Co se podílí na vzniku vřetena? Mikrotubuly, tvorba vřeténka a metafáze Vznik vřeténka začíná v.

metafázový buněčný protinádorový mikrotubul

Mikrotubuly

Během mitózy v buňce funguje molekulární stroj zvaný mitotické vřeténka (obr. 1). Jeho úkolem je distribuovat chromozomy do dceřiných buněk. Vřeténo se skládá ze dvou centrosomů, nazývaných buněčná centra, a mikrotubulů.

Obrázek 1 - Schéma vřeténka: 1 - chromozomy; 2 -- vřetenové póly, centrozomy; 3 -- interpolární mikrotubuly; 4 -- kinetochorové mikrotubuly; 5 -- astrální mikrotubuly

Mikrotubuly jsou pólové, kinetochorové a astrální. Polární jsou zodpovědné za separaci centrosomů, kinetochory se připojují k chromozomům a pohybují jimi a astrální se připojují k vnitřnímu povrchu buňky a fixují dělicí póly. Mikrotubuly jsou zodpovědné za pohyb chromozomů. Podívejme se na jejich strukturu podrobněji.

Každý mikrotubul je dutý válec s vnějším průměrem 25 nm, vnitřním průměrem 15 nm a délkou až několik mikrometrů. Jejich hlavní složkou je tubulin. V buňce je ve formě dimeru sestávajícího ze dvou forem - α- a β-tubulinu. Molekuly tubulinu, stojící na sobě, tvoří protofilamenta a 13 protofilament, spojených svými stranami, tvoří mikrotubul (to neznamená, že když se vytvoří mikrotubul, nejprve se vytvoří protofilamenta, která jsou pak spojena svými stranami) (Obr. 2, A).

Obrázek 2 - Struktura a dynamika mikrotubulů: A. Tubulinový dimer je součástí protofilamentu v mikrotubulu. B. Elektronové mikrofotografie a konvenční snímky konců rostoucího a depolymerujícího mikrotubulu

Mikrotubul může polymerovat, tj. růst, když se na něj navážou jednotlivé dimery, připojí se reverzibilně. Za normálních podmínek tento proces probíhá nepřetržitě, pokud je v roztoku mnoho tubulinu; v důsledku toho trubice i přes odpojení postupně roste.

Průměrná rychlost růstu mikrotubulů závisí na koncentraci tubulinu v roztoku. Díky polaritě molekuly tubulinu je samotný mikrotubul polární: konec končící a-tubulinem polymeruje rychleji a nazývá se plusový konec, druhý konec končí a-tubulinem a nazývá se mínusový konec; Mínusový konec je připojen k buněčnému středu a plusový konec je připojen k chromozomu.

Polymerovat může pouze tubulin navázaný na molekulu guanosintrifosfátu (GTP). V mikrotubulu se však GTP postupně hydrolyzuje na guanosindifosfát (GDP). Proto, zatímco téměř celý mikrotubul se skládá z GDP-tubulinu, na plusovém konci je „čepice“ GTP-tubulinu. Jelikož se energie uvolňuje během hydrolýzy a přirozeným stavem GDP-tubulinu je zakřivené protofilamento, nepřítomnost takového „kloboučku“ by vedla mikrotubul ke katastrofické depolymerizaci („prasknutí“ mikrotubulu) (obr. 2, B). Experimenty ukazují, že stabilita mikrotubulů vyžaduje alespoň dvě vrstvy GTP tubulinu.

Již nějakou dobu je známo, že za laboratorních podmínek může depolymerizace mikrotubulů přinést práci (Coue et al., 1991). V té době však ještě nebylo možné zcela vyloučit vliv motorů závislých na ATP na pohyb chromozomů.

Aby se otestovalo, zda samotná depolymerizace tubulinu může produkovat dostatečnou mechanickou práci k pohybu chromozomů, byly v dobře prozkoumané kvasinkové buňce, která měla známý genom a tři motorické proteiny, které mohly pohybovat chromozomy, odstraněny všechny geny odpovědné za tyto proteiny. Všechny takové buňky se ukázaly jako životaschopné a schopné dělení, které však probíhalo pomaleji a s velkým množstvím chyb. Bylo tedy prokázáno, že motorické proteiny nejsou pro dělení nutné a hlavní práci na pohybu chromozomů během mitózy vykonávají mikrotubuly.

Studie in vitro měřily sílu produkovanou ohybem protofilament (Grischuk et al., 2005).

Protože jsou takové síly příliš slabé, bylo použito speciální zařízení zvané laserová pinzeta. Vytváří vysoce zaostřený laserový paprsek, čímž generuje nerovnoměrné elektromagnetické pole. Částice vstupující do takového pole mají tendenci se dostat do středu. Navíc, čím dále je částice od středu, tím větší síla na ni působí.

Obrázek 3. Experimentální návrh použitý k měření síly vyvinuté mikrotubulem.

Pro měření síly depolymerace byla na stěnu uměle vytvořeného mikrotubulu (s GTP uzávěrem na konci) připevněna kulička (obr. 3). Poté byl pomocí dalšího laseru odříznut konec mikrotubulu, načež trubice začala depolymerovat. Když ohýbané konce protofilament dosáhly perličky, došlo ke krátkému trhnutí, které bylo zaznamenáno pomocí kvadrantového detektoru (obr. 4).

Obrázek 4 - Typ přijímaných dat

Tyto experimenty potvrdily zakřivení protofilament na konci kontrahujícího se mikrotubulu a umožnily měřit sílu vyvinutou protofilamenty. Během depolymerizace vyvinou mikrotubuly síly dostatečné pro pohyb chromozomů. Naměřená síla je 30-60 pN na mikrotubul.

Mikrotubuly jsou účinné motory: přeměňují 80 – 90 % energie vynaložené na jejich vytvoření na práci, kterou je pohyb míče.

Chromozomy se oddělují prostřednictvím mitotického vřeténka

Vřeteno je symetrická bipolární struktura sestávající z mikrotubulů umístěných mezi dvěma póly. Na každém pólu je centrosom

Centrosomy se připojují k vřeténku prostřednictvím interakce jejich kinetochorů s

Vřeteno je složitá dynamická struktura, která se rychle vytvoří na začátku štěpného procesu a stejně rychle se zničí, když skončí. Vřeténo je nezbytné pro mitózu a plní dvě samostatné funkce: (1) zajišťuje separaci replikovaných chromozomů do dceřiných jader během jaderného dělení (karyokineze) a (2) řídí proces cytoplazmatického dělení (cytokineze).

Pokud zablokujete tvorba vřetena(například ošetřením buněk různými chemickými sloučeninami) chromozomy kondenzují, ale nepohybují se, jak se obvykle při mitóze stává, a proces dělení se zastaví. Vřeteno je v mnoha ohledech druh biologického motoru, který přeměňuje chemickou energii na mechanickou práci nezbytnou pro pohyb chromozomů a buněčné dělení. Funkce vřetena se odrážejí v jeho struktuře. Pro úspěšnou mitózu je nezbytná symetrická struktura se dvěma póly.

Ve skutečnosti to odráží princip páry buněčného dělení, ve kterém se jedna buňka a její replikovaná DNA rozdělí na dvě samostatné dceřiné buňky.

Vřeteno lze vidět pomocí různých metod. Hlavní strukturní prvek vřetena, mikrotubuly, jsou příliš malé na to, aby je bylo možné vidět světelným mikroskopem (tj. kvůli nedostatečnému rozlišení). Proto, ačkoliv lze často pozorovat kondenzované chromozomy v buňkách vyšších organismů pomocí běžného světelného mikroskopu, vřeténka není vidět. V mnoha případech je však možné usuzovat na přítomnost vřeténka nepřímým důkazem, protože tato struktura vytlačuje viditelné buněčné organely. V tomto případě, jak je znázorněno na obrázku níže, se prostor obsazený vřeténem jeví jako průhlednější ve srovnání s okolní cytoplazmou. Přestože se vědci zpočátku domnívali, že vřeteno bylo vyrobeno z vláken, teprve na počátku 50. let bylo vřeteno vyrobeno z vláken. tento předpoklad nebyl potvrzen přímým pozorováním.

Do této doby, zlepšení v technologii mikroskopie s polarizovaným světlem nám umožnilo vidět vřeteno v buněčných preparátech. Typická fotografie vřetena ze světelného mikroskopu je znázorněna na obrázku níže. Struktura zčernala v důsledku interakce polarizovaného světla s mikrotubuly. Během 70. let 20. století. Byla vyvinuta technika využívající fluorescenční sondy, která umožnila pozorovat složky vřetena ve třech rozměrech i v živé buňce. Tato technika umožňuje sledovat polohy jednoho nebo více specifických vřetenových proteinů během mitózy. Jedním z těchto proteinů je téměř vždy tubulin, protože zprostředkovává vizualizaci mikrotubulů.

Při pozorování pod elektronovým mikroskopem vřeteno Typická savčí buňka se skládá ze tří strukturních složek. Jak je znázorněno na obrázku níže, každá ze dvou polárních oblastí obsahuje centrosom. Tato krásná organela obsahuje pár malých, intenzivně zbarvených struktur nazývaných centrioly.

Jsou víceméně obklíčeni hustý difúzní materiál. Mezi centrozomy jsou chromozomy, což jsou ve většině buněk největší vřetenové struktury. Chromozomy jsou složeny z kompaktních, pevně stočených a vysoce bazofilních chromatinových fibril o průměru 25 nm. Každý chromozom obsahuje dvě malé struktury zvané kinetochory (z řeckého kineto - pohyblivý; chora - prostor). Kinetochory se přichytí na opačné strany jejich centromery. Mezi póly vřetena prochází hustý svazek mikrotubulů umístěných vzájemně rovnoběžně.

Na výkres Nejzřetelněji je to vidět níže. Jeden z konců vřetenových mikrotubulů se obvykle nachází na samotném pólu nebo v jeho blízkosti. Druhý se nachází v oblasti vřetena ve volném stavu nebo je spojen s kinetochory. Z každého pólu vyrůstají mikrotubuly, díky čemuž je vřeteno symetrickou strukturou tvořenou dvěma rovnoběžnými a překrývajícími se svazky mikrotubulů. Každý z těchto svazků se nazývá polovřeteno. U většiny obratlovců se polovřeteno skládá z 600–750 mikrotubulů, z nichž 30–40 % končí kinetochory.

V každé polovřeteno, spolu s hlavními mikrotubuly vystupují z každého pólu další mikrotubuly. Tyto mikrotubuly se rozprostírají ve všech směrech a vytvářejí radiální struktury zvané hvězdy (asters) a umístěné ve středu každého pólu. Stejně jako vřetenové mikrotubuly jsou všechny astrální mikrotubuly orientovány jedním koncem k pólu a druhým ke vzdálenému bodu v cytoplazmě. V mitóze mají astrální hvězdy několik funkcí. Spolu s umístěním vřeténka v buňce, které určuje rovinu cytokineze, se v anafázi B podílejí i na separaci pólů (centrosomů) při tvorbě vřeténka.

Kritická role v mitóze hrají také dva kinetochory každého chromozomu. Jejich role v pohybu chromozomů byla objevena již dávno, protože se ukázalo, že fragmenty chromozomů, které neobsahují kinetochor, nejsou schopny řízeného pohybu. Je zvláště důležité, jak jsou kinetochory umístěny vůči sobě navzájem. Protože jsou umístěny na opačných stranách centromery, čelí opačným pólům vřeténka, což umožňuje replikovaným chromozomům připojit se k oběma pólům. Přítomnost takového polohového vztahu mezi dvěma kinetochory je nezbytná pro segregaci dvou chromatid do různých jader. Během tvorby vřeténka se každý kinetochor naváže na konce mnoha mikrotubulů vycházejících z jednoho pólu a vytvoří svazek, nazývaný kinetochorový svazek, který probíhá mezi kinetochorem a pólem.

A samotné kinetochory nejsou jen transportním systémem kabelů, které umožňují pohyb chromatid směrem k pólům. S největší pravděpodobností hrají důležitější aktivní roli, nejen určují směr pohybu chromozomů, ale také generují síly nutné pro tento pohyb.

Abychom rozuměli molekulární mechanismy mitózy, je nutné odpovědět na následující zásadní otázky. Jak vzniká vřeteno a jak je zajištěna jeho bipolární struktura? Jak vznikají síly k zajištění pohybu chromozomů a jak je tento pohyb regulován? Jak je zajištěna přesnost procesu segregace chromozomů? Jak se po segregaci chromozomů oddělí cytoplazma za vzniku dvou dceřiných buněk?

/. Struktura vřetena

2. Funkce vřetena. Mechanismy pohybu nití

1. Během jaderného štěpení mezi dvěma protilehlými póly buňky, tzv vřeteno, skládající se:

Z vláken (vláken), což jsou svazky velkého počtu mikrotubulů (někdy i více než 100);

Dva centrioly, z nichž každý je umístěn na vlastním pólu s různými organizační centra:

Buď s pericentriolárním mikrotubulovým organizujícím centrem (u zvířat);

Buď s amorfní („polární čepička“ u většiny rostlin);

Buď lamelární nebo vrstvené ("vřetenová polární tělíska" u mnoha hub a některých porostů).

Další organizační centrum, kinetochore, leží na centromeře každé chromatidy. Rozlišovat následující typy vřetenových závitů:

Chromozomální (kinetochor, nebo tažné) vlákna, která se tvoří z kinetochoru a spojují jej s jedním z pólů;

Centrální vlákna vytvořená z polárních organizačních center a spojující oba póly;

Polární filamenta, která se tvoří pouze v přítomnosti centrioly v pericentriolárních organizujících centrech a končí v cytoplazmě.

2. Funkce vřetena jsou následující:

Vřeteno zajišťuje oddělení chromatid nebo chromozomů směrem k pólům. Řetězce chromozomů se zkracují a přitahují chromozomy směrem k pólům;

U zvířat se centrální vlákna obvykle prodlužují a oddalují póly od sebe. Tloušťka závitů vřetena se nemění.

Mechanismypohyby nití:

K aktivnímu skluzu vřetenových filament zjevně dochází během interakce s proteinem podobným dyneinu. Mechanismus je podobný mechanismu bičíkového pohybu;

Aktivní roli hrají mikrofilamenta, která se připojují k závitům vřeténka a s jejich pomocí vytahují chromatidy nebo chromozomy. Ve vřetenovém aparátu byla nalezena aktinová vlákna a myosin. Cytochanasin, který destabilizuje aktinová vlákna, může blokovat činnost vřeténka.

Vřeténka je komplex skládající se z mikrotubulů a přidružených motorických proteinů. Organizace mikrotubulů vykazuje vysokou úroveň polarizace

Vřetenové mikrotubuly jsou velmi dynamickou strukturou. Některé vykazují dynamickou nestabilitu, jiné se vyznačují tekutostí podjednotek

Síla potřebná pro sestavení vřetena je generována interakcí mikrotubulů s motorickými proteiny

Vzdělávání a fungování vřetena závisí na dynamických vlastnostech mikrotubulů a na práci proteinových motorů s nimi spojených. Přestože mikrotubuly tvoří hlavní strukturní prvky vřeténka, jejich organizaci a pohyb chromozomů zajišťují proteinové motory. Některé motory se přímo podílejí na sestavování vřeténka a na vázání jeho součástí do specifické struktury, jiné zajišťují přichycení chromozomů k vřetenu a generují sílu potřebnou pro jejich pohyb.

Ačkoli je vřeteno tradičně považováno za strukturu, sestávající z mikrotubulů, správnější je považovat jej za komplex mikrotubulů, proteinových motorů a dalších proteinů.

I když motory hrají zásadní roli při vytváření potřebné síly pro funkci vřetena, jsou mikrotubuly více než jen stacionární struktura, po které se pohybují. Během mitózy se mikrotubuly chovají jako vysoce dynamické struktury a tato vlastnost hraje důležitou roli při sestavování vřeténka a segregaci chromozomů.

V rámci mikrotubulová vřetena organizované podle polarity. Dva konce mikrotubulu se liší složením a strukturou. To určuje jeho strukturální „polaritu“; zdá se, že mikrotubul ukazuje jedním nebo druhým směrem. V každém půlvřetenu a hvězdě s ním spojené jsou mikrotubuly umístěny se stejnou polaritou: jejich mínusové konce jsou na pólech a jejich plusové konce jsou v určité vzdálenosti od nich.

Na křižovatce dva polarizované svazky mikrotubulů se překrývají a vytvářejí oblast ve středu vřetena, ve které mají sousední mikrotubuly opačnou polaritu. Stejná orientace mikrotubulů v každém polovřetenu je nezbytná pro normální fungování jejich motorů při dělení. Pokud by polarita mikrotubulů v každém polovičním vřetenu byla libovolná, pak by se molekuly každého typu motoru jednoduše vzájemně rušily, čímž by byl pohyb chaotický nebo prostě nemožný.

Dynamické vlastnosti mikrotubulů hrají důležitou roli ve všech fázích. Studie provedené na buněčné kultuře obratlovců a za použití extraktů z žabích vajíček Xenopus laevis ukázaly, že mikrotubuly v každém vřeténku se vyznačují dynamickou nestabilitou a jsou kratší a mnohem dynamičtější než v interfázových buňkách. Některé rozdíly lze vysvětlit zvýšením frekvence katastrof v mitóze, kdy plusové konce mikrotubulů přecházejí ze stavu růstu nebo polymerace do stavu zkrácení nebo destrukce. Částečně je to vysvětlováno i snížením frekvence záchrany, kdy se proces depolymerizace nebo zkracování mikrotubulů opět mění v proces jejich polymerace nebo růstu.

To je zisk Řečníci se vyskytuje v buňkách vstupujících do mitózy, protože proteiny spojené s mikrotubuly, které normálně zabraňují katastrofě, jsou inhibovány, zatímco jiné, které stimulují růst mikrotubulů, jsou aktivovány. Rovnováhu mezi dvěma protichůdnými procesy udržuje hlavní kináza regulující mitózu, komplex cyklin B/CDK1, který je aktivován během rozpadu jaderného obalu. Jak je diskutováno níže, zvýšená dynamika mikrotubulů v buňkách vstupujících do mitózy hraje hlavní roli při sestavování vřeténka.

Po vzdělání vřetena Začíná se objevovat další typ dynamiky mikrotubulů. V této době mikrotubuly vykazují tekutost podjednotek. Tento zajímavý jev spočívá v tom, že podjednotky tubulinu se přichytí na kladný konec mikrotubulu a poté se po něm pohybují k zápornému konci, kde se uvolňují. Jak vyplývá z obrázků níže, fluidita je charakteristická pro všechny vřetenové mikrotubuly, zvláště patrná je však u mikrotubulů filament kinetochorů. Původ tohoto jevu není zcela jasný, ale může souviset s interakcí plusových a mínusových konců vřetenových mikrotubulů s jinými složkami vřetena (například proteinové motory). I když vřetenové mikrotubuly vykazují tekutost, astrální mikrotubuly nadále vykazují dynamickou nestabilitu.

Ačkoli význam jevu fluidity není znám, může hrát roli v pohybu chromozomů a při udržování rovnováhy sil ve vřeténku tak, aby obě poloviny zůstaly symetricky uspořádány.

Existuje mnoho interakcí se systémem mikrotubulů různé typy proteinových motorů. Mitóza zahrnuje cytoplazmatický motorický dynein, který provádí transport do záporného konce, a motory skupiny kinezinů (z nichž většina se pohybuje ve směru kladného konce). Vřeteno má složitou organizaci a motory jsou tak úzce spjaty s jeho tvorbou a funkcí, že více než 15 členů rodiny kinesinů se podílí na buněčném dělení pouze ve vyšších organismech.

Proteinové motory umístěné po celém vřetenu. Jsou umístěny na kinetochorech, na raménku chromozomu, na pólech a na mikrotubulech mezi póly a chromozomy. Mnoho typů motorů se nachází pouze na určitých místech, zatímco jiné zabírají více míst. Například cytoplazmatický dynein se nachází na kinetochorech a pólech, stejně jako v buněčné kůře, kde interaguje s astrálními mikrotubuly. V kinetochore je přitom umístěn proteinový motor podobný kinesinu CENP-E a chromokineziny jsou pouze na ramenech chromozomů.

Při mitóze proteinové motory vykonávat několik základních funkcí. Některé, jako je dynein, se váží na struktury včetně kinetochorů a plazmatické membrány a transportují je podél mikrotubulu (ačkoli v případě plazmatické membrány se mikrotubul pohybuje). Jiné mají více domén, organizovaných takovým způsobem, že motor může kontaktovat dva mikrotubuly najednou a držet je pohromadě. V závislosti na struktuře motorů mohou mít mikrotubuly ve svazku stejnou nebo opačnou polaritu. Pokud se motor naváže na mikrotubuly opačné polarity, pokusí se po nich pohybovat (klouzat), dokud se překrývají. Příkladem tohoto typu motoru je kinesin Eg5, který se může vázat na oba konce antiparalelních mikrotubulů.

Naopak, pokud motor je navržen tak, že je spojen se dvěma mikrotubuly stejné polarity, výsledkem je struktura se stejnou polaritou, uspořádaná tak, že mikrotubuly tvoří obrazec připomínající hvězdu. Jiné proteiny podobné kinesinu se nepohybují po mikrotubulech, ale přispívají k demontáži jejich plusových konců. Dobrým příkladem takového proteinu je mitotický kinesin spojený s centromerou (MCAC), který se nachází v centromeře každého chromozomu. Součástí vřetena jsou motory se základními vlastnostmi uvedenými výše, které jsou umístěny určitým způsobem vůči sobě navzájem. Tyto stejné motory generují síly pro pohyb chromozomů.

Není vždy jasné, jak motory zajistit funkčnost vřetena. V některých případech jsou například umístěny tak, že se mohou navzájem rušit. Avšak bez ohledu na detaily struktury vřetena je zřejmé, že jeho vytvoření a fungování vyžaduje mnohonásobné vyvážené úsilí. Tyto síly zajišťují motory, které jsou umístěny na rámu dynamických vřetenových mikrotubulů.

Sekce se velmi snadno používá. Stačí zadat požadované slovo do příslušného pole a my vám poskytneme seznam jeho významů. Rád bych poznamenal, že naše stránky poskytují údaje z různých zdrojů - encyklopedické, výkladové, slovotvorné slovníky. Zde můžete také vidět příklady použití vámi zadaného slova.

Co znamená „vřeteno“?

Slovník lékařských termínů

vřeteno dělení (fusus divisionis)

buněčná struktura, která zajišťuje rovnoměrnou segregaci chromozomů během mitózy nebo meiózy; V. d. vzniká profázně a skládá se z centrálních závitů spojujících oba póly buňky a chromozomálních závitů spojujících póly s chromozomy.

Encyklopedický slovník, 1998

vřeteno

v biologii systém mikrotubulů v dělící se buňce, který zajišťuje divergenci a přísně identickou (během mitózy) distribuci chromozomů mezi dceřinými buňkami.

Wikipedie

Vřeteno

Vřeteno- dynamická struktura, která se tvoří při mitóze a meióze, aby byla zajištěna segregace chromozomů a buněčné dělení. Typické vřeteno je bipolární – mezi dvěma póly je vytvořen vřetenovitý systém mikrotubulů. Vřetenové mikrotubuly se připojují na chromatidové kinetochory v oblasti centromery a zajišťují pohyb chromozomů směrem k pólům.

Vřeténo je tvořeno třemi hlavními strukturními prvky: mikrotubuly, dělicími póly a chromozomy. Centrosomy obsahující centrioly se podílejí na organizaci dělicích pólů u zvířat. V rostlinách, stejně jako v oocytech některých živočichů, chybí centrosomy a tvoří se acentrosomální vřeténka se širokými póly. Při tvorbě vřeténka hrají důležitou roli motorické proteiny patřící do rodin dyneinů a kinesinů.

Kompletní vřeténka se tvoří ve stadiu prometafáze po destrukci jaderné membrány, kdy cytoplazmatické mikrotubuly a centrozomy získávají přístup k chromozomům a dalším složkám vřeténka. Výjimkou je vřeteno pučících kvasinek, které se tvoří uvnitř jádra.