Аппарат Гольджи. 2

 
Описание структуры аппарата Гольджи тесно связано с описанием егоосновных биохимических функций, поскольку подразделение этогоклеточного компартмента на отделы производится преимущественно на основе локализации ферментов, расположенных в том или ином отделе.

Чаще всего в аппарате Гольджи выделяют четыре основных отдела: цис- Гольджи , медиал-Гольджи , транс-Гольджи и транс-Гольджи сеть ( TGN )

Кроме того к аппарату Гольджи иногда относят так называемыйпромежуточный компартмент , представляющий собой скопление  мембранных пузырьков между эндоплазматическим ретикулумом и цис-Гольджи. Аппарат Гольджи является очень полиморфной органеллой; в клетках разных типов и даже на разных стадиях развития одной и той же клетки он может выглядеть по-разному. Основные его характеристики таковы:

1) наличие стопки  из нескольких (обычно 3-8) уплощенных  цистерн, более или менее плотно  прилегающих друг к другу. Такая  стопка всегда бывает окружена  некоторым (иногда очень значительным) количеством мембранных пузырьков. В животных клетках чаще можно  встретить одну стопку, в то  время как в растительных клетках  их обычно бывает несколько; каждую  из них в таком случае называют диктиосомой . Отдельные диктиосомы могут быть связаны между собой системой вакуолей, образуя трехмерную сеть;

2) композиционная гетерогенность, выражающаяся в том, что постоянные (resident) ферменты неоднородно распределены по органелле;

3) полярность , то есть наличие цис-стороны, обращенной к эндоплазматическому ретикулуму и ядру, и транс-стороны,обращенной к поверхности клетки (это особенно характерно для секретирующих клеток);

4) ассоциация с микротрубочками и областью центриоли . Разрушение микротрубочек деполимеризующими агентами приводит к фрагментации аппарата Гольджи, однако его функции при этом существенно не затрагиваются. Аналогичная фрагментация наблюдается и в естественных условиях, во время митоза . После восстановления системы микротрубочек разбросанные по клетке элементы аппарата Гольджи собираются (по микротру-бочкам) в область центриоли,и реконструируется нормальный комплекс Гольджи.

Функции аппарата Гольджи очень многообразны. К ним можно отнести:

1) сортировку, накопление  и выведение секреторных продуктов;

2) завершение посттрансляционной модификации белков ( гликозилирование , сульфатированиеи т.д.);

3) накопление молекул липидов и образование липопротеидов ;

4) образование лизосом ;

5) синтез полисахаридов для образования гликопротеидов, восков, камеди, слизей, веществ матрикса клеточных стенок растений

(гемицеллюлоза, пектины) и т.п.

6) формирование клеточной пластинки после деления ядра в растительных клетках;

7) участие в формировании акросомы ;

8) формирование сократимых вакуолей простейших.

Этот список, без сомнения, неполон, и дальнейшие исследования не только позволят лучше понять уже известные функции аппарата Гольджи, но и приведут к открытию новых. Пока самыми изученными с биохимической точки зрения остаются функции, связаные с транспортом и модификацией новосинтезированных белков.

Белки: модификация, осуществляемая ферментами аппарата Гольджи

 

Гликозилирование белков

 

 
Гликозилированием называют процесс присоединения к полипептидной цепи различных углеводных остатков. Все секретируемые белки эукариот бывают в той или иной степени гликозилированы.

N-гликозилирование

 
N-гликозилирование осуществляется по аспарагину , расположенному через один аминокислотный остаток от триптофана , и происходит постадийно. Процесс этот выглядит как показано на рис. 8-54 и имеет следующие стадии:

1) находясь в шероховатом эндоплазматическом ретикулуме , белок взаимодействует с мембраносвязанным донором олиго-сахаридов долихол- фосфатом ( Dol ), переносящим на белок слаборазветвленную олигосахаридную цепочку, состоящую из девяти остатков маннозы (Man) и трех остатков глюкозы (Glc). Эта цепочка прикрепляется к белку через два остатка N-ацетилглюкозамина ( NAcGlc ). Ингибитором этой реакции является антибиотик туникомицин . Выглядит реакция следующим образом:

 

                    Glc                            Glc

                     I                              I

                    Glc                            Glc

                     I                              I

                    Glc                            Glc

                     I                              I

                    Man  Man  Man                  Man  Man  Man

                     I    I    I                    I    I    I

 polypeptide   +    Man  Man  Man  -----> Dol  +   Man  Man  Man

                     I     I  /                     I     I  /

                    Man    Man                     Man    Man

                      I   /                          I   /

                       Man                            Man

                        I                              I

                      NAcGlc                         NAcGlc

                        I                              I

                      NAcGlc                         NAcGlc

                        I                              I

                       Dol                         polypeptide

2) В эндоплазматическом ретикулуме работают также глюкозидаза I и глюкозидаза II , которые затем удаляют остатки глюкозы от получившегося гликопротеина (ингибитором этой реакции являетсядезоксинойримицин ):

   

          Glc

                I

               Glc

                I

               Glc

                I

               Man  Man  Man               Man  Man  Man

                I    I    I                 I    I    I

               Man  Man  Man               Man  Man  Man

                I     I  /                  I     I  /

               Man    Man       -----;     Man    Man

                 I   /                       I   /

                 Man                         Man

                  I                           I

                NAcGlc                      NAcGlc

                  I                           I

                NAcGlc                      NAcGlc

                  I                           I

             polypeptide                 polypeptide

3) Локализованный в цис-Гольджи фермент маннозидаза I удаляет четыре остатка маннозы :

               Man  Man

Man

                I    I    I

               Man  Man  Man                   Man  Man

                I     I  /                       I  /

               Man    Man                Man    Man

                 I   /                     I   /

                 Man            -----       Man

                  I                         I

                NAcGlc                    NAcGlc

                  I                         I

                NAcGlc                    NAcGlc

                  I                         I

             polypeptide               polypeptide

4) В медиал-Гольджи работают ферменты NAcGlc-трансфераза I, маннозидаза II и NAcGlc-трансфераза II , катализирующие реакции (1), (2) и (3) соответственно:

      Man Man    NAcGlc Man Man  

NAcGlc          NAcGlc  NAcGlc

         I  /       I     I  /        I                 I     I

  Man    Man       Man    Man       Man    Man         Man    Man

    I   /            I   /            I   /              I   /

    Man      (1)     Man      (2)     Man       (3)      Man

     I      -----    I      -----     I       -----       I

   NAcGlc           NAcGlc           NAcGlc             NAcGlc

     I                I                I                  I

   NAcGlc           NAcGlc           NAcGlc             NAcGlc

     I                I                I                  I

polypeptide      polypeptide      polypeptide        polypeptide

После прохождения реакций (1) и (2) гликопротеин приобретает устойчивость к действиюэндонуклеазы H ( EndoH ). На всех предыдущих стадиях обработка Endo H приводит к полному отщеплению олигосахаридной последовательности. Благодаря этой особенности, устойчивость к Endo H является важным признаком, позволяющим говорить о том, что данный белок был транспортирован в медиал-Гольджи .

5) NAcGlc-трансферазаIV , локализованная либо в медиал-Гольджи, либо в транс-Гольджи , присоединяет еще один остаток NAcGlc

   NAcGlc  NAc  Glc          NAcGlc  NAcGlc  NAcGlc

           I     I                I      I  /

          Man    Man              Man    Man

            I   /                   I   /

            Man                     Man

             I        ----->         I

           NAcGlc                  NAcGlc

             I                       I

           NAcGlc                  NAcGlc

             I                       I

        polypeptide              polypeptide

6) В транс-Гольджи ферменты фукозилтрансфераза , галактозилтрансфераза исиалилтрансфераза завершают модификацию,соответственно присоединяя к гликопротеинуфукозу , три остатка галактозы (Gal) и три остатка сиаловой кислоты (SA):

                  

                     SA     SA      SA

                                          I      I       I

                                         Gal    Gal     Gal

                                          I      I       I

       NAcGlc  NAcGlc  NAcGlc           NAcGlc NAcGlc  NAcGlc

            I      I  /                      I     I  /

            Man    Man                      Man    Man

              I   /                           I   /

              Man                             Man

               I         ------>               I

             NAcGlc                          NAcGlc

               I                               I

             NAcGlc                          NAcGlc - Fucose

               I                               I

          polypeptide                     polypeptide

 

 

N-гликозилирование белков, направляемых в лизосомы

 

N-гликозилирование белков, направляемых в лизосомы, происходит

несколько иначе. При попадании в цис-Гольджи они подвергаются действию

N-ацетилглюкозаминфосфотрансферазы , присоединяющей NAcGlc через

фосфатную группу (P) к шестому остатку маннозы :

Man Man Man Man Man Man

I I I I I I

Man Man Man Man Man Man-P-NAcGlc

I I / I I /

Man Man Man Man

I / I /

Man -----> Man

I I

NAcGlc NAcGlc

I I

NAcGlc NAcGlc

I I

polypeptide polypeptide

Затем маннозидазаI и другой фермент цис-Гольджи , фосфодиэфировая

гликозидаза , удаляют три остатка маннозы и NAcGlc:

Man Man Man Man

I / I /

Man --------> Man

I I

NAcGlc NAcGlc

I I

NAcGlc NAcGlc

I I

polypeptide polypeptide

Наличие маннозы-6-фосфата в гликопротеине необходимо для

последующего узнавания в транс-Гольджи и направления в лизосомы .

"Отбор" лизосомных белков осуществляется при помощи

маннозы-6-фосфатного рецептора 

 

O-гликозилирование

 

В процессе О-гликозилирования происходит присоединение одного-двух углеводных остатков преимущественно по серину и триптофану , но иногда и по другим аминокислотным остаткам (например, по гидроперину , как это происходит в растительных белках интенсинах). В одной молекуле полипептида может быть множество сайтов О-гликозилирования . 

Дрожжевая инвертаза, например, содержит 150 остатков маннозы на молекулу.

О-гликозилирование происходит без участия мембраносвязанного посредника. Существуют данные о том, что процесс О-гликозилирования начинается очень скоро после покидания белкомэндоплазматического ретикулума , возможно, уже в промежуточном компартменте , и продолжается, вероятно, в нескольких отделах аппарата Гольджи .

 

Протеогликаны: присоединение к полисахаридов

 

Синтез протеогликанов включает в себя присоединение к белку

большого количества полисахаридов , чья масса может быть в десять раз

больше массы самого белка. Сборка полисахаридных цепей - сложный

процесс, состоящий из ряда стадий, различающихся у разных

протеогликанов. Основные реакции, идущие при этом, таковы:

1) перенос ксилозы от UDP-ксилозы , катализируемый

ксилозилтрансферазой ;

2) наращивание полисахаридной  цепочки путем переноса

моносахаридов от соответствующих нуклеосахаров при помощи

специфических гликозилтрансфераз ;

3) многочисленные модификации  продукта. Доказано, что все эти

процессы (за исключением, может быть, переноса ксилозы ) происходят в

аппарате Гольджи . Для выделения всех ферментов, принимающих в них

участие, требуются дальнейшие исследования.

сульфатирование

 

Сульфатирование протеогликанов, гликопротеинов и гликолипидов

является одной из последних стадий их созревания. Предполагают, что

оно происходит в дистальных отделах аппарата Гольджи, возможно, в

транс-Гольджи .

Белки лизосомальные: сортировка и транспорт

 

Лизосомальные белки отличаются от всех

остальных белков наличием маннозы-6-фосфата в составе своей

олигосахаридной цепи. Они приобретают этот сигнал в цис-Гольджи , где

работают ферменты N-ацетилглюкозаминфосфотрансфераза и

фосфодиэфировая гликозидаза .

Отделение лизосомальных белков происходит в транс-Гольджи сети , в

мембране которой локализован манноза-6-фосфатный рецептор . Здесь

происходит взаимодействие рецептора с маннозо-6-фосфатной группой

гликопротеина. Образовавшиеся комплексы, по-видимому, индуцируют

сборку окаймляющих белков на цитоплазматической поверхности мембраны

транс-Гольджи сети и затем переносятся в эндосомы в составе

окаймленных пузырьков . По мере дифференцировки эндосомы в лизосому , pH

внутри компартмента падает, и это приводит к диссоциации комплекса

лизосомного белка с маннозо-6-фосфатным рецептором, который затем

возвращается в транс-Гольджи сеть , по-видимому, также посредством

окаймленных пузырьков (см. рис 8-76 )

Транспорт мембранный: теория мембранного потока

 

Мембранный транспорт, или мембранный поток ("membrane flow"),

является необходимым для обмена веществ между различными клеточными

органеллами. В настоящее время для описания этого процесса принята

следующая модель:

1) Внутриклеточный транспорт  является направленным; транспорт  от

эндоплазматического ретикулума через аппарат Гольджи к лизосомам,

эндосомам или клеточной поверхности называется антероградным ;

транспорт в обратном направлении - ретроградным .

2) Транспортный путь проходит  через ряд отдельных компартментов,

перенос вещества между которыми осуществляется преимущественно с

помощью окаймленных мембранных пузырьков . В клетке существует

несколько типов окаймляющих белков и, соответственно, несколько типов

окаймленных пузырьков , курсирующих между определенными компартментами.

3) Не все органеллы способны  к прямому обмену пузырьками,

например, транспорт между эндоплазматическим ретикулумом и эндосомами ,

лизосомами и плазматической мембраной может быть осуществлен только

через аппарат Гольджи .

4) Процесс, в результате  которого нужные вещества направляются  в

соответствующие компартменты, называют сортингом ("sorting").

Аппарат Гольджи и механизм передачи сигнала

Обратные 
ссылки

 

Открытия, говорящие о том, что коатомер и Cdc42 взаимодействуют в , PI(3)-киназу , еNOS иCdc42 [ Stow, Heimann, 1998 ; Godi ea., 1999 ; Sowa ea., 1999 , Wu ea., 2000 ].

Мембраны Гольджи взаимодействуют также со множеством двигательных белков и белков , включая , спектрин , а также анкирин , облегчающий пространственное управление Гольджи мембранным транспортом, а также, вероятно, способный координировать сигнальные механизмы [De Matteis, Morrow, 1998 ].

Каким образом могла бы быть организована и регулируема такая база? В течение нескольких лет было известно, что мембранный скелет , чьи компоненты включают актинсвязывающие белки спектрин и анкирин, ассоциирован с цитоплазматической поверхностью Гольджи. Структура этих "лесов" в совокупности с другими ассоциированными с Гольджи периферическими белками (включая многие из вышеупомянутых сигнальных молекул) сильно нарушается при обработкеBFA . Это позволяет предположить, что их ассоциация с Гольджи либо непосредственно зависит от ARF1-ГТФ, либо находится в зависимости от комплексов, чья сборка инициируется активностьюARF-1 . Недавно было показано, что активность ARF1 вызывает возрастание уровня содержанияPIP2 в Гольджи посредством встраивания PI4K бета в мембраны Гольджи [ Godi ea., 1999 ]. Поскольку генерирование PIP2 приводит к сборке актина и спектрина на мембране Гольджи [ De Matteis, Morrow, 1998 ], другие белки могут ассоциироваться и стабилизироваться в этой области, вероятно, ввиду возрастания эффективности сообщения между другими сигнальными молекулами и микротрубочками (см. Рис 2 ).

Таким образом, произведенный с помощью ARF1 PIP2 мог бы исполнять множество сходных сигнальных функций посредством встраивания молекул в мембрану, модулирования активности регуляторных молекул ARF, а также в качестве кофактора PLD [ Godi ea., 1999 ].

Усилия исследователей в области мембранного транспорта, цитоскелета и преобразования сигнала необходимо объединить для детальной разработки роли регуляторных молекул и Cdc42 и COPI, в процессах сортировки и сигнального механизма комплекса Гольджи.

 

 

 

 

 

 

Модификация белков в аппарате Гольджи[править | править вики-текст]

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 .

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 веществ из эндоплазматической сети[править | править вики-текст]

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.

Транспорт белков из аппарата Гольджи[править | править вики-текст]

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[править | править вики-текст]

Многие гидролитические ферменты лизосом проходят через аппарат Гольджи, где они получают «метку» в виде специфического сахара — маннозо-6-фосфата (М6Ф)- в составе присоединенного к аминокислотной цепочке олигосахарида. Добавление 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[править | править вики-текст]

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.