Der molekulare Mechanismus des Membrantransportes und die Erhaltung der Diversität der Kompartimente
Ein sikel hat eine Schutzhülle um seine Membran, die es abgeben muss, damit es mit einem anderen sikel fusionieren kann. Durch das zusammenfinden der Schutzhüllenproteine wird die Membran in eine Form gezwungen. Es gibt 3 Haupttypen von Schutzhüllen: Clathrin-coated, COPI-coated, COPII-coated, die alle für einen anderen Transport zuständig sind
Clathrin-coated vesicles
Hauptproteine: Clathrin (Abb.13-7/8) und Adaptin (bindet die Clathrinschicht an die Membran und cargo Rezeptoren die lösliche Cargo Moleküle innerhalb des sikels binden. Es gibt 4 Typen, jeweils spezialisiert für bestimmte cargo- Rezeptoren). Durch das Zusammenfinden der Clathrine und Adaptine auf der cytosolischen Seite der Membran wird die sikelbildung initiiert. Dynaminproteine bilden einen Ring um das sich bildende sikel und schnüren es so von der Membran ab. Ist das sikel fertig gestellt wird die Clathrinschicht entfernt (durch Chaperone der hsp70 Familie = uncoating ATPase, wird wahrscheinlich durch Auxilin aktiviert).
Dynamin = eine GTPase, reguliert wie viele sikel sich bilden. Rekrutiert andere Proteine und zusammen bringen sie die Membran zusammen, die dann fusioniert und so ein sikel abspaltet (Budding). Budding geschieht überall, im PM ist es jedoch sehr schwer, wegen dem vielen Cholesterol, das den PM hart macht und so schwer biegbar.
COPI-und COPII-coated vesicels
Die Hülle besteht aus grossen Komplexen, die grosse Teile des Donororganells enthalten können, es gibt versch. Grössen von sikeln.
Coat-recruitment GTPasen: sorgen dafür, dass Coatproteine nur am richtigen Ort und zur richtigen Zeit assemblieren und sich sikel bilden.
ARF Proteine: verantwortlich für die COPI-coat und Clathrin-coat Assemblierung am Golgi
Sac1 Proteine: verantwortlich für die COPII-coat Assemblierung am ER-Membran.
Diese Coatrecruitment ATPasen kommen normalerweise in einer hohen Konz. in einer inaktiven (GDP-gebunden) Form im Cytosol vor. Soll sich ein neues sikel bilden, so bindet ein GEF (in der Membran eingebetteter Guaninenukleotidaustauschfaktor) an ein cytosolisches Sar1, wodurch sein GDP mit einem GTP ausgetauscht wird und das Sar1 aktiviert wird. Mit seinem hydrophoben Schwanz taucht das Sar1 in die Membran ein und zieht die Untereinheiten der coat Proteine an = Initiierung des Budding. Andere GEF's und coat-recruitment GTPasen operieren in ähnlicher Weise in anderen Membranen. Aktivierte coat-recruitment ATPasen können zudem lokale Phospholipasen D aktivieren, die Phospholipide in phosphatische Säuren umwandeln. Diese fördern zusätzlich das Binden der coat Proteine.
Ist das sikel fertig oder am Ziel angelangt löst sich die Hülle auf. Alle sikel haben Markierungen auf der Oberfläche die sie spezifizieren und die Zielzelle hat die dazugehörigen Zielrezeptoren. Diese werden durch zwei Klassen von Proteinen kontrolliert.
