Citoskelet je skup proteinskih struktura nalik na niti - mikrotubula i mikrofilamenata koji čine mišićno-koštani sistem ćelije. Samo eukariotske ćelije nemaju citoskelet (bakterijske) ćelije, što je bitna razlika između ova dva tipa ćelija. Citoskelet daje ćeliji određeni oblik čak i u odsustvu krutog ćelijskog zida. Organizuje kretanje organela u citoplazmi (tzv. tok protoplazme), koji je u osnovi ameboidnog kretanja. Citoskelet se lako obnavlja, pružajući, ako je potrebno, promjenu oblika ćelije. Sposobnost ćelija da menjaju oblik određuje kretanje ćelijskih slojeva u ranim fazama embrionalni razvoj. Tokom ćelijske diobe ( mitoza) citoskelet se “rastavlja” (disocijacija), a njegovo samosastavljanje se ponovo dešava u ćelijama kćerima.
Citoskelet obavlja tri glavne funkcije.
1. Služi kao mehanički okvir za ćeliju, koji ćeliji daje njen tipičan oblik i omogućava komunikaciju između membrane i organela. Okvir je dinamička struktura koja se stalno ažurira kako se vanjski uvjeti i stanje ćelije mijenjaju.
2. Djeluje kao “motor” za kretanje ćelija. Motorni (kontraktilni) proteini se nalaze ne samo u mišićnim ćelijama, već iu drugim tkivima. Komponente citoskeleta određuju smjer i koordiniraju kretanje, diobu, promjenu oblika ćelije tokom rasta, kretanje organela i kretanje citoplazme.
3. Služi kao "šine" za transport organela i drugih velikih kompleksa unutar ćelije.
Imunocitokemijska analiza je metoda koja omogućava imunološku analizu citološkog materijala uz zadržavanje morfologije ćelije. ICC je jedna od mnogih vrsta imunohemijskih metoda: enzimski imunotest, imunofluorescencija, radioimuna itd. Osnova ICC metode je imunološka reakcija antigena i antitijela.
Citoplazma eukariotskih ćelija je prožeta trodimenzionalnom mrežom proteinskih niti (filamenata) koja se naziva citoskelet. U zavisnosti od prečnika, filamenti se dele u tri grupe: mikrofilamenti (6-8 nm), srednja vlakna (oko 10 nm) i mikrotubule (oko 25 nm). Sva ova vlakna su polimeri koji se sastoje od podjedinica posebnih globularnih proteina.
Mikrofilamenti (aktinski filamenti) se sastoje od aktina, proteina koji je najzastupljeniji u eukariotskim ćelijama. Aktin može postojati kao monomer (G-aktin, “globularni aktin”) ili polimer (F-aktin, “fibrilarni aktin”). G-aktin je asimetrični globularni protein (42 kDa), koji se sastoji od dva domena. Kako se jonska snaga povećava, G-aktin se reverzibilno agregira kako bi formirao linearni, namotani polimer, F-aktin. Molekul G-aktina nosi čvrsto vezan ATP molekul, koji se, kada se prevede u F-aktin, polako hidrolizira u ADP, tj. F-aktin pokazuje svojstva ATPaze.
B. Intermedijarni proteini vlakana
Strukturni elementi srednjih vlakana su proteini koji pripadaju pet srodnih porodica i pokazuju visok stepen ćelijske specifičnosti. Tipični predstavnici ovih proteina su citokeratini, desmin, vimentin, glia fibrilarni kiseli protein [GFAP] i neurofilament. Svi ovi proteini imaju osnovnu strukturu jezgra u centralnom dijelu, koja se naziva supernamotana α-helix. Takvi dimeri se udružuju antiparalelno da bi formirali tetramer. Agregacija tetramera na način "head-to-head" proizvodi protofilament. Osam protofilamenata formira srednje vlakno.
Za razliku od mikrofilamenata i mikrotubula, slobodni intermedijarni monomeri vlakana jedva da se nalaze u citoplazmi. Njihova polimerizacija dovodi do stvaranja stabilnih nepolarnih molekula polimera.
V. Tubulin
Mikrotubule su građene od globularnog proteina tubulina, koji je dimer α- i β-podjedinica. Tubulinski monomeri vezuju GTP, koji se polako hidrolizira GDP i GTP. Dvije vrste proteina su povezane s mikrotubulama: strukturni translokatorski proteini.
-Skup proteinskih struktura nalik na niti - mikrotubula i mikrofilamenata koji čine mišićno-skeletni sistem ćelije.
