Что такое везикулярный транспорт
Что такое везикулярный транспорт
• Транспортные везикулы перемещают белки и другие макромолекулы из одного ограниченного мембраной компартмента в другой, по механизму экзоцитоза и эндоцитоза
• Окаймление из цитоплазматических белковых комплексов помогает образовываться транспортным везикулам и отбирать белки, которые должны быть перенесены
• Белки, предназначенные для транспорта в какой-либо компартмент, отсортировываются от резидентных белков и белков, предназначенных для транспорта в другие компартменты
• Транспортные везикулы используют фиксаторы и SNARE для причаливания и слияния с очередными компартментами на пути транспорта
• Антероградный (прямой) транспорт везикул компенсируется их ретроградным (обратным) транспортом. Транспортируемые везикулы при ретроградном транспорте содержат рециклируемые и сохранившиеся интактными белки
При везикулярном транспорте везикула отпочковывается
от мембраны одного компартмента и сливается с мембраной другого компартмента.
Мы уже отмечали выше, что клетки эукариот содержат множество компартментов, ограниченных мембранами, каждый из которых характеризуется своим составом и функциями. Эти компартменты часто обмениваются компонентами, особенно при эндоцитозе и экзоцитозе. Поскольку обычно белки и липиды свободно диффундируют вдоль липидного бислоя, любое прямое физическое взаимодействие между разнородными мембранными системами создает хаотичность.
Мы выдвинули представление, согласно которому обмен компонентами происходит при участии транспортных везикул, и для поддержания постоянства состава компартмента везикулы должны содержать только отобранные компоненты. В этом разделе мы представим механизм везикулярного транспорта.
Везикулярный транспорт может быть представлен в виде последовательности нескольких процессов. Эти процессы включают выбор груза (карго), образование везикулы и ее отпочковывание, удаление (окаймления) белкового покрытия, удержание везикулы и ее причаливание (прикрепление), слияние и рециклизацию белков слияния.
Вначале транспортируемые белки должны быть отобраны. На цитоплазматическом конце молекул мембранных белков, например рецепторов, находятся различные сигналы сортировки. Растворимые белки или отбираются соответствующим рецептором, или неизбирательно диффундируют в образующуюся везикулу. Процедуру отбора проходят также белки, используемые на поздних стадиях транспорта. Некоторые резидентные белки, включая мембранные и растворимые, обладают специфическими последовательностями, определяющими их местонахождение в конкретном компартменте. Эти последовательности исключают возможность отбора белков или их заключения в образующуюся транспортную везикулу.
Выбор карго происходит при связывании с сигналами сортировки особых цитоплазматических белков, называемых белки окаймления. Эти белки связываются с сигналами сортировки непосредственно или через адаптерный комплекс, который связывает белок карго с комплексом окаймляющего белка. Последний определяет тип транспортной везикулы. В различных механизмах транспорта участвуют различные белки. Например, белки COPI и СОРИ принимают участие в экзоцитозе, а клатриновые везикулы представляют собой единственный тип везикул, участвующих в эндоцитозе. Состав везикул, которые обеспечивают транспорт между компартментами, отражает лежащий в его основе принцип селективного переноса.
Отличаются друг от друга не только карго белки, но также система их отбора, отпочковывания везикулы, ее причаливания и слияния. Все это определяется донорским и акцепторным компартментами.
Для образования везикулы мембрана органеллы должна образовать выпячивание наподобие почки. В этом процессе принимают участие окаймляющий и адаптерный комплексы, вероятно, связываясь с фосфолипидами, содержащими фосфоинозитол. После образования почки белки «отшнуровки» высвобождают окаймленную белком везикулу, содержащую поглощенный материал. Процесс отшнуровки везикулы требует замыкания мембраны, в результате которого везикула отделяется от донорского компартмента. Механизмы, вызывающие выпячивание мембраны и отшнуровку везикулы, остаются неизвестными.
По сравнению с другими типами везикул, процессы образования и отшнуровки клатриновых везикул исследованы гораздо лучше.
После образования везикулы белки окаймления удаляются (процесс называется «раздеванием») и используются в повторных циклах отпочковывания новых везикул. Освобождение везикулы от окаймляющего белка, по-видимому, необходимо для ее взаимодействия с мембраной реципиентого компартмента.
Присоединение везикулы к реципиентному компартменту происходит в два этапа: первый этап называется удержание, второй — причаливание (прикрепление). Предполагается, что удержание дает возможность везикуле протестировать мембрану, для того чтобы определить, является ли она правильной мишенью. При причаливании мембраны вступают в тесный контакт, обеспечивающий их слияние. В удержании везикулы участвуют небольшие ГТФазы семейства Rab и специальные удерживающие белки, образующие белковые комплексы. Эти комплексы специфичны для каждой пары: транспортная везикула—органелла назначения и таким образом, играют вспомогательную роль в обеспечении адресной доставки материалов.
При удержании белки SNARE, находящиеся на везикуле, образуют комплекс с белками поверхности реципиентной органеллы. Этот комплекс «прикрепляет» везикулу и играет существенную роль в слиянии, которое необходимо для того, чтобы везикула полностью выполнила свою задачу по доставке мембранных компонентов и растворимых молекул к месту назначения. Только при слиянии мембран содержимое двух компартментов может войти в контакт. Многочисленные события слияния мембран, происходящие при экзоцитозе и эндоцитозе, определяются различными комбинациями белков SNARE.
В дальнейшем АТФаза NSF и связывающий белок SNAP разрушают комплексы SNARE, которые образовались при слиянии мембран. Затем из донорской мембраны SNARE поступают в отпочковывающиеся транспортные везикулы и опять возвращаются в донорскую мембрану.
Исследования молекулярных механизмов везикулярного транспорта во многом способствовали выработке новых взглядов по всем аспектам мембранного транспорта. Использование методов реконструкции процессов транспорта или слияния органелл позволило идентифицировать и выделить индивидуальные белки (наприВьщеление мутантов дрожжей (Saccharomyces cerevisiae), дефектных по процессу секреции белка, подтвердило физиологическую значимость этих белков и позволило открыть многие другие белки. В результате проведения исследований по сайт-специфическому мутагенезу и поиску по базам данных были выяснены сигналы сортировки, которые направляют белки в специфические транспортные везикулы.
Процесс везикулярного транспорта состоит из нескольких этапов,
обеспечивающих селективное включение белков карго в транспортные везикулы
и их селективное слияние с мембраной-мишенью. 
Три основных типа покрытий, характерных для процесса везикулярного транспорта,
представляют собой COPI, COPII и клатриновое окаймление.
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
Открытие механизмов везикулярного транспорта
7 октября 2013г. американские ученые Рэнди Шекман (Randy W. Schekman) и Джеймс Ротман (James E. Rothman) и исследователь из Германии Томас Зюдхоф (Thomas C. Südhof) были награждены Нобелевской премией по медицине и физиологии 2013 года.
Выдающейся заслугой призеров стало открытие и изучение фундаментального процесса в клеточной физиологии – везикулярного транспорта молекул и механизма слияния везикул, которые находят свое отражение в понимании нами упорядоченного транспорта молекул как внутри клетки, так и наружу.
Везикулярный транспорт подчиняется общим принципам организации во всех клетках, начиная от культуры клеток дрожжей и заканчивая клетками организма человека, и играет важную роль в целом спектре физиологических процессов, когда имеет место контроль за слиянием везикул с клеточной мембраной (синтез и секреция гормонов и цитокинов). Нарушения в везикулярном транспорте происходят при многих заболеваниях, включая ряд неврологических и иммунологических нарушений, сахарный диабет. Когда нарушается эта удивительная упорядоченность транспорта молекул, клетка переходит в состояние полного хаоса.
Принципиально, все синтезируемые в клетке молекулы транспортируются в пузырьках-везикулах или наружу, приводя к межклеточным взаимодействиям, или хранятся в клетке в форме неактивных предшественников. Таким образом, в клетке существует два вида транспорта: транспорт к наружной мембране клетки и транспорт к мембранам внутриклеточных компартментов (аппарат Гольджи, эндоплазматический ретикулум).
Какие же фундаментальные открытия в этих процессах сделали ученые? Работая независимо друг от друга, они раскрыли ключевые моменты внутриклеточного транспорта.
Рэнди Шекман изучил гены, кодирующие регуляторные белки везикулярного транспорта. Он работал с моделью дрожжевых клеток (рис.1). Именно при сравнении нормальных и мутировавших клеток дрожжей, в которых везикулярный транспорт был полностью нарушен, Рэнди Шекман определил гены, участвующие в регуляции транспорта молекул к поверхности клетки и к внутриклеточным компартментам.
Рис.1 Модель везикулярного транспорта в культуре дрожжевых клеток (слева – клетка в норме, справа – клетка с генетическими мутациями).
Джеймс Ротман открыл белковый комплекс в составе оболочки везикул, позволяющий везикуле сливаться с таргетной мембраной. Протеины в составе везикул, комплементарно связываясь с протеинами на таргетной мембране, позволяют везикулам сливаться с мембраной в нужном месте и доставлять транспортные молекулы по назначению (рис.2).
Рис.2 Механизмы везикулярного транспорта Белковый комплекс в составе оболочки везикул и комплементарный протеин в таргетной мембране обозначены оранжевым цветом. Триггер высвобождения транспортной молекулы из везикул, чувствительный к ионам кальция изображен фиолетовым цветом.
Томас Зюдхоф изучил вопрос, каким образом передаются сигналы между нейроцитами в головном мозге и как ионы кальция участвуют в регуляции этих процессов. Ученый идентифицировал молекулярную «машину», чувствительную к концентрации ионов Ca2+, и являющуюся триггером сливания везикул с мембраной. Так мы получили объяснение того, как по команде сигнальные молекулы высвобождаются из везикул.
Нарушения везикулярного транспорта – базового клеточного процесса, приводит к различным последствиям взависимости от функциональной направленности клетки (нейроны, клетки эндо- и экзокринных желез). Возможно, в будущем, научившись выявлять эти нарушения на клеточном уровне, мы сможем целенаправленно воздействовать на эти механизмы.
Ключевые научные публикации:
Нобелевская премия по физиологии и медицине (2013): везикулярный транспорт
Нобелевская премия по физиологии и медицине (2013): везикулярный транспорт
Транспортировка молекул внутри мембранных пузырьков (везикул) — основная разновидность внутри- и внеклеточного транспорта у эукариот
Автор
Редакторы
Живая клетка напоминает огромный порт, в котором тысячи единиц груза одновременно прибывают и распределяются в другие порты и на склады. Этот груз транспортируется с помощью микроскопических мембранных пузырьков — везикул. В 2013 году Нобелевскую премию по физиологии и медицине вручили Джеймсу Ротману, Рэнди Шекману и Томасу Зюдофу — «за открытие системы везикулярного транспорта — основной транспортной системы в наших клетках».
Эукариотические клетки отличаются от прокариот более сложной внутриклеточной организацией, характерной наличием не только клеточного ядра, но и большого количества мембранных органелл — «пузырьков», стенки которых состоят из липидной бислойной мембраны. Собственно, и само ядро можно представить большим пузырьком, играющим роль генетического центра в клетке. В более общем виде это носит название принципа компартментализации: когда внутренность клетки представляет собой не единый мешок (как у бактерий), а совокупность отсеков, в каждом из которых выполняется своя работа, направленная на всеобщее благо.
Разбиение клетки на компартменты сильно повышает эффективность клеточных процессов и не дает многим опасным молекулам «плавать» на свободе. Но это создает и проблему коммуникации: очевидно, что компартменты внутри клеток (как и клетки между собой) должны обмениваться веществом — сигнальными молекулами, «строительным материалом», «импортом» и «экспортом» (рис. 1).
Рисунок 1. Везикулярный транспорт. Каждая клетка нашего организма сложно устроена, и масса важных функций выполняется внутри специальных органелл, «одетых» общей клеточной мембраной. Молекулы, производимые в клетке, «упаковываются» в специальные мембранные пузырьки (везикулы) и доставляются точно вовремя и точно по адресу — будь то та же самая или другая клетка.
Мистика клеточной компартментализации волновала ученых с давних пор (и волнует до нынешнего времени). Совершенствование световой микроскопии легко и наглядно показало отличие эукариотической клетки от бактерий, однако с развитием электронной микроскопии и технологий подготовки биологических образцов внутренний мир клетки буквально ошеломил ученых своим ювелирным устройством. Пионерами этого удивительного мира стали лауреаты Нобелевской премии по физиологии и медицине 1974 года Альбер Клод, Джордж Паладе и Кристиан Де Дюв, подробно исследовавшие внутреннее устройство клетки. Еще раньше Камилло Гольджи открыл названный его именем аппарат Гольджи, служащий «шлюзом» для секретируемых клеткой белков (он также был удостоен в 1906 году Нобелевской премии по физиологии и медицине). Наконец, в 1999-м году Нобелевская премия была вручена Гюнтеру Блобелю, открывшему сигнальные последовательности в белках, играющие роль «бирок с адресом».
Однако все это оставляло еще один вопрос не отвеченным: как многие молекулы, включая гормоны, транспортные белки и нейротрансмиттеры, столь точно и своевременно доставляются по адресу? Первый луч света на это был пролит работами Паладе, который показал, что такие молекулы упаковываются в пузырьки, «отпочковывающиеся» от эндоплазматического ретикулума (ЭР) и сливающиеся позже с другими мембранами. Но как именно это происходит, и что управляет этим таинственным процессом, оставалось покрытым мраком.
Гены везикулярного транспорта: при чем тут дрожжи?
Рэнди Шекман (Randy W. Schekman), изучавший биохимию под началом Артура Корнберга (лауреата Нобелевской премии в 1959 году), решил заняться механизмом молекулярного транспорта с позиций генетики и выбрал в качестве модельного объекта пекарские дрожжи (Saccharomyces cerevisiae). Шекман собрался выявить гены, которые участвуют в процессе везикулярного транспорта, с помощью мутантных форм дрожжей и анализа накапливающихся внутри клетки секреторных ферментов [1–3].
Первые два открытых гена получили названия sec1 и sec2, а более детальное сканирование выявило в сумме 23 гена [2]. Эти белки разделились на три группы, в зависимости от того, блокировался ли везикулярный транспорт на уровне ЭР, аппарата Гольджи или секреции за пределы клеточной мембраны (рис. 2). Позже была определена последовательность событий посттрансляционной модификации, которые управляют процессом секреции [3]. Детальное генетическое и морфологическое исследование «отловило» промежуточные стадии транспорта между ЭР и аппаратом Гольджи, и особенно это было заметно на мутантах sec17 и sec18, в которых секреторные пузырьки накапливались в клетке в большом количестве [4].
Работы Шекмана заложили генетический базис и выявили ключевые регуляторные события в везикулярном транспорте.
Рисунок 2. Исследование генов везикулярного транспорта. Шекман открыл гены белков, являющихся ключевыми регуляторами везикулярного транспорта. Сравнивая «нормальные» клетки дрожжей (а) с генно-инженерными мутантами с нарушениями транспорта (б), он выявил гены, отвечающие за транспорт в различные компартменты и на поверхность клетки.
Ключевые белки везикулярного транспорта
Встречным курсом двигался Джеймс Ротман (James E. Rothman), решивший в своей стэнфордской лаборатории выявить ключевые белки (а не гены, как Шекман), работающие в системе везикулярного транспорта. Используя разработанную для этого систему, он выявил ключевые белки, вовлеченные в везикулярный транспорт. На тот момент еще не было системы эффективной экспрессии генов в клетках животных, и использовался подход на основе заражения клеток вирусом везикулярного стоматита (VSV), вследствие чего клетка начинала производить большие количества вирусного белка VSV-G. При этом данный белок специальным образом гликозилируется при достижении аппарата Гольджи, что позволяет точно отслеживать момент доставки «по адресу». Ротман опубликовал несколько работ о везикулярном транспорте VSV-G в системе аппарата Гольджи [5–8] и выделил из цитоплазмы ключевые компоненты, отвечающие за этот транспорт; одним из таких белков стал N-этилмалеимид-чувствительный фактор (NSF) [9–11].
Следующим стало открытие фактора SNAP (soluble NSF-attachment protein), связывающегося с мембраной при участии NSF [12]. Знаковым событием, соединившим работы Шекмана и Ротмана, стало понимание того, что ген sec18 кодировал как раз NSF, а sec17 — SNAP [13–15] (потом было найдено соответствие и остальных генов прочим открытым Ротманом белкам). Это открытие показало, что система везикулярного транспорта является эволюционно древней для эукариот.
Позже был открыт комплекс SNARE (SNAP Receptor) [16], три из компонентов которого — VAMP/синаптобревин, SNAP-25 и синтаксин — работают в составе единого пресинаптического комплекса и отвечают за процесс слияния мембран везикулы и синапса. При этом синаптобревин находится на везикуле, а две другие молекулы — на плазматической мембране. Именно наличие такого «распределенного» комплекса определяет последовательность событий, приводящих к направленному слиянию везикулы с мембраной и, следовательно, регулирует терминальный этап передачи сигнала в возбудимых тканях. В экспериментах in vitro было показано, что SNARE действительно вызывает слияние мембран, причем в весьма специфическом режиме (рис. 3) [17], [18].
Ротман разобрался в работе везикулярного транспорта и слиянии мембран, а также в биохимических экспериментах показал, каким образом реализуется специфичность этих процессов.
Рисунок 3. Специфичность слияния мембран в везикулярном транспорте. Ротман открыл белковый комплекс, отвечающий за слияние мембраны везикулы с целевой мембраной. При этом везикула несет белки, специфически распознающиеся рецептором «ответной части» (комплекс SNARE), что обеспечивает доставку везикулы по нужному «адресу».
Временнóй контроль слияния везикул
Томас Зюдоф (Thomas C. Südhof) исходно работал в Германии, а потом переехал в США. В организованной им научной группе решали задачу регуляции слияния мембранных везикул, поскольку было понятно, что это событие должно запускаться каким-то внешним сигналом, а вот каким — никто не знал. Эта задача была подсказана процессами выброса медиаторов в синапсах или секреции инсулина в поджелудочной железе, где требуется очень точный временнóй контроль.
Зюдоф заметил, что выброс медиаторов управляется внутриклеточной концентрацией ионов кальция (Ca 2+ ) вблизи пресинаптической мембраны. В итоге он открыл, что комплексин и синаптотагмин являются критически важными компонентами кальций-зависимого слияния мембран (рис. 4).
В генетических и биохимических экспериментах было показано, что у мышей, «нокаутных» по гену комплексина, нарушен выброс медиаторов из-за падения кальциевой чувствительности синаптической мембраны [19], [20], — следовательно, этот белок является регулятором слияния. Кроме того, Зюдоф открыл белок синаптотагмин-1, являющийся сенсором кальция и взаимодействующий с фосфолипидами мембран и белками SNARE в ответ на кальциевую стимуляцию [21–23].
Зюдоф внес решающий вклад в нейробиологию и клеточную биологию, показав, каким образом осуществляется временной контроль выброса медиаторов в синапсах, а также установив роль ионов кальция в этом процессе.
Везикулярный транспорт и медицина
Работы Ротмана, Шекмана и Зюдофа приподняли завесу тайны над клеточным транспортом в клетке и показали, каким образом молекулы своевременно доставляются в нужное место. Несложно догадаться, что нарушения везикулярного транспорта, учитывая его роль в жизни клетки, приводят к серьезным болезням как нервной, так и эндокринной систем.
Например, такие метаболические расстройства как диабет второго типа характеризуются нарушениями как в секреции инсулина, так и в инсулинзависимом транспорте глюкозы в мышечной и жировой тканях. Кроме того, клетки иммунитета используют везикулярный транспорт для секреции цитокинов и прочих иммунологических молекул, управляющих врожденным и приобретенным иммунитетом.
В некоторых случаях эпилепсии выявляются мутантные формы белка MUNC-18-1, открытого Зюдофом и являющегося продуктом гена sec-1, описанного Шекманом. Мутации в генах MUNC-13-4, MUNC-18-2 и синтаксина-11, также входящих в систему везикулярного транспорта, могут вызывать семейный гематофагоцитарный синдром. При этом заболевании Т-киллеры, работающие не как положено, при встрече со своей «жертвой» инициируют реакцию гипервоспаления, иногда приводящего к смерти. На систему везикулярного транспорта могут действовать и различные токсины: например, ботулотоксин, вырабатываемый бактерией Clostriduim botulinum, расщепляет некоторые компоненты синаптического комплекса, что приводит к блокированию выброса медиаторов, параличу и смерти.
Учитывая вышесказанное, открытия Ротмана, Шекмана и Зюдофа могут пролить свет на механизмы этих заболеваний и дать ключ к их лечению.
Везикулярный транспорт
Понятие и физиологическая роль везикулярного транспорта как перемещения макромолекул в составе мембранных пузырьков между компартментами клетки, одного из базовых клеточных процессов. Молекулярные механизмы и этапы формирования и движения пузырьков.
Везикулярный транспорт, или перемещение макромолекул в составе мембранных пузырьков (везикул, англ. vesicles) между компартментами клетки, является одним из базовых клеточных процессов.
1. Общие принципы организации везикулярного транспорта
В общем случае под везикулярным транспортом подразумевается перенос белков от одного внутриклеточного компартмента к другому с помощью мембранных везикул.
Основные принципы формирования пузырьков:
· Вещества, синтезируемые в ЭР, предназначены для компартментов, а не для цитозоля
· Вещества проходят в клетку путём формирования и слияния пузырьков; этот процесс называется эндоцитозом
· Вещества в полости пузырьков часто имеют адресную метку, благодаря которой вещества сортируются и концентрируются в определенных активных участках полости, в которых формируются пузырьки
· Переносимые пузырьком белки и липиды изменяются ферментами, которые находятся в полости каждого компартмента
· Основным местом гликозилирования белков и липидов является комплекс Гольджи
· Лизосома, основной гидролитический компартмент клетки, получает свои ферменты из различных источников
2. Молекулярные механизмы формирования и движения пузырьков
Основным механизмом, с помощью которого белки и липиды перемещаются в клетке, является почкование пузырьков. Пузырьки формируются из мембраны одной органеллы, называемой донором, и затем перемещаются к другой органелле, называемой акцептором. Это приводит к слиянию донорной и акцепторной мембран и высвобождению содержимого пузырька в полость акцептирующего компартмента. В результате этого процесса происходит перестройка клеточных компартментов и поверхности клетки, а также сохранение или разрушение межклеточных контактов.
Таким образом, при слиянии транспортных пузырьков ЭР с акцепторными мембранами CGN определенные рецепторные белки и липиды возвращаются их КГ обратно в ЭР. Этот процесс называется ретроградным транспортом. В противоположность ему, при антероградном транспорте растворимые грузовые белки продолжают перемещаться по секреторному пути. Раздельный транспорт антероградных грузовых белков и ретроградно транспортируемых компонентов обеспечивается, по крайней мере, двумя классами белков со специфической белковой каймой, которые связываются с транспортными пузырьками. Эти белковые комплексы называются коатомерами или COPs.
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
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-белками. Они участвуют в переносе сигналов с наружной стороны клетки внутрь. Каждая тримерная субъединица участвует в переносе различных сигналов к целевым молекулам в клетке.
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
1. Пиноцитоз, который дословно обозначает «клеточное питьё». Он также называется клатрин-независимым эндоцитозом.
2. Рецепторно-опосредованный эндоцитоз или клатрин-зависимый эндоцитоз. Этому процессу уделяется большое внимание, поскольу он вызывает определенные заболевания у человека.
3. Фагоцитоз, который дословно означает «клеточная еда».
Таким образом, на клеточной поверхности образуются и постоянно работают пузырьки, которые доставляют вещества в клетку и восстанавливают плазматическую мембрану. Эти пузырьки переносят небольшие молекулы, воду и растворимые белки, то есть вещества, относящиеся к жидкой фазе внеклеточной среды. Несмотря на маленькие размеры пиноцитозных пузырьков, их многочисленность позволяет им доставлять в клетку большое количество веществ.
Рецепторно-опосредованный эндоцитоз использует для переноса молекул специфические поверхностные рецепторы. Рецепторно-опосредованный эндоцитоз обладает определенными перимуществами:
· Специфичность. Только клетки определенного типа экспрессируют поверхностные рецепторы, что обеспечивает избирательное связывание молекул во внеклеточном растворе. Экспрессия определенных растворов у клеток одного типа являются общим механизмом развития и формирования ткани.
· Способность к концентрированию лиганда на поверхности клетки. По законам диффузии молекулы перемещаются из среды с высокой концентрацией. Таким образом, если клетки могут избирательно удалять лиганды из окружающего раствора, они действуют как водосток для этих молекул. В конце концов, лиганд будет удалён из окружающей жидкости.
· Рефрактерность. Если специфический рецептор после связывания лиганда и поглощения не возвращается на мембрану, клетка становится рефракторной к данному лиганду.
Основные характеристики рецепторно-опосредованного эндоцитоза
После того как раньше эндосомы сливаются с другими эндосомами, содержащими ATP-азную протонную помпу, и pH в полости понижается, лиганд-рецепторный комплекс может пойти по одному из следующих путей.
1. Рецептор возвращается после высвобождения груза
2. Рецептор и переносимый лиганд возвращаются, как в случае с трансферрином
3. Рецептор и лиганд разрушаются в лизосоме
4. Рецептор и лиганд транспортируются через клетку и доставляются к противоположной стороне мембране; это происходит главным образом в полярных клетках
Фагоцитоз у млекопитающих осуществляют в основном клетки трех типов: нейтрофилы, моноциты и макрофаги. На поверхности этих клеток расположены специальные рецепторы, предназначенные для распознавания и проведения процесса фагоцитоза. Эти рецепторы распознают неантиген-связывающий участок иммуноглобулинов или других молекул, которые входят в состав иммунной системы организма-хозяина. Антитела и белки комплемента в плазме окружают поверхность клетки микроорганизма, после чего микроб связывается с рецептором фагоцита и начинается фагоцитарный процесс. Этот процесс называется опсонизацией.
Захват опсонизированных частиц происходит по механизму молнии, в котором частица сначала связывается с Fc-рецептором на поверхности фагоцита. Затем следует последовательное соединение с другими поверхностными рецепторами клетки. Это соединение приводит к образованию фагосомы, которая принимает форму захваченной частицы. Таким образом, плазматическая мембрана плотно прилегает к частице, словно на липучке.
везикулярный пузырек транспорт клеточный
У эукариот клеточный процесс, при котором внутриклеточные везикулы (мембранные пузырьки) сливаются с внешней клеточной мембраной. При экзоцитозе содержимое секреторных везикул (экзоцитозных пузырьков) выделяется наружу, а их мембрана сливается с клеточной мембраной. Практически все макромолекулярные соединения (белки, пептидные гормоны и др.) выделяются из клетки этим способом. У прокариот везикулярный механизм экзоцитоза не встречается, у них экзоцитозом называют встраивание белков в клеточную мембрану (или в наружную мембрану у грамотрицательных бактерий), выделение белков из клетки во внешнюю среду или в периплазматическое пространство.
Экзоцитоз может выполнять три основные задачи:
· доставка на клеточную мембрану липидов, необходимого для роста клетки;
· высвобождение различных соединений из клетки, например, токсичных продуктов метаболизма или сигнальных молекул (гормонов или нейромедиаторов);
· доставка на клеточную мембрану функциональных мембранных белков таких как рецепторы или белки-транспортёры. При этом часть белка, которая была направлена внутрь секреторной везикулы, оказывается выступающей на наружной поверхности клетки.
1. Кальций-независимый конститутивный экзоцитоз встречается практически во всех эукариотических клетках. Это необходимый процесс для построения внеклеточного матрикса и доставки белков на внешнюю клеточную мембрану. При этом секреторные везикулы доставляются к поверхности клетки и сливаются с наружной мембраной по мере их образования.
2. Кальций-зависимый неконститутивный экзоцитоз встречается, например, в химических синапсах или клетках, вырабатывающих макромолекулярные гормоны. Этот экзоцитоз служит, например, для выделения нейромедиаторов. При этом типе экзоцитоза секреторные пузырьки накапливаются в клетке, а процесс их высвобождения запускается по определённому сигналу, опосредованному быстрым повышением концентрации ионов кальция в цитозоле клетки. В пресинаптических мембранах процесс осуществляется специальным кальций-зависимым белковым комплексом SNARE.
· Транспортировка везикулы от места синтеза и формирования (аппарат Гольджи) до места доставки осуществляется моторными белками вдоль актиновых филаментов либо микротрубочек цитоскелета. Этот этап может потребовать перемещения секретируемого материала на значительное расстояние, как, например, в нейроне. Когда везикула достигает места секреции, она входит в контакт со специфическими удерживающими факторами клеточной мембраны.
· Удержание доставленной везикулы обеспечивается относительно слабыми связями на расстоянии более 25 нм и может служить, например, для концентрирования синаптических везикул около пресинаптической мембраны.
· Стыковка везикулы с мембраной является непосредственным продолжением первой фазы доставки, когда мембрана везикулы входит в близкий контакт с мембраной клетки (5-10 нм). Это включает прочное соединение белковых компонентов обеих мембран, вызванным внутримолекулярными перестановками, и предваряет формирования SNARE комплекса.
· Стимуляция (прайминг) везикулы фактически соответствует образованию особого SNARE комплекса между двумя мембранами и осуществляется только в случае нейронального экзоцитоза. Этот этап включает процессы молекулярных перестановок и АТФ-зависимые модификации белков и липидов, происходящие непосредственно до слияния мембран в ответ на подъём уровня свободного кальция. Этот кальций-зависимый процесс необходим для контролируемого быстрого выброса нейромедиатора и отсутствует в случае конститутивного экзоцитоза.
· Слияние мембраны везикулы с мембраной клетки приводит к высвобождению, или выбросу, содержания секретируемой везикулы во внеклеточное пространство и объединению липидного бислоя везикулы с внешней мембраной. В случае синаптического выброса процесс слияния, так же как и стимуляция, осуществляется SNARE комплексом.
Везикулярный транспорт подчиняется общим принципам организации во всех клетках, начиная от культуры клеток дрожжей и заканчивая клетками организма человека, и играет важную роль в целом спектре физиологических процессов, когда имеет место контроль за слиянием везикул с клеточной мембраной (синтез и секреция гормонов и цитокинов). Нарушения в везикулярном транспорте происходят при многих заболеваниях, включая ряд неврологических и иммунологических нарушений, сахарный диабет. Когда нарушается эта удивительная упорядоченность транспорта молекул, клетка переходит в состояние полного хаоса.
Важно, чтобы студенты смогли понять основные молекулярные механизмы везикулярного транспорта и оценить огромное число молекул, участвующих в этом процессе.
Список использованной литературы
2. Мушкамбаров Н.Н. Кузнецов С.Н. Молекулярная биология. Учебное пособие для студентов медицинских вузов, Москва: Наука, 2003
Подобные документы
Сущность и функции везикулярного транспорта. Процессы эндоцитоза и экзоцитоза. Образование отщепляющейся вакуоли, ее внутриклеточное перемещение. Транспорт белков через аппарат Гольджи. Механизм биосинтеза и секреции белковых и полипептидных гормонов.
презентация [1,3 M], добавлен 23.11.2013
Основные механизмы деятельности клетки. Клетка как единица физиологических процессов обмена. Основные представления о регуляции. Функции клеточных органелл, мембранные системы внутриклеточных органелл. Обмен веществами между клеткой и окружающей средой.
презентация [268,6 K], добавлен 04.02.2016
Клеточный цикл как период жизни клетки, его этапы и протекающие процессы, значение в выживании организма. Методы регуляции репликации клетки. Программируемая клеточная гибель (апоптоз) и порядок влияния на нее. Биологическая роль процесса апоптоза.
лекция [284,6 K], добавлен 21.07.2009
Мембранный транспорт: транслокация веществ через биологические мембраны с участием молекул-посредников. Механизмы клеточной проницаемости. Способы сопряжения транспорта с энергией метаболизма. Транспорт веществ из клетки в среду: секреция и экскреция.
реферат [420,6 K], добавлен 26.07.2009
Современные представления о структуре организации электрон-транспортной цепи митохондрий и молекулярные преобразователи в клетках. Роль нарушений энергетики в развитии патологии. Основные молекулярные механизмы потребления энергии живой клеткой.
контрольная работа [678,7 K], добавлен 23.02.2014
Анализ механизмов прохождения веществ через клеточную мембрану. Основные процессы, с помощью которых вещества проникают через мембрану. Свойства простой и облегченной диффузии. Типы активного транспорта. Ионные каналы, их отличие от поры, градиент.
презентация [282,3 K], добавлен 06.11.2014
Физиологическая роль основных клеточных органоидов. Макроэргические соединения, их роль в метаболизме клетки. Условия, необходимые растению для нормального водообмена. Источники углерода для растений. Лист как орган фотосинтеза. Роль ферментов оксидазы.
контрольная работа [179,1 K], добавлен 12.07.2010
Концентрация хлора внутри клетки, механизмы его переноса. Хлор-бикарбонатный обменник, калий-хлорный ко-транспорт. Механизмы накопления веществ, участвующих в синаптической передаче. Закачка медиатора в клетку. Молекулы переносчиков нейромедиаторов.
реферат [18,1 K], добавлен 24.10.2009
Виды повреждения клетки. Стадии хронического повреждения клетки. Виды гибели клетки. Некроз и апоптоз. Патогенез повреждения клеточных мембран. Высокоспециализированные клетки с высоким уровнем внутриклеточной регенерации. Состояния соединительной ткани.
презентация [12,3 M], добавлен 03.11.2013
Протекание биохимических процессов, их причинно-следственный механизм. Натриево-калиевый насос, энергия гидролиза АТФ, кальциевые насосы, натрий-кальциевый обменник. Функции мембраны, электрический потенциал клетки и молекул, их роль в обменных процессах.
реферат [31,2 K], добавлен 24.10.2009