Транспорт белков из аппарата Гольджи в лизосомы

В настоящее время полагают, что все белки, проходящие через аппарат Гольджи, кроме тех, которые остаются там в качестве постоянных компонентов, сортируются в соответствии с местом конечного назначения в транс-сетъ Гольджи. Особенно хорошо механизм этой сортировки изучен для белков, направляющихся в полость лизосом. В данном разделе мы рассмотрим этот процесс избирательного транспорта. Начнем с краткого описания структуры и функции лизосом.

8.8.1. Внутриклеточное гидролитическое р асщепление макромолекул происходит главным образом в лизосомах

[53]

В 1949 г. при изучении ферментов углеводного обмена в гомогенатах клеток печени было замечено несколько «необычное» поведение кислой фосфатазы. Активность этого фермента в экстрактах, приготовленных на дистиллированной воде, оказалась выше, чем в экстрактах, приготовленных на изотоническом растворе сахарозы. В старых препаратах она была выше, чем в свежих, и, кроме того, в старых препаратах активность не была связана с осаждаемыми частицами. Вскоре появились такие же сообщения относительно некоторых других гидролитических ферментов. Все эти наблюдения привели к открытию новой органеллы, названной лизосомой. Она представляет собой мембранный мешок, наполненный гидролитическими ферменгами, которые служат для контролируемого внутриклеточного расщепления макромолекул. Повреждение мембраны лизосом в клеточных экстрактах, вызванное осмотическим лизисом или старением препарата, приводит к высвобождению этих ферментов из лизосом в неосаждаемой форме.

Сейчас известно около 40 гидролитических ферментов, содержащихся

Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К. Уотсон Дж. Д. Молекулярная биология клетки: В 3-х т. 2-е изд. перераб. и доп. Т. 2.: Пер. с англ. – М.: Мир, 1993. – 539 с.

Рис. 8-69. Лизосомы определяют как окруженные мембранами пузырьки, участвующие во внеклеточном расщеплении веществ. Они содержат большое количество гидролитических ферментов, которые активны при кислом рН. В просвете лизосом кислый рН (около 5)

поддерживается при помощи протонной помпы в мембране, которая использует энергию гидролиза АТР для накачки ионов Н+ внутрь пузырька.

в лизосомах. Это различные протеазы, нуклеазы, гликозидазы, липазы, фосфолипазы, фосфатазы и сульфатазы. Кроме того, все они - кислые гидролазы, обладающие наибольшей активностью при рН 5. Именно такое значение рН поддерживается в лизосомах. В норме мембрана лизосом не проницаема для этих ферментов, но даже в случае их утечки необходимость кислого рН для функционирования гидролаз защищает цитоплазму от разрушения.

Как и все клеточные органеллы, лизосомы не только содержат уникальный набор ферментов, но и окружены необычной, непохожей на остальные, мембраной. Эта мембрана, например, содержит транспортные белки, позволяющие продуктам расщепления макромолекул покидать лизосому, после чего они могут либо выделяться из клетки, либо использоваться внутри нее вторично. Кроме того полагают, что в мембране лизосомы находится специальный белок, использующий энергию АТР для накачки ионов Н+ в лизосому. Именно это поддерживает в полости данной органеллы рН около 5 (рис. 8-69). Большинство белков лизосомной мембраны необычно сильно гликозилированы, что, возможно, защищает их от действия протеаз в полости органеллы.

8.8.2. Лизосомы - это гетерогенные органеллы [54]

Лизосомы удалось четко визуализировать методом электронной микроскопии примерно через десять лет после того, как впервые были описаны их биохимические свойства. Лизосомы чрезвычайно разнообразны по форме и размеру, но могут быть идентифицированы как одно семейство органелл методами гистохимии. Для этого часто приходится анализировать нерастворимые продукты реакции какой-либо гидролазы с субстратом. В ходе такого исследования можно определить, какие именно органеллы содержат данный фермент (рис. 8-70). С помощью такого подхода лизосомы были обнаружены во всех эукариотических клетках. Морфологическая гетерогенность лизосом контрастирует с относительно однообразной структурой других органелл клетки. Эта гетерогенность отражает широкий спектр реакций расщепления, протекающих с участием кислых гидролаз, включая расщепление внутри- и внеклеточных отходов, переваривание фагоцитированных микроорганизмов и даже питание клетки (поскольку лизосомы - это основное место накопления холестерола из поступающих в клетку путем эндоцитоза сывороточных липопротеинов). На этом основании лизосомы иногда рассматривают как группу разнородных органелл, общим свойством которых является высокое содержание гидролитических ферментов.

Рис. 8-70. Электронная микрофотография двух срезов клетки, окрашенной для выявления кислой фосфатазы-маркерного фермента лизосом. Мембранные органеллы большего размера, содержащие электроноплотные преципитаты фосфата свинца, представляют собой лизосомы, а их разнообразная морфология отражает изменения количества и природы расщепляемых веществ. На верхнем фото показаны стрелками два маленьких пузырька, которые, вероятно, переносят гидролазы из аппарата Гольджи. Преципитаты образуются, когда ткань, зафиксированную глутаровым альдегидом (чтобы сохранить локализацию фермента) инкубируют с субстратом фосфатазы в присутствии ионов свинца. (С любезного разрешения Daniel S. Friend.)

Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К. Уотсон Дж. Д. Молекулярная биология клетки: В 3-х т. 2-е изд. перераб. и доп. Т. 2.: Пер. с англ. – М.: Мир, 1993. – 539 с.

8.8.3. Существуют три пути поступления веществ в лизосомы [55]

Транспорт молекул в лизосомы происходит по-разному и зависит от источника этих молекул. Наиболее хорошо изучен путь, по которому идет расщепление материала, поглощенного путем эндоцитоза. Он включает окаймленные ямки, эндосомы, и, наконец, лизосомы. Как обсуждалось в гл. 6, поглощенные путем эндоцитоза молекулы проходят последовательно от периферических к перинуклеарным эндосомам. Те компоненты, которые не были извлечены из этих эндосом, чтобы вернуться в плазматическую мембрану, попадают затем в третий «промежуточный компартмент», получающий новосинтезированные лизосомные гидролазы и белки лизосомной мембраны из аппарата Гольджи. Поскольку среда в этом эндолизосомном компартменте слабокислая, полагают, что именно здесь начинается гидролитическое расщепление эндоцитированного материала. Для превращения эндолизосом в зрелые лизосомы необходимо, чтобы они утратили определенные компоненты мембран, а уровень рН внутри них еще понизился. Как происходит это превращение, неизвестно.

Существует и второй путь транспорта материала в лизосомы. Именно с ним связано разрушение отработанных частей самой клетки-

процесс, называемый аутофагией. Известно, например, что в клетках печени среднее время жизни одной митохондрии составляет около 10 дней. На электронных микрофотографиях нормальных клеток можно увидеть лизосомы, содержащие митохондрии и секреторные пузырьки. Вероятно, это отработанные органеллы, которые должны быть утилизированы в лизосомах. Процесс деградации, по-видимому, начинается с окружения органеллы мембранами, происходящими из ЭР, в результате чего образуется аутофагосома. Затем, как полагают, аутофагосома сливается с лизосомой (или эндолизосомой), образуя аутофаголизосому, в которой уже начинается процесс деградации. Этот процесс хорошо отрегулирован;

отдельные компоненты клетки могут направляться в лизосомы для расщепления по мере необходимости: например, гладкий ЭР, образовавшийся в клетках печени в ответ на лекарственные препараты, после

Рис. 8-71. Три возможных пути образования лизосом. В каждом случае образуются морфологически различные лизосомы, расщепляющие материал из разных источников. В центре этих путей находится «промежуточный компартмент», обозначенный здесь как эндолизосома.

До недавнего времени традиционно выделяли первичные лизосомы и вторичные лизосомы. Первым термином обозначали вновь образованные лизосомные пузырьки, еще не поглотившие никакого материала. Однако последние данные показывают, что лизосомные гидролазы и мембранные белки лизосом отбираются при помощи разных рецепторов, поэтому вероятнее, что они покидают аппарат Гольджи в отдельных транспортных пузырьках и впервые встречаются в эндолизосоме, которая уже содержит материал для расщепления.

Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К. Уотсон Дж. Д. Молекулярная биология клетки: В 3-х т. 2-е изд. перераб. и доп. Т. 2.: Пер. с англ. – М.: Мир, 1993. – 539 с.

выведения препарата из организма удаляется путем аутофагии (см. разд. 8.6.2)

Третий путь поступления материала в лизосомы имеется только у клеток, специализированных для фагоцитоза больших частиц и микроорганизмов. Такие клетки, как макрофаги и нейтрофилы, могут поглощать крупные объекты, образуя фагосомы (см. разд. 6.5.14).

Предполагают, что фагосома превращается в фаголизосому тем же способом, который описан для аутофагосомы. Три вида транспорта молекул в лизосомы схематически изображены на рис. 8-71; три типа лизосом. образующихся при этом, могут не отличаться друг от друга ничем, кроме клеточного материала, который они расщепляют. Все чти по сути разнородные органеллы называют одним словом лизосомы.

Дата добавления: 2015-08-31