Литература БФХ / molekuljarnaja biologija kletki v2

31

Рис. 8-28. При переносе белков в матрикс они в течение короткого времени соединяют внутреннюю и внешнюю митохондриальные мембраны. Если изолированные митохондрии инкубировать с белком-предшественником при 5°С, предшественник переносится лишь частично. В матриксе N- концевой сигнальный пептид отрезается; большая часть полипептидной цепи остается вне митохондрии (и доступна для протеолитических ферментов). При нагревании до 37°С перенос происходит полностью. Для изначального внедрения белка в митохондриальную мембрану при 5°С требуется разность потенциалов на внутренней мембране. Последующий перенос может происходить без этой разности потенциалов, но для него необходимо присутствие АТР с цитоплазматической стороны внутренней мембраны. Полагают, что гидролиз АТР необходим при разворачивании полипептидной цепи для того, чтобы белок мог пройти сквозь мембрану.

ной стадии переноса. Оказалось, что их N-концы находятся при этом в матриксе (они могут быть удалены протеазой матрикса), а остальная часть молекул расположена вне митохондрии (поскольку чувствительна к добавленным извне протеолитическим ферментам). Этот результат показывает, что белок-предшественник, когда проникает в матрикс, проходит через обе митохондриальные мембраны сразу. Специалисты по электронной микроскопии заметили многочисленные зоны слипания, в которых, внешняя и внутренняя митохондриальные мембраны сливаются, и предположили, что это именно те участки, через которые происходит перенос белков в матрикс. Недавно эти точки контакта были идентифицированы биохимически (по их связыванию с частично перенесенными внутрь митохондрии белками-предшественниками) и очищены.

Если охлажденные митохондрии, содержащие частично перенесенные промежуточные продукты, опять нагреть, то перенос быстро завершается (рис. 8-28), даже если мембранный потенциал на внутренней мембране сброшен. По-видимому, мембранный потенциал необходим лишь для начальной стадии переноса белка через мембрану, которая происходит даже при низкой температуре. Дальнейшие события, однако, требуют наличия АТР. Эти факты означают, что в норме перенос проходит в два этапа: 1) управляемое электрически проникновение сигнального пептида и связанных с ним последовательностей сквозь обе митохондриальные мембраны и 2) продвижение остатка цепи в митохондриальный матрикс, требующее гидролиза АТР и физиологических температур (рис. 8-29).

8.4.4. Когда белки проникают в митохондриальный матрикс, они разворачиваются [24]

По всей вероятности, белки-предшественники разворачиваются перед тем, как пересечь две митохондриальные мембраны в точке контакта. Трудно представить себе, что свернутый водорастворимый белок мог бы «протаранить» два (или даже один) липидных бислоя, оставаясь в своей нативной трехмерной конформации. Точно также невозможно вообразить, что пора могла бы пропускать глобулярные белки, которые сильно варьируют по размерам и форме. Ведь при этом она становилась бы проницаемой для протонов, и в результате электрохимический градиент на внутренней мембране исчезал бы. Между тем, в развернутом состоянии все белки имеют сходную конформацию и могут быть перенесены с помощью общего механизма. Но поскольку белки в свернутом состоянии обладают меньшей свободной энергией, чем в развернутом (по этой причине полипептиды спонтанно сворачиваются), разворачивание молекулы белка требует затрат энергии. Предполагается, что эту энергию обеспечивает гидролиз АТР.

Чтобы проверить, разворачиваются ли белки-предшественники, когда они пересекают митохондриальную мембрану, был сконструирован гибридный ген, кодирующий «смешанный» белок. В этом как бы состыкованном белке митохондриальный сигнальный пептид присоединен к N- концу цитоплазматического фермента-дигидрофолатредуктазы (ДГФР). Такой гибридный белок обладал почти ненарушенной ферментативной активностью, а значит ДГФР была в нативной трехмерной конформации. При смешивании с препаратом митохондрий этот белок поступал в матрикс. Однако если его предварительно обрабатывали метатрексатом, который прочно связывается с активным центром фермента и мешает разворачиванию его молекулы, то перенос резко подавлялся.

Генетические эксперименты на дрожжах подтверждают, что для

32

Рис. 8-29. Импорт белков в митохондрии. N-концевой сигнальный пептид белка-предшественника распознается рецептором, который, как полагают, расположен во внешней мембране. Белок переносится через обе митохондриальные мембраны в специальных точках контакта. Для начала этого процесса необходим электрохимический градиент по сторонам внутренней мембраны. В матриксе сигнальный пептид отрезается специфической протеазой, и образуется зрелый белок.

