Czym jest ruch cytoplazmatyczny?

The ruch cytoplazmatyczny, zwany również przepływem protoplazmatycznym lub cykloiną, jest ruchem płynnej substancji (cytoplazmy) w komórce roślinnej lub zwierzęcej. Ruch transportuje składniki odżywcze, białka i organelle wewnątrz komórek.

Odkryta po raz pierwszy w latach trzydziestych XIX wieku obecność przepływu cytoplazmatycznego pomogła przekonać biologów, że komórki są podstawowymi jednostkami życia.

Chociaż mechanizm transmisji cytoplazmatycznej nie został w pełni poznany, uważa się, że pośredniczą w nim „motoryczne” białka, cząsteczki złożone z dwóch białek, które wykorzystują trifosforan adenozyny do przemieszczania jednego białka względem drugiego.

Jeśli jedno z białek pozostaje unieruchomione w substracie, takim jak mikrowłókno lub mikrotubula, białka motoryczne mogą przenosić organelle i inne cząsteczki przez cytoplazmę..

Białka motoryczne często składają się z filamentów aktynowych, długie włókna białkowe są wyrównane w rzędach równolegle do prądu w błonie komórkowej.

Cząsteczki miozyny związane z organellami komórkowymi poruszają się wzdłuż włókien aktyny, holując organelle i zamiatając inne treści cytoplazmatyczne w tym samym kierunku.

Transmisja cytoplazmatyczna, czyli cykloza, jest zdarzeniem, które pochłania energię w komórkach roślinnych i służy do dystrybucji składników odżywczych w cytoplazmie. Jest to powszechne w większych komórkach, gdzie dyfuzja nie jest odpowiednia do dystrybucji substancji.

W roślinach może być również wykorzystywany do rozprowadzania chloroplastów dla maksymalnej absorpcji światła do fotosyntezy. Naukowcy wciąż nie rozumieją, jak zachodzi ten proces, chociaż postawiono hipotezę, że mikrotubule i mikrowłókna odgrywają rolę, oddziałując z białkami motorycznymi organelli.

W niektórych komórkach roślinnych występuje szybki rotacyjny ruch cytoplazmatyczny, ograniczony do obwodowych części komórki obok ściany komórkowej, która przenosi chloroplasty i granulki.

Ruch ten może być zwiększony przez światło i zależy od temperatury i pH. Auksyny lub hormony wzrostu roślin mogą również zwiększać szybkość ruchu. W niektórych pierwotniakach, takich jak orzęski, wolniejsze ruchy cykliczne przenoszą wakuole trawienne przez ciało komórki.

Transmisja cytoplazmatyczna

Transmisja cytoplazmatyczna w komórkach roślinnych powstaje naturalnie poprzez samoorganizację mikrofilamentu

Wiele komórek wykazuje aktywną cyrkulację na dużą skalę całej ich zawartości płynu, proces zwany przepływem lub przepływem cytoplazmatycznym. Zjawisko to jest szczególnie częste w komórkach roślinnych, często przedstawiając wyraźnie regulowane wzorce przepływu.

W mechanizmie napędowym wspomnianych komórek, organelle powleczone miozyną porywają cytoplazmę, przetwarzając ją wzdłuż wiązek filamentów aktynowych utrwalonych na obwodzie. Proces ten jest procesem rozwoju, który buduje uporządkowane konfiguracje aktyny niezbędne do spójnego przepływu w skali komórkowej.

Zaobserwowano, że podstawowy paradygmat leżący u podstaw białek motorycznych, które oddziałują z polimerowymi włóknami, ma wiele wzorów tworzących zachowania zarówno w środowiskach teoretycznych, jak i eksperymentalnych.

Jednak badania te są często uzyskiwane z kontekstu specyficznych systemów biologicznych, w szczególności nie nawiązano bezpośredniego związku z rozwojem transmisji cytoplazmatycznej.

Aby zrozumieć fundamentalną dynamikę, która napędza tworzenie uporządkowanych przepływów i połączyć mikroskopijne z makroskopowymi, uzasadnione jest alternatywne podejście „z góry na dół”.

Aby to zrobić, podchodzimy do problemu za pośrednictwem konkretnego systemu prototypowego. Przyjmujemy chyba najbardziej zaskakujący przykład wodnego alga Chara corallina.

Olbrzymie cylindryczne komórki międzywęzłowe Chary mają średnicę 1 mm i długość do 10 cm. Jego wirujący przepływ zwany „cykosą” jest napędzany przez pęcherzyki (w retikulum endoplazmatycznym) pokryte białkiem motorycznym miozyny, które ślizga się wzdłuż dwóch podłużnych pasm skierowanych przeciwnie do wielu ciągłych równoległości i filamentów aktynowych..

Każdy kabel jest wiązką wielu pojedynczych włókien aktynowych, z których każda ma tę samą wewnętrzną polaryzację. Silniki miozyny poruszają się na żarniku w ukierunkowany sposób, od jego mniejszego końca do jego większego końca (z kolcami).

Kable te są przymocowane do chloroplastów unieruchomionych korowo na obwodzie ogniwa, generując prędkości przepływu 50-100 μm / s. Nie jest jasne, jak ten prosty, ale uderzający wzór powstaje podczas morfogenezy, chociaż można wywnioskować, że są one wynikiem złożonych wzorów chemicznych.

Mechanizm przepływu cytoplazmatycznego w komórkach glonów czaczkowatych: ślizganie się retikulum endoplazmatycznego wzdłuż włókien aktynowych

Mikroskopia elektronowa bezpośrednio zamrożonych gigantycznych komórek glonów chagicznych przedstawia ciągłą trójwymiarową sieć anastomozowanych rurek i cisternae szorstkiej retikulum endoplazmatycznego, które penetrują obszar przepływu ich cytoplazmy.

Części tej retikulum endoplazmatycznego kontaktują się z równoległymi wiązkami filamentów aktynowych na granicy do stacjonarnej cytoplazmy korowej.

Mitochondria, glikozomy i inne małe organelle cytoplazmatyczne uwikłane w sieć retikulum endoplazmatycznego pokazują ruchy Browna podczas ich przepływu.

Wiązanie i przesuwanie błon retikulum endoplazmatycznego wzdłuż odprowadzeń aktyny można również uwidocznić bezpośrednio po tym, jak cytoplazma tych komórek dysocjuje do buforu zawierającego ATP.

Siły ścinające wytwarzane na styku z dysocjowanymi kablami aktynowymi poruszają duże agregaty retikulum endoplazmatycznego i innych organelli. Połączenie szybkiej zamrażania mikroskopii elektronowej i mikroskopii wideo z żywych komórek i zdysocjowanej cytoplazmy pokazuje, że transmisja cytoplazmatyczna zależy od błon retikulum endoplazmatycznego ślizgających się wzdłuż stacjonarnych drutów aktynowych.

Stąd ciągła sieć retikulum endoplazmatycznego zapewnia środki do wywierania sił napędowych w głębokiej cytoplazmie w odległej komórce kory aktynowej, gdzie generowana jest siła napędowa.

Rola w transporcie wewnątrzkomórkowym

Chociaż opublikowano wiele prac na podstawie molekularnej i hydrodynamiki ruchu cytoplazmatycznego, stosunkowo niewielu autorów podejmuje dyskusję na temat ich funkcji.

Przez długi czas sugerowano, że ten przepływ pomaga w transporcie molekularnym. Jednak specyficzne hipotezy dotyczące mechanizmu, dzięki któremu transmisja przyspiesza tempo przemiany materii, prawie nie były analizowane.

Dyfuzja nie jest w stanie wyjaśnić wielu zjawisk transportowych w komórkach, a stopnia homeostazy wzdłuż tras nie można wytłumaczyć bardziej niż zakładając, że są to formy aktywnego transportu.

Wydaje się, że wysoce symetryczna topologia prądu w glonach czarnych ewoluowała przy znacznych kosztach ewolucyjnych, co znajduje również odzwierciedlenie w fakcie, że miozyna znajdująca się w tym organizmie jest najszybciej znana..

Na podstawie tego, co wiemy o glonach, widzimy, że transmisja bierze udział w wielu rolach w metabolizmie komórkowym. Pomaga w transporcie między komórkami i dlatego jest niezbędny do zapewnienia ciągłego przepływu bloków komórkowych do nowo utworzonych komórek na czubku pąka.

