Экзоцитоз ( / ˌ ɛ k s oʊ s aɪ ˈ t oʊ s ɪ s / [1] [2] ) — это форма активного транспорта и массового транспорта , при котором клетка транспортирует молекулы (например, нейротрансмиттеры и белки ) из клетки. ( экзо- + цитоз ). Будучи активным транспортным механизмом, экзоцитоз требует использования энергии для транспортировки материала. Экзоцитоз и его аналог эндоцитоз используются всеми клетками, поскольку большинство важных для них химических веществ представляют собой большие полярные молекулы, которые не могут пройти через гидрофобную часть клеточной мембраны пассивным путем . Экзоцитоз — это процесс, при котором высвобождается большое количество молекул; таким образом, это форма перевозки массовых грузов. Экзоцитоз происходит через секреторные порталы плазматической мембраны клетки, называемые поросомами . Поросомы представляют собой постоянную чашеобразную липопротеиновую структуру на плазматической мембране клетки, где секреторные пузырьки временно стыкуются и сливаются, высвобождая внутривезикулярное содержимое из клетки.
При экзоцитозе мембраносвязанные секреторные везикулы переносятся на клеточную мембрану , где они стыкуются и сливаются с поросомами , а их содержимое (т.е. водорастворимые молекулы) секретируется во внеклеточную среду. Эта секреция возможна, поскольку везикула временно сливается с плазматической мембраной. В контексте нейротрансмиссии нейротрансмиттеры обычно высвобождаются из синаптических пузырьков в синаптическую щель посредством экзоцитоза; однако нейромедиаторы также могут высвобождаться путем обратного транспорта через мембранные транспортные белки .
Экзоцитоз также является механизмом, с помощью которого клетки способны вставлять мембранные белки (такие как ионные каналы и рецепторы клеточной поверхности ), липиды и другие компоненты в клеточную мембрану. Везикулы, содержащие эти мембранные компоненты, полностью сливаются с внешней клеточной мембраной и становятся ее частью.
Этот термин был предложен Де Дювом в 1963 году. [3]
У эукариот существует два типа экзоцитоза: 1) неконститутивный, запускаемый Ca 2+ (т.е. регулируемый экзоцитоз) и 2) конститутивный, не запускаемый Ca 2+ (т.е. нерегулируемый).
Неконститутивный экзоцитоз, запускаемый Ca 2+ , требует внешнего сигнала, специфического сигнала сортировки на везикулах, клатриновой оболочке, а также увеличения внутриклеточного кальция. В многоклеточных организмах этот механизм инициирует многие формы межклеточной коммуникации, такие как синаптическая передача, секреция гормонов нейроэндокринными клетками и секреция иммунных клеток. В нейронах и эндокринных клетках SNARE-белки и SM-белки катализируют слияние, образуя комплекс, который объединяет две слитые мембраны. Например, в синапсах комплекс SNARE образуется синтаксином-1 и SNAP25 на плазматической мембране и VAMP2 на мембране пузырька. [4] Экзоцитоз в химических синапсах нейронов запускается Ca 2+ и служит передаче сигналов между нейронами. Сенсоры кальция, запускающие экзоцитоз, могут взаимодействовать либо с комплексом SNARE, либо с фосфолипидами сливающихся мембран. Синаптотагмин признан основным сенсором экзоцитоза, запускаемого Ca 2+ , у животных. [5] Однако белки синаптотагмина отсутствуют у растений и одноклеточных эукариот. Другими потенциальными сенсорами кальция для экзоцитоза являются белки EF-hand (например: кальмодулин) и белки, содержащие домен C2 (например: Ferlins, E-синаптотагмин, Doc2b). Неясно, как различные сенсоры кальция могут взаимодействовать друг с другом и определенным образом опосредовать кинетику экзоцитоза, запускаемого кальцием. [6]
Конститутивный экзоцитоз осуществляется всеми клетками и служит высвобождению компонентов внеклеточного матрикса или доставке вновь синтезированных мембранных белков, которые встраиваются в плазматическую мембрану после слияния транспортного пузырька . Нет четкого консенсуса относительно механизмов и молекулярных процессов, которые управляют образованием, почкованием, транслокацией и слиянием пост-Гольджи-везикул с плазматической мембраной. Слияние включает привязку мембран (распознавание) и слияние мембран. До сих пор неясно, различны ли механизмы конститутивной и регулируемой секреции. Механизм, необходимый для конститутивного экзоцитоза, изучен не так хорошо, как механизм регулируемого экзоцитоза. Два привязывающих комплекса связаны с конститутивным экзоцитозом у млекопитающих: ELKS и Exocyst. ELKS представляет собой большой спиральный белок, также участвующий в синаптическом экзоцитозе, отмечая точки слияния «горячих точек» слияния секреторных носителей. Экзоциста представляет собой октамерный белковый комплекс. У млекопитающих компоненты экзоцист локализуются как в плазматической мембране, так и в аппарате Гольджи, а белки экзоцист колокализуются в точке слияния пост-Гольджи-везикул. Мембранное слияние конститутивного экзоцитоза, вероятно, опосредовано SNAP29 и Syntaxin19 на плазматической мембране и YKT6 или VAMP3 на мембране везикул. [7]
