Апарат Гольджі модифікує білки, сортує їх і упаковує для відправки за потрібною адресою. Як показали дослідження, апарат Гольджі складається з трьох відділів, або компартментів, кожен з яких спеціалізований для певного типу модифікації білків.
Клітина – це фундаментальна структурна одиниця живого організму, але це не означає, що клітина неподільна. Навпаки, в будь-якій клітині не менше десятка різних компартментів – органел, кожна з яких призначена для виконання свого набору функцій. Так, у клітинному ядрі зберігається генетична інформація, в секреторних гранулах запасаються речовини, які згодом виділяються з клітини, а зовнішня, або плазматична, мембрана контролює надходження речовин всередину клітини і вихід з неї. Органела виконує свою функцію за допомогою серії сполучених хімічних реакцій, кожна з яких каталізується спеціальним білком-ферментом. Органельна організація, або, як ще кажуть, компартменталізація клітини, відіграє життєво важливу роль в її функціонуванні, оскільки інакше тисячі клітинних ферментів були б перемішані і впорядкована біохімічна активність була б неможлива.
Щоб уникнути хаосу біохімічних процесів, кожен з безлічі новоутворених білків повинен бути певним чином модифікований, відсортований і з великою точністю доставлений у відповідний компартмент. За минулі роки стало ясно, що в основному переміщення макромолекул в клітині так чи інакше пов'язані з апаратом Гольджі. Ця органела, виявлена у всіх еукаріотичних (тобто тих, що містять ядро) клітинах. Вона складається з крихітних, утворених мембранами замкнутих мішечків; мішечки сплощені і «укладені» в стос на зразок стосу тарілок. До одного кінця такого стосу надходять новостворені білки. Більшість їх містять олігосахариди (довгі ланцюги з молекул простих цукрів) і тому називаються глікопротеїнами. Проходячи через стос Гольджі, білок піддається специфічній хімічній модифікації, характер якої часто визначається його призначенням. На іншому кінці стосу білки упорядковано, відповідно до свого призначення, відправляються за потрібною адресою.
До останнього часу мало що було відомо про те, як апарат Гольджі функціонує, як його будова пов'язана із здійсненням таких складних операцій модифікації і сортування білків. Дослідження показали, що стоси Гольджі мають прецизійну внутрішню структуру. У кожному стосі можна виділити принаймні три відділи, або компартменти, що складаються з одного або більше мішечків. Кожен компартмент містить певний набір ферментів, необхідних для здійснення того чи іншого етапу модифікації білка, і подібний до окремого вузла конвеєра. Для правильної модифікації білок повинен послідовно пройти через всі вузли – через всі компартменти апарату Гольджі. Тепер, коли прояснився взаємозв'язок між структурою і функцією апарату Гольджі, інтереси дослідників зміщуються у бік інших питань. Як білки проходять через апарат Гольджі? Як вони сортуються відповідно до свого призначення? Як вони, нарешті, упаковуються для доставки за потрібною адресою?
Стос Гольджі
Окремо оточений мембраною замкнутий мішечок в стосі Гольджі називають цистерною. Середня кількість цистерн в стосах Гольджі варіює в широких межах. У типових клітинах ссавців в стосі, як правило, 5–6 цистерн, а в клітинах рослин і нижчих організмів їх кількість може бути 20 і більше. Діаметр цистерни зазвичай близько мікрометра. Мембрани цистерн, як і інші клітинні мембрани, складаються з ліпідного «бішару», утвореного двома шарами протилежно орієнтованих молекул ліпідів. Між щільно упакованими молекулами ліпідів вмонтовані молекули різних білків. Досі не з'ясовано механізм, що забезпечує плоску форму цистерн і утримує їх в тісній близькості одну до одної. Поки клітина не починає ділитися, цистерни зберігають характерне пакетне розташування.
Стос Гольджі не симетричний. На одному кінці стосу цистерни спеціалізовані для прийому новостворених глікопротеїнів. Цей кінець стосу називають цис-стороною, а поверхню цистерн – цис-поверхнею. Глікопротеїни, що надходять до цис-сторони стосу Гольджі, синтезуються на рибосомах, розташованих на зовнішній поверхні ендоплазматичного ретикулуму. Ендоплазматичний ретикулум утворений протяжними безперервними мембранами складної форми. У міру збірки поліпептидного ланцюга білок або проникає в просвіт (внутрішній простір) ендоплазматичного ретикулуму, або вбудовується в його мембрану – залежно від характеру білка. Новостворені білки потім локалізуються у везикули (пухирці), що формуються з ділянок мембрани ендоплазматичного ретикулуму. Коли такий пухирець досягає цис-боку стосу Гольджі, його мембрана зливається з мембраною цистерни, а вміст виливається всередину неї. Таким чином, на цис-стороні стосу Гольджі з'являється вихідна точка переміщення глікопротеїнів до протилежного, або транс-кінця, стосу.
Сучасні уявлення про процеси, що відбуваються з глікопротеїнами по мірі їх переміщення від цис- до транс-сторони стосу Гольджі, базуються на результатах серії досліджень, розпочатих ще в кінці XIX століття. Дуже скоро після того, як у 1898 році італійський гістолог Камілло Гольджі відкрив органели, названі на честь нього комплексом, або апаратом Гольджі, виникло припущення про участь цих органел в транспорті секреторних білків із клітин назовні. У 1960 році Дж. Палладе і його колеги з Рокфеллерівського інституту медичних досліджень встановили, що білки, які декретуються, проходять через апарат Гольджі. Палладе простежив шлях білків в клітинах підшлункової залози від рибосом через апарат Гольджі в спеціальні везикули – секреторні запасні гранули, у складі яких ці білки залишають клітини. Ч. Леблон і його колеги з Університету Мак-Гілла виявили, що проходження білків через стос Гольджі зазвичай супроводжується приєднанням до них молекул цукрів. Ці результати мали принципове значення, оскільки вперше було показано, що в апараті Гольджі відбувається досить істотний процесинг (дозрівання) білків.
