25 nm) ja suurem kui aktiini mikrofilamentidel (5-9 nm). Nimetus anti seetõttu, et IF-st koosnevate tsütoskeleti struktuuride paksus oli müosiini filamentide ja mikrotuubulite paksuse vahel. Tuumas on teada ainult ühte tüüpi IF - laminic, ülejäänud tüübid on tsütoplasmaatilised.

Struktuur

IF-valgu molekulide lookuse struktuur on üsna konservatiivne. Polüpeptiidil on tavaliselt kaks globulaarset domeeni N- ja C-otsas, mis on ühendatud laiendatud superkeerdunud vardakujulise domeeniga, mis koosneb alfa-heeliksidest. Hõõgniidi põhiline ehitusplokk on dimeer, mitte monomeer. Selle moodustavad kaks polüpeptiidahelat, tavaliselt kaks erinevat valku, mis interakteeruvad üksteisega oma vardakujuliste domeenidega, moodustades topelt superspiraalspiraali. Tsütoplasmaatilised IF-id moodustuvad sellistest dimeeridest, mis moodustavad ühe ploki paksuseid mittepolaarseid filamente. Polaarsuse puudumine PF-is on tingitud dimeeride antiparalleelsest orientatsioonist tetrameeris. Lisaks moodustuvad neist keerukamad struktuurid, milles saab tihendada PF-sid, mille tulemusena on need muutuva läbimõõduga.

Laotamine

Kõigil eukarüootidel ei ole tsütoplasmaatilisi IF-sid; neid leidub ainult mõnes loomarühmas. Niisiis, PF on nematoodides. molluskid ja selgroogsed. kuid seda ei leidu lülijalgsetel ja okasnahksetel. Selgroogsetel puuduvad mõnedes rakkudes (nt oligodendrotsüütides) IF-d. Taimerakkudes IF-e ei leitud.
Enamikus loomarakkudes moodustavad IF-id tuuma ümber "korvi", kust need suunatakse raku perifeeriasse. IF-i leidub eriti palju rakkudes, mis on allutatud mehaanilisele stressile: epiteelis, kus IF-d on seotud rakkude omavaheliseks ühendamisega desmosoomide kaudu, närvikiududes, sile- ja vöötlihaskoe rakkudes.

Tüübid

Erinevalt teistest tsütoskeleti põhielementidest koosnevad erinevate kudede rakkude tsütoplasmas olevad IF-d erinevatest, kuigi struktuurilt sarnastest valkudest. Kõik IF-valgud inimestel kodeerivad umbes 70 geeni. Aminohappelise koostise ja struktuuri tunnuste põhjal eristatakse viit peamist IF-valkude rühma.

I tüüp - keratiinid

Kõige mitmekesisem PF-de rühm koosneb keratiinidest, mille molekulmass on 40–70 kDa. Seda tüüpi valgud jagunevad 2 alamperekonda:

• happelised keratiinid,
• neutraalsed ja aluselised keratiinid.

Keratiini dimeer koosneb ühest happelisest ja ühest aluselisest keratiinist. Keratiini arvukate isovormide hulgas eristatakse kahte peamist rühma - epiteeli keratiinid (vt tsütokeratiin), sealhulgas umbes 20 tüüpi keratiinid, ja juuksekeratiinid (umbes 10 tüüpi), millest ehitatakse ka roomajate küüned, sarved ja soomused.

II tüüp

Teist tüüpi IF-valgud sisaldavad 4 tüüpi valke:

• vimentiin - mesenhümaalse päritoluga rakkudele omane valk massiga 45–53 kDa: on osa sidekoerakkudest, endoteeli, vererakkudest;
• gliafibrillaarne happeline valk;
• perifeer.

III tüüp

• Alfa interneksiin
• Neurofilamentvalgud
• Nestin
• Kino
• Sincoilin

Lisaks mikrotuubulitele on eukarüootsete rakkude tsütoplasma fibrillaarseteks komponentideks 5-7 nm paksused mikrofilamendid (mikrofilamendid) ja nn vahefilamendid ehk mikrofibrillid (mikrofibrillid), mille paksus on umbes 10 nm.

Mikrokiud leidub peaaegu kõigis rakutüüpides. Need on struktuurilt ja funktsioonilt erinevad, kuid morfoloogiliselt on neid raske üksteisest eristada. Mikrofilamendid asuvad tsütoplasma kortikaalses kihis, otse plasmalemma, kimpude või kihtide all. Neid võib näha amööbide pseudopoodides või fibroblastide liikumisprotsessides, sooleepiteeli mikrovillides. Mikrokiud moodustavad sageli kimpe, mis lähevad rakuprotsessidesse.

Enamikus rakkudes leiti mikrofilamentide võrgustik. Need erinevad keemilise koostise poolest. Olenevalt keemilisest koostisest võivad nad täita tsütoskeleti funktsioone ja osaleda liikumise tagamises. See võrk on osa tsütoskeletist. Immunofluorestsentsmeetodite abil näidati selgelt, et kortikaalse kihi ja kimpude mikrofilamentide koostis sisaldab kontraktiilseid valke: aktiini, müosiin, tropomüosiin, a-aktiniin. Järelikult pole mikrokiud midagi muud kui intratsellulaarne kontraktiilne aparaat, mis tagab mitte ainult rakkude liikuvuse nende aktiivse amööboidse liikumise ajal, vaid tõenäoliselt ka enamiku rakusiseseid liikumisi, nagu tsütoplasmaatilised voolud, vakuoolide liikumine, mitokondrid, rakkude jagunemine.

vahepealsed kiud, või mikrofibrillid, ka valgustruktuurid. Need on õhukesed (10 nm) mittehargnevad niidid, mis on sageli paigutatud kimpudesse. On iseloomulik, et nende valgu koostis on erinevates kudedes erinev. Näiteks epiteelis on keratiin osa vahefilamentidest. Keratiini vahefilamentide kimbud epiteelirakkudes moodustavad niinimetatud tonofibrillid, mis sobivad desmosoomidega. Mesenhümaalsete kudede rakkude (näiteks fibroblastide) vahefilamentide koostis sisaldab veel ühte valku - vimentiini. Lihasrakke iseloomustab desmiinvalk, närvirakkudes on nende neurofilamentides ka spetsiaalne valk.

Vahepealsete mikrokiudude roll on tõenäoliselt tugiraamistik, kuid need fibrillaarsed struktuurid ei ole nii labiilsed kui mikrotuubulid.

37-38. Mikrofilamentide ja mikrotuubulite keemiline koostis ja ultrastruktuur. (vaata 36)

39. Vahefilamentide keemilise koostise ja supramolekulaarse struktuuri tunnused. Vahefilamente nimetatakse nii, kuna nende läbimõõt on umbes 10 nm, mis on mikrokiudude (6 nm) ja mikrotuubulite (25 nm) diameetri vahepealne. Erinevalt mikrofilamentidest ja mikrotuubulitest ei ole need molekulaarsed polümeerid, vaid fibrillaarsete monomeeride polükondensaadid. Vahefilamente leidub kõigis loomarakkudes, kuid eriti palju on neid katteepiteelis, närvi- ja lihaskudedes.

Vahefilamentvalgu molekuli keskosa sisaldab sama 130 jäägist koosnevat aminohappejärjestust, mis moodustab a-heeliksi. Sellegipoolest on neil valkudel väljendunud koespetsiifilisus, mille määravad ära nende molekulide terminaalsed piirkonnad. Filamentide kokkupanek toimub a-spiraalsete struktuuride järjestatud kondenseerumisel.

Vahepealsed filamentvalgud kuuluvad ühte neljast erinevast rühmast keratiinid, mesenhümaalsete rakkude valgud, neurofibrillvalgud ja laminaadid.

Keratiinid on fibrillaarsete valkude perekond molekulmassiga 40-70 kDa, mis on spetsiifilised epiteelirakkudele.

TO neurofilamentvalgud Need hõlmavad kolme polüpeptiidi molekulmassiga 68, 145 ja 220 kD. Koos mikrotuubulitega on nad osa närvirakkudele iseloomulikest struktuuridest - neurofibrillidest, mis osalevad rakusisese transpordisüsteemi moodustamises neuroni kehas ja selle protsessides.

Tsütoplasma vahefilamendid paiknevad peamiselt raku tuuma ümber ja moodustavad ka kimpe, mis ulatuvad tuumast raku perifeeriasse. Vahefilamentide jaotus rakus langeb suures osas kokku mikrotuubulite jaotusega, mis peegeldab nende ühist osalemist rakusiseste transpordisüsteemidega.

Erinevalt tsütoplasma valkudest, mis moodustavad rakutuumas lokaliseeritud fibrillid laminaadid A, B ja C(molekulmass 60-70 kD) kogutakse ristkülikukujulistesse võredesse. Nende moodustatud karkass ehk tuumamaatriks on kontaktis nukleolemma sisemembraaniga, säilitades raku tuuma suuruse ja kuju. Lamiinide tuumamaatriks toimib ka kromosoomide tugistruktuurina. Mitoosi või meioosi ajal fosforüülivad laminaadid raku jagunemise kinaasid, mis viib nende depolümeriseerumiseni ja nukleolemma lagunemiseni üksikuteks vesiikuliteks, mis on hajutatud kogu tsütoplasmas. Jagunemise lõpus aktiveeruvad fosfataasid, mis tagavad lamiinide polümerisatsiooni ning tuumamaatriksi ja nukleolemma taastumise.

40. Aktiin ja sellega seotud valgud. Aktinomüosiini komplekside kontraktsiooni molekulaarsed mehhanismid. Seal on viis peamist kohta, kus saab rakendada aktiini siduvate valkude toimet. Nad võivad seonduda aktiini monomeeriga; "terava" või aeglaselt kasvava hõõgniidi otsaga; "sulgelise" või kiiresti kasvava otsaga; hõõgniidi külgpinnaga; ja lõpuks kahe filamendiga korraga, moodustades nende vahel ristsideme. Lisaks neile viiele interaktsioonile võivad aktiini siduvad valgud olla kaltsiumitundlikud või mittetundlikud. Selliste võimaluste mitmekesisuse juures pole üllatav, et on avastatud palju aktiini siduvaid valke ja et mõned neist on võimelised mitut tüüpi interaktsiooniks.
Monomeeridega seonduvad valgud pärsivad seemnete teket, nõrgestades monomeeride omavahelist vastasmõju. Need valgud võivad pikenemise kiirust vähendada või mitte, olenevalt sellest, kas aktiinikompleks aktiini siduva valguga on võimeline filamentide külge kinnituda. Profiliin ja fragmiin on kaltsiumitundlikud valgud, mis interakteeruvad aktiini monomeeridega. Mõlemad vajavad aktiiniga seondumiseks kaltsiumi. Profiliini kompleks monomeeriga võib põhineda juba olemasolevatel filamentidel, kuid fragmiini kompleks aktiiniga ei saa seda teha. Seetõttu pärsib profiliin peamiselt tuuma moodustumist, fragmiin aga nii tuuma moodustumist kui ka pikenemist. Kolmest aktiiniga interakteeruvast kaltsiumi mittetundlikust valgust toimivad kaks – DNaas I ja D-vitamiini siduv valk – väljaspool rakku. Nende aktiiniga seondumise võime füsioloogiline tähtsus ei ole teada. Ajus on aga valk, mis monomeeridega seondudes depolümeriseerib aktiini filamente; selle depolümeriseeriv toime on seletatav asjaoluga, et monomeeride seondumine viib polümerisatsiooniks saadava aktiini kontsentratsiooni vähenemiseni.Müosiini ja aktiini molekulid omavahel interakteerudes moodustavad aktomüosiini kompleksi, milles mängitakse läbi põhisündmused. välja, mis viib lihaste kokkutõmbumist põhjustava jõu loomiseni. Puhkelihases ei näita müosiini sillad ATPaasi aktiivsust, kuna tropomüosiin ja troponiinikompleksi valgud takistavad müosiinipeade koostoimet aktiini filamendiga. Ca2+ ioonid käivitavad aktomüosiini kompleksi aktiveerimise. Ca2+ kontsentratsioon rahuolekus (lõdvestunud lihas) lihasraku tsütoplasmas on alla 0,1 μm, mis on palju väiksem kui Ca2+ kontsentratsioon interstitsiaalses vedelikus. See on tingitud spetsiaalse ensüümi - sarkoplasmaatilise retikulumi kaltsiumipumba - tööst, mis ATP (ATP) molekulide energiat kasutades pumpab Ca2 + tsütoplasmast spetsiaalsetesse mahutitesse. Närviimpulsi toimel lahkuvad Ca2+ ioonid kaltsiumtsisternidest ja seonduvad TnC-ga. See põhjustab struktuurseid muutusi teistes troponiinikompleksi valkudes. Lõppkokkuvõttes muutub tropomüosiini asend F-aktiini filamendi suhtes ja nüüd saab müosiinipea seostuda aktiiniga. Tõmbejõud, mis põhjustab müosiini nihkumist mööda aktiini filamente, tuleneb struktuurimuutustest müosiini katalüütilises keskmes pärast ATP molekuli hüdrolüüsi. Müosiin meenutab mehaanilist seadet, milles müosiini silla pea ja kael mängivad omamoodi kangi rolli, mis võimaldab suurendada müosiini saba nihke amplituudi. See hoob toetub ühe otsaga aktiini filamendile, kangi teine ​​ots on ühendatud müosiini molekuli sabaga (joonis 3). Pärast ATP hüdrolüüsi ja Pn (Pi) ja ADP (ADP) dissotsieerumist müosiinipeas olevast katalüütilisest tsentrist toimuvad struktuursed ümberkorraldused, mille tulemusena aktiini filamendi külge kinnitatud müosiinipea pöörleb läbi nurga a = 30–40 °, lohistades endaga kaasa müosiini saba (joonis .3). Seega tekib jõud, mis paneb paksud müosiini niidid mööda aktiini filamente libisema.

41. Diktüosoomide ultrastruktuur ja nende funktsioonid. Golgi aparaati esindavad väikesel alal kokku pandud membraanstruktuurid. Nende membraanide eraldi kogunemise tsoon on diktüosoom. Diktüosoomis asetsevad üksteise lähedal (20–25 nm kaugusel) virna kujul lamedad membraankotid ehk tsisternid, mille vahel paiknevad õhukesed kihid.Elektronmikroskoopia järgi tuvastatakse membraani ultrastruktuur. Golgi kompleks sisaldab kolme põhikomponenti: Lameda paagi süsteem. 2. Torusüsteem. 3. Suured ja väikesed mullid. Kõik kolm Golgi aparaadi komponenti on omavahel seotud ja võivad üksteisest tekkida. Erinevate elundite ja kudede rakkudes arenevad Golgi aparaadi komponendid erinevalt. .Golgi aparaadi funktsioonid: 1) polüsahhariidide ja glükoproteiinide (glükokalüks, lima) süntees; 2) valgumolekulide modifitseerimine (terminaalne glükosüülimine - süsivesikute komponentide lisamine; fosforüülimine - fosfaatrühmade lisamine; atsüülimine - rasvhapete lisamine; sulfaadimine - jääkide, sulfaatide jne lisamine .; 3) sekretoorse produkti kondenseerumine (kondenseerivates vakuoolides) ja sekretoorsete graanulite moodustumine; 4) valkude sorteerimine transpinnal; 5) sekretoorsete saaduste pakkimine membraanistruktuuridesse.

