Cell Biology@Yale

Oktatás tartalma

Membránhoz kötött organellumok

Az eukarióta sejtek olyan fehérjék gyűjteményeit tartalmazzák, amelyek organellumoknak nevezett egységként működnek. Ezen organellák némelyikét a sejtmembránhoz hasonló szerkezetű, de más összetételű fehérje és foszfolipid membrán veszi körül.

A membránhoz kötött organellák számos előnyt kínálnak az eukarióta sejtek számára. Először is, a sejtek kisebb térfogatban tudják koncentrálni és izolálni az enzimeket és a reaktánsokat, ezáltal növelve a kémiai reakciók sebességét és hatékonyságát. Másodszor, a sejtek a potenciálisan káros fehérjéket és molekulákat membránhoz kötött organellumokba zárhatják, megvédve ezzel a sejtek többi részét azok káros hatásaitól. Például a lizoszóma, amely egy membránhoz kötött organellum, számos olyan enzimet tartalmaz, amelyek fehérjéket, nukleinsavakat és lipideket emésztenek. Ha ezek az enzimek a citoszolba kerülnének, szétrághatnák a sejt fehérjéit, nukleinsavait és lipidjeit, ami a sejt pusztulásához vezetne. A lizoszómát körülvevő membrán távol tartja ezeket az emésztő enzimeket a sejt többi részétől.

A citoplazma mikrotubulusos szerveződése

A szerveződések és a fehérjék általában nem véletlenszerűen oszlanak el a sejtben, hanem úgy szerveződnek, hogy a szükséges régiókba lokalizálják őket. A sejt mikrotubulusokat és motorfehérjéket használ a szervsejtek lokalizációjának elősegítésére. A mikrotubulusok hosszú filamentumok, amelyek az egész citoplazmában húzódnak. A motorfehérjék két típusa, a kineinek és a dyneinek a mikrotubulusok mentén haladnak, és erőt fejtenek ki, hogy az organellákat a citoplazmán keresztül húzzák.

A mikrotubulusok az alfa- és béta-tubulin heterodimerének polimerjei. A tubulin lineáris protofilamentumokká polimerizálódik, és egy mikrotubulus 13 protofilamentumot tartalmaz, amelyek egy üreges maggal rendelkező hengerbe rendeződnek. A mikrotubulusok mínusz és plusz végűre polarizálódnak. A mikrotubulusok a plusz végükről újabb tubulin alegységek hozzáadásával növekednek. A mikrotubulusok mínusz végei instabilak, és a mikrotubulus szervezőközpont (MTOC) fehérjéi stabilizálják őket. Ha az MTOC a sejt közepén van, a mikrotubulusok a plusz végeikkel kifelé, a plazmamembrán felé sugároznak

A kinezinek és dyneinek az ATP-hidrolízisből származó energiát felhasználva haladnak a mikrotubulusok mentén. Mindkét fehérjekészlet olyan motoros doméneket tartalmaz, amelyek mikrotubulusokat kötnek és ATP-t hidrolizálnak. A motoros domének generálják a mikrotubulusok mentén történő mozgást. A legtöbb kinezin a mikrotubulusok plusz vége felé halad, míg a dynein a mínusz vége felé. Ez két eszközt ad a sejteknek a szervsejtek mikrotubulusok mentén történő eloszlásának szabályozására. A kinezinek és a dyneinek tartalmaznak egy rakománykötő domént is, amely különböző organellumokhoz köti őket. A kinezinek nagy fehérjecsaládot alkotnak, és a rakománykötő domén a legkülönbözőbb, ami lehetővé teszi, hogy a kinezin család különböző tagjai különböző organellákat kössenek. A dynein egy több fehérjéből álló nagy komplex, és kevésbé világos, hogyan köti meg a rakományt.

Actin filamentumok szintén támogatják a sejtek anyagának szállítását, de sokkal rövidebb távolságokra, mint a mikrotubulusok. Az aktin filamentumok az aktin polimerjéből állnak, amely egy kis gömb alakú fehérje. Az aktin filamentum az aktin spirális elrendezése, és a mikrotubulusokhoz hasonlóan egy plusz és egy mínusz véggel rendelkezik, a filamentumok könnyebben nőnek a plusz végükről. Az aktin filamentumokból hiányoznak a mikrotubulusok kiterjedt laterális kapcsolatai, és általában sokkal rövidebbek, mint a mikrotubulusok. Az aktin filamentumok általában a sejtmembrán közelében lokalizálódnak, ahol szerkezeti támaszt nyújtanak.

A miozinok a motoros fehérjék egy osztályába tartoznak, amelyek képesek erőt kifejteni az aktin filamentumok mentén. Egyes miozinok részt vesznek a sejtek összehúzódásában (azaz az izom összehúzódásában), míg mások a szervsejtek mozgását és pozícionálását támogatják. Az V. osztályú miozinok számos különböző sejttípusban részt vesznek a szervsejtek szállításában. A kinezin szerkezetéhez hasonlóan az V. osztályú miozinok egy motoros domént tartalmaznak, amely az aktin filamentumokhoz kötődik, és az ATP-hidrolízis energiáját használja fel a filamentumok mentén való járásra. A miozin V C-terminálisa kötődik az organellumokhoz.

A szervsejtek szállításához és pozicionálásához a sejtek gyakran használnak mikrotubulusokat és aktin filamentumokat is. A mikrotubulusokat, a kineineket és a dyneineket az organellák hosszú (több mikron vagy annál nagyobb) távolságok megtételére használják, míg az aktin filamentumok az organellákat rövid távolságokra (pl. a plazmamembrán közelébe) szállítják. Gyakran előfordul, hogy egy organella egynél többféle motorfehérjét tartalmaz (pl. kinesin és myosin V), hogy a sejtek mindkét filamentumkészletet felhasználhassák az organella pozícionálásához.

Signálszekvenciák

A különböző organellák és a plazmamembrán azonosságának és működésének fenntartásához a sejteknek specifikus fehérjéket kell célba juttatniuk az organellákhoz és más intracelluláris kompartmentekhez. A legtöbb ilyen fehérje tartalmaz egy rövid szekvenciát, az úgynevezett szignálszekvenciát, amely meghatározza az intracelluláris helyüket. A szignálszekvencia a fehérje bármely pontján elhelyezkedhet, de gyakran az N-terminuson található. Azok a szignálszekvenciák, amelyek a fehérjéket ugyanazon organellumba irányítják, gyakran nem ugyanazzal az elsődleges szekvenciával rendelkeznek. Általában a szekvencia általános biokémiai tulajdonságai határozzák meg, hogy a szekvencia egy fehérjét egy organellához irányítja-e. A szignálszekvenciákat mind az oldható fehérjék, mind az integrális membránfehérjék importálására használják.

A fehérjék importálása a membránhoz kötött organellumokba

Mivel az organellumokat körülvevő membránok korlátozzák a fehérjék átjutását, az organellumok különböző mechanizmusokat fejlesztettek ki a fehérjék citoplazmából történő importálására. A legtöbb organellum tartalmaz egy sor membránfehérjét, amelyek pórust alkotnak. Ez a pórus lehetővé teszi a megfelelő szignálszekvenciával rendelkező fehérjék áthaladását. Egyes pórusok (ER, mitokondriumok) csak a nem hajtogatott fehérjéket képesek befogadni, míg más pórusok (sejtmag, peroxiszóma) a hajtogatott fehérjéket engedik át.

A fehérjék célba juttatása az endoplazmatikus retikulumba

A szekrécióra, a plazmamembránba vagy a szekréciós útvonal bármely organellumába szánt fehérjék először az ER-be kerülnek. A legtöbb fehérje ko-transzlációsan halad át az ER-en, mivel az ER-en lévő riboszómák szintetizálják őket. Mind az oldható fehérjék (az organellumok lumenében tartózkodó vagy szekretált fehérjék), mind az integrálmembrán-fehérjék az ER-t célozzák meg és ugyanazon mechanizmus révén transzlokálódnak.

