Оренбурзький державний аграрний університет

РЕФЕРАТ

з загальної біології

на тему:

КЛЕТКА ЯК АРХІТЕКТУРНЕ ДИВО

2002

План:

Живі нитки

1. Полімеризація і деполімеризація ниток - основа динаміки цитоскелету.

2. Система мікрофіламентів.

3. Система мікротрубочок.

4. Проміжні філаменти.

I. Цитоскелет, здатний відчувати і пам'ятати

1. Фібробласти повзуть до ланцюга

II. Клітка єдина, але ділена

1. Клітинні фрагменти самоорганізуються в міні-клітини.

2. Багатоядерні клітини-гіганти теж самоорганізуються.

3. Механізми самоорганізації цитоплазми пов'язані з цитоскелету.

4. Гігантські клітини та клітинні фрагменти в нашому організмі.

III. Натягу цитоскелету контролюють архітектуру клітини і тканин
1. Що таке натяг?

2. Натяг цитоскелету і зміна форми органів.

3. Натяг цитоскелету і корінні перебудови клітинних програм.

I. Живі нитки

Введення

Кожен знає, що наш організм є федерація безлічіокремих клітин. Проте ми часто недооцінюємо той простий факт, щокожна з цих клітин - складний індивідуум, що володіє власнимипринципами поведінки. Якщо не понить ці принципи, не можна розібратися увзаємодіях клітин в організмі. Вивчати поведінку окремих клітинкраще за все, користуючись методом клітинних культур, тобто виділяючи окреміклітини з організму і розміщуючи їх у посудину з живильним середовищем. Якщоспостерігати ці клітини під мікроскопом і фіксувати їх поведінку на кіно --або відеоплівці, то легко переконатися в тому, що кожна клітина в такийкультурі живе самостійним складним життям: прикріплюється до дна посудиниі повзає з цього дну (підкладці), змінюючи свою форму і напрямок руху,викидаючи і витягуючи відростки. Всередині клітин окремі бульбашки --органели весь час рухаються. Довго здавалося, що розібратися в механізмахцього складного поведінки клітин та їх частин майже неможливо.

Чудове досягнення останніх десятиліть - відкриття тадослідження системи структур, відповідальних за рухому архітектуруклітини, за її руху і форму. Цією системою в клітинах еукаріотів виявивсяцитоскелет - система білкових ниток, що наповнюють цитоплазму.

Полімеризація і деполімеризація ниток - основа динаміки цитоскелету

Цитоскелет складається з трьох основних типів ниток, що утворюють трисистеми: мікрофіламенти, мікротрубочки і проміжні філаменти. Кожентип ниток складається з одного - двох основних білків: мікрофіламенти - зактину, мікротрубочки - з тубуліну, проміжні філаменти - зспеціальних білків, різних в різних тканинах: кератин - в епітелії,десміна - у м'язах, віментіна - в тканинах внутрішнього середовища (сполучноїтканини, хрящі, кістки та ін), білків нейрофіламенти - у нейронах.

Зрозуміло, білки цитоскелету, як і будь-які білки клітини, закодованів ДНК і синтезуються на рибосомах. Клітка може змінювати набір синтезованихбілків. однак конструкція цитоскелету може швидко змінюватися навіть безсинтезу нових молекул. окремі молекули, мономери, розчинені вцитоплазмі клітини, здатні з'єднуватися, полімеризовані в ниткивідповідного типу. Нові мономери можуть приєднуватися до кінців нитки,подовжуючи її. Полімеризація оборотна: мономери можуть відділятися від кінцівнитки, що при цьому коротшає і може зникнути зовсім. У клітці всечас йде обмін між нитками і розчином мономерів в цитоплазмі. У багатьохклітинах приблизно половина молекул актину і тубуліну знаходиться у виглядімономерів в цитоплазмі і половина входить до складу Актинові ниток,мікрофіламентів або трубочок. Локальні умови полімеризації можуть частозмінюватися. Тому одна й та сама нитка може то коротшати, то подовжуватися.

Клітка регулює стабільність ниток цитоскелету, приєднуючи до нихспеціальні білки, які змінюють швидкість полімеризації і деполімеризаціїмономерів. Тому нитка, що складається з одного і того ж мономеру, можемати дуже різну тривалість життя. Наприклад, індивідуальнімікротрубочки, що входять до складу джгутика або вії, зазвичай живуть багатогодин і днів. Навпаки, кожна мікротрубочки мітотичного веретена,що складається з того ж тубуліну, живе в середньому лише кілька хвилин.
Мікротрубочки веретена весь час зростають і розпадаються, одні мікротрубочкизамінюються іншими. Тим часом саме веретено, тобто сукупністьмікротрубочок, що йдуть від полюсів до хромосомам і екватора клітини,зберігається протягом усього мітозу, лише поступово змінюючи свою тонкуструктуру. Вже в середині мітозу веретено складається з інших мікротрубочок,ніж на його початку. Приклад з веретеном ілюструє загальний принцип роботибільшості цітоскелетних систем, названий принципом динамічноїнестабільності: окремі нитки в системі можуть з'являтися і зникати врезультаті полімеризації - деполімеризації, і тому детальну будовусистеми постійно змінюється, але, незважаючи на це, загальний план організаціїсистеми може зберігатися.

Розглянемо тепер, як з'являється динамічна нестабільність в роботікожній з трьох цітоскелетних систем.

Система мікрофіламентів

Мономери актину полімеризуються в мікрофіламенти діаметром близько 6 --нанометрів (1 нм - 10 м). Мікро-філаменти полярні: їх кінцінеоднакові. Полімеризація мікрофіламенти на одному кінці, що зветься плюс --кінцем, йде легше, ніж на іншому, мінус - наприкінці. Полімеризація ідеполімеризація молекул регулюється різними актінсвязивающімі білками.
Деякі з таких білків приєднуються до одного кінця нитки, блокуючи наце наприкінці полімеризацію і деполімерізацию, тоді зростання і вкороченнямікрофіламенти йдуть лише на іншому кінці, не закритому блокуючим білком.
Деякі спеціальні білки з'єднують кілька мономерів в «зачаток» нитки,викликають нуклеація нового мікрофіламенти. Надалі такі нитки ростуть уодин бік, звичайно в сторону плюс - кінця. Спеціальні білки можутьприєднуватися до боків декількох мікрофіламентів. При цьому одні білкипов'язують мікрофіламенти в мережі, інші - в пучки.

Особливу роль серед актінсвязивающіх білків відіграють міозин, так як вониможуть рухатися по мікрофіламенти. В даний час відома структурапонад 80 варіантів молекул міозином. У всіх міозином молекул складається зтрьох частин: головки, шийки і хвоста. Головка здатна приєднуватися добоку Актинові мікрофіламенти, і якщо забезпечувати ці голівки постачаютьхімічну енергію речовиною - АТФ, то головка рухається вздовжмікрофіламенти, від плюс-до мінус-кінця, перестрибуючи з одного мономеру наінший. Цей процес - основа дуже багатьох рухів в клітці. Характер цихрухів багато в чому залежить від структури того міозину, який йогоздійснює, від того, які в цієї молекули голівки і хвости.

Комбінуючи стандартні Актинові мікрофіламенти з різнимиміозину та іншими актінсвязивающімі білками, клітина будує самірізні структури, що відрізняються з архітектури та рухливості.

Так у м'язі всі нитки строго паралельні один одному, то ковзання іскорочення однієї м'язи йде в одному напрямку і м'яз може розвинутивелике напруження. У більшості інших клітин, наприклад у клітинахсполучної тканини (фібробластах), клітинах епітелію, лейкоцитах та іншихклітинах, більша частина мікрофіламентів утворює іншу структуру --Актинові Кортекс, розташований під мембраною. Кортекс, подібноміофібрил, може скорочуватися за рахунок взаємодії Актиновімікрофіламентів з міозіновимі молекулами. Однак, на відміну від міофібрили,в Кортекс мікрофіламенти далеко не завжди паралельні один одному, частовони утворюють складні мережі. Тому стиснення Кортекс йде звичайно в декількохнапрямках. Крім того, в Кортекс, на відміну від міофібрили,мікрофіламенти дуже динамічні; Кортекс весь час оновлюється іперебудовується шляхом полімеризації - деполімеризації ниток. Якщо середнятривалість життя мікрофіламенти в міофібрил більше 7 днів, то вКортекс лейкоцити - всього лише 15 с.

Основним і дуже важливим типом перебудов Кортекс єпсевдоподіальние реакції: викидання, прикріплення і скороченняпсевдоподии. Розглянемо докладніше ці реакції. При викидання псевдоподиина поверхні клітини дуже швидко, протягом декількох хвилин або навітьсекунд, утворюється виріст цитоплазми. Такий виріст може мати різнуформу. Внутрішня будова всіх типів псевдоподии просто: вони часто немістять жодних структур, окрім кортикальних мікрофіламентів. При цьому вламеллоподіях ці мікрофіламенти утворюють густу уплощенная мережу, а вбульбашки - менш упорядкований шар під мембраною.

