1.9. Эндомембранные структуры растительной клетки

1.9.1. Эндоплазматический ретикулум (эр)

1.9.1.1. Общая характеристика растительного эр

Эндоплазматический ретикулум (ЭР) представляет собой непрерывную трех­мерную сеть канальцев, составленную из пластинчатых и трубчатых цистерн. 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 многочисленные складки и изгибы, мембрана ЭР образует непрерывную поверхность, ограничивающую единое внутреннее про­странство — называемое полостью, или люменом ЭР. Оно часто занимает более 10 % общего объема клетки. Таким образом, полость ЭР отделена от цитозоля только одинарной мембраной. Обмен молекул между ЭР и цитозолем происхо­дит через мембрану преимущественно по мономолекулярному механизму. Осо­бенностью ЭР растительной клетки 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. Он характеризуются практически не­подвижным фиксированным расположением спиралеобразных участков сети и канальцев со слепыми окончаниями. Кортикальный ЭР может выполнять функции неподвижного фиксатора для актиновых филаментов 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.

Мембранная система ЭР — наиболее универсальная и адаптивная органелла эукариотических клеток. Эта гибкость обусловлена большой мембранной поверхностью, способной включать различные наборы интегральных и пери­ферийных белков.

Основные функции ЭР — синтез, обработка и сортировка белков, гликопротеидов и липидов. На мембранах ЭР начинается синтез белков, предназна­ченных для транспорта по секреторному пути. Здесь же синтезируются боль­шинство липидов для мембран митохондрий и пероксисом. ЭР является также важным участником сигнальных систем клетки, регулируя цитозольную кон­центрацию кальция.

Принято выделять две области ЭР — шероховатый и гладкий ЭР, однако в последнее время в ЭР было идентифицировано несколько специализирован­ных областей, отличных «классических». В частности, в растительных клетках можно выделить зону «шлюза» между ЭР и оболочкой ядра, области фиксации актиновых филаментов, формирования белковых и масляных тел, образования вакуолей, контактов с плазмалеммой, вакуолью и с митохондриями; области плазмодесм и рециркуляции липидов (рис. 1.18).

Рис. 1.18. Основные области растительного ЭР

1.9.1.2. Функциональные области растительного эр

Шероховатый и гладкий ЭР существуют в динамическом равновесии. Они

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 ЭР рибосом (полисом). Это приводит к уплощению трубчатых канальцев. Таким образом, различия между шероховатым и гладким ЭР обусловлены закреплением рибо­сом на мембранах ЭР. Закрепление первой рибосомы на ЭР способствует обра­зованию рядом дополнительных рецепторов и каналов транслокации. Это при­водит к закреплению новых рибосом и локальному расширению шероховатого ЭР возле данной области, т. е. фактически происходит самосборка шероховато­го ЭР (рис. 1.19).

Рис. 1.19. Синтез белка в шероховатом ЭР

Шероховатый ЭР — место 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 образования дисульфидных мостиков между остатками цистеинов. Правильность положения образования этих мостиков контролирует фермент протеиндисульфидизомераза.

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 специфичные трансферазы переносят олигосахаридный фрагмент от долихола на определенный остаток аспарагина белка. Олигосахарид, используемый для N-гликозилирования белков ЭР, в растительной и животной клетке имеет раз­личную структуру (рис. 1.20).

Правильное сворачивание растущей полипептидной цепи обеспечивают шапероны. Эти резидентные белки фиксируют растущий полипептид и направ­ляют процесс сворачивания, ограничивая нежелательные взаимодействия. Наи­более важное значение имеют люмен-связанный шаперон Bip. Белки, которые не в состоянии сформировать правильную трехмерную структуру, в конечном счете подвергаются деградации. Некоторые белки, не свернутые должным об­разом в ЭР, возвращаются в цитозоль обратным переносом через мембрану ЭР. Если белок, поступивший в ЭР, имеет С-концевой сигнальный тетрапептид KDEL, он остается в ЭР, а при отсутствии этой последовательности отправля­ется в аппарат Гольджи.

Функциональные свойства гладкого ЭР растительных клеток изучены недо­статочно. По-видимому, одна из основных его функций — 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,

Рис. 1.20. Различия в гликозилировании белков в ЭР растительной и животной клетки:

А — схема строения гликанов N-гликозилированных белков растительной и животной клеток; Б — схема формирования гликана N-гликозилированных белков в ЭР растительной клетки

осуществляющих синтез и секрецию масел и флавоноидов. Эти клетки содержат обширные сети гладких ЭР мембран.

Участки формирования белковых тел. Запасные белки семян синтезируют­ся в течение развития семени и служат основным источником аминокислот при прорастании и развитии проростка. Этот процесс различен у разных видов растений. Хлебные злаки синтезируют два класса запасных белков. Водораство­римые глобулины синтезируются рибосомами шероховатого ЭР и затем транс­портируются через АГ к запасающим вакуолям. Более гидрофобные проламины кукурузы, сорго и пшеницы образуют белковые тела непосредственно в полости шероховатого ЭР. При этом синтезируемые молекулы белка остаются свя­занными с Bip в течение длительного периода времени, а затем самооргани­зуются в большие агрегаты (рис. 1.21). Эти агрегаты могут увеличиваться за счет «поимки» полисом, синтезирующих проламин. Полисомы, образующие другие полипептиды, агрегатами не захватываются.

Участки формирования масляных тел. Триацилглицериды — запасающие масла семян, которые на ранних стадиях прорастания обеспечивают их энер­гией и липидами — строительными блоками образующихся мембран. Эти мо­лекулы жиров синтезируются ЭР-связанными ферментами и запасаются в виде сферических масляных тел. Размер масляных тел зависит от вида растения и варьирует от 0,6 до 2,0 мкм.

Масляные тела возникают путем накопления молекул триацилглицеридов в специальных местах ЭР. Эти места определены присутствием олеозинов — ин­тегральных белков мембран массой 16 — 25 кДа. Олеозины имеют «кнопкоподобную» структуру и подобно кнопкам вставлены в ЭР мембраны масляных тел. «Острие» кнопки состоит из 72 гидрофобных остатков аминокислот, орга­низованных в форме антипараллельного β-скрученного домена, который при­соединен своими обоими концами к «шляпке». Присутствие олеозинов, по-видимому, заставляет вновь синтезируемые молекулы триацилглицеридов на­капливаться между биослоями мембраны и образовывать сферические масля­ные тела, которые затем отпочковываются от ЭР (см. рис. 1.21). Каждое масля­ное тело окружено фосфолипидным монослоем, который содержит, помимо плотно упакованных олеозинов, и другие характерные белки. Размер масляных тел зависит от соотношения триацилглицеридов и олеозинов.

Рис. 1.21. Формирование масляных (А) и белковых (Б) тел в ЭР

Область рециркуляции липидов. В плазмалемму постоянно встраиваются ве­зикулы, отшнуровывающиеся от АГ, что приводит к увеличению ее поверхно­сти. Обычно избыточный материал плазматических мембран возвращается внутрь клетки за счет эндоцитоза. Однако в растительных клетках эндоцитоз значи­тельно осложнен, так как тургорное давление препятствует впячиванию плазмалеммы в цитозоль и формированию везикул. Оказалось, что возврат (рецир-

куляция) липидов в растительной клетке происходит путем их перемещения из плазмалеммы в ЭР. Этот процесс происходит в специальных областях, где плазматическая мембрана образует складку и пальцеподобный контакт с ЭР. Поскольку в этих местах не происходит слияния между ЭР и плазматический мембраной, предполагается, что рециркуляция липидов в зоне контакта про­исходит по мономолекулярному механизму.

Трубчатые участки ЭР являются структурной основой формирования плаз-модесм. Плазмодесмы 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 формирование мостов между плазма­тической мембраной и ЭР смежных клеток.

Установлена физическая непрерывность как плазматических мембран двух смежных клеток, так и центрального цилиндра сжатой мембраны ЭР. При ис­пользовании флуоресцентных мембранных липидных зондов было показано, что от ЭР одной клетки к ЭР смежной клетки быстро диффундируют только те липиды, которые преобладают в мембранах ЭР. Липиды, характерные 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». Оно содержит спицеобразные линкерные белки, ограничивающие 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 Да. Однако, по-видимому, правильнее сравнивать их с ядерными пора­ми, прежде всего из-за способности достаточно быстро увеличивать степень открытия. При этом становится возможным проход через плазмодесмы боль­ших молекул, в том числе белков, вирусных нуклеопротеидных комплексов и даже интактных вирионов. Транспорт вирусов через плазмодесмы — принци­пиальный момент в инфекционном процессе. Это свойство растительных виру­сов позволило идентифицировать и охарактеризовать вирусные белки «движе­ния», которые обладают способностью увеличивать «пропускной» предел плазмодесм, позволяя вирусу распространяться по всему растению.