Lecture Content
Introduction
Szlak wydzielniczy w komórkach eukariotycznych jest używany do wysyłania białek i lipidów do błony plazmatycznej i niektórych organelli związanych z błoną oraz do uwalniania materiału na zewnątrz komórki. Istnieją dwa rodzaje wydzielania: konstytutywne i regulowane. Wydzielanie konstytutywne jest szlakiem domyślnym i jest wykorzystywane głównie do uzupełniania materiału w błonie plazmatycznej i niektórych organellach związanych z błoną. Wydzielanie regulowane kończy się w pęcherzykach wydzielniczych, które przechowują wydzielany materiał do czasu, gdy sygnał wyzwoli fuzję z błoną plazmatyczną. Oba typy sekrecji wykorzystuj± ten sam szlak, ale sekwencje sygnałowe kieruj± białka do szlaku regulowanego. Komórki pobierają również materiał z błony plazmatycznej poprzez endocytozę. Materiał ten może być albo zawrócony do błony plazmatycznej, albo zdegradowany w lizosomie.
Zasady szlaku wydzielniczego
Białka i lipidy są syntetyzowane w ER, a następnie transportowane do Golgiego. Białka są sortowane w Golgiego i wysyłane do błony plazmatycznej, lizosomu lub pęcherzyków wydzielniczych. Transport białek i lipidów pomiędzy przedziałami związanymi z błoną odbywa się za pośrednictwem pęcherzyków, które wychodzą z jednego przedziału, a następnie łączą się z następnym przedziałem. Rabs, tetry i SNAREs zwiększają prawdopodobieństwo, że pęcherzyki połączą się z właściwą błoną docelową. Komórki utrzymują integralność i funkcjonalność ER i Golgiego poprzez hamowanie białek rezydentnych przed wejściem do pęcherzyków i odzyskiwanie tych białek, które się wydostają.
Glikozylacja
Glikozylacja to kowalencyjne przyłączanie cukrów do białek, które ma miejsce w przypadku większości białek w ER. Glikozylacja pomaga białkom składać się, kieruje białka do specyficznych organelli (np. lizosomu) i hamuje proteolizę. Ponadto, wiele białek na powierzchni komórek i w macierzy zewnątrzkomórkowej, która otacza komórki są silnie glikozylowane dla różnych celów biologicznych.
N-linked glikozylacja występuje w ER i obejmuje dodanie grupy 14 cukrów do grupy aminowej asparaginy. Grupy te zawierają mieszaninę N-acetyloglukozaminy, mannozy i glukozy. Reszty glukozy są usuwane w ER, zanim białko zostanie przetransportowane do Golgiego. W Golgiego łańcuchy boczne cukru mogą być dalej modyfikowane przez usunięcie i dodanie różnych cukrów.
O-linked glikozylacja jest drugą formą i obejmuje dodanie cukrów do seryn lub treonin. O-linked glikozylacja prawdopodobnie zaczyna się w Golgiego przez dodanie pojedynczego cukru. Inne enzymy dodają cukry w grupach po dwa, a łańcuchy boczne cukrów mogą stać się niezwykle długie.
Kompleks Golgiego jest stosem cystern błonowych o unikalnych kompozycjach biochemicznych. Cisternae są zwykle określane jako cis, przyśrodkowe, trans i trans-Golgi sieci z białek wchodzących cis z ER i wyjście z TGN. Cisternae wydają się zawierać unikalny zestaw enzymów, które modyfikują łańcuchy boczne cukrów na białkach. Na przykład, mannoza jest usuwana głównie w cysternie przyśrodkowej, podczas gdy galaktoza jest dodawana w cysternie trans.
Transport pęcherzykowy
Transport między przedziałami błonowymi jest pośredniczony przez małe pęcherzyki. Pęcherzyki zawierają płaszcz białkowy, który napędza tworzenie się pęcherzyków i rekrutuje białka do pęcherzyków. Cz±steczki s± kierowane do odpowiedniego przedziału przez kombinację białek Rab i SNARE. Rabs to duża rodzina małych białek wiążących GTP, a każdy przedział błonowy w szlaku wydzielniczym wydaje się zawierać unikalne białko Rab. SNARE są białkami na pęcherzykach i przedziałach błonowych, które łączą się w pary, aby pośredniczyć w fuzji. SNARE obejmują kolejną dużą rodzinę białek, a różne przedziały prawdopodobnie zawierają unikalne białka SNARE.
Formowanie pęcherzyków
Formowanie pęcherzyków z ER jest najbardziej zrozumiałe i będzie służyć jako przykład formowania pęcherzyków. Mechanizm ten jest prawdopodobnie podobny dla innych przedziałów. Składanie płaszcza białkowego napędza formowanie, a składanie płaszcza rozpoczyna się od związania małego białka Sar1 wiążącego GTP. Sar1-GTP łączy się z ER i wstawia małą helisę do zewnętrznego listka dwuwarstwy błony ER, inicjując zakrzywienie błony. Sar1-GTP rekrutuje dwa inne zestawy białek tworz±cych płaszcz cz±steczki: kompleks Sec23-Sec24, który wi±że się z białkami ładunku oraz kompleks Sec13-Sec31, który pomaga w formowaniu cz±steczki. Wybór ładunku dla większości białek wymaga sekwencji sygnałowej, która oddziałuje z kompleksem Sec23-24. Rozpuszczalne białka znajdujące się w świetle ER łączą się z receptorami ładunku, które zawierają sekwencję sygnałową wiążącą Sec23-Sec24. Kompleks płaszcza, który otacza pęcherzyki z ER nazywa się COP II.
Skierowanie pęcherzyków do właściwego przedziału
Dwa zestawy białek wydają się pomagać pęcherzykom łączyć się z właściwą błoną docelową. Jeden zestaw obejmuje tetery, które lokalizują się w docelowych przedziałach błonowych i oddziałują ze składnikami płaszcza pęcherzyków. W komórkach zidentyfikowano kilka różnych teterów i każdy z nich wydaje się lokalizować do innego przedziału. Tetry tworzą struktury, które rozciągają się od błony przedziału do cytozolu. Może to pomóc tetry oddziaływać z pęcherzykami przybywającymi z poprzedniego przedziału błony.
Drugim zestawem białek, które pomagają prawidłowo kierować pęcherzyki do odpowiedniej błony, są SNAREs. SNARE pośredniczą również w fuzji między błonami. Cząsteczki zawierają jedno białko SNARE (vSNARE), a przedziały błonowe zawierają 2 do 3 białek SNARE (tSNAREs). Białka SNARE na pęcherzykach i przedziałach błonowych oddziałują w specyficzny sposób. Komórki zwierzęce wykazują ekspresję 35 różnych białek SNARE, ale tylko niektóre zestawy SNARE oddziałują ze sobą. Poprzez lokalizację tych SNARE, które oddziałują tylko z pęcherzykami i ich błoną docelową, komórki zapewniają, że pęcherzyki łączą się z właściwą błoną docelową.
Fuzja błon
Białka SNARE pośredniczą w fuzji między pęcherzykami i ich docelowym przedziałem błonowym. Białka SNARE zawierają długie regiony, które tworzą struktury helikalne. Domeny helikalne w vSNARE i tSNARE oddziałują na siebie i wydają się zapinać. Energia uwalniana przez kompletne parowanie vSNAREs i tSNAREs jest uważana za napęd fuzji między błoną pęcherzyka a błoną przedziału, choć dokładny mechanizm pozostaje niejasny.
Niektóre pęcherzyki dokowania na ich docelowej błony, ale nie fuzji. Na przykład, pęcherzyki wydzielnicze przechowują białka i inne małe cząsteczki, dopóki komórka nie otrzyma sygnału do ich uwolnienia. Niektóre pęcherzyki wydzielnicze dokują do błony plazmatycznej poprzez interakcję vSNAREs i tSNAREs, ale SNAREs nie są w stanie całkowicie sparować, aby doprowadzić do fuzji membranowej. Sygnały zewnętrzne powodują usunięcie inhibicji parowania, pozwalając pęcherzykom na połączenie się z błoną plazmatyczną.
Sortowanie białek w sieci trans-Golgiego
Po dotarciu do sieci trans-Golgiego, większość białek jest kierowana do miejsca docelowego. Domyślną ścieżką wydaje się być transport do błony plazmatycznej, ponieważ błona plazmatyczna musi stale wymieniać lipidy i białka. Inne białka są kierowane do lizosomów i pęcherzyków wydzielniczych. Sygnał do wysłania białka do lizosomu wiąże się z łańcuchem bocznym cukru. Większość białek lizosomalnych zawiera 6-fosforan mannozy, który jest dodawany w cis-Golgim. Receptor wiążący 6-fosforan mannozy znajduje się w sieci trans-Golgiego i rekrutuje białka płaszcza do sieci trans-Golgiego. Klatyna tworzy płaszcz wokół tych pęcherzyków, a pęcherzyki gromadzą białka lizosomalne przed pączkowaniem z sieci trans-Golgiego. Pęcherzyki te łączą się z endosomami. Światło endosomów ma niskie pH, co powoduje dysocjację receptora mannozy 6-fosforanu z białek lizosomalnych. Receptor mannozy 6-fosforanu jest zwracany do sieci trans-Golgi, a pęcherzyk zawierający białka lizosomalne dojrzewa do funkcjonalnego lysosome.
Niektóre białka są sortowane do pęcherzyków wydzielniczych, które przechowują te białka, dopóki komórka nie zostanie zasygnalizowana do ich uwolnienia. Mechanizm, dzięki któremu białka są sortowane do pęcherzyków wydzielniczych, ponieważ białka te nie mają wspólnej sekwencji sygnałowej sortowania.
Endocytoza
Komórki nie tylko uwalniają materiał do środowiska zewnętrznego, ale również pobierają materiał spoza błony plazmatycznej poprzez endocytozę. Istnieje kilka form endocytozy.
Fagocytoza pozwala niektórym komórkom (makrofagom, neutrofilom) na wchłanianie i pobieranie dużych cząstek, takich jak mikroorganizmy i martwe komórki. Fagocytoza polega na wypchnięciu błony plazmatycznej wokół cząstki. Protrusja jest napędzana przez polimeryzację aktyny. Błona plazmatyczna ostatecznie otacza cząsteczkę i łączy się, aby całkowicie ją otoczyć i utworzyć duży pęcherzyk endocytarny.
Pinocytoza tworzy znacznie mniejsze pęcherzyki (~ 100 nm) i pozwala komórkom na pobieranie małych ilości płynu pozakomórkowego i części błony plazmatycznej. Jedną z form pinocytozy jest endocytoza pośredniczona przez klathrynę, która pozwala komórkom pobierać specyficzne białka z powierzchni komórki.
Endocytoza pośredniczona przez klathrynę rozpoczyna się od utworzenia wgłębienia w błonie plazmatycznej. Dołek jest otoczony od strony cytoplazmatycznej przez białka adaptorowe, które łączą klathrynę z dołkiem. Adaptery oddziałują również z białkami w błonie plazmatycznej, które są celem endocytozy. Dołek może pomieścić ~ 1000 białek. Polimeryzacja klathryny prowadzi do powstania pęcherzyka, który ostatecznie odcina się od błony plazmatycznej. GTPaza dynamina katalizuje reakcję odrywania. Pęcherzyki pokryte klatyną łączą się z endosomami, gdzie niskie pH powoduje dysocjację ligandów od receptorów. Niektóre białka są następnie zawracane do błony plazmatycznej, podczas gdy inne są kierowane do lizosomu, gdzie ulegają degradacji.
.