Опорно-двигательный аппарат одноклеточных свободноживущих

 

Контрольная работа

 

 

Опорно-двигательный аппарат

 одноклеточных свободноживущих

 

 

________________________

_________________________

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

Введение.........................................................................................................3

Общая картина амебоидного  движения...................................................... 4

Динамика актинового цитоскелета в образовании псевдоподий:

1 Полимеризация актина...............................................................................6

2 Актин связывающие белки.........................................................................8

Теории амебоидного движения...................................................................11

Заключение....................................................................................................13

Библиографический список.........................................................................14

 

Введение

Называя одноклеточные организмы  «простейшими» мы заведомо противопоставляем их существам с более сложной организацией  — многоклеточным. Но правильно ли это? Так ли они просты, как может показаться? Ведь будучи всего лишь одной клеткой, простейший организм сталкивается с теми же трудностями существования, как и любой другой: с нестабильностью внешней среды, необходимостью добывать пропитание, заботой о продолжении рода.

Одна из великих загадок биологии — сложные целенаправленные движения клеток. Клетки путешествуют, изменяют форму, охотятся — порой ведут себя как «разумные» существа. Но ведь это всего лишь мембранные пузырьки! Лишённые мышц и нервов, органов чувств и костей. Как им это удается?

Дело в том, что подвижность  в биологических системах не ограничивается мышечным сокращением. С тех пор как был изобретен микроскоп, каждое последующее поколение биологов наблюдало движение цитоплазмы, скольжение клеток, образование псевдоподий, токи протоплазмы, движение хромосом при клеточном делении, биения ресничек и жгутиков и множество других немышечных видов движения.

Основой подвижности живых  клеток является их цитоскелет.  Цитоскелет может быть образован тремя системами  белковых нитей: микрофиламентами, состоящими из белка актина, микротрубочками, состоящими из белка тубулина и промежуточными филаментами, состоящими преимущественно из актина и различных актин связывающих белков. Эти нити собираются (полимеризуются) из соответствующих белковых молекул и вновь разбираются на отдельные молекулы. Благодаря такой полимеризации-деполимеризации цитоскелет непрерывно перестраивается, и эти перестройки являются основой изменения формы и движения клеток.

Мы рассмотрим один из видов немышечного движения — амебоидное, особенности актинового цитоскелета простейших, обладающих данным типом движения и основные теории относительно самого механизма амебоидного движения.

 

Общая картина амебоидного движения

Амебоидное движение характерно для таких протистов как лобозные и филозные амебы, фораминиферы, солнечники, гетеролобозные амебы, миксомицеты, и  некоторых других.

Амебоидное движение связано  с изменением формы клетки и формированием  псевдоподий, однако механизмы такого движения могут быть различными.

Выделяют несколько типов псевдоподий: лобоподии, филоподии, гранулоретикулоподии и аксоподии (Рис.1).

 

 

 

 

 

 

 Рис.1 Формы псевдоподий у различных видов амеб: 1 – Amoeba limax,                  2 - Pelomyxa binucteata, 3 -  Amoeba proteus, 4 - A. radiosa, 5 - A. Verrucosa,     6 - A. Polypodia

 

«Типичная» амеба имеет  наружный слой — плазмалемму; этот слой липкий, не смачивается водой и легко скользит по прилегающему к нему внутреннему слою. С помощью электронного микроскопа установлено, что плазмалемма состоит из наружной волокнистой оболочки и внутренней мембраны. Волокна имеют диаметр около 80 А и длину 0,1—1 мкм. Оболочка содержит 35% липидов, 26% белка и 16% полисахаридов. Под плазмалеммой лежит гиалиновый слой, который, судя по броуновскому движению попавших в него частиц, жидкий. В точках прикрепления амебы к субстрату этот слой очень тонкий, но в передней части вытягивающейся псевдоподии он часто утолщается, образуя широкий гиалиновый колпачок. Далее следует эктоплазма, или цилиндр из плазмагеля, довольно вязкий. У амеб с одной псевдоподией эктоплазма постепенно утолщается от переднего конца к заднему (уроиду). У многих видов она вытянута в виде тонкого слоя плазматического геля под передним гиалиновым колпачком, слоя, который часто прорывается и позволяет гранулам проникать в гиалиновый колпачок. Частота прорывов в разных вытягивающихся псевдоподиях может быть различной. Эндоплазматической основой амебы является плазмазоль со свободно плавающими в нем гранулами. При реакциях на нейтральные полисахариды он окрашивается более интенсивно, чем эктоплазма. Ядро обычно находится в плазмазоле; у некоторых видов оно занимает центральное положение, несмотря на интенсивные токи протоплазмы вокруг него. Эндоплазма и эктоплазма содержат разнообразные гранулы, пищеварительные вакуоли и кристаллические включения различного типа. Протоплазма гиперосмотична у пресноводных амеб и примерно изоосмотична у паразитических и морских амеб. Эктоплазма обладает тургесцентностью, поэтому клетки обычно не имеют сферической формы.

