Экзоцитоз - Exocytosis

Экзоцитоз нейротрансмиттеров в синапс от нейрона A к нейрону B.
  1. Митохондрия
  2. Синаптический пузырек с нейротрансмиттерами
  3. Авторецептор
  4. Синапс с высвобожденным нейромедиатором ( серотонин )
  5. Постсинаптические рецепторы, активируемые нейротрансмиттером (индукция постсинаптического потенциала)
  6. Кальциевый канал
  7. Экзоцитоз везикулы
  8. Повторно захваченный нейротрансмиттер

Экзоцитоз ( / ˌ ɛ к ы с т с ɪ с / ) является формой активного транспорта и объемного транспорта , в котором клетка транспорты 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 клетки , поскольку большинство химических веществ , важными для них являются крупными полярными молекулами , которые не могут проходить через гидрофобную часть клеточной мембраны с помощью пассивных средств. Экзоцитоз - это процесс высвобождения большого количества молекул; таким образом, это форма перевозки сыпучих материалов. Экзоцитоз происходит через секреторные порталы плазматической мембраны клетки, называемые поросомами . Поросомы представляют собой постоянную чашеобразную липопротеиновую структуру на плазматической мембране клетки, где секреторные везикулы временно стыкуются и сливаются, высвобождая внутрипузырное содержимое из клетки.

При экзоцитозе связанные с мембраной секреторные везикулы переносятся на клеточную мембрану , где они стыковываются и сливаются с поросомами, а их содержимое (т.е. водорастворимые молекулы) секретируется во внеклеточную среду. Эта секреция возможна, потому что везикула временно сливается с плазматической мембраной. В контексте нейротрансмиссии нейротрансмиттеры обычно высвобождаются из синаптических пузырьков в синаптическую щель посредством экзоцитоза; однако нейротрансмиттеры также могут высвобождаться посредством обратного транспорта через мембранные транспортные белки .

Экзоцитоз также является механизмом, с помощью которого клетки могут 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.

История

Термин был предложен Де Дювом в 1963 году.

Типы

У эукариот существует два типа экзоцитоза: 1) запускаемый Ca 2+ неконститутивный (т.е. регулируемый экзоцитоз) и 2) конститутивный не- запускаемый Ca 2+ (т.е. нерегулируемый). Неконституционный экзоцитоз, запускаемый Ca 2+, требует внешнего сигнала, специфического сигнала сортировки везикул, клатриновой оболочки, 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 белки SNARE и белки SM катализируют слияние, образуя комплекс, который объединяет две слитые мембраны. Например, в синапсах комплекс SNARE формируется синтаксином-1 и SNAP25 на плазматической мембране и VAMP2 на мембране везикул. Экзоцитоз в химических синапсах нейронов запускается Ca 2+ и служит межнейрональной передаче сигналов. Сенсоры кальция, запускающие экзоцитоз, могут взаимодействовать либо с комплексом SNARE, либо с фосфолипидами сливающихся мембран. Синаптотагмин был признан основным сенсором экзоцитоза, запускаемого Ca 2+, у животных. Однако белки синаптотагмина отсутствуют у растений и одноклеточных эукариот. Другими потенциальными датчиками 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 взаимодействовать друг с другом и особым образом опосредовать кинетику экзоцитоза, запускаемого кальцием.

Конститутивный экзоцитоз осуществляется всеми клетками и служит высвобождению компонентов внеклеточного матрикса или доставке 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, перемещением и слиянием пузырьков после Гольджи с плазматической мембраной. Слияние включает закрепление (распознавание) мембран и слияние мембран. До сих пор неясно, отличается ли механизм конститутивной и регулируемой секреции. Механизм, необходимый для конститутивного экзоцитоза, изучен не так много, как механизм регулируемого экзоцитоза. Два связывающих комплекса связаны с конститутивным экзоцитозом у млекопитающих, ELKS и Exocyst. ELKS - это белок большой спиральной спирали, который также участвует в синаптическом экзоцитозе, маркируя «горячие точки» слияния секреторных носителей. Экзоциста представляет собой октамерный белковый комплекс. У млекопитающих компоненты экзоцисты локализуются как в плазматической мембране, так и в аппарате Гольджи, а белки экзоцисты колокализуются в точке слияния пост-Гольджи-везикул. Слияние мембран конститутивного экзоцитоза, вероятно, опосредуется SNAP29 и Syntaxin19 на плазматической мембране и YKT6 или VAMP3 на мембране везикул.

Везикулярный экзоцитоз у прокариот- грамотрицательных бактерий является третьим механизмом и последним открытием в экзоцитозе. Периплазма отщипывается в виде пузырьков внешней мембраны бактерий (OMV) для транслокации микробных биохимических сигналов в эукариотические клетки-хозяева или другие микробы, расположенные поблизости, для осуществления контроля секретирующего микроба в его окружающей среде, включая вторжение в хозяина, эндотоксемию, конкуренцию с другими микробами за питание и т. д. Это открытие переноса мембранных везикул, происходящего на границе раздела хозяин-патоген, также развеивает миф о том, что экзоцитоз является чисто феноменом эукариотических клеток.

Шаги

Молекулярный механизм, управляющий экзоцитозом при высвобождении нейромедиатора. Основной комплекс SNARE образован четырьмя α-спиралями, созданными синаптобревином, синтаксином и SNAP-25, синаптотагмин служит сенсором кальция и тесно регулирует застегивание SNARE.

В экзоцитоз входят пять этапов:

Транспортировка пузырьков

Определенные шаги по перемещению пузырьков требуют транспортировки пузырьков на умеренно небольшое расстояние. Например, везикулы, которые транспортируют белки из аппарата Гольджи в область поверхности клетки, скорее всего, будут использовать моторные белки и цитоскелетный трек, чтобы приблизиться к своей цели. До того, как привязка стала бы подходящей, многие из белков, используемых для активного транспорта, были бы вместо этого настроены для пассивного транспорта, потому что аппарат Гольджи не требует АТФ для транспортировки белков. И актин, и основание микротрубочек участвуют в этих процессах вместе с несколькими моторными белками . Как только везикулы достигают своих целей, они вступают в контакт с связывающими факторами, которые могут их сдерживать.

Привязка пузырьков

Полезно различать начальное, слабое связывание пузырьков с их целью от более стабильных, упаковочных взаимодействий. Привязка включает связи на расстояниях, превышающих примерно половину диаметра везикулы от данной поверхности мембраны (> 25 нм). Связывающие взаимодействия, вероятно, вовлечены в концентрацию синаптических пузырьков в синапсе .

Связанные везикулы также участвуют в регулярных процессах транскрипции клетки.

Стыковка везикул

Секреторные везикулы временно стыкуются и сливаются с поросомами плазматической мембраны клетки посредством плотного кольцевого комплекса t- / v-SNARE.

Прайминг везикул

В нейрональном экзоцитозе термин прайминг используется для включения всех молекулярных перестроек и АТФ-зависимых модификаций белков и липидов, которые происходят после первоначального стыкования синаптического пузырька, но до экзоцитоза, так что приток ионов кальция - это все, что происходит. необходимо, чтобы вызвать почти мгновенное высвобождение нейромедиатора . В других типах клеток, секреция которых является конститутивной (т. Е. Непрерывной, независимой от ионов кальция, не запускаемой), прайминга отсутствует.

Слияние пузырьков

В теории пор с липидной выстилкой обе мембраны изгибаются друг к другу, образуя поры раннего слияния. Когда две мембраны находятся на «критическом» расстоянии, головные липидные группы одной мембраны вставляются в другую, создавая основу для поры слияния.

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:

  • Поверхность плазматической мембраны увеличивается (на поверхность слитого пузырька). Это важно для регуляции размера клеток, например, во время роста клеток.
  • Вещества внутри пузырька выходят наружу. Это могут быть продукты жизнедеятельности или токсины , или сигнальные молекулы, такие как гормоны или нейротрансмиттеры, во время синаптической передачи .
  • Белки, встроенные в мембрану везикул, теперь являются частью плазматической мембраны. Сторона белка, которая была обращена внутрь пузырька, теперь обращена к внешней стороне клетки. Этот механизм важен для регуляции трансмембранных и переносчиков.

Извлечение пузырьков

Восстановление синаптических пузырьков происходит путем эндоцитоза . Большинство синаптических везикул рециклируются без полного слияния с мембраной (слияние типа « поцелуй и беги» ) через поросомы . Неконституционный экзоцитоз и последующий эндоцитоз - это процессы, требующие больших затрат энергии, и поэтому они зависят от митохондрий .

Исследование клеток после секреции с помощью электронной микроскопии демонстрирует повышенное присутствие частично пустых пузырьков после секреции. Это говорит о том, что во время секреторного процесса только часть везикулярного содержимого может выйти из клетки. Это могло быть возможно только в том случае, если везикула должна была временно установить непрерывность с плазматической мембраной клетки в поросомах , вытеснить часть своего содержимого, затем отсоединиться, повторно запечатать и уйти в цитозоль (эндоцитоза). Таким образом, секреторный пузырек можно повторно использовать для последующих раундов экзоэндоцитоза, пока он полностью не освободится от его содержимого.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки