Cell Biology@Yale

Lecture Content

Introduction

Der Sekretionsweg in eukaryontischen Zellen dient dazu, Proteine und Lipide zur Plasmamembran und zu bestimmten membrangebundenen Organellen zu schicken und Material außerhalb der Zelle freizusetzen. Es gibt zwei Arten der Sekretion: die konstitutive und die regulierte. Die konstitutive Sekretion ist der Standardweg und dient in erster Linie dazu, Material an der Plasmamembran und bestimmten membrangebundenen Organellen aufzufüllen. Die regulierte Sekretion endet in sekretorischen Vesikeln, die das sekretierte Material speichern, bis ein Signal die Fusion mit der Plasmamembran auslöst. Beide Arten der Sekretion nutzen denselben Weg, aber Signalsequenzen lenken die Proteine in den regulierten Weg. Zellen holen sich auch Material von der Plasmamembran durch Endozytose. Dieses Material kann entweder zur Plasmamembran zurückgeführt oder im Lysosom abgebaut werden.

Grundsätze des sekretorischen Weges

Proteine und Lipide werden im ER synthetisiert und dann zum Golgi transportiert. Im Golgi werden die Proteine sortiert und zur Plasmamembran, zum Lysosom oder zu den sekretorischen Vesikeln transportiert. Der Transport von Proteinen und Lipiden zwischen membrangebundenen Kompartimenten wird durch Vesikel vermittelt, die aus einem Kompartiment austreten und dann mit dem nachfolgenden Kompartiment verschmelzen. Rabs, Tethers und SNAREs erhöhen die Wahrscheinlichkeit, dass Vesikel mit der richtigen Zielmembran fusionieren. Die Zellen erhalten die Integrität und Funktionalität des ER und des Golgi aufrecht, indem sie verhindern, dass residente Proteine in die Vesikel eindringen, und indem sie die Proteine, die entkommen, zurückholen.

Glykosylierung

Glykosylierung ist die kovalente Bindung von Zuckern an Proteine, die bei den meisten Proteinen im ER stattfindet. Die Glykosylierung unterstützt die Faltung von Proteinen, lenkt Proteine auf bestimmte Organellen (z. B. Lysosom) und hemmt die Proteolyse. Darüber hinaus sind viele Proteine auf der Zelloberfläche und in der extrazellulären Matrix, die die Zellen umgibt, aus verschiedenen biologischen Gründen stark glykosyliert.

Die N-gebundene Glykosylierung findet im ER statt und beinhaltet die Anlagerung einer Gruppe von 14 Zuckern an die Amingruppe von Asparaginen. Die Gruppen enthalten eine Mischung aus N-Acetylglucosamin, Mannose und Glucose. Die Glukosereste werden im ER entfernt, bevor das Protein zum Golgi transportiert wird. Im Golgi können die Zuckerseitenketten durch Entfernung und Hinzufügung verschiedener Zucker weiter modifiziert werden.

Die O-verknüpfte Glykosylierung ist die zweite Form und beinhaltet die Hinzufügung von Zuckern zu Serinen oder Threoninen. Die O-verknüpfte Glykosylierung beginnt wahrscheinlich im Golgi mit der Anlagerung eines einzelnen Zuckers. Andere Enzyme fügen Zucker in Zweiergruppen hinzu, und die Zuckerseitenketten können extrem lang werden.

Der Golgi-Komplex ist ein Stapel von Membranzisternen mit einer einzigartigen biochemischen Zusammensetzung. Die Zisternen werden üblicherweise als cis-, mediales, trans- und trans-Golgi-Netzwerk bezeichnet, wobei die Proteine in das cis-Netzwerk aus dem ER eintreten und aus dem TGN austreten. Die Zisternen scheinen eine einzigartige Reihe von Enzymen zu enthalten, die die Zuckerseitenketten von Proteinen verändern. Zum Beispiel wird Mannose hauptsächlich in der medialen Zisterne entfernt, während Galaktose in der trans-Zisterne hinzugefügt wird.

Vesikulärer Transport

Der Transport zwischen den Membrankompartimenten wird durch kleine Vesikel vermittelt. Die Vesikel enthalten eine Proteinhülle, die die Vesikelbildung antreibt und Proteine in die Vesikel rekrutiert. Die Vesikel werden durch eine Kombination von Rab-Proteinen und SNAREs in das richtige Kompartiment gelenkt. Rab-Proteine sind eine große Familie kleiner GTP-bindender Proteine, und jedes Membrankompartiment des sekretorischen Weges scheint ein eigenes Rab-Protein zu enthalten. SNAREs sind Proteine auf Vesikeln und Membrankompartimenten, die sich zusammenschließen, um die Fusion zu vermitteln. SNAREs bilden eine weitere große Familie von Proteinen, und verschiedene Kompartimente enthalten wahrscheinlich einzigartige SNARE-Proteine.

Bildung von Vesikeln

Die Bildung von Vesikeln aus dem ER ist am besten verstanden und soll als Beispiel für die Vesikelbildung dienen. Der Mechanismus ist wahrscheinlich bei anderen Kompartimenten ähnlich. Der Aufbau einer Proteinhülle treibt die Bildung an, und der Aufbau der Hülle beginnt mit der Bindung des kleinen GTP-bindenden Proteins Sar1. Sar1-GTP assoziiert mit dem ER und fügt eine kleine Helix in das äußere Blättchen der ER-Membran-Doppelschicht ein, um die Krümmung der Membran einzuleiten. Sar1-GTP rekrutiert zwei weitere Gruppen von Proteinen, die die Vesikelhülle bilden: den Sec23-Sec24-Komplex, der an Frachtproteine bindet, und den Sec13-Sec31-Komplex, der die Vesikelbildung unterstützt. Die Auswahl der Fracht für die meisten Proteine erfordert eine Signalsequenz, die mit dem Sec23-24-Komplex interagiert. Lösliche Proteine im Lumen des ER assoziieren mit Cargo-Rezeptoren, die eine Signalsequenz enthalten, die Sec23-Sec24 bindet. Der Hüllenkomplex, der die Vesikel aus dem ER umgibt, wird COP II genannt.

Ausrichtung der Vesikel auf das richtige Kompartiment

Zwei Gruppen von Proteinen scheinen den Vesikeln zu helfen, mit der richtigen Zielmembran zu verschmelzen. Eine Gruppe umfasst Tether, die sich in den Zielmembrankompartimenten lokalisieren und mit Komponenten der Vesikelhülle interagieren. In Zellen wurden mehrere verschiedene Tether identifiziert, die jeweils in einem bestimmten Kompartiment lokalisiert zu sein scheinen. Tethers bilden Strukturen, die sich von der Kompartimentmembran in das Zytosol erstrecken. Dies kann dazu beitragen, dass die Tether mit Vesikeln interagieren, die aus dem vorhergehenden Membrankompartiment kommen.

Eine zweite Gruppe von Proteinen, die dazu beiträgt, Vesikel korrekt auf die entsprechende Membran auszurichten, sind die SNAREs. SNAREs vermitteln auch die Verschmelzung zwischen Membranen. Vesikel enthalten ein SNARE-Protein (vSNARE) und Membrankompartimente enthalten 2 bis 3 SNARE-Proteine (tSNAREs). SNARE-Proteine auf Vesikeln und Membrankompartimenten interagieren auf spezifische Weise. Tierzellen exprimieren 35 verschiedene SNARE-Proteine, aber nur bestimmte Gruppen von SNAREs interagieren miteinander. Durch die Lokalisierung der SNAREs, die nur mit Vesikeln und ihrer Zielmembran interagieren, stellen die Zellen sicher, dass Vesikel mit der richtigen Zielmembran fusionieren.

Membranfusion

SNARE-Proteine vermitteln die Fusion zwischen Vesikeln und ihrem Zielmembrankompartiment. SNARE-Proteine enthalten lange Regionen, die helikale Strukturen bilden. Die helikalen Domänen in vSNAREs und tSNAREs interagieren und scheinen einen Reißverschluss zu bilden. Man nimmt an, dass die durch die vollständige Paarung von vSNAREs und tSNAREs freigesetzte Energie die Fusion zwischen Vesikelmembran und Kompartimentmembran vorantreibt, obwohl der genaue Mechanismus noch unklar ist.

Einige Vesikel docken an ihre Zielmembran an, fusionieren aber nicht. Beispielsweise speichern sekretorische Vesikel Proteine und andere kleine Moleküle, bis der Zelle signalisiert wird, sie freizusetzen. Einige sekretorische Vesikel docken durch die Interaktion von vSNAREs und tSNAREs an die Plasmamembran an, aber die SNAREs werden daran gehindert, sich vollständig zu paaren, um die Membranfusion zu steuern. Externe Signale lösen die Aufhebung der Paarungshemmung aus, so dass die Vesikel mit der Plasmamembran verschmelzen können.

Proteinsortierung im trans-Golgi-Netzwerk

Nach Erreichen des trans-Golgi-Netzwerks werden die meisten Proteine an ihren endgültigen Bestimmungsort geleitet. Der Standardweg scheint der Transport zur Plasmamembran zu sein, da die Plasmamembran ständig Lipide und Proteine ersetzen muss. Andere Proteine werden zu Lysosomen und sekretorischen Vesikeln sortiert. Das Signal für die Weiterleitung eines Proteins an das Lysosom ist die Zuckerseitenkette. Die meisten lysosomalen Proteine enthalten Mannose-6-phosphat, das im cis-Golgi angefügt wird. Der Rezeptor, der Mannose-6-Phosphat bindet, befindet sich im trans-Golgi-Netzwerk und rekrutiert Hüllproteine in das trans-Golgi-Netzwerk. Clathrin bildet die Hülle um diese Vesikel, und die Vesikel reichern lysosomale Proteine an, bevor sie aus dem trans-Golgi-Netzwerk austreten. Diese Vesikel verschmelzen mit den Endosomen. Das Lumen der Endosomen hat einen niedrigen pH-Wert, wodurch der Mannose-6-Phosphat-Rezeptor von den lysosomalen Proteinen dissoziiert. Der Mannose-6-Phosphat-Rezeptor wird in das trans-Golgi-Netzwerk zurückgeführt, und das Vesikel, das die lysosomalen Proteine enthält, reift zu einem funktionsfähigen Lysosom heran.

Einige Proteine werden in sekretorische Vesikel sortiert, die diese Proteine speichern, bis der Zelle signalisiert wird, sie freizusetzen. Der Mechanismus, durch den Proteine in sekretorische Vesikel sortiert werden, da diese Proteine keine gemeinsame Sortierungssignalsequenz haben.

Endozytose

Zellen geben nicht nur Material an die äußere Umgebung ab, sondern sie nehmen auch Material von außerhalb der Plasmamembran durch Endozytose auf. Es gibt verschiedene Formen der Endozytose.

Die Phagozytose ermöglicht es einigen Zellen (Makrophagen, Neutrophilen), große Partikel wie Mikroorganismen und tote Zellen zu verschlingen und aufzunehmen. Bei der Phagozytose stülpt sich die Plasmamembran um das Partikel. Die Ausstülpung wird durch Aktinpolymerisation angetrieben. Die Plasmamembran umgibt schließlich das Partikel und verschmilzt, um es vollständig einzuschließen und ein großes endozytisches Vesikel zu bilden.

Die Pinozytose bildet viel kleinere Vesikel (~ 100 nm) und ermöglicht es den Zellen, kleine Mengen extrazellulärer Flüssigkeit und Teile der Plasmamembran aufzunehmen. Eine Form der Pinozytose ist die Clathrin-vermittelte Endozytose, die es den Zellen ermöglicht, bestimmte Proteine von der Zelloberfläche aufzunehmen.

Die Clathrin-vermittelte Endozytose beginnt mit der Bildung einer Grube in der Plasmamembran. Die Grube ist auf der zytoplasmatischen Seite von Adaptorproteinen umgeben, die Clathrin mit der Grube verbinden. Die Adaptoren interagieren auch mit Proteinen in der Plasmamembran, die für die Endozytose bestimmt sind. Die Grube kann etwa 1000 Proteine aufnehmen. Die Polymerisation von Clathrin führt zur Bildung eines Vesikels, das sich schließlich von der Plasmamembran abschnürt. Die GTPase Dynamin katalysiert die Abschnürungsreaktion. Die mit Clathrin beschichteten Vesikel verschmelzen mit Endosomen, in denen der niedrige pH-Wert die Liganden von den Rezeptoren abspaltet. Einige Proteine werden dann zur Plasmamembran zurückgeführt, während andere zum Lysosom transportiert werden, wo sie abgebaut werden.

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