Внутриклеточный транспорт — это перемещение везикул и веществ внутри клетки . Внутриклеточный транспорт необходим для поддержания гомеостаза внутри клетки путем реагирования на физиологические сигналы. [1] Синтезированные в цитозоле белки распределяются по соответствующим органеллам в соответствии с последовательностью сортировки их специфических аминокислот. [2] Эукариотические клетки транспортируют пакеты компонентов в определенные внутриклеточные места, прикрепляя их к молекулярным моторам , которые перемещают их по микротрубочкам и актиновым филаментам. Поскольку внутриклеточный транспорт в значительной степени зависит от микротрубочек для движения, компоненты цитоскелета играют жизненно важную роль в перемещении везикул между органеллами и плазматической мембраной, обеспечивая механическую поддержку. Благодаря этому пути можно облегчить перемещение важных молекул, таких как связанные с мембраной везикулы и органеллы, мРНК и хромосомы.
Внутриклеточный транспорт уникален для эукариотических клеток, поскольку они обладают органеллами, заключенными в мембраны, которые должны быть опосредованы для осуществления обмена грузом. [3] Напротив, в прокариотических клетках нет необходимости в этом специализированном транспортном механизме, поскольку нет мембранных органелл и отсеков для перемещения между ними. Прокариоты способны существовать, позволяя материалам попадать в клетку посредством простой диффузии . Внутриклеточный транспорт более специализирован, чем диффузия; это многогранный процесс, в котором используются транспортные везикулы . Транспортные везикулы представляют собой небольшие структуры внутри клетки, состоящие из жидкости, заключенной в липидный бислой , который удерживает груз. Эти везикулы обычно выполняют загрузку груза и почкование везикул, транспорт везикул, связывание везикулы с целевой мембраной и слияние мембран везикул с целевой мембраной. Чтобы гарантировать, что эти везикулы отправятся в правильном направлении и для дальнейшей организации клетки, специальные моторные белки прикрепляются к заполненным грузом везикулам и переносят их по цитоскелету. Например, они должны гарантировать, что лизосомальные ферменты переносятся именно в аппарат Гольджи , а не в другую часть клетки, что может привести к пагубным последствиям.
Небольшие связанные с мембраной везикулы, ответственные за транспорт белков из одной органеллы в другую, обычно встречаются в эндоцитозных и секреторных путях . Везикулы отпочковываются от своей донорской органеллы и высвобождают содержимое своей везикулы путем слияния в определенной целевой органелле. [4] : 634 Эндоплазматический ретикулум служит каналом, по которому белки будут проходить, направляясь к своему конечному месту назначения. [3] Исходящие белки из эндоплазматического ретикулума будут отпочковываться в транспортные везикулы, которые перемещаются по кортексу клетки , чтобы достичь своих конкретных мест назначения. [3] Поскольку ЭР является местом синтеза белка, он будет служить родительской органеллой, а цис-поверхность аппарата Гольджи, куда поступают белки и сигналы, будет акцептором. Для того чтобы транспортная везикула точно прошла событие слияния, она должна сначала распознать правильную целевую мембрану, а затем слиться с этой мембраной.
Белки Rab на поверхности транспортной везикулы отвечают за выравнивание с комплементарными связывающими белками, обнаруженными на цитозольной поверхности соответствующей органеллы. [3] Это событие слияния позволяет доставлять содержимое везикул, опосредованное белками, такими как белки SNARE . SNARE — это небольшие, закрепленные на хвосте белки, которые часто посттрансляционно вставляются в мембраны, которые отвечают за событие слияния, необходимое для транспортировки везикул между органеллами в цитозоле. Существует две формы SNARES, t-SNARE и v-SNARE, которые подходят друг другу подобно замку и ключу. t-SNARE функционируют, связываясь с мембранами целевых органелл, в то время как v-SNARE функционируют, связываясь с мембранами везикул.
Внутриклеточный транспорт — это всеобъемлющая категория того, как клетки получают питательные вещества и сигналы. Одна очень хорошо изученная форма внутриклеточного транспорта известна как эндоцитоз . Эндоцитоз определяется как поглощение материала путем инвагинации плазматической мембраны. [4] Более конкретно, эукариотические клетки используют эндоцитоз поглощения питательных веществ, подавление рецепторов факторов роста и как массовый регулятор сигнальной цепи. Этот метод транспорта в основном является межклеточным вместо поглощения крупных частиц, таких как бактерии, посредством фагоцитоза, при котором клетка поглощает твердую частицу, образуя внутреннюю везикулу, называемую фагосомой. Однако многие из этих процессов имеют внутриклеточный компонент. Фагоцитоз имеет большое значение для внутриклеточного транспорта, потому что как только вещество считается вредным и поглощается везикулой, его можно переправить в соответствующее место для деградации. Эти эндоцитированные молекулы сортируются в ранние эндосомы внутри клетки, что служит для дальнейшей сортировки этих веществ до правильного конечного пункта назначения (таким же образом, как это делает Гольджи в секреторном пути). Отсюда ранняя эндосома запускает каскад транспорта, где груз в конечном итоге гидролизуется внутри лизосомы для деградации. Эта способность необходима для деградации любого груза, который вреден или не нужен для клетки; это обычно наблюдается в ответ на чужеродный материал. Фагоцитоз имеет иммунологическую функцию и роль в апоптозе . Кроме того, эндоцитоз можно наблюдать посредством неспецифической интернализации капель жидкости через пиноцитоз и в рецептор-опосредованном эндоцитозе .
Механизм транспорта зависит от перемещаемого материала. Внутриклеточный транспорт, требующий быстрого движения, будет использовать актин-миозиновый механизм, в то время как более специализированные функции требуют микротрубочек для транспорта. [5] Микротрубочки функционируют как дорожки во внутриклеточном транспорте мембраносвязанных везикул и органелл. Этот процесс приводится в движение моторными белками, такими как динеин . Моторные белки соединяют транспортные везикулы с микротрубочками и актиновыми филаментами, чтобы облегчить внутриклеточное движение. [1] Микротрубочки организованы таким образом, что их плюс-концы простираются через периферию клеток, а их минус-концы закреплены внутри центросомы, поэтому они используют моторные белки кинезин (направленный на положительный конец) и динеин (направленный на отрицательный конец) для транспортировки везикул и органелл в противоположных направлениях через цитоплазму. [6] Каждый тип мембранных везикул специфически связан со своим собственным моторным белком кинезином посредством связывания в хвостовом домене. Одной из основных функций микротрубочек является транспортировка мембранных везикул и органелл через цитоплазму эукариотических клеток. Предполагается, что области внутри клетки, считающиеся «бедными микротрубочками», вероятно, транспортируются вдоль микрофиламентов с помощью моторного белка миозина . Таким образом, микротрубочки помогают транспортировать хромосомы к полюсам веретена , используя моторные белки динеин во время анафазы .
Понимая компоненты и механизмы внутриклеточного транспорта, можно увидеть его влияние на заболевания. Дефекты включают неправильную сортировку груза в транспортных носителях, почкование везикул, проблемы с движением везикул по цитоскелетным путям и слияние на целевой мембране. Поскольку жизненный цикл клетки является строго регулируемым и важным процессом, если какой-либо компонент идет не так, есть вероятность пагубных последствий. Если клетка неспособна правильно выполнять компоненты внутриклеточного пути, существует надвигающаяся возможность образования белковых агрегатов. Растущие доказательства подтверждают концепцию о том, что дефицит аксонального транспорта способствует патогенезу при множественных нейродегенеративных заболеваниях. Предполагается, что агрегация белков из-за неправильного транспорта является основной причиной развития БАС , болезни Альцгеймера и деменции . [7]
С другой стороны, нацеливание на внутриклеточные транспортные процессы этих моторных белков представляет собой возможность фармакологического нацеливания лекарств. Понимая метод, с помощью которого вещества перемещаются по нейронам или микротрубочкам, можно нацеливать конкретные пути для заболевания. В настоящее время многие фармацевтические компании стремятся использовать траекторию внутриклеточных транспортных механизмов для доставки лекарств в локализованные области и целевые клетки, не нанося вреда здоровым соседним клеткам. Потенциал этого типа лечения противораковыми препаратами является захватывающей, многообещающей областью исследований.
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )