Määritelmä: Mikä on sytoskeletti?

Solubiologiassa sytoskeletti on sytoplasman läpäisevien fibrillisten rakenteiden järjestelmä. Sellaisena sitä voidaan kuvata sytoplasman osaksi, joka muodostaa solun sisäisen tukirakenteen.

Rakenteellisen tuen tarjoamisen lisäksi se osallistuu myös erityyppisiin liikkeisiin (joissa se ankkuroi erilaisia solurakenteita, kuten flagellumia) sekä soluaineiden liikkumiseen.

Koostuu kolmesta komponentista, joita ovat mm. seuraavat:

• Mikrofilamentit
• Mikrotubulukset
• Välikuidut

Uudemmat tutkimuslöydökset koskien sytoskelettiä:

– Sytoplasma osallistuu energiansiirtoon sekä tiedonkäsittelyyn neuroneissa.

– Aktiinifilamenttien ”piikkipäässä” olevien kolmen eri nukleotidin löytyminen on auttanut selittämään, miksi ne kasvavat toisesta päästä paljon nopeammin kuin toisesta.

– Sytoskeletin viat voivat heikentää immuunijärjestelmää.

* Vaikka sytoskeletti tarjoaa rakenteellista tukea soluille, on syytä huomata, että se on dynaaminen proteiinifilamenttien verkosto, jota voidaan säätää/virittää erilaisten vihjeiden (sekä sisäisten että ulkoisten) vaikutuksesta.

Rakenne ja sijainti

Mikrofilamentit ovat sytoskeletin filamenttirakenteita, ja ne koostuvat aktiini-monomeereistä (f-aktiini). Tässä globulaariset g-aktiinimonomeerit, jotka tunnetaan yleisesti nimellä g-aktiini, polymerisoituvat muodostaen aktiinipolymeerien (f-aktiini) filamentteja. Lopulta jokainen filamentin säie (mikrofilamentti) koostuu kahdesta spiraalimaisesti kelautuneesta f-aktiinista.

Mikrofilamenttisäikeillä on myös osoitettu olevan positiivinen ja negatiivinen pää, jotka edistävät filamenttien säätelyä molemmista päistä. Mikrofilamenttien kehittymisen osalta tutkimuksissa on myös havaittu, että uusia monomeerejä yleensä lisätään positiiviseen päähän nopeammin kuin negatiiviseen päähän. Positiivisessa päässä sijaitsee myös ATP-korkki, joka vakauttaa sitä nopean kasvun aikana.

Sytoskeletin muihin komponentteihin verrattuna mikrofilamentit ovat ohuimpia/kapeimpia rakenteita, joiden halkaisija on 3-5 nm. Koska ne kuitenkin koostuvat aktiinista, mikrofilamentit kasaantuvat nopeasti ja edistävät osaltaan solun asianmukaisia toimintoja.

Normaalisti mikrofilamentit sijaitsevat solun periferiassa, jossa ne kulkevat plasmamembraanista mikrovilliin (esim. ne löytyvät perikulaarisesta vyöhykkeestä, jossa ne muodostavat perikulaarisen verkon/verkkoseinämän). Täällä ne esiintyvät nippuina, jotka yhdessä muodostavat kolmiulotteisen solunsisäisen verkoston.

* Huolimatta siitä, että mikrofilamentit ovat sytoskeletin ohuimpia komponentteja, ne ovat erittäin monimuotoisia ja monipuolisia.

Mikrotubulukset

Mikrotubulukset ovat suurimmat kolmesta sytoskelettikomponentin komponentista halkaisijaltaan 15-20 nm:iin. Toisin kuin mikrofilamentit, mikrotubulukset koostuvat yhdentyyppisestä pallomaisesta proteiinista, jota kutsutaan tubuliiniksi (proteiini, joka koostuu kd-polypeptideistä sekä alfa- ja beeta-tubuliinista).

Suotuisissa olosuhteissa solun sisällä tubuliinin heterodimeerit kasaantuvat lineaarisiksi protofilamenteiksi. Nämä filamentit puolestaan kasaantuvat muodostaen mikrotubuluksia (onttoja putkimaisia olkia).

Kuten mikrofilamentit, myös mikrotubulukset järjestäytyvät soluissa nipuiksi. Niiden on kuitenkin myös osoitettu olevan hyvin epävakaita, sillä jotkin mikrotubulukset käyvät populaatiossaan läpi kasvun ja lyhenemisen syklejä.

Kutistumisvaiheissa heterodimeeri-alayksiköitä poistetaan putkien tietyistä päistä, mutta lisätään kasvuvaiheessa. Mikrotubuluskimppujen sisäisen järjestäytymisen ja koon suuri vaihtelu on johtunut tästä dynaamisesta epävakaudesta.

* Kukin mikrotubulus koostuu noin 13 suoraviivaisesta protofilamentista, jotka ovat järjestäytyneet onton ytimen ympärille.

* Mikrofilamenttien tavoin myös mikrotubulukset ovat polaarisia rakenteita. Sellaisina niillä on kaksi erillistä päätä, joilla on erilaiset varaukset (positiivinen pää kasvaa nopeammin kuin negatiivinen pää).

* Mikrotubulusten dynaaminen epävakaus johtuu beetabuliinimonomeerien polymerisaatiosta ja de-polymerisaatiosta.

Solussa mikrotubulukset saavat alkunsa solun keskipisteestä navan-piikin muotoisesti. Sieltä ne säteilevät kaikkialle sytoplasmaan, jossa ne palvelevat useita toimintoja.

Välisäikeet/Intermediate Filaments (IF)

Toisesta sytoskeletonista poiketen välisäikeet (intermediate filaments, IF)

Ilman muita sytoskeletin osia, välisäikeet (intermediate filaments, IF)

koostuvat suuresta perheestä monipuolista polysytoideja. Tästä syystä eri solutyypeissä on monenlaisia intermediäärisiä filamentteja.

Tutkimusten mukaan intermediäärisiä filamentteja on yli 50 erilaista tyyppiä, jotka on luokiteltu kuuteen pääryhmään, joita ovat:

– Tyyppi 1 ja II – Koostuu noin 15:stä erityyppisestä valkuaisaineesta, joita esiintyy useimmissa epiteelisoluissa.

– Tyyppi III – Tähän ryhmään kuuluvat sellaiset proteiinit kuin vimentiini ja desmiini. Niitä löytyy muun muassa sileiden lihasten, valkosolujen ja gliasolujen soluista.

– Tyyppi IV – Tähän ryhmään kuuluvat sellaiset proteiinit kuin neurofilamenttiproteiinit ja α-internexiini, joita löytyy hermosoluista.

– Tyyppi V – Esimerkkinä tähän ryhmään kuuluvista proteiineista ovat lamiinit.

– Tyyppi VI – Kuten nestiini, jota esiintyy hermosoluissa.

* Yksi tavallisimmista välifilamenttien muodostamiseen osallistuvista proteiineista on keratiini. Tämä on kuitumainen proteiini, jota esiintyy yleisesti ihossa ja hiuksissa.

Kokoonpanon aikana kahden polypeptidiketjun keskeiset sauvadomeenit kiertyvät ensin toistensa ympärille muodostaen kierteisen rakenteen (dimeerin). Tämän jälkeen syntyneet dimeerit yhdistyvät tetrameereiksi, jotka kokoontuvat päistään (päästä päähän) muodostaen protofilamentteja. Lopulta protofilamentit yhdistyvät muodostaen välifilamentteja.

* Jokainen välifilamentti koostuu noin kahdeksasta protofilamentista.

* Toisin kuin mikrotubulukset ja mikrofilamentit, joilla on polaariset päät, intermediaariset filamentit ovat yleensä apolaarisia – Tämä johtuu suurelta osin siitä, että ne koostuvat antiparalleeleista tetrameereistä.

Kooltaan intermediaariset filamentit vaihtelevat halkaisijaltaan 8-10 nm välillä- Siksi termi ”intermediaariset filamentit”. Ne ovat myös vakaampia kahteen muuhun verrattuna ja siten pysyvämpiä.

Vaikka ne eivät koe dynaamista epävakautta, kuten mikrotubulukset, välimuotoisten filamenttien proteiinit muuttuvat usein fosforylaation kautta. Tällä on tärkeä rooli niiden kokoamisessa solun sisällä.

Erilaisissa solutyypeissä intermediääriset filamentit ulottuvat tuman pinnalta solukalvolle. Sytoplasmassa muodostamansa monimutkaisen verkoston kautta nämä filamentit assosioituvat myös muiden sytoskeletin osien kanssa, mikä vaikuttaa osaltaan niiden toimintaan.

Toiminnot

Sytoskelettijärjestelmä tunnetaan eri solutyypeissä tapahtuvan lokalisoitumisensa vuoksi sen roolista sisäisen telineen tarjoajana, joka auttaa ylläpitämään solun rakenteellista eheyttä.

Solun muodon ylläpitämisen lisäksi sillä on kuitenkin useita muitakin tehtäviä soluissa. Sytoskeletin ymmärtämiseksi on tärkeää tarkastella sytoskeletin muodostavien kolmen komponentin tehtäviä.

Mikrofilamenttien (aktiinifilamenttien)

Mikrofilamenttien (aktiinifilamenttien)

Tyypillisesti mikrofilamentit ovat jakautuneet solujen liikkuviin rakenteisiin. Niitä löytyy siis sellaisista rakenteista kuin flagellum ja cilia, joissa ne edistävät joidenkin eliöiden solujen liikkumista.

Aktiinifilamenttien on myös osoitettu osallistuvan sellaisten rakenteiden kuten lamellipodiumin muodostumiseen, jonka avulla solut voivat liikkua alustojen yli.

Solujen liikkuvuuden lisäksi mikrofilamenteilla on tärkeä rooli myös erilaisten organellien liikkeessä. Tämä käy ilmi solunjakautumisen aikana, jolloin aktiinirengas osallistuu solunjakautumiseen.

Yhteistyössä myosiinin kanssa filamentti edistää solujen puristumista (keskellä), mikä lopulta johtaa solun osien jakautumiseen ja siten solun jakautumiseen. ATP-energian läsnä ollessa näillä kahdella on myös osoitettu olevan rooli solun eri organellien ja vesikkelien liikkeessä.

Lihassoluissa aktiinifilamentit (yhdessä myosiinin kanssa) ovat vastuussa supistumisesta. Aktiinifilamenttien liukuva toiminta edistää lopulta lihasten supistumista.

* Erilaisten solun komponenttien ja materiaalin (vesikkelit ja organellit jne.) kuljettamisessa aktiinifilamentit toimivat moottoriteinä tai raiteina, joiden kautta niitä kuljetetaan.

Mikrotubulukset

Soluissa, erityisesti eläinsoluissa, mikrotubulukset kuuluvat jäykimpiin rakenteisiin, joilla on suuri kimmoisuus. Näiden seikkojen ansiosta ne pystyvät suojaamaan solun osia erilaisilta haitallisilta voimilta, jotka muutoin saattaisivat aiheuttaa vaurioita.

Mikrotubuluksilla on lisäksi seuraavat tehtävät/toiminnot:

– Osallistuvat solun sisäisen ympäristön arkkitehtoniseen viitekehykseen – Solun sisällä mikrotubulusten on osoitettu auttavan solun polariteetin vakiinnuttamisessa järjestelemällä solun organelleja sekä muita sytoskeleton osia.

– Kromosomien erottelu – Mikrotubulukset ovat osa karalaitetta, joka erottaa kromosomit toisistaan solun jakautumisen aikana. Sellaisenaan niillä voidaan sanoa olevan rooli solunjakautumisessa.

– Kuljetus – Mikrotubulukset osallistuvat mikrofilamenttien tavoin myös solun sisäiseen kuljetusverkostoon, joka mahdollistaa soluvesikkelien kuljettamisen. Tämän mahdollistavat erityisesti kaksi mikrotubulusten moottoriryhmää, kinesiinit ja dyneiinit.

– Liikkuvuus – Erilaiset mikrotubuluksiin liittyvät proteiinit auttavat tuottamaan voimaa ja liikettä sellaisissa rakenteissa, kuten lippuloissa, jotka edistävät solun liikkuvuutta.

Intermediääriset filamentit

Suurimmaksi osaksi intermediääriset filamentit palvelevat solujen rakenteellista tukea. Soluissa, jotka kokevat suurta fyysistä rasitusta (lihas- ja epiteelisolut jne.), intermediääriset filamentit auttavat antamaan tukea, joka ylläpitää rakennetta.

Koska intermediääriset filamentit ovat pysyvämpiä verrattuna muihin sytoskeletin komponentteihin, niiden on myös osoitettu auttavan tukemaan sytoskelettiä kokonaisuutena.

Joitakin muita intermediääristen filamenttien tehtäviä ovat muun muassa:

• Työskentelevät epiteelisolujen venytyksessä
• Ydinlaminan osina, välifilamentit auttavat vahvistamaan ydinkalvoa ja siten suojaamaan ytimen sisältöä
• Tarjoavat tukea aksoneille niiden kasvaessa
• Esittävät osaltaan lihassupistusta muodostamalla siltoja. Z-levyjen välillä

Palaa Organellien pääsivulle

Palaa Solubiologian pääsivulle

Palaa Sytoskeletonista MicroscopeMasterin kotisivulle

A.D. Bershadsky ja Iurii Markovich Vasil’ev. (1988). Sytoskeletti.

Deepa Nath. (2003). sytoskeletti. Naturevolume 422, page739 (2003).

ReHarald Herrmann ja Ueli Aebi. (2016). Intermediate Filaments: Structure and Assembly.

J.E. Hesketh ja I.F. Pryme. (1996). Cytoskeleton in Specialized Tissues and in Pathological States.

Laurent Jaeken. (2007). Uusi luettelo sytoskeletin tehtävistä. Industrial Sciences and Technology, Karel de Grote-Hogeschool University College, Hoboken, Belgia.