Часть 3 (1129751), страница 94
Текст из файла (страница 94)
Для такого сближения с гидрофильной поверхности мембраны должнабыть удалена вода. Этот процесс энергетически очень невыгоден. По-видимому,специализированные белки слияния, преодолевающие этот энергетический барьер, катализируют все процессы слияния мембран в клетках. Мы уже обсудилироль динамина в сходном процессе отшнуровывания клатриновых везикул (см.рис. 13.12).Белки SNARE (SNAP (Soluble NSF Attachment Protein) Receptors — рецепторырастворимого белка прикрепления к NSF) катализируют реакции слияния мембранпри везикулярном транспорте. Они также вносят вклад в специфичность процес-Глава 13. Внутриклеточный везикулярный транспорт 1291са транспорта, позволяя только правильно направленным везикулам сливаться.В животной клетке содержится по крайней мере 35 различных SNARE, каждыйиз которых связан с определенной органеллой в биосинтетическом секреторноми эндоцитозном путях.
Эти трансмембранные белки существуют в форме комплементарных наборов, причем v-SNARE (v от «vesicle» — везикула) обычно располагаютсяв мембране везикул, а t-SNARE (t от «target» — мишень) — в мембранах-мишенях(см. рис. 13.14). v-SNARE — это одна полипептидная цепь, тогда как t-SNAREсостоят из двух или трех белков (рис. 13.16). v-SNARE и t-SNARE содержат характерные спиральные домены, и, когда v-SNARE взаимодействует с t-SNARE,спиральный домен одного белка оборачивается вокруг спирального домена другогои образуется стабильный четырехспиральный тяж. Образующиеся транс-SNAREкомплексы иммобилизуют две мембраны относительно друг друга.SNARE лучше всего охарактеризованы в нейронах, где они опосредуют докинг и слияние синаптических пузырьков на плазматической мембране нервныхокончаний в процессе высвобождения нейромедиатора.
Бактерии, вызывающиестолбняк и ботулизм, секретируют сильные протеолитические нейротоксины, которые проникают в определенные нейроны и отщепляют белки SNARE в нервныхокончаниях. Таким образом, бактерии нарушают процесс синаптической передачи,что зачастую приводит к смерти.Рис. 13.16.
Структура транс-SNARE комплекса. Белки SNARE, отвечающие за докинг синаптическихпузырьков на плазматической мембране нервных окончаний, состоят из трех белков. Синаптобревинбелка v-SNARE и синтаксин белка t-SNARE являются трансмембранными белками, и каждый из нихвносит одну α-спираль в комплекс. Периферический мембранный белок Snap25 t-SNARE вносит двеα-спирали в четырехспиральный тяж. Они соединены петлей (на рисунке опущена), которая лежитпараллельно мембране и несет заякоренные в ней жирные ацильные цепи. Во многих других t-SNAREкаждая α-спираль представляет собой отдельный белок, заякоренный в мембране трансмембраннойспиралью.
Транс-SNARE комплексы всегда состоят из четырех плотно переплетенных α-спиралей, трииз которых вносятся t-SNARE и одна — v-SNARE. t-SNARE состоят из нескольких белков, один из которыхвсегда представляет собой трансмембранный белок, вносящий одну спираль, а один или два представляют собой более легкие цепи, которые не всегда являются трансмембранными белками и которыевносят две остальные спирали в четырехспиральный тяж транс-SNARE комплекса.
Здесь представленамодель кристаллической структуры стабильного комплекса четырех переплетающихся α-спиралей, полученная на основе структур всех четырех белков. Для наглядности α-спирали представлены стержнями.(Адаптировано из R. B. Sutton et al., Nature 395: 347–353, 1998. С любезного разрешения издательстваMacmillan Publishers Ltd.1292Часть IV.
Внутренняя организация клеткиСчитают, что транс-SNARE комплексы катализируют слияние мембран, используя энергию, высвобождающуюся при оборачивании друг вокруг друга взаимодействующих спиралей и притягивании мембран друг к другу, что одновременновыталкивает молекулы воды с поверхности бислоев (рис. 13.17).
При смешиваниилипосом, содержащих очищенные v-SNARE, с липосомами, содержащими комплементарные t-SNARE, их мембраны сливаются, хотя и медленно. В клетке другиебелки, рекрутируемые к месту слияния (предположительно, эффекторы Rab), совместно со SNARE ускоряют слияние.Слияние не всегда происходит сразупосле образования комплекса v-SNAREи t-SNARE. Как мы обсудим позже, в процессе регулируемого экзоцитоза слияниеоткладывается до тех пор, пока не поступит специфический внеклеточный сигнал.В данном случае, по-видимому, локальныйвходящий ток Ca2+ инициирует слияниеза счет высвобождения ингибиторных белков, не позволяющих полностью сомкнуться транс-SNARE комплексам.Белки Rab, регулирующие доступность белков SNARE, обеспечивают дополнительный уровень контроля.
t-SNAREв мембранах-мишенях зачастую связаны с ингибиторными белками, которыедолжны высвобождаться для того, чтобыt-SNARE смогли функционировать в полную силу. Белки Rab и их эффекторыинициируют высвобождение этих ингибиторных белков SNARE. Таким образом,белки SNARE концентрируются и активируются в правильном месте мембраны, гдесоединительные белки улавливают приходящие везикулы. Белки Rab в результатеускоряют процесс, благодаря которому Рис. 13.17.
Модель того, как белки SNARE катализируют слияние мембран. Слияние мембран происходит в несколько этапов. Благодаря крепкомусцеплению белков v-SNARE и t-SNARE, липидныебислои фиксируются друг напротив друга, и молекулы воды вытесняются с поверхности мембран. Липидные молекулы двух взаимодействующих монослоев перетекают между мембранами и образуютсоединительную перемычку (сталк). Затем начинаютвзаимодействовать липиды двух других монослоев,образуя новый бислой, который расширяется в область слияния (гемислияние, или полуслияние). Разрыв нового бислоя завершает реакцию слияния.Глава 13. Внутриклеточный везикулярный транспорт 1293правильные белки SNARE в двух мембранах узнают друг друга.Чтобы везикулярный транспорт правильно функционировал, транспортныепузырьки должны нести правильные белки Rab и SNARE.
Тогда неудивительно,что многие транспортные везикулы будут образовываться только после того, какв их мембрану будут включены соответствующие комплементарные белки Rabи SNARE. Как работает этот ключевой механизм процесса отпочковывания мембран, остается загадкой.13.1.10. Взаимодействующие SNARE должны разойтись, преждечем они смогут снова функционироватьБольшинство белков SNARE в клетке уже поучаствовало в многочисленныхклеточных слияниях и часто присутствует в мембране в форме стабильных комплексов с комплементарными SNARE. Комплексы должны распасться, преждечем SNARE смогут опять опосредовать везикулярный транспорт.
Ключевой белок,носящий название NSF (N-ethylmaleimid-sensitive Fusion Protein — фактор, чувствительный к N-этилмалеимиду), циркулирует между мембранами и цитозолеми катализирует процесс разборки комплексов. Это ATPаза, использующая энергиюгидролиза ATP для распутывания тонких связей между спиральными доменамивзаимодействующих белков SNARE (рис. 13.18). Требование NSF-зависимой реактивации SNARE путем разборки комплекса SNARE препятствует беспорядочномуслиянию мембран: если бы t-SNARE в мембране-мишени всегда были активными,любая мембрана, содержащая комплементарные v-SNARE, смогла бы слиться с нейпри контакте. Неизвестно, как же контролируется активность NSF, что аппаратSNARE активируется в нужное время и в нужном месте, но, вероятно, в этом процессе участвуют эффекторы Rab.13.1.11. Вирусные белки слияния и белки SNARE могут работатьпо одинаковым механизмам слиянияСлияние мембран играет важную роль не только в процессах везикулярноготранспорта.
Плазматические мембраны сперматозоида и яйцеклетки сливаютсяпри оплодотворении (см. главу 21), и миобласты сливаются друг с другом в процессе развития многоядерных мышечных волокон (см. главу 22). Митохондриитакже постоянно динамически сливаются и фрагментируются (см. главу 14). Всепроцессы слияния клеточных мембран требуют специальных белков и точно ре-Рис. 13.18. Диссоциация спаренных SNARE белком NSF после цикла слияния мембран. После того как,благодаря v-SNARE и t-SNARE, транспортная везикула слилась с мембраной-мишенью, NSF связываетсяс комплексом SNARE и с помощью двух дополнительных белков гидролизует ATP и растаскивает белкиSNARE.1294Часть IV. Внутренняя организация клеткигулируются, обеспечивая слияние только правильных мембран.
Регуляция необходима для поддержания как индивидуальности клеток, так и индивидуальностивнутриклеточных компартментов.Лучше всего изучено слияние мембран, катализируемое вирусными белкамислияния. Эти белки играют ключевую роль во вхождении капсульных вирусов(несущих мембранную оболочку, основанную на липидном бислое) в инфицируемые ими клетки (см. главы 5 и 24). Например, такие вирусы, как вызывающийСПИД вирус иммунодефицита человека (ВИЧ), связываются с рецепторами на поверхности клетки и затем сливаются с плазматической мембраной клетки-мишени(рис. 13.19). В результате, вирусная нуклеиновая кислота, расположенная внутринуклеокапсида, входит в цитозоль и там реплицируется.
Другие вирусы, например вирус гриппа, сначала входят в клетку посредством рецептор-опосредованногоэндоцитоза (обсуждаемого ниже) и доставляются в эндосомы; низкий pH эндосомактивирует белок слияния в оболочке вируса, катализирующий слияние вируснойи эндосомальной мембран с одновременным выходом вирусной нуклеиновой кислоты в цитозоль.Трехмерные структуры белков слияния ВИЧ и вируса гриппа предоставилибесценные сведения о молекулярном механизме слияния мембран, катализируемогоэтими белками.
Взаимодействие белка слияния ВИЧ с рецепторами на поверхности мембраны или белка слияния вируса гриппа с низким pH делает доступнымискрытые до этого гидрофобные участки. Эти области, носящие название пептидовслияния, затем напрямую встраиваются в липидный бислой мембраны-мишени.Таким образом, белки слияния временно становятся интегральными белками двухразных липидных слоев. Структурные перестройки белков слияния затем сближаюти дестабилизируют липидные бислои, которые затем сливаются (см. рис. 13.19).Таким образом, вирусные белки слияния и белки SNARE по сходному механизмуспособствуют слиянию мембран.ЗаключениеНаправленный и селективный транспорт определенных мембранных компонентов из одного мембранного компартмента эукариотической клетки в другойподдерживает различия между этими компартментами.
Транспортные везикулы, которые могут быть сферическими, трубчатыми или неправильной формы,отпочковываются от специализированных окаймленных участков донорныхмембран. Образование каймы способствует сбору определенных мембранныхи растворимых молекул груза для транспорта и обеспечения энергией процессаобразования везикулы.Существуют различные типы окаймленных пузырьков. Лучше всего охарактеризованы клатриновые везикулы, которые опосредуют транспорт из плазматической мембраны и транс-сети Гольджи, и COPI- и COPII-везикулы, которыеопосредуют транспорт между ЭР и цистернами Гольджи соответственно.В клатриновых пузырьках адаптерные белки связывают клатрин с мембранойвезикулы и улавливают определенные молекулы груза для упаковки в везикулу.После отпочковывания оболочка быстро теряется, что позволяет везикулеслиться с соответствующей мембраной-мишенью.Локальный синтез фосфолипидов создает сайты связывания, которые запускают сборку оболочки и отпочковывание везикул.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
