Mikrotubuly jsou proteinové intracelulární struktury, které tvoří cytoskelet .
Mikrotubuly jsou duté válce o průměru 25 nm . Jejich délka může být od několika mikrometrů do pravděpodobně několika milimetrů v axonech nervových buněk. Jejich stěnu tvoří tubulinové dimery . Mikrotubuly, stejně jako aktinová mikrofilamenta , jsou polární: mikrotubuly se na jednom konci samovolně sestavují a na druhém rozebírají. V buňkách hrají mikrotubuly roli strukturálních složek a jsou zapojeny do mnoha buněčných procesů, včetně mitózy , cytokineze a vezikulárního transportu .
Mikrotubuly jsou struktury, ve kterých je po obvodu dutého válce naskládáno 13 protofilament [1] , sestávajících z heterodimerů α- a β- tubulinu . Vnější průměr válce je asi 25 nm, vnitřní průměr je asi 15 nm.
Jeden konec mikrotubulu, nazývaný plusový konec, k sobě neustále připojuje volný tubulin. Z opačného konce - mínusového konce - se odštěpují tubulinové jednotky.
Při tvorbě mikrotubulů existují tři fáze:
Laboratorní studie ukazují, že k sestavování mikrotubulů z tubulinů dochází pouze v přítomnosti guanosintrifosfátu a iontů hořčíku .
Mikrotubuly jsou dynamické struktury a v buňce neustále polymerují a depolymerují . Centrosom , lokalizovaný blízko jádra , působí v buňkách zvířat a mnoha protistů jako centrum organizace mikrotubulů ( MTS ): rostou z něj na periferii buňky. Zároveň mohou mikrotubuly náhle přestat růst a zkracovat se zpět směrem k centrosomu až do úplného zničení a poté znovu růst. Když jsou připojeny k mikrotubulu, molekuly tubulinu nesoucí GTP tvoří „čepici“, která umožňuje růst mikrotubulů. Pokud lokální koncentrace tubulinu klesá, dochází k postupné hydrolýze GTP vázaného na beta-tubulin. Pokud je uzávěr GTP na +-konci zcela hydrolyzován, vede to k rychlému rozpadu mikrotubulu. Montáž a demontáž mikrotubulů je tedy spojena se spotřebou energie GTP.
Dynamická nestabilita mikrotubulů hraje důležitou fyziologickou roli. Například během buněčného dělení rostou mikrotubuly velmi rychle a pomáhají správně orientovat chromozomy a vytvářet mitotické vřeténka .
Mikrotubuly v buňce se používají jako „kolejnice“ k transportu částic. Po jejich povrchu se mohou pohybovat membránové váčky a mitochondrie . Transport mikrotubuly je prováděn proteiny nazývanými motorické proteiny . Jedná se o vysokomolekulární sloučeniny sestávající ze dvou těžkých (o hmotnosti asi 300 kDa ) a několika lehkých řetězců. Těžké řetězy se dělí na doménu hlavy a ocasu . Dvě hlavové domény se vážou na mikrotubuly a působí jako motory, zatímco ocasní domény se vážou na organely a další intracelulární formace, které mají být transportovány.
Existují dva typy motorických proteinů:
Dyneiny pohybují nákladem pouze od kladného konce k zápornému konci mikrotubulu, to znamená z periferních oblastí buňky do centrosomu . Kinesiny se naopak pohybují směrem k plus-endu, tedy směrem k buněčné periferii.
Pohyb se provádí díky energii ATP . Hlavní domény motorických proteinů pro tento účel obsahují místa vázající ATP.
Kromě své transportní funkce tvoří mikrotubuly centrální strukturu řasinek a bičíků , axonému . Typická axonéma obsahuje 9 párů spojených mikrotubulů podél periferie a dva kompletní mikrotubuly ve středu. Mikrotubuly se dále skládají z centriol a dělicího vřeténka , které zajišťuje divergenci chromozomů k pólům buňky během mitózy a meiózy . Mikrotubuly se podílejí na udržování tvaru buňky a uspořádání organel (zejména Golgiho aparát ) v cytoplazmě buněk.
Rostlinné mikrotubuly jsou vysoce dynamické složky cytoskeletu , které se účastní důležitých buněčných procesů, zejména segregace chromozomů , tvorba fragmoplastů , mikrokompartmentalizace , intracelulární transport a udržování konstantního tvaru a polarity buňky. Mobilita mikrotubulů je zajištěna dynamickou nestabilitou, pohybem polymerů motorickými proteiny, treadmillingem) a hybridní treadmillingový mechanismus s dynamickou nestabilitou kladného konce a pomalou depolymerizací záporného konce [2] .
Mikrotubuly jsou nadměrně citlivé na biotické a abiotické faktory prostředí (chlad, světlo, sucho, slanost, herbicidy a pesticidy , zaplavení, stlačení, elektrické pole , tlak a gravitace), stejně jako na fytohormony , antimitotika a řadu dalších biologicky aktivních látek. sloučeniny [3] . Mikrotubuly jsou dutá polární válcová vlákna o průměru přes 24 nm, která jsou sestavena z α- a β- tubulinových heterodimerů , které tvoří 13 protofilament v poloze hlava-ocas.
Významným omezením imunohistochemických studií je nemožnost in vivo vizualizace dynamiky mikrotubulů v eukaryotických a prokaryotických buňkách v reálném čase. Toto omezení bylo překonáno použitím konfokální mikroskopie se zeleným fluorescenčním proteinem izolovaným z medúzy Aequorea victoria L. [4] . Reportérový konstrukt GFP-MBD pro heterologní transformaci i při nízké úrovni přechodné exprese [5] in vivo a in vitro umožňuje vizualizovat dynamickou nestabilitu mikrotubulů v různých typech kořenových buněk [6] [7] .
