Молекулярная биология клетки. Том 1. Молекулярная биология клетки 2Molecular Bruce Alberts, Dennis Bray,Biology

• Название: Молекулярная биология клетки 2Molecular Bruce Alberts, Dennis Bray,Biology
• Анкор: Молекулярная биология клетки. Том 1.pdf
• Дата: 22.04.2017
• Размер: 25.6 Mb.
• Имя файла: Молекулярная биология клетки. Том 1.pdf
• Тип: Документы; #5292
• страница: 62 из 79

6-35
6.5.7. Эндоцитоз, опосредуемый рецепторами, служит концентрирующим приспособлением для поглощения специфических
внеклеточных макромолекул
В большинстве животных клеток клатрин-окаймленные ямки и пузырьки обеспечивают эффективный способ поглощения из внеклеточной жидкости специфических макромолекул в процессе, называемом опосредуемым рецепторами эндоцитозом. Макромолекулы связываются со своими рецепторами на поверхности клетки, накапливаются в окаймленной ямке и погружаются в клетку в виде макромолекулярных комплексов, заключенных в эндоцитозный пузырек. Поскольку внеклеточная жидкость попадает в окаймленную ямку и включается в окаймленные пузырьки, растворенные в ней вещества также поглощаются, но с намного меньшей скоростью - этот процесс называется жидкофазным эндоцитозом. Опосредуемый рецепторами эндоцитоз обеспечивает механизм селективного концентрирования, который увеличивает эффективность поглощения специфических лигандов более чем в 1000 раз, так что даже

414
минорные компоненты внеклеточной жидкости могут специфически поглощаться в большом количестве (без поглощения большого объема внеклеточной жидкости).
6-33
6-34
6.5.8. Клетки поглощают холестерол вместе с липопротеинами низкой плотности (ЛНП) путем опосредуемого
рецепторами эндоцитоза [44]
Важный процесс, идущий во многих животных клетках при помощи опосредуемого рецепторами эндоцитоза - это поглощение холестерола из внеклеточной среды. За счет этого обеспечивается большая часть потребности клеток в холестероле, необходимом для синтеза новых мембран. Если проникновение холестерола в клетки заблокировать, то холестерол накапливается в крови и может способствовать образованию атеросклеротических бляшек на стенках кровеносных сосудов. Основная часть холестерола переносится кровью в виде комплексов с белком. Эти комплексы называются липопротеинами низкой плотности, или ЛНП, и представляют собой большие сферические частицы (22 нм в диаметре), каждая из которых имеет сердцевину, заполненную 1500 молекулами холестерола, связанными сложноэфирными связями с длинными цепями жирных кислот. Сердцевина ЛНП окружена липидным монослоем, содержащим единственную молекулу белка, организующую структуру этой частицы (рис. 6-75).
Когда клетке необходим холестерол для синтеза мембраны, она производит белки-рецепторы ЛНП и встраивает их в плазматическую мембрану. Появившись в мембране, рецептор ЛНП диффундирует в ней до тех пор, пока не встретится с формирующейся окаймленной ямкой и не включится в ее состав (рис. 6-76, А). Поскольку окаймленные ямки постоянно отщепляются, образуя окаймленные пузырьки, все ЛНП-частицы, связавшиеся с ЛНП-рецепторами в окаймленной ямке быстро проникают внутрь клетки. После потери клатриновых оболочек пузырьки высвобождают свое содержимое в эндосомы. В эндосомах ЛНП-частицы и их рецепторы разделяются: рецепторы возвращаются в дальнейшем обратно в мембрану, а ЛНП доставляются к лизосомам (рис, 6-77). В лизосомах эфиры холестерола, находящиеся в ЛНП-части-
Рис. 6-75.
Схематическое изображение липопротеиновой частицы низкой плотности (ЛНП) в поперечном разрезе. Каждая сферическая частица с массой 3 х 10 6
Да содержит около 1500 молекул эфира холестерола, окруженных липидным монослоем, состоящем из

