CC BY
100
Естественные и точные науки
1
БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 581.1
СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЦИТОСКЕЛЕТА ВЫСШИХ РАСТЕНИЙ И ЕГО РЕОРГАНИЗАЦИЯ ПРИ ЗАКАЛИВАНИИ РАСТЕНИЙ К ХОЛОДУ
© 2009 Абдуллаева Т.М., Магомедова М.А.
Дагестанский государственный педагогический университет
В статье представлен анализ последних данных мировой литературы о строении, свойствах и функциях основных компонентов цитоскелета высших растений.
In the given article the last data analysis of the world literature devoted to the structure, features and functions of the higher plant cytologic skeleton’s main components is presented.
Ключевые слова: клетка, цитоскелет, органеллы, филаменты, микротрубочки, микрофиламенты.
Keywords: cell, cytologic skeleton, organells, filaments, microtubes, microfilaments.
Изучение цитоскелета в настоящее время является новым и одним из наиболее интенсивно развивающихся направлений клеточной биологии животных и растений. Представления о цитоскелете очень быстро меняются, пересматриваются и расширяются [1, 4, 9]. Интерес к цитоскелету связан с огромным его значением в
жизнедеятельности организма.
Цитоскелет выполняет опорную функцию в клетке, он в значительной степени ответственен за детерминацию формы клеток и органов, определяет закономерное пространственное
размещение клеточных компонентов, участвует в создании структурной основы метаболизма, генерирует силы для движения органелл и
внутриклеточного транспорта,
необходим для деления ядра и клетки и выполняет другие важные функции.
Вообще было бы правильнее говорить не о цитоскелете, а об опорнодвигательном аппарате клетки. Однако термин «цитоскелет» наиболее широко распространен в мировой литературе, хотя все понимают, что это не статичная, а динамичная, полифункциональная система в клетке. К сожалению, в нашей стране исследования цитоскелета ограничиваются в основном животными клетками, а обзорные статьи по цитоскелету единичны [2].
Целью настоящего обзора является анализ последних данных мировой литературы о строении, свойствах и функциях основных компонентов цитоскелета высших растений.
Цитоскелет эукариотических клеток представляет собой систему не мембранных ансамблей белковых (не ферментных) молекул в виде длинных, тонких, различимых, как правило, нитей,
а также их агрегатов, пронизывающих цитозоль. У животных выделены три основных структурных элемента цитоскелета: тубулиновые
микротрубочки (МТ), активные микрофиламенты (МФ) и состоящие из разных белков промежуточные филаменты. У высших растений, водорослей и грибов идентифицированы только МТ и МФ.
Строение цитоплазматических МТ, их связь с мембранами и МФ, невидимыми в световом микроскопе, можно изучать в просвечивающем электронном
микроскопе на ультратонких срезах после специальной фиксации. В отличие от МТ актиновые микрофиламенты наблюдать в электронном микроскопе удается лишь после применения особо щадящих методов подготовки препаратов, прежде всего криометодов [2].
В последние годы роль цитоскелета изучают, применяя обработку клеток и тканей ингибиторами, прежде всего алколоидами и некоторыми
гербицидами, для МТ-колхицином, колцемидом, нокодазолом,
винбластином, для МФ-цитохалазином [11], которые обратимо блокируют функционирование элементов
цитоскелета и могут вызывать их
деполимеризацию или предотвращать их полимеризацию. Кроме того, роль цитоскелета изучают, применяя точечные его повреждения, например, пучком ультрафиолетовых лучей и наблюдая происходящие при этом нарушения. В последнее время все более широкое применение находят
молекулярно-генетические методы,
особенно при изучении мутантов,
дефектных в отношении синтеза
компонентов цитоскелета и связанных с ним белков.
МТ в клетках всех эукариотов имеют весьма близкий химический состав, строение и свойства. Они состоят из двух очень сходных а- и Р-тубулинов, комплексы которых (гетеродимеры) образуют повторяющиеся
элипсоидальные субъединицы стенки МТ. МТ представляет собой длинные - от немногих микрометров до нескольких десятков микрометров, - обычно почти прямые, полые, неразветвленные цилиндры с внутренним диаметром 15 нм. Во всех протофиламентах гетеродимеры ориентированы
одинаково: а-сторона направлена к
одному («плюс») концу, а Р-сторона - к другому («минус») концу. МТ -
эластичные, довольно жесткие структуры (их жесткость значительно выше, чем у плазмалеммы), что имеет большое значение для их функционирования как элементов цитоскелета.
МТ - очень лабильные образования, они постоянно и очень легко полимеризуются (самосборка) и деполимеризуются в клетке за счет пула всегда имеющегося в цитоплазме
субъединиц тубулинов. При этом самосборка (рост) происходит путем добавления субъединиц по обоим концам МТ, однако рост на «плюс»-конце идет быстрее, чем на «минус»-конце. За счет роста происходит
удлинение МТ на обоих концах.
МТ-скелет клетки находится в состоянии динамической
нестабильности: в каждый данный
момент длина одних МТ увеличивается, а других - уменьшается. Полярность
строения и динамика отдельных МТ имеют важное значение для их
функционирования. Полимеризация МТ требует присутствия
гуанозинтрифосфата и определенной концентрации кальция [3, 11]. При
пониженной температуре МТ обычно деполимеризуется. Этот процесс обратим. Стабильность МТ может быть повышена путем закаливания.
Микрофиламенты (актиновые нити) состоят из глобулярного
сократительного белка актина и имеют одинаковое строение в клетках всех эукариот. Актин может существовать в виде мономера (в-актин, «глобулярный актин») или полимера (Б-актин, «фибрилярный актин»). в-актин -асимметричный глобулярный белок (42 кДа), состоящий из двух доменов. Он может обратимо агрегировать, образуя линейный скрученный в спираль полимер Б-актин. Молекула в-актина несет прочно связанную молекулу АТФ, которая при переходе в Б-актин гидролизуется до АДФ, то есть Б-актин имеет свойства АТФ-азы.
При полимеризации в-актина в Б-актин ориентация всех мономеров одинакова, поэтому Б-актин обладает полярностью. Волокна Б-актина имеют два разноименно заряженных конца: (+)-конец и (-), которые полимеризуются с разной скоростью. В растительной клетке эти концы не стабилизированы специальными белками и при критической концентрации Б-актина (+)-конец будет удлиняться, а (-)-конец
укорачиваться. В условиях эксперимента этот конец может быть ингибирован токсинами грибов. Например, фаллоидин (яд бледной поганки) связывается с (-)-концом и ингибирует деполимеризацию, в то время как цитохалазин (токсин из плесневых грибов) присоединяется к (+)-концу, блокируя полимеризацию.
В цитоплазме клеток имеется пятьдесят различных типов актинассоциированных белков, которые специфически
взаимодействуют с в и Б-актином и выполняют различные функции,
активность их регулируется ионами Са2+ и протеинкиназами. В растительных клетках эти белки начинают только изучаться. Отсутствие же промежуточных
филаментов у растений, в том числе и грибов, может объясняться наличием у них клеточной оболочки, выполняющей функцию этих филаментов.
В клетках высших растений, распределение и преобразование
функции МТ- и МФ-скелета чаще всего иные, если даже не противоположные, чем в клетках животных. У растений МТ-скелет несет в основном ту функциональную структуру, за которую у животных ответственен МФ-скелет, и наоборот. Это связано, вероятно, с наличием у растительных клеток наружного скелета - жесткой оболочки и специфическим характером роста - роста растяжением, обусловленного
тургорным давлением разрастающейся центральной вакуоли. Поскольку растительные клетки неподвижны, постольку дифференциация и морфогенез (в смысле образования и окончательной формы) могут
осуществляться только путем изменения направления их роста. Эти процессы контролируются растительным
цитоскелетом и прежде всего МТ.
В интерфазных меристематических и растущих растяжением клетках, а также в клетках, откладывающих вторичную клеточную оболочку, встречаются только идущие параллельно
плазмалемме и близко к ней так называемые кортикальные МТ, отсутствующие в животных клетках. Обычно они связаны с плазмалеммой и друг с другом мостиками-связниками и образуют в клетке единую систему. Получены данные о том, что белковые связники МТ ответственны за кортикальное расположение МТ-скелета, поскольку при их разрушении МТ теряли связь с плазмалеммой и смещались в глубь клетки. Лишь в немногих работах
утверждается наличие в интерфазных меристематических и
дифференцирующихся клетках, наряду с кортикальными, и глубинных МТ, отходящих от ядра.
В закончивших рост клетках, как правило, МТ могут полностью исчезать, и тогда никаких МТ в клетках не остается или же их число резко уменьшается, а ориентация становится беспорядочной. У некоторых растений в клетках мезофиллы зрелых листьев сохраняется большое число параллельных кортикальных МТ, у других при завершении роста параллельная ориентация МТ сменяется почти на продольную. В замыкающих клетках зрелых листьев наблюдались не только кортикальные, но и глубинные, контактирующие с тонопластом МТ [8].
Параллельное расположение самых внутренних (молодых) микрофибрилл целлюлозы и МТ послужило основанием для предположения, что последние контролируют ориентацию первых при их отложении. В его пользу свидетельствуют и экспериментальные данные,
показывающие, что во многих случаях обработка клеток ингибиторами МТ вызывала нарушение ориентации микрофибрилл целлюлозы. Контролируя ориентацию целлюлозных фибрилл, кортикальный МТ-скелет контролирует направление роста, а именно в сторону наименьшего напряжения, т. е.
перпендикулярно фибриллам и, в конечном счете, МТ. В этом проявляется одна из важнейших функций МТ-скелета растительных клеток -
морфогенетическая. Если МТ разрушить путем обработки ингибиторами, то обычно образуются изодиаметрические, а не удлинённые клетки. Форма органа определяется направлением и темпом
деления его клеток, а также
преимущественным направлением роста клеток. Эти морфогенетические характеристики находятся под контролем кортикального МТ-скелета.
В ряде работ [9, 12] показано, что регуляторы роста растений действуют отчасти через изменение ориентации
откладываемых микрофибрилл. Так, стимуляторы роста (ауксины,
гиббериллин) вызывают изменение
ориентации в сторону преобладания поперечных фибрилл, тогда как ингибиторы и, в частности, этилен - в сторону преобладания продольных фибрилл. Если же гипокотиль обработать колхицином, разрушающим
МТ, то регуляторы роста перестают оказывать свое действие.
В отличие от МТ-скелета, характерного для растущих клеток, МФ-скелет характерен для закончивших рост клеток.
При анализе ассоциаций МФ с органеллами различные авторы отмечают обычно более высокую концентрацию Мф в зоне около ядра, вокруг которого образуется как бы футляр из Мф с секреторными пузырьками,
диктиосомами, митохондриями,
липидными каплями, рибосомами. Контакты Мф с органеллами отличают растительные клетки от клеток животных, у которых органеллы и пузырьки обычно контактируют с Мт. В клетках высших растений, по-видимому, в первую очередь МФ ответственны за характерное распределение органелл, за
генерирование общего движения цитоплазмы и органелл [10].
Несмотря на близкое сходство структуры и свойств актинов Мф у растений и животных, основные их функции в неделящихся клетках различны. Мф высших растений в первую очередь ответственны за движение цитоплазмы и органелл, а МТ в этих процессах не участвуют, тогда, как в животных клетках эта функция выполняется именно МТ-скелетом. Мф в отличие от МТ, скорее всего, не участвуют в делении ядра, движении хромосом, несмотря на их пока необъяснимое присутствие в ядре на всех стадиях митоза. Роль МФ в цитокенезе, вероятно, состоит в контролировании места образования клеточной пластинки и направлении разрастания фрагмопласта и таким образом в контролировании
морфогенеза.
Таким образом, микротрубочки и микрофиламенты образуют в клетке густую и очень динамичную сеть, соединённую с внутриклеточными мембранами,
органеллами, плазмалеммой и ионными
каналами. Между тем, функции цитоскелета в клетке все еще недостаточно изучены. Так, в частности, взаимодействие белоксинтезирующего и
энерготрансформирующего аппарата клеток с цитоскелетом - это новая и пока недостаточно изученная область знаний [5, 7, 13, 16]. Все еще мало исследован круг вопросов, связанных с ролью цитоскелета в устойчивости растений к экстремальным факторам среды [4, 6, 12]. Попыткой ответить на эти вопросы является работа [17], в которой показано, что проникновение Са2+ в протопласты табака стимулировалось разрушением
микротрубочек и актиновых
микрофиламентов. Предполагается, что дестабилизация цитоскелета, связанная с понижением текучести клеточной
мембраны, приводит к открытию Са2+-каналов в результате уменьшения силы натяжения в мембране. В результате усиливается поступление Са2+ в цитоплазму, что активирует
протеинкиназы, фосфорилирование
определенных белков, экспрессию
специфических для холодовой акклимации генов и развитие холодостойкости в процессе адаптации к холоду клеток растений. На важность фосфорилирования белков в развитии морозостойкости растений указывает ряд работ [4, 6, 14, 18]. Так, в работах [6, 14] отмечается, что состояние цитоскелета растительной клетки во многом зависит от уровня фосфорилирования его белковых составляющих, в первую очередь, а- и Р-тубулинов.
Таким образом, механизмы регуляции активности генов, индуцируемых
холодом, меняющих их экспрессию, сочетаются в той или иной степени с реорганизацией цитоскелета [4, 12] и интенсивно исследуются в связи с важностью проблемы адаптации
растений к воздействию холода.
Примечания
1. Абдурахимова И.Р., Абдурахимов Ф.А., Абдурахманова И.Р., Хохлова Р.П. Влияние антитрубочковых агентов на дыхание и ультраструктурную организацию клеток листьев пшеницы // Физиология
растений, 2003. Т.50. №5. С. 653-660. 2. Васильев Е.А. Сравнительная структурно-функциональная характеристика цитоскелета животных и высших растений // Журнал общей биологии, 1996. Т.57. №3. 3. Вебер К., Осборн Н. Молекулы клеточного матрикса // В мире науки. 1985. 12. С. 62-64. 4. Гималов Ф.Р., Чемерис А.В., Вахитов В.А. О восприятии растением холодового сигнала // Успехи современной биологии. 2004. Т.124. №2. С. 185-196. 5. Клячко Н.Л. Белоксинтезирующий аппарат и цитоскелет // Физиология растений. 1998. Т.45. №2. С. 208-217. 6. Куликова А.Л., Куликов А.Ю., Ерохина М.А., Клячко Н.Л. Зависимость доли цитоскелет, связанных полисом от физиологического состояния растений // Физиология растений. 2001. Т.48. №5. С. 705-711. 7. Кравец В.С., Колесников Я.С., Кузнецов В.В., Романов Г.А. Регуляторы роста растений: внутриклеточная гормональная сигнализация и применение в аграрном производстве. Второй международный симпозиум (Киев, Украина, 8-12 октября 2007 г.) // Физиология растений. 2008. Т.55. №4. С. 629-640. 8. Мирославов Е.А. Структура и функция
эпидермиса листа покрытосеменных растений // Цитология. 1987. Т.29. №2. С. 150-155. 9. Олиневич О.В., Хохлова Л.П. Влияние абсцизовой кислоты и возраста растений на цитоскелетные и фосфорилированные белки // Биохимия. 2003. Т.68. Вып.6. С. 828-839. 10. Соколов О.И., Богатырев В.А., Туркина М.В. Миозин из проводящих тканей Heracleum sosnowski: взаимодействие с мышечным актином и образование филаментов // Физиология растений. 1986. Т.33. №3. С. 421-431. 11. Фултон А. Цитоскелет Архитектура и хореография клетки. М. : Мир, 1987. 117 с. 12. Хохлова Л.П., Олиневич О.В. Реорганизация цитоскелета в клетках Triticum aestivum при закаливании растений к холоду и действии абсцизовой кислоты // Физиология растений. 2003. Т.50. №4. С. 528-540. 13. Abe S., Vou w., Davies E. Protein Bodies in Corn Endosperm Are Enclosed by and Enmeched in F-Action // Protoplasma, 1991. V. 165. P. 139-149. 14. Blume Ja, Jemets A., Sulimenko V. and e.a. Evidance of Tyrosine Phosphorylation of Plant Tubulin. //Cell Biol. Int. 2008. 15. Ding J., Pickard B.G. // Plant. J., 1993. V. 3. P. 713. 16. Hesketh J.F., Pryme J.F. Interaction // Biohem. J. 1991. V.227. P. 1-10. 17. Mazars C., Thion L., Thuleau P. and e. a. // Cell Calcium. 1997. V.22. P. 413. 18. Monroy A.F., Castonguay J., Laberge S. and e.a. // Plant Physiol., 1993. V. 102. P. 873.
Статья поступила в редакцию 17.12.2008 г.