SNARE's: machen den Rezeptor spezifisch und katalysieren die Fusion von Membranvesikeln mit einer anderen Membran. v-SNARES = vesicel membran SNARE`s, t-SNARE`s = target membran SNARE`s. Die beiden SNARES wechselwirken miteinander =trans-SNARE Komplexe, die die beiden Membranen zusammenknüpfen. Ohne diese erfolgt kein sikel transport. Der Komplex wird durch NFS wieder auseinander gebrochen und die SNARE's recycled. (Abb 13-l1/12/13)
NFS: eine ATPase, braucht die Hilfe von Adaptor Proteinen, entscheidet wann ein t-SNARE wieder ein sikel binden soll (Kontrolle des Transportes)
Rabs (targeting GTPasen): monomere GTPasen, wandern zwischen der Membran (aktiv-GTP gebunden) und dem Cytosol (inaktiv-GDP gebunden). Sie bilden in der Membran einen Lipidanker wo andere Proteine binden und helfen so beim Andocken der sikel = Regulation des sikeltransportes (regulieren wie gut t- und v-SNARE's zusammenpassen).
Rab effector: dirigiert die sikel z.B. an einen spez. Ort am PM zur Exocytose, bindet an ein Rab in der GTP Form und hindert so die zu frühe Hydrolyse von GTP in Rab und bewegt die sikel entlang von Aktin Filamenten / Mikrotubuli.
Rab und sein effector beschleunigen beide das Zusammenfinden der beiden SNARE's. Nach der Fusion gehen beide in die GDP Form über und zurück ins Cytosol.
Die Fusion kann auch evtl. verspätet auftreten, wenn durch extrazelluläre Signale ausgelöst. Zur Fusion müssen alle H2O zwischen den Membranen weg, dazu sind Fusionsproteine (Enzyme) nötig. Die dazu nötige Energie entsteht, wenn zwei SNARE's zusammen kommen. Manchmal löst auch ein Ca2 Influx den Prozess aus. (Abb 13-l5)
Transport vom ER durch den Golgi-Apparat
Golgi-Apparat: Kohlenhydratsynthese, Sortieren, Modifikation der ER-Produkte, Synthese vieler Polysaccharide (inkl.Pectin), viele der Kohlenhydrate werden an die Oligosaccharidseitenketten der vielen Proteine und Lipide vom ER gehängt (Tags für weitere Destinationen). Der Golgi Komplex besteht aus 4-6 Cisternea und ist nahe dem Zellkern und den Centrosomen lokalisiert. Beim Transport der Moleküle vom cis- zum trans-face gibt es verschiedene Modifikationen. Die Lipide und Proteine kommen vom ER zum Golgi und gehen von dort weiter zum PM (-Sekretion) oder zurück zum ER.
Im ER werden an viele der Proteine am N-Ende Oligosaccharide angehängt. Die Produkte unterteilen sich in 2 Klassen: A) Komplexe Oligosaccharide oder B) Mannosereiche Oligosaccharide an den Glykoproteine von Säuern. Manchmal sind aber auch beide Typen an einer Polypeptidkette gebunden.
Klasse A: im ER werden erste Zucker am N-Ende angebracht und dann zusätzliche im Golgi.
Klasse B: die Zucker werden im ER angehängt, im Golgi folgen keine weiteren mehr (Abb. 13-26)
Weitere Modifikation im Golgi:
Anfügen von Zuckern an die OH-Gruppen von Ser/Thr Seitenketten=O-linked Glycosylation
(Enzym: verschiedene Glycosyl Transferasen, meist erst nach der N-linked Glycosylation)
Proteoglycan core proteins: erhalten im Golgi am meisten Zucker = Proteoglykane
Diese werden modifiziert indem eine oder mehrere Glycosaminoglycanketten polymerisiert werden und im Golgi werden sie stark sulfiert = negative Ladung. Spender der Sulfationen ist das 3'Phophpadenosine-5'-Phosphpsulfat = PAPS. Jede Cisternea hat ihre eigenen spezifischen Enzyme(Abb 13-29) Ist das Molekül auf der trans-Seite des Golgi angelangt geht es in sikeln weiter zum PM, Lysosomen oder Ausscheidungvesikeln.
Proteine vom ER die für's Golgi bestimmt sind gehen mit einer COPII-Hülle von der ER-exit-site weg(Proteine brauchen ein Exitsiganl, sekretorische Proteine nicht. Der Rezeptor ERGIC53 im ER sorgt dafür, dass sekretorische Proteine in COPII-sikel gepackt werden). Die cargo Proteine senden dann exit Signale aus, die von komplementären Rezeptoren erkannt werden. Nur vollkommen richtig gefaltete Proteine, verbunden mit anderen Untereinheiten können das ER verlassen.
Homotypische Fusion: Fusion 2er Membrane desselben Kompartementes - 2 SNARE-Paare
Herotypische Fusion: Fusion 2er Membrane unterschiedlicher Kompartemente- 1 S.-Paar
COPI-coated clusters = rkehr zwischen ER und Golgi, bringen falsch ausgesandte Proteine (mit ER retrieval signal, z.B. BiP hat ein KDEL Signal das es immer wieder zurück ins ER bringt) zurück zum ER. ER-Membranproteine interagieren mit der COPI Hülle direkt, ER lösliche Proteine brauchen aber einen spez. Rezeptor, z.B. KDEL Rez. Dieser bringt alle Proteine mit einer KDEL Sequenz in die COPI-sikel und so zurück zum ER. Gelangt das sikel ins Golgi werden dort die Proteine von ihrem Rezeptoren entlassen (Affinität ist aufgrund der saureren Bedingungen im Golgi gesunken). Einige Proteine gehen auch ohne retrieval Signal zurück zum ER, duch einfache Diffusion in die sikel (langsam).
ER permanente Proteine (ohne KDEL Sequenz): binden wahrscheinlich einander, wodurch ein grosser Komplex entsteht, der nicht wie die einzelnen Proteine aus dem ER mit sikeln sekretiert werden kann. Kin recognition = allg. Begriff für die Aggregation von Proteinen die in demselben Kompartement funktionieren.
sikel die vom Golgi zum PM wandern sind reich in Cholesterol. Transmembrane Proteine müssen zudem lang genug sein um vom Golgi exportiert zu werden (kürzere könnten sich in der Lipiddoppelschicht des PM's nicht einfügen).
Es gibt zwei Modelle wie die Moleküle im Golgi Transportiert werden: das vesicular transport model (Golgi ist statisch und die Moleküle gehen in sikeln (COPI-Hülle) von Cisternea zu Cisternea) und das cisternal maturation model(Gogli=dynamische Struktur, aus einer cis-Cisternea wird eine trans-Cisternea, Enzyme gelangen mit sikeln immer wieder zurück, Transport durch COPI coated vesicels). Die Realität ist wahrscheinlich eine Kombination von beiden. Die Struktur vom Golgi wird durch das Mikrotubuli Cytoskelett festgelegt. Bei der Zellteilung werden die Golgi Matrix Proteine von der mitotischen Protein Kinase phosphoryliert = Goglikomplex geht auseinander. Durch dephosphorylierung bildet sich das Golgi wieder.
Transport vom Trans-Golgi Network zu den Lysosomen
Golgi (trans) - Late endosomes - Lysosomen
Lysosomen: enthält über 40 hydrolytische Enzyme, pH~5 (Enzyme sind im Cytosol bei pH=7.2 inaktiv). Der tiefe pH wird durch eine H -ATPase hergestellt. Das aufgenommene Material wird verdaut und die Endprodukte durch Transportproteine in der Membran ins Cytosol zurück transportiert. Zum Schutz vor den lysomalen Proteasen sind die transmembranen Proteine hoch glykosiliert.
rdauung von Makromolekülen
Endocytose = early endosomes = late endosomes(Abb.13-35): haben bereits hydrolytische Enzyme = pH~6 = Beginn der rdauung. Durch weiters herabsetzten des pH's entsteht aus dem late endosome ein Lysosom und die endosomalen transmembranen Proteine werden zurück zum Golgi gebracht.
Autophagocytose: ein Organell, z.B. ein Mitochondrium wird in einer Membran unbekannter Herkunft eingeschlossen und es entsteht ein Autophagosome. Dieses fusioniert mit einem Lysosom (oder late endosome) = rdauung.
Partikel die durch Phagocytose aufgenommen werden bilden ein Phagosome. Dieses kann auch mit einem Lysosom fusionieren und der aufgenommene Partikel wird verdaut.
Lysomale Hydrolasen und lysomale transmembrane Proteine werden im rauen ER produziert - Golgi - trans Golgi - late endosome - Lysosome (Abb.13-37)
Lysomale Hydrolasen besitzen eine Markierung = Mannose-6-Phosphat Gruppe auf einem N-linked Oligosaccharid. Diese bekommen aber nur lösliche lysomale Enzyme die durch's cis-Golgi-Network gehen. Ein M6P-Rezeptor erkennt diese M6P-Gruppe = bindet sie und Adaptorproteine mit Clathrin-coated proteins auf der cytosolischen Seite. Es entsteht ein sikel das sein Inhalt zu einem late endosome bringt. Im neuen pH (6) dissoziiert das lysomale Enzyme im late endosome vom Rezeptor weg. Der Rezeptor geht in einem sikel zurück zum trans-Golgi, dank Signalpeptiden. Lysomale Hydrolasen die fälschlicherweise zum PM gelangt sind werden von M6P-Rezeptoren dort eingefangen und durch Endocytose zurück zum Lysosom gebracht.
Die lysomalen Hydrolasen haben ein Signal Patch das anzeigt, dass sie eine M6P-Gruppe bekommen sollen. Dies wird durch 2 Enzyme katalysiert (GlcNAc Phosphotransferase und ein weiteres Enzym).
Material das in den Lysosomen nicht verdaut werden konnte, wird aus den Lysosomen ausgeschieden. Melanocyten produzieren Speicherpigmente in ihren Lysosomen = Melanosom. Diese entlassen dann die Pigmente durch Exocytose in den Extrazellulären Raum, wo die Pigmente durch Keranocyten aufgenommen werden, wodurch die Hautfarbe entsteht. Albinismus = Defekt in der melanosomalen Exocytose.
Sind die lysomalen Hydrolasen genetisch Defekt wird unverdautes Material angehäuft und es entstehen verschiedene Krankheiten. (Lysomal storage disease, Hurler's disease, inclusion-cell disease.
Transport in die Zelle vom PM: Endozytose
Endozytose= Phagozytose(grosse Moleküle werden aufgenommen-gr.sikel-Phagosom)
Pinozytose (Flüssigkeitsaufnahme-kl.sikel = small pinotic vesicles)
In der Zelle fusionieren die Phagosomen mit einem Lysosom und das Material wird verdaut. Das nichtverdaute Material bleibt im Lysosom und bildet residual bodies. Damit das Material verdaut wird, muss es zuerst an die Zelloberfläche binden. Phagozyten haben Rezeptoren die an die phagozytotische Machinery gebunden sind. Durch ein Signal (z.B. Antibodies) werden die Rezeptoren aktiviert und die Machinery in gang gesetzt. Rezeptoren erkennen so tote Zellen, best. Mikroorganismen usw. die abgebaut werden müssen. Lebende Zellen hingegen binden an inhibierende Rezeptoren und inhibieren ihre rdauung durch andere Zellen. Die Pinozytose erfolgt kontinuierlich, teilweise wird PM mitverdaut, das aber wieder zurückgelangt.
Die Endozytose Rate entspricht der Exozytose Rate = Endozytose - Exozytose - Zyklus.
Die Endozytose beginnt an speziellen Orten der PM = clathrin-coated pits. Alle Substanzen die in der Extrazell. Matrix gelöst sind werden evtl. irgendwann von der Zelle aufgenommen = fluid-phase endocytosis
Andere Mechanismen für pinozytische sikel:
Caveolae: Einbuchtungen in der PM der Zelle (Abb.13-42)
Caveolin: das wichtigste strukturelle Protein in Caveolaes. Caveolaes nehmen das Zielmolekül in ihrer Membran auf, trennen sich von der PM und bringen es zu endosom ähnlichen Kompartementen oder auf die andere Seite der PM.
Receptor-mediated endocytosis
Makromoleküle binden an ihre komplementären Rezeptoren, v.a. in den coated pits, und betreten die Zelle als ein Rez.-Macromolekülkomples in Clathrin-sikeln. Bsp. Cholesterolaufnahme. Das meiste Cholesterol, das als Cholesterolester vorliegt, wird in der Form von Lipid-Proteinen = low-densitiy lipoproteins (LDL) im Blut transportiert. Braucht eine Zelle Cholesterol bildet sie LDL-Rezeptoren aus und nimmt das LDL auf. Dieses gelangt in die early endosomes, der pH wird erniedrigt und die Rezeptoren lassen das LDL los, es entsteht das late endosome und dann das Lysosom, wo der Cholesterolester zu freiem Cholesterol hydrolysiert wird. Ist zuviel Cholesterol vorhanden stoppt die Zelle die Synthese der LDL-Rezeptoren und die eigene Cholesterolsynthese. (Atherosclerotic plaques = LDL-Rezeptoren defekt/keine LDL-R. vorhanden/LDL-R. sind nicht in den clathrin-coated pits vorhanden). Es gibt verschiedene Rezeptoren für verschiedene Moleküle, aber alle brauchen Clathrinhüllen. Signalpeptide binden an Adaptin in der PM und führen so die transmembranen Proteine in die clathrin-coated pits, wo die sikel gebildet werden können. Viele Rezeptoren haben ähnliche Signale die auch an Adaptine binden.
Early und late endosomes unterscheiden sich durch ihre Protein Komposition der PM und des pH's. Nur Moleküle die nicht von den early endosomes wieder zurück zum PM (in sikeln) gelangen kommen in die Lysosomen und werden hydrolysiert. Löst sich der Ligand im sauren Milieu der Lysosomen nicht, wird er zusammen mit dem Rezeptor zurückgeführt und nicht verdaut. Alles was sich löst wird verdaut.
Schicksal des Rezeptors (Sorting Signal entscheidet):
die meisten gelangen zu ihrem ursprünglichen PM zurück
manche gelangen in eine andere Domäne des PM = Transzytose (Abb.13-51)
einige gelangen bis in die Lysosomen wo sich abgebaut werden.
sikel die Rezeptoren von early endosomes zurück zum PM bringen, vereinigen sich auf ihrem Weg zu recycling Endosomen (Abb.13-46).
Transferrin - Rezeptor: bringt Eisen in die Zelle (Rez. Schicksal Nr.1)
Apotransferrin: Eisenfreies Transferrin, verlässt an den Transferrin - Rez. gebunden die Zelle.
Multivesikulare Körper: Ausbuchtung von early endosomes mit Material, die dann weggehen und auch zu late endosomes werden (-Lysosom-rdauung). Damit ein Membranprotein verdaut wird muss es mit Ubiquitin markiert werden, so wird es zum internen Membranprotein des multivesikularen Körper und kann so erst verdaut werden (Abb.13-50).
Transzytose: Rezeptoren auf der Oberfläche von polarisierten Zellen übertragen spezifische Makromoleküle von der apicalen Domäne der PM zur basolateralen Domäne der PM. Endozytose-early Endosom-recycling Endosom-Transzytose-andere PM (Abb. 13-51).
Eine Zelle kann so Rezeptoren in den recycling Endosomen speichern und sie erst an die Oberfläche befördern wenn gewisse Signale eintreffen. Regulation. Es gibt apicale und basolaterale early endosomes aber ein gemeinsames late endosome.
Transport vom trans-Golgi Netzwerk zum äusseren der Zelle: Exozytose
constitutivve secretory pathway: Material geht vom trans Golgi in sikeln direkt zum PM (versorgt so auch die PM mit neu synthetisierten Lipiden und Proteinen)
regulated secretory pathway: lösliche Proteine und andere Substanzen werden zuerst in Ausscheidungsvesikeln gespeichert und erst später entlassen bzw. zum PM gebracht (in spezialisierten sekretorischen Zellen, z.B. Hormonzellen). Moleküle die dort gespeichert werden sollen, werden im Golgi markiert, der Rest der Moleküle wandert unselektiv nach aussen mit 1. (=default pathway)(secretory vesicels = secr. Granules = dense core vesicles = entstehen aus dem trans Golgi)
Sekretorische Proteine mit einer Signalsequenz akkumulieren im Golgi (Signal löst dies aus) und werden in sikel gepackt, vrgl. Phagozytose. Die Ausscheidungsvesikel haben spezifische Proteine in ihrer Membran, einige dienen wahrscheinlich als Rezeptoren für die Aggregate. Es entstehen immature(=nicht reif) Ausscheidungsvesikel mit Clathrinhülle die sich zum mature secretory vesicel und einem leeren sikel (bringt überschüssige Membran zurück zum Golgi) entwickeln. Das mature secretory vesicel wird nun saurer, ist hochkonzentriert und kann schnell viel Material beim PM ausschütten. Viele Substrate gelangen inaktiv bis zum Golgi und werden auf dem Weg vom trans - Golgi zu den sekretorischen sikeln in ihre aktive Form überführt (Peptidstücke werden getrennt oder abgetrennt.)
Mit der Hilfe von Mikrotubulis gelangen die sikel an den Ort der Ausschüttung, warten dort auf ein Signal und fusionieren dann mit der PM. Das chemische Signal aktiviert einen Rezeptor im PM = intrazelluläres Signal (z.B. Ca2 Konz. Anstieg im Cytosol, elektr. Signale) das dann an spezifische Sensoren der sikel binden und so die Fusion der sikel mit der PM einleitet. Die individuellen Fragmente der PM können unabhängig voneinander in regulierter Endozytose funktionieren. Proteine die von sekretorischen sikeln in der PM landen werden durch Endozytose entfernt und in Lysosomen abgebaut. In polarisierten Zellen wandern Proteine die für bestimmte Domänen bestimmt sind zusammen vom ER ins Golgi - trans Golgi wo sie getrennt werden und in die entsprechenden sekretorischen oder Transportvesikel verpackt werden. Anhand von Sortiersignalen erkennen coat Proteine die Moleküle und bringen sie in die richtigen sikel. Gleiche Signale bringen auch Substrate aus den Endosomen zurück in die basolaterale Membran.
Apicale PM: reich in Glykosphingolipiden (Schutz für die Zelle) und PM-Proteinen die zu dem Lipid Bilayer durch einen GPI-Anker verbunden sind. GPI-verankerte Proteine gelangen direkt in die apicale PM weil sie mit den Glykosphingolipiden in den lipid rafts (bilden sich im trans-Gogli Network, Abb.13-63) assoziieren. Membranproteine mit ungewöhnlich langen Transmembransegmenten akkumulieren auch dort (da dort die PM breiter ist). Zusätzliche GPI-verankerte Proteine und Lectine in den rafts helfen bei der Silisation. Aus den rafts entstehen dann die sikel für die apicale PM.
Nervzellen haben 2 Arten von sekretorischen sikeln
normale sekretorische sikel
synaptische sikel: werden anders hergestellt. In Nervzellen werden dort kleine Neurotransmitter gespeichert (Acetylcholine, Glutamat, Glycin, GABA). Jeweils nur ein kleiner Teil der sikel fusioniert bei einem Aktionspotential mit der PM, dadurch sind mehrere sehr schnelle Aktionspotentiale hintereinander möglich. Die gebrauchte sikel werden dann lokal recycled.(Endozytose der Membran - direktes wiederauffüllen mit Neurotransmitter der sikel, die aus PM entstehen. Dies wird durch Membran Carrier Proteine vermittelt, die als Antiporter funktionieren(durch einen H -Gradienten angetrieben, der durch eine H -Pumpe im sikel erstellt wurde.
Finito
Schaut euch gut die Bildlein an. Ein Bild sagt ja bekanntlich mehr als tausend Worte.
Weiterhin viel Spass
Bei Nebenwirkungen wenden sie sich bitte an den rfasser
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