Механизм удержания белков в аппарате Гольджи
Обновлено: 10.05.2024
Эндоплазматический ретикулум, плазматическая мембрана и аппарат Гольджи составляют единую мембранную систему клетки, в пределах которой происходят процессы обмена белками и липидами с помощью направленного и регулируемого внутриклеточного мембранного транспорта.
Каждая из мембранных органелл характеризуется уникальным составом белков и липидов.
Строение АГ
АГ состоит из группы плоских мембранный мешков - цистерны, собранные в стопки - диктиосомы (~5-10 цистерн, у низших эукариот >30). Число диктиосом в разных клетках от 1 до ~500.
Отдельные цистерны диктиосомы переменной толщины - в центре ее мембраны сближены - просвет 25 нм, на переферии образуются расширения - ампулы ширина которых не постоянна. От ампул отшнуровываются ~50нм-1мкм пузырьки связанные с цистернами сетью трубочек.
У многоклеточных организмов АГ состоит из стопок цистерн связанных между собой в единую мембранную систему. АГ представляет собой полусферу, основание которой обращено к ядру. АГ дрожжей представлен изолированными единичными цистернами, окруженными мелкими пузырьками, тубулярной сетью, секреторными везикулами и гранулами. У мутантов дрожжей Sec7 и Sec14 наблюдается структура, напоминающая стопку цистерн клеток млекопитающих.
Для АГ характерна полярность его структур. Каждая стопка имеет два полюса: проксимальный полюс (формирующийся, цис-поверхность) и дистальный (зрелый,
транс-поверхность). Цис-полюс – сторона мембраны с которой сливаются пузырьки. Транс-полюс – сторона мембраны от которой пузырьки отпочковываются.
Пять функциональных компартментов АГ:
1. Промежуточные везикуло-тубулярные структуры (VTC или ERGIC - ER-Golgi intermediate compartment)
2. Цис-цистерна (cis) - цистерны расп ближе к ЭР:
3. Срединные (medial) цистерны – центральные цистерны
4. Транс-цистерна (trans) - наиболее удаленные от ЭР цистерны.
5. Тубулярная сеть, примыкающая к трансцистерне - транссеть Гольджи (TGN)
Стопки цистерн изогнуты, так что вогнутая трансповерхность обращена к ядру.
В среднем в АГ 3-8 цистерн, в активно секретирующих клеток может быть больше (в экзокринных клетках поджелудочной железы до 13).
Каждая цистерна имеет цис и транс поверхности. Синтезированные белки, мембранные липиды, гликозилированные в ЭР, попадают в АГ через цис-полюс. Вещества через стопки передаются транспортными
пузырьками отделяющиеся от ампул. При прохождении белков или липидов через стопки Гольджи, они претерпевают серию посттрансляционных модификаций, включающих изменение N-связанных олигосахаридов:
цис: маннозидазаI подравнивает длинные маннозные цепи до М-5
промежуточный: N-ацетилглюкоэаминтрансферазаI переносит N-ацетилглюкозамин
транс: добавляются концевые сахара –остатки галактозы и сиаловая к-та.
Функции АГ
1. Транспорт - через АГ проходят три группы белков: белки периплазматической мембраны, белки, предназначенные
на экспорт из клетки, и лизосомные ферменты.
2. Cортировка для транспорта: сортировка для дольнейшего транспорта к органеллам, ПМ, эндосомам, секреторным пузырькам происходит в транс-комплексе Гольджи.
3. Секреция - секреция продуктов, синтезируемых в клетке.
3. Гликозилирование белков и липидов: гликозидазы удаляют остатки сахаров - дегликозилирование, гликозилтрансферазы прикрепляют сахара обратно на главную углеводную цепь - гликозилирование.В нем происходят гликозилирование олигосахаридных цепей белков и липидов, сульфатирование ряда ахаров и тирозиновых остатков белков, а также активация предшественников полипептидных гормонов и нейропептидов.
4. Синтез полисахаридов - многие полисахариды образуются в АГ в том числе пектин и гемицеллюлоза, образующие клеточные стенки растений и большинство гликозаминогликанов образующих межклеточный матрикс у животных
5. Сульфатирование - большинство сахаров, добавляемых к белковай сердцевине протеогликана, сульфатируются
6. Добавление маннозо-6-фосфата: М-6-P добавляется как направляюций сигнал к ферментам, предназначенным для лизосом.
ГЛИКОЗИЛИРОВАНИЕ
Большинство белков начинает гликозилироваться в шероховатом ЭР посредством добавления к растущей полипептидной цепи N-связанных олигосахаридов. Если гликопротеин свернут в нужной конформации, он выходит из ЭР и направляется в АГ, где происходит его посттрансляционная модификация.
