Lecture Content
Introduction
Eukaryoottisolujen erittymisreittiä käytetään lähettämään proteiineja ja lipidejä plasmakalvoon ja tiettyihin kalvoon sidottuihin organelleihin sekä vapauttamaan materiaalia solun ulkopuolelle. Erittymistä on kahdenlaista: konstitutiivista ja säänneltyä. Konstitutiivinen eritys on oletusarvoinen reitti, ja sitä käytetään ensisijaisesti plasmakalvon ja tiettyjen kalvoon sidottujen organellien materiaalin täydentämiseen. Säännelty eritys päättyy erittäviin vesikkeleihin, jotka varastoivat erittyvää materiaalia, kunnes jokin signaali käynnistää fuusion plasmakalvon kanssa. Molemmat eritystyypit käyttävät samaa reittiä, mutta signaalisekvenssit ohjaavat proteiinit säänneltyyn reittiin. Solut hakevat materiaalia plasmakalvolta myös endosytoosin avulla. Tämä materiaali voidaan joko kierrättää plasmakalvoon tai hajottaa lysosomissa.
Sekretorisen reitin periaatteet
Proteiinit ja lipidit syntetisoidaan ER:ssä ja kuljetetaan sitten Golgiin. Proteiinit lajitellaan Golgissa ja lähetetään plasmakalvolle, lysosomiin tai sekretorisiin vesikkeleihin. Proteiinien ja lipidien kuljetusta kalvoon sidottujen lokeroiden välillä välittävät vesikkelit, jotka lähtevät yhdestä lokerosta ja sulautuvat seuraavaan lokeroon. Rabit, sidokset ja SNAREt lisäävät todennäköisyyttä, että vesikkelit sulautuvat oikeaan kohdekalvoon. Solut ylläpitävät ER:n ja Golgin eheyttä ja toimivuutta estämällä residenssivalkuaisia proteiineja pääsemästä vesikkeleihin ja noutamalla takaisin ne proteiinit, jotka pääsevät pakenemaan.
Glykosylaatio
Glykosylaatio on sokerien kovalenttista kiinnittymistä proteiineihin, jota tapahtuu useimmille proteiineille ER:ssä. Glykosylaatio auttaa proteiineja taittumaan, kohdistaa proteiinit tiettyihin organelleihin (esim. lysosomi) ja estää proteolyysin. Lisäksi monet solujen pinnalla ja soluja ympäröivässä solunulkoisessa matriksissa olevat proteiinit ovat voimakkaasti glykosyloituja useisiin biologisiin tarkoituksiin.
N-sidonnainen glykosylaatio tapahtuu ER:ssä, ja se käsittää 14 sokerista koostuvan ryhmän liittämisen asparagiinien aminoryhmään. Ryhmät sisältävät sekoituksen N-asetyyliglukosamiinia, mannoosia ja glukoosia. Glukoosijäämät poistetaan ER:ssä ennen kuin proteiini kuljetetaan Golgiin. Golgissa sokerin sivuketjuja voidaan edelleen muokata poistamalla ja lisäämällä erilaisia sokereita.
O-sidoksinen glykosylaatio on toinen muoto, ja siinä sokereita lisätään seriineihin tai treonineihin. O-sidoksinen glykosylaatio alkaa todennäköisesti Golgissa yhden sokerin lisäyksellä. Muut entsyymit lisäävät sokereita kahden sokerin ryhmissä, ja sokerin sivuketjuista voi tulla erittäin pitkiä.
Golgi-kompleksi on pino kalvosisternoja, joilla on ainutlaatuinen biokemiallinen koostumus. Cisternoita kutsutaan yleensä cis-, mediaaliseksi, trans- ja trans-Golgi-verkostoksi, ja proteiini tulee cis-verkostoon ER:stä ja poistuu TGN:stä. Cisternat näyttävät sisältävän ainutlaatuisen joukon entsyymejä, jotka muokkaavat proteiinien sokerin sivuketjuja. Esimerkiksi mannoosi poistetaan pääasiassa mediaalisessa sisternassa, kun taas trans-sisternassa lisätään galaktoosia.
Vesikkelikuljetus
Kalvokompartmenttien välistä kuljetusta välittävät pienet vesikkelit. Vesikkelit sisältävät proteiinikuoren, joka ohjaa vesikkelin muodostumista ja rekrytoi proteiineja vesikkeleihin. Vesikkelit kohdistetaan oikeaan lokeroon Rab-proteiinien ja SNAREjen yhdistelmän avulla. Rab-proteiinit ovat suuri perhe pieniä GTP:tä sitovia proteiineja, ja jokaisessa erittymisreitin kalvokompartimentissa näyttää olevan yksilöllinen Rab-proteiini. SNAREt ovat vesikkelien ja kalvokompartmenttien proteiineja, jotka muodostavat pariliitoksen fuusion välittämiseksi. SNAREt muodostavat toisen suuren proteiiniperheen, ja eri lokerot sisältävät todennäköisesti ainutlaatuisia SNARE-proteiineja.
Vesikkelien muodostuminen
Vesikkelien muodostuminen ER:stä ymmärretään selkeimmin, ja se toimii esimerkkinä siitä, miten vesikkelit muodostuvat. Mekanismi on todennäköisesti samanlainen muissakin lokeroissa. Proteiinikuoren kokoaminen ohjaa muodostumista ja kuoren kokoaminen alkaa pientä GTP:tä sitovan proteiinin Sar1:n sitoutumisella. Sar1-GTP assosioituu ER:n kanssa ja asettaa pienen heliksen ER-kalvon kaksoiskerroksen ulompaan lehteen aloittaakseen kalvon kaarevuuden. Sar1-GTP rekrytoi kaksi muuta proteiinikokonaisuutta, jotka muodostavat vesikkelin kuoren: Sec23-Sec24-kompleksin, joka sitoutuu lastiproteiineihin, ja Sec13-Sec31-kompleksin, joka auttaa ohjaamaan vesikkelin muodostumista. Useimpien proteiinien rahdin valinta edellyttää signaalisekvenssiä, joka on vuorovaikutuksessa Sec23-24-kompleksin kanssa. ER:n luumenissa olevat liukoiset proteiinit assosioituvat lastireseptoreihin, jotka sisältävät signaalisekvenssin, joka sitoo Sec23-Sec24:ää. ER:stä lähteviä vesikkeleitä ympäröivää vaippakompleksia kutsutaan COP II:ksi.
Vesikkelien kohdentaminen oikeaan kompartimenttiin
Kaksi proteiiniryhmää näyttää auttavan vesikkeleitä fuusioitumaan oikeaan kohdekalvoon. Toiseen ryhmään kuuluu kiinnittimiä, jotka lokalisoituvat kohdekalvokompartimentteihin ja ovat vuorovaikutuksessa vesikkelin vaipan komponenttien kanssa. Soluissa on tunnistettu useita erilaisia sidoksia, ja kukin niistä näyttää lokalisoituvan tiettyyn lokeroon. Sidokset muodostavat rakenteita, jotka ulottuvat lokeron kalvosta sytosoliin. Tämä saattaa auttaa tettereitä vuorovaikutuksessa edellisestä kalvokompartimentista saapuvien vesikkelien kanssa.
Toinen joukko proteiineja, jotka auttavat kohdentamaan vesikkelin oikein sopivaan kalvoon, ovat SNAREt. SNAREt välittävät myös kalvojen välistä fuusiota. Vesikkelit sisältävät yhden SNARE-proteiinin (vSNARE) ja kalvokompartimentit 2-3 SNARE-proteiinia (tSNAREt). Vesikkelien ja kalvokompartmenttien SNARE-proteiinit ovat spesifisessä vuorovaikutuksessa. Eläinsolut ilmentävät 35 erilaista SNARE-proteiinia, mutta vain tietyt SNARE-sarjat ovat vuorovaikutuksessa keskenään. Lokalisoimalla ne SNARE-proteiinit, jotka ovat vuorovaikutuksessa vain vesikkelien ja niiden kohdekalvon kanssa, solut varmistavat, että vesikkelit fuusioituvat oikeaan kohdekalvoonsa.
Membraanifuusio
SNARE-proteiinit välittävät vesikkelien ja niiden kohdekalvokompartimentin välistä fuusiota. SNARE-proteiinit sisältävät pitkiä alueita, jotka muodostavat kierteisiä rakenteita. VSNARE- ja tSNARE-proteiinien kierteiset domeenit ovat vuorovaikutuksessa ja näyttävät vetoketjuuntuvan. Energian, joka vapautuu vSNARE- ja tSNARE-proteiinien täydellisestä pariliitoksesta, uskotaan aiheuttavan fuusion vesikkelikalvon ja lokeron kalvon välillä, vaikka tarkka mekanismi on edelleen epäselvä.
Jotkut vesikkelit telakoituvat kohdekalvoonsa, mutta eivät fuusioidu. Esimerkiksi sekretoriset vesikkelit varastoivat proteiineja ja muita pieniä molekyylejä, kunnes solu saa signaalin vapauttaa ne. Jotkin sekretoriset vesikkelit telakoituvat plasmakalvoon vSNAREjen ja tSNAREjen vuorovaikutuksen kautta, mutta SNAREt eivät pysty muodostamaan täydellistä pariliitosta, joka johtaisi kalvon fuusioon. Ulkoiset signaalit laukaisevat parinmuodostuksen eston poistamisen, jolloin vesikkelit fuusioituvat plasmakalvoon.
Proteiinien lajittelu trans-Golgi-verkostossa
Trans-Golgi-verkostoon saavuttuaan useimmat proteiinit kohdistuvat lopulliseen määränpäähänsä. Oletusarvoinen reitti näyttää olevan kuljetus plasmakalvoon, koska plasmakalvon on jatkuvasti vaihdettava lipidejä ja proteiineja. Muut proteiinit lajitellaan lysosomeihin ja erittäviin vesikkeleihin. Signaali proteiinin lähettämiseksi lysosomiin liittyy sokerin sivuketjuun. Useimmat lysosomaaliset proteiinit sisältävät mannoosi-6-fosfaattia, joka lisätään cis-Golgissa. Reseptori, joka sitoo mannoosi-6-fosfaattia, sijaitsee trans-Golgi-verkostossa ja rekrytoi päällysteproteiinit trans-Golgi-verkostoon. Klatriini muodostaa kotelon näiden vesikkelien ympärille, ja vesikkelit keräävät lysosomaalisia proteiineja ennen kuin ne irtoavat trans-Golgi-verkosta. Vesikkelit sulautuvat endosomeihin. Endosomien luumenissa on alhainen pH, jolloin mannoosi-6-fosfaattireseptori dissosioituu lysosomaalisista proteiineista. Mannoosi-6-fosfaattireseptori palautuu takaisin trans-Golgi-verkkoon ja lysosomaalisia proteiineja sisältävä vesikkeli kypsyy toimivaksi lysosomiksi.
Jotkut proteiinit lajittuvat erittäviin vesikkeleihin, jotka varastoivat näitä proteiineja, kunnes solu saa signaalin vapauttaa ne. Mekanismi, jolla proteiinit lajitellaan sekretorisiin vesikkeleihin, koska näillä proteiineilla ei ole yhteistä lajittelusignaalisekvenssiä.
Endosytoosi
Solut eivät ainoastaan luovuta materiaalia ulkoiseen ympäristöön, vaan ne ottavat endosytoosin kautta materiaalia myös plasmakalvon ulkopuolelta. Endosytoosia on useita eri muotoja.
Fagosytoosin avulla jotkin solut (makrofagit, neutrofiilit) voivat nielaista ja ottaa vastaan suuria hiukkasia, kuten mikro-organismeja ja kuolleita soluja. Fagosytoosiin kuuluu plasmakalvon työntyminen partikkelin ympärille. Eteenpäin työntymistä ohjaa aktiinin polymerisaatio. Plasmakalvo ympäröi lopulta hiukkasen ja sulautuu ympäröimään sen kokonaan ja muodostamaan suuren endosyyttisen vesikkelin.
Pinosytoosi muodostaa paljon pienempiä vesikkeleitä (~ 100 nm), ja sen avulla solut voivat ottaa vastaan pieniä määriä solunulkoista nestettä ja osia plasmakalvosta. Yksi pinosytoosin muoto on klatriinivälitteinen endosytoosi, jonka avulla solut voivat ottaa tiettyjä proteiineja solun pinnalta.
Klatriinivälitteinen endosytoosi alkaa kuopan muodostumisella plasmakalvoon. Kuoppaa ympäröivät sytoplasman puolella adaptaattoriproteiinit, jotka yhdistävät klatriinin kuoppaan. Adaptaattorit ovat vuorovaikutuksessa myös plasmakalvossa olevien endosytoosin kohteena olevien proteiinien kanssa. Kuoppaan mahtuu ~ 1000 proteiinia. Klatriinin polymerisaatio saa aikaan vesikkelin muodostumisen, joka lopulta irtoaa plasmakalvosta. GTPaasi dynamiini katalysoi puristumisreaktiota. Klatriinilla päällystetyt vesikkelit sulautuvat endosomeihin, joissa alhainen pH dissosioi ligandit reseptoreista. Osa proteiineista palaa sitten takaisin plasmakalvolle, kun taas osa kohdistuu lysosomiin, jossa ne hajoavat.