• На концах растущих микротрубочек образуются кэпы, состоящие из ГТФ-тубулина. Это объясняется тем, что ГТФ, связанный с b-тубулином, гидролизуется до ГДФ вскоре после присоединения субъединицы к микротрубочке
• Основная масса микротрубочек состоит из ГДФ-тубулина
• Гидролиз ГТФ связан со структурными изменениями димеров тубулина
• ГТФ-тубулиновые комплексы образуют линейные протофиламенты, которые поддерживают контакты с субъединицами в соседних протофиламентах и дают им возможность расти
• ГДФ-тубулиновые комплексы диссоциируют от микротрубочек при разрыве боковых связей с соседними субъединицами, что приводит к постепенной деградации протофиламентов
Динамическая нестабильность определяется способностью тубулина связываться с ГТФ и осуществлять его гидролиз. Сборка и разборка микротрубочек, обусловленные динамической нестабильностью, представляют собой неравновесный процесс, требующий энергетических затрат. Энергия обеспечивается гидролизом ГТФ.
По мере того как гетеродимеры тубулина включаются в микротрубочку, b-тубулин начинает гидролизовать связанный ГТФ до ГДФ. Гидролиз происходит не сразу, и между процессом полимеризации и его началом существует небольшой лаг-период. Таким образом, сердцевина растущей микротрубочки состоит из ГДФ-тубулиновых субъединиц, а на концах находятся ГТФ-тубулиновые кэпы.
Кэпы на концах микротрубочек регулируют динамическую нестабильность и определяют, будет они расти или укорачиваться. Укорачивающиеся микротрубочки теряют кэпы, и на их концах обнажаются ГДФ-тубулиновые субъединицы. Скорость диссоциации микротрубочек зависит от того, связаны ли с их концевыми субъединицами ГТФ или ГДФ.
Концевые ГДФ-тубулиновые субъединицы диссоциируют примерно в 50 раз быстрее, чем ГТФ-тубулин. Поэтому наличие на концах микротрубочек ГДФ-тубулина приводит к их быстрой деполимеризации. Таким образом, катастрофа является результатом потери ГТФ-кэпа растущей микротрубочкой, а для спасения укорачивающейся микротрубочки требуется восстановление ее концевого ГТФ-кэпа.
Присутствие ГТФ- или ГДФ-тубулинов на концах микротрубочек регулирует скорость их роста и диссоциации за счет изменения этих концевых структур. Исследования показали, что ГТФ-тубулин образует линейные протофиламенты. Однако ГДФ-тубулин более устойчив, поскольку закрученные протофиламенты очень напоминают присутствующие на концах диссоциирующих микротрубочек, как показано на рисунке ниже.
Поэтому присутствие или отсутствие на концах микротрубочек ГТФ или ГДФ определяет их структуру, а от нее зависит, будет ли трубочка расти или укорачиваться. Кэп, состоящий из ГТФ-тубулина, обеспечивает линейность протофиламентов и предотвращает релаксацию ГДФ-тубулина, расположенного в середине микротрубочки, из его нормального закрученного состояния.
Схематическое изображение событий, происходящих на концах микротрубочек.
ГТФ, связанный с b-тубулином, гидролизуется сразу после присоединения димера тубулина к микротрубочке.
При этом на растущем конце создается небольшой кэп из субъединиц, связанных с ГТФ.
Микротрубочка растет все время, пока на конце ее присутствует кэп. Однако если на конце обнажаются субъединицы, связанные с ГДФ,
то микротрубочка начинает очень быстро разбираться. Если в этот момент присоединяются субъединицы ГТФ, то это приводит к ее спасению.
Деполимеризация происходит достаточно быстро, а спасение представляет собой редкий процесс,
и поэтому большая часть микротрубочек деполимеризуются до наступления момента спасения.
Даже если на конце микротрубочки обнажится ГДФ-тубулиновый кор, то разрываются боковые связи с соседними субъединицами, и протофиламенты закручиваются наружу своими внутренними поверхностями. Эти закрученные протофиламенты разрываются случайным образом, и образующиеся фрагменты деполимеризуются, образуя индивидуальные субъединицы.
Каким образом образуется ГТФ-кэп и как он удаляется с конца микротрубочки? Пока мы точно не знаем его размеры, но очевидно, что кэп относительно невелик (менее 200 субъединиц) и, вероятно, в глубину не превышает размера одного слоя субъединиц.
Наличие кэпа предполагает, что вскоре после включения тубулина в полимер происходит гидролиз ГТФ, однако не раньше, чем другая молекула тубулина включится в тот же протофиламент.
Возможно, что это определяется структурой тубулина и сайтом связывания ГТФ. На плюс-концах микротрубочек открывается ГТФ, связанный с b-тубулином. Рисунок ниже показывает, что, когда к концу добавляется новый гетеродимер тубулина, его a-компонент начинает контактировать с ГТФ. Считается, что это приводит к гидролизу.
Такой механизм предполагает, что ГТФ-кэп всегда располагается на глубину одной субъединицы, поскольку добавление каждого нового гетеродимера стимулирует гидролиз в расположенной ниже структурной единице микротрубочки.
Если все происходит таким образом, то как отщепляется ГТФ-кэп? Возможно, что происходит диссоциация концевых ГТФ-содержащих субъединиц. Нельзя также исключить спонтанный гидролиз ГТФ на концевых субъединицах.
Однако он происходит гораздо медленнее, чем при стимуляции процесса после присоединения очередного тубулинового димера. Пока неизвестно, сколько должно обнажиться про-тофиламентов, содержащих ГДФ-кэпы, прежде чем начнет укорачиваться вся концевая структура.
Каким образом диссоциирующая микротрубочка, протофиламенты которой закручиваются наружу, снова начинает расти (т. е. переходит в фазу спасения)? Вероятно, ГТФ-тубулиновые субъединицы добавляются к концам протофиламентов даже во время скручивания, при их укорачивании.
Однако добавление ГТФ-тубулина к разрушающемуся протофиламенту не приводит к стабилизации концов микротрубочек, потому что при этом не могут образовываться боковые связи с соседними протофиламентами.
При спасении, по-видимому, необходимо, чтобы некоторые из отщепляющихся протофиламентов разрушались у стенки микротрубочки, тем самым давая возможность части ГТФ-тубулинов образовывать друг с другом боковые связи и стабилизировать ее конец.
Молекулярные модели, описывающие катастрофу и спасение микротрубочек, позволяют предполагать, что эти события носят маловероятный характер. Так и есть на самом деле.
По сравнению с добавлением и отщеплением субъединиц от концов микротрубочек, катастрофы и спасения представляют собой редкие события. Например, в фибробластах, при диссоциации микротрубочек, прежде чем наступит спасение, должны удалиться примерно 11 000 субъединиц.
Редкая частота наступления катастроф и спасений часто позволяет циклам полимеризации и деполимеризации осуществляться на значительной части длины микротрубочки, что иногда приводит к полной ее деполимеризации.
Как будет показано, способность микротрубочек постоянно расти или диссоциировать затрагивает большие расстояния и существенна для выполнения роли, которую они играют в клетке.
ГТФ-кэп на конце микротрубочки определяет прямолинейное расположение протофиламентов, связанных с ГДФ и составляющих тело микротрубочки.
Как только ГТФ-кэп утрачивается, протофиламенты изгибаются, приобретая более стабильную для них конформацию.
По мере скручивания протофиламенты отделяются друг от друга и становятся более подверженными деградации.
Наверху показаны нуклеотиды, связанные с каждой b-субъединицей.
Для простоты на трех нижних рисунках представлены только нуклеотиды, связанные с субъединицей, расположенной на конце каждого протофиламента.
Возможный механизм образования ГТФ-кэпа на конце микротрубочки.
Поскольку связанный с b-тубулином ГТФ расположен на конце гетеродимера, он обнажается на конце протофиламента.
а-тубулин присоединяющегося димера контактирует с ГТФ и вызывает его гидролиз.
По этому механизму поддерживается ГТФ-кэп только на одном слое субъединиц.
