Механизм транспорта COPII окаймленными везикулами

Добавил пользователь Владимир З.
Обновлено: 14.12.2024

Цитозольные белки, которые закрепляются на мембране КГ и формируют протеиновую кайму, обозначаются как коатомер или COP-I. В коатомерном комплексе есть небольшой GTP - связывающий белок, называемый также фактором рибозилирования аденозиндифосфата. Генетическое исследование дрожжевых клеток подтвердило, что мутации инактивирующие субъединицы коатомеров или изоформы ARF, блокируют также внутриклеточный везикулярный аппарат и секрецию. Таким образом, была установлена роль пузырьков COP-I в процессе внутриклеточного транспорта.

COP-II

Второй белок каймы, состоящий из пяти субъединиц, был биохимически и генетически охарактеризован в дрожжевых клетках. Этот белковый комплекс, называемый COP-II, участвует в антероградном транспорте и способствует переносу пузырьков от ЭР к КГ.

SNAREs и направление пузырьков

Результаты экспериментов казали, что окаймленные коатомерами пузырьки не могут слиться с мембраной акцептора, до тех пор пока белковая кайма не будет удалена. Неокаймленные транспортные пузырьки могут сливаться с мишенями, но для этого в цитозоле должен присутствовать

N-этилмалеимиду, вызывающему его инактивацию. В дрожжевых клетках существует эквивалент NSF: продукт гена sec 18. При мутации в белке sec18 секреция нарушается, так как транспортные пузырьки, отпочкованные от ЭР, накапливаются в высоких концентрациях, но не могут слиться с акцепторной мембраной Гольджи.

Межвидовая консервативность: NSF

NSF - это тример, содержащий три идентичные субъединицы массой 76 кДА и присоединяющий растворимые белки SNAPs (soluble NSF attachment proteins), которые способствуют связыванию с мембранами комплекса Гольджи. Комплекс NSF-SNAPs связывается с мембранами с помощью мембранного рецептора, называемого ЛОВУШКОЙ (SNARE).

Пузырьки, покрытые клатрином

Поглощение лиганд-рецепторных комплексов с поверхности плазматической мембраны происходит путём образования окаймленных ямок, которые затем превращаются в окаймленные пузырьки. Эти специфические белковые комплексы строятся из белка клатрина. Клатрин формирует корзиноподобную клетку, в которую втягивается мембранный бислой.

Пузырьки, покрытые клатрином, участвуют в движении веществ от плазматической мембраны к эндосомам и от комплекса Гольджи к плазматической мембране.

Направление движения пузырьков

Вновь сформированные пузырьки могут слиться с различными мембранами. Для обеспечения правильного направления каждый пузырёк снабжен специальной рецепторной молекулой, называемой ЛОВУШКА-п (для пузырька). Акцепторная, или целевая, мембрана также обладает рецептором, связывающимся с ЛОВУШКОЙ-п, и он называется ЛОВУШКА-ц (для целевой мембраны). Ловушки обеспечивают правильную доставку пузырьков, отпочкованных от донорной мембраны.

Формирование комплекса слияния

Для слияния двух мембран (то есть мембраны пузырька и целевой мембраны) требуется специальный белок слияния (фузионный белок). Этот белок дестабилизирует гидрофильные силы в месте взаимодействия двух мембран. Когда две мембранные поверхности приближаются друг к другу, гидрофобный домен белка слияния направляет молекулы воды в разные стороны, и наружные липидные слои сливаются друг с другом. То же происходит при слиянии внутренних слоёв.

GTPазы: стыковка и слияние

В клетках существует два типа GTPаз, и оба типа участвуют в контролировании процессов молекулярной сигнализации. К первому типу относятся тримеры, белки имеющие три субъединицы (б, в и г). Мономеры, состоящие из одного полипептида, составляют второй тип GTPаз.

G-белки

Тримерные GTPазы - это крупное семейство белков, называемых обычно

G-белками. Они участвуют в переносе сигналов с наружной стороны клетки внутрь. Каждая тримерная субъединица участвует в переносе различных сигналов к целевым молекулам в клетке.

Мономерные GTPазы

Вторым крупным классом GTPаз являются мономеры. На сегодняшний день выявлено 5 подсемейств:

Участвует в росте и дифференцировке

Связан с активностью интегрина и формированием актинового цитоскелета

Участвует в транспорте пузырьков в клетке

Связан с формированием пузырьков

Участвует в транспорте белков ядра

Rab - белки

Rab-белки участвуют в везикулярном транспорте следующим образом. Пузырёк сформированный на мембране донора, содержит ЛОВУШКУ-п и молекулу Rab в GTP-связанной конфигурации. Когда пузырёк состыковывается с соответствующей ЛОВУШКОЙ-ц, Rab-GTP гидролизуется. Этот процесс инициирует слияние пузырька с мембраной акцептора. Rab в GDP - связанной конфигурации отщепляется от мембраны и возвращается к мембране донора, где GTP-активирующий белок восстанавливает Rab, катализируя связывание с GTP. Это приводит к тому, что Rab связывается с липидной частью мембраны и участвует в новом направляющем процессе. Для каждой внутриклеточной мембраны существуют специфические Rab-белки, которые обеспечивают определенное направление пузырьков.

Аппарат Гольджи

Эндоплазматический ретикулум, плазматическая мембрана и аппарат Гольджи составляют единую мембранную систему клетки, в пределах которой происходят процессы обмена белками и липидами с помощью направленного и регулируемого внутриклеточного мембранного транспорта.
Каждая из мембранных органелл характеризуется уникальным составом белков и липидов.

Строение АГ

АГ состоит из группы плоских мембранный мешков - цистерны, собранные в стопки - диктиосомы (~5-10 цистерн, у низших эукариот >30). Число диктиосом в разных клетках от 1 до ~500.
Отдельные цистерны диктиосомы переменной толщины - в центре ее мембраны сближены - просвет 25 нм, на переферии образуются расширения - ампулы ширина которых не постоянна. От ампул отшнуровываются ~50нм-1мкм пузырьки связанные с цистернами сетью трубочек.

У многоклеточных организмов АГ состоит из стопок цистерн связанных между собой в единую мембранную систему. АГ представляет собой полусферу, основание которой обращено к ядру. АГ дрожжей представлен изолированными единичными цистернами, окруженными мелкими пузырьками, тубулярной сетью, секреторными везикулами и гранулами. У мутантов дрожжей Sec7 и Sec14 наблюдается структура, напоминающая стопку цистерн клеток млекопитающих.
Для АГ характерна полярность его структур. Каждая стопка имеет два полюса: проксимальный полюс (формирующийся, цис-поверхность) и дистальный (зрелый,
транс-поверхность). Цис-полюс - сторона мембраны с которой сливаются пузырьки. Транс-полюс - сторона мембраны от которой пузырьки отпочковываются.

Пять функциональных компартментов АГ:
1. Промежуточные везикуло-тубулярные структуры (VTC или ERGIC - ER-Golgi intermediate compartment)
2. Цис-цистерна (cis) - цистерны расп ближе к ЭР:
3. Срединные (medial) цистерны - центральные цистерны
4. Транс-цистерна (trans) - наиболее удаленные от ЭР цистерны.
5. Тубулярная сеть, примыкающая к трансцистерне - транссеть Гольджи (TGN)
Стопки цистерн изогнуты, так что вогнутая трансповерхность обращена к ядру.
В среднем в АГ 3-8 цистерн, в активно секретирующих клеток может быть больше (в экзокринных клетках поджелудочной железы до 13).
Каждая цистерна имеет цис и транс поверхности. Синтезированные белки, мембранные липиды, гликозилированные в ЭР, попадают в АГ через цис-полюс. Вещества через стопки передаются транспортными
пузырьками отделяющиеся от ампул. При прохождении белков или липидов через стопки Гольджи, они претерпевают серию посттрансляционных модификаций, включающих изменение N-связанных олигосахаридов:
цис: маннозидазаI подравнивает длинные маннозные цепи до М-5
промежуточный: N-ацетилглюкоэаминтрансферазаI переносит N-ацетилглюкозамин
транс: добавляются концевые сахара -остатки галактозы и сиаловая к-та.

Функции АГ

1. Транспорт - через АГ проходят три группы белков: белки периплазматической мембраны, белки, предназначенные
на экспорт из клетки, и лизосомные ферменты.
2. Cортировка для транспорта: сортировка для дольнейшего транспорта к органеллам, ПМ, эндосомам, секреторным пузырькам происходит в транс-комплексе Гольджи.
3. Секреция - секреция продуктов, синтезируемых в клетке.
3. Гликозилирование белков и липидов: гликозидазы удаляют остатки сахаров - дегликозилирование, гликозилтрансферазы прикрепляют сахара обратно на главную углеводную цепь - гликозилирование.В нем происходят гликозилирование олигосахаридных цепей белков и липидов, сульфатирование ряда ахаров и тирозиновых остатков белков, а также активация предшественников полипептидных гормонов и нейропептидов.
4. Синтез полисахаридов - многие полисахариды образуются в АГ в том числе пектин и гемицеллюлоза, образующие клеточные стенки растений и большинство гликозаминогликанов образующих межклеточный матрикс у животных

5. Сульфатирование - большинство сахаров, добавляемых к белковай сердцевине протеогликана, сульфатируются
6. Добавление маннозо-6-фосфата: М-6-P добавляется как направляюций сигнал к ферментам, предназначенным для лизосом.

ГЛИКОЗИЛИРОВАНИЕ
Большинство белков начинает гликозилироваться в шероховатом ЭР посредством добавления к растущей полипептидной цепи N-связанных олигосахаридов. Если гликопротеин свернут в нужной конформации, он выходит из ЭР и направляется в АГ, где происходит его посттрансляционная модификация.
В гликозилировании секретируемых продуктов принимают участие ферменты - гликозилтрансферазы. Они участвуют в ремоделированиии Т-связанных боковых олигосахаридных цепей и добвлении О-связанных гликанов и олигосахаридных частей протеогликанов гликолипидов.В модификации олигосахаридов участвуют фрменты а-маннозидаза I и II, которые также являются резидентными белками АГ.

Кроме того в АГ происходит гликозилирование липидно-протеиновых мембранных доменнов, называемых рафтами.
Долихолфосфат добавляет углеводный комплекс - 2GlcNAc-9-манноз-3-глюкозы к аспарагину растущего полипептида. Терминальная глюкоза отщепляется в два этапа: глюкозидаза I отщепляет терминальный остаток глюкозы, глюкозидаза II удаляет еще два остатка глюкозы. Затем отщепляется манноза. На этом начальный этап процессинга углеводов в ЭР завершается и белки несущие олигосахаридный комплекс, поступают в АГ
В первых цистернах АГ удаляются еще три остатка маннозы. На этой стадии стержневой комплекс имеет еще 5 маннозных остатков. N-ацетилглюкозаминтрансфераза I добавляет один остаток N-ацетилглюкозамина GlcNAc. От образовавшегося комплекса отщепляется еще 3 остатка маннозы. Состоит теперь из двух молоекул GlcNAc-3-маннозо-1-GlcNAc является стержневой структурой, к которой гликозилтрансферезы добавляют другие
углеводы. Каждая гликозилтрансфераза распознает развивающуюся углеводную структуру и добавляет к цепи свой собственный сахарид.

СЕКРЕЦИЯ
Схема секреции:
Синтезированные в ЭР белки концентрируются в сайтах выхода переходного ЭР благодаря активности коатомерного комплекса COPII и сопутствующих компонентов и транспортируются в промежуточный между ЭР и АГ компартмент ERGIC, из которого они переходят в АГ в отпочковывающихся пузырьках, или по тубулярным структурам. Белки ковалентно модифицируются, проходя через цистерны АГ, на транс-поверхности АГ сортируются и отправляются к местам своего назначения. Секреция белков требует пассивного встраивания новых мембранных компонентов в плазматическую мембрану. Для восстановления баланса мембран служит контитутивный рецепторопосредованный эндоцитоз.
Эндо и экзоцитозный пути переноса мембран имеют общие закономерности в направленности движения мембранных переносчиков к сооответствующей
мишени и в специфичности слияния и почкования. Основным местом встречи этих путей является АГ.

Везикулярный транспорт

Синтез белка всегда начинается в цитоплазме. Окончание синтеза происходит в цитоплазме либо на шероховатом эндоплазматическом ретикулуме (ШЭР).
Можно условно выделить два пути транспорта белка в клетке:
1. Из цитоплазмы в некоторые органеллы (ядро, пластиды, митохондрии)
2. Большой путь везикулярного транспорта из ШЭР через аппарат Гольджи (АГ) к другим органеллам (лизосомы, пероксисомы) и через секреторные везикулы во внеклеточную среду. Поскольку синтез всех белков начинается в цитоплазме, а конечная локализация каждого белка может быть различна внутри полипептида имеется система сигналов определяющая его транспортный путь. Первичный сигнал определяет путь из цитоплазмы (в ШЭР, в ядро, в митохондрию или в пластиду), вторичный сигнал определяет дальнейшее направление, например, внешняя или внутренняя мембрана митохондрии или матрикс; лизосома, пероксисома или секреторная гранула.

Сигнальные последовательности белков

Сигнальные последовательности имеют длину 3-80 аминокислот узнаются специфическими рецепторами на мембранах различных компартментов клетки.
Сигнальная последовательность ЭР - гидрофобный участок 5-15 аминокислот на N-конце полипептида.
Сигнал митохондриальных белков 20-80 аминокислот состоящий из спирали и торчащих концов - (+)-заряженного и гидрофобного. 5 (+)-заряженных аминокислот для транспортировки в ядро. Пероксисомные белки имеют последовательность на С-конце Ser-Lys-Leu-COOH.
Имеется класс сигнальных последовательностей которые не позволяют белку достигшему определенной локализации транспортироваться дальше. Например, мотив Lys-Asp-Glu-Leu-COOH (KDEL) не позволяет белкам покидать эндоплазматический ретикулум.

Одна из функций гладкого ЭР - удержание кальция готового для выпуска в цитозоль при стимуляции клетки. Кальретикулин - белок удерживающий ионы кальция. Первые 17 аминокислот включают 14 гидрофобных (синие) - сигнальная последовательность для проникновения в ЭР из цитозоля. Последние четыре аминокислоты KDEL удерживают белок в ЭР.
(NH2) MLL S VPLLL G LL G LAVA E PAV Y F K EQ FL DGDG W TSR WI ESKHKSD F GK FVL SSGK F
YGDEEKDKG L QTSQD A R F Y AL S A S F E PF SNKGQT LVV Q F T V KHEQN I DCGGGY V K LFP
NS L DQTD M HGDSEYN IMF G P D I CG P GTKK V H VIF NYKGKN VLI NKD I RCKDDE F TH L YT LIV R P
DNTYE V K I DNSQ V ESGS L EDD W D FLPP KK I KD P D A SK P ED W DER A K I DD P TDSK P
ED W DK P EH IP D P D A KK P ED W DEE M DGE W E PPVI QN P EYKGE W K P RQ I
DN P DYKGT WI H P E I DN P EYS P D P S I Y A YDN F
G VL G L D LW Q V KSGT IF DN FLI TNDE A Y A EE F GNET W G V TK AA EKQ M KDKQDEEQR L
KEEEEDKKRKEEEE A EDKEDDEDKDEDEEDEEDKEEDEEED VP GQ A KDE L (COOH)

]]> сервер для предсказания сигнальных последовательностей белков ]]>
Некоторые белки имеют различные локализации в клетки. Существует несколько путей транспортировки идентичных полипептидов в различные компартменты клетки [Karniely, 2005]:
1. Несколько сигнальных последовательностей в одном полипептиде преднозначенные для разных компартментов. Каталаза А дрожжей имеет две сигнальные последовательности - для митохондрий и пероксисом, причем количество фермента в этих органеллах зависит от состава среды. Некоторые цитохромы имеют два сигнала - митохондриальный и ЭР. Митохондриальный сигнал запускается после посттрансляционного фосфорилирования белка. Известно, что белок-предшественник амилоида болезни Альцгеймера также имеет два сигнала локализации - ЭР и митохондрий.
2. Одна сигнальная последовательность узнается различными рецепторами на поверхности компартментов. Например, некоторые белки митохондрий и хлоропластов имеют общую сигнальную последовательность, которая более гидрофобна чем специфические сигналы.
3. Сигнал может быть блокирован другим белком. Апуриновая/апиримидиновая эндонуклеаза 1 (Apn1) - основной фермент эксцизионной репарации репарации ДНК в ядре и митохондриях. С-конец имеет сигнал ядерной локализации (NLS), за которым идет сигнал митохондриальной локализации. белок Pir1 взаимодействует с С-концом Apn1 блокируя NLS.
4. Сигнал может быть блокирован специфическим сворачиванием белка. Аденилат-киназа дрожжей Aky2 локализуется в цитоплазме и в небольшом количестве в межмембранном пространстве митохондрий, имеет две сигнальные последовательности, активность которых зависит от конформации белка.
5. Сигнал может быть блокирован после модификации полипептида. Фосфорилированный цитохром CYP2B1, взаимодействует с цитозольным шапероном Hsp70, что приводит к конформационным изменениям и переключает одну сигнальную последовательность на другую.
6. Одна РНК может иметь два сайта инициации трансляции при этом образуются два белка - один с сигнальной последовательностью, другой без нее, что определит различную локализацию белков в клетке. В другом случае может образовываться две различные РНК кодирующие два идентичных белка, но у одного будет сигнальная последовательность, а у другого нет.

Транспорт в ядро

Транспорт в митохондрии и пластиды

Митохондрии и пластиды имеют собственную ДНК и самостоятельно синтезируют некоторые белки. Однако многие из основных белков митохондрий и пластид синтезируются в цитозоле.
Белки проникающие в митохондрии должны нести сигнал, определяющий локализацию - внутрення или наружная мембрана, или матрикс.
Белки преднозначенные для матрикса несут сигнал на N-конце, который узнается рецепторами на внешней мембране. Рецептор связан с комплексом переноса белка, который разворачивает белок и переносит его через мембрану. После переноса белка сигнальная последовательность отрезается и белок снова сворачивается.
Белки шапероны связываются с вновь синтезированным белком предотвращая его сворачивание.
Шаперонины связываются с белком после его транспортировки к месту доставки и способствуют правильному сворачиванию.
В ответ на различные стрессовые воздействия (например повышение температуры) в клетке синтезируются шапероны называемые белками теплового шока - hsp (heat-shock proteins), которые стабилизируют клеточные белки. Hsp обнаружены во всех клеточных компартментах эукариот и у бактерий.

Везукулярный транспорт


Из одной органеллы в другую перемещение происходит в везикуле или на ее поверхности в виде интегральных белков.
Донорый компартмент - органелла от которой отрывается мембрана в составе везикулы, акцепторный компартмент - принимает везикулу.
конститутивная секреция - происходит постоянно и не зависит от внешних сигналов.
регулируемая секреция - под ПМ происходит накопление пузырьков, которые сливаются с ПМ при наличии внешних сигналов - гормоны, нервы - и повышении конц. Ca2+ до 1мкм
ретроградный транспорт - возвращение рецепторных белков и липидов из АГ в Эр - восполнение мембраны ЭР.
антероградный транспорт - растворимые грузовые белки двигаются по секреторному пути ЭР→ пузырек?цис-Гольджи?пузырек?транс-Гольджи?пузырек?органелла или секреция
Окаймленные везикулы - покрыты белками, кот узнают и концентрируют специфич. м-ные белки и отделяют м-ну пузырька, формируют решетку и придают форму везикуле: клатриновые, COPI, COPII:
Клатриновые везикулы - ~0,1мкм, транспорт из АГ и ПМ,клатрин - 3типа, 3 большие и 3 малые субъединицы формирующие трискелетон - собирающиеся на поверхности м-ны со стороны цитоплазмы в пента- и гексагоны, кот спонтанно формируют сферу. Адаптин - связывает клатрин с м-ной и ловит различные трансм-ные белки в том числе грузовые рецепторы, кот. захватывают р-римые грузовые белки, кот попадают внутрь везикулы. Имеетя по крайней мере 4 типа адаптинов
динамин - GTP-аза, р-римый цитоплазматический белок, образует кольцо на отделяющейся клатриновой везикуле - регулирует кол-во клатрина отщепляющееся вместе с м-ной в составе везикулы, ассоциирует другие белки помогающие выпучить м-ну и белки модификаторы липидов, изменяющие локально липидный состав м-ны для выпучивания
После отделения везикулы от м-ны клатрин и адипин отделяют шапероны - ATP-азы hsp70 семейства. Ауксилин - прикрепляется к везикуле и активирует АТФ-азу. Т.к кайма формирующейся везикулы сущ. дольше чем кайма отделенной - имеется стабилизирующий механизм. Клатриновая оболочка обеспечивает значительную силу для изгибания м-ны, т.к. везикулы из внутриклеточных компартментов образуются на уже выпученной м-не
COP-I - транспорт от АГ и ЭР, 8субъединиц, GTP-белок - фактор рибозилирования АДФ -ARF - транспорт
COP-II - транспорт из АГ и ЭР, 5 субъединиц
Везикулы мб не только сферические, часто образуются трубчатые везикулы в которых высокое соотношение S/V
Образование клатриновых и COP везикул регулируется GTP-связывающими белками, которые могут находится в активном GTP- и неактивном GDP-состоянии
Два класса белков обменивают GDP-GTP: GEF-гуанин-нуклеотид-фактор обмена активирует белки заменяя GDF?GTF, GAP- белок активирующий GTP-азы - инактивирует GTP-связывающие белки меняя GTP?GDP.
GTP-азы необходимые для сборки окаймленных везикул перед сборкой пузырьков: мономерные GTP-связывающие белки (GTP-азы):
ARF-белки - необх для клатриновой и COP сборки на пов-ти м-ны АГ. Sar1 белок, необходим для COPII сборки на на ЭР м-не
тримерные (G белки).
GTP-азы находятся в цитозоле в неактивном состоянии, перед сборкой GEF встраивается в м-ну ЭР и связывает цитозольный SarI, кот обменивает GDF?GTP. В GTP состоянии SarI встраивается остатком жирной к-ты в м-ну ЭР. Ассоциирует белки об-ки и инициирует отпочковывание везикулы. GTP-азы попавшие в м-ну активируют фосфолипазу D, кот преобразует фосфолипиды в фосфотидную к-ту, что усиливает связывание оболочных белков. Вместе белок-белковые и белок-липидные взаимодействия изгибают м-ну
SNARE - белки - отвечают за слияние донорной и акцепторной м-н, более 20, каждая на специфич пов-ти м-ны, трансмембранные белки на пов-ти везикулы - v-SNAR, на пов-ти донора - t-SNAR. Взаимодействуя v- и t-SNAR обвиваются др на друга в транс-SNAR-комплекс, обеспечивающий слияние м-н. SNF-белок разрушает транс-SNAR-комплексы - цитозольный шаперон ATP-аза, использует адаптирующие белки для связывания с комплексом-SNAR
Rab-белки - мономерные GTP-азы, более 30, каждая органелла имеет хотя бы один Rab на м-не со стороны цитоплазмы, регулируют стыковку везикул и связывание v-SNAR-ов и t-SNAR-ов необходимых для слияния м-н. В состоянии GDP-не активны, нах в цитозоле, в состоянии GTP-активны и переходят на пов-ть м-ны органеллы или везикулы. В активном состоянии Rap связываются с м-ной липидным якорем и собирают другие белки участвующие в слиянии м-н
неактивный Rab-GDP связан с GDI - GDP-диссоциирующий ингибитор. Rab-GDP связывается с GEF-гуанин нуклеотид меняющий фактор, связанный с м-ной донорного компартмента - меняет GDP на GTP. Rab-GTP связывается с м-ной формирующейся везикулы и ассоциирует v-SNARE, которые в составе везикулы транспортируются к органелле и связываются с Rab-эффекторами и t-SNARE, связанными с м-ной акцепторного компартмента и обеспечивают слияние м-н
белок органелла
Rab1 ЭР и АГ
Rab2 цис-АГ
Rab3A синаптич везикулы, секрет гранулы
Rab4 ранние эндосомы
Rab5A ПМ, клатриновые везикулы
Rab5C ранние эндосомы
Rab6 промежуточный- и транс-АГ
Rab7 поздние эндосомы
Rab8 секреторные везикулы (базолатеральные)
Rab9 поздние эндосомы, trans-АГ
Слияние м-н происходит не только при везикулярном транспорте: слияние спермия с яйцом, слияние миобластов во время развития мышечной клетки.


