Реферат: Клетка как архитектурное чудо

Оренбургскийгосударственный аграрный университетРЕФЕРАТ

по общей биологии

на тему:

КЛЕТКА КАК АРХИТЕКТУРНОЕ ЧУДО/> <td/>

Выполнила:

Студентка ФВМ

отделения биоэкологии

12а группы

Бузаева Юлия

Проверил:

ст. преподаватель

Обухова Н.В.

 

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                       

2002 г.

         План:

 

     I.   Живые нити

1.   Полимеризация и деполимеризациянитей – основа динамики цитоскелета.

2.   Система микрофиламентов.

3.   Система микротрубочек.

4.   Промежуточные филаменты.

   II.   Цитоскелет, способныйчувствовать и помнить

1.   Фибробласты ползут к цепи

 III.   Клетка единая, но делимая

1.   Клеточные фрагментысамоорганизуются в мини-клетки.

2.   Многоядерные клетки–гиганты тожесамоорганизуются.

3.   Механизмы самоорганизациицитоплазмы связаны с цитоскелетом.

4.   Гигантские клетки и клеточныефрагменты в нашем организме.

 IV.   Натяжения цитоскелетаконтролируют архитектуру клетки и тканей

1.   Что такое натяжение?

2.   Натяжение цитоскелета и изменениеформы органов.

3.   Натяжение цитоскелета и коренныеперестройки клеточных программ.

I.        Живые нити

 

Введение

 

         Каждый знает, чтонаш организм есть федерация огромного множества отдельных клеток. Однако мычасто недооцениваем тот простой факт, что каждая из этих клеток – сложныйиндивидуум, обладающий собственными принципами поведения. Если не поныть этипринципы, нельзя разобраться во взаимодействиях клеток в организме. Изучатьповедение отдельных клеток лучше всего, пользуясь методом клеточных культур, тоесть выделяя отдельные клетки из организма и помещая их в сосуд с питательнойсредой. Если наблюдать эти клетки под микроскопом и фиксировать их поведение накино – или видеопленке, то легко убедиться в том, что каждая клетка в такойкультуре живет самостоятельной сложной жизнью: прикрепляется ко дну сосуда иползает по этому дну (подложке), меняя свою форму и направление движения,выбрасывая и вытягивая отростки. Внутри клеток отдельные пузырьки – органеллывсе время движутся. Долго казалось, что разобраться в механизмах этого сложногоповедения клеток и их частей почти невозможно.

     Замечательное достижение последних десятилетий –открытие и исследование системы структур, ответственных за подвижнуюархитектуру клетки, за ее движения и форму. Этой системой в клетках эукариотоказался цитоскелет – система белковых нитей, наполняющих цитоплазму.

Полимеризация идеполимеризация нитей – основа динамики цитоскелета

 

         Цитоскелет состоитиз трех основных типов нитей, образующих три системы: микрофиламенты,микротрубочки и промежуточные филаменты. Каждый тип нитей состоит из одного –двух основных белков: микрофиламенты – из актина, микротрубочки – из тубулина,промежуточные филаменты – из специальных белков, различных в разных тканях:кератинов – в эпителиях, десмина – в мышцах, виментина – в тканях внутреннейсреды (соединительной ткани, хряще, кости и др.), белков нейрофиламентов – внейронах.

         Разумеется, белки цитоскелета, как и любые белкиклетки, закодированы в ДНК и синтезируются на рибосомах. Клетка может менятьнабор синтезируемых белков. однако конструкция цитоскелета может быстроменяться даже без синтеза новых молекул. отдельные молекулы, мономеры,растворенные в цитоплазме клетки, способны соединяться, полимеризоваться в нитисоответствующего типа. Новые мономеры могут присоединяться к концам нити,удлиняя ее. Полимеризация обратима: мономеры могут отделяться от концов нити,которая при этом укорачивается и может исчезнуть совсем. В клетке все времяидет обмен между нитями и раствором мономеров в цитоплазме. Во многих клеткахпримерно половина молекул актина и тубулина находится в виде мономеров в цитоплазмеи половина входит в состав актиновых нитей, микрофиламентов или трубочек.Локальные условия полимеризации могут часто меняться. Поэтому одна и та же нитьможет то укорачиваться, то удлиняться.

         Клетка регулирует стабильность нитей цитоскелета,присоединяя к ним специальные белки, которые меняют скорость полимеризации идеполимеризации мономеров. Поэтому нить, состоящая из одного и того жемономера, может иметь очень разную продолжительность жизни. Например,индивидуальные микротрубочки, входящие в состав жгутика или реснички, обычноживут много часов и дней. Напротив, каждая микротрубочка митотическоговеретена, состоящая из того же тубулина, живет в среднем лишь несколько минут.Микротрубочки веретена все время растут и распадаются, одни микротрубочкизаменяются другими. Между тем само веретено, то есть совокупностьмикротрубочек, идущих от полюсов к хромосомам и экватору клетки, сохраняется втечении всего митоза, лишь постепенно меняя свою тонкую структуру. Уже всередине митоза веретено состоит из иных микротрубочек, чем в его начале.Пример с веретеном иллюстрирует общий принцип работы большинства цитоскелетныхсистем, названный принципом динамической нестабильности: отдельные нити всистеме могут появляться и исчезать в результате полимеризации –деполимеризации, и поэтому детальное строение системы постоянно меняется, но,несмотря на это, общий план организации системы может сохраняться.

         Разберем теперь, как появляется динамическаянестабильность в работе каждой из трех цитоскелетных систем.

Система микрофиламентов

 

-9

  />         Мономеры актинаполимеризуются в микрофиламенты диаметром около 6 – нанометров (1 нм – 10      м). Микро-филаменты полярны: их концы неодинаковы. Полимеризация микрофиламентана одном конце, называемом плюс – концом, идет легче, чем на другом, минус –конце. Полимеризация и деполимеризация молекул регулируется разнымиактинсвязывающими белками. Некоторые из таких белков присоединяются к одномуконцу нити, блокируя на этом конце полимеризацию и деполимеризацию, тогда рости укорочение микрофиламента идут лишь на другом конце, не закрытом блокирующимбелком. Некоторые специальные белки соединяют несколько мономеров в «зачаток»нити, вызывают нуклеацию нового микрофиламента. В дальнейшем такие нити растутв одну сторону, обычно в сторону плюс – конца. Специальные белки могутприсоединяться к бокам нескольких микрофиламентов. При этом одни белкисвязывают микрофиламенты в сети, другие – в пучки.

            Особую роль среди актинсвязывающих белков играютмиозины, так как они могут двигаться по микрофиламенту. В настоящее времяизвестна структура свыше 80 вариантов молекул миозинов.    У всех миозиновмолекул состоит из трех частей: головки, шейки и хвоста. Головка способнаприсоединяться к боку актинового микрофиламента, и если снабжать эти головкипоставляющим химическую энергию веществом – АТФ, то головка движется вдольмикрофиламента, от плюс– к минус-концу, перескакивая с одного мономера надругой. Этот процесс – основа очень многих движений в клетке. Характер этихдвижений во многом зависит от структуры того миозина, который его осуществляет,от того, каковы у этой молекулы головки и хвосты.

         Комбинируя стандартные актиновые микрофиламенты сразличными миозинами и другими актинсвязывающими белками, клетка строит самыеразличные структуры, отличающиеся по архитектуре и подвижности.

         Такв мышце все нити строго параллельны друг другу, то скольжение и сокращениеодной мышцы идет в одном направлении и мышца может развить большое напряжение.У большинства других клеток, например в клетках соединительной ткани(фибробластах), клетках эпителия, лейкоцитах и других клетках, большая частьмикрофиламентов образует другую структуру – актиновый кортекс, располагающийсяпод мембраной. Кортекс, подобно миофибрилле, может сокращаться за счетвзаимодействия актиновых микрофиламентов с миозиновыми молекулами. Однако, вотличие от миофибриллы, в кортексе микрофиламенты далеко не всегда параллельныдруг другу, часто они образуют сложные сети. Поэтому сжатие кортекса идетобычно в нескольких направлениях. Кроме того, в кортексе, в отличие отмиофибриллы, микрофиламенты очень динамичны; кортекс все время обновляется иперестраивается путем полимеризации – деполимеризации нитей. Если средняяпродолжительность жизни микрофиламента в миофибрилле более 7 дней, то в кортекселейкоцита – всего лишь 15 с.

         Основными очень важным типом перестроек кортекса являются псевдоподиальные реакции:выбрасывание, прикрепление и сокращение псевдоподий. Рассмотрим подробнее этиреакции. При выбрасывании псевдоподии на поверхности клетки очень быстро, втечении нескольких минут или даже секунд, образуется вырост цитоплазмы. Такойвырост может иметь разную форму. Внутреннее строение всех типов псевдоподийпросто: они часто не содержат никаких структур, кроме кортикальныхмикрофиламентов. При этом в ламеллоподиях эти микрофиламенты образуют густуюуплощенную сеть, а в пузырях – менее упорядоченный слой под мембраной.

         Формавыпячивания может определяться тем, с какими белками свяжутся вновь возникшиемикрофиламенты

         Этоподтверждается недавними опытами Штосселя. Он обнаружил, что клетки одной излиний клеток в культуре выпячивают на поверхности лишь шаровидные пузыри, но неламеллоподии. оказалось, что в геноме этих клеток отсутствовал ген, кодирующийбелок, который связывает актиновые микрофиламены в сеть. Специальными методамигенной инженерии исследователи ввели в клетки недостающий ген, и тогда клеткистали делать не пузыри, а уплощенные ламелоподии. Таким образом, появление вактиновом кортексе одного дополнительного белка направленно изменилоархитектуру псевдоподий.

         Поверхностьконца выброшенной псевдоподии может прикрепиться к подложке, по которой ползетклетка. При этом образуется место прочного контакта, где определенные белкимембраны наружным концом молекулы соединяются с белками, прикрепленными кподложке; внутренним концом та же молекула соединяется, через ряд промежуточныхзвеньев, с актиновыми микрофиламентами псевдоподии.

Система микротрубочек

 

         Микротрубочкипредставляют цилиндры диаметром 25 нанометров с полостью внутри. Их стенкаобразована мономерами тубулина. Микротрубочки, подобно актиновыммикрофиламентам, полярны: полимеризация из мономеров идет легче на плюс –конце, чем на минус – конце. Система микротрубочек, в отличие от актиновогокортекса, в большинстве клеток строго централизована: в то время как в кортексеможет работать одновременно множество центров полимеризации, из которых растутновые микрофиламенты, микротрубочки часто имеют лишь 1 – 2 центра полимеризациина клетку. Практически все микротрубочки в клетках растут из этих центров плюс– концами к периферии, и поэтому системы микротрубочек часто имеют вид звезд.Наиболее распространенные варианты ЦОМТ – центросомы, из которых растетмитотическое веретено и «звезды» микротрубочек во многих клетках, а также базальныетельца, из которых растут микротрубочки жгутиков и ресничек. Замечательноесвойство этих центров, что они способны репродуцироваться: новый центрвырастает рядом со старым и затем «материнский» и дочерний центры расходятся.Долго искали в центрах ДНК, но не нашли. Удвоение центров, видимо, имеет совсемособый механизм, отличный от удвоения ДНК, но природа его еще неизвестна.

         Какуже говорилось, микротрубочки разных структур сильно различаются постабильности. Если инъецировать в клетки раствор тубулина, меченногофлуоресцентной краской, то микротрубочки становятся окрашенными, и вфлуоресцентный микроскоп можно непосредственно наблюдать, как отдельныемикротрубочки быстро растут от центра к периферии, затем быстро укорачиваются,иногда исчезают совсем, опять растут и т.д. Эта смена фаз роста и укорочения –характерная черта систем нестабильных микротрубочек. У многих стабильныхмикротрубочек, например, в жгутиках сохраняется постоянная длина. Большую илименьшую стабильность придают микротрубочкам особые белки, связывающиеся с ихнаружной стенкой и укрепляющие ее.

         Средибелков, прикрепленных к микротрубочкам, очень важны моторные молекулы – динеиныи кинезины. Эти молекулы одним концом прикрепляются сбоку к микротрубочке имогут двигаться по ней, если доставлять им энергию в виде АТФ. При этомбольшинство вариантов кинезина двигается по трубочке к ее плюс – концу, а всединеины – к минус – концу. Другим полюсом молекула динеина или кинезина можетприкрепиться к мембранным органеллам или к другим микротрубочкам. В результатеэти молекулярные моторы могут совершать много разных типов движений.

 

Промежуточные  филаменты

 

         Этотретий основной компонент цитоскелета, названный так потому, что его нити подиаметру (8 – 10 нанометров) меньше, чем микротрубочки, но больше, чеммикрофиламенты. Эти нити многочисленны в цитоплазме большинства клеток;по-видимому, они растут из многих центров, но этот вопрос еще окончательно нерешен. Промежуточные филаменты – очень прочные структуры: разнымиэкстрагирующими солевыми растворами можно удалить из клетки все ее компоненты,а сеть промежуточных филаментов сохраняется, пока мы не  применим сверхсильныеденатурирующие агенты, например концентрированный раствор мочевины. Другоеотличие этих филаментов от других цитоскелетных нитей: их мономеры легкополимеризуются, но с большим трудом деполимеризуются, поэтому в  клеткесвободных растворенных мономеров почти нет. Впрочем, когда это необходимо,клетка легко перестраивает свою систему межуточных филаментов. например, примитозе все филаменты распадаются на фрагменты, по-видимому, в результате того,что специальный фермент присоединяет к их мономерам фосфатные группы. Послемитоза филаменты быстро восстанавливаются.

         Загадкойостается вопрос о том, почему в разных тканях эти морфологически сходныефиламенты построены из разных белков. Особенно велико разнообразие белковмежуточных филаментов эпителиальных тканей, кератинов в каждой клетке. Выделеноуже более 30 кератинов, комбинирующихся по два типа в каждой клетке. разныенаборы кератинов имеются в различных типах эпителиев и даже в разных участкаходного эпителия. Например, в Эпителии кожи, покрывающем ладони и пяткичеловека, обнаружен особый кератин (№ 9), которого нет в эпителиях другихучастков кожи или каких-либо иных тканей. Не одинаковы по белковому составу ипромежуточные филаменты (нейрофибриллы) разных типов нервных клеток.

         Вопросо функциях всех этих филаментов совершенно неясен. Наиболее вероятная гипотеза:промежуточные филаменты укрепляют клетки и ткани механически, делают их болеепрочными. Вспомним, что кожа пятки и ладони испытывает разную нагрузку и,возможно, что молекулярные различия кератинов делают филаменты лучшеприспособленными к разным нагрузкам.

         Сильнымаргументом в пользу механической роли промежуточных филаментов являются новыеданные о том, что основой некоторых наследственных кожных болезней, при которыхрезко снижается прочность кожного эпителия, являются мутации генов определенныхкератинов. В частности, при мутациях упомянутого выше кератина № 9, специфичногодля пятки и ладони, нарушается прочность кожи именно в этих участках.

II.     Цитоскелет, способный

чувствовать и помнить


Фибробласты ползут к цели

 

     Все клетки ползут, образуя на переднем краединамические выросты – псевдоподии разной формы. В псевдоподиях под мембранойклетки полимеризуются актиновые микрофиламенты, которые связываются с миозиноми другими белками. Псевдоподии могут прикрепляться к поверхности подложки и,сокращаясь, тянут всю клетку вперед. Таков основной механизм движения. Очевидно,направление движения определяется тем, на каком краю клетки будутобразовываться, прикрепляться и сокращаться псевдоподии.

     Что же определяет места образования псевдоподий?Для того чтобы это понять, рассмотрим движения одной из клеток, чаще всего используемыхв экспериментах, клеток соединительной ткани – фибробластов.     Ониполяризованы, то есть образуют псевдоподии лишь на одном или двух полюсах. Этиклетки могут ползти направленно в сторону одного из актиновых полюсов. Ихбоковые края неактивны.

     Благодаря динамике цитоскелета фибробласт можетменять форму и направление движений в ответ на изменения окружающего внешнегомира: например, в ответ на изменения питательной среды и поверхности подложки.Ориентировка этих клеток начинается с того, что клетка получает направленныйсигнал из внешнего мира. Это явление называется положительным химиотаксисом.Веществами, вызывающими такой химиотаксис у фибробластов, являются некоторыеспециальные белки, так называемые факторы роста. Химиотаксические  вещества связываютсясо специальными белками – рецепторами в наружной мембране клетки и активизируютих. Такая активация через какие-то еще неясные промежуточные химические реакциивызывает полимеризацию актина под соответствующим местом мембраны и выпячиваниепсевдоподии. Если концентрация активирующих веществ с разных сторон клеткиразлична, то на одном конце клетки будет образовываться и прикрепляться кподложке больше псевдоподий, чем на другом. Контакт с другой клеткой можетдействовать противоположно химиотаксису: если какой-то участок активного краяфибробласта касается поверхности другой клетки, то образование псевдоподий вэтом месте края немедленно прекращается; происходит «контактное торможение» или«контактный паралич» этого участка.

     Механизмы такого паралича  еще неясны, но егобиологический смысл очевиден: благодаря параличу клетка не заползает на другуюклетку, но коснувшись ее, поворачивает туда, где есть свободная поверхностьподложки. Двигаясь, клетки соблюдают взаимную вежливость. Третий внешний фактор,меняющий распределение псевдоподий – различная адгезивность («липкость») разныхучастков поверхности подложки. Например, посадим клетку не на широкое плоскоестекло, а на узкий стеклянный цилиндр, диаметр которого (30 микрометров) лишьнемногим больше диаметра самой клетки. Тогда  фибробласт начинает выбрасыватьпсевдоподии во все стороны. Но лишь те псевдоподии, которые выброшены вдоль, ане поперек цилиндра, смогут коснуться свободной поверхности стекла иприкрепиться к ней; псевдоподии, выброшенные поперек стекла, такой подложки ненайдут, и клетка втянет их обратно.

     Таким образом, под влиянием внешних факторов уклетки возникает первичная поляризация образования и прикрепления псевдоподий.Однако такая поляризация часто очень неустойчива. Чтобы направленно двигаться,клетка должна запомнить и стабилизировать эффект внешних факторов. Этастабилизация выражается в том, что клетка совсем перестает выбрасыватьпсевдоподии в тех направлениях, где их прикрепление было менее удачно, иначинает их выбрасывать более эффективно только в наиболее удачныхнаправлениях, например, вдоль цилиндра или ближе к источнику химиотаксическоговещества.


III.    Клетка единая,

но делимая


Клеточные фрагменты

самоорганизуются в мини-клетки

 

     Упорядоченное взаимное расположение клеточныхструктур создается и поддерживается самой живой цитоплазмой, способностью этойцитоплазмы к самоорганизации. Действительно, даже малые фрагменты цитоплазмы,отделенные от остальной клетки, способны восстанавливать подобное взаимноерасположение сохранившихся структур. Отрежем от периферии культуральной клеткипод микроскопом микроножом небольшой кусочек цитоплазмы, составляющий лишь 3 –5 % клеточной массы. Через короткое время такой безъядерный фрагментсамоорганизуется: в центральной его части эндоплазму, а на периферииформируются тонкие ламеллы, прикрепленные по краям к подложке фокальнымиадгезиями. По краю ламеллы часто возникают псевдоподии, и при их помощифрагмент может ползать по подложке. Старый центр организации микротрубочек –центросома обычно не попадает во фрагмент, и сохранившиеся в нем периферическиекуски микротрубочек расположены вначале почти параллельно друг другу, однаковскоре эти микротрубочки реорганизуются в единую радиальную систему, у нихвозникает подобие центра, из которого микротрубочки расходятся во все стороны ккраям фрагмента. Разумеется, такие фрагменты в отличие от целых клеток погибаютобычно через 1-2 суток: ведь у них нет ядра и потому невозможен синтез новыхинформационных РНК, следовательно, быстро тормозится синтез белков, необходимыхдля роста и просто замещения разрушающихся со временем белковых молекул. Тем неменее способность фрагментов к самоорганизации в мини-клетки и движениям втечение отведенного им короткого срока жизни замечательна.

Многоядерные клетки-гиганты

тоже самоорганизуются

 

     Фантазия Дж. Свифта создала лилипутов – людей,нормально организованных несмотря на миниатюрные размеры. Ясно, что затем почтинеизбежно должен был появиться  рассказ о великанах, нормально организованныхнесмотря на резко увеличенные размеры. Сходным образом логика требует, чтобы зарассказом о самоорганизации клеточных фрагментов следовал рассказ опротивоположных системах – гигантских клетках, размеры которых резко превышаютнормальные.

     Действительно, такие клетки существуют исамоорганизуются. Многоядерные гиганты в культуре можно получить двумяспособами. Первый способ – слить несколько обычных одноядерных клеток в одну,применив специальные агенты, например полиэтиленгликоль или белки некоторыхвирусов. Эти агенты способны превратить две контактирующие друг с другоммембраны соседних клеток в одну. в результате таких повторных слиянийполучается большая многоядерная клетка. Второй способ получения гигантов –блокада цитокинеза, последней стадии клеточного деления: разделения цитоплазмыдвух дочерних клеток после расхождения хромосом. Как известно, цитокинез –результат образования под мембраной клетки между двумя дочерними ядрамисократимого кольца из актиновых микрофиламентов и миозиновых молекул, такоекольцо постепенно сжимается, разделяя две клетки. Функцию сократимого кольца иразделение клеток можно блокировать цитохалазином – веществом, специфическинарушающим формирование микрофиламентов. Цитохалазин нарушает только цитокинез,но не предшествующие стадии деления, поэтому в среде с цитохалазином клеткастановится двуядерной. Если блокирование цитохалазином повторять в несколькихциклах деления, то можно получить клетки с 4, 8 и большим числом ядер.

     Гигантские клетки, полученные обоимиспособами, могут жить в культуре долго – многие дни и недели. Важно то, что ужевскоре после образования клетки реорганизуются в единую структуру. Чаще всеготакие клетки имеют дисковидную форму, но иногда могут вытягиваться и двигаться.Их ядра собираются в единую группу, занимающую центр клетки, а вокруг нихскапливаются везикулярные органеллы, образующие эндоплазму. Вокруг эндоплазмырасполагается тонкая ламелла. Как и в одноядерных клетках, на краю гигантовпостоянно образуются и сокращаются псевдоподии, а на нижней поверхности ламеллывблизи края формируются фокальные адгезии, прикрепляющие клетку к дну культуры.

     Таким образом, в двух различных системах, внебольших фрагментах, отделенных от клетки, и многоядерных гигантах, полученныхслиянием нескольких клеток или блокадой их деления, цитоплазма способнасамоорганизоваться в структуру, принципиально сходную со структурой нормальнойклетки.

Механизмы самоорганизации

цитоплазмы связаны с цитоскелетом

 

     Каковы механизмы удивительной способностиклеточной цитоплазмы к самоорганизации? Точно ответить на этот вопрос мы покане можем, но некоторые соображения могут быть высказаны. Самоорганизацияпроисходит даже в безъядерных клеточных фрагментах, следовательно, ядро для неене нужно. Важнейшей частью самоорганизации являются перемещенияцитоплазматических органелл, образующих эндоплазму в центральной частифрагмента или гиганта, туда же в гигантских клетках перемещаются и ядра.Естественно предположить, что за эти движения ответственны те же структуры, чтои за все другие движения в клетке: фибриллы цитоскелета с прикрепленными к ними органеллам моторными молекулами.

     Один из конкретных механизмов такого родасвязан с микротрубочками. В целой клетке микротрубочки растут радиально изцентросомы, расположенной около ядра, при этом каждая микротрубочка имеет дваконца: центральный минус-конец и периферический плюс-конец. Хотя в отрезанномфрагменте центра нет, микротрубочки в нем перераспределяются, образуярадиальную систему с плюс-концами в центре фрагмента и минус-концами на периферии.Механизм этого перераспределения был недавно проанализирован Радионовым иБориси. Эти исследователи приготовили фрагменты из пигментных клеток(меланоцитов) кожи черных аквариумных рыбок. Дело в том, что эти клеткисодержат в цитоплазме множество черных пигментных гранул, за движениями которыхлегко наблюдать в культуре. Во фрагментах цитоплазмы таких клеток пигментныегранулы при самоорганизации скапливались в центре, а микротрубочки расходилисьрадиально из центра на периферию. В нормальной клетке различные органеллы, втом числе пигментные гранулы, двигаются при помощи специальных связанных смикротрубочками моторных молекул, динеинов и кинезинов. При этом динеиныдвигают органеллы к минус-концу микротрубочки, а кинезины – к плюс-концам.Оказалось, что применив специальный ингибитор угнетающий действие динеина,можно подавить самоорганизацию микротрубочек и гранул во фрагменте. Ингибиторыкинезинов оказались неэффективными. Таким образом, перемещение гранул иминус-концов микротрубочек в центр фрагмента оказалось результатом ихперемещений, осуществляемых при помощи динеина. Эта работа Родионова и Борисидоказала реальное существование по крайней мере одного зависимого отцитоскелета механизма самоорганизации. Однако известно, что элементы самоорганизацииво фрагментах могут сохраняться даже после деполимеризации микротрубочек.Поэтому весьма вероятно, что существуют и другие механизмы, зависимые от другихцитосклетных структур – микрофиламентов.

     Под наружной мембраной каждой клеткирасположен сократимый кортикальный слой актиновых микрофиламентов, у клеток,прикрепленных к дну культуры, этот слой растянут. Можно сравнить кортекс срастянутой резиновой лентой, стремящейся сократиться к своему центру. Очевидно,если разрезать эту ленту на фрагменты, то каждый из фрагментов будетсокращаться к своему новому центру. Наоборот, если несколько кусков лентысклеить друг с другом, то объединенная лента будет сокращаться по направлению кновому единому центру. Сходным образом, кортекс клеток и фрагментов во всехситуациях натянут относительно центра. Натяжение будет ориентироватьмикрофиламенты кортекса: представьте себе сетку, которую кто-то растянул, всенити в ней станут ориентироваться относительно направлению натяжения.Ориентировка микрофиламентов может направлять зависимые от этих микрофиламентовдвижения органелл к центру. Этот довольно простой механизм пока остаетсягипотетическим.

Гигантские клетки и клеточные

фрагменты в нашем организме

 

     Было бы удивительно, если бы замечательнаяспособность цитоплазмы к самоорганизации не использовалась клетками в организмедля различных физиологических целей. И действительно, в нашем организме многиеклетки способны проделывать самостоятельно те же реорганизации, которые мывызываем искусственно в культуре: соединяться друг с другом в гигантскиемногоядерные клетки и, наоборот, отделять от себя безъядерныецитоплазматические  фрагменты, которые способны самоорганизовываться ивыполнять важные физиологические функции.

     Примерами многоядерных клеток могут служитьмиофибриллы поперечнополосатых мышц, образующиеся путем слияния одноядерныхмиобластов. По всей вероятности, здесь благодаря гигантским размерам ускоряетсяи синхронизируется реакция мышечной клетки на нервный сигнал, вызывающий еесокращение: такой сигнал распространяется очень быстро от нервного окончания(синапса) по всей единой мембране, окружающей многоядерную клетку.

     Еще один тип многоядерных клеток – гигантскиеклетки инородных тел. Такие клетки образуются под кожей или в других тканях изодноядерных клеток, макрофагов, прилипших к поверхности инородного тела,застрявшего в этих тканях, например пули или иглы. Макрофаги безуспешнопытаются фагоцитировать инородное тело. Смысл слияния в гиганты заключается,по-видимому, в том, чтобы увеличить фагоцитирующую поверхность. Вероятно, посходным причинам в костной ткани становятся многоядерными особые клетки(остеокласты), которые разрушают излишнее костное вещество.

     Тромбоциты крови – самый интересный и важныйпример образования отделенных от клеток цитоплазматических фрагментов,способных к самоорганизации. Тромбоциты играют центральную роль в свертываниикрови, образовании тромбов – сгустков, закрывающих просвет разорвавшегосякровеносного сосуда и останавливающих кровотечение из этого сосуда.Патологическое тромбообразование – основа самых распространенныхсердечно-сосудистых заболеваний, в особенности инфарктов и инсультов.Неактивированные тромбоциты, циркулирующие в крови человека, представляют собойнебольшие безъядерные образования, покрытые мембраной и содержащие в цитоплазмемного неполимеризованного актина, а также гранул разного состава. При действиихимических веществ, связывающихся с рецепторами на наружной стороне ихмембраной, например коллагена, тромбоциты активизируются. Такая активация  — начальныйэтап свертывания крови. На поверхности активизированного тромбоцитавыпячиваются многочисленные псевдоподии. У тромбоцитов, также как и у большихядерных клеток, молекулярной основой образования псевдоподий являетсяполимеризация актиновых микрофиламентов из растворимого актина. Кмикрофиламентам присоединяются миозин и другие молекулы. В результатепсевдоподии, как и у больших клеток, становятся сократимыми, способнымиприкрепляться к различным поверхностям, например коллагеновым волокнам.Тромбоцит распластывается на таких поверхностях и может даже перемещаться поним на небольшие расстояния. Гранулы, собранные в центральной части цитоплазмыактивированного тромбоцита, сливаются с наружной мембраной и секретируют своесодержимое в среду (кровь или тканевую жидкость). При этом активные вещества,вышедшие из таких гранул, действуют на белки крови, стимулируя дальнейшеетромбообразование. Через несколько часов активированный тромбоцит, подобноклеточным фрагментам в культуре, погибает. «Родителями» тромбоцитов,циркулирующих в крови, являются особые многоядерные клетки костного мозга –мегакариоциты. На поверхности мегакариоцита образуются длинные отростки, откоторых отщепляются цитоплазматические фрагменты, попадающие затем в кровь. Мыеще не знаем точного  механизма отделения и упаковки таких фрагментов.

