Motility
of Living Cells
P. Cappuccinelli
Professor of Microbiology,
Institute of Microbiology,
School of Medicine.
University ofSassari,
Sardinia. Italy
Chapman and Hall
London and New York
П. КАППУЧЧИНЕЛЛИ
ПОДВИЖНОСТЬ
живых
КЛЕТОК
Перевод с английского
канд. биол. наук Н. А. Габеловой
под редакцией
д-ра биол. наук Б. Ф. Поглазова
«Мир»
Москва 1982

УДК 576.30
Каппуччинелли П.
К20 Подвижность живых клеток: Пер. с англ — М-
Мир, 1982.—124 с, ил.
В небольшой по объему, но очень содержательной монографии
итальянского исследователя излагаются основные данные о природе
и механизмах движения клеток. Автор рассматривает как подвижность
бактерий, так и механизмы движения эукариотических клеток-
микротрубочки и физиологическую роль тубулинов, мнкрофиламеиты и акто-
миозиновую систему, перемещение с помощью ресничек и жгутиков
амебоидное движение.
Для цитологов, биохимиков, биофизиков, а также медиков
преподавателей и студентов биологических специальностей.
Редакция литературы по биологии
2001040000
21003—113
041(01)-82Ш-82' Ч- !
© 1980 P. Cappuccinelli
© Перевод иа русский язык, «Мир»,
1982
ПРЕДИСЛОВИЕ
РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА
Исследование механизмов двигательных реакций у живых существ
началось с изучения поперечнополосатых мышц, обладающих ярко
выраженной способностью к сокращению. Именно из мышц были
впервые выделены основные сократительные белки актин и миозин,
регуляторные белки и т. д. Особенно интенсивно эти исследования
стали развиваться после того, как В. А. Энгельгардт и М. Н.
Любимова открыли АТРазную активность миозина, в связи с чем
прояснились энергетические механизмы движения.
Впоследствии оказалось, что актин и миозин присутствуют во
всех живых клетках без исключения. Сейчас считается
установленным, что в основе механизма биологической подвижности в самом
широком плане лежит одна и та же универсальная реакция
взаимодействия между миозином, актином и АТР.
Наряду с этим были обнаружены и другие двигательные
системы: во-первых, система тубулин—динеии, свойственная немышечным
клеткам, и, во-вторых, вращательный жгутиковый аппарат бактерий,
который, как предполагают, не требует для своей работы АТР.
Попытки как-то суммировать и обобщить накопленный в этой
области материал делались и раньше. Но в настоящее время, когда
исследования биологической подвижности развиваются особенно
быстро, такая обобщающая работа представляется очень важной и
актуальной. В связи с этим предлагаемая книга П. Каппуччинелли,
несомненно, очень ценна для уяснения общих закономерностей
подвижности живых клеток.
Большой интерес представляют данные, касающиеся движения
бактериальных жгутиков, особенно тот факт, что вращение жгутика
осуществляется за счет траисмембраниого потенциала. Не менее
важны структурные, биохимические и генетические исследования
тубу линовой двигательной системы и данные о движении с участием
актиновых микрофиламентов.
Следует отметить, что книга написана просто, в легкой и
доступной манере; привлечены наиболее показательные примеры, очень
наглядны иллюстрации. Монография воспринимается как единое
целое, читается легко и с интересом. Такое изложение материала
возможно только при очень глубоком знании проблемы. Важно, что
автор непосредственно участвовал в ее экспериментальной
разработке; это придает книге особую ценность.
Книга П. Каппуччинелли будет, без сомнения, интересной и
полезной как для специалистов, работающих в данной области, так и
для более широкого круга биологов.
Б. Ф. Поглазов

БЛАГОДАРНОСТЬ
Я должен особенно поблагодарить мою жену
Марию за замечательные рисунки, друзей —
Теда Вайнера и Сальвадора Рубино — за
помощь в подготовке книги к печати и мою
собаку Келли за то, что она не съела рукопись
за то долгое время, пока мы над ней
работали (смею надеяться — не из-за
неудобоваримости ее содержания).
1. ВВЕДЕНИЕ
С давних времен философы проницательно отмечали,
что жизнь в ее разнообразных проявлениях
представляет собой непрерывное движение. Все во Вселенной — от
космических объектов до атомов — находится в
состоянии движения в той или иной его форме. Способность
двигаться — одно из неотъемлемых свойств всего живого
на Земле.
В XVII в. во времена Антони ван Левенгука,
который создал первый простой микроскоп, понятие
подвижности было, в сущности, синонимом жизни. С помощью
своего примитивного инструмента Левенгук наблюдал,
как микроорганизмы (которые он называл «анимальку-
ли») активно плавают в капле воды, и на основании
этого утверждал, что. «они, по-видимому, живые».
Теперь мы знаем, что движенце в такой форме
нельзя считать необходимым критерием жизни, хотя для
многих живых организмов это свойство первостепенной
важности.
Принимая во внимание общее значение подвижности
в мире живого, основное внимание в данной книг,е, мы
уделили рассмотрению подвижности на клеточном
уровне. Здесь она проявляется в различных формах: это и
движение клетки как целого, т. е. ее перемещение в
пространстве, и движение внутри клетки ее органелл и
других компонентов. У прокариот подвижность
проявляется главным образом в движении кл,етки как целого,
так как внутриклеточный транспорт осуществляется у
них гораздо проще, чем у эукариотических организмов.
В клетках эукариот более сложная система
внутриклеточных органелл, а также необходимость управлять
мембранными процессами потребовали развития более

1. Введение
сложной, со многими внутренними связями системы
внутриклеточной подвижности. В клетках высших
организмов выработались также эффективные системы для
передвижения клетки как целого. Способность к
перемещению в пространстве необходима как отдельной
клетке, для того чтобы реагировать на окружающую
обстановку, так и клеткам многоклеточного организма для
межклеточных взаимодействий. Несмотря на различия
между этими двумя типами подвижности, молекулярные
механизмы, лежащие в их основе, в принципе
одинаковы.
Одна из важнейших черт передвижения клеток — это
направленность движения. Действительно, клетки
способны ощущать изменения в окружающей среде и
реагировать на них, меняя направление своего движения.
Такая способность активно реагировать на стимулы,
поступающие из внешней среды, помогает клетке питаться,
облегчает взаимодействие с другими клетками и дает
ряд других преимуществ.
Хотя изучение клеточной подвижности относится к
одной из старейших областей науки, понимание
молекулярных механизмов движения пришло только в самое
последнее время благодаря применению современных
генетических и биохимических методов. Вместе с тем
многое все еще остается спорным; в особенности это
относится к механизмам регуляции подвижности. Однако
есть основания надеяться, что идущие сейчас
интенсивные исследования позволят разрешить многие из этих
проблем в течение ближайших лет.
В следующей главе мы рассмотрим подвижность
прокариот, в частности жгутиковых бактерий. Другие
интересные аспекты подвижности у простейших, например
скользящие движения миксобактерий или движения
типа ввинчивания, свойственные лептоспирам, обсуждаться
не будут. Остальные главы посвящены системам
подвижности у эукариот. Основное внимание мы уделим
новейшим исследованиям на молекулярном уровне.
Поскольку ни одну из тем нельзя здесь рассмотреть
исчерпывающе, в конце каждой главы дается список
литературы, который поможет читателю получить более
полные сведения по интересующим его вопросам.
1. Введение
9
Рекомендуемая литература
Dobel С. (1932). Antony van Leewenhoek and his "Little Animals",
Constable, London. Reprinted in paperback by Dover, New York
(1960).
Книга представляет собой собрание писем А. ваи Лененгука
в Лондонское Королевское Общество, в которых он присущим ему
очаровательным слогом описывает наблюдения, сделанные им с
помощью своего микроскопа.
Интересные обзоры, касающиеся различных типов движения
клеток и возможных способов его осуществления, можно найти в
следующих сборниках:
Aspects of Cell Motility (1968). Symp. Soc. Exp. Biol., XXII,
Cambridge University Press, Cambridge.
Molecules and cell movement (1975) (ed. S. Inoue and R. F.
Stephens), Raven Press, New York.

2. ПОДВИЖНОСТЬ
ПРОКАРИОТИЧЕСКИХ
ОРГАНИЗМОВ
Ученых всегда восхищала подвижность простых
организмов, таких, как бактерии. Действительно, бактерии
весьма привлекательный объект для изучения
подвижности и связанных с ней проблем: их клеточная
организация относительно проста (по сравнению с клетками
эукариот), биохимические процессы хорошо изучены;
кроме того, они быстро и в больших количествах
размножаются, так что представляют собой идеальную
систему для изучения биологических проблем с помощью
генетических методов.
Объединение биохимических и генетических
подходов оказалось весьма плодотворным для изучения
подвижности на молекулярном уровне, а также структур,
ее осуществляющих, и уже получены многообещающие
результаты.
У бактерий нет того разнообразия различных типов
подвижности, которо,е, характерно для клеток эукариот.
Бактерии движутся всегда с помощью особой
структуры — так называемого жгутика, который может
вращаться подобно пропеллеру, тем самым обеспечивая
продвижение клетки.
У большинства бактерий жгутик прикреплен к клетке
только одним концом, а вся остальная часть его
свободна. Однако у некоторых бактерий (например, у
спирохет) жгутик прикреплен к телу клетки по всей его
длине с помощью наружной мембраны. В обоих случаях
подвижность клетки обусловлена вращательными
движениями жгутика.
Бактерии способны управлять движениями жгутиков.
Они могут ощущать и как-то учитывать концентрации
веществ, с которыми они вступают в контакт, и соот-
2. Подвижность прокариотических организмов 11
в,етственно на них реагировать. Эту способность
учитывать информацию можно рассматривать как
примитивный вариант системы памяти.
Хотя движение клетки не относится к насущно
необходимым условиям ее существования (не двигающиеся
штаммы способны к росту и размножению),
подвижность широко распространена у бактерий, особенно у
свободно живущих форм. В некоторых условиях
свойство подвижности может давать определенные
преимущества бактериям, позволяя им, например, уходить из
среды, содержащей токсические вещества, или,
наоборот, двигаться по направлению к источнику пищи.
Ниже мы рассмотрим свойства жгутиков бактерий с
морфологической и биохимической точек зрения. Мы
обсудим также вопрос о генетической регуляции сборки
жгутика, а также о том, как функционирует система
хемотаксиса и как она определяет движение бактерии.
2.1. Структуры,
обеспечивающие подвижность
Жгутики бактерий — это длинные гибкие нитевидные,
выросты, исходящие из тела бактерии. Они могут быть
одиночными, или же пучки их находятся на одном или
на обоих полюсах клетки. Жгутики могут покрывать
всю доверхность клетки, так что бактерия выглядит
волосатой1 (рис. 2.1). Характер расположения жгутиков
относится к генетически стабильным свойствам, по нему
жгутиковых бактерий делят на Eubacteriales (с
беспорядочным распределением жгутиков) и Pseudomonadales
(жгутики располагаются на полюсах клетки).
Из-за малого диаметра (120—250 нм) жгутики очень
трудно разглядеть с помощью обычных методов
световой микроскопии. Однако можно применить некоторые
специальные приемы. Так, например, жгутики можно
окрасить раствором, содержащим осаждающийся
реагент, например танин; танин откладывается на поверх-
1 В этом случае их называют ресничками. — Прим. ред.
перевода.

2. Подвижность прокариотических организмов
Рис. 2.1. Распределение жгутиков у бактерий: а — бактерия с одним
жгутиком (вверху) и с пучком жгутиков, отходящих от одного из
полюсов клетки (внизу); б — бактерия со многими жгутиками,
распределенными по всей поверхности клетки.
ности каждого жгутика, увеличивая его диаметр, что
позволяет наблюдать жгутики в обычном световом
микроскопе. Особенно хорош метод темного поля; при этом
жгутики четко видны как светлые линии на черном
фоне. В этих условиях жгутики выглядят тонкими нитями,
длина которых обычно превышает длину кл,е,тки, из
которой они исходят. В ранних работах подвижность
часто изучали на родобактериях Chromomatium okenii.
Было показано, что на, одном из полюсов этой большой
(9—15 мкм) клетки находится группа из
приблизительно 40 жгутиков длиной около 25 мкм каждый. Хорошо
известная кишечная бактерия Е. coli имеет, как
правило, 6 жгутиков, каждый из которых в 2—3 раза длиннее
самой клетки.
В микроскоп видна еще одна важная
морфологическая черта жгутиков, а именно их форма. Жгутики
всегда волнообразно или спиралевидно изогнуты, что
характерно для всех штаммов бактерий, причем жгутики
отходят от тела клетки под самыми разными углами,
по-видимому, без всякой закономерности.
Более точные данные о морфологии жгутиков могут
быть получены методом электронной микроскопии.
2. Подвижность прокариотических организмов 13
В ставших классическими исследованиях Де Памфилиса и
Адлера [35, 361, а также Диммита и Симона [38] на
Е. coli и В. subtilis не только выявлены детали
ультраструктуры жгутиков, но и заложена основа для
понимания механизма подвижности бактерий. Эти авторы
разработали методику получения интактных жгутиков в
довольно больших количествах. Для этого применяли,
ферментативное переваривание клеточной стенки, затем
лизировали клеточную мембрану детергентом и отделяли
жгутики от остатков клеток с помощью
дифференциального и градиентного центрифугирования в CsCl. Этот
метод позволяет удалить бактериальные оболочки и
получить неповрежденные жгутики вместе со структурами,
которые прикрепляют их к клетке.
Электронно-микроскопические исследования такого материала прояснили
многие структурные особенности жгутиков. Прежде
всего удалось различить три самостоятельные
субструктуры: филамент (тело жгутика), крюк и базальное тело.
Филамент и крюк находятся снаружи от клеточной
оболочки, а базальное тело соединяет их с клеткой. В
норме у Е. coli филамент имеет диаметр 20 нм и
волнообразную форму (длина волны 2,3 мкм), однако получены
мутанты с совершенно другими свойствами (рис. 2.2).
Существуют, например, прямые мутанты, жгутики
которых практически лишены извивов и извилистые
мутанты с устойчивым признаком сильно выраженной
волнообразное™ жгутика (длина волны 1,1 мкм) [72]. Было
обнаружено, что переход от жгутиков с нормальным
шагом суперспирали (2,3 мкм) к извилистой форме'
(1,1 мкм) происходит также и в обычных условиях — в
Рис. 2.2. Типы волнообразности жгутиков: а — прямой мутант;
б — извилистый мутант; в — нормальный жгутик.

I* 2^ Подвижность прокариотических организмов
Рис. 2.3. Схематическая модель базального тела жгутика у грам-
отрицательной бактерии (Е. coli); элементы базального тела
соотнесены со структурами клеточной оболочки [35, 36].
процессе движения бактерии; такой переход, как будет
показано ниже, играет особую роль в плавательных
движениях бактерии.
Крюк — это структура, находящаяся в основании фи-
ламента, обычно он изогнут углом или плавно.
Наружный диаметр крюка несколько превышает диаметр фила-
Мента; общая длина его — около 900 нм. Функция
крюка еще не вполне понятна, хотя можно предполагать,
что он играет роль гибкого сочленения, обеспечивая
эффективную передачу движения от базального тела к
филаменту и одновременно придавая структуре фила-
мента устойчивость по отношению к изменениям в
окружающей среде. Стержень, выходящий из
проксимального конца крюка, проходит сквозь клеточные оболочки
и соединяется с базальными структурами.
Базальное тело — это сложная структура,
ответственная не только за прикрепление жгутика к
бактериальной клетке, но также и за создание движения.
Исследование его ультраструктуры (рис. 2.3) показало, что у
грамотрицательных бактерий (т. е. у бактерий, которые
имеют наружную липополисахаридную мембрану и слой
пептидогликанов внутри клеточной стенки) в базальном
2. Подвижность прокариотических организмов 16
Рис. 2.4. Схематическая модель базального тела жгутика у грам-
положительной бактерии (В. subtilis); элементы базального тела
соотнесены с клеточной мембраной и клеточной оболочкой [35, 36].
теле есть четыре кольца, почти одинаковых по
диаметру. Самое нижнее, или кольцо М (membrane),
прикреплено к цитоплазматической мембране и из него выходит
стержень жгутика. Кольцо S (supermembrane) располо^-
жено как раз над цитоплазматической м,ембраной и, по-
видимому, не соединено ни с какими другими клеточными
структурами. Остальные два кольца, Р (от peptidogly-
сап, т. е. на уровне пептидогликанного слоя) и L (от
lipopolysaccaride, т. е. на уровне липополисахаридной
мембраны), погружены в соответствующие слои
клеточной стедки; они фиксируют стержень, проходящий сквозь
бактериальную стенку. У грамположительных бактерий
(например, В. subtilis) базальное тело имеет сходную
структуру, но несколько упрощенную по сравнению с
грамотрицательными бактериями. В нем имеется только
одна пара колец, расположенных у основания стержня
и, по-видимому, аналогичных кольцам S и М у Е. coli;VLX
обозначают соответственно теми же буквами (рис. 2.4).
У В, subtilis кольцо М находится в цитоплазматической.
мембране, а кольцо S прикреплено к внутренней части
пептидогликанного слоя, где оно, вероятно,
контактирует с молекулами тейхоевых кислот (тейхоевые кислоты

2. Подвижность прокариотических организмов
входят в состав однослойной клеточной стенки грампо-
ложитёльных бактерий). Колец, фиксирующих
положение стержня в клеточной стенке, не обнаружено.
Поскольку исследования ультраструктуры показали,
что структура базального тела у грамположительных и
грамотрицательных бактерий в принципе одна и та же
и что у тех и других есть кольца S и М, можно
предполагать, что одно из этих колец или они оба участвуют в
генерации движения. Полученные в последнее время
данныд позволили лучше понять связь между
структурой жгутика и движением и, похоже, указывают на то,
что именно кольцо М ответственно за генерацию
движения.
2.2. Молекулярная
структура жгутика у бактерий
Упомянутый выше метод выделения интактных
жгутиков обеспечил возможность не только изучить их
морфологически, но также исслдцовать химическую
структуру, что необходимо для лучшего понимания всей
сложности механизма функционирования этих органелл и
регуляторных процессов в них.
С химической точки зрения филамент жгутика
построен из идентичных субъединиц, состоящих из
единственного белка — флаг,е,ллина; этот белок легко
отделить от структуры базальное тело —крюк, снизив рН
или повысив температуру среды с интактными
жгутиками до 60°С [3]. Флагеллиновые субъединицы способны
ассоциировать in vitro с образованием филаментов,
весьма сходных с теми, которые наблюдаются in vivo.
Химическая структура флагеллина специфична для
каждого штамма бактерий, и антитела, выработанные
против" одного бактериального штамма, не дают реакции
преципитации с флагеллиноМ из других штаммов; это
позволяет использовать антигенные свойства жгутиков
для классификации бактерий. Чтобы понять, как
связаны молекулярное строение, форма и антигенные
свойства жгутика, определили аминокислотную
последовательность флагеллинов из некоторых бактерий [31, 76];
2. Подвижность прокариотических организмов 17
однако эти исследования пока не решили эту проблему.
Как и предполагали, молекулярная масса флагеллино-
вых субъединиц у разных бактерий различна; так у
Е. coli она равна 54 000 и не превышает 40000 у
некоторых других видов. Методом оптической дифракции на
электронно-микроскопических негативах показано, что
жгутик представляет собой полый цилиндр; стенка
цилиндра образована одиннадцатью продольными рядами
флагеллиновых субъединиц [78]. Каждая субъединица
смещена в своем ряду на некоторый угол относительно
продольной оси, благодаря чему возникает та или иная
спиральная структура (волнообразная форма) жгутика;
величины этих углов могут быть различны в спиральных
структурах различных типов.
Биохимические исследования области крюка и
базального тела вначале осложнялись тем, что эти
структуры составляют только около 2% массы интактного
жгутика, из-за чего было трудно набрать достаточное
для работы количество материала. Затем, однако, у
Е. coli, а также у Salmonella были обнаружены два
типа мутантных штаммов, из которых у одного интакт-
ные базальные структуры не имели филаментов [178], а
у другого ненормально увеличенные поликрюковые
структуры содержали значительное количество белка.
В первом случае базальные тела можно получить из
изолированных м,е,мбран, просто лизируя их
детергентом, а во втором случае поликрюковые структуры легко
отделить от клеток и очистить. Методом электрофореза
в полиакриламидном геле в присутствии додецилсульфа-
та натрия этот материал можно разделить на
полипептиды и исследовать их далее по отдельности. Как
показали такие исследования, крюк построен, по-видимому,
из одинаковых субъединиц, содержащих только один
полипептид; у Е. coli и Salmonella субъединицы имеют
одинаковую мол. массу — 42 000, а у В. subtilis — 30 000.
Базальное тело, как можно предполагать, судя по его
ультраструктуре, и в химическом отношении устроено
значительно более сложно. У Е. coli в базальном теле
обнаружены по меньшей мере 9 различных полицедти-
дов с мол. массами от 9000 до 60000 (табл. 2.1); кроме
того, еще 3 более слабо связанных компонента, по-види-

18 2. Подвижность прокариотических организмов
мому, теряются в процессе очистки [65]. Базальные
структуры грамположительных бактерий изучены
гораздо хуже,, однако можно предполагать, что они устроены
не так сложно.
Таблица 2.1
Белки и полипептиды жгутика Е. coli (из [135])
54 000
42 000
60 000
39 000
31000
27 000
20 000
18 000
13 000
11000
9 000
Компонент
(флагеллин)
Локализация
Филамент
Крюк
Базальное тело
То же
»
»
»
»
»
»
»
Геи
hag
fla, область I
Тоже
»
»
»
Не определен
То же
»
»
»
2.3. Регуляция синтеза и сборки
бактериального жгутика
Структура и сборка бактериального жгутика
регулируются с помощью набора генов, которые определены и
изучены, особенно у Е. coli [65, 135] и Salmonella [71].
Кроме того, имеются также гены, которые участвуют в
контролировании активности жгутика и переориентации
движения клетки в ответ на физико-химические стимулы.
В следующем разделе мы рассмотрим пути
генетической регуляции структуры жгутика, а также механизмы
управления синтезом и сборкой субструктур жгутика.
Исследование всей цепи генетических регуляторных
процессов еще не завершено, однако отдельные ее звенья
уже удалось выяснить, и это будет способствовать
решению проблемы в целом.
2. Подвижность прокариотических организмов 19
2.3.1. Жгутиковые гены у Е. coli
Гены, связанные с жгутиковой подвижностью Е. coli
(и других микроорганизмов), можно разделить на три
группы в зависимости от их функций. Первая группа
включает гены fla и hag, все конечные продукты
которых имеют отношение только к структуре жгутика:
клетки с одним (или более) дефектным геном fla {flar-
мутанты) не способны построить нормальный жгутик.
Вторая группа — это гены mot, которые отвечают за
вращательные движения жгутика. Мо^_-клетки имеют
филаменты с нормальной структурой, которые не могут
двигаться. Третья группа — гены che, назначение
которых— обеспечить соответствующую направленность
движения клетки в ответ на различные стимулы
(таксис) . С7ге--клетки не способны к хемотаксису и не могут
двигаться направленно. Для всех этих генов (их около
30) выяснена их локализация на генетической карте
хромосомы Е. coli и большинство генных продуктов
идентифицировано (см. рис. 2.5).
В данном разделе нас в основном интересует
функциональная организация генов fla и hag, однако мы
рассмотрим и более общие вопросы — о построении
генетической карты и идентификации генных продуктов —
для всех трех групп генов. Роль продуктов генов mot
и che будет обсуждаться в разделах, посвященных
функции бактериальных жгутиков и регуляции
клеточного движения.
Если локализацию генов в бактериальной хромосоме
установили с помощью стандартных генетических
методов, то для идентификации генных продуктов
потребовался более изощренный метод — метод клонирования
генов. Например, фрагменты генома Е. coli, несущие
жгутиковые гены, включали либо в фаг К, либо в коли-
циногенный (Col) фактор и в таком виде вводили в
клетки, способные воспроизводить только приобретенный
геном. Под действием жгутиковых генов, введенных в
пермиссивные клетки, синтезировались соответствующие
полипептиды, которые изолировали и разделяли с
помощью метода двумерного гель-электрофореза;
полученную электрофореграмму сопоставляли с электрофоре-

20 2. Подвижность прокариотических организмов
cha D - 64000, 65000
fl.V-11000 \
111 К-42 000 \
На L- 39 000 \
МаМ-31000 1
<laS- 27000
(la Т- вО 000 1
'I.Hi
la С I
J cha Z-24000
chaY-8000
cha В - 38000
| ch*X -28000
|- cha M - 63000. 61000,60000
IcheW -12000
cha A -76000.66000
mot В -39000 ,
U"C /mot A -31000 j
fla D '
hag-64000
'la I (cfs)
ll«N
sup D
-7 «; A ,(ch.C)
III. Q /
/llaR f
m
Рис. 2.5. Локализация на генетической карте Е. coli генов,
контролирующих жгутиковую активность. Область I включает гены,
располагающиеся между генами gal и trp (от fla VK до fla T). Гены
между fla Н и uvr С относятся к области II; остальные -^- к
области III. Против каждого гена указана молекулярная масса (если
она известна) соответствующего генного продукта. Стрелками
отмечены сотранскрибируемые гены и направление
транскрипции [135].
граммой полипептидов из очищенных жгутиковых
структур, и это позволило выяснить, какие гены кодируют
каждую из структур. Было показано, что ген hag
кодирует флагеллин, ген fla К—субъединицы крюка, а все
остальные г,е,ны группы fla кодируют белки базального
тела. Кроме того, продукт гена flal необходим для
экспрессии других жгутиковых генов. Шесть жгутиковых
генов fla локализованы в области I хромосомы Е. coll и
находятся на карте между генами gal и trp. Остальные
гены fla находятся в областях II и III между генами
zwf и sup D вместе с генами che и mot (рис. 2.5).
О том, как регулируется экспрессия жгутиковых
генов, известно очень немногое. Некоторые наблюдения
поддерживают представление о том, что репликация
одного из г,е,нов fla служит триггером для экспрессии
остальных генов. Так, например, продукт гена flal
необходим для репликации ряда оперонов групп fla — hag,
2. Подвижность прокариотических организмов 21
mot и che. Однако другие подобные активаторы пока
еще не идентифицированы [135].
Синтез жгутиковых органелл контролируется
факторами окружающей среды, такими, как температура, и
управляется катаболитами: он угнетается глюкозой и
рядом других катаболитов и стимулируется сАМР [7,
39]. Этот факт не относится к числу неожиданных, так
как в других бактериальных системах метаболизма
сАМР действует как неспецифический генный
активатор, снимающий так называемую катаболитную
репрессию [НО]. Все полученные к настоящему времени данные
указывают на то, что действие сАМР обусловлено
образованием комплекса между сАМР и соответствующим
белком-ревдптором. Этот комплекс, по-видимому,
связывается с жгутиковыми генами и активирует их
репликацию. Центр связывания известен под названием центра,
определяющего жгутиковый синтез (на рис. 2.5
обозначен cfs — constitutive flagellar synthesis). На карте, он
расположен вблизи гена fla I, а возможно, входит в его
состав.
Процессы сборки и роста филамента бактериального
жгутика выяснены достаточно детально. Рост
начинается с дистального конца крюка, к нему прикрепляются
ген hag
рибосома i _^-
РШ=полимераза
жгутик
ТЕЯ-* ^ глобулярный флагеллин
вытянутый лолипелтиа
Рис. 2.6. Схема сборки жгутика. Ген hag транскрибируется иа
специфической мРНК, которая управляет синтезом флагеллина.
Флагеллииовые субъединицы по центральной полости направляются
к фронту роста жгутика, где встраиваются в филамент.

22 2. Подвижность прокариотических организмов
первые флагеллиновые субъединицы, которые затем
служат основой для сборки волнообразно изогнутого полого
цилиндра. Методом электронно-микроскопической
радиоавтографии с использованием радиоактивного лейцина
было показано, что у В. subtitis филаменты удлиняются
путем присоединения субъединиц к их дистальным
концам [44]. Лучше всего с экспериментальными данными
согласуется следующая гипотеза: флагеллиновые
субъединицы синтезируются в теле клетки и затем
транспортируются к точке роста через центральную полость
(канал) филамента (рис. 2.6).
Никаких запасов резервного флагеллина в
цитоплазме у бактерий не обнаружено; это означает, что каждая
вновь синтезированная субъединица немедленно
транспортируется к точке роста.
2.4. Функция
бактериальных жгутиков
В этом разделе мы рассмотрим, как движется
бактериальный жгутик, как генерируется движущая сила и
как она передается к филаменту.
При наблюдении за перемещением жгутиковой
бактерии в микроскоп ясно видно, что тело бактерии
вращается в направлении, противоположном направлению
вращения жгутика. К сожалению, такие прямые
наблюдения не могут дать убедительных доказательств в
пользу того или иного типа движения. До недавнего времени
общепринятым было представление о том, что бактерия
перемещается благодаря волнообразным движениям
жгутика, возникающим у его основания и
распространяющимся вдоль него. Правильную интерпретацию
данных относительно характера бактериального движения
предложили Берг и Андерсон в 1973 г. [20]; они
постулировали, что движение бактериального жгутика
является вращательным. Правильность этого предположения
подтвердили остроумные эксперименты Силвермана и
Симона [134]. Поликрюковых мутантов Е. coli (такие
мутанты не способны синтезировать филамент и
обладают ненормально длинными крюками) культивировали в
2. Подвижность прокариотических организмов 23
специальной среде, способствовавшей тому, что у
каждой бактерии вместо обычных шести образовывалась
только одна поликрюковая структура. Ясно, что такие
клетки не могут передвигаться в среде из-за отсутствия
филаментов. Однако, когда с помощью антител,
выработанных на белки крюка, удавалось приклеить крюки
к предметному стеклу (при этом тело бактерии
оставалось не связанным со стеклом), было видно, что клетки
вращаются со скоростью 10—20 об/с. Эти опыты
показали, что именно крюк (к которому в норме прикреплен
филамент) совершает вращательные движения вокруг
оси, перпендикулярной к клеточной стенке. Этот «ротор»
обладает, очевидно, достаточно большой мощностью;
чтобы вращать всю клетку бактерии, когда сам он
закреплен. Подобные результаты были получены также на
мутантах с прямыми жгутиками (см. рис. 2.2.) и
послужили непосредственным доказательством того, что
движение жгутиков — вращательного типа. Прикрепленные
бактерии могут вращаться как по часовой стрелке, так
и против; это позволяет предполагать, что изменение
направления вращения жгутика может лежать в основе
ориентации движения клетки.
Легко представить, как вращение единственного
жгутика (действующего как винт) может приводить в
движение клетку; значительно труднее понять, что
происходит с многожгутиковой бактерией, у которой
множество жгутиков исходит из разных точек бактериальной
стенки. Наблюдения с помощью микроскопа показали,
что у плавающих многожгутиковых бактерий жгутики
собраны сзади в один пучок, который вытянут вдоль
продольной оси тела бактерии. Каждый жгутик в пучке
вращается синхронно с остальными жгутиками, хотя и
независимо от них. В нормальных условиях между
жгутиками нет никаких соединительных структур или
мостиков. Более того, если у нормально подвижной Е. coli
соединить соседние жгутики с помощью бивалентных
антител против флагеллина, это полностью прекращает
движение клетки.
Сопоставляя изложенные выше данные об
ультраструктуре и особенностях движения бактериального
жгутика, можно представить себе следующий механизм.

?1 2- Подвижность прокариотических организмов
Кольцо М, находящееся в липидном слое клеточной
мембраны, способно вращаться. Поскольку оно
соединено со стержнем, вращательное движение сообщится
стержню и через него передастся за пределы клетки на
полужесткий спиральный филамент. Вращающийся фи-
ламент действует подобно винту самолета и заставляет
клетку плыть. Остальные структуры, в частности кольца
Р и L, не имеют прямой связи с вращающим мотором,
а обеспечивают, по-видимому, прохождение стержня
сквозь бактериальные оболочки.
И наконец, нужно выяснить вопрос об источнике
энергии, которая питает этот «ротор». Ларсен и сотр.
[83] в свое время показали, что АТР не является
прямым источником энергии для движения бактериальной
клетки; к этому выводу авторы пришли, изучая
подвижность с помощью различных специфических
ингибиторов, а также у мутантов Е. coli и Salmonella typhimu-
rium с нарушениями на различных этапах окислительного
фосфорилирования. Похоже, что источником энергии
служат какие-то интермедиа™ окислительного
фосфорилирования, один или несколько. Недавние
исследования, проведенные на стрептококках [93] и на Rhodos-
pirillum rubrum [60], подтвердили эти результаты и
показали, что вращение кольца М и, следовательно, самого
жгутика зависит от перемещения протонов из наружной
среды внутрь клетки через клеточную мембрану, т. е.
обусловлено работой протонного насоса. Однако, чтобы
выяснить, как именно за счет переноса протонов сквозь
клеточную мембрану приводится в действие «мотор»
жгутика, необходимы дальнейшие исследования.
2.5. Траектории и изменения
направления движения у бактерий
Жгутик сл,едует считать очень эффективным винтом,
поскольку в нормальных условиях он может обеспечить
невероятно быстрое направленное движение клетки. Так,
например, Е. coli, длина которой не превышает 2 мкм,
может за 1 с покрыть расстояние по крайней мер,е
20 мкм, что сравнимо с бегом лошади со скоростью
2. Подвижность прокариотических организмов 25
180 км/ч. В микроскоп можно наблюдать, что в
отсутствие привлекающих или отталкивающих стимулов
клетка Е. coli движется прямолинейно, временами резко
изменяет направление движения, беспорядочно кидается в
разные стороны, затем снова движется прямолинейно, и
так далее; в результате получается хаотическое
перемещение в пространстве. Необходимо подчеркнуть, что без
дрожания (тамблинга), т.е. хаотических метаний в
разные стороны, бактерия не способна изменить
направление своего движения.
Наблюдения над одножгутиковыми и
многожгутиковыми бактериями показали, что механизм изменения
направления движения всегда требует смены
направления вращения жгутиков на обратное; это может
осуществляться различными способами. Тейлор и Кош-
ланд [155] исследовали, как плавают одножгутиковые
бактерии Pseudomonas citronellotis, и показали, что эти
бактерии движутся по прямой то «головой» вперед под
действием толкающего усилия, развиваемого жгутиком,
то «пятятся», когда направление вращения жгутика
меняется на обратное и жгутик развивает тянущее уси-
Рис. 2.7. Схематическое изображение движения бактерии с • одним
жгутиком: а — бактерия плывет вперед благодаря вращению
жгутика; б — жгутик перестает вращаться и клетка останавливается;
в — вращение жгутика в обратном направлении вызывает движение
«задом наперед». Ломаная линия в нижней части рисунка —это
траектория хаотического движения одножгутиковой бактерии,
которая движется вперед и назад попеременно.

26 2. Подвижность прокариотических организмов
лие, которое заставляет бактерию двигаться назад. Этб
повторяется многократно, и, так как каждый раз
ориентация клетки меняется на угол, который может
достигать 180° (но чаще бывает меньше), в результате полуг
чается ломаная траектория хаотического движения
(рис. 2.7). Во время прямолинейного движения бактерии
вперед жгутик вращается против часовой стрелки, а
когда клетка плывет назад, жгутик вращается по часовой
стрелке.
У свободно плавающих многожгутиковых бактерий
не обнаруживается столь четко выраженного «обратного
хода». Когда клетка 5. typhimurium или Е. coli плывет
в каком-то направлении, все жгутики, как мы уже
видели, держатся вместе, образуя компактный пучок.
Пучок разваливается, когда направление вращения
жгутиков меняется на обратное, и они разлетаются в разные
стороны на короткий промежуток времени, в течение
которого происходит случайная переориентация оси
клетки. Этот период переориентации соответствует тамблин-
гу — неупорядоченному метанию бактерии из стороны в
сторону. Вращение жгутиков в том же направлении
продолжается, они снова собираются в пучок и клетка вновь
приобретает способность плыть прямолинейно, но уже в
новом направлении (рис. 2.8). Когда происходит тамб-
линг, это проявляется в случайно направленной
подвижности в отсутствие каких-либо стимулов к
хемотаксису [91].
Когда вращение жгутика меняется на обратное,
меняется не только направление движения бактерии, но
также и спиральная конфигурация филамента —
происходит переход от спирали с большим шагом к более
закрученной форме. Это предполагает, что меняется
упаковка субъединиц флагеллина, что сопровождается
структурным переходом от левозакрученной спирали к
правозакрученной. Такой переход может быть
обусловлен напряжением кручения, возникающим при изменении
направления вращения жгутика; при этом процесс
распространяется от основания жгутика, где напряжение
кручения наибольшее, к его концу [92]. Как именно эти
изменения влияют на подвижность, можно пока что
только гадать.
2. Подвижность прокариотических организмов 27
Рис. 2.8. Схематическое изображение движения миогожгутиковой
бактерии: а — бактерия плывет вперед, жгутики собраны в
плотный пучок; при изменении направления вращения жгутики
разлетаются во все стороны (б), после чего снова образуют плотный
пучок (в). Ломаная линия — это траектория хаотического движения
многожгутиковой бактерии.
2.6. Управление движением
у бактерий
В среде (жидкой или плотной, типа агарового геля)
с градиентом концентрации аттрактанта или репеллента
жгутиковые бактерии движутся направленно — они
перемещаются к тем областям, где концентрация
аттрактанта повышена или репеллента понижена. Это явление
называется таксис. Оно наблюдается у диких штаммов
жгутиковых бактерий в ответ на химические стимулы
(хемотаксис), изменение температуры (термотаксис) или
освещенности (фототаксис) ' [5, 162]. Эволюционные
преимущества, которые дает система, обеспечивающая
направленное движение к источнику пищи или от
токсических веществ, совершенно очевидны: жгутиковые
бактерии более конкурентоспособны по сравнению с
микроорганизмами, не имеющими жгутиков.
1 Известны также другие виды таксиса. — Прим. ред. перевода.

2. Подвижность прокариотических организмов
Движение бактерии в присутствии химического
стимула (хемотаксис) можно исследовать с помощью
микроскопа, снабженного специальной приставкой, которую
Говард Берг [19] приспособил для наблюдения и
регистрации движений одиночной клетки в пространстве.
Оказалось, что траектория движения бактерии по
направлению к аттрактанту состоит из участков направленного
движения, между которыми находятся области тамблин-
га, т. е. неупорядоченных метаний из стороны в
сторону, подобно тому, что наблюдается при ненаправленной
подвижности. Однако частота метаний меньше, а
отдельные пробеги дольше по сравнению с
ненаправленным движением. В результате происходит хемотаксис
по ломаной траектории. Когда бактерия удаляется от
репеллента, все наоборот: частота метаний повышена, а
прямолинейные пробеги укорочены. Сходный тип
подвижности наблюдается у микроорганизмов с полярно
расположенным жгутиком, с тем только отличием, что
вместо беспорядочных метаний они делают «обратный
ход». Из этих экспериментов ясно, что направленная
подвижность осуществляется посредством усиления или
ослабления тамблинга и изменения длины
прямолинейных пробегов в направлении к действующему стимулу
или от цего.
Бактерии способны ощущать не только
пространственный градиент активных веществ, но и изменение их
концентрации во времени; в ответ на быстрое введение
в ср,еду обитания различных доз репеллентов или ат-
трактантов они изменяют характер своего движения
[90]. При этом возникает преходящее состояние
двигательного возбуждения, которое проявляется в учащении
беспорядочных метаний; по истечении какого-то времени
бактерии возвращаются в «спокойное» состояние. Это
означает, что они реагируют именно на изменение
концентрации химического вещества во времени, но не на
абсолютное ее значение. Более того, бактерии
обнаруживают своего рода кратковременную память. Если
бактерий стимудировать, добавив в среду аттрактант в
определенной концентрации, а затем восстановить
прежнюю нестимулирующую концентрацию, то повторное —
через короткий промежуток времени после первой сти-
2. Подвижность прокариотических организмов 29
муляции—добавление аттрактанта до ранее
эффективных концентраций уже не вызовет соответствующей
реакции. Это указывает на то, что бактерии способны не
только ощущать, но и «запоминать» (на короткое
время) силу стимулирующего сигнала (см. [5, 47]).
Определив главные особенности хемотаксического
управления бактериальным движением, мы перейдем к
анализу элементов системы управления и попытаемся
выяснить, как они связаны с направлением движения
жгутиков. Многие из результатов, которые мы обсудим,
получены в опытах с мутантами, дефектными в том или
ином аспекте проявления хемотаксиса; таких мутантов
обычно называют с/ге_-мутантами. У Е. coli система
управления включает комплекс генов che,
располагающихся на хромосомной карте в трех разных областях,
ответственных за различные звенья реакции хемотаксиса.
С помощью метода, описанного выше для системы генов
fla, были найдены генные продукты большинства из
них — это полипептиды с мол. массами от 8000 до
76 000; их функции также выяснены.
На рис. 2.9 изображена блок-схема системы
хемотаксиса бактерий: ряд рецепторов, воспринимающих
входные сигналы, передает их на систему переработки
сигналов, после чего они поступают в систему управления,
которая посылает сигнал, воздействующий на движение
жгутиков.
Наиболее полные сведения имеются о входных
элементах системы хемотаксиса: известны количества
различных хеморецепторов, их химическая природа, а
также функции. Хеморецепторы узнают аттрактанты сами
по себе — нет необходимости в предварительной
модификации молекулы аттрактанта. Хеморецепторы
отличаются от других рецепторов бактериальной клетки
(например, от рецепторов, «узнающих» бактериофаг, бактерио-
цин и другие раздражители) уникальной способностью
информировать жгутики об обнаружении
соответствующего химического раздражителя. У Е. coli
идентифицировано более 20 различных типов хеморецепторов; одни
из них обеспечивают положительный хемотаксис
(движение по направлению к аттрактанту), другие —
отрицательный хемотаксис (уход от репеллента). К первой

2. Подвижность прокариотических организмов
рецепторы
системы переработки
Рис. 2.9. Гипотетическая блок-схема хемотаксиса у бактерий.
Рецепторы, связав стимулирующую молекулу, передают сигнал на
перерабатывающие системы, от которых он поступает в систему
управления, где трансформируетси в командный сигнал, вызывающий
необходимые изменения вращения жгутико'в.
группе относятся рецепторы к сахарам и аминокислотам,
ко второй — реагирующие на жирные кислоты, спирты,
индольные соединения, на изменение рН и концентрации
ионов металлов. Примечательно, что большинство ат-
трактантов используется в метаболизме, тогда как
репелленты, как правило, представляют опасность для
клетки. По крайней мере в одном случае, а именно для
глюкозы, специфичности рецептора по отношению к ат-
трактанту нет, поскольку этот же сахар может
восприниматься также рецепторами, «узнающими» галактозу
и маннозу.
2.6.1. Природа хеморецепторов
Хеморецепторы — это белки, которые по крайней
мере периодически должны находиться вне клеточной
мембраны, чтобы взаимодействовать с внешними раздра-
2. Подвижность прокариотических организмов 31
жителями. Наряду со своей специфической функцией —
хеморецепцией — цекоторые из этих белков играют
также роль переносчиков, необходимых для
транспортировки определенных молекул через клеточную мембрану.
У Е. coli, например, белок-переносчик галактозы а-ме-
тилгалактозидной транспортной системы одновременно
выполняет функцию хеморецептора по отношению к D-
галактозе, D-глюкозе и D-фукозе [83]. Другой пример —
белок-переносчик рибозы у 5. typhimurium, который
является также и хеморецептором того же сахара [15].
Белки-переносчики легко выделить из бактерий с
помощью осмотического шока, поскольку они находятся в
периплазматическом пространстве (между цитоплазма-
тической мембраной и клеточной стенкой) и связаны с
клеточной мембраной очень слабо. Взаимодействие этих
белков с сахарами, которые они связывают, можно,
следовательно, изучать in vitro.
Чтобы функционировать как хеморецепторы, белки-
переносчики должны уметь взаимодействовать с
элементами системы, перерабатывающей сигналы от
рецепторов и передающей их жгутикам (рис. 2.10). Было
высказано предположение, что система переработки сигналов
активируется в результате конформационных
изменений рецепторного белка при контакте его со
стимулирующим веществом. Эта гипотеза получила эксперимен-
передача к жгутику
t
транспорт галактозы ( система \ транспорт риоозы
Г V I переработки \ ' '<)
Рис. 2.10. Функция рецепторов галактозы и рибозы у Е. coli.
Связав соответствующий сахар, рецептор стимулирует систему
переработки сигналов и одиовремеино участвует в переносе молекулы
сахара внутрь клетки.

2. Подвижность прокариотических организмов
тальное подтверждение пока только в случае белка,
связывающего галактозу. Показано, что образование
комплекса белка с субстратом сопровождается конформаци-
онными изменениями белка [25].
Еще один рецептор к сахарам у Е. coli оказался
ферментом 1Г глюкозофосфотрансферазной системы; этот
фермент прочно связан с клеточной мембраной и
катализирует фосфорилирование Сахаров фосфорилирован-
ным белком [8]. Сравнительно недавно было показано,
что у Е. coli и 5. typhimurium функцию рецептора по
отношению к двухвалентным катионам осуществляет
связанная с мембраной Mg2+, Са2+-зависимая аденозин-
трифосфатаза (Mg2+, Са2+-АТРаза), которая участвует
в синтезе АТР, в конечных этапах окислительного фос-
форилирования, а также в некоторых других
метаболических процессах [179].
2.6.2. Система
переработки сигналов
Природа системы, перерабатывающей сигналы от хе-
морецепторов и передающей их жгутикам, почти
совершенно неизвестна. Первые шаги в этом направлении
удалось сделать благодаря открытию Адлера и Даля [6]:
клеткам Е. coli для осуществления хемотаксиса
требуется L-метионин. Гетеротрофные по метионину мутанты
Е. coli (не способные синтезировать метионин)
нуждаются в постоянном наличии этой аминокислоты в среде
их обитания; в противном случае они теряют
способность к тамблингу и перестают реагировать на аттрак-
танты и репелленты. Метионин расходуется на
образование S-аденозилметионина, роль которого как донора
метальных групп при метилировании белков хорошо
известна [16]. В одной из своих последних работ Спрингер,
Гой и Адлер [143] приводят данные о том, что
метилирование некоторых белков цитоплазмы — так
называемых метил-акцепторных хемотаксических белков
(МХБ) — необходимо для переработки информации,
поступающей от хемосенсорных элементов. МХБ образуют
по крайней мере две функциональные единицы, каждая
из которых необходима для переработки сигналов от
2. Подвижность прокариотических организмов 33
двух различных групп хемосенсоров (идентифицируемых
по их чувствительности к разным молекулам). Кроме
того, было показано, что продукты генов che D и che M
метилируются в ответ на хемотаксические стимулы, в
связи с чем их, следовательно, нужно отнести к МХБ.
Для метилирования продуктов гена che D и гена cheM
требуется экспрессия двух других генов группы che —
гена che X и гена che W [136].
Переработанный входной сигнал, вероятно,
непосредственно передается жгутикам как команда изменить
скорость и направление вращения «ротора». Этот сигнал
может воздействовать на жгутик также и
опосредованно — через белки, находящиеся в клеточной мембране,
которые управляют вращательным механизмом клетки.
Оказалось, что эти белки — конечные продукты генов
mot А и mot В; они входят в состав цитоплазматической
мембраны и локализованы, по-видимому, вокруг базаль-
ного тела жгутика [137].
Рекомендуемая литература
Приведенные ниже работы относятся главным образом к общим
аспектам жгутиковой подвижности у бактерий:
Berg H. С. (1975). How Bacteria Swim, Sci. Amer., 233, 36—44.
Silverman M., Simon M. I. (1977). Bacterial flagella, Ann. Rev.
Microbiol., 31, 397—419.
Simon M., Silverman M., Matsumura P., Ridgway H., Komeda Y.,
Hilmen M. (1978). Structure and function of bacterial flagella.
In: Relations between Structure and Function in the Prokaryotic
Cell (ed. R. Y. Stanier, H. J. Rogers, J. B. Ward), Cambridge
University Press, Cambridge.
MacNab R. M. (1978). Bacterial motility and chemotaxis. Molecular
biology of a behavioural system, CRC Crit. Rev. Biochem., 5,
291—342.
Генетика подвижности рассмотрена в следующих работах:
lino Т. (1977). Genetics of structure and function of bacterial
flagella, Ann. Rev. Genet., 11, 161—182.
Parkinson J. S. (1977). Behavioral genetics in bacteria, Ann. Rev.
Genet., 11, 397—414.
Хемотаксису посвящены следующие обзоры:
Adler J. (1975). Chemotaxis in bacteria, Ann. Rev. Biochem., 44,
341—356.

2. Подвижность прокариотических организмов
Chet I., Mitchell R. (1976). Ecological aspects of microbial chemo-
tactic behaviour, Ann. Rev. Microbiol., 30, 221—239.
Frere J. M. (1977). La chimiotaxie ches les bacteries, Bull Inst
Pasteur, 75, 187—202.
_ Кроме того, работы по различным аспектам подвижности
бактерий можно найти в книге, посвященной примитивным системам
подвижности:
Cell Motility (ed. R. Goldman, Т. Pollard, J. Rosenbaum), Cold
Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor (1976), Section 1,
3. СИСТЕМЫ
ПОДВИЖНОСТИ
ЭУКАРИОТИЧЕСКИХ
КЛЕТОК
Системы, предназначенные для обеспечения
подвижности у эукариотических организмов, имеют сложную
структуру, однако у всех изученных клеток они построены из
удивительно похожих элементов. Компоненты систем
подвижности могут, очевидно, приспосабливаться к любым
ситуациям, будь то свободно живущая амеба, клетка
млекопитающего или клетка ццетка. Сходство в
строении основных компонентов подвижности указывает на
то, что они кодируются генами, которые сохранились
неизменными на протяжении всей клеточной эволюции.
По морфологическим свойствам и по белковому
составу все структуры, создающие движенце у
эукариотических клеток, можно отнести к двум основным
системам. Первая система строится из микротрубочек,
основной компонент которых тубулин, а вторая — из микро-
филаментов, содержащих главным образом актин. Эти
две системы ответственны за различные типы
движения. Микротрубочки связаны с движением ресничек и
жгутиков, миграцией пигментных гранул в хроматофо-
рах, изгибанием аксостилей и т. д., микрофиламенты —■
с амебоидным движением, токами цитоплазмы,
цитокинезом и т. п. Некоторые другие типы движения,
например расхождение хромосом при делении клетки, пока
еще не удалось с определенностью связать с микротру-
бочкамй либо с микрофиламентами.
В системах подвижности, кроме основных белковых
компонентов, идентифицированы также и многие другие
белки. Некоторые из них непосредственно
взаимодействуют с тубулином (динеин) и с актином (миозин) при
генерации движения. Многие другие выполняют регуля-
торные функции либо образуют соединения м,ежду мик-

36 3. Системы подвижности эукариотических клеток
ротрубочками, микрофиламентами и другими
структурами клетки. Хотя в морфологическом и биохимическом
аспектах система микротрубочек и система микрофила-
ментов существенно различаются, некоторые данные
указывают на то, что функционально они могут
перекрываться и находиться в кооперативных отношениях.
Так, например, разветвленная сеть микротрубочек
внутри клетки может служить каркасом для прикрепления
микрофиламентов либо, хотя это менее вероятно, обе
системы могут действовать кооперативно, развивая при
этом сокращающую силу.
Определив в самых общих чертах компоненты систем
подвижности, мы перейдем в следующем разделе к
более детальному рассмотрению их свойств, взаимосвязей
и механизма действия.
3.1. Микротрубочки
Микротрубочки предстали как особые
внутриклеточные структуры (особенно внутри жгутика) благодаря
применению методов электронной микроскопии. В 1946 г.
Джакус и Холл [75] продемонстрировали наличие
одинаковых по диаметру трубчатых структур в ресничках
Paramecium. Впоследствии трубчатые структуры
обнаружили почти во всех клетках. Стали считать, что они
характерны для эукариотического уровня организации.
Однако микротубулярные структуры были обнаружены
и у прокариот — в цитоплазме спирохет [69].
Морфологически и биохимически эти микротрубочки подобны тем,
которые наблюдаются в эукариотических клетках [94].
Это открытие поддержало «экзогенную гипотезу»
происхождения микротрубочек эукариот, согласно которой
реснички и жгутики клеток высших организмов
считаются приобретенными извне — путем симбиоза клеток,
ранее не имевших жгутиков или ресничек, со спирохетами,
содержавшими микротрубочки.
Микротрубочки представляют собой длинные полые
цилиндры, наружный диаметр которых около 24 нм, а
внутренний—15 нм. В большинстве клеток длина
трубочек обычно не превышает нескольких микрон, хотя в
некоторых специализированных клетках, например в мо-
3. Системы подвижности эукариотических клеток 37
Рис. 3.1. Электронные микрофотографии микротрубочек в краевых
областях эритроцитов тритона: а — продольный срез, на котором
видна линейная упаковка субъединиц в микротрубочках; б —
поперечный срез; видно, что стенка каждой микротрубочки
образована тринадцатью субъединицами. Негативное окрашивание. X 200 000.
(Снимки любезно предоставлены д-ром G. Monaco.)
торных нейронах центральной нервной системы,
трубочки могут быть длиной в несколько сантиметров. Стенка
микротрубочки (около 5 нм толщиной) построена из
продольно ориентированных протофибрилл. Протофиб-
риллы состоят из глобулярных субъединиц (их очень
хорошо видно в электронный микроскоп при негативном
окрашивании), содержащих только один белок—тубу-
лин (рис. 3.1). Помимо того что микротрубочки имеют
прямое отношение к подвижности клетки, они
участвуют и в других процессах, более или менее связанных
с подвижностью, например в поддержании формы
клетки, во внутриклеточном транспорте веществ, в секреции
клеточных продуктов, в движении хромосом при делении
клетки и, возможно, в осуществлении сенсорных связей,
а также в перемещении компонентов клеточной
мембраны [107, 149]. Микротрубочки могут быть рассеяны по
всей цитоплазме, а могут быть собраны в
организованные структуры.

38 3. Системы подвижности эукариотических клеток
Чтобы понять, как клетка движется с помощью
микротрубочек, мы рассмотрим их организацию в ресничках
и жгутиках эукариотических клеток, в сократимом аксо-
стиле некоторых жгутиконосцев, а также в микротубу-
лярной сети цитоплазмы животных клеток.
3.1.1. Микротрубочки
в ресничках и жгутиках
Эукариотические реснички и жгутики представляют
собой специализированные структуры, выступающие за
пределы клеточной поверхности и способные двигаться.
Эти два типа органелл идентичны по своей структуре; в
функциональном отношении между ними
обнаруживаются лишь незначительные различия. Жгутики и реснички
удается легко и в довольно больших количествах
отделить от клеток, иногда просто энергичным
встряхиванием клеточной суспензии. Это облегчило исследование их
структуры и химического состава.
Структурная организация ресничек и жгутиков
практически во всех исследовавшихся клетках отличается
удивительным единообразием: центральную пару
микротрубочек окружа,е,т кольцо из микротрубочек (обычно
парных) [139]. Микротрубочки связаны между собой
поперечными мостиками; вся конструкция называется ак-
сонемой жгутика. Расположение микротрубочек и
мостиков в аксонеме изучено в настоящее вр,е,мя довольно
подробно; оно схематически представлено на рис. 3.2.
В центре находится пара микротрубочек, окруженных
общей оболочкой из белковых колец, плоскость которых
наклонена к оси аксонемы. Стенка каждой из
центральных микротрубочек образована тринадцатью
продольными рядами (протофибриллами) белковых субъединиц.
Эту центральную структуру окружают девять
расположенных по кольцу пар микротрубочек. В каждом
дублете одна микротрубочка (основная или А) им,еет
полностью замкнутую стенку, состоящую из 13 прото-
фибрилл (рис. 3.3); другая микротрубочка
(микротрубочка В) имеет серповидное сечение и примыкает к
микротрубочке А, так что ее стенка состоит из меньшего
3. Системы подвижности эукариотических клеток 39
сцбволокно А
о\
6\
в<
Рис. 3.2. Схематическое изображение аксонемы жгутика. Показана
взаимосвязь между элементами структуры на разных уровнях: а —
на конце жгутика, б — в средней части и в — на уровне базаль-
ного тела.

40 3. Системы подвижности эукариотических клеток
Рис. 3.3. Схематическое изображение расположения тубулиновых
субъединиц в микротрубочке: а — поперечный срез; б — вид сбоку.
числа протофибрилл, обычно из 10. Каждая
микротрубочка А соединена с микротрубочкой В соседнего
дублета с помощью мостика из белка, называемого некси-
ном. От обращенной внутрь поверхности микротрубочки
А отходит по направлению к центру белковый выступ —
так называемая радиальная спица. Вдобавок каждая
микротрубочка А имеет двойной ряд боковых ручек
(их длина около 14 нм), построенных из белка (динеи-
на) и направленных к соседнему дублету. Все эти
выступы расположены с определенной периодичностью
относительно оси микротрубочки А и, как будет видно из
дальнейшего, играют очень важную роль в генерации
движения.
Описанное выше строение аксонемы соответствует
всей средней части жгутика, т. е. за исключением его
концевой части и основания, где аксонема устроена
несколько иначе. На самом конце центральная пара
микротрубочек обычно длиннее, чем окружающие ее
периферические дублеты, так что жгутик на конце заострен.
Нередко микротрубочки В бывают короче
микротрубочек А, и периферические дублеты вблизи конца
жгутика переходят в одиночные трубочки (рис. 3.2). На
одиночных микротрубочках А в этой области жгутика
выступов нет [129].
3. Системы подвижности эукариотических клеток 41
Специализированная структура — базальное тело, —
из которой исходит жгутик, находится в цитоплазме
клетки у основания жгутика. Она может быть различна
в клетках разных типов, однако при этом основные,
общие черты сохраняются. В базальном теле ресничек
Tetrahymena piriformis наряду с микротрубочками А и
В имеются еще микротрубочки С (они образованы
десятью протофибриллами), так что по периферии
реснички располагаются не дублеты, а триплеты
микротрубочек. Эти триплеты связаны' между собой боковыми
выступами (поперечными мостиками) и прикреплены к
центральному кольцу радиальными спицами (рис. 3.2).
Базальное тело реснички или жгутика по своей
структуре, похоже на центриоль животных клеток. И базальное
тело, и центриоль действуют как организаторы
ассоциации микротрубочек; в первом случад образуется
ресничка или жгутик, во втором — митотическое веретено.
Еще одна интересная часть жгутика — это так
называемый воротничок, кольцевой валик, окружающий
основание жгутика там, где он выходит из клетки. В
электронный микроскоп на поперечных срезах воротничка в
этой области видны волокнистые соединения между
периферическими дублетами жгутика и внутренними
слоями клеточной мембраны. Они жестко закрепляют
микротрубочки в клеточной мембране и участвуют в движении
жгутика.
Подвижность ресничек и жгутиков обусловлена
свойствами именно аксонемы, но не других компонентов этих
органелл (т. е. клеточной мембраны, цитоплазмы и др.).
Это наглядно продемонстрировали Джиббонс и Джиб-
бонс [55], которым удалось получить интактные
аксонемы из хвостов сперматозоидов морского ежа (мембраны
лизировали неионным детергентом тритон Х-100) и
вызвать движение аксонем, добавив АТР в качестве
источника энергии1.
1 Этот эффект впервые кродемонстрировали на глицеринизиро-
ванных моделях ресничек мерцательного эпителия В. Я- Александров
и Н. И. Арронет (ДАН СССР, 1956, ПО, 457—460). — Прим. ред.
перевода.

3. Системы подвижности эукариотических клеток •
3.1.2. Микротрубочки
сократимого аксостиля
Сократимый- аксостиль некоторых жгутиковых — еще
один пример подвижной структуры, в которой
способность к движению обусловлена микротрубочками.
Аксостиль— это палочковидная или же лентообразная орга-
нелла, которая проходит через всю цитоплазму от
одного конца клетки до другого (рис. 3.4). Эту структуру
впервые описал Грасс, который изучал симбиотических
жгутиковых, живущих в кишечнике термитов и древояд-
ных тараканов [61]. Аксостиль способен совершать
волнообразные, движения, причем волны, возникающие на
его переднем конце, распространяются по всему аксости-
лю к его противоположному концу. В результате форма
клетки непрерывно меняется и именно благодаря
движению своей поверхности клетка перемещается [62]. Аксо-
стили можно извлечь, лизировав клетки с помощью
тритона Х-100, и затем очистить от других клеточных ком-
Рис. 3.4. Сократимый аксостиль Metamonadida: a — расположение
аксостиля в теле клетки; б — схематическое изображение
параллельной упаковки микротрубочек.
3. Системы подвижности эукариотических клеток
понентов дифференциальным центрифугированием.
Изолированные аксостили, как и аксонемы, способны
двигаться при добавлении АТР [99].
Что касается ультраструктуры, аксостиль состоит из
параллельных листов, каждый из которых построен из
множества микротрубочек. Число листов, образующих
аксостиль, и число микротрубочек в каждом листе
варьируют в зависимости от вида микроорганизма.
Относительно небольшие аксостили состоят всего из двух-
трех листов по 20—30 миктротрубочек в каждом, тогда
как более крупные аксостили построены из 20—30
листов, в каждом из которых около 150 микротрубочек. Это
означает, что суммарное число микротрубочек может
варьировать от менее чем 100 до более чем 5000. Листы
в аксостиле находятся на расстоянии приблизительно
30 нм друг от друга, а соседние микротрубочки одного
и того же листа — около 40 нм (от центра до центра)
[99]. Белковые мостики, расположенные в определенном
порядке вдоль микротрубочек, соединяют их между
собой в пределах каждого листа, а также, возможно,
соединяют и трубочки соседних листов. Микротрубочки,
находящиеся в соседних листах, соединяются, кроме
того, динеиновыми ручками (см. рис. 3.4,6). Такая
структура подвижна, так как построенные из микротрубочек
листы могут скользить друг относительно друга.
Аксонемы в аксоподиях солнечника [161], ротовом
желобке ресничной инфузории Nassula [163], щупальцах
сосущих инфузорий [67, 164], а также микротрубочки в
хвостах сперматозоидов червеца Planococcus [125] тоже
построены из связанных между собой микротрубочек,
образующих упорядоченные структуры. (Для более
детального ознакомления с перечисленными выше
примерами читателю следует обратиться к оригинальным
работам, приведенным в списке цитируемой литературы.)
3.1.3. Цитоплазматические
микротрубочки животных клеток
За последние десять лет существенно возрос интерес
к изучению микротрубочек и микрофиламентов в меди-
кобиологическом аспекте, что способствовало быстрому

44
3. Системы подвижности эукариотических клеток
развитию исследований тонкой структуры и биохимии
этих объектов в клетках млекопитающих. Благодаря
применению двух методических приемов возможности
выявления таких легко повреждаемых структур, как ци-
топлазматические микротрубочки, чрезвычайно
расширились. Один из этих приемов — альдегидная фиксация
(в частности, глутаральдегидом), которая позволяет
хорошо сохранять цитоплазматические органеллы [127].
В большинстве исследованных клеток нашли
образования, весьма сходные с микротрубочками жгутиков
по своей тонкой структуре. Оказалось, что митотическое
веретено состоит в основном из микротрубочек, они.
рассеяны также и в цитоплазме, где их распределение
зависит от типа клетки. Обычные методы электронной
микроскопии не позволяют получить общую картину
распределения микротрубочек в цитоплазме,
интерфазной клетки; приходится применять трудоемкий метод
трехмерной реконструкции по серии последовательных
срезов. Такую реконструкцию удалось осуществить с
помощью флуоресцирующих антител на тубулин: клетки,
приклеенные к предметному стеклу, обрабатывают
флуоресцирующими антителами, которые специфически
окрашивают только тубулин, это позволяет увидеть
цитоплазматические микротрубочки в микроскоп в
ультрафиолетовом свете [51, 172]. Вначале для выработки
антител использовали тубулин из хвостов сперматозоидов
морского ежа Strongylocentrotus purpuratus (эти
антитела дают перекрестную реакцию преципитации с тубу-
лином млекопитающих, что указывает на высокую
консервативность аминокислотной последовательности тубу-
лина в процессе эволюции). В последнее время для этого
стали применять высокоочищенный препарат тубулина
из мозга млекопитающих; с помощью выработанных
против него антител удалось подтвердить и дополнить
ранее полученные данные о распределении
микротрубочек в цитоплазме различных клеток.
В качестве примера in vivo мы рассмотрим микроту-
булярную структуру в культуре животных клеток. В
цитоплазме фибробластов в состоянии интерфазы
обнаруживается огромное количество тончайших волоконец
одинакового диаметра. Часто эти волоконца радиусами
3. Системы подвижности эукариотических клеток
45
Рис. 3.5. Распределение микротрубочек в цитоплазме клетки на
разных фазах жизненного цикла (данные получены с помощью
флуоресцирующих антител): а — интерфаза: микротрубочки образуют в
цитоплазме тонкую сеть; б — профаза: флуоресценция
сосредоточена в области центриолей; в — метафаза и г — анафаза:
флуоресцируют микротрубочки митотического веретена; <Э — дочерние клетки
расходятся: флуоресценция видна только в соединительном мостике
между ними.
расходятся от ядра, почти достигая поверхности клетки;
иногда они образуют неупорядоченные пучки, которые
располагаются параллельно цитоплазматической
мембране, что особенно заметно в местах выпячивания
псевдоподий (рис. 3.5). Если разрушить микротрубочки
колхицином, снижением температуры или повышением
давления, волоконца исчезают и клетка теряет свою форму.
Когда действие этих ингибиторов прекращается,
структура микротрубочек восстанавливается и клетка вновь
обретает нормальную форму [171, 172]. В клетке,
приближающейся к моменту деления, флуоресценция
цитоплазмы (обусловленная флуоресцирующими антителами
на тубулин микротрубочек) сгущается возле ядерной
мембраны — в двух противолежащих областях, соот-

46
3. Системы подвижности эукариотических клеток
детствующих центриолям; у клеток в прометафазе
видны две флуоресцирующие звезды. По мере развития
митоза происходит дальнейшее сгущение флуоресценции,
и ц метафазе интенсивно светится лишь митотическое
веретено клетки, а в экваториальной плоскости — там, где
расположены сконденсировавшиеся хромосомы,
флуоресценция отсутствует. Флуоресценция веретена начинает
уменьшаться с наступлением анафазы (так как
разрушается веретено), и к моменту разделения двух
дочерних клеток светится только мостик между клетками, в
котором видно много микротрубочек. Когда дочерние
клетки окончательно отделяются друг от друга,
восстанавливается исходная картина распределения тонких цито-
плазматических микротрубочек [51, 171, 172]. Эти
результаты указывают на то, что в клетках
млекопитающих существует цикл микротрубочек, параллельный
циклу развития клетки; в соответствии с нуждами
клетки микротрубочки образуют т,е, или иные структуры,
необходимые на данном этапе развития клетки.
Цитоплазматические микротрубочки, конечно, не
могут генерировать движение клетки, как это делают
микротрубочки жгутиков или аксостиля. Однако на том
основании, что в некоторых типах культур клеток под
действием ингибиторов, вызывающих деструкцию
микротрубочек, нарушается способность клеток двигаться
направленно [22, 58], было сделано предположение, что
цитоплазматические микротрубочки все же имеют
значение для подвижности клетки [59]. Что касается
различных типов амебоидного движения, то здесь совершенно
ясно, что если цитоплазматические микротрубочки и
принимают в них какое-то участие, то только
вспомогательное.
3.2. Состав микротрубочек
Основной белок, из которого построены
микротрубочки,— это тубулин; другие белковые компоненты
присутствуют в меньших количествах и их называют белками,
связанными с микротрубочками.
3. Системы подвижности эукариотических клеток
47
3.2.1. Тубулин
Тубулин имеет изоэлектрическую точку в области
рН 5,2—5,4. Он обычно выделяется в виде димеров с
мол. массой 115000; это так называемый бБ-тубулин.
При обработке димеров тубулина такими
денатурирующими агентами, как мочевина, гуанидин или додецил-
сульфат натрия, образуются ЗБ-субъединицы,
называемые а- и р-тубулин. Они имеют одинаковую мол. массу
55000, но различаются по аминокислотному составу [27]
и по последовательности аминокислот [89]. Как недавно
показали Брайан и сотр. [28], основное различие .между
субъединицами обусловлено не посттрансляционной
модификацией (хотя она и может происходить), поскольку
каждая из субъединиц кодируется своей мРНК (эти
мРНК удалось выделить из мозга куриных эмбрионов)..
Посттрансляционная модификация тубулина тем н,е
менее имеет место. Тубулин может связываться с гуани-
новым нуклеотидом (например, с GTP), для которого в
каждом димере есть два центра связывания с разным
сродством [21, 150]. Возможно также фосфорилирование
сериновых остатков тубулина протеинкиназой,
активируемой сАМР. Показано, что это происходит в р-субъ-
единицах цитоплазматического тубулина [43] и в а-субъ-
единицах тубулина жгутиков Chlamydomonas [114].
Третий вид модификации — это специфическое присоедиг
нение тирозина (или фенилаланина) к С-концу а-субъ-
единицы [18]. Эту реакцию катализирует специальный
фермент — тубулин :тирозин лигаза, который широко
распространен в тканях птиц и млекопитающих [122].
Значение двух последних превращений пока неясно. Что
касается связывания GTP, то это обычное свойство
тубулина, имеющее отношение к самосборке
микротрубочек.
Помимо нуклеотидов, фосфата и аминокислот, тубу?
лин специфически связывает двухвалентные катионы,
например Mg2+ (1 моль димеров тубулина Прочно свя:
зывает по крайней мере 1,0 моль Mg2+ [108]); кроме
того, в определенных стехиометрических соотнощениях
он связывает такие алкалоиды, как колхицин [175] и
винбластин [176]. Последнее имеет существенное значе-

48
3. Системы подвижности эукариотических клеток
ние, так как эти алкалоиды избирательно угнетают
различные проявления активности микротрубочек, что
широко используется для исследования реакций,
протекающих с участием этих структур, в опытах как in vitro,
так и in vivo.
Исследование тубулина из клеток различных типов
показало, что большинство его физико-химических
свойств высококонсервативно, т. е. мало изменялось в
процессе эволюции. Все изученные тубулины из
различных источников име.ют одинаковую молекулярную массу
и одну и ту же электрофоретическую подвижность.
Более того, по предварительным данным об
аминокислотной последовательности а- и р-субъединиц тубулина из
аксонемы хвостов сперматозоидов морского ежа и цито-
плазматического тубулина из мозга куриных эмбрионов
в первых 25 остатках N-конца а-субъединиц нет
никаких различий, а в р-субъединицах обнаружена замена
только одной аминокислоты (остаток 7) [89].
Иммунологическими методами также подтверждается отсутствие
видовой специфичности тубулинов различного
происхождения; показано, что есть перекрестная реакция между
тубулином млекопитающих и тубулинами морского ежа
[33, 51], одноклеточной двухжгутиковой водоросли
Chlamydomonas reinhartii [115] и миксамеб слизистого
гриба Dictyostelium discoideum [30]. Тубулин из мозга
млекопитающих может также сополимеризоваться (т. е.
образовывать гибридные микротрубочки) с тубулином
дрожжей [170], плесневых грибов [132] и миксомицетов
[29]. Эти результаты демонстрируют, что тубулины
различного происхождения химически очень похожи, хотя
и не идентичны.
Другой интересный вопрос: возможно ли, что в
пределах одной и той же клетки есть различные классы
тубулина, которые могут быть нужны для построения
различных структур? Такая возможность предполагает, что
либо есть различные наборы тубулиновых генов, либо
происходят различные посттрансляционные модификации
исходно одинаковых молекул. Действительно, на
разнообразных объектах удалось продемонстрировать
присутствие в одной клетке не вполне одинаковых тубулинов.
У амебоидных простейших Naegleria gruberi, которые
3. Системы подвижности эукариотических клеток 49
в условиях эксперимента могут синхронно
дифференцироваться, переходя в жгутиковую форму, Фалтон и его
сотрудники [50, 81, 82] обнаружили антигенную
неидентичность жгутикового и цитоплазматического тубулинов
и показали, что жгутиковый тубулин синтезируется
de novo, когда начинают формироваться жгутики. Сте-
фенсу [148] удалось разделить микротрубочки А и В из
внешних дублетов хвостов сперматозоидов морского ежа
и показать, что а- и р-субъединицы в микротрубочках А
и В имеют разный аминокислотный состав и по-разному
расщепляются трипсином. Эти результаты согласуются
с гипотезой о том, что в клетке есть различные
тубулины, которые имеют разную структуру и разные свойства
при агрегации; это, вероятно, необходимо для
выполнения микротрубочками различных функций. Если это
так, то тубулин обнаруживает удивительное сходство с
другим белком, участвующим в осуществлении
подвижности, а именно с актином. Для актина небольшие
химические вариации обнаружены не только в связи с
его видовыми особенностями, но также и в пределах
одной и той же клетки.
3.2.2. Белки,
связанные с тубулином
Связанные с тубулином белки — это необходимые
компоненты микротубулярной системы; они участвуют
в построении элементов ее структуры и в осуществлении
ее функций. Они могут принимать участие в генерации
движения, в процессе сборки (либо дезагрегации)
микротрубочек или же соединяют микротрубочки с другими
структурами клетки (см. табл. 3.1). Таким образом
взаимодействующие с тубулином белки образуют с ним
единую систему с точки зрения как структуры, так и
функции. Большая часть данных о белках, связанных с
тубулином, получена при исследовании аксонем
жгутиков и ресничек и цитоплазматических микротрубочек
из мозговой ткани.
Аксонема ресничек и жгутиков представляет собой
весьма сложную структуру, построенную из многих бел-

50
3. Системы подвижности эукариотических клеток
Таблица 3.1
Некоторые из белков, взаимодействующих с тубулином .
или микротрубочками
Белок
Вид активности
Источник белка
В аксонеме жгутиков:
Динеин 1
Динеин 2
Нексин
В цитоплазматических
микротрубочках:

Высокомолекулярные белки/БСМ1
\БСМ2
Тау-белок
Протеинкиназа
АТРазная активность;
генерация движения
Образование мостиков
между соседними
дублетами
Хвосты
сперматозоидов морского ежа
Инициирование сбор- Мозг телят
ки и регулирование
длины
микротрубочек (?)
Содействие самосбор- То же
ке тубулина в
кольца или
микротрубочки (?)
Фосфорилирование »
субъединиц тубулина
ков. Поэтому при электрофорезе аксонем из хвостов
сперматозоидов морского ежа в полиакриламидном геле
в присутствии такого денатурирующего агента, как до-
децилсульфат натрия, удается идентифицировать по
крайней м,ере 20—30 полипептидных полос. Две из них
наиболее интенсивны: одна соответствует тубулину
(который в этих условиях мигрирует в виде субъединиц с
мол. массой около 55 000) и другая —
высокомолекулярному белку (мол. масса > 300 000) динеину. Жгутиковый
динеин, впервые очищенный Джиббонсом [56], образует
ручки на микротрубочках А периферических дублетов
аксонем (см. рис. 3.2). Он обладает аденозинтрифосфа-
тазной активностью. В хвостах сперматозоидов
морского ежа (так же, как и в других системах) присутствуют,
по-видимому, два изофермента динеина, которые можно
разделить методом дифференциальной солюбилизации в
солевых растворах. Динеин 1 существенно преобладает,
3. Системы подвижности эукариотических клеток 51
и именно из него состоят ручки микротрубочек. Второй
изофермент — динеин 2—содержится в гораздо
меньших количествах; он, вероятно, непосредственно не
участвует в генерации движения, а играет в этом
процессе регуляторную роль. Этот вопрос нуждается,
однако, в дальнейшей проверке [57]. Ряд данных указывает
на то, что динеин благодаря своей АТРазной активности
играет основную роль в активном скольжении соседних
дублетов микротрубочек друг относительно друга,
которое делает возможным движение жгутика.
Опять-таки на материале из хвостов сперматозоидов
морского ежа (очень удобный объект, дающий
возможность выделять довольно большое количество аксонем)
удалось охарактеризовать другой белок, также
связанный с микротрубочками А. Это растворимый в кислой
среде-полипептид с мол. массой около 165000, который
получил название нексин [146], потому что он связывает
два соседних (т. е. ближайших, по-английски next)
дублета. Он, вероятно, ограничивает степень смещения двух
соседних дублетов при их скольжении друг
относительно друга во время движения жгутика.
Вовсе не просто разобраться в химическом составе и
функциональной роли других элементов аксонемы
жгутиков. Есть два подхода к решению этой задачи. Можно
очистить аксонемы с помощью физико-химических
методов, а можно изучать химический состав и
ультраструктуру у мутантных организмов с нарушенной активностью
жгутиков. Необходимо отметить, что второй подход,
хотя он и представляется более разумным и
плодотворным, трудно применить в случае сложных организмов.
Линку [87] с помощью ряда сложных методов
(дифференциальное растворение элементов аксонемы,
электронно-микроскопическое наблюдение происходящих
структурных изменений, электрофоретический анализ
химического состава) удалось получить микротрубочки А
вместе с прикрепленными к ним дополнительными
структурами. При этом он показал, в частности, что
10 минорных белков наружных дублетов локализовано
именно в микротрубочках А. Изучение мутантов СЫа-
mydomonas с парализованными или аномально
двигающимися жгутиками позволило соотнести соответствую-

52 3. Системы подвижности эукариотических клеток
щие структуры с отдельными белками. Так, например,
сопоставив электрофореграммы аксонем диких штаммов
и мутантов, лишенных радиальных спиц, удалось
установить, что основной материал спиц — это белок с мол,
массой 118 000. Изучение мутантов без центральных
микротрубочек и без окружающей их оболочки
позволило идентифицировать три полипептида с мол. массами
более 220 000; эти белки образуют оболочку [177].
Вполне вероятно, однако, что состав аксонемы
сложнее, чем получается по данным описанных выше
методов, так как разрешающая способность электрофореза
могла быть недостаточна. Действительно, применив
двумерную изоэлектрофокусировку в сочетании с гель-
электрофорезом в додецилсульфате натрия, в составе
аксонемы диких штаммов Chlamydomonas удалось
выявить по крайней мере 100 полицедтидов. С помощью
того же метода исследовали мутантов с аксонемой без
радиальных спиц и обнаружили, что у таких организмов
не хватает 12 белков [116]. Эти результаты показывают,
как сложна эта система белков и как много надо
сделать для выяснения ее состава.
С другой стороны, оказалось приятной
неожиданностью, что система белков, связанных с цитоплазматиче-
скими микротрубочками, как сейчас представляется, не
так сложна, как в жгутиках. Возможно, однако, что
меньшая сложность белков, связанных с микротрубочками,
свойственна именно клеткам нервной системы, которые
пока что были практически единственным объектом
такого рода исследований. Современные представления о
свойствах тубулина основываются на данных о тубулине
из мозговой ткани, который иссл.едован лучше всего, так
как был найден простой метод его получения в
довольно больших количествах из мозга млекопитающих
(экстракты которого содержат более 20% тубулина от
общего количества белка) с помощью многократно
повторяемых циклов полимеризации — деполимеризации
микротрубочек при изменении температуры [133, 174].
При получении тубулина методом полимеризации —
деполимеризации микротрубочек другие белки также
подвергаются очистке и выделяются вместе с тубулином в
стехиометрических соотношениях. Было показано, что
3. Системы подвижности эукариотических клеток 53
эти сопутствующие белки (сокращенно их называют
БСМ — белки, связанные с микротрубочками) связаны
не только с интактными микротрубочками в клетках
центральной нервной системы, но и с цитоплазм
этическими микротрубочками и микротрубочками митотичес-
кого веретена клеток других типов.
Хотя в разных лабораториях условия очистки не
совсем одинаковы и есть существенные различия между
выделяемыми препаратами белков, связанных с
микротрубочками, удается достаточно надежно
идентифицировать и охарактеризовать две группы БСМ
(см. табл. 3.1). Наиболее обширную из них составляют
высокомолекулярные белки, подвижность которых при
электрофорезе в полиакриламидном геле соответствует
мол. массе около 300 000 [24]. На эти белки в некоторых
препаратах микротрубочек приходится около 20% от
содержания тубулина. По данным электронной
микроскопии высокомолекулярные БСМ образуют тонкие
выступы, равномерно распределенные вдоль микротрубочек
[101]. По высокой молекулярной массе этих белков и их
способности образовывать боковые ручки их можно
было бы считать похожими на динеин. Однако в отличде
от последнего в них не обнаружена АТРазная
активность и нет указаний на то, что они участвуют в
движении микротрубочек. Другая группа БСМ — белки с мол.
массой около 70000. В некоторых лабораториях
получены препараты тубулина, в которых этим белкам
соответствует одна полоса при электрофорезе и они названы
тау-белком [173]. Показано, что флуоресцирующие
антитела против тау-белка локализуются в цитоплазмати-
ческих микротрубочках; этот белок способствует,
по-видимому, их сборке.
Стимулируемая циклическим AMP протеинкиназа,
ответственная, по-видимому, за посттрансляционное
фосфорилирование тубулина, также может быть
отнесена к БСМ, поскольку показано, что она связывается с
тубулином в определенных стехиометрических
соотношениях, которые не изменяются в течение нескольких
циклов очистки путем полимеризации — деполимеризации
микротрубочек [140].

54 3. Системы подвижности эукариотических клеток
3.3. Самосборка микротрубочек
и ее регуляция
В любой живой клетке происходит агрегация тубу-
лина с образованием микротрубочек и распад этих
структур. Вопрос о том, как регулируются процессы
сборки и деструкции микротрубочек имеет
первостепенное значение для понимания многих проявлений
жизнедеятельности клетки.
3.3.1. Самосборка in vitro
Изучение in vitro полимеризации тубулина,
выделенного из нервных клеток, оказалось ценным источником
информации для понимания механизма сборки
микротрубочек in vivo и путей управления этим процессом.
В этом разделе мы прежде всего рассмотрим сборку
микротрубочек in vitro и затем обсудим, что может
происходить в живой клетке.
Если нейротубулин находится в растворе в виде ди-
меров в присутствии связанных с ним белков, то в
определенных условиях легко идет процесс самосборки.
Полимеризация происходит в условиях умеренной
ионной силы, при слабо кислом рН (около 6,6—6,7), в
присутствии нуклеотидов (GTP) и ионов магния.
Направление реакции зависит также от температуры: in vitro
при физиологических температурах идет полимеризация
тубулина с образованием микротрубочек, а снижение
температуры до 0°С вызывает их быструю
деполимеризацию (рис. 3.6). Реакцию полимеризации можно ре-
Рис. 3.6. Реакция полимеризации димеров тубулина с образованием
микротрубочек. Указано влияние двухвалентных ионов и
температуры.
3. Системы подвижности эукариотических клеток 55
гистрировать спектрофотометрически — по изменению
светорассеяния — или же с помощью вискозиметра — по
изменению вязкости раствора. Образование
микротрубочек можно наблюдать также в электронный микроскоп
[53, 142]. Ясно, что в такой простой системе in vitro
легко можно порознь оценить эффект различных
параметров, влияющих на реакцию полимеризации. В частности,
было установлено, что полимеризации способствуют
высокие концентрации сахарозы или глицерина, тогда как
полианионы (РНК, алкалоиды типа колхицина)
угнетают полимеризацию. С помощью упомянутых методов
детально исследовали влияние различных ионов и GTP.
Эти данные представляют особый интерес в связи с тем,
что такие вещества можно рассматривать как
возможные регуляторы полимеризации тубулина in vivo.
Высокие концентрации двухвалентных катионов
угнетают самосборку микротрубочек. Особенно активным
ингибитором является Са2+: в концентрациях выше
1,0 мМ он угнетает полимеризацию на 50%. GTP
необходим для полимеризации в концентрациях, по крайней
мере эквимолярных количеству димеров тубулина. По-
видимому, GTP гидролизуется при полимеризации
тубулина: недавно была обнаружена йТРазная активность
растущих концов микротрубочек [34]. Однако GTP
можно заменить его негидролизуемыми аналогами
(например, 5'-гуанозинметилендифосфонатом), при этом
полимеризация тубулина все равно стимулируется. Это
позволяет предполагать, что роль GTP заключается в том,
чтобы поддерживать определенное конформационное
состояние тубулина, благоприятное для его
полимеризации. Расщепление концевой фосфатной связи GTP,
вероятно, сдвигает равновесие реакции в сторону
образования микротрубочек [17]. Однако GTP не используется
при этом в качестве источника энергии, поскольку, как
показывают эксперименты с негидролизуемыми
аналогами GTP, сборка микротрубочек не требует затраты
энергии.
Приведенные выше данные получены на таких
препаратах нейротубулина, которые содержали также
сопутствующие белки (белки, связанные с микротрубочками).
В экспериментах со специально очищенными препарата-

3. Системы подвижности эукариотических клеток
ми, содержавшими только тубулиновые субъединицы
(т. е. без БСМ), самосборка микротрубочек не
наблюдалась, полимеризация такого тубулина происходила
только в особых экспериментальных условиях (см. [64, 66]).
На этом основании заключили, что белки, связанные с
микротрубочками, выполняют также регуляторную
функцию в реакции полимеризации тубулина, и было
затрачено много усилий, чтобы выяснить эту функцию.
Прежде чем перейти к вопросу о регуляторной функции
связанных с микротрубочками белков, мы рассмотрим
вкратце сам процесс полимеризации. Модель
самосборки микротрубочек основана на результатах Киршнера и
его сотрудников [112], которым удалось проследить
изменение тонкой структуры при формировании
микротрубочек и применить количественный метод (рис. 3.7). Они
обнаружили, что еще до начала полимеризации в
препаратах тубулина наряду с растворимыми димерами
присутствует небольшое количество колец и спиралей из
полимеризованного тубулина со средним коэффициентом
седиментации 36S. Показано, что эти кольца
необходимы для последующей реакции полимеризации, так как
если удалить их с помощью ультрацентрифугирования,
дальнейшая полимеризация невозможна. Когда реакцию
полимеризации запускают, добавляя к реакционной
смеси GTP и повышая температуру до требуемого уровня, в
первые же, минуты происходит формирование спирально
закрученных лент. Далее димеры тубулина
продолжают прикрепляться к этим лентам до тех пор, пока не
образуются тринадцать протофибрилл. Когда эта стадия
достигнута, ленты сворачиваются в цилиндры — отрезки
будущих микротрубочек [112]. Далее микротрубочки
удлиняются благодаря тому, что димеры прикрепляются
к торцам этих отрезков (рис. 3.8). Учитывая, как
протекает процесс сборки, можно лучше представить себе
влияние различных белков, связанных с
микротрубочками, на их формирование. Относительно тау-белка
показано, что он прежде всего участвует в образовании
исходного ЗбБ-тубулина (кольца и спирали), без которого
невозможна самосборка микротрубочек, но, похоже,
играет роль и в наращивании отрезков микротрубочек.
Высокомолекулярные белки (БСМ-1 и БСМ-2) оказы-
3. Системы подвижности эукариотических клеток 57
Рис. 3.7. Схематическое изображение стадий сборки микротрубочек
in vitro: a — кольца и спирали из тубулина, одновременно
присутствуют свободные димеры; б — формирование ленточных структур;
в — свертывание листовых структур—■ начало образования
микротрубочек; г — готовая микротрубочка [112].
10 12 14 16 18 20
Время, мин
Рис. 3.8. Доля белка, присутствующего в виде колец (□)
лент (А) и микротрубочек (О) на разных стадиях
полимеризации [112].

58
3. Системы подвижности эукариотических клеток
вают сходное действие; известно, что они увеличивают
не только начальную скорость самосборки, но и общее
число готовых микротрубочек, т. е. ускоряют
наращивание отрезков. Есть даже данные о том, что ускорение
роста отрезков — основной вид регуляторной активности
высокомолекулярных белков [141]. Возможно, что
другая их функция заключается в формировании
связующих мостиков между микротрубочками и другими
элементами каркаса клетки, например микрофиламентами
и промежуточными филаментами.
Многообещающий подход к проблеме самосборки
микротрубочек и ее регуляции заключается в изучении
действия на системы in vitro некоторых
внутриклеточных структур — так называемых центров организации
микротрубочек, которые способствуют сборке
микротрубочек в клетке. Этот вопрос еще недостаточно
исследован, однако похоже на то, что эти структуры, будучи
выделены из клетки, сохраняют способность
функционировать сходным образом и в системах in vitro. Это
показано для суспензий базальных тел жгутиков и кине-
тохор, полученных из метафазных хромосом.
3.3.2. Самосборка микротрубочек in vivo
Плодотворный метод изучения сборки микротрубочек
(в частности, исследование влияния условий внешней
среды, таких, как температура или давление, а также
фаз жизненного цикла клетки и связанных с ними
событий) — прямое наблюдение в микроскоп формирования
митотического веретена в процессе клеточного деления.
С помощью высокочувствительной поляризационной
оптики некоторые исследователи смогли непосредственно
наблюдать микротубулярные структуры, которым
свойственно двойное лучепреломление (поляризованные
лучи на микротрубочках раздваиваются). Важные
результаты получили Инуи и сотр. [73] на яйцеклетках морских
иглокожих, а также другие исследователи, изучавшие
другие объекты.
Было показано, что некоторые химические вещества
(D20, а также некоторые гликоли), равно как и
повышение температуры, усиливают двойное лучепреломле-
3. Системы подвижности эукариотических клеток 59
ние митотического веретена, т. е. способствуют
полимеризации. С другой стороны, низкая температура,
повышенное давление, и ингибиторы микротрубочек
(колхицин, винбластин) уменьшают двойное лучепреломление.
Такие наблюдения позволили даже измерить скорость
самосборки микротрубочек (обычно 1,5 мкм/мин).
Нецелесообразно обсуждать здесь все
экспериментальные данные, поэтому мы перейдем к тем важным
заключениям, которые были сделаны на основании
приведенных выше результатов и других исследований in
vivo. В клдтке есть два типа регуляции самосборки
микротрубочек. Один из них — временной контроль:
полимеризация или деполимеризация тубулина
приурочена к определенным моментам жизненного цикла
клетки. Другой тип — пространственный контроль, который
необходим для того, чтобы содержащие
микротрубочки структуры формировались правильно. Некоторые
данные указывают на то, что для временного контроля
количество тубулина, находящегося в клетке, не имеет
значения; иначе говоря, клетка нд начинает
продуцировать микротрубочки просто потому, что в ней накопилось
много тубулина. Содержание тубулина довольно
постоянно на протяжении всего жизненного цикла клетки [124], и,
когда нужно производить много микротрубочек
(например, при росте нейронов в нейробластоме), необходимость
в дополнительном синтезе тубулина, по-видимому, не
возникает [97]. Следовательно, полимеризацией тубулина
или разрушением микротрубочек в соответствии с
потребностями клетки управляют другие факторы. Были
попытки идентифицировать эти факторы с
определенными белками, например с высокомолекулярными
белками, связанными с микротрубочками; регулирующая роль
также приписывалась изменению обменного фонда
ионов кальция; предполагался еще более сложный
контрольный механизм с участием сАМР. Однако до сих
пор никаких четких данных о механизме регуляции
сборки микротрубочек получить не удалось. В отличие
от животных клеток у некоторых низших эукариот
сборка микротрубочек, похоже,, связана с синтезом
тубулина de novo. Это, по-видимому, имеет место при
регенерации жгутиков у Chlamydomonas и ресничек у Tetrahy-

3. Системы подвижности эукариотических клеток
тепа и наверняка происходит при росте жгутика у
Naegleria.
Механизм пространственного контроля сборки
микротрубочек предполагает, что внутри клетки есть некие
центры, способные организовать полимеризацию тубули-
на в нужном месте, а также система, контролирующая
наращивание микротрубочек, их ориентацию и связь с
другими структурами клетки. Иначе говоря, эти-две
системы должны предопределять все детали конструкции
строящейся микротрубочки, а также ее местоположение
и ориентацию в клетке. «Ядра конденсации
микротрубочек», более известные под названием «центры
организации микротрубочек» [97], широко распространены во
всех клетках. Морфологически они детально описаны,
однако об их составе, к сожалению, известно очень
немногое, Митотические центры (полюса митотического
веретена), кинетохоры хромосом и вообще все те
структуры, из которых исходят пучки микротрубочек,
следует рассматривать как центры организации -
микротрубочек.
Наряду с регуляцией процесса полимеризации тубу-
лина при сборке микротрубочек должен быть механизм,
задающий тип укладки микротрубочек в соответствии с
архитектурой той или иной структуры—аксонемы, ак-
состиля, митотического веретена и т. п..Были
предложены две гипотезы, объясняющие многообразие
возникающих структур [156] (см. рис. 3.9).
Согласно одной из них, особенности формирующейся
из микротрубочек структуры обусловлены образованием
специфических мостиков между уже готовыми рядом
расположенными микротрубочками. Тип и число
возникающих мостиков определяют окончательное
расположение микротрубочек в формирующейся структуре.
Можно предполагать, что именно так строятся аксо-
подии некоторых солнечников.
Согласно другой гипотезе, конструкция
предопределена самим местоположением центров конденсации
каждого элемента будущей структуры, так что сборка
микротрубочек осуществляется в заранее
«запланированных» местах. Этот механизм, по-видимому, действует
при сборке ресничек и жгутиков: круговое расположение
3. Системы подвижности эукариотических клеток
' дЪ$
т
и
>
•
/
^J
Рис. 3.9. Два пути формирования микротубулярных структур: а —
тип структуры определяется после сборки микротрубочек; б —
микротрубочки растут в соответствии с типом будущей структуры,
заданным расположением базальных тел [165].
микротрубочек в аксонеме предопределяется в самом
начале морфогенеза базального тела, когда начинается
сборка девяти триплетов на равных расстояниях друг
от друга строго по окружности [165].
3.4. Как микротрубочки
генерируют движение?
Микротрубочки могут генерировать движение с
помощью по крайней мере двух различных механизмов: за
счет активного скольжения или же путем изменения
своей длины.
Модель скольжения для движения ресничек и
жгутиков предложил Петер Сатир [128, 130]; в дальнейшем
эта модель получила так много независимых подтверж-

62 3. Системы подвижности эукариотических клеток
дений в разных лабораториях, что теперь ее можно
считать доказанной. По этой модели основные рабочие
элементы — микротрубочки и динеиновые ручки, а энергия
для перемещения получается при гидролизе АТР.
Данные о том, что динеин (белок с АТРазной
активностью, из которого построены боковые ручки
периферических дублетов в ресничках и жгутиках)
непосредственно участвует в генерации движения, были впервые
получены на препаратах аксонем из хвостов
сперматозоидов морского ежа. После того как радиальные
спицы и нексиновые мостики избирательно переваривались
трипсином, аксонемы с интактными боковыми ручками
все еще могли двигаться [152]. Дальнейшее
подтверждение получено при исследовании спермы у человека. При
одной из форм бесплодия, известной как синдром Карта-
генера, сперматозоиды не способны двигаться.
Оказалось, что при этом периферические дублеты в аксонеме
не имеют динеиновых ручек [9, 111].
Скольжение дублетов аксонемы удается наблюдать
непосредственно под микроскопом (по методу темного
поля), если аксонемы предварительно частично
переварить трипсином. После добавления АТР можно видеть,
что продольные нити микротрубочек становятся длиннее
и тоньше. Эти эксперименты показывают, что, когда
нексиновые мостики и радиальные спицы переварены
трипсином, соседние дублеты имеют возможность
скользить друг относительно друга и делают это до тех пор,
пока не, перестанут перекрываться, т. е. пока не
разделятся полностью. Какую же роль играют динеиновые
ручки в этой модели? Динеиновые ручки могут
образовывать жесткие мостики между микротрубочкой А, из
которой они исходят, и микротрубочкой В соседнего
дублета. При гидролизе АТР мостик разрывается и в тот
же момент изменяется ориентация динеиновой молекулы
(ручки). Это вызывает скольжение. В результате
повторения таких циклов соседние дублеты заметно скользят
друг относительно друга и в конечном счете могут
полностью разделиться (рис. 3.10). Этот процесс можно
сравнить с тем, как гусеница (дублетединенном) ползет
по веточке (соседний дублет), попеременно перемещая
ноги (динеиновые ручки) до тех пор, пока не доползет
3. Системы подвижности эукариотических клеток 63
© © © ©
Рис. 3.10. Механизм скольжения микротрубочек в аксонеме.
Дублет 1 скользит вдоль дублета 2 за счет движения динеиновых
ручек.
до конца веточки и не упадет с нее. Если дублеты
соединены между собой нексиновыми мостиками и связаны с
радиальными спицами, то при скольжении они не
разделяются, а изгибаются; это, однако, уже другой вопрос,
и мы вернемся к нему, когда будем рассматривать
механизм движения ресничек и жгутиков.
Движение может также генерироваться путем
управления полимеризацией и деполимеризацией
микротрубочек. Примеры такого типа движения — удлинение и
укорочение аксоподий у солнечников, а также, по-видимому,
движение хромосом. Солнечники имеют длинные
выступы, лучами исходящие из тела, которые придают им вид
солнышка (название Heliozoa произошло от греческого
слова helios — солнце). Внутри выступов
микротрубочки образуют каркас характерной спиральной
конструкции. Когда солнечник Actinophrys движется по плоской
поверхности (рис. 3.11), то его аксоподий, которые
выступают вперед по направлению движения,
укорачиваются со скоростью около 20 мкм/мин, в то время как
аксоподий, обращенные назад, удлиняются со скоростью

64 3. Системы подвижности эукариотических клеток
V77777777^V7777W77777777777777777777777777777^V77^V777777777777777777?.'
Рис. 3.11. Схематическое изображение солнечника, катящегося с
помощью аксоподий.
стимул
У
V
г^\
У
V
< 10 сек
J
> 10 мин
Рис. 3.12. Сокращение аксоподий у солнечников сопоставлено со
стимуляцией. Вверху: Centrohelidae; внизу: Actinophryidae.
3. Системы подвижности эукариотических клеток 65
около 7 мкм/мин. Эти изменения длины обусловлены
частичной деполимеризацией или дополнительной
полимеризацией микротубулярных осей аксоподий;
деполимеризация сопровождается сокращением аксоподия, по-
видимому, за счет поверхностного натяжения клеточной
мембраны. У солнечников Actinophrys сокращения
крайне медленны из-за того, что в концевом участке
каждой аксоподий должна произойти деполимеризация
очень большого числа (сотен) микротрубочек [169].
У более мелких солнечников Centrohelidae в аксоподиях
находится только по шесть микротрубочек и сокращения
происходят очень быстро, по-видимому, в связи еще и с
тем, что при воздействии на аксоподию
соответствующего стимула деполимеризация микротрубочек происходит
по всей их длине, в результате чего вся структура
рушится мгновенно (рис. 3.12). Удлинение, однако,
осуществляется более медленно — приблизительно с такой
же скоростью, как и в аксоподиях Actinophrys sol.
Хотя в настоящее время молекулярный механизм
расхождения хромосом все ,е.ще остается предметом
дискуссий, многие данные указывают на то, что в нем
может участвовать процесс полимеризации —
деполимеризации микротрубочек митотического веретена.
Предложена бол,е,е или менее удовлетворительная модель
расхождения хромосом, однако согласие пока не
достигнуто, а недавнее открытие актомиозиновых нитей в мито-
тическом веретене еще более запутало этот и без того
сложный вопрос. Поэтому целесообразно отложить
обсуждение До получения новых данных.
3.5. Проблема
промежуточных филаментов
Филаменты диаметром около 10 нм (т. ,е. тоньше, чем
микротрубочки, и толще, чем микрофиламенты) —
одиночные или в виде небольших пучков — были
обнаружены в цитоплазме различных клеток уже на заре
применения электронной микроскопии в биологии.
Относительное количество этих структур зависит от типа клет-

66 3. Системы подвижности эукариотических клеток
ки; в клетках эпидермиса они представлены широко и
известны под названием тонофиламентов; в клетках
других типов, например в клетках центральной нервной
системы, они многочисленны в аксонах и называются
нейрофиламентами. В других клетках млекопитающих
этих филаментов не так много, но они все же
встречаются [52].
Химический состав промежуточных филаментов еще
не вполне ясен; они, по-видимому, построены из одного
или нескольких основных белков. В препаратах
промежуточных филаментов из почечных клеток
новорожденных хомячков (из клеток типа 21) при электрофорезе в
полиакриламидном геле четко разрешаются две полосы,
очень похожие по соответствующей им молекулярной
массе на полосы двух тубулиновых субъединиц [145].
Есть, однако, данные и о том, что белки промежуточных
филаментов составляют гомогенный класс белков,
отличных от других структурных белков клетки. Антитела,
выработанные против промежуточных филаментов
одного типа клеток, перекрестно реагируют с
промежуточными филаментами клеток других типов, но не с
микротрубочками или микрофиламентами.
В этой книге мы упоминаем о промежуточных фила-
ментах в связи с тем, что а) эти структуры могут быть
соединены с микротрубочками и б) они могут играть
какую-то роль в подвижности клеток млекопитающих.
В пользу первого предположения свидетельствуют
данные электронной микроскопии (обнаружены тонкие
мостики из фибриллярного материала, которые связывают
стенки микротрубочек с промежуточными филаментами),
а также тот факт, что ингибиторы митоза (например,
колхицин) вызывают перераспределение промежуточных
филаментов in vivo. Второе предположение
подтверждается тем, что, по данным электронной микроскопии,
локализация промежуточных филаментов в цитоплазме
лейкемических клеток различна в разных фазах их
движения [45]. Чтобы выяснить свойства и функции этих
наименее изученных элементов структурного скелета
клетки, нужны, однако, дальнейшие исследования.
.3. Системы подвижности эукариотических клеток 67
3.6. Микрофиламенты
Микрофиламенты эукариотических клеток
представляют собой длинные нитевидные структуры толщиной
5—7 нм, находящиеся в цитоплазме. Они состоят
главным образом из актина (хотя можно обнаружить и
другие белки), в связи с чем их часто называют актиновы-
ми филаментами (или нитями). Они иногда образуют
группы или пучки, а в некоторых
высокоспециализированных клетках, например в мышечных волокнах,
упорядоченные и стабильные структуры. Чаще, однако, из
микрофиламентов формируются нестабильные пучки или
тонкие сетчатые структуры, их форма и локализация в
клетке изменяются в зависимости от фазы жизненного
цикла клетки, ее движения и т. п. Это означает, что,
подобно цитоплазматическим микротрубочкам,
микрофиламенты немышечных клеток представляют собой
изменяемые, структуры, способные к самосборке или
деполимеризации на составляющие их молекулы в
зависимости от нужд клетки.
Морфологию микрофиламентов и их поведение в
процессе клеточного движения и цикла развития клетки
много изучали на культуре животных кл,е,ток с помощью
флуоресцирующих антител против актина, а также
против других белков (миозин, тропомиозин и а-актинин),
которые часто обнаруживаются в микрофиламентах
[84, 86]. Когда клетки находятся в состоянии покоя и
прикреплены к стенкам сосуда, в котором живут, в них
можно наблюдать длинные пучки микрофиламентов,
тянущиеся сквозь всю клетку, по-видимому,
непосредственно под клеточной мембраной. В «возбужденные»
выступы клетки с нестабильными, как бы волнующимися
краями они обычно не заходят. Пучки микрофиламентов
называются стрессовыми волокнами; они типичны для
нормальных клеток и отсутствуют в клетках,
трансформированных онкогенными вирусами. Когда клетки
движутся, в дополнение к стрессовым волокнам появляются
тонкие пучки актиновых нитей, рассеянные в
цитоплазме; они особенно заметны в направленных вперед
выступах клеток. В процессе деления клетки флуоресценция
сосредоточена в митотическом веретене, причем картина

3
я
CD
в-
>.
ч
о
в
X .
со Я
га
Sra
ЕС
СО ►_
is
Я к
3 м
S Я
■в- о
о я
°- ?,
м о)
5 о
2 о)
К о
s >,
о а
о) л
о, к
о к
>> а)
4 g
© я
со 2
^- л
со И"
. о
о В
о. с
3. Системы подвижности эукариотических клеток 69
ее распределения удивительно похожа на ту, которую
создают антитубулиновые антитела в тех же условиях.
Когда дочерние клетки расходятся, микрофиламенты
собираются в области тяжа, соединяющего дочерние
клетки; там они образуют сократимое кольцо,
обеспечивающее разделение клеток (рис. 3.13). Приведенное
описание дает представление о том, как в соответствии с
фазами клеточного цикла может изменяться
пространственная организация микрофиламентов.
Существуют, однако, и такие клетки, в которых
микрофиламенты образуют стабильные структуры, — их
форма и относительное расположение в них
микрофиламентов меняются редко. Не говоря уже о мышечных
клетках (им посвящена особая книга в этой серии,
поэтому мы не будем их рассматривать), хороший пример
стабильной конструкции из микрофиламентов —
длинные пальцеобразные выросты кдеток кишечного
эпителия (так называемые микроворсинки; они есть и во
многих других животных клетках). В каждой
микроворсинке пучок микрофиламентов идет параллельно оси
ворсинки — от ее кончика, к которому он прикреплен, вдоль
оси к клеточной мембране [100]. Стабильные пучки ак-
тиновых нитей можно обнаружить также в таких
хорошо изученных объектах, как сперматозоиды иглокожих
и ооциты морского ежа [157]. Исследование
микрофиламентов в сперме Mytilus и в ооцитах морского ежа
методами оптической дифракции и трехмерной
реконструкции показало, что микрофиламенты в каждом пучке
имеют правильную гексагональную упаковку и в
определенном порядке соединены поперечными мостиками, так
что каждый пучок представляет собой паракристалли-
ческую структуру [37]. Это удивительно похоже на
организацию микротрубочек в аксостил,е жгутиковых.
В электронный микроскоп нечасто можно увидеть,
что актиновые нити в немышечных клетках связаны с
более толстыми и короткими нитями миозина (они
обычно имеют 8—9 нм в диаметре и 300 нм в длину),
белка, который взаимодействует с актином при
генерации движения. Электронно-микроскопических данных о
миозиновых нитях в немышечных клетках мало, видимо,
потому, что на тонких срезах такие толстые нити увидеть

70
3. Системы подвижности эукариотических клеток
трудно. Если же обработать микрофиламенты
антителами против миозина, то хорошо видна диффузная
флуоресценция, указывающая на то, что миозин
действительно присутствует1. Флуоресцирующие антитела против
других белков сократительной системы также выявляют
характерную периодичность цитоплазматических
микрофиламентов; так, например, участки связывания антител
против а-актинина и тропомиозина в микрофиламентах
чередуются, демонстрируя присутствие этих двух
белков. J
Считается, что микрофиламенты в немышечных
клетках выполняют в основном две функции. Их
классическая роль —генерировать движение; в частности, их
считают ответственными за амебоидное движенце,. С другой
стороны, сокращение микрофиламентов может служить
источником силы для различных видов клеточной
активности: изменения формы клетки, токов цитоплазмы,
движения клеточных органелл, фагоцитоза, секреторной
активности, деления клетки и регуляции
распределения белков в мембранах. Однако накапливаются
данные о том, что микрофиламенты играют также роль
цитоскелета: жесткие пучки этих волокон могут
поддерживать определенную форму клетки [32, 80]
3.7. Состав микрофиламентов
Чтобы лучше понять динамику микрофиламентов и
их функцию в движении немышечной клетки, мы
рассмотрим те биохимические свойства составляющих их
белков, которые имеют наиболее прямое отношение к
этим вопросам.
Аналогичная ситуация в некоторых гладкомыщечных клетках
навела на мысль о самосборке миозиновых нитей в этих клетках
непосредственно перед развитием сократительной реакции —Ппим
ред. перевода. н
3. Системы подвижности эукариотических клеток 71
3.7.1. Свойства актинов
немышечных клеток
Актин широко распространен во всех
эукариотических клетках. Его можно обнаружить как в растворимой
мономерной форме, так и в полимерной —в виде фила-
ментов (рис. 3.14). В некоторых активно
передвигающихся клетках (амебы, макрофаги, тромбоциты) актин
преобладает среди белков клеточного экстракта: его
содержание может достигать 20—30% от общего белка.
В менее подвижных клетках содержание актина
заметно меньше—1—2% от общего белка.
Однако если вспомнить, что в эукариотической клетке
одновременно присутствуют многие тысячи различных
белков, то такое небольшое количество весьма
существенно.
Благодаря относительно высокому его содержанию
актин удается выделить из клеточных систем. Более или
Рис. 3.14. Электронные микрофотографии микрофиламентов, обра1
заданных in vitro актином из мозга телят: а —нормальные
микрофиламенты; б —после обработки тяжелым меромиозином, который
специфически связывается с актиновыми микрофиламентами
Негативное окрашивание, X 120 000. (Снимки любезно предоставлены
Д-ром G. Monaco.)

72 3. Системы подвижности эукариотических клеток
менее полно изучено уже около 30 различных актинов
из клеток самых разных типов—от миксамеб слизистых
грибов до клеток человека.
Актин можно очистить обычными методами
разделения б,е,лков — ионообменной хроматографией и гель-
фильтрацией [144]. Для многих исследований вполне
достаточна аффинная хроматография супернатанта,
полученного после высокоскоростного центрифугирования
клеточного экстракта, на агарозных гранулах с кова-
лентно связанной ДНКазой I. Актин имеет большое
сродство к ДНК>зе I и сорбируется на агарозных
гранулах, после чего его легко элюировать
соответствующим буфером [85]. Сродство к ДНКазе I — хорошо
известное свойство актина; он образует с этим ферментом
прочный, лишенный ферментативной активности
комплекс. Физиологическое значение этой реакции остается,
однако, неизвестным [68].
Все изученные актины очень сходны по мол. массе
(всегда около 42 000), электрофоретической
подвижности, аминокислотному составу (у всех актинов есть
необычная аминокислота — N-метилгистидин; ее роль в
молекуле неизвестна), по способности связывать адени-
новые нуклеотиды в эквимолярных соотношениях и по
способности к полимеризации [80]. Что касается
последовательности аминокислот, у актинов из разных
источников обнаруживаются небольшие, иногда только в одном
аминокислотном остатке, но существенные различия.
Различия в химическом составе выявлены у актинов не
только из разных организмов, но и из различных
тканей одного и того же организма. Более того, показано,
что даже в одной и той же клетке могут существовать
одновременно актины различных типов. Разницу между
ними трудно уловить — требуется сочетание двух
высокоэффективных методов разделения: изоэлектрофокуси-
ровки (при этом белки разделяются в соответствии с их
изоэлектрическими точками) и электрофореза в полиак-
риламидном геле в присутствии додецилсульфата натрия
(белки разделяются в зависимости от размера
молекулы и суммарного заряда). Такой комплексный
подход позволил идентифицировать три типа актина,
которые получили название а-, р- и у-актин. Кроме того, мо-
3. Системы подвижности эукариотических клеток 73
гут присутствовать еще две нестабильные формы этого
белка, а-Актин свойствен полностью
дифференцированной мышечной ткани, р- и у-актин — большинству
изученных немышечных клеток; в культуре миобластов
обнаруживаются все три типа актина. Поскольку были
изолированы мРНК для каждого из этих актинов,
можно заключить, что в клетке есть по крайней мере три
различных актиновых гена и их экспрессия строго
контролируется в соответствии с типом клетки [70, 151].
3.7.2. Белки,
взаимодействующие с актином
Актин, как известно, взаимодействует со многими
белками. В зависимости от того, какой из белков
вступает во взаимодействие с актином, результаты могут
быть самыми разными: либо генерируется движение,
либо меняется процесс полимеризации актина, либо
образуются связующие мостики, не исключено также
влияние на какие-то звенья метаболизма.
Чаще всего обнаруживают взаимодействие актина с
миозином. Свойства миозина из мышечных волокон
изучены гораздо более полно, чем миозина из немышечных
клеток. Миозин можно определять по его
ферментативной (аденозинтрифосфатазной) активности, обычно
усиливаемой актином, и по его способности
взаимодействовать с ним [32]. Стимулирующий эффект актина
зависит от присутствия определенных ионов, поэтому
различные миозины можно классифицировать как Са2+,
Mg2+- или К+-зависимые АТРазы. Что касается
структуры, большинство изученных немышечных миозинов
состоит из двух тяжелых полипептидных цепей с мол.
массой около 200 000 каждая и двух пар легких цепей
(мол. масса 17 000 и 20 000); в результате мол. масса
миозина составляет около 500 000. В молекуле миозина
хорошо различаются две области. Одна из них, так
называемый стержень, или «хвост», состоит из а-спираль-
ных участков двух тяжелых цепей, свитых в
суперспираль; стержневые части миозиновых молекул способны
связываться друг с другом с образованием биполярных

3. Системы подвижности эукариотических клеток
молекулы миозина
fr
I полимеризация
ъъ щ$
миозиновая нить
Рис. 3.15. Образование биполярных иитей миозина.
, хвост молекуль,
тяжелые
цепи
„ голова
молекулы
АТРазный
центр
црцтг
срчкМг .:'ч
а.к'1мчи
Рис. 3.16. Схематическое изображение молекулы обычного миозина
(вверху) и миозина из Acanthamoeba (внизу).
нитей (рис. 3.15). На одном конце стержня находятся
две «головки»1, в каждой из которых .есть центр
связывания с актином и центр АТРазной активности. Легкие
цепи связаны с головками.
Миозин с другой структурой, названный миозин I,
обнаружен у почвенной амебы Acanthamoeba castellani.
Особенность этого белка в том, что в его молекуле толь-
1 Каждая из глобулярных головок соединяется со стержнем с
помощью гибкой полипептидной цепи, что имеет существенное
значение для генерации движения. — Прим. ред. перевода.
3. Системы подвижности эукариотических клеток 75
ко одна тяжелая цепь с мол. массой 140 000 и две
легкие цепи (14 000 и 16 000) (рис. 3.16) \ Миозин I не
образует биполярных нитей и активируется актином
только в присутствии кофактора [118, 119]. Из той же амебы
недавно выделили другой миозин (миозин II). Он
больше похож на обычный: может образовывать
биполярные нити и имеет две головки с АТРазной
активностью [120].
М§,2+-зависимая стимуляция АТРазной активности
миозина актином в случае некоторых немышечных
миозинов требует предварительного фосфорилирования
легкой цепи специальной протеинкиназой, переносящей
фосфат от донорной молекулы к легкой цепи 20000.
Это относится также к миозину I Acanthamoeba: его
кофактор недавно идентифицирован как киназа,
которая специфически катализирует фосфорилирование
тяжелой цепи [95]. С генетической точки зрения система
миозинов не столь консервативна, как система актинов;
к настоящему времени выявлено около 15 типов
миозинов, различающихся по многим свойствам.
Другие белки, взаимодействующие с актиновыми или
актомиозиновыми филаментами, можно попытаться
классифицировать в соответствии с их активностями
(табл. 3.2). Присутствие некоторых из них, например
тропомиозина и а-актинина, в составе микрофиламентов
недавно удалось увидеть непосредственно с помощью
иммунофлуоресценции [84].
Тропомиозин из тромбоцитов, мозга, поджелудочной
железы и фибробластов млекопитающих по
молекулярной массе и пептидной карте подобен мышечному тропо-
миозину; он участвует в регулировании концентрации
Са2+, необходимой для «сокращения» актомиозина.
а-Актинин (или же похожие на него белки) обнаружен
(в количествах, больших по сравнению с другими
объектами) в ворсинках эпителия, в культурах животных
клеток, а также в сперматозоидах подковообразного краба,
1 На схеме двуглавой молекулы миозина допущена ошибка:
каждая головка должна сидеть иа отдельной «шейке», которые
затем соединяются в общий стержень молекулы. — Прим. ред.
перевода.

76 3. Системы подвижности эукариотических клеток
Таблица 3.2
Некоторые белки, взаимодействующие с актином
в иемышечных клетках
Источник
белка


действующие белки
Взаимодействующие
белки
Источник белка
Селезенка

Поджелудочная
железа
Профи-"]
лин I
ДНКаза]
G-актии^
tiF-актии
Филамин
а-Актинии
Гелактииы
I-II-III-IV
Тропонин
Тропомиозин
Актинсвязыва-
ющий белок
Макрофаги
Различные
стемы
A. castellani
Различные
стемы
То же
Макрофаги
когда в них формируются аксонемы. а-Актинин,
по-видимому, каким-то образом присоединяет микрофиламенты
к клеточным мембранам и, возможно, к другим
структурам клетки; присутствует этот белок главным образом
именно там, где есть такие контакты.
Некоторые белки угнетают полимеризацию актина
in vitro и, следовательно, могут контролировать
образование актиновых филаментов in vivo. Так, например,
удалось выделить из селезенки и очистить так
называемый профилин, который представляет собой полипептид с
мол. массой 16 000, способный образовывать комплексы с
растворимым актином. Подобные белки, по-видимому,
широко распространены в немыще,чных клетках, особенно
в тех, где концентрация растворимого актина велика.
Такие белки, как филамин и актинсвязывающий
белок, выделенные из макрофагов, могут связываться с
актиновыми микрофиламентами in vitro; при этом
способность актина стимулировать АТРазную активность
миозина подавляется, что угнетает сократимость,
обусловленную актомиозином. Функция этих белков in vivo
неясна, ио можно предположить, что в клетке они нужны
для того, чтобы некоторые актиновые филаменты играли
роль просто каркасных структур [80]. Подобную функ-
3. Системы подвижности эукариотических клеток
цию, возможно, выполняют и другие белки, например ге-
лактины — группа из четырех белков, выделенных из
Acanthamoeba. Гелактины превращают суспензию микро-
филаментов в гель, образуя между отдельными
волокнами связующие мостики. Эти белки угнетают также Mg2+-
зависимую АТРазную активность миозина (в
присутствии актина); характер ингибирования, похоже, тот же,
что и в случае филамина и актинсвязывающих белков.
Наконец, к числу белков, взаимодействующих с
актином, относятся также альдолаза и некоторые другие
ферменты гликолиза.
Описанная выше система представляется уже
достаточно сложной, однако то, что изучено до сих пор,—
только царапины на поверхности неизведанного. Многие
предположения и теории относительно актина и
взаимодействующих с ним белков в немышечных клетках
нуждаются в дальнейшей разработке и проверке, прежде
чем могут быть сделаны какие-либо конкретные выводы.
3.8., Сборка микрофиламентов
и ее регуляция
Как мы уже упоминали выше, актин может
существовать в двух функциональных состояниях: в виде
растворимых мономеров и в виде полимеров, когда
одиночные субъединицы собираются в двухнитевые
филаменты. Актин в мономерной форме называется G-актин, а в
полимерной — F-актин. Двойная спираль F-актина
имеет толщину около 7 им и шаг 68 нм (рис. 3.17).
мономеры актина актиновый филамент
(G-актин) (f-актин)
Рис. 3.17. Полимеризация актиновых субъединиц — сборка
микрофиламентов.

78
3. Системы подвижности эукариотических клеток
Реакция полимеризации in vitro идет при
оптимальных концентрациях определенных солей и в присутствии
связанного АТР. Для этой реакции критична
концентрация актина, и образующийся полимер всегда находится
в равновесии с мономерным актином в соответствии с
уравнением
(актин)„ =f»= (актин)„_i + актин
Критическая концентрация актина, при которой он в
соответствующих условиях полимеризуется, своя для
каждого типа актина и может служить как
отличительный признак.
Поскольку во многих типах клеток концентрация не-
полимеризованного актина значительно превышает его
критическую концентрацию, должны существовать
факторы, способные взаимодействовать с актином и
предотвращать тем самым его полимеризацию. Эти факторы
можно, следовательно, считать регуляторами сборки ак-
тиновых филаментов. Белки-ингибиторы полимеризации
актина обнаружены в самых различных клетках (один
из них — профилин — уже упоминался). В качестве
примера системы, в которой важную роль играют
ингибиторы полимеризации актина, мы рассмотрим семенные
клетки иглокожих, а именно морского огурца (Thyone).
Эти клетки — также замечательный пример
определенным образом ориентированной сборки микрофиламен-
тов, так что они вполне заслуживают детального
рассмотрения. На апикальном конце, головки семенной
клетки Thyone есть чашевидное углубление, в котором
находится акросомальная вакуоль. Между акросомальной
вакуолью и хроматином ядра находится аморфное
вещество, которое представляет собой мономерный актин.
Когда сперматозоид приближается к яйцеклетке своего
вида, в первые же несколько секунд контакта головки
сперматозоида с внеклеточным веществом, окружающим
яйцеклетку, развивается акросомальная реакция. Она
заключается в быстрой сборке актиновых микрофила-
ментов в толстый пучок, исходящий из дна чащевидного
углубления и выступающий вперед приблизительно на
90 мкм (рис. 3.18). Функция этой структуры
заключается в том, чтобы проткнуть желеобразное вещество, ок-
3. Системы подвижности эукариотических клеток 79
Рис. 3.18. Фазы акросомальной реакции головки сперматозоида
Thyone: а — исходное состояние; б — начало полимеризации актина;
в — готовый акросом.
ружающее яйцеклетку, что дает возможность
мембранам обеих кдеток слиться. Из изложенного выше ясно,
что в маленьком чашеобразном углублении головки
семенной клетки до активизации содержится много непо-
лимеризованного актина — достаточно для сборки пучка
микрофиламентов длиной 90 мкм. Можно с большой
вероятностью предполагать, что в этом углублении
обнаружатся белки, предотвращающие полимеризацию
актина. С целью найти эти белки аморфный актин из
головок клеток Thyone подвергли электрофорезу в поли-

80 3. Системы подвижности эукариотических клеток
акриламидном геле в присутствии додецилсульфата
натрия. Выявились три основных полипептида, один из
которых соответствует актину. Два других белка (мол.
массы 230 000 и 250 000), по-видимому, ответственны за
поддержание актина в неполимеризованном состоянии.
Обработка протеолитическим ферментом (трипсином)
позволяет отделить мономерный актин от
высокомолекулярных белков [158]. Акросомальную реакцию у
сперматозоидов Thyone можно вызвать различными
активаторами; повышение, внутреннего рН освобождает актин
от связанных с ним белков, делая тем самым возможной
полимеризацию. Процесс полимеризации инициирует
специфическая структура, которую можно увидеть на
дне акросомальной чаши и которая называется актоме-
ром. Она представляет собой пучок из примерно 25
коротких микрофиламентов, заключенный в плотное
аморфное вещество. В момент активации актомер
начинает действовать как ядро полимеризации, из которого
вырастают микрофиламенты [160].
На основании этих и других данных высказано
предположение, что полимеризацией и ростом
микрофиламентов управляют какие-то организующие центры,
подобно тому, как центр, управляющий жгутиковым
синтезом, регулирует сборку микротрубочек.
Специфические точки роста актиновых филаментов
обнаружены в семенных клетках Mitylus и Limulus, a
также при формировании кишечных ворсинок [150];
вполне возможно, что они есть и во многих других
объектах. Действительно, в немышечных клетках часто
видно, что микрофиламенты прикреплены к определенным
точкам клеточной мембраны, однако пока неясно,
управляют ли эти точки сборкой микрофиламентов или же
прикрепление к ним происходит уже после.
3.9. Как микрофиламенты
генерируют движение?
Микрофиламенты могут генерировать движение
двумя различными способами: путем скольжения
—согласно этому механизму актиновые и миозиновые нити
3. Системы подвижности эукариотических клеток 81
скользят друг относительно друга — или же просто
путем сборки и дезагрегации пучков микрофиламентов.
Опять мы сталкиваемся с удивительным соответствием
между системой микрофиламентов и системой
микротрубочек: обе системы генерируют движенце, одними и
теми же способами. Это представляет интерес с
эволюционной точки зрения, поскольку указывает на то, что
системы, которые возникли, по-видимому, независимо друг
от друга, решили проблему генерации движения
одинаково, хотя и с помощью различных материалов.
Модель скольжения микрофиламентов, описывающая
зависимые от актомиозина движения немышечных
клеток, исходит из данных о сокращении мышц, модель
которого можно применить с незначительными
модификациями к микрофиламентам.
В немыщечных клетках такая система подвижности
состоит из актиновых микрофиламентов, один конец
которых прикреплен к каким-либо структурам клетки (к
клеточной мембране, микротрубочкам или другим орга-.
неллам), а другой конец свободен; между свободными
концами двух противолежащих актиновых
микрофиламентов находятся биполярные миозиновые нити. Когда
два противолежащих актиновых филамедта скользят
вдоль миозиновой нити, их свободные концы
сближаются, а закрепленные концы тянут за собой те структуры,
к которым они присоединены. В мышцах все это
происходит в структурах, специально предназначенных для
генерации движения (саркомерах). Саркомер состоит из
двух пучков актиновых нитей (они прикреплены к
Z-мембранам, ограничивающим саркомер) с миозиновы-
ми нитями между ними. В результате скольжения нитей
саркомер укорачивается, что соответствует сокращению
мышцы. В немышечных клетках такое скольжение
приводит к сближению структур, к которым прикреплены
противоположные концы микрофиламентов (рис. 3.19).
Рассмотрим теперь, как же при взаимодействии
актиновых и миозиновых нитей возникает скольжение.
Инициатором является миозин, точнее головки его
молекулы, где находятся центры АТРазной активности.
Миозиновые головки отличаются большим сродством кАТР,
и при его избытке каждая головка связывает одну мо-

82 3. Системы подвижности эукариотических клеток
4-актинин
орг
толстая тонкая нить
нить (актин)
(миозин) | Z-пластинка
клеточная
II/ мембрана
молекула миозина
HI
Рис. 3.19. Модели взаимодействия актина и миозина. Вверху: в
мышце; посередине и внизу: в немышечных клетках.
лекулу АТР. Связав АТР, миозиновая головка сразу же
переходит в активированное состояние с высоким
сродством к актину и прикрепляется к одной из актиновых
субъединиц ближайшего микрофиламента. Связывание с
актином немедленно вызывает гидролиз АТР, за счет
выделившейся при этом энергии головка
поворачивается на небольшой угол, что немного перемещает актино-
вый филамент, к которому головка прикреплена. При
утилизации новых порций АТР такой цикл повторяется
многократно, скольжение становится заметным. Мы
привели весьма упрощенное описание процессов, связанных
с актомиозинзависимой сократимостью мышечных
волокон. Более полное описание читатель найдет в другой
книге этой же серии (R. M. Simmons „Muscle
Contraction"). Этот основной механизм взаимодействия актина
и миозина можно, по-видимому, распространить также и
на немышечные клеточные системы.
ЗЛО. Регуляция скольжения белками
микрофиламентов
В мышечных клетках актиновые нити содержат
(кроме актина) два регуляторных белка — тропомиозин
и тропонин, благодаря которым скольжение чувствитель-
3. Системы подвижности эукариотических клеток 83
но к концентрации ионов Са2+. Связывание комплекса
миозин — АТР с актином возможно только в
присутствии Са2+, т. е. Са2+ служит регулятором мышечного
сокращения. Концентрация Са2+ внутри саркомеров
регулируется высвобождением его из саркоплазматичес-
кого ретикулума при деполяризации мембраны [41].
Если мы хотим перенести наши представления о
сокращении мышц на немышечные клетки, вполне можно
представить, что взаимодействие между актиновыми фи-
ламентами и биполярными миозиновыми нитями
регулируется' таким же способом. К сожалению, не удается
показать, что в немышечных клетках миозиновых нитей
много (за исключением некоторых особых случаев,
например, в тромбоцитах). Это не исключает, однако,
того, что они есть, но просто не видны в электронный
микроскоп из-за малой длины или потому, что рассеяны по
препарату. Тот факт, что миозин действительно
присутствует в микрофиламентах животных клеток, был
продемонстрирован с помощью антител к миозину, меченных
флуоресцеином [48]. Возможно также, что в
немышечных клетках миозиновые молекулы существуют не в
виде типичных нитей с выступающими головками1, а
просто как двуглавые мономеры, сохраняющие способность
связывать актиновые микрофиламенты. Другая модель,
которую предложили Марута и Корн [95],
предполагает, что одиночные миозиновые молекулы присоединены к
актиновому филаменту стержневыми участками
тяжелых цепей, так что свободные головки могут
взаимодействовать с соседними актиновыми филаментами. В этом
случае подвижность обеспечивалась бы непосредственно
скольжением двух актиновых микрофиламентов друг
относительно друга, т. е. так, как скользят микротрубочки
в ресничках и жгутиках. Согласно этой модели,
одноглавый миозин, который, по-видимому, не способен
образовывать биполярные нити (как, например, миозин I
Acanthamoeba), тоже мог бы участвовать в
генерации движения (см. рис. 3.19).
Поскольку подвижность зависит от взаимодействия
1 Не исключено, что такие нити могут самоорганизовываться
по мере надобности. — Прим. ред. перевода.

3. Системы подвижности эукариотических клеток
актина и миозина, факторы, регулирующие это
взаимодействие, можно рассматривать как регуляторы
клеточной подвижности. В мышечных клетках управление
сокращением осуществляется с помощью ионов Са2+ и
системы тропомиозин — тропонин, связанной с актино-
выми нитями. В немышечных клетках регуляция еще
недостаточно изучена. Ясно, однако, что в клетках
различных типов может быть много разных регуляторных
систем —■ одни из них основаны на действии Са2+, а другие
реализуют другие механизмы.
Ферментативная активность при взаимодействии
очищенных препаратов актина и миозина из
немышечных клеток не зависит, как правило, от концентрации
Са2+, однако известны примеры Са2+-чувствительной
АТРазной активности актомиозина из тканей мозга,
из лейкоцитов, тромбоцитов и плазмодия миксомицета
Physarum polycephalum [32]. Чувствительность к Са2+
можно определить, регистрируя сокращение актомиози-
новых нитей в клеточных экстрактах (это сделано на
амебах и некоторых других клетках). Данные in vivo
о подвижности, чувствительной к Са2+, в которой
участвуют микрофиламенты, получены при исследовании
токов цитоплазмы у Amoeba proteus, Chaos carolinensis
и Physarum, а также АТР-зависимого сокращения
изолированных полосок щеточной каемки кишечного
эпителия [98, 156].
В мьциечных клетках сокращение регулируется Са2+-
связывающим белком системы тропомиозин — тропонин,
поэтому некоторые исследователи искали подобные
белки и в немышечных клетках. Белки, подобные тропоми-
озину, удалось найти в тромбоцитах, в тканях мозга, в
поджелудочной железе и в культуре фибробластов
мышц; Са2+-связывающий белок, похожий на тропонин
мышц, недавно выделили из мозга куриных эмбрионов.
Белки, придающие актомиозиновому комплексу
чувствительность к Са2+, выделены из Physarum и Dictyoste-
lium, однако эти данные нуждаются в дальнейшей
проверке.
Наряду с кальциевой регуляцией, несомненно,
существуют и другие регуляторные системы,
контролирующие взаимодействие актина и миозина.
3. Системы подвижности эукариотических клеток 85
Одной из них может быть регуляция фосфорилирова-
ния миозина. Было показано, например, что в
тромбоцитах АТРазная активность миозина, стимулированная
актином, возрастает приблизительно в 5 раз, когда легкая
(17 000) цепь миозина фосфорилируется особой протеин-
киназой в присутствии АТР [4]. Это позволяет
предполагать, что фосфорилирование прямо влияет на
взаимодействие актина и миозина. Однако относительно этой
системы пока еще преждевременно делать
окончательные выводы.
Из приведенных выше примеров должно быть ясно,
что в настоящий момент еще нет единой теории
регуляции актомиозинового взаимодействия в немышечных
клетках. Отчасти это обусловлено сравнительной
скудостью сведений, которыми мы располагаем по этому
вопросу, а отчасти — сложностью самой проблемы.
Вероятно, что в регуляции взаимодействия актина с
миозином в немышечных клетках участвует много систем.
Для некоторых клеток важное значение имеют ионы
Са2+, о других механизмах регуляции известно пока еще
слишком мало.
Есть еще один способ генерировать движение,
который используется не для перемещения всей клетки как
целого, а для движения отдельных ее частей (например,
мембран); речь идет о подвижности, обусловленной
полимеризацией и деполимеризацией пучков актиновых
филаментов. В этом случае движение обусловлено не
скольжением, а ростом пучков микрофиламентов,
которые при этом отталкивают ту часть клетки, которая
контактирует с зоной их роста (обратный процесс, как
можно представить себе, происходит при деструкции
микрофиламентов).
Пример движения такого типа — уже
упоминавшаяся акросомальная реакция. В процессе этой реакции
менее чем за 10 с формируется прямой пучок
микрофиламентов, выпячивающий мембрану сперматозоида в
направлении к яйцу.
В цитоплазме некоторых немышечных клеток
нередко обнаруживают другой тип надмолекулярной
организации актиновых мономеров: вместо обычных пучков
микрофиламенты образуют тонкую трехмерную сеть.

86 3. Системы подвижности эукариотических клеток
Это явление можно воспроизвести in vitro; оно известно
под названием процесса желатинизации. Такие, как их
еще, называют, переходы золь—-гель имеют,
по-видимому, существенное значение для регуляции вязкости
цитоплазмы и изменения формы клетки, и, хотя эти
функции могут быть косвенно связаны с движением клетки,
их нельзя считать истинной подвижностью [80].
3.11. Микротрубочки,
микрофиламенты
и клеточные мембраны
Есть основания считать цитоплазматические,
микротрубочки и микрофиламенты тесно взаимосвязанными
структурами одной и той же системы. Они играют
сходную роль в генерации движения, встречаются в одних и
тех же клетках в роли опорных структур, ведут себя
сходным образом в зависимости от фазы клеточного
цикла и образуют морфологически похожие структуры.
К сожалению, приходится отметить, что, несмотря на
приведенные выше соображения, у нас нет прямых
доказательств взаимосвязи между микротрубочками и
микрофиламентами. Многие данные, полученные
различными методами, косвенно, но с большой вероятностью
указывают на то, что между этими двумя системами есть
связь, так что почти все признают, что такая связь на
самом деле существует.
Например, с морфологической точки зрения
исследовали распределение в клетке микротрубочек и микрофи-
ламентов, особенно в процессе митоза. Фудживара и
Поллард [49] с помощью антител к тубулину, меченных
флуоресцеином, и антител к миозину, меченных
родамином, сравнили распределение микротрубочек и микро-
филаментов в одной и той же клетке. В полностью
распластанных клетках они не обнаружили
морфологических связей между этими двумя типами волокон. Однако
в митотическом веретене обусловленная миозином
флуоресценция так сочеталась с флуоресценцией
микротрубочек, что это указывало на тесную взаимосвязь между
микрофиламентами и микротрубочками.
3. Системы подвижности эукариотических клеток
87
Более косвенные данные получены в опытах с
ингибиторами микротубулярных структур (колхицин или его
производное колцемид) и ингибиторами микрофиламен-
тов (цитохалазин В) [166]. В качестве примера такого
подхода мы рассмотрим влияние ингибиторов
микротрубочек и микрофиламентов на явление образования
«шапки» (capping), наблюдаемое в клетках
млекопитающих [40; 104]. Реакция образования «шапки»
возникает после обработки клетки бивалентными
антителами или другими лигандами, способными
взаимодействовать с белками на клеточной мембране. Она заключается
в том, что связываемые молекулы лиганда скапливаются
на ограниченном участке клеточной поверхности,
образуя как бы шапку. Образование такой шапки
угнетается цитохалазином В, откуда следует, что
микрофиламенты играют активную роль в перемещении молекул в
мембране клетки [104]. Во многих системах угнетение
образования шапки удается снять колхицином или
другими веществами, вызывающими деполимеризацию
микротрубочек [153]. Если разрушить и микротрубочки, и
микрофиламенты комбинированным действием
колхицина и цитохалазина В, образовавшаяся шапка, которая
обычно довольно стабильна, распадается, так что
молекулы, из которых она состояла, распределяются по всей
поверхности клетки. Эти результаты указывают на то,
что и микротрубочки, и микрофиламенты участвуют в
регуляции перемещения молекул в клеточной мембране:
микрофиламенты проявляют сократительную
активность, а микротрубочки служат для них опорой. Можно
также предполагать, что для латерального перемещения
белков в липидном бислое мембраны необходимо
прямое взаимодействие между микрофиламентами и
мембранными белками (рис. 3.20).
Есть, однако, и более прямые данные о том, что
микрофиламенты соединены с поверхностными белками,
т. е. с клеточными мембранами. В разных лабораториях
различными методами показано, что непосредственно
под шапкой, образующейся на лимфоцитах (после
обработки антителами) или на клетках гранулезы яичников
(после обработки конканавалином А), собирается много
микрофиламентов [10]. Там же накапливаются миозин и

88 3. Системы подвижности эукариотических клеток
Рис. 3.20. Предполагаемый механизм образования на поверхности
клетки «шапки» из рецепторов (а, б) и ее исчезновения под
действием веществ, разрушающих микрофиламенты (в), и веществ,
разрушающих микротрубочки (г).
тубулин. В более поздней работе применили метод
осаждения актина из лизатов клеток мышечным
миозином, после чего идентифицировали вещество, преципити-
рующее вместе с актином; показано, что актин
осаждается вместе с молекулами, обычно находящимися на
внешней поверхности клеточных мембран, такими, как
антигены Н-2 и иммуноглобулины. Количество
иммуноглобулинов, связанных с актином, больше в клетках с
«шапками», чем в клетках с неизмененным
распределением антигенов по поверхности [46]. Исходя из
полученных результатов, можно предположить, что агрегация
поверхностных белков в «шапку» вызывается
возникновением новых связей с актином. Это может служить
дополнительным свидетельством в пользу того
представления, что микрофиламенты контролируют по крайней
мере некоторые типы перемещения компонентов
мембраны.
Приведенные выше данные демонстрируют такж,е, что
актиновые филаменты прямо связаны с мембранами.
Результаты, полученные с помощью других методов и
на других объектах, также указывают на это. Например,
микрофиламенты часто выделяются при очистке цито-
плазматич,е.ских мембран. Впервые это показано для
3. Системы подвижности эукариотических клеток 89
Acanthamoeba castellani [117], а впоследствии
подтвердилось практически для всех типов клеток. В очищенных
препаратах мембран микрофиламенты можно увидеть в
электронный микроскоп (причем они прикрепл,ены к
внутренней поверхности мембраны); кроме того, при
электрофорезе препаратов мембран в полиакриламид-
ном геле в присутствии додецилсульфата натрия
обнаруживается актин.
Далее, есть прямые микроскопические наблюдения
примембранных областей, в которых много микрофила-
ментов. Иногда, например в случае ворсинок, очень
четко видно, что микрофиламенты прикреплены к мембране
на конце ворсинки. На электронных микрофотографиях
поперечных сколов ворсинок центральный пучок микро-
филаментов соединен с мембраной ворсинки как бы
спицей.
Как микрофиламенты прикрепляются к мембране,
пока неясно. Непосредственно ли присоединены
микрофиламенты к мембранам или ж,е, их связь
осуществляется через какие-то другие белки? Второе предположение
кажется более правдоподобным; наиболее, вероятные
кандидаты на роль такого связующего белка — а-акти-
нин или подобные ему белки. Показано, что а-актинин
присутствует в кончике ворсинки — там, где
микрофиламенты прикрепляются к ее мембране; кроме того, он
обнаружен в цитоплазматической мембране и в мембранах
секреторных везикул вблизи микрофиламентов [80].
Таким образом, предполагается, что а-актинин играет
одну и ту же роль и в мышечных волокнах (где он
связывает актиновые нити с Z-мембранами) и в немышечных
клетках. Возможно, микрофиламенты взаимодействуют
с мембранами также через посредство миозина, и есть
данные, указывающие на то, что миозин может
выступать как трансмембранный, белок.
Менее убедительны эксперименты, поставленные с
целью выявить прямое взаимодействие между
микротрубочками и мембранами. По данным многих
исследователей, колхицин связывается с мембранами, однако из-
за того, что такому связыванию могут способствовать
самые разные факторы, это нельзя расценивать как
доказательство присутствия тубулина в клеточной мембра-

90 3. Системы подвижности эукариотических клеток
не. Более прямые данные, указывающие на то, что ту-
булин входит в состав мембран, получены на синаптосо-
мах головного мозга [167] и на мембранах ресничек
некоторых моллюсков [147]. Во всяком случае, связь с
мембранами для тубулина, по-видимому, не столь
обычное явление, как для актина.
Кратко рассмотрев данные о взаимодействиях между
микротрубочками, микрофиламентами и мембранами, и
помня о распределении элементов цитоскелета в
животной клетке, мы можем обсудить роль цитоскелета и
клеточной мембраны (рис. 3.21). Согласно предполагаемой
модели, в интерфазных кл,етках микротрубочки
образуют внутренний каркас, расходясь от центра к периферии
клетки. Этот каркас не участвует непосредственно в
генерации движения, а служит опорой для расположенных
ближе к поверхности клетки структур, образованных
Рис. 3.21. Предполагаемые взаимоотношения между
микротрубочками, микрофиламентами и клеточной мембраной. (По Nicholson et
al., 1977, из книги Dynamic Aspects of Cell-Surface Organization,
vol. 3, North Holland.)
3. Системы подвижности эукариотических клеток 91
микрофиламентами. Именно микрофиламенты,
связанные с мембранными белками и органеллами клетки,
ответственны за движения внутриклеточных структур и
всей клетки в целом. Эта модель отводит
микротрубочкам роль цитоскелета, а
микрофиламентам—динамическую роль.
Рекомендуемая литература
Следующие книги по проблемам, рассмотренным в данной главе,
представляют общий интерес:
Primitive motile systems in cell biology (1964) (ed. R. D. Allen and N.
Kamiya), Academic Press, New York and London.
Поглазов Б. Ф. (1966). Структура и функции сократительныХ|
белков. — М.: Наука 1965'.
Cell motility (1976) (ed. R. Goldman, Т. Pollard and J. Rosenbaum),
Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor.
Чтобы оценить огромный прогресс, сделанный за последнее
десятилетие в изучении молекулярных основ подвижности клеток,
полезно сравнить содержание первых двух книг с тем, что изложено
в третьей.
Наряду со множеством обзоров и специальных статей читатель
может получить дополнительную информацию о микротрубочках в
следующих публикациях:
Snyder J. A., Mcintosh R. (1976). Biochemistry and physiology of
microtubules, Ann. Rev. Biochem., 45, 699—720.
Gaskin F., Shelanski M. L. (1976). Microtubules and intermediate
filaments. In: Essays in Biochemistry (ed. P. N. Campbell and
W. N. Aldridge), vol. 12, Academic Press, New York and London,
pp. 115—146.
Stephens R. E., Edds К. T. (1976). Microtubules: structure, chemistry
and function, Physiol. Rev., 56, 709—777.
Dustin P. (1978). Microtubules, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg,
New York.
О микрофиламентах и касающихся их вопросах:
Clarke M., Spudich J. А. (1977). Nonmuscle contractile proteins: the
role of actin and myosin in cell motility and shape determination,
Ann. Rev. Biochem., 46, 797—822.
Hitchcock S. E. (1977). Regulation of motility in nonmuscle cells,
J. Cell Biol., 74, 1—15.
Кот Е. D. (1978). Biochemistry of actomyosin-dependent cell
motility, Proc. Natt. Acad. Sci. USA, 75, 588—599.
1 Вместо рекомендуемого автором английского перевода
восстановлена ссылка на первоисточник. — Прим. ред.

4. ДВИЖЕНИЕ
ЭУКАРИОТИЧЕСКИХ
КЛЕТОК
Создаваемое микротрубочками и микрофиламентами
движение в эукариотических клетках может
реализоваться различно, приводя к движению либо всей клетки
как целого, либо только отдельных ее частей. В первом
случае происходит активное перемещение клетки, во
втором — движение ограничено какой-то частью клетки,
будь то ме.мбрана, цитоплазматические органеллы или
сама цитоплазма. Перемещение клетки осуществляется
одним из двух основных способов: либо благодаря
движению ресничек или жгутиков, либо амебоидным
движением. Реснички и жгутики эукариотических
клеток — это цилиндрические органеллы, вдоль которых
при возбуждении распространяются волны, приводящие
клетку в движение, если она не закреплена. Если же
кдетка лишена возможности двигаться, биение ресничек
или жгутиков приводит в движение окружающую их
жидкость. Так действуют, например, реснички
(ворсинки) эпителия, который выстилает полости в теле
животного. Можно было бы привести еще множество
примеров, однако и без них ясно, что двигаться с помощью
реснич,ек и жгутиков можно только в жидкой среде.
Амебоидное движение, напротив, эффективно для
перемещения клетки в нежидкой среде. Оно обнаружено не
только у свободно живущих микроорганизмов, но также
и у более высоко организованных живых существ, у
которых амебоидное движение играет решающую роль в
развитии, особенно в процессе морфогенеза
многоклеточного организма (см. книгу D. R. Garrod „Cellular
Development", изданную в этой же серии). Можно также
привести примеры того, что оба типа движения
реализуются одновременно в пределах одной клетки. Еще бо-
4. Движение эукариотических клеток
93
лее удивительны такие микроорганизмы, как почвенная
амеба Naegleria или плазмодии миксомицетов Physarum
и Didymium, которые движутся амебоидно, когда живут
в почве, и приобретают жгутики, приспосабливаясь к
водной среде. Благодаря этому свойству такие
микроорганизмы можно считать промежуточными формами
между амебами и жгутиковыми.
Движения внутри клетки свойственны всем
организмам. Это отражает тот факт, что структурная
организация живой клетки находится в состоянии динамики;
изменения в окружающей среде требуют от клетки
адекватной реакции, необходимым звеном которой часто
бывают внутриклеточные движения. Это могут быть
движения клеточной мебраны (например, при фагоцитозе),
органелл внутри клетки (вакуолей, лизосом, пигментных
гранул и др.)' или самой цитоплазмы (например, цик-
лоз в растительных клетках).
В предыдущей главе мы рассмотрели молекулярные
компоненты систем подвижности эукариотических
клеток; следующие разделы посвящены исполнительным и
регуляторным механизмам жгутикового и амебоидного
движения.
4.1. Движение ресничек и жгутиков
Реснички и жгутики эукариотических клеток — это
цитоплазматические, выросты, способные генерировать
движение. Они состоят из оси, образованной
микротрубочками (аксонемы) и клеточной мембраны, которая ее
окружает. Реснички'и жгутики имеют одинаковую
структуру и различаются главным образом по характеру
движения: жгутики совершают равномерные, волнообразные
движения, тогда как реснички—двухфазные биения
(быстрый рабочий гребок и медленное возвращение в
исходное положение).
1 К наиболее подвижным органеллам клетки относятся
митохондрии— они движутся практически непрерывно. — Прим. ред.
перевода.

94
4. Движение эукариотических клеток
4.1.1. Механизм движения
Согласно модели скольжения, которую предложил
Петер Сатир [129], движение ресничек и жгутиков
создается деятельностью динеиновых ручек в дублетах
микротрубочек в присутствии АТР. Возникающее при этом
скольжение приводит к изгибанию реснички или
жгутика благодаря связующим белковым элементам
(радиальным спицам и нексиновым мостикам) между дублетами.
Решающее значение радиальных спиц и нексиновых
мостиков в трансформации скольжения в изгибание
демонстрируется следующим фактом: если их переварить
трипсином, аксонемы таких жгутиков или ресничек
теряют способность к волнообразным движениям. Не
поврежденные трипсином, аксонемы в присутствии АТР
изгибаются подобно интактным жгутикам. На основании
этих простых экспериментов можно сделать следующие
важные выводы: во-первых, именно аксонема
ответственна за движение жгутика; во-вторых, движение
возникает в результате взаимодействия дицедновых ручек
с дублетами микротрубочек; в-третьих, белковые
соединения между дублетами аксонемы обеспечивают
трансформацию скольжения микротрубочек в изгибание
жгутика. Первые два пункта мы уже обсуждали в
разделе 3.4 главы 3, так что читатель может к этому
вернуться. Теперь наш интерес сосредоточится на последнем
пункте, а именно на вопросе о том, как скольжение
микротрубочек в соседних дублетах трансформируется в
изгибание жгутика. Мы рассмотрим также роль
нексиновых мостиков и радиальных спиц в этом процессе и
обсудим, как локальный изгиб может породить
волнообразное движение всего жгутика.
Современные представления о роли нексиновых
мостиков и радиальных спиц основаны главным образом на
работе Уорнера и Сатира [168], которые с помощью
электронной микроскопии высокого разрешения изучили,
как изменяется структура латеральных ресничек в
жабрах моллюска Elliptio spp., фиксируя ее в разных фазах
цикла биений. Показано, что в прямых (неизогнутых)
участках ресничек спицы не контактируют с
центральной оболочкой и перпендикулярны тому дублету, из ко-
4. Движение эукариотических клеток
95,
Рис. 4.1. Схематическое изображение аксонемы жгутика: а —
процесс изгибания; б — неизогнутая аксонема. Показаны отношения
между радиальными спицами и центральными дублетами, а также
смещения внутри дублетных пар на конце жгутика (сравните
схемы а и б поперечного сечения конца жгутика).
торого они исходят. Там, где аксонема изогнута, ранее
свободные концы радиальных спиц прикреплены к
центральной оболочке, а сами спицы наклонены, причем угол
наклона пропорционален кривизне в данном участке
реснички. Похоже, что радиальные спицы периодически
смыкаются с центральной оболочкой и отсоединяются от

96
4. Движение эукариотических клеток
нее в соответствии со степенью изогнутости реснички.
В тех участках, где спицы прикрепляются к оболочке
вследствие скольжения микротрубочек, ресничка
изгибается. В остальной ее части концы радиальных спиц не
закреплены, что допускает свободное скольжение
дублетов (рис. 4.1). Излишнее скольжение предотвращается
нексиновыми мостиками между соседними дублетами.
Эти мостики, по-видимому, не размыкаются, а служат
постоянными эластическими соединениями между
дублетами и допускают только ограниченное скольжени,е,.
4.1.2. Типы движений
В экспериментальных условиях изгибание реснички
или жгутика может начаться в любой точке аксонемы.
Это продемонстрировано в работе Брокау и Джиббонса
[26] на частично лишенных мембраны хвостах
сперматозоидов: при добавлении АТР изгибы возникали именно
в тех участках, с которых удалили мембрану. Однако в
естественных условиях изгибание чаще всего возникает
у основания жгутика или реснички, и затем волна
распространяется вдоль по направлению к кончику
(рис. 4.2). Реже можно наблюдать обратное: например,
у трипаносом в норме волны распространяются по
жгутику от его конца к основанию. Размеры жгутиков
эукариотических клеток позволяют легко регистрировать
их движение с помощью светового микроскопа в
сочетании, например, со скоростной микрокиносъемкой (или
иным методом регистрации изображений). Движение
время
Рис. 4.2. Схема распространения волн вдоль жгутика при
движении сперматозоида.
4. Движение эукариотических клеток
97
1 »'
о <-
Рис. 4.3. Движения жгутика: а — плоские волнообразные движения;
б — винтовое движение. На рис. а' и б' показано, как движется
при этом кончик жгутика.
жгутика имеет волнообразный характер и может
совершаться как в одной плоскости, так и в пространстве.
В последнем случае движения жгутика ограничены
цилиндрической поверхностью, и его кончик описывает
кривую, близкую к эллипсу (винтовое движение).
Движения жгутика характеризуются симметрией и
упорядоченностью волн. Так как волны возникают с довольно
большой частотой (20—30 раз в секунду), вдоль по
жгутику в норме одновременно бежит более чем одна
волна, так что он выглядит волнообразно изогнутым
(рис. 4.3).
Движение жгутика в жидкой среде создает силу,
которая достаточна для того, чтобы толкать свободно
плавающий организм в направлении, противоположном
направлению распространения волны. Таким образом,
когда волна распространяется от основания жгутика к его
концу, он толкает клетку от себя, а когда волна бежит
от кончика к основанию, жгутик тянет клетку за собой.
Интересное исключение обнаруживают жгутиковые
Ochromonad, которые перемещаются в направлении
распространения волны вдоль жгутика. Это связано с тем,
что жгутик этих простейших снабжен двумя рядами
нитевидных отростков (около 20 нм толщиной и 1 мкм
длиной), называемых мастигонемами, которые
прикреплены по всей длине жгутика с противоположных сторон
в одной плоскости (рис. 4.4). Согласно Яну и др. [74],
жгутик совершает биения в плоскости расположения
мастигонем. Жесткие выступы мастигонем создают
поток жидкости в направлении, противоположном распро-

98 4. Движение эукариотических клеток
волна
направление
движения клеткиг
волна
мастигонемы
направление Ъвижения клетки
Рис. 4.4. Направление перемещения клетки в результате
волнообразных движений жгутика. Вверху — жгутик без мастигонем,
внизу— с мастигонемами.
страняющейся по жгутику волне. Так как мастигонемы
развивают силу большую, чем жгутик, организм
продвигается в направлении распространения волны вдоль
жгутика.
Движения ресничек очень разнообразны; их обычно
называют биениями. Согласно общей модели,
основывающейся на наблюдениях биения ресничек у разных
организмов, каждый цикл биения состоит из двух фаз.
В первой фазе (фаза рабочего гребного удара) ресничка
резко изгибается вблизи своего основания, а остальная
eg часть остается прямой или лишь слегка изогнутой.
При этом конец реснички описывает плоскую дугу по
крайней мере в 90°. Во второй фазе (восстановительное
движение) изгиб медленно перемещается (и постепенно
уменьшается) к концу реснички; в результате
восстанавливается исходное положение, с которого начинался
рабочий гребок (рис. 4.5). Рабочий гребной удар — это
более продуктивная фаза биения ресничек: гребок
создает значительно больший поток жидкости, чем
восстановительное движение, и, следовательно, им,е,нно он
определяет направление движения. Свободноживущий
микроорганизм перемещается в направлении,
противоположном направлению гребного удара. В случае
ресничного эпителия или подобных структур поток жидкости,
создаваемый биением ресничек, направлен в ту же сто-
4. Движение эукариотических клеток
99
L восстановительное
движение
ьребной ■
удар
поверхность клетки
Рис. 4.5. Схематическое изображение движения реснички: а —
профиль гребного удара и восстановительного движения; б —
траектория движения кончика реснички (проекция на плоскость).
рону, что и гребные удары. В фазе восстановления
ресничка медленно возвращается в исходное положение в
другой плоскости, чем та, в которой совершался рабочий
гребок. Так как восстановительное движение медленно,
оно лишь незначительно смещает жидкую ср,еду и
обычно никак не влияет на подвижность.
4.1.3. Координация движения
и управление им
Координация движения подвижных структур
эукариотических клеток особенно наглядна в случае
ресничек. Это обусловлено тем, что реснички обычно никогда
н,е бывают одиночными, а образуют структуры,
состоящие нередко из тысяч плотно упакованных отдельных
органелл. Трудно представить себе, что в таких
условиях каждая ресничка движется более или менее
независимо. Действительно, биения ресничек в таких
структурах оказались чрезвычайно высоко координированными.
Предложены две гипотезы, которые объясняют
механизм согласованного движения ресничек с разных
позиций. Согласно «нервной» гипотезе координации,
подвижность ресничек управляется своего рода нервным
механизмом: возбуждение передается последовательно от
одной реснички к другой по клеточным структурам. Дру-

100
4. Движение ЭукарИотических клеток
ресничка
„нервная" t lt| t |t
координация • ► • ■ • ► *
^ базальные
стимул структуры
Механическая ,,,
координация '• • • •
' S S S S
Рис. 4.6. Схема, иллюстрирующая возможные механизмы «нервной»
и механической координации биеиия ресиичек.
гая гипотеза — теория механической координации —
предполагает, что движения соседних ресничек
взаимосвязаны благодаря тому, что механическая сила
передается от одной реснички к другой через вязкую среду,
в которой они движутся (рис. 4.6). Чтобы выяснить,
какая из гипотез верна, Слейг [138] поставил ряд
остроумных экспериментов на ресничных гребешках Pleuro-
branchia, применив механическое устройство для
стимуляции и остановки биения ресничек. Опыты показали,
что, когда между соседними ресничками вставлена тонкая
бумажная перегородка, задерживающая поток жидкости,
распространение биений немедленно прекращается.
Этот эксперимент и другие ему подобные
подчеркивают важность потоков жидкости, вызываемых
движением ресничек, для согласования их деятельности и
поддерживают гипотезу механической координации. Правда,
этот механизм реализуется, видимо, не у всех
организмов. Есть данные о том, что у многих
многоклеточных координация движения ресничек осуществляется по
механизму «нервной» регуляции.
При движении ресничек на поверхности ресничной
клетки наблюдаются метахронные волны (т. е.
реснички движутся со сдвигом по фазе); это результат
координации движения ресничек. Эти волны поэтично
сравнивают с волнами, пробегающими по хлебному полю на
ветру. Тип координации биения ресничек (у различных
организмов описаны разные типы координации [77])
зависит от того, как направлены гребные удары ресничек
L
L
4. Движение эукариотических клеток
101
метахронная волна _«.
& гребной удар—-
/я л\
метахронная волна -
,■■•-., гребной удар ■
mi
/л
i/
' \
/?
метахронная волна /
гребной удар .
7..
Р
ш
1
Рис. 4.7. Координация биений ресничек: а — симплектитовая мета-
хрония; б — антиплектитовая метахрония; в, г, д — диаплектитовая
метахроиия, г — вид в направлении распространения волны, <Э —
вид в направлении гребного удара. (Из Holwill М. Е. J., 1977,
Adv. Microbiol. Physiol., 16, 1—48.)
и как распространяются метахронные волны по
поверхности, несущей реснички. Когда метахронная волна и
гребной удар одинаково направлены, говорят о симплек-
титовой метахронии, когда они направлены в
противоположные стороны — об антиплектитовой метахронии,
когда взаимно перпендикулярны — о диаплектитовой
метахронии (рис. 4.7). Каждый из этих типов метахронии
свойствен определенной ресничной структуре.

102 4. Движение эукариотических клеток
Управление перемещением клеток, движущихся за
счет активности жгутиков или ресничек, несомненно,
определяется возможностями клетки изменять характер
движения этих органелл. Как и в случае бакт,ерий,
такие изменения чаще всего вызываются различными
воздействиями окружающей среды: химическими,
электрическими, механическими стимулами, изменениями
освещенности и проч. Стимулы окружающей среды
регулируют как ориентацию, так и скорость передвижения
клетки.
Одна из ориентационных реакций у эукариотических
микроорганизмов изучена достаточно детально; это так
называемая реакция избегания у жгутиковых или
ресничных клеток. Эту реакцию вначале рассматривали
как механизм, позволяющий свободно плавающей клетке
избегать механические препятствия, которые она может
встретить на своем пути; в дальнейшем, однако,
реакцию избегания наблюдали в ответ также и на многие
другие стимулы. У ресничных, например у инфузорий
Paramecium, временное изменение направления
гребного удара на обратное вызывает движение клетки
вспять. Эта реакция вызывается механическими или
какими-либо физико-химическими стимулами. Реакция
заканчивается, когда гребные удары возобновляются в
нормальном направлении и клетка снова перемещается
вперед (рис. 4.8). Исследования Роджера Эккерта и его
сотрудников позволили прояснить некоторые вопросы,
связанные с изменением направления биения ресничек;
они показали, что направление гребного удара (прямое
или обратное) контролируется электрическим
потенциалом клеточной мембраны и связанной с ним
проницаемостью мембраны для ионов кальция (см. [42] и [102]).
Согласно общепринятой в настоящее время модели,
стимул, действующий на хвостовой конец Paramecium,
вызывает деполяризацию клеточной мембраны; поток
ионов кальция из среды внутрь клетки увеличивается.
В результате возрастает концентрация кальция внутри
клетки и направление биения ресничек меняется на
обратное. Если деполяризующий стимул не
поддерживается (т. е. его длительность ограничена), Са2+ активно
выкачивается из клетки до тех пор, пока внутри клет-
4. Движение эукариотических клеток 103
Рис. 4.8. Фазы реакции избегания у Paramecium: a — уход от
препятствия; б — переориентация клетки; в — движение в новом
направлении [42].
а <> в г
стимул
Q-QQQ
Рис. 4.9. Последовательность фаз реакции избегания: а — деполя-
ризация^ мембраны в ответ на стимуляцию; б — вызванный
деполяризацией поток Са2+ внутрь клетки; в — аккумуляция Са2+ и
изменение направлеияя биеиия ресничек на обратное; г —
возобновление биения ресничек в нормальном направлении в результате
восстановления нормальной внутриклеточной концентрации Са2+
ки не восстановится его нормальная концентрация. Как
только достигается это состояние, реснички
возобновляют биения в нормальном направлении и клетка снова
плывет вперед (рис. 4.9).

104
4. Движение эукариотических клеток
Помимо Paramecium, Са2+-зависимая регуляция
движения ресничек и жгутиков обнаружена также в
сперматозоидах Tubularia и Elliptic* и у таких жгутиковых
простейших, как Criihidia oncopelti и Chlamydomonas.
Каков механизм действия ионов кальция, в настоящее
время еще не ясно.
Способ переориентации движения клетки в ответ на
стимулы внешней среды не одинаков у различных
микроорганизмов. Двухжгутиковые, такие, как
Chlamydomonas, изменяют направление плавания на обратное,
вытягивая на короткое время оба жгутика перед
телом клетки. Некоторые сперматозоиды на мгновение
останавливаются, движения жгутика прекращаются,
головка поворачивается в нужную сторону, после чего
сперматозоид плывет в новом направлении. Трипаносо-
мы действуют иначе: у них нормальное направление
распространения волны по жгутику (от конца к основанию)
меняется на обратное (от основания к концу), что
изменяет направление их движения. Все эти способы очень
эффективны; не исключено, что в их основе лежит один
и тот же механизм.
4.2. Амебоидное движение
Термин «амебоидное движение» охватывает все
формы перемещения клеток с помощью временно
образующихся на поверхности клетки цитоплазматических
выростов, носящих общее название псевдоподии. Этот тип
движения вначале, считался характерным свойством
амебоидных простейших класса Sarcodina, однако
впоследствии стало ясно, что он присущ большинству
клеток, хотя и с различными модификациями. Клетка
может выпускать псевдоподии в любой среде (вода,
воздух, почва и др.). Однако передвижение возможно
только в том случае, когда у организма есть плотная опора.
Следовательно, амебоидно двигаться могут только те
клетки,, которые либо лежат на твердой поверхности,
либо находятся внутри многоклеточного организма, где
опору обеспечивают другие клетки и ткани.
4. Движение эукариотических клеток 105
4.2.1. Механизм
амебоидного движения
Как уже отмечалось выше, для амебоидного
движения необходима система актиновых микрофиламентов,
которые могут взаимодействовать с миозином в
присутствии АТР и создавать силу, которая и вызывает
движение. По общему мнению, при амебоидном движении
роль мотора играет взаимное скольжение актина и
миозина; гораздо менее ясно, как это скольжение связано с
формированием псевдоподий и их активностью.
Для объяснения амебоидного движения есть две
гипотезы. Пантен [109] и Мает [96] задолго до открытия
сократимых микрофиламентов предложили идею о
сократимом эктоплазматическом мешке. Согласно этой
гипотезе, цитоплазма на периферии клетки (эктоплазма)
находится в состоянии геля и может «сокращаться».
Сократившийся эктоплазматическии «мешок» оказывает
давление на центральную, более жидкую, часть
цитоплазмы (эндоплазму), выдавливая ее в ту область
клетки, где давление меньше (в сторону открытой части
«мешка»), где и образуется псевдоподия (как
выдавливается из тюбика зубная паста) (рис. 4.10, а). Роберт
Рис. 4.10. Токи эдоплазмы при амебоидном движении: а — по
гипотезе о сокращении эктоплазменного мешка; б — по гипотезе о
сокращении фронтальной зоны.

106 4. Движение эукариотических клеток
Аллен [12] предложил гипотезу сокращения
фронтальной зоны. При этом он наделил свойством сократимости
уже эндоплазму, точнее ту ее часть, которая находится
во фронтальной зоне продвигающейся вперед
псевдоподии, считая, что при сокращении она будет тянуть за
собой эндоплазму из лежащих за ней областей клетки
(рис. 4.10,. б). Хотя показано, что сокращение эктоплаз-
матического м,ешка согласуется с моделью скольжения
актиновых и миозиновых нитей [123], в настоящий
момент гипотеза Аллена более популярна; в ее пользу
свидетельствуют многие экспериментальные, результаты, а
также теоретические представления (см. [105] и обзор
[14]). Возможно, однако, что верны обе гипотезы, просто
они реализуются в различных системах.
Если не считать теоретические соображения, мы пока
что очень мало знаем о молекулярном механизме
амебоидного движения. Хотя некоторые реакции этого
процесса уже удалось расшифровать, предстоит еще большая
работа. Модель, предложенная Тейлором и его
сотрудниками [154], представляется в этом отношении хорошо
согласующейся со всеми имеющимися
морфологическими и биохимическими данными. Эта модель
основывается на представлении о том, что в цитоплазме все время
происходят переходы актина из мономерного
состояния в полимеризованное и обратно, причем актин
взаимодействует с миозином только в виде филаментов; при
этом развивается сокращение. После того как оно
произошло, актиновые филаменты деполимеризуются на
мономеры и цикл повторяется снова. Таким образом,
сокращение предстает как многоступенчатый процесс,
включающий фазу структурирования актина (сборка
микрофиламентов; формирование из них
пространственной сетки, т. е. образование геля, или желатинизация) и
фазу собственно сокращения гелеподобной структуры.
Внутри клетки область перехода золь—гель актина
совпадает с зоной превращения эндоплазмы в
эктоплазму. «Расслабление» актомиозиновых комплексов,
сопровождающееся деструкцией актиновых филаментов,
похоже, совпадает с переходом эктоплазмы в эндоплазму.
Модель подчеркивает важность тех факторов, которые
контролируют как взаимодействие актина и миозина,
4. Движение эукариотических клеток
107
так и процесс желатинизации. Впервые это
исследовалось на большой амебе Amoeba proteus и в дальнейшем
подтвердилось на других объектах.
4.2.2. Типы амебоидного движения
Чтобы клетка могла двигаться амебоидно, должны
выполняться два условия. Во-первых, клетка должна
иметь возможность прикрепиться к твердому субстрату
и, во-вторых, она должна уметь выпускать цитоплазма-
тические выросты — псевдоподии, в которые как бы
перетекает содержимое клетки. Эти два условия в общих
чертах определяют важнейшие особенности амебоидного
движения, однако как форма и структура цитоплазмати-
ческих отростков, так и характер передвижения у
различных клеток весьма различны. С морфологической и
структурной точек зр,ения выделяют по крайней мере
пять типов псевдоподий (рис. 4.11). Первый тип — это
характерные для амеб лобоподии, т. е. широкие, с
закругленным концом выпячивания клеточной
мембраны. На конце лобоподии можно видеть область
прозрачной эктоплазмы, за которой находится менее прозрачная
эндоплазма с клеточными органеллами. Обычно при
Рис. 4.11. Наиболее распространенные формы псевдоподий: а —
лобоподия; б — филоподии; в — аксоподия; г — ламеллоподия; д —
ризоподии (ретикулоподии).

108 4. Движение эукариотических клеток
движении клетки лобоподия прикрепляется к субстрату,
а затем содержимое клетки перетекает в нее, однако у
раковинных амеб дело обстоит иначе. Эти амебы строят
раковину из органического вещества, внутри которой
находится почти вся цитоплазма. Из отверстия раковины
выступает только пальцевидная лобоподия; она
прикрепляется к субстрату, сокращается и, укорачиваясь,
подтягивает клетку к точке прикрепления.
Второй тип псевдоподий — различные формы ламел-
лоподий, встречающихся у клеток млекопитающих. Они
похожи на сильно уплощенные лобоподии (толщина слоя
цитоплазмы в них иногда менее 0,1 мкм), которые
вытягиваются перед клеткой в направлении ее движения.
Ламеллоподии содержат микротрубочки, микрофиламен-
ты и другие органеллы. Они вытягиваются вперед,
прикрепляются к субстрату и передвигают клетку.
Третий тип псевдоподий — так называемые филопо-
дии, они встречаются как у амеб, так и у
многоклеточных. Это очень гибкие, тонкие (около 0,2 мкм в
диаметре) псевдоподии, внутри которых под клеточной
мембраной находится ось из микрофиламентов. Филоподии —
очень подвижные образования; они быстро выпускаются
клеткой и могут так же быстро втягиваться обратно.
Возможно, что они действуют как чувствительные
щупальца, с помощью которых клетка исследует
консистенцию находящейся перед ней поверхности, прежде чем
наползет на нее [11]. Иногда филоподии превращаются
в псевдоподии другого типа —в лобоподии или
ламеллоподии, — более эффективные в целях передвижения.
Четвертый тип псевдоподий, ретикулоподии,
называемые также ризоподии или сетчатые псевдоподии, чаще
всего встречаются у простейших Foraminifera. Это
тонкие, сильно разветвляющиеся нитевидные структуры,
образующие между собой множество анастомозов, что в
целом создает сложную трехмерную сеть вокруг клетки.
Внутри ризоподии находится ось из микрофиламентов,
в окружающей эту ось цитоплазме часто
обнаруживается много гранул (митохондрии и цитоплазматические
включения). Вся сеть может сокращаться и
используется клеткой для передвижения.
4. Движение эукариотических клеток . 109
И наконец, последний тип — аксоподии солнечников,
структура и подвижность которых уже описаны выше в
разделе о движении микро'трубочек (разд. 3.4).
Самые существенные морфологические особенности
амебоидного движения мы теперь опишем более
детально на примере больших почвенных амеб Chaos
chaos и Amoeba proteus. Первая из них— особенно
удобный объект для такого рода исследований, так как ее
большие размеры (несколько миллиметров в длину)
значительно упрощают морфологическое изучение. Мает
[96] и позднее Аллен [13] подробно описали это явление.
Движущаяся амеба представляет собой полярную
структуру, в которой передний полюс соответствует концу
псевдоподии, а задний полюс называют хвост, или уро-
ид. В передней части продвигающегося вперед конца
псевдоподии имеется тонкий чашеобразный слой
совершенно прозрачной эктоплазмы (гиалиновый колпачок)
без каких бы то ни было гранул; эта прозрачная чаша
охватывает всю переднюю часть клетки.
Гранулированная эндоплазма с ядром и другими органеллами
занимает центральную область клетки. Гиалиновый
колпачок в продвигающемся вперед конце клетки
периодически выдвигается вперед вследствие того, что некоторая
часть центральной эндоплазмы псевдоподии резко
переходит в состояние геля. В эти моменты
продвижение псевдоподии в направлении перемещения клетки
происходит с максимальной скоростью — около 3—
4 мкм/с. Токи эндоплазмы направлены к
продвигающемуся вперед концу псевдоподии,вблизи гиалинового
колпачка общий поток распадается на боковые струи,
эндоплазма под колпачком частично обтекает колпачок, а
частично переходит в состояние геля и в таком виде
включается в слой эктоплазмы. Разделение
центрального тока эндоплазмы на боковые струи имеет сходство с
фонтаном, поэтому область, в которой это происходит и
где совершается переход эндоплазмы в эктоплазму,
получила название «зона фонтана» (рис. 4.12). Токи
эктоплазмы направляются по краям назад к уроиду, где
происходит обратный переход эктоплазмы в эндоплазму, за
что эта область получила название «зона восстановле-

110 4. Движение эукариотических клеток
гранулярная эктоплазма
гиалиновая эктоплазма \
Рис. 4.12. Различные области цитоплазмы у амебы [13].
ния». Отсюда эндоплазма начинает двигаться снова в
направлении к «зоне фонтана».
Наиболее важен для амебоидного движения контакт
с субстратом, на котором находится клетка. Амебы
прикрепляются к субстрату особым участком клеточной
мембраны в центральной части поверхности клетки.
Часть клетки позади точки прикрепления укорачивается,
в то время как передняя часть удлиняется в
направлении перемещения.
Способ перемещения больших амеб нет оснований
считать общим для всех клеток. Однако вполне
вероятно, что молекулярный механизм один и тот же для всех
типов амебоидного движения. Наибольшее
разнообразие наблюдается на морфологическом уровне,. В
культуре клеток млекопитающих, например фибробластов,
продвигающиеся вперед псевдоподии (ламеллоподии)
имеют обычно листообразную форму с характерным
волнистым передним краем. Ведущая ламеллоподия
движется вперед, а остальная часть клетки следует за
ней. При этом, однако, не видно «фонтана» в токах
цитоплазмы, подобного тому, какой имеется у больших
амеб. В фибробластах обычно хорошо выражена
хвостовая область, часто типичная пальцевидная. Как
правило, точек прикрепления к субстрату несколько, они
находятся на нижней стороне ламеллоподии, тела
клетки и хвоста [1, 2].
4. Движение эукариотических клеток
111
4.2.3. Управление
амебоидным движением
Способность двигаться направленно в ответ на
поступающую из окружающей среды информацию
химической или физической природы хорошо развита у
эукариотических клеток с амебоидным типом движения.
В частности, хемотаксис (т. ,е,. направленная
подвижность в ответ на химические стимулы) проявляют
самые разные клетки высших организмов, например
фибробласты, опухолевые клетки, нейроны, половые
клетки, лейкоциты и др., а также некоторые низшие
организмы, такие, как амебоидные простейшие или миксо-
мицеты. Хотя эукариотические клетки — довольно
распространенный объект при исследовании направленной
подвижности, более или менее полные данные о
хемотаксисе имеются только для полиморфноядерных
лейкоцитов (из клеток высших организмов) и для клеточной
формы миксомицета Dyctyostelium discoideum (из
низших эукариот). D. discoideum особенно удобен дли
такого рода исследований: с ним легко манипулировать,
его можно исследовать сразу многими методами и
система его хемотаксиса уже довольно хорошо изучена.
а. Хемотаксис у клеточной формы миксомицета
D. discoideum. D. discoideum — один из излюбленных
объектов по сравнению с клеточными формами других
слизистых грибов, хорошо изученный пример клеточной
дифференцировки. Его жизненный цикл можно считать
состоящим из трех фаз: фазы роста, фазы агрегации и
фазы морфогенетического развития (рис. 4.13). В фазе
роста одноклеточные амебы размножаются делением и
питаются бактериями. Когда запасы пищи истощаются,
начинается фаза агрегации: амебы мигрируют
по направлению к центрам, где они
образуют агрегаты из тысяч клеток. Далее наступает
фаза морфогенетического развития: такой агрегат
развивается, дифференцируется, и образуется плодовое
(спорообразующее) тело, в котором можно различить
клетки трех типов (базальные диски, клетки стебля и
споры). Попав в подходящие условия, споры
превращаются в амеб, что соответствует началу нового жизнен-

112 4. Движение эукариотических клеток
фаза 'морфогеиетического развития
Рис. 4.13. Жизненный цикл D. discoideum. Подробности в
тексте [10].
ного цикла миксомицета. (Дополнительную информацию
можно найти в монографии J. M. Ashworth „Cell
Differentiation"; см. также [88].) Предположение о том, что
именно хемотаксис обеспечивает агрегацию клеток
D. discoideum, было высказано еще в начале века
первыми исследователями, изучавшими слизистые грибы
[106, 121]. Позднее было показано, что хемотаксис
вызывается диффундирующим фактором, названным акразин
[23, 126], свойства которого частично описал Шаффер
[131]. И наконец", Конджен и сотр. [79] показали, что
циклический аденозинмонофосфат (сАМР) действует
как аттрактант на миксамеб D. discoideum и что в
естественных условиях агрегация происходит именно как
хемотаксис на сАМР. Циклический аденозинмонофосфат
служит аттрактантом также и для других видов того же
рода. Однако некоторые родственные миксомицеты
(Polyspondylium pollidum, P. violaceum) используют как
4. Движение эукариотических клеток
113
акразин низкомолекулярный пептид с мол. массой
около 1500. Это примечательно тем, что подобный пептид
является хемоаттрактантом также и для лейкоцитов.
Процесс агрегации у D. discoideum представляет
собой сложное явление. С помощью дефектных мутантов
подсчитано, что в нем более или менее непосредственно
участвует около 200 генов. Агрегация начинается в
ответ на голодание; некоторые миксамебы начинают
ритмически выделять порции сАМР вначале со скоростью
примерно 1 раз каждые 10 мин, а затем быстрее — до
1 «импульса» каждые 2—3 мин (рис. 4.14). Как
регулируется эта скорость, пока выяснить не удалось. Она
может зависеть от периодических изменений активности
аденилатциклазы (фермента, участвующего в синтезе
сАМР), обусловленных колебаниями метаболических
процессов в клетке; эта проблема в настоящее время
еще не решена.
Выделяемый клеткой сАМР диффундирует на
расстояние вплоть до 100 мкм. В процессе диффузии сАМР
постепенно расщепляется присутствующими в среде фос-
фодиэстеразами, однако некоторые молекулы,
избежавшие этого, достигают соседних миксамеб и связываются
находящимися на их поверхности хеморецепторами
(сАМР-рецепторами). сАМР-редепторы возникают на
поверхности клеток в ответ на голодание через
несколько часов после исчезновения пищи.
Неясно, как эти рецепторы воспринимают хемосиг-
нал. Предложено два объяснения этого явления.
Согласно первой гипотезе, рецепторы способны реагировать на
градиент концентрации аттрактанта (сАМР) вблизи
поверхности клетки. Вторая гипотеза предполагает, что
миксамебы могут ощущать изменения концентрации
сАМР во времени, подобно тому, как это наблюдается
у бактерий при действии на них химических стимулов.
Сигнал сАМР вызывает у миксамеб два типа
ограниченных во времени ответов: двигательную реакцию и
выделение своего собственного сАМР. Двигательная
реакция заключается в образовании псевдоподий в
сторону сигнала, в результате вся клетка направленно
движется к источнику сигнала. Перемещение продолжается
около 100 с, и за это время клетка проходит приблизи-

О X
tj ,Х
^5
4. Движение эукариотических клеток 115
тельно 20 мкм (что примерно соответствует ее
удвоенному диаметру). После этого псевдоподии втягиваются и
движение клетки прекращается до тех пор, пока она не
получит новый хемосигнал.
Вторая ограниченная во времени ответная реакция
получила название релейного ответа. Он заключается в
продуцировании и выделении в среду собственного сАМР
через 12—15 с после получения стимула сАМР. При
релейном ответе сигнал усиливается, поскольку
длительность испускания вторичного сАМР-импульса может
достигать 60 с. Периодичность испускания сигналов и их
распространение в среде, заполняемой сближающимися
миксамебами, приводят к образованию концентрических
колец из клеток, одновременно сползающихся к центру
агрегации; эту начальную фазу агрегации легко увидеть
в микроскоп.
По мере развития фазы агрегации возникают потоки
клеток, мигрирующих по направлению к центру
агрегации; процесс завершается, когда все миксамебы
достигают центра, к которому их с самого начала привлекал
аттрактант (см. [54] и [103]).
Такой объект, на котором влияние хемотаксиса на
движение клеток может быть исследовано как
генетическими, так и биохимическими методами, оказывается
чрезвычайно полезным для изучения клеточной
подвижности, обусловленной микрофиламентами. Можно
надеяться, что результаты исследования этой и подобных
систем позволят в недалеком будущем выяснить
механизмы хемотаксиса и подвижности эукариотических
клеток.
Рекомендуемая литература
Различные аспекты движения клеток с помощью ресничек и
жгутиков рассмотрены в:
Swimming and Flying in Nature (1975) (ed. T. Y. Wu, C. J. Brokaw
and C. Brennen), Plenum Press, New York.
Cilia and Flagella (1975). (Ed. M. Sleigh), Academic Press, London.
Eckert R. (1972). Bioelectric control of ciliary activity, Science, 176,
473—481.
Surhmers K- (1975). The role of flagellar structures in motility, Bio-
chem. Biophys. Acta, 416, 153—168.

116 4. Движение эукариотических клеток
Holwill M. Е. (1977). Some biophysical aspects of ciliary and
flagellar motility, Adv. Microb. Physiol., 16, 1—48.
Подробные обзоры по амебоидному движению можно найти в
следующем сборнике:
Molecules and Cell Movements. A SPG symposium (1975). (Ed.
S. Inoue and R. Stephens), Raven Press, New York.
Этот сборник включает ряд обзоров и многие статьи из уже
упоминавшейся книги
Cell Motility (1976). (Ed. R. Goldman, Т. Pollard and J. Rosen-
baum), Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor.
Кроме того интересные работы имеются в:
Allen R. D. (1972). Biophysical aspects of pseudopodium formation.
In: The Biology of Amoeba (ed. K. Jeon), Academic Press,
New York.
Allen D. A., Stromger Allen N. (1978). Cytoplasmic streaming in
amoeboid movement, Ann. Rev. Biophys. Bioeng., 7, 469—495.
Читатель, интересующийся хемотаксисом слизистых грибов, найдет
полезную информацию в следующих статьях:
Konijn Т. М. (1974). The chemotactic effect of cyclic AMP and its
analogues in the acrasiae, Antibiot. and Chemother. (Basel), 19,
369—381.
Gerisch G., Malchow D. (1976). Cyclic AMP receptors and the
control of cell aggregation in Dictyostelium. In: Advances in Cyclic
Nycleotide Research, vol. 7 (ed. P. Greengard and A. Robison),
Raven Press, New York.
Bonner J. T. (1977). Some aspects of chemotaxis using the cellular
slime molds as an example, Mycologia, 69, 443—459.
Newell P. C. (1978). Cellular communication during aggregation of
Dictyostelium, J. Gen. Microbiol., 104, 1—13.
ЛИТЕРАТУРА
1. Abercrombie M., Heaystnan }., Pegrum S. (1970). Exp. Cell. Res.,
59, 393—398.
2. Abercrombie M., Heaystnan J., Pegrutn S. (1970). Exp. Cell. Res.,
60, 437—444.
3. Abratn D., Koffler H. (1964). J. Mol. Biol., 9, 168—185.
4. Adelstein R. S., Conti M. A. (1975). Nature, 256, 597—598.
5. Adler J. (1975). Ann. Rev. Biochem., 44, 341—356.
6. Adler J., Dahl H. H. (1967). J. Gen. Microbiol., 46, 161—173.
7. Adler J., Templeton B. (1976). J. Gen. Microbiol., 46, 175—184.
8. Adler J., Epstein W. (1974). Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 71,
2895—2899.
9. Afzelius B. A. (1976). Science, 193, 317—319.
10. Albertini D. E., Clark J. I. (1975). Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 72,
4976—4980.
11. Albrecht-Buehler A. (1976). In: Cell Motility (ed. R. Goldman,
T. Pollard and J. Rosenbaum), Cold Spring Harbor'Lab.,
pp. 247—264.
12. Allen R. D. (1961). Exp. Cell Res., 8 (suppl.), 17—31.
13. Allen R. D. (1961). In: The Cell (ed. J. Brachet and A. E. Mir-
sky), vol. 2, Academic Press, New York, pp. 135—216.
14. Allen R. D., Stromgren Allen N. (1978). Ann. Rev. Biophys.
Bioeng., 7, 469—495.
15. Aksamit R. R., Koshland D. E. (1974). Biochemistry, 13, 4473—
4478.
16. Amstrong J. B. (1972). Can. J. Microbiol., 18, 1695—1703.
17. Arai Т., Kaziro Y. (1977). J. Biochem. (Tokyo), 82, 1063—1071.
18. Barra H. S., Arce С A., Rodriguez J. A., Caputto R. (1974).
Biochem. Biophys. Res. Comm., 60, 1384—1390.
19. Berg H. С (1971). Rev. Sci. Instrum.,, 42, 868—871.
20. Berg H. C, Anderson R. A. (1973). Nature, 245, 380—382.
21. Berry R. W., Shelansky M. L. (1972). J. Mol. Biol., 71, 71—80.
22. Bhisey A., Freed J. (1971). Exp. Cell Res, 64, 419—423.
23. Bonner J. T, (1947). J. Exp. Zool., 106, 1—26.
24. Borisy G. G., Olmsted J. В., Marcum J. M., Allen С (1974).
Fed. Proc, 33, 167—174.
25. Boss W., Gordon A. S., Hall L. E., Price D. (1972). J. Biol.
Chem., 247, 917—924.
26. Brokaw С J., Gibbons I. K. (1973). J. Cell Sci., 13, 1—18. •
27. Bryan J., Wilson С (1971). Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 68,
1762—1766.

118
Литература
28. Bryan R. N.. Cutter G. A., Hayashi M. (1978). Nature, 272,
81—83.
29. Cappuccinelli P., Cuccureddu R., Hames B. D. (1977). In:
Development and Differentiation in the Cellular Slime Moulds (ed.
P. Cappuccinelli and J. M. Ashworth), Elsevier/North Holland,
Amsterdam, pp. 231—241.
30. Cappuccinelli P., Martinotti G., Hames. B. D. (1978). FEBS
Letters 91 153 157
31. Chang 'j. Y., De Lange R. J., Shaper J. M., Glazer A. N. (1976).
J. Biol. Chem., 251, 695—700.
32. Clarke M., Spudich J. A. (1977). Ann. Rev. Biochem., 46, 797—
822
33. Dales S. (1972). J. Cell Biol., 52, 748—752.
34. David-Pfeuty Т., Laparte J., Pantaloni D. (1978). Nature, 272,
282—284.
35. De Pamphilis M. L., Adler J. (1971). J. Bacterid., 105, 384—395.
36. De Pamphilis M. L., Adler J. (1971). J. Bacterid., 105, 396—407.
37. De Rosier D., Mandelkow E., Silliman A., Tilney L., Kane R.
(1977). J. Mol. Biol., 113, 679—695.
38. Dimmit K., Simon M. (1971). J. Bacterid., 105, 369—375.
39. Dimmit K-, Simon M. (1971). J. Bacterid., 108, 285—286.
40. De Petris S. (1975). J. Cell Biol., 65, 123—146.
41. Ebashi S., Endo M. (1960). Prog. Biophys. Mol. Biol., 18, 123—
183.
42. Eckert R. (1972). Science, 176, 476—481.
43. Eipper B. A. (1972). Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 69, 2283—2287.
44. Emerson S. U., Tokynasu K-, Simon M. I. (1970). Science, 169,
190 192.
45. Felix H., Strauli P. (1976). Nature, 261, 603—605.
46. Flanagan J., Koch G. L. E. (1978). Nature, 273, 278—281.
47. Frere J. M. (1977). Bull. Inst. Pasteur, 75, 187—203.
48. Fujiwara K., Pollard T. D. (1978). J. Cell Biol., 67, 125a.
49. Fujiwara K-, Pollard T. D. (1978). J. Cell Biol., 77, 188—195.
50. Fulton- C, Simpson P. M. (1976). In: Cell Motility (ed. R. Gold-
mann, T. Pollard and J. Rosenbaum), Cdd Spring Harbor Lab.,
pp. 987—1006.
51. Fuller G. M., Brinkley B. R., Boughter M. J. (1975). Science,
187, 948—950.
52. Gaskin F., Shelanski M. L. (1976). In: Essays in Biochemistry
(ed. P. N. Campbell and W. N. Aldridge), vol. 12, Academic
Press, New York,- pp. 115—146.
53. Gaskin F., Cantor С R., Shelansky M. L. (1974). J. Mol. Biol.,
89, 737—758.
54. Gerish G., Malchow D., Hess J. (1974). In: Biochemsitry of
Sensory Functions, Mosbacher Colloquium (ed. L. Jaenicke),
Springer-Verlag, Berlin, pp. 279—298.
55. Gibbons B. H., Gibbons I. R. (1972). J. Cell Biol., 54, 75—97.
56. Gibbons I. R. (1965). Arch. Biol., 76, 317—324.
57. Gibbons I. R., Fronk E., Gibbons В., Ogawa K. (1976). In: Cell
Motility (ed. R. Goldman, T. Pollard and J. Rosenbaum), Cold
Spring Harbor Lab., pp. 905—932.
58. Goldman R. (1971). J. Cell Biol., 51, 752—762.
Литература
119
59. Goldman R., Follet E. (1970). Science, 169, 268—288.
60. Глаголев А. Н., Скулачев В. П. (1978). Nature, 272, 380—382.
61. Grasse P. P. (1956). Arch. Biol., 67, 595—609.
62. Grimstone A. V., Cleveland L. R. (1965). J. Cell Biol., 24, 387—
400.
63. Hazelbauer G. L., Adler J. (1971). Nature New Biol., 230, 101—
104.
64. Herzhog W., Weber K. (1977). Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 74,
1860—1864.
65. Hilmer M., Simon M. (1976). In: Cell Motility (ed. R. Goldman,
T. Pollard and J. Rosenbaum), Cold Spring Harbor Lab.,
pp. 35-45.
66. Himes R. H., Burton P. R., Gaito J. M. (1977). J. Biol. Chem.,
252, 6222—6228.
67. Hitchen E. Т., Butter R. D. (1973). Z. Zellforsch. milrosk, anat.,
144, 59—73.
68. Hitchcock S., Carlsson L., Lindberg U. (1976). In: Cell Motility
(ed. R. Goldman, P. Pollard and J. Rosenbaum), Cold Spring
Harbor Lab., pp. 545—559.
69. Hollande A., Gharagzogtu I. (1967). C. R. Acad Sci., 265,
1309—1315.
70. Hunter Т., Garrets J. I. (1972). Cell, 12, 767—781
71. lino T. (1977). Ann. Rev. Genet., 11, 161—182.
72. lino Т., Mitani M. (1967). J. Gen. Microbiol, 49, 81—88
73. fnoue S., Ritter N. (1975). In: Molecules and Cell Movement
(ed. S. Inoue and R. E. Stephens), Raven Press, New York,
pp. 3—30.
74. Jahn H. L., Landman M. D., Fonseca J. R (1964). J Protozool
II, 291—303.
75. Jakus M. A., Hall С. Е. (1946). Biol. Bull., 91, 141—144
76. Joys T. M., Rankis V. (1972). J. Biol. Chem., 247, 5180—5193
77. Knight-Jones E. W. (1954). Q. J. Microsc. Sci., 95, 503—521
78. Kondok H., Yanagida M. (1975) J. Mol Biol, 96, 641—652
79. Konijn T. M., Barckley D. S., Chang Y. Y., Bonner J. T. (1968).
Amer. Naturalist, 102, 225, 234.
80. Кот Е. D. (1978). Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 75, 588—599
81. Kowitt J. D., Fulton С (1974). J. Biol. Cheem., 249, 3638—3646
82. Kowitt J. D., Fulton С (1974). Proc. Nat. Acad. Sci. USA 71,
2877—2881.
83. Larsen S. H., Adler J., Gargus J. J., Hokk R. W. (1974) Proc
Nat. Acad. Sci. USA, 72, 1239—1243.
84. Lazarides E. (1976). In: Cell Motility (ed. R. Goldman, T.
Pollard and J. Rosenbaum), Cold Spring Harbor Lab., pp. 347—360
85. Lazarides E., Lindberg U. (1974). Proc. Nat. Acod. Sci. USA,
71, 4742—4746.
86. Lazarides E., Weber K. (1974). Proc. Nat. Acad. Sci USA 71,
2268—2272.
87. Linck R. W. (1976). J. Cell. Sci., 20, 405—439.
88. Loomis W. F. (1975). Dictyostelium Discoideum: a
Developmental System, Academic Press, New York.
89. Luduena R. F., Woodward D. O. (1973). Proc. Nat. Acad Sci.
USA, 70, 3594—3598.

120
Литература
90. MacNab R., Koshland D. E., Jr. (1972). Proc. Nat. Acad. Sci.
USA, 69, 2509—2512.
91. MacNab R., Koshland D. E., Jr. (1974). J. Mol. Biol., 84, 399—
406.
92. MacNab R., Orston H. K. (1977). J. Mol. Biol., 112, 1—30.
93. Manson M. D.. Tedesco P., Berg H. C, Harold F. M. Van der
Drift С (1977). Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 74, 3060—3064.
94. Margulis L., To L., Chase D. (1978). Science, 200, 1118—1124.
95. Maruta H., Korn E. D. (1977). J. Biol. Chem., 252, 8329—8332.
96. Mast S. D. (1925). J. Morphol. Physiol., 41, 347—425.
97. Morgan J. L., Seeds N. W. (1975). J. Cell Biol., 67, 136—145.
98. Mooseker M. S. (1976). J. Cell Biol., 71, 417—433.
99. Mooseker M. S., Tilney L. G. (1973). L. Cell Biol., 56, 13—26.
100. Mooseker M. S., Tilney L. G (1976). J. Cell. Biol., 67, 724—743
101. Murphy D. В., Borisy G. С (1975). Proc. Nat. Acad. Sci. USA,
72, 2696—2700.
102. Naitoh Y., Eckert R. (1975). In: Cilia and Flagella (ed.
M. A. Sleigh), Academic Press, New York, pp. 305—355.
103. Newell P. С (1978). J. Gen. Microbiol., 104, 1—13.
\0i.Nicolson G. L. (1976). Biochem. Biophys. Acta, 457, 57—108.
105. Odell G. M., Frisch H. L. (1975). J. Theor. Biol, 50, 59—86.
106. Olive E. W. (1902). Proc. Boston Soc. Nat. Hist, 30, 451—513.
107. Olmsted J. В., Borisy G. G. (1973). Ann. Rev. Biochem. 42
507—540.
108. Olmsted J. В., Borisy G. G. (1975). Biochemistry, 14, 2996—
3005.
109. Pantin С F. A. (1923). J. Marine Biol. Ass, 13, 24—69.
110. Pastan I., Perlman R. (1970). Science, 169, 339—342.
Wl.Pedersen H., Rebbe H. (1975). Biol. Reprod, 12, 541—544.
112. Penningroth S. M., Cleveland D. M., Kirschner M. W. (1976).
In: Cell Motility (ed. R. Goldman, T. Pollard and J. Rosenba-
um), Cold Spring Harbor Lab, pp. 1233—1255.
\\3.Pickett-Heaps J. D. (1969). Cytobios, 1, 257—280.
U4. Piperno G., Luck D. (1974). J. Cell Biol, 63, 271a.
115. Piperno G., Luck D. J. (1977). Biol. Chem., 252, 383—391
116. Piperno G., Huang В., Luck D. L. (1977). Proc. Nat. Acad. Sci.
USA, 74, 1600—1604.
117. Pollard T. D., Korn E. D. (1973). J. Biol. Chem, 248, 448—454.
118. Pollard T. D., Korn E. D. (1973). J. Biol. Chem, 248, 4682—
4690.
119. Pollard T. D., Korn E. D. (1973). J. Biol. Chem, 248,4691—
4697.
\20. Pollard T. D., Porter N. E., Stafford D. W. (1977). Cell Biol,
75, 262a.
121. Potts G. (1902). Flora, 91, 281—347.
122. Raybin £>., Flavin M. (1975). J. Cell Biol. 67, 356a.
\23.Rinaldi R., Opas M., Hrebenda B. (1975). J. Protozool, 22,
286—292.
124. Robbins E., Shelanski M. L. (1969). J. Cell. Biol, 43, 371—373.
125. Robinson W. G. (1972). J. Cell Biol, 52 66—83.
\26.Runyon E. H. (1942). Collecting Nat, 17, 99—129.
Литература
121
127 Sabatini D., Bensch K-, Barnett R. (1963). J. Cell Biol, 17,
19—58.
128. Satir P. (1965). J. Cell Biol, 26, 805—834.
129. Satir P. (1968). J. Cell Biol, 39, 77—94.
130. Satir P. (1974). Sci. Amer., 231, 44—54.
131. Shaffer В. М. (1956). J. Exp. Biol, 33, 645—657.
132. Sheir-Neiss G., Nardi R. V., Gealt M. A., Morris N. R. (1976).
Biochem. Biophys. Res. Coinm, 69, 285—290.
133. Shelansky M. L., Gaskin F., Cantor С R. (1973). Proc. Nat.
Acad. Sci. USA, 70. 765—768.
134. Silverman M., Simon M. (1974). Nature, 249, 73—74.
135. Silverman M., Simon M. (1977). Ann. Rev. Microbiol, 31, 397—
419.
136. Silverman M., Simon M. (1977). Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 74,
3317—3321.
137. Simon M., Silverman M., Latsumura P., Ridgway H., Kome-
da Y., Hitman M. (1978). In: Relations between Structure and
Function in the Prokaryotic Cell (ed. R. Y. Stayner, H. J.
Rogers and B. J. Ward), Cambridge University Press, pp. 272—287.
138. Sleigh M. A. (1972). In: Essay in Hydrobyology (ed.
R. B. Clark and R. Wootons), University of Exeter, pp. 119—136.
139. Sleigh M. A. (ed.) (1974). Celia and Flagella, Academic Press,
London.
140. Sloboda R. D., Rudolph S. A, Rosenbaum J. L., Greengard P.
(1975). Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 72, 177—181.
141. Sloboda R. D., Dentler W. L, Bloodgood R. A., Telzer B. R.,
Granett S., Rosenbaum J. L. (1976). In: Cell Motility (ed.
R. Goldman, T. Pollard and J. Rosenbaum), Cold Spring Harbor
Lab, pp. 1171—1212.
142. Snyder J. A., Mcintosh J. R. (1976). Ann. Rev. Biochem, 45
699—720.
143. Springer M. J., Goy M. F., Adler J. (1977). Proc. Nat. Acad,
Sci USA 74 3312 3316
UA.Spudich J. A., Watt S. (1971). J. Biol. Chem, 246, 4866—4871
145. Starger G. M., Goldman R. D. (1977). Proc. Nat. Acad. Sci.
USA, 74 2422 2426
146. Stephens R. E. (1970). Biol. Bull, 139. 438a.
W.Stephens R. E. (1975). J. Cell Biol, 67, 418a.
148. Stephens R. E. (1975). In: Molecules and Cell Movements (ed.
S. Inoue and R. E. Stephens), Raven Press, New York, pp. 181—
206.
149. Stephens R. E.. Edds К. Т. (1976). Physiol. Rev, 56, 709—777.
150. Stephens R. E.,-Renaud F. L., Gibbons I. L. (1967). Science,
156, 1606—1608.
151. Storti R. V., Coen D. M., Rich D. (1976). Cell, 8, 521—527.
152.Summers K. E., Gibbons I. R. (1977). Proc. Nat. Acad. Sci. USA,
68, 3092—3096.
153. Sundquist К G.. Ehrust A. (1976). Nature, 264, 4866—4871.
\U.Taylor D. L. (1976). In: Cell Motility (ed. R. Goldman, T. Po-
lard and J. Rosenbaum), Cold Spring Harbor Lab, pp. 797—821.
155. Taylor В., Koshland D. E., Jr. (1974). J. Bacterid, 119, 640—
642.

122
Литература
156. Taylor D. L., Rhodes J. A., Hammond S. A. (1976). J. Cell
Biol., 70, 123—143.
157. Tilney L. G. (1975). In: Molecules and Cell Movements (ed.
S. Inoue and R. E. Stephens), Raven Press, New York, pp. 339—
388.
\58.Tilney L. G. (1976). J. Cell Biol., 69, 73—89.
159. Tilney L. G. (1977). In: International Cell Biology (ed.
B. B. Brinkley and K. R. Porter), The Rockefeller University
Press, New York, pp. 388—402.
160. Tilney L. G. (1978). J. Cell Biol., 77, 5051—5064.
161. Tilney L. G., Byers B. (1969). J. Cell Biol., 43, 148—165.
162. Tsang N.. MacNab R., Koshland D. E., Jr. (1973). Science, 181,
60—63.
163. Tucker J. B. (1968). J. Cell Sci., 3, 493—514.
m.Tucker J. B. (1974). J. Cell Biol., 62, 424—437.
165. Tucker J. B. (1977). Nature, 266, 22—26.
166. Васильев И. М., Гельфанд И. М. (1976). In: Cell Motility (ed.
R. Goldman, T. Pollard and J. Rosenbaum), Cold Spring Harbor
Lab., pp. 279—304.
167. Walters В. В., Mathus A. I. (1975). Nature, 257, 496—498.
168. Warner F. D., Satir P. (1974). J. Cell Biol., 63, 35—63.
169. Watters С (1968). J. Cell Sci., 3, 231—244.
П0. Water R. D., Kleinsmith L. J. (1976). Biochem. Biophys. Res.
Commun., 70, 704—708.
171. Weber K. (1976). In: Cell Motility (ed. R. Goldman, T. Pollard
and J. Rosenbaum), Cold Spring Harbor Lab., pp. 403—417.
172. Weber K-, Bibring Т., Osborn M. (1975). Proc. Nat. Acad. Sci.
USA, 72, 459—463.
173. Weingarten M. В., Lockweed A. H., Hwo S. Y., Ktrschnar M. W.
(1975). Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 72, 1858—1862.
174. Weisenberg R. С (1972). Science, 177, 1104—1105.
175. Wilson L., Bryan J. (1974). Adv. Cell Mol. Biol., 3, 21—72.
176. Wilson L., Creswell M., Chin D. (1976). Biochemistry, 14, 5586—
5592
m.Witman G. В., Plummer !., Sander G. (1978). J. Cell Biol, 76,
729—747.
\78.Yamaguchi S., lino Т., Kurdiwa T. (1972). J. Gen. Microbiol.,
70, 299—303.
179. Zukin R. S., Koshland D. E., Jr. (1976). Science, 193, 405—408.
ПРЕДМЕТНЫЙ
УКАЗАТЕЛЬ
Аденозиимонофосфат циклический
(cAMP) 21, 47, 59, 112—114
Адеиозинтрифосфат (ATP) 24, 32,
41, 43, 62, 81—82, 94, 96, 105
Аденозиитрифосфатаза (АТРаза)
К+-зависимая 73
— Mg2+, Са2+-зависимая 32, 73
Аденозиитрифосфатазиая (АТРаз-
ная) активность и динеин 51, 62
миозина 73—77, 81, 85
Акросомальная реакция 78—79,
85
Аксонема 38—40, 41, 49—50, 52,
61, 62, 93
Дксоподии 63—65
Аксостиль 42, 60
Актин, актиновые нити (фила-
менты) 67, 69, 71—85, 105,
106
а-Актинин 67, 70, 75, 76, 89
Актиисвязывающий белок 76
Амебоидное движение 46, 92, 104.
См. также Псевдоподии
■ механизм 105
типы 107
— — управление 111
Б.азальное тело у бактерий 14—
16, 20, 33
эукариот 41, 58, 61
Белки, связанные с
микротрубочками (БСМ) 53, 55—56
тубулином 49
Воротничок жгутика 41
Ворсинки (микроворсинки) 69, 83,
92
Гелактины 77
Гуанозинтрифосфат (GTP) 47, 54,
55
Динеин (динеиновые ручки) 50—
51, 62, 94
Жгутики бактерий 10
движение 22—23
— — жгутиковые гены 19,- 33
крюк 13, 14
расположение 11
— — синтез 21
структура 18, 16
филамент 13
форма 12
химический состав 16, 18
— у эукариот см. Реснички и

124
Предметный указатель
жгутики эукариотических кле-
ток
Избегания реакция 102—103
Кальций (Са2+) 75, 83, 84, 102,
104
Крюк 14, 20, 21, 23
Мастигонемы 97—98
Мембрана 10, 14, 15, 24, 31, 33,
41, 80, 81, 86, 93
— деполяризация 102
Микротрубочки 36, 81
— белки, связанные с
микротрубочками (БСМ) 55—56. См.
также Белки, связанные с тубу-
лином
— в ресничках и жгутиках 38
— животных клеток 43
— и движение 61
■ жизненный цикл клетки 45
— самосборка 59
in vitro 54
— сократимого аксостиля 42
Микрофиламенты 35, 67
— и движение 80
—■ — жизненный цикл клетки
67—69
— сборка 77
— состав 70
—■ функции 70
Миксомицеты 111
Миозин, миозиновые нити 67, 69,
73—75, 80—89, 105—106
Митотическое веретено 44, 46, 60,
65, 86
Нексин, нексиновые мостики 39,
40, 51, 94» 96
Промежуточные филаменты 58,
65—66
Протонный насос 24
Протофибриллы 37, 38, 41, 56
Профилин 76, 78
Псевдоподии 104, 107—109, ПО
Радиальные спицы 40, 52, 94—95
Реснички и жгутики
эукариотических клеток 38, 92, 93
координация 99
■ — механизм
движения 94
. структура 38
типы движения 96
Саркомер 81
Скольжения модель для микрофи-
ламентов 81
ресничек и жгутиков 61
Сперматозоиды 78, 96, 104
Таксис и движение ресничек см.
Реакция избегания
— у бактерий 27
Тамблинг 25—26, 28
Тау-белок 50, 53, 56
Тропомиозин 67, 75, 82, 84
Тропонин 82, 84
Тубулин 46, 47, 90
— белки, связанные с тубулином
49
— и жизненный цикл клетки 59
— полимеризация 52
125
Филамии 76
Флагеллин 16, 20, 22, 26
филамеит в жгутиках бактерий
13, 23, 24
Хеморецепторы 29, 30, 113
Хемотаксис и амебоидное
движение 111
— у бактерий 27—29, 32
Хемотаксические белки 32
Центриоль 41
Центры организации
микротрубочек 60
«Шапка», реакция образования
87—88

ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА
БЛАГОДАРНОСТЬ
1. ВВЕДЕНИЕ
2. ПОДВИЖНОСТЬ ПРОКАРИОТИЧЕСКИХ ОРГАНИЗ
MOB
2.1. Структуры, участвующие в подвижности
2.2. Молекулярная структура жгутика у бактерий
2.3. Регуляция синтеза и сборки бактериального жгутика
2.4 Функция бактериальных жгутиков
2.5. Траектории и изменения направления движения у бак
терий
2.6. Управление движением у бактерий
3. СИСТЕМЫ ПОДВИЖНОСТИ
ЭУКАРИОТИЧЕСКИХ КЛЕТОК
3.1. Микротрубочки
3.2. Состав микротрубочек
3.3. Самосборка микротрубочек и ее регуляция
3.4. Как микротрубочки генерируют движение?
3.5. Проблема промежуточных филаментов
3.6. Микрофиламенты
3.7. Состав микрофиламентов
3.8. Сборка микрофиламентов и ее регуляция
3.9. Как микрофиламенты генерируют движение?
3.10. Регуляция скольжения белками микрофиламентов
3.11. Микротрубочки, микрофиламенты и клеточные мем
браны
4. ДВИЖЕНИЕ ЭУКАРИОТИЧЕСКИХ КЛЕТОК
4.1. Движение ресничек и жгутиков
4.2. Амебоидное движение
ЛИТЕРАТУРА
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
УВАЖАЕМЫЙ ЧИТАТЕЛЬ!
5
с Ваши замечания о содержании книги,
ее оформлении, качестве перевода и
7 другие просим присылать по адресу:
10
129820, Москва, И-110, ГСП
1-й Рижский пер., д. 2,
}' издательство «Мир»
16
18
22
24
27
35
36
46
54
61
65
67
70
77
80
82
86
92
93
104
117
123