Эндоплазматический ретикулум

Сокращение трубочек заставляет белки двигаться по эндоплазматическому ретикулуму

Рис. 1. Схема строения эндоплазматического ретикулума. Рисунок с сайта en.wikipedia.org

Несмотря на древнюю историю микроскопии, возможность наблюдать за множеством молекул в реальном времени в живых клетках биологи получили относительно недавно. Но теперь, например, можно строить и анализировать траектории отдельных молекул, двигающихся внутри клетки и ее органелл. Авторы недавней статьи, опубликованной в журнале Nature Cell Biology, решили разобраться, за счет чего перемещаются молекулы по эндоплазматическому ретикулуму — системе мембранных каналов и полостей, в которых созревают многие клеточные белки. Оказалось, что это происходит из-за периодических сокращений некоторых трубочек, которые разгоняют люминальную жидкость, заполняющую эту органеллу.

Любая клетка в составе многоклеточного организма постоянно сообщается с другими клетками, выделяя в межклеточную среду разнообразные белки. Они доставляются к клеточной мембране внутри маленьких мембранных пузырьков — везикул, которые сливаются с мембраной клетки, высвобождая свой груз наружу. Везикулы отпочковываются от большой мембранной системы внутри клетки — эндоплазматического ретикулума (ЭПР). ЭПР представляет собой систему ограниченных фосфолипидной мембраной полостей, которые из-за характерной формы называются трубочками и цистернами. Сочленения между трубочками и цистернами называют узлами.

Функционально и морфологически ЭПР подразделяется на шероховатый и гладкий (рис. 1). Поверхность шероховатого ЭПР густо усеяна рибосомами — клеточными фабриками по производству белков. На гладком ЭПР рибосом нет, поэтому он не принимает участие в синтезе белка. Вместо этого он служит местом синтеза многих липидов и внутриклеточным депо ионов кальция.

Рибосомы, сидящие на шероховатом ЭПР, синтезируют белки, отправляя их во внутреннее пространство ЭПР — люмен. Люмен заполнен люминальной жидкостью, по составу близкой к цитоплазме. Произведенные рибосомами полипептидные цепочки сами по себе еще не являются функциональными белками. После трансляции специальные белки — шапероны — придают им нужную пространственную структуру, другие белки навешивают углеводные группы, соединяют остатки цистеина друг с другом, образуя цистеиновые мостики. Ферменты, осуществляющие все эти реакции, плавают в люминальной жидкости, по очереди «обрабатывая» созревающий белок.

Важный вопрос: как именно двигаются созревающие белки внутри люмена? Первоначально считалось, что это происходит из-за диффузии, то есть они просто хаотически двигаются между молекулами воды в люмене без участия какой-либо дополнительной помощи. Однако это предположение имеет слабые места. Прежде всего, при диффузии движение молекул слишком медленное и ненаправленное для того, чтобы белки, предназначенные для секреции, проходили насквозь весь ЭПР и отпочковывались в составе везикулы с нужной его стороны (которая обращена к клеточной мембране). Так что вопрос оставался открытым.

Недавно в журнале Nature Cell Biology были опубликованы результаты группы ученых из Кембриджского университета и Высшей нормальной школы во главе с Эдвардом Авезовым (см.: Avezov Lab). Они изучали перемещение молекул белков по эндоплазматическому ретикулуму непосредственно в живых клетках с помощью микроскопии сверхвысокого разрешения и анализа траекторий отдельных частиц. Исследования проводились на клетках линий COS7 (похожие на фибробласты клетки из почек обезьяны) и HEK-293 (клетки почки человеческих эмбрионов). Оказалось, что внутри ЭПР текут настоящие потоки, причем некоторые из них создаются за счет сокращения трубочек, которое протекает с затратой энергии. Открытие активного тока жидкости внутри ЭПР позволяет следить его за динамикой, что особенно важно для изучения биологии клеток с сильно развитым ЭПР (например, нейронов).

Уже некоторое время известно, что перемещение белков по ЭПР сопровождается затратой энергии в виде АТФ (см., например, M. J. Dayel et al., 1999. Diffusion of green fluorescent protein in the aqueous-phase lumen of endoplasmic reticulum). Это было показано в экспериментах по восстановлению флуоресценции после фотообесцвечивания (fluorescence recovery after photobleaching, FRAP), в ходе которых в клетки в виде плазмид доставляли гены, кодирующие белки ЭПР с флуоресцентной частью, что позволяет наблюдать за их движением в микроскоп в реальном времени. Далее с помощью лазера выжигались белки в определенном участке ЭПР: содержащиеся в нем белки разрушались и этот участок превращался в черное пятно. Однако за счет того, что белки внутри ЭПР находятся в постоянном движении, постепенно брешь заполнялась новыми флуоресцентными молекулами. Однако, если в клетке было заблокировано образование АТФ, то черное пятно не заполнялось.

Читайте также:  Коррекция бровей у метро Сокольники, Москва — 8 мест �� (адреса, отзывы, фото, рейтинг) HipDir

В обсуждаемом исследовании ученые воспользовались тем, что современные возможности микроскопии и вычислительные мощности таковы, что можно одновременно отслеживать движение множества отдельных молекул (Single-particle tracking, SPT) внутри ЭПР в живых клетках. При этом удается определять не только направление движения молекул, но и их скорость. Сначала были воспроизведены результаты о зависимости движения белков в ЭПР от АТФ: при экспериментально вызванной нехватке АТФ движение фотоактивируемого флуоресцентного белка резко замедлялось, и его молекулы не покидали область наблюдения. Так ученые удостоверились в том, что их методы подходят для работы с ЭПР. Очертания, получившиеся при наложении траекторий отдельных молекул друг на друга, соответствовали контуру ЭПР, что свидетельствует о достоверности данных, получаемых с помощью метода SPT (рис. 2). Эксперименты повторили на трех линиях клеток, и во всех случаях экспериментально вызванная нехватка АТФ приводила к замедлению движения молекул, хотя в клетках некоторых линий молекулы двигались быстрее, чем в других. Анализ траекторий молекул показал, что молекула, находящаяся в любом месте ЭПР, имеет шанс обойти весь люмен, что согласуется с укоренившимся представлением об ЭПР как о непрерывной сети трубочек и цистерн.

Рис. 2. Слева — контур ЭПР, реконструированный по траекториям молекул; цвет отражает плотность молекул (чем светлее, тем выше плотность). Справа — восстановленный при помощи компьютерного моделирования «скелет» эндоплазматического ретикулума; трубочки показаны фиолетовым, узлы — зеленым. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Cell Biology

Затем были проанализированы скорости белковых молекул. Оказалось, что в узлах ЭПР они движутся медленно (по всей вероятности, за счет диффузии), а вот внутри трубочек и цистерн молекулы движутся гораздо быстрее (рис. 3). Применив еще один современный метод микроскопии (structured illumination microscopy, SIM), ученые обнаружили, что время от времени некоторые трубочки ЭПР пульсируют. Какой механизм обеспечивает сокращение трубочек ЭПР и какие белки в этом участвуют, пока выяснить не удалось, но ясно, что АТФ тратится именно здесь. По всей видимости, эти сокращения как раз и разгоняют люминальную жидкость, потоки которой увлекают молекулы белков. Любопытно, что молекулы в разных частях ЭПР ускоряются и замедляются асинхронно, однако пульсации трубочек устроены так, что течение жидкости не останавливается.

Рис. 3. Слева — наложение траекторий отслеженных молекул в ЭПР одной клетки. Цветами показана скорость молекул в разных участках траектории: голубым — медленная (0–10 мкм/с), красным — быстрая (около 30 мкм/с). Справа — результаты анализа ЭПР на связность, траектории молекул окрашены в соответствии с количеством посещенных узлов: темно-синий — 1 узел, синий — 2 узла, . красный — 8 узлов. Рисунки из обсуждаемой статьи в Nature Cell Biology

Подводя итог, можно сказать, что хотя на вопрос о причине движения белков по ЭПР теперь получен ответ, до полного понимания этого процесса, благодаря которому даже в клетках с очень протяженным ЭПР (например, в моторных нейронах) транспорт белков происходит без задержек, нам еще далеко. Дальнейшие исследования в этом направлении могут помочь справиться с некоторыми наследственными заболеваниями, например, со спастической параплегией (hereditary spastic paraplegia), которая выражается в прогрессирующей мышечной слабости и, возможно, вызвана нарушениями в циркуляции жидкости внутри ЭПР.

Читайте также:  Брусника - свойства, применение, противопоказания

Источник: David Holcman, Pierre Parutto, Joseph E. Chambers, Marcus Fantham, Laurence J. Young, Stefan J. Marciniak, Clemens F. Kaminski, David Ron & Edward Avezov. Single particle trajectories reveal active endoplasmic reticulum luminal flow // Nature Cell Biology. 2018. DOI: 10.1038/s41556-018-0192-2.

Каково строение и функции эндоплазматического ретикула и комплекса Гольджи — Клетка — структурная и функциональная единица жизни — ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ

В клетке осуществляется синтез огромного количества видов веществ. Часть этих веществ потребляется клеткой на собственные нужды — синтез АТФ, построение органелл, накопление запасов; часть выводится из клетки — вещества оболочки (клетки растений, грибов, некоторых протистов), гликокаликса (животные клетки), клеточные секреты (ферменты, гормоны, коллаген, кератин и т.д.). Синтез этих веществ, их перемещение из одной части клетки в другую и выведение за ее пределы происходят в системе замкнутых цитоплазматических мембран — эндоплазматической сети, или эндоплазматическом ретикулуме, и комплексе Гольджи.

Эндоплазматический ретикулум (ЭР) представляет собой систему разветвленных каналов, вакуолей (цистерн), пузырьков, создающих подобие рыхлой сети в цитоплазме (см. рис. 16). Стенки каналов и полостей образованы элементарными мембранами. В клетке существуют два типа ЭР: гранулярный (шероховатый) и агранулярный (гладкий).

Рисунок 16. Схема строения гранулярного эндоплазматического ретикулума: 1 — плоские цистерны; 2 — пузырьки с синтезированными продуктами; 3 — полисомы; 4 — синтезированные продукты

Гранулярный ЭР густо усеян рибосомами, а гладкий, состоящий в основном из длинных узких трубчатых каналов, не связан с ними. Наличие рибосом на мембранах гранулярного ЭР свидетельствует о том, что этот тип ЭР связан с биосинтезом белка. На рибосомах, связанных с гранулярным ЭР, как правило, синтезируются белки, не используемые самой клеткой. Они выводятся за ее пределы (белки, используемые на внутренние потребности клетки, синтезируются на рибосомах цитоплазмы, не связанных с ЭР). Гранулярный ЭР особенно хорошо развит в клетках, которые вырабатывают большое количество белковых секретов (некоторые клетки соединительной ткани, вырабатывающей антитела, клетки слюнных желез, поджелудочной железы и т.д.). Синтезируемые белки проходят через мембрану в каналы и полости ЭР, изолируются от цитоплазмы, накапливаются здесь и перемешаются по каналам от места синтеза в другие части клетки либо выводятся за ее пределы. Таким образом, в мембранах гранулярного ЭР скапливаются и изолируются белки, которые могли бы быть вредными для клетки. Например, синтез гидролитических ферментов и свободный выход их в цитоплазму приводил бы к самоперевариванию клетки и ее гибели. Однако этого не происходит, потому что подобные белки надежно изолированы в полостях ЭР. Необходимо подчеркнуть, что на рибосомах гранулярного ЭР синтезируются также интегральные и периферические белки мембран клетки и некоторая часть белков цитоплазмы. Цистерны гранулярного ЭР связаны с ядерной оболочкой, некоторые из них являются прямым продолжением последней. Считается, что после деления клетки оболочки новых ядер образуются из мембран цистерн ЭР.

На мембранах агранулярного (гладкого) ЭР протекают процессы синтеза липидов и некоторых углеводов (например, гликогена).

Выведение из клетки веществ, синтезированных в ЭР, осуществляется с участием другой мембранной структуры — комплекса Гольджи (КГ). КГ представляет собой систему плоских дискообразных мешочков (цистерн), ограниченных мембраной. Цистерны располагаются стопками одна над другой и образуют диктиосому. По краям от цистерн отшнуровываются крупные и мелкие пузырьки. Число диктиосом в клетках варьируется от одной до десятков и сотен в зависимости от типа клеток и фазы их развития. К КГ доставляются вещества, синтезируемые в ЭР. От цистерн ЭР отшнуровываются пузырьки, которые соединяются с цистернами КГ. В КГ эти вещества дорабатываются и созревают. Одновременно с поступлением веществ из ЭР происходит перестройка мембран: тонкая мембрана пузырька ЭР, вошедшая в состав КГ, превращается в более плотную мембрану с иным составом липидов и белков, сходную с цитоплазматической мембраной. Липиды поступают из гладкого ЭР, а белки — частично из гранулярного ЭР, частично от свободных рибосом цитоплазмы. Зрелые цистерны диктиосомы отшнуровывают пузырьки, или вакуоли Гольджи, заполненные секретом. Содержимое таких пузырьков либо используется самой клеткой, либо выводится за ее пределы. В последнем случае пузырьки Гольджи подходят к плазматической мембране, сливаются с ней и изливают свое содержимое наружу (рис. 17), а их мембрана включается в плазматическую мембрану, и таким образом происходит ее обновление. Цистерны КГ активно извлекают из цитоплазмы моносахариды и синтезируют из них более сложные олигосахариды и полисахариды. У растений в результате этого образуются пектиновые вещества, гемицеллюлоза, используемые для построения клеточной стенки, а также слизь корневого чехлика. У животных подобным образом синтезируются гликопротеины и гликолипиды гликока- ликса, вырабатываются секрет поджелудочной железы, амилаза слюны, пептидные гормоны гипофиза, коллаген.

Читайте также:  Как справиться с агрессией христианину Вера 21 О Православии Сегодня Православный Интернет - Порт

Рисунок 17. Схема связи эндоплазматического ретикулума, комплекса Гольджи с образованием и выведением веществ из клетки:

1 — эндо-плазматический ретикулум; 2 — комплекс Гольджи; 3 — пузырьки комплекса Гольджи; 4 — выход (экзоцитоз) пузырьков за пределы клетки

Комплекс Гольджи участвует в образовании белков молока в молочных железах, желчи в печени, веществ хрусталика, зубной эмали и т.п. Пузырьки КГ участвуют также в формировании цитоплазматической мембраны и оболочек клеток растений после деления, в образовании вакуолей и первичных лизосом.

Комплекс Гольджи и ЭР тесно связаны между собой; их совместная деятельность обеспечивает синтез и преобразование веществ в клетке, их изолирование, накопление и транспорт.

Эндоплазматический ретикулум: структура, виды и функции

Эндоплазматический ретикулум (ЭПР), также называемый эндоплазматической сетью, является важной органеллой эукариотических клеток. Он играет ведущую роль в производстве, переработке и транспортировке белков и липидов. ЭПР производит трансмембранные белки и липиды для своей мембраны, а также для многих других клеточных компонентов, включая лизосомы, секреторные везикулы, аппарат Гольджи, клеточную мембрану и вакуоли растительных клеток.

Эндоплазматический ретикулум представляет собой сеть канальцев и сплющенных мешочков, которые выполняют множество функций в клетках растений и животных. Существуют две части ЭПР, которые различаются как по структуре, так и по функциям. Одна часть называется гранулярной (шерховатой) ЭПР, потому что она имеет рибосомы, прикрепленные к цитоплазматической стороне мембраны. Другая часть называется агранулярной (гладкой) ЭПР, так как ей не хватает прикрепленных рибосом.

Обычно гладкая ЭПР представляет собой трубопроводную сеть, а шерховатая ЭПР состоит из серии сплющенных мешочков. Пространство внутри ЭПР называется просветом. Эндоплазматическая сеть обширно простирается от клеточной мембраны через цитоплазму и образует непрерывную связь с ядерной оболочкой. Поскольку ЭПР связан с ядерной оболочкой, просвет и пространство внутри ядерной оболочки являются частью одного и того же отсека.

Гранулярная эндоплазматическая сеть

Гранулярный (шерховатый) эндоплазматический ретикулум производит мембраны и секреторные белки. Рибосомы, прикрепленные к гранулярной ЭПР, синтезируют белки в процессе трансляции. В некоторых лейкоцитах (белых кровяных клетках) шероховатый ЭПР продуцирует антитела. В клетках поджелудочной железы он продуцирует инсулин.

Гранулярный и агранулярный ЭПР, как правило, взаимосвязаны, а белки и мембраны, продуцируемые шероховатым ЭПР, перемещаются в гладкий ЭПР. Некоторые белки отправляются на аппарат Гольджи специальными транспортными везикулами. После того, как белки были модифицированы в Гольджи, они транспортируются в надлежащие пункты назначения внутри клетки или экспортируются из клетки путем экзоцитоза.

Агранулярная эндоплазматическая сеть

Агранулярный (гладкий) эндоплазматический ретикулум обладает широким спектром функций, включая синтез углеводов и липидов. Липиды, такие как фосфолипиды и холестерин, необходимы для создания клеточных мембран. Гладкий ЭПР также служит переходной областью для везикул, которые транспортируют продукты эндоплазматической сети в различные пункты назначения.

В клетках печени агранулярный ЭПР продуцирует ферменты, помогающие детоксифицировать определенные соединения. В мышцах он помогает в сокращении мышечных клеток, а в клетках мозга синтезирует мужские и женские гормоны.

Ссылка на основную публикацию
Эндодонтия после травмы зубов –
Эндодонтия после травмы зубов Автор: Martin Trope Автор: Martin Trope Переломы коронки Большинство переломов коронки встречается в молодых передних зубах,...
Электрофорез с Эуфиллином на шейный и поясничный отдел позвоночника
Особенности применения электрофореза с «Эуфиллином» Медикаменты в организм можно доставить с помощью таблеток, уколов, мазей и физиотерапевтических процедур. Электрофорез —...
Электроэнцефалография (ЭЭГ) в Московской области — запись в диагностические центры на
Электроэнцефалография (ЭЭГ) в городе Подольск: цены, адреса и запись онлайн Как подготовиться? Предлагаем список ближайших к вам диагностических центров в...
Эндокард — с латинского на русский
СТРОЕНИЕ ЭНДОКАРДА Эндокард – оболочка, которая выстилает миокард изнутри со стороны левого и правого желудочка, а также со стороны левого...
Adblock detector