• Клетки эукариот обладают развитой системой внутренних структур, окруженных мембранами, которые называются органеллами
• Каждая органелла обладает уникальным составом (глико)протеинов и (глико)липидов и выполняет определенный набор функций
• Каждая органелла содержит один или несколько компартментов, ограниченных мембранами
• Органеллы выполняют свои функции автономно или в группах
• При эндоцитозе и экзоцитозе переносимые белки (белки карго) транспортируются между компартментами через транспортные везикулы, которые образуются отпочковыванием от поверхности органеллы и затем сливаются с мембраной-мишенью акцепторного компартмента
• Транспортные везикулы могут избирательно включать переносимый материал и исключать те компоненты, которые должны оставаться в органелле, из которой везикулы образовались
• Селективное включение в везикулы обеспечивается сигналами, присутствующими в первичной структуре белка или в углеводной структуре
• Транспортные везикулы содержат белки, которые направляют их к местам назначения и связывания. В дальнейшем везикулы сливаются с акцепторным участком мембраны
Компартменты, ограниченные мембранами в типичной клетке животных.
Одной из характерных особенностей эукариотической клетки является присутствие в ней развитой системы внутренних структур, окруженных мембранами, которые называются органеллы. Для клеток эукариот характерно присутствие мембран, разделяющих их внутреннее содержимое на функционально-различные компартменты, тогда как все клетки живых организмов обладают наружной двухслойной мембраной.
Одно из преимуществ компартментализации состоит в том, что клетка имеет возможность создавать необходимое окружение для выполнения функций, требующих определенного химического состава среды.
На проиллюстрировано строение и разнообразие органелл, имеющих мембрану, которые обычно присутствуют в эукариотической клетке (в данном случае в типичной животной клетке). Каждая органелла содержит один или несколько компартментов. Например, эндоплазматический ретикулум (ЭПР) представляет собой один компартмент; напротив, аппарат Гольджи состоит из нескольких окруженных мембранами компартментов, обладающих определенными биохимическими функциями.
Для митохондрии характерны два компартмента, матрикс и межмембранное пространство, содержащие набор определенных макромолекул.
Цитозоль может считаться одним компартментом, ограниченным плазматической мембраной и находящимся в контакте с наружной частью мембраны всех внутриклеточных органелл. Цитоплазма состоит из цитозоля и органелл. Аналогичным образом, нуклеоплазма ограничена внутренней ядерной мембраной.
Каждая органелла содержит уникальный набор белков (как мембранных, так и растворимых), липидов и других молекул, необходимых для выполнения ее функций. Некоторые липиды и белки ковалентно связаны с олигосахаридами. По мере роста и деления клеток должны синтезироваться их новые компоненты, необходимые для роста, деления и окончательного распределения внутриклеточного материала между двумя дочерними клетками. При дифференцировке и развитии клетки, а также в ответ на воздействие таких внешних факторов, как стресс, происходит синтез компонентов органелл.
Однако компоненты не всегда образуются в той органелле, где они функционируют. Обычно различные макромолекулы образуются в сайтах, специально предназначенных для их синтеза. Например, большинство белков образуются на рибосомах цитозоля, который является оптимальной средой для функционирования рибосом и синтеза белка.
Возникает следующий вопрос: каким образом компоненты органелл попадают в места их функционирования? С начала 1970-х гг. этот вопрос являлся центральным в клеточной биологии. Как следует из рисунке ниже, существует, по крайней мере, восемь основных типов органелл, каждая из которых состоит из сотен или тысяч различных белков и липидов.
Экзоцитоз и эндоцитоз.
В экзоцитозе участвуют эндоплазматический ретикулум (включая ядерную оболочку)
и аппарат Гольджи (представлена одна стопка цистерн).
Эндоцитоз происходит с участием ранних и поздних эндосом и лизосом.
Все эти молекулы должны транспортироваться в органеллы, в которых они выполняют свои функции. Большинство белков образуется в цитозоле, и поэтому возникает вопрос: как они доставляются в соответствующие органеллы или же выходят из клетки, если принадлежат к секретируемым белкам? Во многих случаях ответом на этот вопрос служит наличие в молекуле белка специальных сигналов, обычно называемых сигналами сортировки или сигналами адресования. Они представляют собой короткие последовательности аминокислот, присутствующие в первичной структуре тех белков, которые должны быть локализованы не в цитозоле. Каждый адрес назначения белковой молекулы связан с одним или несколькими различными видами сигналов.
Сигналы сортировки узнаются специальными системами клетки по мере продвижения белка к месту назначения. Как показано на рисунке ниже, существует два основных транспортных механизма: экзоцитоз (или секреторный путь) и эндоцитоз, при котором материал (карго) транспортируется из клетки и в клетку соответственно.
Для всех вновь синтезированных белков, предназначенных для секреции из клетки, или для поступления в органеллы путем экзо- или эндоцитоза на мембране ЭПР существует общая точка входа. Сигналами к транслокации белка через мембрану ЭПР служат сигнальные последовательности. В настоящей главе мы рассмотрим сигналы сортировки, которые направляют белки к местам их назначения.
Находясь в ЭПР, белок не может транспортироваться через цитоплазму, и единственным путем его попадания в другие органеллы, окруженные мембранами, является везикулярный транспорт. Транспортные везикулы в основном состоят из белков и липидов и, как говорят, «отпочковываются» от мембраны. После того как везикула отпочковалась, она сливается со следующим компартментом, находящимся на ее пути. Компартмент, из которого возникла везикула, обычно называется донорский компартмент (или исходный компартмент), а компартмент назначения (или целевой) обычно называется акцепторный компартмент.
Транспортные везикулы прямым или непрямым путем переносят белки из ЭПР ко всем остальным компартментам на пути экзо- или эндоцитоза. При эндоцитозе везикулы образуются на плазматической мембране. Эти везикулы транспортируют заключенный в них материал в эндосомы, из которых образуются другие везикулы, переносящие материал в другие компартменты. Таким образом, состав транспортных везикул различается в зависимости от их происхождения и компартмента назначения.
Везикулярный транспорт создает проблему для органелл, с которыми обмениваются везикулы. Для нормального функционирования должен поддерживаться определенный внутренний состав органелл. Однако каким образом этого можно достичь, если везикулы все время изменяют этот состав? Масштаб проблемы становится очевидным при расчете эффективности транспорта. По пути эндоцитоза количество мембранных белков и липидов, эквивалентное их общему содержанию в плазматической мембране, способно транспортироваться через органеллы менее чем за час. Если сравнить со временем, необходимым для синтеза новой органеллы (обычно один день), то такая скорость впечатляет.
Решение этой проблемы связано с селективностью транспортного процесса. При отпочковывании в везикулу проходят только те белки, которые необходимо транспортировать. Резидентные белки органеллы в везикулу не попадают. Везикула удерживает эти белки и передает их следующей, находящейся на пути везикуле. Для поддержания гомеостаза между органеллами, по своей природе везикулярный транспорт всегда должен быть двунаправленным, т. е. компоненты донорского компартмента не должны непрерывно переноситься в акцепторный компартмент.
Механизм рециклирования возвращает некоторые компоненты везикул в донорский компартмент для их повторного использования. Поскольку селективность отбора белков несовершенна, специальный механизм утилизации возвращает назад резидентные белки, случайно попавшие в везикулу из донорского компартмента.
При везикулярном транспорте везикула отпочковывается
от мембраны одного компартмента и сливается с мембраной другого компартмента.
Пути транспорта белков в типичной животной клетке.
Почти все транспортные потоки могут осуществляться в двух направлениях.