     Таким образом, тромбоциты можно рассматриватькак фрагменты цитоплазмы, естественно образующиеся из структур противоположноготипа – гигантских клеток. Эти фрагменты могут длительно сохраняться в крови вупакованном виде, но при необходимости могут однократно активироваться исамоорганизовываться, а затем, выполнив свою функцию, активировав свертывание,погибать.

     Способность к самоорганизации – важнейшеесвойство цитоплазмы. Эта способность является основой распределения компонентовв каждой клетке, а также используется в организме для специальных целей –образования многоядерных клеток и естественно отделяющихся фрагментов, таких,как тромбоциты. Возможно, что механизм самоорганизации используется и в техслучаях, когда в клетке выделяются (сегрегируются) особые участки, способные котносительно самостоятельным движениям, но остающиеся связанными с остальнойклеткой.

IV.  Натяжения цитоскелета

контролируют архитектуру клетки и тканей

 

Что такое натяжение

 

     С незапамятных времен известно, что мышцысоздают механическое натяжение. Если точка прикрепления мышцы подвижна, то этонатяжение ведет к сокращению мышцы – такое натяжение называют изотоническим.Если эта точка неподвижна из-за сопротивления материала, к которому эта мышцаприкреплена, то натяжение не приводит к сокращению мышцы – такое натяжениеназывают изометрическим. Пример изометрического натяжения – натяжение, котороесоздается в мышцах руки, тянущей ручку прочно запертой двери.

     Актин и миозин есть не только в мышечныхклетках, но и в большинстве других клеток эукариот. Чаще всего здесь эти нитилабильны – они постоянно разбираются и собираются. Какова функция такихструктур, наполняющих клетку? Давно известно, что сокращение актин-миозиновыхструктур – сила, которая двигает ползающую клетку. С наружной стороны такаяклетка прикрепляется к неклеточной подложке при помощи особой адгезивнойструктуры – фокального контакта. На внутренней цитоплазматической сторонеконтакт соединяется с пучком актиновых микрофиламентов. Сокращаясь, этот пучоктянет тело клетки вперед.

     Другой пример сокращения актин-миозиновогопучка – цитокинез, последняя стадия клеточного деления, когда такой пучокобразуется между двумя наборами хромосом. Сжимаясь, такое сократимое кольцоразделяет две дочерние клетки.

     Когда клетка в культуре распластана, то естьпрочно соединена контактами со всех сторон с дном культуры – подложкой, тосоединенные с фокальными контактами пучки актиновых микрофиламентов сократитьсяне могут, их натяжение становится изометрическим. Такая клетка все времянаходится в напряженном, растянутом состоянии.

     В организме большинство клеток, за исключениемклеток, плавающих в крови или лимфе, прикреплено друг к другу и к фибрилламнеклеточного матрикса. Поэтому в таких клетках, так же как и в клеткахкультуры, создается изометрическое натяжение.


Натяжение цитоскелета

и изменения формы органов

 

              Натяжение актин-миозина определяеторганизацию цитоскелета и контактов самой клетки и окружающего их матрикса вкультуре. Естественно предположить, что натяжения клеток играют важную роль и ворганизме, в особенности в процессах морфогенеза, то есть в образовании ирегенерации органов и других структур определенной формы. Простой примерморфогенеза – заживление наружной раны. В такую рану уже через несколько днейпроникают из окружающих тканей фибробласты и сосуды, образуя так называемуюгрануляционную ткань. Фибробласты вырабатывают в ране фибронектиновый иколлагеновый матрикс, прикрепляются к нему и начинают синтезироватьгладкомышечную форму актин. Развивая натяжение, эти миофибробласты сжимаютматрикс и всю рану, которая позже полностью заживляется в результатеразмножения эпителий кожи и других местных клеток.

     Сжатие миофибробластами раны – лишь один изслучаев действия клеточных натяжений в организме. Можно думать, что натяженияцитоскелета играют критическую роль в развитии разных тканей и органов:образовании складок и вырастов эпителиальных пластов, изменениях формы мышц,костей и т.д. За последние годы появилось много работ, где исследователипытаются объяснить натяжениями клеток процессы развития. В частности,разработана детальная теория (или модель, как нынче модно говорить), котораяобъясняет натяжениями цитоскелетов нервных клеток образование самого сложногопо форме из существующих в природе органов – нашего мозга, например образованияскладок (извилин) коры головного мозга. К сожалению, все эти модели показываютлишь возможные пути развития органов, показывают только, где надо искать роль натяженийв развитии, какими должны бы быть натяжения клеток в развивающихся органах длятого, чтобы придать этим органам свойственную им форму. Остается главное –показать, что такие натяжения цитоскелета действительно в клеткам этих органовреально существуют и играют постулируемую теориями роль. Эта сложная работатолько начинается.

Натяжение цитоскелета и коренные

перестройки клеточных программ

 

     Как мы знаем, клетки в организме и культуреспособны под влиянием определенных сигналов переключаться с одной программыработы на другую: клетка может начать или прекратить размножение, превратитьсяиз менее специализированной в более специализированную (дифференцироваться) и,наконец, включить программу самоубийства (апоптоза).

     При каждой из таких перестроек меняетсябольшинство синтезов и других биохимических процессов. В клетке происходитглобальная перестройка всей ее деятельности. Есть данные, которые позволяютпредположить, что одним из факторов, вызывающих такие перестройки могут бытьизменения натяжения цитоскелета. Например, нормальные фибробласты, уплощенные ирастянутые на подложке, активно размножаются, но стоит их отделить от подложки,как клетки сжимаются сокращением актин-миозиновых структур в шары и размножениепрекращается, а не редко наступает и гибель «бездомной» клетки – апоптоз.Некоторые типы эпителиальных клеток, например клетки молочных желез,растянувших на жестком коллагеновом геле, размножаются, но не синтезируют белкимолока. Напротив, на плавающем мягком коллагене эти клетки сжимаются и начинаютсинтезировать специализированные белки, то есть дифференцируются. Какуюконкретную роль играют изменения натяжения цитоскелета в этих перестройкахклеток от размножения к гибели или дифференцировке? Это пока не ясно. Сейчасмногие исследователи начали активно работать в этой области.

Заключение

 

     Развитие наших взглядов на архитектуруотдельной клетки можно условно разделить на три этапа. Сначала казалось, чтоклетка — это мешок, где стенка (мембрана) окружает жидкий бульон (цитозоль), вкотором плавают отдельные «клецки» — органеллы (ядро, митохондрии, лизосомы).На втором этапе было обнаружено несколько сетей фибрилл цитоскелета, проходящихчерез всю клетку от мембраны до ядра и направляющих движения органелл. Инаконец, в последние годы начали понимать, что речь идет не о сети, но одинамичных фибриллах, которые развивают и передают механические натяжения.Клетка, кроме всего прочего, оказалась сложной системой сбалансированных сил.Некоторые ученые, например А. Харрис и Д. Ингбер в США, Л. Белоусов в нашейстране, уже давно говорили о роли таких натяжений, но их природа и значениестановятся ясными лишь теперь. Человек тоже умеет делать постройки, где крышаиз эластичной пленки растянута на опорах (вспомним легкие разбираемыевыставочные павильоны). Однако конституция клетки гораздо сложнее: ведь еестроительные элементы, нити цитоскелета, динамичны, они постоянно возникают ираспадаются, а сила натяжений постоянно меняется под влиянием регулярныхсистем, таких, как Rho и Rac.

     Новые представления об организации цитоскелетаначинает понемногу менять наши взгляды не только на структуру клетки, но и напроисходящие в ней молекулярные процессы. Не могут ли изменения натяжений нитейцитоскелета быстро передавать непосредственно какие-то сигналы с одного концаклетки на другой? Не может ли передача сигналов с одной молекулы на другуюосуществляться не при столкновении молекул в растворе, а по цепи молекул,прикрепленных к нитям актина, причем изменения натяжения могут менятьрасположение этих молекул и целых органов? Как меняются натяженияактин-миозиновой системы при опухолевых трансформациях клеток и как этиизменения отражаются на нарушениях клеточных регуляций? Эти предположениятребуют проверки. Биологи начинают думать о клетке по-новому.

Используемаялитература:

 

1.    Ченцов Ю.С. «Общая цитология (Введение в биологию клетки). 3-е изд. М.:Изд-во МГУ, 1995 г.

2.    Васильев Ю.М. «Клетка как архитектурное чудо.» СоросовскийОбщеобразовательный Журнал. 1996 г. № 2

3.    Васильев Ю.М. «Клетка как архитектурное чудо.» СоросовскийОбщеобразовательный Журнал. 1996 г. № 4

4.    Васильев Ю.М. «Клетка как архитектурное чудо.» СоросовскийОбщеобразовательный Журнал. 1999 г. № 8

5.    Васильев Ю.М. «Клетка как архитектурное чудо.» СоросовскийОбщеобразовательный Журнал. 2000 г. № 6


еще рефераты
Еще работы по биологии