ОПОРНО-ДВИГАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА (ЦИТОСКЕЛЕТ) КЛЕТКИ

MUSCULOSKELETAL SYSTEM (CYTOSKELETON) OF THE CELL

Daniil Kostromin

Student, Faculty of Medicine, Orenburg State Medical University, Ministry of Health of the Russian Federation,

Russia, Orenburg

Yaroslav Melnikov

Student, Faculty of Medicine, Orenburg State Medical University, Ministry of Health of the Russian Federation,

Russia, Orenburg

Arseniy Belonovsky

Student, Faculty of Medicine, Orenburg State Medical University, Ministry of Health of the Russian Federation,

Russia, Orenburg

Alexey Serednyak

Scientific supervisor, PhD in biology, associate professor of the biology department, Orenburg State Medical University,

Russia, Orenburg

АННОТАЦИЯ

Цитоскелет — это внутренняя опора клетки, отвечающая за её форму, движение и внутренний порядок. В статье рассмотрены три его основные составляющие — микрофиламенты, промежуточные филаменты и микротрубочки. Показано, как они взаимодействуют между собой, реагируют на механические сигналы и участвуют в жизненно важных процессах — от деления клетки до развития тканей. Приведены интересные примеры, включая работу цитоскелета у растений.

ABSTRACT

The cytoskeleton is the internal support of the cell, responsible for its shape, movement and internal order. The article examines its three main components - microfilaments, intermediate filaments and microtubules. It shows how they interact with each other, respond to mechanical signals and participate in vital processes - from cell division to tissue development. Interesting examples are given, including the work of the cytoskeleton in plants.

Ключевые слова: цитоскелет, микрофиламенты, микротрубочки, промежуточные филаменты, клеточная структура, клеточное движение, механосенсорика, актин, тубулин, миозин, клеточное деление.

Keywords: cytoskeleton, microfilaments, microtubules, intermediate filaments, cell structure, cell movement, mechanosensory, actin, tubulin, myosin, cell division.

ВВЕДЕНИЕ

Каждая клетка — это не просто мешочек с органеллами, а сложная, хорошо организованная система. Одним из ключевых её компонентов является цитоскелет — динамичная белковая сеть, отвечающая за форму клетки, движение, транспорт веществ и взаимодействие с окружающей средой. Его роль выходит далеко за рамки опоры: цитоскелет участвует в делении, миграции, формировании тканей и даже в передаче механических сигналов. Понимание его работы важно как для базовой биологии, так и для медицины.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Цитоскелет представляет собой сложную и многофункциональную систему внутриклеточных структур, играющих фундаментальную роль в обеспечении жизнедеятельности клетки. Он не только поддерживает форму клетки, но и участвует в процессах её деления, внутриклеточного транспорта, миграции и механической адаптации к внешним воздействиям. В научной литературе цитоскелет рассматривается как динамически организованная совокупность белковых структур, обеспечивающих пространственную организацию цитоплазмы, механическую прочность клетки, а также регуляцию взаимодействий с внеклеточной средой.

Цитоскелет состоит из трёх основных компонентов: микрофиламентов, промежуточных филаментов и микротрубочек. Каждый из них характеризуется специфическим молекулярным составом, архитектурой, механическими свойствами и функциями, что определяет их уникальную роль в морфогенезе, функционировании и выживании клетки.

Микрофиламенты, также известные как актиновые нити, имеют диаметр 5–7 нм и располагаются в основном в кортикальном слое цитоплазмы, непосредственно под плазматической мембраной. Они состоят преимущественно из глобулярного белка актина, способного к полимеризации в линейные филаменты. В составе микрофиламентов также присутствуют миозин, тропомиозин и α-актинин, образующие сократительный аппарат клетки. Благодаря своей высокой динамичности, микрофиламенты способны быстро перестраиваться в ответ на внутриклеточные и внешние сигналы, что обеспечивает клетке возможность менять форму, формировать выросты, участвовать в передвижении и фагоцитозе.

Одной из ключевых характеристик микрофиламентов является их полярность — наличие "+" и "−" концов, по которым моторные белки (преимущественно миозины) могут направленно перемещать грузы, такие как органеллы, везикулы и белковые комплексы. Такая организация обеспечивает точную регуляцию внутриклеточного транспорта и играет важную роль в поддержании клеточной асимметрии и полярности.

С точки зрения механических свойств, микрофиламенты обладают средней жёсткостью, уступая микротрубочкам, но превосходя промежуточные филаменты. В присутствии сшивающих белков, актиновые филаменты формируют изотропные, разветвлённые или параллельные сети, способные выдерживать значительные механические нагрузки и обеспечивать пластичность цитоплазмы. Их участие в процессах цитокинеза, эндоцитоза, экзоцитоза, а также в формировании клеточных контактов делает микрофиламенты незаменимыми для нормального функционирования эукариотической клетки.

Промежуточные филаменты — это фибриллярные белковые структуры диаметром около 10 нм, характеризующиеся высокой устойчивостью к механическим воздействиям. В отличие от актиновых филаментов и микротрубочек, промежуточные филаменты не обладают полярностью, что исключает возможность направленного транспорта по ним. Их основная функция заключается в обеспечении механической стабильности клетки и сохранении её архитектурной целостности.

Состав промежуточных филаментов варьирует в зависимости от типа ткани. Так, в эпителиальных клетках основным белком является кератин, в мезенхимальных — виментин, в мышечных — десмин, а в нейронах — нейрофиламенты. Эти филаменты участвуют в формировании цитоскелетной сети, соединяющей клеточные органеллы, ядро и клеточную мембрану. Их пространственная организация способствует равномерному распределению механических нагрузок, возникающих в процессе клеточной активности или под действием внешней среды.

Интересным аспектом является использование промежуточных филаментов в диагностике и классификации опухолей. С помощью иммуногистохимических методов исследователи определяют тканевую принадлежность опухолевых клеток по типу промежуточных филаментов, присутствующих в их цитоскелете.

Микротрубочки — это длинные, полые цилиндрические структуры диаметром около 25 нм, состоящие из тубулиновых субъединиц (α- и β-тубулин). Они обладают выраженной полярностью и динамической нестабильностью: могут быстро полимеризоваться и деполимеризоваться, что позволяет клетке гибко регулировать своё внутреннее строение в зависимости от функцМикротрубочки выполняют широкий спектр функций: они участвуют в формировании митотического веретена при делении клеток, служат структурной основой для ресничек и жгутиков, обеспечивают транспорт везикул, органелл (включая митохондрии) и белков с помощью моторных белков — динеинов и кинезинов. Их высокая жёсткость и линейная организация делают их идеальными «рельсами» для внутриклеточного транспорта.

В интерфазных клетках микротрубочки формируют радиальную сеть, исходящую из клеточного центра (центросомы), обеспечивая структурную поддержку и организацию цитоплазмы. Эта сеть играет важную роль в позиционировании органелл, распределении веществ и формировании клеточной полярности. В процессе митоза микротрубочки формируют веретено деления, обеспечивающее точное распределение хромосом между дочерними клетками.

Современные исследования показывают, что между всеми компонентами цитоскелета существуют сложные регуляторные взаимодействия. Например, активация GTPаз и рост микротрубочек может инициировать локальную полимеризацию актиновых филаментов, способствуя координированным изменениям клеточной формы. Также белки, связывающие микротрубочки с актином, обеспечивают механическую и функциональную интеграцию этих подсистем.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключение следует отметить, что цитоскелет — это не просто совокупность трёх типов филаментных структур, а высокоорганизованная и динамическая система, обеспечивающая клетке структурную целостность, подвижность, адаптацию и функциональную активность. Его изучение остаётся важной задачей современной клеточной биологии, биофизики и медицины, особенно в контексте понимания механизмов канцерогенеза, нейродегенеративных заболеваний и процессов регенерации.ионального состояния.

Список литературы:

1. Афанасьев Ю.И., Гистология, цитология и эбриология, издание пятое, переработанное и дополненное. «Медицина». 2002. С. 67-70
2. Daniel A. Fletcher and R. Dyche Mullins. Nature. 2010 Jan 28;463(7280):485–492
3. Pollard TD, Borisy GG. Cellular motility driven by assembly and disassembly of actin filaments. Cell. 2003;112:453–465. doi: 10.1016/s0092-8674(03)00120-x.
4. Wiche G. Role of plectin in cytoskeleton organization and dynamics. J. Cell Science. 1998;111:2477–2486. doi: 10.1242/jcs.111.17.2477.
5. Novosedlik, S., Reichel, F., van Veldhuisen, T. et al. Cytoskeleton-functionalized synthetic cells with life-like mechanical features and regulated membrane dynamicity. Nat. Chem. (2025);017:1755-4330 doi: 10.1038/s41557-024-01697-5
6. Okamoto, K., Ueda, H., Shimada, T. et al. Regulation of organ straightening and plant posture by an actin–myosin XI cytoskeleton. Nature Plants 1, 15031 (2015). doi: 10.1038/nplants.2015.31
7. Amiri, S., Muresan, C., Shang, X. et al. Intracellular tension sensor reveals mechanical anisotropy of the actin cytoskeleton. Nat Commun 14, 8011 (2023). doi. 10.1038/s41467-023-43612-5
8. Allison, S.J. Benefits of actin cytoskeleton stabilization. Nat Rev Nephrol 18, 413 (2022). doi: 10.1038/s41581-022-00596-7
9. Sing, C.N., Garcia, E.J., Lipkin, T.G. et al. Identification of a modulator of the actin cytoskeleton, mitochondria, nutrient metabolism and lifespan in yeast. Nat Commun 13, 2706 (2022). Doi: 10.1038/s41467-022-30045-9