АТР-зависимой реакции разворачивания белков необходимы некоторые гены семейства hsp 70. Если эти гены инактивировать, то и митохондриальные белки-предшественники, и белки, предназначенные для ЭР, не могут пересечь соответствующие мембраны и вместо этого накапливаются в цитозоле.

8-17

8.4.5. Для транспорта белков в межмембранное пространство митохондрий необходимы два сигнала [25]

Транспорт некоторых белков-предшественников в межмембранное пространство митохондрий начинается с их переноса в матрикс (рис. 8-29). Однако за N-концевым сигнальным пептидом, инициирующим этот перенос, расположена очень сильно гидрофобная аминокислотная последовательность. Как только сигнальный пептид отщепляется матриксной протеазой, эта гидрофобная последовательность начинает, в свою очередь, выполнять роль сигнального пептида для обратного встраивания данного белка во внутреннюю мембрану. Вероятно, этот перенос происходит с помощью механизма, сходного с механизмом встраивания белков в мембрану ЭР. Аналогичный способ используется и для встраивания во внутреннюю мембрану митохондрий белков, кодируемых митохондриальным геномом (рис. 8-30, А).

После того, как белки, предназначенные для межмембранного пространства, встроятся во внутреннюю мембрану, они отрезаются протеазой в межмембранном пространстве (рис. 8-30, Б}. Многие из этих зрелых растворимых белков в конце концов присоединяются к «внешней» поверхности внутренней мембраны, где они образуют субъединицы комплексов, содержащих также и трансмембранные белки.

Для транспорта белков из цитозоля во внутреннюю мембрану митохондрий также требуется гидрофобный сигнальный пептид. Возможно, этот транспорт происходит по схеме, изображенной на рис. 8-30, А, но прямо это доказано не было. Такой двухстадийный путь трудно отличить в эксперименте от альтернативного пути, при котором транспорт в точке контакта прерывается по достижении гидрофобного сигнала, и белок остается заключенным в бислой внутренней мембраны.

33

Рис. 8-30. Импорт белков из цитозоля в межмембранное пространство митохондрий или внутреннюю мембрану требует многих сигналов. Вначале белок переносится в пространство матрикса, как это показано на рис. 8-29. Однако при отрезании сигнального пептида, использованного для первичного переноса, обнажается смежный гидрофобный сигнальный пептид на новом N-конце. Этот сигнал вызывает встраивание белка во внутреннюю мембрану таким же образом, каким в нее встраиваются белки, кодируемые митохондриальным геномом (А.) Этот механизм предположительно сходен с тем, который бактериальные предки митохондрий использовали для встраивания белков в плазматическую мембрану, и, как полагают, напоминают механизм встраивания белков в ЭР. Для транспорта белков в межмембранное пространство требуется еще третья стадия, на которой протеаза с активным центром, обращенным в трансмембранное пространство, отрезает белок от его трансмембранного сигнального пептида, находящегося во внутренней мембране (Б). Путь, изображенный на рис. (А), может быть использован и для переноса белков из цитозоля во внутреннюю мембрану, который тоже требует гидрофобного пептида.

8.4.6. Для переноса белков из цитозоля во внешнюю митохондриальную мембрану также необходимо их разворачивание [26]

Во внешней мембране митохондрий имеется одна необычная структура (она напоминает внешнюю мембрану грамотрицательных бактерий), липидный слой которой содержит большие количества образующего поры белка-порина. По этой причине внешняя мембрана свободно проницаема для неорганических ионов и метаболитов и для молекул белков размером меньше 10 кДа. Но для больших по размеру белков внешняя мембрана является барьером и поэтому помогает удержать белки межмембранного пространства от утечки обратно в цитозоль.

Включение во внешнюю мембрану белков, кодируемых основным клеточным геномом - таких, как порин, - происходит по АТРзависимому механизму, но не требует использования специальных пептидов, которые бы потом отрезались. Мембранный потенциал тоже не требуется. О том, как происходит подобное включение, известно очень мало. По крайней мере у одного белка внешней мембраны имеется нормальный матриксный транспортный сигнал, за которым следует последовательность, каким-то образом прерывающая перенос на внешней мембране.

