cytoskelet
Cytoskelet
Cytoskelet je trojrozměrná síť vláken
Cytosol je doslova prošpikován systémem proteinových vláken, které vytváří dynamicky se měnící trojrozměrnou síť. Hlavní součástí cytoskeletu jsou filamenta, která jsou z funkčního hlediska členěna na 3 skupiny podle průměru vláken, z nichž jsou tvořena. Rozlišují se tak aktinová filamenta (také se označují jako mikrofilamenta) s průměrem vláken 5 až 7 nm, dále pak střední filamenta (intermediární) s průměrem vláken 8 až 11 nm a nejmohutnější jsou mikrotubuly s průměrem vláken 22 až 25 nm. Někteří autoři uvádí ještě jednu složku cytoskeletu, a tou jsou mikrotrabekuly. Jedná se v podstatě o příčné můstky mezi ostatními komponentami cytoskeletu. Jsou tvořeny specifickými proteiny, které mají schopnost se připojovat nejenom na filamenta, ale také na buněčnou membránu a buněčné organely. Jejich význam spočívá především v udržování potřebné prostorové struktury, v případě organel při jejich ukotvení na daném místě.
Vlastnosti cytoskeletu
Jednotlivá proteinová vlákna se asociací případně polymerací sestavují do filament a mikrotubulů a tyto se mohou disociací případně depolymerací opětovně rozložit na vlákna. Tato přestavba jednotlivých systémů cytoskeletu je poměrně rychlá a vychází z potřeby buňky v daném okamžiku. Nejmarkantnější přestavba je pozorována u dělících se buněk, velký význam má také při pohybu buňky. Aby uvnitř buňky při přestavbě existoval určitý řád, jsou procesy asociace a polymerace případně disociace a depolymerace regulovány. K tomu slouží uvnitř buňky specifické proteiny (označované jako doprovodné proteiny). Tyto doprovodné proteiny jsou specifické pro jednotlivé typy filament. Díky nim jsou nejen usměrňovány pochody přestavby jednotlivých filament, ale pomocí nich jsou i filamenta navzájem fixována v určité pozici. A právě tato schopnost doprovodných proteinů určuje, že cytoskelet může jako celek vykonávat některé buněčné funkce. Cytoskelet zajišťuje především mechanickou stabilizaci buňky případně jejích výběžků, řízený pohyb buněčných organel uvnitř buňky a pohyb buňky jako celku.
Na stabilizaci tvaru buňky se podílí všechny tři uvedené skupiny vláken, každá skupina má však odlišné funkce. Pohyb buňky jako celku zajišťují především aktinová filamenta a jejich proteinové motory (myosiny). Za pohyb různých výběžků a řasinek jsou odpovědné mikrotubuly a proteinový motor dynein. Pohyb organel uvnitř buňky umožňují mikrotubuly, přičemž na krátkých vzdálenostech je to komplex aktin-myosin, na delší vzdálenosti proteinové motory kinesiny a dyneiny. Střední filamenta mají funkci nejvariabilnější, od ovlivňování prostorového uspořádání buněčných organel, jejich funkcí až po ovlivňování výsledného tvaru a pevnosti buňky. Střední filamenta hrají také důležitou roli v procesu dělení jádra a v přerozdělení buněčných organel při následném dělení buňky.
Aktinová filamenta
Většina těchto vláken se nachází ve formě svazků poblíž buněčné membrány. Jsou tvořeny globulárními proteiny aktiny, které se vyskytují ve všech buňkách, ale nejvíce (až 50% všech proteinů) je jich ve svalových buňkách. S aktinovými mikrofilamenty jsou asociovány především proteiny myosin a tropomyosin. Pouze ve svalových buňkách však vytváří vlákna, v jiným typech buněk tuto schopnost nemají. Myosin je potřebný k zajištění pohybu, tropomyosin je důležitý pro ovlivňování a řízení interakce mezi aktinovými a myosinovými filamenty.
Aktiny se v buňkách vyskytují nejméně ve třech izoformách. Jednak jako α-aktin obsažený především v kontratilním svalstvu, dále pak β-aktin a γ-aktin, které vytváří cytoskelet u všech nesvalových buněk. Pro doplnění informace je třeba uvést, že pro příčně pruhované svalstvo, hladkou svalovinu a srdeční svalovinu se ještě rozlišují specifické formy α-aktinů. Rychlost přebudovávání β- a γ-aktinových filament je obrovská, během několika sekund dokáže buňka stávající strukturu prostorové sítě rozebrat a vystavět novou. Naproti tomu struktura vytvořená α-aktiny je velice stabilní. Je to zajištěno asociací doprovodného proteinu tropomyosinu, který se přikládá k α-aktinovým filamentům paralelně nebo ve formě čepiček na koncích vláken a tím zabraňuje jejich zkracování nebo prodlužování. Existují doprovázející proteiny (např. fimbrin, villin nebo espin), které dokážou vytvořit mezi jednotlivými vlákny aktinových filament příčné můstky a vytvořit tak husté a tuhé svazky. Tyto svazky se nachází například v mikroklcích nebo stereociliích. Jiné doprovázející proteiny (jako je např. vinculin, talin nebo α-aktinin) zajišťují ukotvení svazků aktinových filament na transmembránové proteiny buněčné membrány.
Těsně pod buněčnou membránou se nachází oblast tuhé cytoplazmy (označuje se jako kortex nebo také kůra buňky), která je protkána tuhou kortikální aktinovou sítí. Tuhost této sítě je způsobená doprovodným proteinem filaminem a tato síť přispívá k udržování tvaru buňky. Na aktin kortikální sítě jsou navázané proteiny spektrin a dystrofin, které se těsně pod buněčnou membránou vzájemně propojují a vytváří plochou a velice tenkou síť (membránový skelet). Tuhost této plošné sítě je mnohonásobně větší, než kortikální aktinové sítě a tato je vlastně odpovědná za tvar buněčné membrány. Prostřednictvím sítě vytvořené ze spektrinu a dystrofinu dochází k vlastnímu propojení buněčné membrány a sítě středních filament procházejících napříč buňkou. Na spektrin a dystrofin jsou také navázané různé membránové proteiny plnící funkci přenašečů, pump, signálních proteinů apod., čímž se docílí jejich žádaného fixování v optimální pozici.
Aktinová filamenta asociovaná s buněčnou membránou zajišťují mimo jiné i změny ve tvaru membrány při endocytóze, exocytóze, při buněčném dělení, opravách membrány, při vytváření nových výběžků směrem k sousední buňce a také zajišťují pohyb buněk. Jiná aktinová filamenta zase prostupují napříč buňkou a vytváří prostorovou síť, jejíž funkcí je udržování pozice buněčných organel a také zajišťují proudění cytoplazmy. Tato prostorová síť se dynamicky přetváří podobně, jako síť mikrotubulů. Aktinových filament procházejících napříč buňkou je však mnohem méně, než mikrotubulů.
Aktinový systém se stává plně funkční až v okamžiku, kdy dojde k asociaci s doprovodnými proteiny a především s proteinovými motory. Mezi nejvýznamnější motory pro aktinový systém patří myosiny. V současné době je známo nejméně 30 různých typů (tříd) myosinových motorů, přičemž každý typ má více podtypů a izoforem. Ne všechny typy jsou však využívány u každého organismu. Například u člověka bylo popsáno doposud jen 12 typů myosinů.