42. Lisandid. Lisaks membraani- ja mittemembraansetele organellidele võivad rakud sisaldada rakulisi inklusioone, mis on mittepüsivad moodustised, mis raku eluea jooksul kas tekivad või kaovad Inklusioonide põhiliseks asukohaks on tsütoplasma, kuid mõnikord leidub neid ka raku eluea jooksul. tuum, ainevahetus. Need kogunevad peamiselt graanulite, tilkade ja kristallidena. Inklusioonide keemiline koostis on väga mitmekesine.Lipoidid ladestuvad rakus tavaliselt väikeste tilkade kujul. Paljude algloomade, näiteks ripsloomade tsütoplasmas leidub palju rasvatilku. Imetajatel paiknevad rasvatilgad spetsiaalsetes rasvarakkudes, sidekoes. Sageli ladestub märkimisväärne kogus rasvhappeid patoloogiliste protsesside tagajärjel, näiteks maksa rasvade degeneratsiooniga. Rasvatilku leidub peaaegu kõigi taimekudede rakkudes, osade taimede seemnetes leidub palju rasva.Polüsahhariidide kandmisel on kõige sagedamini erineva suurusega graanulite valem. Mitmerakulistel loomadel ja algloomadel leidub glükogeeni ladestusi rakkude tsütoplasmas. Glükogeeni graanulid on valgusmikroskoobi all selgelt nähtavad. Eriti suured on glükogeeni akumulatsioonid vöötlihaskiudude tsütoplasmas ja maksarakkudes, neuronites. Taimerakkudes ladestub tärklis kõige sagedamini polüsahhariididest. Sellel on erineva kuju ja suurusega graanulid ning tärklisegraanulite kuju on iga taimeliigi ja teatud kudede jaoks spetsiifiline. Kartulimugulate ja teravilja terade tsütoplasmas on rohkesti tärkliseladestusi; iga tärklisegraanul koosneb eraldi kihtidest ja iga kiht sisaldab omakorda radiaalselt asetsevaid kristalle, mis on valgusmikroskoobis peaaegu nähtamatud.Valgusulused on vähem levinud kui rasva- ja süsivesikusulused. Munade tsütoplasma on rikas valgugraanulite poolest, kus need on plaatide, pallide, ketaste ja varraste kujul. Valgu lisandeid leidub maksarakkude, algloomade rakkude ja paljude teiste loomade tsütoplasmas.

Vahefilamentid (IF) on ehitatud fibrillaarsetest monomeeridest. Seetõttu meenutab vahefilamentide põhikonstruktsioon trossi, mille paksus on umbes 8-10 nm. Need paiknevad peamiselt perinukleaarses tsoonis ja fibrillide kimpudes, mis ulatuvad raku perifeeriasse ja paiknevad plasmamembraani all (joonis 238, 240 ja 241). Vahefilamente leidub igat tüüpi loomarakkudes, kuid eriti palju on neid rakkudes, mis on allutatud mehaanilisele pingele: epidermisrakud, närviprotsessid, sile- ja vöötlihasrakud. Taimerakkudes IF-e ei leitud.

Vahefilamentide koostis sisaldab suurt rühma isoproteiine (seotud valke), mida saab jagada nelja tüüpi. Esimene tüüp on keratiinid, happeline ja neutraalne, leidub epiteelirakkudes; nad moodustavad nendest kahest alatüübist heteropolümeere. Lisaks on keratiinidel koeallikast olenevalt teatav heterogeensus. Seega leidub epiteelis kuni 20 keratiinide vormi, juustes ja küüntes 10 muude keratiinide vormi. Keratiinide molekulmass on vahemikus 40 kuni 70 tuhat ühikut.

Teist tüüpi IF-valkude hulka kuuluvad kolme tüüpi sarnase molekulmassiga (45-53 tuhat) valgud. see - vimentiin, iseloomulik mesenhümaalse päritoluga rakkudele, mis on osa sidekoerakkude, endoteeli, vererakkude tsütoskeletist. Desmin iseloomulik lihasrakkudele, nii siledatele kui vöötmelistele. Glial fibrillaarne valk on osa närvilise glia mõnede rakkude IF-st - astrotsüütides ja mõnedes Schwanni rakkudes. Periferiin on osa perifeersetest ja tsentraalsetest neuronitest.

Kolmas tüüp - neurofilamentvalgud(molekulmass 60 kuni 130 tuhat), leidub närvirakkude aksonites.

Ja lõpuks, neljas tüüp - oravad tuumaenergia laminaadid. Kuigi viimastel on tuuma lokalisatsioon, on nad oma struktuuri ja omaduste poolest sarnased kõigi vahepealsete filamentvalkudega.

Nagu juba mainitud, on vahefilamendid üles ehitatud fibrillaarsetest valkudest nagu köis. Samal ajal võivad mõned valgud moodustada kopolümeere, näiteks vimentiin desmiiniga või vimentiin gliaalvalkudega.

Kõigil vahepealsetel filamentvalkudel on sarnane 130 jäägist koosnev aminohappejärjestus fibrillaarse molekuli keskosas, millel on α-spiraalne struktuur. Molekulide terminaalsed osad on erineva aminohappejärjestusega, erineva pikkusega ja neil puudub α-spiraalne struktuur. Laiendatud α-spiraalsete piirkondade olemasolu võimaldab kahel molekulil moodustada müosiini molekuliga sarnase kaksikheeliksi, mis viib umbes 48 nm pikkuse vardakujulise dimeeri moodustumiseni. Kaks dimeeri, mis ühinevad kõrvuti, moodustavad lühikese protofilamendi – tetrameeri, paksusega umbes 3 nm. Sellised protofilamendid võivad ühineda jämedamateks ja pikemateks fibrillideks ning lõpuks moodustub vahepealne terviklik filament, mis koosneb kaheksast pikisuunalisest protofilamendist (joonis 242).

Tuumakihi valgud polümeriseerivad erinevalt: moodustavad dimeere, mille ühes otsas on pead, ja polümeriseerub, luues lahtise ristkülikukujulise võre. Sellised kihikihid hävivad kiiresti mitoosi käigus kihtide fosforüülimise teel.

Tsütoplasmaatilised vahefilamendid on tsütoskeleti kõige stabiilsemad ja pikemaealisemad elemendid. Siiski täheldatakse in vivo süstitud märgistatud keratiini molekulide kaasamist epiteelirakkude IF koostisesse. PF-id on vastupidavad madalatele ja kõrgetele soolakontsentratsioonidele ning hävivad alles pärast kokkupuudet denatureerivate lahustega, nagu uurea.

Vahefilamentide selline struktuur ja keemiline stabiilsus määrab ilmselt ka nende füüsikalise stabiilsuse. Need toimivad tõelise tugisüsteemina rakkudes, mis on allutatud olulisele füüsilisele stressile. Naha epidermise rakkudes moodustavad vahepealsed filamendid desmosoomidega seotud kimpe (tonofilamente) ja loovad jäiga intratsellulaarse võrgustiku (joonis 243). Seega loovad PF ehk neurofilamendid mitmekümne sentimeetri pikkuses närviaksonites jäiga raamistiku, mis tagab närvirakkude õhukeste tsütoplasmaatiliste protsesside paindlikkuse ja terviklikkuse. Ristvöötlihasrakkudes on desmiini filamendid osa Z-ketastest ja ühendavad neid üksteisega nii sarkomeeri osana kui ka naabermüofibrillides, aga ka plasmamembraaniga.

Vahefilamentvalkude polümerisatsiooni spetsiifilisi inhibiitoreid ei ole veel leitud. Seetõttu jääb nende tsütoskeleti elementide kokkupanemise ja lahtivõtmise protsess elusrakus ebaselgeks. On kõige tõenäolisem, et need, nagu ka laminaadid, depolümeriseeritakse tsütoplasmaatiliste kinaaside toimel, mis viib nende fosforüülimiseni. Fosforülaaside toimel eraldatud vahefilamendid võivad laguneda monomeerideks ja depolümeriseeruda.

Topograafiliselt rakus kordab vahefilamentide paigutus mikrotuubulite paigutust, need näivad kõrvuti kulgevat. Mikrotuubulite hävitamisel kolhitsiini toimel toimub vahefilamentide nn kollaps: need kogunevad tuuma ümber tihedateks kimpudeks või rõngasteks. Rakukeskuse tsoonist algab uue vahefilamentide võrgustiku taastamine. See viitab sellele, et nende polümerisatsiooni või tuuma moodustumise keskused võivad olla mikrotuubulitega ühised keskused.

Vahefilamentid (IF) on ehitatud fibrillaarsetest monomeeridest. Seetõttu meenutab vahefilamentide põhikonstruktsioon trossi, mille paksus on umbes 8-10 nm. Need paiknevad peamiselt perinukleaarses tsoonis ja fibrillide kimpudes, mis ulatuvad raku perifeeriasse ja asuvad plasmamembraani all (joonis 238, 240, 241). Vahefilamente leidub igat tüüpi loomarakkudes, kuid eriti palju on neid mehaanilisele stressile alluvates: epidermisrakud, närviprotsessid, sile- ja vöötlihasrakud. Taimerakkudes IF-e ei leitud.

Vahefilamentide koostis sisaldab suurt rühma isoproteiine, seotud valke, mida saab jagada nelja tüüpi. Esiteks - keratiinid, happeline ja neutraalne, leidub epiteelirakkudes; nad moodustavad nendest kahest alatüübist heteropolümeere. Lisaks on keratiinidel koeallikast olenevalt teatav heterogeensus. Seega leidub epiteelis kuni 20 keratiinide vormi, juustes ja küüntes 10 muude keratiinide vormi. Keratiinide molekulmass on vahemikus 40 kuni 70 tuhat ühikut.

Teist tüüpi IF-valkude hulka kuuluvad kolme tüüpi sarnase molekulmassiga (45-53 tuhat) valgud. see - vimentiin, iseloomulik mesenhümaalse päritoluga rakkudele, mis on osa sidekoerakkude, endoteeli, vererakkude tsütoskeletist. Desmin- iseloomulik lihasrakkudele, nii siledatele kui ka vöötmetele. Glial fibrillaarne valk on osa närvilise glia mõnede rakkude IF-st - astrotsüütides ja mõnedes Schwanni rakkudes. Periferiin - on osa perifeersetest ja tsentraalsetest neuronitest.

Kolmas tüüp on neurofilamentvalgud(nad ütlevad, et kaal on 60–130 tuhat) leidub närvirakkude aksonites.

Ja lõpuks, neljas tüüp - oravad tuumaenergia laminaadid. Kuigi viimastel on tuuma lokalisatsioon, on nad oma struktuuri ja omaduste poolest sarnased kõigi vahepealsete filamentvalkudega.

Nagu juba mainitud, on vahefilamendid ehitatud fibrillaarsetest valkudest nagu köis. Samal ajal võivad mõned valgud moodustada kopolümeere, näiteks vimentiin desmiiniga või vimentiin gliaalvalkudega.

Kõigil vahepealsetel filamentvalkudel on sarnane 130 jäägist koosnev aminohappejärjestus fibrillaarse molekuli keskosas, millel on a-spiraalne struktuur. Molekulide terminaalsed osad on erineva aminohappejärjestusega, erineva pikkusega ja neil puudub a-spiraalne struktuur. Laiendatud a-spiraalsete piirkondade olemasolu võimaldab kahel molekulil moodustada topeltheeliksi, mis on sarnane sellele, mis viib umbes 48 nm pikkuse vardakujulise dimeeri moodustumiseni. Kaks dimeeri ühinevad kõrvuti, moodustades lühikese protofilamendi, umbes 3 nm paksuse tetrameeri. Sellised protofilamendid võivad ühineda jämedamateks ja pikemateks fibrillideks ning lõpuks vahepealseks täisfilamendiks, mis koosneb 8 pikisuunalisest protofilamendist (joonis 242).

Tuumakihi valgud polümeriseerivad erinevalt: nad moodustavad dimeere, mille ühes otsas on pead, ja polümeriseerub, moodustades lahtise ristkülikukujulise võre. Sellised kihikihid hävivad kiiresti mitoosi käigus kihtide fosforüülimise teel.

Tsütoplasmaatilised vahefilamendid on tsütoskeleti kõige stabiilsemad ja pikemaealisemad elemendid. Siiski täheldatakse in vivo süstitud märgistatud keratiini molekulide kaasamist epiteelirakkude IF koostisesse. PF-id on vastupidavad madalatele ja kõrgetele soolakontsentratsioonidele ning hävivad alles pärast kokkupuudet denatureerivate lahustega, nagu uurea.

Vahefilamentide selline struktuur ja keemiline stabiilsus määrab ilmselt ka nende füüsikalise stabiilsuse. Need toimivad tõelise tugisüsteemina rakkudes, mis kannatavad märkimisväärse füüsilise stressi all. Naha epidermise rakkudes moodustavad vahepealsed filamendid desmosoomidega seotud kimpe (tonofilamente) ja loovad jäiga intratsellulaarse võrgustiku (joonis 243). Seega tekitavad PF ehk neurofilamendid mitmekümne sentimeetri pikkuses närviaksonites jäiga aluse, mis tagab närvirakkude õhukeste tsütoplasmaatiliste protsesside paindlikkuse ja terviklikkuse. Ristvöötlihasrakkudes on desmiini filamendid osa z-ketastest ja ühendavad neid üksteisega nii sarkomeeri osana kui ka naabermüofibrillides, aga ka plasmamembraaniga.

Vahefilamentvalkude polümerisatsiooni spetsiifilisi inhibiitoreid ei ole veel leitud. Seetõttu jääb nende tsütoskeleti elementide kokkupanemise ja lahtivõtmise protsess elusrakus ebaselgeks. On kõige tõenäolisem, et need, nagu ka laminaadid, depolümeriseeritakse tsütoplasmaatiliste kinaaside toimel, mis viib nende fosforüülimiseni. Fosforülaaside toimel eraldatud vahefilamendid võivad laguneda monomeerideks ja depolümeriseeruda.

Topograafiliselt rakus kordab vahefilamentide paigutus mikrotuubulite paigutust, need näivad kõrvuti kulgevat. Mikrotuubulite hävitamisel kolhitsiini toimel tekib nn. vahepealsete filamentide kokkuvarisemine: need kogunevad tuuma ümber tihedateks kimpudeks või rõngasteks. Rakukeskuse tsoonist algab uue vahefilamentide võrgustiku taastamine. See viitab sellele, et nende polümerisatsiooni või tuuma moodustumise keskused võivad olla mikrotuubulitega ühised keskused.

21. peatükk

Mikrofilamentide üldised omadused.

Mikrofilamente leidub kõigis eukarüootsetes rakkudes. Eriti palju leidub neid lihaskiududes ja -rakkudes – kõrgelt spetsialiseerunud rakkudes, mis täidavad lihaste kokkutõmbumise funktsioone. Mikrokiud (MF) on ka osa spetsiaalsetest rakukomponentidest, nagu mikrovillid, epiteelirakkude lintühendused ja tundlike rakkude stereotsiiliad. MF moodustavad liikuvate loomarakkude tsütoplasmas kimbud ja plasmamembraani all oleva kihi - kortikaalse kihi (joonis 244a, 245). Paljudes taimerakkudes ja madalamate seente rakkudes asuvad nad liikuva tsütoplasma kihtides.

Mikrofilamentide peamine valk on aktiin. aktiin- heterogeenne valk, erinevates rakkudes võivad olla erinevad variandid või isovormid, millest igaüks on kodeeritud oma geeni poolt. Niisiis on imetajatel 6 erinevat aktiini: üks skeletilihastes, üks südamelihases, kahte tüüpi - silelihastes (üks neist veresoontes) ja kaks mittelihaslikku, tsütoplasmaatilist aktiini, mis on tsütoplasma universaalne komponent. mis tahes imetajarakud. Kõik need aktiini isovormid on aminohapete järjestustes väga sarnased, kusjuures terminaalsed piirkonnad määravad polümerisatsiooni kiiruse, kuid ei mõjuta kokkutõmbumist. See aktiinide sarnasus, hoolimata mõningatest erinevustest, määrab nende ühised omadused. Aktiini molekulmass on umbes 42 tuhat ja monomeerses vormis on see ATP molekuli sisaldava gloobuli (G-aktiini) kujul. Selle polümerisatsiooni käigus moodustub 8 nm paksune õhuke fibrill (F-aktiin), mis on õrn spiraalne lint (joon. 246). Aktiini mikrokiud on oma omadustelt polaarsed. Piisava kontsentratsiooni korral hakkab G-aktiin spontaanselt polümeriseerima. Sellise aktiini spontaanse polümerisatsiooniga moodustunud mikrokiu niidil seostub selle üks ots kiiresti G-aktiiniga (+) - mikrofilamendi ots) ja kasvab seetõttu kiiremini kui vastupidine (miinus ots). Kui G-aktiini kontsentratsioon on ebapiisav, hakkavad moodustunud F-aktiini fibrillid lagunema. Lahustes, mis sisaldavad nn. G-aktiini kriitilise kontsentratsiooni korral luuakse dünaamiline tasakaal polümerisatsiooni ja depolümerisatsiooni vahel, mille tulemusena on F-aktiini fibrill konstantse pikkusega (joonis 247). Sellest järeldub, et aktiini mikrokiud on väga dünaamilised struktuurid, mis võivad tekkida ja kasvada või, vastupidi, lahti võtta ja kaduda, olenevalt globulaarse aktiini olemasolust. Aktiinfilamendi kasvavasse otsa sisestatakse ATP-d sisaldavad monomeerid. Polümeeri kasvades toimub ATP hüdrolüüs ja monomeerid jäävad ADP-ga seotuks. ATP-ga seotud aktiinimolekulid interakteeruvad üksteisega tugevamalt kui ADP-ga seotud monomeerid.

Rakkudes stabiliseerib sellist näiliselt ebastabiilset fibrillaarset süsteemi F-aktiiniga seotud spetsiifiliste valkude mass. Jah, valk. tropomüosiin, interakteerudes mikrofilamentidega, annab neile vajaliku jäikuse. Mitmed valgud, nt filamiin Ja a-aktiniini moodustavad F-aktiini filamentide vahele põikklambreid, mis viib keeruka kolmemõõtmelise võrgustiku moodustumiseni, mis annab tsütoplasmale geelitaolise oleku. Teised täiendavad valgud võivad siduda filamente kimpudeks (fimbriin) jne. Lisaks on valgud, mis interakteeruvad mikrokiudude otstega ning takistavad nende lahtivõtmist ja stabiliseerivad neid. F-aktiini interaktsioon kogu selle valkude rühmaga reguleerib mikrofilamentide agregatsiooni olekut, nende lahtist või vastupidi tihedat paigutust, seost teiste komponentidega. Valgud mängivad aktiiniga suhtlemisel erilist rolli. müosiini tüüp, mis koos aktiiniga moodustavad kompleksi, mis on võimeline ATP lõhenemisel kokku tõmbuma (vt allpool) (joonis 262).

Seega on MF-d polümeriseeritud aktiini fibrillid, mis on seotud paljude teiste valkudega. Põhimõtteliselt võivad kõigis mittelihaste rakkudes olevad mikrokiud täita vähemalt kahte funktsiooni: nad võivad olla osa kontraktiilses aparaadis, suhelda motoorsete valkudega (müosiiniga) või osaleda skeletistruktuuride moodustamises, mis on võimelised aktiini toimel ise liikuma. polümerisatsioon ja depolümerisatsioon.

Eriti palju infot tsütoskeleti ja mikrofilamentide kohta saadi koekultuuris fibroblastide uurimisel, millel on amööboidse liikumise võime. Nendel rakkudel puuduvad liikumise eest vastutavad püsivad fibrillaarsed struktuurid, nende fibrillaarne aparaat on pidevas ümberkorraldamises: osa fibrillaarseid elemente on raku mõnes osas lahti võetud ja teistes äsja moodustunud.

Tavaliselt on substraadi pinda mööda roomav fibroblast polariseeritud: sellel on liikuv ots ja “saba” osa. (Joonis 248, 249) Liikuvas otsas, mis on sageli rohkem laiali üle substraadi kui fibroblasti külg- ja sabaosa, tekivad ja kaovad pidevalt õhukesed niitjad või lamelljas väljakasvud - lamellopoodia. See on raku esiserv (lamelloplasm). Mis tagab fibroblasti liikumise edasi. Sellises liikuvas fibroblastis saab antikehi kasutada aktiini asukoha väljaselgitamiseks. See jaotub raku kolme põhiosa vahel: see on õhukese kihina (1), mis paikneb kogu raku perimeetri ulatuses plasmamembraani all. See on kortikaalne (koor - koor) kiht. Aktiini tuvastatakse rohkesti raku esiserva tsütoplasma väljakasvudes (2) ja (3) aktiini filamentide kimpudes, mis ulatuvad esiservast sügavale rakku (joonis 245).