Citoskelet je visoko dinamičan citoplazmatski sistem. Mnoge strukture citoskeleta mogu se lako uništiti i ponovo pojaviti, mijenjajući svoju lokaciju ili morfologiju. Ove karakteristike citoskeleta su zasnovane na reakcijama polimerizacije-depolimerizacije glavnih strukturnih proteina citoskeleta i njihovoj interakciji sa drugim proteinima, kako strukturnim tako i regulatornim.
Samo eukariotske ćelije nemaju citoskelet, što je bitna razlika između ova dva tipa ćelija. Citoskelet daje ćeliji određeni oblik čak i u odsustvu krutog ćelijskog zida. Organizuje kretanje organela u citoplazmi (tzv. tok protoplazme), koji je u osnovi ameboidnog kretanja. Citoskelet se lako obnavlja, pružajući, ako je potrebno, promjenu oblika ćelije. Sposobnost ćelija da menjaju oblik određuje kretanje slojeva ćelija u ranim fazama embrionalnog razvoja. Tokom ćelijske diobe (mitoza), citoskelet se „rastavlja“ (disocijacija), a u ćerkim ćelijama ponovo dolazi do njegovog samosastavljanja.
Funkcije citoskeleta su različite. Pomaže u održavanju oblika ćelije i obavlja sve vrste ćelijskih pokreta. Osim toga, citoskelet može sudjelovati u regulaciji metaboličke aktivnosti ćelije.
Citoskelet je formiran od proteina. U citoskeletu se razlikuje nekoliko glavnih sistema, koji su nazvani ili prema glavnim strukturnim elementima vidljivim tokom elektronskih mikroskopskih studija (mikrofilamenti, intermedijerni filamenti, mikrotubuli), ili po glavnim proteinima uključenim u njihov sastav (aktin-miozinski sistem, keratini, tubulin- dynein sistem).
Intermedijarni filamenti su najmanje shvaćena struktura među glavnim komponentama citoskeleta u pogledu njihovog sklapanja, dinamike i funkcije. Njihova svojstva i dinamika se veoma razlikuju od svojstva i mikrotubula i aktinskih filamenata. Funkcije srednjih filamenata i dalje ostaju u domenu hipoteza.
Citoplazmatski intermedijarni filamenti nalaze se u velikoj većini ukariotskih stanica, kako u kralježnjaka i beskičmenjaka, tako i u višim biljkama. Rijetki primjeri životinjskih stanica u kojima se ne nalaze intermedijarni filamenti ne mogu se smatrati konačnim, jer proteini međufilamenta mogu formirati neobične strukture.
Morfološke mikrotubule su šuplji cilindri prečnika oko 25 nm sa debljinom zida od oko 5 nm. Zid cilindra se sastoji od protofilamenata - linearnih tubulinskih polimera sa longitudinalno orijentisanim heterodimerima. Kao dio mikrotubula, protofilamenti se kreću duž svoje dugačke ose sa blagim pomakom jedan u odnosu na drugu, tako da podjedinice tubulina formiraju spiralu sa tri starta. Mikrotubule većine životinja sadrže 13 protofilamenata.
Aktinski filamenti igraju ključnu ulogu u kontraktilnom aparatu mišićnih i nemišićnih ćelija, a takođe učestvuju u mnogim drugim ćelijskim procesima, kao što su pokretljivost, održavanje oblika ćelije, citokineza
Aktinski filamenti ili fibrilarni aktin (F-aktin) su tanke fibrile prečnika 6-8 nm. Oni su rezultat polimerizacije globularnog aktina - G-aktina. U ćeliji aktinski filamenti, uz pomoć drugih proteina, mogu formirati mnogo različitih struktura.
1. Šta je unutrašnje okruženje ćelije? Kako se zove mišićno-koštani sistem ćelije, predstavljen mrežom tankih niti i cijevi?
Unutrašnje okruženje ćelije je hijaloplazma, a mišićno-skeletni sistem ćelije je citoskelet.
2. Šta je hijaloplazma? Kakav je njegov hemijski sastav? Koje funkcije obavlja?
Hijaloplazma je unutrašnje okruženje ćelije u kojem se nalaze sve unutarćelijske strukture i odvijaju se različiti metabolički procesi. Hijaloplazma je gusta, bezbojna, viskozna otopina čiji je sadržaj vode 70-90%. Hijaloplazma sadrži mnogo proteina, ugljikohidrata, lipida i raznih anorganskih spojeva. Ovdje se, u otopljenom obliku, nalaze aminokiseline, nukleotidi i drugi "građevinski blokovi" biopolimera, kao i međuprodukti koji nastaju tokom metabolizma. Hijaloplazma objedinjuje sve ćelijske strukture i osigurava kemijsku interakciju između njih.
3. Koja je razlika između pojmova “citoplazma” i “hijaloplazma”?
Citoplazma uključuje hijaloplazmu i sve organele, inkluzije i citoskelet uronjen u nju.
4. Od čega se sastoji citoskelet? Koje su njegove funkcije u ćeliji?
Citoskelet (intracelularni citoplazmatski skelet) je sastavni dio citoplazme, njen mehanički okvir. Citoskelet je složena trodimenzionalna mreža mikrofilamenata i mikrotubula.
5. Kako se mikrotubule razlikuju od mikrofilamenata?
Mikrofilamenti su tanka proteinska vlakna (fibrile), koja se sastoje od dvije niti spiralno uvijene jedna oko druge. Svaki filament nastaje polimerizacijom molekula proteina aktina. Vlakna drugog važnog proteina, miozina, takođe se nalaze u ćeliji. Vlakna miozina zajedno s aktinskim mikrofilamentima formiraju kompleks koji se može kontrahirati korištenjem energije ATP-a. Mikrotubule su tanke, šuplje, nerazgranate cijevi koje se formiraju od proteinskih molekula tubulina.
6. Kako se manifestuje dinamizam strukturnih elemenata citoskeleta?
Elementi citoskeleta su veoma dinamični. U određenim dijelovima ćelije, kada se promijene vanjski i unutrašnji uvjeti, oni se mogu raspasti i ponovo sastaviti. Pojedinačni proteinski molekuli formirani tokom rastavljanja mikrotubula i mikrofilamenata prelaze u rastvor kao deo hijaloplazme. Prilikom sastavljanja elemenata citoskeleta uočava se obrnuti proces.
7. Poznato je da hijaloplazma može mijenjati viskoznost i fluidnost, prelazeći iz tečnog u gelasto stanje i obrnuto. Ponudite hipoteze o tome kako bi se to moglo postići.
Hijaloplazma može promijeniti svoja svojstva pod utjecajem vanjskih i unutrašnjih faktora: temperature, koncentracije tvari u ćeliji, kiselosti. U ovom slučaju se opaža povećanje brzine propadanja citoskeletnih elemenata i hijaloplazma postaje tečnija. U suprotnom slučaju, kada se poveća stopa sinteze citoskeletnih elemenata, hijaloplazma postaje viskozna.
Ponovo posvećujući publikaciju biološkim temama, razgovarajmo o jednoj od najvažnijih u njoj - citoskeletu (od grčkog "cytos", što znači "ćelija"). Također ćemo razmotriti strukturu i funkcije citoskeleta.
Prije razgovora o ovoj temi, treba dati pojam citoplazme. Ovo je unutrašnje polutečno okruženje ćelije, koje je ograničeno citoplazmatskom membranom. Ovo unutrašnje okruženje ne uključuje ćelijsko jezgro i vakuole.
A citoskelet je okvir ćelije, koji se nalazi u ćelijama eukariota (živih organizama koji u svojim ćelijama sadrže jezgro). To je dinamična struktura koja se može mijenjati.
Neki izvori koji raspravljaju o strukturi i funkcijama citoskeleta daju nešto drugačiju definiciju, formuliranu različitim riječima. To je mišićno-koštani sistem ćelija, koji se sastoji od proteinskih filamentnih struktura. Učestvuje u kretanju ćelija.
Citoskelet je formiran od proteina. U svojoj strukturi razlikuje se nekoliko sistema, čiji naziv dolazi od glavnih strukturnih elemenata, odnosno od glavnih proteina koji su dio ovih sistema.
Pošto je citoskelet struktura, on ima tri glavne komponente. Oni igraju važnu ulogu u životu i kretanju ćelija.
Citoskelet se sastoji od mikrotubula i mikrofilamenata. Potonji se inače nazivaju aktinskim filamentima. Svi su po prirodi nestabilni: stalno se sklapaju i rastavljaju. Dakle, sve komponente imaju dinamičku ravnotežu sa proteinima koji im odgovaraju.
Citoskeletne mikrotubule, koje su krute strukture, prisutne su u citoplazmi eukariota, kao iu njenim izraslinama, koje se nazivaju flagele i cilije. Njihova dužina može varirati, a neki dosežu i nekoliko mikrometara. Ponekad su mikrotubule povezane ručkama ili mostovima.
Mikrofilamenti su napravljeni od aktina, proteina sličnog onom koji se nalazi u mišićima. Sadrže i druge proteine u malim količinama. Glavna razlika između aktinskih filamenata i mikrotubula je u tome što se neki od njih ne mogu vidjeti pod svjetlosnim mikroskopom. U životinjskim ćelijama oni su ujedinjeni u pleksus ispod membrane i tako su povezani sa njenim proteinima.
Mikrofilamenti životinjskih i biljnih ćelija takođe stupaju u interakciju sa proteinom miozinom. Štaviše, njihov sistem ima sposobnost ugovaranja.
Intermedijarni filamenti se sastoje od različitih proteina. Ova strukturna komponenta nije dovoljno proučena. Postoji mogućnost da ga biljke uopće nemaju. Takođe, neki naučnici veruju da su srednji filamenti pored mikrotubula. Precizno je dokazano da kada je sistem mikrotubula uništen, filamenti se preuređuju, a obrnutim postupkom uticaj filamenata praktično nema uticaja na mikrotubule.
Govoreći o strukturi i funkcijama citoskeleta, navodimo kako on tačno utiče na ćeliju.
Zahvaljujući mikrofilamentima, proteini se kreću duž citoplazmatske membrane. Aktin koji se nalazi u njima učestvuje u mišićnim kontrakcijama, fagocitozi, pokretima ćelija, kao i u procesu fuzije sperme i jajnih ćelija.
Mikrotubule su aktivno uključene u održavanje oblika ćelije. Druga njihova funkcija je transport. Oni transportuju organele. Mogu obavljati mehanički rad, koji uključuje pomicanje mitohondrija i cilija. Mikrotubule igraju posebno važnu ulogu u procesu diobe stanica.
Oni su usmjereni na stvaranje ili održavanje određene ćelijske asimetrije. Pod određenim utjecajima dolazi do uništavanja mikrotubula. To može dovesti do gubitka ove asimetrije.
Funkcije citoskeleta također uključuju adaptaciju stanica na vanjske utjecaje i procese endo- i egzocitoze.
Tako smo ispitali koje funkcije citoskelet obavlja u živom organizmu.
Postoje određene razlike između eukariota i prokariota. Stoga je važno uzeti u obzir citoskelet ovih životinja. Eukarioti (životinje koje imaju jezgro u svojoj ćeliji) imaju tri vrste filamenata.
Aktinski filamenti (drugim riječima, mikrofilamenti) nalaze se u blizini ćelijske membrane. Oni učestvuju u međućelijskoj interakciji i prenose signale.
Srednji filamenti su najmanje dinamički dio citoskeleta.
Mikrotubule su šuplji cilindri i vrlo su dinamične strukture.
Prokarioti uključuju jednoćelijske organizme - bakterije i arheje, koji nemaju formirano jezgro. Smatralo se da prokarioti nemaju citoskelet. Ali od 2001. godine počelo je aktivno istraživanje njihovih ćelija. Pronađeni su homolozi (slični, slični) svih elemenata eukariotskog citoskeleta.
Naučnici su otkrili da jedna od proteinskih grupa skeleta bakterijske ćelije nema analoga među eukariotima.
Tako smo ispitali strukturu i funkcije citoskeleta. Ima izuzetno važnu ulogu u životu ćelije, obezbeđujući njene najvažnije procese.
Sve komponente citoskeleta su u interakciji. Ovo potvrđuje postojanje direktnih kontakata između mikrofilamenata, intermedijarnih filamenata i mikrotubula.
Prema modernim konceptima, najvažnija karika koja spaja različite ćelijske dijelove i prenosi podatke je citoskelet.
Štaviše, homolozi svih eukariotskih proteina citoskeleta pronađeni su u prokariotskim ćelijama. Citoskelet je trajna struktura čije funkcije uključuju održavanje i prilagođavanje oblika ćelije vanjskim utjecajima, egzo- i endocitozu, osiguravanje kretanja stanice u cjelini, aktivan unutarćelijski transport i diobu stanice.
Keratinski intermedijarni filamenti u ćeliji.
Citoskelet se sastoji od proteina koji se razlikuju po glavnim strukturnim elementima vidljivim tokom elektronskih mikroskopskih studija (mikrofilamenti, međufilamenti, mikrotubuli) ili po glavnim proteinima koji ih čine (sistem aktin-miozin, keratini; , tubulin - dinein sistem).
Oko 7 nm u prečniku, mikrofilamenti su dva lanca aktinskih monomera uvijenih u spiralu. Uglavnom su koncentrisani u blizini vanjske membrane ćelije, jer su odgovorni za oblik ćelije i sposobni su da formiraju izbočine na površini ćelije (lamelipodije i mikrovili). Također su uključeni u međućelijsku interakciju (formiranje adhezivnih kontakata), prijenos signala i, zajedno s miozinom, u kontrakciju mišića. Uz pomoć citoplazmatskih miozina, vezikularni transport se može provesti duž mikrofilamenata.
Dugo se vjerovalo da samo eukarioti posjeduju citoskelet. Međutim, s objavljivanjem članka Jonesa et al. 2001. (PMID 11290328), koji opisuje ulogu homologa bakterijskog aktina u stanicama Bacillus subtilis, započeo je period aktivnog proučavanja elemenata bakterijskog citoskeleta. Do danas su pronađeni bakterijski homolozi sva tri tipa eukariotskih citoskeletnih elemenata - tubulina, aktina i intermedijarnih filamenata. Također je utvrđeno da najmanje jedna grupa bakterijskih citoskeletnih proteina, MinD/ParA, nema eukariotskih parnjaka.
Najviše proučavane citoskeletne komponente nalik aktinu uključuju MreB, ParM i MamK.
MreB proteini i njegovi homolozi su komponente bakterijskog citoskeleta slične aktinu koje igraju važnu ulogu u održavanju oblika ćelije, segregaciji hromozoma i organizaciji membranskih struktura. Neke vrste bakterija kao npr Escherichia coli, imaju samo jedan MreB protein, dok drugi mogu imati 2 ili više MreB proteina. Primjer potonjeg je bakterija Bacillus subtilis, u kojem su proteini MreB, Mbl ( M re B-l ike) i MreBH ( MreB h omolog).
U genomima E. coli I B. subtilis gen odgovoran za sintezu MreB nalazi se u istom operonu sa genima za MreC i MreD proteine. Mutacije koje potiskuju ekspresiju ovog operona dovode do formiranja sfernih ćelija sa smanjenom vitalnošću.
Podjedinice MreB proteina formiraju filamente koji se obavijaju oko bakterijske ćelije u obliku štapa. Nalaze se na unutrašnjoj površini citoplazmatske membrane. Filamenti koje formira MreB su dinamični, stalno prolaze kroz polimerizaciju i depolimerizaciju. Neposredno prije diobe ćelije, MreB je koncentrisan u regiji u kojoj će se formirati suženje. Vjeruje se da MreB također funkcionira da koordinira sintezu mureina, polimera ćelijskog zida.
Geni odgovorni za sintezu MreB homologa pronađeni su samo u bakterijama u obliku štapa, a nisu pronađeni u kokama.
Protein ParM prisutan je u ćelijama koje sadrže plazmide sa malo kopije. Njegova funkcija je da širi plazmide do polova ćelije. U ovom slučaju, proteinske podjedinice formiraju filamente izdužene duž glavne ose ćelije u obliku štapa.
Struktura filamenta je dvostruka spirala. Rast filamenata koje formira ParM moguć je sa oba kraja, za razliku od aktinskih filamenata, koji rastu samo na ± polu.
MamK je protein sličan aktinu Magnetospirillum magneticum, odgovoran za ispravnu lokaciju magnetosoma. Magnetozomi su invaginacije citoplazmatske membrane koja okružuje čestice željeza. MamK filament djeluje kao vodič duž kojeg se nalaze magnetosomi, jedan za drugim. U nedostatku MamK proteina, magnetosomi su nasumično raspoređeni po površini ćelije.
Trenutno su dva tubulinska homologa pronađena u prokariotima: FtsZ i BtubA/B. Poput eukariotskog tubulina, ovi proteini imaju aktivnost GTPaze.
Protein FtsZ je izuzetno važan za diobu bakterijskih ćelija; nalazi se u gotovo svim eubakterijama i arhejama. Takođe, homolozi ovog proteina pronađeni su u eukariotskim plastidima, što je još jedna potvrda njihovog simbiotskog porekla.
FtsZ formira takozvani Z-prsten, koji djeluje kao skela za dodatne proteine diobe stanica. Zajedno predstavljaju strukturu odgovornu za formiranje konstrikcije (septum).
Za razliku od široko rasprostranjenog FtsZ, ovi proteini se nalaze samo u bakterijama iz roda Prosthecobacter. Oni su po strukturi bliži tubulinu nego FtsZ.
Protein je pronađen u ćelijama Caulobacter crescentus. Njegova funkcija je da daje ćelije C. crescentus
