Часть 3 (1129751), страница 71
Текст из файла (страница 71)
Мембранный транспорт малых молекул 1187Seeburg P. H. (1993) The molecular biology of mammalian glutamate receptorchannels. Trends Neurosci. 16: 359–365.Snyder S. H. (1996) Drugs and the Brain. New York: WH Freeman/ScientificAmerican Books.Stevens C. F. (2004) Presynaptic function. Curr. Opin. Neurobiol. 14: 341–345.Tsien R. W., Lipscombe D., Madison D. V. et al. (1988) Multiple types of neuronalcalcium channels and their selective modulation.
Trends Neurosci. 11: 431–438.Unwin N. (2003) Structure and action of the nicotinic acetylcholine receptorexplored by electron microscopy. FEBS Lett. 555: 91–95.12Внутриклеточные компартментыи сортировка белковВ отличие от бактерий, которые представляют собой единственный внутриклеточный компартмент, окруженный плазматической мембраной, эукариотическая клетка подразделена на функционально отличные друг от друга замкнутыемембранные компартменты.
Каждый компартмент, или органелла, содержит свойсобственный характерный набор ферментов и других специализированных молекул. Для транспорта определенных продуктов из одного компартмента в другойсуществуют сложные системы распределения. Чтобы понять эукариотическуюклетку, необходимо знать, как она создает и поддерживает эти компартменты, чтопроисходит в каждом из них и как молекулы движутся между ними.Белки определяют характерные структурные и функциональные свойства каждого компартмента. Они катализируют реакции, протекающие в органелле, и селективнотранспортируют малые молекулы из компартмента и в его просвет (т. е. в люмен).Белки также служат органелло-специфичными поверхностными маркерами, направляющими доставленные белки и липиды в соответствующую органеллу.Животная клетка содержит около 10 миллиардов (1010) белковых молекул примерно 10 тысяч видов.
Синтез большинства из них начинается в цитозоле. Каждыйновый белок затем доставляется именно в тот клеточный компартмент, которомуон требуется. Внутриклеточный транспорт белков является центральной темой этойи следующей глав. Следя за передвижением белков из одного компартмента в другой, можно начать понимать запутанный лабиринт внутриклеточных мембран.12.1. Компартментализация клетокВ данном кратком обзоре компартментов клетки и взаимоотношений междуними мы разделим органеллы на небольшое число семейств, обсудим, как белкинаправляются в определенные органеллы, и объясним, как белки проходят черезмембраны органелл.12.1.1. Все эукариотические клетки обладают одинаковым базовымнабором мембранных органеллМногие жизненно важные биохимические процессы происходят в мембранахили на их поверхности.
Например, связанные с мембранами ферменты катализируютметаболизм липидов, а в случае окислительного фосфорилирования и фотосинтезамембраны необходимы для сопряжения транспорта H+ с синтезом ATP. Помимоувеличения площади мембран для протекания на них биохимических реакций, внутриклеточные мембранные системы образуют замкнутые компартменты, отделенныеГлава 12. Внутриклеточные компартменты и сортировка белков 1189от цитозоля. Благодаря этому в пределах клетки создаются специализированныеводные пространства. Поскольку липидный бислой мембран органелл непроницаемдля большинства гидрофильных молекул, мембрана каждой органеллы должна содержать мембранные транспортные белки для импорта и экспорта специфическихметаболитов. Каждая мембрана органеллы также должна обладать механизмомимпорта и инкорпорации в органеллу специфических белков, делающих этот компартмент уникальным.На рис.
12.1 представлены основные внутриклеточные компартменты эукариотических клеток. В ядре содержится геном (за исключением митохондриальногои хлоропластного геномов) и происходит основной синтез РНК и ДНК. Окружающаяцитоплазма состоит из цитозоля и взвешенных в нем цитоплазматических органелл. Цитозоль составляет чуть более половины общего объема клетки и являетсяместом синтеза и деградации белков. В нем также происходит большая часть промежуточного обмена веществ (метаболизма) клетки, т. е. многие реакции распадаи синтеза малых молекул для создания «строительных блоков» для макромолекул(см. главу 2).Около половины общей площади мембраны эукариотических клеток принадлежит извилистому лабиринту эндоплазматического ретикулума (ЭР).
Шероховатый (гранулярный) ЭР несет множество связанных с его цитоплазматическойповерхностью рибосом; они синтезируют как растворимые, так и мембранные белки,большинство которых предназначено для секреции во внешнюю среду клетки илидля других органелл. Мы увидим, что, несмотря на то что белки транспортируются в другие органеллы только после завершения их синтеза, по мере синтезаони транспортируются в ЭР. Это объясняет, почему мембрана ЭР несет рибосомыи отличается от других мембран. В ЭР также синтезируется большинство липидовклетки, и он служит депо ионов Ca2+. Области ЭР, свободные от связанных рибосом, называются гладким (агранулярным) ЭР. ЭР посылает многие свои белкии липиды в аппарат Гольджи, который состоит из упорядоченных стопок плоскихдисковидных компартментов, носящих название цистерн Гольджи. Аппарат Гольджи получает липиды и белки от ЭР и направляет их в другие органеллы, обычноковалентно модифицируя их в процессе.Митохондрии и (в растениях) хлоропласты синтезируют большую часть ATP,используемого клеткой в качестве движущей силы реакций, требующих затратысвободной энергии; хлоропласты — разновидность пластид, которые в растительной клетке могут выполнять и другие функции, например, запасание питательныхвеществ или молекул пигментов.
Лизосомы содержат пищеварительные ферменты,которые деградируют дефектные внутриклеточные органеллы, макромолекулы и частицы, захваченные из окружающей среды посредством эндоцитоза. На пути к лизосомам эндоцитированное вещество сначала должно пройти через набор органелл,носящих название эндосом. Наконец, пероксисомы — это маленькие везикулярныекомпартменты, содержащие ферменты различных окислительных реакций.В общем случае мембранные замкнутые органеллы во всех типах клеток выполняют одинаковый набор базовых функций. Но для выполнения специализированных функций клетки эти органеллы могут содержаться в разном количествеи обладать дополнительными свойствами, изменяющимися от клетки к клетке.В среднем мембранные органеллы все вместе занимают около половины объемаклетки (таблица 12.1), и для их создания требуется большое количество внутриклеточных мембран.
В клетках печени и поджелудочной железы, например, площадь1190Часть IV. Внутренняя организация клеткиРис. 12.1. Основные внутриклеточные компартменты животной клетки. Цитозоль (серый), эндоплазматический ретикулум, ядро, митохондрии, эндосомы, лизосомы и пероксисомы представляют собойразличные компартменты, отделенные от остальной клетки по крайней мере одной селективно проницаемой мембраной.мембраны эндоплазматического ретикулума в 25 и 12 раз соответственно превышаетплощадь плазматической мембраны (таблица 12.2). В терминах площади и массыплазматическая мембрана является малозначительной в большинстве эукариотических клеток, и органеллы плотно упакованы в цитозоле (рис. 12.2).Мембранные органеллы часто расположены в цитозоле в определенной ориентации.
Например, в большинстве клеток аппарат Гольджи находится вблизи ядра,а сеть трубочек ЭР распространяется от ядра по всему цитозолю. Такая характернаялокализация зависит от взаимодействия органелл с цитоскелетом. Расположениекак ЭР, так и аппарата Гольджи зависит от интактной сети микротрубочек; еслимикротрубочки искусственно деполимеризовать химическим веществом, аппаратГольджи распадается и распространяется по всей клетке, а сеть ЭР схлопываетсяк центру клетки (см. главу 16).Таблица 12.1. Относительные объемы, занимаемые основными внутриклеточными компартментами клетки печени (гепатоцита)Внутриклеточный компартментЦитозольМитохондрияШероховатый ЭРГладкий ЭР и аппарат ГольджиЯдроПероксисомыЛизосомыЭндосомыПроцент от общего объема клетки5422966111Глава 12. Внутриклеточные компартменты и сортировка белков 1191Таблица 12.2.
Относительное содержание разных типов мембран в двух видах эукариотических клетокТип мембраныПлазматическая мембранаМембрана шероховатого ЭРМембрана гладкого ЭРМембрана аппарата ГольджиМитохондрияВнешняя мембранаВнутренняя мембранаЯдроВнутренняя мембранаМембрана секреторных пузырьковЛизосомальная мембранаМембрана пероксисомЭндосомальная мембранаПроцент от общей площади мембраны клеткиГепатоцит печени*Панкреатическаяэкзокринная клетка*25356016< 17107324170.2не определено0,40,40,40,73не определеноне определеноне определено*Эти клетки значительно различаются по размерам: объем среднего гепатоцита составляет5 000 мкм3, а панкреатической экзокринной клетки — 1 000 мкм3.
Общая площадь клеточных мембран,по оценкам, составляет 110 000 и 13 000 мкм2 соответственно.12.1.2. Эволюционное происхождение объясняет топологическиевзаимоотношения органеллЧтобы понять взаимоотношения между компартментами клетки, полезнорассмотреть, как они могли эволюционировать. Считают, что предшественникамипервых эукариотических клеток были простые организмы, напоминавшие бактерии,у которых обычно есть плазматическая мембрана, но отсутствуют внутренние.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
