В клетках имеется четкая закономерность в ионных градиентах концентраций по ходу секреторного внутриклеточного пути. В вакуолях эндоплазматической сети имеется высокая концентрация ионов кальция, относительно низкая концентрация ионов водорода (рН = 7,1), низкая концентрация ионов калия и хлора, низкая концентрация ионов натрия. В пластинчатом комплексе Гольджи, особенно на его транс стороне, увеличивается концентрация ионов водорода и снижается концентрация ионов кальция. В эндосомах, через которые проходят переносчики, транспортирующие белки от пластинчатого комплекса по направлению к плазматической мембране, имеется низкая концентрация ионов кальция, высокая концентрация ионов водорода, увеличена концентрация ионов натрия и хлора. Наконец, в окружающей внеклеточной среде, куда доставляются (секретируются) белки из переносчиков, имеется высокая концентрация ионов кальция, низкая концентрация инов водорода (рН = 7,4), высокая концентрация ионов хлора и натрия и низкая концентрация ионов калия. Как клапаны, то открываются, то закрываются.
Работу пластинчатого комплекса можно сравнить с работой грудного лимфатического протока. Как известно, человек — прямоходящее животное. У него имеется особая система циркуляции жидкости, которая накачивает ее в вертикальном положении от уровня пальцев на ногах, до уровня ключиц. При этом лимфатические сосуды по которым движется эта жидкость лимфа, имеют очень слабые тонкие стенки. Эти стенки не выдержали бы давления столба жидкости высотой 1,5 метра. Более того на ногах нет насоса, который бы мог преодолеть такое давление водного столба. Тем не менее, даже когда человек стоит, лимфа спокойно течет из ног по направлению к началу шеи и сосуды не лопаются. Что же обеспечивает поднятие жидкости на высоту 1,5 метра?
Все дело в том, что столб жидкости разбит на несколько последовательно расположенных друг за другом, а точнее один на другом сосудов. Сегменты сосудов отделены друг от друга клапанами, которые не дают лимфе течь вниз. Теперь представим, что все сегменты лимфатического протока заполнены лимфой. Вначале слабые мышечные клетки, расположенные в стенке самого верхнего сегмента, сокращаются. Давление в сегменте повышается, клапан, ведущий в нижний сегмент, закрывается. Верхний же клапан, ведущий в полую вену, открывается и лимфа из самого верхнего сегмента вытекает в вену. Для преодоления такого невысокого столбика жидкости сил у мышечных клеток хватает. В результате самый верхний сегмент лимфатического протока опорожняется. Затем происходит сокращение мышц следующего за самым верхним сегмента, который расположен сразу под самым верхним. Давление в нем повышается и клапан, ведущий вниз, закрывается, а клапан, который был закрыт и ведет в самый верхний сегмент, открывается и жидкость из второго сегмента выдавливается в самый верхний сегмент. Затем сокращаются мышечные клетки третьего с верху сегмента. Клапан, ведущий в нижележащий сегмент, закрывается, а клапан, ведущий во второй с верху сегмент, открывается. Лимфа оказывается во втором сегменте. И так далее. В результате такой конструкции удается без проблем поднимать лимфу на высоту 1,5 метра без особых усилий. Нужна только координация в последовательности сокращений мышц.
Попробуем применить данную конструкцию к пластинчатому комплексу Гольджи. Гидростатическое давление в лимфатическом протоке аналогично концентрационному градиенту. Роль клапанов выполняют тонкие трубочки, соединяющие диски пластинчатого комплекса. Представим себе, что с помощью особого механизма мы блокируем выход экспортируемых белков из эндоплазматической сети. В этот момент, когда пластинчатый комплекс не заполнен транспортируемыми белками, в нем продолжается накачка ионов водорода в просвет последнего диска, располагающегося на транс стороне. Из-за постоянного образования и размыкания соединительных трубочек между дисками в пластинчатом комплексе образуется своеобразное динамическое равновесие и градиент концентрации ионов водорода. Она больше всего в дисках на транс стороне и меньше на цис-стороне.
Вначале эндоплазматическая сеть или промежуточная органелла (так иногда называют переносчики, транспортирующие белки между эндоплазматической сетью и пластинчатым комплексом Гольджи) соединена тонкой трубочкой с первым диском АГ, второй диск соединен с третьим, четвертый — с пятым, пятый — с шестым. Затем последовательность соединений меняется. Первый диск отсоединяется от промежуточной органеллы, и соединяется со вторым, третий — с четвертым, пятый — с шестым, седьмой — с транс сетью. Затем первоначальный порядок восстанавливается. Первый диск снова соединяется со вторым, третий с четвертым, пятый с шестым, седьмой с мешком, расположенным после АГ. Затем все разрезается и цистерны сливаются в другом порядке. Первый диск — с эндоплазматическим ретикулумом. Второй с третьим, четвертый с пятым, шестой с седьмым… И так далее.
После того, как блок удален и когда соединены первый диск и эндоплазматическая сеть, то растворимые молекулы белков, накопленные (в связи с блоком их выхода) в эндоплазматической сети начинают диффундировать по узкой трубочке в первый диск на цис-стороне. Из-за того, что в первом диске более высокая концентрация водородных ионов, то кислые белки, например, альбумин, становятся менее заряженными и имеют тенденцию к агрегации. Образовав димер или тример, они с трудом проходят обратно. Тем самым узкая трубка функционирует как клапан, препятствующий обратной диффузии молекул в эндоплазматическую сеть. Если теперь трубочка разрывается, и устанавливается соединение между первым и вторым диском, то из-за того, что кислотность во втором больше, там агрегация альбумина ещё выше и узкая трубочка опять выступает как клапан, блокирующий обратную диффузию альбумина. Тем самым все новые и новые порции альбумина все в большей и большей степени концентрируются на транс стороне.
Хотя в самый начальный момент диски не содержат транспортируемых белков, но белки, расположенные в самом последнем, на транс-стороне, диске продолжают качать ионы водорода из цитоплазмы внутрь просвета диска. Из-за наличия трубчатых соединений ионы водорода диффундируют по направлению к цис-стороне и возникает градиент кислотности. Она самая высокая на транс стороне и низкая на цис-стороне. Белки, в которых среди аминокислот превалируют содержащие кислотные остатки, обладают кислыми свойствами и при снижении pH до значений, когда и кислотные и щелочные остатки нейтрализуются в равной степени, такие белки имеют тенденцию к агрегации. Видимо, того же эффекта можно достичь, если использовать насосы ионов хлора или калия.
Работа аппарата Гольджи похожа на работу лимфатического протокеа, где волна сокращений идет вниз, а лимфа поднимается вверх. Так и тут, из-за градиента и постоянной откачки белка из более начального диска альбумин все более и более концентрируется на транс-стороне. Такой механизм называется поцеловал-и-убежал (кисс-анд-ран, kiss-and-run).
V.7. ТРАНСПОРТ ОТ ПЛАСТИНЧАТОГО АППАРАТА ГОЛЬДЖИ К ПЛАЗМАТИЧЕСКОЙ МЕМБРАНЕ
В поляризованных клетках существуют механизмы, специфически направляющие как мембранные, так и секретируемые белки к определенному домену плазматической мембраны. Раз состав и функция двух доменов плазматической мембраны различны, то совершенно по другому осуществляется транспорт по направлению к верхушечной плазматической мембране. Во-первых, он медленнее. Во-вторых, в этом транспорте задействованы не микротрубочки, а актиномиозиновый комплекс.
В деталях механизм транспорта между пластинчатым комплексом и апикальной плазматической мембраной точно не известен. Во-первых, позиция пластинчатого комплекса относительно апикальной плазматической мембраны имеет существенные особенности. Как правило, пластинчатый комплекс расположен в непосредственной близости от апикальной плазматической мембраны. Дело в том, что расположение центриолей и центросом в поляризированных клетках, то есть имеющих апикальную и базолатеральную плазматическую мембраны, имеет существенные особенности по сравнению с неполярными клетками. Обычно центросома в таких клетках также расположена непосредственно под апикальной мембраной. Поскольку транспорт от пластинчатого комплекса по направлению к апикальной мембране идет по направлению к минус концу МТ, то кинезин уже особой роли не играет. Здесь чаше задействован актин-миозиновый комплекс. После-Гольджиевые переносчики начинают полимеризовать актин, который в свою очередь взаимодействует с миозином, локализованным под апикальной мембраной. Передвижение переносчиков происходит медленнее. Не понятно также, какие СНАРЕ-белки задействованы с этом процессе.
Удалось установить, что белки, предназначенные для различных доменов, вместе проходят путь от эндоплазматической сети до транс-сети Гольджи, где они сортируются и направляются в составе секреторных или транспортных пузырьков к соответствующим участкам клеточной мембраны. Апикальные, и базолатеральные белки имеют сигналы сортировки, направляющие их к соответствующему домену; с другой стороны, может быть, только один из этих путей требует специального сигнала, а другой реализуется при отсутствии сигнала.
Основные сигналы, обеспечивающие сортировку белков к базолатеральной мембране, находятся в цитоплазматическом домене мембранного белка. Очень часто они взаимодействуют с адапторными белками АП-3 и 4. Напротив, сигналы, ответственные за сортировку в сторону апикальной плазмалеммы, расположены в люминальном домене и трансмембранном домене. Одним из важнейших среди последних является наличие высокой степени гликозилирования и увеличенная длина трансмембранного домена.
V.8. РЕГУЛИРУЕМАЯ СЕКРЕЦИЯ
В секреторных вакуолях часто происходит агрегация накопленных белков в виде плотных секреторных гранул. Это приводит к повышению концентрации белка в этих вакуолях примерно в 200 раз, по сравнению с его концентрацией в аппарате Гольджи. Затем эти белки по мере накопления в секреторных вакуолях выбрасываются из клетки путем экзоцитоза, поле получения клеткой соответствующего сигнала.