Ποια είναι η κύρια λειτουργία των μικροσωληνίσκων στο κελί;

Οι μικροσωληνίσκοι είναι ακριβώς πώς ακούγονται: μικροσκοπικοί κοίλοι σωλήνες που βρίσκονται μέσα σε ευκαρυωτικά κύτταρα και μερικά προκαρυωτικά βακτήρια κύτταρα που παρέχουν δομή και κινητικές λειτουργίες για το κύτταρο. Οι μαθητές της βιολογίας μαθαίνουν κατά τη διάρκεια των σπουδών τους ότι υπάρχουν μόνο δύο τύποι κυττάρων: προκαρυωτικός και ευκαρυωτικός.

Τα προκαρυωτικά κύτταρα αποτελούν τους μονοκύτταρους οργανισμούς που βρίσκονται στους τομείς Archaea και Bacteria υπό το σύστημα ταξινομίας Linnaean, ένα βιολογικό σύστημα ταξινόμησης όλης της ζωής, ενώ τα ευκαρυωτικά κύτταρα εμπίπτουν στον τομέα Eukarya, ο οποίος επιβλέπει το προστατευτικό, φυτό, ζώο και μύκητες βασίλεια. Το βασίλειο της Monera αναφέρεται σε βακτήρια. Οι μικροσωληνίσκοι συμβάλλουν σε πολλαπλές λειτουργίες εντός του κυττάρου, όλες σημαντικές για την κυτταρική ζωή.

TL; DR (Πάρα πολύ καιρό; Δεν διαβάστηκε)

Οι μικροσωληνίσκοι είναι μικροσκοπικές, κοίλες, σωληνοειδείς δομές σαν χάντρες που βοηθούν τα κύτταρα να διατηρήσουν το σχήμα τους. Μαζί με τα μικροφίλμ και τα ενδιάμεσα νήματα, σχηματίζουν τον κυτταροσκελετό του κυττάρου, καθώς και συμμετέχουν σε μια ποικιλία κινητικών λειτουργιών για το κύτταρο.

Ως μέρος του κυτταροσκελετού του κυττάρου, οι μικροσωληνίσκοι συμβάλλουν:

• Δίνοντας σχήμα στα κύτταρα και τις κυτταρικές μεμβράνες.
• Κυτταρική κίνηση, η οποία περιλαμβάνει συστολή στα μυϊκά κύτταρα και πολλά άλλα.
• Μεταφορά συγκεκριμένων οργάνων εντός του κυττάρου μέσω "οδικών οδών" μικροσωληνίσκων ή "μεταφορικών ιμάντων".
• Μίτωση και μύωση: κίνηση των χρωμοσωμάτων κατά την κυτταρική διαίρεση και δημιουργία του μιτωτικού άξονα.
  

Οι μικροσωληνίσκοι είναι μικροί, κοίλοι, σαν χάντρες, σωληνώσεις ή σωλήνες με τοιχώματα κατασκευασμένα σε κύκλο 13 πρωτο-ινών που αποτελούνται από πολυμερή τουμπουλίνης και σφαιρικής πρωτεΐνης. Οι μικροσωληνίσκοι μοιάζουν με μικροσκοπικές εκδόσεις κινεζικών παγίδων με χάντρες. Οι μικροσωληνίσκοι μπορούν να αναπτυχθούν 1.000 φορές όσο το πλάτος τους. Κατασκευασμένο από τη συναρμολόγηση διμερών - ένα μόνο μόριο ή δύο πανομοιότυπα μόρια ενωμένα μεταξύ των άλφα και βήτα τουμπουλίνης - μικροσωληνίσκοι υπάρχουν τόσο στα φυτικά όσο και στα ζωικά κύτταρα.

Στα φυτικά κύτταρα, μικροσωληνίσκοι σχηματίζονται σε πολλές θέσεις εντός του κυττάρου, αλλά σε ζωικά κύτταρα, μικροσωληνίσκοι ξεκινούν από το κεντρόσωμα, ένα οργανικό κοντά στον πυρήνα του κυττάρου που συμμετέχει επίσης στο κύτταρο διαίρεση. Το αρνητικό άκρο αντιπροσωπεύει το προσαρτημένο άκρο του μικροσωληνίσκου ενώ το αντίθετό του είναι το θετικό άκρο. Ο μικροσωληνίσκος αναπτύσσεται στο άκρο συν μέσω πολυμερισμού διμερών τουμπουλίνης και οι μικροσωληνίσκοι συρρικνώνονται με την απελευθέρωσή τους.

Οι μικροσωληνίσκοι δίνουν δομή στο κύτταρο για να το βοηθήσουν να αντισταθεί στη συμπίεση και να παρέχει μια εθνική οδό στην οποία τα κυστίδια (δομές τύπου σάκου που μεταφέρουν πρωτεΐνες και άλλα φορτία) κινούνται πέρα ​​από το κύτταρο. Οι μικροσωληνίσκοι διαχωρίζουν επίσης τα αντιγραφόμενα χρωμοσώματα στα αντίθετα άκρα ενός κυττάρου κατά τη διάρκεια της διαίρεσης. Αυτές οι δομές μπορούν να λειτουργήσουν μόνες τους ή σε συνδυασμό με άλλα στοιχεία του κυττάρου για να σχηματίσουν πιο περίπλοκες δομές, όπως οι κεντροόλοι, οι βλεφαρίδες ή τα μαστίγια.

Με διάμετρο μόνο 25 νανόμετρα, οι μικροσωληνίσκοι διαλύονται και μεταρρυθμίζονται τόσο γρήγορα όσο το χρειάζεται το κελί. Ο χρόνος ημιζωής της τουμπουλίνης είναι μόνο περίπου μια ημέρα, αλλά ένας μικροσωληνίσκος μπορεί να υπάρχει μόνο για 10 λεπτά καθώς βρίσκονται σε σταθερή κατάσταση αστάθειας. Αυτός ο τύπος αστάθειας ονομάζεται δυναμική αστάθεια και οι μικροσωληνίσκοι μπορούν να συγκεντρωθούν και να αποσυναρμολογηθούν ως απόκριση στις ανάγκες του κυττάρου.

Τα συστατικά που απαρτίζουν τον κυτταροσκελετό περιλαμβάνουν στοιχεία κατασκευασμένα από τρεις διαφορετικούς τύπους πρωτεϊνών - μικροφίλμ, ενδιάμεσα νήματα και μικροσωληνίσκους. Οι στενότερες από αυτές τις πρωτεϊνικές δομές περιλαμβάνουν μικρο-ίνες, που συχνά συνδέονται με τη μυοσίνη, έναν σχηματισμό πρωτεΐνης που μοιάζει με νήμα που όταν συνδυάζεται με την πρωτεΐνη ακτίνη (μακριές, λεπτές ίνες που ονομάζονται επίσης "λεπτές" ίνες), βοηθά στη σύσπαση των μυϊκών κυττάρων και παρέχει ακαμψία και σχήμα στο κύτταρο.

Μικροφίλμ, μικρές δομές τύπου ράβδου με μέση διάμετρο μεταξύ 4 έως 7 nm, συμβάλλουν επίσης στην κυτταρική κίνηση εκτός από την εργασία που εκτελούν στον κυτταροσκελετό. Τα ενδιάμεσα νήματα, με διάμετρο κατά μέσο όρο 10 nm, δρουν σαν προσδέσεις στερεώνοντας τα κυτταρικά οργανίδια και τον πυρήνα. Βοηθούν επίσης το κύτταρο να αντέξει την ένταση.

Οι μικροσωληνίσκοι μπορεί να φαίνονται εντελώς σταθεροί, αλλά βρίσκονται σε συνεχή ροή. Ανά πάσα στιγμή, ομάδες μικροσωληνίσκων μπορεί να βρίσκονται σε διαδικασία διάλυσης, ενώ άλλες μπορεί να βρίσκονται σε διαδικασία ανάπτυξης. Καθώς ο μικροσωληνίσκος μεγαλώνει, τα ετεροδιμερή (μια πρωτεΐνη που αποτελείται από δύο πολυπεπτιδικές αλυσίδες) παρέχουν καλύμματα στο άκρο του μικροσωληνίσκου, τα οποία βγαίνουν όταν συρρικνωθεί για χρήση ξανά. Η δυναμική αστάθεια των μικροσωληνίσκων θεωρείται σταθερή κατάσταση σε αντίθεση με μια πραγματική ισορροπία, επειδή έχουν εγγενή αστάθεια - κινείται μέσα και έξω από τη μορφή.

Η κυτταρική διαίρεση δεν είναι μόνο σημαντική για την αναπαραγωγή της ζωής, αλλά και για την παραγωγή νέων κυττάρων από παλιά. Οι μικροσωληνίσκοι διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην κυτταρική διαίρεση συμβάλλοντας στο σχηματισμό του μιτωτικού άξονα, ο οποίος παίζει ρόλο στη μετανάστευση διπλών χρωμοσωμάτων κατά τη διάρκεια της αναφάσης. Ως "μακρομοριακή μηχανή", ο μιτωτικός άξονας διαχωρίζει τα αντιγραφόμενα χρωμοσώματα από τις αντίθετες πλευρές κατά τη δημιουργία δύο θυγατρικών κυττάρων.

Η πολικότητα των μικροσωληνίσκων, με το προσαρτημένο άκρο να είναι μείον και το κυμαινόμενο άκρο να είναι θετικό, το καθιστά κρίσιμο και δυναμικό στοιχείο για τη διπολική ομαδοποίηση και σκοπό του άξονα. Οι δύο πόλοι του άξονα, κατασκευασμένοι από δομές μικροσωληνίσκων, βοηθούν στον διαχωρισμό και τον διαχωρισμό των διπλών χρωμοσωμάτων αξιόπιστα.

Οι μικροσωληνίσκοι συμβάλλουν επίσης στα μέρη του κυττάρου που το βοηθούν να κινούνται και είναι δομικά στοιχεία των βλεφαρίδων, των κεντρικών και της μαστίγιας. Το αρσενικό σπέρμα για παράδειγμα, έχει μια μακριά ουρά που το βοηθά να φτάσει στον επιθυμητό προορισμό του, το θηλυκό ωάριο. Ονομάζεται flagellum (ο πληθυντικός είναι flagella), η μακριά ουρά που μοιάζει με κλωστή εκτείνεται από το εξωτερικό της μεμβράνης πλάσματος για να τροφοδοτήσει την κίνηση του κυττάρου. Τα περισσότερα κελιά - σε κελιά που τα έχουν - γενικά έχουν ένα έως δύο μαστίγια. Όταν υπάρχουν βλεφαρίδες στο κύτταρο, πολλές από αυτές εξαπλώνονται κατά μήκος της πλήρους επιφάνειας της εξωτερικής μεμβράνης πλάσματος του κυττάρου.

Οι βλεφαρίδες στα κύτταρα που ευθυγραμμίζουν τους σάλπιγγες ενός θηλυκού οργανισμού, για παράδειγμα, βοηθούν στη μετακίνηση του ωαρίου στην μοιραία συνάντησή του με το σπερματοζωάριο στο ταξίδι του στη μήτρα. Η μαστίγια και η σίλια των ευκαρυωτικών κυττάρων δεν είναι τα ίδια δομικά με εκείνα που βρίσκονται στα προκαρυωτικά κύτταρα. Χτισμένο με το ίδιο με μικροσωληνίσκους, οι βιολόγοι αποκαλούν τη διάταξη μικροσωληνίσκων "9 + 2 array" επειδή flagellum ή cilium αποτελείται από εννέα ζεύγη μικροσωληνίσκων σε ένα δακτύλιο που περικλείει ένα δίδυμο μικροσωληνίσκων στο κέντρο.

Οι λειτουργίες μικροσωληνίσκων απαιτούν πρωτεΐνες τουμπουλίνης, θέσεις αγκύρωσης και συντονιστικά κέντρα για ένζυμα και άλλες χημικές δραστηριότητες εντός του κυττάρου. Στα βλεφαρίδες και στη μαστίγια, η τουμπουλίνη συμβάλλει στην κεντρική δομή του μικροσωληνίσκου, η οποία περιλαμβάνει συνεισφορές από άλλες δομές όπως βραχίονες δυνατίνης, συνδέσμους νεξίνης και ακτινικές ακτίνες. Αυτά τα στοιχεία επιτρέπουν την επικοινωνία μεταξύ μικροσωληνίσκων, συγκρατώντας τα μαζί με τρόπο παρόμοιο με το πώς κινούνται τα νημάτια ακτίνης και μυοσίνης κατά τη διάρκεια της συστολής των μυών.

Ακόμα κι αν και οι δύο βλεφαρίδες και τα μαστίγια αποτελούνται από δομές μικροσωληνίσκων, οι τρόποι με τους οποίους κινούνται είναι διαφορετικοί. Ένα απλό μαστίγιο ωθεί το κύτταρο με τον ίδιο τρόπο που η ουρά ενός ψαριού κινεί ένα ψάρι προς τα εμπρός, σε μια κίνηση από πλευρά σε πλευρά σαν μαστίγιο. Ένα ζευγάρι μαστίγιο μπορεί να συγχρονίσει τις κινήσεις τους για να ωθήσει το κελί προς τα εμπρός, όπως πώς λειτουργούν τα χέρια ενός κολυμβητή όταν κολυμπά στο εγκεφαλικό επεισόδιο.

Το Cilia, πολύ μικρότερο από το μαστίγιο, καλύπτει την εξωτερική μεμβράνη του κυττάρου. Το κυτταρόπλασμα σηματοδοτεί τη βλεφαρίδες να κινείται με συντονισμένο τρόπο για να ωθεί το κύτταρο προς την κατεύθυνση που πρέπει να ακολουθήσει. Όπως μια μπάντα πορείας, οι εναρμονισμένες κινήσεις τους πάνε στο χρόνο για τον ίδιο ντράμερ. Μεμονωμένα, η κίνηση ενός τσίλιου ή μαστιγίου λειτουργεί όπως αυτή ενός μόνο κουπιού, περνώντας μέσα από το μέσο σε ένα ισχυρό κτύπημα για να ωθήσει το κελί προς την κατεύθυνση που πρέπει να ακολουθήσει.

Αυτή η δραστηριότητα μπορεί να εμφανιστεί σε δεκάδες εγκεφαλικά επεισόδια ανά δευτερόλεπτο και ένα εγκεφαλικό επεισόδιο μπορεί να περιλαμβάνει το συντονισμό χιλιάδων βλεφαρίδων. Κάτω από ένα μικροσκόπιο, μπορείτε να δείτε πόσο γρήγορα τα ciliates ανταποκρίνονται στα εμπόδια στο περιβάλλον τους αλλάζοντας γρήγορα τις κατευθύνσεις. Οι βιολόγοι εξακολουθούν να μελετούν πώς ανταποκρίνονται τόσο γρήγορα και δεν έχουν ακόμη ανακαλύψει τον μηχανισμό επικοινωνίας με τον οποίο τα εσωτερικά μέρη του κυττάρου λένε στην silia και τη μαστίγια πώς, πότε και πού να πάνε.

Οι μικροσωληνίσκοι χρησιμεύουν ως σύστημα μεταφοράς εντός του κελιού για να μετακινούν μιτοχόνδρια, οργανίδια και κυστίδια μέσω του κυττάρου. Μερικοί ερευνητές αναφέρονται στον τρόπο με τον οποίο λειτουργεί αυτή η διαδικασία, παρομοιάζοντας τους μικροσωληνίσκους με τους μεταφορικούς ιμάντες, ενώ Άλλοι ερευνητές τους αναφέρουν ως σύστημα τροχιάς μέσω του οποίου τα μιτοχόνδρια, τα οργανίδια και τα κυστίδια κινούνται μέσω του κύτταρο.

Ως εργοστάσια ενέργειας στο κύτταρο, τα μιτοχόνδρια είναι δομές ή μικρά όργανα στα οποία λαμβάνει χώρα αναπνοή και παραγωγή ενέργειας - και οι δύο βιοχημικές διεργασίες. Το Organelles αποτελείται από πολλές μικρές αλλά εξειδικευμένες δομές εντός του κελιού, καθεμία με τις δικές τους λειτουργίες. Τα κυστίδια είναι μικρές δομές τύπου σάκου που μπορεί να περιέχουν υγρά ή άλλες ουσίες όπως ο αέρας. Τα κυστίδια σχηματίζονται από τη μεμβράνη του πλάσματος, τσίμπημα για να δημιουργήσουν έναν σφαιρικό σάκο που περικλείεται από μια λιπιδική διπλή στιβάδα.

Η κατασκευή μικροσωληνίσκων που μοιάζει με σφαιρίδια χρησιμεύει ως ιμάντας μεταφοράς, τροχιάς ή αυτοκινητόδρομος για τη μεταφορά κυστιδίων, οργάνων και άλλων στοιχείων μέσα στο κελί στα μέρη που πρέπει να πάνε. Περιλαμβάνονται κινητήρες μικροσωληνίσκων σε ευκαρυωτικά κύτταρα κινίνες, που μετακινούνται στο θετικό άκρο του μικροσωληνίσκου - το τέλος που μεγαλώνει - και δυναίνες που κινούνται στο αντίθετο ή πλην άκρο όπου ο μικροσωληνίσκος προσκολλάται στη μεμβράνη του πλάσματος.

Ως «κινητικές» πρωτεΐνες, οι κινίνες κινούν τα οργανίδια, τα μιτοχόνδρια και τα κυστίδια κατά μήκος του μικροσωληνίσκου νήματα μέσω της ισχύος της υδρόλυσης του ενεργειακού νομίσματος του κυττάρου, τριφωσφορικής αδενοσίνης ή ATP. Η άλλη κινητική πρωτεΐνη, dynein, περπατά αυτές τις δομές στην αντίθετη κατεύθυνση κατά μήκος των νημάτων μικροσωληνίσκων προς το αρνητικό άκρο του κυττάρου μετατρέποντας τη χημική ενέργεια που είναι αποθηκευμένη στο ATP. Τόσο οι κινίνες όσο και οι dyneins είναι οι κινητήρες πρωτεΐνης που χρησιμοποιούνται κατά τη διαίρεση των κυττάρων.

Πρόσφατες μελέτες δείχνουν ότι όταν οι πρωτεΐνες dynein περπατούν στο τέλος της αρνητικής πλευράς του μικροσωληνίσκου, συγκεντρώνονται εκεί αντί να πέσουν. Πηδούν σε όλη την έκταση για να συνδεθούν με έναν άλλο μικροσωλήνα για να σχηματίσουν αυτό που ορισμένοι επιστήμονες αποκαλούν «αστέρια», σκέφτηκαν οι επιστήμονες να είναι μια σημαντική διαδικασία στο σχηματισμό του μιτωτικού άξονα με τη μορφοποίηση των πολλαπλών μικροσωληνίσκων σε ένα μόνο διαμόρφωση.

Ο μιτωτικός άξονας είναι μια μοριακή δομή "σε σχήμα ποδοσφαίρου" που σύρει τα χρωμοσώματα στα αντίθετα άκρα ακριβώς πριν το κύτταρο χωριστεί για να σχηματίσει δύο θυγατρικά κύτταρα.

Η μελέτη της κυτταρικής ζωής συνεχίζεται από την εφεύρεση του πρώτου μικροσκοπίου στο τελευταίο μέρος του 16ου αιώνα, αλλά μόνο τις τελευταίες δεκαετίες έχουν σημειωθεί πρόοδοι σε κυψελοειδή βιολογία. Για παράδειγμα, οι ερευνητές ανακάλυψαν μόνο την κινητική πρωτεΐνη kinesin-1 το 1985 με τη χρήση ενός μικροσκοπίου φωτός ενισχυμένου βίντεο.

Μέχρι εκείνο το σημείο, οι κινητικές πρωτεΐνες υπήρχαν ως μια κατηγορία μυστηριωδών μορίων άγνωστη στους ερευνητές. Καθώς οι τεχνολογικές εξελίξεις προχωρούν και οι μελέτες συνεχίζονται, οι ερευνητές ελπίζουν να εμβαθύνουν στο κελί για να μάθουν όλα όσα μπορούν να μάθουν για το πώς λειτουργούν οι εσωτερικές λειτουργίες του κελιού απρόσκοπτα.