Lecture Content
Introduction
A szekréciós útvonal az eukarióta sejtekben a fehérjék és lipidek plazmamembránba és bizonyos membránhoz kötött organellumokba küldésére, valamint a sejten kívüli anyagok felszabadítására szolgál. A szekréciónak két típusa van: konstitutív és szabályozott. A konstitutív szekréció az alapértelmezett útvonal, és elsősorban a plazmamembránban és bizonyos membránhoz kötött organellákban lévő anyagok pótlására szolgál. A szabályozott szekréció szekréciós vezikulákban végződik, amelyek a szekretált anyagot addig tárolják, amíg egy jel el nem indítja a plazmamembránnal való fúziót. A szekréció mindkét típusa ugyanazt az útvonalat használja, de a jelszekvenciák a fehérjéket a szabályozott útvonalra terelik. A sejtek a plazmamembránból endocitózissal is kinyerik az anyagot. Ezt az anyagot vagy visszavezetik a plazmamembránba, vagy lebontják a lizoszómában.
A szekréciós útvonal alapelvei
A fehérjék és lipidek az ER-ben szintetizálódnak, majd a Golgiba szállítják őket. A fehérjéket a Golgiban szortírozzák és a plazmamembránba, a lizoszómába vagy a szekréciós vezikulákba küldik. A fehérjék és lipidek membránhoz kötött kompartmentek közötti szállítását olyan vezikulák közvetítik, amelyek az egyik kompartmentből bimbóznak, majd összeolvadnak a következő kompartmenttel. A rabok, tetherek és SNARE-k növelik annak valószínűségét, hogy a vezikulák a megfelelő célmembránnal fuzionálnak. A sejtek úgy tartják fenn az ER és a Golgi integritását és funkcionalitását, hogy gátolják a rezidens fehérjék bejutását a vezikulákba, és visszaszerzik azokat a fehérjéket, amelyek mégis elszöknek.
Glikoziláció
A glikoziláció a cukrok kovalens kötése a fehérjékhez, ami a legtöbb fehérjével az ER-ben történik. A glikoziláció segíti a fehérjék összecsukódását, a fehérjéket specifikus organellumokba (pl. lizoszóma) célozza, és gátolja a proteolízist. Ezenkívül számos fehérje a sejtek felszínén és a sejteket körülvevő extracelluláris mátrixban számos biológiai céllal erősen glikozilált.
Az N-hez kötött glikoziláció az ER-ben történik, és 14 cukorcsoport hozzáadását jelenti az aszparaginok amincsoportjához. A csoportok N-acetilglükózamin, mannóz és glükóz keverékét tartalmazzák. A glükózmaradványokat az ER-ben távolítják el, mielőtt a fehérje a Golgiba kerülne. A Golgiban a cukor oldalláncok különböző cukrok eltávolításával és hozzáadásával tovább módosíthatók.
A második forma az O-kötésű glikoziláció, amely a cukrok szerinekhez vagy treoninokhoz való hozzáadását jelenti. Az O-kötött glikoziláció valószínűleg a Golgiban kezdődik egyetlen cukor hozzáadásával. Más enzimek két csoportban adnak hozzá cukrokat, és a cukor oldalláncok rendkívül hosszúak lehetnek.
A Golgi-komplexum egyedi biokémiai összetételű membrán ciszternák halmaza. A ciszternákat általában cisz-, mediális, transz- és transz-Golgi-hálózatnak nevezik, a fehérjék az ER-ből lépnek be a ciszbe és a TGN-ből lépnek ki. Úgy tűnik, hogy a ciszternák egyedi enzimkészletet tartalmaznak, amelyek a fehérjék cukoroldalláncait módosítják. Például a mannózt elsősorban a mediális ciszternában távolítják el, míg a transz ciszternában galaktózt adnak hozzá.
Vezikuláris transzport
A membránkompartmentek közötti transzportot kis vezikulák közvetítik. A vezikulák fehérjebevonatot tartalmaznak, amely a vezikulaképződést irányítja és a fehérjéket a vezikulákba toborozza. A vezikulákat a Rab-fehérjék és a SNARE-ok kombinációja irányítja a megfelelő kompartmentbe. A Rabok a kis GTP-kötő fehérjék nagy családja, és úgy tűnik, hogy a szekréciós útvonal minden egyes membránkompartmentje tartalmaz egy egyedi Rab fehérjét. A SNARE-k olyan fehérjék a vezikulákon és a membránkompartmenteken, amelyek a fúzió közvetítése érdekében párosodnak. A SNARE-k egy másik nagy fehérjecsaládot alkotnak, és a különböző kompartmentek valószínűleg egyedi SNARE-fehérjéket tartalmaznak.
