14.1

14. buněčná motilita – typy, principy

Buněčné pohyby

Pohyb umožňuje udržovat jednak vnitřní integritu živých soustav, jednak jejich účelné chování vůči okolí. U eukaryontních buněk pohyb realizuje cytoskeletální soustava, která je schopna transformovat chemickou energii v energii pohybovou. Z hlediska účelu lze pohyby buněk rozdělit na:

Aktivní pohyb – vůči okolí, tj. lokomoce, jejímž cílem je účelné chování buňky vůči okolí. Pohyb bičíkový a řasinkový je zprostředkovaný mikrotubuly, pohyb améboidní hlavně mikrofilamenty. U řasinkových epitelů sice nejde o pohyb samotné buňky, ale mechanismus pohybu řasinek je stejný jako např. u prvoků. Zvláštním druhem pohybu je pohyb svalový, který se lokomočně manifestuje až na úrovni mnohobuněčných živočichů. Z hlediska samotné svalové buňky jde o změnu tvaru buňky, tj. o kontrakci v jednom směru.

Vnitrobuněčné pohyby – jejichž cílem je dynamická změna lokalizace buněčných struktur s ohledem na jejich specializované funkce. Patří sem transport membránových struktur, přesuny buněčných organel, axonový transport i pohyb chromozómů při mitóze a meióze – u těchto pohybů se uplatňují především mikrotubuly. Mikrofilamenta se podílejí hlavně na rotaci (cyklóze) cytoplazmy buňky, na cytokinezi, nebo na rozprostírání buněk při jejich pěstování in vitro ve stacionární kultuře.

Molekulární mechanismy – cytoskeletální soustava zajišťuje buněčné pohyby prostřednictvím asociovaných proteinů mikrotubulů a mikrofilament, tzv. molekulových motorů. Zdrojem energie je hydrolýza ATP nebo GTP. Jejich obecná struktura je stejná – motorová doména ve tvaru hlavičky má ATPázovou aktivitu – kontaktem hlavičky s cytoskeletální strukturou se ATP hydrolyzuje a změní se konformace hlavičky, což se projeví jejím posunem po mikrotubulu nebo mikrofilamentu. Koncová doména má vazebná místa pro jiné molekuly či buněčné struktury. V případě, že cytoskeletální struktura je k nějaké jiné struktuře fixována, molekulový motor se pohybuje po ní; naopak je-li motorový protein fixován koncovou doménou k nějaké struktuře, pak molekulový motor pohybuje cytoskeletální strukturou (např. klouzání mikrotubulů). V omezené míře buňka může realizovat kinetické funkce i řízenou a prostorově orientovanou polymerací a depolymerací mikrotubulů a mikrofilament.

Systém aktin-myozin – základem aktomyozinového systému, který byl studován na buňkách příčně pruhovaných svalů, je sarkomera tvořená tlustými filamenty (hlavní komponentou je myosin) a tenkými filamenty (převážně z aktinu). Kontrakce sarkomery se děje teleskopickým zasouváním filament mezi sebe. Molekulární mechanismus klouzání vláken je založen na cyklické interakci myozinových laviček s aktinem tenkého vlákna. Na začátku cyklu je myozinová hlavička bez navázaného ATP pevně spojená s aktinovým vláknem a je ohnutá v úhlu asi 45°. navázáním ATP na myozinovou hlavičku se mírně změní její konformace, která vede k odpojení myosinu od aktinového vlákna. Nyní se ATP hydrolyzuje, což vede k napřímení myozinové hlavičky do úhlu asi 90°, produkty hydrolýzy ATP však zůstávají vázané na hlavičku. Myozinová hlavička se nyní připojí na nové místo aktinového vlákna při současném uvolnění anorganického fosfátu z hydrolýzy ATP. Toto uvolnění fosfátu spouští „silový záběr“ – silotvornou změnu tvaru myozinové hlavičky do původní konformace, při které se současně uvolňuje ADP. Myozinová hlavička se opět ohne do úhlu 45°a tím současně posune aktinové mikrofilamentum. Tím je cyklus uzavřen a připraven pro další vazbu ATP. Za 1 sekundu proběhne asi 5 těchto kroků. Tlusté vlákno myosinu má asi 500 hlaviček. V nesvalových buňkách je myosinu mnohem méně a vlákna jsou kratší a labilnější. Vytvářejí bipolární agregáty. Fosforylace nesvalového myosinu je uskutečňována myosinkinázou. Aby pohyb zprostředkovaný tímto mechanismem měl prostorový smysl, musí být mikrofilamenta v buňce zakotvena; nejčastěji do cytoplazmatické membrány.

Systém mikrotubulus-dynein (kinesin) – systém mikrotubulus-dynein je analogický aktinomyosinovému systému. ATPázovou aktivitu má molekula dyneinu, která tvoří příčné spojky mezi mikrotubuly. Při vazbě ATP se přeruší vazba hlavičky dyneinu, dojde k jejímu ohnutí a připojení na mikrotubulus v novém místě. Tím mikrotubuly klouzají vůči sobě a ohýbají se. Kinesin je schopen se pohybovat po mikrotubulu od -konce k +konci, dynein naopak.

            Bičíkový a řasinkový pohyb – z hlediska pohybové mechaniky se oba pohyby liší – řasinky kmitají, bičíky se vlní. Kinocilie jsou pokryty plazmatickou membránou a uvnitř buňky jsou zakotveny do bazálních tělísek, která představují jejich organizační centra, neboť počet kinocilií v buňce odpovídá počtu přítomných bazálních tělísek. Mobilní součástí kinocilie je axonema, což je svazek mikrotubulů s komplexem asociovaných proteinů. Obvykle v ose kinocilie jsou 2 mikrotubuly a kolem nich je 9 dublet, tj. dvojic mikrotubulů. V dubletě podvlákno A je tvořeno obvyklými 13 protofilamenty a podvlákno B mívá 10 nebo 11 protofilament. Mikrotubuly axonemy propojují asociované proteiny dynein a nexin. V bazálních tělíscích chybí oba centrální mikrotubuly a místo 9 dublet je 9 tripletů. Centrální tubuly do bazálního tělíska nepřecházejí. Pohyb kinocilií závisí na konformačních změnách dyneinových ramen připojených na A podvlákno dublety. Za přítomnosti ATP se dyneinové rameno skloní více k bázi kinocilie, takže hlavička dyneinu dosáhne až k sousední dubletě a interaguje s B podvláknem dublety. Tím dojde k posunu mikrotubulů, které se projeví ohnutím kinocilie.

            Améboidní pohyb – klasický améboidní pohyb se projevuje tvorbou pseudopodií. Vyskytuje se u prvoků, hlenek a některých krevních buněk, hlavně makrofágů a granulocytů. Pohyb buněk buněčných kultur po podložce pomocí plochých výběžků – lamellipodií je principielně stejný jako améboidní pohyb, ale je pomalejší. Stejný mechanismus torby pseudopodií je i u fagocytózy. Mikrofilamentální jedy nebo vrozené defekty mikrofilament mohou narušovat funkci leukocytů a s tím související i imunitní funkci organismu (porucha chemotaxe a diapedeze bílých krvinek, neschopnost fagocytovat antigeny znesnadňuje kooperaci makrofágů s T lymfocyty apod.). Améboidní pohyb je zastaven cytochalazinem B nebo falloidinem, proto se předpokládá, že je zajišťován systémem aktin – myosin. V buňkách améb nebo v makrofázích lze rozlišit jednak centrální oblast buňky – endoplazmu, která obsahuje organely neustále nahodile se pohybující, a oblast zdánlivě bezstrukturní cytoplazmy – ektoplazmy – hned pod cytoplazmatickou membránou; má gelovitou konzistenci a neobsahuje žádné organely. Ektoplazma obsahuje trojrozměrnou síť vzájemně křížem propojených aktinových vláken, zatímco endoplazma obsahuje aktinová filamenta nepropojená. Když se prodlužuje pseudopodie a endoplazma proudí do něho, mění se konzistence endoplazmy na vrcholu pseudopodie v gelovitou ektoplazmu. Současně na jiném místě původní ektoplazma ztekucuje v endoplazmu. Tyto přechody jsou způsobeny přemísťováním příčných vazeb mezi mikrofilamenty aktinové sítě. Filamin váže mikrofilamenta mezi sebou do trojrozměrné sítě a je zodpovědný za přechod solu v gel. K vlastnímu pohybu buňky dochází tím, že se ektoplazma na jiném místě kontrahuje a vtlačuje endoplazmu do pseudopodie, která se tím prodlužuje. Tvorba pseudopodií je kombinací dvou procesů: jednak změna konzistence cytoplazmy, jednak polymerace a prodlužování mikrofilament. Za rozrušení aktinové sítě a indukci přechodu gelu v sol je odpovědný protein gelsolin, který štěpí aktinová filamenta za přítomnosti Ca²⁺ iontů. Snížení pH na 6,8 – tvorba gelu, zvýšení pH – solizace gelu.

         Proudění cytoplazmy – cyklóza – cirkulace cytoplazmy, jev zprostředkovaný funkcí mikrofilament a závislý na dodání energie, je již dlouho známý u řady živočišných i rostlinných buněk. Je blokována mikrofilamentárními jedy. Molekulární mechanismus je pravděpodobně stejný jako u améboidního pohybu. Nejznámějším typem cirkulace cytoplazmy je cyklóza u rostlinných buněk. Jednosměrný pohyb vrstvy cytoplazmy mezi membránou a vakuolou je pozorovatelný podle pohybu přítomných chloroplastů. Jednosměrnost pohybu je dána polaritou mikrofilament – buněčné organely putují podél svazků mikrofilament vždy v opačném směru, než je jejich polarita.

            Transport membránových struktur a organel – při migraci pigmentových zrn v melanocytech se uplatňují mikrotubuly, které většinou vyzařují radiálně k periferii buňky a mají všechny stejnou polaritu, tj. +konec směřuje k periferii buňky. transport oběma směry lze rušit mikrotubulárními toxiny. Roli zde hraje kinesin určující jednosměrný pohyb mikrotubulů od -konce k +konci. Pro opačný směr je zde dynein. Transport vezikulů po aktinových mikrofilamentech – myozin I.

            Pohyb chromozomů při mitóze a meióze – je zprostředkován mikrotubuly dělícího vřeténka. Jestliže dojde k poruše dělícího vřeténka, např. působením kolchicinu, zastaví se dělení, chromozomy se nerozejdou do dceřiných buněk. Na dělení cytoplazmy (cytokinezi) při buněčném dělení se u živočichů podílejí mikrofilamenta – tzv. kontraktilní prstenec. Jestliže již došlo k rozdělení jádra – karyokinezi, ale v důsledku poruchy funkce mikrofilament nenastala cytokineze, může vzniknout vícejaderná buňka.