• Микротрубочки представляют собой полые полимеры гетеродимеров тубулина и обладают полой структурой
• Микротрубочка образована из 13 линейных цепей субъединиц, которые называются протофиламентами и связаны между собой латерально
• Наличие латеральных связей между протофиламентами стабилизирует микротрубочки и ограничивает добавление и удаление субъединиц к концам микротрубочек
• Микротрубочки представляют собой поляризованные полимеры. Их плюс-концы заканчиваются b-тубулином и собираются быстрее. Минус-концы содержат а-тубулин. и они собираются медленнее
Основной структурной единицей микротрубочек является белок тубулин. Он представляет собой гетеродимер, состоящий из двух близких белков, а- и b-тубулина. Эти белки обладают на 40% одинаковой первичной структурой и никогда не обнаруживаются поодиночке. Во всех случаях одна молекула а-тубулина и одна b-тубулина связаны вместе, образуя 100 кДа гетеродимер.
Этот гетеродимер обычно для простоты называется «тубулин», чтобы подчеркнуть факт, что он всегда функционирует как единое целое. Поскольку а- и р-тубулин имеют круглую форму, их гетеродимер похож на плод арахиса. Эта структура исследована при атомном разрешении: а- и b-тубулин имеют близкое строение и в димере расположены «линейно» так, что передняя часть молекулы одного примыкает к задней части молекулы другого.
Каждая молекула а- и b-тубулина связывает молекулу ГТФ. Строение гетеродимера тубулина показывает, что ГТФ, связанный с а-тубулином, расположен поблизости от места его контакта с b-тубулином. Этот ГТФ никогда не гидролизуется и не обменивается с нуклеотидами, находящимися в растворе. Напротив, ГТФ, связанный с р-тубулином, оказывается открытым с другой стороны гетеродимера и может обмениваться с нуклеотидами, находящимися в растворе.
При сборке микротрубочек ГТФ гидролизуется до ГДФ. Этот гидролиз приводит к изменению конформации гетеродимера тубулина, что играет важную роль в динамических превращениях микротрубочек.
Трехмерная структура гетеродимера тубулина, основного строительного блока микротрубочек.
Золотистым и медно-красным цветом выделены полипептидные цепи, составляюшие две белковые субъединицы,
а зеленым цветом — две молекулы ГТФ, связанные с каждым гетеродимером.
Можно видеть сходство структур двух субъединиц и их расположение в комплексе как «голова к хвосту».
В самом низу схематически представлен димер тубулина.
Микротрубочки представляют собой белковые полимеры, состоящие из тысяч тубулиновых субъединиц, организованных в полые структуры. Обычно микротрубочка состоит из 13 линейных цепей субъединиц, расположенных по длине параллельно; каждая цепь носит название протофиламент.
Эти протофиламенты, показанные на рисунке ниже, соединяются по бокам, образуя микротрубочку. Хотя возможно образование микротрубочки из 11-15 протофиламентов, большая их часть, присутствующая в клетках, образована из 13 протофиламентов. Такая микротрубочка имеет диаметр 25 нм, т. е. в пять раз превышающий толщину ее стенки.
Гетеродимеры тубулина связаны по типу «голова к хвосту» вдоль длины каждого протофиламента. В большинстве примыкающих протофиламентов а-тубулины располагаются ближе к другим а-тубулинам и b-тубулины к другим b-тубулинам. Поскольку примыкающие протофиламенты по отношению друг к другу выровнены не строго, то наблюдается некоторая прерывистость или шов, в котором а-тубулины одного протофиламента примыкают к b-тубулинам следующего. Возможно, что этот шов играет важную роль в сборке микротрубочек.
Каждый гетеродимер тубулина в микротрубочке образует прочные нековалентные связи с соседними гетеродимерами. Как схематически изображено на рисунке ниже, эти нековалентные связи возникают в продольном и латеральном направлениях между димерами в протофиламенте. Одна продольная связь оказывается сильнее, чем одна латеральная связь, но наличие многочисленных латеральных связей делает полимер прочным. Легко продемонстрировать, почему это так.
Субъединицы в отдельном протофиламенте соединены только продольными связями. Все связи обладают одинаковой прочностью, так что они характеризуются равной вероятностью разрыва. Это делает один протофиламент способным к фрагментации. В микротрубочке субъединицы в середине полимера также образуют латеральные связи с субъединицами в примыкающих протофиламентах. Для разрыва микротрубочки необходимо, чтобы у всех 13 протофиламентов одновременно в одном и том же месте разорвались продольные связи. Это крайне маловероятное событие, и поэтому микротрубочки рвутся крайне редко.
Наличие латеральных связей между субъединицами также делает маловероятным диссоциацию димеров тубулина в середине микротрубочки, поскольку высвобождение димера в этом случае требует одновременного разрыва нескольких связей.
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.
Вместо этого субъединицы добавляются только к концам филаментов, и там же происходит их диссоциация. В этих местах каждая субъединица присоединена к остатку микротрубочки несколькими связями.
Очищенные препараты гетеродимеров тубулина способны спонтанно образовывать боковые и продольные связи, приводящие к образованию микротрубочек. Поэтому сборка микротрубочек представляет собой процесс самосборки, при котором вся информация, необходимая для построения окончательной структуры, содержится в субъединицах. Примерами процессов самосборки является также полимеризация актиновых филаментов и сборка капсид некоторых вирусов.
Характер расположения субъединиц в микротрубочке обусловливает различия структуры ее концов. В каждом протофиламенте все гетеродимеры тубулина ориентированы одинаково, и в пределах микротрубочки все протофиламенты направлены также одинаково. Таким образом, кэп b-тубулина открыт с одной стороны микротрубочки (который называется плюс-конец), в то время как а-тубулин открыт с другого конца (минус-конец). Такая организация придает микротрубочке два очень важных свойства.
Во-первых, два ее конца становятся структурно различными и ведут себя по-разному. Как мы увидим, клетки часто используют это свойство, например регулируя независимую сборку с двух концов микротрубочки. Во-вторых, каждая микротрубочка представляет собой полярную структуру (т. е. обладает внутренней двунаправленностью), и ее можно рассматривать как направленную определенным образом. Это полярность характерна для всей микротрубочки, а не только для ее концов. Стоит лишь посмотреть на поверхность микротрубочки в любой точке, даже расположенной в середине, и можно определить направление плюс- и минус-концов.
Полярность микротрубочек позволяет им выполнять функцию двунаправленных путей для белковых молекулярных моторов и существенна для выполнения их роли во внутриклеточной организации.
Рисунок ниже иллюстрирует организацию микротрубочек в соответствии с их полярностью. Например, в фибробластах и других клетках с радиальным расположением микротрубочек они организованы так, что их минус-концы направлены к центру клетки, а плюс — к ее периферии. В эпителиальных клетках микротрубочки расположены параллельно друг другу, и идут сверху вниз, причем плюс-концы находятся внизу, а минус — наверху.
Аналогичным образом, все микротрубочки в аксоне ориентированы в одном и том же направлении. Для каждого типа клеток полярность расположения микротрубочек существенна для поддержания их структуры и функционирования.
Гетеродимеры тубулина образуют продольные связи (по длине протофиламента) и боковые связи (между субъединицами в примыкающих протофиламентах).
Одиночные протофиламенты склонны к диссоциации, поскольку все связи обладают одной и той же прочностью и разрываются с равной вероятностью.
Наличие боковых связей в микротрубочке делает маловероятным разрыв полимера в середине.
Субъединицы добавляются или диссоциируют только на концах микротрубочек, где каждая удерживается меньшим количеством связей, чем в середине.
Для простоты показаны только три протофиламента.
В каждом из трех типов клеток все микротрубочки имеют одинаковую полярность.
Это позволяет использовать полярность микротрубочки как чувствительный индикатор направления в цитоплазме.
Например, в эпителиальной клетке направление от «+» к «-» означает «вверх».
Форма клетки и ее способность различать специализированные области на поверхности или внутри зависят от полярности микротрубочек.
