Цитоскелет — це клітинний каркас або скелет, що знаходиться в цитоплазмі живої клітини.

Опис Він присутній у всіх клітинах, як еукаріот (тварин, рослин, грибів та найпростіших), так і прокаріот. Це динамічна структура, що постійно змінюється, до функцій якої входить підтримка і адаптація форми клітини до зовнішніх дій, екзо- і ендоцитоз, забезпечення руху клітини як цілого, активний внутрішньоклітинний транспорт і клітинне ділення. Цитоскелет утворений білками. У цитоскелеті виділяють декілька основних систем, званих або за основними структурними елементами, помітними при електронно-мікроскопічних дослідженнях (мікрофіламенти, проміжні філаменти, мікротрубочки), або за основними білками, що входять в їхній склад (актин-міозинова система, кератинова система, тубулін-дінеїнова система).

Загальний план будови філаментів цитоскелету

Елементи цитоскелету є полімерами, мономерами яких виступають певні білкові субодиниці. На відміну від інших біополімерів, таких як самі білки чи нуклеїнові кислоти, структурні одиниці цитоскелету сполучені одне з одним слабкими нековалентними зв’язками. Полімерна будова вигідна через те, що дає змогу клітині швидко перегруповувати цитоскелет: білкові мономери маленькі, і вони можуть швидко дисоціювати у цитоплазмі, на відміну від довгих філаментів.

Проміжні філаменти складаються із субодиниць, які самі є видовженими фібрилярними білками, в той час як мономерами мікрофіламентів та мікротрубочок є глобулярні білки актин та тубулін відповідно. Білки цитоскелету можуть самоорганізовуватись у довгі філаменти, утворюючи різні типи латеральних контактів та контактів типу «хвіст-голова». У живій клітині цей процес регулюється величезною кількістю допоміжних білків.

Елементи цитоскелету можуть бути одночасно динамічними і дуже міцними через те, що вони складаються із кількох протофіламентів — довгих лінійних ниток, побудованих із мономерів, розміщених в один ряд. Зазвичай протофіламенти спірально закручуються один навколо одного. Мікротрубочки складаються із тринадцяти протофіламентів розміщених по колу, мікрофіламенти — із двох спірально закручених, а проміжні філаменти — із восьми. Внаслідок такої будови дисоціація мономера із кінця фібрили відбувається значно легше ніж розрив посередині, оскільки для дисоціації необхідне руйнування тільки одного поздовжнього зв'язка і одного-двох латеральних, а для розриву — великої кількості поздовжніх зв'язків. Тому перебудова елементів цитоскелету відбувається відносно легко, і в той же час вони можуть легко протистояти тепловим пошкодженням і витримувати різні механічні впливи.

Елементи цитоскелету еукаріот Основними функціями цитоскелету є підтримання форми клітини та забезпечення переміщення як клітини в цілому, так і внутрішньоклітинних компонентів всередині клітини. Цитоскелет складається з трьох основних компонентів: мікрофіламентів, мікротрубочок та проміжних філаментів. Це супрамолекулярні, протяжні полімерні структури, що складаються з білків одного типу. Порівняльна характеристика основних елементів цитоскелету МікротрубочкиАктинові філаментиПроміжні філаментиФотографіяСхема будовиСтруктураТрубка із 13 протофіламентів білка тубулінуДва закручених одне навколо одного протофіламенти актинуКілька протофіламентів, що складаються із фібрилярних білків об’єднані у канатоподібну структуруДіаметр25нм із просвітом у 15 нм7 нм8-12нмБілкові субодиниціТубулін – димер, що складається із α- та β-тубулінуАктинРізні білки в залежності від типу клітин і функції (наприклад кератин, білки ламіни, віментин тощо)Нуклеотиди потрібні для полімеризаціїГТФАТФНе потрібніОсновні функціїПідтримання форми клітини Утворення війок та джгутиків, що забезпечують локомоцію клітини Розходження хромосом під час клітинного поділу Транспорт органелПідтримання клітинної форми Зміни у формі клітин Скорочення м'язів Рух цитоплазми Локомоція клітини за допомогою псевдоподій Забезпечення цитокінезуПідтримання форми клітини Закріплення ядра та деяких інших органел у певному положенні Утворення ядерної ламіни Підтримка аксонів у нейронах

Динаміка елементів цитоскелету

Елементи цитоскелету є динамічними структурами: їх можна порівняти із ланцюжком мурашок, що ідуть до місця збору їжі. Хоча сам ланцюжок може існувати годинами, кожна мурашка в ньому перебуває у постійному русі. Так само і елементи цитоскелету постійно обмінюються субодиницями із цитоплазмою, де мономери перебувають у розчинній формі. Відносною стабільністю характеризуються тільки проміжні філаменти, тому інформація про динаміку стосується більшою мірою мікротрубочок та актинових філаментів.

Прикладом динамічності та гнучкості цитоскелету клітини може бути перегрупування мікротрубочок, які в інтерфазі утворюють структуру схожу на зірку, промені якої відходять від центру клітини, а перед поділом здатні швидко утворити веретено поділу. В той же час деякі структури, побудовані із елементів цитоскелету можуть існувати дуже довгий час: наприклад на поверхні волоскових клітин внутрішнього вуха є вирости — стереоцілі, що підтримуються пучками мікрофіламентів. Ці пучки існують впродовж всього життя тварини, хоча їхні субодиниці постійно оновлюються

Швидкість приєднання та дисоціації субодиниць описується константами kon (вимірюється в М−1×с−1)та koff (вимірюється у с−1) відповідно. При чому швидкість приєднання залежить не тільки від kon, а й від концентрації вільних мономерів у цитоплазмі, а швидкість дисоціації є сталою. Коли філамент росте, то кількість вільних мономерів у цитоплазмі падає, допоки не досягне певного рівня — критичної концентрації (CC), за якої швидкість приєднання буде рівна швидкості дисоціації: CC×kon = koff, звідки:

Нуклеація

Мономери елементів цитоскелету можуть спонтанно утворювати комплекси у розчині. Проте, такі олігомери зазвичай нестабільні, через те, що кожна субодиниця в них утворює зв'язки тільки із невеликою кількістю інших. Цих взаємодій часто недостатньо, щоб утримати комплекс, і він переважно швидко розпадається. Для утворення довгих філаментів необхідна наявність початкового агрегату із такої кількості мономерів, якої буде достатньо для стабілізації, такий агрегат називається ядром, а процес його утворення — нуклеацією. Для актинових філаментів, ядро повинно складатись мінімум із трьох субодиниць, тоді як утворення мікротрубочок починається із складнішого комплексу (імовірно, із 13 молекул тубуліну, що утворюють кільце).

Нуклеація зазвичай є лімітуючим етапом в утворенні довгих філаментів у розчині вільних мономерів. Після ініціації полімеризації у такому розчині спостерігається лаг-фаза, під час якої не спостерігається утворення філаментів. Її існування пояснюється тим, що нестабільність невеликих олігомерів створює кінетичний бар'єр у полімеризації, і триває вона доти, доки не відбудеться процес нуклеації. Якщо до розчину мономерів додати готові комплекси субодиниць (наприклад такі, що складаються із з'єднаних ковалентно мономерів), тоді лаг-фази спостерігатись не буде.

Потреба у нуклеації використовується клітиною для регулювання утворення нових елементів цитоскелету. Існують спеціальні білки, які можуть каталізувати нуклеацію у специфічному місці, де необхідне утворення мікротрубочок або актинових філаментів. Полярність мікротрубочок та мікрофіламентів На відміну від мономерів проміжних філаментів, актин та тубулін мають два структурно та функціонально різні кінці. У складі мікрофіламентів та мікротрубочок всі субодиниці повернуті в одну сторону, таким чином дані елементи цитоскелету володіють полярністю. Два кінці цих філаментів відрізняються за динамікою полімеризації та деполімеризації: кінець, на якому полімеризація та деполімеризація відбуваються швидше називається плюс-кінцем; кінець, на якому полімеризація та деполімеризація відбуваються повільніше називається мінус-кінцем. У мікротрубочках α-субодиниці тубуліну повернуті до мінус-кінця, а β – до плюс. В мікрофіламентах мономери актину розміщені таким чином, що їх АТФ-зв'язуюча щілина вказує в сторону мінус кінця.

Не зважаючи на те, що абсолютні значення kon та koff можуть сильно відрізнятись для плюс та мінус кінця, їх співвідношення є сталою величиною. Оскільки зміна вільної енергії ΔG внаслідок дисоціації чи приєднання нової субодиниці є однаковою, не в залежності від того на якому кінці філамента відбулись зміни. Через це, коли концентрація вільних мономерів C < CC, обидва кінці вкорочуються, а коли C > CC, обидва кінці ростуть. Це справджується тільки за умов відсутності гідролізу нуклеозидтрифосфатів (АТФ чи ГТФ). Гідроліз нуклеотидтрифосфатів

Актин та тубулін — це не просто мономери елементів цитоскелету, вони також є ферментами, які можуть здійснювати гідроліз АТФ та ГТФ відповідно. Одна молекула актину зв'язує одну молекулу АТФ, тоді як димер тубуліну — дві молекули ГТФ (по одній на кожну субодиницю), той ГТФ, що знаходиться в α-субодиниці ніколи не гідролізується і не обмінюється, тоді як ГТФ β-субодиниці може перетворюватись на ГДФ.

У вільних мономерах актину та тубуліну гідроліз нуклеотидів відбувається дуже повільно, для пришвидшення цього процесу необхідна дія певного фактора — ГТФаза- або АТФаза-активуючих білків. При чому для тубуліну та актину такими факторами є інші молекули тубуліну чи актину відповідно, тому гідроліз нуклеотидтрифосфату значно прискорюється після інкорпорації мономеру у філамент цитоскелету, де він взаємодіє з іншими ідентичними молекулами. Мікротрубочки та мікрофіламенти можуть існувати у двох формах «Т-формі» (мономери зв'язані із ГТФ чи АТФ) та «Д-формі» (мономери зв'язані із ГДФ чи АДФ).

Після гідролізу нуклеотидтрифосфату велика частина енергії, що вивільняється «зберігається» у структурі філаменту. Через це зміна вільної енергії для дисоціації мономеру із Д-форми стає негативнішою, ніж для дисоціації із Т-форми, а отже і співвідношення koff/kon, яке рівне значенню критичної концентрації, буде більше для Д-форми, ніж для Т. Іншими словами, Д-форма більш «схильна» до дисоціації. При певному значенні концентрації вільних субодиниць C, коли CC(T) < C < CC(D), Т-форма філаментів буде рости, а Д-форма — вкорочуватись.

Тредмілінг

Імовірність того, що певна субодиниця філаменту цитоскелету гідролізує зв'язаний нуклеотидтрифосфат і перейде у Д-форму, тим більша, чим довше ця субодиниця перебуває у складі полімеру. Тому посередині філаменту, де всі мономери вже «давні», вони мають у своєму складі нуклеотиддифосфати. До кінців приєднуються переважно нові молекули у Т-формі (оскільки концентрація АТФ чи ГТФ у цитоплазмі в десятки разів перевищує концентрацію АДФ та ГДФ відповідно). На мінус-кінці полімеризація відбувається повільно, тому гідроліз «встигає» за нею, і не відбувається накопичення субодиниць у Т-формі. Натомість на плюс-кінці, де полімеризація значно швидша, утворюється «кеп» із кількох субодиниць, що містять негідролізовані нуклеотидтрифосфати. Таким чином один кінець (+) філамента перебуває у Т-формі, а інший (-) — у Д-формі і при концентрації вільних філаментів C, де CC(T) < C < CC(D), плюс-кінець ростиме, а мінус- — вкорочуватиметься, а загальна довжина не буде змінюватись. Цей процес називається тредмілінг, він спостерігається як у мікротрубочок, так і в актинових філаментів, але характерніший для останніх. Тредмілінг завжди потребує енергії, що виділяється за рахунок гідролізу АТФ.

Динамічна нестабільність

В залежності від швидкості полімеризації та гідролізу нуклеотидтрифосфатів кінці філаментів цитоскелету можуть змінювати свій стан: переходити із Т-форми у Д-форму і навпаки. Якщо концентрація вільних філаментів при цьому менша за CC(T) і більша за CC(D), то такий перехід буде мати важливі наслідки: філамент буде переходити від росту до вкорочення (ця подія називається катастрофа) або навпаки (відновлення). Здатність елементів цитоскелету швидкої зміни «режимів» полімеризація/деполімеризація за сталої концентрації вільних субодиниць називається динамічною нестабільністю.