Citoskelets 2. tēma

Citoskelets

• Sākot ar pagājušā gadsimta astoņdesmito gadu beigām radās iespēja vizualizēt un plašāk pētīt dzīvās šūnās (in vivo) notiekošos procesus.

Prokariotu viciņas

• Baktērijas ir kustīgi organismi. Tās spēj attālināties no vietām ar nepiemērotiem apstākļiem, un tās spēj pārvietoties uz īpaši labvēlīgām vietām. Tās reaģē uz dažāda veida ķīmiskajiem kairinājumiem. Baktēriju kustības, kuras izraisa ķīmisko vielu klātbūtne, sauc par hemotaksijām.

• Baktēriju kustības nodrošina viciņu rotācijas kustība. Viciņu diametrs ir tikai 20 nm, tas ir, mazāk nekā vienas mikrocaurulītes diametrs. Eikariotu šūnās viciņu iekšienē atradīsies mikrocaurulīšu kūlītis.

Prokariotu viciņas

• Baktēriju viciņas garums ir no 10 - 100 m. Baktēriju kustība ir haotiska, ja tās atrodas labvēlīgā vai neitrālā vidē. Tas ir tāpēc, ka viciņas brīžiem rotē pulksteņrādītāja virzienā, bet brīžiem pretēji. Ja vidē parādās barības vielas vai inde, tad baktēriju viciņu pavedienveida olbaltumvielas izveido kūlīti, kur tās kustas pretēji pulksteņa rādītāja virzienam.

Prokariotu viciņas

Salmonella sp.

Prokariotu viciņas

Gramnegatīvajām baktērijām to veido četras gredzenveida struktūras. L un P gredzeni ir ieslēgti ārējā membrānā, bet S un M gredzeni - plazmatiskajā membrānā.

Prokariotu viciņas

Šie olbaltumvielu diski darbojas līdzīgi elektromotoram. Diska ārējo

daļu veido nelielu olbaltumvielu gredzens – stators, bet centrā atrodas

rotors. Gredzena ārējā daļa ir stabili nostiprināta baktēriju šūnas

sieniņā. Rotācijas kustību šeit nodrošina nevis elektromagnētiskais

lauks, bet H+ gradients, kas pastāv starp citoplazmu un

periplazmatisko telpu.

• https://www.physics.ox.ac.uk/berry/research/BFM/

Starp citoplazmu un ārpusi elektriskais potenciāls ir apmēram 150 mV, citoplazmā ir zemāka Na+ un H+ koncentrācija. Kustīgām šūnām filamenta rotācijas ātrums ir 1000 Hz.

Prokariotu viciņas

• Kustības regulē receptoru sistēma, kas atrodas baktēriju plazmatiskajā membrānā. Ārējā membrānā ir poras, kas ļauj periplazmatiskajā telpā iekļūt vielām no apkārtējās vides. Šīs vielas saistās ar pārnesējolbaltumvielām, kas atrodas periplazmatiskajā telpā.

• Pārnesējmolekulas saistās ar kādu no receptoriem, kas atrodas plazmatiskajā membrānā. Vienā gadījumā receptora signāls šūnā izpaudīsies kā signālmolekulas fosforilēšana, otrā - kā defosforilēšana.

Prokariotu viciņas

Ja pie baktēriju viciņu kustību nosakošajām olbaltumvielām piesaistās fosforilētā forma, tad notiek rotācija pulksteņrādītāja virzienā. Ja piesaistās defosforilētā forma, tad kustība notiek pretēji pulksteņa rādītāja virzienam.

Eikariotu citoskelets

Visās eikariotu šūnās ir konstatētas dažādas pavedienveida struktūras. Visvairāk tās ir izpētītas dzīvnieku šūnās. Dažos gadījumos pavedieni ir apvienojušies augstāk organizētās struktūrās, kuras var redzēt pat gaismas mikroskopā. Tādi veidojumi ir centriolas, bazālā plātnīte u.c.

Visiem pavedieniem ir dots kopīgs nosaukums - citoskelets.

Citoskelets

Mikrofilamenti Starpfilamenti Mikrocaurulītes

Mikrofilamenti d=6-8 nm.Starpfilamenti d=10-14 nm.Mikrocaurulītes d=24 nm.

Eikariotu šūnās izdala trīs citoskeleta elementu grupas: mikrofilamentus, starpfilamentus un mikrocaurulītes. Citoskelets caurvij visu citoplazmu un var atrasties arī kodola iekšienē.

Mikrocaurulītes

Mikrocaurulītes ir sastopamas visās eikariotiskajās šūnās. Tās kā blīvs tīkls ietver kodolu un atiet uz šūnas perifēriju. Mikrocaurulītes sastāv no tubulīna. Tubulīns ir globulāra olbaltumviela, kurai piemīt spēja polimerizēties.

Mikrocaurulīšu diametrs ir 24 nm, bet garums var sasniegt vairākus

mikrometrus. Atšķirībā no aktīna mikrofilamentiem, mikrocaurulītēm

ir viens vai divi centri, no kuriem starveidīgi atiet mikrocaurulītes.

Katra mikrocaurulīte sastāv no 13 protofilamentiem (pavedieniem),

kuri apvienojoties izveido caurulīti.

Mikrocaurulītes

http://cellbio.utmb.edu/cellbio/

Mikrocaurulītes

• Mikrocaurulīšu polimerizāciju traucē kolhicīns un citi savienojumi, kuri neļauj tubulīna dimēriem pievienoties pie mikrocaurulītes.

http://cellbio.utmb.edu/cellbio/

Vielu un organellu transports, izmantojot mikrocaurulītes

Gandrīz visās eikariotu šūnās makromolekulu, vezikulu un organellu transportu nodrošina mikrocaurulītes. Dažos gadījumos to pagarināšanās un saīsināšanās nodrošina pārvietošanu. Tomēr parasti to veic motorās olbaltumvielas, kas vienlaicīgi var pievienoties mikrocaurulītei un transportējamam objektam. Motorās olbaltumvielas pieder pie divām grupām. Vienas sauc par dineīniem, otras par kinezīniem. Katrā grupā ietilpst dažāda lieluma un nedaudz atšķirīgas aminoskābju secības polipeptīdu ķēdes. Dineīns nodrošina vielu transportu no šūnu perifērijas uz šūnu centru, bet kinezīns no šūnu centra uz perifēriju.

Kinezīna uzbūve un tā loma vezikulārajā transportā

a–d, kinezīns; e, f, dineīns.

Molecular motorsManfred Schliwa and Günther Woehlke

Nature 422, 759-765(17 April 2003)doi:10.1038/nature01601

www.ucl.ac.uk/uro-neph/ppt/cs_01.ppt

Šūnās ir viens vai divi centri, no kuriem starveidīgi atiet mikrocaurulītes.

Mikrocaurulītes organizējošie centri

Centriolas

Nobriedušas centriolas distālās daļas mikrocaurulītes

no ārpuses ir klātas ar olbaltumvielām - satelītiem un

apendiksiem. Abu centriolu proksimālās daļas savieno

nelieli pavedieni. To molekulārā uzbūve ir neskaidra.

Nenobriedusī centriola arī ir saistīta ar jaunu

mikrocaurulīšu nukleāciju. Šajā centrosomas daļā

mitozes laikā ir augsta -tubulīna koncentrācija.

Mikrocaurulītēm, kas starveidīgi iet ārā no šīs

centrosomas zonas, "-" gals atrodas centrosomā, bet –

"+" gals citoplazmā.

Centriolas

Centrosomas uzbūve

Centriolas

Skropstiņas, viciņas un bazālais ķermenītis

Skropstiņas ir smalki pavedieni, kuru diametrs ir apmēram 0,25 m. To garums svārstās dažādos audos un sugās, bet parasti ir apmēram 3 - 5 m. To centrālo daļu veido mikrocaurulīšu kūlītis, bet ārējo daļu - irdens matrikss, kas ir ietverts plazmatiskajā membrānā. Skropstiņas ir novērojamas vairākos dzīvnieku audu tipos, vienšūņos un zemākajos augos. Līdzīga iekšējā uzbūve ir arī eikariotu šūnu viciņām, tikai tās ir daudz garākas un sasniedz pat 200 m.

Skropstiņas un viciņas

Viciņas un skropstiņas var viļņveidīgi kustēties. Skropstiņu

gadījumā kustība var būt sinhrona ne tikai vienas šūnas

viciņām, bet arī blakus novietotajām šūnām. Skropstiņu un

viciņu kustībā var izšķirt vairākus etapus.

Viciņas kustības

EIGLENA video

Skropstiņu kustības

Paramecium.AVI

Viciņas un skropstiņas Viciņas un skropstiņas citoskeleta sistēmu sauc par aksonēmu.

