Биологические мембраны - А. Н. Огурцов 2012
Структура и функции биомембран
Внутриклеточный транспорт белков
Везикулярный транспорт
Гликопротеины, переносимые из шероховатого эндоплазматического ретикулума в другие места, "упаковываются" в мелкие транспортные пузырьки (везикулы), которые отщепляются от промежуточной части эндоплазматического ретикулума. Стенка этих пузырьков состоит из липидов и белков мембраны ретикулума, а сами пузырьки содержат растворимые гликопротеины, захваченные из полости эндоплазматического ретикулума. Большинство из этих пузырьков сливается, образуя плоские цистерны на ближней к ядру стороне аппарата Гольджи, с так называемой формирующейся, или цис-стороны (формирующий полюс).
В цистернах аппарата Гольджи происходит дальнейшее "созревание" синтезированных в шероховатом эндоплазматическом ретикулуме и перешедших в аппарат Гольджи белков.
"Созревание" белков включает различные ковалентные модификации, в результате которых белки приобретают свою функциональноактивную структуру. Кроме того, очень сильно модифицируются связанные с остатком аспарагина олигосахариды, присоединившиеся ранее к белкам в эндоплазматическом ретикулуме - некоторые остатки сахаров избирательно отщепляются, а некоторые новые добавляются.
Процессинг олигосахаридов осуществляется с помощью нескольких различных чрезвычайно сложных и точно "запрограммированных" ферментных механизмов. Выбор "программы" модификации определяется каким-то (пока неизвестным) свойством каждой индивидуальной полипептидной цепи.
Ферменты, осуществляющие модификацию белков, как и сами модифицирующиеся белки, тоже, вероятно, попадают в аппарат Г ольджи из эндоплазматического ретикулума. В настоящее время считается, что после процессинга присоединённый к белку олигосахарид становится "адресом", указывающим, куда должен быть доставлен данный белок.
"Созревшие" белки снова "упаковываются" в транспортные пузырьки, но уже на зрелой, или транс-стороне (декретирующий полюс).
Обобщённая схема везикулярного транспорта представлена на рисунке 83. Белки, синтезированные в шероховатом ЭР (рисунок 83(1)) упаковываются в транспортные везикулы (рисунок 83(2)), которые отсоединяются от ШЭР и сливаются вместе, образуя новую цистерну цис-Гольджи сети (cis-Golgi network, CGN).
Ферменты и белки эндоплазматического ретикулума, которые попали в такой пузырек, а также мембранные белки, которые обеспечивают формирование везикул, возвращаются в шероховатый эндоплазматический ретикулум для "повторного" использования (рисунок 83(3)) в пузырьках, которые отъединяются от цис-стороны аппарата Гольджи и сливаются с мембраной шероховатого эндоплазматического ретикулума.
Рисунок 83 - Обобщённая схема везикулярного транспорта
Каждая цистерна Гольджи из цис-области физически перемещается через промежуточную область в транс-область аппарата Гольджи посредством невезикулярного процесса, который называется цистернальная прогрессия (cisternalprogression) (рисунок 83(4)).
"Возврат" специфических для каждой области аппарата Гольджи белков осуществляется везикулярным механизмом (рисунок 83(5)). Во всех клетках определённые белки постоянно перемещаются к поверхности в везикулах, отъединившихся от транс-стороны аппарата Гольджи, обеспечивая постоянную секрецию белков за пределы клетки (конститутивный экзоцитоз) (рисунок 83(6)). В некоторых типах клеток определённые белки "запасаются" в секреторных везикулах (рисунок 83(7)) и секретируются только после получения клеткой внешнего нейро- или гормонального сигнала (регуляторный экзоцитоз)
Белки и липиды, которые предназначены для лизосом (рисунок 83(8)), отсоединяются от транс-стороны аппарата Гольджи и присоединяются к вторичным эндосомам, которые затем сливаются с лизосомой. Белки из внеклеточного пространства и мембранные белки плазматической мембраны клетки, которые в процессе эндоцитоза (рисунок 83(9)) формируют эндоцитозные везикулы (отъединяющиеся от плазматической мембраны внутрь клетки), также перемещаются внутрь лизосом через эндосомы.
Большинство транспортных пузырьков—везикул представляют особый класс внутриклеточных пузырьков, которые на микрофотографиях выглядят окружёнными со стороны цитоплазмы щетинообразной каймой, и потому называются окаймлёнными пузырьками. Диаметр окаймлённых пузырьков варьирует от 50 до 250 нм.
Окаймление образуют три типа белков:
1) СОРІІ-белoк покрывает везикулы, транспортирующие белки из шероховатого эндоплазматического ретикулума в аппарат Гольджи;
2) СОРІ-белок покрывает везикулы, осуществляющие "возвратный"
транспорт белков между цистернами Гольджи и в шероховатый эндоплазматический ретикулум;
3) клатрин окаймляет везикулы, которые транспортируют белки от плазматической мембраны и от транс-Гольджи сети к вторичным эндосомам (рисунок 84).
Рисунок 84 - Структура клатринового покрытия: а - трискелион; б - упаковка трискелионов в клатриновую оболочку; в - клатриновые корзинки, образованные спонтанной агрегацией трискелионов in vitro; 1 - клатрин; 2 - малый полипептид; 3 - узел связывания клатринов при агрегации
Клатрин (180 кДа) вместе с меньшим полипептидом (35 кДа) образует характерный многогранный чехол на поверхности окаймлённых пузырьков.
Основным структурным элементом чехла служит белковый комплекс трискелион, состоящий из трёх полипептидных цепей клатрина и трёх малых (35 кДа) полипептидов.
Трискелионы образуют на поверхности окаймлённых пузырьков корзиноподобные сетки из шестиугольников и пятиугольников.
Обособленные трискелионы при соответствующих условиях способны к спонтанной агрегации. При этом даже в отсутствие пузырьков формируются типичные многогранные корзинки (рисунок 84(b)).
В мембраны везикул интегрировано множество вспомогательных белков. Эти белки, во-первых, в процессе формирования пузырька "вылавливают" из цистерн аппарата Гольджи белки с одинаковыми олигосахаридными "адресами", и, во-вторых, узнают компоненты мембраны, с которой должен слиться данный пузырек (рисунок 85).
Рисунок 85 - Схема везикулярных процессов: а - формирование окаймлённого пузырька из донорной мембраны; б - слияние везикулы с мебраной-целью; 1 - донорная мембрана; 2 - водорастворимый транспортируемый белок; 3 - ГТФ-связывающий белок; 4 - v-SNARE-белок; 5 - интегрированный в мембрану транспортируемый белок; 6 - мембранный рецептор водорастворимых транспортируемых белков; 7 - окаймляющие белки; 8 - мембрана-цель; 9 - t-SNARE-белки; 10 - t-SNARE-комплекс
Известно, что содержимое каждого транспортного пузырька доставляется точно по правильному "адресу" к определённой внутриклеточной мембране, поэтому должны существовать различные субпопуляции транспортных пузырьков, имеющих на своей поверхности уникальные вспомогательные белки, так называемые маркеры стыковки (v-SNARE белки) (рисунки 85 и 86), которые опознаются комплементарными акцепторами (t-SNARE белки) на мембранах мишеней и формируют SNARE-комплекс.
Окаймление играет ключевую роль в формировании везикулы, но вскоре после отделения везикулы окаймляющие белки диссоциируют с её поверхности (потеря каймы), и отсутствие окаймления позволяет везикуле слиться с мембраной в конце транспортировки.
Схема везикулярного транспорта между ШЭР и цис-Гольджи представлена на рисунке 86. Прямой (антероградный) транспорт обеспечивается СОРІІ-окаймлёнными везикулами (рисунок 86(1,2,3)), которые образуются полимеризацией СОРІІ-белков на поверхности мембраны эндоплазматического ретикулума.
Рисунок 86 - Везикулярный транспорт белков между эндоплазматическим ретикулумом и цис-Гольджи-областью
Диссоциация СОРП-белков с поверхности везикулы освобождает v-SNARE-белки. Спаривание v-SNARE с t-SNARE-белками на поверхности цис-Гольджи сети образует SNARE-комплексы, в результате чего становится возможным слияние мембран.
Обратный (энтероградный) транспорт (рисунок 86(4,5,6)), осуществляемый с помощью окаймления везикул СОРІ-белками, обеспечивает возврат (рециклирование) мембранных липидов, специфических белков (например, v-SNARE) и ошибочно захваченных белков эндоплазматического ретикулума из цис-Гольджи сети обратно в ШЭР. Транспортные пузырьки, сливающиеся с плазматической мембраной и высвобождающие своё содержимое в межклеточное пространство, называются секреторными, или экзоцитозными пузырьками. Наряду с окаймлёнными пузырьками в клетке образуются и окаймлённые ямки, т. е. эндоцитозные пузырьки, отпочковывающиеся внутрь клетки от окаймлённых участков плазматической мембраны.
Когда клетке нужно "выловить" из межклеточной жидкости какое-либо вещество, она, как правило, использует механизм опосредуемого рецепторами эндоцитоза, или адсорбционный эндоцитоз, при котором клетка экспрессирует белки-рецепторы для этого вещества, которые затем встраиваются в состав окаймлённых участков плазматической мембраны. Все молекулы, связавшиеся с рецепторами, быстро проникают внутрь клетки, поскольку окаймлённые ямки постоянно отщепляются внутрь, образуя окаймлённые пузырьки.
Эти пузырьки быстро теряют свою кайму и сливаются с другими пузырьками, образуя более крупные пузырьки, называемые эндосомами. Содержимое эндосом может использоваться клеткой. Хорошо изученный пример использования адсорбционного эндоцитоза - это поглощение животными клетками холестерола из внеклеточной среды.
Некоторые транспортные пузырьки, которые отпочковываются от самой крайней цистерны транс-стороны аппарата Гольджи, становятся первичными лизосомами. Гликопротеины, которыми загружены эти пузырьки, имеют олигосахарид с фосфорилированным остатком маннозы (рисунок 87).
Рисунок 87 - Манноза-6-фосфат
Маннозо-6-фосфатный маркер и определяет адресацию данных гликопротеинов в лизосомы. После отщепления маннозо-6-фосфатного маркера гликопротеины первичных лизосом становятся активными гидролитическими ферментами (т. е. расщепляющими ферментами, осуществляющими перенос функциональных групп на молекулу воды).
Лизосомы расщепляют до мономерных компонентов макромолекулы, захваченные клеткой в процессе эндоцитоза, или отдельные участки цитоплазмы и органоиды, утратившие своё значение в результате старения или использующиеся как материал для поддержания жизнедеятельности клетки в неблагоприятных экстремальных условиях.
В первом случае первичная лизосома сливается с эндоцитозным пузырьком. Во втором случае подлежащий "перевариванию" участок цитоплазмы или органоид сначала окружается мембраной, а затем получившийся пузырек сливается с первичной лизосомой.
Первичная лизосома, слившаяся с пузырьком, содержащим субстрат для расщепления, называется уже вторичной лизосомой. Мономерные продукты расщепления транспортируются из лизосомы в цитоплазму и могут использоваться клеткой.
Сейчас известно более 60 гидролитических ферментов, содержащихся в лизосомах, которые способны разрушать практически все природные полимерные органические соединения. Все они обладают наибольшей активностью при pH ≈ 5. Именно такое значение pH поддерживается внутри лизосомы встроенными в их мембрану АТФазами V-типа (протонными помпами), использующими энергию АТФ для накачивания ионов Н+ в полость этих органелл. Хотя в нормальных условиях мембрана лизосомы непроницаема для гидролитических ферментов, необходимость кислой среды для их активной работы защищает цитоплазму клетки от разрушения при возможной "утечке" ферментов.
Контрольные вопросы и задания
1. Охарактеризуйте три основных механизма внутриклеточного транспорта белков.
2. Что собой представляют сортировочные сигналы?
3. Какие последовательности называются нацеливающими?
4. Что такое сигнальный пептид, и какой клеточный мембранный процесс инициирует сигнальный пептид?
5. Какой клеточный процесс блокируется, если на С-конце белка присутствует KDEL-последовательность?
6. Какие компоненты входят в состав ядерной поры?
7. В каких состояниях может находиться ГТФаза?
8. Какие вспомогательные белки управляют активностью ГТФаз?
9. Охарактеризуйте этапы импорта белков в ядро через ядерную пору, управляемого ГТФазами Ran.
10. Охарактеризуйте этапы экспорта белков из ядра через ядерную пору, управляемого ГТФазами Ran.
11. Охарактеризуйте особенности транспорта белков в митохондрию.
12. Охарактеризуйте этапы экспорта белков в пероксисомы.
13. Охарактеризуйте этапы синтеза белков в шероховатом эндоплазматическом ретикулуме.
14. Какую функцию в везикулярном транспорте выполняют окаймляющие белки?
15. Перечислите три типа окаймляющих белков.
16. Для чего нужны SNARE-белковые комплексы?
17. В какие органеллы направляются гликопротеины с маннозо-6-фосфотным маркером?