Аппарат Гольджи

 
Описание структуры аппарата Гольджи тесно связано с описанием егоосновных биохимических функций, поскольку подразделение этогоклеточного компартмента на отделы производится преимущественно на основе локализации ферментов, расположенных в том или ином отделе.

Чаще всего в аппарате Гольджи выделяют четыре основных отдела: цис- Гольджи , медиал-Гольджи , транс-Гольджи и транс-Гольджи сеть ( TGN )

Кроме того к аппарату Гольджи иногда относят так называемыйпромежуточный компартмент , представляющий собой скопление  мембранных пузырьков между эндоплазматическим ретикулумом и цис-Гольджи. Аппарат Гольджи является очень полиморфной органеллой; в клетках разных типов и даже на разных стадиях развития одной и той же клетки он может выглядеть по-разному. Основные его характеристики таковы:

1) наличие стопки  из нескольких (обычно 3-8) уплощенных  цистерн, более или менее плотно  прилегающих друг к другу. Такая  стопка всегда бывает окружена  некоторым (иногда очень значительным) количеством мембранных пузырьков. В животных клетках чаще можно  встретить одну стопку, в то  время как в растительных клетках  их обычно бывает несколько; каждую  из них в таком случае называют диктиосомой . Отдельные диктиосомы могут быть связаны между собой системой вакуолей, образуя трехмерную сеть;

2) композиционная гетерогенность, выражающаяся в том, что постоянные (resident) ферменты неоднородно распределены по органелле;

3) полярность , то есть наличие цис-стороны, обращенной к эндоплазматическому ретикулуму и ядру, и транс-стороны,обращенной к поверхности клетки (это особенно характерно для секретирующих клеток);

4) ассоциация с микротрубочками и областью центриоли . Разрушение микротрубочек деполимеризующими агентами приводит к фрагментации аппарата Гольджи, однако его функции при этом существенно не затрагиваются. Аналогичная фрагментация наблюдается и в естественных условиях, во время митоза . После восстановления системы микротрубочек разбросанные по клетке элементы аппарата Гольджи собираются (по микротру-бочкам) в область центриоли,и реконструируется нормальный комплекс Гольджи.

Функции аппарата Гольджи очень многообразны. К ним можно отнести:

1) сортировку, накопление  и выведение секреторных продуктов;

2) завершение посттрансляционной модификации белков ( гликозилирование , сульфатированиеи т.д.);

3) накопление молекул липидов и образование липопротеидов ;

4) образование лизосом ;

5) синтез полисахаридов для образования гликопротеидов, восков, камеди, слизей, веществ матрикса клеточных стенок растений

(гемицеллюлоза, пектины) и т.п.

6) формирование клеточной пластинки после деления ядра в растительных клетках;

7) участие в формировании акросомы ;

8) формирование сократимых вакуолей простейших.

Этот список, без сомнения, неполон, и дальнейшие исследования не только позволят лучше понять уже известные функции аппарата Гольджи, но и приведут к открытию новых. Пока самыми изученными с биохимической точки зрения остаются функции, связаные с транспортом и модификацией новосинтезированных белков.

Белки: модификация, осуществляемая ферментами аппарата Гольджи

 

Гликозилирование белков

 

 
Гликозилированием называют процесс присоединения к полипептидной цепи различных углеводных остатков. Все секретируемые белки эукариот бывают в той или иной степени гликозилированы.

N-гликозилирование

 
N-гликозилирование осуществляется по аспарагину , расположенному через один аминокислотный остаток от триптофана , и происходит постадийно. Процесс этот выглядит как показано на рис. 8-54 и имеет следующие стадии:

1) находясь в шероховатом эндоплазматическом ретикулуме , белок взаимодействует с мембраносвязанным донором олиго-сахаридов долихол- фосфатом ( Dol ), переносящим на белок слаборазветвленную олигосахаридную цепочку, состоящую из девяти остатков маннозы (Man) и трех остатков глюкозы (Glc). Эта цепочка прикрепляется к белку через два остатка N-ацетилглюкозамина ( NAcGlc ). Ингибитором этой реакции является антибиотик туникомицин . Выглядит реакция следующим образом:

 

                    Glc                            Glc

                     I                              I

                    Glc                            Glc

                     I                              I

                    Glc                            Glc

                     I                              I

                    Man  Man  Man                  Man  Man  Man

                     I    I    I                    I    I    I

 polypeptide   +    Man  Man  Man  -----> Dol  +   Man  Man  Man

                     I     I  /                     I     I  /

                    Man    Man                     Man    Man

                      I   /                          I   /

                       Man                            Man

                        I                              I

                      NAcGlc                         NAcGlc

                        I                              I

                      NAcGlc                         NAcGlc

                        I                              I

                       Dol                         polypeptide

2) В эндоплазматическом ретикулуме работают также глюкозидаза I и глюкозидаза II , которые затем удаляют остатки глюкозы от получившегося гликопротеина (ингибитором этой реакции являетсядезоксинойримицин ):

   

          Glc

                I

               Glc

                I

               Glc

                I

               Man  Man  Man               Man  Man  Man

                I    I    I                 I    I    I

               Man  Man  Man               Man  Man  Man

                I     I  /                  I     I  /

               Man    Man       -----;     Man    Man

                 I   /                       I   /

                 Man                         Man

                  I                           I

                NAcGlc                      NAcGlc

                  I                           I

                NAcGlc                      NAcGlc

                  I                           I

             polypeptide                 polypeptide

3) Локализованный в цис-Гольджи фермент маннозидаза I удаляет четыре остатка маннозы :

               Man  Man

Man

                I    I    I

               Man  Man  Man                   Man  Man

                I     I  /                       I  /

               Man    Man                Man    Man

                 I   /                     I   /

                 Man            -----       Man

                  I                         I

                NAcGlc                    NAcGlc

                  I                         I

                NAcGlc                    NAcGlc

                  I                         I

             polypeptide               polypeptide

4) В медиал-Гольджи работают ферменты NAcGlc-трансфераза I, маннозидаза II и NAcGlc-трансфераза II , катализирующие реакции (1), (2) и (3) соответственно:

      Man Man    NAcGlc Man Man  

NAcGlc          NAcGlc  NAcGlc

         I  /       I     I  /        I                 I     I

  Man    Man       Man    Man       Man    Man         Man    Man

    I   /            I   /            I   /              I   /

    Man      (1)     Man      (2)     Man       (3)      Man

     I      -----    I      -----     I       -----       I

   NAcGlc           NAcGlc           NAcGlc             NAcGlc

     I                I                I                  I

   NAcGlc           NAcGlc           NAcGlc             NAcGlc

     I                I                I                  I

polypeptide      polypeptide      polypeptide        polypeptide

После прохождения реакций (1) и (2) гликопротеин приобретает устойчивость к действиюэндонуклеазы H ( EndoH ). На всех предыдущих стадиях обработка Endo H приводит к полному отщеплению олигосахаридной последовательности. Благодаря этой особенности, устойчивость к Endo H является важным признаком, позволяющим говорить о том, что данный белок был транспортирован в медиал-Гольджи .

5) NAcGlc-трансферазаIV , локализованная либо в медиал-Гольджи, либо в транс-Гольджи , присоединяет еще один остаток NAcGlc

   NAcGlc  NAc  Glc          NAcGlc  NAcGlc  NAcGlc

           I     I                I      I  /

          Man    Man              Man    Man

            I   /                   I   /

            Man                     Man

             I        ----->         I

           NAcGlc                  NAcGlc

             I                       I

           NAcGlc                  NAcGlc

             I                       I

        polypeptide              polypeptide

6) В транс-Гольджи ферменты фукозилтрансфераза , галактозилтрансфераза исиалилтрансфераза завершают модификацию,соответственно присоединяя к гликопротеинуфукозу , три остатка галактозы (Gal) и три остатка сиаловой кислоты (SA):

                  

                     SA     SA      SA

                                          I      I       I

                                         Gal    Gal     Gal

                                          I      I       I

       NAcGlc  NAcGlc  NAcGlc           NAcGlc NAcGlc  NAcGlc

            I      I  /                      I     I  /

            Man    Man                      Man    Man

              I   /                           I   /

              Man                             Man

               I         ------>               I

             NAcGlc                          NAcGlc

               I                               I

             NAcGlc                          NAcGlc - Fucose

               I                               I

          polypeptide                     polypeptide

 

 

N-гликозилирование белков, направляемых в лизосомы

 

N-гликозилирование белков, направляемых в лизосомы, происходит

несколько иначе. При попадании в цис-Гольджи они подвергаются действию

N-ацетилглюкозаминфосфотрансферазы , присоединяющей NAcGlc через

фосфатную группу (P) к шестому остатку маннозы :

Man Man Man Man Man Man

I I I I I I

Man Man Man Man Man Man-P-NAcGlc

I I / I I /

Man Man Man Man

I / I /

Man -----> Man

I I

NAcGlc NAcGlc

I I

NAcGlc NAcGlc

I I

polypeptide polypeptide

Затем маннозидазаI и другой фермент цис-Гольджи , фосфодиэфировая

гликозидаза , удаляют три остатка маннозы и NAcGlc:

Man Man Man Man

I / I /

Man --------> Man

I I

NAcGlc NAcGlc

I I

NAcGlc NAcGlc

I I

polypeptide polypeptide

Наличие маннозы-6-фосфата в гликопротеине необходимо для

последующего узнавания в транс-Гольджи и направления в лизосомы .

"Отбор" лизосомных белков осуществляется при помощи

маннозы-6-фосфатного рецептора 

 

O-гликозилирование

 

В процессе О-гликозилирования происходит присоединение одного-двух углеводных остатков преимущественно по серину и триптофану , но иногда и по другим аминокислотным остаткам (например, по гидроперину , как это происходит в растительных белках интенсинах). В одной молекуле полипептида может быть множество сайтов О-гликозилирования . 

Дрожжевая инвертаза, например, содержит 150 остатков маннозы на молекулу.

О-гликозилирование происходит без участия мембраносвязанного посредника. Существуют данные о том, что процесс О-гликозилирования начинается очень скоро после покидания белкомэндоплазматического ретикулума , возможно, уже в промежуточном компартменте , и продолжается, вероятно, в нескольких отделах аппарата Гольджи .

 

Протеогликаны: присоединение к полисахаридов

 

Синтез протеогликанов включает в себя присоединение к белку

большого количества полисахаридов , чья масса может быть в десять раз

больше массы самого белка. Сборка полисахаридных цепей - сложный

процесс, состоящий из ряда стадий, различающихся у разных

протеогликанов. Основные реакции, идущие при этом, таковы:

1) перенос ксилозы от UDP-ксилозы , катализируемый

ксилозилтрансферазой ;

2) наращивание полисахаридной  цепочки путем переноса

моносахаридов от соответствующих нуклеосахаров при помощи

специфических гликозилтрансфераз ;

3) многочисленные модификации  продукта. Доказано, что все эти

процессы (за исключением, может быть, переноса ксилозы ) происходят в

аппарате Гольджи . Для выделения всех ферментов, принимающих в них

участие, требуются дальнейшие исследования.

сульфатирование

 

Сульфатирование протеогликанов, гликопротеинов и гликолипидов

является одной из последних стадий их созревания. Предполагают, что

оно происходит в дистальных отделах аппарата Гольджи, возможно, в

транс-Гольджи .

Белки лизосомальные: сортировка и транспорт

 

Лизосомальные белки отличаются от всех

остальных белков наличием маннозы-6-фосфата в составе своей

олигосахаридной цепи. Они приобретают этот сигнал в цис-Гольджи , где

работают ферменты N-ацетилглюкозаминфосфотрансфераза и

фосфодиэфировая гликозидаза .

Отделение лизосомальных белков происходит в транс-Гольджи сети , в

мембране которой локализован манноза-6-фосфатный рецептор . Здесь

происходит взаимодействие рецептора с маннозо-6-фосфатной группой