Биология клетки/Часть 1. Клетка как она есть/7/7

Материал из Викиучебника — открытых книг для открытого мира
Перейти к навигации Перейти к поиску
← Предыдущая глава Глава 7.7 Следующая глава →
Микрофиламенты, их строение и функции

Микрофиламенты — элементы цитоскелета, свойственные всем клеткам эукариот. Они состоят из белка актина и имеют диаметр 6-7 нм. С актином взаимодействуют многие другие «вспомогательные» белки. Актиновые филаменты могут ветвиться и соединяться поперечными сшивками, образуя трехмерные сети. Обычно эта сеть более густая под наружной мембраной, во внешнем слое цитоплазмы, который называется кортекс. Микрофиламенты участвуют в поддержании формы клетки и формировании выростов на её поверхности — микроворсинок и псевдоподий (ложноножек). Взаимодействуя с миозином, микрофиламенты обеспечивают амебоидное и мышечное движение, а также деление клетки «перетяжкой», характерное для животных. С помощью цитоплазматических миозинов по микрофиламентам могут двигаться пузырьки с грузом; т.о., они участвуют в везикулярном транспорте. С помощью вспомогательных белков микрофиламенты могут присоединяться изнутри к мембране клетки, образуя адгезивные контакты. Эти контакты участвуют в амебоидном движении многих клеток (в том числе внутри многоклеточного организма). С их помощью клетки прикрепляются к межклеточному веществу при ползании. Они могут выполнять и сигнальную функцию, меняя поведение клеток в зависимости от состава окружающей среды.

Строение молекул актина[править]

G-актин. Показаны связанные с ним молекула АТФ и двухвалентный катион
F-актин; модель актинового микрофиламента, показаны 13 субъединиц

Сборка и разборка микрофиламентов[править]

[1] Анимация "Сборка актиновых филаментов" (англ.)

Мышечное сокращение. Строение и сокращение поперечнополосатых мышц[править]

Тонкое строение поперечно-полосатой мышцы[править]

Основные сократимые элементы скелетных мышц - это экстрафузальные мышечные волокна. (Видоизмененные интрафузальные волокна – мышечные веретена - служат рецепторами растяжения.) Это гигантские многоядерные клетки, имеющие форму цилиндра с заострёнными концами. Длина их в разных мышцах обычно составляет от 1 до 40 мм, а толщина 50-100 мкм. Число ядер может достигать нескольких сотен; располагаются они неглубоко под плазматической мембраной, которая носит специальное название – сарколемма. Сарколемма имеет глубокие впячивания в цитоплазму – Т-трубочки. При сокращении мышца тратит очень много энергии, поэтому в цитоплазме находится большое количество митохондрий, обеспечивающих функционирование основных сократимых элементов мышцы – миофибрилл. Также в цитоплазме находится специализированный ЭПР (см. ниже).

В процессе эмбрионального развития мышечные волокна возникают путем слияния одноядерных клеток-предшественников — миобластов. Часть миобластов дифференцируются в мелкие, с малым количеством цитоплазмы клетки-спутницы. Эти клетки при повреждении мышцы могут начать делиться и сливаться, обеспечивая регенерацию мышечных волокон.

Две трети объёма мышечного волокна занимают миофибриллы, которые, в свою очередь, состоят из нескольких саркомеров. Поперек миофибрилл находятся перегородки, являющиеся границами саркомеров. Эти перегородки называются Z-дисками. Z-диски состоят из альфа-актинина (актин-связывающего белка), винкулина и интегрина. От Z-дисков отходят нити - тонкие филаменты, между ними расположены более толстые пучки - толстые филаменты. Места перекрывания тонких и толстых филаментов под световым микроскопом выглядят, как более темные полосы. Из-за этого мышца получила название поперечно-полосатой. Когда мышца сокращается, длина толстых и тонких филаментов не меняется. Мышца сокращается за счет того, что филаменты скользят по поверхности друг друга. Sarcomere.gif

Толстые филаменты состоят из белка миозина. Молекулы миозина симметричны, они состоят из двух половинок, каждая из которых имеет "головку" и "хвост". В толстом филаменте молекулы миозина находятся "хвостом" к "хвосту", а "головки" торчат по краям наружу. Толстые филаменты также соединяются с Z-дисками, но не напрямую, а с помощью специального белка титина. Тонкие филаменты состоят из нескольких белков: актина, тропонина и тропомиозина. Последние два образуют тропонин-тропомиозиновый комплекс. Актин - глобулярный белок, его молекулы имеют форму шариков. Из-за этого тонкий филамент напоминает две перекрученные цепочки бус, в которых каждый шарик– это молекула актина.