Az ER-fehérjék szignálszekvenciája általában az N-terminuson található. A szignálfelismerő részecske (SRP), egy 6 fehérjéből és egy RNS-ből álló komplex, közvetlenül a transzláció után megköti a szignálszekvenciát. Az SRP kölcsönhatásba lép a riboszómával is, és leállítja a transzlációt. Az ER membránok felszíne tartalmazza az SRP receptorát. Az SRP receptor toborozza az SRP-t, a naszcens ER fehérjét és a riboszómát az ER-be. Az SRP-receptor felszabadítja az SRP-t a jelszekvenciából, és lehetővé teszi a transzláció folytatását az ER-membránon.

Az ER-membránon lévő riboszómák kötődnek a fehérjetranszlokátorhoz. A transzlokátor egy transzmembrán fehérje, amely vizes pórust képez. A pórus az a csatorna, amelyen keresztül az újonnan szintetizált ER-fehérjék átkerülnek az ER-membránon. Az ER-fehérje transzlokációja hozza létre azt az “erőt”, amely az ER-fehérjét a csatornán keresztül tolja.

Az oldható fehérjék teljes egészében transzlokálódnak a csatornán keresztül; a szignálszekvencia a csatornában marad, és az ER lumenében lévő proteáz hasítja el a fehérje többi részétől.

A belső membránfehérjék a szignálszekvenciától lefelé egy stop transzfer szekvenciát tartalmaznak. A stop transzfer szekvencia megszünteti a csatornán keresztüli transzlokációt, és a fehérje stop transzfer szekvencia utáni része az ER-en kívül marad. Az integrális membránfehérjék transzlokálódhatnak úgy, hogy N-terminusuk vagy C-terminusuk az ER lumenében tartózkodik. Azok a fehérjék, amelyek C-terminusa a lumenben van, általában belső szignálszekvenciával rendelkeznek. Úgy tűnik, hogy a transzlokátor az egyik oldalon megnyílik, hogy az integrál membránfehérjék a környező lipiddupla rétegbe diffundálhassanak.

Egyes fehérjék többször is áthaladnak a membránon, és ezek a fehérjék a stop transzfer szekvencia után egy start transzfer szekvenciát tartalmaznak, amely újraindítja a fehérje transzlokációját a csatornán keresztül. Egy szignálszekvenciával, stop-transzferrel és start-transzferrel rendelkező fehérje kétszer is áthidalná a membránt, egy hurokkal, amely a citoszolban vagy a lumenben tartózkodik. A membránon többször átívelő fehérjék létrehozásához a fehérjének több váltakozó stop és start transzfer szekvenciára lenne szüksége.

Amint a fehérjék belépnek az ER-be, háromdimenziós szerkezetükbe hajtódnak. A fehérjék összehajtását számos mechanizmus segíti, köztük a chaperonok és a glikoziláció. Az ER olyan mechanizmusokat is tartalmaz, amelyekkel kezelni lehet azokat a fehérjéket, amelyek nem hajtódnak össze.

A fehérjék mitokondriumokba történő célba juttatása

Noha a mitokondriumok saját genomot tartalmaznak, a legtöbb mitokondriális fehérjét nukleáris gének kódolják, ami szükségessé tesz egy olyan mechanizmust, amely ezeket a fehérjéket célba juttatja és importálja a mitokondriumokba. Az ER-be importált fehérjékhez hasonlóan a mitokondriális fehérjék is tartalmaznak egy jelszekvenciát, amely a mitokondriumokba irányítja őket. Az ER-fehérjékkel ellentétben a mitokondriális fehérjék importja poszt-transzlációs úton történik. Mivel a mitokondriális membránban lévő csatornákon keresztül történő transzlokációhoz a fehérjéknek kibontott állapotban kell lenniük, a mitokondriális fehérjéket chaperonok tartják kibontott állapotban a citoszolban.

A mitokondriumokba történő fehérjeimport hasonló az ER-be történő importáláshoz, de a mitokondriumokat körülvevő két membrán jelenléte bonyolítja. A mitokondriális fehérjék tartózkodhatnak a külső membránban, a belső membránban, az intermembrán térben vagy a mátrixban (a belső membránon belüli tér). így a mitokondriumok rendelkeznek transzlokátorokkal, amelyek lehetővé teszik a fehérjék átjutását a külső membránon és a belső membránon keresztül. A TOM-komplex közvetíti a külső membránon való áthaladást, míg a TIM-komplex a belső membránon való áthaladást.

A fehérjék transzlokációja a mitokondriumba

A jelszekvencia, amely a fehérjéket a mátrixba irányítja, általában az N-terminuson található. A szignálszekvenciát a TOM-komplex fehérjéi ismerik fel. A TOM-komplex a fehérjéket a belső membrán térbe juttatja, ahol a belső membránban lévő TIM-komplex a fehérjét a mátrixba juttatja. A TOM és a TIM komplex gyakran együttműködve transzlokálja a fehérjét mindkét membránon keresztül. A mitokondriális membránokon keresztüli transzlokáció energiafüggő. A mátrixban lévő chaperonok segítenek “áthúzni” a fehérjét a belső membránon, és működésükhöz ATP-hidrolízisre van szükség. A fehérjék a mátrixon belül hajtódnak össze.

A belső membránra irányuló fehérjék a mátrixfehérjékhez hasonló mechanizmust használnak, de tartalmaznak egy, a TIM-komplex által felismert stop-transzfer szekvenciát. A külső membránra célzott fehérjék a külső membránon keresztül az intermembrán térbe transzlokálódnak, majd a SAM transzlokátor által importálódnak a külső membránba. Az intermembrán térbe célzott fehérjék részben beépülnek a belső membránba, majd egy proteáz hasítja őket, és felszabadulnak a belső membrán térbe.

A nukleáris fehérjék importja és exportja

Az ER-rel és a mitokondriumokkal ellentétben a sejtmag elsősorban oldható fehérjéket importál. Emellett a fehérjék gyakran ingáznak a sejtmag és a citoplazma között, és a sejt a nukleáris importot/exportot számos kritikus biokémiai útvonal szabályozására használja. A sejtmagot két membrán veszi körül, és e membránokba ágyazva több ezer nukleáris pórus található, amelyeken keresztül fehérjék és egyéb makromolekulák (RNS, riboszómák) lépnek be és lépnek ki a sejtmagból. A nukleáris pórusokat a membránokban laminok stabilizálják, egy citoszkeletális hálózat, amely a belső magmembrán alatt helyezkedik el, és szerkezeti támaszt nyújt a membránnak. A magpórus méret alapján korlátozza az anyagok átjutását: a ~ 30 kD-nál kisebb dolgok szabadon diffundálnak a póruson keresztül, de a nagy molekuláknak módot kell találniuk a be- és kijutásra. Azok a fehérjék, amelyek a sejtmagba közlekednek, tartalmaznak egy nukleáris import jelet, és azok, amelyeknek a sejtmagból is ki kell lépniük, tartalmaznak egy nukleáris export szekvenciát.

A citoplazma és a nukleoplazma megkülönböztetése

A fehérjéknek tudniuk kell, hogy a citoplazmában vagy a sejtmagban vannak-e, hogy a fehérjéknek a sejtmagba és a sejtmagból való irányított transzportot kell létrehozniuk. A sejtmag és a citoplazma megkülönböztetésére a sejtek egy kis GTP-kötő fehérjét, a Ran-t használják. Mint minden GTP-kötő fehérje, a Ran is létezik GTP-kötött vagy GDP-kötött állapotban. Két fehérje katalizálja az ezen állapotok közötti váltást. A Ran-GAP (GTPáz aktiváló fehérje) katalizálja a GTP hidrolízist, amely Ran-GDP-t hoz létre. A Ran-GEF (guanin nukleotid cserélő faktor) katalizálja a GDP felszabadulását és a GTP újbóli megkötését, Ran-GTP-t generálva. A Ran-GAP a nukleáris pórusok citoplazmatikus oldalára lokalizálódik, míg a Ran-GEF a kromatinnal társul, és ezért a sejtmagba lokalizálódik. Ennek eredményeként a legtöbb Ran a sejtmagban GTP-hez, a legtöbb Ran a citoplazmában pedig GDP-hez kötődik.

Nukleáris import

A receptorok (importinok) kötik a fehérjék nukleáris import szekvenciáit. Az importinok kölcsönhatásba lépnek a nukleáris pórusok citoplazmatikus oldaláról kinyúló filamentumokkal is. Egy ismeretlen mechanizmus révén az importinok a rakományukhoz kötődve közlekednek a nukleáris póruson keresztül. A póruson belül az importin-szállítmány komplex találkozik a Ran-GTP-vel. A Ran-GTP disszociálja az importineket a rakománytól, felszabadítva a rakományfehérjéket, hogy a sejtmagban végezzék munkájukat.

Nukleáris export

Sok fehérjét, amely a sejtmagba kerül, a citoplazmába kell exportálni (pl. az importineket). Ezek a fehérjék tartalmaznak egy nukleáris exportszekvenciát, amely kölcsönhatásba lép egy exportin nevű receptorral. A Ran-GTP kötődik ehhez az exportin-cargo komplexhez és stabilizálja a kölcsönhatást. Az exportin-cargo-RanGTP komplex átjut a póruson (a mechanizmus nem világos), ahol a citoplazma felőli oldalon találkozik a Ran-GAP-pal. A Ran-GAP a Ran-GTP-t Ran-GDP-vé alakítja, ami az exportin disszociációját okozza a rakományától.

A fehérjék peroxiszómákba történő importálása és a Zelleweger-szindróma

A peroxiszómák kis organellumok (~ 1 µm átmérőjűek), amelyek számos funkciót látnak el a sejtek számára. A peroxiszómák káros vegyi anyagokat (fenolok, formaldehid, etanol) metabolizálnak, zsírsavakat metabolizálnak, és katalizálják a plazmalogén szintézisének egyik lépését, amely a mielinben található lipid.

A peroxiszómáknak szánt fehérjék egy jelszekvenciát tartalmaznak, amelyet a Pex fehérjéknek nevezett fehérjecsalád felismer. E Pex-fehérjék némelyike a jelszekvenciákhoz kötődik, míg mások a peroxiszómák membránjában lévő pórushoz, amely lehetővé teszi a peroxiszóma-fehérjék bejutását.

A Pex-fehérjékben mutációkat tartalmazó sejtek nem képesek a fehérjéket a peroxiszómákba importálni, és következésképpen ezekből a sejtekből hiányoznak a peroxiszómák. A Pex fehérjék mutációi a Zelleweger-szindróma nevű betegségcsoporttal hozhatók összefüggésbe. A Zelleweger-szindrómában a csecsemőknél hiányzik az izomtónus és gyakran a szopási képesség is. A csecsemőknél koponya- és arcfejlődési rendellenességek és megnagyobbodott máj is előfordulnak. A Zelleweger-szindrómában szenvedő csecsemők prognózisa rossz, a legtöbbjük nem éli túl az egy évet.

Mivel a peroxiszómák hozzájárulnak a mielinben található lipid szintéziséhez, a Zelleweger-kórban szenvedő betegeknél gyakran előfordul a neuronok gyenge mielinizációja. A mielinizáció kritikus fontosságú az idegsejtek működéséhez a jelek célsejtekhez való továbbításában.