Пузырьки (биология и химия) - Vesicle (biology and chemistry)

Схема липосомы, образованной фосфолипидами в водном растворе.

В клеточной биологии , A везикулы представляет собой структуру внутри или снаружи в клетке , состоящей из жидкости или цитоплазме заключены в липидный бислой . Везикулы образуются естественным образом во время процессов секреции ( экзоцитоз ), поглощения ( эндоцитоз ) и транспорта материалов внутри плазматической мембраны. В качестве альтернативы они могут быть получены искусственно, и в этом случае они называются липосомами (не путать с лизосомами ). Если имеется только один фосфолипидный бислой , они называются однослойными липосомными везикулами; иначе их называютмногослойный . Мембрана, окружающая везикулу, также является ламеллярной фазой , подобной фазе плазматической мембраны , и внутриклеточные везикулы могут сливаться с плазматической мембраной, высвобождая свое содержимое за пределы клетки. Везикулы также могут сливаться с другими органеллами внутри клетки. Везикула, выпущенная из клетки, известна как внеклеточная везикула .

Везикулы выполняют самые разные функции. Поскольку он отделен от цитозоля , внутренняя часть везикулы может отличаться от цитозольной среды. По этой причине везикулы являются основным инструментом, используемым клеткой для организации клеточных веществ. Везикулы участвуют в метаболизме , транспортировке, контроле плавучести и временном хранении пищи и ферментов. Они также могут действовать как камеры для химических реакций.

Сарфусное изображение липидных пузырьков.
Определение ИЮПАК

Замкнутая структура, образованная амфифильными молекулами, содержащими растворитель (обычно воду).

Нобелевская премия по физиологии и медицине 2013 года была разделена между Джеймсом Ротманом , Рэнди Шекманом и Томасом Зюдхофом за их роль в выяснении (на основе более ранних исследований, некоторые из которых были выполнены их наставниками) состава и функции клеточных пузырьков, особенно в дрожжах и дрожжах. человека, включая информацию о частях каждого пузырька и о том, как они собраны. Считается, что дисфункция везикул способствует развитию болезни Альцгеймера , диабета , некоторых трудно поддающихся лечению случаев эпилепсии , некоторых видов рака и иммунологических расстройств, а также определенных нейроваскулярных состояний.

Типы везикулярных структур

Электронная микрофотография клетки, содержащей пищевую вакуоль (fv) и транспортную вакуоль (tv) у малярийного паразита .

Вакуоли

Вакуоли - это клеточные органеллы, содержащие в основном воду.

Лизосомы

  • Лизосомы участвуют в клеточном пищеварении. Пища может поступать извне клетки в пищевые вакуоли в результате процесса, называемого эндоцитозом . Эти пищевые вакуоли сливаются с лизосомами, которые расщепляют компоненты, чтобы их можно было использовать в клетке. Эта форма клеточного питания называется фагоцитозом .
  • Лизосомы также используются для разрушения дефектных или поврежденных органелл в процессе, называемом аутофагией. Они сливаются с мембраной поврежденной органеллы, переваривая ее.

Транспортные везикулы

Секреторные пузырьки

Секреторные пузырьки содержат материалы, которые должны выводиться из клетки. У клеток есть много причин для выделения материалов. Одна из причин - избавиться от отходов. Другая причина связана с функцией клетки. В более крупном организме некоторые клетки специализируются на производстве определенных химических веществ. Эти химические вещества хранятся в секреторных пузырьках и высвобождаются при необходимости.

Типы

Внеклеточные везикулы

Внеклеточные везикулы (EV) представляют собой частицы, ограниченные двойным слоем липидов, продуцируемые всеми сферами жизни, включая сложные эукариоты, как грамотрицательные, так и грамположительные бактерии, микобактерии и грибы.

Типы

Различные типы электромобилей могут быть разделены на основе плотности (путем градиентно- дифференциального центрифугирования ), размера или маркеров поверхности. Однако подтипы EV имеют перекрывающиеся диапазоны размера и плотности, и уникальные для подтипа маркеры должны устанавливаться для каждой ячейки. Следовательно, трудно точно определить путь биогенеза, который вызвал конкретный EV после того, как он покинул клетку.

У людей эндогенные внеклеточные везикулы, вероятно, играют роль в коагуляции, межклеточной передаче сигналов и управлении отходами. Они также участвуют в патофизиологических процессах, связанных с множеством заболеваний, включая рак. Внеклеточные везикулы вызвали интерес как потенциальный источник открытия биомаркеров из-за их роли в межклеточной коммуникации, высвобождения в легкодоступные жидкости организма и сходства их молекулярного содержания с таковым из высвобождающих клеток. Внеклеточные везикулы (мезенхимальных) стволовых клеток , также известные как секретом стволовых клеток , исследуются и применяются в терапевтических целях, преимущественно при дегенеративных , аутоиммунных и / или воспалительных заболеваниях.

У грамотрицательных бактерий ЭВ производятся путем отщипывания внешней мембраны; однако, как ЭВ избегают толстых клеточных стенок грамположительных бактерий, микобактерий и грибов, до сих пор неизвестно. Эти электромобили содержат разнообразный груз, включая нуклеиновые кислоты, токсины, липопротеины и ферменты, и играют важную роль в физиологии и патогенезе микробов. Во взаимодействиях хозяин-патоген грамотрицательные бактерии продуцируют везикулы, которые играют роль в создании ниши колонизации, переносят и передают факторы вирулентности в клетки-хозяева и модулируют защиту и ответ хозяина.

Было обнаружено, что океанические цианобактерии непрерывно выделяют везикулы, содержащие белки, ДНК и РНК, в открытый океан. Везикулы, несущие ДНК различных бактерий, многочисленны в образцах морской воды в прибрежных водах и в открытом океане.

Другие типы

Газовые везикулы используются архей , бактериями и планктонными микроорганизмами, возможно, для контроля вертикальной миграции путем регулирования содержания газа и тем самым плавучести или, возможно, для размещения ячейки для максимального сбора солнечного света. Эти пузырьки обычно представляют собой трубочки лимонной или цилиндрической формы, сделанные из белка; их диаметр определяет силу пузырька, более крупные - более слабые. Диаметр пузырька также влияет на его объем и на то, насколько эффективно он может обеспечивать плавучесть. У цианобактерий естественный отбор работал над созданием везикул максимально возможного диаметра, при этом оставаясь структурно стабильными. Белковая кожа проницаема для газов, но не для воды, что предотвращает наводнение пузырьков.

Матричные везикулы расположены во внеклеточном пространстве, или матрицы. С помощью электронной микроскопии они были независимо открыты в 1967 году Х. Кларком Андерсоном и Эрманно Бонуччи. Эти клеточные везикулы специализируются на инициации биоминерализации матрикса в различных тканях, включая кости , хрящи и дентин . Во время нормальной кальцификации основной приток ионов кальция и фосфата в клетки сопровождает клеточный апоптоз (генетически обусловленное самоуничтожение) и образование матричных пузырьков. Нагрузка кальцием также приводит к образованию комплексов фосфатидилсерин : кальций: фосфат в плазматической мембране, частично опосредованной белком, называемым аннексинами . Везикулы матрикса зачаток от плазматической мембраны в местах взаимодействия с внеклеточным матриксом. Таким образом, везикулы матрикса переносят во внеклеточный матрикс кальций, фосфаты, липиды и аннексины, которые участвуют в зародышеобразовании минералов. Эти процессы точно скоординированы, чтобы вызвать в нужном месте и в нужное время минерализацию тканевого матрикса, если только Гольджи не существуют.

Мультивезикулярное тельце , или MVB, представляет собой мембраносвязанную везикулу, содержащую ряд более мелких везикул.

Формирование и транспорт

Клеточная биология
Схема клеток животных
Animal Cell.svg

Некоторые пузырьки образуются, когда часть мембраны отрывается от эндоплазматической сети или комплекса Гольджи. Другие образуются, когда объект вне клетки окружен клеточной мембраной.

Оболочка везикул и молекулы груза

«Оболочка» везикул представляет собой набор белков, которые служат для формирования кривизны донорной мембраны, формируя округлую форму везикулы. Белки оболочки также могут связываться с различными трансмембранными рецепторными белками, называемыми грузовыми рецепторами. Эти рецепторы помогают выбрать, какой материал подвергается эндоцитозу при рецепторно-опосредованном эндоцитозе или внутриклеточном транспорте.

Существует три типа оболочки везикул: клатрин , COPI и COPII . Различные типы белков оболочки помогают в сортировке пузырьков до их конечного пункта назначения. Клатриновые оболочки обнаруживаются на везикулах, перемещающихся между Гольджи и плазматической мембраной , Гольджи и эндосомами, а также плазматической мембраной и эндосомами. Везикулы, покрытые COPI, ответственны за ретроградный транспорт от Гольджи к ER, тогда как везикулы, покрытые COPII, ответственны за антероградный транспорт из ER в Гольджи.

Клатрин пальто Считается , что собрать в ответ на регуляторный G белок . Белковая оболочка собирается и разбирается благодаря белку фактора рибозилирования АДФ (ARF).

Стыковка везикул

Поверхностные белки, называемые SNARE, идентифицируют груз везикулы, а дополнительные SNARE на мембране-мишени действуют, вызывая слияние везикулы и мембраны-мишени. Предполагается, что такие v-SNARES существуют на мембране везикул, тогда как дополнительные на мембране-мишени известны как t-SNAREs.

Часто SNARE, связанные с везикулами или мембранами-мишенями, вместо этого классифицируются как SNARE Qa, Qb, Qc или R из-за большей вариабельности, чем просто v- или t-SNARE. Множество различных комплексов SNARE можно увидеть в разных тканях и субклеточных компартментах, 36 изоформ в настоящее время идентифицированы у людей.

Считается, что регуляторные Rab- белки проверяют соединение SNARE. Белок Rab является регуляторным GTP-связывающим белком и контролирует связывание этих комплементарных SNARE в течение достаточно длительного времени, чтобы белок Rab гидролизовал связанный с ним GTP и закрепил везикулу на мембране.

SNARE у растений недостаточно изучены по сравнению с грибами и животными. Клеточный ботаник Наташа Райхель провела несколько фундаментальных исследований в этой области. Она и ее команда нашли AtVTI1a быть необходимым Гольджи - вакуоль транспорта.

Слияние пузырьков

Слияние пузырьков может происходить одним из двух способов: полное слияние или слияние по принципу «поцелуй и беги» . Fusion требует, чтобы две мембраны были расположены на расстоянии 1,5 нм друг от друга. Для этого вода должна быть вытеснена с поверхности мембраны везикул. Это энергетически невыгодно, и данные свидетельствуют о том, что для этого процесса требуются АТФ , ГТФ и ацетил-коА . Слияние также связано с бутонизацией, поэтому и появился термин «бутонизация» и «слияние».

При подавлении рецепторов

Мембранные белки, служащие рецепторами , иногда помечаются для подавления путем присоединения убиквитина . После прибытия в эндосому по описанному выше пути везикулы начинают формироваться внутри эндосомы, унося с собой мембранные белки, предназначенные для деградации; Когда эндосома либо созревает, чтобы стать лизосомой, либо соединяется с ней, везикулы полностью разрушаются. Без этого механизма только внеклеточная часть мембранных белков достигла бы просвета лизосомы, и только эта часть была бы разрушена.

Именно из-за этих пузырьков эндосома иногда называется мультивезикулярным телом . Путь к их образованию до конца не изучен; в отличие от других везикул, описанных выше, внешняя поверхность везикул не контактирует с цитозолем .

Подготовка

Изолированные пузырьки

Получение мембранных везикул - один из методов исследования различных мембран клетки. После того, как живая ткань превращается в суспензию , различные мембраны образуют крошечные закрытые пузырьки. Большие фрагменты измельченных клеток могут быть отброшены низкоскоростным центрифугированием, а затем фракция известного происхождения ( плазмалемма , тонопласт и т. Д.) Может быть выделена путем точного высокоскоростного центрифугирования в градиенте плотности. Используя осмотический шок , можно временно открыть везикулы (заполнить их необходимым раствором), а затем снова центрифугировать и ресуспендировать в другом растворе. Применение ионофоров, таких как валиномицин, может создавать электрохимические градиенты, сравнимые с градиентами внутри живых клеток.

Везикулы в основном используются в двух типах исследований:

  • Чтобы найти, а затем выделить мембранные рецепторы, которые специфически связывают гормоны и другие важные вещества.
  • Исследовать перенос различных ионов или других веществ через мембрану данного типа. В то время как транспорт может быть более легко исследован с помощью методов патч-зажима , везикулы также могут быть изолированы от объектов, для которых патч-зажим не применим.

Искусственные везикулы

Искусственные везикулы классифицируются на три группы в зависимости от их размера: небольшие однослойные липосомы / везикулы (SUV) с размером диапазона 20–100 нм, большие однослойные липосомы / везикулы (LUV) с диапазоном размеров 100–1000 нм и гигантские однослойные липосомы / везикулы (GUV) размером от 1 до 200 мкм. Везикулы меньшего размера того же размера, что и везикулы переноса, обнаруженные в живых клетках, часто используются в биохимии и смежных областях. Для таких исследований можно приготовить гомогенную суспензию фосфолипидных везикул путем экструзии или обработки ультразвуком или путем быстрой инъекции раствора фосфолипидов в водный буферный раствор. Таким образом, водные растворы везикул могут быть приготовлены из различных фосфолипидных составов, а также из везикул разного размера. Более крупные синтетические везикулы, такие как GUV, используются для исследований in vitro в области клеточной биологии , чтобы имитировать клеточные мембраны. Эти везикулы достаточно велики, чтобы их можно было изучить с помощью традиционной флуоресцентной световой микроскопии. Существует множество методов инкапсуляции биологических реагентов, таких как белковые растворы, в такие везикулы, что делает GUV идеальной системой для воссоздания (и исследования) клеточных функций in vitro в клеточных модельных мембранных средах. Эти методы включают микрофлюидные методы, которые позволяют получать везикулы постоянного размера с высоким выходом.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

внешние ссылки