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 переносит молекулы (например, нейротрансмиттеры и белки ) из клетки ( экзо- + цитоз ). Как активный транспортный механизм, 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 проходить через гидрофобную часть клеточной мембраны пассивным способом . Экзоцитоз — это процесс, при котором высвобождается большое количество молекул; таким образом, это форма массового транспорта. Экзоцитоз происходит через секреторные порталы на плазматической мембране клетки, называемые поросомами . Поросомы представляют собой постоянные чашеобразные липопротеиновые структуры на плазматической мембране клетки, где секреторные пузырьки временно стыкуются и сливаются, высвобождая внутрипузырьковое содержимое из клетки.
При экзоцитозе связанные с мембраной секреторные везикулы переносятся к клеточной мембране , где они прикрепляются 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 везикул в синаптическую щель посредством экзоцитоза; однако нейротрансмиттеры также могут высвобождаться посредством обратного транспорта через мембранные транспортные белки .
Экзоцитоз также является механизмом, посредством 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.
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).
Для неконститутивного экзоцитоза, запускаемого Ca 2+, требуется внешний сигнал, специфический сортировочный сигнал на везикулах, клатриновая оболочка, а также увеличение 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 белки SNARE и белки SM катализируют слияние, образуя комплекс, который объединяет две мембраны слияния. Например, в синапсах комплекс SNARE образован синтаксином-1 и SNAP25 на плазматической мембране и VAMP2 на мембране везикул. [4] Экзоцитоз в нейрональных химических синапсах запускается Ca 2+ и служит для межнейронной сигнализации. Датчики кальция, запускающие экзоцитоз, могут взаимодействовать либо с комплексом SNARE, либо с фосфолипидами сливающихся мембран. Синаптотагмин был признан основным сенсором дляэкзоцитоза, 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 C2-домен (например, ферлины, E-синаптотагмин, Doc2b). Неясно, как различные сенсоры кальция могут сотрудничать друг с другом и опосредовать кинетику экзоцитоза, запускаемую кальцием, определенным образом. [6]
Конститутивный экзоцитоз выполняется всеми клетками и служит для высвобождения компонентов внеклеточного матрикса или доставки вновь синтезированных мембранных белков, которые включаются в плазматическую мембрану после слияния транспортной везикулы . Нет четкого консенсуса относительно механизмов и молекулярных процессов, которые управляют образованием, почкованием, транслокацией и слиянием пост-Гольджиевских везикул с плазматической мембраной. Слияние включает прикрепление мембраны (распознавание) и слияние мембран. До сих пор неясно, отличается ли механизм между конститутивной и регулируемой секрецией. Механизм, необходимый для конститутивного экзоцитоза, не был изучен так же хорошо, как механизм регулируемого экзоцитоза. С конститутивным экзоцитозом у млекопитающих связаны два комплекса присоединения, ELKS и Exocyst. ELKS — это большой белок со спиральной спиралью, также участвующий в синаптическом экзоцитозе, отмечающий точки слияния «горячих точек» слияния секреторных переносчиков. Экзоциста — это октамерный белковый комплекс. У млекопитающих компоненты экзоцисты локализуются как в плазматической мембране, так и в аппарате Гольджи, а белки экзоцисты колокализованы в точке слияния везикул после Гольджи. Слияние мембран конститутивного экзоцитоза, вероятно, опосредовано SNAP29 и Syntaxin19 на плазматической мембране и YKT6 или VAMP3 на мембране везикул. [7]
Везикулярный экзоцитоз у прокариотических грамотрицательных бактерий является третьим механизмом и последним открытием в экзоцитозе. Периплазма отщипывается как бактериальные везикулы внешней мембраны (OMV) для транслокации микробных биохимических сигналов в эукариотические клетки-хозяева [8] или другие микробы, расположенные поблизости, [9] осуществляя контроль секретирующего микроба над его средой - включая вторжение в хозяина, эндотоксемию, конкуренцию с другими микробами за питание и т. д. Это открытие перемещения мембранных везикул, происходящее на границе хозяина и патогена, также развеивает миф о том, что экзоцитоз является чисто эукариотическим клеточным явлением. [10]
Экзоцитоз включает пять этапов:
Определенные этапы перемещения везикул требуют транспортировки везикулы на сравнительно небольшое расстояние. Например, везикулы, которые транспортируют белки из аппарата Гольджи в область поверхности клетки, вероятно, будут использовать моторные белки и цитоскелетный путь, чтобы приблизиться к своей цели. До того, как привязывание стало бы целесообразным, многие из белков, используемых для активного транспорта, были бы вместо этого настроены на пассивный транспорт, поскольку аппарат Гольджи не требует АТФ для транспортировки белков. В этих процессах задействованы как актин, так и микротрубочковая основа, а также несколько моторных белков . Как только везикулы достигают своих целей, они вступают в контакт с факторами привязывания, которые могут их сдерживать.
Полезно различать начальное, свободное связывание везикул с их целью от более стабильных, упаковочных взаимодействий. Связывание включает связи на расстоянии более чем примерно половина диаметра везикулы от заданной поверхности мембраны (>25 нм). Связывающие взаимодействия, вероятно, участвуют в концентрации синаптических везикул в синапсе .
Секреторные везикулы временно прикрепляются и сливаются с поросомой на плазматической мембране клетки посредством плотного кольцевого комплекса t-/v-SNARE.
В нейрональном экзоцитозе термин «прайминг» используется для включения всех молекулярных перестроек и АТФ-зависимых белковых и липидных модификаций, которые происходят после первоначальной стыковки синаптической везикулы, но до экзоцитоза, так что приток ионов кальция — это все, что нужно для запуска почти мгновенного высвобождения нейротрансмиттера . В других типах клеток, секреция которых является конститутивной (т. е. непрерывной, независимой от ионов кальция, не запускаемой), прайминг отсутствует.
Кратковременное слияние везикул осуществляется под действием белков SNARE , что приводит к высвобождению содержимого везикул во внеклеточное пространство (или, в случае нейронов, в синаптическую щель).
Слияние донорной и акцепторной мембран решает три задачи:
Извлечение синаптических везикул происходит путем эндоцитоза . Большинство синаптических везикул рециркулируются без полного слияния в мембрану ( слияние «поцелуй и беги ») через поросому . Неконститутивный экзоцитоз и последующий эндоцитоз являются процессами с высоким расходом энергии и, таким образом, зависят от митохондрий . [12]
Исследование клеток после секреции с помощью электронной микроскопии демонстрирует повышенное присутствие частично пустых везикул после секреции. Это предполагает, что во время секреторного процесса только часть везикулярного содержимого способна покинуть клетку. Это могло бы быть возможным только в том случае, если бы везикула временно установила непрерывность с клеточной плазматической мембраной в поросомах , вытеснила часть своего содержимого, затем отсоединилась, снова запечаталась и вышла в цитозоль (эндоцитоз). Таким образом, секреторная везикула могла бы повторно использоваться для последующих раундов экзоэндоцитоза, пока полностью не опустеет от своего содержимого. [13]
