Комплекс Гольджи (внутренний сетчатый аппарат)

В 1898 г. К. Гольджи, используя свойства связывания тяжелых металлов (осмия или серебра) с клеточными структурами, выявил в нервных клетках сетчатые образования, которые он назвал внутренним сетчатым аппаратом, который позднее стали называть комплексом Гольджи. Подобные структуры затем описаны во всех клетках эукариот.

При рассмотрении в электронном микроскопе комплекс Гольджи представлен мембранными структурами, собранными вместе в небольшой зоне. Отдельная зона скопления этих мембран называется диктиосомой. Таких зон в клетке может быть несколько. В диктиосоме плотно друг к другу (на расстоянии 20-5 нм) расположены 5-10 плоских цистерн, между которыми располагаются тонкие прослойки гиалоплазмы. Каждая цистерна имеет переменную толщину: в центре ее мембраны могут быть сближены (до 25 нм), а на периферии иметь расширения, ампулы, ширина которых непостоянна. Кроме плотно расположенных плоских цистерн, в зоне комплекса Гольджи наблюдается множество мелких пузырьков (везикул), которые встречаются главным образом в его периферических участках. Иногда видно, как они отшнуровываются от ампулярных расширений на краях плоских цистерн. Принято различать в зоне диктиосомы проксимальный и дистальный участки. В секретирующих клетках обычно комплекс Гольджи поляризован: его проксимальная часть обращена к ядру, в то время как дистальная – к поверхности клетки.

В клетках отдельные диктиосомы могут быть связаны друг с другом системой везикул и цистерн, примыкающих к проксимальному концу скопления плоских мешков так, что образуется рыхлая трехмерная сеть, выявляемая в световом микроскопе.

Комплекс Гольджи участвует в сегрегации и накоплении продуктов, синтезированных в цитоплазматической сети, в их химических перестройках, созревании; в цистернах комплекса Гольджи происходит синтез полисахаридов, их комплексирование с белками, что приводит к образованию мукопротеидов, и, главное, с помощью элементов аппарата Гольджи происходит процесс выведения готовых секретов за пределы клетки. Кроме того, комплекс Гольджи обеспечивает формирование клеточных лизосом.

Секреторная функция комплекса Гольджи заключается в том, что синтезированный на рибосомах экспортируемый белок отделяется и накапливается внутри цистерн эндоплазматической сети, по которым он транспортируется к зоне мембран пластинчатого комплекса. Затем накопленный белок может конденсироваться, образуя секреторные белковые гранулы (как это наблюдается в поджелудочной, молочной и других железах), или оставаться в растворенном виде (как иммуноглобулины в плазматических клетках).

В дальнейшем от ампулярных расширений цистерн комплекса Гольджи отщепляются пузырьки, содержащие эти белки. Такие везикулы также могут сливаться друг с другом и увеличиваться в размерах, образуя секреторные гранулы. После этого секреторные гранулы начинают двигаться к поверхности клетки, соприкасаются с плазмолеммой, с которой сливаются их собственные мембраны, и таким образом содержимое гранул оказывается за пределами клетки. Морфологически этот процесс называется экструзией (выбрасывание, экзоцитоз), напоминает пиноцитоз только с обратной последовательностью стадий.

Нужно отметить, что с самого момента образования до выведения из клеток секретируемые продукты отделены мембраной от гиалоплазмы. Следовательно, мембраны комплекса Гольджи выполняют сегрегирующую роль при образовании клеточных секретов. В зоне комплекса Гольджи могут происходить многие метаболические процессы. Здесь большинство белков подвергается модификации, некоторые их аминокислоты фосфорилируются, ацетилируются или глюкозилируются. Во многие секреторные продукты входят сложные белки – гликопротеиды и мукопротеиды (муцины) – белки, связанные в единую цепь с сахарами и полисахаридами разной природы. Синтез этих полисахаридов идет в комплексе Гольджи.

В пузырьках комплекса Гольджи иногда происходит накопление ресинтезированных молекул липидов и образование сложных белков липопротеидов, которые могут транспортироваться пузырьками за пределы клетки.

Мембраны комплекса Гольджи образуются при участии гранулярной эндоплазматической сети.

Комплекс Гольджи присутствует и выполняет ряд важных функций во всех клетках, однако его строение зависит от типа клеток. Например, в сек­реторных клетках, таких как гепатоциты или клетки поджелудочной железы, комплекс Гольджи имеет множество слоев, известных как плоские цистерны или мешочки. В фибробластах, напротив, комплекс Гольджи состоит всего из нескольких мешочков. Проходящие через комплекс Гольджи молекулы подвергаются биохимической обработке, большую часть которой составляет прикрепление углевод­ных комплексов к белкам и липидам. Комплекс Гольджи иногда называют углеводной фабрикой клетки (рис. 4-7).

Полярность комплекса Гольджи

Цис-, промежуточные и транс-стопки Гольджи

Морфологическая и функциональная поляр­ность комплекса Гольджи находит свое отражение в терминологии: сторона мембраны, с которой сливаются пузырьки, называется цис-полюсом, а сто­рона, от которой пузырьки отпочковываются, называется транс-полюсом.

Стопка Гольджи, расположенная ближе к ЭПС, называется цис-сетью Гольджи; стопки мембран, расположенных где-то в середине, называются про­межуточной сетью Гольджи; наиболее удаленная от ЭПС стопка называется транс-сетью Гольджи.

Отдельная уплощенная мембрана называется цистерной; каждая такая цистерна имеет цис- и транс-поверхности. На концах стопки находятся группы трубчатых структур, которые могут быть либо связаны, либо не связаны с цистернами. Пу­зырьки и трубчатые структуры составляют сеть Гольджи, цис – ближе к ЭПС и транс – дистальнее от нее.

Гликопротеины проходят один за другим все от­делы, в которых идут последовательные серии био­химических реакций. Вновь синтезированные мем­бранные и секреторные белки, а также мембранные липиды, гликозилироваиные в ЭПС, попадают в комплекс Гольджи через цис-полюс. Они переме­щаются через стопки Гольджи и покидают ком­плекс через транс-полюс, где пузырьки и трубочки образуют транс-сеть Гольджи.

При прохождении белков или липидов через стопки Гольджи, они претерпевают серию пост­трансляционных модификаций, включающих из­менение N-связанных олигосахаридов. При прохождении белка через стопки Гольджи, эти модифи­кации происходят последовательно:

• цис-Гольджи: длинные маннозные цепи подрав­ниваются до М-5 с помощью маннозидазы I;

• промежуточный Гольджи: N-ацетилглюкозамин переносится с помощью N-ацетилглюко-заминтрансферазы I;

• транс-Гольджи: добавляются концевые сахара (остатки галактозы) и сиаловая кислота.

Биохимические процессы в комплексе Гольджи

Ниже перечислены биохимические процессы, протекающие в комплексе Гольджи. Прекращение или нарушение этих важных процессов приводит к клиническим последствиям.

Терминальная глюкоза отщепляется в два этапа. Сначала терминальный остаток глюкозы отщепля­ется с помощью глюкозидазы-I, после чего глюкозидаза-II удаляет еще два остатка глюкозы. Затем отщепляется одна манноза. На этом начальный этап процессинга углеводов в ЭПС завершается, и белки, несущие олигосахаридный комплекс, по­ступают в комплекс Гольджи.

В первых цистернах Гольджи от стержневого комплекса удаляются еще три остатка маннозы. На этой стадии стержневой комплекс имеет пять маннозных остатков.

N-ацетилглюкозаминтрансфераза I добавляет один остаток N-ацетилглюкозамина (GlcNAc). От образовавшегося комплекса отщеп­ляются еще три остатка маннозы. Этот комплекс, состоящий теперь из двух молекул GlcNAc-3-маннозо-1-GlcNAc, является стержневой структурой, к которой с помощью специализированных гликозилтрансфераз добавляются другие углеводы. Ка­ждая гликозилтрансфераза распознает развиваю­щуюся углеводную структуру и добавляет к цепи свой собственный сахарид.

Сборка сложных остатков сахаров на белках и липидах существенно отличается от сборки остат­ков ДНК, РНК и белка. В этом случае углеводный комплекс, сформированный на каждом этапе, слу­жит местом связывания для следующего гликозилирующего фермента, который помещает свой суб­страт на структуру полисахарида. Таким образом, образец формируется в процессе биосинтеза. ДНК, РНК и белки пользуются заранее заготовленными образцами для определения их последовательности.

В состав протеогликанов входят сложные саха­ра, прикрепленные к стержневому полипептиду путем ОН-связывания серина или треонина с ксилозным углеводным остатком. Многие стержневые пептиды протеогликанов содержат повторяющиеся последовательности остатков серина или треонина, к которым прикрепляются углеводные остатки. Углеводы выступают из стержневого белка, как ще­тинки щетки.

Комплекс Гольджи – это основная органелла клетки, где осуществляется биохимическая модифи­кация веществ. Поэтому все белки, липиды и мем­бранные компоненты, направляющиеся к лизосомам, пероксисомам, плазматической мембране или секре­торным пузырькам, должны проходить через этот комплекс. Когда белки, предназначенные для раз­личных органелл, достигают транс-сети Гольджи, от нее отпочковываются специализированные пузырь­ки, переносящие свое содержимое к необходимым органеллам с помощью белков SNAP (см. выше). Интересно, что некоторые пузырьки транспортиру­ются к месту назначения по таким компонентам цитоскелета, как микротрубочки, которые используют­ся как направляющие рельсы.

Лизосомы – это разнообразный класс шаровидных структур размером 0,2-0,4 мкм, ограниченных одиночной мембраной. Характерным признаком лизосом является наличие в них гидролитических ферментов – гидролаз (протеиназы, нуклеазы, глюкозидазы, фосфатазы, липазы), расщепляющих различные биополимеры. Лизосомы были открыты в 1949 г. де Дювом.

Лизосомы (рис. 4-8) – это главные пищевари­тельные органеллы клетки. Они участвуют в раз­рушении комплексов лигаид-рецептор, в метабо­лизме холестерола с помощью рецепторов к ЛНП и в круговороте органелл. В них содержится боль­шое число специфических ферментов (гидролаз), участвующих в разрушении белков, липидов, уг­леводов и нуклеиновых кислот. Мембрана этих органелл представляет собой единичный бислой и обладает уникальными свойствами. Одна из отличительных особенно­стей лизосом – низкий рН. Это свойство обеспе­чивается мембраносвязанной АТР-зависимой про­тонной помпой, которая обменивает Na⁺ на Н⁺. Для того чтобы ферменты, находящиеся в лизосоме, выполняли свои гидролитические функции, необходима кислая среда. Оптимум рН для боль­шинства этих гидролаз – около 5, поэтому их ак­тивность совершенно ограничена при повреждении лизосом и выходе ферментов в цитозоль, где рН составляет 7,2-7,3. Таким образом, наличие специализированного компартмента для пищеварения веществ обеспечивает оптимальные гидролитиче­ские условия. Аминокислоты, полученные при гид­ролизе белка, используются в процессах биосинте­за, так же как и другие вещества, например, нуклеотиды (таблица 4-4).

Среди лизосом можно выделить по крайней мере 3 типа: первичные лизосомы, вторичные лизосомы (фаголизосомы и аутофагосомы) и остаточные тельца. Разнообразие морфологии лизосом объясняется тем, что эти частицы участвуют в процессах внутриклеточного переваривания, образуя сложные пищеварительные вакуоли как экзогенного (внеклеточного), так и эндогенного (внутриклеточного) происхождения.

Однако расщепление, переваривание биогенных макромолекул внутри лизосом может идти в ряде клеток не до конца. В этом случае в полостях лизосом накапливаются непереваренные продукты. Такая лизосома носит название “телолизосома”, или остаточное тельце. Остаточные тельца содержат меньше гидролитических ферментов, в них происходит уплотнение содержимого, его перестройка. Часто в остаточных тельцах наблюдается вторичная структуризация неперевариваемых липидов, которые образуют слоистые структуры. Там же происходит отложение пигментных веществ. Так, у человека при старении организма в клетках мозга, печени и в мышечных волокнах в телолизосомах происходит отложение “пигмента старения” – липофусцина.

При участии лизосом в переваривании внутриклеточных элементов (аутолизосомы) они могут обеспечивать модификацию продуктов, приготавливаемых самой клеткой, например, с помощью гидролаз лизосом. В клетках щитовидной железы гидролизуется тироглобулин, что приводит к образованию гормона тироксина, который затем выводится в кровеносное русло.

В аутофагосомах обнаруживаются фрагменты или даже целые цитоплазматические структуры, например митохондрии, элементы цитоплазматической сети, рибосомы, гранулы гликогена и др., что является доказательством их определяющей роли в процессах дегратации.

Функциональное значение аутофагоцитоза еще не ясно. Есть предположение, что этот процесс связан с отбором и уничтожением измененных, поврежденных клеточных компонентов. В этом случае лизосомы выполняют роль внутриклеточных “чистильщиков”, убирающих дефектные структуры. Интересно, что в нормальных условиях число аутофагосом увеличивается при метаболических стрессах, например при гормональной индукции активности клеток печени. Значительно возрастает число аутофагосом при различных повреждениях клеток; в этом случае аутофагоцитозу могут подвергаться целые зоны внутри клеток. Увеличение числа аутолизосом в клетках при патологических процессах – обычное явление.

Уникальность лизосомных мембран

Несмотря на то, что в полости лизосомы происхо­дит переваривание белков, мембрана самой лизосомы не разрушается.

Эта устойчивость к гидролити­ческому расщеплению стала предметом детальных исследований молекул, входящих в состав мембра­ны. Используя различные методики (лизосомная изоляция, мембранная изоляция, антитела к различ­ным компонентам), исследователи показали, что сре­ди множества мембранных компонентов (размер ко­торых колеблется от 20 до более чем 150 кДа) преоб­ладают две группы белков размером 100-120 кДа. Эти белки были названы lgp А и lgp В.

Изучение структуры и строения этих белков по­казало, что они являются монотопными интеграль­ными белками, причем большая часть их структу­ры направлена в полость. Более того, они сильно гликозилированы. Гликозилирование само по себе не является защитным свойством, однако показа­но, что при возрастании степени гликозилирования разрушение белка уменьшается. (транспорте недавно переваренных молекул из ли­зосомы), сильно гликозилированы.

Белки лизосомных мембран синтезируются в ЭПС и транспортируются в комплекс Гольджи для гликозилирования (рис. 4-9). Эти белки также должны быть нацелены на лизосому, но еще неяс­но, как это происходит. У них нет особого лизосомного направляющего сигнала. Предполагается, что лизосомные мембранные белки группируются в TGN и форми­руют специфические транспортные пузырьки (сор­тирующие эндосомы), которые сливаются вместе и образуют лизосому.

Перенос веществ в лизосому может быть услов­но разделен на два типа.

1. 
   Образование эндоцитозных пузырьков, включая покрытые клатрином ямки и пу­зырьки, а также эндосомы, сформированные без клатриновой оболочки. Это основной способ импорта веществ в лизосомы.
   
2. 
   Аутофагия включает поглощение и перевари­вание других внутриклеточных органелл, на­пример дисфункциональных митохондрий. Как именно происходит такое поглощение, не­ясно. Предполагается, что мембраны ЭПС окру­жают органеллу, предназначенную для пере­варивания, и затем сливаются с лизосомой. Эта структура до слияния с лизосомой назы­вается аутофагосома.
   
3. 
   Фагоцитоз – поглощение крупных частиц, та­ких как бактерия или осколки других клеток (рис. 4-10). Этот процесс похож на эндоцитоз, однако в него вовлекаются большие внеклеточ­ные частицы. Почти все клетки мо­гут осуществлять фагоцитоз, но существует два типа клеток, специально предназначенных для этой цели, они называются профессиональны­ми фагоцитами. Среди них наиболее известны нейтрофилы, моноциты и макрофаги.
   
4. 
   Некоторые цитозольные белки, несущие лизосомный направляющий сигнал (KFERQ, Lys-Phe-Glu-Arg-Gln), доставляются в лизосому.
   

Описано множество генетических заболеваний, связанных с лизосомными гидролазами. Часть из них, обобщенно называемая болезнями накопления мукополисахаридов, обусловлена недостаточно­стью особых лизосомных ферментов, участвующих в разрушении дерматансульфата, гепарансульфата или обоих веществ. Эти вещества относятся к груп­пе гликозаминогликанов, называемых также мукополисахаридами. Неполностью разру­шенные мукополисахариды накапливаются в тка­нях и выделяются с мочой. Не все гликозаминогликаны могут быть удалены; таким образом, они начинают накапливаться в клетках и окружающем межклеточном пространстве. Эти заболевания вы­зывают прогрессирующую деградацию и приводят к смерти обычно до 10-летнего возраста. Показана не­достаточность 10 специфических лизосомных фер­ментов. Каждый из этих ферментов катализирует отщепление в специфическом участке полисахарида. Разрушение мукополисахаридиой цени происхо­дит последовательно, и дефект одной связи преду­преждает расщепление последующих связей, даже если есть ферменты, катализирующие этот процесс. Таким образом, минимальное на первый взгляд из­менение одной из гидролаз может иметь очень тя­желые последствия (табл. 4-5).

RH₂ + О₂ → R + Н₂О₂, где R – органический субстрат.

Во фракции пероксисом обнаруживаются ферменты окисления аминокислот, при работе которых образуется перекись водорода, а также выявляется фермент каталаза, разрушающая ее. Каталаза пероксисом играет важную защитную роль, так как Н₂О₂ является токсическим веществом для клетки. Этот тип окислительных реакций особенно важен для клеток печени и почек, в которых происходит ог­ромное число реакций детоксикации. Например, пероксисомы в гепатоцитах обезвреживают погло­щенный алкоголь, превращая его в уксусный альдегид.

Пероксисомы также участвуют в ?? β-окислении ??. Это окисление приводит к расщеплению жирных кислот на два углеводородных фрагмента, которые превращаются в ацетил-кофермеитА (СоА), выходят из пероксисомы и используются в качестве строительного материала для других от­делов клетки.

Пероксисомы содержат приблизительно 50 фер­ментов, которые участвуют в различных путях ме­таболизма. Пероксисома содержит первые два фер­мента, участвующие в реакциях синтеза плазмалогенов, которые составляют приблизительно 19% от общего содержания фосфолипидов организма. Плазмалогены в высоких концентрациях находят­ся в головном мозге и сердце.

Таким образом, мембранные органеллы клетки, составляющие вакуолярную систему, обеспечивают синтез и транспорт внутриклеточных биополимеров, продуктов секреции, выводимых из клетки, что сопровождается биосинтезом всех мембран этой вакуолярной системы. Производные вакуолярной системы – лизосомы и пероксисомы – участвуют в деградации экзогенных и эндогенных субстратов клетки.
Биогенез пероксисом

Размножение пероксисом, по-видимому, адап­тивный ответ клеток на такие воздействия внеш­ней среды, при которых для роста и выживания требуются ферменты пероксисом. Индукция состо­ит из двух фаз.

1. Пролиферация органелл путем отпочковывания от существующих пероксисом.

2. Рост оргаиеллы за счет импорта белков пероксисомного матрикса.

Пролиферация начинается в ответ на стимулы окружающей среды или на сигналы при развитии. В клетках млекопитающих многие гиполипидемические лекарственные средства могут вызывать размножение пероксисом, хотя точный механизм этого процесса еще до конца не понят. Эти лекар­ственные вещества, вероятно, сходны с неизвест­ным цитоплазматическим фактором или фактора­ми, которые регулируют латентные факторы транскрипции, называемые рецепторами, активируемыми пероксисомным пролифератором (PPARs). При активации эти рецепторы переме­щаются в ядро и связываются с промоторами ге­нов, кодирующих цитоплазматические рецепторы стероидных гормонов, гормонов щитовидной желе­зы и ретиноевой кислоты.

Эти рецепторы связываются с особыми элемента­ми ДНК в промоторах генов, кодирующих многие пероксисомные ферменты, что приводит к увеличению синтеза этих белков. Вновь синтезированные белки целенаправленно переносятся в существую­щие пероксисомы. Увеличение количества белков в органелле, вероятно, инициирует ее почкование, что, в конце концов, приводит к формированию но­вых пероксисом. Почкование считают основным ме­ханизмом размножения пероксисом; однако также существуют небольшие пероксисомные лакуны-пред­шественники. Оказалось, что эти лакуны содержат больше вновь синтезированных пероксисомных матриксных белков, чем зрелые пероксисомы. Эти предшественники могут быть другим местом проис­хождения пероксисом, способствуя, таким образом, увеличению количества органелл.

Существует два типа сигнальных последователь­ностей, необходимых для импорта белков в перок­сисомы. Чаще всего в белках присутствует С-концевой трипептид Ser-Lys-Leu-COOH (S-K-L-). С-концевые трипептиды различных белков могут отличаться но одному из остатков, но обычно встречается именно этот набор аминокислотных остат­ков.

Наиболее важное значение имеет локализация пероксисомного направляющего сигнала (peroxisomal targeting signal, PTS). Остатки, входя­щие в состав PTS, должны располагаться на С-конце белка. У большинства ферментов, находящихся в пероксисомах, сигнальный пептид локализуется на С-конце. Однако у некоторых пероксисомных фер­ментов сигнальная последовательность расположе­на ближе к N-концу. Важное значение этих направ­ляющих сигналов подтверждает тот факт, что раз­личные нарушения метаболизма человека связаны с неспособностью клетки импортировать белки в пероксисомы или с ошибочным попаданием перок­сисомных ферментов в другой клеточный компартмент.

Различные нарушения функционирования перок­сисом представлены в таблице 3-7, важные характе­ристики некоторых из этих нарушений даны в таб­лице 3-8.