Ważne wydaje się również utrzymanie pasm alkalicznych, które ułatwiają absorpcję nieorganicznego węgla z otaczającej wody. Jednak kluczowym pytaniem, które pozostaje w dużej mierze bez odpowiedzi, jest dokładnie to, jaką rolę ruch cytoplazmatyczny może odgrywać w eliminacji wąskich gardeł dyfuzyjnych, które wydają się ograniczać rozmiar komórek w innych organizmach.

W rzeczywistości przepływ może pomóc w regulacji homeostatycznej podczas szybkiego wzrostu objętości komórek, ale precyzyjne mechanizmy, dzięki którym pozostaje on otwartym obszarem badań.

Najważniejszym wkładem pod względem ilościowego omówienia wpływu przepływu cytoplazmy na transport wewnątrzkomórkowy są niewątpliwie Pickard. Naukowiec mówił o eskalacji prędkości przepływu i skalowaniu czasu dyfuzji wraz z rozmiarem komórki, a także interakcji między zastałą warstwą peryplazmy otaczającą rzędy chloroplastów i ruchomą warstwą endoplazmy..

Wskazał na możliwość, że wskazanie źródła punktowego może pomóc w homeostazie poprzez wygładzenie wahań w polu koncentracji. Podniósł również pogląd, że przepływ cytoplazmatyczny jako taki niekoniecznie musi przynosić korzyść komórce, jeśli jej rzeczywistym celem jest transport cząstek wzdłuż cytoszkieletu..

Ruch cytoplazmatyczny umożliwia dystrybucję cząsteczek i pęcherzyków w dużych komórkach roślinnych

Ostatnie badania roślin wodnych i lądowych pokazują, że podobne zjawiska determinują wewnątrzkomórkowy transport organelli i pęcherzyków. Sugeruje to, że aspekty sygnalizacji komórkowej zaangażowane w rozwój i reakcję na bodźce zewnętrzne są zachowane u różnych gatunków.

Ruch silników molekularnych wzdłuż włókien cytoszkieletu bezpośrednio lub pośrednio wciąga płynny cytozol, prowadząc do cyklozy (ruch cytoplazmatyczny) i wpływając na gradienty gatunków molekularnych w komórce, z potencjalnie ważnymi implikacjami metabolicznymi, takimi jak siła silnik do rozszerzania komórek.

Badania wykazały, że miozyna XI działa w ruchu organelli, które napędzają przepływ cytoplazmy w roślinach wodnych i lądowych. Pomimo konserwatywnego mechanizmu cytoszkieletu, który napędza ruch organelli między roślinami wodnymi a ziemią, prędkości cyklosu w komórkach roślinnych różnią się w zależności od typów komórek, stadiów rozwoju komórek i gatunków roślin..

Referencje

1. Redakcja Encyclopædia Britannica. (2009). strumieniowanie cytoplazmatyczne. 9-2-2017, autor: Encyclopædia Britannica, inc.
2. Darling, D. (2016). Strumień cytoplazmatyczny. 9-2-2017, ze Światów Davida Darlinga.
3. Goldstein, R. (2015). Fizyczna perspektywa strumieniowania cytoplazmatycznego. 02-10-2017, z The Royal Society Publishing.
4. com (2016). Strumień cytoplazmatyczny lub cyklizacja. 10-2-2017, z Microscope.com.
5. Verchot, L. (2010). Strumieniowanie cytoplazmatyczne umożliwia dystrybucję cząsteczek i pęcherzyków w dużych komórkach roślinnych ... 10-2-2017, ze strony internetowej National National Library of Medicine National Institutes of Health: ncbi.nlm.nih.gov.
6. Wolff, K., Marenduzzo, D., i Cates, M. E. (2012). Strumień cytoplazmatyczny w komórkach roślinnych: rola poślizgu ścian. Journal of the Royal Society Interface, 9 (71), 1398-1408. 
7. Kachar, B. (1988). Mechanizm strumieniowania cytoplazmatycznego w komórkach alg glonów: przesuwanie retikulum endoplazmatycznego wzdłuż filamentów aktynowych ... 11-2-2017, z National Center for Biotechnology Information, U.S..