Мембранные органеллы. 
Молекулярная структура и функции основных компонентов клетки

Эндоплазматическая сеть (ЭПС) или ретикулюм (рис.) — мембранная органелла, описанная впервые в 1945 году К.Портером. Это система каналов, вакуолей, цистерн (мешочков), расположенная вблизи ядра и образующая непрерывную сеть, ограниченную от гиалоплазмы мембранами, более тонкими и подвижными, чем плазмолемма. Кроме того, мембраны ЭПС содержат белка больше, чем мембраны других органелл из-за многочисленных ферментных систем и практически не содержат холестерина. Белки практически лишены боковых углеводных цепочек. Это единый непрерывный компартмент (отсек), образующий складки, впячивания, которые видны на срезах как трубочки, пузырьки и цистерны. От него отшнуровываются транспортные пузырьки (везикулы), которые несут новосинтезированные белки к комплексу Гольджи для модификации и сортировки.

Различают два вида ЭПС: гранулярную (шероховатую) и агранулярную (гладкую)(рис.). В полости ЭПС проходят процессы синтеза белка, липидов; гидроксилирование, сульфатирование, фосфорилирование, глюкозирование, фолдинг белка, сборка субъединиц. Нарушение любого из этих процессов приводит к задержке белка в полости и его разрушению.

В ЭПС проходят процессы синтеза белка, липидов; гидроксилирование, сульфатирование, фосфорилирование, глюкозирование, фолдинг белка, сборка субъединиц. Нарушение любого из этих процессов приводит к задержке белка в полости и его разрушению. В полостях ЭПС содержатся большие количества внутриполостных ферментов, в том числе:

• 1. Протеин дисульфидизомераза (ПДИ) — фолдаза, обеспечивающая образование правильных дисульфидных связей между цистеиновыми остатками, в процессе фолдинга секреторных и мембранных белков;
• 2. Кальций — содержание Са²⁺ в полостях ЭПС очень высоко (5 ммоль), т.к. ЭПС является основным кальциевым депо клетки;
• 3. Шапероны — ферменты фолдинга, из которых в ЭПС содержатся белки семейства hsp 70 и hsp 90, связывающий белок Вip, Grp-94, пептидилпролилизомераза (ППИ). Шапероны обеспечивают правильный фолдинг белка, предотвращают агрегацию промежуточных продуктов. Белки, преобретающие нативную структуру с задержкой или вообще неправильно сворачивающиеся, остаются связанными с шаперонами, не удаляется из ЭПС и подвергаются разрушению;
• 4. Кальнексин — белок с молекулярной массой 88кДа, является интегральным ЭПС-белком с каталитическим доменом, обращенным в полость ЭПС. Его функцияконтроль за правильным фолдингом белка и удерживание неправильно свернутых белков в полости ЭПС.
• 5. Кальретикулин — Са²⁺— связывающий белок (46 кДа) с двумя Са²⁺ — связывающими доменами. Этот белок выполняет несколько функций: содержит ядерную сигнальную последовательность, обеспечивающую связывание стероидных рецепторов с молекулами ДНК; действует как интегринсвязывающий белок (интегриныбелки адгезин клетки) и др.

Гранулярная ЭПС (рис.) содержит на своей поверхности со стороны гиалоплазмы рибосомы (рис.), которые связываются с ЭПС с помощью причального белка — doking protеin и становятся мембраносвязанными, но только в процессе трансляции. Отдельные субъединицы рибосом с ЭПС никогда не связаны.

Функциями гранулярной ЭПС являются: 1 — синтез белков и липидов всех мембран; 2 — синтез «экспортных» (предназначенных к выделению из клетки) и лизосомных белков (остальные, «внутренние» белкибелки митохондрий, ядра и гиалоплазмы синтезируется на свободных рибосомах в гиалоплазме); при этом «экспортные» белки синтезируются на одном участке ЭПС, мембранные — на другом, лизосомальные — на третьем); 3 -первоначальная сортировка и модификация белков; 4 — образование везикулярных пузырьков, транспортирующих вновь синтезированные белки в аппарат Гольджи и лизосомы.

Процессы, происходящие в ЭПС можно разделить на следующие этапы:

• 1- синтез белков и липидов мембран, экспортных и лизосомальных белков;
• 2-первичная сортировка белков ЭПС;
• 3-модификация белков и липидов;
• 4-«упаковка» белков и липидов в транспортные пузырьки — везикулы.

Синтез белков на гранулярной ЭПС начинаются со связывания свободной рибосомы, уже начавшей трансляцию белка в гиалоплазме с мембранной ЭПС (рис.).

Все белки, которые будут синтезироваться в гранулярной ЭПС имеют определенную последовательность аминокислот, с которой начинается белок. Эта последовательность называется сигнальной (СП) или последовательность начала переноса, находится на N-конце пептидной цепи и состоит из 15−35 аминокислот. После окончания синтеза пептида СП отщепляется специальной пептидазой (рис.).

После того, как на свободной рибосоме будет образована СП пептида, специальные СП — узнающие частицы (SRР) в гиалоплазме узнают СП и связываются с ней. В результате этого связывания синтез пептида в гиалоплазме останавливается. Образуется комплекс м-РНК — рибосома —СП — SRР. Этот комплекс связывается с doking— белком (SRP-R). Docingбелок (от анг. to dock -состыковывать) — это гетеродимер, состоящий из 2 субъединиц: б и в и называет также причальным белком. Он находятся на цитоплазматической поверхности мембраны ЭПС и является рецептором распознавания СП-узнающей частицы ЅRР.

ЅRР-частицы состоят из 7Ѕ молекулы РНК и 6 полипептидов (7,14,19,54,68, и 70 кДа). Кроме того что ЅRР-частица узнает СПбелка, ее РНК узнает определенный участок транслируемой м-РНК и, тем самым, определяет место прикрепления свободной рибосомы к мембране. Таким образом, ЅRР-частицы: 1— распознают СП-белка, транслируемого на свободных рибосомах; 2— временно прекращают трансляцию; 3— участвуют в перемещении комплекса и-РНКрибосома-СП к мембране ЭПС. При этом осуществляется первый этап сортировки белков, который включает два этапа: 1-из числа транслируемых в цитоплазме белков отбираются (с помощью СП и ЅRР-частиц) те, дальнейшая трансляция которых будет продолжаться в ЭПС. Это мембранные белки, белки «на экспорт», лизосомальные белки; 2— определятся место трансляции в ЭПС и, тем самым, ее дальнейшая судьба, а именно, станет ли он мембранным белком, белком «на экспорт» или лизосомальным белком.

Комплекс м-РНК-рибосома —СП- ЅRР-частица направляется к мембране ЭПС и связывается с doking-белком. Это связывание вызывает активацию ГТФаз полипептида ЅRР-54, ЅRР-частицы и субъединиц doking-белка. В результате этого ЅRР-частица отсоединяется от комплекса м-РНК-рибосома-СП и рибосома комплекса прикрепляется к мембране на участке расположения транслокона.

Транслокон — это комплекс интегральных трансмембранных рибофоринов, которые специфически взаимодействуют с большой субъединицей рибосомы и формируют при участии рибосомы гидрофобные трансмембранные водные каналы для транспорта синтезируемого полипептида в просвет ЭПС. Поэтому комплекс рибофоринов транслокона и рибосомы называется полипептид-транслирующей порой.

Сразу после освобождения ЅRР-частицы, переноса комплекса м-РНК —рибосома-СП происходит проникновение СП белка в липидный бислой соединение его с гидрофобными участками мембран ЭПС и возобновление транслокации полипептида, но уже в мембраносвязанных рибосомах. СП остается фиксированной в области транслокона и все удлиняющийся пептид, втягивается через пору в полость ЭПС, образуя там петлю. При этом перемещается не рибосома, связанная с ЭПС, а мPНК. Вновь синтезированный пептид имеет двойную фиксацию: на мембране ЭПС с N-конца через СП и с С-конца к рибосоме. После окончания трансляции пептид отсоединяется сначала с С-конца от рибосомы, затем с N-конца от мембраны с помощью специального фермента протеазы, отщепляющей СП от пептида. СП высвобождается из мембраны и расщепляется другими протеазами в полости ЭПС. Вновь синтезированный пептид поступает в полость ЭПС, где происходит его фолдинг при участии фолдаз ПДИ (протеиндисульфидизомераза), ППИ (пептидилпролилизомераза) и шаперонов hsp70 и hsp90, Grp94. Если фолдинг белка происходит неправильно, то белок кальнексин сохраняет его в ЭПС, предотвращая высвобождение неправильно свернутых белков.

После первичной сортировки и завершения трансляции в ЭПС некоторые белки для завершения созревания должны быть модифицированы. Большинство белков, синтезированных в ЭПС в зрелом состоянии являются гликопротеинами, то есть белками, содержащими углеводный компонент. Поэтому после завершения трансляции, они подвергаются гликозилированию при переносе в полость ЭПС. Гликопротеинами является некоторые белки плазмы (экспортные белки), мембранный белок эритроцитов гликофорин, белки переносчики — транслоказы, поверхностные рецепторы плазмолеммы, почти все лизосомальные ферменты. Углеводный компонент этих белков образуется в результате гликозилирования белков путем переноса олигосахаридов, которые синтезируются на мембрано-связанных липидах долихолфосфатах. Синтез начинается в гиалоплазме, продолжается в полостях ЭПС и завершается в цистернах аппарата Гольджи.

В гиалоплазме синтезируются одинаковая для всех белков олигосахаридное «ядро». В него входят 2 остатка N-ацетил-глюкозамина, 9 остатков маннозы и 3 остатка глюкозы. Синтез происходит путем присоединение маносахаридных остатков к долихолфосфату, который будучи мембранных липидом, перескакивает через мембрану и выходит на ее поверхность, обращенную в гиалоплазму. Заверщенный комплекс — долихол-фосфат-олигосахарид является гидрофобным и легко проходит через мембраны в полость ЭПС. Специальная трансфераза в полости ЭПС переносит олигосахаридные ядро на синтезируемый полипептида, присоединяя его только к аспарагину, входящему в состав последовательности Asp-x-Ser или Asp —x-Thr через амидную группу (-NН₂-СО-), поэтому процесса называется N-гликозилированием. В результате белки приобретают одно или несколько олигосахаридный ядер. Процесс переноса углеводного компонента может быть нарушен двумя антибиотиками: туникомицином (блокирует присоединение к долихолфосфату первого углеводного остатка, останавливая гликозимерование) и бацитроцинаф (блокирует превращения долихолфосфата), которые нарушают процесс синтеза гликопротеинов.

Еще один вид модификации белков, синтезируемых на мембранах ЭПС — это гидроксилирование остатков пролина и лизина в коллагене, с образованием 4-гидроксипролина и 5-гидроксилизина. Гидроксилирование этих остатков осуществляется ферментами пролилгидроксилазы и лизилгидроксилазы при участии аксорбиновой кислоты. Коллоген, синтезируемый в отсутствии аксорбиновой кислоты не может образовывать нормальные по структуре волокна, что приводит к поражению кожи, ломкости сосудов и т. д., что является признаками цинги.

И, наконец, последний этап процессов, связанных с синтезом белков и липидов, происходящий в ЭПС — «упаковка» этих молекулы в транспортных пузырьки.

Транспортные пузырьки представляют собой основное средство передвижения белков и липидов в клетке. Белки и липиды мембран, синтезированные в ЭПС входят в состав мембраны транспортного пузырька, а в полости пузырька транспортируется секреторные и лизосомальные белки, доставляемые в другие органеллы. То есть, транспортный пузырек переносит и мембранные белки и липиды и остальные, синтезируемые в ЭПС молекулы.

Пузырьки образуется из мембраны одной органеллы, называемой донором, и перемещаются к другой органелле, называемой акцептором, где происходит слияние мембран пузырька с мембраной акцептора, то есть, мембраны донора и мембраны акцептора. Таким образом происходит обновление мембран органеллы — акцептора. Мембранные белки и липиды, синтезируемые в ЭПС образуют фрагмент всех мембран клетки и транспортируются в составе мембран пузырьков к органеллеакцептору и плазмолемме.

В процессе перемещения транспортных пузырьков от ЭПС к аппарату Гольджи постоянно осуществляется два направления транспорта веществ:

• 1 — растворимые грузовые белки перемещаются от ЭПС к аппарат Гольджи по секреторному пути. Такой транспорт называется антероградным;
• 2 — определенные белки и липиды возвращается из аппарата Гольджи в ЭПС. Этот транспорт называется ретроградным.

Раздельный транспорт в противоположных направлениях обеспечивается двумя белковым комплексами, образующими кайму вокруг пузырька, и называющимся коатомерами или GOPs. Ретроградный транспорт обеспечивается восемью субъединицами белка, образующего протеиновую кайму — СОР І, а антеградный — 5 субъединицами белка СОР ІІ. Оба комплекса белков образуются в цитоплазме и связываются с транспортными пузырьками.

Вновь образованные пузырьки направляются от ЭПС к аппарату Гольджи, а оттуда к различными органеллам. Для обеспечения правильного направления каждый пузырек снабжен специальной рецепторной молекулой, называемой Ловушка-п. Акцепторная мембрана органеллы, куда должен транспортироваться пузырек имеет рецептор, который связывается с Ловушкой-п и называется Ловушкой-ц (целевая мембрана).

Ловушки обеспечивают правильную доставку пузырьков при участи белка слияния (фузинного белка) — Rab, который состыковывает обе ловушки.

Транспортные пузырьки, образующиеся на ЭПС имеют диаметр 500А⁰, окружены оболочкой, имеющей решетчатую структуру и состоящей из белка клатрина. Такие пузырьки называется окаймленными и переносят мембранные, секреторные и лизосомальные белки от ЭПС к аппарату Гольджи и дальше в целевые акцепторные органеллы. Окаймленные пузырьки транспортируют белки и липиды от плазмалеммы в внутренним мембранами; транспортные белки, факторы роста, инсулин, цитокины в другие части клетки.

Клатрин состоит из трех крупных и трех менее крупных полипептидов. Субъединицы представляют собой структуру, состоящую из трех «ног» — трискелион (skelas). Трискелионы соединяются с образованием шестигранной ячейки, но не плоской, а куполообразной; ячейки собираются вместе, образуя решетчатую структуру. Постепенно мембрана в месте расположения клатриновой решетки начинает выпячиваться, образуется окаймленная ямка, края которой смыкаются с образованием окаймленного пузырька. Пузырек образуется в местах высокой концентрации белков и липидов внутри ЭПС и содержит высококонцентрированный раствор белков. Таким же образом образуются транспортные окаймленные пузырьки на плазмалемме в процессе эндоцитоза.

Далее пузырьки диффундируют к комплексу Гольджи и сливаются с его мембранами, а белки попадают в его полости.

После завершения синтеза белков на мембраносвязанных рибосомах, их первичной сортировки и модификации в ЭПС, дальнейшая их судьба различается:

1 — все интегральные белки мембран клетки синтезируются в ЭПС. Будущие интегральные белки мембран отсортировываются еще в процессе трансляции. Считают, что они не протягиваются через транслокон (пору) в полость ЭПС полностью, а так и остаются фиксированными на ней. Это происходит благодаря наличию особой аминокислотной последовательности в средней части полипептида — последовательности задержки (ПЗ) или последовательности окончания переноса. Она не распознается сигнальной протеазой и не отщепляется, закрепляя удлиняющийся белок в мембране и становится трансмембранным доменом монотопного белка. Это прекращает перенос пептида, но не останавливает его трансляцию. В этом случае после отщепления СП N-конец пептида оказывается в полости ЭПС, а С-конец на поверхности мембран. Таким образом, фиксируются монотопные белки мембраны. Для политопных белков число СП на N-конце (последовательность начала переноса) и ПЗ (последовательность окончания переноса) может быть несколько. В этом случае, синтезирующийся белок «прошивает» мембрану несколько раз. Таким образом, синтезируются интегральные мембранные белки. В дальнейшем они вместе с участкам окружающей их мебраны формируют транспортный пузырек — везикулу и доставляются к другим органеллам клетки: а) от ЭПС к аппарату Гольджи, где продолжается процесс их модификации и сортировки, затем они оказываются его мембране; б) в транспортных пузырьках от аппарата Гольджи к плазмалемме, лизосомам, пероксисомам и другим органеллам.

Направление транспорта всех белков, и мембранных и секретируемых, определяется наличием у белков адресных маркеров, благодаря которым эти вещества концентрируется в определенных местах полостей аппарата Гольджи, имеющих рецепторы узнавания этих меток и, соответственно, образующих здесь везикулы, транспортируемые в целевые участки клетки. При транспорте везикулярных пузырьков сохраняется полярность мембран. Так, внутренняя поверхность мембран везикул соответствует внутренней стороне мембраны ЭПС, аппарата Гольджи и лизосом, но наружной поверхности плазмолеммы;

• 2 — внутриполостные белки, фолдазы, шапероны, ферменты гликозилирования и гидроксилирования случайно попавшие в пузырьки содержат последовательность возврата-задержки (КDEL), которая состоит из 4 аминокислот: -Лиз-Асп-Глу-Лей-. При попадании в аппарат Гольджи такие последовательности распознаются особыми возвращающими рецепторами аппарата Гольджи, собираются в специальные пузырьки и перемещаются обратно в ЭПС. Такие пузырьки называются ретроградными, а белки — полостными белками ЭПС. Процесс возврата пузырьков называется ретроградным транспортом.
• 3 — в случае нарушения фолдинга белков синтезируемых в ЭПС, происходит их удаление из транспортного пузырька, затем разрушение в полостях ЭПС.
• 4 — белки на «экспорт» и лизосомальные белки также в составе транспортных пузырьков переносятся в аппарат Гольджи, модифицируются и направляются к месту выполнения ими своих функций: либо в лизосомы, либо в другие участки клетки. Эти белки также имеют адресные сигналы, обеспечивающие их направленный транспорт.

В ЭПС синтезируются также мембранные липиды. Ферменты, обеспечивающие синтез липидов — это интегральные мембранные белки ЭПС. Для перевода жирных кислот в растворимую форму используются особые белки — ацилпереносящие белки (АСР). Новые липиды, синтезированные на поверхности мембраны ЭПС, обращенной к гиалоплазме, свободно диффундируют в плоскость бислоя и смешиваются с липидами наружного слоя мембраны. Особые ферменты мембраны ЭПС — флиппазы — перемещают вновь синтезированные липиды во внутренний слой мембраны.

Липиды для других мембран клетки транспортируются из ЭПС двумя механизмами:

• 1. Везикулярный транспорт — обеспечивает транспорт липидов к плазмолемме, комплексу Гольджи и лизосомам, путем отпочковывания от мембраны ЭПС пузырьков, содержащих новые липиды и перемещения их сначала к комплексу Гольджи, где они подвергаются модификации, а затем к другим органеллам.
• 2. Мономерный обмен — процесс прямого переноса липидов от ЭПС к митохондриям, пероксисомам с помощью ферментов обмена липидов (например, фосфотидилхолин).

Гранулярная ЭПС может быть самостоятельной органеллой или переходить в агранулярную ЭПС.

Агранулярная ЭПС (рис.) представляет собой трехмерную сеть каналов, но не содержит рибосом. Место перехода гранулярной в агранулярную ЭПС называется транзиторной частью. Здесь происходит образовывание транспортных пузырков.

Функции агранулярной ЭПС:

• 1 — разделение цитоплазмы на отделы — компартменты, где происходит своя группа биохимических реакций;
• 2 — биосинтез жиров и углеводов; стероидных гормонов;
• 3 — образование пероксисом;
• 4 — дезинтоксикация ядов, гормонов, лекарств за счет деятельности ферментов;
• 5 — депонирование ионов Са⁺;
• 6 — источник мембран для восстановления кариолеммы в телофазе митоза.

Гранулярная и агранулярная ЭПС взаимно переходят друг в друга и функционально связаны между собой переходной или транзиторной зоной.