Транспорт макромолекул в клетке: «пузырьковый» транспорт

Клатрин-зависимый эндоцитоз и клатрин-опосредованный транспорт внутри клеток изучаются давно. Клатрин-опосредованный транспорт обеспечивает сортировку и доставку молекул между мембранными компартментами клетки: от аппарата Гольджи клатриновые пузырьки переносят кислые гидролазы в ранние эндосомы, которые с этого момента становятся поздними эндосомами, «клатриновые» пузырьки обеспечивают перенос мембранных фрагментов между разными типами эндосом.

Могут ли «опушенные» пузырьки переносить в клетку только один лиганд, или несколько одновременно? Такая ситуация может быть при стимуляции клетки двумя гормонами. Применение методов цитохимии с использованием разных меток показало, что в одном пузырьке могут интернализоваться разные лиганды.

Клетка – сложная система специализированных взаимодействующих компартментов, в которой действуют многочисленные правила и запреты, регулирующие ее жизнедеятельность. Важное место в жизнедеятельности клетки занимает транспорт макромолекул. Представления о транспорте макромолекул сильно изменились за последние 20 лет. В настоящее время известно несколько вариантов переноса макромолекул, опосредованных мембранными структурами:

- формирование трубочек, которые «вырастают» до целевой мембраны, такой транспорт составляет до 20% всего транспорта;

- “Kiss-and-run” – пузырек-переносчик вступает в кратковременный контакт с целевой мембраной;

- пузырек-переносчик сливается с целевой мембраной.

Наиболее изученным является транспорт макромолекул посредством «опушенных» пузырьков, которые так называют, потому что в электронном микроскопе на поверхности этих пузырьков находится зубчатый слой электронно-плотного вещества. Существует три вида таких пузырьков:

1. Сlathrin-coated vesicles (пузырьки с «опушением» из клатрина):

А. формируются на плазмалемме

Б. формируются на мембранах транс-сети АГ и переносят

молекулы в лизосомы

В. Формируются из мембраны эндосом и переносят молекулы между разными типами эндосом.

2 и 3. Non-clathrin-coated vesicles (COP-coated vesicles) – пузырьки «без клатрина»:

2. COP-I

3. COP-II

COP - coat protein complex.

COP-I комплекс образован 7 белками COP, которые накапливаются в цитоплазме, затем соединятся с мембраной и локализуются снаружи сформировавшегося пузырька. Главной функцией COP-I является ретроградный транспорт белков из зоны промежуточного ЭПР и цистерн АГ обратно в ЭПР.

Комплекс COP-II образован 5 белками COP, и обеспечивает перенос синтезированных в ЭПР белков в АГ.

Перенос макромолекул осуществляется с помощью мелких пузырьков, которые отшнуровываются от одной мембраны и сливаются с другой. Таким образом формируются транспортные потоки в клетке, переносящие макромолекулы от одного органоида к другому. Мембранный транспорт регулируется многочисленными факторами, включая белки связывания SNARE (soluble Nethylmaleimide-sensitive factor attachment protein receptor), ГТФ-связывающие белки и факторы «привязывания» пузырьков. Последние обычно являются длинными суперспиральными белами, или сложными многокомпонентными белковыми комплексами, и обеспечивают физическое связывание пузырька с мембраной целевого органоида. Тонкие механизмы этих взаимодействий до сих пор не установлены, однако интенсивно исследуются.

Существуют 4 стадии, обязательные для всех видов транспорта с помощью «опушенных» везикул:

1. Почкование: белки «опушения» связываются с мембраной-донором и индуцируют формирование пузырька. С этими белками связываются SNARE и переносимые молекулы. Пузырек отпочковывается от мембраны.

2. Перемещение пузырька к целевой мембране (путем диффузии или при участии цитоскелета).

3. «Причаливание» пузырька к целевой мембране, обеспечивается специальными факторами «привязывания» (tethering factors).

4. Слияние пузырька с целевой мембраной: SNARE пузырька и SNARE целевой мембраны взаимодействуют, образуя четырехспиральную ленту (trans-SNARE комплекс), которая опосредует слияние мембран и доставку переносимой молекулы.

Важным элементом транспорта макромолекул в клетке является перенос синтезированных белков из ЭПР. На мембранах ЭПР синтезируется около одной трети всех белков клетки, которые нужно доставить «по месту назначения», за что отвечают белки мембраны ЭПР. Синтезированные липиды и белки находятся в просвете и в мембранах ЭПР, откуда они должны попадать в другие части клетки. Для этого существует достаточно сложная система транспорта макромолекул.

Сигналом к началу транспортного процесса является накопление белка в просвете ЭПР. Основное направление транспорта - от мембран ЭПР в АГ, затем – между цистернами АГ, затем – в лизосомы и плазматическую мембрану. Особенностью макромолекулярного транспорта является сортировка макромолекул, - очень важный момент транспорта, осуществляется на каждом его этапе. Так, часть синтезированных белков остается в ЭПР. В первую очередь, это – белки, связанные с функциями ЭПР, с синтезом и процессингом белков. Т.о., происходит первая сортировка белков – одни направляются в АГ, другие – остаются в ЭПР. Происходит разветвление транспортного потока. Аналогичное разветвление имеет место на каждой последующей стадии транспорта макромолекул.

Формирование транспортных везикул и трубочек на поверхности ЭПР происходит в строго определенных участках мембраны ЭПР, лишенных рибосом – в т.н. переходном, или промежуточном ЭПР (transitional ER). В клетках млекопитающих эти участки экспорта находятся вблизи цис-стороны аппарата Гольджи, и часто идентифицируются как «промежуточный компартмент между ЭПР и аппаратом Гольджи», используется также название «везикуло-тубулярные кластеры» (vesicular tubular clusters).В этой области в мембранах ЭПР обнаруживается большое количество молекул COPII и COPI, в электронном микроскопе в области переходного ЭПР наблюдаются везикулы и трубочки. Нужно отметить, что транспорт может быть и не связан с COPI и COPII, а происходить при участии других механизмов.

Комплекс COPII деформирует мембрану, которая формирует пузырек. Точный механизм неизвестен, но есть данные о существовании «скелетных» молекул. COPII опосредует отбор переносимых из просвета ЭПР молекул прямым образом (основная масса трансмембранных белков), или непрямым, через специфические транспортные рецепторы (в случае переноса растворимых молекул и некоторых трансмембранных).

Интересным и непонятным является механизм формирования COPII везикул разных размеров, - они переносят молекулы разной величины – от небольших рецепторных до крупных секретируемых, таких как проколлаген.

Пузырек, отшнуровавшись, либо переносится к целевой мембране, теряет «опушку», затем сливается с мембраной, либо вместе с другими структурами формирует т.н. «тубуло-ретикулярные кластеры», которые, полагают, являются составной частью АГ.

Общей закономерностью мембранного транспорта является неизменная локализация молекул – если молекула находится с внутренней стороны мембраны, она там и остается на протяжении всей транспортировки и встраивается при слиянии везикулы тоже с внутренней стороны. Сигналом для направления белка дальше или его локализации на месте являются специальные аминокислотные последовательности. Сигнальные последовательности, определяющие локализацию того или иного белка в клетке, являются своеобразным «штампом о прописке» белка в той или иной клеточной структуре. Например, о локализации в ЭПР сигнализирует последовательность лизин-аспарагин-глутамин-лейцин на С-конце пептидной цепи. Интересно, что эта и аналогичные последовательности не препятствуют растворимым белкам перемещаться внутри пузырьков в АГ, если белки случайно захватываются с содержимым формирующихся пузырьков. Это – своеобразный транспорт «навалом», когда захватывается все подряд, как при погрузке грунта экскаватором. Это – так называемый bulk transport. Его особенность – неспецифический захват, в пузырек попадает все подряд.

Нужно отметить, что попавшие не по назначению белки ЭПР, возвращаются обратно - наличие сигналов об ЭПР-принадлежности служит сигналом к их возвращению из АГ с потоком обратного транспорта.

Считалось, что COPII индуцирует почкование пузырьков на мембране ЭПР, которые отшнуровываются, затем теряют «опушение» и сливаются с мембранами АГ или между собой, и формируют тубуло-везикулярные кластеры. Более поздние исследования показали, что имеется формирование не только пузырьков-COPII, но и тубулярных выростов. COPII имеют размеры 60–90 nm, что недостаточно для транспортировки крупных молекул белка, например, проколлагена. Видимо, это делают трубочки. Было показано выпячивание мембраны ЭПР и формирование тубулярных структур вне зон локализации COPII, но рядом с ними. Нужно изучать дальше.

COPI считается ответственным за формирование опушенных пузырьков, переносящих белки ЭПР обратно из более поздних компартментов. Наблюдали формирование COPI-везикул на мембранах АГ и тубуло-везикулярных комплексов.

Соотношение COPI и COPII важно для сбалансированного транспорта.

Поиск по сайту: