У нас нет возможности освободить загроможденную клетку таким образом, но мы можем использовать антитела, направленные против белков цитоскелета, чтобы покрыть определенным образом и выявить структурные элементы, в состав которых входят эти белки. Если эти антитела несут в себе молекулы флуоресцентного красителя, то структуры, к которым они прикрепляются, будут казаться покрытыми слоем флуоресцентного красителя. Посмотрите на такие клетки в ультрафиолетовом свете, и весь цитоскелет, покрытый антителами, ярко засветится на темном фоне, словно освещенный неоновыми трубками.
Этот изящный метод, получивший название иммунофлуоресценции, нуждается в большом количестве предварительных биохимических исследований, поскольку перед тем, как белки будут использованы для получения антител, они должны быть очищены. Дополнительную трудность представляет то обстоятельство, что некоторые цитоскелетные белки — слабые иммуногены, т. е. они не так быстро вызывают образование антител при введении животным разных видов. Это объясняется тем, что гомологичные цитоскелетные белки, даже принадлежащие совершенно разным видам, имеют весьма сходную химическую структуру и поэтому не распознаются иммунной системой как чужеродные. Такое эволюционное сохранение структуры убедительно свидетельствует о том, что функциональные свойства белков зависят от специфических аминокислотных последовательностей, которые, претерпевая незначительные изменения, не теряют своих свойств. Не удивительно, что большинство мутаций, повреждающих такие белки, не совместимы с сохранением их функции и удаляются в ходе естественного отбора.
Прекрасные картины, выявленные иммунофлуоресценцией, способны передать только застывшие «кадры» мира, который постоянно меняется, ^летки неустанно изменяют форму, перемещают свое содержимое, создают цитоплазматические потоки, проталкивают некоторые гранулы в резко меняющихся направлениях, изгибают и деформируют мембраны. Они движутся во все стороны, вращаются, ползают, плавают, сокращаются, вытягиваются, уплощаются вдоль поверхности или протискиваются сквозь узкие отверстия, хватают, окружают и заглатывают крупные частицы, выпускают и втягивают обратно псевдоподии, выдавливают содержимое из гранул накопления, размахивают волнистыми вуалями и спиралевидными жгутиками и ресничками, создавая вокруг себя потоки. Какова же роль цитоскелета в столь неистовом движении?

Термином «кератин» - обозначают семейство богатых серой фиброзных белков, основных составных частей кожи, шкур животных, волос, рогов, копыт, ногтей, чешуи, перьев, клювов — одним словом, наружных покровов и производных кожи, которыми позвоночные вооружаются против нападенйя врагов из внешнего мира. В отличие от защитных покрытий у растений и низших животных, которые создаются внеклеточно из секреторных продуктов, у позвоночных аналогичные структуры образуются внутриадеточно в результате замечательного процесса дифференцировки.
Этот процесс совершается в эпителиальных клетках. Последние образуются из стволовых клеток, формирующих глубокий
слой под кожей. Стволовые клетки делятся неравномерно на недифференцированные стволовые клетки, остающиеся в герминативном слое, и дифференцирующиеся дочерние клетки. По мере шелушения поверхностных слоев кожи дочерние клетки, в свою очередь подталкиваемые к поверхности более молодым поколением дочерних клеток, медленно перемещаются, чтобы заменить их.
Если бы мы посетили такую молодую эпителиальную клетку в начале ее путешествия по направлению к периферии, то увидели бы, что ее цитоплазма тут и там пересечена плотными волокнами толщиной около 8 нм (треть дюйма при нашем увеличении). При более близком знакомстве волокна оказываются пучками филаментов, образованных из более тонких нитей, которые на первый взгляд напоминают структуру тропоколлагена. Как и основная единица волокон соединительной ткани, элементарная субъединица кератина представляет собой трехнитчатую суперспираль, составленную из белковых, также спирально скрученных цепей. Шаг скрученной спирали аналогичен таковому для тропоколлагена и равен приблизительно 6,5 нм. Однако при более близком знакомстве обнаруживаются существенные различия между двумя структурами. В кератине трехнитчатая спираль закручена влево, а не вправо, как в тропоколлагене. Три составляющие его полипептидные цепи обычно различны и каждая закручена в типичную правовращающую а-спираль наподобие спирали во многих белках .

Актин и миозин — два белка, ответственные за замечательную двигательную систему, впервые выявленную в мышечных клетках, но, как теперь известно, существующую во всех клетках: тонкие актиновые филаменты (нити) образуют так называемые «цитокости», а толстые миозиновые филаменты — «цитомышцы».
Актиновые филаменты обычно группируются в тонкие пучки, которые тянутся через всю цитоплазму подобно телефонным проводам (так называемые волокна напряжения) либо переплетаются в виде различных кабелей, ремней, покрытий или паутины, которые чаще всего служат для укрепления плазматической мембраны. Они также составляют осевые стержни, поддерживающие такие поверхностные выросты, как микроворсинки. Каждый актиновый филамент толщиной 6—7 нм (около 60 мм при нашем увеличении в миллион раз) состоит из двух переплетенных нитей.В отличие от другиих нитевидных структур, с которыми мы сталкивались до сих пор, такими, как коллаген и кератин, актиновые нити образуются не из фибриллярных белков, а скорее из маленьких белковых шариков (глобул) обычного скрученного типа, соединенных комплементарными сайтами связывания, расположенными на двух полюсах. Тем самым актиновая нить напоминает одну из тех бесконечно растущих цепей или рядов, которые можно построить из одинаковых взаимосоединяемых частей, которые часто даются детям для проверки их комбинаторных навыков. Как и эта цепь, актиновая нить характеризуется полярностью, определяемой направлением оси «замок—ключ» в составляющих ее частях. В случае актина цепь не одинарная, а двойная, поскольку составляющие ее части (единицы) имеют второй сайт «замок—ключ», находящийся сбоку. Связывание двух параллельных нитей этими сайтами происходит с направленным слегка вправо поворотом, создающим вытянутую, состоящую из двух нитей спираль с шагом 77 нм (около 7,5 см при нашем увеличении), которая содержит 14 пар субъединиц в одном витке.

До сих пор мы видели, что миозиновый ствол служит просто связующим стержнем между двумя пучками актиновых филаментов — картина красивая, но статичная. Однако стоит нескольким ионам кальция достичь этой системы, как взору туриста, путешествующего по живой клетке, предстанет одно из самых поразительных проявлений молекулярной пиротехники: внезапно миозиновые головки оживают и начинают неистово сгибаться на своих ножках, где бы они ни прикреплялись к сайтам связывания на актиновом филаменте, подтягивая его на 10 нм внутрь в направлении середины ствола. После этого они ослабляют «хватку». Однако к тому моменту другие миозиновые головки приходят в соприкосновение с актиновыми сайтами связывания и осуществляют дальнейшее их подтягивание и перемещение на 10 нм. Это продолжается до тех пор, пока присутствуют ионы кальция (а также АТФ, см. ниже). Все актиновые филаменты на каждом конце миозинового стержня «подтягиваются» одинаково, тем самым давая возможность двум противоположно направленным пучкам актиновых филаментов, связанных миозиновым стержнем, скользить друг к- другу и притягивать соответствующие точки прикрепления ближе к середине, т. е. сближать их. При этом расстояние между соседними точками прикрепления сокращается, хотя ни один из филаментов, соединяющих эти точки, не укорачивается. Филаменты скользят относительно друг друга, используя своеобразный молекулярный «храповик».
В ходе этого процесса совершается механическая работа и поэтому требуется энергия, которая, что вряд ли вас удивит, поставляется за счет гидролиза АТФ в АДФ и Фн. Миозиновые головки в действительности представляют собой высокоспецифичные гидролизующие АТФ ферменты (АТФазы). Они могут проявлять свою каталитическую активность при трех условиях: 1) будучи связаны с актином; 2) будучи активированы ионами кальция (механизм активации мы рассмотрим позднее) и 3) имея возможность при этом сгибаться. Непременное сопряжение между химическими реакциями гидролиза АТФ и конформационным изменением, которое заставляет головку связанного с актином миозина сгибаться на ножке и продвигаться вдоль актинового филамента, — важнейшее, основополагающее свойство, позволяющее актинмиозиновой системе превращать свободную энергию гидролиза АТФ в механическую работу.

Свыше миллиарда лет назад живой организм «открыл» для себя преимущество строительства опорных элементов из трубчатых элементов; открытие это нашими инженерами сделано лишь недавно. Как полагают, это эволюционное приобретение было получено благодаря обычному механизму «случайная мутация — естественный отбор». Возможно, какой-то актиноподобный глобулярный белок, обладающий способностью к продольной самосборке, претерпел генетическое изменение и в результате утратил способность к латеральному объединению, после чего отдельные филаменты начали образовывать цилиндрические структуры — пласты вместо двойных спиралей.
И действительно, тубулин, составная часть микротрубочек, представляет собой, как и актин, небольшой глобулярный белок диаметром около 4 нм, имеющий комплементарную ось «замок—ключ», что позволяет осуществлять безграничное линейное объединение молекул. Однако имеются два тубулина, обозначенные как а и Р, которые, несомненно, являются эволюционными близнецами, о чем свидетельствует ярко выраженное сходство их аминокислотной последовательности. Существует предпочтительное а—р-соединение, которое остается стабильным при распаде микротрубочек, поэтому истинным эквивалентом й-актина следует считать аргетеродимер, а не мономер. Эти субъединицы линейно объединяются посредством обратимых (s—а-связей с образованием протофиламентов . Последние в свою очередь объединяются латерально посредством второй системы «замок—ключ», ступенчато, таким образом, что каждая а—р-субъединица граничит с соседней р—а-парой, сдвинутой примерно на четверть ее длины. Образующийся пласт имеет не плоскую, а изогнутую поверхность и превращается в цилиндрическую структуру, когда ровно 13 протофиламентов выстраиваются в ряд бок о бок.

Если же hellirola попадет в поток холодного воздуха, то мы станем свидетелями поистине драматической картины: не только «затормозится» движение в аксоподах вплоть до полной его остановки, но и вся опорная система из микротру-бочек распадется на части. Через каких- нибудь два часа не останется ни одной микротрубочки, и аксоподы полностью сократятся, превратив «солнце» в голый шар, утерявший свои лучи. Однако не все потеряно, что смогут понять те, кому удастся среди массы новых молекул, заполняющих теперь клетку, распознать гетеродимерные строительные Олоки, из которых были построены распавшиеся микротрубочки. Достаточно небольшого притока тепла, и все будет восстановлено. Разбуженные слабым нагреванием, микротрубочки начнут вырастать из корешков, так называемых центров организации микротрубочек, что прячутся в глубине клеточного тела. Вскоре поверхность клетки покроется сотнями новых аксопод и в считанные часы «солнце» опять засияет своими лучами.
В коже многих ракообразных, рыб, земноводных и пресмыкающихся содержатся звездчатые пигментированные клетки, хромдтофоры, которые образуют радиальные отростки, поддерживаемые каркасом из микротрубочек; вдоль микротрубочек с удивительной скоростью внутрь или наружу движутся пигментные гранулы Под влиянием определенных гормонов, на секрецию которых воздействует свет, гранулы могут быстрее чем за секунду скапливаться в центре клетки, отчего она становится почти прозрачной, или проникать в отростки, вызывая потемнение клетки У некоторых животных в этих перемещениях участвуют независимо два или более типа пигментных гранул разного цвета. В этом-то и заключен секрет хамелеона: заденьте его микротрубочки, и тут же убедитесь в искусстве его маскировки.

В мире клеток чудесам нет конца. Когда американский архитектор Бакминстер Фуллер построил свой знаменитый геодезический купол, вряд ли он подозревал, что сотни миллионов лет тому назад Природа создала молекулу белка, которая сама могла полностью создать такую же структуру. Этот белок назван клатрином . При первой же возможности клатрин даже в пробирке спонтанно собирается в структуры, напоминающие корзиночки; эти структуры, как и геодезический купол, образованы сетью шестиугольников с небольшим количеством пяти- и семиугольников.
Мы можем наблюдать за этим процессом и одновременно получить представление о его сущности, изучая внутреннюю поверхность плазматической мембраны в том участке («пэтче»), на противоположной стороне которого рецепторы, занятые соответствующими лигандами, сгруппированы и готовы к поглощению эндоцитозом О начале этого феномена возвещают торчащие сквозь мембрану на нашей стороне пучки хвостов рецепторных молекул. По- видимому, приведенные в состояние готовности таким же путем субъединицы клатрина, собранные из какого-то цитоплазматического запаса, начинают полимеризоваться в том «пэтче» мембраны, где виднеются пучки рецепторов, покрывая его структурой, которая на первый взгляд напоминает оборванный кусочек мелкой проволочной сетки.
Присмотревшись, можно заметить, что каждая субъединица представляет собой структуру, состоящую из трех «ног», или «трискелион» , с «бедрами» и «голенями» длиной около 20 нм (немногим меньше 2,5 см при нашем увеличении). Эти субъединицы соединяются латерально вдоль своих «конечностей» с образованием гёксагональной ячейки, в которой каждая вершина занята центром «трискелиона», а каждая сторона образована четырьмя конечностями — двумя «бедрами» и двумя «голенями», — расположенными бок о бок. Но эти «трехножки» не плоские, а изогнутые. Перемещаясь по часовой стрелке, они соединяются выпуклыми поверхностями. Таким образом, по мере расширения образованная ими структура постепенно «раздувается», и приобретает форму типичного геодезического купола.

Исследователи, изучающие клетки при помощи самых точных из ныне доступных инструментов и методов, таких, как электронный микроскоп в 1 МВ или метод быстрого замораживания или глубокого травления при приготовлении образцов тканей для сканирующей электронной микроскопии, обнаружили тончайшую волокнистую сеть филаментов, пронизывающую весь цитозоль и прикрепленную многочисленными точками прикрепления ко всем имеющимся цитоплазматическим структурным компонентам. Элементы этой сети получили название «микротрабекул» — буквально сверхминиатюрные лучи (или перекладинки). На самом деле микротрабекулы не столь миниатюрны: их толщина примерно 10—15 нм; таким образом, они, бесспорно, толще актиновых филаментов и, возможно, сравнимы по толщине с миозиновыми филаментами. Причина, по которой они не были обнаружены ранее, заключается в их малой длине и случайной ориентации в ячеистой сети. Для распознавания микротрабекул как составных частей сети потребовалось их пространственное выявление.
Из картин микротрабекулярной сети, которые вспоминаются до сих пор, становится ясно, что микротрабекулы придают цитозолю значительно большую структурную жесткость и организованность, чем нам показалось при первом знакомстве с этой частью клетки. Признаться, наше продвижение на том этапе было достаточно трудным и неуклюжим, и мы могли не заметить эту нежную паутину. Но вместе с тем существуют и некоторые сомнения относительно реальности микротрабекулярной сети: ведь она делает клетку почти «сверхорганизованной», а химически до сих пор не идентифицирована, что весьма удивительно с учетом ее распространенности. Проблема усугубляется тем обстоятельством, что исследователи, выявившие микротрабекулярную сеть при помощи современного сложнейшего инструментария, изучали мертвые, а не живые клетки. Обусловлена ли трабекулярная ячеистая сеть артефактом фиксации или каким-либо другим посмертным изменением — вопрос спорный. Но тот факт, что различные части клетки часто передвигаются согласованно, подтверждает точку зрения о существовании между ними соединяющей сети.

В ходе краткой экскурсии по поперечно-полосатой мышце мы обнаружили электрифицирующий эффект ионов кальция, которые, соединяясь с тропонином С, вызывают такое конформационное изменение этой белковой субъединицы, что прикрепленный тропомиозин перемещается и более не препятствует взаимодействию актина с миозином и гидролизу АТФ.
Это лишь один из многочисленных примеров важных пусковых функций, осуществляемых кальцием. Ионы кальция также стимулируют гладкомышечные волокна, а возможно, все типы актин-миозиновых систем, ингибируют сборку микротрубочек, останавливают или изменяют колебания ресничек, влияют на полимеризацию клатрина и могут участвовать в мембранных слияниях, которые определяют эндоцитоз, экзоцитоз, а также слияние и разделение внутриклеточных везикул. И наконец, ионы кальция активируют ряд ферментов, в частности некоторые киназы белков . Эти ферменты выполняют важные регуляторные функции, поскольку биологическая активность белков, на которые они воздействуют, в высшей мере зависит от их фосфорилирования. Тем самым белки, активность которых обусловливается фосфорилированием, зависят от кальция. К их числу, относится, по-видимому, миозин гладких мышц. И напротив, белки, которые активны только в дефосфорилированной форме, «закрываются» ионами кальция.
При осуществлении всех этих функций ионы кальция действуют опосредованно через кальцийсвязывающий белок, кальмодулин. Подобно тропонину С, кальмодулин также претерпевает конформационное изменение при связывании с кальцием. Именно этот измененный белок обусловливает эффекты, присущие кальцию. Его функциональное сходство с тропонином далеко не случайно. Оба белка состоят в тесном родстве, о чем свидетельствует выраженное сходство их аминокислотных последовательностей, и, по- видимому, они являются эволюционными потомками общего предка.
Такие важные функции предполагают существование внутриклеточных резервуаров кальция, снабженных чрезвычайно эффективными насосами и разгружающими клапанами.