Każda mikrotubula na przekroju porzecznym ma średnicę mniej więcej 24-25 nm i jest pustą rurką. Mikrofilamenty i filamenty pośrednie na przekroju w mikroskopie elektronowym nie dają światłą.
Rola cytoszkieletu:
rusztowanie komórki
zapewnienie kształtu komórki
organizacja przestrzenna w szeregu struktur komórkowych
zaangażowany w ruch wewnątrzkomórkowy - po mikrotubulach przemieszczane są organelle
zaangażowany, np. mikrotubule w tworzenie wrzeciona podziałowego i przemieszczanie chromosomów do strefy środkowej (ekwatorialnej) i do biegunów wrzeciona
tworzenie pierścienia kurczliwego oddzielającego komórki potomne
tworzenie wici i rzęsek
kurcze np. komórki mięśniowej - filamenty aktynowe
wytwarzanie polarności i jej utrzymanie w zróżnicowanej komórce
1. Mikrofilamenty
Cytoszkielet aktynowy budują filamenty F-aktyn. Ma koniec zaostrzony - ostry koniec oraz tępy koniec (rozszczepiony). Okazało się z doświadczeń in vitro, potem powtórzonych in vivo, że rozszczepiony koniec jest końcem plus, do którego głównie dobudowują się jednostki tworzące ten filament, a ostry koniec jest końcem minus.
Filamenty aktynowe są różnie uorganizowane w komórce. Mogą tworzyć:
wiązki wypełniające mikrokosmki, np. jelitowe;
mniej lub bardziej gęstą sieć pod błoną (przeważnie) - aktynowy korteks podbłonowy;
specyficzne wiązki, np. wiązki kurczliwe, tzw. włókna naprężeniowe, np. w komórkach w hodowli tkankowych.
W momencie wysuwania nibynóżek szkielet ulega przebudowie w tworzącej się wypustce - tworzy pierścień cytokinetyczny oraz wchodzi w tzw. pierścień adhezyjny, którego filamenty łączą się w specyficzne białka błonowe, białka transbłonowe, które są odpowiedzialne za tworzenie strefy przylegania w tkankach, co jest bardzo dobrze wyrażone w komórce nabłonkowej.
Tworzenie włókien mikrofilamentowych:
Aktyna występuje w 2 postaciach: G-aktyny (monomery aktyny) i F-aktyny, wtedy kiedy te monomery tworzą filament, czyli włókno aktynowe. Cząsteczki G-aktyny mają część zaokrągloną i króciutki ogonek. W doświadczeniach in vitro wyszło, że 2 cząsteczki aktyny łaczą się na zasadzie głowa-ogon. Dwa ciągi połączonych G-aktyn tworzą filament aktynowy. W doświadczeniach in vitro wykazano, że jest jeden koniec, do którego bardzo gwałtownie doczepiają się jednostki i drugi koniec, z którego jednostki są uwalniane i czasami bardzo słabo dołączane. Jeżeli jest jakaś określona pula w doświadczeniach in vitro, można łatwo ustalić stałą dysocjacji i asocjacji obu końców. Okazało się też, że dwa połączone monomery G-aktyny dołączają w momencie tworzenia filamentu jedno ATP. Dołączenie ATP zwiększa szybkość polimeryzacji. Szybko po dołączeniu się, ATP ulega hydrolizie do ADP. Szybkość dobudowywania i odłączania jednostek (depolimeryzacji) zależy od tego, czy mamy monomery związane z ATP, czy ADP. In vivo polimeryzacja i depolimeryzacja aktynowych włókien jest regulowana przez białka wiążące się z aktyną - białka ABS (aktin binding proteins). W latach 90. odkrywano rocznie 8-10 takich białek. Od białek tych zależy, jak będą uorganizowane w komórce filamenty aktynowe. Wykazano badaniami, że jeżeli jest ATP, to monomery dużo ściślej się łączą ze sobą, niż monomery złączone z ADP. Defosforylacja nukleotydu powoduje rozróżnienie łączenia się tych jednostek. W związku z tym dopuszcza do depolimeryzacji.
Rodzaje białek towarzyszących:
Białka towarzyszące odpowiedzialne za inicjację polimeryzacji i samą polimeryzację.
Białka, które stabilizują włókno mikrofilamentowe, np. tropomiozyna, czyli oplatają się wokół niego, np. w sarkomerze
Białka odpowiedzialne za łączenie się mikrofilamentów w sieć lub wiązkę.
Białka zamykające końce - białka czapkujące (caping)
Białka, które po połączeniu z aktyną, przecinają filament - proteiny
Białka odpowiedzialne za połączenie filamentów aktynowych z innymi strukturami.
Białka wspomagające przesuwanie się wzdłuż filamentów jakiegoś ładunku - miozyna I, miozyna V.
Białka przesuwające względem siebie dwa filamenty aktynowe we wszystkich strukturach kurczliwych, np. w pierścieniach cytokinetycznych lub sarkomerze - miozyna II.
Białka mające zdolność łączenia się z aktyną globularną w postaci monomerów - profilina, tymozyna. Profilina specyficznie łaczy się z G-aktyną oraz ma zdolność łączenia się z ATP i stymulowania przejścia z ADP do ATP.
Białka zaangażowane w wymianę ATP na ADP.
Białka odpowiedzialne za podczepienie do błony komórkowej.
Białka odpowiedzialne za tworzenie odgałęzień w sieci.
Uorganizowanie mikrofilamentów. Są albo wiązki, w których bardzo ściśle przylega jeden filament do drugiego albo wiązki, w których mamy równoległe ułożenie filamentów, ale są one trochę bardziej oddalone. Ma to zasadnicze znaczenie dla właściwości takich wiązek. Albo będzie kurczliwa, albo tylko strukturą podpierającą. W mikrokosmkach ułożenie jest ścisłe. Luźniejsze upakowanie umożliwia wejście miozyny II i wzajemny ślizg względem siebie włókien aktynowych. Są dwa różne białka odpowiedzialne za upakowanie wiązań. Aktyna podściela błonę komórkową i łączy się z białkami transmembranowymi - cytoszkielet kortykalny aktynowy w erytrocytach ludzkich. Forma erytrocytu jest utrzymywana tylko przez cytoszkielet aktynowy. Erytrocyty nie posiadają mikrotubul kortykalnych ani filamentów pośrednich. Warstwa aktyny wzmocniona jest białkiem spektryną, które należy do ABS. Spektryna to długie białko, które idzie wzdłuż filamentów, łączy się z nim za pomocą innego białka, i tworzy korteks.
Wiązki aktynowe biorą udział w tworzeniu połączeń między komórkami. Są to tzw. połączenia w strefie przylegania i tam filamenty aktynowe, kazeina i inne białka łączą się z transbłonowymi białkami - kadherynami. Jest to szczególnie dobrze wyrażone w tkance nabłonkowej. Okazuje się, że komórki z hodowli tkankowej, np. fibroblasty tworzą na spodzie szalki hodowlanej warstwę rozpłaszczonych komórek. Jest to możliwe dzięki tworzeniu połączeń komórki z substancją pozakomórkową - dnem szalki. Są to tzw. kontakty lokalne (opustkowe (?)), w które zaangażowane są włókna stresowe (naprężeniowe). W miejscach, w których komórka nawiąże kontakt z podłożem (rozproszonych ogniskach), tworzy się bardzo charakterystyczny układ włókien aktynowych. Tworzą się ruchy wiązek, które specyficznie nawiązują kontakt z przedbłonowymi białkami - integrynami, które z kolei nawiązują kontakt z zewnętrzną powierzchnią. Z podobnym zjawiskiem reorganizacji w jakimś lokalnym miejscu błony komórkowej mamy do czynienia podczas wysuwania nibynóżki. Żeby nibynóżki mogły być wysunięte, musi być najpierw nawiązany kontakt z podłożem. Po nawiązaniu kontaktu, nibynóżka zaczyna się wydłużać i przesuwa się do niej cytoplazma. Okazuje się, że centralnym elementem jest reorganizacja cytoszkieletu aktynowego. Najpierw tworzy się ogniskowy punkt przyczepienia. Gwałtowna reorganizacja cytoszkieletu związana jest z wytworzeniem bardzo licznych odgałęzień, z których każde łączy się z aktyną i białkami transmembranowymi.Przesunięcie cytoplazmy związane jest również z reorganizacją cytoszkieletu - z utworzeniem włókien, pomiędzy które może wejść miozyna. Może wtedy dojść do skurczu i przepchnięcia cytoplazmy do wiodącej nibynóżki.
Miozyna I (jednogłówkowa) - transport organelli komórkowych lub filamentów aktynowych.
Miozyna V (dwugłówkowa)
Miozyna II (dwugłówkowa) - ślizg włókien aktynowych względem siebie i w efekcie skurcz.