У 1970–1980 роках були отримані дані, які створили більш повне і чітке уявлення про функції апарату Гольджі. Експерименти показали, що стоси містять набори різних ферментів, що забезпечують різноманітні хімічні модифікації. Ферменти не тільки приєднують або відщеплюють молекули цукрів, але також приєднують до білкових молекул фосфатні і сульфатні групи і навіть жирні кислоти. Навіщо потрібні ці модифікації, поки не відомо, але вони дали біохімікам прекрасний інструмент для вивчення організації апарату Гольджі.
Було виявлено, що ті цукри, які приєднуються до білків в апараті Гольджі, зустрічаються крім секреторних гранул також в інших компартментах клітини, в тому числі в лізосомах (великих везикулах, що містять гідролітичні ферменти, які розщеплюють непотрібні клітині макромолекули) і в плазматичній мембрані. Стало ясно, що не тільки білки, які секретуються, а й інші білки проходять через апарат Гольджі: білки, призначені для багатьох компартментів в цитоплазмі, проходять через стоси Гольджі, перш ніж направляються в належні ділянки клітини. Отже, апарат Гольджі не тільки модифікує білки, що проходять через нього, а й сортує їх на групи відповідно до призначення.
Шлях глікозилювання
Як же влаштовані стоси Гольджі, як вони здійснюють процесинг і сортування білків? Перші вказівки на те, що цистерни є компартментами, спеціалізованими для різних етапів процесингу білків, з'явилися у 1950–1960 роках, задовго до того, як став зрозумілий хімізм апарату Гольджі. Цитологи, що використали для виявлення апарату Гольджі гістохімічні барвники, показали, що деякі сполуки забарвлювали одні цистерни в стосі Гольджі, але не забарвлювали інші. Таке диференціальне забарвлювання не могло дати точне уявлення про функціональну організацію стосів, тому що в більшості випадків біохімічний сенс забарвлювання був незрозумілим. Більш того, не була ще встановлена послідовність процесингу білків в цистернах, оскільки не вдавалося зв'язати кольорові реакції з етапами процесингу.
В кінці 70-х років вдалося майже повністю розшифрувати послідовність етапів формування олігосахаридних ланцюгів глікопротеїнів в стосах Гольджі, що було дуже важливим досягненням. Спочатку були відкриті глікозилтрансферази (ферменти, що каталізують приєднання нових цукрових залишків до зростаючого олігосахаридного ланцюга) та з'ясовано порядок їх дії. Потім виявилися й інші ферменти, що каталізують непередбачені проміжні етапи, на яких певні молекули цукрів видаляються з олігосахаридного ланцюга.
Процесинг починається в просвіті ендоплазматичного ретикулуму, де до всіх утворених глікопротеїнів приєднуються однакові олігосахаридні ланцюги. Кожен такий ланцюг складається з 14 молекул простих цукрів: двох молекул N-ацетил глюкозаміну (GlcNAc), дев'яти молекул манози і трьох молекул глюкози. Ці цукри, так само як і цукри, що приєднуються згодом до олігосахариду в стосах Гольджі, є або гексозами (тобто вуглеводами, що містять 6 атомів вуглецю), або їх похідними. Ще коли глікопротеїн знаходиться в ендоплазматичному ретикулумі, від нього дуже швидко відщеплюються всі три залишки глюкози і один залишок манози; після цього глікопротеїни переносяться у складі везикул до апарату Гольджі.
В результаті процесингу в ендоплазматичному ретикулумі всі різноманітні глікопротеїни, які прибувають до цис-поверхні стосів Гольджі, несуть однакові олігосахаридні ланцюги. Проте всередині стосів процесинг різних білків відбувається уже зовсім по різному. Так, наприклад, білки, призначені для лізосом, в стосах якимось чином розпізнаються і до олігосахаридного ланцюга кожного з них приєднується фосфатна група; надалі істотних модифікацій з ними не відбувається. А секреторні білки і білки плазматичної мембрани, як правило, піддаються значно глибшій модифікації, в ході якої вони втрачають майже всі залишки манози.
Три компартменти
Нове розуміння ролі глікозилювання лягло в основу створення молекулярних інструментів для дослідження внутрішньої організації апарату Гольджі. У 1981 році було встановлено, що манозидаза I і ферменти, що приєднують галактозу і сіалову кислоту до олігосахаридних ланцюгів білків, локалізовані в різних ділянках апарату Гольджі. У 1983 році було показано, що майже всі ферменти глікозилювання асоційовані з певними фракціями апарату Гольджі. Ці результати мали велике значення, але ще важливішими виявилися дані, отримані Корнфельдом і його колегами: вони показали, що апарат Гольджі містить принаймні три біохімічно спеціалізованих комлартменти. На порядок денний постало завдання знайти місце кожного комлартменту в стосі Гольджі.
Чому компартменти?
Хоча компартментна організація апарату Гольджі зараз не викликає жодного сумніву, сенс її зрозумілий ще не до кінця. Компартментна організація має низку «стратегічних» переваг для процесингу олігосахаридних ланцюгів глікопротеїнів. Зокрема компартменталізація апарату Г ольджі може також полегшувати сортування білків для відправки їх за різними адресами. Для функціонування апарату Гольджі характерно те, що білки, призначені для різних цілей, не розділяються фізично, поки не досягнуть транс-компартменту.
Читайте також:
