11.6: Везикулярний транспорт

Окрім переробки білка, ER та Golgi також піклуються про деякі види транспорту білка. Везикули (мембранно-зв'язані бульбашки, по суті) відщипують від ER, Гольджі та інших мембранних органел, несучи з собою будь-які розчинні молекули, які були всередині рідини, яка була укладена, а також будь-які молекули, вбудовані в цю секцію мембрани. Потім ці везикули ловлять на молекулярному двигуні, такому як кінезин або міозин, і подорожують вздовж цитоскелета, поки вони не стикуються у відповідному пункті призначення та не зростуться з цільовою мембраною або органелою. В основному бульбашки переміщаються з ER в цис Гольджі, з цис в медіальний Гольджі, від медіального до транс-Гольджі, а від транс-Гольджі до плазмової мембрани або інших відділень. Хоча більшість руху відбувається в цьому напрямку, є також везикули, які рухаються назад від Гольджі до ER, несучи білки, які повинні були залишатися в ER (наприклад, PDI) і були випадково зачерпнуті всередині везикули.

Малюнок\(\PageIndex{16}\). Бульбашки народжуються з ендоплазматичної сітки і зливаються, утворюючи ERGIC, який дозріває в цис Гольджі, потім медіальний Гольджі, і, нарешті, транс Гольджі. Бульбашки також можуть початися з будь-якого з цих інших відділень до інших органел або плазматичної мембрани.

Освіта бульбашок залежить від білків шерсті, які при належних умовах будуть самостійно збиратися в сферичні клітини. Коли вони пов'язані з трансмембранними білками, вони можуть витягувати прикріплену мембрану уздовж і в сферичну форму. Основними типами білків оболонки, що використовуються для формування везикул, є COPII, COPI та клатрин.

Білки оболонки COPII утворюють везикули, які рухаються від ER до Гольджі. Білки COPI оболонки використовуються між частинами апарату Гольджі, а також для формування бульбашок, що йдуть від Гольджі назад до ER. Нарешті, клатрин використовується для формування бульбашок, що залишають Гольджі для плазматичної мембрани, а також для бульбашок, утворених з плазматичної мембрани для ендоцитозу.

Малюнок\(\PageIndex{17}\). Клатрін. (А) клатрин зв'язується з адаптерними білками, які пов'язані з трансмембранними рецепторами вантажу, зв'язуючи мембрану з клатрином. (B) Один клатрін трискеліон складається з трьох важких ланцюгів і трьох легких ланцюгів. (c) Трискеліони самостійно збираються в приблизно сферичну конструкцію без необхідності будь-якої додаткової енергії або ферментів.

Клатрін (рис.\(\PageIndex{17}\)) - найкраще описаний з трьох, а везикулярні пальто зроблені з аранжувань клатрин-трискеліонів (від грецького, що означає триногі). Кожен трискеліон складається з трьох важких ланцюгів, з'єднаних між собою на C-кінці, і трьох легких ланцюгів, один пов'язаний з кожним важким ланцюгом. Важкі ланцюги різних трискеліонів взаємодіють по довжині своїх важких ланцюгових «ніг», створюючи дуже міцну конструкцію. Легкі ланцюги не потрібні для утворення везикул, і, як вважають, допомагають запобігти випадковій взаємодії молекул клатрину в цитоплазмі.

Існує значна схожість між механізмами формування везикул з використанням цих різних білків оболонки, починаючи з набору ARF1 (ARF розшифровується як фактор рибозилювання ADP, який тут не має нічого спільного з його функцією) до мембрани. Для цього потрібен ARNO-спрощений обмін GTP на ВВП (ARNO - це відкривач місця зв'язування нуклеотидів ARF). Після того, як ARF1 зв'язав GTP, конформаційна зміна виявляє N-термінальну міристоїльну групу, яка вставляється в мембрану. Як COPI, так і бульбашки, покриті клатрином, використовують ARF1 і ARNO, але COPII використовує подібні білки, звані Sar1p і SeC12p.

Малюнок\(\PageIndex{18}\). Пухирці, покриті COP

ARF1 (або SAR1p) використовується для набору адаптерних білків, які зв'язуються з «хвостовим» кінцем мембранно-зв'язаних рецепторних білків. Бізнес-кінець цих рецепторів зв'язується з молекулами автомобіля, які потрібно упаковувати в везикулу. Перехідні білки виступають в якості сполучної ланки між мембраною (через рецептори) і білками оболонки. Для клатрину адаптерними білками є AP1 для бульбашок, отриманих транс-гольгі, і AP2 для ендоцитарних бульбашок. Для бульбашок COPI приблизними гомологами є β-, γ-, δ- та- COP, тоді як система COPII використовує SeC23p та SeC24p.

Нарешті, адаптери зв'язуються з фактичними білками оболонки: клатрином, α- або ε- COP, SeC13p і SeC31p. Те, що ці білки мають спільне, полягає в тому, що спонтанно (тобто без будь-якої потреби у витраті енергії) вони самостійно збираються в сферичні структури, схожі на клітку. Під електронним мікроскопом бульбашки, покриті клатрином, більш різко визначені, а гексагональні та п'ятикутні форми, обмежені субодиницями клатрину, надають везикулі вигляд «футбольного м'яча». КС покриті оболонкою везикули набагато нечіткіше за зовнішнім виглядом під ЕМ.

Всі три типи білків оболонки бульбашок мають здатність спонтанно асоціюватися в сферичну конструкцію, але лише везикула, покрита COPI та COPII, також спонтанно «відщипують» мембрану, щоб звільнити везикулу від її вихідної мембрани. Бульбашки, покриті клатрином, вимагають зовнішнього механізму звільнення бульбашки (рис.\(\PageIndex{19}\)).

Малюнок\(\PageIndex{19}\). Динамінові мономери, кожен з яких є ГТфазою, полімеризується навколо шийки бульбашки. При гідролізі ГТП динамін «петля» затягується і відщипує бульбашку.

Як тільки бульбашка майже завершена, залишається ще невеликий стебло або шийка мембрани, яка з'єднує везикулу з мембраною. Навколо цього стебла динамічні молекули GTP агрегуються в кільцевій/спіральній конструкції. Молекули динаміну - це кулясті ГТПази, які скорочуються при гідролізі GTP. Коли вони асоціюються навколо стебла бульбашки, кожен білок динамін стискається, з комбінованим ефектом звуження стебла настільки, щоб мембрана щипалася разом, ущільнюючи і звільняючи везикулу від вихідної мембрани.

Малюнок\(\PageIndex{20}\). Гліцерофосфоліпіди виробляються переважно в ЕР. Хоча ER також робить керамідні попередники для сфінголіпідів, сфінголіпіди виробляються тільки в Гольджі.

Хоча ліпіди та мембрани обговорювалися в розділі 4, ми нехтували обговорювати розташування їх синтезів у еукаріотів. Як\(\PageIndex{20}\) показує малюнок, синтез деяких видів ліпідів є відокремленим і виключним. Гліцерофосфоліпіди в основному утворюються в ендоплазматичному ретикулумі, хоча вони також виготовляються в мітохондріях і пероксисомах. На відміну від цього, сфінголіпіди не виробляються в ER (хоча їх керамідні попередники є) у ссавців, необхідні ферменти знаходяться в просвіті цис і медіального Гольджі. Існують докази антероградного та ретроградного везикулярного руху між різними відсіками Гольджі та ЕР, що теоретично вказувало б на перерозподіл типів ліпідів. Однак сфінголіпіди, як правило, агрегуються в ліпідні плоти і, здається, більш концентровані в антероградних рухомих везикулах.

Білки шерсті відриваються незабаром після виділення везикулярів. Для клатрину процес включає Hsc70, АТФазу. Однак для бульбашок з покриттям COPI або COPII гідроліз GTP на ARF/SAR1P, як видається, послаблює спорідненість білка оболонки до адаптерів і ініціює розкриття. Активатор GTpase є ARF GAP (або SEC23p) і є невід'ємною частиною покриття КС I (або II).

Везикули несуть дві категорії вантажів: розчинні білки і трансмембранні білки. З розчинних білків деякі забираються в везикулу в силу зв'язку з рецептором. Інші білки просто трапляються поблизу і зачерпуються, коли бульбашка утворюється. Іноді береться білок, який не повинен був бути; наприклад, PDI може бути укладений у везикулу, що утворюється з ЕР. Він має мало функцій в Гольджі, і потрібен в ER, так що з ним відбувається? На щастя, PDI та багато інших білків ER мають послідовність сигналів C-терміналу, KDEL (лізин-аспарагінова кислота-глутамінова кислота-лейцин), яка кричить «Я належу до ER». Ця послідовність розпізнається рецепторами KDEL всередині Гольджі, і зв'язування білків KDEL з рецепторами запускає утворення везикул, щоб відправити їх назад в ER.

Особливу проблему з розчинним вантажем мають секреторні бульбашки. Якби везикула повинна була покладатися просто на включення білків всередині нього під час процесу формування, було б важко отримати високі концентрації цих білків. Багато секретуються білки потрібні організму швидко і в значних кількостях, тому в транс-гольджи існує механізм агрегування секреторних білків. Механізм використовує агрегуючі білки, такі як секретогранін II і хромогранін В, які об'єднують білки-мішені у великих концентрованих гранулах. Ці граніни найкраще працюють в середовищі Trans Golgi з низьким pH і високим Ca ²⁺, тому, коли везикула вивільняє свій вміст за межі клітини, більш високий рН і нижчий Ca ²⁺ розбиває агрегати, щоб вивільнити окремі білки.

Під час дозрівання Гольджі спостерігається послідовна зміна рН, так що, коли ми переходимо від ER до Гольджі, кожне відділення має прогресивно нижчий (більш кислий) люменальний рН.

Нарешті, постає питання орієнтації на везикули. Везикули набагато менш корисні, якщо їх кидають на молекулярному вантажному поїзді і випадково випадають. Тому існує механізм стикування, який вимагає узгодження білка V-snare на цитоплазматичній поверхні бульбашки та Т-пастка на цитоплазматичній поверхні мембрани мішені. Злиття бульбашки з мембраною протікає тільки при наявності сірника. В іншому випадку везикула не може зростати і приєднається до іншого молекулярного двигуна, щоб голова до іншого, сподіваюся, правильного призначення. Цьому процесу сприяє прив'язка білків, які спочатку контактують з вхідною везикулою і наближають його досить близько до мети, щоб перевірити взаємодію білка SNARE. Інші білки на бульбашкових і цільових мембранах потім взаємодіють, і якщо SNARes збігаються, можуть допомогти «лебідка» везикули в мембрану-мішені, після чого мембрани зливаються. Важливим правилом розуміння везикулярного злиття, а також спрямованості мембранних білків і ліпідів є те, що цитоплазматична сторона мембрани завжди буде звернена до цитоплазми. Тому білок, який врешті-решт виявляється на зовнішній поверхні клітинної мембрани, буде вставлений в просвічну поверхню мембрани ER для початку.

Малюнок\(\PageIndex{21}\). Везикули спочатку взаємодіють з прив'язними білками (А), які допомагають наблизити бульбашки та мембрани мішені. Потім пастки можуть взаємодіяти, і якщо вони збігаються, то вони почнуть крутитися навколо один одного, тріскаючи дві мембрани ближче в міру їх скручування.

Більш конкретно, коли везикула наближається до цільової мембрани, прив'язний білок Rab-GTP, який пов'язаний з цільовою мембраною через подвійний геранілгераніл ліпідний хвіст, вільно асоціюється з везикулою і утримує його поблизу цільової мембрани, щоб дати SNARES шанс працювати. V-образні пастки та Т-пастки тепер мають можливість взаємодіяти та перевіряти на матч. Останнім часом SNARES були перейменовані R-snares і Q-snares відповідно на основі консервованих залишків аргініну і глютаміну. На додаток до цих двох первинних SNARE бере участь принаймні один інший SNARE, разом утворюючи пучок з чотирьох α-спіралей (чотири, а не три, тому що принаймні в найкраще вивченому прикладі один з SNARE зігнутий навколо так, що дві його альфа-спіральні домени беруть участь у взаємодії. Чотири спіралі обертаються навколо один одного, і вважається, що, роблячи це, вони витягують везикулу та мембрану цілі разом.

Правцевий токсин, правцевий спазм, який виділяється бактеріями Clostridium tetani, викликає спазми, впливаючи на нервові клітини та запобігаючи вивільненню нейромедіатора. Механізм цього полягає в тому, що він розщеплює синаптобревін, білок SNARE, так що синаптичні везикули не можуть злитися з клітинною мембраною. Ботулотоксин, від Clostridium botulinum, також діє на SNAREs, щоб запобігти злиття бульбашок та вивільненню нейромедіаторів, хоча він націлений на різні нейрони і тому має протилежний ефект: правець викликається запобіганням вивільненню інгібіторних нейромедіаторів, тоді як ботулізм викликаний запобігання викиду збудливих нейромедіаторів.