Mikrotubule

Mikrotubule są utworzone z podjednostek - cząsteczki tubuliny — z których każda jest dimerem bardzo podobnych bia­łek globularnych α-tubuliny i β-tubuliny. Podjednostki tubuliny łączą się ze sobą niekowalencyjnie, tworząc ścianę wydrążonej cylin­drycznej mikrotubuli. Całość tworzy cylinder zbudowany z 13 równole­głych protofilamentów, z których każdy jest linearnym łańcuchem podjednostek tubulinowych z α - i β -tubuliną, występującymi na przemian wzdłuż całego łańcucha. Każdy protofilament ma strukturalną biegu­nowość polegającą na tym, że α-tubulina jest eksponowana na jednym, a β-tubulina na drugim końcu. To spolaryzowanie, jest takie samo dla wszystkich protofilamentów, nadając strukturalną biegunowość mikrotubuli jako ca­łości. Jeden koniec mikrotubuli, określony jako koniec β-tubulinowy, jest nazywany końcem plus, a koniec α-tubulinowy — końcem minus.

W typowej komórce zwierzęcej mikrotubule wyrastają z niewielkiej struktury znajdującej się w pobliżu środka komórki zwanej centrosomem w którm zakotwiczone są pierścienie inicjujące przyłączenie pierwszych 13 cząsteczek tubuli­ny. Dimery tubuliny są dodawane stopniowo budując strukturę wydrążonej rurki. In vitro, w stężonym roztworze czystej tubuli­ny, dimery tubuliny są dokładane do obu końców rosnącej mikrotubuli, jakkolwiek szybciej są dokładane do końca plus aniżeli do końca minus (co było powodem, dla którego końce pierwotnie nazwano w ten sposób). Polarność mikrotubuli - to, że jej struktura ma określony kierunek z dwoma końcami zupełnie odmiennymi zarówno pod względem che­micznym, jak i zachowywania się —jest decydująca tak dla montażu mi­krotubuli, jak i dla ich roli po uformowaniu. Jeśli mikrotubule nie miały­by polarności, nie mogłyby służyć np. określaniu kierunku wewnątrzko­mórkowego transportu.

Żyjąca komórka zawiera mieszaninę mikrotubul i wolnych podjednostek tubuliny. Na przykład, w typowym fibroblaście w każdej chwili blisko po­łowa tubulin zawarta jest w mikrotubulach, podczas gdy reszta pozostaje wolna w cytoplazmie tworząc pulę podjednostek wykorzystywanych do wzro­stu mikrotubul. Jest to odmienne od sytuacji z bardziej stabilnymi filamentami pośrednimi, gdzie podjednostki znajdują się prawie całkowicie w obrębie utworzonych filamentów. Względna niestabilność mikrotubul pozwala im na ustawiczne szybkie demontaż i montowanie w innych miejscach komórki.

Stałą przebudowę mikrotubul (np. wrzeciona podziałowego) można potwierdzić eksperymentalnie - jeśli komórka będąca w trakcie mitozy jest poddana działaniu leku kolchicyny, który wiąże się ściśle z wolnymi cząsteczkami tubuliny i zapobiega ich polimeryzacji w mikrotubule, wrzeciono mitotyczne szybko zanika i komórka zatrzymuje się w środku mitozy, niezdol­na do rozdziału swoich chromosomów na dwie grupy. To wskazuje, że wrzeciono mitotyczne jest utrzymywane poprzez stałą równowagę między wiązaniem i uwalnianiem podjednostek tubulinowych. Kiedy wiązanie tu­bulin zostaje zablokowane przez kolchicynę, uwalnianie tubulin trwa aż do zaniku wrzeciona.

Lek o nazwie taksol wykazuje odwrotne działanie na poziomie mole­kularnym. Wiąże się on ściśle z mikrotubulami i zapobiega uwalnianiu podjednostek tubulinowych. W tym czasie nowe podjednostki będą ciągle wiązane, co powoduje, że mikrotubule mogą rosnąć, ale nie są w stanie się skracać. Pokazuje nam to, że do pełnej funkcji wrzeciona mikrotubule muszą być zdolne zarówno do montażu, jak i demontażu.

Inaktywacja lub destrukcja wrzeciona mitotycznego ostatecznie zabija dzielącą się komórkę. Komórki nowotworowe, które dzielą się znacznie szybciej niż większość innych komórek organizmu, mogą być więc uśmier­cone wybiórczo przez leki antymitotyczne stabilizujące lub destabilizujące mikrotubule. Takie leki, wywodzące się z kolchicyny i taksolu, są używane w terapii klinicznej nowotworów.

Centrosom jest głównym ośrodkiem organizującym mikrotubule w komórkach zwierzęcych.

Mikrotubule w komórkach tworzą się w wyniku wyrastania z wyspecjali­zowanych ośrodków, które kontrolują ich liczbę, umiejscowienie i orien­tację w cytoplazmie. W komórkach zwierzęcych takim miejscem jest centrosom, który jest typowo obecny w pobliżu jądra komórkowego. Organizuje on mikrotubule promieniście od jądra poprzez cytoplazmę. Centrosom składa się z pary centrioli ustawionych do siebie prostopadle i otaczającego je drobnoziarnistego materiału zwanego macierzą centrosomu. Centrosomy zawierają w macierzy setki struktur o kształcie pierścienia utworzonych przez γ-tubulinę. Każdy pierścień γ-tubulinowy służy jako punkt startowy (miejsce enukleacji) do wzrostu jednej mikrotubuli. Dimery αβ-tubuliny dołączają się do γ-tubulinowego pier­ścienia końcem “minus”, a wzrost nastę­puje tylko od strony końca plus, tj. końca skierowanego na zewnątrz centrosomu.

Centriole nie mają znaczenia w nukleacji mi­krotubul w obrębie centrosomu (do czego wystarczają same pierścienie γ-tubulinowe), a ich funkcja w tym regionie pozostaje nieznana, szczegól­nie że komórki roślinne ich nie mają.

Mikrotubule organizują wnętrze komórki.

Komórki są zdolne do modyfikowania dynamicznej niestabilności swoich mikrotubul w szczególnych celach. Jeśli komórka wchodzi w stadium mitozy, mikrotubule stają się początkowo bardziej dynamiczne, balansując między wzrostem a skracaniem się o wiele częściej niż zwykle robią to mi­krotubule cytoplazmatyczne. Umożliwia to im szybki demontaż i ponow­ny montaż we wrzeciono mitotyczne. Z drugiej strony, kiedy komórka zróżnicowała się w wyspecjalizowany typ i ma określona strukturę, dynamiczna niestabilność jej mikrotubul jest zazwyczaj ograni­czona przez białka, które wiążą się z końcami mikrotubul lub wzdłuż ich przebiegu, co chroni przed demontażem. Ustabilizowane mikrotubule mogą służyć utrzymaniu organizacji komórki.

Najbardziej zróżnicowane komórki zwierzęce są spolaryzowane: np. komórki nerwowe, tworzące aksony z jednej strony, a dendryty z drugiej; komórki wyspecjalizowane w kierunku sekrecji mające aparat Golgiego usytuowany naprzeciw miejsca wydzielania itd. Polarność komórek jest odbiciem spolaryzowanego systemu mikrotubul w ich wnętrzu, który po­maga umieścić organelle w wymaganych miejscach w obrębie komórki i sterować ruchem między jedną częścią komórki a drugą. Na przykład, w komórce nerwowej wszystkie mikrotubule w aksonie są skierowane w tym samym kierunku, swoimi końcami plus ku zakończeniu aksonu. Wzdłuż tych wyznaczonych szlaków komórka jest zdolna do wysyłania “cargo" (ładunku), takiego jak pęcherzyki błoniaste czy białka sekrecyjne, które są wytwarzane w perykarionie, ale są potrzebne dużo dalej, na zakończeniu aksonu.

Mikrotubule w żywych komór­kach nie działają w izolacji. Ich funkcje, tak jak i różnych filamentów cy-toszkieletu, zależą od dużej różnorodności białek dodatkowych, które wiążą się z mikrotubulami i pełnią różne role. Niektóre białka łącząc się z mikrotubulami stabilizują mikrotubule zapobiegając ich demontażowi, inne natomiast wiążą mikrotubule z innymi strukturami komórki, w tym także z innymi typami filamentów wchodzących w skład cytoszkieletu. Stąd wszystkie składniki cytoszkieletu mogą wchodzić w interakcje, a ich funkcje mogą być skoordynowane. Mikrotubule wpływają również na roz­mieszczenie błon w komórce eukariotycznej, szczególnie za pośrednic­twem białek motorycznych towarzyszących mikrotubulom, które porusza­ją się wzdłuż mikrotubul. Białka motoryczne zużytkowują energię pochodzącą z hydrolizy ATP, aby transportować organelle, pęcherzyki czy inny materiał komórkowy wzdłuż szlaków utwo­rzonych w cytoplazmie przez filamenty aktynowe i mikrotubule.

Rzęski i wici zawierają stabilne mikrotubule przemieszczane przez dyneinę.

Wiele mikrotubul w komór­kach jest stabilizowanych poprzez ich połączenie z innymi białkami. Stabilne mikrotubule są wyko­rzystywane przez komórki jako konstrukcje organelli ruchu, takich jak rzęski i wici.

Rzęski (cilia) są strukturami o średnicy ok. 0,25 nm, występującymi na powierzchni wielu rodzajów komórek eukariotycznych. Pojedyncza rzęska zawiera rdzeń ze stabilnych mikrotubul o specyficznym układzie (9 podwójnych mikrotubul na obwodzie rzęski i dwie pojedyncze w środku), wyrastających z umiejscowionego w cytoplazmie ciałka podstawnego (o układzie mikrotubul – 9x3) które jest ośrodkiem organizacyjnym dla rzęski. Cała rzęska jest otoczona przez błonę komórkową. Pierwotną funkcją rzęski jest przemieszczanie płynu ponad powierzchnią komórki lub nada­wanie ruchu komórce w płynie. Na przykład, niektóre pierwotniaki uży­wają rzęsek zarówno do wychwytywania cząstek pokarmowych, jak i do lokomocji. Na komórkach nabłonkowych wyścielających drogi oddecho­we człowieka olbrzymia liczba rzęsek (ponad miliard na cm²) przesuwa warstwy śluzu z wychwyconymi cząstkami kurzu i martwymi komórkami w kierunku gardła w celu połknięcia i - w konsekwencji - eli­minacji z organizmu. Rzęski na komórkach jajowodu powodują przepływ płynu, który pomaga przemieszczać jajo wzdłuż jajowodu.

Wić (flagellum), która jest napędem wielu pierwotniaków i plemników, przypomina rzęskę pod względem struktury wewnętrznej, ale jest zazwyczaj dużo dłuższa. Wici są przeznaczone do ruchu całej komórki..

Ruch rzęski lub wici jest rezultatem ślizganiem się jedna na drugiej mikrotubul obwodowych. Mikrotubulom towa­rzyszą liczne białka, które lokalizują się w miejscach usytuowanych regularnie wzdłuż całej długości pęczka mikrotubul. Niektóre z nich służą jako wiązania poprzeczne, aby utrzymywać wiązkę mikrotu­bul razem, inne natomiast wytwarzają siły powodujące zginanie się rzęski. Najważniejszym z tych białek towarzyszących jest motoryczne białko dyneina rzęskowa, która generuje ruch zginający rdzenia rzęski czy wici.

Rola mikrotubul:

• stanowią sztywny szkielet wewnętrzny warunkujący kształt komórek oraz możliwość jego zmiany,

• warunkują ruch pełzakowaty komórek (np. pseudopodia),

• wyznaczają płaszczyznę podziału komórki (pierścień preprofazowy),

• uczestniczą w transporcie np. ukierunkowywanie przemieszczania struktur komórkowych, ziaren wydzielniczych wzdłuż mikrotubul,

• wchodzą w skład wrzeciona podziałowego, a u roślin także cytokinetycznego,

• wchodzą w skład wici i rzęsek, budują kinetosom, centriolę i centrosom

Literatura:

J. Duszyński, K. Grykiel, L. Hryniewiecka, A. Jarmołowska – Biologia, wyd. PWN

www.wikipedia.com/cykl komórkowy