Биомеханика живой клетки

Больше клеточных структур

Следующие органеллы и структуры также могут быть обнаружены в эукариотических клетках:

Центриоли: эти специализированные группы микротрубочек помогают организовать сборку веретенообразных волокон во время митоза и мейоза.
Хромосомы: клеточная ДНК обернута в нитевидные структуры, называемые хромосомами.
Реснички и жгутики: эти клеточные расширения состоят из микротрубочек и помогают в клеточной локомоции.
Клеточная мембрана: эта полупроницаемая мембрана защищает целостность клетки.
Комплекс Гольджи: эта органелла производит, хранит и отгружает определенные сотовые продукты.
Лизосомы. Лизосомы — это мешочки ферментов, которые переваривают клеточные макромолекулы.
Митохондрия: эти органеллы обеспечивают энергию для клетки.
Ядро: рост и размножение клеток контролируются ядром клетки.
Пероксисомы: эти органеллы помогают детоксифицировать алкоголь, образовывать желчную кислоту и использовать кислород для расщепления жиров.
Рибосомы. Рибосомы — это РНК и белковые комплексы, которые отвечают за выработку белка посредством трансляции.

Зачем клеткам нужен цитоскелет?

Хотя некоторые люди могут представить клетки неструктурированными, мощные микроскопы, используемые в клеточной биологии, показывают, что клетки очень организованы.

Один из основных компонентов жизненно важен для поддержания этой формы и уровня организации: цитоскелет клетки. Белковые нити, которые составляют цитоскелет, образуют сеть волокон через клетку.

Эта сеть обеспечивает структурную поддержку плазматической мембране, помогает стабилизировать органеллы в их правильных положениях и позволяет клетке перетасовывать содержимое по мере необходимости. Для некоторых типов клеток цитоскелет даже позволяет клетке перемещаться и перемещаться, используя специализированные структуры.

Они образуются из белковых нитей, когда это необходимо для клеточной локомоции.

Услуга, которую цитоскелет обеспечивает для формирования клетки, имеет большой смысл. Как и человеческий скелет, белковая сеть цитоскелета создает структурную поддержку, которая имеет решающее значение для поддержания целостности клетки и предотвращения ее разрушения в соседних клетках.

Для клеток с очень жидкими мембранами сеть белков, составляющих цитоскелет, особенно важна для хранения содержимого клетки внутри клетки.

Это называется целостность мембраны.

3. Промежуточные филаменты

Клетки животных включают промежуточные филаменты (IFs) в качестве компонентов цитоскелета.
Они состоят из семейства сходных белков, имеющих общие характеристики структуры и последовательности.
Промежуточные филаменты имеют средний диаметр 10 нанометров, что находится между диаметром актина 7 нм (микрофиламенты) и диаметром микротрубочек 25 нм. Однако первоначально они были названы «промежуточными», поскольку их средний диаметр находится между более узкими микрофиламентами (актиновыми) и более широкими миозиновыми филаментами, обнаруженными в мышечных клетках.
Промежуточные филаменты вносят вклад в клеточные структурные элементы и часто играют критическую роль в поддержании целостности тканей, таких как кожа.
Исследования показывают, что существует более 50 различных типов промежуточных филаментов, которые можно разделить на шесть основных групп:
- Тип 1 и II – В большинстве эпителиальных клеток тип 1 и тип II состоят примерно из 15 различных белков.
- Тип III — Эта группа белков содержит, среди прочего, виментин и десмин.
- Тип IV – Эта категория содержит белки, присутствующие в нервных клетках, такие как -интернексин и белки нейрофиламента.
- Тип V – Ламины являются примером белка, принадлежащего к этой группе.
- Тип VI – Находится в нейронах, как и нестин.
Кератин является одним из наиболее важных белков, участвующих в формировании промежуточных филаментов. Это волокнистый белок, который обычно содержится в коже и волосах.
Во время сборки центральные стержневые домены двух полипептидных цепей первоначально наматываются друг на друга, образуя спиральную (димерную) форму. Полученные димеры затем объединяются, образуя тетрамеры, которые собираются на своих концах, образуя протофиламенты (конец к концу). Протофиламенты в конечном итоге организуются в промежуточные филаменты.
Промежуточные филаменты имеют диаметр от 8 до 10 нм, отсюда и термин «промежуточные филаменты». Они также более долговечны, чем два других, поскольку они более прочные.
Хотя белки могут не подвергаться динамической нестабильности, как микротрубочки, они часто изменяются в результате фосфорилирования промежуточных филаментов. Это играет важную роль в их сборке внутри клетки.
Во многих типах клеток промежуточные филаменты простираются от поверхности ядра до клеточной мембраны. Благодаря сложной сети, которую они генерируют в цитоплазме, эти филаменты также соединяются с другими компонентами цитоскелета, что способствует их роли.

Функции промежуточных филаментов

Промежуточные филаменты вносят вклад в клеточные структурные элементы и часто играют критическую роль в поддержании целостности тканей, таких как кожа.

Функция цитоскелета

Как описано выше, цитоскелет имеет несколько функций. Во-первых, это дает форму клетки

Это особенно важно в клетках без клеточных стенок, таких как клетки животных, которые не получают свою форму из толстого внешнего слоя. Это также может дать движение клетки

Микрофиламенты и микротрубочки могут разбирать, повторно собирать и сжиматься, позволяя клеткам ползать и мигрировать, а микротрубочки помогают формировать такие структуры, как реснички и жгутики, которые обеспечивают движение клеток.

Цитоскелет организует клетку и удерживает на месте ее органеллы, но также способствует перемещению органелл по всей клетке. Например, во время эндоцитоз когда клетка поглощает молекулу, микрофиламенты вытягивают везикул содержащий поглощенные частицы в клетку. Точно так же цитоскелет помогает перемещать хромосомы во время деления клетки.

Одной аналогией для цитоскелета является каркас здания. Подобно каркасу здания, цитоскелет является «каркасом» клетки, сохраняя структуры на месте, обеспечивая опору и придавая клетке определенную форму.

органелл – Специализированная структура внутри клетки, которая выполняет определенную функцию.
цитоплазма – все содержимое клетки, кроме ядра.
Шпиндельный аппарат – Структура, образованная в основном микротрубочками, которая разделяет хромосомы во время деления клеток.
Белки – Молекулы, состоящие из аминокислоты которые имеют много разных ролей в организме, в том числе формирование цитоскелета.

Функция микротрубочек

Микротрубочки могут образовывать самые разнообразные структуры. Они участвуют в процессах деления клеток, образуя митотическое веретено. Этот процесс помогает каждой дочерней клетке иметь равное количество хромосом.

Они также образуют хлыстовые придатки, используемые для подвижности клеток, такие как реснички и жгутики.

Микротрубочки служат путями или «магистралями», по которым перемещаются различные белки, выполняющие транспортные функции. Эти белки подразделяются на два семейства: кинезины и динеины. Они могут перемещаться на большие расстояния внутри клетки. Транспорт на короткие расстояния обычно осуществляется с актином.

Эти белки являются «пешеходами» микротрубочек. Его движение очень похоже на прогулку по микротрубочке.

Транспорт включает в себя перемещение различных типов элементов или продуктов, например пузырьков. В нервных клетках этот процесс хорошо известен, поскольку нейромедиаторы высвобождаются в везикулах.

Микротрубочки также участвуют в мобилизации органелл. В частности, аппарат Гольджи и эндосплазматический ретикулум зависят от этих нитей, чтобы занять свое правильное положение. В отсутствие микротрубочек (в экспериментально мутировавших клетках) эти органеллы заметно меняют свое положение.

Проекции микрофиламента

Вы можете представить себе филоподию как щупальца, которое проецирует клетка, чтобы ощущать окружающую среду, улавливать химические сигналы и даже изменять направление клетки, если она движется. Ученые также иногда называют филоподии микроспайками .

Филоподии могут быть частью другого типа специальной проекции, ламеллоподий. Это структура, похожая на ногу, которая помогает клетке двигаться и двигаться.

Микроворсинки похожи на крошечные волоски или пальцы, используемые клеткой во время диффузии. Форма этих выступов увеличивает площадь поверхности, так что молекулы могут перемещаться через мембрану через такие процессы, как поглощение.

Эти пальцы также выполняют захватывающую функцию, называемую потоком цитоплазмы.

Это происходит, когда актиновые филаменты прокалывают цитоплазму, чтобы поддерживать ее движение. Поток цитоплазмы повышает диффузию и помогает перемещать нужные материалы, такие как питательные вещества, и нежелательные материалы, такие как отходы и клеточный мусор, внутри клетки.

Строение цитоскелета животных клеток

У растений и животных он состоит из микрофиламентов, микротрубочек и промежуточных филаментов, в основном актина, а микротрубочки являются важной частью цитоскелета.

Определенные ассоциированные белки также присутствуют в цитоскелете растений. У высших растений актиновые филаменты и микротрубочки играют важную роль в клеточное деление (митоз и цитокинез).

Это разные типы волокон. Их можно различать по размеру. Микротрубочки выглядят как толстые филаменты, тогда как микрофиламенты представляют собой тонкие филаменты. Иногда его называют толстыми и тонкими нитями соответственно.

Цитоскелет из Flickr

Микротрубочки представляют собой палочковидные структуры, которые помогают поддерживать опору и форму клетки. Они присутствуют только в эукариотических организмах, таких как растения, животные и люди. У прокариот эти микротрубочки отсутствуют.

Микрофиламенты также называются актиновыми филаментами, которые также тонкие. Они имеют стержнеобразную форму и твердые. Они в основном помогают в сокращении мышц у животных и людей. Они присутствуют во всех эукариотических организмах.

Микротрубочка состоит из белка, называемого актином, который помогает в процессе движения организмов. Микрофиламенты представляют собой волокна, состоящие из простых белковых субъединиц.

Компонент цитоскелета из Википедия

Простая последовательность белковых аминоалкановых кислот очень хорошо сохранилась в эукариотические клетки, что означает, что последовательность макромолекулы аминоалкановой кислоты и, следовательно, ее окончательная трехмерная форма очень мало изменились в ходе эволюции, сохраняя почти восьмидесятое сходство между протокстами и людьми.

Площадь промежуточных филаментов состоит из множества нитей волокнистые белки. Область промежуточных филаментов объединяет различные передние кластеры компонентов цитоскелета. много стилей волокнистые белки единицы площади, обнаруженные в промежуточных филаментах

Подобно простым белковым филаментам, упомянутым выше, микротрубочки даже имеют определенную полярность, которая жизненно важна для их биологической активности.

Тубулин полимеризуется от начала до конца, при этом β-субъединицы одного химического соединения тубулина контактируют с α-субъединицами последующего химического соединения. Кинезины, динеины и микозы — три важные моторные белки участвует.

функции

форма

Как следует из названия, «интуитивная» функция цитоскелета заключается в обеспечении стабильности и формы клетки. Когда нити объединяются в этой сложной сети, это дает клетке свойство сопротивляться деформации.

Без этой структуры клетка не сможет поддерживать определенную форму. Тем не менее, это динамическая структура (в отличие от человеческого скелета), которая дает клеткам свойство изменять форму.

Движение и клеточные развязки

Многие клеточные компоненты связаны с этой сетью волокон, рассеянных в цитоплазме, способствуя их пространственному расположению.

Ячейка не похожа на бульон с различными элементами, плавающими по течению; и при этом это не статическая сущность. Напротив, это организованная матрица с органеллами, расположенными в определенных зонах, и этот процесс происходит благодаря цитоскелету.

Цитоскелет участвует в движении. Это происходит благодаря моторным белкам. Эти два элемента объединяют и допускают смещения внутри ячейки.

Он также участвует в процессе фагоцитоза (процесс, в котором клетка захватывает частицу из внешней среды, которая может быть или не быть пищей).

Цитоскелет позволяет физически и биохимически связать клетку с ее внешней средой. Эта роль соединителя позволяет формировать ткани и соединения клеток..

Роль микротрубочек в цитоскелете

Микротрубочки получают свое название как по общей форме, так и по типу белка, который они содержат. Они являются трубчатыми и состоят из повторяющихся звеньев альфа- и бета-тубулиновых белковых полимеров, соединяющихся вместе.

об основной функции микротрубочек в клетках.

Если бы вы рассматривали филаменты микротрубочек под электронным микроскопом, они бы выглядели как цепочки небольших белков, скрученных вместе в плотную спиральную решетку.

Каждая единица белка связывается со всеми единицами вокруг нее, создавая очень прочную, очень жесткую структуру. Фактически, микротрубочки являются наиболее жестким структурным компонентом, который вы можете найти в клетках животных, у которых нет клеточных стенок, как у растительных клеток.

Но микротрубочки не просто жесткие. Они также противостоят силам сжатия и скручивания. Это качество повышает способность микротрубочки сохранять форму и целостность клетки даже под давлением.

Микротрубочки также дают клеточную полярность, что означает, что клетка имеет две уникальные стороны, или полюса. Эта полярность является частью того, что позволяет клетке организовать свои компоненты, такие как органеллы и другие части цитоскелета, потому что она дает клетке возможность ориентировать эти компоненты относительно полюсов.

§ 10. Клеточная теория. Общий план строения клетки

Открытие клеток. Изучение клеток стало возможным благодаря изобретению микроскопа — прибора, предназначенного для получения увеличенных изображений. *Первый микроскоп появился в Европе в конце XVI в.*

Человеком, впервые увидевшим клетки при помощи микроскопа (рис. 10.1, а), был английский ученый Р. Гук. В 1665 г. при рассмотрении тонкого среза пробкового слоя древесной коры он обнаружил, что пробка разделена на множество крошечных ячеек (рис. 10.1, б). Эти ячейки, похожие на пчелиные соты, Гук назвал клетками. Тот же план строения он наблюдал и при изучении других тканей растений. Со временем термин «клетка» утвердился в биологии.

*Об открытии клеток Гук написал в своей книге «Микрография»: «Взяв кусочек чистой светлой пробки, я отрезал от него острым как бритва перочинным ножом очень тонкую пластинку. Когда затем я поместил этот срез на предметное стекло и стал разглядывать его под микроскопом, направив свет с помощью зеркала, я очень ясно увидел, что весь он пронизан отверстиями и порами. Эти поры были не слишком глубокими, а состояли из очень многих маленьких ячеек, вычлененных из одной длинной непрерывной поры особыми перегородками. Такое строение свойственно не одной только пробке. Я рассматривал при помощи своего микроскопа сердцевину бузины и различных деревьев, а также внутреннюю мякоть стебля тростника, некоторых овощей и других растений: фенхеля, моркови, лопуха, папоротника и т. п. И обнаружил у них всех тот же план строения, что и у пробки».*

Через несколько лет голландский натуралист А. ван Левенгук изготовил микроскоп, который обладал гораздо бóльшим увеличением. С его помощью исследователь обнаружил движущиеся микроскопические организмы — инфузории, амебы, подвижные бактерии. Также Левенгук впервые наблюдал клетки животных — эритроциты и сперматозоиды.

Микроскоп Левенгука представлял собой пластинку, в центре которой была одна линза (рис. 10.2). Наблюдателю нужно было смотреть через линзу на образец, закрепленный с другой стороны. Несмотря на простоту конструкции, микроскоп Левенгука позволял получить увеличение в несколько раз большее, чем у других микроскопов того времени. В течение жизни Левенгук изготовил не менее 25 микроскопов. Девять из них, сохранившиеся до наших дней, способны увеличивать изображение в 275 раз. Однако предполагается, что Левенгук создал микроскопы, которые могли давать увеличение до 500 раз.

*В XVIII в. было опубликовано много новых рисунков и описаний различных клеток, причем преимущественно растительных. Дело в том, что ткани животных легко повредить, вследствие чего ученым было трудно изготавливать препараты для исследования. Однако микроскоп в то время рассматривался главным образом как игрушка, поэтому большинство естествоиспытателей не придавало своим наблюдениям серьезного значения.*

Структура цитоскелета

Цитоскелет включает по крайней мере три различных типа волокон: микротрубочки, микрофиламенты и промежуточные филаменты. Микротрубочки самые толстые, а микрофиламенты самые тонкие из этих волокон.

Белковые волокна

Микротрубочки: Микротрубочки представляют собой полые стержни, которые в основном поддерживают и формируют клетку и служат «маршрутами» для движения органелл. Как правило, микротрубочки присутствуют во всех эукариотических клетках. Они различаются по длине и имеют диаметр примерно 25 нм (нанометров).
Микрофиламенты: Участвующие в мышечном сокращении, микрофиламенты или актиновые филаменты представляют собой тонкие жесткие стержни. Микрофиламенты особенно распространены в мышечных клетках. По сравнению с микротрубочками они обнаружены во всех эукариотических клетках. Микрофиламенты состоят в основном из сократительного белка актина и имеют диаметр до 8 нм. Они также участвуют в подвижности органелл.
Промежуточные нити: Микрофиламенты и микротрубочки поддерживаются промежуточными филаментами, которых может быть много во многих клетках. Промежуточные филаменты также дают микрофиламенты и микротрубочки со структурной поддержкой. Эти филаменты ответственны за образование кератинов в эпителиальных клетках и нейрофиламентов в нейронах. Это 10 нанометров в диаметре.

§ 12. Гиалоплазма. Цитоскелет. Немембранные органоиды

Как вы уже знаете, внутреннее содержимое клетки, за исключением ядра, называется цитоплазмой. Ее основой является гиалоплазма, в которую погружены компоненты цитоскелета и органоиды.

Гиалоплазма *(цитозоль)* объединяет в целостную систему все клеточные структуры и обеспечивает взаимодействие между ними. Основным ее компонентом является вода, в которой растворены белки, аминокислоты, углеводы, нуклеотиды, соли и другие соединения. В гиалоплазме протекают различные процессы метаболизма, она участвует во внутриклеточном транспорте веществ *и передаче сигналов от плазмалеммы к ядру и органоидам*. Небольшие молекулы и ионы перемещаются в гиалоплазме путем диффузии. Крупные молекулы биополимеров и органоиды транспортируются при участии цитоскелета.

Цитоскелет — это трехмерная сеть, образованная белками и пронизывающая гиалоплазму клетки. Это своеобразный механический каркас, обеспечивающий пространственную организацию цитоплазмы. Основными компонентами цитоскелета эукариот являются микротрубочки и микрофиламенты (рис. 12.1).

Микротрубочкипредставляют собой тонкие полые цилиндры *диаметром около 25 нм. Их стенки образованы димерами, каждый из которых состоит из двух разных глобул белка тубулина (рис. 12.2). На одном из концов микротрубочки, который называется плюс-концом, происходит присоединение димеров тубулина. От противоположного — так называемого минус-конца тубулиновые димеры отщепляются.*

Микротрубочки участвуют в транспорте веществ и органоидов внутри клетки. *Вдоль них с помощью специальных моторных (двигательных) белков — динеинов и кинезинов — перемещаются различные клеточные структуры. Молекула моторного белка прикрепляется к поверхности микротрубочки двумя участками, напоминающими своеобразные «ноги». К другой части молекулы присоединяется груз, например лизосома или митохондрия (рис. 12.3). «Ноги» моторного белка способны поочередно «шагать» по молекулам тубулина, используя для движения энергию АТФ. При этом динеины осуществляют транспорт от плюс-конца микротрубочки к ее минус-концу, а кинезины, наоборот, перемещаются от минус-конца к плюс-концу.* Микротрубочки также входят в состав клеточного центра, *жгутиков и ресничек*. Во время деления клетки из них формируются нити так называемого веретена деления, которые обеспечивают расхождение хромосом между образующимися дочерними клетками.

Микрофиламенты — это белковые волокна (фибриллы), более тонкие, чем микротрубочки. Они *обычно имеют диаметр около 7 нм и* образованы двумя нитями, спирально закрученными одна вокруг другой. Каждая нить состоит из молекул белка актина (рис. 12.4). *Так же как и микротрубочки, микрофиламенты построены из глобул, имеют плюс- и минус-концы и участвуют во внутриклеточном транспорте. Перемещение вдоль микрофиламентов происходит с помощью моторного белка миозина и сопровождается гидролизом АТФ.*

Микротрубочки и микрофиламенты — динамичные структуры. Они могут быстро распадаться на отдельные белковые молекулы и снова собираться в зависимости от потребностей клетки. Компоненты цитоскелета взаимодействуют между собой и с биологическими мембранами. Они обеспечивают поддержание формы клетки, движение цитоплазмы, внутриклеточный транспорт, пульсацию сократительных вакуолей у протистов. Благодаря взаимодействию компонентов цитоскелета плазмалемма клеток может изменять свою форму, что лежит в основе таких процессов как эндо- и экзоцитоз, амебоидное движение клеток (например, амеб и лейкоцитов). Кроме того, цитоскелет участвует в процессах клеточного деления, которые будут подробно рассмотрены в § 17–18.

*В состав цитоскелета многих животных также входят промежуточные филаменты. Они тоньше микротрубочек, но толще, чем микрофиламенты. Волокна промежуточных филаментов состоят из молекул фибриллярных белков, например кератина. Они не имеют плюс- и минус-концов и являются самыми стабильными компонентами цитоскелета. Промежуточные филаменты не участвуют в клеточных движениях и внутриклеточном транспорте. Их главные функции — поддержание формы клеток, защита от механических повреждений и обеспечение межклеточных контактов. Больше всего промежуточных филаментов содержится в клетках, которые подвергаются значительным механическим воздействиям. Примером могут служить клетки эпидермиса кожи.*

Роль промежуточных филаментов в цитоскелете

Промежуточные филаменты — это второй тип волокон, обнаруживаемых в цитоскелете. Вы можете представить их как истинный каркас клетки, поскольку их единственная роль — это структурная поддержка. Эти белковые волокна содержат кератин, который является обычным белком, который вы можете узнать из продуктов по уходу за телом.

Этот белок составляет человеческие волосы и ногти, а также верхний слой кожи. Это также белок, который формирует рога, когти и копыта других животных. Кератин очень силен и полезен для защиты от повреждений.

Основная роль промежуточных филаментов заключается в формировании матрикса структурных белков под клеточной мембраной. Это как поддерживающая сетка, которая придает клетке структуру и форму. Это также придает клетке некоторую эластичность, позволяя ей гибко реагировать на стресс.