2. Filamenty pośrednie
Końce n i c, które w poszczególnych typach filamentów pośrednich bardzo się między sobą różnią zarówno co do długości, jak i struktury. Zasada dla każdego filamentu pośredniego jest taka, że monomery dimeryzują i ich część centralna tworzy zwężenie typu α-helis. Każdy dimer łączy się z kolejnym dimerem i dopiero taki tetramer jest jednostką, która tworzy cały filament. Tetramery łączą się ze sobą liniowo i poprzecznie. Cała ta struktura następnie jeszcze raz zawija się tworząc włókno pośrednie, którego przekrój w mikroskopie elektronowym jest lity i ma średnicę od 8 do 12 nm. W ten sposób tworzą się poszczególne włókna, które tworzą mniej lub bardziej rozgałęzione wiązki podporowe. Są to wiązki bardzo odporne na wszelkie mechaniczne stresy. Wszystkie komórki, które są narażone na takie stresy mają silnie wykształcony cytoszkielet filamentów pośrednich, np. komórki nerwowe, nabłonkowe.
Grupy filamentów pośrednich:
Laminy jądrowe - wyściełają bezpośrednio błonę jądrową. Razem z błoną jądrową tworzą otoczkę jądrową i zapewniają stały kształt jądra. Występują we wszystkich komórkach eukariotycznych.
Wimentynopodobne - wypełniają komórki pochodzenia mezenchymatycznego bardzo ważne w rozwoju zarodkowym. Występują również w komórkach mięśniowych (desmina), nerwowych (peryferyna) oraz towarzyszących komórkom nerwowym. Osobną grupą są neurofilamenty. W aksonach są gęsto upakowane. GFAP w astrocytach i komórkach Schwana.
Keratyny - dzielą się na keratyny kwaśne i zasadowe. Występują przede wszystkim w komórkach nabłonkowych i ich pochodnych.
Filamentom towarzyszą również inne białka, które spajają poszczególne filamenty w wiązce lub sieci, ale również są odpowiedzialne za podczepienie tych filamentów do błony lub do innych elementów komórki, np. do mikrotubul. Białka towarzyszące filamentom pośrednim to krótkie IFPs, czyli intermediate filament proteins (asociated proteins). Należą do nich platiny, które współuczestniczą w podczepieniu filamentów pośrednich do transbłonowych białek, uczestniczących w tworzeniu połączeń typu desmosom lub semidesmosom. A więc również filamenty pośrednie uczestniczą w tworzeniu połączeń międzykomórkowych bądź połączeń komórki z substratem albo z macierzą międzykomórkową.
3. Mikrotubule
Mikrotubule to cylindry zbudowane z α i β-tubuliny, które są ułożone spiralnie. Na jeden skręt spirali przypada 13 dimerów, ale typów mikrotubul jest 17. Zarówno podjednostki tubuliny jak i złożone mikrotubule mogą ulegać dużym modyfikacjom potranslacyjnym i stąd wynika różnorodność mikrotubul w komórce.
Tworzenie mikrotubuli:
Tworzą ją dimery α i β-tubuliny, które łącząc się ze sobą tworzą protofilamenty. Łączą się one okółkowo, tworząc powierzchnię, która się zwija i tworzy cylinder.
Polimeryzacja i depolimeryzacja mikrotubul:
Zauważono, że reakcja in vitro wymaga obecności GTP. Polimeryzacja zachodzi na jednym końcu dużo intensywniej, niż na drugim końcu. Do końca, na którym polimeryzacja zachodzi szybciej dołączają się dimery związane z GTP i tworzy się coś w rodzaju czapeczki GTP i w krótce po związaniu się z protofilamentem dimeru z GTP, podobnie jak przy aktynie, dochodzi do hydrolizy GTP i powstania GDP. Podobnie jak w przypadku aktyny, hydroliza powoduje, że wiązanie kowalencyjne, które łączy dimery, staje się słabsze. Dochodzi więc do odpadania od mikrotubuli dimerów związanych z GDP. Polimeryzacja zależy od obecności GTP, jonów magnezowych i temperatury fizjologicznej. Przyspiesza ją szereg białek, które należą do dużej grupy białek towarzyszących mikrotubulom. Jeżeli nastąpi niedobór GTP, dodamy wapń i będzie niska temperatura, równowaga będzie przesunięta w kierunku depolimeryzacji. Nawet jeśli będzie bardzo niskie GTP (tak samo jak ATP przy mikrofilamentach), polimerazacja będzie powoli zachodzić. Okazuje się, że in vivo polimeryzacja zachodzi tylko w określonych miejscach, które muszą zawierać określone białka. Wśród tych określonych białek zasadniczą rolę pełni białko γ-tubulina. Miejsca, które zwierają γ-tubulinę i szereg innych białek, to MTOCi, czyli Microtubular Organizing Centers - centra nukleacji. In vitro γ-tubuliny może nie być. Stężenie wapnia w komórce jest bardzo niskie - 10-6 mola, ale wiadomo, że albo z powodu określonej funkcji komórki, albo w określonym momencie cyklu komórkowego, albo w określonych momentach rozwoju embrionalnego następują fale wapniowe. Podniesie stężenia wapnia powoduje gwałtowną depolimeryzację mikrotubul. Nie musi to dotyczyć całej komórki. Wahania takie zachodzą cały czas, są stymulowane przez określone cząsteczki, np. cząsteczki sygnałowe. Sygnał jest potem przeniesiony przez system przekaźników i doprowadza np. do odtworzenia kanałów wapniowych w cysternach retikulum endoplazmatycznego. Tak więc w tej samej komórce mogą jednocześnie zachodzić przeciwstawne procesy, stymulowane różnymi czynnikami. Mikrotubula znajduje się w ciągłym stanie równowagi między polimeryzacją, a depolimeryzacją. W żywych organizmach koniec minus, czyli ten, przy którym jest GDP, tkwi w centrach nukleacji. Na końcu GTP zachodzi zarówno polimeryzacja, jak i depolimeryzacja w zależności od tego jaka jest dynamika hydrolizy - dynamiczna niestabilność mikrotubul, spowodowana wewnętrzną zdolnością cząsteczek tubuliny do hydrolizowania GTP. Z MTOCu wychodzi pęk mikrotubul i część, jesli dotrze do jakiejś struktury komórki, np. do błony komórkowej, za pośrednictwem białek towarzyszących jest kotwiczone do białka transmembranowego i tworzy napietą „linę”. Aby przerwać to połączenie musi nastąpić kaskada zjawisk - jakiś sygnał, który spowoduje taka zmianę konformacji kotwiczącego białka, aby mogło się ześlizgnąć, a mikrotubula zacząć depolimeryzować. Zjawisko to (stabilizacja mikrotubul) ma bardzo duże znaczenie w polaryzacji komórki. W określonym biegunie komórki są polaryzowane (?) określone białka, do których są doczepione białka, które mogą się łączyć z mikrotubulami. Jeżeli taka wypuszczona mikrotubula natrafi na to, to tworzy połączenie, po których są przesuwane bardzo specyficzne białka do tego, a nie innego bieguna komórki, na którym będą zachodzić te, a nie inne procesy związane z rozwojem komórki. Struktura mikrotubul, utrzymanie mikrotubuli i polimeryzacja zależy od specyficznej kategorii białek - białek towarzyszących, które nazywają się MAP (Microtubule Asociated Protein). Zapobiegają one rozpadowi Mpsów i pośredniczą w łączeniu MPsów z filamentami pośrednimi. Do MAP należy m.in. białko tau bardzo ważne w chorobach neurodegeneracyjnych. Działanie MAP zależy od fosforylacji i defosorylacji, które z kolei zależy od kinaz białkowych. Do białek towarzyszących należą też białka motoryczne: kinezyny i dyneiny. Kinezyny mają zdolność przesuwania się po mikrotubulach od centrum na peryferie komórki, a dyneiny transportują organelle i inne struktury w kierunku dośrodkowym (w kierunku końca minus). Są to wielkocząsteczkowe dwugłówkowe białka, mające długi ogon i część globularną, którą łączą się z przenoszoną strukturą, którą może być np. retikulum endoplazmatyczne. Rozciąganie retikulum endoplazmatycznego podczas wzrostu komórki jest zależne od podłączenia pęcherzyków retikulum do kinezyny. Inne organella, jak cysterny aparatu Golgiego są skupiane natomiast w okolicy środka komórki, więc transport jest zapewniany przez dyneinę. Jeżeli zadziałamy czynnikamy pływającymi powodującymi rozpad mikrotubul, to zauważymy nieprawidłowy rozkład struktur transportowanych przez kinezyny. Jeśli zadziałamy takimi inhibitorami, jak kolchicyna, czy nokodazol, które wstrzymują polimeryzację mikrotubul, zauważymy, że retikulum endoplazmatyczne skupione będzie głównie w centrum komórki, a aparat Golgiego będzie rozproszony równomiernie po całej komórce.
W aksonach jest wiązka mikrotubul i filamenty pośrednie. Po wiązce mikrotubul dążą do rozszerzenia presynaptycznego pęcherzyki. Są one przesuwane traktem mikrotubularnym. W dendrytach, które odbierają bodziec, wiązki mikrotubul ułożone są w obu kierunkach.
MTOCi:
Najpopularniejsze MTOCi to MTOCi związane z centrosomem. Centrosom jest jednak charakterystyczny tylko dla Metazoa. W komórkach drożdży albo komórkach roślinnych MTOCi nie posiadają centrosomów. Posiadają tylko białka skupione z γ-tubuliną. Jest to materiał pericentriolarny (nazwa stąd, że najpierw został odkryty w otoczeniu centriol). Centrosom to 2 centriole położone względem siebie prostopadle.