Промежуточные филаменты: строение и функции

Промежуточные филаменты - третий главный компонент цитоскелета. Они не прокладывают полярные «рельсы» для моторов и не сокращают клетку: их основная роль - сделать клетку и ткань стойкими к растяжению, сжатию и сдвигу. Название описывает диаметр: около $10$ нм, то есть между актиновыми микрофиламентами ($\sim7$ нм) и микротрубочками ($\sim25$ нм). Но важнее не размер, а канатная архитектура и то, что каждая ткань выбирает свой набор белков.

Где промежуточные филаменты находятся среди трёх систем

Цитоскелет - не единая сеть из одинаковых нитей. Актин особенно важен у мембраны и при изменении формы; микротрубочки помогают организовать внутреннее пространство и транспорт; промежуточные филаменты распределяют механическую нагрузку по клетке и между клетками. Плазматическая мембрана задаёт границу клетки, а филаменты связывают эту границу с внутренними структурами; базовый план мембраны можно повторить в статье о строении плазматической мембраны.

Слово «промежуточные» не означает второстепенные. В эпидермисе и мышце именно эта система не даёт клеткам разрушаться при обычной нагрузке. С составом тканей и специализацией клеток полезно сопоставить статью о типах тканей животных.

Как из белков получается клеточный канат

У большинства белков промежуточных филаментов есть центральный стержневой участок из $α$-спиралей и более изменчивые головной и хвостовой концы. Две цепи закручиваются параллельно в coiled-coil-димер. Затем два димера соединяются со сдвигом в противоположных направлениях: получается тетрамер. Из тетрамеров формируются протофиламенты и более толстый гибкий филамент, похожий на канат.

Рассчитать для своей задачи

Антипараллельное расположение димеров в тетрамере - ключ к различию с актином и микротрубочками. Концы готовой нити равнозначны: у неё нет плюс- и минус-конца. Поэтому по ней не направляются кинезины и динеины; особенности этих моторов разобраны отдельно в статье о динеине и кинезине. Сборка не является циклом полимеризации, питаемым гидролизом АТФ или ГТФ. Это не означает неподвижность: фосфорилирование способно ослаблять контакты между субъединицами и перестраивать сеть, особенно при делении клетки.

Какие белки образуют филаменты

Семейство промежуточных филаментов велико, но учебная логика проста: белок указывает на тип клетки и на участок, который нужно укрепить.

• Кератины I и II работают в эпителиальных клетках. Кератины типа I - кислые, типа II - нейтральные или основные; один филамент требует пару представителей обоих типов. В волосах и ногтях кератины образуют особенно прочные структуры.
• Виментин характерен для клеток мезенхимного происхождения, например фибробластов. Его часто используют как маркер в иммуногистохимии, но маркер сам по себе не заменяет диагноз.
• Десмин связывает сократительный аппарат мышечной клетки с её каркасом, особенно вокруг Z-дисков. Так сила многих саркомеров согласуется на уровне клетки.
• Нейрофиламенты поддерживают длинные отростки нейронов и влияют на их калибр. Не следует смешивать их с микротрубочками аксона: это разные сети.
• Ламины образуют ядерную ламину под внутренней мембраной ядра. Это ядерное подсемейство, а не цитоплазматические нити; ламины участвуют в механической устойчивости ядра и организации хроматина.

Общий принцип сборки связан с третичной и вторичной организацией белка: $α$-спираль и взаимодействия боковых цепей создают форму, пригодную для ассоциации. Полезный фон для этого - типы связей третичной структуры белка.

Почему они выдерживают растяжение

Филаментная сеть не просто лежит в цитоплазме. Она тянется от области вокруг ядра к клеточной периферии, объединяется в пучки и соединяется с белками-линкерами. При растяжении отдельные участки структуры могут распрямляться, а нагрузка распределяется между множеством нитей. Такая сеть более податлива, чем жёсткая балка, но не рвётся сразу.

В эпителии особенно важны десмосомы - точечные контакты между соседними клетками. Их внутриклеточные бляшки соединяются с кератиновыми филаментами обеих клеток. Гемидесмосомы выполняют сходную задачу на базальной стороне: через них кератины прикрепляют клетку к базальной мембране. Не путайте десмосому с плотным контактом: первый прежде всего передаёт механическую нагрузку, а второй ограничивает парацеллюлярный путь. Это сравнение подробно есть в статье о плотных контактах и клаудинах.

Рассчитать для своей задачи

Ламины: каркас не только цитоплазмы

Ядерная ламина лежит у внутренней ядерной мембраны и состоит главным образом из ламинов A/C и B. Она поддерживает форму ядра, связывается с мембранными белками и участвует в пространственной организации генома. Во время митоза фосфорилирование ламинов вызывает разборку ламина, что помогает ядерной оболочке распасться; затем сеть собирается вновь. Это частный пример того, что промежуточные филаменты устойчивы, но регулируемы.

Не стоит переносить свойства ламинов на все филаменты буквально: у них есть особенности последовательности и расположения. На экзамене надёжнее отвечать в два шага: сначала назвать общий принцип «фибриллярный белок - димер - антипараллельный тетрамер - неполярная сеть», затем уточнить, находится ли данное семейство в цитоплазме или в ядре.

Как эту сеть видят в лаборатории

Отдельный филамент слишком тонок для обычного светового микроскопа, поэтому в учебных препаратах обычно видна не одна нить, а вся сеть. К клеткам добавляют антитело к выбранному белку, например к виментину или к кератину, и метку, светящуюся в флуоресцентном микроскопе. Получается характерный рисунок: волокна окружают ядро и расходятся к периферии клетки. Для ультраструктуры применяют электронную микроскопию.

Важно отличать метод от вывода. Окраска на виментин показывает присутствие белка в исследованном материале, но не сообщает сама по себе причину болезни и не определяет происхождение любой клетки без других маркеров. В задачах по гистологии достаточно связать антитело с объектом: антитело к кератину подчёркивает сеть эпителиальных клеток, к десмину - мышечную, к нейрофиламентам - отростки нейронов. Затем обязательно объясните, какую механическую функцию имеет найденная сеть.

Сеть можно наблюдать и в динамике: после механического воздействия или при миграции клетки волокна меняют расположение, объединяются в пучки и снова расходятся. При этом термин «динамичная» не надо понимать как быстрый рост с одного полярного конца. Для промежуточных филаментов характерна перестройка через обмен субъединицами, разрыв и соединение участков, а также регуляция модификациями белков. Такой нюанс помогает не свести весь цитоскелет к одной модели поведения.

Что происходит при нарушении сети

Связь между строением и болезнью здесь наглядна, но диагноз по одному слову «кератин» ставить нельзя. При некоторых вариантах простого буллёзного эпидермолиза изменения в генах KRT5 или KRT14 нарушают прочную кератиновую сеть базального слоя эпидермиса. Клетки становятся менее устойчивыми к трению, поэтому легко образуются пузыри. Это пример дефекта собственного каркаса клетки.

Другой круг состояний называют ламинопатиями: патогенные варианты LMNA могут быть связаны, в частности, с мышечной дистрофией Эмери - Дрейфуса, поражающей скелетные мышцы и сердце. Один и тот же ген не означает один клинический сценарий, поэтому клинические вопросы требует решать с врачом и генетическим консультированием, а не по учебной схеме.

Как распознать филамент в задаче

Ищите не только название белка, но и контекст. «Эпидермис, пузыри, кератин» указывает на филаменты эпителия. «Z-диск, мышца, десмин» - на мышечный каркас. «Длинный аксон, диаметр отростка» - на нейрофиламенты. «Внутренняя ядерная мембрана, ламины» - на ядерную ламину. А слова «плюс-конец», «ГТФ-тубулин» или «молекулярный мотор» относятся к другой системе цитоскелета.

Частые ошибки

• Приписывать филаментам полярность. Антипараллельный тетрамер делает нить неполярной.
• Искать для их сборки АТФ или ГТФ. Эти нуклеотиды не служат обязательным топливом сборки промежуточных филаментов.
• Называть все филаменты кератином. Кератины характерны для эпителия; виментин, десмин, нейрофиламенты и ламины - другие семейства.
• Путать десмосому с гемидесмосомой. Десмосома соединяет две клетки, гемидесмосома связывает клетку с базальной мембраной.

FAQ

Почему у промежуточных филаментов нет направленного транспорта?

Потому что их основная субъединица - антипараллельный тетрамер, а нить не имеет различимых концов. Моторным белкам не по чему выбрать направление.

Все ли клетки содержат виментин?

Нет. Набор филаментов зависит от типа и состояния клетки. Виментин типичен для многих мезенхимных клеток, а эпителиальные клетки обычно богаты кератинами.

Ламины - это цитоскелет?

Ламины входят в семейство белков промежуточных филаментов, но образуют сеть на внутренней стороне ядерной оболочки. Поэтому их разумно выделять как ядерный каркас.

Коротко

Промежуточные филаменты - неполярные нити диаметром около $10$ нм, собранные через $α$-спиральные димеры и антипараллельные тетрамеры. Кератины укрепляют эпителий и его контакты, десмин - мышцу, нейрофиламенты - нейроны, виментин - многие мезенхимные клетки, а ламины - ядро. Их задача - не транспорт, а механическая надёжность клетки и ткани.