В настоящее время белки, входящие в состав трех основных систем цитоскелетных филаментов, уже выделены и изучаются in vitro. Эти белки имеют общие свойства, отражающие функциональные возможности и характер взаимодействия рассматриваемых систем. И актин, и тубулин, и белки промежуточных фнламентов могут быть in vitro деполимеризованы и реполимеризованы. Все они образуют наиболее экономичный тип структуры — филаменты. Эти филаменты полярны (их головные и хвостовые концы различаются химически) и, кроме того, имеют форму спирали. Спиральные образования содержат множество эквивалентных связывающих участков; благодаря этому оказывается возможным возникновение большого числа разнообразных структур, формирующихся в результате случайных взаимодействий, а не детерминированным путем, каким идет, например, сборка фагов.

Мономер актина (G-актин, 42 кДа) — глобулярный белок, имеющий участки связывания двухвалентных катионов и нуклеотидов. В физиологических условиях эти участки заняты магнием и АТР. Полимеризация актина представляет собой многостадийный процесс, и для того, чтобы понять действие на нее актин-связывающих белков, нужно учитывать всю ее сложность. В результате полимеризации образуются филаменты (F-актин).

Есть пять основных мест, где может быть приложено действие актин-связывающих белков. Они могут связываться с мономером актина; с «заостренным», или медленно растущим, концом филамента; с «оперенным», или быстро растущим, концом; с боковой поверхностью филамента; и наконец, сразу с двумя филаментами, образуя поперечную сшивку между ними. В дополнение к пяти указанным типам взаимодействия актин-связывающие белки могут быть чувствительны или нечувствительны к кальцию. При таком разнообразии возможностей вряд ли покажется удивительным, что было обнаружено множество актин-связывающих белков и что некоторые из них способны к нескольким типам взаимодействия.

Микротрубочки, подобно микрофиламентам, являются линейными полимерами. Они построены из молекул тубулина, представляющих собой аР-димеры. Как а-, так и р-тубулин имеют мол. массу около 55 кДа и могут содержать связанный GTP или GDP. В димере только тот нуклеотид, который связан р-тубулином, может обмениваться с GTP, присутствующим в растворе. Как и у актина, аминокислотная последовательность тубулина высококонсервативна. Пептиды аир разошлись на ранних этапах эволюции эукариот, и последующие изменения уже не были столь существенными.

Третий из основных классов филаментов, для которых нам определенно известны структурные белки, — это промежуточные филаменты. Они имеют приблизительно 10 нм в диаметре, и обнаружены в большинстве клеток позвоночных. Структурные белки промежуточных, филаментов были идентифицированы позже, чем структурные белки филаментов других классов; по этой причине об ассоциированных с ними белках известно сравнительно мало. Кроме того, для промежуточных филаментов характерен намного более широкий диапазон межтканевых различий в аминокислотной последовательности, что породило некоторые разногласия при установлении принадлежности различных белков той или иной разновидности этих филаментов.

До сих пор мы рассматривали ассоциированные с филаментами белки так, как если бы каждый из них взаимодействовал лишь с филаментами одного типа. Такой подход был использован во многих биохимических исследованиях, он оказался плодотворным при выделении и изучении свойств белков. Однако ни в структурном, ни в функциональном отношениях системы филаментов не являются независимыми. Между филаментами разного типа бывают видны соединяющие их поперечные мостики, и одно только это уже указывает на существование таких белков, которые можно было бы в принципе идентифицировать по их способности сшивать филаменты двух разных классов. Как показали результаты последних исследований, некоторые хорошо известные белки полифункциональны.

В отличие от микротрубочек, микрофиламентов и промежуточных филаментов для четвертого класса цитоматриксных структур пока не может быть указан на кой-либо определенный образующий их белок. Эти структуры получили название микротрабекул. Они представляют собой гетерогенные, варьирующие как по длине, так и по диаметру отростки и связки, прикрепленные обычно к уплотнениям на различных компонентах клетки. Из сказанного выше ясно, что многие из сшивающих филаменты белков могут, судя по их молекулярной массе и диаметру, претендовать на роль таких микротрабекул. Позднее, при обсуждении внутриклеточного движения частиц, мы приведем и другие доводы в пользу отождествления микротрабекул со сшивающими белками. Маловероятно, чтобы нам были известны уже все такие белки. Кроме того, может существовать класс белков, «сшивающих сшивки», т. е. связывающихся не с самими филаментами, а с белковыми молекулами, прикрепленными к ним, — белки этого класса также были бы кандидатами на роль микротрабекул.

Многие цитоскелетные белки подвергаются после трансляции ковалентным модификациям. Одна из наиболее распространенных модификаций — фосфорилирование. В число белков, подвергающихся в той или иной степени фосфорилированию, входят фибронектин, филамин, тяжелые и легкие цепи миозина, винкулин, р-тубулин, виментин, а-актинин, десмин, а- и p-тропомиозин и спектрин. Большинство перечисленных белков фосфорилируется по серину и, в меньшей степени, по треонину. По тирозину из цитоскелетных белков фосфорилируются только винкулин, филамин и виментин; эти три белка, впрочем, присутствуют в значительных количествах лишь в трансформированных клетках, где они содержат от 2 до 20% фосфатных остатков. В некоторых случаях роль фосфатных групп уже известна. Легкие цепи немышечного миозина в результате фосфорилирования активируются. У двух видов простейших фосфорилирование вызывает диссоциацию тяжелых цепей миозина. Многие из ассоциированных с микротрубочками белков после фосфорилирования начинают лучше связываться с микротрубочками. Однако для большинства цитоскелетных белков ни функциональное значение фосфорилирования, ни его влияние на взаимодействие их друг с другом не известны.

Общие для всех типов клеток принципы строения цитоскелета находят свое конкретное воплощение в формах, видо- и тканеспецифичных. Хотя структурные белки цитоскелета в большинстве своем высококонсервативны, специфические модификации набора вспомогательных белков делают возможной тонкую подгонку организации цитоскелета в соответствии с функциями различных типов клеток. Каждый тип клеток отличается своим, особым спектром цитоскелетных белков, присутствующих в определенном соотношении и специфическим образом расположенных.

Из всех известных типов цитоскелета наиболее простым обладают эритроциты млекопитающих. Их цитоскелет представляет собой примембранную сеть из актина и спектрина, о которой было однажды сказано, что это «конструкция, похожая на сеть, сплетенную близоруким рыбаком». Было бы, наверное, ошибкой считать актин единственным структурным белком цитоскелета эритроцитов: примерно на каждые пять молекул актина в нем приходится молекула спектрина. Актин в эритроцитах находится преимущественно в фибриллярной форме (в виде F-актина), судя по тому что с ним связан ADP, а не АТР. Концентрация мономерного актина в эритроцитах не меняется под действием цитохалазинов. У олигомеров, состоящих из 10—17 молекул актина, имеются участки, сходные по своему поведению с быстро растущим концом филаментов, а участков медленной сборки не обнаружено.

Тромбоциты — это безъядерные клеточные фрагменты, циркулирующие в кровяном русле и принимающие участие в образовании тромбов. Обеспечивая, как и у эритроцитов, постоянство клеточной формы, цитоскелет в тромбоцитах кроме того принимает участие в процессах изменения их формы и их прикрепления к различным поверхностям. Разнообразие форм, которые может принимать тромбоцит, невелико. Покоящийся тромбоцит — это дисковидный, симметричный клеточный фрагмент. Активация тромбоцита вызывает образование у него многочисленных филоподий; затем, если имеется подходящая поверхность, активированный тромбоцит распластывается на ней. Переход от стадии покоя к филоподиальной стадии до некоторой степени обратим, если же началось распластывание, предотвратить его завершение очень трудно.

Фибробласты формируют внеклеточный матрикс. Они делают ткань более плотной и принимают участие в заживлении ран. Фибробластоподобные клетки активно перемещаются в развивающемся эмбрионе и дают начало ряду мезенхимальных тканей. Таким образом, кроме обеспечения постоянства клеточной формы или ее однократного стереотипного изменения, кроме участия в распластывании клетки на субстрате, цитоскелет фибробластов должен выполнять еще и функции, связанные с активным движением, поляризацией клетки и генерированием натяжения. Отметим также, что поскольку фибробласты — эукариотические клетки, они способны к направленному перемещению веществ внутри клетки. Такое расширение списка функций отражается в усложнении организации цитоскелета.

Мышцы построены из мезенхимальных клеток, специализирующихся на сокращении. Структурная организация этих клеток определяется типом и силой сокращения, которое они должны осуществлять. Клетки гладких мышц специализированы лишь немногим более, чем фибробласты, а скелетные поперечнополосатые мышцы состоят из клеток, организованных в высшей степени регулярно. Весь этот диапазон различий является очень древним: и гладкие, и поперечнополосатые мышцы имеются у всех животных вплоть до Coelenterata.

Эпителиальные клетки выполняют в организме разнообразные функции. Они образуют прочное водонепроницаемое покрытие на поверхности кожи, выстилают эластичным адсорбирующим слоем кишечник, формируют различные железы. В свете такого многообразия функций было бы удивительно, если бы оказалось, что все эпителиальные клетки имеют одинаковый цитоскелет. И действительно, как среди мышц разных типов мы видим прогрессирующую специализацию и расширение одной и той же цитоскелетной системы — волокон натяжения, точно так же и разные типы эпителиальных клеток могут быть в целом охарактеризованы степенью развитости в них одного или двух определенных компонентов цитоскелета: сети промежуточных филаментов и кортикальной системы микрофиламентов.

Актиновая сеть в трансформированных клетках, как правило, малоупорядоченна. Трудно исключить и возможность того, что в двух других основных системах филаментов также имеются существенные дефекты. В некоторых случаях, однако, наблюдаются весьма специфические изменения компонентов цитоскелета. В клетках одной спонтанно трансформировавшейся линии, например, найден мутантный актин, а клетки, полученные в результате дальнейшей трансформации этой линии, оказались двойными мутантами по актину. Мутантный актин синтезировался в клетках с той же скоростью, что и нормальный, но хуже встраивался в цитоскелет. Изменения могут затрагивать и белки, ассоциированные с актином: так, может понизиться содержание а- и p-тропомиозинов в клетках или возрасти степень фосфорилированности винкулина. Когда температурочувствительный вирус трансформирует фибробласты, экспрессирующие цитоплазматические р- и 7-актины и в какой-то мере гладкомышечный а-актин, содержание последнего избирательно снижается — по-видимому, в результате уменьшения скорости его синтеза.