Форма випинання може визначатися тим, з якими білками зв'яжутьсязнову виниклі мікрофіламенти

Це підтверджується нещодавніми дослідами Штосселя. Він виявив, щоклітини однієї з ліній клітин в культурі вип'ячують на поверхні лишекулясті бульбашки, але не ламеллоподіі. виявилося, що в геномі цих клітинбув відсутній ген, що кодує білок, який зв'язує Актиновімікрофіламени в мережу. Спеціальними методами генної інженерії дослідникиввели в клітини відсутній ген, і тоді клітини стали робити не бульбашки, асплощені ламелоподіі. Таким чином, поява в Актинові Кортексодного додаткового білка направлено змінило архітектуру псевдоподии.

Поверхня кінця викинутої псевдоподии може прикріпитися допідкладці, по якій повзе клітина. При цьому утворюється місце міцногоконтакту, де певні білки мембрани зовнішнім кінцем молекулиз'єднуються з білками, прикріпленими до підкладки; внутрішнім кінцем та жмолекула з'єднується, через ряд проміжних ланок, з Актиновімікрофіламентів псевдоподии.

Система мікротрубочок

Мікротрубочки представляють циліндри діаметром 25 нанометрів зпорожниною всередині. Їх стінка утворена мономерами тубуліну. Мікротрубочки,подібно Актинові мікрофіламентів, полярні: полімеризація з мономерів йделегше на плюс - кінці, ніж на мінус - наприкінці. Система мікротрубочок, ввідміну від Актинові Кортекс, в більшості клітин строго централізована:в той час як у Кортекс може працювати одночасно безліч центрівполімеризації, з яких ростуть нові мікрофіламенти, мікротрубочки частомають лише 1 - 2 центри полімеризації на клітину. Практично всімікротрубочки в клітинах ростуть з цих центрів плюс - кінцями до периферії,і тому системи мікротрубочок часто мають вигляд зірок. Найбільшпоширені варіанти ЦОМТ - центросома, з яких росте мітотичнийверетено і «зірки» мікротрубочок в багатьох клітинах, а також базальнітеля, з яких ростуть мікротрубочки джгутиків і вій. Чудовевластивість цих центрів, що вони здатні репродукуватися: новий центрвиростає поруч зі старим і потім «материнський» і дочірній центрирозходяться. Довго шукали в центрах ДНК, але не знайшли. Подвоєння центрів,мабуть, має зовсім особливий механізм, відмінний від подвоєння ДНК, але природайого ще невідома.

Як вже говорилося, мікротрубочки різних структур сильно розрізняютьсяпо стабільності. Якщо инъецировать в клітини розчин тубуліну, міченогофлуоресцентної фарбою, то мікротрубочки стають пофарбованими, і вфлуоресцентне мікроскоп можна безпосередньо спостерігати, як окремімікротрубочки швидко ростуть від центру до периферії, потім швидкокоротшають, іноді зовсім зникають, знову ростуть і т.д. Ця зміна фазросту і укорочення - характерна риса систем нестабільних мікротрубочок. Убагатьох стабільних мікротрубочок, наприклад, в джгутика зберігаєтьсяпостійна довжина. Більшу чи меншу стабільність надають мікротрубочкамиособливі білки, що зв'язуються з їх зовнішньої стінкою і зміцнюють її.

Серед білків, прикріплених до мікротрубочки, дуже важливі моторнімолекули - дінеіни і кінезин. Ці молекули одним кінцем прикріплюютьсязбоку до мікротрубочки і можуть рухатися по ній, якщо доставляти їм енергіюу вигляді АТФ. При цьому більшість варіантів кінезин рухається по трубочці доїї плюс - кінця, а всі дінеіни - до мінус - кінця. Іншим полюсом молекуладінеіна або кінезин може прикріпитися до мембран органел або доіншим мікротрубочками. У результаті ці молекулярні мотори можуть здійснюватибагато різних типів рухів.

Проміжні філаменти

Це третій основний компонент цитоскелету, названий так тому, щойого нитки по діаметру (8 - 10 нанометрів) менше, ніж мікротрубочки, алебільше, ніж мікрофіламенти. Ці нитки численні в цитоплазмі більшостіклітин; мабуть, вони ростуть з багатьох центрів, але це питання щеостаточно не вирішене. Проміжні філаменти - дуже міцні структури:різними екстрагуються сольовими розчинами можна видалити з клітки всі їїкомпоненти, а мережа проміжних філаментів зберігається, поки ми незастосуємо надсильні денатуруючих агенти, наприклад концентрованийрозчин сечовини. Інша відмінність цих філаментів від інших цітоскелетнихниток: їх мономери легко полімеризуються, але з великими труднощамидеполімеризує, тому в клітині вільних розчинених мономерів майженемає. Втім, коли це необхідно, клітина легко перебудовує свою системупроміжних філаментів. наприклад, при мітозі все філаменти розпадаються нафрагменти, очевидно, в результаті того, що спеціальний ферментприєднує до їх мономеру фосфатні групи. Після мітозу філаменти швидковідновлюються.

Загадкою залишається питання про те, чому в різних тканинах ціморфологічно подібні філаменти побудовані з різних білків. Особливовелика різноманітність білків проміжних філаментів епітеліальних тканин,кератину в кожній клітині. Виділено вже більше 30 кератину, комбінуютьсяпо два типу в кожній клітині. різні набори кератином є в різнихтипах епітелію і навіть у різних ділянках одного епітелію. Наприклад, у
Епітелії шкіри, що покриває долоні й п'яти людини, виявлений особливийкератин (№ 9), якого немає в епітелії інших ділянок шкіри або будь-якихінших тканин. Чи не однакові за білкового складу і проміжні філаменти
(нейрофібрілли) різних типів нервових клітин.

Питання про функції всіх цих філаментів зовсім неясний. Найбільшймовірна гіпотеза: проміжні філаменти зміцнюють клітини і тканинимеханічно, роблять їх більш міцними. Згадаймо, що шкіра п'яти і долонівипробовує різну навантаження і, можливо, що молекулярні відмінності кератиномроблять філаменти краще пристосованими до різних навантажень.

Сильним аргументом на користь механічної ролі проміжнихфіламентів є нові дані про те, що основою деякихспадкових шкірних хвороб, при яких різко знижується міцністькожного епітелію, є мутації генів певних кератину. УЗокрема, при мутаціях згаданого вище кератину № 9, специфічного дляп'яти і долоні, порушується міцність шкіри саме в цих ділянках.

II. Цитоскелет, здатний відчувати і пам'ятати

Фібробласти повзуть до мети

Всі клітки повзуть, утворюючи на передньому краї динамічні вирости - псевдоподии різної форми. У псевдоподии під мембраною клітини полімеризуються Актинові мікрофіламенти, які зв'язуються з міозином та іншими білками. Псевдоподии можуть прикріплятися до поверхні підкладки і, скорочуючись, тягнуть всю клітину вперед. Такий основний механізм руху.

Очевидно, напрямок руху визначається тим, на якому краю клітини будуть утворюватися, прикріплятися і скорочуватися псевдоподии.

Що ж визначає місця утворення псевдоподии? Для того щоб це зрозуміти, розглянемо руху одній з клітин, найчастіше використовуються в експериментах, клітин сполучної тканини - фібробластів. Вони поляризована, тобто утворюють псевдоподии лише на одному або двох полюсах. Ці клітини можуть повзти направлено в бік одного з Актинові полюсів. Їх бічні краї неактивні.

Завдяки динаміці цитоскелету фібробласт може змінювати форму і напрямок рухів у відповідь на зміни навколишнього зовнішнього світу: наприклад, у відповідь на зміни живильного середовища і поверхні підкладки.

Орієнтування цих клітин починається з того, що клітина отримує направлений сигнал із зовнішнього світу. Це явище називається позитивним хіміотаксісом. Речовинами, що викликають такий хіміотаксіс у фібробластів, є деякі спеціальні білки, так звані фактори росту. Хіміотаксіческіе речовини зв'язуються із спеціальними білками - рецепторами в зовнішній мембрані клітини і активізують їх. Така активація через якісь ще неясно?? е проміжні хімічні реакції викликає полімеризацію актину під відповідним місцем мембрани і випинання псевдоподии. Якщо концентрація що активують речовин з різних боків клітини різна, то на одному кінці клітини буде утворюватися і прикріплятися до підкладки псевдоподии більше, ніж на іншому. Контакт з іншого клітиною може діяти протилежно хіміотаксісу: якщо якусь ділянку активного краю фібробласта стосується поверхні іншої клітини, то освіта псевдоподии в цьому місці краю негайно припиняється; відбувається «контактне гальмування» або «контактний параліч» цієї ділянки. < p> Механізми такого паралічу ще неясні, але його біологічний зміст очевидний: завдяки паралічу клітина не заповзає на іншу клітину, але торкнувшись її, повертає туди, де є вільна поверхню підкладки. Рухаючись, клітини дотримуються взаємну ввічливість. Третій зовнішній фактор, який змінює розподіл псевдоподии - різна адгезивність

( «клейкість») різних ділянок поверхні підкладки. Наприклад, посадимо клітку не на широке плоске скло, а на вузьке скляний циліндр, діаметр якого (30 мікрометрів) лише трохи більше діаметра самої клітини. Тоді фібробласт починає викидати псевдоподии на всі боки. Але лише ті псевдоподии, які викинуті вздовж, а не впоперек циліндра, зможуть торкнутися вільної поверхні та прикріпитися до неї; псевдоподии, викинуті поперек скла, такої підкладки не знайдуть, і клітка втягне їх назад.

Таким чином , під впливом зовнішніх факторів у клітини виникає первинна поляризація освіти і прикріплення псевдоподии. Однак така поляризація часто дуже нестійка. Щоб направлено рухатися, клітина повинна запам'ятати і стабілізувати ефект зовнішніх факторів. Ця стабілізація виражається в тому, що клітина зовсім перестає викидати псевдоподии в тих напрямках, де їх прикріплення було менш вдало, і починає їх викидати більш ефективно тільки в найбільш вдалих напрямках, наприклад, уздовж циліндра або ближче до джерела хіміотаксіческого речовини.

III. Клітка єдина, але ділена

Клітинні фрагменти

самоорганізуються в міні-клітини

Впорядковане взаємне розташування клітинних структур створюється і підтримується самої живої цитоплазмою, здатністю цієї цитоплазми до самоорганізації . Дійсно, навіть малі фрагменти цитоплазми, відділені від решти клітини, здатні відновлювати подібне взаємне розташування збережених структур. Відріжемо від периферії культуральній клітини під мікроскопом мікроножом невеликий шматочок цитоплазми, що становить лише 3 - 5% клітинної маси. Через короткий час такий без'ядерний фрагмент самоорганізується: в центральній його частині ендоплазму, а на периферії формуються тонкі ламелли, прикріплені по краях до підкладки фокальними адгезії. По краю ламелли часто виникають псевдоподии, і за їх допомогою фрагмент може повзати по підкладці. Старий центр організації мікротрубочок - центросома зазвичай не потрапляє під фрагмент, і що збереглися в ньому периферичні шматки мікротрубочок розташовані спочатку майже паралельно один одному, проте незабаром ці мікротрубочки реорганізуються в єдину радіальну систему, у них виникає подібність центру, з якого мікротрубочки розходяться у всі сторони до краях фрагмента. Зрозуміло, такі фрагменти на відміну від цілих клітин гинуть зазвичай через 1-2 доби: адже вони не мають ядра і тому неможливий синтез нових інформаційних РНК, отже, швидко гальмується синтез білків, необхідних для росту і просто заміщення які руйнуються з часом білкових молекул. Проте здатність фрагментів до самоорганізації в міні-клітини і рухів протягом відведеного їм короткого терміну життя чудова.

Багатоядерні клітини-гіганти теж самоорганізуються

Фантазія Дж. Свіфта створила ліліпутів - людей , нормально організованих незважаючи на мініатюрні розміри. Ясно, що потім майже неминуче повинен був з'явитися розповідь про велетнів, нормально організованих не дивлячись на різко збільшені розміри. Схожим чином логіка вимагає, щоб за розповіддю про самоорганізацію клітинних фрагментів слідував розповідь про протилежних системах - гігантських клітинах, розміри яких різко перевищують нормальні.

Дійсно, такі клітини існують і самоорганізуються.

Багатоядерні гіганти в культурі можна отримати двома способами. Перший спосіб - злити кілька звичайних одноядерних клітин в одну, застосувавши спеціальні агенти, наприклад поліетиленгліколь або білки деяких вірусів. Ці агенти здатні перетворити дві контактують один з одним мембрани сусідніх клітин в одну. в результаті таких повторних злиттів виходить велика багатоядерні клітини. Другий спосіб отримання гігантів

- блокада цітокінеза, останній стадії клітинного поділу: поділу цитоплазми двох дочірніх клітин після розбіжності хромосом. Як відомо, цітокінез - результат утворення під мембраною клітини між двома дочірніми ядрами скоротливості кільця з Актинові мікрофіламентів і міозінових молекул, таке кільце поступово стискається, розділяючи дві клітини. Функцію скоротливості кільця і поділ клітин можна блокувати цітохалазіном - речовиною, що специфічно порушує формування мікрофіламентів. Цітохалазін порушує тільки цітокінез, але не попередні стадії розподілу, тому в середовищі з цітохалазіном клітина стає двоядерному. Якщо блокування цітохалазіном повторювати в декількох циклах поділу, то можна одержати клітини з 4, 8 і великим числом ядер.

Гігантські клітини, отримані обома способами, можуть жити в культурі довго - багато днів і тижнів. Важливо те, що вже незабаром після утворення клітини реорганізуються в єдину структуру. Найчастіше такі клітини мають дисковидні форму, але іноді можуть витягатися і рухатися. Їх ядра збираються в єдину групу, що займає центр клітини, а навколо них скупчуються везикулярне органели, що утворюють ендоплазму. Навколо ендоплазми розташовується тонка ламелла. Як і в одноядерних клітинах, на краю гігантів постійно утворюються і скорочуються псевдоподии, а на нижній поверхні ламелли поблизу краю формуються фокальні адгезії, що прикріплюються клітку до дна культури.

Таким чином, у двох різних системах, у невеликих фрагментах , відокремлених від клітини, і багатоядерних гігантів, отриманих злиттям декількох клітин або блокадою їх розподілу, цитоплазма здатна самоорганізуватися в структуру, принципово подібну до структури нормальної клітини.

Механізми самоорганізації цитоплазми пов'язані з цитоскелету

Які механізми дивовижної здатності клітинної цитоплазми до самоорганізації? Точно відповісти на це питання ми поки не можемо, але деякі міркування можуть бути висловлені. Самоорганізація відбувається навіть в без'ядерних клітинних фрагментах, отже, ядро для неї не потрібно. Найважливішою частиною самоорганізації є переміщення цитоплазматичних органел, що утворюють ендоплазму в центральній частині фрагмента або гіганта, туди ж в гігантських клітинах переміщуються і ядра.

Природно припустити, що за ці рухи відповідальні ті ж структури, що і за всі інші руху в клітці: фібрили цитоскелету з прикріпленими до них і органел моторними молекулами.

Один з конкретних механізмів такого роду пов'язаний з мікротрубочками. У цілої клітці мікротрубочки ростуть радіально з центросома, розташованої біля ядра, при цьому кожна мікротрубочки має два кінці: центральний мінус-кінець і периферичний плюс-кінець. Хоча в відрізаному фрагменті центру немає, мікротрубочки в ньому перерозподіляються, утворюючи радіальну систему з плюс-кінцями в центрі фрагмента і мінус-кінцями на периферії.

Механізм цього перерозподілу був нещодавно проаналізовано Радіонова і

Борис. Ці дослідники приготували фрагменти з пігментних клітин

(меланоцитів) шкіри чорних акваріумних рибок. Справа в тому, що ці клітини містять в цитоплазмі безліч чорних пігментних гранул, за рухами яких легко спостерігати в культурі. У фрагментах цитоплазми таких клітин пігментні гранули при самоорганізації накопичувалися в центрі, а мікротрубочки розходились радіально з центру на периферію. У нормальній клітині різні органели, в тому числі пігментні гранули, рухаються за допомогою спеціальних пов'язаних з мікротрубочками моторних молекул, дінеінов і кінезин. При цьому дінеіни рухають органели до мінус-кінця мікротрубочки, а кінезин - до плюс-кінців. Виявилося, що застосувавши спеціальний інгібітор пригнічує дію дінеіна, можна придушити самоорганізацію мікротрубочок і гранул у фрагменті. Інгібітори кінезин виявилися неефективними. Таким чином, переміщення гранул і мінус-решт мікротрубочок в центр фрагмента виявилося результатом їх переміщень, які здійснюються за допомогою дінеіна. Ця робота Родіонова і

Борис довела реальне існування принаймні одного залежного від цитоскелету механізму самоорганізації. Однак відомо, що елементи самоорганізації у фрагментах можуть зберігатися навіть після деполімеризації мікротрубочок. Тому дуже ймовірно, що існують і інші механізми, залежні від інших цітосклетних структур - мікрофіламентів.

Під зовнішньої мембраною кожної клітини розташований скоротливості кортикальний шар Актинові мікрофіламентів, у клітин, прикріплених до дна культури, цей шар розтягнутий. Можна порівняти Кортекс з розтягнутою гумовою стрічкою, яка прагне скоротитися до свого центру. Очевидно, якщо розрізати цю стрічку на фрагменти, то кожен з фрагментів буде скорочуватися до свого нового центру. Навпаки, якщо кілька шматків стрічки склеїти один з одним, то об'єднана стрічка буде скорочуватися у напрямку до нового єдиному центру. Подібним чином, Кортекс клітин і фрагментів у всіх ситуаціях натягнутий щодо центру. Натяг буде орієнтувати мікрофіламенти Кортекс: уявіть собі сітку, яку хтось розтягнув, всі нитки в ній стануть орієнтуватися щодо напрямку натягу. Орієнтування мікрофіламентів може направляти залежні від цих мікрофіламентів руху органел до центру. Цей досить простий механізм поки залишається гіпотетичним.

Гігантські клітини та клітинні фрагменти в нашому організмі

Було б дивно, якби чудова здатність цитоплазми до самоорганізації не використовувалася клітинами в організмі для різних фізіологічних цілей . І дійсно, у нашому організмі багато клітини здатні виробляти самостійно ті ж реорганізації, які ми викликаємо штучно в культурі: з'єднуватися один з одним у гігантські багатоядерні клітини і, навпаки, відокремлювати від себе без'ядерні цитоплазматичні фрагменти, які здатні самоорганізовуватися і виконувати важливі фізіологічні функції.

Прикладами багатоядерних клітин можуть служити міофібрили м'язів, що утворюються шляхом злиття одноядерних міобластов. Ймовірно, тут завдяки гігантським розмірами прискорюється і синхронізується реакція м'язової клітини на нервовий сигнал, що викликає її скорочення: такий сигнал поширюється дуже швидко від нервового закінчення (синапсу) по всій єдиної мембрані, навколишнього багатоядерні клітини.

Ще один тип багатоядерних клітин - гігантські клітини чужорідних тіл.

Такі клітини утворюються під шкірою або в інших тканинах з одноядерних клітин, макрофагів, прилиплих до поверхні чужорідного тіла, що застряг в цих тканинах, наприклад кулі або голки. Макрофаги безуспішно намагаються фагоцитованими чужорідне тіло. Сенс злиття в гіганти полягає, мабуть, в тому, щоб збільшити фагоцитуючих поверхню. Ймовірно, за схожими причинами в кісткової тканини стають багатоядерними особливі клітки

(остеокласти), які руйнують зайве кісткове речовина.

Тромбоцити крові - найбільш цікавий і важливий приклад освіти відокремлених від клітин цитоплазматичних фрагментів , здатних до самоорганізації. Тромбоцити грають центральну роль в згортання крові, утворення тромбів - згустків, що закривають просвіт розірвався кровоносної судини і зупиняють кровотеча з цієї ж ємності.

Патологічне тромбоутворення - основа найпоширеніших серцево-судинних захворювань, особливо інфарктів та інсультів.

Користувачі тромбоцити, що циркулюють у крові людини, є невеликими без'ядерні освіти, покриті мембраною і містять в цитоплазмі багато неполімерізованного актину, а також гранул різного складу. При дії хімічних речовин, що зв'язуються з рецепторами на зовнішній стороні їх мембраною, наприклад колагену, тромбоцити активізуються. Така активація - початковий етап згортання крові. На поверхні активізованою тромбоцита випинаються численні псевдоподии. У тромбоцитів, також як і у великих ядерних клітин, молекулярної основою освіти псевдоподии є полімеризація Актинові мікрофіламентів з розчинного актину. До мікрофіламентів приєднуються міозин та інші молекули. У результаті псевдоподии, як і у великих клітин, стають скоротливості, здатними прикріплятися до різних поверхонь, наприклад колагенових волокон. Тромбоцит распластивается на таких поверхнях і може навіть переміщатися по них на невеликі відстані. Гранули, зібрані в центральній частині цитоплазми активованого тромбоцита, зливаються з зовнішньої мембраною і секретують свій вміст в середу (кров або тканинну рідину). При цьому активні речовини, що вийшли з таких гранул, діють на білки крові, стимулюючи подальше тромбоутворення. Через кілька годин активоване тромбоцит, подібно клітинним фрагментів в культурі, гине.

«Батьками» тромбоцитів, що циркулюють у крові, є особливі багатоядерні клітини кісткового мозку - мегакаріоцити. На поверхні мегакаріоцити утворюються довгі відростки, від яких відщеплюються цитоплазматичні фрагменти, що потрапляють потім у кров. Ми ще не знаємо точного механізму відділення та упаковки таких фрагментів.

Таким чином, тромбоцити можна розглядати як фрагменти цитоплазми, природно утворюються з структур протилежного типу - гігантських клітин. Ці фрагменти можуть довгостроково зберігатися в крові в упакованому вигляді, але при необхідності можуть одноразово активуватися і самоорганізуватися, а потім, виконавши свою функцію, активувавши згортання, гинути.