8-18

8.4.7. Для того, чтобы направлять белки в тилакоидную мембрану хлоропластов, необходимы два сигнальных пептида [27]

Транспорт белков в хлоропласти во многих отношениях напоминает транспорт в митохондрии: и тот, и другой процесс происходят после трансляции, и тот, и другой нуждаются в энергии, и в том, и в другом случае используются гидрофильные N-концевые сигнальные пептиды, которые затем удаляются. Однако имеется по крайней мере одно важное отличие: в митохондриях для проведения этого транспорта используется еще электрохимический градиент на их внутренней мембране. В хлоропластах же, где электрохимический градиент имеется не на внутренней мембране, а на мембране тилакоида (см. гл. 7), по-видимому, для транспорта через внешнюю двумембранную оболочку в качестве источника энергии используется только гидролиз АТР.

Сигнальные пептиды для переноса белков в хлоропласты напоминают раннее описанные пептиды для импорта в митохондрии. Но в растительных клетках имеются и митохондрии, и хлоропласты, и соответственно, белки должны «выбирать» между ними. Например, в растительных клетках бактериальный фермент, присоединенный (методами генной инженерии) к N-концевой последовательности митохондриального белка, направляется в митохондрии. Тот же белок, связанный

34

Рис. 8-31. Для переноса белков в полость (тилакоидное пространство) тилакоида в хлоропластах требуется два сигнальных пептида, такой перенос осуществляется в две стадии. Полипептнд-предшественник содержит N-кондевой сигнальный пептид для переноса в хлоропласт, за которым непосредственно следует тилакоидный сигнальный пептид. Хлоропластный сигнальный пептид вызывает перенос белка в строму через точки контакта в мембране (см. рис. 7-73); механизм этого переноса сходен с механизмом переноса в митохондриаль-ный матрикс (рис. 8-29). Затем сигнальный пептид отрезается, открывая тилакоидный сигнальный пептид, который вызывает перенос через мембрану тилакоида. Этот процесс имеет много общего с перемещением белков в ЭР.

с N-концевой последовательностью белка хлоропластов, оказывается в хлоропластах.

Хлоропласты содержат еще один окруженный мембраной компартмент - тилакоид. Множество белков хлоропластов, включая белковые субъединицы фотосинтетической системы и АТР-синтетазы, импортируются в мембрану тилакоида из цитозоля. Подобно некоторым митохондриальным белкам-предшественникам, эти белки доставляются к месту назначения в два этапа. Сначала они проникают через двумембранную оболочку в матрикс хлоропласта (называемый стромой), а затем переносятся в мембрану тилакоида (или сквозь нее в тилакоидное пространство). Предшественники этих белков имеют кроме N-концевого сигнального пептида для хлоропластов еще гидрофобный тилакоидный сигнальный пептид. После того, как белок с помощью N-концевого сигнального пептида проникает в строму, этот пептид удаляется стро-мальной протеазой (аналогичной протеазе матрикса митохондрий). В результате открывается тилакоидный сигнальный пептид, который затем инициирует транспорт через мембрану тилакоида (рис. 8-31). Как и в митохондриях, этот второй этап служит для встраивания собственных белков хлоропласта в мембрану тилакоида; необходимый для этого белок-транслокатор, вероятно, происходит от бактериального предка хлоропластов.

Заключение

Большинство белков проникает в митохондрии и хлоропласты из цитозоля сходным образом. Этот механизм был наиболее хорошо изучен для митохондрий, особенно у дрожжей. Белок переносится в матрикс митохондрии через зоны слипания внешней и внутренней мембран. Для этого переноса требуется гидролиз АТР, а также электрохимический градиент на внутренней мембране. Транспортируемый белок разворачивается, когда пересекает мито хондриальные мембраны. В митохондрии или хлоропласты переносятся только те белки, которые содержат специфический сигнальный пептид. Этот сигнальный пептид обычно расположен на N-конце молекулы белка и отрезается после переноса ее внутрь органеллы. На втором этапе транспорта белок может переноситься во внутреннюю мембрану. Для этого он должен иметь еще гидрофобный сигнальный пептид; этот пептид открывается после удаления первого сигнала. В случае хлоропластов для переноса белков из стромы в тилакоид также требуется второй сигнальный пептид.