Саркоплазматический ретикулум (СР) - специализированный эндоплазматический ретикулум (ЭПР) мышечных клеток поперечнополосатых мышц. По структуре напоминает гладкий ЭПР. СР расположен в непосредственной близости от миофибрилл. Его структуры подразделяются на терминальные цистерны, которые охватывают миофибриллы полукольцом, и продольные трубочки, кторые соединяют соседние терминальные цистерны. К терминальным цистернам СР примыкают Т-трубочки - глубокие впячивания наружной мембраны. Число Т-трубочек примерно соответствует числу саркомеров.

СР служит депо ионов кальция. Концентрация ионов кальция в СР может достигать 10−3 моль, в то время как в цитозоле составляет порядка 10−7 моль (в состоянии покоя).

  • [2] Анимация Тонкий филамент скелетной мышцы (англ.)
  • [3]- Механизмы развития мышечной ткани (англ.)

Молекулярный механизм скольжения филаментов[править]

У миозина есть два состояния: с вытянутой "головкой" и с согнутой "головкой". Состояние зависит от того, какое вещество находится в его активном центре: АТФ, АДФ + фосфат, просто АДФ или вообще ничего. Если в активном центра находится АТФ или ничего нет, то "головка" будет изогнута. Если же там АДФ + фосфат или АДФ, головка будет вытянута. Связан миозин с актином или нет, тоже зависит от вещества, находящегося в активном центре миозина. Если в нем находится АТФ или АДФ + фосфат, то миозин не будет взаимодействовать с актином. Если там АДФ или ничего, то миозин связывается с актином.

Muscle Contraction.svg

Итак, если в активный центр миозина поступил АТФ, то "головка" белка изогнута, а с актином он не связан. Затем миозин расщепляет АТФ, с образованием АДФ + фосфат. Из-за этого "головка" миозина выпрямляется, но с актином белок еще не связан. После этого из активного центра уходит фосфат. При этом "головка" миозина по-прежнему выпрямлена, и миозин связывается с актином. Потом из активного центра уходит и АДФ. Поскольку в нем ничего не осталось, головка миозина изгибается, не отрываясь при этом от актина. В результате миозин будет подтягивать весь тонкий филамент. Наконец, активный центр миозина связывает еще одну молекулу АТФ, миозин отсоединяется от актина, весь цикл повторяется, и тонкий филамент подтягивается еще на один шаг.

Регуляция мышечного сокращения[править]

Нейромедиатор ацетилхолин воздействует на ацетилхолиновые рецепторы - гетероолигомерные комплексы, состоящие из 5 субъединиц (2α, β, γ, δ). Трансмембранная часть рецептора образует ионный канал, стенки которого сформированы сегментами всех пяти субъединиц. 2 молекулы ацетилхолина связываются с α-субъединицами рецептора, из-за чего рецептор меняет свою конформацию, что приводит к открытию Na+/K+-каналов примерно на 1 миллисекунду, ионы натрия входят в клетку, ионы калия выходят из клетки - происходит деполяризация наружной мембраны мышечной клетки. Потенциал действия мышцы распространяется по сарколемме и внутрь Т-трубочек. На мембране Т-трубочек открываются потенциалзависимые кальциевые ионные каналы L-типа (дигидропиридиновые рецепторы), связанные с кальциевыми ионными каналами СР (рианодиновыми рецепторами). В результате ионы кальция поступают из внеклеточной среды и СР в межфибриллярное пространство. Обратно ионы кальция попадают в СР с помощью мембранных кальциевых насосов — Ca2+-АТФазы. Ранее полагали, что между кальциевыми каналами и мембраной Т-трубочек имеется домен белка, который обеспечивает механическое сопряжение деполяризации с открыванием канала. Однако теперь преобладает точка зрения, согласно которой при деполяризации открываются кальциевые каналы на Т-трубочке, первые порции ионов кальция входят в клетку извне, связываются с цитоплазматическим доменом кальциевых ионных каналов СР и вызывают их открывание.

На поверхности тонкого филамента находится тропонин-тропомиозиновый комплекс, который состоит из соединенных белков тропонина и тропомиозина. Тропомиозин механически мешает миозину взаимодействовать с актином. Тропонин же при наличии Ca2+ связывается с этим ионом, изменяет свою конформацию и смещается в сторону. Вместе с ним сдвигается и тропомиозин, т.к. эти белки очень тесно связаны. Сместившись, тропомиозин больше не мешает связи между миозином с актином.

Когда концентрация ионов кальция в саркоплазме возрастет до 10 мкМ/л, эти ионы могут связаться с С-субъединицей тропонина. В результате тропонин-тропомиозиновый комплекс смещается из-за изменения конформации тропонина С, и на актиновых микрофиламентах открываются места связывания для "головок" миозина.

Нервно-мышечный синапс — эффекторное нервное окончание на скелетном мышечном волокне. Нервный отросток, проходя к сарколемме, утрачивает миелиновую оболочку и образует с ней систему складок, похожих на глубокие карманы. Пресинаптическая мембрана аксона и постсинаптическая мембрана мышечного волокна разделены синаптической щелью. В этой области мышечное волокно не имеет поперечной исчерченности, зато тут есть скопление митохондрий и ядер. Терминали аксонов содержат большое количество митохондрий и синаптических пузырьков с медиатором ацетилхолином. Некоторые вещества могут влиять на процесс выделения медиатора в синаптическую щель: карбахолин усиливает выделение ацетилхолина на уровне пресинаптических окончаний, а ботулотоксин препятствует высвобождению медиатора. На постсинаптической мембране находятся чувствительные к нему холинорецепторы, сложные белковые молекулы. На пресинаптической мембране их нет, поэтому обратная передача сигнала невозможна.

При деполяризации пресинаптической терминали открываются потенциал-чувствительные кальциевые каналы, ионы кальция входят в пресинаптическую терминаль и запускают механизм слияния синаптических пузырьков с мембраной. Открыты два механизма высвобождения нейромедиатора: с полным слиянием везикулы с плазмалеммой и так называемый «поцеловал и убежал» (англ. kiss-and-run), когда везикула соединяется с мембраной, и из неё в синаптическую щель выходят небольшие молекулы (ацетилхолин), а крупные остаются в везикуле. Второй механизм предположительно быстрее первого, с помощью него происходит синаптическая передача при высоком содержании ионов кальция в синаптической бляшке. Слияние везикул с мембраной обеспечивают белки группы v-SNARE. У белков этой группы SNARE-домен (около 60 аминокислот) отвечает за образование обратимой, но прочной четырёхспиральной сцепки. Такой метастабильный транс-SNARE комплекс включает синтаксин 1 и SNAP-25, находящиеся на клеточной мембране, и синаптобревин на поверхности доставляемой пресинаптической везикулы. Синтаксин и синаптобревин связаны с мембраной С-коцевым фрагментом и предоставляют по одной альфа-спирали в четырёхспиральную сцепку комплекса. SNAP-25 заякорен на мембране за счёт пальмитоильных ацильных цепей и обеспечивает две оставшиеся альфа-спирали. В результате медиатор выходит в синаптическую щель и присоединяется к белкам-рецепторам постсинаптической мембраны. Холинорецептор нервно-мышечных синапсов включает 5 белковых субъединиц (α, α, β, γ, δ), окружающих ионный (натриевый) канал и проходящих через всю толщу липидной мембраны. Две молекулы ацетилхолина взаимодействуют с двумя α-субъединицами, что приводит к открыванию ионного канала и деполяризации постсинаптической мембраны. Ацетилхолин действует недолго, потому что разрушается ацетилхолинэстеразой(В нервно-мышечных синапсах - ее т-версией). Она катализирует гидролиз нейромедиатора ацетилхолина до холина и остатка уксусной кислоты. т-ацетилхолинэстераза представляет из себя асимметричную белковую молекулу с "хвостом" из коллагеновой субъединицы, которая прикрепляет его к постсинаптической мембране.

Из-за снижения концентрации нейромедиатора закрываются Na+-каналы на мембране мышечной клетки, мембрана реполяризуется. После реполяризации мембраны ионы кальция выкачиваются из цитоплазмы в СР, и за время порядка 30 мс их концентрация возвращается к исходной. Этот процесс обеспечивается белком — кальциевым насосом (Са-АТФаза, Са2+-АТФаза), который в больших количествах содержится в мембране СР. Са-АТФаза активируется при связывании двух ионов кальция с цитоплазматической стороны [4], так что её активация происходит при повышении концентрации ионов кальция в цитоплазме.

[5] Анимация «Сокращение поперечнополосатой мышцы» (англ.текст)

Взаимодействие с немышечными миозинами и транспортная роль микрофиламентов[править]

"Шагание" молекулы миозина V по актиновому микрофиламенту

Амебоидное движение[править]

Роль микрофиламентов в поддержании формы клеток[править]