Часть 3 (1129751), страница 101
Текст из файла (страница 101)
Например, когда pH среды падает, поток H+ в цитозоль, по крайней мере частично,уравновешивается усилением транспорта H+ в вакуоль, которая поддерживает постоянный pH цитозоля. Точно так же многие растительные клетки поддерживаютпрактически постоянное тургорное давление, несмотря на значительные изменениятоничности жидкости в их ближайшем окружении. Им это удается за счет изменения осмотического давления цитозоля и вакуоли: частично за счет регулируемогорасщепления и повторного синтеза полимеров, например полифосфата, в вакуоли,и частично за счет изменения скорости транспорта сахаров, аминокислот и других метаболитов через плазматическую мембрану и мембрану вакуоли.
Тургорноедавление регулирует активность различных транспортеров в обеих мембранах и,следовательно, связанные с ними потоки.Люди часто собирают вещества, запасенные в растительных вакуолях. Разнообразие этих веществ, в зависимости от вида, распространяется от резиныдо опиума и ароматических соединений чеснока.
Многие запасенные продуктыобладают метаболическими функциями. Белки, например, могут годами хранитьсяв вакуолях запасающих клеток многих семян, например гороха и бобов. Когда семяпрорастает, эти белки гидролизуются, и образовавшиеся аминокислоты становятсяпищей для развивающегося эмбриона. Пигменты антоцианы, хранящиеся в вакуолях, окрашивают лепестки многих цветов для привлечения насекомых-опылителей,а ядовитые молекулы, высвобождаемые из вакуолей, когда растение поедается илиповреждено, создают защиту от хищников.Глава 13.
Внутриклеточный везикулярный транспорт 1321Рис. 13.40. Роль вакуоли в регуляции размера растительной клетки. Растительная клетка способназначительно увеличить свой объем без увеличения объема цитозоля. Локальное ослабление клеточной стенки ориентирует движимое тургором увеличение клетки, сопровождаемое накачкой водыв расширяющуюся вакуоль. Цитозоль, в конце концов, превращается в тонкий периферический слой,сообщающийся с областью ядра тяжами цитоплазмы, стабилизированными пучками актиновых филаментов (не показано).13.3.4. Вещества доставляются в лизосомы различными путямиЛизосомы обычно служат местом, где сливается несколько потоков внутриклеточного транспорта. По пути из ЭР через аппарат Гольджи доставляется большинство пищеварительных ферментов, и по крайней мере по трем путям из различныхисточников в лизосомы поступают вещества для переваривания.Лучше всего из этих путей деградации изучен путь, по которому движутся макромолекулы, захваченные из внеклеточной жидкости эндоцитозом.
Как подробнообсуждалось выше, эндоцитированные молекулы сначала доставляются в везикулахв маленькие внутриклеточные органеллы неправильной формы — ранние эндосомы.В них поглощенные вещества впервые встречаются с лизосомальными гидролазами,доставляемыми в эндосомы из аппарата Гольджи. Некоторые эндоцитированныемолекулы селективно улавливаются и рециркулируют в плазматическую мембрану,тогда как другие отправляются дальше в поздние эндосомы. Внутренняя средапоздних эндосом слегка закислена (pH ~6), и именно здесь начинается гидролитическое переваривание эндоцитированных молекул. Как отмечено выше, в зрелыхлизосомах, образующихся в процессе созревания из поздних эндосом, внутреннийpH еще ниже.
По мере созревания лизосом белки эндосомальной мембраны селективно возвращаются в транспортных везикулах обратно в эндосомы или ТСГ.Все типы клеток используют второй путь деградации в лизосомах для избавления от отслуживших свое частей самой клетки — этот процесс называетсяаутофагией. В клетках печени, например, время жизни типичной митохондрии со-1322Часть IV. Внутренняя организация клеткиставляет около 10 дней, и на электронных микрофотографиях нормальных клетоквидны лизосомы, содержащие (и, по-видимому, переваривающие) митохондрии,а также другие органеллы.
Предположительно, процесс начинается с окруженияорганеллы двойной мембраной неизвестного происхождения и образования аутофагосомы, которая затем сливается с лизосомой (или поздней эндосомой). Процессстрого регулируется, и определенные компоненты клетки могут быть помечены длялизосомального разрушения в ходе перестройки клетки. Например, гладкий ЭР,пролиферирующий в клетках печени при детоксикации в ответ на такие жирорастворимые лекарства, как фенобарбитал (см. главу 12), селективно разрушаетсяаутофагией после удаления лекарства.Точно так же другие ненужные органеллы, включая стареющие пероксисомыи митохондрии, могут быть селективно направлены на деградацию путем аутофагии.В условиях голодания значительная часть цитозоля неселективно захватываетсяв аутофагосомы. Метаболиты, образующиеся в результате переваривания захваченных веществ, помогают клетке пережить ограниченность внешних питательныхресурсов.Помимо поддержания в равновесии базовых клеточных функций и переваривания устаревших частей клетки, аутофагия также важна для развития и здоровья.Она способствует перестройке дифференцирующихся клеток, избавляясь от ненужных более частей, и помогает защищаться от вторгающихся вирусов и бактерий.Аутофагия уникально функциональна в качестве механизма, способного удалитьцелые органеллы и крупные белковые агрегаты, с которыми не могут справитьсядругие механизмы и протеосомальная деградация.Мы до сих пор очень мало знаем о том, какие события приводят к образованиюаутофагосом или как процесс аутофагии регулируется и направляется на определенные органеллы.
В дрожжевых и животных клетках идентифицировано более25 различных белков, участвующих в этом процессе. Аутофагию можно разделитьна четыре этапа: (1) зарождение ограничивающей мембраны и ее разрастаниев серповидную структуру, захватывающую часть цитоплазмы; (2) замыкание аутофагосомы в окруженный двойной мембраной компартмент; (3) слияние новогокомпартмента с лизосомой и (4) переваривание внутренней мембраны аутофагосомы и ее содержимого (рис. 13.41). Нужно разгадать еще много тайн, включаяидентификацию мембранной системы, из которой выходят образующие оболочкуаутофагосомы везикулы, и механизм, по которому органеллы-мишени селективноаутофагируются.Как мы обсудим позже, третий путь, по которому в лизосомы попадают веществадля деградации, встречается, как правило, в клетках, специализирующихся на фагоцитозе крупных частиц и микроорганизмов.
Такие профессиональные фагоциты(макрофаги и нейтрофилы у позвоночных) захватывают объекты с образованиемфагосомы, которая затем превращается в лизосому так же, как это происходитс аутофагосомой. На рис. 13.42 приведены эти три пути.13.3.5. Рецептор маннозо-6-фосфата узнает лизосомальные белкив транс-сети ГольджиТеперь мы рассмотрим путь, по которому в лизосомы доставляются лизосомальные гидролазы и мембранные белки. Оба класса белков сначала котрансляционнотранспортируются в шероховатый ЭР, а затем через аппарат Гольджи в ТСГ. Транс-Глава 13. Внутриклеточный везикулярный транспорт 1323Рис. 13.41. Модель аутофагии.
После зарождения в цитоплазме полумесяц аутофагосомальной мембраны разрастается путем слияния с его краями везикул неизвестного происхождения. В конце концовв результате слияния мембран происходит замыкание аутофагосомы, изолирующей часть цитоплазмыклетки в окруженном двойной мембраной пространстве. Затем аутофагосома сливается с лизосомой,содержащей кислые гидролазы, переваривающие ее содержимое. Рис. 13.42. Три пути к деградации в лизосомах.
(а) Веществав каждом пути происходят из различных источников. Обратитевнимание, что аутофагосома окружена двойной мембраной.(б) Электронная микрофотография аутофагосомы, содержащеймитохондрию и пероксисому. (б, фотография получена DanielS. Friend, из D. W. Fawcett, A textbook of histology, 12th ed. NewYork: Chapman and Hall, 1994. С любезного разрешения издательства Kluwer.)1324Часть IV.
Внутренняя организация клеткипортные везикулы, доставляющие эти белки в эндосомы (откуда белки переносятсяв лизосомы), отпочковываются от ТСГ. Везикулы улавливают лизосомальные белкии исключают многие другие белки, упаковывающиеся в другие везикулы для доставки в другие компартменты.Как лизосомальные белки узнаются и отбираются в ТСГ с необходимой точностью? Мы знаем ответ для лизосомальных гидролаз. Они несут уникальный маркерв форме групп маннозо-6-фосфата (М6P), которые добавляют исключительнок N-связанным олигосахаридам этих растворимых лизосомальных белков по мереих прохождения через люмен цис-сети Гольджи (рис. 13.43). Трансмембранныебелки-рецепторы М6P, расположенные в ТСГ, узнают группы М6P.
Рецепторные белки связываются с лизосомальными гидролазами на люминальной сторонемембраны и с адаптерными белками в собирающейся клатриновой оболочке на цитоплазматической стороне. Таким образом, они способствуют упаковке гидролазв клатриновые пузырьки, отпочковывающиеся от ТСГ. Пузырьки сбрасывают своюоболочку и доставляют свое содержимое в ранние эндосомы.13.3.6. Рецептор М6P движется между определенными мембранамиРецептор М6P связывает свой специфический олигосахарид в ТСГ при pH6,5–6,7 и высвобождает его при pH 6, что соответствует pH внутреннего пространства поздних эндосом.
Таким образом, когда по мере созревания эндосом снижаетсяpH, лизосомальные гидролазы диссоциируют от рецептора М6P и в конце концов начинают переваривать вещества, доставляемые путем эндоцитоза. Кислая фосфатазаудаляет с маннозы фосфатную группу, разрушая сигнал сортировки и внося вкладв отстыковку лизосомальных гидролаз от рецептора М6P. Высвободив связанныеферменты, рецепторы М6P улавливаются в окаймленные ретромером транспортныепузырьки, отпочковывающиеся от эндосом; рецепторы затем возвращаются в ТСГдля повторного использования (рис. 13.44).
Для транспорта в обоих направленияхнеобходимы сигналы на цитоплазматическом хвосте рецептора М6P, направляющиеэтот фермент в эндосому или обратно в аппарат Гольджи. Эти сигналы узнаютсяретромерным комплексом (см. рис. 13.19), рекрутирующим рецепторы М6P в везикулы в эндосомах. Рециркуляция рецептора М6P напоминает описанную ранеерециркуляцию рецептора KDEL, хотя она и отличается по типу опосредующихтранспорт окаймленных пузырьков.Не все молекулы гидролаз, помеченные М6P,попадают в лизосомы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