Vezikulák képződése
A vezikulák képződése az ER-ből a legvilágosabban ismert, és példaként fog szolgálni a vezikulák képződésére. A mechanizmus valószínűleg hasonló más kompartmentek esetében is. A fehérjeburok összeszerelése hajtja a képződést, és a burkolat összeszerelése a kis GTP-kötő fehérje, a Sar1 kötődésével kezdődik. A Sar1-GTP társul az ER-hez, és egy kis hélixet illeszt az ER membrán kettősrétegének külső levélkéjébe, hogy elindítsa a membrán görbülését. A Sar1-GTP két másik fehérjecsoportot toboroz, amelyek a vezikulaházat alkotják: a Sec23-Sec24 komplexet, amely a cargo fehérjékhez kötődik, és a Sec13-Sec31 komplexet, amely segít a vezikulum kialakulásának irányításában. A legtöbb fehérje számára a rakomány kiválasztásához olyan szignálszekvenciára van szükség, amely kölcsönhatásba lép a Sec23-24 komplexszel. Az ER lumenében lévő oldható fehérjék olyan cargo receptorokhoz társulnak, amelyek a Sec23-Sec24-hez kötődő szignálszekvenciát tartalmaznak. Az ER-ből érkező vezikulákat körülvevő köpenykomplexet COP II-nek nevezik.
Vezikulák célba juttatása a megfelelő kompartmentumba
Úgy tűnik, hogy a fehérjék két csoportja segíti a vezikulák összeolvadását a megfelelő célmembránnal. Az egyik csoport olyan kötőanyagokat foglal magában, amelyek a célmembrán rekeszekhez lokalizálódnak, és kölcsönhatásba lépnek a vezikulahártya komponenseivel. A sejtekben több különböző kötőanyagot azonosítottak, és úgy tűnik, mindegyik egy különálló kompartmenthez lokalizálódik. A tetherek olyan struktúrákat alkotnak, amelyek a kompartment membránjától a citoszolba nyúlnak. Ez segíthet abban, hogy a tetherek kölcsönhatásba lépjenek az előző membránkompartmentből érkező vezikulákkal.
A második fehérjecsoport, amely segít a vezikulát helyesen a megfelelő membránhoz irányítani, a SNARE-k. A SNARE-k a membránok közötti fúziót is közvetítik. A vezikulák egy SNARE fehérjét (vSNARE), a membránkompartmentek pedig 2-3 SNARE fehérjét (tSNARE-k) tartalmaznak. A vezikulákon és a membránkompartmenteken lévő SNARE-fehérjék specifikus kölcsönhatásba lépnek egymással. Az állati sejtek 35 különböző SNARE fehérjét expresszálnak, de csak bizonyos SNARE-készletek lépnek kölcsönhatásba egymással. A sejtek azon SNARE-k lokalizálásával, amelyek csak a vezikulák és a célmembránjuk között lépnek kölcsönhatásba, biztosítják, hogy a vezikulák a megfelelő célmembránhoz fuzionáljanak.
Membránfúzió
A SNARE fehérjék közvetítik a vezikulák és a célmembrán rekesz közötti fúziót. A SNARE fehérjék hosszú régiókat tartalmaznak, amelyek helikális struktúrákat alkotnak. A vSNARE-ok és a tSNARE-ok helikális doménjei kölcsönhatásba lépnek egymással, és úgy tűnik, hogy felhúzzák a cipzárat. A vSNARE-k és tSNARE-k teljes párosításával felszabaduló energia feltehetően a vezikulamembrán és a kompartment membránja közötti fúziót hajtja végre, bár a pontos mechanizmus még nem világos.
Egyes vezikulák dokkolnak a célmembránjukon, de nem fuzionálnak. A szekréciós vezikulák például fehérjéket és más kismolekulákat tárolnak mindaddig, amíg a sejt nem kap jelzést a felszabadításukra. Egyes szekréciós vezikulák a vSNARE-k és a tSNARE-k kölcsönhatása révén dokkolnak a plazmamembránhoz, de a SNARE-k nem tudnak teljesen párosodni, hogy a membránfúziót elindítsák. Külső jelek váltják ki a párosodás gátlásának feloldását, lehetővé téve a vezikulák fúzióját a plazmamembránnal.
Proteinszortírozás a transz-Golgi hálózatban
A transz-Golgi hálózatba érve a legtöbb fehérje a végső rendeltetési helyére irányul. Úgy tűnik, hogy az alapértelmezett útvonal a plazmamembránba történő szállítás, mivel a plazmamembránnak folyamatosan cserélnie kell a lipideket és a fehérjéket. Más fehérjék a lizoszómákba és a szekréciós vezikulákba kerülnek. A fehérje lizoszómába küldésének jelzése a cukor oldalláncát foglalja magában. A legtöbb lizoszomális fehérje mannóz-6-foszfátot tartalmaz, amelyet a cisz-Golgiban adnak hozzá. A mannóz-6-foszfátot megkötő receptor a transz-Golgi-hálózatban található, és a bevonatfehérjéket a transz-Golgi-hálózatba toborozza. A klatrin alkotja a burkot e vezikulák körül, és a vezikulák lizoszomális fehérjéket halmoznak fel, mielőtt a transz-Golgi-hálózatból kibújnának. Ezek a vezikulák összeolvadnak az endoszómákkal. Az endoszómák lumenének alacsony pH-ja miatt a mannóz-6-foszfát receptor disszociál a lizoszomális fehérjékről. A mannóz-6-foszfát-receptor visszakerül a transz-Golgi-hálózatba, és a lizoszomális fehérjéket tartalmazó vezikulum funkcionális lizoszómává érik.
Egyes fehérjék szekréciós vezikulákba rendeződnek, amelyek addig tárolják ezeket a fehérjéket, amíg a sejt nem kap jelzést a felszabadításukra. Az a mechanizmus, amellyel a fehérjék a szekréciós vezikulákba rendeződnek, mivel ezek a fehérjék nem rendelkeznek közös rendező szignálszekvenciával.
Endocitózis
A sejtek nemcsak anyagot bocsátanak ki a külső környezetbe, hanem endocitózis révén anyagot vesznek fel a plazmamembránon kívülről is. Az endocitózisnak több formája létezik.
A fagocitózis lehetővé teszi, hogy egyes sejtek (makrofágok, neutrofilek) elnyeljenek és felvegyenek nagy részecskéket, például mikroorganizmusokat és elhalt sejteket. A fagocitózis során a plazmamembrán kitüremkedik a részecske körül. A kitüremkedést az aktin polimerizáció hajtja. A plazmamembrán végül körülveszi a részecskét és összeolvad, hogy teljesen körülvegye azt, és egy nagy endocitikus vezikulát képezzen.
A pinocitózis sokkal kisebb vezikulákat (~ 100 nm) képez, és lehetővé teszi a sejtek számára, hogy kis mennyiségű extracelluláris folyadékot és a plazmamembrán részeit felvegyék. A pinocitózis egyik formája a klatrin-mediált endocitózis, amely lehetővé teszi a sejtek számára, hogy specifikus fehérjéket vegyenek fel a sejtfelszínről.
A klatrin-mediált endocitózis a plazmamembránban lévő gödör kialakulásával kezdődik. A gödröt a citoplazmatikus oldalon adaptorfehérjék veszik körül, amelyek a klatrint a gödörhöz kötik. Az adaptorok a plazmamembránban lévő, endocitózisra megcélzott fehérjékkel is kölcsönhatásba lépnek. A gödör ~ 1000 fehérje befogadására képes. A klatrin polimerizációja egy vezikulum kialakulását irányítja, amely végül lecsípődik a plazmamembránról. A GTPáz dynamin katalizálja a lecsípődési reakciót. A klatrinnal bevont vezikulák összeolvadnak az endoszómákkal, ahol az alacsony pH disszociálja a ligandumokat a receptorokról. Egyes fehérjék ezután visszakerülnek a plazmamembránba, míg mások a lizoszómába kerülnek, ahol lebomlanak.