Cytoskelett: Definition, struktur och funktion (med diagram)

Innehåll

• Varför behöver celler ett cytoskelett?
• Cytoskelettfördelar för celler
• Vilka komponenter utgör cytoskeletten
• Storlek spelar roll
• Mikrotubulans roll i cytoskeletten
• Mikrotubulor och rörelse inom cellen
• Mikrotubulor och cellrörelse
• Roll av mellanliggande filament i cytoskeletten
• Mellanfilament och organellförankring
• Roll av mikrofilamenter i cytoskeletten
• Mikrofilamentprojektioner

Du vet antagligen redan vilken roll ditt eget skelett spelar i ditt liv; det ger din kroppsstruktur och hjälper dig att röra dig.

Utan det skulle du vara mer som en mänsklig klump än en rörlig och fungerande person. Som namnet antyder tjänar cytoskelettet ett mycket liknande syfte i prokaryota och eukaryota celler.

Har du någonsin undrat vad som gör att cellerna ser runda ut och hindrar dem från att kollapsa till slimmiga glober? Eller hur de många organellerna i cellen organiserar sig och rör sig inuti cellen, eller hur själva cellen rör sig? Celler förlitar sig på ett cytoskelett för alla dessa funktioner.

Cytoskelettens viktiga strukturella enhet är verkligen ett nätverk av proteinfibrer i cytoplasma som ger cellen sin form och gör att den kan utföra viktiga funktioner, till exempel cellrörelse.

Läs mer om de andra cellernas organeller och funktioner.

Varför behöver celler ett cytoskelett?

Medan vissa människor kan föreställa sig celler som ostrukturerade, visar kraftfulla mikroskop som används i cellbiologi att celler är mycket organiserade.

En huvudkomponent är avgörande för att upprätthålla denna form och organisationsnivå: cytoskelettet av cellen. Proteinfilamenten som utgör cytoskeletten bildar ett nätverk av fibrer genom cellen.

Detta nätverk ger strukturellt stöd till plasmamembranet, hjälper till att stabilisera organellerna i sina korrekta positioner och gör det möjligt för cellen att blanda innehållet efter behov. För vissa celltyper gör cytoskelettet till och med det möjligt för cellen att röra sig och resa med specialiserade strukturer.

Dessa bildas från proteinfilamenten när det behövs för cellflyttning.

Tjänsten som cytoskeletten tillhandahåller för att forma cellen är mycket meningsfull. Liksom det mänskliga skelettet skapar cytoskeletproteinetätverket strukturellt stöd som är avgörande för att bibehålla cellens integritet och för att förhindra att den kollapsar i sina grannar.

För celler med mycket flytande membran är nätverket av proteiner som utgör cytoskeletten särskilt viktigt för att hålla cellinnehållet inuti cellen.

Det här kallas membranintegritet.

Cytoskelettfördelar för celler

Vissa mycket specialiserade celler förlitar sig också på cytoskelettet för strukturellt stöd.

För dessa celler gör att cellens unika form upprätthålls gör det möjligt för cellen att fungera korrekt. Dessa inkluderar neuroner, eller hjärnceller, som har runda cellkroppar, grenade armar som kallas dendriter och utsträckta svansar.

Denna karakteristiska cellform gör det möjligt för nervceller att fånga signaler med sina dendritarmar och passera dessa signaler genom deras axon svansar och in i de väntande dendritterna i en angränsande hjärncell. Så här kommunicerar hjärnceller med varandra.

Det är också meningsfullt att celler drar nytta av den organisation som cytoskelettens proteinfibernätverk ger dem. Det finns över 200 typer av celler i människokroppen och totalt 30 biljoner celler i varje människa på planeten.

Organellerna i alla dessa celler måste utföra en mängd olika cellprocesser, till exempel att bygga och bryta ned biomolekyler, släppa energi för kroppen att använda och utföra en mängd kemiska reaktioner som gör livet möjligt.

För att dessa funktioner ska fungera bra på en hel organismenivå behöver varje cell en liknande struktur och sätt att göra saker.

Vilka komponenter utgör cytoskeletten

För att utföra dessa viktiga roller förlitar sig cytoskelettet på tre olika filamenttyper:

Dessa fibrer är alla så oändligt små att de är helt osynliga för blotta ögat. Forskare upptäckte dem först efter uppfinningen av elektron mikroskop förde cellens inre i sikte.

För att visualisera hur små dessa proteinfibrer är, är det bra att förstå begreppet nanometer, som ibland skrivs som nm. Nanometer är måttenheter precis som en tum är en måttenhet.

Du kan ha gissat från rotordet meter att nanometerenheten tillhör det metriska systemet, precis som en centimeter gör.

Storlek spelar roll

Forskare använder nanometer för att mäta extremt små saker, till exempel atomer och ljusvågor.

Detta beror på att en nanometer är lika med en miljarddels meter. Detta innebär att om du tog en mätpinne, som är ungefär 3 meter lång när du konverterade till det amerikanska mätsystemet och bryter den i en miljard lika stora delar, skulle en enda bit lika med en nanometer.

Föreställ dig nu att du kunde klippa proteinfilamenten som utgör cellens cytoskelett och mäta diameter över det snittade ansiktet.

Varje fiber skulle mäta mellan 3 och 25 nanometer i diameter, beroende på filamenttyp. För con är ett mänskligt hår 75 000 nanometer i diameter. Som ni ser är filamenten som utgör cytoskeletten otroligt små.

mikrotubuli är de största av de tre fibrerna i cytoskelettet och klockar in 20 till 25 nanometer i diameter. Mellanfilament är cytoskeletter mellanstora fibrer och mäter cirka 10 nanometer i diameter.

De minsta proteinfilamenten som finns i cytoskeletten är mikrofilament. Dessa trådliknande fibrer mäter bara 3 till 6 nanometer i diameter.

I verkliga termer är det så mycket som 25 000 gånger mindre än diametern för ett genomsnittligt människohår.

••• Sciencing

Mikrotubulans roll i cytoskeletten

Mikrotubuli får sitt namn från både deras allmänna form och den typ av protein de innehåller. De är rörliknande och bildas av upprepande enheter av alfa- och beta-tubulin protein polymerer koppla ihop.

Läs mer om mikrotubulans huvudfunktion i celler.

Om du skulle titta på mikrotubulärtrådar under ett elektronmikroskop skulle de se ut som kedjor av små proteiner tvinnade ihop till ett tätt spiralgitter.

Varje proteinenhet binds med alla enheterna runt den och ger en mycket stark, mycket styv struktur. I själva verket är mikrotubuli den mest styva strukturella komponenten du kan hitta i djurceller, som inte har cellväggar som växtceller gör.

Men mikrotubuli är inte bara styva. De motstår också kompression och vridande krafter. Denna kvalitet ökar mikrotubulans förmåga att bibehålla cellform och integritet, även under tryck.

Mikrotubuli ger också cellen polaritet, vilket betyder att cellen har två unika sidor eller poler. Denna polaritet är en del av det som gör det möjligt för cellen att organisera sina komponenter, till exempel organeller och andra delar av cytoskelettet, eftersom det ger cellen ett sätt att orientera dessa komponenter i förhållande till polerna.

Mikrotubulor och rörelse inom cellen

Mikrotubuli stöder också rörelsen av cellinnehållet i cellen.

Mikrotubulärtrådarna bildar spår som fungerar som järnvägsspår eller motorvägar i cellen. Vesikeltransporter följ dessa spår för att flytta celllast runt i cytoplasma. Dessa spår är avgörande för att ta bort oönskat cellinnehåll som fällbara proteiner, gamla eller trasiga organeller och patogeninfallare, till exempel bakterier och virus.

Vesikeltransportörer följer helt enkelt rätt mikrotubulespår för att flytta denna last till cellens återvinningscenter, the lysosom. Där räddar och återanvändar lysosomen vissa delar och försämrar andra delar.

Spårsystemet hjälper också cellen att flytta nybyggda biomolekyler, som proteiner och lipider, ut från tillverkningsorganellerna och till de platser där cellen behöver molekylerna.

Till exempel använder vesikeltransportörer mikrotubulusspår för att flytta cellmembranproteiner från organellerna till cellmembranet.

Mikrotubulor och cellrörelse

Endast vissa celler kan använda cellrörelse att resa, och de som generellt förlitar sig på specialiserade rörliga strukturer tillverkade av mikrotubulära fibrer.

Spermcellen är förmodligen det enklaste sättet att visualisera dessa resande celler.

Som du vet ser spermceller lite ut som räfflar med långa svansar, eller flageller, som de piskar för att simma till sin destination och befrukta en äggcell. Spermens svans är tillverkad av tubulin och är ett exempel på ett mikrotubulärtråd som används för cellflyttning.

En annan välkänd rörlig struktur spelar också en roll i reproduktionen är cilier. Dessa hårliknande rörliga strukturer linjer äggledarna och använder en vinkande rörelse för att flytta ägget genom äggledaren och in i livmodern. Dessa flimmerhår är mikrotubulära fibrer.

Roll av mellanliggande filament i cytoskeletten

Mellanfilament är den andra typen av fibrer som finns i cytoskeletten. Du kan föreställa dig dessa som cellens verkliga skelett eftersom deras enda roll är strukturellt stöd. Dessa proteinfibrer innehåller keratin, som är ett vanligt protein som du kanske känner igen från kroppsvårdsprodukter.

Detta protein utgör människohår och naglar såväl som det övre skiktet i huden. Det är också proteinet som bildar andra djurens horn, klor och hovar. Keratin är mycket stark och användbar för att skydda mot skador.

Mellanfilamentens huvudroll är bildandet av matrisen av strukturella proteiner under cellmembranet. Detta är som ett stödjande nät som ger cellen struktur och form. Det ger också en viss elasticitet till cellen, vilket gör att den kan reagera flexibelt under stress.

Mellanfilament och organellförankring

Ett av de viktiga jobb som utförs av mellanfilament är att hjälpa till att hålla organeller på rätt platser i cellen. Till exempel förankrar mellanliggande trådar kärnan på sin rätt plats i cellen.

Denna förankring är avgörande för cellprocesser eftersom de olika organellerna i en cell måste arbeta tillsammans för att utföra dessa cellfunktioner. I fallet med kärna, knytning av denna viktiga organell till cytoskelettmatrisen innebär att de organeller som förlitar sig på DNA-instruktioner från kärnan för att göra sina jobb lätt kan komma åt den informationen med hjälp av budbärare och transportörer.

Denna viktiga uppgift kan vara omöjlig om kärnan inte var förankrad eftersom dessa budbärare och transportörer skulle behöva resa runt och söka genom cytoplasman efter en vandrande kärna!

Roll av mikrofilamenter i cytoskeletten

Mikrofilamenter, även kallad aktinfilament, är kedjor av aktinproteiner tvinnade till en spiralstav. Detta protein är bäst känt för sin roll i muskelceller. Där arbetar de med ett annat protein som heter myosin för att möjliggöra muskelsammandragning.

När det gäller cytoskeletten, är mikrofilament bara de minsta fibrerna. De är också de mest dynamiska. Liksom alla cytoskelettfibrer ger mikrofilamenter cellens strukturella stöd. På grund av deras unika egenskaper tenderar mikrofilament att dyka upp i cellens kanter.

Aktinfilamentens dynamiska karaktär innebär att dessa proteinfibrer snabbt kan ändra sina längder för att möta cellens förändrade strukturella behov. Detta gör det möjligt för cellen att ändra sin form eller storlek eller till och med form speciella prognoser som sträcker sig utanför cellen, t.ex. filopodia, lamellipodia och mikrovilli.

Mikrofilamentprojektioner

Du kan föreställa dig filopodia som känslor som en cell projicerar för att känna miljön runt den, plocka upp kemiska ledtrådar och till och med ändra cellens riktning, om den rör sig. Forskare kallar också ibland filopodia microspikes.

Filopodia kan ingå i en annan typ av specialprojektion, lamellipodia. Detta är en fotliknande struktur som hjälper cellen att röra sig och resa.

mikrovilli är som små hår eller fingrar som används av cellen under diffusion. Formen på dessa utsprång ökar ytan så att det finns mer utrymme för molekyler att röra sig över membranet genom processer som absorption.

Dessa fingrar utför också en fascinerande funktion som heter cytoplasma strömning.

Detta inträffar när aktinfilamenten kamrar genom cytoplasma för att hålla den rörlig. Cytoplasma-streaming ökar diffusion och hjälper till att flytta önskade material, som näringsämnen, och oönskade material, som avfall och cellskräp, runt i cellen.