Система тубулин — динеин

Свыше миллиарда лет назад живой организм «открыл» для себя преимущество строительства опорных элементов из трубчатых элементов; открытие это нашими инженерами сделано лишь недавно. Как полагают, это эволюционное приобретение было получено благодаря обычному механизму «случайная мутация — естественный отбор». Возможно, какой-то актиноподобный глобулярный белок, обладающий способностью к продольной самосборке, претерпел генетическое изменение и в результате утратил способность к латеральному объединению, после чего отдельные филаменты начали образовывать цилиндрические структуры — пласты вместо двойных спиралей.
И действительно, тубулин, составная часть микротрубочек, представляет собой, как и актин, небольшой глобулярный белок диаметром около 4 нм, имеющий комплементарную ось «замок—ключ», что позволяет осуществлять безграничное линейное объединение молекул. Однако имеются два тубулина, обозначенные как а и Р, которые, несомненно, являются эволюционными близнецами, о чем свидетельствует ярко выраженное сходство их аминокислотной последовательности. Существует предпочтительное а—р-соединение, которое остается стабильным при распаде микротрубочек, поэтому истинным эквивалентом й-актина следует считать аргетеродимер, а не мономер. Эти субъединицы линейно объединяются посредством обратимых (s—а-связей с образованием протофиламентов . Последние в свою очередь объединяются латерально посредством второй системы «замок—ключ», ступенчато, таким образом, что каждая а—р-субъединица граничит с соседней р—а-парой, сдвинутой примерно на четверть ее длины. Образующийся пласт имеет не плоскую, а изогнутую поверхность и превращается в цилиндрическую структуру, когда ровно 13 протофиламентов выстраиваются в ряд бок о бок.
Как и в случае превращения й-актина в И-актин, сборка микротрубочек связана с гидролизом нуклеозидтрифосфата, но в этом случае ГТФ (вместо АТФ для актина). Существует связывающий ГТФ сайт на аргетеродимере. При сборке ГТФ расщепляется на ГДФ, который остается связанным, и Фн, который высвобождается. Если принять во внимание упомянутое выше сходство, можно допустить, что между актином и тубулином имеется эволюционное родство; произошли генетические изменения, вполне возможно — явившиеся ключевым событием дивергенции. В результате один ген принял две формы (предшественники генов аиртубулина). Однако все, что нам известно об аминокислотной последовательности актина и тубулина, не подтверждает эту гипотезу.
Независимо от их эволюционного происхождения, развитие микротрубочек, бесспорно, сыграло важную роль в появлении эукариотов, в растительных и животных аналогах которых они повсеместно присутствуют. Согласно одной теории, микротрубочки впервые появились у некоторых жгутиковых микроорганизмов (которые постепенно становились симбиотически адап-тированными общими предшественниками эукариотов), чтобы обеспечить эти клетки наряду с другими преимуществами и элементами митотического веретена. Но в отличие от митохондрий и хлоропластов центриоли — организующие центры митотического веретена, удваивающиеся при каждом делении клетки, — судя по всему, не содержат ДНК.
Для туриста, вознамерившегося проникнуть в клетку и экипированного увеличивающими в миллион раз приборами (очками, микроскопом, биноклем и т. д.), микротрубочки предстают в виде неких толстостенных садовых шлангов с наружным диаметром немногим более 2,5 см (28 нм — их истинная величина) и внутренним диаметром 1,25 см (14 нм — истинная величина). Микротрубочки имеют бугристую поверхность; выступы диаметром около 4 нм расположены 13 продольными рядами, в которых незначительные различия в форме отражают регулярное чередование а- и р-субъединиц. В результате зигзагообразного расположения рядов выступы образуют многообразие спиральных структур вокруг трубки. Среди них имеются правозакрученная спираль из одинаковых субъединиц (все а или р) с шагом витка 40 нм и левозакрученная спираль из чередующихся субъединиц аире шагом 12 нм. Как правило, основной скелет затем обрастает дополнительными белками (ассоциированные с микротрубочками белки, или МАБ), частично погруженными в продольные желобки, а частично свободно выступающими в виде волосков или пушистых выростов, также спирально обвитыми вокруг стержня микротрубочки. В целом микротрубочки представляют собой весьма привлекательное зрелище. Но еще привлекательнее структуры, для строительства которых они используются.
Многие такие структуры образуются из подвижных микротрубочек. Они непостоянны и изменчивы, так как являются продуктами динамического равновесия между двумя противоположными процессами, которые продолжаются более или менее постоянно. Это равновесие легко нарушается. Так, распаду микротрубочек благоприятствуют охлаждение, высокое давление, ионы кальция и -такие лекарственные вещества, как колхицин или некоторые алкалоиды (винбластин, винкристин), экстрагированные из барвинка мало-го Vinca rosea. Названные лекарственные вещества связываются со свободными гетеродимерами и тем самым препятствуют их соединению друг с другом. С другой стороны, нагревание и обработка тяжелой водой благоприятствуют сборке микротрубочек.
Мир клеток изобилует поразительными примерами упомянутых феноменов. Среди путешественников по живой клетке особой популярностью пользуется группа простейшихНеПогоа . Эти одноклеточные организмы получили свое название благодаря тому, что они выпускают длинные тонкие жесткие отростки—лучи (аксоподы), радиально расходящиеся во все стороны от тела клетки и достигающие в длину 0,5 мм. Только представьте себе картину, открывающуюся вашему взору через увеличительные стекла: огромный шар диаметром свыше 10 м утыкан гигантскими отростками, достигающими 1,5 м в ширину и более 500 м в длину! Если вы решитесь прогуляться по одному такому отростку, то обнаружите, что он поддерживается центральным стержнем (осью), образованным сотнями параллельных микротрубочек, поперечно связанных в удивительную двойную спираль с 12-кратной симметрией. Вы заметите также двустороннее движение частиц и молекул; они деловито перемещаются вдоль оси, связывающей тело клетки с верхушками аксопод, где наряду с другими событиями происходит и эндоцитоз.

Кератин,материал прочности

Термином «кератин» — обозначают семейство богатых серой фиброзных белков, основных составных частей кожи, шкур животных, волос, рогов, копыт, ногтей, чешуи, перьев, клювов — одним словом, наружных покровов и производных кожи, которыми позвоночные вооружаются против нападенйя врагов из внешнего мира. В отличие от защитных покрытий у растений и низших животных, которые создаются внеклеточно из секреторных продуктов, у позвоночных аналогичные структуры образуются внутриадеточно в результате замечательного процесса дифференцировки.
Этот процесс совершается в эпителиальных клетках. Последние образуются из стволовых клеток, формирующих глубокий
слой под кожей. Стволовые клетки делятся неравномерно на недифференцированные стволовые клетки, остающиеся в герминативном слое, и дифференцирующиеся дочерние клетки. По мере шелушения поверхностных слоев кожи дочерние клетки, в свою очередь подталкиваемые к поверхности более молодым поколением дочерних клеток, медленно перемещаются, чтобы заменить их.
Если бы мы посетили такую молодую эпителиальную клетку в начале ее путешествия по направлению к периферии, то увидели бы, что ее цитоплазма тут и там пересечена плотными волокнами толщиной около 8 нм (треть дюйма при нашем увеличении). При более близком знакомстве волокна оказываются пучками филаментов, образованных из более тонких нитей, которые на первый взгляд напоминают структуру тропоколлагена. Как и основная единица волокон соединительной ткани, элементарная субъединица кератина представляет собой трехнитчатую суперспираль, составленную из белковых, также спирально скрученных цепей. Шаг скрученной спирали аналогичен таковому для тропоколлагена и равен приблизительно 6,5 нм. Однако при более близком знакомстве обнаруживаются существенные различия между двумя структурами. В кератине трехнитчатая спираль закручена влево, а не вправо, как в тропоколлагене. Три составляющие его полипептидные цепи обычно различны и каждая закручена в типичную правовращающую а-спираль наподобие спирали во многих белках . Мы встретимся с удивительными примерами этой структуры несколько позже, в миозине и тропомиозине. С другой стороны, спиральная структура коллагена с ее поворотом влево и высотой шага 1 нм уникальна и объясняется необычным аминокислотным составом и после-довательностью. Субъединицы кератина также короче тропоколлагена: 60—90 нм против 300 нм. Они собираются продольно и поперечно с образованием характерных промежуточных филаментов диаметром 8 нм.
Кератиновые пучки образуют рыхлую трехмерную сеть, окружающую ядро структурой в виде корзинки и натянутую между пластинками прикрепления, расположенными вдоль плазматической мембраны. Как правило, эти пластинки скрепляются при помощи определенного плотного клейкого материала с аналогичными пластинками на поверхности соседних клеток, образуя тем самым плотные адгезивные контакты, или десмосомы, которые привлекли наше внимание при первом визите в кровеносный сосуд . Тонофиламенты, прикрепляющие кератиновые волокна, направляются от десмосом латерально в глубь клетки и располагаются в десмосомах таким образом, чтобы установить прямые связи между кератиновыми сетями двух соседних клеток.
По мере своего медленного продвижения от слоя герминативных стволовых клеток к поверхности кожи эпителиальные клетки производят кератин во все увеличивающихся количествах за счет массивной аутофагии (самопожирания) своего содержимого.’ Одновременно кератиновые волок-, на начинают интенсивно связываться посредством поперечных дисульфидных связей между собой и с компонентами аморфного матрикса. К тому моменту, когда клетки достигают поверхности кожи, они сморщиваются и высыхают, становятся безжизненными, инертными, но в то же время чрезвычайно плотными. Прочно скрепленные друг с другом десмосомами, они образуют единый защитный пласт, роговой слой, который постоянно удаляется за счет поверхностного шелушения (десквамации) и замещается новыми дифференцированными эпителиальными клетками.
Если шелушению препятствует объединение наползающих клеточных слоев, то роговой слой утолщается до образования
мозоли. Если немного изменить характер роста клеток, модифицировать природу или соотношение различных полипептидов, строящих кератин, и степень их поперечного связывания, то в результате образуются чешуя, ноготь, коготь, рог или клюв. Если дифференцирующиеся клетки растут в виде трубки, а не пласта, то образуются все виды волос и игл (шипов), а путем более сложных взаимодействий — птичьи перья, колючки и пушок пернатых. В самом деле, число архитектурных вариантов, которые’ эволюция создавала путем кератинизации, беспредельно. Тысячелетиями некоторые из них обеспечивали человека одеждой и орудиями труда. Даже в наш век господства пластмасс ни одно искусственное волокно все еще не может конкурировать с кератином, который образуется у ангорской козы.
Как упоминалось выше, кератин — типичный продукт эпителиальных клеток. В клетках других типов поддерживающие промежуточные волокна — филаменты построены из других белков, которые объединяются по-иному. Но время не позволяет детально остановиться на их строении, а потому вернемся к «обобщенной» клетке, представляющей основной объект нашего путешествия.

Актин-миозиновая система

Актин и миозин — два белка, ответственные за замечательную двигательную систему, впервые выявленную в мышечных клетках, но, как теперь известно, существующую во всех клетках: тонкие актиновые филаменты (нити) образуют так называемые «цитокости», а толстые миозиновые филаменты — «цитомышцы».
Актиновые филаменты обычно группируются в тонкие пучки, которые тянутся через всю цитоплазму подобно телефонным проводам (так называемые волокна напряжения) либо переплетаются в виде различных кабелей, ремней, покрытий или паутины, которые чаще всего служат для укрепления плазматической мембраны. Они также составляют осевые стержни, поддерживающие такие поверхностные выросты, как микроворсинки. Каждый актиновый филамент толщиной 6—7 нм (около 60 мм при нашем увеличении в миллион раз) состоит из двух переплетенных нитей.В отличие от другиих нитевидных структур, с которыми мы сталкивались до сих пор, такими, как коллаген и кератин, актиновые нити образуются не из фибриллярных белков, а скорее из маленьких белковых шариков (глобул) обычного скрученного типа, соединенных комплементарными сайтами связывания, расположенными на двух полюсах. Тем самым актиновая нить напоминает одну из тех бесконечно растущих цепей или рядов, которые можно построить из одинаковых взаимосоединяемых частей, которые часто даются детям для проверки их комбинаторных навыков. Как и эта цепь, актиновая нить характеризуется полярностью, определяемой направлением оси «замок—ключ» в составляющих ее частях. В случае актина цепь не одинарная, а двойная, поскольку составляющие ее части (единицы) имеют второй сайт «замок—ключ», находящийся сбоку. Связывание двух параллельных нитей этими сайтами происходит с направленным слегка вправо поворотом, создающим вытянутую, состоящую из двух нитей спираль с шагом 77 нм (около 7,5 см при нашем увеличении), которая содержит 14 пар субъединиц в одном витке.
Субъединицы активных филаментов называют глобулярным, или й-актином.
Продукт их полимеризации представляет собой фиброзный, или Р-актин. Взаимопревращаемость этих двух форм — вот фактор, позволяющий живым клеткам демонтировать некоторые части своего акти- нового скелета и собирать их снова, но уже по-другому. Эти взаимопревращения контро-лируются сложной регуляторной системой, до сих пор во многом нерасшифрованной, при активном участии АТФ. На молекуле й-актина существует специфический сайт связывания для АТФ. При полимеризации актина молекула АТФ гидролизуется и образующийся АДФ остается связанным с И-актином. Перед тем, как структура распадается, АДФ замещается на АТФ.
Как правило, спиральные желобки, разделяющие две нити актинового филамента, заняты тонкой нитью, образованной молекулой другого белка, так называемого тропомиозина (греч. /лоре — поворачивать, туз — мышца). Эта молекула представляет собой закрученную влево спираль дли-ной около 41 нм, образованную двумя идентичными полипептидными аспиральными на большем своем протяжении цепями с шагом 7 нм. Перед нами второй пример а-спирали, которую мы недавно видели, рассматривая волокна кератина. Отметим, однако, что тропомиозин состоит из двух спирально скрученных нитей, а кератин — из трех. В актиновом филаменте каждая молекула тропомиозина простирается на расстояние, соответствующее расположению семи О-актиновых субъединиц, или половине витка спирали. Следовательно, на каждый 77-нм виток Р-актина приходится две пары димерных молекул тропомиозина, закручивающихся вместе с 14 парами й-актиновых субъединиц. Только в поперечнополосатых мышечных клетках эта повторяющаяся структура содержит четыре дополнительные молекулы другого белка, тропонина, который прикрепляется к актиновой нити вблизи соединения между последовательными молекулами тропомиозина. Тропонин, как мы увидим дальше, играет ключевую роль в регуляции мышечного сокращения.
Актиновые филаменты одним своим концом — всегда одним и тем же относительно полярности филамента — прочно прикреплены к плоской дископодобной структуре. Помимо идентифицированного белка а-актинина в состав этой структуры
входят и другие белки. Эти точки прикрепления остаются даже после демонтажа филаментов и служат сайтами «ядрообра- зования» для роста новых филаментов Цитохалазин В (яд, получаемый из грибов) обладает способностью связываться с растущими концами активновых филаментов и ингибировать их дальнейшее удлинение. Эта способность позволяет цитохалазину противостоять другой клеточной активности, вызывающей ремодели- рование актинового цитоскелета, что чрезвычайно важно для анализа самой этой активности.
Диски прикрепления актиновых филаментов в свою очередь прикреплены к специальным участкам — «пэтчам» на внутренней поверхности плазматической мембраны либо друг к другу, либо к другим внутриклеточным органеллам. Именно таким образом они формируют самые разнообразные положения, которые можно обнаружить в различных типах клеток или в одной и той же клетке в разных функциональных состояниях. Прикрепление этих дисков обеспечивается рядом структурных белков (название которых .намекает на их свойства), таких, как, винкулин (лат. vin.cu.la — связь), анкирин (греч. апкуга — крючок, ловушка) или спектрин (название объясняется тем, что белок впервые был выделен из «теней» эритроцитов). В мышечных клетках многочисленные диски прикрепления соединены белком десмином с образованием структуры, напоминающей две склеенные спинками щетки с направленной в разные стороны щетиной.
Мы увидим, как эти «щетины» функционируют при мышечном сокращении. Но прежде представляется полезным изучить’ один пучок из нескольких актиновых филаментов, начиная с точки их прикрепления. Сначала филаменты образуют до-вольно рыхлый запутанный клубок; такое впечатление, будто они держатся вместе только за счет их общего прикрепления. Но постепенно они собираются в цилиндр из шести филаментов вокруг длинного центрального стержня толщиной около 15 нм. Сам стержень простирается за концы филаментов, достигая в длину нескольких сотен нанометров (иногда до 1 мкм), и заканчивается, как сердцевина, во втором, симметрично ориентированном пучке филаментов. Наше увеличение в миллион раз позволяет увидеть неподвижный прут длиной около метра и толщиной примерно 1,5 см, соединяющий два противоположно направленных пучка из шести идентичных двойных извитых проволок толщиной около 60 мм.
Этот соединяющий прут, или стержень, образован миозином, уникальным белком, название которого, как и тропомиозина, происходит от греческого слова туе (мышца). Миозин — двойная молекула длиной 155 нм (немногим более 15 см при нашем увеличении). По форме молекула миозина напоминает клюшку для игры в гольф (с расщепленной головкой) или,пользуясь более романтичным сравнением, двойной цветок на длинной ножке По своему строению стержень молекулы (около 135 нм длиной и 2 нм толщиной) очень похож на тропомиозин. Он представляет собой левозакрученную двухнитчатую суперспираль с шагом около 7,5 нм, образованную двумя идентичными почти идеальными а-спиральными полипептидными цепями. Миозиновый стержень представляет собой самую длинную из аналогичных структур, известных в природе. На его верхнем конце две нити разделяются на две подвижные ножки-стебельки, которые постепенно закручиваются в двойные глобулярные «цветы» или «головки»; каждая «головка» состоит из терминальной части одной из нитей стержня, или тяжелой цепи, сплетающейся с двумя дополнительными легкими цепями. В структуре миозинового стержня имеется одна неправильность, обеспечивающая существование шарнира между гидрофобной дистальной частью длиной около 110 нм и более гидрофильной проксимальной частью несущей головки. В результате протеолитический фермент трипсин может разрезать молекулу миозина на две части: легкий ■ меромиозин (ЛММ) и тяжелый меромиозин (ТММ). Второй шарнир существует между головками и стержнем в тяжелом меромиозине; он чувствителен к расщепляющему действию другого протеолитического фермента, папаина, кото рый разрезает тяжелый меромиозин на два субфрагмента Б] и
Миозиновые молекулы обладают удивительным свойством спонтанно собираться в пучки, которые напоминают миниатюрные экзотические деревья, украшенные изящными гирляндами цветов. «Ствол» этого дерева образован из стержней миозиновых молекул, соединенных вдоль своими гидрофобными частями из ЛММ; стержни располагаются ступенчато и спирально таким образом, что возможно неограниченное удлинение ствола при постоянной толщине (за исключением заостренной верхушки). Головки, или «цветы», выступают из ствола на более гидрофильных участках ЛММ, образуя гирлянду, которая спирально закручивается вокруг ствола. Истинная конфигурация этой структуры все еще не ясна и, как полагают, может значительно варьировать в зависимости от типа клеток и вида животного. Постоянным, по-видимому, является только продольное расположение головок вдоль ствола. Дополнительной, но крайне важной особенностью этого процесса сборки миозина является его симметричность. Два ‘миозиновых «дерева» всегда соединены своими корнями таким образом, что каждый миозиновый филамент образован двумя украшенными гирляндами стволами противоположной полярности, соединенными «оголенной», без «цветов», центральной частью длиной около 300 нм.
Цветы на миозиновом дереве — строго говоря, головки миозиновых молекул — представляют собой крючки, к которым прикрепляются актиновые филаменты. Они располагаются вокруг ствола так, что с ними могут связаться шесть параллельных актиновых филаментов, создавая вокруг ствола гексагональную оболочку. Одна такая оболочка образуется на каждом конце миозинового ствола, который тем самым соединяет два противоположных актиновых пучка.
Такое расположение требует, чтобы актиновые филаменты имели определенным образом ориентированные сайты связывания для миозиновых головок. Это свойство может быть использовано для идентификации актиновых филаментов на тканевых срезах и определения их полярности. Миозиновые головки, ферментативно отрезанные от стержня и очищенные, используются как реагенты. Они специфически связываются с актиновыми филаментами и «украшают» их типичными наконечниками, острие которых направлено в сторону свободного конца актинового филамента.

Микротрабекулы

Исследователи, изучающие клетки при помощи самых точных из ныне доступных инструментов и методов, таких, как электронный микроскоп в 1 МВ или метод быстрого замораживания или глубокого травления при приготовлении образцов тканей для сканирующей электронной микроскопии, обнаружили тончайшую волокнистую сеть филаментов, пронизывающую весь цитозоль и прикрепленную многочисленными точками прикрепления ко всем имеющимся цитоплазматическим структурным компонентам. Элементы этой сети получили название «микротрабекул» — буквально сверхминиатюрные лучи (или перекладинки). На самом деле микротрабекулы не столь миниатюрны: их толщина примерно 10—15 нм; таким образом, они, бесспорно, толще актиновых филаментов и, возможно, сравнимы по толщине с миозиновыми филаментами. Причина, по которой они не были обнаружены ранее, заключается в их малой длине и случайной ориентации в ячеистой сети. Для распознавания микротрабекул как составных частей сети потребовалось их пространственное выявление.
Из картин микротрабекулярной сети, которые вспоминаются до сих пор, становится ясно, что микротрабекулы придают цитозолю значительно большую структурную жесткость и организованность, чем нам показалось при первом знакомстве с этой частью клетки. Признаться, наше продвижение на том этапе было достаточно трудным и неуклюжим, и мы могли не заметить эту нежную паутину. Но вместе с тем существуют и некоторые сомнения относительно реальности микротрабекулярной сети: ведь она делает клетку почти «сверхорганизованной», а химически до сих пор не идентифицирована, что весьма удивительно с учетом ее распространенности. Проблема усугубляется тем обстоятельством, что исследователи, выявившие микротрабекулярную сеть при помощи современного сложнейшего инструментария, изучали мертвые, а не живые клетки. Обусловлена ли трабекулярная ячеистая сеть артефактом фиксации или каким-либо другим посмертным изменением — вопрос спорный. Но тот факт, что различные части клетки часто передвигаются согласованно, подтверждает точку зрения о существовании между ними соединяющей сети.

Кальций и подвижность клеток

В ходе краткой экскурсии по поперечно-полосатой мышце мы обнаружили электрифицирующий эффект ионов кальция, которые, соединяясь с тропонином С, вызывают такое конформационное изменение этой белковой субъединицы, что прикрепленный тропомиозин перемещается и более не препятствует взаимодействию актина с миозином и гидролизу АТФ.
Это лишь один из многочисленных примеров важных пусковых функций, осуществляемых кальцием. Ионы кальция также стимулируют гладкомышечные волокна, а возможно, все типы актин-миозиновых систем, ингибируют сборку микротрубочек, останавливают или изменяют колебания ресничек, влияют на полимеризацию клатрина и могут участвовать в мембранных слияниях, которые определяют эндоцитоз, экзоцитоз, а также слияние и разделение внутриклеточных везикул. И наконец, ионы кальция активируют ряд ферментов, в частности некоторые киназы белков . Эти ферменты выполняют важные регуляторные функции, поскольку биологическая активность белков, на которые они воздействуют, в высшей мере зависит от их фосфорилирования. Тем самым белки, активность которых обусловливается фосфорилированием, зависят от кальция. К их числу, относится, по-видимому, миозин гладких мышц. И напротив, белки, которые активны только в дефосфорилированной форме, «закрываются» ионами кальция.
При осуществлении всех этих функций ионы кальция действуют опосредованно через кальцийсвязывающий белок, кальмодулин. Подобно тропонину С, кальмодулин также претерпевает конформационное изменение при связывании с кальцием. Именно этот измененный белок обусловливает эффекты, присущие кальцию. Его функциональное сходство с тропонином далеко не случайно. Оба белка состоят в тесном родстве, о чем свидетельствует выраженное сходство их аминокислотных последовательностей, и, по- видимому, они являются эволюционными потомками общего предка.
Такие важные функции предполагают существование внутриклеточных резервуаров кальция, снабженных чрезвычайно эффективными насосами и разгружающими клапанами. Самые высокоорганизованные системы обнаружены в поперечнополосатых мышцах, особенно в летательных мышцах насекомых, которые переходят из состояния покоя в активное состояние до нескольких сотен раз в секунду. В поперечнополосатой мышце кальций хранится в специализированной форме эндоплазматического ретикулума, так называемом саркоплазматическом ретикулуме, который тесно оплетает саркомеры; при этом расстояние.которое должны пройти ионы кальция, очень короткое. Высвобождение кальция из этого резервуара может происходить почти мгновенно благодаря существованию глубоких впячиваний в плазматической мембране (Т-система), тесно связанных с саркоплазматическим ретикулумом в так называемой триаде. При возбуждении мы-шечного волокна волна деполяризации распространяется вдоль плазматической мембраны и, проходя через систему триад, временно вызывает просачивание ионов кальция из саркоплазматических резервуаров. Мощный насос, находящийся в саркоплазматической мембране, с помощью АТФ всасывает ионы кальция обратно с такой же скоростью, с какой они высвобождались.
Специализированные домены эндоплазматического ретикулума, аналогичные саркоплазматическому ретикулуму, могут существовать и в некоторых других клетках. Однако наиболее распространенными резервуарами кальция являются, с одной стороны, внеклеточная жидкость и, с другой, митохондрии. Каждый из них снабжен кальциевым касосом. Насос в плазматической мембране выкачивает кальций из клетки. Насос, находящийся во внутренней митохондриальной мембране, который, как мы уже видели, запускается протондвижущей силой с помощью природного кальциевого ионофора, концентрирует кальций в митохондриальном матриксе. Благодаря этим двум насосам в цитозоле поддерживается очень низкая концентрация кальция. Любое локальное изменение в плазматической или внутренней митохондриальной мембранах, замедляющее работу кальциевого насоса или, наоборот, увеличивающее выход кальция, вызывает локальное же повышение концентрации кальция в цитозоле. Это, в свою очередь, приведет к усиленному связыванию кальций- связывающих сайтов кальмодулина и разтвитию отдельных упомянутых выше эффектов. Некоторые нервные импульсы, ряд гормонов и поверхностных лигандов вызывают подобные изменения в плазматической мембране. Внутриклеточные посредники, возникающие под влиянием метаболических изменений или, возможно, как в случае циклического АМФ, в ответ на поверхностное воздействие, влияют подобным же образом на внутреннюю шдахондриальную мембрану.

Актин-миозиновая система часть-2

До сих пор мы видели, что миозиновый ствол служит просто связующим стержнем между двумя пучками актиновых филаментов — картина красивая, но статичная. Однако стоит нескольким ионам кальция достичь этой системы, как взору туриста, путешествующего по живой клетке, предстанет одно из самых поразительных проявлений молекулярной пиротехники: внезапно миозиновые головки оживают и начинают неистово сгибаться на своих ножках, где бы они ни прикреплялись к сайтам связывания на актиновом филаменте, подтягивая его на 10 нм внутрь в направлении середины ствола. После этого они ослабляют «хватку». Однако к тому моменту другие миозиновые головки приходят в соприкосновение с актиновыми сайтами связывания и осуществляют дальнейшее их подтягивание и перемещение на 10 нм. Это продолжается до тех пор, пока присутствуют ионы кальция (а также АТФ, см. ниже). Все актиновые филаменты на каждом конце миозинового стержня «подтягиваются» одинаково, тем самым давая возможность двум противоположно направленным пучкам актиновых филаментов, связанных миозиновым стержнем, скользить друг к- другу и притягивать соответствующие точки прикрепления ближе к середине, т. е. сближать их. При этом расстояние между соседними точками прикрепления сокращается, хотя ни один из филаментов, соединяющих эти точки, не укорачивается. Филаменты скользят относительно друг друга, используя своеобразный молекулярный «храповик».
В ходе этого процесса совершается механическая работа и поэтому требуется энергия, которая, что вряд ли вас удивит, поставляется за счет гидролиза АТФ в АДФ и Фн. Миозиновые головки в действительности представляют собой высокоспецифичные гидролизующие АТФ ферменты (АТФазы). Они могут проявлять свою каталитическую активность при трех условиях: 1) будучи связаны с актином; 2) будучи активированы ионами кальция (механизм активации мы рассмотрим позднее) и 3) имея возможность при этом сгибаться. Непременное сопряжение между химическими реакциями гидролиза АТФ и конформационным изменением, которое заставляет головку связанного с актином миозина сгибаться на ножке и продвигаться вдоль актинового филамента, — важнейшее, основополагающее свойство, позволяющее актинмиозиновой системе превращать свободную энергию гидролиза АТФ в механическую работу.Вид выполняемой работы зависит от расположения в клетке двух точек прикрепления, которые притягиваются друг к другу, и их топологических взаимоотношений. Нередко одна точка прикрепления остается фиксированной, а перемещается только другая точка. Рассмотрим, например, ползание клетки. Участок плазматической мембраны, к которому прикреплен пучок актиновых филаментов, плотно прикрепляется к субстрату (адгезивная пластинка); после прикрепления к субстрату актинмиозиновый комплекс укорачивается и тащит все, что к нему прикреплено, вплоть до целой клетки через ее цитоскелет по направлению к пластинке адгезии. Как только движение прекращается, адгезивная пластинка «отклеивается» и впереди появляются новые пластинки адгезии, образованные складчатыми выростами, ламеллоподиями , которые выпускают клейкие пальцевидные выросты — филоподии. По мнению некоторых исследорателей, описанное явление может лежать в основе механизма амебоидного движения, посредством которого клетки передвигаются по направлению (положительный хемотаксис) или от (отрицательный хемотаксис) определенных объектов, посылающих химические сигналы.
Как мы уже видели, актиновые волокна нередко располагаются непосредственно под плазматической мембраной в виде поясов или сплетений различной формы, иногда связанных с осевыми волокнами в сердцевине микроворсинок и других клеточных выростов. Уплотнение пояска вызывает сокращение клетки; сокращение сплетения приводит к сжатию клетки, сморщиванию или округлению ее поверхности, образованию складок, выступов или впячиваний или других деформаций поверхности клетки; натяжение или подтягивание осевых волокон вызывает наклон микроворсинки. И, если точки прикрепления фиксированы на внутриклеточных органеллах, можно видеть, как последние перемещаются друг относительно друга и относительно клеточной поверхности.
В самом деле, нетрудно представить, по крайней мере теоретически, как неисчислимое многообразие движений, производимых живыми клетками, может осуществляться координированной работой сотен крошечных миозиновых цитомышц, активно перемещающих актиновые цитокости в различных направлениях. Здесь можно провести аналогию со сложным человеческим организмом: ведь и сложные движения нашего собственного тела можно объяснить работой мышц по перемещению костей или образованию складок кожи. Но потребуется множество ультрамикроскопических исследовании и анализов, пока недоступных нашим современным техническим средствам, прежде чем ученые сумеют детально описать и объяснить в терминах перемещения детальную анатомию внутриклеточных костей и мышц. Эти трудности усугубляются и тем обстоятельством, что форма и взаимосвязи многих цитокостей изменяются, равно как и расположение сайтов для прикрепления многих цитомышц. Кроме того, как мы убедимся ниже, в клетках имеется вторая цитоскелетная система, образованная микротрубочками, и второй тип цитомышц, динеин, связанный с этой системой.
Сила, развиваемая актинмиозиновой системой, зависит от числа миозиновых головок, дружно работающих в данный конкретный момент, т. е. в тот отрезок времени, в течение которого филаменты взаимодействуют, и от числа параллельных филаментов, которые объединяются в этом усилии. Если мы рассмотрим единичную актин-миозиновую связь, то заметим, что каждый из шести актиновых филаментов, окружающих миозиновый стержень, имеет на своей свободной поверхности не занятые сайты для связывания с миозином. Исходя из этой особенности, можно предположить, что шесть филаментов первого пучка связывают дополнительные миозиновые стержни, которые в свою очередь могут окружить себя дополнительными филаментами и т. д. Повторяя такое расположение филаментов, мы придем к структуре с гексагональной симметрией, в которой каждый миозиновый филамент окружен шестью актиновыми филаментами, а каждый актиновый филамент — тремя миозиновыми стержнями, чередующимися с тремя актиновыми филаментами. Если в такой структуре обездвижить актиновые филаменты, склеив их актининовые корешки, и затем проскользнуть мимо вставленных миозиновых прутков, то в конце можно натолкнуться на «щетину» тонких актиновых филаментов, расположенных на расстоянии 15—25 нм друг от друга на каждом углу правильной гексагональной решетки, в которой каждый шестиугольник окружает отверстие, соответствующее толстому миозиновому филаменту. Это достигается с помощью соединительного белка, десмина, о котором мы упоминали выше. В мышечных клетках десмин образует также прямоугольную сеть, которая принимает гексагональную форму при погружении миозиновых стержней в актиновую щетину.
В поперечнополосатой мышце позвоночных все актиновые филаменты имеют одинаковую длину 1 мкм, а все миозиновые стержни—1,5 мкм. Целая единица из двух противоположно направленных актиновых «щетин», соединенных центральными миозиновыми стержнями, называется «саркомером» . Длина саркомера варьирует приблизительно от 3,5 мкм (актиновые филаменты почти полностью выдвинуты из миозиновых филаментов) до 1,5 мкм (оба вида филаментов полностью перекрывают друг друга). В последнем состоянии свободные концы актиновых’ филаментов (250 нм) соединяются в пучки в пространствах между гладкими серединами миозиновых стержней, тогда как конусообразные концы миозиновых стержней касаются а-актинин-десминовой сети, из которой берут начало актиновые филаменты. Было бы замечательно, если бы мы могли свободно побродить по саркомеру! Ведь, насколько можно судить, его устройству может позавидовать самый искусный садовник! Представьте себе ветвистые, украшенные гирляндами цветов миозиновые стволы, чередующиеся с тонкими актиновыми стеблями, изящно украшенными тропомиозином, расположенным в спиральных желобках, и тропонином. К сожалению, подобное путешествие потребовало бы от нас дальнейшего уменьшения по крайней мере во сто крат. Даже при нашем увеличении в миллион раз деревья этого молекулярного «леса» отстоят друг от друга на расстоянии меньше 2,5 см. К тому же это пространство почти целиком заполнено растущими на деревьях «цветами». В довершение всего нам грозила бы постоянная опасность «проскальзывания» ионов кальция и «захлопывания леса». Мы вынуждены довольствоваться двумерным пространственным изображением, полученным при помощи электронного микроскопа. Но даже уменьшенный до такой степени, молекулярный «лес» завораживает нас своей красотой.
В мышечной фибрилле значительное число саркомеров связано в группы десмином, который не только соединяет места прикрепления актина с образованием соответствующим образом расположенной «щетины», но также, как упоминалось ранее, склеивает две такие щетины «спина к спине». Именно регулярное чередование различных зон придает фибрилле ее характерную поперечную полосатость (исчерченность). Такие фибриллы могут достигать огромных размеров по масштабам клеточной шкалы. Они образуются из сотен клеток, которые, сливаясь, образуют синцитии . Фибриллы окружены сложной системой мембран, служащих главным образом для быстрого высвобождения и возвращения ионов каль-ция, посредством чего регулируется мышечное сокращение, и рядами митохондрий, обеспечивающих их энергией в виде АТФ.
Фибрилла может находиться в трех состояниях. В отсутствие АТФ и кальция актин и миозин жестко сцеплены. Это состояние наблюдается при трупном окоченении, наступающем после смерти организма, когда прекращается производство АТФ. Стоит добавить АТФ, и структура становится податливой, пластичной. На головке миозина имеется связывающий АТФ сайт; когда он занят, головка не может взаимодействовать с актином (в отсутствие кальция, см. ниже), и филаменты беспрепятственно скользят друг относительно друга. Такие волокна почти не сопротивляются пассивному растяжению до тех пор, пока другие структурные элементы не вмешаются, чтобы предотвратить полное расхождение составляющих их филаментов. Это состояние свойственно разгибательной мышце при сокращении соответствующей сгибательной мышцы. Третье состояние фибрилла испытывает благодаря ио^ам^кальция, которые действуют через молекулы тропонина, прикрепленные к актиновым филаментам Тропонин состоит из трех субъединиц. Одна субъединица связывается с актином и называется И, так как ингибирует прикрепление миозина. Вторая субъединица, названная Т, связывается с тропомиозином. Эти две субъединицы соединены третьей, С, связывающей ионы кальция. С-субъединица служит пусковым механизмом (триггером) мышечного сокращения. В отсутствие кальция ее положение таково, что нити тропомиозина находятся вне желобков в актиновых филаментах и покрывают миозинсвязывающие сайты (оГГпозиция). Под влиянием ионов кальция С-субъединицы тропонина изменяются таким образом, что тропомиозин перемещается по направлению к желобкам актинового филамента (оппозиция). Это позволяет миозину взаимодействовать с актином, который одновременно активирует гидролиз АТФ и связанное конформационное изменение, которое мы наблюдали в одном актинмиозиновом пучке. Отметим, что в фибрилле каждый актиновый филамент тянут три миозиновых, согласованно действующих филамента. Однако не все миозиновые головки действуют одновременно; они активно помогают передвижению только тогда, когда «стратегически» располагаются относительно сайтов связывания на актине. Так обеспечивается очень плавное скольжение и укорочение. Если укорочение встречает сопротивление, развивается напряжение. Это состояние сохраняется до тех пор, пока С-субъединица тропонина занята кальцием и имеется достаточное количество АТФ для покрытия энергетических затрат.
Тропонин обнаружен только в поперечнополосатой мышце. В других мышечных и немышечных клетках сокращение обеспечивается иными средствами. Но основные принципы, по-видимому, универсальны. Насколько известно, актиновые филаменты противоположной полярности всегда устроены так, что обладают способностью скользить по направлению друг к другу, используя для этого своеобразный механизм типа «храповика», обеспечиваемый энергией за счет расщепляющих АТФ головок миозинподобных молекул.
Прежде чем продолжить наше путешествие, остановимся, чтобы в последний раз взглянуть на актиновую молекулу,эту, бесспорно, одну из удивительнейших конструкций из атомов, которую мы имели возможность подробно рассмотреть. Это не гигантская молекула. Она имеет молекулярную массу 42 ООО дальтон и образована 374 аминокислотами. Вместе с тем пространственное расположение этой -цепочки таково, что образуется не менее восьми специфических идеально расположенных сайтов связывания: четыре сайта для взаимодействия актиновых молекул между собой с образованием двухспирального И-актина; один сайт для АТФ/АДФ, вовлеченных в процесс полимеризации; один-два сайта для тропомиозина; один сайт для И-субъединицы тропонина и один, особенно важный сайт для прикрепления и одновременной активации расщепляющей АТФ головки миозина. Кроме того, более слабые сайты связывания позволяют актиновым волокнам соединяться поперечно, образуя правильно структурированные пучки, или стержни. Как появилась такая необычная конструкция, пока неизвестно. Но, возникнув, она практически не изменилась в ходе эволюции: в структуре актина, от амебы до кролика, практически не произошло никаких изменений.

Система тубулин — динеин. часть -2

Если же hellirola попадет в поток холодного воздуха, то мы станем свидетелями поистине драматической картины: не только «затормозится» движение в аксоподах вплоть до полной его остановки, но и вся опорная система из микротру-бочек распадется на части. Через каких- нибудь два часа не останется ни одной микротрубочки, и аксоподы полностью сократятся, превратив «солнце» в голый шар, утерявший свои лучи. Однако не все потеряно, что смогут понять те, кому удастся среди массы новых молекул, заполняющих теперь клетку, распознать гетеродимерные строительные Олоки, из которых были построены распавшиеся микротрубочки. Достаточно небольшого притока тепла, и все будет восстановлено. Разбуженные слабым нагреванием, микротрубочки начнут вырастать из корешков, так называемых центров организации микротрубочек, что прячутся в глубине клеточного тела. Вскоре поверхность клетки покроется сотнями новых аксопод и в считанные часы «солнце» опять засияет своими лучами.
В коже многих ракообразных, рыб, земноводных и пресмыкающихся содержатся звездчатые пигментированные клетки, хромдтофоры, которые образуют радиальные отростки, поддерживаемые каркасом из микротрубочек; вдоль микротрубочек с удивительной скоростью внутрь или наружу движутся пигментные гранулы Под влиянием определенных гормонов, на секрецию которых воздействует свет, гранулы могут быстрее чем за секунду скапливаться в центре клетки, отчего она становится почти прозрачной, или проникать в отростки, вызывая потемнение клетки У некоторых животных в этих перемещениях участвуют независимо два или более типа пигментных гранул разного цвета. В этом-то и заключен секрет хамелеона: заденьте его микротрубочки, и тут же убедитесь в искусстве его маскировки.
Возможно, самыми необыкновенными клеточными отростками, укрепленными микротрубочками, следует считать аксоны — нитевидные отростки, по которым нервные клетки (нейроны) посылают свои сигналы. Длина аксонов в нервах более крупных млекопитающих достигает нескольких метров. Жизненно важные связи и обмены между телом клетки и ветвящимися окончаниями аксона на всем этом огромном расстоянии поддерживаются и осуществляются так называемыми аксональными токами; их самый быстрый компонент распространяется со скоростью до 8 мкм/с. Увеличенный в миллион раз, такой аксон мог бы «перекрыть» Атлантический океан. По нему за считанные дни можно было бы переправить вещества произведенные в теле нейрона — скажем, в Нью-Йорке,— к месту назначения в нервные окончания, — в некую точку на побережье Ирландии.
Одно из назначений микротрубочек — вызывать или поддерживать некоторые структурные асимметрии в клетках (например, удлинение растущих мышечных клеток); они также предназначены для строительства внутриклеточных каркасов, обычно для поддержания направленного транспорта или передвижения.
Во всех упомянутых примерах микротрубочкам, как элементам цйтоскелета, отведена явная структурная роль. Но благодаря изменчивости формы они способны выполнять и морфогенетическую функцию при сборке и демонтировании. И наконец, они часто создают направленные пути и поддерживающие структуры для некоторых форм направленного перемещения внутриклеточных объектов или веществ. В качестве движущей силы этих транспортных феноменов могут выступать актин-миозиновые цитомышцы. Но существует и другая возможность, как показали исследования более стабильных систем микротрубочек, участвующих в создании двух основных двигательных органелл клеток — ресничек и жгутиков. /
Реснички представляют собой пульсирующие, колеблющиеся выросты. Они сгибаются и разгибаются, оставаясь преимущественно в одной плоскости, с частотой от 10 до 40 колебаний в секунду. Ресничек обычно много и располагаются они параллельными рядами, а их движения можно уподобить волнам от сигналов возбуждения. Чтобы как следует насладиться этим зрелищем, следует уменьшить увеличение до нескольких десятков тысяч раз вместо обычного увеличения в миллион раз и воспользоваться ускоренной киносъемкой и замедленной системой воспроизведения. Тогда поверхность клетки покажется вам полем зрелой пшеницы, клонящейся под порывом ветра. Колебания ресничек вызывают соответствующее перемещение клетки в окружающей жидкости. Если клетка свободна, она двигается (вспомним реснитчатые простейшие одноклеточные организмы); если же клетка фиксирована, то колебания ресничек формируют поток жидкости. Направление этих движений можно изменить Например, если туфелька (Paramecium) наталкивается на препятствие, она тут же отплывает обратно. Изменение движения происходит под влиянием ионов кальция, высвобождающихся при ударе.
Жгутики длиннее ресничек и обычно располагаются по одиночке или в небольшом количестве — на хвостовом конце свободно плавающих клеток, таких, как жгутиковые простейшие, гаметы (половые клетки) морских водорослей или сперматозоиды животных. Как и реснички, жгутики движутся в одной плоскости, но их движение волнообразное, а не колебательное. Они выполняют функцию пропеллера. (Некоторые бактерии также имеют жгутики, но они устроены по-иному; тубулин обнаружен только у эукариотов).
За небольшими отклонениями, все реснички и жгутики имеют одинаковую молекулярную структуру, основанную на так называемой модели 9+2. В центре находится пара микротрубочек, латерально соединенных поперечными мостиками. Эта центральная пара, заключенная в оболочку, окружена цилиндром из 9 параллельных дублетов микротрубочек, присоединенных к ней радиальными «спицами». Каждый дублет состоит из одной полной микротрубочки (А), образованной 13 протофила- ментами, к которой посредством трех общих протофиламентов присоединяется не-полная микротрубочка (В), образованная только 10 протофиламентами. А-субъединица из каждого дублета посылает пары тангенциально ориентированных боковых «ручек» к В-субъединице прилежащего дублета в направлении по часовой стрелке, если смотреть сверху. Эти боковые «ручки».которые по описанию похожи на гантели или леденцы, повторяются продольно с интервалом в 20 нм. Всего в создании этой удивительной структуры участвует более сотни различных белков. Благодаря своей способности к связыванию они объединяются в искусно вылепленный стержень, известный под названием аксонема . Толщина аксонемы достигает 0,3 мкм (или 30 см при нашем увеличении в миллион раз), и ее красота, как и красота саркомера, доставляет наибольшее удовольствие на поперечном срезе.
В том месте, где аксонема погружается в цитоплазму, ее структура изменяется.
Центральная пара микротрубочек обрывается и далее замещается одной полой осью. Что же касается периферических дублетов микротрубочек, то, проникая в цитоплазму, они более не соединяются боковыми ручками, а приобретают третью неполную микротрубочку (С), сливающуюся с В-компонентом дублета таким же образом, как В-компонент сливается с А- компонентом. Радиальные пластинки соединяют полученные триплеты с цен-тральной осью, замещая спицы аксонемы. Этот корешок называется кинетосомой , или базальным тельцем. Базальное тельце обладает удивительной способностью к организации: например, после отсечения реснички или жгутика оно дает начало новым отросткам.
В аксонемах ресничек и жгутиков микротрубочки и их радиальные соединения образуют искусно сплетенную цито- скелетную сеть, обладающую такой степенью упругости, подвижности и эластичности, которая необходима как для осуществления, так и для ограничения напряжения при сгибании. Боковые «ручки» представляют собой генерирующие энергию цитомышцы, заставляющие структуру сгибаться. Они образованы белком динеином , который, как и миозиновые головки, обладает способностью катализировать гидролиз АТФ через обязательное конформационное изменение. В результате этого механохимичес- кого события происходит относительное перемещение двух дублетов микротрубочек, соединенных активированным динеином боковых «ручек», которое напоминает скольжение актиновых нитей вдоль миозиновых филаментов, вызываемое АТФ.
Таков принцип работы молекулярного механизма. Разумеется, детали его значительно сложнее. В частности, бесспорно, что девять рядов динеиновых боковых ручек не могут активироваться одновременно. Ручки, расположенные в (или около) плоскости сгибания (которая перпендикулярна плоскости центральной пары микротрубочек), должны работать по принципу возвратно-поступательного движения. Тогда те, что расположены с одной стороны, расслабляются, а противоположные им сокращаются, и наоборот. В то же время боковые ручки, лежащие в (или около) плоскости, перпендикулярной плоскости сгибания, остаются в значительной степени пассивными. Сложнейший механизм этого явления все еще ускользает от проницательного взгляда исследователей клетки.
До сих пор не ясно, участвуют ли динеиновые цитомышцы в других формах внутриклеточного движения, для которых микротрубочки служат цитоскелетом, или эта функция осуществляется миозиновыми филаментами, передвигающими соответственным образом прикрепленные актиновые нити. В любом случае обнаруживается отчетливый параллелизм при сравнении двух основных клеточных двигательных систем: обе функционируют за счет скользящего перемещения цитокостей под влиянием натяжения специальных цитомышц, расщепляющих АТФ.

Клатрин

В мире клеток чудесам нет конца. Когда американский архитектор Бакминстер Фуллер построил свой знаменитый геодезический купол, вряд ли он подозревал, что сотни миллионов лет тому назад Природа создала молекулу белка, которая сама могла полностью создать такую же структуру. Этот белок назван клатрином . При первой же возможности клатрин даже в пробирке спонтанно собирается в структуры, напоминающие корзиночки; эти структуры, как и геодезический купол, образованы сетью шестиугольников с небольшим количеством пяти- и семиугольников.
Мы можем наблюдать за этим процессом и одновременно получить представление о его сущности, изучая внутреннюю поверхность плазматической мембраны в том участке («пэтче»), на противоположной стороне которого рецепторы, занятые соответствующими лигандами, сгруппированы и готовы к поглощению эндоцитозом О начале этого феномена возвещают торчащие сквозь мембрану на нашей стороне пучки хвостов рецепторных молекул. По- видимому, приведенные в состояние готовности таким же путем субъединицы клатрина, собранные из какого-то цитоплазматического запаса, начинают полимеризоваться в том «пэтче» мембраны, где виднеются пучки рецепторов, покрывая его структурой, которая на первый взгляд напоминает оборванный кусочек мелкой проволочной сетки.
Присмотревшись, можно заметить, что каждая субъединица представляет собой структуру, состоящую из трех «ног», или «трискелион» , с «бедрами» и «голенями» длиной около 20 нм (немногим меньше 2,5 см при нашем увеличении). Эти субъединицы соединяются латерально вдоль своих «конечностей» с образованием гексагональной ячейки, в которой каждая вершина занята центром «трискелиона», а каждая сторона образована четырьмя конечностями — двумя «бедрами» и двумя «голенями», — расположенными бок о бок. Но эти «трехножки» не плоские, а изогнутые. Перемещаясь по часовой стрелке, они соединяются выпуклыми поверхностями. Таким образом, по мере расширения образованная ими структура постепенно «раздувается», и приобретает форму типичного геодезического купола. В процессе приспособления к увеличивающейся кривизне некоторые трехножки отваливаются, и тогда правильная гексагональная решетка сети в некоторых участках нарушается за счет появления небольшого количества пяти- и семиугольников. Эти структуры быстро собираются, пользуясь тем же механизмом, что и шестиугольники, лишь с незначительными конформационными изменениями участвующих «трехножек». В ходе процесса кривизна купола продолжает увеличивать* ся, а наружный обод натягивается, в результате купол постепенно принимает форму грушевидной корзинки. Но вот «края» корзинки смыкаются, корзинка превращается в клетку-ловушку, а участок плазматической мембраны («пэтч») — в везикулу,заключенную в «клетке». Вскоре «клетка» распадается и исчезает, освобождая везикулу.
Картина, которую мы только что наблюдали, находясь внутри клетки, представляет собой характерный процесс опосредованного рецепторами эндоцитоза. Замеченные первыми электронными микроскопистами на двумерных электронограммах пушистые контуры вокруг профилей некоторых мембранных впячиваний и закрытых везикул послужили косвенным доказательством участия организованной структуры в описанном процессе. Для обозначения этих структур исследователи ввели термины «окаймленные углубления» и «окаймленные везикулы» и выдвинули гипотезу, согласно которой «окаймление» каким-то образом участвует в процессе отщепления везикул от мембран .
Работы первых исследователей предвосхитили дальнейшие открытия. Впоследствии удалось установить, что клатриновые корзинки принимают участие не только в опосредованном рецепторами эндоцитозе, но и в других процессах везикулярного транспорта, таких, как перенос материалов из эндоплазматического ретикулума в аппарат Гольджи. Однако, как работает клатрин, до сих пор далеко не ясно. Наблюдая за поведением этой удивительной молекулы, мы задаемся рядом мучительных вопросов. Что на этих маленьких участках мембраны («пэтчах»), столь различных по происхождению и функции, где образуются клатриновые корзинки, является ядрообразующим сигналом, инициирующим полимеризацию? Откуда берется свободная энергия для этого процесса и действительно ли она, как мы предполагаем, обеспечивает работу по отделению везикул от плоской мембраны? Если это так, то каким образом осуществляется эндоцитоз без помощи клатрина? Что заставляет клатриновую корзинку отваливаться после завершения ее функции?
Сейчас мы не знаем ответов на эти вопросы, как, впрочем, и на бесчисленное множество других. Но, если доверять примерам истории, можно с уверенностью предсказать, что когда-нибудь турист, совершающий путешествие по живой клетке, посчитает эти вопросы столь увлекательными, что займется исследованиями клетки и не остановится до тех пор, пока не получит ответы на все эти вопросы. Уже в наши дни существуют косвенные доказательства, что ионы кальция могут способствовать полимеризации, а АТФ — реверсии этого процесса.

Цитоскелет

У нас нет возможности освободить загроможденную клетку таким образом, но мы можем использовать антитела, направленные против белков цитоскелета, чтобы покрыть определенным образом и выявить структурные элементы, в состав которых входят эти белки. Если эти антитела несут в себе молекулы флуоресцентного красителя, то структуры, к которым они прикрепляются, будут казаться покрытыми слоем флуоресцентного красителя. Посмотрите на такие клетки в ультрафиолетовом свете, и весь цитоскелет, покрытый антителами, ярко засветится на темном фоне, словно освещенный неоновыми трубками.
Этот изящный метод, получивший название иммунофлуоресценции, нуждается в большом количестве предварительных биохимических исследований, поскольку перед тем, как белки будут использованы для получения антител, они должны быть очищены. Дополнительную трудность представляет то обстоятельство, что некоторые цитоскелетные белки — слабые иммуногены, т. е. они не так быстро вызывают образование антител при введении животным разных видов. Это объясняется тем, что гомологичные цитоскелетные белки, даже принадлежащие совершенно разным видам, имеют весьма сходную химическую структуру и поэтому не распознаются иммунной системой как чужеродные. Такое эволюционное сохранение структуры убедительно свидетельствует о том, что функциональные свойства белков зависят от специфических аминокислотных последовательностей, которые, претерпевая незначительные изменения, не теряют своих свойств. Не удивительно, что большинство мутаций, повреждающих такие белки, не совместимы с сохранением их функции и удаляются в ходе естественного отбора.
Прекрасные картины, выявленные иммунофлуоресценцией, способны передать только застывшие «кадры» мира, который постоянно меняется, ^летки неустанно изменяют форму, перемещают свое содержимое, создают цитоплазматические потоки, проталкивают некоторые гранулы в резко меняющихся направлениях, изгибают и деформируют мембраны. Они движутся во все стороны, вращаются, ползают, плавают, сокращаются, вытягиваются, уплощаются вдоль поверхности или протискиваются сквозь узкие отверстия, хватают, окружают и заглатывают крупные частицы, выпускают и втягивают обратно псевдоподии, выдавливают содержимое из гранул накопления, размахивают волнистыми вуалями и спиралевидными жгутиками и ресничками, создавая вокруг себя потоки. Какова же роль цитоскелета в столь неистовом движении?
Ответ на этот вопрос, как и следовало ожидать, заключается в следующем: цитоскелет — это не неподвижный каркас, или
скелет, и даже не сочлененная система, как можно было бы предположить исходя из названия. Он представляет собой гораздо более гибкую и сложную систему, состоящую из структурных элементов; только некоторые из них являются истинными фиксаторами. Остальные обладают удивительной способностью быстро распадаться на крошечные строительные блоки и вновь собираться в структуры различной формы, что и объясняет разнообразие тех изменений и превращений, на которые способны клетки. Что касается более упорядоченных форм движения, совершаемых клетками или их частями, то они, по-видимому, зависят преимущественно от скольжения одного структурного элемента по другому; этот процесс вызывается снабженными АТФ поперечными мостиками между двумя элементами.
Различные части этого механизма состоят исключительно из разного рода белковых молекул, наделенных способностью взаимодействовать с родственными им веществами или другими цитоскелетными белками; в результате они автоматически превращаются в те удивительные поддерживающие структуры и кружевные сети, которые становятся видимыми в ультрафиолетовом свете благодаря флуоресцирующим антителам. Только изредка удается выявить эти структуры во всей их красоте и сложности с помощью электронного микроскопа. В большинстве случаев он позволяет лишь мельком увидеть отдельные элементы скелета в виде полых микротрубочек или плотных филаментов. Последние в зависимости от их диаметра разделяют на тонкие (6—7 нм), промежуточные (8—10 нм) и толстые (15—20 нм) филаменты. Крайне редко, например в фибриллах мышечных клеток, в ресничках или других симметрично расположенных поверхностных выростах, молекулярная архитектура цитоскелета достигает такой удивительной степени упорядоченности, что отчетливо выявляется на одном соответствующим образом ориентированном ультратонком срезе. Такого рода картины не только существенно облегчают интерпретацию наиболее часто получаемых изображений структур в разных плоскостях, но и доставляют морфологам огромное эстетическое наслаждение.
В функциональном отношении определенные цитоскелетные элементы служат только для создания внутреннего, по существу статичного, остова клетки и для связывания клеток посредством различных соединений. Большинство промежуточных филаментов (нитчатых структур) принадлежит к элементам такого типа. В соответствии с их ролью в структурной дифференцировке они характеризуются различными свойствами в разных типах клеток. В качестве примера назовем кератин в эпителиальных клетках, виментин в мезенхимальных клетках, десмин в мышечных клетках и нейрофиламенты в нервных клетках. Другие цитоскелетные элементы присутствуют во всех клетках, хотя их устройство может значительно варьировать в зависимости от типа клеток; они вы полняют как двигательную, так и структурную функции. Примерами этих элементов являются актинмиозиновая система, система микротрубочка — динеин и клатрин. В силу ограниченности времени и пространства, неизбежно сужающей масштаб и глубину нашего путешествия, бросим на них лишь беглый взгляд.