1.8.3. Белки промежуточных волокон 1.

Для цитоскелета животных клеток характерно наличие промежуточных волокон. Типичными представителями этих белков являются цитокератины, десмин, виментин, кислый фибриллярный глиапротеин. Все эти белки имеют в центральной части базовую стержневую структуру, которая носит название суперспирализованной -спирали. Такие димеры ассоциируют антипараллельно, образуя тетрамер. Агрегация тетрамеров по принципу «голова к голове» дает протофиламент. Восемь протофиламентов образуют промежуточное волокно. В отличие от микрофиламентов и микротрубочек свободные мономеры промежуточных волокон едва ли встречаются в цитоплазме. Их полимеризация ведет к образованию устойчивых неполярных полимерных молекул.

В растительных клетках обнаружены белки подобного типа, однако формирование типичных промежуточных волокон не зарегистрировано.

В клетке цитоскелет выполняет три главные функции.

1. Формирует в клетке механический каркас, который придает клетке форму и обеспечивает связь между мембраной и органеллами. Каркас представляет собой динамичную структуру, которая постоянно обновляется по мере изменения внешних условий и состояния клетки. Для растительной клетки, у которой есть жесткая клеточная стенка, формообразующая роль цитоскелета несущественна

2. Действует как «мотор» для клеточного движения. Компоненты цитоскелета определяют деление клеток, перемещение органелл, движение цитоплазмы. «Моторная функция цитоскелета также более важно для животных клеток.

3. Служит в качестве «рельсов» для транспорта органелл и других крупных комплексов внутри клетки.

1.9. Эндомембранные структуры растительной клетки.

1.9.1. Растительный эр: динамическая органелла, составленная из многих дискретных функциональных областей.

Эндоплазматический ретикулум (ЭР) растений представляет собой непрерывную трехмерную сеть трубчатых или уплощенных канальцев, составленную из пластинчатых и трубчатых цистерн. Уплощенные пластинчатые цистерны соответствуют шероховатому ЭР, трубчатые цистерны формируют гладкий ЭР. Канальцы ЭР образованы одинарной мембраной (мембраной ЭР), на которую приходится более половины общего количества всех мембран клетки. Канальцы лежат под плазмалеммой, пронизывают всю цитоплазму и соединяются с ядерной оболочкой. Несмотря на то, что мембрана ЭР имеет многочисленные складки и изгибы, она образует непрерывную поверхность, ограничивающую единое внутреннее пространство. Это внутреннее пространство называется полостью или люменом ЭР, оно часто занимает более 10% от общего объема клетки. Таким образом, полость ЭР отделена от цитозоля только одинарной мембраной, через которую происходит обмен молекул между ЭР и цитозолем преимущественно по мономолекулярному механизму. Особенностью ЭР растений является то, что его полость простирается не только внутри отдельной клетки, но за счет плазмодесм - и вне ее границ.

Эндоплазматический ретикулум, расположенный под плазматической мембраной, носит название кортикального. Кортикальный ЭР характеризуются практически неподвижным фиксированным расположением спиралеобразных участков сети, и канальцев со слепыми окончаниями. Он может выполнять функции неподвижного фиксатора для актиновых филоментов цитоскелета, которые осуществляют движение цитоплазмы. Трубчатые элементы ЭР, находящиеся во внутренних слоях клетки, характеризуются большей подвижностью. В отличие от животных клеток, где реорганизация ЭР цистерн и канальцев зависит от микротрубочек цитоскелета, движение ЭР в растительных клетках, по-видимому, зависит от актино-миозиновой системы

ЭР мембранная система - наиболее универсальная и адаптивная органелла эукариотческих клеток. Эта гибкость обусловлена большой мембранной поверхностью, способной включать в себя различные наборы интегральных и периферийных белков.

Основные функции ЭР включают в себя синтез, обработку и сортировку белков, гликопротеидов и липидов. На мембранах ЭР начинается синтез белков, предназначенных для транспорта по секреторному пути. Здесь же производится большинство липидов для мембран митохондрий и пероксисом. Кроме того, ЭР является важным участником сигнальных систем клетки, регулируя цитозольную концентрацию кальция.

Обычно выделяют две области ЭР - шероховатый и гладкий ЭР, однако в последнее время в ЭР идентифицировано несколько специализированных областей, отличных “классических”. В частности в растительных клетках можно выделить зону “шлюза” между ЭР и оболочкой ядра; область фиксации актиновых филаментов; области формирования белковых и масляных тел; область образования вакуолей; области контактов с плазмалеммой, с вакуолью, с митохондриями; область рециркуляции липидов, область плазмодесм.

Функциональные области растительного ЭР

Шероховатый и гладкий ЭР существуют в динамическом равновесии. Шероховатый и гладкий эндоплазматический ретикулум различаются соответственно по присутствию или отсутствию рибосом на мембранной поверхности. Гладкий ЭР состоит из трубчатых канальцев, а шероховатый ЭР - из уплощенных цистерн.

Исходной структурой ЭР являются трубчатые канальцы, характерные для гладкого ЭР. При формировании шероховатого ЭР появляются чисто пространственные ограничения, связанные с прикреплением на мембраны рибосом (полисом). Это приводит к уплощению трубчатых канальцев. Таким образом, различия между шероховатым и гладким ЭР являются следствиями закрепления рибосом на мембраны ЭР. Закрепление первой рибосомы на рибосомальный рецептор белков способствует образованию дополнительных рецепторов и каналов транслокации в этом участке. Это приводит к закреплению новых рибосом и локальному расширению шероховатого ЭР возле данной области, то есть фактически происходит самосборка шероховатого ЭР.

Шероховатый ЭР является местом отправления белков по секреторному пути. Большинство растворимых белков, предназначенных для этого, синтезируются в виде предшественников с транзиентным N-концевым сигнальным пептидом для мембраносвязанных полисом. Полипептиды котрансляционно транспортируются в полость ЭР, после чего сворачиваются и подвергаются определенным модификациям. Прежде всего, соответствующая пептидаза отщепляет сигнальный пептид. Сворачивание белков в большой степени осуществляется за счет образование дисульфидных мостиков между остатками цистеинов. Правильность положения образования этих мостиков контролирует фермент протеиндисульфид-изомераза.

Наиболее важной модификацией белков, поступивших в ЭР, является их N-гликозилирование. Исходно в ЭР формируются 14-членные олигосахариды определенной структуры. Они присоединены к находящемуся в мембране ЭР долихолу – изопреноиду, состоящему из различного (от 14 до 24) числа изопреновых единиц. За счет долихола олигосахариды фиксируются на мембране и «ожидают» белки, поступающие в просвет ЭР. По мере поступления белка в ЭР специфичные трансферазы переносят олигосахаридный фрагмент от долихола на определенный остаток аспарагина белка. Стоит отметить, что олигосахарид, используемый для N-гликозилирования белков ЭР, в растительной и животной клетке имеет различную структуру (рис. 1.20).

Для того, чтобы растущая полипептидная цепь сворачивалась правильным образом, с ней связываются шапероны. Эти резидентные белки фиксируют растущий полипептид и направляют процесс сворачивания цепи за счет ограничивания нежелательных взаимодействий. Наиболее важным шапероном является люмен-связанный BiP. Белки, которые не в состоянии сформировать правильную трехмерную структуру, в конечном счете подвергаются деградации. Кроме того, некоторые белки, которые должным образом не свернуты в ЭР, возвращаются назад в цитозоль обратным переносом через мембрану ЭР. Если белок, посупивший в ЭР имеет С-концевой сигнальный тетрапептид KDEL, он остается в ЭР. При отсутствии этой последовательности он отправляется в ппарат Гольджи.

Для растений функциональные свойства гладкого ЭР изучены недостаточно. По-видимому, одна из основных функций гладкого ЭР растительных клеток - синтез липидных молекул. Мембраны гладкого ЭР обогащены ферментами биосинтеза глицеролипидов, изопреноидов, фенилпропаноидов, флавоноидов, восков. Косвенное свидетельство синтеза подобных соединений ферментами, расположенными в ЭР получено при изучении ультраструктуры железистых клеток, осуществляющих синтез и секрецию масел и флавоноидов. Эти клетки содержат обширные сети гладких ЭР мембран.

Трубчатые участки ЭР являются структурной основой формирования плазмодесм. Плазмодесмы яляются структурами, которые обеспечивают взаимосвязь между клетками растения. Первичные плазмодесмы образуются в течение цитокинеза, когда пакеты трубчатого ЭР “захватываются” строящейся срединной пластинкой, которая формирует новую клеточную стенку. Вторичные плазмодесмы образуются после формирования клеточных стенок. Механизм их образования включает ограниченное растворение клеточной стенки и формирования мостов между плазматической мембраной и ЭР между смежными клетками.

Установлена физическая непрерывность как плазматических мембран двух смежных клеток, так и центрального цилиндра сжатой ЭР мембраны. При использовании флуоресцентных мембранных липидных зондов было показано, что только те липиды, которые преобладают в мембранах ЭР, быстро диффундируют от ЭР одной клетки к ЭР смежной клетки. Липиды, которые характерны исключительно для наружного слоя плазматической мембраны, через плазмодесмы не передвигаются, несмотря на физическую непрерывность плазматической мембраны соседних клеток.

Пространство между плазматической мембраной и центральным ЭР цилиндром называется «эндоплазматическим кольцом» и содержит спицеобразные линкерные белки, которые ограничивают размер молекул, которые могут проходить по плазмодесме между клетками.

До недавнего времени плазмодесмы в целом рассматривали как функциональные эквиваленты щелевых контактов животных клеток, так как эксперименты с мечеными молекулами показали, что эти два межклеточных перехода имеют сходные “пропускные” пределы для транспортируемых молекул - около 900 Da. Однако, по-видимому, правильнее их сравнивать с ядерными порами - прежде всего из-за их способности достаточно быстро увеличивать степень открытия. При этом становится возможным проход через плазмодесмы больших молекул, включая белки, вирусные нуклеопротеидные комплексы и даже интактные вирионы. Транспорт вирусов через плазмодесмы - принципиальный момент в инфекционном процессе. Это свойство растительных вирусов позволило идентифицировать и охарактеризовать вирусные белки “движения”, которые имеют способность увеличивать “пропускной” предел плазмодесм и таким образом позволять вирусу распространяться по всему растению.