35

8.5. Пероксисомы [28]

Перокснсомы (называемые также микротельцами) во многом отличаются от митохондрий и хлоропластов. Прежде всего, они окружены только одной мембраной и не содержат ДНК и рибосом. Поскольку пероксисомы не имеют собственного генома, все их белки должны поставляться из цитозоля. В этом отношении пероксисомы напоминают ЭР: они являются самовоспроизводящейся мембранной органеллой, существующей без своего собственного генома.

Прежде чем рассматривать биосинтез пероксисом, мы остановимся на функциях этого пестрого семейства органелл. Хотя пероксисомы есть во всех эукариотических клетках, их функции сильно различаются в клетках разных типов.

В начале 60-х гг. было показано, что главным источником по крайней мере трех окислительных ферментов - оксидазы D-аминокислот, уратоксидазы и каталазы - являются самостоятельные органеллы диаметром около 0,5 мкм. У млекопитающих пероксисомы этого размера встречаются в основном в печени. На электронных микрофотографиях их можно различить по «кристалловидной» сердцевине, состоящей из уратоксидазы (рис. 8-32). Позже, когда была разработана гистохимическая окраска на каталазу - фермент, составляющий до 40% общего белка пероксисом, было показано, что пероксисомы имеются во всех клетках. В большинстве клеток пероксисомы мельче (0,15-0,25 мкм в диаметре), чем в клетках печени.

Подобно митохондрии, пероксисома - это один из главных центров утилизации кислорода в клетке. Существует гипотеза, согласно которой пероксисома представляет собой остаток древней органеллы, выполняющей у примитивных предков эукариотических клеток все функции метаболизма кислорода. Когда в атмосфере начал накапливаться кислород, производимый фотосинтезирующими бактериями, вероятно, он был токсичен для большинства клеток. Пероксисомы могли служить для снижения концентрации кислорода в клетках, одновременно используя его химическую активность для проведения важных окислительных реакций. В соответствии с этой точкой зрения последующее появление митохондрий сделало пероксисомы в значительной мере ненужными, так как многие реакции, ранее протекавшие в пероксисомах без производства энергии, теперь с помощью окислительного фосфорилирования были сопряжены с образованием АТР. Таким образом, окислительные реакции, протекающие в современных клетках - это, возможно, те реакции, которые остались необходимыми, несмотря на появление митохондрий.

Рис. 8-32. Электронная микрофотография трех пероксисом в клетке печени крысы. Паракристалличес-кие электроноплотные включения-это фермент уратоксидаза. (С любезного разрешения Daniel S. Friend.)

8.5.1. Пероксисомы используют в реакциях окисления молекулярный кислород и перекись водорода [29]

Пероксисомы получили такое название благодаря тому, что обычно в их состав входит один или более ферментов, использующих молекулярный кислород для отщепления атомов водорода от некоторых органических субстратов (обозначенных здесь R) в окислительной реакции с образованием перекиси водорода (Н2О2):

RH2 + О2 → R + Н2О2

Каталаза использует Н2О2, образованную другими ферментами в пероксисоме, для окисления множества субстратов - например, фенолов, муравьиной кислоты, формальдегида и спирта -с помощью «окислительной» реакции Н2О2 + R'H2 → R' + 2Н2О. Этот тип окислительных реакций особенно важен в клетках печени и почек, пероксисомы

36

Рис. 8-33. Электронная микрофотография двух типов пероксисом, встречающихся в растительных клетках. А. Пероксисома с паракристаллической сердцевиной в клетке мезофилла листа табака. Полагают, что ее тесная связь с хлоропластами облегчает обмен материалами между этими органеллами, происходящий при фотодыхании. Б. Пероксисомы в жирозапасающей клетке семядоли семени томата, 4 дня после прорастания. Здесь пероксисомы (глиоксисомы) ассоциированы с липидными тельцами, в которых запасается жир, что отражает их центральную роль в мобилизации жиров и глюконеогенезе при прорастании семян. (А-с любезного разрешения P. Gruber и Е. Newcomb; Б с любезного разрешения S. Frederick и Е. Newcomb.)

которых обезвреживают множество ядовитых веществ, попадающих в кровоток. Почти половина этанола, который мы выпиваем, окисляется до ацетальдегида этим способом. Кроме того, когда в клетке накапливается излишек Н2О2, каталаза превращает ее в Н2О(2Н2О2 → 2Н2О + О2).

Пероксисомы представляют собой необычно разнообразные орга-неллы, содержащие в различных клетках даже одного и того же организма сильно различающиеся наборы ферментов. В некоторых случаях в зависимости от условий изменяются размеры пероксисом. Например, клетки дрожжей, растущие в среде, содержащей сахар, имеют маленькие пероксисомы. Однако, если эти клетки выращивать на среде с метанолом, в них появляются большие пероксисомы, окисляющие метанол; если в среде есть жирные кислоты, в клетках появляются большие пероксисомы, в которых жирные кислоты расщепляются до ацетил-СоА.

Особенно важную роль пероксисомы играют в растительных клетках. У растений хорошо изучены два очень различных типа пероксисом. Одни из них обнаруживаются в листьях (рис. 8-33, А). Эти пероксисомы катализируют окисление побочного продукта реакции, в которой СО2 превращается в углевод (такой окислительный процесс называют фотодыханием, т. к. в нем используется О2 и освобождается СО2). Другой тип пероксисом встречается в прорастающих семенах (рис. 8-33, Б). Они служат здесь для превращения жирных кислот, запасенных в липидах семян, в сахара, необходимые для роста молодого растения. Поскольку это превращение жиров в сахара происходит в серии реакций, известных под названием глиоксилатного цикла, такие пероксисомы называют еще

37

Рис. 8-34. Модель сборки пероксисом. Мембрана пероксисом содержит специфические белки-рецепторы для импорта. Все белки пероксисомы, включая новые копии этих рецепторов, синтезируются рибосомами в цитозоле и затем переносятся из цитозоля в пероксисому. Следовательно, пероксисомы образуются только из предсуществовавших пероксисом в процессе их роста и деления; подобно митохондриям и хлоропластам, они непрерывно импортируют новые компоненты из цитозоля.

глиоксисомами. В глиоксилатном цикле две молекулы ацетил-СоА, образованные в результате расщепления жирной кислоты в пероксисоме, используются для образования янтарной кислоты, которая покидает пероксисому и превращается в глюкозу. В клетках животных глиокси-латный цикл отсутствует, и поэтому они не способны превращать жирные кислоты, содержащиеся в жирах, в углеводы.

8-21

8-22

8.5.2. Все компоненты пероксисом поступают из цитозоля [30]

Пероксисомы можно рассматривать как набор органелл с одинаковой мембраной и различным содержимым. Как отмечалось ранее, в них нет ДНК и рибосом; все их белки кодируются ядерными генами и синтезируются в цитозоле. Как белки мембраны, так и внутренние белки пероксисом поступают из цитозоля после трансляции. Из всех белков пероксисом лучше всего была изучена катализа. Это тетрамерный гемсодержащий белок, который образуется в цитозоле в виде мономеров, не содержащих гем. Мономеры переносятся в просвет пероксисом и там собираются в тетрамеры в присутствии гема. Хотя каталаза не содержит сигнальной последовательности, отрезаемой после использования, она должна иметь какой-то сигнал, направляющий ее в пероксисому. Согласно последним данным, эту роль, по крайней мере частично, играет специфическая последовательность из трех аминокислот, расположенная вблизи карбоксильного конца многих пероксисомных белков.

Пероксисомы, по-видимому, содержат по крайней мере один уникальный белок, расположенный на обращенной к цитозолю поверхности их мембраны, который работает в качестве рецептора, распознающего сигнал на вносимом белке. Одно время полагали, что мембранная «скорлупа» пероксисом образуется путем отшнуровывания от ЭР, тогда как их содержимое переносится из цитозоля. В настоящее время имеется ряд данных, доказывающих, что новые пероксисомы всегда возникают из предсуществовавших и формируются путем роста и деления органел-лы, как это описано ранее для митохондрий и хлоропластов (см. разд. 7.5.1). Считают, что все мембранные белки пероксисом, включая предполагаемый рецептор(ы), поступают из цитозоля (рис. 8-34). Вероятно, и липиды, требуемые для построения новой мембраны пероксисом, также доставляются из цитозоля. Возможно, они переносятся от мест их синтеза в мембране ЭР белками, участвующими в обмене фосфолипидов (см. разд. 8.6.15).

Рис. 8-35. Микрофотография культивируемой клетки млекопитающих. На препарате белки, остающиеся в ЭР, связаны с флуоресцентно меченными антителами. ЭР, подобно сети, распространяется по всей цитоплазме клетки, так что любая область цитозоля прилегает к какой-нибудь части мембраны ЭР. (С любезного разрешения Hugh Pelham.)

