Система эндомембран состоит из различных мембран ( эндомембран ), которые взвешены в цитоплазме внутри эукариотической клетки . Эти мембраны делят клетку на функциональные и структурные отсеки, или органеллы . У эукариот органеллы системы эндомембран включают: ядерную мембрану , эндоплазматический ретикулум , аппарат Гольджи , лизосомы , везикулы , эндосомы и плазматическую (клеточную) мембрану среди прочих. Система более точно определяется как набор мембран, которые образуют единую функциональную и развивающуюся единицу, либо соединенную напрямую, либо обменивающуюся материалом посредством транспорта везикул . [1] Важно, что система эндомембран не включает мембраны пластид или митохондрий , но могла частично развиться в результате действий последних (см. ниже).
Ядерная мембрана содержит липидный бислой , который охватывает содержимое ядра. [2] Эндоплазматический ретикулум (ЭР) — это органелла синтеза и транспорта, которая разветвляется в цитоплазму в растительных и животных клетках. [3] Аппарат Гольджи — это ряд множественных отсеков, где молекулы упаковываются для доставки к другим компонентам клетки или для секреции из клетки. [4] Вакуоли , которые встречаются как в растительных, так и в животных клетках (хотя в растительных клетках они гораздо больше), отвечают за поддержание формы и структуры клетки, а также за хранение отходов. [5] Везикула — это относительно небольшой, заключенный в мембрану мешок, который хранит или транспортирует вещества. [6] Клеточная мембрана — это защитный барьер, регулирующий то, что входит в клетку и выходит из нее. [7] Также существует органелла, известная как Spitzenkörper , которая встречается только у грибов и связана с ростом кончика гифы . [8]
У прокариот эндомембраны встречаются редко, хотя у многих фотосинтезирующих бактерий плазматическая мембрана сильно складчатая, а большая часть цитоплазмы клетки заполнена слоями светособирающей мембраны. [9] Эти светособирающие мембраны могут даже образовывать замкнутые структуры, называемые хлоросомами у зеленых серных бактерий . [10] Другим примером является сложная система «пепина» у видов Thiomargarita , особенно у T. magnifica . [11]
Органеллы эндомембранной системы связаны через прямой контакт или путем передачи мембранных сегментов в виде везикул. Несмотря на эти отношения, различные мембраны не идентичны по структуре и функциям. Толщина, молекулярный состав и метаболическое поведение мембраны не являются фиксированными, они могут изменяться несколько раз в течение жизни мембраны. Одной из объединяющих характеристик, которыми обладают мембраны, является липидный бислой с белками , прикрепленными к обеим сторонам или пересекающими их. [12]
Большинство липидов синтезируются в дрожжах либо в эндоплазматическом ретикулуме, липидных частицах или митохондриях, при этом синтез липидов в плазматической мембране или ядерной мембране не происходит или происходит в небольшом количестве. [13] [14] Биосинтез сфинголипидов начинается в эндоплазматическом ретикулуме, но завершается в аппарате Гольджи. [15] Похожая ситуация наблюдается у млекопитающих, за исключением первых нескольких шагов в биосинтезе эфирных липидов , которые происходят в пероксисомах. [16] Различные мембраны, которые окружают другие субклеточные органеллы, должны, следовательно, быть построены путем переноса липидов из этих мест синтеза. [17] Однако, хотя ясно, что транспорт липидов является центральным процессом в биогенезе органелл, механизмы, с помощью которых липиды транспортируются через клетки, остаются плохо изученными. [18]
Первое предположение о том, что мембраны внутри клеток образуют единую систему, которая обменивается материалом между своими компонентами, было высказано Морре и Молленхауэром в 1974 году. [19] Это предложение было сделано как способ объяснения того, как различные липидные мембраны собираются в клетке, причем эти мембраны собираются посредством потока липидов из мест синтеза липидов. [20] Идея потока липидов через непрерывную систему мембран и везикул была альтернативой различным мембранам, являющимся независимыми образованиями, которые образуются в результате транспорта свободных липидных компонентов, таких как жирные кислоты и стерины , через цитозоль. Важно отметить, что транспорт липидов через цитозоль и поток липидов через непрерывную систему эндомембран не являются взаимоисключающими процессами, и оба могут происходить в клетках. [17]
Ядерная оболочка окружает ядро , отделяя его содержимое от цитоплазмы. Она имеет две мембраны, каждая из которых представляет собой липидный бислой с ассоциированными белками. [21] Внешняя ядерная мембрана является продолжением мембраны шероховатого эндоплазматического ретикулума и, подобно этой структуре, имеет рибосомы, прикрепленные к поверхности. Внешняя мембрана также является продолжением внутренней ядерной мембраны, поскольку два слоя сливаются вместе в многочисленных крошечных отверстиях, называемых ядерными порами , которые перфорируют ядерную оболочку. Эти поры имеют диаметр около 120 нм и регулируют прохождение молекул между ядром и цитоплазмой, позволяя некоторым проходить через мембрану, но не другим. [22] Поскольку ядерные поры расположены в области интенсивного движения, они играют важную роль в физиологии клетки . Пространство между внешней и внутренней мембранами называется перинуклеарным пространством и соединяется с просветом шероховатого ЭР.
Структура ядерной оболочки определяется сетью промежуточных филаментов (белковых филаментов). Эта сеть организована в сетчатую оболочку, называемую ядерной пластинкой , которая связывается с хроматином , интегральными мембранными белками и другими ядерными компонентами вдоль внутренней поверхности ядра. Считается, что ядерная пластинка помогает материалам внутри ядра достигать ядерных пор и в распаде ядерной оболочки во время митоза и ее повторной сборке в конце процесса. [2]
Ядерные поры очень эффективны в избирательном пропускании материалов в ядро и из ядра, поскольку ядерная оболочка имеет значительный объем трафика. РНК и рибосомные субъединицы должны непрерывно переноситься из ядра в цитоплазму. Гистоны , генные регуляторные белки, ДНК и РНК-полимеразы и другие вещества, необходимые для ядерной активности, должны импортироваться из цитоплазмы. Ядерная оболочка типичной клетки млекопитающего содержит 3000–4000 поровых комплексов. Если клетка синтезирует ДНК, каждый поровый комплекс должен транспортировать около 100 молекул гистонов в минуту. Если клетка быстро растет, каждый комплекс также должен транспортировать около 6 вновь собранных больших и малых рибосомных субъединиц в минуту из ядра в цитозоль, где они используются для синтеза белков. [23]
Эндоплазматический ретикулум (ЭР) — это мембранный органоид синтеза и транспорта, являющийся продолжением ядерной оболочки. Более половины всей мембраны в эукариотических клетках приходится на ЭР. ЭР состоит из уплощенных мешочков и разветвляющихся трубочек, которые, как полагают, взаимосвязаны, так что мембрана ЭР образует непрерывный слой, охватывающий единое внутреннее пространство. Это сильно извилистое пространство называется просветом ЭР и также называется цистернальным пространством ЭР . Просвет занимает около десяти процентов всего объема клетки. Мембрана эндоплазматического ретикулума позволяет молекулам избирательно переноситься между просветом и цитоплазмой, и поскольку она связана с ядерной оболочкой, она обеспечивает канал между ядром и цитоплазмой. [24]
ER играет центральную роль в производстве, переработке и транспортировке биохимических соединений для использования внутри и снаружи клетки. Его мембрана является местом производства всех трансмембранных белков и липидов для многих органелл клетки, включая сам ER, аппарат Гольджи, лизосомы, эндосомы , секреторные пузырьки и плазматическую мембрану. Более того, почти все белки, которые выйдут из клетки, а также те, которые предназначены для просвета ER, аппарата Гольджи или лизосом, изначально доставляются в просвет ER. Следовательно, многие из белков, обнаруженных в цистернальном пространстве просвета эндоплазматического ретикулума, находятся там только временно, поскольку они проходят по пути в другие места. Другие белки, однако, постоянно остаются в просвете и известны как белки-резиденты эндоплазматического ретикулума. Эти специальные белки содержат специализированный сигнал удержания, состоящий из определенной последовательности аминокислот , которая позволяет им удерживаться органеллой. Примером важного белка-резидента эндоплазматического ретикулума является белок-шаперон, известный как BiP , который идентифицирует другие белки, которые были неправильно построены или обработаны, и не дает им попасть в конечные пункты назначения. [25]
ER участвует в котрансляционной сортировке белков. Полипептид, содержащий сигнальную последовательность ER, распознается частицей распознавания сигнала , которая останавливает производство белка. SRP переносит зарождающийся белок к мембране ER, где он высвобождается через мембранный канал, и трансляция возобновляется. [26]
Существуют две различные, хотя и связанные, области ЭР, которые различаются по структуре и функциям: гладкая ЭР и шероховатая ЭР. Шероховатая эндоплазматическая сеть так названа, потому что ее цитоплазматическая поверхность покрыта рибосомами, что придает ей бугристый вид при просмотре через электронный микроскоп . Гладкая ЭР выглядит гладкой, поскольку на ее цитоплазматической поверхности отсутствуют рибосомы. [27]
В подавляющем большинстве клеток гладкие области ЭР редки и часто частично гладкие, а частично шероховатые. Иногда их называют переходными ЭР, поскольку они содержат выходы ЭР, из которых отпочковываются транспортные пузырьки, несущие вновь синтезированные белки и липиды, для транспортировки в аппарат Гольджи. Однако в некоторых специализированных клетках гладкий ЭР обилен и имеет дополнительные функции. Гладкий ЭР этих специализированных клеток функционирует в различных метаболических процессах, включая синтез липидов, метаболизм углеводов и детоксикацию лекарств и ядов. [24] [27]
Ферменты гладкого ЭР жизненно важны для синтеза липидов, включая масла , фосфолипиды и стероиды . Половые гормоны позвоночных и стероидные гормоны, секретируемые надпочечниками, входят в число стероидов, вырабатываемых гладким ЭР в клетках животных. Клетки, синтезирующие эти гормоны, богаты гладким ЭР. [24] [27]
Клетки печени являются еще одним примером специализированных клеток, которые содержат большое количество гладкого ЭР. Эти клетки являются примером роли гладкого ЭР в углеводном обмене. Клетки печени хранят углеводы в форме гликогена . Распад гликогена в конечном итоге приводит к высвобождению глюкозы из клеток печени, что важно для регуляции концентрации сахара в крови. Однако основным продуктом распада гликогена является глюкозо-1-фосфат. Он преобразуется в глюкозо-6-фосфат, а затем фермент гладкого ЭР клетки печени удаляет фосфат из глюкозы, так что она может затем покинуть клетку. [24] [27]
Ферменты гладкого ЭР также могут помочь в детоксикации лекарств и ядов. Детоксикация обычно включает добавление гидроксильной группы к лекарству, что делает лекарство более растворимым и, таким образом, более легким для выведения из организма. Одна из широко изученных реакций детоксикации осуществляется семейством ферментов цитохрома P450 , которые катализируют реакции окисления водонерастворимых лекарств или метаболитов, которые в противном случае накапливались бы до токсичных уровней в клеточной мембране. [24] [27]
В мышечных клетках специализированный гладкий ЭР ( саркоплазматический ретикулум ) образует мембранный отсек (цистернальное пространство), в который закачиваются ионы кальция . Когда мышечная клетка стимулируется нервным импульсом, кальций возвращается через эту мембрану в цитозоль и вызывает сокращение мышечной клетки. [24] [27]
Многие типы клеток экспортируют белки, произведенные рибосомами, прикрепленными к шероховатой ЭР. Рибосомы собирают аминокислоты в белковые единицы, которые переносятся в шероховатую ЭР для дальнейших корректировок. Эти белки могут быть либо трансмембранными белками , которые встраиваются в мембрану эндоплазматического ретикулума, либо водорастворимыми белками, которые способны проходить через мембрану в просвет. Те, которые достигают внутренней части эндоплазматического ретикулума, сворачиваются в правильную трехмерную конформацию. Добавляются химические вещества, такие как углеводы или сахара, затем эндоплазматический ретикулум либо транспортирует готовые белки, называемые секреторными белками, в области клетки, где они необходимы, либо они отправляются в аппарат Гольджи для дальнейшей обработки и модификации. [24] [27]
После того, как секреторные белки сформированы, мембрана ER отделяет их от белков, которые останутся в цитозоле. Секреторные белки выходят из ER, завернутые в мембраны пузырьков, которые отпочковываются, как пузырьки, от переходного ER. Эти пузырьки, перемещающиеся в другую часть клетки, называются транспортными пузырьками . [24] [27] Альтернативный механизм транспортировки липидов и белков из ER заключается в использовании белков переноса липидов в областях, называемых участками контакта мембраны , где ER становится тесно и стабильно связанным с мембранами других органелл, таких как плазматическая мембрана, аппарат Гольджи или лизосомы. [28]
В дополнение к производству секреторных белков, шероховатый ЭР создает мембраны, которые растут на месте из добавления белков и фосфолипидов. Поскольку полипептиды, предназначенные быть мембранными белками, растут из рибосом, они вставляются в саму мембрану ЭР и удерживаются там своими гидрофобными частями. Шероховатый ЭР также производит свои собственные мембранные фосфолипиды; ферменты, встроенные в мембрану ЭР, собирают фосфолипиды. Мембрана ЭР расширяется и может переноситься транспортными пузырьками к другим компонентам эндомембранной системы. [24] [27]
Аппарат Гольджи (также известный как тельце Гольджи и комплекс Гольджи) состоит из отдельных мешочков, называемых цистернами . Его форма похожа на стопку блинов. Количество этих стопок варьируется в зависимости от конкретной функции клетки. Аппарат Гольджи используется клеткой для дальнейшей модификации белка. Часть аппарата Гольджи, которая получает везикулы из ЭР, известна как цис-грань и обычно находится рядом с ЭР. Противоположный конец аппарата Гольджи называется транс-гранью, именно оттуда выходят модифицированные соединения. Транс-грань обычно обращена к плазматической мембране, куда отправляется большинство веществ, модифицированных аппаратом Гольджи. [29]
Везикулы, отправленные ЭР, содержащие белки, далее изменяются в аппарате Гольджи, а затем готовятся к секреции из клетки или транспортировке в другие части клетки. С белками могут происходить различные вещи во время их путешествия через покрытое ферментами пространство аппарата Гольджи. Модификация и синтез углеводных частей гликопротеинов обычны при переработке белков. Аппарат Гольджи удаляет и заменяет мономеры сахаров, производя большое разнообразие олигосахаридов . Помимо модификации белков, Гольджи также сам производит макромолекулы. В растительных клетках Гольджи производит пектины и другие полисахариды, необходимые для структуры растения. [30]
После завершения процесса модификации аппарат Гольджи сортирует продукты своей обработки и отправляет их в различные части клетки. Молекулярные идентификационные метки или теги добавляются ферментами Гольджи, чтобы помочь в этом. После того, как все организовано, аппарат Гольджи отправляет свои продукты, отпочковываясь от везикул с его транс-поверхности. [31]
Вакуоли , как и везикулы, представляют собой связанные с мембраной мешочки внутри клетки. Они крупнее везикул, и их специфическая функция различается. Операции вакуолей различаются для растительных и животных вакуолей.
