Citoskelet

CITOSKELET ĆELIJA ŽIVOTINJA

Na shemi koju je veliki ćelijski biolog Vilson (Willson) objavio 1925. godine unutrašnjost ćelije bila je predstavljena uniformno, neorganizovano i označena kao protoplazma. Veoma dugo smatralo se da je citoplazma zapravo citosol- vodena frakcija ispunjena metaboličkim enzimima (u sklopu viđenja ćelije kao vrećice 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 ćelije, jer se identična slika te strukture nikako nije mogla dobiti.

Ni uvođenje elektronskog mikroskopa u istraživanje unutrašnjosti ćelije 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 ćelija morala seći na veoma tanke preseke (10-30 nm) da bi mogla biti posmatrana. Da bi se dobila slika trodimenzionalnosti, dubine ćelije, moralo se seći na hiljadu serijskih preseka, što je praktično bilo neizvodljivo.

Sedamdesetih godina konstruisana je verzija elektronskog mikroskopa koja je nazvana visokovoltažnim jer je značajno povećavala 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 izgrađenom od fibrila različite debljine i mikrotubula (folija MB 5.1.).

Struktura je nazvana citoskelet, jer je postalo jasno da pruža potporu ćeliji analogno potpori koju skelet pruža našem telu. Poslednje dve decenije izučavanja u ćelijskoj biologiji posvećena 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) “između” aktinskih filamenata (5-7nm) i mikrotubula (24-25 nm). Iako su svi citoskeletni elementi proteini, polimeri određene dužine, njihova zastupljenost, distribucija, položaj, pa i funkcija u ćeliji varira. 

Može se reći da je tkivno – specifična, iako to ne znači da je u svakoj ćeliji identična s obzirom da je citoskelet dinamična struktura, podložna remodeliranju. S početka istraživanja citoskeleta najradije su proučavane epitelne ćelije creva jer su u jednom sloju, polarizovane (lako se razlikuju apikalna, bazalna i lateralne strane ćelije) 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 ćelije (ispunjava mikroresice, izgrađuje terminalno tkanje). Mikrotubule polaze iz ćelijske unutrašnjosti, iz oblasti iznad nukleusa (oblast centrozoma) i pružaju se zrakasto ka ćelijskoj membrani.

Intermedijarni filamenti su u oblasti dezmozoma (macula adherens), imaju izgled buketa i povezuju se sa intermedijarnim filamentima susednih dezmozoma, ispunjavajući ćeliju i okružujući nukleus poput kaveza. Ovako naglašena razlika u distribuciji citoskeletnih elemenata u ćeliji ukazuje na razlike u njihovoj funkciji. Naime, iako se može reći da kombinacija citoskeletnih elemenata, generalno,

1. daje i održava oblik ćelije,
2. ispunjava i održava apikalne diferencijacije-mikrovile,
3. kompartmentalizuje unutrašnjost ćelije,
4. povezuje susedne ćelije (učestvujući u izgradnji veza);
5. pokreće organele,
6. omogućava endocitozu,
7. pokreće ćelije, svaka od ove tri komponente posebno je odgovorna za pojedine funkcije.

Tako se aktinski citoskelet uglavnom vezuje za ćelijske pokrete i kretanja, mikrotubule za kompartmentalizaciju, a intermedijarni filamenti za mehaničku potporu ćelijama, odnosno otpornost ćelije na promenu oblika. Osnovni principi organizacije ovih naizgled različitih elemenata jesu sposobnost polimerizacije i depolimerizacije, povezivanje u prostoru i prisustvo molekularnih motora. Na osnovu današnjih činjenica jasno je da je analogija sa skeletom preuska i da citoplazmatični filamenti i mikrotubule, opet po analogiji sa telom čoveka čine i
citomuskulaturu, ligamente i tetive.

 
AKTINSKI CITOSKELET

Aktin je najzastupljeniji protein u eukariotskoj ćeliji; on čini 1-5% svih ćelijskih proteina, a u mišićnim ćelijama čak 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 (0.5×109) aktinskih molekula. Aktin je evolutivno visoko konzerviran protein (aktin ameba i životinja je 80% homolog) po čemu se poredi sa histonima. Broj gena koji ga kodira je veoma različit (ameba i kvasci imaju 1 gen, čovek 6, a biljke čak 60). Spada u grupu umereno-velikih
proteina, i u vertebratskim ćelijama nalazi se u nekoliko izoformi. U mišićnim ćelijama postoji 4 α-aktinskih izoformi, a u ne-mišićnim ćelijama α-aktinu pridruženi su β- i γ-aktin. Za sada, uočeno je da je α-aktin funkcionalno vezan za kontraktilne strukture a β-aktin za aktivno polimerišuće filamente. Takođe, relativno nedavno identifikovana je familija aktinu srodnih (actin-related) proteina (Arps) koja ima 50% homologije sa aktinom. Njihova uloga u organizaciji i funkcionisanju citoskeletnog aktina je veoma interesantna i možda ukazuje na poreklo aktinske organizacije.

U ćelijama aktin postoji kao monomer G- ili globularni aktin i polimer F- ili filamentozni aktin. Svaki aktinski molekul pored jona Mg2+kompleksovan je sa ATP- ili ADP-om, tako da postoje četiri “forme” aktina: ATP-G-aktin, ADP-G-aktin, ATP-Faktin, ADP-F-aktin. Predominantne forme u ćeliji su ATP-G-aktin i ADP-F-aktin. Iako pod transmisionim elektronskim mikroskopom (TEM) G-aktin izgleda kao globula, on je zapravo bilobularan sa dubokim udubljenjem između lobusa. U prisustvu jona Mg2+G-aktin polimeriše u F-aktin, filament različite dužine, dijametra 7-9 nm. On je izgrađen od dva lanca G-aktina nanizanih poput bisera i spiralno uvijenih jedan oko drugog, tako da je svaka od subjedinica okružena sa druge 4.

Polimerizacija aktina, po in vitro modelu, odigrava se u tri sukcesivna koraka: nukleacije, elongacije i dostizanja stabilnog stanja. U prvom, G-aktini agregiraju kao kratki, nestabilni oligomeri. U jednom momentu, neki od tih oligomera dostižu dovoljnu stabilnost da postanu “seme” ili nukleacijski centar za brzi elongacioni korak u kome se G-aktin brzo nadodaje na oba kraja. Kako dužina filamenta raste tako koncentracija G-aktina opada čime se dostiže ekvilibrijum, stabilno stanje u kome se monomeri izmenjuju sa oba kraja, ali kvalitativno nema promene u dužini filamenta. ***Ovakav molekularni model dobijen je na osnovu in vitro rezultata, i ne odgovara in vivo situaciji. Prvo, teško je prihvatiti da ćelija ima “vremena” i energije za prvi korak kada se zna da ona krajnje ekonomično i kontrolisano uspostavlja svoju strukturu. Takođe, od esencijalnog je značaja za preživljavanje ćelije da brzo i efikasno
remodelira svoje strukture i ponašanje, a to je nemoguće ako se ide po principu “pokušaja i pogreške”.