Транспорт белков через эндоплазматический ретикулум (ЭПР) и аппарат Гольджи

Обновлено: 09.05.2024

Аппара́т (ко́мплекс) Го́льджи — мембранная структура эукариотической клетки, органелла, в основном предназначенная для выведения веществ, синтезированных в эндоплазматическом ретикулуме. Аппарат Гольджи был назван так в честь итальянского учёного Камилло Гольджи, впервые обнаружившего его в 1897 году. [1]

Содержание

Строение

Комплекс Гольджи представляет собой стопку дискообразных мембранных мешочков (цистерн), несколько расширенных ближе к краям, и связанную с ними систему пузырьков Гольджи. В растительных клетках обнаруживается ряд отдельных стопок (диктиосомы), в животных клетках часто содержится одна большая или несколько соединённых трубками стопок.

В Комплексе Гольджи выделяют 3 отдела цистерн, окружённых мембранными пузырьками:

Цис-отдел (ближний к ядру);
Медиальный отдел;
Транс-отдел (самый отдалённый от ядра).

Эти отделы различаются между собой набором ферментов. В цис-отделе первую цистерну называют "цистерной спасения", так как с её помощью рецепторы, поступающие из промежуточной эндоплазматической сети, возвращаются обратно. Фермент цис-отдела: фосфогликозидаза (присоединяет фосфат к углеводу - манназе). В медиальном отделе находится 2 фермента: манназидаза (отщепляет манназу) и N-ацетилглюкозаминтрансфераза (присоединяет определенные углеводы - гликозамины). В транс-отделе ферменты: пептидаза (осуществляет протеолиз) и трансфераза (осуществляет переброс химических групп).

Функции

Сегрегация белков на 3 потока:
- лизосомальный - гликозилированные белки (с маннозой) поступают в цис-отдел комплекса Гольджи, некоторые из них фосфорилируются, образуется маркёр лизосомальных ферментов - манноза-6-фосфат. В дальнейшем эти фосфорилированные белки не будут подвергаться модификации, а попадут в лизосомы.
- конститутивный экзоцитоз (конститутивная секреция). В этот поток включаются белки и липиды, которые становятся компонентами поверхностного аппарата клетки, в том числе гликокаликса, или же они могут входить в состав внеклеточного матрикса.
- Индуцируемая секреция - сюда попадают белки, которые функционируют за пределами клетки, поверхностного аппарата клетки, во внутренней среде организма. Характерен для секреторных клеток.
Формирование слизистых секретов - гликозамингликанов (мукополисахаридов)
Формирование углеводных компонентов гликокаликса - в основном, гликолипидов.
Сульфатирование углеводных и белковых компонентов гликопротеидов и гликолипидов
Частичный протеолиз белков - иногда за счет этого неактивный белок переходит в активный (проинсулин превращается в инсулин).

Транспорт веществ из эндоплазматической сети

Аппарат Гольджи асимметричен — цистерны, располагающиеся ближе к ядру клетки (цис-Гольджи) содержат наименее зрелые белки, к этим цистернам непрерывно присоединяются мембранные пузырьки — везикулы, отпочковывающиеся от гранулярного эндоплазматического ретикулума (ЭПР), на мембранах которого и происходит синтез белков рибосомами. Перемещение белков из эндоплазматической сети (ЭПС) в аппарат Гольджи происходит неизбирательно, однако не полностью или неправильно свернутые белки остаются при этом в ЭПС. Возвращение белков из аппарата Гольджи в ЭПС требует наличия специфической сигнальной последовательности (лизин-аспарагин-глутамин-лейцин) и происходит благодаря связыванию этих белков с мембранными рецепторами в цис-Гольджи.

Модификация белков в аппарате Гольджи

В цистернах аппарата Гольджи созревают белки предназначенные для секреции, трансмембранные белки плазматической мембраны, белки лизосом и т. д. Созревающие белки последовательно перемещаются по цистернам в органеллы, в которых происходят их модификации — гликозилирование и фосфорилирование. При О-гликозилировании к белкам присоединяются сложные сахара через атом кислорода. При фосфорилировании происходит присоединение к белкам остатка ортофосфорной кислоты.

Схема, показывающая цитоплазму, вместе с ее компонентами (или органеллами), в типичной животной клетке. Органеллы: 1 — ядрышко; 2 — ядро; 3 — рибосома (маленькие точки); 4 — везикула; 5 — шероховатый эндоплазматический ретикулум (ER); 6 — аппарат Гольджи; 7 — цитоскелет; 8 — гладкий эндоплазматический ретикулум; 9 — митохондрия; 10 — вакуоль; 11 — цитоплазма; 12 — лизосома; 13 — центриоль и центросома.

Разные цистерны аппарата Гольджи содержат разные резидентные каталитические ферменты и, следовательно, с созревающими белками в них последовательно происходят разные процессы. Понятно, что такой ступенчатый процесс должен как-то контролироваться. Действительно, созревающие белки «маркируются» специальными полисахаридными остатками (преимущественно маннозными), по-видимому, играющими роль своеобразного «знака качества».

Не до конца понятно, каким образом созревающие белки перемещаются по цистернам аппарата Гольджи, в то время как резидентные белки остаются в большей или меньшей степени ассоциированы с одной цистерной. Существуют две взаимонеисключающие гипотезы, объясняющие этот механизм:

согласно первой, транспорт белков осуществляется при помощи таких же механизмов везикулярного транспорта, как и путь транспорта из ЭПР, причём резидентные белки не включаются в отпочковывающуюся везикулу;
согласно второй, происходит непрерывное передвижение (созревание) самих цистерн, их сборка из пузырьков с одного конца и разборка с другого конца органеллы, а резидентные белки перемещаются ретроградно (в обратном направлении) при помощи везикулярного транспорта.

Транспорт белков из аппарата Гольджи

В конце концов от транс-Гольджи отпочковываются пузырьки, содержащие полностью зрелые белки. Главная функция аппарата Гольджи — сортировка проходящих через него белков. В аппарате Гольджи происходит формирование «трехнаправленного белкового потока»:

созревание и транспорт белков плазматической мембраны;
созревание и транспорт секретов;
созревание и транспорт ферментов лизосом.

С помощью везикулярного транспорта прошедшие через аппарат Гольджи белки доставляются «по адресу» в зависимости от полученных ими в аппарате Гольджи «меток». Механизмы этого процесса также не до конца понятны. Известно, что транспорт белков из аппарата Гольджи требует участия специфических мембранных рецепторов, которые опознают «груз» и обеспечивают избирательную стыковку пузырька с той или иной органеллой.

Образование лизосом

Все гидролитические ферменты лизосом проходят через аппарат Гольджи, где они получают «метку» в виде специфического сахара — маннозо-6-фосфата (М6Ф)- в составе своего олигосахарида. Присоединение этой метки происходит при участии двух ферментов. Фермент N-ацетилглюкозаминфосфотрансфераза специфически опознает лизосомальные гидролазы по деталям их третичной структуры и присоединяет N-ацетилглюкозаминфосфат к шестому атому нескольких маннозных остатков олигосахарида гидролазы. Второй фермент — фосфогликозидаза — отщепляет N-ацетилглюкозамин, создавая М6Ф-метку. Затем эта метка опознается белком-рецептором М6Ф, с его помощью гидролазы упаковываются в везикулы и доставляются в лизосомы. Там, в кислой среде, фосфат отщепляется от зрелой гидролазы. При нарушении работы N-ацетилглюкозаминфосфотрансферазы из-за мутаций или при генетических дефектах рецептора М6Ф все ферменты лизосом «по умолчанию» доставляются к наружной мембране и секретируются во внеклеточную среду. Выяснилось, что в норме некоторое количество рецепторов М6Ф также попадают на наружную мембрану. Они возвращают случайно попавшие во внешнюю среду ферменты лизосом внутрь клетки в процессе эндоцитоза.

Транспорт белков на наружную мембрану

Как правило, ещё в ходе синтеза белки наружной мембраны встраиваются своими гидрофобными участками в мембрану эндоплазматической сети. Затем в составе мембраны везикул они доставляются в аппарат Гольджи, а оттуда — к поверхности клетки. При слиянии везикулы с плазмалеммой такие белки остаются в ее составе, а не выделяются во внешнюю среду, как те белки, что находились в полости везикулы.

Секреция

Практически все секретируемые клеткой вещества (как белковой, так и небелковой природы) проходят через аппарат Гольджи и там упаковываются в секреторные пузырьки. Так, у растений при участии диктиосом секретируется материал клеточной стенки.

Доставка эукариотических белков к клеточным мембранам и проникновение через них

Соединение аминокислот с образованием полипептидной цепи - это только первый шаг в процессе формирования многих белков. Полипептидная цепь должна быть уложена так, чтобы образовались правильные вторичная и третичная структуры, а в большинстве случаев отдельные полипептиды должны объединиться в функциональные олигомерные комплексы. До образования функционально активных белков первичные продукты трансляции часто претерпевают разные сложные изменения.

Посттрансляционная модификация полипептидных цепей (примеры)

Функционально активный гемоглобин образуется только после того, как α- и β-цепи объединятся в а₂β₂-структуру и с боковыми группами аминокислот обеих субъединиц свяжется гемогруппа. Для того чтобы пируваткарбоксилаза и ацетил-СоА-карбоксилаза стали активными ферментами, с определенными боковыми цепями их аминокислот должен ковалентно связаться биотин. Некоторые белки, участвующие в процессе свертывания крови, должны претерпеть карбоксилирование специфических остатков глутаминовой кислоты, для того чтобы образовались центры связывания Са 2+ . Для образования коллагена должно произойти гидроксилирование специфических пролиновых и лизиновых остатков.

Очень важным и широко распространенным способом регуляции метаболизма являются фосфорилирование и дефосфорилирование определенных остатков серина, треонина и тирозина особыми протеинкиназами и протеинфосфатазами соответственно. Многие протеолитические белки, участвующие в процессах пищеварения и свертывания крови, синтезируются в виде крупных предшественников, которые далее активируются путем отщепления участка полипептидной цепи. Инсулин синтезируется в виде препроинсулинового полипептида и превращается в зрелый инсулин после расщепления цепи и удаления сначала N-концевого, а затем внутреннего сегмента (рисунок 1, прилагается). Многие вирусные белки, гормоны, нейропептиды образуются из первичных трансляционных продуктов-полипротеинов в результате расщепления по многим сайтам и образования нескольких зрелых белков и пептидов меньшего размера.

В клетках эукариот помимо плазматических мембран имеются разнообразные внутриклеточные мембраны, отграничивающие различные клеточные органеллы: митохондрии, хлоропласты (у растений), эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольд-жи, пероксиомы, лизосомы и секреторные пузырьки (везикулы).

Транспортный аппарат эукариотических клеток.

Рибосомы в эукариотических клетках существуют в двух состояниях: в свободном и связанном с мембранами. Белки, предназначенные для некоторых органелл и цитозоля, синтезируются на свободных рибосомах, а белки, остающиеся в лизосомах, структурах Гольджи и плазматической мембране, образуются на рибосомах, ассоциированных с эндоплазматическим ретикулумом. Белки, синтезированные на рибосомах, связанных с ЭПР, проходят через мембраны в просвет ЭПР, а «прокладывает» им путь N-концевой участок. Затем этот участок, состоящий преимущественно из гидрофобных аминокислот, сигнальная последовательность - отщепляется специфическими эндопептидазами, локализованными в просвете ЭПР. Такой направленный перенос белка от рибосом в просвет ЭР начинается уже во время синтеза полипептидной цепи и поэтому называется котрансляционным транспортом.

Направление синтезируемых полипептидных цепей в просвет ЭПР.

Транспорт мембранных и секретируемых белков в просвет ЭР опосредуется взаимодействием полипептидной сигнальной последовательности с сигнал-распознающей частицей (СРЧ) и рецептором этой частицы (СРЧ-Р). Белки цитозоля синтезируются на рибосомах, идентичных рибосомам, синтезирующим белки ЭПР. В самом деле, рибосома, в одном раунде синтезирующая белок цитозоля, в следующем может синтезировать мембранный белок. Попадание белка в ЭР происходит только в результате взаимодействия СРЧ с сигнальной последовательностью синтезируемой белковой цепи (рисунок 2, прилагается). Комплекс «СРЧ-сигнальная последовательность» взаимодействует впоследствии с рецептором СРЧ, локализованным в мембране ЭПР. Таким образом, СРЧ служит адаптером между аппаратом синтеза белка в цитоплазме и аппаратом его доставки и отвечает за попадание белков в просвет ЭПР. СРЧ связывается с сигнальной последовательностью сразу после выхода ее из рибосомы, т.е. после синтеза сегмента длиной примерно 70 аминокислот. Элонгация полипептидной цепи замедляется до тех пор, пока комплекс СРЧ-сигнальная последовательность не свяжется с СРЧ-Р в мембране ЭР. Сразу после этого СРЧ отделяется, скорость синтеза полипептидной цепи увеличивается и растущая полипептидная цепь протягивается сквозь мембрану в просвет. Таким образом, ассоциация транслирующей рибосомы с СРЧ-Р приводит к однонаправленному переносу растущей полипептидной цепи в просвет ЭПР. Особая пептидаза, локализованная в просвете ЭР, осуществляет специфическое отщепление сигнальной последовательности от новосинтезированного белка.

СРЧ представляет собой комплекс из шести белков с мол. массами от 10000 до 75000 Да и единственной молекулы РНК длиной 300 нуклеотидов-7SL-PHK. Ни РНК, ни белки сами по себе не могут функционировать как СРЧ. Однако при смешивании РНК и белков образуется функциональная СРЧ.

Сигнальная последовательность обычно находится на N-конце белков, предназначенных для экспорта к одной из клеточных мембран или внутриклеточным органеллам. Длина сигнальной последовательности колеблется от 15 до 35 аминокислот, и в первых трех ее четвертях преобладают гидрофобные остатки, однако никакой консервативной аминокислотной последовательности этот участок не имеет. Для узнавания сигнальной последовательности СРЧ скорее важна ее вторичная структура. В пределах сигнальной последовательности находится также и сайт, распознаваемый сигнальной пептидазой. Обычно расщепление происходит со стороны С-конца остатков глицина, серина или аланина, поэтому N-конец многих зрелых секретируемых или мембранных белков соседствует с одной из этих аминокислот в сигнальной последовательности.

Транспорт белков от ЭПР к аппарату Голъджи и из него.

Белки направляются к лизосомам, плазматическим мембранам или секретируются с помощью аппарата Гольджи - набора тесно упакованных, взаимопроникающих, окруженных мембранами цистерн. Перенос белков к аппарату Гольджи осуществляется с помощью так называемых окаймленных пузырьков (везикул), отпочковывающихся от ЭПР и сливающихся с цистернами Гольджи. Белки проходят через аппарат Гольджи от цис-цистерн к транс. Транспорт белков через цистерны также осуществляется с помощью окаймленных транспортных везикул.

Белки, предназначенные для секреции, сначала попадают в секреторные везикулы, которые в конце концов сливаются с плазматическими мембранами и высвобождают свое содержимое наружу. Когда секреция белков индуцируется (как в случае инсулина или некоторых нейропептидов), цитозольные секреторные пузырьки сливаются с мембраной и высвобождают содержимое наружу только после индукции.

Гликозилирование.

Проходя через ЭПР и аппарат Гольджи, белки подвергаются интенсивной модификации. Специальный фермент ЭПР присоединяет разветвленный олигосахарид к специфическим аспарагиновым остаткам транспортируемых белков. Далее олигосахарид подвергается действию целого ряда специфических гликозилгидролаз и гли-козилированию. Эти реакции протекают и в ЭПР, и в то время, когда белки проходят через аппарат Гольджи.

Прямо сейчас студенты читают про:

Тема 12. Содержательные и процессуальные теории мотивации 1.Содержательные теории мотивации: теория иерархии потребностей А. Маслоу.
Правоохранительная деятельность таможенных органов Правоохранительная деятельность является одной из функций таможенных органов.
Обеспечение национальной безопасности России Обеспечение национальной безопасности Российской Федерации путем со.
Однополупериодные и двухполупериодные выпрямители Выпрямление электрических колебаний, это процесс, в результате которого переменное входное колебание преобразуется в выходное.
Понятие дидактическая игра, её структура, специфические особенности и место в педагогическом процессе дошкольного учреждения Дидактические игры является разновидностью игр с правилами. Игры с правилами имеют готовое содержание и заранее установленную.

Транспорт белков через эндоплазматический ретикулум (ЭПР) и аппарат Гольджи

Устройство и функционирование эндоплазматического ретикулума и аппарата Гольджи

Эндоплазматический ретикулум [ЭР (ER)] — протяженная замкнутая мембранная структура, построенная из сообщающихся трубкообразных полостей и мешочков, называемых цистернами. В области ядра ЭР сообщается с внешней ядерной мембраной. Между шероховатым и гладким ЭР имеется морфологическое различие: мембраны шероховатого ЭР усеяны множеством рибосом, в то время как гладкий ЭР не имеет связанных рибосом.

А. Шероховатый эндоплазматический ретикулум и аппарат Гольджи

Шероховатый ЭР [ШЭР (rER)]( 1 ) — место активного биосинтеза белков. Именно здесь синтезируются белки, которые будут функционировать в составе мембран, лизосом или секретироваться из клетки. Остальные белки синтезируются в цитоплазме на рибосомах, не связанных с мембранами ЭР.

Белки, синтезированные на шероховатом ЭР ( 1 ), претерпевают посттрансляционные модификации (созревание белков, см. с. 226). Они либо остаются внутри шероховатого ЭР в виде мембранных белков, либо транспортируются с помощью везикул ( 2 ) в аппарат Гольджи ( 3 ). Транспортные везикулы образуются почкованием мембран, а затем исчезают, сливаясь с ними (см. с. 230).

Подобно ЭР, аппарат Гольджи ( 3 ) представляет собой сложную сеть ограниченных мембранами полостей, имеющих форму диска и являющихся местом созревания и сортировки белков. Имеются цис-, промежуточная и транс-Гольджи-области и транс-Гольджи-сеть . Посттрансляционная модификация белков имеет место в разных областях аппарата Гольджи.

Наконец, созревшие (модифицированные) белки переносятся везикулами в различные отделы клетки, такие, как лизосомы ( 4 ), цитоплазматическая мембрана ( 6 ) или секреторные пузырьки ( 5 ). Последние высвобождают свое содержимое к межклеточное пространство, сливаясь с плазматической мембраной ( экзоцитоз ). Эти транспортные процессы могут быть конститутивными, т.е. проходить постоянно, или регуляторными, т.е. управляться химическими сигналами. Направленность процесса в первую очередь зависит от сигнальной последовательности синтезируемого белка (см. с. 232).

Наряду с белками в аппарате Гольджи осуществляется транспорт мембранных липидов.

Б. Гладкий эндоплазматический ретикулум

ЭР, не имеющий связанных рибосом, называется гладким эндоплазматическим ретикулумом (ГЭР). Он занимает в клетке Сравнительно небольшой объем. Выраженный ГЭР имеется е клетках с активным обменом липидов, таких, как гепатоциты и клетки Лейдига. Для ГЭР характерна замкнутая система разветвленных канальцев.

ГЭР принимает участие в синтезе липидов . Биосинтез осуществляется ферментами, закрепленными на мембранах ГЭР. Здесь локализован синтез фосфолипидов и отдельные стадии синтеза холестерина (см. с. 174). В ГЭР специализированных клеток эндокринной системы протекают различные стадии синтеза стероидных гормонов (см. с. 364). В ГЭР локализованы также процессы метаболической трансформации ксенобиотиков (реакция 1 , см. с. 308). В этих реакциях принимает участие система цитохрома Р450 (см. с. 310), которую считают основной системой ГЭР.

ГЭР выполняет функцию депо ионов Са 2+ , поддерживающего низкий уровень Са 2+ в цитоплазме. Эта функция более всего свойственна саркоплазматическому ретикулуму, специализированной форме ГЭР мышечных клеток (см. с. 326). В мембранах ГЭР локализованы управляемые Са 2+ -каналы и энергозависимые Са 2+ -насосы, а высокая концентрация ионов Са 2+ в цистернах поддерживается при участии Са 2+ -связывающих белков.

Комплекс Гольджи

Аппарат Гольджи (комплекс Гольджи) — мембранная структура эукариотической клетки, органелла, в основном предназначенная для выведения веществ, синтезированных в эндоплазматическом ретикулуме. Комплекс Гольджи был назван так в честь итальянского учёного Камилло Гольджи, впервые обнаружившего его в 1898 году.

Комплекс Гольджи представляет собой стопку дискообразных мембранных мешочков (цистерн), несколько расширенных ближе к краям и связанную с ними систему пузырьков Гольджи. В растительных клетках обнаруживается ряд отдельных стопок (диктиосомы), в животных клетках часто содержится одна большая или несколько соединённых трубками стопок.

В цистернах Аппарата Гольджи созревают белки предназначенные для секреции, трансмембранные белки плазматической мембраны, белки лизосом и т. д. Созревающие белки последовательно перемещаются по цистернам органеллы, в которых происходит их модификации — гликозилирование и фосфорилирование. При О-гликозилировании к белкам присоединяются сложные сахара через атом кислорода. При фосфорилировании происходит присоединение к белкам остатка ортофосфорной кислоты.

Не до конца понятно, каким образом созревающие белки перемещаются по цистернам Аппарата Гольджи, в то время как резидентные белки остаются в большей или меньшей степени ассоциированы с одной цистерной. Существуют две взаимонеисключающие гипотезы, объясняющие этот механизм. Согласно первой (1), транспорт белков осуществляется при помощи таких же механизмов везикулярного транспорта, как и путь транспорта из ЭПР, причём резидентные белки не включаются в отпочковывающуюся везикулу. Согласно второй (2), происходит непрерывное передвижение (созревание) самих цистерн, их сборка из пузырьков с одного конца и разборка с другого конца органеллы, а резидентные белки перемещаются ретроградно (в обратном направлении) при помощи везикулярного транспорта.

В конце концов от транс-Гольджи отпочковываются пузырьки, содержащие полностью зрелые белки. Главная функция аппарата Гольджи - сортировка проходящих через него белков. В аппарате Гольджи происходит формирование "трехнаправленного белкового потока":

созревание и транспорт белков плазматической мембраны;
созревание и транспорт секретов;
созревание и транспорт ферментов лизосом.

С помощью везикулярного транспорта прошедшие через апарат Гольджи белки доставляются "по адресу" в зависимсоти от полученных ими в аппарате Гольджи "меток". Механизмы этого процесса также не до конца понятны. Известно, что транспорт белков из аппарата Гольджи требует участия специфических мембранных рецепторов, которые опознают "груз" и обеспечивают избирательную стыковку пузырька с той или иной органеллой.

Все гидролитические ферменты лизосом проходят через аппарат Гольджи, где они получают "метку" в виде специфического сахара - маннозо-6-фосфата (М6Ф)- в составе своего олигосахарида. Присоединение этой метки происходит при участии двух ферментов. Фермент N-ацетилглюкозаминфосфотрансфераза специфически опознает лизосомальные гидролазы по деталям их третичной структуры и присоединяет N-ацетилглюкозаминфосфат к шестому атому нескольких маннозных остатков олигосахарида гидролазы. Второй фермент - фосфогликозидаза - отщепляет N-ацетилглюкозамин, создавая М6Ф-метку. Затем эта метка опознается белком-рецептором М6Ф, с его помощью гидролазы упаковываются в везикулы и доставляются в лизосомы. Там, в кислой среде, фосфат отщепляется от зрелой гидролазы. При нарушении работы N-ацетилглюкозаминфосфотрансферазы из-за мутаций или пригенетических дефектах рецептора М6Ф все ферменты лизосом "по умолчанию" доставляются к наружной мембране и секретируются во внеклеточную среду. Выяснилось, что в норме некоторое количество рецепторов М6Ф также попадают на нарушную мембрану. Они возвращают случайно попавшие во внешнюю среду ферменты лизосом внутрь клетки в процессе эндоцитоза.

Как правило, ещё в ходе синтеза белки наружной мембраны встраиваются своими гидрофобными участками в мембрану эндоплазматической сети. Затем в составе мембраны везикул они доставляются в аппарат Гольджи, а оттуда - к поверхности клетки. При слиянии везикулы с плазмалеммой такие белки остаются в ее составе, а не выделяются во внешнюю среду, как те белки, что находились в полости везикулы.

Пластинчатый комплекс

Читайте также: