C itoskelets 2. tēma

1. Citoskelets2. tēma

2. Citoskelets • Vairāk kā 300 gadus šūnas ir bijuši vairāk vai mazāk nekustīgi veidojumi. • Tikai sākot ar 20 gadsimtu atklāja pirmās struktūras, kas veic kustības. Tās bija centriolas, kuras piedalījās hromosomu atvilkšanā. Nedaudz vēlāk muskuļu šūnās atklāja mikrofilamentus un to lomu kontrakcijās un viciņas ar to lomu šūnu pārvietošanā.

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

4. Citoskelets • Hloroplastu kustība elodejas lapā

5. 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.

6. 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.

7. Prokariotu viciņas Salmonella sp.

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

9. 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.

10. Prokariotu viciņas • Rotācijas kustība var notikt samērā lielā temperatūras diapazonā. Turklāt tai ir ārkārtīgi augsts lietderības koeficients - gandrīz 100%. • Tā kā viciņas āķa daļa ir piestiprināta pie rotora, tad tā rotē kopā ar to. Rotācijas ātrums var būt līdz 150 apgriezieniem sekundē. Kustības virziena regulācija notiek statora daļā. Tur var piesaistīties signālmolekulas un izmainīt protonu plūsmu caur membrānu.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. Citoskelets Eikariotu šūnās izdala trīs citoskeleta elementu grupas: mikrofilamentus, starpfilamentus un mikrocaurulītes. Citoskelets caurvij visu citoplazmu un var atrasties arī kodola iekšienē. Mikrofilamenti Starpfilamenti Mikrocaurulītes Mikrofilamenti d=6-8 nm. Starpfilamenti d=10-14 nm. Mikrocaurulītes d=24 nm.

15. 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.

16. 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.

17. Mikrocaurulītes http://cellbio.utmb.edu/cellbio/

18. Mikrocaurulītes • Mikrocaurulīšu polimerizāciju traucē kolhicīns un citi savienojumi, kuri neļauj tubulīna dimēriem pievienoties pie mikrocaurulītes. http://cellbio.utmb.edu/cellbio/

19. 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.

20. Kinezīna uzbūve un tā loma vezikulārajā transportā

21. a–d, kinezīns; e, f, dineīns. Molecular motors Manfred Schliwa and Günther Woehlke Nature 422, 759-765(17 April 2003) doi:10.1038/nature01601

23. Mikrocaurulītes organizējošie centri Šūnās ir viens vai divi centri, no kuriem starveidīgi atiet mikrocaurulītes. www.ucl.ac.uk/uro-neph/ppt/cs_01.ppt

24. 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.

25. Centriolas Centrosomas uzbūve

26. Centriolas

27. Centriolas Centriolas veido mikrocaurulīšu kūlīšu komplekss. Kompleksu veido deviņi mikrocaurulīšu tripleti. Tripletā izšķir A, B un C mikrocaurulītes. Apskatot centriolu iekšējo uzbūvi, var redzēt, ka tā atšķiras gan nobriedušām un nenobriedušām centriolām, gan arī centriolas proksimālajam un distālajam galam.

28. Centriolas • Tripleti ir izkārtoti gredzenveidīgi un ir savstarpēji savienoti. Perifērajos mikrocaurulīšu tripletos mikrocaurulītes nav vienādas. Centram tuvāko apzīmē ar A, vidējo ar B, bet ārējo ar C. Iekšējo mikrocaurulīti veido 13 protofilamenti, līdzīgi kā citoplazmas mikrocaurulītēs. Ārējo un vidējo mikrocaurulīti veido tikai 10 protofilamenti. Tas ir tādēļ, ka, apvienojoties saskarsmes plaknē, tām ir viena kopīga sieniņa.

29. Centriolu dalīšanās Centriolas pirms mitotiskās dalīšanās dubultojas. Pēc tam mitozes sākumā šūnas polos nostājas divi centriolu komplekti. Pēc citokinēzes meitšūnas saņem pa vienam komplektam. Centriolu dubultošanās parasti notiek no S - G2 periodu laikā. Tomēr atsevišķos gadījumos tā vēl turpinās pat mitozes sākumā. Centriolas dalīšanās sākumā izmaina savu novietojumu viena pret otru. To leņķis kļūst šaurāks par 900.

30. Centriolu dalīšanās • Katrai no centriolām perpendikulārā virzienā sāk veidoties jauna centriola. Mātcentriola kalpo kā matrica, kas palīdz pareizā veidā polimerizēt meitcentriolu. Bāzālā ķermenīša dalīšanās noris līdzīgi. Gadījumos, kad polimerizācija ir traucēta, izveidojas nepareizs mikrocaurulīšu novietojums, un tas var saglabāties vairākās paaudzēs.

31. 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.

32. 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.

33. Viciņas kustības Dinofītaļģes Chlamydomonas sp. viciņas taisnvirziena kustības (kreisajā pusē uz priekšu, labajā - atpakaļ) (B.M.KRIJKSMANN, 1925): a - pirmais kustības etaps; b - otrais kustības etaps.

34. Viciņas kustības EIGLENA video

35. Skropstiņu kustības Paramecium.AVI

36. 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.

37. Viciņas un skropstiņas

38. Viciņu dineīns

39. Mikrocaurulītēm piesaistītās olbaltumvielas Pie tubulīna var pievienoties trīs olbaltumvielu grupas: • Pirmo grupu veido mikrocaurulītēm pievienotās olbaltumvielas (MPO), tās reizēm sauc arī par strukturālajām MPO, jo tās stabilizē tubulīna molekulas, un var būt saistītas ar tām vairākos polimerizācijas un depolimerizācijas ciklos. • Otru grupu veido motorās olbaltumvielas. Tās sauc par motorajām olbaltumvielām tādēļ, ka, izmantojot ATF hidrolīzē iegūto enerģiju, tās slīd pa mikrocaurulītēm. Tās ļoti bieži ir cieši piesaistītas pie mikrocaurulītēm. Tomēr tās var vieglāk atdalīt kā pirmās grupas olbaltumvielas.

40. Mikrocaurulītēm piesaistītās olbaltumvielas • Trešo grupu veido hetorogēna olbaltumvielu grupa. Tās ir ciešāk piesaistītas mikrocaurulītēm nekā motorās olbaltumvielas. Tajās ietilpst glikolītiskie fermenti (aldolāze u.c.), kināzes (proteīnkināze A u.c.), olbaltumvielu biosintēzē izmantojamās olbaltumvielas (elongācijas faktors EF un pat ribosomas), olbaltumvielas, kas pievienojas membrānu receptoriem (dinamīns u.c.), ribonukleoproteīni. Šo molekulu mijiedarbības mehānismi ir nepilnīgi noskaidroti, tomēr tie atspoguļo citoskeleta lomu daudzu citoplazmas olbaltumvielu telpiskajā novietošanā.

41. Mikrofilamenti • Mikrofilamentus veido aktīna pavedieni. Pavedienu diametrs ir apmēram 8 nm. • Aktīns ir plaši izplatīta olbaltumviela un sastopams visās eikariotiskajās šūnās. Īpaši lielos daudzumos (20% no kopējā šūnas olbaltumvielu daudzuma) aktīns ir atrodams muskuļu šūnās, kur tas nodrošina muskuļu šūnas kontrakcijas.

42. Mikrofilamenti • 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.

43. G- aktīna molekula

44. F-aktīns

45. Aktīna polimerizācija • Jaunu aktīna fibrillu (F-aktīna) veidošanās procesu sauc par nukleāciju; • Esoša aktīna filamenta pagarināšanos sauc par elongāciju; • F-aktīna molekulu kopējais garums daudzkārt pārsniedz šūnas garumu.

46. Aktīna polimerizācija 2 In vitro apstākļos aktīna polimerizācija ir atkarīga no globulārā aktīna koncentrācijas. Ja tā ir lielāka par kritisko- 0,1mM, tad var notikt polimerizācija. Šajos apstākļos molekulu polimerizācijai nav nepieciešama ATF hidrolīze. ATF vietā var izmantot sintētiskus analogus, kuri nevar atdalīt fosfāta grupas.

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

48. 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.

49. 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.

50. 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.