Kortikaalne kiht koosneb tihedast kolmemõõtmelisest aktiini filamentide võrgustikust, mis on seotud plasmamembraaniga (tab.). See tagab tsütoplasma pinnakihi mehaanilise stabiilsuse ja loob tingimused, mis võimaldavad rakul oma kuju muuta ja liikuda. See kiht muudab pidevalt oma agregatsiooni olekut, minnes struktureeritud geeli olekust vedelaks sooliks. Sellised geel-sool üleminekud on seotud muutustega kortikaalse kihi struktuuris. Siin on koos aktiini filamentidega fibrillaarseid stabiliseerivaid valke (näiteks filamiin), mis moodustavad filamentide ristumiskohas ristsidemeid, mis jäigastab kogu kortikaalset kihti. Seda jäikust saab aga hõlpsasti eemaldada, kui suhelda teiste valkudega, näiteks gelsoliiniga, mis põhjustavad filamentide killustumist ja lagunemist ning seeläbi geeli vedeldamist. See alammembraani kihi ümberkorraldamine on eriti väljendunud esiservas, mis võimaldab kiiresti muuta selle pinna kuju, moodustada lamellipodia ja liikuda edasi. Teisest küljest on aktiini filamentvõrk võimeline kokku tõmbuma, kuna see sellest leiti lühikesi müosiiniagregaate. See viib kas lamellipodia tagasitõmbumiseni või rakkude ettepoole tõmbamiseni. Esiservas asuv aktiini filamentvõrk on selgemalt organiseeritud kui ülejäänud ajukoores. Siin ulatuvad plasmalemma väikestest esialgsetest väljakasvudest rakku aktiini filamentide kimbud, mis lõpevad nende (+) otstega plasmamembraanil.

Aktiini filamentide moodustumise protsess ja nende kasv lamelloplasma tsoonis sõltub paljudest reguleerivatest valkudest. Üks neist, WASp/Scar valk, seondub plasmamembraaniga. See sisaldab saite, mis seonduvad aktiiniga, teise spetsiaalse valgukompleksiga Arp2/3, mis seondub kasvava polümeeriahela (-)-otsaga, takistades selle depolümerisatsiooni. Sellised kahe regulatoorsete valkude rühma keerulised interaktsioonid toovad kaasa asjaolu, et plasmamembraaniga piirile on ehitatud kasvavad filamendid, mis võivad plasmamembraani painutada nii, et ilmub õhuke väljakasv - filopodia (joonis 250).

Vastasel juhul toimub lamellipodia moodustumise ajal aktiini polümerisatsioon. Siin mängivad juhtivat rolli ka WASp/Scar valgud, mis kinnituvad plasmamembraanile ja seonduvad Arp2/3 kompleksiga ning kinnitavad selle juba valmistatud aktiinifibrilli külgpinnale. Arp2/3 kompleks käivitab uue aktiinifibrilli polümerisatsiooni, mis hakkab kasvama primaarse aktiini filamendi suhtes umbes 70° nurga all ja kinnitub plasmamembraanile. Selliseid uusi valguahelaid on mitu ja need lehvivad plasmamembraani poole ja lükkavad seda edasi. Nii tekib pseudopoodia ehk lamellopoodia (joonis 251) Aktiini filamentide kogunemise tõttu (+) otstesse. Samal ajal toimub filamentide nende (-) otste depolümerisatsioon, mida Arp2/3 kompleksid ei blokeeri ja mis puutuvad kokku valkudega, mis soodustavad MF depolümerisatsiooni.

Seega viib MF-i kasvu keeruline protsess liikuva raku serva ruumilise nihkeni. Lamellipoodia arenedes moodustab nende plasmamembraan integriini valkude abil fookuskontakte substraadiga, millest väljuvad aktiini filamentide kimbud, osaledes teises liikuvuse vormis, mis on seotud aktiini filamentide ja motoorsete valkude, müosiinide vastastikmõjudega.

Müosiinid on üks MF-i komponente. Põhiline töö rakkude või nende sisemiste komponentide liikumisel MF-i abil toimub tänu aktomüosiini kompleksi tööle, kus aktiinifibrillid mängivad suunajate (“rööbaste”) rolli ja müosiinid translokaatorite rolli. Kogu akto-müosiini kompleks on ATP-aas ja liikumine toimub ATP hüdrolüüsi energia tõttu.

Müosiinid on seotud valkude perekond. Kõigil neil on pea(motoorne) osa, mis vastutab kompleksi ATPaasi aktiivsuse eest, kaela, mis on seotud mitme regulatiivse valgu alaühikuga ja saba, mis on iseloomulik igale müosiini tüübile, mis määrab funktsiooni spetsiifilisuse rakus. Müosiine on kolm peamist tüüpi. Müosiin II ja müosiin V on dimeerid, milles saba a-spiraalne piirkond moodustab superkeerdunud vardataolise piirkonna. Müosiin I on monomeerne molekul (joonis 252). Kaks müosiin II molekuli võivad üksteisega seostuda, moodustades bipolaarse paksu fibrilli, mis osaleb lihaste kontraktsioonis, rakusiseste MF kimpude kokkutõmbumises ja rakkude jagunemises. I ja V tüüpi müosiinid osalevad tsütoskeleti elementide ja membraanide interaktsioonides, näiteks vesiikulite transpordis.

Aktomüosiinikomplekside toimimismehhanismid on olenemata müosiini tüübist väga sarnased: see algab müosiinipea ühendamisest aktiini filamendiga, selle painutamisest ja järgnevast eraldumisest. Iga tsükli puhul liigub müosiinipea ühe ATP molekuli hüdrolüüsi käigus aktiini filamendi (+) otsa suunas 5-25 nm. Seega toimub MF ühesuunaline nihkumine või libisemine müosiini molekulide suhtes (joonis 253).