Везикулярный экзоцитоз у прокариот грамотрицательных бактерий является третьим механизмом и последним открытием экзоцитоза. Периплазма отщипывается в виде пузырьков наружной мембраны бактерий (OMV) для передачи микробных биохимических сигналов в эукариотические клетки-хозяева [8] или другие микробы, расположенные поблизости, [9] осуществляя контроль над секретирующим микробом в его среде, включая инвазию хозяина, эндотоксемию. , конкурируя с другими микробами за питание и т. д. Это открытие транспорта мембранных пузырьков , происходящего на границе раздела хозяин-патоген, также развеивает миф о том, что экзоцитоз является чисто эукариотическим клеточным феноменом. [10]
В экзоцитозе участвуют пять этапов:
Определенные этапы транспортировки везикул требуют транспортировки везикул на умеренно небольшое расстояние. Например, везикулы, которые транспортируют белки из аппарата Гольджи к поверхности клетки, скорее всего, будут использовать моторные белки и цитоскелетные пути, чтобы приблизиться к своей цели. До того, как привязка стала уместной, многие белки, используемые для активного транспорта, вместо этого были настроены на пассивный транспорт, поскольку аппарату Гольджи не требуется АТФ для транспортировки белков. В этих процессах участвуют как актин, так и основа микротрубочек, а также несколько моторных белков . Как только везикулы достигают своих целей, они вступают в контакт с привязывающими факторами, которые могут их сдерживать.
Полезно различать начальную, слабую связь везикул с их целью и более стабильные, упаковывающие взаимодействия. Привязка включает в себя связи на расстояниях более половины диаметра пузырька от данной поверхности мембраны (> 25 нм). Привязывающие взаимодействия, вероятно, участвуют в концентрации синаптических пузырьков в синапсе .
Секреторные везикулы временно стыкуются и сливаются с поросомой плазматической мембраны клетки посредством плотного кольцевого комплекса t-/v-SNARE.
При нейрональном экзоцитозе термин « прайминг» использовался для обозначения всех молекулярных перестроек и АТФ-зависимых модификаций белков и липидов, которые происходят после первоначальной стыковки синаптического пузырька, но до экзоцитоза, так что приток ионов кальция — это все, что происходит. необходимо, чтобы вызвать почти мгновенное высвобождение нейротрансмиттера . В других типах клеток, секреция которых является конститутивной (т.е. непрерывной, независимой от ионов кальция, не запускаемой), прайминг отсутствует.
Временное слияние везикул управляется белками SNARE , что приводит к высвобождению содержимого везикул во внеклеточное пространство (или в случае нейронов в синаптической щели).
Слияние донорной и акцепторной мембран решает три задачи:
Извлечение синаптических везикул происходит путем эндоцитоза . Большинство синаптических везикул перерабатываются без полного слияния с мембраной ( слияние «поцелуй и беги ») через поросому . Неконститутивный экзоцитоз и последующий эндоцитоз представляют собой процессы с высокими энергозатратами и, следовательно, зависят от митохондрий . [12]
Исследование клеток после секреции с помощью электронной микроскопии демонстрирует повышенное присутствие частично пустых везикул после секреции. Это позволило предположить, что в ходе секреторного процесса только часть содержимого везикул способна выйти из клетки. Это могло бы быть возможно только в том случае, если бы везикула временно установила непрерывность с клеточной плазматической мембраной в поросомах , вытеснила часть своего содержимого, затем отделилась, снова запечаталась и вышла в цитозоль (эндоцитоза). Таким образом, секреторный пузырек можно было повторно использовать для последующих раундов экзоэндоцитоза до тех пор, пока он полностью не опорожнится. [13]
