V.1. ТРАНСПОРТ МЕЖДУ ЭНДОПЛАЗМАТИЧЕСКОЙ СЕТЬЮ И АППАРАТОМ ГОЛЬДЖИ
На участке транспорта от эндоплазматической сети к аппарату Гольджи можно выделить три этапа: 1) собственно выход из эндоплазматической сети, 2) централизация и доставка к аппарату Гольджи и 3) вход в него.
Для того чтобы выйти из эндоплазматической сети, белки и липиды используют так называемые места выхода из эндоплазматической сети. Эти участки выхода имеют своеобразное строение. В области выходов из эндоплазматической сети имеются так называемые «тубулярно-везикулярные кластеры» (200). Это совокупность трубчатых и везикулярных структур. На цистерне (в наших аналогиях — макаронине) гранулярной (покрытой рибосомами) эндоплазматической сети имеются мембранные почки. Рядом находятся несколько анастомозирующих трубок и пузырьков. Пузырьки довольно редкие. Они имеют диаметр 60–70 нм и, как правило, их мембрана не имеет выраженного белкового покрытия.
Трубки часто содержат локальные сферические расширения. Иногда на цистерне макаронины, то есть эндоплазматической сети, образуется мембранная почка. Эта почка имеет хорошо заметное под электронным микроскопом белковое покрытие. Покрытие формируется коатомером-2, образует сплетение типа такого, что было на советской сетке-авоське, сплетенной из веревок. Только отверстия, образуемые покрытием, шестиугольные и пятиугольные. Если мячик поместить в такую авоську и положить на стол, то он будет похож на подобную мембранную почку, на которой имеются выступающие перемычки, образующие сетчатый рисунок на поверхности мяча. Рисунок веревок состоит из шестиугольников и пятиугольников, что соответствует рисунку футбольной камеры.
V.2. МЕХАНИЗМЫ КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ МЕМБРАННЫХ БЕЛКОВ ПРИ ВЫХОДЕ ИЗ ЭР
Для увеличения эффективности работы системы перед выходом из эндоплазматической сети мембранные белки подвергаются концентрированию. Все экспортируемые из эндоплазматической сети мембранные белки делятся на такие, которые подвергаются концентрированию на выходе из эндоплазматической сети и те, что концентрированию не подвергаются или этот процесс происходит уже в аппарате Гольджи.
Одним из непременных условия для эффективного концентрирования мембранных белков в эндоплазматической сети является их способность образовывать димеры или тримеры, то есть склеиваться попарно или по трое. Склеивание происходит, как правило, в области того участка белка, который обращен в просвет вакуоли эндоплазматической сети (то есть внутрь нашей макаронины). Та же часть аминокислотной цепи, которая обращена в цитоплазму имеет небольшие участки, которые способны приклеиваться к мелким единицам, образующим коатомер-2.
Коатомер-2 составлен из 5 субъединиц, 4 из которых в свою очередь попарно склеены. Сек23 склеен с Сек24. Сек13 склеен с Сек31. В приклеивании экспортируемого белка к коатомеру 2 участвует небольшой белок Сар1 п, который способен гидролизировать (расщепить) ГТФ. Он бывает в двух состояния: 1) когда к нему приклеена ГДФ, 2) когда к нему приклеена ГТФ. В первом случае он не приклеивается к мембране. Во втором его трехмерная структура изменяется и он стремится приклеиться к мембране эндоплазматической сети. После его приклеивания к мембране он также склеивается с парой Сек23-Сек24, а та, в свою очередь, присоединяется к нашему экспортируемому мембранному белку.
Приклеивание экспортируемого мембранного белка к комплексу, состоящему из Сар1п и Сек23/24, ведет к тому, что последняя белковая пара склеивается также с парой Сек13-Сек31. Образуется линейный гетерополимер, состоящий и следующей цепи разнородных мономеров: белок/Сар1 п/Сек23/Сек24/Сек13/Сек31. Сек31 может приклеиваться к другой такой же цепи. В результате образуется полимер, который не только состоит из разных белков, но так же, как нитка при прошивании ткани, ныряет туда и обратно через мембрану: просветная часть нашего белка — трансмембранный участок (проход через мембрану) — участок, смотрящий в цитоплазму — Сар1 п — Сек23 — Сек24 — Сек13- Сек31 — Сек31-Сек13 — Сек24 — Сек23 — Сар 1 п — цитоплазматический участок — трансмембранный участок (обратный проход через мембрану) — просветный участок — (где имеется склеивание двух молекул нашего белка) просветный участок — трансмембранный участок и т. д. В результате экспортируемые мембранные белки оказываются включенными в эти длинные полимеры, которые могут ветвиться. Тем самым мембранные белки подвергаются концентрированию.
Возникающие гетерополимеры и приводят к тому, что экспортируемые мембранные белки концентрируются в месте выхода из эндоплазматической сети. Сходным образом осуществляет концентрирование белков-СНАРЕ. Таким образом, белки СНАРЕ и экспортируемые белки в зонах выхода из эндоплазматической сети имеют более высокую концентрацию, чем в остальных участках эндоплазматической сети.
Когда наш белок сконцентрирован, начинается процесс удаления покрытия. При этом пара: Сек13-Сек31 активирует пару
Сек23-Сек24. Она в свою очередь активирует Сар 1 п, который без этой активации может гидролизировать ГТФ, но делает это очень и очень медленно. В результате Сар1 п отщепляет фосфорный остаток от ГТФ, лишается способности заякориваться в мембране и все покрытие распадается и отщепляется от мембраны. Но наш белок уже сконцентрирован в сравнительно изолированной мембранной структуре, что мешает его обратной диффузии в цистерны эндоплазматической сети.
V.3. КОНЦЕНТРИРОВАНИЕ РАСТВОРИМЫХ СЕКРЕТИРУЕМЫХ И ЛИЗОСОМНЫХ БЕЛКОВ
Несколько по-другому происходит концентрирование растворимых секретируемых белков или проферментов лизосом, предназначенных для переноса в лизосомы. Как же достигается концентрирования растворимых белков, предназначенных на экспорт из эндоплазматической сети?
Секретируемые белки и ферменты лизосом имеют сигнальную последовательность, которая отрезается при проходе цепи аминокислот через мембрану эндоплазматической сети. Затем растворимые белки либо получают свои моносахаридные цепочки, либо нет и свертываются в глобулярные или овоидные структуры так, чтобы убрать внутрь гидрофобные аминокислоты и обеспечить наиболее оптимальное выполнение функции данным белком. После контроля правильности упаковки они получают возможность выйти из эндоплазматической сети.
Как и в случае мембранных белков, секретируемые просветные белки могут концентрироварться на уровне выходов из эндоплазматической сети или на уровне аппарата Гольджи. Например, такие как белки, секретируемые клетками печени альбумин и альфа-анти-трипсин, не концентрируются существенным образом на уровне выходов из эндоплазматической сети, но концентрируются во время прохода через аппарат Гольджи. Напротив, белки амилаза или химотрипсиноген концентрируются как на уровне выхода из цитоплазматической сети, так и на уровне аппарата Гольджи.
Концентрирование секретируемых белков и предшественников ферментов лизосом основано на особенностях физико-химических свойств данных белков. Суть концентрационного механизма с помощью закисления раствора можно проиллюстрировать, если вспомнить, как устроен белок. Как известно, белок состоит не только из нейтральных аминокислот, но также из большого количества аминокислот несущих отрицательный или положительный заряд в водной среде. Если в среду добавить избыток протонов, то некоторое время рН среды меняться не будет, поскольку избыток протонов вначале будет поглощаться отрицательными зарядами белка, которые тем самым нейтрализуются. Именно поэтому белки обладают свойствами буфера.
Разные белки имеют разное содержание аминокислот, которые содержат щелочные и кислотные группировки. Если в цепи больше аминокислот со щелочными группировками, то белок имеет свойства щелочи, если больше аминокислот с кислотными группировками, то белок имеет свойства кислоты. Гистоны очень щелочные белки, поэтому они и прочно связываются с нуклеиновыми кислотами. Напротив, большая часть цитоплазматических белков имеет кислотный характер. Эту разницу использует клетка для концентрирования данных белков в переносчиках, которые функционируют на участке трассы эндоплазматическая сеть — пластинчатый аппарат Гольджи.
Нейтрализованные белки могут агрегироваться в растворе с низким рН. Другим механизмом концентрирования может быть кальций, концентрация которого в эндоплазматической сети и особенно в просвете цистерн аппарата Гольджи существенно повышена. В таком случае, концентрирование белков на выходе из эндоплазматической сети может быть легко объяснено с помощью концентрирования мембранных белков-насосов протонов в местах выходов из эндоплазматической сети. Поскольку каждый данный белок имеет свое значение pI, точки при которой он становится нейтральным, то можно предположить, что разные белки имеют разную чувствительность к разным значением рН. Одни начинают агрегировать уже при минимальном закислении раствора, другие требуют более значительного снижения рН.
Начальная стадия концентрирования белков в соответствии с механизмом рН-зависимого агрегирования происходит в специальных участках эндоплазматической сети, расположенных рядом с трубчатыми сплетениями или непосредственно в них. В этих зонах с помощью коатомера-2 концентрируются белки-переносчики протонов. Коатомер-2 выполняет поэтому не только функцию концентратора мембранных белков (двоек-диметров или троек-тримеров), но и участвует в концентрировании в зоне выходных мест также таким белков, как ионные насосы.
С помощью энергии макроэргов протоны накачиваются этими белками-насосами в просвет данного участка эндоплазматической сети. Если же в зоне выхода из эндоплазматической сети поставить насос, который прокачивает ионы водорода из цитоплазмы в просвет вакуоли, то в просвете вакуоли будет чуть большая кислотность. Поэтому белки, содержащие больше кислотных остатков, будут здесь осаждаться, то есть концентрироваться, особенно если вход в зону с кислой средой очень узкий и пропускающий только белки в мономерной форме и не пропускающий их, если они образуют более крупные агрегаты. Например, альбумин, наиболее распространенный белок крови, имеет тенденцию к агрегации в кислой среде и он поэтому концентрируется в дисках пластинчатого аппарата Гольджи. То же самое происходит с коллагеном, основным белком соединительной ткани.