38

Заключение

Пероксисомы специализируются на проведении окислительных реакций с использованием молекулярного кислорода. Они вырабатывают перекись водорода (которая им нужна для окисления), разрушая ее избыток с помощью каталазы. Считают, что, подобно митохондриям и хлоропластам, пероксисомы являются самовоспроизводящимися органеллами. Однако они не содержат ДНК или рибосом. Полагают, что в их состав входит уникальный мембранный рецептор, позволяющий вносить внутрь органеллы все белки (включая и сам рецептор) путем избирательного транспорта из цитозоля.

8.6. Эндоплазматический ретикулум [31]

Все эукариотические клетки имеют Эндоплазматический ретикулум (ЭР). Его чрезвычайно извилистая мембрана обычно составляет более половины общего количества клеточных мембран (см. табл. 8-2). Полагают, что хотя мембрана ЭР имеет многочисленные складки и изгибы, пронизывающие всю цитоплазму, она образует непрерывную поверхность, ограничивающую единое внутреннее пространство. Это внутреннее пространство, называемое полостью ЭР, часто занимает более 10% общего объема клетки (см. табл. 8-1). Полость ЭР отделяется от цитозоля одиночной мембраной (мембраной ЭР), служащей связующим звеном между этими двумя компартментами. Наоборот полости ЭР и каждой цистерны аппарата Гольджи отделены друг от друга двумя мембранами и цитозолем, поэтому транспорт макромолекул между этими органеллами осуществляется при помощи транспортных пузырьков (рис. 8-36), ЭР играет важнейшую роль в клеточных биосинтезах. На мембранах ЭР начинается синтез трансмембранных белков и липидов ЭР, аппарата Гольджи, лизосом и плазматической мембраны. Здесь же производится большинство липидов для мембран митохондрий и пероксисом (см. разд. 8.6.14). Кроме того, все вновь синтезированные белки, независимо от их места назначения (полость ЭР, аппарат Гольджи, лизосомы или внеклеточное пространство), сначала поступают в полость ЭР. Так как ЭР служит отправной точкой для синтеза всех секретируемых белков, он также является местом, где начинается формирование внеклеточного матрикса.

Рис. 8-36. Связь полости ЭР с другими внутриклеточными компартментами, с которыми ЭР контактирует. Просвет ЭР отделен как от ядра, так и от цитозоля всего одной мембраной, тогда как от собранных в стопку цистерн аппарата Гольджи он отделен двумя мембранами. В большинстве случаев ЭР и аппарат Гольджи можно рассматривать как единую функциональную единицу, части которой связаны с помощью

транспортных пузырьков.

39

8.6.1. Прикрепленные к ЭР рибосомы определяют границы его гранулярных (шероховатых) областей [32]

ЭР удаляет некоторые белки из цитозоля сразу после их синтеза. Это белки двух типов: 1) трансмембранные, которые лишь частично переносятся через мембрану ЭР и остаются заключенными в нее, и 2) водорастворимые, которые полностью переносятся через мембрану ЭР и освобождаются в его полость. Трансмембранные белки предназначены для плазматической мембраны или для мембран других органелл, а водорастворимые направляются либо в полость органелл, либо секретируются. Все эти белки переносятся через мембрану ЭР с помощью одного и того же механизма и одного и того же вида сигнального пептида.

В клетках млекопитающих импорт белков в ЭР начинается еще до того, как полипептидная цепь полностью синтезирована, т. е. он происходит одновременно с трансляцией (котрансляционно). Этим он отличается от импорта в митохондрии, хлоропласты, ядра и пероксисомы, который является посттрансляционным и требует различных сигнальных пептидов. Так как белок переносится внутрь ЭР сразу после образования полипептидной цепи, рибосомы, на которых происходит его синтез, должны быть прикреплены к мембране ЭР. Области ЭР, покрытые связанными с мембраной рибосомами, называют гранулярным (шероховатым) эндоплазматическим ретикулумом (рис. 8-37).

Таким образом, в цитоплазме имеется две пространственно изолированные популяции рибосом. Одни из них (связанные с мембраной рибосомы) расположены на обращенной к цитоплазме поверхности мембраны ЭР и заняты синтезом белков, которые сразу же переносятся внутрь ЭР. Другие (свободные рибосомы) не прикреплены ни к какой мембране и производят все остальные белки, кодируемые ядром. Связанные и свободные рибосомы идентичны по строению и функции. Они различаются только по белкам, которые синтезируются на них в каждый данный момент. Если рибосоме достается синтез белка с сигнальным пептидом для ЭР, то такой сигнал направляег рибосому к мембране ЭР. Поскольку с одной молекулой мРНК может связаться много рибосом, обычно образуется полнрибосома, которая прикрепляется к мембране сразу многими растущими полипептидными цепями. Отдельные рибо-

Рис. 8-37. А. Электронная микрофотография, на которой видны значительные различия в морфологии шероховатого и гладкого ЭР. Показанная здесь клетка Лейдига вырабатывает стероидные гормоны в семеннике и имеет поэтому необычно развитый гладкий ЭР. Видна также часть большой сферической липидной капли. Б. Трехмерная реконструкция участков гладкого и шероховатого ЭР в клетке печени. Шероховатый ЭР получил свое название из-за множества рибосом, расположенных на его цитоплазматической поверхности; он образует поляризованные стопки уплощенных цистерн, каждая из которых имеет просвет (полость) шириной от 20 до 30 нм. С этими цистернами соединены мембраны гладкого ЭР,

который представляет собой сеть тонких трубочек диаметром от 30 до 60 нм. Считается, что мембрана ЭР непрерывна и ограничивает единую полость. (А-с любезного разрешения Daniel S. Friend; Б- по R. Krstic, Ultrastructure of the Mammalian Cell. New York: Springer-Verlag, 1979.)

40

Рис. 8-38. Для синтеза белков цитозоля и белков, поступающих в ЭР, используются одни и те же рибосомы. Если на вновь синтезированной молекуле белка имеется сигнальный пептид, то он направляет связанную с этой молекулой рибосому к мембране ЭР. Молекула мРНК может все время оставаться связанной с мембраной ЭР, тогда как рибосомы, движущиеся вдоль нее, постоянно рециркулиру-ют; в конце

каждого цикла белкового синтеза субъединицы рибосом освобождаются и возвращаются в общий пул рибосом в цитозоле.

сомы, связанные с такой молекулой мРНК, могут возвращаться в цито-золь, как только они закончат трансляцию вблизи ее З'-конца. Сама мРНК, однако, стремится остаться связанной с мембраной ЭР через меняющуюся популяцию связанных с мембраной рибосом (рис. 8-38). Напротив, если мРНК кодирует белок, не имеющий сигнального пептида для ЭР, то образующаяся полирибосома остается в цитозоле и ее белковый продукт остается там же. Следовательно, с мембранами шероховатого ЭР связываются только те мРНК, которые кодируют белки, несущие сигнальные пептиды ЭР; те же молекулы мРНК, которые кодируют все остальные белки, остаются в цитозоле. Считают, что отдельные рибосомы случайным образом перемещаются между этими двумя различными популяциями молекул мРНК.

8.6.2. Некоторые специализированные клетки изобилуют гладким ЭР [33]

Участки ЭР, не несущие связанных рибосом, называются гладким ЭР. Как правило, если клетки и содержат настоящий гладкий ЭР, то в очень малых количествах; в действительности большинство областей ЭР частично являются гладкими, а частично-гранулярными. Их называют промежуточным ЭР. Именно от этих районов отшнуровываются транспортные пузырьки, переносящие вновь синтезированные белки в аппарат Гольджи (см. рис. 8-9). Однако существуют специализированные клетки, в которых гладкий ЭР хорошо развит и выполняет особые функции. В частности, гладкий эндоплазматический ретикулум преобладает в клетках, специализирующихся на метаболизме липидов. Например, клетки, синтезирующие стероидные гормоны из холестерола, имеют обширный гладкий ЭР, предназначенный для «расквартирования» ферментов, участвующих в синтезе холестерола и его преобразовании в гормоны (см. рис. 8-37,А).

Еще одним примером клеток, богатых гладким ЭР, являются гепатоциты. Это главное место, где образуются липопротеиновые частицы, предназначенные «на экспорт». Ферменты, синтезирующие липидные компоненты липопротеинов, локализованы на мембранах гладкого ЭР. На этих же мембранах расположены ферменты, катализирующие ряд реакций детоксикации, в результате которых обезвреживаются как лекарственные препараты, так и вредные соединения, образующиеся