V buňkách vyšších rostlin jsou čtyři typy mikrotubulů [8] :
Všechny složky cytoskeletu a dalších organel jsou propojeny řadou specifických proteinů spojených s mikrotubuly ( BAM ). V živočišných buňkách jsou nejvíce studovanými BAM tau a BAM2 , které stabilizují mikrotubuly a připojují je k jiným buněčným strukturám, stejně jako transportní proteiny dynein a kinesin [9] . Fungování různých skupin rostlinných mikrotubulů závisí na přítomnosti izoforem BAM z rodiny BAM 65 a regulačních kináz a fosfatáz . Zejména vysoce konzervovaný zvířecí homolog rodiny BAM65 je důležitý pro to, aby mikrotubuly získaly specifické konfigurace během vývoje rostliny [7] . Orientace a organizace různých populací a typů mikrotubulů je tkáňově a orgánově specifická [10] .
Struktura kořene rezukhovidky Talovy ( Arabidopsis thaliana L.) je typická pro dvouděložné rostliny . Nejblíže povrchu kořene je epidermální vrstva , jejíž buňkami ve zralé zóně jsou v závislosti na schopnosti iniciovat vývoj kořenových vlásků trichoblasty nebo atrichoblasty [11] . Hlouběji se nachází kumulativní kortikální vrstva bez chloroplastů s četnými mezibuněčnými prostory a plasmodesmaty a vrstva endodermálních buněk s kasparovskými pruhy na antiklinálních površích [12] . Centrální válec kořene je tvořen parenchymatickými buňkami pericyklu [12] , které jsou schopné rychlého dělení, a prvky xylému a floému . Existuje také funkční vymezení kořenových zón: zóny dělení, elongace , zrání a také přechodová zóna na hranici iniciačních a elongačních zón . S pericyklem se tvoří laterální kořeny a s trichoblasty epidermální vrstvy se tvoří kořenové vlásky [12] [13] . Kořenová špička je pokryta kořenovou čepičkou se specifickou morfologií buněk kolumely .
Atcentrosomální kortikální mikrotubuly ( CMT ) jsou důležité pro morfogenezi rostlin , regulaci buněčného dělení a prodlužování [14] . Vysoce dynamická populace krátkých CMT vázaných na membránu se během prodlužování buněk rychle přeorientuje z interfáze příčné do podélné polohy [15] . Atcentrosomální kortikální mikrotubuly mají neuspořádané uspořádání plusových konců a vykazují dynamickou nestabilitu a volné mínusové konce CMT jsou pomalu depolymerizovány, to znamená, že CMT se samoorganizují hybridním mechanismem dynamické nestability a treadmillingu [2] . Enukleace probíhá po celém povrchu plazmatické membrány [2] [15] . Protein SPR1 reguluje dynamiku a organizaci CMT plus-end v rostlinách, což ovlivňuje anizotropní růst buněk [16] [17] . Atcentrosomální kortikální mikrotubuly leží paralelně s celulózovými mikrofibrilami [18] , správná organizace CMT je nezbytná pro normální syntézu buněčné stěny [19] . Bylo zjištěno, že CMT se spojují do uzlů, které se často protínají, aby stabilizovaly mikrotubuly a zadržovaly proteiny na jejich povrchu [17] .
Laterální válcovité výrůstky trichoblastů, kořenových vlásků, dosahují značné délky vzhledem k jejich vlastní tloušťce s dosti konstantním průměrem u Arabidopsis thaliana L. (nezralé ~ 6-10 nm; zralé - více než 1 mm) a vyznačují se vysoce polárním cytoarchitektura [20] . K jejich prodlužování dochází apikálním růstem ( anglicky tip growth ) polarizovanou exocytózou , která se vyznačuje recipročním tokem cytoplazmy, gradientem cytoplazmatického Ca 2+ , aktivitou F - aktinu a posunem buněčného obsahu do horní části vlasu. . V raných fázích vývoje rostou kořenové vlásky 3denních semenáčků Arabidopsis thaliana L. rychlostí 0,4 µm/min, později zrychlují na 1–2,5 µm/min [20] .
Rostlinné buňky jsou charakterizovány organizovanou populací kortikálních mikrotubulů [9] , která je přítomna v kořenových vláscích na všech vývojových úrovních [21] [22] . Během přechodu z rudimentárního stavu do prodlužovacího stavu nejsou kortikální mikrotubuly na vrcholu chlupů vizualizovány, protože se objevují endoplazmatické mikrotubuly. Kortikální mikrotubuly jsou orientovány podélně nebo šroubovitě [22] [23] . U kukuřice ( Zea mays L.) a hlávkového salátu ( Lactuca sativa L.) je zahájení růstu kořenového ochlupení spojeno s reorganizací populace CMT v trichoblastech [22] [24] [25] . Tato populace řídí stabilitu a směr apikálního růstu kořenových vlásků [26] [27] . Porovnáním čtyř standardních parametrů dynamické nestability CMT in vivo — úrovně růstové aktivity, rychlosti rozpadu, frekvence přechodů z rozpadu do růstu („záchrana“) a naopak („katastrofa“) bylo zjištěno, že kortikální mikrotubuly (CMT ) mladých kořenových vlásků jsou dynamické, protože dozrávají. Síť mikrotubulů je reorganizována v reakci na měnící se parametry prostředí a diferenciační podněty změnou indikátorů dynamické nestability [27] .
| organely eukaryotických buněk | |
|---|---|
| endomembránový systém | |
| cytoskelet | |
| Endosymbionti | |
| Jiné vnitřní organely | |
| Vnější organely | |