800 фосфолипидных и 50 холестерольных (не этерифицированных) молекул. Структуру частицы организует одна молекула белка (500000 Да), ответственная за специфическое связывание ЛНП с рецепторным белком клеточной поверхности.
Рис. 6-76.
Белки - рецепторы ЛНП связываются с участками окаймленных ямок в плазматической мембране нормальных клеток (А). Рецепторы
ЛНП человека представляют собой трансмембранные гликопротеины, пересекающие бислой 1 раз. Они состоят из 840 остатков, из которых на цитоплазматической стороне находятся лишь 50. Б. Мутантная клетка: белки - рецепторы ЛНП дефектны из-за отсутствия у них участков в цитоплазматическом домене, которые дают им возможность связываться с окаймленными ямками. Такие клетки связывают ЛНП; но не могут поглощать их. У людей примерно один из 500 человек имеет один дефектный ген рецептора ЛНП; для такого человека высок риск смерти в раннем возрасте из-за болезни сердца.

415
Рис. 6-77.
Опосредуемый рецептором эндоцитоз ЛНП. Обратите внимание, что ЛНП диссоциирует от рецептора в кислом окружении в эндосоме.
Механизм транспорта не известен. ЛНП попадают в лизосому и деградируют, высвобождая холестерол. ЛНП-рецепторы возвращаются опять в плазматическую мембрану через транспортные пузырьки, которые отщепляются в тубулярной области эндосомы. Для простоты показан только один рецептор ЛНП, проникающий в клетку и возвращаемый в плазматическую мембрану. Независимо от того, связался ли рецептор с ЛНП, он проходит цикл поглощения-возвращения каждые 10 мин, совершая несколько сотен оборотов за время своего существования (около 20 ч). цах, гидролизуются до свободного холестерола, который затем может использоваться клеткой при синтезе новых мембран. Если в клетке скопилось слишком много холестерола, то его синтез, а также синтез белков-рецепторов ЛНП подавляются, в результате чего холестерола и меньше производится, и меньше поглощается извне.
Этот путь нарушается у некоторых индивидуумов, унаследовавших дефектные гены белков-рецепторов ЛНП: их клетки не способны поглощать ЛНП из крови. Обусловленный этим дефектом высокий уровень холестерола в крови таких индивидуумов создает предрасположение к преждевременному атеросклерозу, так что большинство из них умирает в раннем возрасте от коронарной болезни сердца. Аномалия может также быть связана с утратой рецепторами участка связывания либо с ЛНП, либо с окаймленной ямкой (см. рис. 6-76, Б). В последнем случае имеется достаточное число белков-рецепторов ЛНП, но они не собираются в окаймленных участках плазматической мембраны. ЛНП связываются с поверхностью таких мутантных клеток, однако внутрь не проникают. Это прямо доказывает важность окаймленных ямок в опосредуемом рецепторами эндоцитозе холестерола.
Уже обнаружено более 25 различных рецепторов для разных молекул, участвующих в эндоцитозе. Все они, по-видимому, используют
тот же путь через окаймленные ямки. Многие из этих рецепторов встраиваются в окаймленные ямки безотносительно того, связаны ли они со
специфическими лигандами или нет. Не все белки плазматической мембраны находятся в окаймленных ямках. Это означает, что ямки работают
как молекулярные фильтры, собирающие на своей поверхности определенные белки плазматической мембраны и исключающие присутствие
других. Электронно-микроскопические исследования клеток, выращенных в среде с различными лигандами (меченными для того, чтобы различать
их при электронной микроскопии), показали, что в одной и той же окаймленной ямке содержится множество видов рецепторов. На участке
плазматической мембраны окаймленной ямки может собраться, вероятно, около 1000 рецепторов разных видов. Все комплексы рецепторов с
лигандами, утилизируемые в процессе эндоцитоза через окаймленные клатриновые пузырьки, очевидно попадают в дальнейшем в одну и ту же
эндосому. Однако последующая судьба этих молекул определяется типом рецептора.

416
6.5.9. Содержимое эндосом попадает в лизосомы, если не возвращается обратно специфическим образом [45]
На электронных микрофотографиях эндосомный компартмент можно сделать легко различимым объектом, если кратковременно проинкубировать клетки в среде с меченым лигандом. Поглощенный лиганд позволяет выявить эндосомный компартмент в виде сложного набора гетерогенных ограниченных мембраной трубочек и пузырьков. Они располагаются от периферии клетки до ее перинуклеарной области, часто обнаруживаются вблизи аппарата Гольджи, но не в нем самом (рис. 6-78). В экспериментах с меченым лигандом наблюдаются два набора эндосом:
периферические эндосомы,
появляющиеся непосредственно вблизи плазматической мембраны через 1 минуту, и перинуклеарные (внутренние)
эндосомы,
появляющиеся через 5-15 мин. Внутреннее содержимое эндосом кислое (рН 5-6) благодаря накачке ионов Н
+
из цитозоля внутрь АТР- зависимым Н
+
-насосом, находящимся в мембране эндосом. Содержимое внутренних эндосом более кислое, чем периферических. Как мы увидим, кислое окружение поглощенных молекул играет исключительную роль в функционировании этих органелл. По-видимому, одна и та же (или несколько сходных) эндосомная Н
+
-АТРаза закисляет все эндоцитозные и экзоцитозные органеллы, включая фагосомы, лизосомы, отдельные компартменты аппарата Гольджи и многих транспортных или секреторных пузырьков.
Большая часть содержимого перинуклеарных эндосом попадает в лизосомы. Однако многие молекулы избегают этой участи и возвращаются из периферических (и, возможно, перинуклеарных) эндосом в плазматическую мембрану. Это происходит благодаря отщеплению транспортных пузырьков от эндосом. В результате деградации подвергаются лишь те поглощенные молекулы, которые не должны специфическим образом вернуться обратно.
Сейчас известно, что путь от эндосом к лизосомам намного сложнее, чем это казалось раньше. Гидролитические ферменты, предназначенные для лизосом, первоначально поступают из аппарата Гольджи (в транспортных пузырьках) в специальный предлизосомальный компартмент,
Рис. 6-78.
Электронная микрофотография (А) и схематическое изображение (Б) перинуклеарных эндосом из молодых клеток почек хомячка, растущих в культуре. Клетки инкубировали в среде, содержащей пероксидазу, 15 мин при 37°С, что вполне достаточно для поглощения пероксидазы путем жидкофазного эндоцитоза и переноса в эндосомы (и эндолизосомы, см. текст), но недостаточно для поступления в лизосомы.
После фиксации клеток и выдерживания их с субстратом пероксидазы (диаминобензидином) продукты ферментативной реакции фиксировали тетроксидом осмия для увеличения электроноплотности. На (Б) изображена усредненная картина, полученная из 18 тонких срезов. Ядро клетки обозначено буквой N. (А). (Marsh et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 83, 2899-2903, 1983.)

417
располагающийся вместе с перинуклеарными эндосомами, но отдельно от них. Хотя эти окруженные мембраной органеллы можно принять за эндосомы, находящиеся на последней стадии созревания, на самом деле процесс гидролитической деградации, который будет завершен в лизосомах, только начинается. Поэтому мы бы назвали эти органеллы эндолизосомами (рис. 6-79).
Остается неясным, каким образом поглощенные при эндоцитозе молекулы движутся от одного эндосомного компартмента к другому так, что оказываются в конце концов в лизосомах. Одна из гипотез состоит в том, что периферические эндосомы медленно движутся внутрь клетки, превращаясь в перинуклеарные эндосомы, которые в результате слияния с транспортными пузырьками из аппарата Гольджи, непрерывного возвращения части мембраны обратно и увеличения кислотности превращаются в эндолизосомы, а затем в лизосомы. Другая гипотеза предполагает, что каждый эндосомный и лизосомный компартмент может быть перманентной структурой, наподобие стопки цистерн в аппарате
Гольджи (см. разд. 8.7.6). Транспорт же между ними осуществляется через транспортные пузырьки, так же как между соседними цистернами аппарата Гольджи. Мы вернемся к вопросу о том, как формируются лизосомы в гл. 8.
6.5.10. Комплексы лиганд-рецептор сортируются внутри эндосом [46]
Эндосомный компартмент работает как главная сортирующая станция в эндоцитозном пути наподобие аппарата Гольджи, выполняющего такую же функцию в биосинтетическом секреторном пути (см. разд. 8.7.6). Кислая среда внутри эндосом играет ключевую роль в процессе сортировки молекул, оказывая влияние на комплексы рецептора с лигандом и, таким образом, определяя их дальнейшую судьбу. При понижении рН находящиеся в эндосоме рецепторы меняют свою кон-формацию и отделяются от своих лигандов. Освободившиеся внутри эндосомы лиганды, как правило, обречены в дальнейшем на разрушение. Другие лиганды, которые остаются связанными со своими рецепторами, в конечном итоге разделяют судьбу своих рецепторов.
Судьба же специфических рецепторов зависит от их функции: 1) они могут быть возвращены в те же самые области плазматической мембраны, откуда они были поглощены (это наиболее общий для рецепторов путь), 2) могут попасть в лизосомы или 3) могут возвратиться в другую область плазматической мембраны в процессе трансцитоза (рис. 6-80).
Рецептор ЛНП, описанный в разд. 6.5.8, проходит первый путь. Он диссоциирует от своего лиганда (ЛНП) в эндосоме и возвращается в плазматическую мембрану для повторного использования, а освободившиеся ЛНП переносятся в лизосомы (см. рис. 6-77). Сходный, но более сложный цикл имеет место при эндоцитозе трансферрина - белка-переносчика железа в крови. Рецептор трансферрина, находящийся на поверхности клетки, переносит трансферрин со связанными ионами железа в периферические эндосомы в процессе эндоцитоза. При низком рН в эндосоме индуцируется отделение железа от трансферрина, но трансферрин (называемый в данном случае апотрансферрином) остается связанным с рецептором и возвращается в плазматическую мембрану в виде комплекса рецептор - апотрансферрин. Попадая во внеклеточную жидкость, имеющую нейтральный рН, апотрансферрин диссоциирует от рецептора и становится способен вновь связывать ионы железа и включаться в новый цикл транспорта. Таким образом, трансферрин курсирует между внеклеточной жидкостью и эндосомным компартментом, не
Рис. 6-79.
Молекулы, поглощенные в окаймленных ямках, попадают в периферические эндосомы и затем последовательно оказываются в перинуклеарных эндосомах, эндолизосомах и в лизосомах. Однако часть из них может специфически возвращаться обратно из эндосом или эндолизосом. Гидролитические ферменты лизосом первоначально переносятся из аппарата Гольджи в эндосомы. Остается неясным, как поглощенные молекулы, которые не возвращаются обратно, движутся из одного компартмента к другому, оказываясь в конце концов в лизосомах, где они деградируют.

418
Рис. 6-80
. Три пути из эндосомного компартмента в эпителиальных клетках. Большинство молекул, которые не возвращаются обратно из эндосом
(или эндолизосом, не показано) в мембрану, идут далее по конститутивному пути из эндосомного компартмента в лизосомы. Возвращенные молекулы попадают либо в ту же область плазматической мембраны, откуда они были поглощены (рециркуляция), либо в другой домен плазматической мембраны (трансцитоз). попадая в лизосомы и поставляя в клетку необходимое для ее роста железо.
В качестве примера рецептора, проходящего второй путь эндоцитоза, можно привести рецептор, связывающий небольшой белок -
фактор роста эпидермиса (ФРЭ).
Рецепторы ФРЭ несколько необычны, поскольку они накапливаются в окаймленных ямках только после связывания с ФРЭ. По-видимому, необходимы какие-то конформационные изменения рецептора, индуцируемые лигандом, для связывания его в ямках. Более того, ФРЭ диссоциирует из комплекса с рецептором при более низких рН, чем это требуется для диссоциации многих других комплексов лиганд-рецептор. Возможно, по этой причине множество поглощенных рецепторов ФРЭ попадает в лизосомы, где они деградируют вместе с ФРЭ. Таким образом, связывание фактора роста эпидермиса с рецептором приводит к тому, что концентрация рецептора ФРЭ на поверхности клетки уменьшается. В результате этого концентрация сигнального лиганда во внеклеточной жидкости регулирует число комплементарных лиганду рецепторных молекул на поверхности клетки-мишени. Этот механизм регуляции в корне отличается от регуляции ЛНП- рецепторов, число которых зависит от внутриклеточной концентрации холестерола (см. разд. 6.5.8).
6.5.11. Макромолекулы могут переноситься через складки эпителиальных клеток в процессе трансцитоза [47]
Некоторые рецепторы, находящиеся на поверхности поляризованных эпителиальных клеток, переносят специфические макромолекулы из одного внеклеточного пространства в другое в процессе трансцитоза. Эти рецепторы проходят в эндосомном компартменте по третьему пути.
Например, новорожденные крысы получают антитела из материнского молока (что помогает им защищаться от инфекции), транспортируя их через эпителий кишечника. Среда в полости кишки слегка кислая, при этом низком рН антитела из молока связываются со специфическими рецепторами, находящимися на апикальной (поглощающей) стороне эпителиальных клеток кишечника, и поглощаются через окаймленные пузырьки. Комплексы рецептор - антитело, попав в эндосому, остаются интактными. Затем транспортные пузырьки сливаются с базолатераль-

419
ным доменом плазматической мембраны. При этом комплексы оказываются на поверхности мембраны в нейтральном рН внеклеточной жидкости.
При таком рН антитела диссоциируют из комплекса с рецепторами и в конце концов попадают в кровяное русло новорожденного. В свою очередь у матери секреция антител в молоко также осуществляется путем трансцитоза, но в обратном направлении - из крови в молоко (см. рис. 18-20).
Разнообразие путей, по которым проходят различные рецепторы из эндосом, подразумевает, что многие из них помимо участков связывания лиганда и окаймленной ямки имеют также сигналы для сортировки. Благодаря этим сигналам рецепторы попадают в подходящие транспортные пузырьки, отщепляющиеся от эндосом и в связи с этим оказываются в нужном месте клеточной мембраны. Природа этих сигналов не выяснена. Поскольку гораздо больше известно о похожем процессе, происходящем в аппарате Гольджи, где транс-сеть сортирует различные белки в различные транспортные пузырьки, мы отложим дальнейшее обсуждение внутриклеточной сортировки молекул и вернемся к этому вопросу в гл.
8.
6-31
6-32
6.5.12. Окаймленные ямки и пузырьки обеспечивают главный путь жидкофазного эндоцитоза во многих клетках [48]
Скорость поглощения собственной плазматической мембраны путем эндоцитоза можно рассчитать, если во внеклеточную жидкость добавить на короткое время какое-либо вещество, за которым можно следить и измерить скорость его поглощения эндоцитозными пузырьками. Для этого используют два типа таких молекул: либо растворенных во внеклеточной жидкости и поглощаемых жидкофазным эндоцитозом (см. рис. 6-
78), либо связывающихся с поверхностными рецепторами и поглощаемых в процессе опосредуемого рецепторами эндоцитоза. Обычно при любом способе измерения скоростей получают одинаковые результаты. Из этого следует, что путь через окаймленные ямки - окаймленные пузырьки является во многих клетках главным не только для опосредуемого рецепторами эндоцитоза, но и для жидкофазного эндоцитоза.
Скорость поглощения плазматической мембраны зависит от типа клеток, но обычно на удивление велика. Макрофаги, например, каждый час поглощают количество жидкости, равное 25% своего объема. Это означает, что каждую минуту они должны поглощать 3% собственной мембраны, или 100% мембраны примерно за полчаса. Скорость эндоцитоза у фибробластов немного ниже, а у некоторых амеб поглощение мембраны происходит намного быстрее. Поскольку на протяжении всего процесса и площадь клетки, и ее объем остаются неизменными, ясно, что эквивалентное количество мембраны должно появляться на поверхности клетки в процессе экзоцитоза.