23.03.2005 - Wykład 6

TEMAT: Cytoszkielet

Jest to sieć włóknistych i tubularnych struktur mających formę polimerów białkowych występująca w cytoplazmie komórek eukariotycznych. Sieć ta łączy się z innymi składnikami komórki tworząc dynamiczny, ulegający ciągłym nieustannym przemianom system.

Cytoszkielet bierze udział w:

• nadawaniu i utrzymywaniu kształtu komórki

• poruszaniu się komórek

• transporcie wewnętrznym

• mitozie (rozdzielenie DNA)

• cytokinezie

• utrzymywaniu polarności komórek

• przekazywaniu informacji między komórkami

• apoptozie

• różnicowaniu się komórek

• ruchu rzęsek i wici

• skurczu mięśni

Dynamiczność tego systemu zależy od labilności tworzących go struktur. W zależności od potrzeb elementy te mogą ulegać rozpadowi (depolimeryzacji) w określonej części komórki i tworzyć się ponownie (polimeryzacja) w innej. Poszczególne części cytoszkieletu mogą współpracować ze sobą lub też pełnić odrębne funkcje.

w skład cytoszkieletu wchodzą 3 rodzaje struktur charakteryzujące się specjalną budową, lokalizacją i funkcjami. Są to: filamenty aktynowe, pośrednie i mikrotubule. Do składników cytoszkieletu zalicza się także liczne dodatkowe białka związane strukturalnie i funkcjonalnie z trzema głównymi składnikami.

FILAMENTY AKTYNOWE

• to główny składnik cytoszkieletu

• występują w formie globularnej jako aktyna-G i w formie filamentowej jako F-aktyna

• w komórkach większość występuje w formie filamentów pełniących funkcjie zarówno kurczliwe i stabilizujące

• aktyna bierze udział tylko w generowaniu siły motorycznej dla migracji komórek oraz dla wszystkich zjawisk związanych z ruchliwością

• aktyna decyduje także o kształcie komórki oraz właściwościach mechanicznych jej towarzyszących

• są to struktury spolaryzowane, składają się z dwóch śrubowo zwiniętych wokół siebie łańcuchów, z których każdy to liniowo ułożone globularne podjednostki aktyny-G

• takie polimery aktyny w postaci podwójnie prawoskrętnych helis mają strukturę biegunową (różnie są zorientowanie końce) - koniec grotowy jest wolno rosnącym (-) a koniec lotkowy jest szybko rosnący (+)

• do końców są dobudowywane monomery aktyny niosące ATP, który jest hydrolizowany do ADP zaraz po zamontowaniu w łańcuchu. Cząsteczki ADP pozostają w uwięzieniu w obrębie filamentu aktynowego (są nie zdolne do przejścia w ATP) aż do czasu kiedy monomery aktyny, które je niosły oddysocjują od łańcucha.

• hydroliza nukleotydu ułatwia depolimeryzację, pomagając komórkom w demontażu filamentów po ich uformowaniu się

• w stanie równowagi dynamicznej szybkość przyrostu podjednostek aktyny na końcu kolcowym (+) jest równa szybkości ich odłączania na końcu ostrym (-)

Białka wiążące aktynę: - większość z nich wiąże się z uformowanymi filamentami i kontroluje ich zachowanie:

1. białka stabilizujące - wiążą się z monomerami chroniąc je przed przyłączaniem się do końców filamentów - tymozyna i profilina

2. białka tnące filamenty - tną filamenty na krótsze fragmenty i w ten sposób zmieniają żel w zol - gelsolina

3. białka stabilizujące mikrofilamenty - wiążą się bocznie wzdłuż F-aktyny - troponina, tropomiozyna

4. białka przymocowywujące F-aktynę do podstruktur komórkowych - winkulina, konektyna

1. między innymi białka mocujące F-aktynę do błony komórkowej (tworzące sieć zwaną kora komórki) to spektryna, ankiryna

5. białka wiążące mostkami poprzecznymi - wiążą aktynę w równoległe związki: α-aktynina

6. aktyna w połączeniu z miozyną (białko motoryczne) tworzy struktury kurczliwe - np. w mięśniach poprzecznie szkieletowych - skurcz ten kontroluje tropomina

1. wyróżniamy dwa główne typy miozyn: I (mają tylko jedną głowę i jeden ogon) i II (mają dwie głowy i długie ogony) - głowy są ATP-azami

2. tworzą także pierścień kurczliwy w czasie cytokinezy

Ruch komórek:

Niezbędne są trzy procesy: 1) komórka wysuwa wypustki, 2) wypustki przywierają do powierzchni, 3) do tych zakotwiczonych miejsc przyciągana jest reszta komórki

Pierwszy etap jest kierowany przez polimeryzację aktyny na końcu (+) co prowadzi do wydłużania lamellipodiów lub filopodiów. Kiedy struktury te dotrą do odpowiedniego miejsca przylegają do niego dzięki śródbłonowym białkom tzw. integrynom. Następnie tył komórki odczepia się od podłoża i przesuwa się (kurczy się).

FILAMENTY POŚREDNIE

• są najbardziej stabilne (ale istnieją mechanizmy, które powodują przekształcanie się tych struktur, biorą w tym udział m.in. białka towarzyszące filamentom pośrednim) i niespolaryzowane, nadają kształt komórce

• mają rolę podporową i stabilizacyjną

• są włókniste, ich średnica zawiera się między największymi mikrotubulami a filamentami aktynowymi

• przypominają linę zbudowaną z długich nici skręconych razem w celu zwiększenia wytrzymałości na rozerwanie

• składają się z domeny środkowej - włóknistej oraz bocznych domen globularnych, dwie takie jednostki tworzą dimer liniowo

• dwa dimery nachodzą na siebie dachówkowo tworząc tetramery, które to budują filamenty pośrednie ( złożone z 8 układów tetramerów splatających się ze sobą)

• występują w komórkach w tkankach na które działają zewnętrzne siły mechaniczne, zakotwiczają się one tam w połączeniach międzykomórkowych

• w pewnych stanach patologicznych filamenty te ulegają degradacji tworząc kompleksy sferyczne (w komórkach nerwowych dotkniętych AD, w uszkodzonych komórkach wątroby po zatruciu alkoholowym)

• Rodzaje:

• filamenty keratynowe (w tkance nabłonkowej) - związane z siłami naprężeniowymi, jeden koniec zakotwiczony jest w desmosomie bądź hemidesmosomie

• w nabłonku ludzkim jest około 20 rodzajów cytokeratyn, w tym 8 rodzajów keratyn twardych specyficznych dla włosów i paznokci

• występują na różnych poziomach zróżnicowania stąd wykorzystuje się je w diagnostyce chorób nowotworowych, im poziom zróżnicowania większy tym mniej złośliwy rak

• komórki produkują różne cytokeratyny np. nabłonek tkanki wyściełającej język i pęcherz moczowy produkuje 4 rodzaje różnych cytokeratyn

• z zaburzeniami cytokeratyn związane są choroby tzw. pęcherzyce (dermatologia) np. epidermolysis bullosa simplex = w wyniku dysfunkcji filamentów pośrednich na skutek niewielkich urazów mechanicznych warstwy tkanki nabłonkowej budującej skórę oddzielają się od skóry właściwej i tworzą pęcherze wypełnione surowicą i dużą ilością krwi, nie goją się, prowadzą one do martwicy fragmentów skóry, śmierć w wieku 20-35 lat

• filamenty wimentynowe - w komórkach pochodzenia mezynchymalnego (tkanka łączna, leukocyty, komórki śródbłonka)

• gromadzi się w okolicy jądra tworząc siateczkę

• w pełni dojrzałych komórkach mogą wcale nie występować albo występować tylko w pewnym etapie rozwoju

• w czasie mitozy grupują się w bliskim sąsiedztwie płytki metafazalnej

• filamenty desminowe - w tkance mieśniowej

• stabilizują sarkomery, łączą błonę komórkową z błoną graniczną Z

• neurofilamenty - w tkance nerwowej

• ich przebieg w dendrytach jest uporządkowany, są ułożone względem siebie prawie równolegle

• stanowią szkielet wypustek nerwowych i zapobiegają ich kurczeniu się

• filamenty glejowe- w cytoplazmie komórek glejowych,

• ułożone w sposób nieuporządkowany, tworzą siateczkę

• zbudowane z kwaśnego białka glejowego wrażliwego na proteolizę

• występują w astrocytach w CUN i komórkach Schwanna w nerwach obwodowych

• filamenty laminowe i matrynowe- charakterystyczne dla jądra

• matryny - tworzą szkielet jądra w którym zakotwiczone są białka i kwasy nukleinowe, dzięki nim zachodzi transkrypcja, dojrzewanie rRNA, porządkują układ jądra komórkowego

• laminy - białka związane z wewnętrzną powierzchnią otoczki jądrowej (głównie laminy B), łączą chromatynę z otoczką stanowią podstawę i wzmocnienie tejże otoczki, odgrywają role w jej dezintegracji

• typy lamin: A, B, C

• przekształcanie lamin A i C wiąże się z rozpadem otoczki i jej późniejszą odbudową (fosforylacja i defosforylacja lamin)

• laminy C biorą także udział w magazynowaniu błony jądrowej po rozpadzie otoczki jądrowej, krąży ona w pęcherzykach w pobliżu nowego jądra

4

---