1.9.3.3. Новые вакуоли возникают преимущественно за счет расширения специализированных областей гладкого эр.

В отличие от других мембранных систем, вакуоли – единственные органеллы, которые могут возникать путем дифференцирования из других мембранных систем, независимо от роста и деления клетки. Вопрос их происхождения до сих пор не решен окончательно. Были предложены две модели формирования вакуолей de novo. Одна модель постулирует, что исходно вакуолярный компартмент образуется из транс-Гольджи сети. Согласно другой концепции, вакуоли формируются из расширения субдоменов гладкого ЭР. К настоящему времени ряд данных поддерживает последнюю модель. Например, показано, что в дифференцирующихся клетках кончика корня, в которых первоначально нет большой центральной вакуоли, моноклональные антитела к -субъединице вакуолярной АТФ-зы овса, были локализованы только в провакуолях и в гладком ЭР. Из ЭР образуются автофаговые вакуоли (см. ниже). В то же время, существуют и данные, показывающие формирование вакуолей из транс-Гольджи сети. Не исключено, что образование различных вакуолей в клетке происходит различными способами.

1.9.3.4. Автофагия – особый случай формирования вакуолей

В некоторых клетках (например, клетках семенной оболочки) вакуоли могут образоваться в результате автофагии. При формировании автофаговых вакуолей трубчатые участки гладкого ЭР формируют польцеобразные выросты, которые подобно щупальцам захватывают часть цитоплазмы. Смежные «щупальца» смыкаются и образуется ранняя автофагосома - эндоплазматическая область, ограниченная двумя мембранами ЭР. После окончательного формирования автофагосомы, т.е. полного отделения от цитозоля, цитоплазма в ней деградирует, внутренняя мембрана разрушается, а наружная становится тонопластом. Автофагосомы имеют кислый рН и содержат много кислых гидролитических ферментов. В конечном счете, транспорт воды, облегченный -TIP аквапорином, приводит к быстрому расширению вакуоли. Автофагия может повторно происходить в уже вакуолизированных клетках в ответ на голодание (например, в суспензионных культурах клеток, лишенных сахарозы).

1.9.3.5. Большинство растительных клеток содержат два типа вакуолей.

До недавнего времени одной из нерешенных проблем физиологии растений был парадокс сосуществования в вакуолях запасных веществ и литических ферментов. Сейчас установлено, что растения имеют как минимум две различные вакуолярные системы - одна для хранения, а другая для выполнения литических функций. Эти два типа вакуолей различаются кислотностью вакуолярного сока. Запасающие вакуоли имеют нейтральный рН, а литические – кислый, что оптимально для работы содержащихся в них протеаз и других гидролаз. Кроме того, вакуоли различаются составом интегральных белков, встроенных в тонопласт (TIPs). -TIP характерны для запасающих вакуолей, тогда как TIP-Ma27 (-TIP) являются маркерами литических вакуолей. Кроме того, запасающие вакуоли содержат аквапорин -TIP. Наличие в клетке двух типов вакуолярных систем также объясняет присутствие у транспортируемых в вакуоли белков нескольких типов сигналов на N- и C-концах. В частности, спорамин и алеураин содержат содержат N-терминальный сигнал, фазеолин, лектин ячменя, хитиназа такбака - C-терминальный. Некоторые вакуолярные белки (например, фитогемагглютинин и легумин) содержат сигнал во внутренней области зрелого белка. Белки, направляющиеся к запасающим вакуолям, обычно имеют лидерный участок на C-конце, тогда как гидролитические ферменты литических вакуолей - на N-конце. N-терминальный сигнал обычно содержит около 20 аминокислот с мотивом Asn-Pro-lle-Arg. С-концевая сигнальная последовательность более вариабельна и содержит гидрофобные аминокислоты (рис. 1.23).

Когда в клетке образуются большие вакуоли, два типа вакуолей могут сливаться. В этом случае оба маркерных белка - -TIP и -TIP - обнаруживаются в мембране некоторых областей вакуолярного компартмента одновременно.

Таким образом, для вакуолей растительной клетки характерно большое разнообразие форм и функций. По-видимому, цитологическое определение вакуолей охватывает несколько биохимически и физиологически разных структур. Более корректно вакуоли могут быть охарактеризованы только с учетом их функций в клетке и в связи с динамикой развития.