34.18. Биение ресничек и движение жгутиков обусловлено скольжением микротрубочек, индуцированным динеином

Микротрубочки являются основными компонентами ресничек и жгутиков у эукариот. Эти органеллы имеются во многих клетках. Подвижные реснички, подобно веслам, вызывают ток жидкости параллельно поверхности клетки. Так, координированное движение ресничек, выстилающих дыхательные пути, способствует удалению чужеродных частиц. Жгутики необходимы для продвижения свободных клеток, таких, как спермии или простейшие. Как показали электронно-микроскопические исследования, структура ресничек и жгутиков практически у всех эукариот в основе своей одинакова. Это пучок волокон, называемый аксонемой, который окружен мембраной, составляющей продолжение плазматической мембраны. Волокна в аксонеме - это микротрубочки. По

Рис. 34.30. Спиральное расположение тубулиновых субъединиц в микротрубочке. А - схематическое изображение поперечного среза; видно, что микротрубочка образована 13 протофиламентами. Б - поверхностная решетка из а- и в-субъединиц. [Snyder J. A., McIntosh J. R., Ann. Rev. Biochem., 45, 706 (1976).]

Рис. 34.31. Электронная микрофотография поперечного среза аксонемы жгутика. Девять наружных двойных микротрубочек окружают две одинарные. (Печатается с любезного разрешения д-ра Joel Rosenbaum.)

периферии расположены девять двойных микротрубочек, в центре - две одинарные микротрубочки (рис. 34.31). Такой часто встречающийся структурный мотив известен как расположение Диаметр двух центральных микротрубочек равен 240 А. Каждая из девяти периферических пар на поперечном срезе имеет вид цифры 8 и размер 370 х 250 А (рис. 34.32). Одна из микротрубочек в паре - субфибрилла А - меньше по размеру и присоединяется к центральной капсуле реснички с помощью радиального мостика. От каждой субфибриллы А отходят две ручки. В отдельной ресничке все ручки направлены в одну сторону. Обработка ресничек детергентом и далее раствором солей высокой концентрации приводит к удалению наружной мембраны и солюбилизации АТРазы, называемой динеином. В результате этой обработки расположенные на периферии волокна сохраняют свою цилиндрическую попарную организацию, но утрачивают ручки. При добавлении динеина в соответствующей ионной среде ручки восстанавливаются. Следовательно, состоящие из динеина ручки субфибриллы А обладают АТРазной активностью.

Каким образом расщепление АТР динеином вызывает движение ресничек и жгутиков? Как показали Питер Сатир и Ян Гиббонс (Peter Satir, Jan Gibbons), периферические двойные микротрубочки аксонемы скользят относительно друг друга и тем самым вызывают изгиб реснички. Само скольжение обусловлено образованием динеиновых поперечных мостиков. По-видимому, динеиновые ручки одной пары микротрубочек по мере гидролиза АТР продвигаются вдоль прилегающей пары совершенно аналогично тому, как в скелетной мышце миозиновые поперечные мостики движутся вдоль актиновой нити. В интактной ресничке радиальные мостики противодействуют скольжению, и благодаря им происходит не сокращение реснички, а локальный изгиб.

При обследовании группы больных хроническими легочными заболеваниями были обнаружены аксонемы, лишенные динеина. В этом случае, как показал Бьёрн Афзелиус (Bjorn Afzelius), реснички эпителия дыхательных путей оказались неподвижными. Более того, мужчины с этим генетическим дефектом были стерильны вследствие неподвижности их сперматозоидов. В другом, недавно обнаруженном случае неподвижность ресничек и жгутиков оказалась обусловленной дефектом радиальных мостиков.

Рис. 34.32. Схематическое изображение структуры аксонемы.

Эти клинические наблюдения подтверждают существующие представления о механизме движения рассматриваемых органелл.

Заключение

Поперечнополосатая мышца позвоночных состоит из белковых нитей двух типов, которые взаимодействуют друг с другом. Толстые нити содержат миозин, а тонкие - актин, тропомиозин и тропонин. Гидролиз АТР актомиозином вызывает скольжение указанных нитей относительно друг друга. Миозин представляет собой очень большой по массе белок (500 кДа), состоящий из двух основных цепей и четырех легких цепей. Конформация основных цепей такова, что они содержат две глобулярные области (головки S1) и присоединенный к ним длинный а-спирализованный стержень. Головки S1 и часть стержня образуют поперечные мостики, которые взаимодействуют с актином, генерируя силу сокращения. Остальная часть молекулы миозина создает скелет толстой нити. Актин - основной компонент тонких нитей - представляет собой глобулярный белок (42 кДа), который полимеризуется с образованием нитей диаметром 70 А. Толстые и тонкие нити определенным образом направлены, причем по середине между двумя Z-пластинками это направление меняется на противоположное. Циклическое образование и диссоциация комплексов между миозиновыми поперечными мостиками, выступающими из толстых нитей, и единицами актина тонких нитей происходят за счет энергии АТР;

Рис. 34.33. Динеиновые ручки расположены вдоль микротрубочек с правильной периодичностью. Электронные микрофотографии интактной аксонемы (А) и микротрубочки, реконструированной из тубулина и динеина (Б). [Haimo L. Т., Telzer В. R., Rosenbaum J. L., Ргос Nat. Acad. Sci., 76, 5760 (1979).]

Рис. 34.34. Внутренняя поверхность плазматической мембраны фибробласта под электронным микроскопом. Ясно видны нити актина (декорированные S1-головками миозина) и окаймленные ямки на мембране. (Печатается с любезного разрешения д-ра John Heuser.)

образование комплексов ведет к уменьшению расстояния между Z-пластинками. «Рабочим ходом» является поворот S1-головки миозина, находящейся в комплексе с актином. В генерировании силы сокращения важную роль играют шарнирные соединения между доменами миозина. Мышечное сокращение регулируется Са2+ , причем эффект Са2+ опосредован тропонином и тропомиозином. При низкой концентрации Са2+ эти белки ингибируют взаимодействие актина и миозина. Нервный импульс запускает высвобождение Са2+ из саркоплазматического ретикулума. Далее ионы кальция связываются с тропонином, что инициирует серию конформационных сдвигов, разрешающих в итоге взаимодействие актина и миозина.

Актин и миозин - эволюционно древние белки, о чем свидетельствует тот факт, что они содержатся уже в слизистых грибах. В сущности, эти белки участвуют в сократительной активности практически всех эукариотических клеток. Особенно распространен актин, образующий микрофиламенты диаметром около 70 А. Микрофиламенты участвуют в разных видах клеточной подвижности, например в миграции клеток в ходе развития, ретракции кровяного сгустка тромбоцитами, передвижении макрофагов к поврежденным тканям. Сокращение ворсинок щеточной каемки кишечного эпителия опосредовано взаимодействием нитей актина с биполярными нитями миозина; последние в эпителиальных клетках кишечника меньше по размеру и содержатся в меньшем относительном количестве по сравнению с мышцами. Цитохалазин и фаллоидин тормозят те виды клеточной подвижности, которые связаны с агрегацией и диссоциацией нитей актина. Цитохалазин ингибирует сборку, а фаллоидин - распад микрофиламентов.

В клетках эукариот имеются микротрубочки, которые поддерживают архитектуру клетки, а также участвуют в сократительной активности. Микротрубочки представляют собой полые фибриллы диаметром они построены из тубулина. Реснички и жгутики клеток эукариот содержат девять двойных микротрубочек, окружающих две

одинарные. Между внешними парами микротрубочек имеются поперечные мостики из динеина - белка, обладающего АТРазной активностью. Индуцированное динеином скольжение прилегающих пар микротрубочек относительно друг друга вызывает изгиб реснички или жгутика; этот механизм лежит в основе биения ресничек и движения жгутиков. Ингибитором подвижности, опосредованной микротрубочками, служит колхицин, который блокирует их полимеризацию.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

(см. скан)