• Если бы микротрубочки были равновесными полимерами, они бы деполимеризовались крайне медленно и не могли бы легко перестраиваться
• При сборке тубулиновые димеры гидролизуют ГТФ; это делает микротрубочки неравновесным полимером, способным к быстрой деполимеризации
Микротрубочки не являются равновесными полимерами, поскольку после полимеризации тубулиновые субъединицы гидролизуют ГТФ. Для сборки микротрубочек гидролиз ГТФ не требуется; наоборот, он облегчает их разборку.
Представим себе, насколько было бы трудно для клетки разобрать микротрубочки, если бы они представляли собой равновесные полимеры В этом случае присоединение и диссоциация субъединиц на концах микротрубочек представляли бы собой простой равновесный процесс. Напомним, что скорость полимеризации микротрубочки описывает уравнение:
dP/dt = кon [tubulin] - koff
В равновесии скорость образования полимера равняется нулю, и как следует из уравнения:
[tubulin] = Сс = koff/kon
Микротрубочка может расти или терять субъединицы (т. е. удлиняться или укорачиваться) лишь в том случае, если меняется концентрация свободных субъединиц. Особенно показательно рассмотреть, что необходимо для деполимеризации микротрубочек, так как это как раз нужно для внутриклеточной перестройки. Максимальная скорость разборки наблюдалась бы при снижении до нуля концентрации тубулиновых субъединиц.
Можно рассчитать, сколько времени заняла бы деполимеризация микротрубочки, считая, что отщепляется 15 димеров в с (имеется в виду отщепление ГТФ-тубулина), а 1624 димера тубулина составляют один микрон длины микротрубочки. С учетом этих величин, для деполимеризации микротрубочки длиной 100 мкм (как в интерфазной клетке) необходимо было бы три часа. Однако при подготовке к митозу клетки полностью деполимеризуют интерфазные микротрубочки в течение нескольких минут.
Если бы отщепление происходило быстрее, то и разборка проходила бы быстро, но вместе с тем было бы труднее сразу получить готовые микротрубочки, поскольку более высокая скорость отщепления требует и более высокой критической концентрации субъединиц. Для того чтобы гипотетическая равновесная деполимеризация микротрубочек проходила с такой же скоростью, как в клетке, скорость отщепления в уравнении должна быть 540 димеров в с. При такой высокой скорости критическая концентрация должна существенно увеличиться.
Используя для скорости отщепления приведенные выше значения, критическая концентрация увеличится примерно в 36 раз, до 250 мкМ. Таким образом, она в 10 раз превысит внутриклеточную концентрацию тубулина, и приблизится к внутриклеточной концентрации АТФ (примерно 1 мМ). Получается, что клетка ничего не будет содержать, кроме тубулина!
Таким образом, если бы микротрубочки были равновесными полимерами, они могли бы находиться в клетке, но существовали бы большие трудности с их разборкой при перестройке. Поскольку разборка требует изменения состояния равновесия между микротрубочками и свободными тубулиновыми субъединицами, единственный способ, посредством которого клетка могла бы разобрать микротрубочки, заключался бы в разрушении большей части тубулина! В результате этого возникли бы большие трудности в адаптации формы клетки к изменению окружения. Клетка стала бы инертной и неспособной к быстрой адаптации.
Этих трудностей удается избежать, поскольку после сборки тубулин гидролизует ГТФ, что превращает микротрубочки в неравновесные полимеры. В отличие от равновесного полимера, неравновесная микротрубочка способна к быстрой сборке и разборке, которые происходят при одной и той же концентрации тубулина. Это связано с тем, что процессы присоединения и отщепления субъединиц на конце микротрубочки уже не представляют собой одну обратимую реакцию, как это имеет место при простом равновесном связывании.
В данном случае присоединяется одна форма (ГТФ-тубулин), а отщепляется другая (ГДФ-тубулин). Высвобождение энергии, происходящее между двумя реакциями при гидролизе ГТФ, означает, что константы скорости процессов присоединения и диссоциации не зависят друг от друга. Иными словами, каждый процесс может выполнять ту функцию, которая в данный момент удобна для клетки. В ходе эволюции константа скорости процесса отщепления субъединиц стала очень высокой. Таким образом, клетка может быстро разрушать трубочки, не меняя концентрации тубулина, что способствует ее быстрой перестройке и адаптируемости.
Строение небольшого участка микротрубочки.
В протофиламенте отдельные гетеродимеры тубулина расположены друг за другом,
а сами протофиламенты связаны между собой боковыми связями, образуя полую трубочку.
Все гетеродимеры ориентированы одинаковым образом — с одного конца микротрубочки расположены b-субъединицы, а с другого — а-субъединицы.
В верхней части рисунка представлена электронная микрофотография микротрубочки, полимеризованной из очищенного тубулина.