Здатність до самоорганізації - найважливіша властивість цитоплазми. Ця здатність є основою розподілу компонентів в кожній клітині, а також використовується в організмі для спеціальних цілей - освіти багатоядерних клітин і природно відокремлюється фрагментів, таких, як тромбоцити. Можливо, що механізм самоорганізації використовується і в тих випадках, коли в клітці виділяються (сегрегуються) особливі ділянки, здатні до відносно самостійним рухів, але залишаються пов'язаними з іншою клітиною.

IV. Натягу цитоскелету контролюють архітектуру клітини і тканин

Що таке натяг

З давніх-давен відомо, що м'язи створюють механічне натягнення. Якщо точка прикріплення м'яза рухома, то це натяг веде до скорочення м'язи - таке натяг називають ізотонічним. Якщо ця точка нерухома через опір матеріалу, до якого цей м'яз прикріплена, то натяг не приводить до скорочення м'язи - таке натяг називають ізометричним. Приклад ізометричного натягу - натяг, яка створюється в м'язах руки, що тягне ручку міцно замкнених дверей.

Актин і міозин є не тільки в м'язових клітинах, але і в більшості інших клітин еукаріотів. Найчастіше тут ці нитки лабільні - вони постійно розбираються і збираються. Яка функція таких структур, які наповнюють клітку? Давно відомо, що скорочення актин-міозінових структур - сила, яка рухає повзаючих клітку. Із зовнішнього боку така клітина прикріплюється до неклітинних підкладці за допомогою особливої адгезивної структури - фокальної контакту. На внутрішній стороні цитоплазматичної контакт з'єднується з пучком Актинові мікрофіламентів. Скорочуючи, цей пучок тягне тіло клітини вперед.

Інший приклад скорочення актин-міозінового пучка - цітокінез, остання стадія клітинного поділу, коли такий пучок утворюється між двома наборами хромосом. Стискаючись, таке скоротливості кільце розділяє дві дочірні клітини.

Коли клітина в культу?? е розпластаний, тобто міцно сполучена контактами з усіх сторін з дном культури - підкладкою, то з'єднані з фокальними контактами пучки Актинові мікрофіламентів скоротитися не можуть, їх натяг стає ізометричним. Така клітина весь час знаходиться в напруженому, розтягнутому стані.

В організмі більшість клітин, за винятком клітин, що плавають в крові або лімфі, прикріплений один до одного і до фібрила неклітинних матриксу. Тому в таких клітинах, так само як і в клітинах культури, створюється ізометричне натяг.

Натяг цитоскелету

і зміни форми органів

Натяг актин-міозину визначає організацію цитоскелету і контактів самої клітини і навколишнього їх матриксу в культурі. Природно припустити, що натягу клітин відіграють важливу роль і в організмі, особливо в процесах морфогенезу, тобто в освіті та регенерації органів та інших структур певної форми. Простий приклад морфогенезу

- зовнішньої загоєння рани. У таку рану вже через кілька днів проникають з навколишніх тканин фібробласти і судини, утворюючи так звану грануляційна тканину. Фібробласти виробляють в рані фібронектіновий і колагеновий матрикс, прикріплюються до нього і починають синтезувати гладком'язових форму актин. Розвиваючи натяг, ці міофібробласти стискають матрикс і всю рану, яка пізніше повністю загоюється в результаті розмноження епітелій шкіри та інших місцевих клітин.

Стиснення міофібробластів рани - лише один з випадків дії клітинних натягу в організмі. Можна думати, що натягу цитоскелету відіграють критичну роль у розвитку різних тканин і органів: утворення складок і виростив епітеліальних пластів, зміни форми м'язів, кісток і т.д. За останні роки з'явилося багато робіт, де дослідники намагаються пояснити натягу клітин процеси розвитку. Зокрема, розроблена детальна теорія (або модель, як нині модно говорити), яка пояснює натягу цитоскелет нервових клітин освіта найскладнішого за формою з існуючих в природі органів - нашого мозку, наприклад утворення складок (звивин) кори головного мозку. На жаль, всі ці моделі показують лише можливі шляхи розвитку органів, показують тільки, де треба шукати роль натягу в розвитку, якими мали б бути натягу клітин в органах розвиваються, для того, щоб надати цим органам властиву їм форму. Залишається головне - показати, що такі натягу цитоскелету дійсно в клітинам цих органів реально існують і грають постуліруемую теоріями роль. Ця складна робота тільки починається.

Натяг цитоскелету і корінні

перебудови клітинних програм

Як ми знаємо, клітини в організмі і культурі здатні під впливом певних сигналів переключатися з однієї програми роботи на іншу: клітина може розпочати або припинити розмноження, перетворитися з менш спеціалізовану в більш спеціалізовану (диференціюватися) і, нарешті, включити програму самогубства (апоптозу).

Пр