Tā ir kustīga vai nekustīga

Kustīgā aksonēmā ir deviņi mikrocaurulīšu dupleti. Tie ir izkārtoti gredzenveidīgi. Gredzena centrā atrodas vēl viens mikrocaurulīšu pāris, kas starveidīgi ir savienots ar perifērajām mikrocaurulītēm.

Viciņu dineīns

Aktīns šūnās ir atrodams divos veidos: • kā atsevišķas globulāras aktīna molekulas

(G-aktīns); • fibrillu veidā kā polimerizētas aktīna

molekulas (F-aktīns). Noteiktā zonā, pēc atslēgas slēdzenes principa, G-aktīna moleklai ir pievienota ATF molekula.

Mikrofilamenti

G- aktīna molekula

F-aktīns

Aktīna polimerizācija

• Jaunu aktīna fibrillu (F-aktīna) veidošanās procesu Jaunu aktīna fibrillu (F-aktīna) veidošanās procesu sauc par sauc par nukleācijunukleāciju;;

• Esoša aktīna filamenta pagarināšanos sauc par Esoša aktīna filamenta pagarināšanos sauc par elongācijuelongāciju;;

• F-aktīna molekulu kopējais garums daudzkārt F-aktīna molekulu kopējais garums daudzkārt pārsniedz šūnas garumu. pārsniedz šūnas garumu.

Aktīna polimerizācija 2

In vitroIn vitro apstākļos aktīna apstākļos aktīna polimerizācija ir atkarīga no polimerizācija ir atkarīga no globulārā aktīna globulārā aktīna koncentrācijas. Ja tā ir koncentrācijas. Ja tā ir lielāka par kritiskolielāka par kritisko - 0,1- 0,1M, M, tad var notikt polimerizācija. tad var notikt polimerizācija. Šajos apstākļos molekulu Šajos apstākļos molekulu polimerizācijai nav polimerizācijai nav nepieciešama ATF hidrolīze. nepieciešama ATF hidrolīze. ATF vietā var izmantot ATF vietā var izmantot sintētiskus analogus, kuri sintētiskus analogus, kuri nevar atdalīt fosfāta grupas.nevar atdalīt fosfāta grupas.

• F-aktīna filamentam izšķir plus galu un mīnus F-aktīna filamentam izšķir plus galu un mīnus galu. Pie plus gala aktīvāk pievienojas jaunas G-galu. Pie plus gala aktīvāk pievienojas jaunas G-aktīna molekulas, bet no mīnus gala tās aktīvāk aktīna molekulas, bet no mīnus gala tās aktīvāk atdalās. Pie plus gala pievienojas aktīna atdalās. Pie plus gala pievienojas aktīna molekulas, kuras satur ATF. Mīnus galā ATF molekulas, kuras satur ATF. Mīnus galā ATF hidrolizējas un izveido ADF. Tas vājina saites hidrolizējas un izveido ADF. Tas vājina saites starp galējo aktīna molekulu un filamentu un tā starp galējo aktīna molekulu un filamentu un tā rezultātā molekula atdalās.rezultātā molekula atdalās.

Šūnās novēro, ka zināmā laika sprīdī filamenta garums nemainās, taču tajā pašā laikā var notikt vienlaicīga filamenta papildināšanās un noārdīšanās. Citoplazmā ir līdzīga G-aktīna un F-aktīna koncentrācija, taču plus gals pieaug straujāk nekā samazinās mīnus gals. Šāda molekulu cirkulācija, filamenta mīnus galā, hidrolizējot ATF, patērē enerģiju.

Eksperimentos izmantojamās vielas

• CITOHALAZĪNS D (sēņu alkaloids) -neļauj mikrofilamenta “+” galā pievienot monomērus

• LATRUNKULĪNS - pievienojas G-aktīnam un neļauj šiem monomēriem pievienoties pie filamenta

• FALOIDĪNS - pievienojas G-aktīna monomēriem to savienojuma vietā un stabilizē mikrofilamentus. Izmanto arī kā aktīna specifisku krāsvielu.

Aktīnu pārraujošās un aktīnu pārklājošās olbaltumvielas 2

• Ar aktīna mikrofilamentiem saistās aktīnu pārraujošās un aktīnu pārklājošās olbaltumvielas. To darbību var pamanīt, vērojot citoplazmas konsistenci dažādās šūnas zonās. Šūnas centrā citoplazma ir šķidrāka (t.i. sola stāvoklī), bet šūnas perifērijā tā ir viskozāka (t.i. gēla stāvoklī). Turklāt šie stāvokļi dažādās šūnas zonās var strauji mainīties. Lielā mērā to nodrošina mikrofilamentu polimerizācija un depolimerizācija. Mikrofilamentu noārdīšanos nodrošina aktīnu pārraujošās olbaltumvielas.

Aktīnu pārraujošās olbaltumvielas

• Pie aktīnu pārraujošajām olbaltumvielām pieder gelozīns, severīns un villīns. Šo olbaltumvielu molekulmasa ir lielāka nekā tām olbaltumvielām, kas saistās ar globulāro aktīnu.

• Visas šīs olbaltumvielas piestiprinās kādā aktīna mikrofilamenta zonā un pārrauj saiti starp divām blakus stāvošām aktīna molekulām.

Aktīnu pārklājošās olbaltumvielas

• Savukārt no pastiprinātas noārdīšanas mikrofilamentus pasargā aktīnu pārklājošās olbaltumvielas. Tās biežāk ir sastopamas šūnās, kuru skeleta struktūra ir samērā stabila. Šķērssvītroto muskuļu šūnās pie aktīna mikrofilamentu + gala var pievienoties CapZ olbaltumvielas. Tās pārtrauc aktīna molekulu atdalīšanos. Tās arī ir ārkārtīgi stabilas un atdalās no mikrofilamenta apmēram pēc trīsdesmit dienām. Pie Aktīna mikrofilamentu stabilitāte palielinās, ja tiem ir pievienotas tropomiozīna molekulas.Tad to “-” galā var vēl piestiprināties tropomodulīna molekulas.

Mikrofilamentu novietojums šūnā

Eikariotu šūnās var novērot vairāku veidu aktīna

mikrofilamentu kompleksus. Mikrofilamenti var būt

sakārtoti kūlīšos vai veidot tīklu. Kūlīšos

mikrofilamentiem ir paralēls vai antiparalēls

novietojums. Savukārt tīklā mikrofilamenti ir daudz

retāki un viens pret otru cenšas novietoties apmēram

900 leņķī. Izdala paralēlos kūlīšus, kontraktilos

kūlīšus un gēlam līdzīgo tīklojumu.

Mikrofilamentu novietojums šūnā

Kontraktilie kūlīši veido kontraktilo gredzenu

http://www.paulgyoung.com/graphics/fission_yeast_actin_cytoskeleton.htm

Gēlam līdzīgais tīklojums Gēlam līdzīgo tīklojumu veido

atsevišķa aktīna filamentu grupa. Šie filamenti nespēj izvietoties paralēlos kūlīšos. Tie izvietojas viens pret otru vairāk vai mazāk perpendikulāri. Pavedieniem ir piesaistītas nelielas olbaltumvielas - filamīna molekulas, kas savieno krustām šķērsām izvietotos aktīna pavedienus, veidojot izturīgu tīklojumu.

Mikrofilamentu novietojums šūnā

• Paralelie kūlīši veido lamellopodiju;• Kontraktilie kūlīši veido stresa fibrillas;• Gēlam līdzīgais tīklojums atrodas plazmatiskās

membrānas tuvumā.

www.bi.umist.ac.uk/users/mjfjam/2MCD/default.htm

Aktīns un šūnu pārvietošanās

http://chem.sci.gu.edu.au/spm/images/biology/biology2.htm

www.bi.umist.ac.uk/users/mjfjam/2MCD/default.htm

Eikariotu šūnas pārvietojas izstiepjot filopodijas vai lamelopodijas.

Pārvietošanās ar lamelopodiju palīdzību

http://www.bio.davidson.edu/misc/movies/fishlamellipodia.mov

Makrofāgu pārvietošanās

http://www.bio.davidson.edu/misc/movies/macwalk.mov

Baktēriju pārvietošanās eikariotu šūnā

www.sigmaxi.org/amsci/articles/ 01articles/gulbinscap8.html

Baktēriju pārvietošanās eikariotu šūnā

/filmas/listeria-filmahttp://ww2.mcgill.ca/biology/undergra/c201b/listeria.mov

Miozīns un aktīna mikrofilamentu loma vielu un organellu transportā

Mikrofilamenti un to motorās olbaltumvielas nodrošina aktīvus iekššūnas transporta procesus. Motorajām olbaltumvielām aminoterminālā daļa var piesaistīties pie aktīna mikrofilamentiem, bet blakus domēni piesaista un hidrolizē ATF. Molekulu karboksilterminālā daļa, atkarībā no tās uzbūves, pievienojas pie noteiktiem lipīdiem vai olbaltumvielām.

Pie mikrofilamentu motorajām olbaltumvielām pieder miozīna molekulas.

Miozīns I

Miozīna I molekulas var savstarpēji savienot aktīna mikrofilamentus kūlīšos, kā arī tos savienot ar plazmatisko membrānu, ar vakuolu, diktiosomām un to sekretorajām vezikulām. Tās piedalās arī endocitozē. Miozīna I molekulu kodējošo gēnu mutāciju gadījumos dažādu organismu šūnās ir traucēta endocitoze, pinocitoze un fagocitoze.

Miozīns II

Miozīns II nodrošina mugurkaulnieku muskuļu šūnu kontrakcijas, bet citos šūnu tipos - kontraktilā gredzena veidošanos un šūnu atdalīšanu citokinēzē.

Citoskelets muskuļu šūnās

Žurkas ventrikulārie miocīti. Mitohondriji - sarkani, kodols (DNS) - zils, mikrofilamenti (F-aktīns) - zaļš.

http://vis.sdsc.edu/research/cancer2.html

Vezikulu un diktiosomu pārvietošanās

• Putekļu sūcēja modelis: diktiosomas aktīvi pārvietojas gar aktīna mikrofilamentiem un uzlasa atdalītās vezikulas

• Vervēšanas modelis:

ja diktiosomas receptors uztver sekretētu vezikulu, tas apstājas pie aktīvi sekretējoša ER iecirkņa

1, Centrosomas sastāvsaļu retrogradais transports. 2, Starpfilamentu anterogradais

un retrogradais transports. 3, Ribonukleoproteīnu (RNP) anterogradais un retrogradais transports. 4, Miozīna, kinezīna un dineīna mijiedarbība ar mikrocaurulīšu “+”gala proteīnu kompleksu. 5, Dineīna noenkurošana šūnas perifērijā, kuru izklāj aktīna mikrofilamenti. 6, Kinezīna mijiedarbība ar aktīnu 7, Dineīna noenkurošana štarpšūnu kontaktzonā izmantojot katenīna molekulas.

Molecular motorsManfred Schliwa and Günther Woehlke

Nature 422, 759-765(17 April 2003)doi:10.1038/nature01601

Starpfilamenti

Starpfilamenti

• Starpfilamenti ir atrodami visos eikariotisko šūnu tipos. Tie ir ļoti daudzveidīgi pēc garuma un ķīmiskā sastāva.

• Pašreizējais nosaukums radies tāpēc, ka to diametrs ir mazāks kā mikrocaurulītēm, bet lielāks kā mikrofilamentiem, un tas ir apmēram 10 nm.

• No mikrofilamentiem un mikrocaurulītēm tie atšķiras arī ar to, ka šo elementu polimerizācijai nav nepieciešama GTF vai ATF hidrolīze.

• Tie, atšķirībā no mikrofilamentiem un mikrocaurulītēm, ir arī stabilāki.

• Tieši tie šūnās pilda skeleta funkciju, saista savā starpā dažādus citoskeleta elementus, plazmatisko membrānu un lielāko daļu no šūnu organoīdiem.

• Mugurkaulnieku šūnās var izšķirt piecas starpfilamentu grupas:

1) laminas;

2) vimentīns un tam līdzīgās olbaltumvielas;

3) bāziskie keratīni;

4) skābie keratīni;

5) neirofilamenti.

Keratīna starpfilamentiepitēlija šūnās

• Epitēlija šūnās keratīna starpfilamenti pievienojas pie desmosomām un tādējādi savieno blakus novietotās šūnas.

Keratīna novietojums

Citokeratīni ietver kodolu un kodola tuvumā novietotos mitohondrijus. Tie saista arī ietvertās organellas ar šūnas perifēriju un plazmatisko membrānu.

http://froglab.biology.utah.edu/Cytoskeleton/Keratins/body_keratins.html

Kodola laminas

Kodola laminas mitozē

Neirofilamenti

• Neirofilamenti starp mikrocaurulītēm.

• Neirofilamenti pie vezikulām.

• Neirofilamenti pie mitohondrijiem.

• Aksonos un dendrītos neirofilamenti

var būt pievienoti mikrocaurulītēm

un transportējamajām organelām.