Intermediární filamenta
Intermediární (střední) filamenta se vyskytují prakticky ve všech buňkách. Převážně jsou v cytoplazmě, ale v menší míře se nachází také v buněčném jádře a v ostatních buněčných organelách. Ve své aktivitě jsou velice variabilní, princip jejich výstavby je ale vždy stejný. Protože jsou pevná v tahu, vytváří pasivní podpůrnou kostru buňky. Je známo přibližně 60 různých proteinů tvořících intermediární filamenta a dosavadní poznatky nasvědčují tomu, že pro určitý typ tkáně jsou pro stavbu intermediárních filament využívány pouze určité typy proteinů. Vhodným příkladem toho, jak dokážou být intermediární filamenta pevná v tahu, mohou být vlasy. Zde jsou vytvářena především proteiny patřící do skupiny keratinů. Intermediární filamenta jsou stálou strukturou, přesto v některých typech buněk dokážou být rychle přestavována podle fyziologických potřeb buňky. Při buněčném dělení se například v jádře velice rychle rozpadají, tím umožní pohyb chromozomů. Po splynutí a rozdělení chromozomů se znovu tvořící intermediární filamenta orientují tak, že vznikají dvě nezávislé prostrové sítě umožňující dělení jádra. Současně se iniciuje stejný proces v cytoplazmě. Výsledkem je pak oddělení dceřinné buňky.
Všechna filamenta i mikrotubuly jsou tvořeny peptidickým (spíše proteinovým) řetězcem ve tvaru dlouhého vlákna zakončeného hlavičkou, střední část je tvořena tyčinkovou částí a na druhém konci je zakončení označované jako ocasní část. Hlavička a ocasní část přitom prostorově vytváří struktury, které lze funkčně přirovnat k zámku a klíči (navzájem do sebe zapadají). Dvě tyto molekuly se navzájem omotají ve stejném směru a vytvoří dimer (svitek), dva dimery se spojí protisměrně a vytvoří tetramer. Oba svitky jsou přitom navzájem mírně posunuty, čímž se vytvoří výhodné prostorové uspořádání k následnému připojení dalšího tetrameru. Tetramery jsou základní stavební jednotkou filament.
Po vzniku tetramerových vláken dochází k jejich propojování a smotávání do lan, přičemž podle typu buňky je toto lano tvořeno různým počtem tetramerových vláken. Podle toho, jaká je primární struktura peptidických řetězců, se vlastně odvíjí i výsledná pevnost vzniklého lana. Například ve vlasech obsahuje peptidický řetězec velké množství cysteinu a v důsledku toho vzniká mezi řetězci v dimeru, v tetrameru i ve vlastním lanu mnoho disulfidických můstků. Proto jsou vlasy tak mimořádně pevné v tahu a takto vytvořená střední filamenta dokážou udržet svoji strukturu i po odumření vlasové buňky.
Protože jsou základní peptidické nebo proteinové řetězce různě dlouhé, vznikají i různě veliké tetramery. Některé mají spíše charakter vláknitý, jiné vyhraněně globulární. Podle toho také vznikají různě silná a dlouhá lana. Základem aktinových filament jsou delší peptidy, středních filament polypeptidy a mikrotubulů spíše nízkomolekulární proteiny. Jinými slovy, počet aminokyselinových zbytků v řetězci vzrůstá od aktinových filament (nejmenší) směrem k mikrotubulům (největší).
V epitelech jsou střední filamenta tvořena dvěma typy cytokeratinů a označují se proto jako cytokeratinová filamenta (tonofilamenta). Cytokeratiny jsou velice rozmanitou skupinou proteinů. Ve většině epitelů v těle se uplatňují tzv. měkké cytokeratiny, kterých bylo popsáno přibližně 25 typů. V kožních derivátech, jako jsou vlasy nebo nehty, se navíc ve větší míře uplatňují ještě tzv. tvrdé cytokeratiny, kterých bylo popsáno asi 15 typů. Cytokeratiny jsou zvláštní v tom, že jejich dimery nejsou tvořeny 2 zcela stejnými peptidickými řetězci. Jeden řetězec má spíše kyselý charakter, druhý je spíše zásaditý. Vytvořený dimer by měl být proto správně označen jako heterodimer. Tato zvláštnost má velice praktický význam. Díky vznikajícím vazbám mezi kyselými a zásaditými funkčními skupinami aminokyselin tvořícími řetězce se jejich pevnost značně zvyšuje. Protože se jedná převážně o kovalentní vazby, stává se struktura středních filament velice stabilní a proto se tato střední filamenta považují za velice stálou a odolnou strukturu. Předpokládá se, že během stárnutí epitelové buňky dochází k obměně v primární struktuře cytokeratinů a tím se v čase mění i výsledné vlastnosti epitelů jak z hlediska odolnosti buňky, tak i v její funkčnosti. Zdá se, že právě tyto změny mohou mít souvislost s rychlou obměnou některých epitelů.
V buňkách mesenchymového typu, jako například v chondrocytech, osteocytech, endotelu cév, v tukových buňkách nebo v buňkách obalujících vlákna centrálních nervů a v mozkových buňkách, se nachází vimentinová filamenta. Tato filamenta byla nalezena i v epitelových buňkách rychle rostoucích nádorů. Ve svalových buňkách se nachází desminová filamenta. V buňkách tvořících myelinové pochvy nervových zakončení se nachází gliová filamenta. V buněčném jádře se nachází střední filamenta tvořená polymerací dvou různých typů laminů. Tato laminová filamenta vytváří specifickou prostorovou síť deskového typu těsně pod vnitřní jadernou membránou a předpokládá se, že udržují tvar jádra (mají podobnou úlohu, jako aktinová filamenta v buňce) a hrají aktivní roli při dělení buněčného jádra. Vlivem specifického doprovodného proteinu vznikají v síti těchto laminových filament otvory v místech jaderných pórů a lana filament plynule přechází do endoplazmatického retikula. Podobná střední filamenta jsou lokalizována i z vnitřní strany membrán endoplazmatického retikula, Golgiho aparátu a různých typů vakuol. Filamenta mitochondrií vykazují větší odlišnosti. Filamenta buněčných organel jsou tvořena tenšími lany ve srovnání s lany středních filament v buňce (jsou tvořena menšími tetramery případně nižším počtem tetramerových vláken).
Střední fílamenta plní velice významnou úlohu v buňce. Doprovodný protein plektin na lana středních filament připojuje aktinová filamenta i mikrotubuly, stejně tak připojuje střední filamenta k buněčné membráně v místech desmozomů. Střední filamenta jsou buňkou využívána k vzájemnému spojení dvou sousedních buněk.
Mikrotubuly
Mikrotubuly jsou relativně tuhé a duté válce, základem je protein tubulin. Vytváří podpůrnou konstrukci a po spojení s intermediárními filamenty vznikne relativně konzistentní prostorová síť odolávající i značným tlakům zvenčí. Jsou mimořádně důležité při migraci buněčných organel na určená místa. Při dělení buněk vytváří mitotické vřeténko. Ve spojení s aktinovými filamenty umožňují pohyb různých buněčných výběžků a řasinek.
Mikrotubuly jsou tvořeny lany (spíše trubkami) vytvořenými z tetramerů, jejichž základem je heterodimer vzniklý spojením α- a β-tubulinu. Tetramerová vlákna u mikrotubulů se na rozdíl od středních a aktinových filament skládají jinak. Smotávají se tak, že nevyplní celý prostor lana, ale vytváří dutý válec. Podléhají dynamické přeměně a snadno se rozpadají a znovu polymerují. Jejich stabilita se zvyšuje asociací s různými doprovodnými proteiny, které zabraňují jejich rozpadu. Tvorba mikrotubulů začíná u centrosomu a jsou k němu ukotveny svým (-) koncem. (+) konec je směrován do buňky a může být navázán na aktino-myosinovou síť nebo na lana intermediárních filament.
Centrosom je tvořen centriolem obklopeným hustší hmotou cytoplasmy (pericentriolová matrix) a bývá obvykle lokalizován poblíž buněčného jádra. Průměr tohoto uskupení je kolem 1 μm. Předpokládá se, že kolem centriolu dochází k zahuštění lan středních filament, jejich hustšímu propojení různými můstky a hlavně, na lanech jsou asociovány ve větším množství specifické doprovodné proteiny. Celá tato síť je propojena s povrchovou strukturou centriolů. To vše vytváří vhodné prostorové uskupení pro ukotvení (-) konců mikrotubulů. Centriol je tvořen dvěma válci sestavenými z 9 tripletů mikrotubulů, oba válce jsou navzájem otočeny o 90°. Primární struktura vláken tvořících centriol je odlišná od struktury ostatních mikrotubulů.
Systém mikrotubulů je zodpovědný za organizovaný transport buněčných organel. K tomu slouží mikrotubulové motory kinesiny a dyneiny. Dyneiny transporují směrem k centrosomu, kinesiny mohou transportovat oběma směry, většinou ale transporují směrem k (+) konci mikrotubulu. Druhou důležitou funkcí mikrotubulů je fixace a případný transport endoplazmatického retikula, Golgiho aparátu a vakuol. Při fixaci buněčných organel na určitém místě napomáhá propojení s intermediárními filamenty, které vytváří překážku při pohybu mikrotubulových motorů po mikrotubulu. A právě schopnost rychlého rozpadu a znovusestavování mikrotubulů umožňuje rozvolňování prostorové sítě intermediárních filament a pohyb organel.
Pohyb endoplazmatického retikula nebo Golgiho aparátu si nelze představovat jako přesouvání celého systému cisteren na jiné místo. Pohyb spíše spočívá ve změně tvaru a jakémusi přelévání části cisteren do volnějšího prostoru. Toto přelévání má za úkol přiblížit sekreční místo pro nějaký enzym místu, kde má enzym odvádět svoji práci. Dalo by se to přirovnat k situaci, kdy se má stavět dálnice a poblíž se otevře lom na vápenec, u něho se postaví cementárna vyrábějící cement a hned vedle se postaví betonárka na výrobu betonu. Jak se dálnice začne prodlužovat, zvětšuje se vzdálenost od lomu (který přemístit nelze), a protože by na dlouhé vzdálenosti mohl beton ztvrdnout, posune se blíže místu výstavby betonárka. Přitom betonárka zůstává navázána na lom a cementárnu, ale konečný produkt se zhotovuje blíže místu spotřeby.
Trošku jiná situace nastává v případě transportu sekrečních vakuol, jejichž úkolem je dopravit svůj obsah mimo buňku. Překážkou na cestě k membráně se stává hustá síť aktinových filament těsně pod buněčnou membránou. Proto sekreční vakuoly předávají kinesinové motory aktino-myosinovému systému a jejich motory dokončují transport až do okamžiku splyntutí s buněčnou membránou. Protože je mechanismus transportu opět založen na rychlém rozkladu a opětovném sestavování vláken, mají aktinová filamenta podobné vlastnosti z pohledu rozpadu a polymerace, jako mikrotubuly.
Dalším významným místem, kde se uplatňují mikrotubuly, jsou řasinky (kinocilie) a bičíky na povrchu buňky. Mikrotubuly tvoří kostru, které začínají v bazálním tělísku (kinetosomu), který je obdobou centriolu a má i stejnou strukturu. Kinetosom je umístěn v cytoplazmě v místech, kde začíná bičík nebo řasinka vyrůstat z buňky. Kostra kinocilie nebo bičíku je tvořena 9 do kruhu seřazených dubletů α- a β-mikrotubulů, které obkružují 2 samostatné mikrotubuly a jsou pokračováním kinetosomového tripletu. Struktura 2 + 9 x 2 mikrotubulů je chrakteristická pro všechny kinocilie. Do špice kinocilie je orientován mikrotubulus (+) koncem, k základně pak (-) koncem. Pohyb kinocilie zajišťuje axonemální dynein, proteinový motor strukturou odlišný od dyneinu pracujícícho na mikrotubulech uvnitř buňky.
Související články
Endoplazmatické retikulum - biochemie
Plazmatická membrána - biochemie
Odkazy
Při zpracovávání textů a grafické stránky článků byly využity podklady z odborné literatury a internetu. Převzaté obrázky byly graficky upraveny pro potřeby tohoto webu. Kreslené obrázky podléhají autorským právům. Seznam použité literatury naleznete zde.