12.1

12. mikrotubuly – struktura a funkce

Cytoskelet

            Tvoří ho mikrotubuly, mikrofilamenta a intermediární filamenta. Jejich funkcí je konverze chemické energie v mechanickou, tj. realizace všech typů aktivního biologického pohybu, funkce morfogenní, tj. určování tvaru buňky a všech jejích součástí, udržování rozložení organel v buňce a patrně i funkce informační, tj. uchování a přenos informace. Uvnitř jádra je strukturovaná síť tvořená nechromosomálními bílkovinami. Označuje se jako jaderný skelet či jaderná matrix. Některé komponenty cytoskeletu jsou napojeny na integrální transmembránové proteiny plazmatické membrány a tyto na extracelulární síť bílkovin (membránový skelet). Jistou skeletální funkci má i buněčná stěna prokaryontů, hub a rostlinných buněk. Mikrotubuly, mikrofilamenta a intermediární filamenta mají vláknitý charakter, tzn. že jejich průměr je v podstatě konstantní, zatímco jejich délka je velmi různá.

            Mikrotubuly – jsou součástí všech eukaryontních buněk bez výjimky. Některé buněčné struktury jsou tvořeny převážně mikrotubuly. Jsou to bičíky a řasinky, jejich bazální tělíska, některé jiné výběžky buněk, centrioly, dělící vřeténko, nervová vlákna atd. mimoto je v cytoplazmě každé buňky síť cytoplazmatických mikrotubulů. Lze je nalézt v elektronovém mikroskopu na ultratenkých řezech nebo je možno je z buněk izolovat a pozorovat jako samostatné struktury. Nejlepším přístupem pro jejich vizualizaci je však jejich demonstrace pomocí specifických protilátek tzv. nepřímou imunofluorescencí na úrovni světelné mikroskopie.

Proteiny mikrotubulů – základní bílkovina mikrotubulů byla nazvána tubulin. Je to dimer tvořený dvěma podjednotkami α a β. Jejich terciární struktura je globulární. Tubulin je velmi konzervativní protein, je kódován několika geny a dochází i k modifikaci. Obě podjednotky tubulinu nesou vazebné místo pro GTP. β řetězec nese vazebné místo pro kolchicin a současně pro podophyllotoxin. K mikrotubulům se mohou vázat i další proteiny. Obecně se označují jako mikrotubulům asociované proteiny (MAPs) – dynein z bičíků, τ-protein z mozku. Všechny asociované proteiny jsou patrně specifické především podle kategorií vyšší strukturální organizace mikrotubulů a uplatňují se tedy buď v morfogenezi nebo funkci příslušné struktury.

Struktura – mikrotubuly jsou trubičky s vnějším průměrem 25nm. Tloušťka jejich stěny je 5nm, což je v podstatě průměr tubulinové podjednotky. Nekovalentními interakcemi, převážně hydrofobními, asociuje α podjednotka jednoho tubulinového dimeru s β jednotkou dimeru druhého (vzniká tubulinový heterodimer) a vytváří se tak řetízek – protofilamentum. Protofilamenta se pak řadí vedle sebe „do kruhu“, ale tak, že protofilamenta jsou navzájem poněkud posunuta, čímž vzniká šroubovicové uspořádání dimerů v sousedících protofilamentech. Protofilamenta navzájem jsou rovněž spojena slabými silami. V jednom mikrotubulu je 13 protofilament. Délka mikrotubulů závisí na tom, kolik dimerů bylo pospojováno do protofilament. Svým mínusovým koncem jsou spojeny s MTOCs.

Morfogeneze – tubulin polymeruje v mikrotubuly, které jsou strukturně shodné s mikrotubuly v buňce. Jde o spontánní (samovolný) proces, tedy o autoorganizaci. Polymerace je ovlivňována (regulována) různými faktory (Ca a Mg ionty, …). Každá buňka má v cytoplazmě zásobu nepolymerovaného tubulinu. Buňka z něj může regulací polymerace velmi rychle vytvořit nové mikrotubuly nebo může naopak existující depolymerovat. Rychlou polymerací či depolymerací tubulinu je podmíněna vysoká dynamičnost mikrotubulárního systému. Funkční jsou složitější struktury tvořené více mikrotubuly, které jsou spojeny zpravidla též s asociovanými proteiny. Prostorová organizace mikrotubulů v těchto strukturách je řízena organizačními centry (mikrotubuly organizující centra – MTOCs).

Centrozom – pro genezi a prostorové uspořádání některých mikrotubulů dělícího vřeténka a pro nukleaci cytoplazmatických mikrotubulů. Nachází se poblíž jádra. Před mitózou se duplikuje a tvoří základ (póly) dělícího vřeténka. Tvoří ho 1 pár centriolů, které jsou složeny z devíti trojic mikrotubulů složených do kružnice.

Kinetochor – pro organizaci jiných mikrotubulů vřeténka.

Bazální tělíska – pro organizaci struktury bičíků a řasinek.

Nukleace – vznik zárodku nového vlákna, na nějž navazuje elongace a propagace. Jejich nukleace vyžaduje γ-tubulin, který vytváří počáteční prstenec. Vyžadovány MTOCs, pericentrozomální materiál a centrozomální proteiny.

Mikrotubuly jsou polarizované (mají + a – konec). + konec je zakončen β tubulinem, který je schopen růstu. – konec je zakončen α tubulinem a dochází zde k disociaci. Mikrotubulus je dynamicky nestabilní, tzn. že je schopný se růstem přizpůsobit podmínkám. To závisí na existenci tzv. GTP čepičky, která je na + konci mikrotubulu. Jsou to β tubuliny s navázaným GTP. Později, až odroste tato nově navázaná část blíže ke středu mikrotubulu, tak se GTP rozštěpí na GDP a tento β tubulin s GDP, již nebude patřit do GTP čepičky. GTP způsobuje to, že mikrotubul roste rovně, GDP má tendenci se ohýbat. Když nastane situace, že se přestanou polymerovat β tubuliny s GTP do GTP čepičky, dojde k disociaci mikrotubulu na mínusovém konci. Dochází k neustálé obnově a katastrofě (disociaci).

Treadmilling – jev, kdy na jednom konci dochází k růstu a na druhém k disociaci. To se může jevit jako pohyb mikrotubulů v cytosolu.

MAPs (s mikrotubuly asociované proteiny) – centrozomální proteiny (pericentrin, ninein, NuMa), stabilizující (MAP2, tektin, tau – neurony), destabilizující (katanin, op18/stathmin). Stabilizace mikrotubulů, stabilizace konců mikrotubulů, propojení mikrotubulů s jinými filamenty, vazba mikrotubulů do svazků.

Funkce – vytvářejí mechanickou kostru některých buněčných struktur, tedy jejich skelet v pravém smyslu slova. Realizují některé kinetické funkce buňky, tj. převádějí chemickou energii v kinetickou. Jsou informačními centry, např. MTOC. Nosnou kostrou jsou především u různých výběžků buněk (filopodie). Jejich rychlá tvorba či zánik závisí na polymeraci či depolymeraci mikrotubulů. Dále výběžky nervových buněk (neurity a dendrity), bičíky a řasinky. Ve všech těchto strukturách jsou mikrotubuly charakteristicky uspořádány. Na tomto uspořádání se vždy podílí i asociované proteiny. Až na určité výjimky mají kinocilie všech eukaryontních buněk totéž uspořádání. V centru jsou dva mikrotubuly a kolem nich je rozestavěno devět zdvojených mikrotubulů (princip 9+2). Zdvojené mikrotubuly jsou tvořeny jedním mikrotubulem se 13 mikrofilamenty a druhým, který á pouze 10 protofilament. Na každém dubletu jsou v pravidelných odstupech připojeny molekuly asociovaného proteinu – dyneinu. Jiný asociovaný protein – nexin – spojuje dublety navzájem. Jiné asociované proteiny vytváří jakýsi obal centrálních mkrotubulů nebo vytváří výběžky od dublet do centra. Další buněčnou strukturou tvořenou mikrotubuly je dělicí vřeténko. Dělicí vřeténko není strukturou stálou, vytváří se na začátku mitotického dělení jádra a po jeho skončení zaniká.

Molekulární motory – proteiny sdružené s cytoskeletem. Dokáží převádět energii chemických vazeb na mechanickou energii. ATPázová aktivita (hydrolýza ATP na ADP) molekuly proteinového motoru umožňuje změnu její konformace a pohyb podél vlákna cytoskeletu. Motory zodpovídají zejména za intracelulární transport, pohyb buňky, její kontraktilitu či změny tvaru. Rozlišujeme aktinové a mikrotubulární proteinové motory.

Proteinové motory aktinového systému – myoziny. Pohybují se směrem k + konci aktinového vlákna.

Kinezin – skupina cytoplazmatických proteinů, které přenášejí různé váčky a jiné částice po buňce. Jako „kolejnice“ jim slouží systém mikrotubulů. Kineziny se pohybují zpravidla k + konci. Zprostředkovávají rychlý axonální transport, transport GA mitochondrií, segregace chromozomů v anafázi. Tvoří je 9 rodin, kráčivý pohyb.

Dynein – u většiny eukaryont, ale nejsou u rostlin. Pohybují se k – konci. Jsou v cytoplazmě a v bičíku. Cytoplazmatické dyneiny umožňují vnitrobuněčný transport různých membránových organel, rozestup chromatid. Vlnivý pohyb bičíku. Kráčivý pohyb.

Rychlý axonální transport – retrográdní (kinezin) a anteretrográdní (dynein – herpes, vzteklina).

Mikrotubuly dříve jako mechanická opora buňky, dnes jako významný regulační prvek.

Patologické stavy – nádorová onemocnění, vývojové vady, neplodnost, infekční onemocnění.

Kartagenerův syndrom (ciliopatie) – syndrom nepohyblivých cilií. Postiženy jsou různé orgány: průdušky s bronchiektaziemi, syndrom imotilních spermií, paranazální dutiny s tvorbou polypů v nosních dutiných.

Mikrotubulární toxiny – látky, které se specificky váží na tubulin, a tím ovlivňují jeho polymeraci či depolymeraci.

Kolchicin, kolcemid – váže se na tubulin (β-tubulin), čímž zabraňuje polymeraci mikrotubulů eventuálně vede k jejich depolymeraci.

Vinblastin, vinkristin – indukuje tvorbu parakrystalických agregátů z nepolymerizovaného tubulinu. Depolymerace, +konec, β-tubulin – vazebné místo (GTP).

Taxol – stabilizuje mikrotubuly, inhibice depolymerace, β-tubulin.