Citoskelet

Citoskelet 

CITOSKELET 

Ć

ELIJA ŽIVOTINJA 

Na shemi koju je veliki 

ć

elijski biolog Vilson (Willson) objavio 1925. godine 

unutrašnjost 

ć

elije bila je predstavljena uniformno, neorganizovano i ozna

č

ena kao 

protoplazma. Veoma dugo smatralo se da je citoplazma zapravo citosol- vodena frakcija 

ispunjena metaboli

č

kim enzimima (u sklopu vi

đ

enja 

ć

elije kao vre

ć

ice enzima) i pri tom 

potpuno bez strukture. Iako su se publikovali radovi koji su opisivali postojanje 

“fibrilarne mrežice” u citoplazmi, oni su odmah bili odbacivani kao 

arte fact

, greška 

nastala tokom fiksacije i bojenja 

ć

elije, jer se identi

č

na slika te strukture nikako nije 

mogla dobiti. 

 Ni 

uvo

đ

enje elektronskog mikroskopa u istraživanje unutrašnjosti 

ć

elije nije 

doprinelo razrešenju ove dileme. ^ak, kada su 1963. godine opisane mikrotubule kao 

struktura citoplazme, to su bile slike sa svetlosnog mikroskopa. Osnovni problem 

elektronskog mikroskopa bio je što se 

ć

elija morala se

ć

i na veoma tanke preseke (10-30 

nm) da bi mogla biti posmatrana. Da bi se dobila slika trodimenzionalnosti, dubine 

ć

elije, moralo se se

ć

i na hiljadu serijskih preseka, što je prakti

č

no bilo neizvodljivo. 

Sedamdesetih godina konstruisana je verzija elektronskog mikroskopa koja je nazvana 

visokovoltažnim jer je zna

č

ajno pove

ć

avala prodornu snagu elektrona, a time i debljinu 

preparata koji su mogli biti posmatrani. Slika koja je na njemu dobijena pokazivala je 

citoplazmu kao izuzetno struktuiranu, ispunjenu visokodiferenciranom proteinskom 

mrežom izgra

đ

enom od fibrila razli

č

ite debljine i mikrotubula (folija MB 5.1.). 

Struktura je nazvana citoskelet, jer je postalo jasno da pruža potporu 

ć

eliji analogno 

potpori koju skelet pruža našem telu. 

Poslednje dve decenije izu

č

avanja u 

ć

elijskoj biologiji posve

ć

ena su u velikoj 

meri citoskeletu. Naime, osim izolovanja i biohemijske karaterizacije citoskeletnih 

proteina, primenjene su i metode imunofluorescencije i elektronske mikroskopije. Tako 

su razdvojene tri osnovne komponente citoskeleta: (1) aktinski filamenti, (2) 

mikrotubule i (3) intermedijarni filamenti (folija MB 5.1.). Podela je napravljena na 

osnovu kvalitativnih svojstava (aktinski zbog aktina, mikrotubule jer su male cevi), ali i 

kvantitativnih; intermedijarni filamenti su po debljini (10-20 nm) “izme

đ

u” aktinskih 

filamenata (5-7nm) i mikrotubula (24-25 nm).  

Iako su svi citoskeletni elementi proteini, polimeri odre

đ

ene dužine, njihova 

zastupljenost, distribucija, položaj, pa i funkcija u 

ć

eliji varira.  

1

Citoskelet 

Može se re

ć

i da je tkivno - specifi

č

na, iako to ne zna

č

i da je u svakoj 

ć

eliji 

identi

č

na s obzirom da je citoskelet dinami

č

na struktura, podložna remodeliranju. S 

po

č

etka istraživanja citoskeleta najradije su prou

č

avane epitelne 

ć

elije creva jer su u 

jednom sloju, polarizovane (lako se razlikuju apikalna, bazalna i lateralne strane 

ć

elije) i 

u njima su sva tri tipa citoskeletnih elemenata relativno ravnomerno zastupljena. Tako 

se jasno vidi da je aktinski citoskelet predominantno lokalizovan uz membranu (folija 

MB 5.2) odnosno dominantno u apikalnom regionu 

ć

elije (ispunjava mikroresice, 

izgra

đ

uje terminalno tkanje). Mikrotubule polaze iz 

ć

elijske unutrašnjosti, iz oblasti 

iznad nukleusa (oblast centrozoma) i pružaju se zrakasto ka 

ć

elijskoj membrani. 

Intermedijarni filamenti su u oblasti dezmozoma (

macula adherens

), imaju izgled 

buketa i povezuju se sa intermedijarnim filamentima susednih dezmozoma, 

ispunjavaju

ć

i 

ć

eliju i okružuju

ć

i nukleus poput kaveza. 

Ovako naglašena razlika u distribuciji citoskeletnih elemenata u 

ć

eliji ukazuje na 

razlike u njihovoj funkciji. Naime, iako se može re

ć

i da kombinacija citoskeletnih 

elemenata, generalno, (1) daje i održava oblik 

ć

elije, (2) ispunjava i održava apikalne 

diferencijacije-mikrovile, (3) kompartmentalizuje unutrašnjost 

ć

elije, (4) povezuje 

susedne 

ć

elije (u

č

estvuju

ć

i u izgradnji veza); (5) pokre

ć

e organele, (6) omogu

ć

ava 

endocitozu, (7) pokre

ć

e 

ć

elije, svaka od ove tri komponente posebno je odgovorna za 

pojedine funkcije. Tako se aktinski citoskelet uglavnom vezuje za 

ć

elijske pokrete i 

kretanja, mikrotubule za kompartmentalizaciju, a intermedijarni filamenti za mehani

č

ku 

potporu 

ć

elijama, odnosno otpornost 

ć

elije na promenu oblika. 

Osnovni principi organizacije ovih naizgled razli

č

itih elemenata jesu sposobnost 

polimerizacije i depolimerizacije, povezivanje u prostoru i prisustvo molekularnih 

motora. Na osnovu današnjih 

č

injenica jasno je da je analogija sa skeletom preuska i da 

citoplazmati

č

ni filamenti i mikrotubule, opet po analogiji sa telom 

č

oveka 

č

ine i 

citomuskulaturu, ligamente i tetive. 

AKTINSKI CITOSKELET 

Aktin je najzastupljeniji protein u eukariotskoj 

ć

eliji; on 

č

ini 1-5% svih 

ć

elijskih 

proteina, a u miši

ć

nim 

ć

elijama 

č

ak 10%. Kolika je to zastupljenost postaje jasno kada 

se spustimo na nivo samog broja molekula, npr. hepatocit ima 20.000 insulinskih 

receptora, a pola biliona (0.5x10

9

) aktinskih molekula. 

2

Citoskelet 

Kona

č

no, formiranje aktinskih filamenta u 

ć

eliji odigrava se u nekom 

definisanom prostoru i mora da uspostavi veze sa tom okolinom, što u epruveti nije 

slu

č

aj. U prilog ovome idu najnoviji podaci da se prvi korak u in vitro sistemu može 

eliminisati dodavanjem male koli

č

ine F-aktina. 

Kontradiktorni podaci pokrenuli su brojne eksperimente u kojima su se koristili 

aktinski otrovi (supstance izolovane iz razli

č

itih organizama koje remete organizaciju 

aktinskog citoskeleta) i koji su pružili druga

č

iju sliku polimerizacije aktinskog 

filamenta. Aktinski otrovi uticali su kako na formiranje, tako i na ve

ć

 formirani aktinski 

filament (folija MB 5.3.). Na primer, citohalazin D, alkaloid gljiva depolimeriše aktinski 

filament tako što se vezuje za jedan kraj aktinskog filamenta i blokira njegov dalji rast, 

narušavaju

ć

i ekvilibrijim izmene (monomer/polimer) 

č

ime se favorizuje 

depolimerizacija. Ovi podaci jasno su ukazivali da i 

ć

elija radi nešto sli

č

no, da poseduje 

protein koji se vršno, kao kapa vezuje za aktinski filament i time spre

č

ava njegov dalji 

rast. Tako

đ

e, ukazali su da aktinski filament raste brže na jednom (5-10x), nego na 

drugom kraju. Zaista, aktinski filament je polarizovan, poseduje dva kraja, arbitrarno 

ozna

č

ena kao (+) i (-) kraj. Uobi

č

ajeno se smatra da 

in vivo 

filament po

č

inje rast sa 

negativnog kraja, napreduje i dalje izduživanje se odigrava samo na, tako nastalom, 

rastu

ć

em (+) kraju. 

Suprotno, latrunkulin, toksin iz jedne vrste sun

đ

era vezuje se za G-aktin i ne 

dozvoljava da do polimerizacije uopšte do

đ

e. Tr

ć

a vrsta toksina, faloidin (izolovan iz 

gljive ludare) ima potpuno razli

č

ito dejstvo. On se vezuje za subjedinice aktina u 

filamentu na njihovim dodirnim površinama, “zaklju

č

ava” ih i stabiliše, što ga 

č

ini 

jednim od najviše koriš

ć

enih supstanci za izu

č

avanje aktinskih filamenata, jer 

ć

e se 

fluorescescentno-obeleženi faloidin vezivati isklju

č

ivo za F-aktin. Tako 

ć

emo biti u 

mogu

ć

nosti da ga kvalitativno “razdvojimo" od G-aktina i pratimo u razli

č

itim 

ć

elijskim 

procesima. 

 Me

đ

utim, 

ć

elija sigurno ne

ć

e sintetisati latrunkulin, citohalazin i faloidin da bi 

regulisala nastajanje, rast i stabilnost svojih citoskeletnih aktinskih filamenata. Ona to, 

naravno, radi posredstvom jedne brojne porodice prate

ć

ih proteina (koji se nazivaju i 

aktin-vezuju

ć

i proteini). Do sada, izolovano je i okarakterisano mnoštvo aktin-vezuju

ć

ih 

proteina koji su veoma raznorodni po amino-kiselinskom sastavu i veli

č

ini, a samim tim 

i trodimenzionalnim obliku. 

4

Citoskelet 

Svi prate

ć

i proteini mogu se podeliti u dve grupe: a) strukturne prate

ć

e proteine, one 

koji strukturno uspostavljaju i organizuju aktinske filamente i b) molekularne motore, 

one koji omogu

ć

avaju aktinskim filamentima da funkcionišu u smislu kontraktilnosti i 

pokretanja. Svima je zajedni

č

ko da poseduju aktivna mesta za vezivanje aktina 

č

ime se 

postiže (1) regulisanje nukleacije, elongacije i stabilnosti, (2) specifi

č

na 3-D 

organizacija aktinskih filamenata, pozicioniranje, i vezivanje za druge 

ć

elijske 

komponente, a molekularni motori su pri tome i ATPaze koje omogu

ć

avaju (3) “pokret” 

aktinskog filamenta i struktura vezanih za njega. 

Aktin-vezuju

ć

i proteini koji 

in vivo

 pomažu nastajanje i održavanje aktinskih 

filamenata (kontrola aktinske polimerizacije) 

Kazali smo ve

ć

 da u 

in vitro

 uslovima prisustvo odre

đ

enih jona, odnosno jonska 

koncentracija indukuje aktinsku polimerizaciju. Kada pogledamo koja je to 

koncentracija, vide

ć

emo da je to ista ona koja je u 

ć

eliji, što automatski zna

č

i da bi u 

živoj 

ć

eliji sav raspoloživi aktin bio u formi filamenata, odnosno F-aktina. Kako nije 

takva situacija, jasno je da prate

ć

i, aktin-vezuju

ć

i proteini kompetitivno održavaju 

odre

đ

eni pul G-aktina. To su (za sada), timozin 

β

4

, i profilin.  

Timozin 

β

4

 u krvnim plo

č

icama sekvestira i do 70% G-aktina (folija MB 5. 4.). 

On se vezuje za ATP-G-aktin u kompleksu 1:1 

č

ime spre

č

ava njegovu polimerizaciju. 

Profilin ima malo “prošireniju” ulogu. Sa jedne strane on sekvestira oko 20% G-aktina 

tako što se vezuje za njega, a sa druge promoviše nukleaciju filamenta i podsti

č

e njegov 

rast. Kako? Za razliku od timozina 

β

4

 profilin vezuje obe forme G-aktina: ATP- i ADP-

G-aktin. Vezuju

ć

i ADP-G-aktin koji nastaje depolimerizacijom postoje

ć

eg filamenta 

profilin ga ujedno transformiše u ATP-G-aktin (profilin je jedini protein koji vrši 

izmenu nukleotida na G-aktinu). Takav G-aktin može ostati u profilinskom pulu ili se 

vratiti u timozinski-pul. O direktnom vezivanju profilina za ATP-G-aktin 

ć

emo govoriti 

kasnije. 

Sama nukleacija aktinskog filamenta zavisi od faktora koji su o

č

ito razli

č

iti za 

razli

č

ite delove 

ć

elija u kojima se polimerizacija odigrava. 

5

Citoskelet 

usmeri i organizuje u prostoru da bi sama dobila odre

đ

eni oblik, ispunila svoje 

mikroresice, formirala endocitotska ulegnu

ć

a ili pokretala sebe i svoje organele? 

Naravno da tada stupa na scenu ogromna porodica prate

ć

ih proteina aktina koja 

ć

e 

povezati, usmeriti i prostorno oblikovati postoje

ć

e filamente u aktinski citoskelet. 

Variraju

ć

i vrstu i brojnost ovih proteina svaka 

ć

elija može da izgradi sopstveni, 

specifi

č

ni aktinski citoskelet. 

U principu, aktinski citoskelet se u 

ć

eliji organizuje strukturno u snopove i 

mreže, iako funkcionalno, obe strukture imaju identi

č

nu ulogu. U snopovima aktinski 

filamenti pore

đ

eni su pravilno, gusto i paralelno, dok su u mreži re

đ

e pakovani i 

izukrštani. Mreže tako

đ

e mogu biti u dva strukturna tipa: jedan je pridružen membrani i 

naj

č

eš

ć

e je planaran, dvodimenzionalan, kao mrežica, a drugi je u unutrašnjosti 

ć

elije, 

trodimenzionalan i daje citosolu izgled gela. U svim snopovima i mrežama aktinski 

filamenti drže se zajedno povezuju

ć

im prate

ć

im proteinima. Iako su klasifikovani u 

mnogo grupa, svaki od ovih proteina poseduje dva aktin-vezuju

ć

a domena, što je osnov 

njihove povezuju

ć

e funkcije. Kra

ć

i proteini poput fimbrina, fascina, vilina ili 

α

-aktinina 

povezuju aktinske filamente na malom rastojanju, veoma pravilno i tako formiraju 

snopove. Duži (i naj

č

eš

ć

e zglobni ili elasti

č

ni) povezuju

ć

i proteini kao filamin, spektrin 

ili distrofin naj

č

eš

ć

e se nalaze u submembranskoj aktinskoj mreži. 

Dakle, brojnim prate

ć

im-povezuju

ć

im proteinima 

ć

elija rešava problem svoje 

unutrašnje organizacije - organizacijom aktinskog citoskeleta. Ali ni to nije dovoljno. 

Citoplazma nije vodena sredina koja naleže na membranu 

ć

elije, naprotiv, ona je 

neodvojivi deo 

ć

elijske membrane jer je upravo citoskeletom povezana sa njom. Kako 

se, dakle aktinska citoskeletna mreža povezuje i ukotvljava u 

ć

elijsku membranu? 

Teorijski, 

ć

elija to može rešiti na dva na

č

ina: tako što 

ć

e nukleacijski centri biti u 

membrani i/ili što 

ć

e aktinski filament nukleisan negde u unutrašnjosti 

ć

elije biti 

upravljen ka 

ć

elijskoj membrani i vezan za nju. Dakle, kojim krajem se aktinski 

filament ukotvljava u 

ć

elijsku membranu: (+) ili (-)? Odgovor je sa oba, dakle i 

prakti

č

no 

ć

elija koristi oba na

č

ina da svoju unutrašnjost u

č

ini fizi

č

ki neodvojivom od 

svoje membrane.  

Prvi na

č

in koristi ve

ć

 postoje

ć

i protein – profilin. S obzirom da se profilin rado 

vezuje za membrane preko PIP

2

 (fosfolipid-fosfoinozitol 4,5-bifosfat) i prolin-bogatih 

proteina (VASP), može funkcionisati i kao nukleacijski centar. 

7