Образование клатринового пузырька. Диаметр клатринового пузырька ~0,3 мкм

Часть 3 (Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (PDF)), страница 90

Файл "Часть 3" внутри архива находится в папке "Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (PDF)". PDF-файл из архива "Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (PDF)", который расположен в категории " ". Всё это находится в предмете "клеточный цикл" из раздела "", которые можно найти в файловом архиве МГУ им. Ломоносова. Не смотря на прямую связь этого архива с МГУ им. Ломоносова, его также можно найти и в других разделах. .

Просмотр PDF-файла онлайн

Текст 90 страницы из PDF

В обратном процессеэндоцитоза (рис. 13.1) клетки удаляют компоненты плазматической мембраныи транспортируют их во внутренние компартменты, называющиеся эндосомами,откуда эти компоненты возвращаются в плазматическую мембрану или доставляютсяв лизосомы для деградации. Клетки также используют эндоцитоз для захвата важных питательных веществ, например: витаминов, липидов, холестерина и железа;эти вещества переносятся в клетку вместе с макромолекулами, с которыми онисвязаны, и затем высвобождаются в эндосомах или лизосомах и транспортируютсяв цитозоль, где участвуют в различных биосинтетических процессах.Внутреннее пространство, или люмен, каждого замкнутого мембранного компартмента, принимающего участие в биосинтетическом секреторном и эндоцитозномпутях, топологически эквивалентен люмену почти всех остальных мембранныхкомпартментов и внешней среде.

Белки способны путешествовать по этому пространству, не пересекая и переходя из одного компартмента в другой в составемногочисленных замкнутых мембранных резервуаров. Некоторые из этих резервуаров представляют собой маленькие сферические пузырьки, тогда как другие —это более крупные везикулы или трубочки неправильной формы, образующиесяиз донорного компартмента.

Мы будет использовать термин транспортная везикула(или пузырек) по отношению ко всем видам этих резервуаров.В пределах эукариотической клетки транспортные везикулы непрерывно отпочковываются от одной мембраны и сливаются с другой, перенося мембранныекомпоненты и растворимые молекулы, которые называют «грузом » (рис. 13.2).Такое мембранное движение происходит по упорядоченным, направленным маршрутам, что позволяет клетке эффективно секретировать, питаться и перестраиватьплазматическую мембрану. Биосинтетический секреторный путь направлен от эндоплазматического ретикулума (ЭР) к аппарату Гольджи и поверхности клетки с ответвлением к лизосомам. Эндоцитозный путь направлен внутрь от плазматическоймембраны.

В обоих случаях поток мембран между компартментами сбалансированретроградными путями, уравновешивающими поток в обратном направлении и возвращающими определенные белки в исходный компартмент (рис. 13.3).1272Часть IV. Внутренняя организация клеткиРис. 13.1. Экзоцитоз и эндоцитоз. (а) При экзоцитозе транспортная везикула сливается с плазматической мембраной. Ее содержимое высвобождается во внеклеточное пространство, а мембрана везикулы (красная) сливается с плазматической мембраной. (б) При эндоцитозе участок плазматическоймембраны (красный) изгибается внутрь, образуя транспортную везикулу.

Ее содержимое происходитиз внеклеточного пространства.Чтобы выполнять свою функцию, каждая везикула, отпочковавшаяся от компартмента, должна быть селективной. Она должна забирать только подходящиемолекулы и сливаться только с соответствующей мембраной-мишенью. Например,везикула, несущая груз от аппарата Гольджи в плазматическую мембрану, должнаисключить белки, функционирующие в аппарате Гольджи, и не должна сливатьсяни с одной органеллой, за исключением плазматической мембраны.Мы начнем эту главу с рассмотрения молекулярных механизмов отпочковывания и слияния, лежащих в основе везикулярного транспорта. Затем мы рассмотримфундаментальный вопрос о том, как клетка, в условиях такого транспорта, под-Рис. 13.2.

Везикулярный транспорт. Транспортные пузырьки отпочковываются от одного компартментаи сливаются с другим. При этом они переносят вещество в форме груза из люмена (пространства внутризамкнутого мембранного компартмента) и мембраны донорного компартмента в люмен и мембранукомпартмента-мишени, как показано. Обратите внимание, что процессы отпочковывания и слиянияне симметричны: для отделения везикулы необходимо слияние мембран, инициируемое на люминальной стороне мембраны, а процесс слияния требует смыкания мембран, инициируемого с цитоплазматической стороны как донорной, так и акцепторной мембран.Рис. 13.3. «Карта » биосинтетического секреторного и эндоцитозного путей.

(а) На этой диаграмме, представленной в главе 12, эндоцитозный и биосинтетический секреторный пути показаны зелеными и красными стрелками соответственно. Голубыми стрелками обозначены пути возврата, обеспечивающиеобратный поток некоторых компонентов. (б) Компартменты эукариотической клетки, участвующие в везикулярном транспорте. Люмен всех замкнутыхмембранных компартментов топологически эквивалентен внешней среде.

Все представленные на рисунке компартменты сообщаются друг с другоми внешней средой посредством транспортных везикул. В биосинтетическом секреторном пути (красные стрелки) белковые молекулы транспортируютсяиз ЭР в плазматическую мембрану или (через эндосомы) в лизосомы. В эндоцитозном пути (зеленые стрелки) молекулы поглощаются везикулами, отщепляющимися от плазматической мембраны, и доставляются в ранние эндосомы и затем (через поздние эндосомы) в лизосомы.

Многие эндоцитированныемолекулы забираются из ранних эндосом и возвращаются в плазматическую мембрану для повторного использования; точно так же молекулы из раннихи поздних эндосом могут возвращаться в аппарат Гольджи, а оттуда - в ЭР. Все пути возврата показаны голубыми стрелками, как на (а).Глава 13.

Внутриклеточный везикулярный транспорт 12731274Часть IV. Внутренняя организация клеткидерживает различия между компартментами. Наконец, в ходе рассмотрения путей,соединяющих аппарат Гольджи, лизосомы, секреторные везикулы и эндосомы, мыобсудим функции этих органелл.13.1. Молекулярные механизмы мембранного транспортаи поддержания различий между компартментамиВезикулярный транспорт опосредует непрерывный обмен компонентами междуболее чем десятью химически различными замкнутыми компартментами, которыевместе образуют биосинтетический секреторный и эндоцитозный пути. Как при таком непрерывном обмене веществами компартменты способны поддерживать своюуникальность? Чтобы ответить на этот вопрос, сначала мы должны рассмотретьсвойства, определяющие характер каждого компартмента.

Прежде всего, это состав внешней мембраны: молекулярные маркеры на цитоплазматической сторонемембраны служат сигналами для входящего транспорта, обеспечивающими слияниетолько с правильным компартментом. Однако многие из этих мембранных маркеровхарактерны для нескольких компартментов, и именно специфическое сочетаниемаркерных молекул обеспечивает уникальность молекулярного «адреса » .Как поддерживаются высокие концентрации этих маркеров в одном компартменте и низкие - в другом? Для ответа на этот вопрос необходимо рассмотреть,как участки мембраны, обогащенные определенным компонентом или лишенныеего, отпочковываются от одного компартмента и переносятся в другой.

В приложении 13.1 дан краткий обзор основных биохимических подходов к изучениюмолекулярного аппарата, принимающего участие в везикулярном транспорте.Мы начнем с обсуждения того, как клетки распределяют белки по разныммембранным доменам путем сборки особого белкового слоя (каймы) на цитоплазматической стороне мембраны. Мы рассмотрим, как эти оболочки образуются,из чего они сделаны и как используются для выделения специфических компонентовиз мембраны и их транспорта в другие компартменты. Наконец, мы обсудим, кактранспортные везикулы стыкуются и сливаются с соответствующей мембраноймишенью и доставляют свой груз.13.1.1. Существует несколько типов окаймленных пузырьковБольшинство транспортных везикул образуется из специализированных окаймленных областей мембран.

Они отшнуровываются в форме окаймленных пузырьков, которые несут на цитоплазматической стороне специфический набор белков.Перед тем как слиться с мембраной-мишенью, они сбрасывают свою оболочку,что необходимо для прямого взаимодействия и слияния двух цитоплазматическихповерхностей мембран.Кайма выполняет две основные функции. Во-первых, она концентрируетспецифические мембранные белки на специализированном участке, из которогозатем образуется мембрана везикулы. Таким образом, она отбирает правильныемолекулы для транспортировки. Во-вторых, кайма придает форму образующемусяпузырьку. Белки каймы собираются в изогнутую, похожую на корзину сетку, которая деформирует участок мембраны и таким образом определяет форму пузырька.Это позволяет объяснить, почему везикулы с одним типом каймы часто имеют относительно однородную форму и размер.Глава 13.

Внутриклеточный везикулярный транспорт 1275Существует три подробно охарактеризованных типа окаймленных пузырьков,отличающихся по составу белков: окаймленные клатрином, окаймленные COPI(Coat Protein Complex I — комплекс белков окаймления I) и окаймленные COPII(рис. 13.4). На разных этапах транспорта используются разные типы везикул. Окаймленные клатрином пузырьки, например, опосредуют транспорт из аппарата Гольджии плазматической мембраны, а окаймленные COPI и COPII обычно опосредуют транспорт из ЭР и цистерн Гольджи (рис. 13.5).

Однако, разнообразных окаймленныхпузырьков, выполняющих различные функции, значительно больше, чем перечисленов этом коротком списке. Как мы обсудим ниже, существует несколько типов клатриновых пузырьков, каждый из которых специализируется на разных этапах транспорта.Окаймленные COPI и COPII пузырьки также могут быть разными.Рис. 13.4.

Электронная микрофотография пузырьков, окаймленных клатрином, COPI и СOPII. Электронные микрофотографии представлены в одном масштабе. (а) Окаймленные клатрином пузырьки. (б) Цистерны Гольджи (стрелки) в бесклеточной системе, от которых в пробирке отпочковываются окаймленныеCOPI пузырьки. (в) Окаймленные COPII пузырьки. (а и б, из L. Orci, B. Glick and J. Rothman, Cell 46: 171-184,1986. С любезного разрешения издательства Elsevier; и Charles Barlowe и Lelio Orci (в).)13.1.2. Сборка клатриновой оболочки является движущей силойформирования пузырьковКлатриновые пузырьки, первые идентифицированные окаймленные пузырьки,транспортируют вещества из плазматической мембраны и между эндосомами и аппаратом Гольджи.

Читайте также: