Везикулярный транспорт

Размещено на http://allbest.ru

Везикулярный транспорт

Введение

Везикулярный транспорт, или перемещение макромолекул в составе мембранных пузырьков (везикул, англ. vesicles) между компартментами клетки, является одним из базовых клеточных процессов.

Важность везикулярного транспорта для нормальной жизнедеятельности эукариотической клетки, да и организма в целом, подчеркивает тот факт, что целый ряд инфекционных агентов (бактерий и вирусов) поступают в клетки с помощью везикулярного транспорта и обладают способностью изменять работу отдельных элементов транспортных путей. Выявлен целый ряд генетически наследуемых заболеваний, связанных с дефектами в белках- регуляторах везикулярного транспорта, приводящих к дисфункции транспортных путей, нарушению механизмов сортировки молекул или их правильной доставки.

1.Общие принципы организации везикулярного транспорта

транспорт мембрана везикулярный

В общем случае под везикулярным транспортом подразумевается перенос белков от одного внутриклеточного компартмента к другому с помощью мембранных везикул.

Транспортные пузырьки (везикулы) - представляют собой основное средство передвижения белков и липидов внутри клетки. Это очень экономичный вид транспорта: переносимые белки и липиды образуют мембрану транспортного пузырька, а в полости, окруженной этой мембраной, могут находиться грузовые молекулы, доставляемые к другим органеллам.

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

Молекулярные механизмы формирования и движения пузырьков.

Отпочкование 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.

COP-I:

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:

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.

2. Эндоцитоз

Эндоцитоз - везикулярный захват жидкостей, макромолекул или небольших частиц в клетку. Существует по крайней мере три механизма эндоцитоза:

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».

Пиноцитоз:

Пиноцитоз - это конститутивный процесс, то есть он принимает участие в постоянном динамическом образовании небольших пузырьков на поверхности клетки. Точнее, мелкие инвагинации и пузырьки образуются на поверхности клетки, затем они поглощаются и сливаются с другими пузырьками, находящимися близко к поверхности и формируют первичные эндосомы. На периферии клетки эти пузырьки встраиваются в поверхностную мембрану.

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:

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:

Фагоцитоз - это захват клетками относительно крупных частиц с помощью клатрин-независимого, актин-зависимого механизма. Фагоцитоз представляет собой ключевой механизм защиты организма-хозяина от микроорганизмов; фагоцитоз поврежденных или постаревших клеток необходим для обновления тканей и заживления ран. Фагоцитоз особенно важен для многоклеточных организмов. К тому же фагоцитоз является общим механизмом, используемым микроорганизмами для защиты от прямого разрушающего действия антител и белков комплемента и цитотоксических клеток.

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.

3.Трансцитоз

Вещества, проникающие в с помощью специфических рецепторов, почти всегда формируют под плазматической мембраной пузырьки, называемые ранними эндосомами. Эти пузырьки служат местами сортировки поглощенных лигандов и рецепторов. В полости ранней эндосомы значение рН приблизительно равно 6,0, что часто приводит к разрыву связи между лигандом и рецептором. Если это происходит, то и лиганд, и рецептор обычно сортируются в другой пузырёк, который отпочковывается от ранней эндосомы, сливается с лизосомой и переваривается. Однако некоторые комплексы лиганда с рецептором не распадаются при пониженном рН. Вместо этого они сортируются в другие участки ранней эндосомы и образуют почкующиеся пузырьки, которые затем сливаются с другими внутриклеточными мембранами или с различными участками плазматической мембраны. Этот процесс называется трансцитозом. Трансцитоз - это механизм, посредством которого молекулы, пришедшие в клетку извне, могут доставляться к различным местам внутри клетки или даже перемещаться от одного слоя клеток к другому.

4.Экзоцитоз

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.

Типы экзоцитоза:

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.

Этапы экзоцитоза

· 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.

Заключение

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

1. Фаллер Д.М., Шилдс Д. Молекулярная биология клетки. Руководство для врачей. Пер с англ. М.: БИНОМ - Пресс, 2003

2. Мушкамбаров Н.Н. Кузнецов С.Н. Молекулярная биология. Учебное пособие для студентов медицинских вузов, Москва: Наука, 2003

Размещено на Allbest.ru