Судя по данным микроскопии, перемещение амебы зависит от трех основных факторов:

1 Прикрепление к субстрату, которое облегчается, если среда содержит следы солей, в частности солей кальция; действие Са2+, Mg2+ и К+ аддитивно в отношении прикрепления, но не перемещения. Наиболее прочно прикрепляются к субстрату кончики псевдоподий; новые псевдоподии прикрепляются лучше, чем старые.

2 На заднем конце клетки или в какой-либо другой определенной области эктоплазма непрерывно превращается в эндоплазму, а в передней части клетки или в любой вытягивающейся псевдоподии эндоплазма превращается в эктоплазму. Во время движения эндоплазмы вперед гранулы либо отклоняются в сторону и превращаются в эктоплазму, либо внедряются в гиалиновый колпачок и желатинизируются по мере образования нового колпачка.

3 Движение эндоплазмы вперед происходит под действием эластических сил, давления и сократительной силы актинового цитоскелета.

Наблюдая сбоку за гранулами  амеб и лимфоцитов и за частицами, прилипшими к плазмалемме, можно  заметить, что в перемещающихся клетках  гранулы в эктоплазме остаются фиксированными до тех пор, пока они не окажутся у заднего конца тела, где переходят в эндоплазму. Частицы на участке прикрепленной к субстрату плазмалеммы также неподвижны, но частицы на других участках плазмалеммы, дорсальных и вентральных, движутся вперед. У A. verrucosa описано «вращательное» движение плазмалеммы; у других видов, например у Difflugia, можно наблюдать «шагающее» движение: вытягивающийся кончик прикрепляется к субстрату, а затем подтягивается остальная часть. В ретикулоподиях фораминифер вместо наружной оболочки эктоплазмы имеется что-то вроде тяжей геля; по одному из них гранулы движутся вперед, а по другому — назад.

Скорости движения весьма различны — от едва заметной до 1350 мкм/с  в потоке цитоплазмы у плазмодия. Имеются наблюдения о перемещении мигрирующих плазмодиев со скоростью 5—6 см/ч. Свободно ползающие амебы движутся со скоростью от 0,5 до 4,5  мкм/с,   большая   часть   из  них — со   скоростью   около 1 мкм/с. Особи с одной псевдоподией перемещаются быстрее (4,6 мкм/с), чем имеющие много псевдоподий (2,1 мкм/с).

В процессе питания амебы, которые перемещаются с помощью  небольших псевдоподий (например, A. proteus), образуют подобие чашечек, состоящих из латеральных и дорсальных псевдоподий, обволакивающих пищевые частицы, которые и сами могут быть подвижными. Псевдоподии чашечки смыкаются, и пищевая частица оказывается заключенной в пищеварительную вакуоль. У амеб с одной широкой псевдоподией, пища, по-видимому, прилипает к плазмалемме. Ретикулоподии и аксоподии также имеют липкую поверхность, и пищевые частицы прилипают к ней.

Эндоплазма течет как  бы по каналам менаду островками эктоплазмы. Отдельные гранулы миксомицета Physarum polycephalum, находящиеся друг от друга  лишь в нескольких микронах, могут  перемещаться в противоположных  направлениях; поток, образующийся в данной точке, время от времени меняет направление; строгой периодичности при этом не наблюдается.

Динамика  актинового цитоскелета                                                                в образовании псевдоподий:                                                                                                                   1 Полимеризация актина.

Основным белком, входящим в состав псевдоподий, является актин. Если микро шприцем инъецировать в клетку раствор мономеров актина, помеченных флуоресцирующей краской, а затем наблюдать такую клетку в флуоресцентном микроскопе, где краска ярко светится, то можно видеть, что микрофиламенты из меченых мономеров появляются раньше всего именно в псевдоподиях. Таким образом, псевдоподии являются местом, где из мономеров полимеризуются микрофиламенты, по всему периметру клетки под плазматической мембраной актин распределяется в виде   тонкого слоя и образует кортикальный слой. Этот слой постоянно меняет свое агрегатное состояние, переходя из состояния структурированного геля в жидкий золь.

Актин неоднородный белок, в  различных клетках могут встречаться  различные его изоформы, каждая из которых кодируется своим геном. В то же время актин  в некотором смысле крайне консервативный белок, состоящий практически из одинаковых аминокислот у всех исследованных организмов, вариантными в изоформах актина являются только концевые участки, которые определяют скорость полимеризации, но не влияют на сокращение.   Такое сходство актинов, несмотря на некоторые отличия, определяет их общие свойства.

 Актин в клетках эукариот может существовать только в двух функциональных состояниях: в виде растворимых мономеров (G-актин) с молекулярной массой 42кД или в форме полимеризованных спиральных двухнитевидных филаментов (F-актин) различной длины. Двойная спираль F-актина имеет толщину 5-7 нм и шаг 38 нм. Нить длиной в один микрон будет состоять из 370 мономеров. Однако эти нити могут быть собраны в дальнейшем в целый ряд структур высшего порядка. Нити актина являются основными компонентами  по крайней мере 15 отдельных структур в клетках. Эти нити собираются  из общего пула мономеров актина, но делают это в разное время, в различных направлениях и в ответ на различные стимулы.

Мономеры актина имеют грушевидную форму, и при их полимеризации возникает спирально закрученная полярная нить с различающимися концами: заостренным (минус) и оперенным (плюс). Такие названия  появились в связи с тем, что при взаимодействии актиновых нитей с фрагментами молекулы моторного белка миозина образуется комплекс, имеющий под электронным микроскопом стреловидную форму.

Полимеризация актина происходит в две стадии. Первая стадия носит  название «нуклеация», то есть создание ядра или «затравки» из первых трех мономеров актина. Димер (комплекс двух мономеров) является еще нестабильной структурой и легко разрушается. Именно нуклеация определяет общую скорость полимеризации. Вторая стадия, удлинение нити или «элонгация» протекает легче, с большей скоростью.

Сборка (полимеризация) и  разборка (деполимеризация) актиновых  филаментов осуществляются путем присоединения  и отделения мономеров на концах филамента. В процессе сборки филамент растет на одном из концов быстрее, чем на другом; такое различие в скоростях роста противоположных концов обусловлено тем, что каждая субъединица, присоединяясь к полимеру, изменяет свою конформацию. Это конформационное изменение влияет на присоединение субъединицы преимущественно на одном из концов (Рис. 2).

 

 

 

 

Рис. 2

 

Каждая молекула актина несет  прочно связанную молекулу АТФ. Вскоре после коформационного изменения субъединицы актина при ее присоединении к полимеру этот АТФ гидролизуется до АДФ, который остается прочно связанным с актином.

Гидролиз происходит в  две стадии: быстрое отщепление неорганического  фосфата от АТФ с последующим  более медленным его выбросом из центральной впадины актиновой  глобулы. Таким образом, мономеры актина, расположенные в различных участках филамента, содержат в своем составе  либо АТФ, либо АДФ-Pi, либо только АДФ. Прочность контакта соседних мономеров зависит от того, какой нуклеотид находится в активном центре актина. Так, быстрый гидролиз АТФ ведёт к формированию стабильного филамента со связанным АДФ-Pi, а выброс неорганического фосфата дестабилизирует филамент. Следствием этого является разница критических концентраций актина на двух концах актинового филамента: критическая концентрация на плюс-конце меньше, чем на минус конце.

Отсюда становится возможным  достижение такого состояния, при котором  присоединение мономеров к филаменту происходит в основном на плюс-конце, а их отделение на минус-конце. В стационарном состоянии скорости этих двух процессов равны; таким образом, хотя общая длина полимера не изменяется, молекулы актина непрерывно перемещаются от минус-конца к плюс-концу. Описанный процесс называется тредмиллингом (Рис.3).

 

 

 

Рис.3: Полярная нить актина и круговорот  мономеров при поляризации актина.  Рост нити происходит за счет активного присоединения мономеров к плюс-концу нити и их более медленной диссоциации с минус-конца.

 

Полимеризация актина in vitro обычно инициируется добавлением нейтральных солей. Эффективность катионов при полимеризации усиливается в ряду Rb+  - K+ - Na+ - Li+ - Mg++ - Ca++. Высокие концентрации анионов (например, CNS- или I-) вызывают деполимеризацию актина. Полимеризация происходит также при понижении рН или в присутствии поликатионов, таких как полилизин или спермин и спермидин. Все эти данные указывают на то, что для полимеризации необходима нейтрализация отрицательного заряда молекулы актина.

Однако ряд фактов противоречит "электростатической" теории полимеризации. Так, миллимолярные концентрации Са++ стимулируют полимеризацию, в то время как микромолярные ее ингибируют. При низкой (недостаточной для  полимеризации) концентрации нейтральных солей полимеризация актина индуцируется введением этанола, глицерина, полиэтиленгликоля и его производных. По-видимому, для полимеризации существенно определенное конформационное состояние мономера, которое может быть индуцировано нейтрализацией заряда молекулы или с помощью других воздействий. Полимеризация начинается при концентрации актина выше критической и сопровождается гидролизом АТФ. Реакция повторно обратима изменением концентрации соли, однако ресинтез АТФ при деполимеризации не наблюдается.