В растительных клетках вакуоли покрывают от 30% до 90% общего объема клетки. [32] Большинство зрелых растительных клеток содержат одну большую центральную вакуоль, окруженную мембраной, называемой тонопластом. Вакуоли растительных клеток действуют как отсеки для хранения питательных веществ и отходов клетки. Раствор, в котором хранятся эти молекулы, называется клеточным соком . Пигменты , которые окрашивают клетку, иногда находятся в клеточном соке. Вакуоли также могут увеличивать размер клетки, которая удлиняется при добавлении воды, и они контролируют тургорное давление (осмотическое давление, которое удерживает клеточную стенку от прогиба). Как и лизосомы животных клеток, вакуоли имеют кислый pH и содержат гидролитические ферменты. pH вакуолей позволяет им выполнять гомеостатические процедуры в клетке. Например, когда pH в среде клетки падает, ионы H +, попадающие в цитозоль, могут переноситься в вакуоль, чтобы поддерживать постоянный pH цитозоля. [33]
У животных вакуоли участвуют в процессах экзоцитоза и эндоцитоза . Эндоцитоз означает, что вещества попадают в клетку, тогда как при экзоцитозе вещества перемещаются из клетки во внеклеточное пространство. Материал, который должен поступить, окружается плазматической мембраной, а затем переносится в вакуоль. Существует два типа эндоцитоза: фагоцитоз (поедание клеток) и пиноцитоз (питье клеток). При фагоцитозе клетки поглощают крупные частицы, такие как бактерии. Пиноцитоз — это тот же процесс, за исключением того, что поглощаемые вещества находятся в жидкой форме. [34]
Везикулы — это небольшие транспортные единицы, заключенные в мембрану, которые могут переносить молекулы между различными отсеками. Большинство везикул переносят мембраны, собранные в эндоплазматическом ретикулуме, в аппарат Гольджи, а затем из аппарата Гольджи в различные места. [35]
Существуют различные типы везикул, каждый из которых имеет различную конфигурацию белка. Большинство из них образовано из определенных областей мембран. Когда везикула отпочковывается от мембраны, она содержит определенные белки на своей цитозольной поверхности. Каждая мембрана, к которой перемещается везикула, содержит маркер на своей цитозольной поверхности. Этот маркер соответствует белкам на везикуле, перемещающимся к мембране. Как только везикула находит мембрану, они сливаются. [36]
Существует три хорошо известных типа везикул. Это везикулы , покрытые клатрином , покрытые COPI и покрытые COPII . Каждый из них выполняет различные функции в клетке. Например, везикулы, покрытые клатрином, транспортируют вещества между аппаратом Гольджи и плазматической мембраной. Везикулы, покрытые COPI и COPII, часто используются для транспортировки между ЭР и аппаратом Гольджи. [36]
Лизосомы — это органеллы, содержащие гидролитические ферменты, которые используются для внутриклеточного пищеварения. Основные функции лизосомы — переработка молекул, поступивших в клетку, и переработка изношенных частей клетки. Ферменты внутри лизосом — это кислые гидролазы , которым для оптимальной работы требуется кислая среда. Лизосомы обеспечивают такую среду, поддерживая pH 5,0 внутри органеллы. [37] Если бы лизосома разорвалась, высвобождаемые ферменты были бы не очень активны из-за нейтрального pH цитозоля. Однако, если бы произошло утечка большого количества лизосом, клетка могла бы быть разрушена в результате самопереваривания.
Лизосомы осуществляют внутриклеточное пищеварение в процессе, называемом фагоцитозом (от греческого phagein , есть и kytos , сосуд, здесь относится к клетке), путем слияния с вакуолью и высвобождения своих ферментов в вакуоль. В ходе этого процесса сахара, аминокислоты и другие мономеры переходят в цитозоль и становятся питательными веществами для клетки. Лизосомы также используют свои гидролитические ферменты для переработки устаревших органелл клетки в процессе, называемом аутофагией . Лизосома поглощает другую органеллу и использует свои ферменты для разложения поглощенного материала. Полученные органические мономеры затем возвращаются в цитозоль для повторного использования. Последняя функция лизосомы — переваривать саму клетку посредством автолиза . [38]
Шпиценкерпер является компонентом эндомембранной системы, обнаруженным только у грибов , и связан с ростом кончика гифы . Это фазово -темное тело, состоящее из скопления связанных с мембраной везикул, содержащих компоненты клеточной стенки, служащее точкой сборки и высвобождения таких компонентов, промежуточной между аппаратом Гольджи и клеточной мембраной. Шпиценкерпер подвижен и генерирует новый рост кончика гифы по мере продвижения вперед. [8]
Плазматическая мембрана представляет собой фосфолипидную двухслойную мембрану, которая отделяет клетку от окружающей среды и регулирует транспорт молекул и сигналов в клетку и из нее. В мембрану встроены белки, которые выполняют функции плазматической мембраны. Плазматическая мембрана не является фиксированной или жесткой структурой, молекулы, составляющие мембрану, способны к боковому движению. Это движение и множественные компоненты мембраны являются причиной того, что ее называют жидкой мозаикой. Более мелкие молекулы, такие как углекислый газ, вода и кислород, могут свободно проходить через плазматическую мембрану путем диффузии или осмоса . Более крупным молекулам, необходимым клетке, помогают белки посредством активного транспорта . [39]
Плазматическая мембрана клетки имеет множество функций. Они включают в себя транспортировку питательных веществ в клетку, вывод отходов, предотвращение попадания материалов в клетку, предотвращение выхода необходимых материалов из клетки, поддержание pH цитозоля и сохранение осмотического давления цитозоля. Транспортные белки, которые пропускают некоторые материалы, но не пропускают другие, используются для этих функций. Эти белки используют гидролиз АТФ для перекачивания материалов против градиентов их концентрации. [39]
В дополнение к этим универсальным функциям плазматическая мембрана играет более специфическую роль в многоклеточных организмах. Гликопротеины на мембране помогают клетке распознавать другие клетки, чтобы обмениваться метаболитами и формировать ткани. Другие белки на плазматической мембране позволяют прикрепляться к цитоскелету и внеклеточному матриксу ; функция, которая поддерживает форму клетки и фиксирует местоположение мембранных белков. Ферменты, которые катализируют реакции, также находятся на плазматической мембране. Рецепторные белки на мембране имеют форму, которая соответствует химическому мессенджеру, что приводит к различным клеточным реакциям. [40]
Происхождение эндомембранной системы связано с происхождением самих эукариот, а происхождение эукариот — с эндосимбиотическим происхождением митохондрий . Было выдвинуто много моделей для объяснения происхождения эндомембранной системы (рассмотрено в [41] ). Самая последняя концепция предполагает, что эндомембранная система произошла из везикул внешней мембраны, которые секретировала эндосимбиотическая митохондрия, и была заключена в складки прокариота-хозяина (в свою очередь, в результате поглощения эндосимбионта). [42] Эта модель происхождения эндомембранной системы, основанная на OMV (везикулах внешней мембраны), в настоящее время является той, которая требует наименьшего количества новых изобретений при происхождении эукариот и объясняет многочисленные связи митохондрий с другими компартментами клетки. [43] В настоящее время эта гипотеза «изнутри-наружу» (которая утверждает, что альфапротеобактерии , предковые митохондрии, были поглощены пузырьками асгардархеона , а затем пузырьки слились, оставив складки, которые в конечном итоге стали эндомембранной системой) пользуется большей поддержкой, чем гипотеза «снаружи-внутрь» (которая предполагает, что эндомембранная система возникла из-за складок внутри архейной мембраны).