В гликозилировании секретируемых продуктов принимают участие ферменты - гликозилтрансферазы. Они участвуют в ремоделированиии Т-связанных боковых олигосахаридных цепей и добвлении О-связанных гликанов и олигосахаридных частей протеогликанов гликолипидов.В модификации олигосахаридов участвуют фрменты а-маннозидаза I и II, которые также являются резидентными белками АГ.
Кроме того в АГ происходит гликозилирование липидно-протеиновых мембранных доменнов, называемых рафтами.
Долихолфосфат добавляет углеводный комплекс – 2GlcNAc-9-манноз-3-глюкозы к аспарагину растущего полипептида. Терминальная глюкоза отщепляется в два этапа: глюкозидаза I отщепляет терминальный остаток глюкозы, глюкозидаза II удаляет еще два остатка глюкозы. Затем отщепляется манноза. На этом начальный этап процессинга углеводов в ЭР завершается и белки несущие олигосахаридный комплекс, поступают в АГ
В первых цистернах АГ удаляются еще три остатка маннозы. На этой стадии стержневой комплекс имеет еще 5 маннозных остатков. N-ацетилглюкозаминтрансфераза I добавляет один остаток N-ацетилглюкозамина GlcNAc. От образовавшегося комплекса отщепляется еще 3 остатка маннозы. Состоит теперь из двух молоекул GlcNAc-3-маннозо-1-GlcNAc является стержневой структурой, к которой гликозилтрансферезы добавляют другие
углеводы. Каждая гликозилтрансфераза распознает развивающуюся углеводную структуру и добавляет к цепи свой собственный сахарид.
СЕКРЕЦИЯ
Схема секреции:
Синтезированные в ЭР белки концентрируются в сайтах выхода переходного ЭР благодаря активности коатомерного комплекса COPII и сопутствующих компонентов и транспортируются в промежуточный между ЭР и АГ компартмент ERGIC, из которого они переходят в АГ в отпочковывающихся пузырьках, или по тубулярным структурам. Белки ковалентно модифицируются, проходя через цистерны АГ, на транс-поверхности АГ сортируются и отправляются к местам своего назначения. Секреция белков требует пассивного встраивания новых мембранных компонентов в плазматическую мембрану. Для восстановления баланса мембран служит контитутивный рецепторопосредованный эндоцитоз.
Эндо и экзоцитозный пути переноса мембран имеют общие закономерности в направленности движения мембранных переносчиков к сооответствующей
мишени и в специфичности слияния и почкования. Основным местом встречи этих путей является АГ.
Механизм удержания белков в аппарате Гольджи
Механизм транспорта белков через аппарат Гольджи
• Транспорт больших белковых структур через аппарат Гольджи осуществляется посредством созревания цистерн
• Отдельные белки и небольшие белковые структуры транспортируются через аппарат Гольджи или посредством созревания цистерн, или за счет везикулярного транспорта
Аппарат Гольджи представляет собой органеллу, состоящую из многих компартментов, которые содержат упорядоченный набор ферментов. Эти ферменты могут модифицировать гликопротеины и липиды по мере их перехода от цис- к транс цистернам.
Поэтому молекулы карго должны пройти через каждый компартмент органеллы, хотя механизм этого остается предметом оживленных дискуссий.
На основании результатов исследований транспорта различных по размеру белков предложено две модели антероградного транспорта через аппарат Гольджи: созревание цистерн и везикулярный транспорт.
Модель созревания цистерн была предложена на основании наблюдений, сделанных на клетках некоторых растений, образующих чешуйки, покрывающую клеточную поверхность. Эти белковые оболочки, по-видимому, образуются в аппарате Гольджи и по размеру приближаются к размеру цистерн, которые их содержат (примерно 1-2 мкм диаметром).
Движение всей цистерны, вероятно, представляет собой для чешуйки единственную возможность пройти через аппарат Гольджи. Предположили, что собирающиеся в цистернах новые чешуйки образуются на цис- или на входной стороне аппарата Гольджи, а зрелые чешуйки выходят на транс-стороне или на стороне выхода.
Эти наблюдения позволили высказать предположение о созревании цистерн: при созревании цистерна, несущая чешуйку, должна пройти всю стопку, как это иллюстрирует рисунок ниже.
При созревании происходит не только физическое перемещение цистерны, но также меняется ее мембрана. Это приводит к изменению набора ферментов, действующих на созревающую чешуйку на очередном этапе ее созревания.
Экспериментальная проверка этой гипотезы затрудняется непригодностью растений в качестве экспериментального объекта. Также остается неясным, ограничивается предложенный механизм транспорта чешуек только некоторыми растительными объектами или имеет более общее значение.
Большинство клеточных биологов (цитологов) склоняется к первой точке зрения, хотя имеются данные, полученные и на клетках млекопитающих, о том, что некоторые большие белки, например фибриллы коллагена, транспортируются по аппарату Гольджи практически таким же образом.
Две модели, предложенные для описания транспорта через аппарат Гольджи:
созревание цистерн и везикулярный транспорт.
Модель везикулярного транспорта разработана на основании исследований антероградного транспорта VSV-G-белка в экспериментах по реконструкции in vitro c использованием мембран аппарата Гольджи. Эти эксперименты показали, что COPI везикулы содержат VSV-G-белок, и позволили предположить его транспорт между цис- и транс- цистернами Гольджи.
В частности, VSV-G-белок экспрессировали в клетках, генетически дефектных по ферменту гликозил-трансферазе, который катализирует его терминальное гликозилирование. Мембраны Гольджи от этих клеток инкубировали in vitro с мембранами клеток дикого типа, содержащих фермент.
При этом наблюдалось терминальное гликозилирование, и появлялись COPI-везикулы, которые служили в качестве интермедиатов в транспорте между цистернами Гольджи. Прямого слияния мембран Гольджи не происходило. Эти эксперименты позволили прийти к заключению о том, что аппарат Гольджи содержит стабильную стопку цистерн и груз транспортируется от цистерны к цистерне в COPI-окаймленных везикулах.
На основании экспериментов по реконструкции везикулярного транспорта in vitro было показано, что COPI-везикулы участвуют в прямом транспорте секреторного белка карго от цис- к транс-участку аппарата Гольджи.
Однако обнаружение участия COPI-везикул в ретроградном транспорте из аппарата Гольджи в ЭПР объясняет, каким образом перестройка цистерн участвует в их созревании. COPI-везикулы могут возвращать резидентные компоненты цис-цистерн по мере прохождения ими стопки Гольджи и в процессе «созревания» становятся транс-цистернами. Действительно, ферменты Гольджи были обнаружены в COPI-везикул ах биохимическими методами и иммуноэлектронной микроскопией.
Конечно, данные о том, что COPI-везикулы осуществляют ретроградный транспорт, не исключают возможности их функционирования в качестве антероградных переносчиков секреторного карго от цис- к транс-цистернам.
Действительно, есть данные о том, что COPI-везикулы содержат новосинтезированные карго белки, такие как VSV-G и проинсулин. Это позволяет предполагать, что существуют различные популяции COPI-везикул, переносящие различные белки.
Проще говоря, при везикулярном транспорте мембраны аппарата Гольджи остаются на месте, и карго переносится в везикулах. Напротив, при созревании цистерн карго остается на месте (в цистерне), но перестраивается окружающая его мембрана цистерны.
Необходимо иметь в виду, что обе модели не исключают друг друга, и транспорт может осуществляться одновременно по двум механизмам. Если белок карго слишком велик для включения в COPI-везикулы, то он может транспортироваться через аппарат Гольджи по механизму созревания цистерн.
Небольшие молекулы карго проходят через цистерны в COPI-везикулах. Это не означает, что при созревании цистерн транспортируются только большие молекулы, однако это может являться для них лучшим (если не единственным) путем транспорта.
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
• Для удержания белков в аппарате Гольджи достаточно домена, пронизывающего мембрану, и фланкирующих его последовательностей
• Механизм удержания белков Гольджи зависит от их способности образовывать олигомерные комплексы и от длины домена, пронизывающего мембрану
До сих пор мы рассматривали сигналы сортировки, которые обеспечивали селективный транспорт карго из одного компартмента в другой при экзоцитозе в прямом или обратном направлении. Однако существует другой важный механизм, который обеспечивает адресную локализацию индивидуальных белков. Это механизм селективного удержания. Он позволяет определенному белку закрепляться на достигнутом месте и предотвращает его дальнейший неизбирательный или сигнал-зависимый транспорт.
Аппарат Гольджи является одним из мест в клетке, где реализуется механизм селективного удержания белков.
В аппарате Гольджи содержится много ферментов, которые модифицируют олигосахаридные цепи. Их эффект в отношении N-олигосахаридов показан на рисунке ниже. В различных участках стопки цистерн (цис-, транс- или в середине) могут локализоваться различные ферменты. В общем, ферменты Гольджи относятся к трансмембранным белкам типа II с коротким N-терминальным участком, обращенным в сторону цитоплазмы, и с С-терминальным, каталитическим доменом, обращенным в люмен.
Домен, пронизывающий мембрану, представляет собой сигнальный якорь, который сначала направляет вновь образованный фермент Гольджи в ЭПР. Аминокислоты, расположенные по бокам этого домена, обеспечивают надлежащую топологию фермента в мембране. Фермент удерживается в аппарате Гольджи, главным образом, за счет домена и фланкирующих его аминокислот. Если к белку-репортеру, который обычно не локализован в аппарате Гольджи, присоединить пронизывающий мембрану домен и фланкирующие аминокислоты, то этого оказывается достаточно для того, чтобы белок остался локализованным в аппарате Гольджи. Поэтому эти последовательности называются сигналы удержания.
Предложено две модели, объясняющие удержание мембранных белков в аппарате Гольджи: модель родственного распознавания и модель соответствия толщины бислоя. Модель родственного распознавания предполагает, что ферменты, расположенные в одной и той же цистерне аппарата Гольджи, узнают друг друга по своим доменам, пронизывающим мембрану. Если концентрация ферментов достигает некоего критического уровня, то при узнавании образуются настолько большие агрегаты, что они не могут поместиться в COPI-везикулы. Поэтому ферменты не транспортируются ни в прямом, ни в обратном направлении.
Согласно этой модели, удержание белка в аппарате Гольджи не связано с наличием специальных рецепторов (в отличие от возвращения белков, обусловленного, например, рецептором KDEL). Таким образом, удержание белков в аппарате Гольджи по данной модели представляет собой процесс, который не характеризуется насыщением.
Модель родственного распознавания поддерживается результатами экспериментов по искусственному удержанию ферментов Гольджи в ЭПР. При этом остальные ферменты, обычно расположенные в тех же цистернах, перемещаются в другие места. В этих экспериментах в клетке гиперэкспрессировался фермент Гольджи, который в цитоплазматическом домене содержал сигнал удержания в ЭПР. Молекулы такого мутантного фермента были обнаружены в ЭПР в составе комплекса с молекулами фермента дикого типа. Таким образом, под влиянием мутантного фермента его дикая форма переместилась из аппарата Гольджи в ЭПР.
Модель соответствия толщины бислоя предполагает, что в удержании белка в аппарате Гольджи важную роль играет размер домена, пронизывающего мембрану, а не его аминокислотный состав. В основе модели лежит факт увеличения содержания холестерина в мембранах по пути экзоцитоза от места его синтеза в мембране ЭПР к плазматической мембране. Поскольку in vitro увеличение содержания холестерина ведет к увеличению толщины липидного бислоя, ожидается, что в направлении от ЭПР к плазматической мембране должен существовать градиент его толщины.
По сравнению с ферментами плазматических мембран, ферменты аппарата Гольджи обладают более короткими мембранными доменами, поэтому они будут транспортироваться до того момента, пока размер домена не станет соответствовать толщине бислоя. Для дальнейшего транспорта белка необходимо включение заряженных фланкирующих аминокислот в гидрофобный бислой, что затруднено энергетически.
Модель соответствия толщины бислоя подтверждается экспериментами, в которых в одном из ферментов Гольджи домен, пронизывающий мембрану, был замещен последовательностью, состоящей из нескольких остатков лейцина, который представляет собой гидрофобную аминокислоту, соответствующую окружению внутри липидного бислоя. Фермент, содержащий короткую последовательность лейциновых остатков, удерживался в аппарате Гольджи, в то время как фермент с более длинным доменом транспортировался в плазматическую мембрану.
Следует отметить, что предложенные модели не исключают друг друга, и обе могут принимать участие в локализации ферментов в индивидуальных цистернах аппарата Гольджи. Агрегированные ферменты Гольджи выходят из цистерн с меньшей вероятностью, поскольку энергетические затраты при несовпадении домена, пронизывающего мембрану, и толщины бислоя в этом случае оказываются гораздо выше, чем для индивидуальных ферментов.
Две модели, описывающие возвращение трансмембранных белков в аппарат Гольджи:
модель родственного распознавания и модель соответствия толщины бислоя.
Механизм ретроградного транспорта белков COPI везикулами
Подобно тому как COPII-окаймленные везикулы участвуют в транспорте вновь синтезированных нативных белков из ЭПР в аппарат Гольджи, COPI-окаймленные везикулы осуществляют ретроградный транспорт белков из аппарата Гольджи в ЭПР. COPI-везикулы играют важную роль в возвращении белков снова в ЭПР. Наряду с этим они, вероятно, принимают участие в рециклировании таких важных компонентов везикул, как белки SNARE. Эти белки возвращаются из аппарата Гольджи назад, в ЭПР, а также мигрируют из транс-участка аппарата Гольджи на цис-сторону. Имеются данные о том, что COPI-везикулы могут принимать участие в антероградных транспортных процессах в диктиосоме Гольджи, хотя их роль при этом точно не известна.
Наиболее убедительные данные о роли COPI-везикул в ретроградном транспорте были получены в генетических экспериментах на дрожжах. Для инициации процесса конъюгации дрожжей фактор а должен связаться со своим рецептором на плазматической мембране. С использованием генетического подхода был сконструирован рецептор а фактора, который в цитолазматическом участке содержал сигнал возвращения с двумя остатками лизина. Этот рецептор не экспрессировался на поверхности клетки, и дрожжи с таким мутантным рецептором не обладали способностью к конъюгации. Были обнаружены супрессорные мутации, которые восстанавливали способность клеток к конъюгации.
Оказалось, что эти мутации происходят в генах, кодирующих компоненты белков окаймления COPI. Тем самым подтвердилась роль COPI везикул в возврате в ЭПР белков, обладающих соответствующим сигналом с двумя остатками лизина.
Для образования COPI везикул необходима сборка ГТФазы и белков окаймления на донорской мембране. Процесс сборки происходит таким же образом, как и для COPII везикул, но с использованием других белков. В случае везикул COPI на первом этапе сборки происходит ассоциация с мембраной ГТФазы, представляющей собой фактор АДФ-рибозилирова-ния (ARF). ARF охарактеризован менее подробно, чем его аналог в ЭПР, Sar1p, играющий аналогичную роль в сборке окаймляющих белков COPII. Впервые ARF был идентифицирован как кофактор, необходимый для гибели клетки при действии на нее холерного токсина.
ARF, связанный с ГДФ, представляет собой растворимый белок цитоплазмы. Как и другие небольшие ГТФазы, ARF активируется при связывании с ГТФ-ГДФ-обменивающим фактором (GEF). Комплекс ARF-GEF находится на мембранах аппарата Гольджи и специфическим образом воздействует на ARF, вызывая отщепление ГДФ и связывание ГТФ. При связывании ГТФ наступают конформационные изменения, в результате которых на N-конце молекулы ARF обнажается остаток миристиновой кислоты. Этот остаток способствует скреплению комплекса ARF-ГТФ с мембранами аппарата Гольджи.
Комплекс является специфической мишенью для брефелдина А, фармакологического препарата, блокирующего сборку белков окаймления COPI и приводящего к разрушению аппарата Гольджи и массовому переходу его мембран в ЭПР.
Образование комплекса ARF-ГТФ приводит к мобилизации в мембране комплексов белков окаймления COPI, известных под названием коатомеров. Каждый коатомер представляет собой ассоциат, состоящий из семи белков, которые обозначаются следующим образом: а-, b-, b'-, у-, δ-, ε- и ζ-COP. Активации мембранных комплексов способствует присутстствие отрицательно заряженных мембранных липидов, которые с ними связываются. Связывание коатомеров с мембраной способствует ее деформации при образовании везикул. Таким образом, коатомеры играют в образовании везикул COPI такую же роль, как и Sec23/24 и Sec 13/31 в образовании везикул COPII.
Белки окаймления COPI прямо или опосредованно связываются с белками, возвращающимися в ЭПР. Ддя мембранных белков типа I, у-субъединица коатомера непосредственно связывается с возвратной последовательностью, содержащей два лизиновых остатка и расположенной со стороны цитоплазматической части. Белки окаймления COPI также связываются опосредованно с рецептором KDEL, вероятно за счет ARF-ГТФаза активирующего белка (ARF-GAP). Это приводит к возврату в ЭПР KDEL-содержащих растворимых белков. Комплекс ARF-GAP также стимулирует гидролиз ГТФ, связанного с ARF, что вызывает отщепление белков окаймления.
Как показано на рисунке ниже, процесс возврата белков начинается, как только при слиянии везикул COPII, отпочковавшихся от ЭПР, сформировались везикулярнотубулярные кластеры (VTCs). Возврат продолжается по мере движения VTCs в цис-Гольджи вдоль микротрубочек. Возврат также происходит из CGN и, в меньшей степени, из более отдаленных участков аппарата Гольджи.
Некоторые токсины, например холерный токсин, используют механизм возврата белков из дистальных компартментов аппарата Гольджи. Токсин продуцируется холерным вибрионом Vibrio cholera. Он попадает в клетку путем эндоцитоза и из ЭПР транспортируется в цитоплазму, вероятнее всего по ретротранслокационному механизму. На С-терминальном конце одной из субъединиц молекулы холерного токсина находится последовательность KDEL. Попавший в клетку токсин транспортируется из эндосом в транс-Гольджи-сеть, где связывается с дистальным KDEL-рецептором и по механизму ретроградного транспорта поступает в ЭПР.
До того как COPI везикулы сольются с ЭПР, они должны освободиться от белков окаймления с тем, чтобы липидный бислой транспортной везикулы мог тесно контактировать с реципиентной мембраной. Если заблокировать процесс освобождения от белков окаймления, то слияния везикулы с мембраной не происходит Механизм отщепления белков окаймления исследован недостаточно, однако предполагается, что диссоциация коатомера и везикулы инициируется ARF-GAP. По-видимому, ARF-GAP стимулирует гидролиз ГТФ под действием ARF, что ведет к высвобождению из мембраны ARF-ГДФ и коатомера. В заключении комплекса ARF-GAP в везикулу может участвовать рецептор KDEL. После освобождения от белков окаймления везикулы сливаются с ЭПР при участии белков SNARE.
Модель, описывающая участие окаймляющих белков и молекул карго в сборке COPI везикул.
На схеме представлено возвращение молекул карго (трансмембранный белок типа I и KDEL рецептор) в эндоплазматический ретикулум. Три основных типа покрытий, характерных для процесса везикулярного транспорта,
представляют собой COPI, COPII и клатриновое окаймление.
Аппарат (комплекс) Гольджи
В 1898 г. итальянский ученый К. Гольджи выявил в нервных клетках сетчатые образования, которые он назвал “внутренним сетчатым аппаратом” (рис. 174). Сетчатые структуры (аппарат Гольджи) встречаются во всех клетках любых эукариотных организмов. Обычно аппарат Гольджи располагается около ядра, вблизи клеточного центра (центриоли).
Тонкое строение аппарата Гольджи. Аппарат Гольджи состоит из мембранных структур, собранных вместе в небольшой зоне (рис. 176, 177). Отдельная зона скопления этих мембран называется диктиосомой (рис. 178). В диктиосоме плотно друг к другу (на расстоянии 20-25 нм) расположены в виде стопки плоские мембранные мешки, или цистерны, между которыми располагаются тонкие прослойки гиалоплазмы. Каждая отдельная цистерна имеет диаметр около 1 мкм и переменную толщину; в центре ее мембраны могут быть сближены (25 нм), а на периферии иметь расширения, ампулы, ширина которых непостоянна. Количество таких мешков в стопке обычно не превышает 5-10. У некоторых одноклеточных их число может достигать 20 штук. Кроме плотно расположенных плоских цистерн в зоне АГ наблюдается множество вакуолей. Мелкие вакуоли встречаются главным образом в периферических участках зоны АГ; иногда видно, как они отшнуровываются от ампулярных расширений на краях плоских цистерн. Принято различать в зоне диктиосомы проксимальный или формирующийся, цис-участок, и дистальный или зрелый, транс-участок (рис. 178). Между ними располагается средний или промежуточный участок АГ.
Во время деления клеток сетчатые формы АГ распадаются до диктиосом, которые пассивно и случайно распределяются по дочерним клеткам. При росте клеток общее количество диктиосом увеличивается.
В секретирующих клетках обычно АГ поляризован: его проксимальная часть обращена к цитоплазме и ядру, а дистальная - к поверхности клетки. В проксимальном участке к стопкам сближенных цистерн примыкает сетевидная или губкообразная система мембранных полостей. Считается, что эта система представляет собой зону перехода элементов ЭР в зону аппарата Гольджи (рис. 179).
В средней части диктиосомы периферия каждой цистерны также сопровождается массой мелких вакуолей около 50 нм в диаметре.
В дистальном или транс-участке диктиосом к последней мембранной плоской цистерне примыкает участок, состоящий из трубчатых элементов и массы мелких вакуолей, часто имеющих фибриллярную опушенность по поверхности со стороны цитоплазмы - это опушенные или окаймленные пузырьки такого же типа, как и окаймленные пузырьки при пиноцитозе. Это - так называемая транс-сеть аппарата Гольджи (TGN), где происходит разделение и сортировка секретируемых продуктов. Еще дистальнее располагается группа более крупных вакуолей - это уже продукт слияния мелких вакуолей и образования секреторных вакуолей.
С помощью мегавольтного электронного микроскопа было установлено, что в клетках отдельные диктиосомы могут быть связаны друг с другом системой вакуолей и цистерн и образовывать рыхлую трехмерную сеть, выявляемую в световом микроскопе. В случае диффузной формы АГ каждый отдельный его участок представлен диктиосомой. У клеток растений преобладает диффузный тип организации АГ, обычно в среднем на клетку приходится около 20 диктиосом. В клетках животных часто с зоной мембран аппарата Гольджи ассоциированы центриоли; между радиально отходящих от них пучков микротрубочек лежат группы стопок мембран и вакуолей, которые концентрически окружают клеточный центр. Эта связь, свидетельствует об участии микротрубочек в движении вакуолей.
Секреторная функция аппарата Гольджи. Основные функции АГ заключаются в накоплении продуктов, синтезированных в ЭР, обеспечение их химических перестроек, созревания.
В цистернах АГ происходит синтез полисахаридов, их взаимосвязь с белками. и образование мукопротеидов. Но главной функцией аппарата Гольджи является выведение готовых секретов за пределы клетки. Кроме того, АГ является источником клеточных лизосом.
Синтезированный на рибосомах экспортируемый белок отделяется и накапливается внутри цистерн ЭР, по которым он транспортируется к зоне мембран АГ. Здесь от гладких участков ЭР отщепляются мелкие вакуоли, содержащие синтезированный белок, которые поступают в зону вакуолей в проксимальной части диктиосомы. В этом месте вакуоли сливаются друг с другом и с плоскими цис-цистернами диктиосомы. Таким образом происходит перенесение белкового продукта уже внутри полостей цистерн АГ.
По мере модификации белки в цистернах аппарата Гольджи, с помощью мелких вакуолей переносятся от цистерн к цистерне в дистальную часть диктиосомы, пока не достигнут трубчатой мембранной сети в транс-участке диктиосомы. В этом участке происходит отщепление мелких пузырьков, содержащих уже зрелый продукт. Цитоплазматическая поверхность таких пузырьков бывает сходна с поверхностью окаймленных пузырьков, которые наблюдаются при рецепторном пиноцитозе. Отделившиеся мелкие пузырьки сливаются друг с другом, образуют секреторные вакуоли. После этого секреторные вакуоли начинают двигаться к поверхности клетки, плазматическая мембрана и мембраны вакуолей сливаются, и, таким образом, содержимое вакуолей оказывается за пределами клетки. Морфологически этот процесс экструзии (выбрасывания) напоминает пиноцитоз, только с обратной последовательностью стадий. Он носит название экзоцитоз.
В аппарате Гольджи происходит не только передвижение продуктов из одной полости в другую, но и происходит модификация белков, которая заканчивается адресацией продуктов, либо к лизосомам, плазматической мембране или к секреторным вакуолям.
Модификация белков в аппарате Гольджи. В цис-зону аппарата Гольджи синтезированные в ЭР белки попадают после первичного гликозилирования и редукции нескольких сахаридных остатков. После чего все белки получают одинаковые олигосахаридные цепи, состоящие из двух молекул N-ацетилглюкозамина, шести молекул маннозы (рис. 182). В цис-цистернах происходит вторичная модификация олигосахаридных цепей и их сортировка на два класса. В результате сортировки получается один класс фосфорилирующихся олигосахаридов (богатые маннозой) для гидролитических ферментов, предназначенных для лизосом, и другой класс олигосахаридов для белков, направляемых в секреторные гранулы или к плазматической мембране
Превращения олигосахаридов осуществляются с помощью ферментов - гликозилтрансфераз, входящих в состав мембран цистерн аппарата Гольджи. Так как каждая зона в диктиосомах имеет свой набор ферментов гликозилирования, то гликопротеиды как бы по эстафете переносятся из одного мембранного отсека (“этажа” в стопке цистерн диктиосомы) в другой и в каждом подвергаются специфическому воздействию ферментов. Так в цис-участке происходит фосфорилирование манноз в лизосомных ферментах и образуется особая маннозо-6-группировка, характерная для всех гидролитических ферментов, которые потом попадут в лизосомы.
В средней части диктиосом протекает вторичное гликозилирование секреторных белков: дополнительное удаление маннозы и присоединение N-ацетилглюкозамина. В транс-участке к олигосахаридной цепи присоединяются галактоза и сиаловые кислоты (рис. 183).
В ряде специализированных клеток в аппарате Гольджи происходит синтез собственно полисахаридов.
В аппарате Гольджи растительных клеток синтезируются полисахариды матрикса клеточной стенки (гемицеллюлозы, пектины). Диктиосомы растительных клеток участвуют в синтезе и выделении слизей и муцинов, в состав которых входят также полисахариды. Синтез же основного каркасного полисахарида растительных клеточных стенок, целлюлозы, происходит на поверхности плазматической мембраны.
В аппарате Гольджи клеток животных синтезируются длинные неразветвленные полисахаридные цепи глюкозаминогликанов. Глюкозаминогликаны ковалентно связываются с белками и образуют протеогликаны (мукопротеины). Такие полисахаридные цепи модифицируются в аппарате Гольджи и связываются с белками, которые в виде протеогликанов секретируются клетками. В аппарате Гольджи происходит также сульфатирование глюкозаминогликанов и некоторых белков.
Сортировка белков в аппарате Гольджи. В конечном итоге через аппарат Гольджи проходит три потока синтезированных клеткой нецитозольных белков: поток гидролитических ферментов для лизосом, поток выделяемых белков, которые накапливаются в секреторных вакуолях, и выделяются из клетки только по получении специальных сигналов, поток постоянно выделяемых секреторных белков. Следовательно, в клетке существует механизм пространственного разделения разных белков и их путей следования.
В цис- и средних зонах диктиосом все эти белки идут вместе без разделения, они только раздельно модифицируются в зависимости от их олигосахаридных маркеров.
Собственно разделение белков, их сортировка, происходит в транс-участке аппарата Гольджи. Принцип отбора лизосомных гидролаз происходит следующим образом (рис. 184).
Белки-предшественники лизосомных гидролаз имеют олигосахаридную, конкретнее маннозную группу. В цис-цистернах эти группировки фосфорилируются и вместе с другими белками переносятся в транс-участок. Мембраны транс-сети аппарата Гольджи содержат трансмембранный белок - рецептор (манноза-6-фосфатный рецептор или М-6-Ф-рецептор), который узнает фосфорилированные маннозные группировки олигосахаридной цепи лизосомных ферментов и связывается с ними. Следовательно М-6-Ф-рецепторы, являясь трансмембранными белками, связываясь с лизосомными гидролазами, отделяют их, отсортировывают, от других белков (например, секреторных, нелизосомных) и концентрируют их в окаймленных пузырьках. Оторвавшись от транс-сети эти пузырьки быстро теряют окаймление, сливаются с эндосомами, перенося таким образом свои лизосомные ферменты, связанные с мембранными рецепторами, в эту вакуоль. Внутри эндосом из-за активности протонного переносчика происходит закисление среды. Начиная с рН 6 лизосомные ферменты диссоциируют от М-6-Ф-рецепторов, активируются и начинают работать в полости эндолизосомы. Участки же мембран вместе с М-6-Ф-рецепторами возвращаются путем рециклизации мембранных пузырьков обратно в транс-сеть аппарата Гольджи.
Возможно, что часть белков, которая накапливается в секреторных вакуолях и выводится из клетки после поступления сигнала (например нервного или гормонального) проходит такую же процедуру отбора, сортировки на рецепторах транс-цистерн аппарата Гольджи. Секреторные белки также сначала попадают в мелкие вакуоли одетые клатрином, а затем сливаются друг с другом. В секреторных вакуолях белки накапливаются в виде плотных секреторных гранул, что приводит к повышению концентрации белка в этих вакуолях примерно в 200 раз, по сравнению с его концентрацией в аппарате Гольджи. По мере накопления белков в секреторных вакуолях и после получения клеткой соответствующего сигнала они путем экзоцитоза выбрасываются из клетки.
От аппарата Гольджи исходит и третий поток вакуолей, связанный с постоянной, конститутивной секрецией. Например, фибробласты выделяют большое количество гликопротеидов и муцинов, входящих в основное вещество соединительной ткани. Многие клетки постоянно выделяют белки, способствующие связыванию их с субстратами, постоянно идет поток мембранных пузырьков к поверхности клетки, несущие элементы гликокаликса и мембранных гликопротеидов. Этот поток выделяемых клеткой компонентов не подлежит сортировке в рецепторной транс-системе аппарата Гольджи. Первичные вакуоли этого потока также отщепляются от мембран и относятся по своей структуре к окаймленным вакуолям, содержащим клатрин (рис. 185).
Заканчивая рассмотрение строения и работы такой сложной мембранной органеллы, как аппарат Гольджи, необходимо подчеркнуть, что несмотря на кажущуюся морфологическую однородность его компонентов, вакуоли и цистерны, на самом деле, это не просто скопище пузырьков, а стройная, динамичная сложно организованная, поляризованная система.
В АГ происходит не только транспорт везикул от ЕР к плазматической мембране. Существует обратный перенос везикул. Так от вторичных лизосом отщепляются вакуоли и возвращаются вместе с рецепторными белками в транс-АГ зону, существует поток вакуолей от транс-зоны к цис-зоне АГ, а так же от цис-зоны к эндоплазматическому ретикулуму. В этих случаях вакуоли одеты белками COP I-комплекса. Считается, что таким путем возвращаются различные ферменты вторичного гликозилирования и рецепторные белки в составе мембран.
Особенности поведения транспортных везикул послужили основанием для гипотезы о существовании двух типов транспорта компонентов АГ (рис. 186).
По первому типу в АГ имеются стабильные мембранные компоненты, к которым от ЭР транспортными вакуолями эстафетно переносятся вещества. По другому типу АГ является производным ЭР: отщепившиеся от переходной зоны ЭР мембранные вакуоли сливаются друг с другом в новую цис-цистерну, которая затем продвигается через всю зону АГ и в конце распадается на транспортные везикулы. По этой модели ретроградные COP I везикулы возвращают постоянные белки АГ в более молодые цистерны.
Читайте также: