Особенности строения цитоплазматической мембраны таблица: Особенности строения цитоплазматической мембраны таблица. Цитоплазматическая мембрана. функции. структура

Содержание

Строение и функции цитоплазматической мембраны клеток.

Цитоплазматическая клеточная мембрана состоит из трех слоев:

  • Наружного – белкового;

  • Среднего – бимолекулярного слоя липидов;

  • Внутреннего – белкового.

Толщина мембраны 7,5-10 нм. Бимолекулярный слой липидов является матриксом мембраны. Липидные молекулы его обоих слоев взаимодействуют с белковыми молекулами, погруженными в них. От 60 до 75% липидов мембраны составляют фосфолипиды, 15-30% холестерин. Белки представлены в основном гликопротеинами. Различают интегральные белки, пронизывающие всю мембрану, ипериферические, находящиеся на наружной или внутренней поверхности.

Интегральные белкиобразуют ионные каналы, обеспечивающие обмен определенных ионов между вне- и внутриклеточной жидкостью. Они также являются ферментами, осуществляющими противоградиентный перенос ионов через мембрану.

Периферическими белкамиявляются хеморецепторы наружной поверхности мембраны, которые могут взаимодействовать с различными физиологически активными веществами.

Функции мембран:

1. Обеспечивает целостность клетки как структурной единицы ткани.

  1. Осуществляет обмен ионов между цитоплазмой и внеклеточной жидкостью.

  2. Обеспечивает активный транспорт ионов и других веществ в клетку и из нее.

  3. Производит восприятие и переработку информации, поступающей к клетке в виде химических и электрических сигналов.

Механизмы возбудимости клеток. История исследования биоэлектрических явлений.

В основном передаваемая в организме информация имеет вид электрических сигналов (например, нервные импульсы). Впервые наличие животного электричества установил естествоиспытатель (физиолог) Л. Гальвани в 1786г. С целью исследования атмосферного электричества он подвешивал нервно-мышечные препараты лапок лягушек на медном крючке. Когда эти лапки касались железных перил балкона, происходило сокращение мышц. Это свидетельствовало о действии какого-то электричества на нерв нервно-мышечного препарата. Гальвани посчитал, что это обусловлено наличием электричества в самих живых тканях. Однако, А. Вольта установил, что источником электричества является место контакта двух разнородных металлов – меди и железа. В физиологии

первым классическим опытом Гальвани считается прикосновение к нерву нервно-мышечного препарата биметаллическим пинцетом, сделанным из меди и железа. Чтобы доказать свою правоту, Гальвани произвелвторой опыт. Он набрасывал конец нерва, иннервирующего нервно-мышечный препарат, на разрез его мышцы. В результате возникало ее сокращение. Однако и этот опыт не убедил современников Гальвани. Поэтому другой итальянец Маттеучи произвел следующий эксперимент. Он накладывал нерв одного нервно-мышечного препарата лягушки на мышцу второго, которая сокращалась под действием раздражающего тока. В результате первый препарат тоже начинал сокращаться. Это свидетельствовало о передаче электричества (потенциал действия) от одной мышцы к другой. Наличие разности потенциалов между поврежденным и неповрежденным участками мышцы впервые точно установил в XIX веке с помощью струнного гальванометра (амперметра) Маттеучи.Причем разрез имел отрицательный заряд, а поверхность мышцы – положительный.

Цитоплазматическая мембрана | справочник Пестициды.ru

Структура цитоплазматической мембраны

Структура цитоплазматической мембраны


1. Фосфолипиды; 2. Гликолепиды; 3. Интегральные белки; 4. Периферические белки; 5. Олигосахариды

[1].

Бактериальная клетка, как и любая другая клетка прокариот, имеет цитоплазму, окруженную цитоплазмотической мембраной. Цитоплазма и цитоплазматическая мембрана составляют протопласт. Снаружи от него располагаются поверхностные структуры. К ним относятся: клеточная стенка, капсулы, чехлы, слизистые слои, жгутики, ворсинки и прочие структуры[1].

Состав ЦПМ

Толщина цитоплазматической мембраны бактериальной клетки обычно составляет около 6–8 нм. На ее долю приходится до 15% сухой массы клетки[3].

Состоит ЦПМ из липидов (15–45%), белков (45–60%) и незначительного количества углеводов (около 10%)[3].

Липиды представлены фосфолипидами – до 30% сухой массы самой мембраны. Преобладают фосфатидилглицерин и дифосфатидилглицерин. В меньшем количестве представлены фосфатидилинозит и фосфатидилэтаноламин. Кроме того, обнаружены гликолипиды, каротиноиды, хиноны

[3].

В составе липидов присутствуют нетипичные жирные кислоты (ненасыщенные и мононасыщенные), циклопропановые и разветвленные жирные кислоты. Набор жирных кислот и состоящих из них липидов для прокариот является видоспецифичным признаком[3].

Белки составляют половину и более сухой массы мембран. Их насчитывается более 20 типов. Они подразделяются на интегральные (погружены в гидрофобную область мембраны) и периферические (локализованы на поверхности гидрофильного слоя и часто прикреплены к интегральным белкам)[3].

Углеводы в мембране взаимосвязаны с белками и липидами. Они обычно локализованы только на наружной поверхности и выполняют функции рецепторов опознавания факторов внешней среды[3].

Структура ЦПМ

Цитоплазматическая мембрана бактерий, как и все прочие биологические мембраны, является асимметричной жидкокристаллической структурой. Ее асимметрия обусловлена химическим строением молекул белка и их расположением в липидном слое. Одни белки располагаются на поверхности, другие – погружены в него, третьи проходят насквозь от внутренней до внешней поверхности бислоя. Строго определенная ориентация мембранных белков обусловлена их синтезом и асимметричным включением в мембрану

[3].

Наружная и внутренняя поверхности ЦПМ различаются по ферментативной активности[3].

В зависимости от условий окружающей среды, в частности от температуры, ЦПМ находится в различных фазовых состояниях: разжиженном или кристаллическом. При переходе из одной фазы в другую меняется подвижность компонентов мембраны, плотность ее упаковки. Это может приводить к нарушениям в функциональной активности ЦПМ[3].

Функции ЦПМ

Цитоплазматическая мембрана выполняет ряд существенных для клетки функций:

  1. Поддержание внутреннего постоянства цитоплазмы клетки, что достигается за счет полупроницаемости ЦПМ. Она проницаема для воды и низкомолекулярных веществ, но не проницаема для ионизированных соединений
    [1]
    .
  2. Транспорт ионизированных веществ внутрь клетки и выход их наружу. Это осуществляется за счет специальных транспортных систем, локализирующихся в мембране. Такие системы функционируют за счет механизмов активного транспорта и системы специфических ферментов пермеаз[1].
  3. Транспорт веществ в клетку и вывод их наружу, что так же связано с полупроницаемостью ЦПМ[1].
  4. Локализация электротранспортной цепи и ферментов окислительного фосфорилирования[1].
  5. Синтез клеточной стенки и капсулы, что происходит за счет наличия в ЦПМ специфических переносчиков для образующихся молекул[1].
  6. Закрепление и энергетическое обеспечение работы жгутиков[1].

 

Ответы | Тема 1. Строение и жизнедеятельность клетки — Биология, 7 класс

2.

  • А. Одно из главных свойств живых организмов — обмен веществ.
  • Б. Животные поглощают из воздуха углекислый газ и выделяют кислород.
  • В. Автотрофные организмы способны образовывать ор­ганические вещества из неорганических.
  • Г. Гетеротрофным организмам для поддержания процес­сов своей жизнедеятельности необходимо поступление только органических веществ.
  • Д. Наименьшей единицей живого является клетка.

7.

Клетка не сможет контролировать поступление в неё веществ, избавляется от продуктов обмена и погибнет.

8.

Часть оболочки, непосредственно соприкасающаяся с внут­ренним содержимым клетки, называется мембранов.

Она способна пропускать некоторые вещества внутрь клет­ки, а образующиеся в клетке вещества наружу.

Это свойство называется избирательной проницаемостью.

У растений, грибов и бактерий имеется также плот­ная клеточная стенка. У растений ее основу составляет целлюлоза, у грибов — хи­тин, а у бактерий — муреин. Вязкое полупрозрачное вещество, которое заполняет все пространство клетки, называется цитоплазма.

9.

  • А. Хромосомы в клетке постоянно находятся в цито­плазме.
  • Б. Цитоплазматическая мембрана, входящая в состав органоидов, по строению сильно отличается от наружной цитоплазматической мембраны клетки.
  • В. Вакуоли имеются в клетках растений, грибов и многих протистов.
  • Г. Клеточный сок по своему составу сходен с цитоплаз­мой и выполняет те же функции.
  • Д. В пластидах могут откладываться про запас сложные органические вещества.

10.

В цитоплазме клеток растений сосредоточена наследствен­ная информация. В вакуолях происходит процесс фотосин­теза, в ядре откладываются про запас сложные органические вещества, а в лейкопластах в большом количестве накапливаются желтые, оранжевые и красные пигменты. Хлоропласты регулируют давление цитоплазмы на клеточную стенку.

В ядре клеток сосредоточена наследственная информация. В вакуолях находится клеточный сок, в лейкопластах накапливаются органические вещества, в хромопластах — жёлтые, оранжевые и красные пигменты. Вакуоль регулирует давление на клеточную стенку.

11.

 

На основании какого признака вы упорядочили рисунки?

В зависимости от размера вакуолей.

12.

По движению органоидов.

13.

Осмос — одностороннее проникновение воды через избирательную проницаемую мембрану.

Диффузия — движение веществ через мембрану по градиенту концентрации.

Газообмен — процесс поступления в организм кислорода и выделения углекислого газа.

Дыхание — происходящий с участием $O_2$ процесс расщепления органических веществ до углекислого газа и воды.

14.

  • А. Концентрация веществ в клетке и в окружающей ее среде примерно одинакова.
  • Б. Тургорное давление зависит от поступления в клетку воды.
  • В. Процессы дыхания происходят во всех живых клетках в течение всей их жизни.
  • Г. Животные и грибы способны самостоятельно синте­зировать органические вещества из неорганических.
  • Д. В результате процесса фотосинтеза происходит раз­рушение глюкозы до углекислого газа и воды.

16.

Эти процессы взаимосвязаны. Их значение состоит в превращении солнечной энергии в доступную для живых организмов.

17.

Попробуйте объяснить произошедшие изменения.

Изменения размера связано с разной концентрацией веществ в клетке и окружающей среде.

18.

Деление клетки у растений начинается с разрушения ядра, после чего происходит удвоение числа хромосом и осталь­ных органоидов. Затем вокруг каждого комплекта хромосом и органоидов заново образуется ядерная мембрана, и клетка растения продолжает свой рост.

Деление клетки начинается с удвоения числа хромосом и растворения ядерной мембраны. Затем хромосомы расходятся к полюсам. Между ними образовывается перегородка, одновременно формируется новая ядерная оболочка.

19.

20.

Удваиваться, уплотняться, растворяться, расходиться, образовываться, делиться.

21.

Может привести к мутациям.

Присоединяйтесь к Telegram-группе @superresheba_7, делитесь своими решениями и пользуйтесь материалами, которые присылают другие участники группы!

Конспект урока «Строение клетки» | План-конспект урока по биологии (10 класс) на тему:

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №5»

Конспект урока по биологии


в 10 классе

«Строение клетки. Клеточная мембрана. Ядро»

                                                                                   Подготовила: Лазурцева Т.Л.

ст. Тбилисская

2015

Тема урока: «Строение клетки. Клеточная мембрана. Ядро»

Цель урока: Создать условие для комплексного применения знаний на уроке в процессе изучения темы.

Задачи урока:

Образовательная:

  1. углубить знания о строении и функциях клеточной мембраны и ядра.
  2. сформировать представление об основных видах транспорта веществ, через мембрану.
  3. Раскрыть функции ядра в клетке в связи с особенностями его строения и химического состава.

Воспитательная:

  1. Разъяснить обучающимся, что важнейший признак клетки – способность к размножению, передачи генетической информации следующему поколению.

Развивающая:

  1. Развивать умение сравнивать, анализировать, делать выводы, развивать образное мышление.

Тип урока: Изучение нового материала.

Формы организации учебной деятельности: Фронтальная, индивидуальная.

Методы обучения: Репродуктивный, частично — поисковый

Приемы обучения: рассказ, беседа, работа с таблицей в тетрадях, работа у интерактивной доски.

Средства обучения: интерактивная доска, слайды презентации, флэш – ролики  из коллекции ЦОР, печатные таблицы «Строение растительной клетки», «Строение животной клетки», «Строение клетки бактерии», учебник Биология. Общая биология 10 – 11 классы. А.А. Каменский, Е.А. Криксунов, В.В. Пасечник.; Уроки биологии в 10 – 11 классе А.В. Пименов (Развернутое планирование).

Ход урока

  1. Оргмомент.
  2. Тема урока. Целеполагание. Задачи урока (слайды 1,2,3)

Деятельность учителя.

          Актуализация знаний по теме: «Клеточная теория»

(слайды 4,5,6)

Из курса 9 класса вам известно строение и функции органоидов клетки (слайд 7,8,9,10). На протяжении нескольких уроков мы будем расширять знания о строении и функциях органоидов клетки. Цель нашего урока расширить знания о строении и функциях цитоплазматической мембраны и ядра клетки. (слайд 2).

Деятельность учащихся.

Слушают, записывают цель в тетрадях.

  1. Изучение и закрепление нового материала.

Деятельность учителя. Обращает внимание обучающихся на магнитную доску.

(на магнитной доске вывешены таблички с терминами, к которым будем обращаться в течение урока.)

Деятельность учащихся с таблицей в тетрадях:

Строение и функции органоидов клетки

         Органоиды

Строение органоидов

(рисунок)

           Функции

Рассмотрите таблицы: «Строение растительной клетки», «Строение животной клетки». Обратите внимание на слайды «Строение растительной и животной клетки» — (слайд 8) , «Строение растительной клетки» — (слайд 11) и «Строение животной клетки» — (слайд 12), «Строение прокариотической клетки» — (слайд 13).

Выполните задание №1: Выявите структурные элементы, характерные как для растительной, так и для животной клетки. В таблице выполните это задание.

— Какие структурные элементы общие для всех видов клеток?

— Таким образом, несмотря на большое разнообразие клеток каждая из них имеет в своем строении цитоплазматическую мембрану и ядро.

— Отметьте в задании №2 мембрану и ядро клетки. Данное задание выполнить у интерактивной доски. (на схеме «Клетка» — сделать надписи слайд -15).

— Один ученый – биолог сказал, что после того как появилась мембрана…… из бульона выварившегося в морях, могли сформироваться первые живые организмы. На основании чего ученый пришел к такому утверждению? (ответы учащихся)

Мембрана окружает цитоплазму, отделяя ее от внешней среды, а также выполняет еще ряд функций. Используя учебник на странице 55, заполните графу в таблице – функции наружной клеточной мембраны.

— Теперь рассмотрим строение цитоплазматической мембраны. Внимательно слушайте меня и по ходу рассказа заполните графу в таблице – строение наружной клеточной мембраны.

— Рассматривание слайда – Строение клеточной мембраны – слайды 16,17,18)

Толщина мембраны от 8 до 12 нм. Мембрана состоит из двух слоев липидов. Каждая молекула липида образована гидрофильной головкой и гидрофобным хвостом. Располагаются они плотно друг другу, при этом гидрофильной головкой наружу, а гидрофобным хвостом внутрь. В билипидном слое мембраны погружены многочисленные белки, некоторые находятся на поверхности (периферические), частично погружены (полупогруженные – полуинтегральные) и пронизывающие мембрану – интегральные, образующие каналы. В связи с белками могут находиться углеводы.

— Давайте проверим, что записали?

— Выполните задание №3 на интерактивной доске на схеме, – какие белки отмечены цифрами? (слайд 16)

— Через мембрану регулярно поступают вещества и ионы в клетку. Транспорт через мембрану может проходить разными путями. Пассивный транспорт связан с явлением диффузии, т.е. перемещением веществ по градиенту концентрации, из области с более высокой концентрацией в область с более низкой. Выделяют несколько механизмов пассивного транспорта через мембрану. Простая диффузия – транспорт веществ непосредственно через билипидный слой. Таким образом транспортируются вещества хорошо растворимые в липидах (СО2, О2).

К особому типу пассивного транспорта относят диффузию воды через мембрану – осмос. При осмосе перемещаются только молекулы воды. Некоторые ионы (Сl-) и заряженные молекулы пассивно диффузируют через мембрану благодаря белкам, формирующим поры.

Активный транспорт – транспорт молекул через мембрану против градиента концентрации. Осуществляется при помощи белков – переносчиков с затратой энергии АТФ (Na+ — K+ насос). Из клетки перекачиваются ионы К+, а поступают ионы Na+.

— Крупные молекулы биополимеров практически не транспортируются через мембрану, но клетка обладает механизмом переноса – эндоцитоз и экзоцитоз. Фагоцитоз и Пиноцитоз относятся к эндоцитозу, т.е. проходит поступление веществ в клетку в результате впячивания мембраны. Экзоцитоз обратный процесс эндоцитозу. Посмотрите, каким образом можно показать процессы эндоцитоза. (демонстрация флеш – ролика «Экзоцитоз» и «Пиноцитоз» из ЦОР).

— Переходим к рассмотрению строения ядра клетки (слайды – схема ядра – 30, 31, 32).

Ядро – важнейшая структура в клетках эукариотических организмов. Это связано с многообразием функций ядра.

В таблицу запишите следующие функции ядра. (слайд – 30 строение ядра).

— Внимательно слушая флэш ролик и мой рассказ, заполните графу о строении ядра и ядрышка в таблице.

Итак, ядро обычно имеет шаровидную форму и отделено от цитоплазмы оболочкой.

Ядерная мембрана имеет такое же строение, как и плазматическая мембрана. Внутренняя мембрана гладкая, а наружная шероховатая и переходит в каналы ЭПС (слайд 30 ).  В ней имеется множество пор, по которым из ядра в цитоплазму выходят молекулы  и-РНК и т-РНК, а в ядро из цитоплазмы проникают ферменты, молекулы АТФ, ионы.

Под ядерной оболочкой находится ядерный сок (кариоплазма), в которой содержатся ядрышки и хроматин. Ядрышки имеют вид округлых телец и состоит из белков, которые образованы петлями нитей ДНК участвующих в синтезе р-РНК.

— Посмотрите внимательно еще раз на схему строения ядра (слайд 31) и выполните задание – воспроизвести надписи на рисунке на интерактивной доске.

— (слайд – 33 Внутреннее строение ядра) В ядре находится хроматин – это нити ДНК, связанные с белками. Перед делением клетки нити ДНК скручиваются с белками гистонами, и эта структура называется хромосома. А вот хромосома состоит из 4-х хроматид, которые связаны центромерой.

— Набор хромосом, содержащийся, в клетке называется кариотипом.

— Посмотрите на (слайд 39)  и ответьте на вопрос? Почему число хромосом одинаково, а организмы по строению различны?

— Кариотип неповторим для каждого вида живых организмов, хотя число хромосом будет одинаково, а вот строение будет различно.

— Особенности кариотипа:

  • В кариотипе разных видов чаще всего четное число хромосом
  • Парные хромосомы – гомологичные (одна хромосома от отцовского организма другая из материнского).

— Клетки, которые составляют ткани организма, имеют диплоидный набор хромосом  — называются соматическими, т.е. по две хромосомы каждого вида одинаковые. Эти хромосомы называются гомологичными. А гаплоидный набор хромосом имеется только в половых клетках.

4. Закрепление изученного материала. Работа на интерактивной доске со слайдами (слайды 44,45,46)

5. В рубрике «Проверь себя» — Выполните тест (слайд 47,48,49)

6. Домашнее задание: Изучить параграф 14, вопросы к параграфу, записи в тетради,  таблица «Строение и функции органоидов клетки».

Каковы особенности строения растительной клетки?

Автор J.G. На чтение 3 мин Обновлено

Чтобы понять каковы особенности строения растительной клетки нужно рассмотреть ее строение.

Особенности строения растительной клетки

Клетка – это основная структурно-функциональная единица организма. Они отличаются сложным строением и состоят из разных компонентов.

Особенностью строения растительной клетки является наличие ядра и всех органоидов, которые присущи животным клеткам: рибосомы, митохондрии, эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи. Однако и есть некоторые отличия.

Особенностью растительной клетки является:

  • Прочная клеточная стенка значительной толщины

Особенности строения клеточной стенки растительной клетки в окружении цитоплазматической мембраны и толстой, клеточной целлюлозы стенкой. Именно эта стенка определяет особенность растительной клетки, которая определила малую подвижность растений, питание и дыхание организма. 

Клеточная стенка со специальными порами, через которые происходит сообщение всех клеток друг с другом. 

  • Особые органоиды – пластиды, которые синтезируют органические вещества из минеральных в процессе фотосинтеза

В них происходит процесс освобождения энергии и обмен веществ. Есть три виды пластид. Лейкопласты – бесцветные пластиды, которые синтезируют крахмал. Хлоропласты – зеленые клетки с хлорофиллом, в которых образуются органические молекулы. Хромопласты, отвечающие за яркую окраску плодов и цветков. Отличительные особенности растительной клетки пластид в том, что они могут превращаться друг в друга и они содержат РНК, ДНК. Размножаются пластиды делением надвое.

  • Развитая система вакуолей с осмотическими свойствами клеток

Вакуоли содержат низкомолекулярные продукты синтеза, углеводы, витамины, белки, различные соли. Они обеспечивают напряженное состояние клеточной стенки за счет воды, обусловливающей тургор. Так растения получают прочность к любым нагрузкам. Особенности функции растительной клетки в том, что вакуоль накапливает много запасных питательных продуктов, которые обеспечивают жизнеспособность клетки. 

  • Наличие мембраны

Находится под клеточной стенкой и отделяет внутреннее содержимое клетки. Она прозрачная и прочная, а также находится в постоянном движении. 

  • Наличие центра управления практически всех процессов в клетке – ядра. 

В клетке преимущественно только одно ядро эллипсоидальной или шаровидной формы. Реже встречаются два или несколько. В молодых клетках оно занимает центральное положение,  позже смещается ближе к оболочке так как смещается постепенно растущей вакуолью. Особенности ядра растительной клетки в его функциях. Ядро синтезирует предшественников рибосом, некоторые форм РНК, и самое важное – обеспечивает передачу наследственных свойств дочерним клеткам при делении. Кроме того в растительной клетке есть ядрышка , которые синтезируют белок. 

Клетки, которые имеют одинаковые свойства и выполняют аналогичные функции, располагаются вместе и образуют ткани.

Надеемся, что из этой статьи Вы узнали, какие особенности растительных клеток. Она пропускает вовнутрь полезные вещества и выводит все ненужные. 

Урок «Строение клетки», 10 класс

 

(На доске вывешены понятия, изучаемые в течение урока.)

 

Послушайте, пожалуйста, в какой необычной форме, хочу напомнить вам, о том, что вы уже знаете о строении клетки.

Живет на свете человек,
Но сколько ни смотри,
 Не разглядишь  ты и вовек,
Что у него внутри.
Возьмем, к примеру, дом стоит
Из тыщи кирпичей,
И мир природы состоит
Из маленьких частей.
Вам кажется, мала она,

Но  в микроскоп взгляните,
Ведь это целая страна —
И в той стране столица
является ядром,
Внутри ее хранятся
Запасы хромосом.
В столице, как положено,
От центра совсем рядышком,
От мира отгорожено
Главнеющее ядрышко.
А цитоплазма шириться
огромным Океаном,
Вокруг него границей
Наружная мембрана.
И органы другие там
Трудом поглощены,
Своим,  согласно отраслям,

На благо всей страны. (Свободный доступ в Инернете)

 

— Рассмотрите схемы растительной и животной клетки (слайд 3). Выявите структурные элементы, характерные как для растительной, так и для животной клетки. В карте урока выполните задание №1. На выполнения работы 3′.

 

— Какие же структуры общие для всех видов клеток?

 

— Таким образом, несмотря на, большое разнообразие клеток каждая из них имеет в своем строении цитоплазматическую мембрану, ядро.

 

— Отметьте в задании №2  мембрану и ядро клетки. Данное задание у интерактивной доски выполнит _______  (задание №1 для интерактивной доски). У вас так?

 

— Один из ученых – биологов сказал, что после того как появилась мембрана….. из супа, варившегося в морях, могли сформироваться первые живые организмы. На основании чего ученый пришел к такому утверждению?

 

— Мембрана окружает цитоплазму, отделяя ее от внешней среды, а также выполняет еще ряд функций? Используя учебник на странице 55, второй абзац, заполните ячейку функции натужной клеточной мембраны таблица №1 в карте урока. На работу 3′.

Проверьте все ли функции записали (слайд 4). Допишите не достающие.

 

— Теперь рассмотрим строение цитоплазматической мембраны. Внимательно слушайте меня, и по ходу рассказа заполните ячейку строение наружной клеточной мембраны таблица №1 в карте урока.

— (слайд 5, без анимации).  Толщина мембраны от 8 до 12 нм. Мембрана состоит из двух слоев липидов. Каждая молекула липида образованна гидрофильной головкой и гидрофобным хвостом. Располагаются они плотно друг другу, при этом гидрофильной головкой наружу, а гидрофобным концом внутрь. В билипидном слое мембраны погружены многочисленные белки, некоторые находятся на поверхности, а другие пронизывают мембрану, образуя каналы. В связи с белками могут находиться углеводы.

— Давайте проверим, что записали?

 

— Выполните задании №3,  какие белки отмечены цифрами?

Это задание у интерактивной доски выполнит _______  (задание №2 для интерактивной доски). . На работу 3′

—   Через мембрану регулярно поступают вещества и ионы в клетку. Транспорт через мембрану может проходить разными путями. Пассивный транспорт связан с явлением диффузии, т.е. перемещением веществ по градиенту концентрации, из области с более высокой концентрации в область с более низкой. Выделяют несколько механизмов пассивного транспорта через мембрану.

(слайд 5, с анимацией). Простая диффузия – транспорт веществ непосредственно через билипидный слой. Таким образом транспортируются вещества хорошо растворимые в липидах (CO2, O2). К особому типу пассивного транспорта относят диффузию воды через мембрану – осмос. При осмосе перемещаются только молекулы воды. Некоторые ионы (Cl-) и заряженные молекулы пассивно диффузируют через мембрану благодаря белкам формирующих поры.

Активный транспорт – транспорт молекул через мембрану против градиента концентрации. Осуществляется при помощи белков – переносчиков с затратой энергии АТФ (Na+ —  K+ насос). Из клетки перекачиваются ионы K+, а поступают ионы Na+.

 

— Крупные молекулы биополимеров практически не транспортируются через мембрану, но клетка обладает механизмом переноса – эндоцитоз и экзоцитоз.  Фагоцитоз и Пиноцитоз относятся к эндоцитозу, т.е. проходит поступление веществ в клетку в результате впячивания мембраны. Экзоцитоз обратный процесс эндоцитозу. Посмотрите, каким образом можно показать процессы эндоцитоза (слайд 6 и 7).

 

— Выполните задание №4. Подпишите где показан фагоцитоз, а где пиноцитоз.

 

— Переходим к рассмотрению  строения ядра клетки  
(слайд 8)

Ядро- важнейшая структуру в клетках эукариотических организмов. Это связано с многообразием функций ядра.

В таблицу №1 запишите следующие функции ядра 
(слайд 9).

Внимательно слушая мой рассказ, заполните ячейку о строении ядра и ядрышка в таблице №1.

Итак, ядро обычно имеет шаровидную форму и отделено от цитоплазмы оболочкой. Ядерная мембрана имеет такое же строение, как и плазматическая мембрана. Внутренняя мембрана гладкая, а наружная шероховатая и переходит в каналы  ЭПС (слайд 10). В ней имеется множество пор, по которым из ядра в цитоплазму выходят молекулы и-РНК и Т-РНК, а в ядро из цитоплазмы проникают ферменты, молекулы АТФ, ионы (слайд 11). Под ядерной оболочкой находится ядерный сок (кариоплазма), в которой содержится ядрышки и хроматин. Ядрышки имеют вид округлых телец и состоит из белков, которые образованны петлями нитей ДНК участвующих в синтезе Р-РНК.

— Посмотрите внимательно еще раз на схему строения ядра (слайд 11)  и в картах урока выполните задание №5, где нужно воспроизвести недостающие надписи. Это задание у интерактивной доски выполнит _______  (задание №3 для интерактивной доски). На работу 3′.

Задание выполнено верно. Проверьте себя.

 

(слайд 12, с анимацией)  В ядре находится хроматин – это нити ДНК, связанные с белками. Перед делением клетки нити ДНК скручиваются с белками гистонами, и эта структура называется хромосома. А вот хромосома состоит из 4-х хроматид, которые связанны центромерой.

 

Набор хромосом, содержащийся,  в клетке называется кариотипом.

Посмотрите на (слайд 13, 14)  и ответь на вопрос?  Почему число хромосом одинаково, а организмы по строению различны?

— Кариотип неповторим для каждого вида живых организмов, хотя число хромосом будет одинаково, а вот строение будет различно.

 

— Клетки, которые составляют ткани организма, имеют диплоидный набор хромосом и называются  соматические, т.е. по две хромосомы каждого вида одинаковые. Эти хромосомы называют гомологичными. А гаплоидный набор хромосом имеется только в половых клетках.

 

— В карте урока в рубрике «Проверь себя» внимательно прочтите и выполните самостоятельно задания №1и №2. На выполнение 7′. Выполнили? Теперь проверьте себя  (слайд 15) , каждый правильный ответ оценивается в 1 балл.  Кто получил отметку «5» и «4» поднимите руку, кто получил отметку «3». Я выставляю отметки в журнал  тем учащимся, которые  получили отметки «5» и  «4». Отметки «3» и «2» не выставляю.

Спасибо, вы молодцы!

 

— Подведем итог урока  (слайд 16).

Функции плазматической мембраны в клетке

Плазматическая мембрана – липидный бислой со встроенными в его толщу белками, ионными каналами и рецепторными молекулами. Это механический барьер, который отделяет цитоплазму клетки от околоклеточного пространства, одновременно являясь единственной связью с наружной средой. А потому плазмолемма является одной из важнейших структур клетки, а ее функции позволяют ей существовать и взаимодействовать с другими клеточными группами.

Общее представление о функциях цитолеммы

Плазматическая мембрана в том виде, в котором она присутствует в животной клетке, характерна для множества организмов из разных царств. Бактерии и простейшие, чьи организмы представлены одной-единственной клеткой, имеют цитоплазматическую мембрану. А животные, грибы и растения как многоклеточные организмы не утратили ее в процессе эволюции. Однако у разных царств живых организмов цитолемма несколько различается, хотя функции ее все равно одинаковы. Их можно разделить на три группы: на разграничительные, транспортные и коммуникативные.

К группе разграничительных функций относится механическая защита клетки, поддержание ее формы, ограждение от внеклеточной среды. Транспортную группу функций мембрана играет за счет наличия специфических белков, ионных каналов и переносчиков определенных веществ. К коммуникативным функциям цитолеммы стоит отнести рецепторную. На поверхности мембраны существует совокупность рецепторных комплексов, посредством которых клетка участвует в механизмах гуморальной передачи информации. Однако важно еще и то, что плазмолемма окружает не только клетку, но и некоторые ее мембранные органеллы. В них она играет такую же роль, как в случае с целой клеткой.

Барьерная функция

Барьерные функции плазматической мембраны множественные. Она защищает внутреннюю среду клетки со сложившейся концентрацией химических веществ от ее изменения. В растворах происходит процесс диффузии, то есть самостоятельного уравнивания концентрации между средами с разным содержанием в них определенных веществ. Плазмолемма как раз блокирует диффузию путем недопущения тока жидкости и ионов в любых направлениях. Таким образом, мембрана ограничивает цитоплазму с определенной концентрацией электролитов от околоклеточной среды.

Второе проявление барьерной функции плазматической мембраны – это защита от сильных кислых и сильных щелочных сред. Плазмолемма построена таким образом, что гидрофобные концы липидных молекул обращены наружу. Потому она зачастую разграничивает внутриклеточную и внеклеточную среды с разными показателями рН. Это необходимо для клеточной жизнедеятельности.

Барьерная функция мембран органелл

Барьерные функции плазматической мембраны различны и потому, что зависят от места ее расположения. В частности кариолемма, то есть липидный бислой ядра, защищает его от механических повреждений и разделяет ядерную среду от цитоплазматической. Причем считается, что кариолемма неразрывно связана с мембраной эндоплазматической сети. Потому вся система рассматривается едино как хранилище наследственной информации, белок синтезирующая система и кластер посттрансляционной модификации белковых молекул. Мембрана эндоплазматических сетей необходима для поддержания формы транспортных внутриклеточных каналов, по которым перемещаются белковые, липидные и углеводные молекулы.

Митохондриальная мембрана защищает митохондрии, а пластидная – хлоропласты. Лизосомальная мембрана также играет роль барьера: внутри лизосомы агрессивная среда рН и активные формы кислорода, способные повредить структуры внутри клетки, если они туда проникнут. Мембрана же является универсальным барьером, одновременно разрешающим лизосомам «переваривать» твердые частицы и ограничивающим место действия ферментов.

Механическая функция плазмолеммы

Механические функции плазматической мембраны также неоднородны. Во-первых, плазмолемма поддерживает клеточную форму. Во-вторых, она ограничивает деформируемость клетки, однако не препятствует изменению формы и текучести. При этом укрепление мембраны также возможно. Это происходит за счет образования клеточной стенки протистами, бактериями, растениями и грибами. У животных, в том числе у человеческого вида, клеточная стенка наиболее простая и представлена лишь гликокаликсом.

У бактерий она гликопротеидная, у растений – целлюлозная, у грибов – хитиновая. Диатомовые водоросли и вовсе встраивают в свою клеточную стенку кремнезем (оксид кремния), что значительно увеличивает прочность и механическую стойкость клетки. Причем каждому организму клеточная стенка нужна именно для этого. А сама плазмолемма имеет намного меньшую прочность, чем слой протеогликанов, целлюлозы или хитина. В том, что цитолемма играет механическую роль, сомневаться не приходится.

Также механические функции плазматической мембраны позволяют митохондриям, хлоропластам, лизосомам, ядру и эндоплазматической сети функционировать внутри клетки и защищаться от подпороговых повреждений. Это характерно для любой клетки, имеющей данные мембранные органеллы. Более того, плазматическая мембрана имеет цитоплазматические выросты, посредством которых создаются межклеточные контакты. Это пример реализации механической функции плазматической мембраны. Защитная роль мембраны обеспечивается еще и за счет естественной резистентности и текучести липидного бислоя.

Коммуникативная функция цитоплазматической мембраны

К числу коммуникативных функций стоит отнести транспорт и рецепцию. Эти оба качества характерны именно для плазматической мембраны и кариолеммы. Мембрана органелл не всегда имеет рецепторы или пронизана транспортными каналами, а у кариолеммы и цитолеммы эти образования имеются. Именно посредством их осуществляется реализация данных коммуникативных функций.

Транспорт реализуется двумя возможными механизмами: с затратой энергии, то есть активным путем, и без затрат, простой диффузией. Однако клетка может транспортировать вещества и путем фагоцитоза или пиноцитоза. Это реализуется путем захвата облака жидкости или твердой частицы выпячиваниями цитоплазмы. Тогда клетка как будто руками захватывает частицу или каплю жидкости, втягивая ее внутрь и образуя вокруг нее цитоплазматический слой.

Активный транспорт, диффузия

Активный транспорт – это пример избирательного поглощения электролитов или питательных веществ. Посредством специфических каналов, представленных белковыми молекулами, состоящими из нескольких субъединиц, вещество или гидратированный ион проникает в цитоплазму. Ионы меняют потенциалы, а питательные вещества встраиваются в метаболические цепи. И все эти функции плазматической мембраны в клетке активно способствуют ее росту и развитию.

Липидорастворимость

Высокодифференцированные клетки, к примеру, нервная, эндокринная или мышечная, используют данные ионные каналы для генерации потенциалов покоя и действия. Он образуется за счет осмотической и электрохимической разницы, а ткани получают способность сокращаться, генерировать или проводить импульс, отвечать на сигналы или передавать их. Это важный механизм обмена информацией между клетками, который лежит в основе нервной регуляции функций всего организма. Эти функции плазматической мембраны животной клетки обеспечивают регуляцию жизнедеятельности, защиты и передвижения всего организма.

Некоторые вещества и вовсе могут проникать сквозь мембрану, однако это характерно только для молекул липофильных жирорастворимых молекул. Они попросту растворяются в бислое мембраны, легко попадая в цитоплазму. Такой механизм транспорта характерен для гормонов стероидов. А гормоны пептидной структуры неспособны проникать через мембрану, хотя также передают информацию клетке. Это достигается благодаря наличию на поверхности плазмолеммы рецепторных (интегральных) молекул. Связанные с ними биохимические механизмы передачи сигнала к ядру вместе с механизмом прямого проникновения липидных веществ через мембрану составляют более простую систему гуморальной регуляции. И все эти функции интегральных белков плазматической мембраны нужны не только одной клетке, а всему организму.

Таблица функций цитоплазматической мембраны

Наиболее наглядный способ выделить функции плазматической мембраны – таблица, в которой указана ее биологическая роль для клетки в целом.

Видео: ЕГЭ Биология 1.2. Современная клеточная теория, её основные положения. Строение клетки

Структура

Функция

Биологическая роль

Цитоплазматическая мембрана в виде липидного бислоя с расположенными кнаружи гидрофобными концами, оснащенная рецепторными комплексами из интегральных и поверхностных белков

Механическая

Поддерживает клеточную форму, защищает от механических подпороговых воздействий, сохраняет клеточную целостность

Транспортная

Осуществляет транспорт капель жидкости, твердых частиц, макромолекул и гидратированных ионов в клетку с затратой или без затрат энергии

Рецепторная

Имеет на своей поверхности рецепторные молекулы, которые служат для передачи информации к ядру

Адгезивная

За счет выпячиваний цитоплазмы соседние клетки образуют контакты между собой

Электрогенная

Обеспечивает условия для генерации потенциала действия и потенциала покоя возбудимых тканей

В данной таблице наглядно показано, какие функции выполняет плазматическая мембрана. Однако эти роли играет только клеточная оболочка, то есть липидный бислой, окружающий всю клетку. Внутри нее есть и органеллы, которые также имеют мембраны. Их роли следует выразить в виде схемы.


Функции плазматической мембраны: схема

В клетке наличием мембран отличаются следующие органеллы: ядро, шероховатый и гладкий эндоплазматический ретикулум, комплекс Гольджи, митохондрия, хлоропласты, лизосомы. В каждой из данных органелл мембрана играет важнейшую роль. Рассмотреть ее можно на примере табличной схемы.

Органелла и мембрана

Функция

Биологическая роль

Ядро, ядерная мембрана

Механическая

Механические функции плазматической мембраны цитоплазмы ядра позволяют поддерживать его форму, предотвращать появление структурных повреждений

Видео: Мембрана клетки и транспорт через

Барьерная

Разделение нуклеоплазмы и цитоплазмы

Транспортная

Имеет транспортные поры для выхода рибосом и информационной РНК из ядра и поступления внутрь питательных веществ, аминокислот и азотистых оснований

Митохондрия, митохондриальная мембрана

Механическая

Поддержание формы митохондрии, препятствие механическим повреждениям

Транспортная

Через мембрану передаются ионы и энергетические субстраты

Электрогенная

Обеспечивает генерацию трансмембранного потенциала, что лежит в основе выработки энергии в клетке

Хлоропласты, мембрана пластид

Механическая

Поддерживает форму пластид, предупреждает их механическое повреждение

Транспортная

Обеспечивает транспорт веществ

Эндоплазматическая сеть, мембрана сети

Механическая и средообразующая

Обеспечивает наличие полости, где протекают процессы синтеза белков и их посттрансляционной модификации

Аппарат Гольджи, мембрана везикул и цистерн

Механическая и средообразующая

Роль см. выше

Лизосомы, лизосомальная мембрана

Механическая

Барьерная

Поддержание формы лизосомы, предотвращение механических повреждений и выхода ферментов в цитоплазму, ограничение ее от литических комплексов

Мембраны животной клетки

Таковы функции плазматической мембраны в клетке, где она играет важную роль для каждой органеллы. Причем ряд функций следует объединить в одну – в защитную. В частности барьерная и механическая функции объединены в защитную. Более того, функции плазматической мембраны в растительной клетке практически идентичны таковым в животной и бактериальной.

Животная клетка является наиболее сложной и высокодифференцированной. Здесь располагается гораздо больше интегральных, полуинтегральных и поверхностных белков. В целом у многоклеточных организмов структура мембраны всегда сложнее, чем у одноклеточных. И то, какие функции выполняет плазматическая мембрана конкретной клетки, определяет, будет ли она отнесена к эпителиальной, соединительной или возбудимой ткани.

Споделяне в социалните мрежи:

сроден

Структура и функции бактериальных клеток


Интернет-обзор Интернет-учебника по бактериологии Тодара. «Хорошее, плохое и смертоносное»

Ключевые слова: бактериальная структура, жгутик, пили, пили, фимбрии, капсула, S-слой, гликокаликс, слой слизи, биопленка, внешняя мембрана, ЛПС, клеточная стенка, пептидогликан, муреин, тейхоевая кислота, плазматическая мембрана, клеточная мембрана. , фосфолипидный бислой, транспортная система, движущая сила протона, pmf, АТФаза, ДНК, хромосома, нуклеоид, рибосома, субъединица 30S, субъединица 50S, 16S рРНК, включение, ПОБ, гликоген, карбоксисома, эндоспора, параспоральный кристалл.



Распечатать эту страницу

Структура и функции бактериальных клеток (страница 7)

(В этой главе 10 страниц)

© Кеннет Тодар, доктор философии

Плазменная мембрана

Плазматическая мембрана , также называется цитоплазматическим мембрана , является наиболее динамичной структурой прокариотической клетки.Его Основная функция — это селективный барьер проницаемости , регулирующий попадание веществ внутрь и из клетки. Плазматическая мембрана является определяющей структурой клетки, поскольку она изолирует молекулы жизни в единице, отделяя ее от окружающей среды. Бактериальный мембрана пропускает воду и незаряженные молекулы с молекулярной массой около 100 дальтон, но не позволяет проходить более крупным молекулам или любым заряженным вещества кроме специальной мембраны транспортировка процессов и транспортировка системы . Бактериальный мембраны состоят из 40 процентов фосфолипидов и 60 процентов белка. Фосфолипиды амфифильный молекулы с полярной гидрофильной глицериновой «головой», присоединенной через сложный эфир связь с двумя неполярными гидрофобными хвостами жирных кислот, которые естественным образом образуют бислой в водных средах.Внутри бислоя рассредоточены различный структурные и ферментативные белки, которые выполняют большую часть мембранных функции. Когда-то считалось, что белки аккуратно организованы. вместе внутренняя и внешняя поверхности мембраны, и это составляло в двухтрековый вид мембраны на электронных микрофотографиях.Тем не мение, теперь известно, что в то время как некоторые мембранные белки расположены и функция на той или иной стороне мембраны большинство белков частично вставлен в мембрану или, возможно, даже проходят через мембрану в виде каналов из снаружи внутрь. Возможно, что белки могут перемещаться сбоку вдоль поверхности мембраны, но термодинамически маловероятно что белки могут вращаться внутри мембраны, что рано снижает теории о том, как могут работать транспортные системы.Расположение белков и липиды для формирования мембраны называется жидкой мозаикой , модель , и иллюстрированный на рисунке 20.


Рисунок 20. Модель жидкой мозаики. биологической мембраны. В водных средах мембрана фосфолипиды устраиваются таким образом, что они самопроизвольно образуют жидкость двухслойный.Мембранные белки, которые могут быть структурными или функциональными, могут быть постоянно или временно связанные с одной или другой стороной мембраны, или даже быть постоянно встроенным в бислой, в то время как другие белки охватывают в двухслойные и могут образовывать транспортные каналы через мембрану.

Мембраны Бактерии находятся структурно похожи на клеточные мембраны эукариот, за исключением того, что бактериальные мембраны состоят из насыщенных или мононенасыщенных жирных кислот (редко, полиненасыщенный жирные кислоты) и обычно не содержат стеринов.В мембраны из архей образуют бислои, функционально эквивалентные бактериальным мембраны, но липиды архей насыщенные, разветвленные, повторяющиеся изопреноиды подразделения которые присоединяются к глицерину через эфирную связь, в отличие от сложного эфира связь содержится в глицеридах липидов мембран эукариот и бактерий (рис. 21).Считается, что структура мембран архей является адаптацией. их существованию и выживанию в экстремальных условиях.


Рисунок 21. Обобщенный состав липидов мембраны. (Топ). Фосфолипид в мембране бактерия Эшерихия coli . Положения R1 и R2 на глицерине заменены на насыщенный или мононенасыщенные жирные кислоты со сложноэфирными связями с глицеридом.В Положение R3 замещено фосфатидилэтаноламином, наиболее общий заместитель в этом положении у бактерий. (Нижний). Архей мембрана липид. В отличие от бактериальных фосфолипидов, которые представляют собой глицерин сложные эфиры жирных кислот липиды в мембранах архей являются диэфирами глицерин и длинноцепочечные, разветвленные, насыщенные углеводороды, называемые изопреноидами или которые состоят из повторяющихся субъединиц C5.Один из основных изопреноиды представляет собой молекулу фитанола C20. Положение R3 глицерина может или может нет быть замененным. Считается, что структура липидов мембран архей быть адаптацией к экстремальным условиям, таким как жаркая и кислая условия где в природе преобладают археи.

Функции цитоплазмы Мембрана

Поскольку у прокариотов нет любые внутриклеточные органеллы для таких процессов, как дыхание, фотосинтез или секреция, плазма мембрана поглощает эти процессы для клетки и, следовательно, имеет разнообразие функций в выработке энергии и биосинтезе .Для Например, система переноса электронов , которая связывает аэробных дыхание и Синтез АТФ обнаруживается в прокариотической мембране. Фотосинтез хромофоры , которые собирают световую энергию для преобразования в химический энергии находятся в мембране. Следовательно, плазматическая мембрана — это сайт окислительного фосфорилирования и фотофосфорилирования в прокариоты, аналогичные функциям митохондрий и хлоропласты в эукариотических клетках.Помимо транспортных белков , которые избирательно опосредуют проникновение веществ в клетку и из клетки, прокариотические мембраны могут содержать чувствительных белка , которые измеряют концентрации молекул в окружающей среде или связывающих белков , которые перемещать сигналы к генетическим и метаболическим машинам в цитоплазме.Мембраны также содержат фермента, участвуют во многих метаболических процессах, таких как в качестве синтез клеточной стенки, формирование перегородки, мембранный синтез, ДНК репликация CO 2 фиксация и окисление аммиака. Преобладающий функции прокариотических мембран перечислены в Таблице 7 и обсуждаются ниже.


Таблица 7.Функции прокариотической плазматической мембраны
    1. Осмотический или проницаемость барьер

    2. Расположение транспорта системы для конкретных растворенных веществ (питательные вещества и ионы)

    3. Производство энергии функции, с участием респираторных и фотосинтетических систем транспорта электронов, учреждение протонной движущей силы и трансмембранной АТФ-синтезирующей АТФазы

    4.Синтез мембраны липиды (включая липополисахарид в грамотрицательных клетках)

    5. Синтез муреина (клеточного стена пептидогликан)

    6. Сборка и секреция экстрацитоплазматический белки

    7.Координация ДНК репликация и сегрегация с образованием перегородки и делением клеток

    8. Хемотаксис (как подвижность на se и сенсорные функции)

    9. Расположение специализированных фермент система



продолжение главы

Предыдущая страница

© Кеннет Тодар, доктор философии.D. Все права защищены. — www.textbookofbacteriology.net

Клетка человека в плазматической мембране

Плазматическая мембрана, также известная как клеточная мембрана или цитоплазматическая мембрана, представляет собой барьер, который окружает клетку и защищает внутриклеточные компоненты от окружающей среды.Плазматическая мембрана представляет собой тонкую полупроницаемую мембрану, состоящую из липидного бислоя и связанных белков, каждый из которых составляет около 50% от общей массы клеточной мембраны. Примеры изображений белков, локализованных на плазматической мембране, можно увидеть на рисунке 1.

В Cell Atlas показано, что 2087 генов (11% всех генов человека, кодирующих белок) кодируют белки, которые локализуются на плазматической мембране (рис. 2). Анализ функционального обогащения протеома плазматической мембраны на основе Gene Ontology (GO) показывает обогащение терминов для биологических процессов, связанных со структурной организацией клетки, передачей сигналов клеток и клеточным ответом на внеклеточные стимулы, переносом через плазматическую мембрану и клеточной адгезией.Около 80% белков плазматической мембраны локализуются в других клеточных компартментах в дополнение к плазматической мембране, при этом совместная локализация между плазматической мембраной и актиновыми филаментами или цитозолем чрезмерно представлена.


EGFR — А-431
CTNNB1 — А-431
EZR — A-431

Рис. 1. Примеры белков, локализованных на плазматической мембране. EGFR представляет собой трансмембранный гликопротеин, который связывается с эпидермальным фактором роста (обнаруженным в клетках A-431).CTNNB1 участвует в сигнальных путях (обнаруживается в клетках A-431). EZR играет ключевую роль в адгезии, миграции и организации структуры клеточной поверхности (обнаружен в клетках A-431).

  • Атлас белков человека экспериментально обнаружил 11% (2087 белков) всех белков человека в плазматической мембране.
  • 761 белок в плазматической мембране подтверждены экспериментальными данными, и из этих 136 белков усилены Атласом белков человека.
  • 1685 белков в плазматической мембране имеют несколько мест.
  • 242 белка в плазматической мембране изменяются от клетки к клетке. Из них 235 показывают изменение интенсивности, а 9 — пространственное изменение.
  • Белки в основном участвуют в эндоцитозе и клеточном ответе на внеклеточные стимулы, передаче сигналов, транспорте, структуре клеток и клеточной адгезии.

Рис. 2. 11% всех генов, кодирующих человеческие белки, кодируют белки, локализованные на плазматической мембране. Каждая панель кликабельна и дает результат поиска белков, принадлежащих выбранной категории.

Строение плазматической мембраны

Субструктуры

  • Плазменная мембрана: 1882
  • Клеточные соединения: 317

Плазматическая мембрана состоит из липидного бислоя, в котором липиды составляют половину, а белки — другую половину общей массы в большинстве типов клеток человека. Фосфолипиды, которые состоят из гидрофильной фосфатной группы и двух гидрофобных цепей жирных кислот, составляют фундаментальный структурный элемент плазматической мембраны (Jacobson K et al.(2019); Кобаяши Т. и др. (2018), Альбертс Б. и др., 2002b. Внутренняя и внешняя створки бислоя удерживаются вместе за счет нековалентных взаимодействий между гидрофобными хвостами, которые направлены друг к другу и от гидрофильных поверхностей мембраны. Помимо фосфолипидов, плазматическая мембрана клеток животных содержит два других основных класса липидов; гликолипиды и холестерин. Хотя холестерина обычно почти так же много, как и фосфолипидов, гликолипиды составляют лишь около 2% липидов плазматической мембраны и обнаруживаются только на наружном листке.Второй важный компонент плазматической мембраны — это белки. Их можно разделить на интегральные мембранные белки, которые пересекают полный бислой, белки периферической мембраны, которые закреплены в одном листке липидного бислоя, и поверхностные белки, которые связываются с полярными головками фосфолипидов или других мембранных белков. Состав плазматической мембраны динамичен и адаптируется к изменениям в окружающей среде, а также к клеточному циклу. При физиологических температурах клеточная мембрана становится жидкой и гибкой, а при более низких температурах она становится гелеобразной.

Хотя плазматическая мембрана ведет себя как двумерная жидкость, в которой липиды и белки не находятся в фиксированных положениях, она по-прежнему организована в различных микродоменах и специализированных областях (Krapf D & period; (2018); Jacobson K et al. ( 2019); Кобаяши Т. и др. (2018)). К ним относятся липидные рафты, кавеолы, выступы и соединения клеток. Клеточные соединения состоят из областей с белковыми комплексами, которые обеспечивают контакт или адгезию с соседними клетками или с внеклеточным матриксом (Garcia MA et al.(2018)). Основные типы соединений клеток у позвоночных включают щелевые соединения, плотные соединения и якорные соединения. К последним относятся десмосомы, гемидесмосомы и сращения. Десмосомы опосредуют межклеточную адгезию через трансмембранные линкерные белки, называемые кадгеринами, которые соединяются с промежуточными филаментами внутри клетки и с кадгеринами в соседних клетках. Вместо этого гемидесмосомы содержат интегрины, которые также соединяются с промежуточными филаментами в цитозоле, а также с компонентами внеклеточного матрикса, а не с соседними клетками.Адгезивные соединения могут содержать кадгерины или интегрины, но в этом случае они соединяются с актиновыми филаментами в цитозоле.

Таблица 1. Выбор белков, подходящих в качестве маркеров плазматической мембраны.

Джин Описание Основание
STX4 Синтаксин 4 Плазменная мембрана
SLC16A1 Семейство носителей растворенного вещества 16 членов 1 Соединения клеток
Плазменная мембрана
EZR Эзрин Плазменная мембрана
EPB41L3 Полоса белков мембраны эритроцитов 4.1 нравится 3 Соединения клеток
Плазменная мембрана
CTNNB1 Катенин бета 1 Плазменная мембрана
ANK3 Анкирин 3 Плазменная мембрана
SLC41A3 Семейство носителей растворенных веществ 41 член 3 Плазменная мембрана

Таблица 2.Высоко экспрессируемые белки плазматической мембраны, локализующиеся в разных клеточных линиях.

Джин Описание Средний NX
AP2M1 Адаптер-родственный белковый комплекс 2 мю 1 субъединица 54
GNB2 G белковая субъединица бета 2 39
ATP1B3 АТФаза Na + / K +, транспортная субъединица бета 3 37
MSN Moesin 37
CD81 Молекула CD81 34
CTNNB1 Катенин бета 1 33
SLC1A5 Семейство носителей растворенных веществ 1 член 5 32
EZR Эзрин 29
S100A4 S100 кальций-связывающий белок A4 27
CD9 Молекула CD9 21

Выбор белков, подходящих для использования в качестве маркеров плазматической мембраны, приведен в таблице 1.Список высокоэкспрессированных генов, кодирующих белки, локализующиеся на плазматической мембране, можно найти в таблице 2.


CDh27 — CACO-2
CTNNA1 — CACO-2
DNAJC18 — HEK 293


GJB6 — RT4
TJP3 — CACO-2
C4orf19 — RT4

Рис. 3. Примеры белков, локализованных в различных типах клеточных соединений.CDh27 представляет собой связанный с мембраной гликопротеин. Кадгерины представляют собой кальций-зависимые белки клеточной адгезии (обнаруживаются в клетках CACO-2). CTNNA1 обнаруживается на границах от клетки к клетке и от клетки к границам матрикса, связанный с кадгеринами (обнаруживается в клетках CACO-2). DNAJC18 не очень хорошо охарактеризованный белок (обнаруживается в клетках HEK 293). GJB6 представляет собой белок щелевого соединения, через который мелкие материалы диффундируют в соседние клетки (обнаруживается в клетках RT4). TJP3 играет роль в связи между актиновым цитоскелетом и плотными контактами.Кадгерины представляют собой кальций-зависимые белки клеточной адгезии (обнаруживаются в клетках CACO-2). C4orf19 — неохарактеризованный белок (обнаруживается в клетках RT4).

Фигура 4. 3D-вид плазматической мембраны в U-2 OS, визуализированный иммунофлуоресцентным окрашиванием EZR. Морфологию клеточных соединений в индуцированных человеком стволовых клетках можно увидеть в Allen Cell Explorer.

Функция плазматической мембраны

Плазматическая мембрана участвует во множестве клеточных процессов (Alberts B et al, 2002b).Основная функция плазматической мембраны — отделить и защитить внутриклеточную среду от внеклеточного пространства. Плазматическая мембрана полупроницаема и избирательно регулирует прохождение и транспорт различных молекул и соединений в клетку и из клетки. Для небольших молекул, таких как ионы, кросс-мембранный клеточный транспорт может происходить посредством пассивного осмоса и диффузии, но транспорт против градиента концентрации требует помощи ионных насосов. Для более крупных молекул, таких как гормоны и ферменты, транспорт осуществляется за счет эндоцитоза, экзоцитоза или с помощью трансмембранных транспортеров или каналов белков.Плазматическая мембрана также обеспечивает структурную целостность, форму и полярность клеткам, закрепляя цитоскелет и прикрепляя клетку к внеклеточному матриксу и другим клеткам (Orlando K et al. (2009)). Эти физические связи, а также присутствие рецепторов или других факторов, играющих роль передачи сигнала, также важны для коммуникации клетка-клетка и клетка-ECM. Более того, плазматическая мембрана играет центральную роль в клеточной подвижности и полярности (Eaton RC et al. (1991)).

Разрыв плазматической мембраны приводит к нарушению целостности и функции клеток, что приводит к лизису и гибели клеток, если не восстановить их быстро.Более того, мутации в генах, кодирующих белки, локализующиеся на плазматической мембране, были связаны с многочисленными заболеваниями человека. Например, мутации в генах, кодирующих белки каналов и транспортеров, связаны с муковисцидозом, сердечной аритмией, диабетом, дефектами скелетных мышц и неврологическими расстройствами. Кроме того, нарушение процентного содержания мембранных липидов и белков в составе может приводить к различным заболеваниям, связанным с метаболизмом липидов (Simons K et al.(2002)).

Анализ функционального обогащения генов, кодирующих белки, локализованные на плазматической мембране, основанный на

Gene Ontology (GO), показывает обогащение терминов, описывающих функции, которые хорошо соответствуют известным функциям плазматической мембраны. Наиболее обогащенные термины для биологического процесса в домене GO относятся к клеточным ответам на различные стимулы, клеточной адгезии, передаче сигналов клеток и структурной организации плазматической мембраны (рис. 5а). Обогащающий анализ молекулярной функции домена GO дает лучшие результаты для терминов, связанных со связыванием с адгезионными молекулами и рецепторами, передачей сигналов и активностью каналов (рис. 5b).

Рисунок 5а. Обогащенный анализ протеома плазматической мембраны на основе онтологии генов, показывающий значительно расширенные термины для биологического процесса домена GO. Каждая панель кликабельна и дает результат поиска белков, принадлежащих выбранной категории.

Рисунок 5б. Обогащенный анализ на основе онтологии генов для протеома плазматической мембраны, показывающий значительно расширенные термины для молекулярной функции домена GO. Каждая панель кликабельна и дает результат поиска белков, принадлежащих выбранной категории.

Белки плазматической мембраны с множеством расположений

Примерно 81% (n = 1685) белков плазматической мембраны, обнаруженных в Cell Atlas, также локализуются в других клеточных компартментах (рис. 6). Сетевой график показывает, что наиболее распространенными дополнительными местами для белков, которые локализуются на плазматической мембране, являются цитозоль, нуклеоплазма, везикулы и актиновые филаменты. белки, которые локализуются как на плазматической мембране, так и в цитозоле или везикулах, чрезмерно представлены.Действительно, большинство белков, которые нацелены на плазматическую мембрану, переносятся секреторным путем к месту назначения с помощью везикул. Примеры мультилокализующих белков в протеоме плазматической мембраны можно увидеть на рисунке 7.

Рис. 6. Интерактивный сетевой график белков плазматической мембраны с множественной локализацией. Цифры в соединительных узлах показывают белки, которые локализованы на плазматической мембране и в одном или нескольких дополнительных местах. Только соединительные узлы, содержащие более одного белка и не менее 0.Показаны 5% белков в протеоме плазматической мембраны. Размеры кружков связаны с количеством белков. Узлы голубого цвета показывают комбинации, которые значительно перепредставлены, в то время как узлы пурпурного цвета показывают комбинации, которые значительно недопредставлены по сравнению с вероятностью наблюдения этой комбинации на основе частоты каждой аннотации и гипергеометрического теста (p≤0,05). Обратите внимание, что этот расчет выполняется только для белков с двойной локализацией. Каждый узел доступен для нажатия и приводит к списку всех белков, которые находятся в связанных органеллах.


БАИАП2 — ОС У-2
ADD1 — гепатит G2
ARHGEF26 — U-251 MG

Рис. 7. Примеры мультилокализационных белков в протеоме плазматической мембраны. BAIAP2 — это адаптерный белок, который связывает связанные с мембраной G-белки, которые играют роль в передаче сигнала, с цитоплазматическими эффекторными белками. Было показано, что он локализуется как в цитоплазме, так и в плазматической мембране (обнаруживается в клетках U-2 OS).ADD1 — гетеродимерный белок. Он с высоким сродством связывается с кальмодулином и является субстратом для протеинкиназ. Было показано, что он локализуется как в ядре, так и в плазматической мембране (обнаруживается в клетках Hep-G2). ARHGEF26 является членом фактора обмена нуклеотидов родо-гуанина (Rho-GEF). Эти белки регулируют Rho GTPases, катализируя обмен GDP на GTP. ГТФазы действуют как молекулярные переключатели во внутриклеточных сигнальных путях. Было показано, что ARHGEF26 локализуется в ядре, цитоплазме и плазматической мембране (обнаруживается в клетках U-251).

Уровни экспрессии белков плазматической мембраны в ткани

Анализ транскриптома

и классификация генов по категориям распределения в тканях (рис. 8) показывает, что большая часть генов, кодирующих белки, связанные с плазматической мембраной, обнаруживается в некоторых или во многих тканях, в то время как меньшая часть обнаруживается во всех тканях, по сравнению с ко всем генам, представленным в Cell Atlas. Это указывает на более выраженную роль белков плазматической мембраны в функциях или структурах, специфичных для групп тканей.

Рис. 8. Столбчатая диаграмма, показывающая процентное соотношение генов в различных категориях тканевого распределения для связанных с плазматической мембраной белков, кодирующих гены, по сравнению со всеми генами в Атласе клеток. Звездочкой отмечено статистически значимое отклонение (p≤0,05) количества генов в категории на основе биномиального статистического теста. Каждая панель кликабельна и дает результат поиска белков, принадлежащих выбранной категории.

Соответствующие ссылки и публикации

Parikh K et al., Разнообразие эпителиальных клеток толстой кишки при здоровом и воспалительном заболевании кишечника и периоде; Природа и период; (2019)
PubMed: 30814735 DOI: 10.1038 / s41586-019-0992-y

Menon M et al., Одноклеточный транскриптомный атлас сетчатки глаза человека определяет типы клеток, связанные с возрастной дегенерацией желтого пятна и периодом; Нац Коммуна & период; (2019)
PubMed: 31653841 DOI: 10.1038 / s41467-019-12780-8

Wang L et al., Одноклеточная реконструкция сердца взрослого человека во время сердечной недостаточности и восстановления выявляет клеточный ландшафт, лежащий в основе сердечной функции и периода; Nat Cell Biol & period; (2020)
PubMed: 313 DOI: 10.1038 / s41556-019-0446-7

Wang Y et al., Анализ одноклеточного транскриптома выявляет различные функции всасывания питательных веществ в кишечнике человека & период; J Exp Med & period; (2020)
PubMed: 31753849 DOI: 10.1084 / jem.201

Liao J et al., Секвенирование одноклеточной РНК почек человека & период; Научные данные и период; (2020)
PubMed: 31896769 DOI: 10.1038 / s41597-019-0351-8

MacParland SA et al., Секвенирование одноклеточной РНК печени человека выявляет различные внутрипеченочные популяции макрофагов & период; Нац Коммуна & период; (2018)
PubMed: 30348985 DOI: 10.1038 / s41467-018-06318-7

Vieira Braga FA et al., Перепись клеток легких человека выявляет новые состояния клеток при здоровье и астме & периоде; Nat Med & period; (2019)
PubMed: 31209336 DOI: 10.1038 / s41591-019-0468-5

Vento-Tormo R et al., Одноклеточная реконструкция раннего взаимодействия матери и плода у людей и периода; Природа и период; (2018)
PubMed: 30429548 DOI: 10.1038 / s41586-018-0698-6

Qadir MMF et al., Анализ одноклеточного разрешения ниши клеток-предшественников протоков поджелудочной железы человека и период; Proc Natl Acad Sci U S A & period; (2020)
PubMed: 32354994 DOI: 10.1073 / pnas.1
4117

Solé-Boldo L et al., Одноклеточные транскриптомы кожи человека показывают возрастную потерю прайминга фибробластов & период; Коммунальная биология и период; (2020)
PubMed: 32327715 DOI: 10.1038 / s42003-020-0922-4

Henry GH et al., A Клеточная анатомия простаты и простатической уретры у нормального взрослого человека & период; Cell Rep & период; (2018)
PubMed: 30566875 DOI: 10.1016 / j.celrep.2018.11.086

Chen J et al., Фиксация и обработка PBMC для секвенирования одноклеточной РНК хрома & период; J Transl Med & period; (2018)
PubMed: 30016977 DOI: 10.1186 / s12967-018-1578-4

Guo J et al., Атлас транскрипционных клеток семенников взрослого человека. Cell Res. (2018)
PubMed: 30315278 DOI: 10.1038 / s41422-018-0099-2

Uhlen M. et al., Предложение по валидации антител. Нат. Методы. (2016)
PubMed: 27595404 DOI: 10.1038 / nmeth.3995

Stadler C et al., Систематическая проверка связывания антител и субклеточной локализации белков с использованием миРНК и конфокальной микроскопии. Дж. Протеомика. (2012)
PubMed: 22361696 DOI: 10.1016 / j.jprot.2012.01.030

Poser I et al., BAC TransgeneOmics & Colon; высокопроизводительный метод исследования функции белков у млекопитающих и периода; Nat Методы и период; (2008)
PubMed: 183 DOI: 10.1038 / nmeth.1199

Skogs M et al., Валидация антител в приложениях биоимиджинга на основе эндогенной экспрессии меченых белков. J Proteome Res. (2017)
PubMed: 27723985 DOI: 10.1021 / acs.jproteome.6b00821

Takahashi H et al., Профилирование 5 ‘центрированной по концам экспрессии с использованием экспрессии генов кэп-анализа и секвенирования следующего поколения & период; Nat Protoc & period; (2012)
PubMed: 22362160 DOI: 10.1038 / nprot.2012.005

Lein ES et al., Полногеномный атлас экспрессии генов в мозге взрослой мыши & period; Природа и период; (2007)
PubMed: 17151600 DOI: 10.1038 / nature05453

Kircher M et al., Двойное индексирование устраняет неточности в мультиплексном секвенировании на платформе Illumina и период; Nucleic Acids Res & period; (2012)
PubMed: 22021376 DOI: 10.1093 / nar / gkr771

Pollard TD et al., Actin & comma; центральный игрок в форме клетки, движении и периоде; Наука и период; (2009)
PubMed: 19965462 DOI: 10.1126 / science.1175862

Mitchison TJ et al., Актиновая подвижность клеток и перемещение клеток и период; Ячейка и период; (1996)
PubMed: 8608590

Pollard TD et al., Молекулярный механизм цитокинеза & период; Annu Rev Biochem и период; (2019)
PubMed: 30649923 DOI: 10.1146 / annurev-biochem-062917-012530

dos Remedios CG et al., Актин-связывающие белки и толстая кишка; регуляция цитоскелетных микрофиламентов и периода; Physiol Rev & period; (2003)
PubMed: 12663865 DOI: 10.1152 / Physrev.00026.2002

Campellone KG et al., Гонка вооружений нуклеаторов и двоеточие; клеточный контроль сборки актина и периода; Nat Rev Mol Cell Biol & period; (2010)
PubMed: 20237478 DOI: 10.1038 / nrm2867

Rottner K et al., Краткий обзор механизмов сборки актина и период; J Cell Sci & period; (2017)
PubMed: 257 DOI: 10.1242 / jcs.206433

Bird RP & period ;, Наблюдение и количественная оценка аберрантных крипт в толстой кишке мыши, обработанной канцерогеном толстой кишки & col; предварительные выводы и период; Рак Lett & period; (1987)
PubMed: 3677050 DOI: 10.1016 / 0304-3835 (87)

-1

HUXLEY AF et al., Структурные изменения мышцы во время сокращения & semi; интерференционная микроскопия живых мышечных волокон и периода; Природа и период; (1954)
PubMed: 13165697

HUXLEY H et al., Изменения поперечных полос мышц во время сокращения и растяжения и их структурная интерпретация & период; Природа и период; (1954)
PubMed: 13165698

Svitkina T & period ;, Актиновый цитоскелет и подвижность на основе актина & период; Cold Spring Harb Perspect Biol & period; (2018)
PubMed: 2

89 DOI: 10.1101 / cshperspect.a018267

Kelpsch DJ et al., Nuclear Actin & Colon; От открытия до функции и периода; Анат Рек & lpar; Хобокен & rpar; & period; (2018)
PubMed: 30312531 DOI: 10.1002 / ar.23959

Malumbres M et al., Клеточный цикл и запятая; CDK и рак и толстая кишка; меняющаяся парадигма и период; Nat Rev Рак и период; (2009)
PubMed: 1

48 DOI: 10.1038 / nrc2602

Massagué J & period ;, G1 контроль клеточного цикла и рак & период; Природа и период; (2004)
PubMed: 15549091 DOI: 10.1038 / nature03094

Hartwell LH et al., Контроль клеточного цикла и рак & период; Наука и период; (1994)
PubMed: 7997877 DOI: 10.1126 / science.7997877

Barnum KJ et al., Регулирование клеточного цикла с помощью контрольных точек и периода; Методы Mol Biol & period; (2014)
PubMed: 24
7 DOI: 10.1007 / 978-1-4939-0888-2_2

Weinberg RA & period ;, Белок ретинобластомы и контроль клеточного цикла & период; Ячейка и период; (1995)
PubMed: 7736585 DOI: 10.1016 / 0092-8674 (95)

-2

Morgan DO & period ;, Принципы регулирования CDK и период; Природа и период; (1995)
PubMed: 7877684 DOI: 10.1038 / 374131a0

Teixeira LK et al., Убиквитин-лигазы и контроль клеточного цикла и период; Annu Rev Biochem и период; (2013)
PubMed: 23495935 DOI: 10.1146 / annurev-biochem-060410-105307

King RW et al., Как протеолиз управляет клеточным циклом и периодом; Наука и период; (1996)
PubMed: 8939846 DOI: 10.1126 / science.274.5293.1652

Cho RJ et al., Регуляция транскрипции и функция во время клеточного цикла человека и период; Нат Генет и период; (2001)
PubMed: 11137997 DOI: 10.1038 / 83751

Whitfield ML et al., Идентификация генов, периодически экспрессируемых в клеточном цикле человека, и их экспрессия в опухолях & период; Mol Biol Cell & period; (2002)
PubMed: 12058064 DOI: 10.1091 / mbc.02-02-0030.

Boström J et al., Сравнительная транскриптомика клеточного цикла показывает синхронизацию сетей онтогенетических факторов транскрипции в раковых клетках. PLoS One. (2017)
PubMed: 2

02 DOI: 10.1371 / journal.pone.0188772

Lane KR et al., Изменения содержания белка, регулируемого клеточным циклом, в синхронно пролиферирующих клетках HeLa включают регуляцию белков сплайсинга пре-мРНК & период; PLoS One & period; (2013)
PubMed: 23520512 DOI: 10.1371 / journal.pone.0058456

Ohta S et al., Белковый состав митотических хромосом, определенный с использованием мультиклассификатора комбинаторной протеомики и периода; Ячейка и период; (2010)
PubMed: 20813266 DOI: 10.1016 / j.cell.2010.07.047

Ly T. et al., Протеомная хронология экспрессии генов в клетках миелоидного лейкоза человека в клетках миелоидного лейкоза человека & период; Элиф и период; (2014)
PubMed: 24596151 DOI: 10.7554 / eLife.01630

Pagliuca FW et al., Количественная протеомика раскрывает основу биохимической специфичности механизма клеточного цикла & период; Mol Cell & period; (2011)
PubMed: 21816347 DOI: 10.1016 / j.molcel.2011.05.031

Ly T et al., Протеомный анализ ответа на остановку клеточного цикла в клетках миелоидного лейкоза человека & период; Элиф и период; (2015)
PubMed: 25555159 DOI: 10.7554 / eLife.04534

Dueck H et al., Вариация — это функция & двоеточие; Функционально ли важны различия отдельных клеток & quest; & col; Проверка гипотезы о том, что для агрегированной функции & period; Биологические исследования и период; (2016)
PubMed: 26625861 DOI: 10.1002 / bies.201500124

Snijder B et al., Происхождение регулируемой межклеточной изменчивости & период; Nat Rev Mol Cell Biol & period; (2011)
PubMed: 21224886 DOI: 10.1038 / nrm3044

Thul PJ et al., Субклеточная карта протеома человека. Наука. (2017)
PubMed: 28495876 DOI: 10.1126 / science.aal3321

Cooper S et al., Мембранный анализ содержания циклинов A & comma; B1 & запятая; и E во время невозмущенного клеточного цикла & period; Ячейка Div & период; (2007)
PubMed: 178

DOI: 10.1186 / 1747-1028-2-28

Davis PK et al., Биологические методы синхронизации клеточного цикла клеток млекопитающих & период; Биотехника и период; (2001)
PubMed: 11414226 DOI: 10.2144 / 01306rv01

Domenighetti G et al., Влияние информационной кампании в СМИ на частоту и период гистерэктомии; Ланцет и период; (1988)
PubMed: 21 DOI: 10.1016 / s0140-6736 (88) -9

Scialdone A et al., Вычислительное отнесение стадии клеточного цикла к данным транскриптома одиночной клетки & период; Методы и период; (2015)
PubMed: 26142758 DOI: 10.1016 / j.ymeth.2015.06.021

Sakaue-Sawano A et al., Визуализация пространственно-временной динамики развития многоклеточного клеточного цикла и периода; Ячейка и период; (2008)
PubMed: 18267078 DOI: 10.1016 / j.cell.2007.12.033

Grant GD et al., Идентификация генов, регулируемых клеточным циклом, периодически экспрессируемых в клетках U2OS, и их регуляция факторами транскрипции FOXM1 и E2F & period; Mol Biol Cell & period; (2013)
PubMed: 24109597 DOI: 10.1091 / mbc.E13-05-0264

Semple JW et al., Существенная роль Orc6 в репликации ДНК посредством поддержания пререпликативных комплексов & период; EMBO J & период; (2006)
PubMed: 17053779 DOI: 10.1038 / sj.emboj.7601391

Kilfoil ML et al., Стохастическая вариация и двоеточие; от одиночных клеток до суперорганизмов & период; HFSP J & период; (2009)
PubMed: 20514130 DOI: 10.2976 / 1.3223356

Ansel J et al., Стохастическая изменчивость экспрессии генов от клетки к клетке является сложным генетическим признаком & период; PLoS Genet & период; (2008)
PubMed: 18404214 DOI: 10.1371 / journal.pgen.1000049

Colman-Lerner A et al., Регулируемая межклеточная изменчивость в системе решения клеточной судьбы & период; Природа и период; (2005)
PubMed: 16170311 DOI: 10.1038 / nature03998

Liberali P et al., Одноклеточный и многомерный подходы к скринингу генетических пертурбаций & период; Nat Rev Genet & период; (2015)
PubMed: 25446316 DOI: 10.1038 / nrg3768

Elowitz MB et al., Стохастическая экспрессия гена в одной клетке & period; Наука и период; (2002)
PubMed: 12183631 DOI: 10.1126 / science.1070919

Kaern M et al., Стохастичность в экспрессии генов и толстой кишки; от теорий к фенотипам и периоду; Nat Rev Genet & период; (2005)
PubMed: 15883588 DOI: 10.1038 / nrg1615

Bianconi E et al., Оценка количества клеток в организме человека & период; Ann Hum Biol & period; (2013)
PubMed: 23829164 DOI: 10.3109 / 03014460.2013.807878

Malumbres M & period;, Циклинзависимые киназы & период; Биология генома & период; (2014)
PubMed: 25180339

Collins K et al., Клеточный цикл и рак & период; Proc Natl Acad Sci U S A & period; (1997)
PubMed: 91

Животовский Б. и др., Клеточный цикл и гибель клеток при заболевании & толстой кишки; прошедшее & запятая; настоящее и будущее и период; J Intern Med & period; (2010)
PubMed: 20964732 DOI: 10.1111 / j.1365-2796.2010.02282.x

Cho RJ et al., Полногеномный транскрипционный анализ митотического клеточного цикла и периода; Mol Cell & period; (1998)
PubMed: 9702192

Spellman PT et al., Всесторонняя идентификация регулируемых клеточным циклом генов дрожжей Saccharomyces cerevisiae с помощью гибридизации на микроматрицах и период; Mol Biol Cell & period; (1998)
PubMed: 9843569

Orlando DA et al., Глобальный контроль транскрипции клеточного цикла с помощью связанных генераторов CDK и сети & period; Природа и период; (2008)
PubMed: 18463633 DOI: 10.1038 / nature06955

Rustici G et al., Программа периодической экспрессии генов клеточного цикла делящихся дрожжей и период; Нат Генет и период; (2004)
PubMed: 15195092 DOI: 10.1038 / ng1377

Uhlén M. et al., Тканевая карта протеома человека. Наука (2015)
PubMed: 25613900 DOI: 10.1126 / science.1260419

Nigg EA et al., Цикл центросомы и толстая кишка; Биогенез центриолей & запятая; дублирование и врожденная асимметрия и период; Nat Cell Biol & period; (2011)
PubMed: 21968988 DOI: 10.1038 / ncb2345

Doxsey S & period ;, Переоценка функции и периода центросомы; Nat Rev Mol Cell Biol & period; (2001)
PubMed: 11533726 DOI: 10.1038 / 35089575

Bornens M & period;, Состав центросом и механизмы закрепления микротрубочек и период; Curr Opin Cell Biol & period; (2002)
PubMed: 117

Conduit PT et al., Функция и сборка центросом в клетках животных & период; Nat Rev Mol Cell Biol & period; (2015)
PubMed: 26373263 DOI: 10.1038 / nrm4062

Tollenaere MA et al., Центриолярные спутники и толстая кишка; ключевые медиаторы функций и периода центросом; Cell Mol Life Sci & period; (2015)
PubMed: 25173771 DOI: 10.1007 / s00018-014-1711-3

Prosser SL et al., Центриолярный сателлитный биогенез и функция в клетках позвоночных и период; J Cell Sci & period; (2020)
PubMed: 31896603 DOI: 10.1242 / jcs.239566

Rieder CL et al., Центросома позвоночных и толстой кишки; больше, чем центр организации микротрубочек и период; Trends Cell Biol & period; (2001)
PubMed: 11567874

Badano JL et al., Центросома в генетических заболеваниях человека & период; Nat Rev Genet & период; (2005)
PubMed: 15738963 DOI: 10.1038 / nrg1557

Clegg JS & period ;, Свойства и метаболизм водной цитоплазмы и ее границ & период; Am J Physiol & period; (1984)
PubMed: 6364846

Luby-Phelps K & period ;, Физическая химия цитоплазмы и ее влияние на функцию клеток & толстой кишки; обновление & период; Mol Biol Cell & period; (2013)
PubMed: 23989722 DOI: 10.1091 / mbc.E12-08-0617

Luby-Phelps K & period;, Цитоархитектура и физические свойства цитоплазмы и толстой кишки; объем и запятая; вязкость и запятая; диффузия и запятая; площадь и период внутриклеточной поверхности; Int Rev Cytol & period; (2000)
PubMed: 10553280

Ellis RJ & period;, Макромолекулярное скопление & толстая кишка; очевидный, но недооцененный & период; Тенденции Биохимия Наука и период; (2001)
PubMed: 115

Bright GR et al., Флуоресцентная микроскопия изображения отношения & двоеточия; временные и пространственные измерения цитоплазматического pH и периода; J Cell Biol & period; (1987)
PubMed: 3558476

Kopito RR & period;, Aggresomes & comma; тельца включения и агрегация белков и период; Trends Cell Biol & period; (2000)
PubMed: 11121744

Aizer A et al., Внутриклеточный трафик и динамика P-тел и период; Прион и период; (2008)
PubMed: 1

93

Carcamo WC et al., Молекулярная клеточная биология и иммунобиология стержневых и кольцевых структур и периода млекопитающих; Int Rev Cell Mol Biol & period; (2014)
PubMed: 24411169 DOI: 10.1016 / B978-0-12-800097-7.00002-6

Lang F & period ;, Механизмы и значение регуляции и периода клеточного объема; J Am Coll Nutr & period; (2007)
PubMed: 174

Schwarz DS et al., Эндоплазматический ретикулум и толстая кишка; структура и запятая; функция и ответ на сотовую сигнализацию & период; Cell Mol Life Sci & period; (2016)
PubMed: 26433683 DOI: 10.1007 / s00018-015-2052-6

Friedman JR et al., ER в 3D и двоеточие; многофункциональная динамическая мембранная сеть & период; Trends Cell Biol & period; (2011)
PubMed: 21

9 DOI: 10.1016 / j.tcb.2011.07.004

Travers KJ et al., Функциональный и геномный анализ выявляет существенную координацию между развернутым белковым ответом и ER-ассоциированной деградацией & период; Ячейка и период; (2000)
PubMed: 10847680

Roussel BD et al., Дисфункция эндоплазматического ретикулума при неврологических заболеваниях и периоде; Ланцет Neurol & период; (2013)
PubMed: 23237905 DOI: 10.1016 / S1474-4422 (12) 70238-7

Neve EP et al., Белки цитохрома P450 и толстая кишка; удержание и распространение из эндоплазматической сети и периода; Curr Opin Drug Discov Devel & period; (2010)
PubMed: 20047148

Kulkarni-Gosavi P et al., Форма и функция аппарата Гольджи и толстой кишки; строительные леса и запятая; цитоскелет и передача сигналов и период; FEBS Lett & period; (2019)
PubMed: 31378930 DOI: 10.1002 / 1873-3468.13567

Short B et al., Аппарат Гольджи и период; Curr Biol & period; (2000)
PubMed: 10985372 DOI: 10.1016 / s0960-9822 (00) 00644-8

Wei JH et al., Распутывая ленту Гольджи и период; Трафик и период; (2010)
PubMed: 21040294 DOI: 10.1111 / j.1600-0854.2010.01114.x

Wilson C et al., Аппарат Гольджи и толстая кишка; органелла с множеством сложных функций & период; Biochem J & period; (2011)
PubMed: 21158737 DOI: 10.1042 / BJ20101058

Farquhar MG et al., Аппарат Гольджи и толстая кишка; 100 лет прогресса, противоречий и периода; Trends Cell Biol & period; (1998)
PubMed: 9695800

Brandizzi F et al., Организация интерфейса ER-Golgi для мембранного управления трафиком & период; Nat Rev Mol Cell Biol & period; (2013)
PubMed: 23698585 DOI: 10.1038 / nrm3588

Potelle S et al., Посттрансляционные модификации Гольджи и связанные с ними заболевания & период; J Наследовать Metab Dis & period; (2015)
PubMed: 25967285 DOI: 10.1007 / s10545-015-9851-7

Leduc C et al., Промежуточные филаменты в миграции и инвазии клеток & толстой кишки; необычные подозреваемые и период; Curr Opin Cell Biol & period; (2015)
PubMed: 25660489 DOI: 10.1016 / j.ceb.2015.01.005

Лоури Дж. И др., Промежуточные волокна играют ключевую роль в регулировании архитектуры и функции клеток & период; J Biol Chem & period; (2015)
PubMed: 25957409 DOI: 10.1074 / jbc.R115.640359

Robert A et al., Динамика промежуточных волокон и толстой кишки; Что мы видим сейчас и почему это важно & period; Биологические исследования и период; (2016)
PubMed: 26763143 DOI: 10.1002 / bies.201500142

Fuchs E et al., Промежуточные волокна и толстая кишка; структура и запятая; динамика и запятая; функция & запятая; и болезнь и период; Annu Rev Biochem и период; (1994)
PubMed: 7979242 DOI: 10.1146 / annurev.bi.63.070194.002021

Janmey PA et al., Вязкоупругие свойства виментина по сравнению с другими нитевидными биополимерными сетками & период; J Cell Biol & period; (1991)
PubMed: 2007620

Köster S et al., Механика промежуточных волокон in vitro и в клетке и толстой кишке; от спиральных катушек до нитей и запятой; волокна и сети и период; Curr Opin Cell Biol & period; (2015)
PubMed: 25621895 DOI: 10.1016 / j.ceb.2015.01.001

Herrmann H et al., Промежуточные волокна и толстая кишка; от клеточной архитектуры до наномеханики и периода; Nat Rev Mol Cell Biol & period; (2007)
PubMed: 17551517 DOI: 10.1038 / nrm2197

Gauster M et al., Кератины в трофобласте человека & период; Histol Histopathol & period; (2013)
PubMed: 23450430 DOI: 10.14670 / HH-28.817

Janke C & period ;, Код тубулина & двоеточие; молекулярные компоненты и запятая; механизмы считывания и запятая; и функции & период; J Cell Biol & period; (2014)
PubMed: 25135932 DOI: 10.1083 / jcb.201406055

Goodson HV et al., Микротрубочки и ассоциированные с микротрубочками белки & period; Cold Spring Harb Perspect Biol & period; (2018)
PubMed: 29858272 DOI: 10.1101 / cshperspect.a022608

Wade RH & period ;, На и вокруг микротрубочек и толстой кишки; обзор и период; Mol Biotechnol & period; (2009)
PubMed: 19565362 DOI: 10.1007 / s12033-009-9193-5

Desai A et al., Динамика и период полимеризации микротрубочек; Annu Rev Cell Dev Biol & period; (1997)
PubMed: 9442869 DOI: 10.1146 / annurev.cellbio.13.1.83

Conde C et al., Сборка микротрубочек и запятая; организация и динамика в аксонах и дендритах и ​​периоде; Nat Rev Neurosci & period; (2009)
PubMed: 19377501 DOI: 10.1038 / nrn2631

Wloga D et al., Посттрансляционные модификации микротрубочек & период; J Cell Sci & period; (2010)
PubMed: 20

0 DOI: 10.1242 / jcs.063727

Schmoranzer J et al., Роль микротрубочек в слиянии везикул пост-Гольджи с плазматической мембраной & period; Mol Biol Cell & period; (2003)
PubMed: 12686609 DOI: 10.1091 / mbc.E02-08-0500

Skop AR et al., Диссекция протеома среднего тела млекопитающего выявляет механизмы и период консервативного цитокинеза; Наука и период; (2004)
PubMed: 15166316 DOI: 10.1126 / science.1097931

Waters AM et al., Цилиопатии и толстая кишка; расширяющийся спектр болезней и период; Педиатр Нефрол и период; (2011)
PubMed: 21210154 DOI: 10.1007 / s00467-010-1731-7

Matamoros AJ et al., Микротрубочки в здоровье и дегенеративные заболевания нервной системы & период; Brain Res Bull & период; (2016)
PubMed: 27365230 DOI: 10.1016 / j.brainresbull.2016.06.016

Jordan MA et al., Микротрубочки как мишень для противоопухолевых препаратов & период; Nat Rev Рак и период; (2004)
PubMed: 15057285 DOI: 10.1038 / nrc1317

Nunnari J et al., Митохондрии и толстая кишка; в болезни и в здоровье и периоде; Ячейка и период; (2012)
PubMed: 22424226 DOI: 10.1016 / j.cell.2012.02.035

Friedman JR et al., Форма и функция митохондрий и период; Природа и период; (2014)
PubMed: 24429632 DOI: 10.1038 / nature12985

Calvo SE et al., Митохондриальный протеом и человеческое заболевание и период; Annu Rev Genomics Hum Genet & period; (2010)
PubMed: 206 DOI: 10.1146 / annurev-genom-082509-141720

McBride HM et al., Митохондрии и толстая кишка; больше, чем просто электростанция и период; Curr Biol & period; (2006)
PubMed: 16860735 DOI: 10.1016 / j.cub.2006.06.054

Schaefer AM et al., Эпидемиология митохондриальных нарушений — прошлое & запятая; настоящее и будущее и период; Biochim Biophys Acta & period; (2004)
PubMed: 15576042 DOI: 10.1016 / j.bbabio.2004.09.005

Lange A et al., Классические сигналы ядерной локализации & двоеточие; определение & запятая; функция & запятая; и взаимодействие с importin alpha & period; J Biol Chem & period; (2007)
PubMed: 17170104 DOI: 10.1074 / jbc.R600026200

Ашмарина Л.И. и др., 3-гидрокси-3-метилглутарил-кофермент А лиаза & ободочной кишки; нацеливание и процессинг в пероксисомах и митохондриях & период; J Lipid Res & period; (1999)
PubMed: 9869651

Wang SC et al., Ядерная транслокация рецепторов мембранных тирозинкиназ семейства рецепторов эпидермального фактора роста & период; Clin Cancer Res & period; (2009)
PubMed: 19861462 DOI: 10.1158 / 1078-0432.CCR-08-2813

Jeffery CJ & period ;, Moonlighting protein & period; Тенденции Биохимия Наука и период; (1999)
PubMed: 10087914

Jeffery CJ & period ;, Зачем изучать подрабатывающие белки и поиски; Передняя панель Genet & period; (2015)
PubMed: 26150826 DOI: 10.3389 / fgene.2015.00211

Pancholi V & period ;, Многофункциональная альфа-енолаза и толстая кишка; его роль в болезнях и периоде; Cell Mol Life Sci & period; (2001)
PubMed: 11497239 DOI: 10.1007 / pl00000910

Chapple CE et al., Экстремальные многофункциональные белки, идентифицированные из сети взаимодействия белков человека & период; Нац Коммуна & период; (2015)
PubMed: 26054620 DOI: 10.1038 / ncomms8412

Dechat T. et al., Ядерные ламины и толстая кишка; основные факторы структурной организации и функции ядра и хроматина & период; Genes Dev & период; (2008)
PubMed: 18381888 DOI: 10.1101 / gad.1652708

Gruenbaum Y et al., Ядерная пластинка достигает возраста и периода; Nat Rev Mol Cell Biol & period; (2005)
PubMed: 15688064 DOI: 10.1038 / nrm1550

Стурман Н. и др., Ядерные ламины и толстая кишка; их структура и запятая; сборка и запятая; и взаимодействия & период; J Struct Biol & period; (1998)
PubMed: 9724605 DOI: 10.1006 / jsbi.1998.3987

Paine PL et al., Проницаемость ядерной оболочки и период; Природа и период; (1975)
PubMed: 1117994

Reichelt R et al., Корреляция между структурой и массовым распределением ядерного порового комплекса и отдельных компонентов порового комплекса & период; J Cell Biol & period; (1990)
PubMed: 2324201

CALLAN HG et al., Экспериментальные исследования ядер и периода ооцитов амфибий; Я & период; Исследование структуры ядерной мембраны с помощью электронного микроскопа & period; Proc R Soc Lond B Biol Sci & period; (1950)
PubMed: 14786306

WATSON ML & period ;, Ядерная оболочка & semi; его структура и отношение к цитоплазматическим мембранам & период; J Biophys Biochem Cytol & period; (1955)
PubMed: 13242591

BAHR GF et al., Тонкая структура ядерной мембраны личиночной слюнной железы и средней кишки Chironomus & period; Exp Cell Res & period; (1954)
PubMed: 13173504

Terasaki M et al., Новая модель разрушения ядерной оболочки и период; Mol Biol Cell & period; (2001)
PubMed: 11179431

Dultz E et al., Систематический кинетический анализ митотической разборки и повторной сборки ядерной поры в живых клетках & период; J Cell Biol & period; (2008)
PubMed: 18316408 DOI: 10.1083 / jcb.200707026

Salina D et al., Цитоплазматический динеин как посредник разрушения ядерной оболочки & период; Ячейка и период; (2002)
PubMed: 117

Beaudouin J et al., Разрушение ядерной оболочки происходит за счет вызванного микротрубочками разрыва пластинки & period; Ячейка и период; (2002)
PubMed: 117

Gerace L et al., Пластинка ядерной оболочки обратимо деполимеризуется во время митоза & период; Ячейка и период; (1980)
PubMed: 7357605

Ellenberg J et al., Динамика ядерной мембраны и повторная сборка в живых клетках и толстой кишке; нацеливание на белок внутренней ядерной мембраны в интерфазе и митозе & периоде; J Cell Biol & period; (1997)
PubMed: 76

Yang L et al., Интегральные мембранные белки ядерной оболочки рассредоточены по эндоплазматическому ретикулуму во время митоза & период; J Cell Biol & period; (1997)
PubMed: 56

Bione S et al., Идентификация нового Х-сцепленного гена, ответственного за мышечную дистрофию Эмери-Дрейфуса и период; Нат Генет и период; (1994)
PubMed: 7894480 DOI: 10.1038 / ng1294-323

Boisvert FM et al., Многофункциональное ядрышко & период; Nat Rev Mol Cell Biol & period; (2007)
PubMed: 17519961 DOI: 10.1038 / nrm2184

Scheer U et al., Структура и функция ядрышка и период; Curr Opin Cell Biol & period; (1999)
PubMed: 10395554 DOI: 10.1016 / S0955-0674 (99) 80054-4

Németh A et al., Организация генома в ядрышке и вокруг него & точка; Тенденции Genet & period; (2011)
PubMed: 21295884 DOI: 10.1016 / j.tig.2011.01.002

Cuylen S et al., Ki-67 действует как биологическое поверхностно-активное вещество для диспергирования митотических хромосом & период; Природа и период; (2016)
PubMed: 27362226 DOI: 10.1038 / nature18610

Stenström L et al., Картирование протеома ядрышка выявляет пространственно-временную организацию, связанную с внутренним нарушением белков. Мол сист биол. (2020)
PubMed: 32744794 DOI: 10.15252 / msb.20209469

Derenzini M et al., Размер ядра указывает на скорость пролиферации клеток в раковых тканях и период; J Pathol & period; (2000)
PubMed: 10861579 DOI: 10.1002 / (SICI) 1096-9896 (200006) 191: 2 <181 :: AID-PATH607> 3.0.CO; 2-V

Visintin R et al., Ядрышко и толстая кишка ; шляпа фокусника для фокусов клеточного цикла и периода; Curr Opin Cell Biol & period; (2000)
PubMed: 10801456

Marciniak RA et al., Ядерная локализация белка синдрома Вернера в клетках человека & period; Proc Natl Acad Sci U S A & period; (1998)
PubMed: 9618508

Tamanini F et al., Хрупкие X-родственные белки FXR1P и FXR2P содержат функциональный сигнал нацеливания на ядрышки, эквивалентный регуляторным белкам ВИЧ-1 & period; Hum Mol Genet & period; (2000)
PubMed: 10888599

Willemsen R et al., Ассоциация FMRP с частицами-предшественниками рибосом в ядрышке & период; Biochem Biophys Res. Сообщество и период; (1996)
PubMed: 8769090 DOI: 10.1006 / bbrc.1996.1126

Isaac C et al., Характеристика продукта ядрышкового гена & запятая; патока и запятая; в синдроме Тричера Коллинза и периоде; Mol Biol Cell & period; (2000)
PubMed: 10982400

Drygin D et al., Механизм транскрипции РНК-полимеразы I. новая цель для лечения рака и периода; Annu Rev Pharmacol Toxicol & period; (2010)
PubMed: 20055700 DOI: 10.1146 / annurev.pharmtox.010909.105844

Spector DL ​​& period;, Макромолекулярные домены в ядре клетки & period; Annu Rev Cell Biol & period; (1993)
PubMed: 8280462 DOI: 10.1146 / annurev.cb.09.110193.001405

Ламонд А.И. и др., Структура и функция ядра & период; Наука и период; (1998)
PubMed: 9554838

SWIFT H & period;, Исследования ядерной тонкой структуры и периода; Brookhaven Symp Biol & period; (1959)
PubMed: 13836127

Ламонд А.И. и др., Ядерные точки & толстая кишка; модель ядерных органелл и период; Nat Rev Mol Cell Biol & period; (2003)
PubMed: 122 DOI: 10.1038 / nrm1172

Thiry M & period ;, Гранулы межхроматина & период; Histol Histopathol & period; (1995)
PubMed: 8573995

Sleeman JE et al., Вновь собранные snRNP ассоциируются со свернутыми телами до пятен и запятой; предполагая ядерный путь созревания snRNP & период; Curr Biol & period; (1999)
PubMed: 10531003

Darzacq X et al., Малые ядерные РНК, специфичные для тельца Кахаля, & ободочная кишка; новый класс направляющих РНК 2′-O-метилирования и псевдоуридилирования & период; EMBO J & период; (2002)
PubMed: 12032087 DOI: 10.1093 / emboj / 21.11.2746

Jády BE et al., Модификация малых ядерных РНК Sm происходит в нуклеоплазматическом тельце Кахаля после импорта из цитоплазмы & period; EMBO J & период; (2003)
PubMed: 12682020 DOI: 10.1093 / emboj / cdg187

Liu Q et al., Новая ядерная структура, содержащая белок & период выживания моторных нейронов; EMBO J & период; (1996)
PubMed: 8670859

Lefebvre S et al., Идентификация и характеристика гена, определяющего спинальную мышечную атрофию & period; Ячейка и период; (1995)
PubMed: 7813012

Fischer U et al., Комплекс SMN-SIP1 играет важную роль в биогенезе сплайсосомных snRNP & period; Ячейка и период; (1997)
PubMed: 9323130

Lallemand-Breitenbach V et al., PML ядерные тела и период; Cold Spring Harb Perspect Biol & period; (2010)
PubMed: 20452955 DOI: 10.1101 / cshperspect.a000661

Booth DG et al., Ki-67 и отсек периферии хромосомы в митозе и периоде; Trends Cell Biol & period; (2017)
PubMed: 28838621 DOI: 10.1016 / j.tcb.2017.08.001

Ljungberg O et al., Сложная фолликулярно-парафолликулярная клеточная карцинома щитовидной железы и толстой кишки; новая опухоль и квест; Рак и период; (1983)
PubMed: 6136320 DOI: 10.1002 / 1097-0142 (19830915) 52: 6 <1053 :: aid-cncr2820520621> 3.0.co; 2-q

Melcák I et al., Ядерная компартментализация пре-мРНК и толстая кишка; передача выпущенных транскриптов в резервуары и периоды факторов сплайсинга; Mol Biol Cell & period; (2000)
PubMed: 10679009

Spector DL ​​et al., Связи между отдельными компонентами сплайсинга пре-мРНК и ядром клетки & период; EMBO J & период; (1991)
PubMed: 1833187

Misteli T et al., Фосфорилирование белка и ядерная организация сплайсинга пре-мРНК & period; Trends Cell Biol & period; (1997)
PubMed: 17708924 DOI: 10.1016 / S0962-8924 (96) 20043-1

Cmarko D et al., Ультраструктурный анализ транскрипции и сплайсинга в ядре клетки после микроинъекции бром-UTP & period; Mol Biol Cell & period; (1999)
PubMed: 9880337

Van Hooser AA et al., Перихромосомный слой и период; Хромосома и период; (2005)
PubMed: 16136320 DOI: 10.1007 / s00412-005-0021-9

Booth DG et al., Ki-67 представляет собой белок, взаимодействующий с PP1, который организует периферию митотической хромосомы & period; Элиф и период; (2014)
PubMed: 24867636 DOI: 10.7554 / eLife.01641

Kau TR et al., Ядерный транспорт и рак и толстая кишка; от механизма к вмешательству и периоду; Nat Rev Рак и период; (2004)
PubMed: 14732865 DOI: 10.1038 / nrc1274

Laurila K et al., Прогнозирование связанных с заболеванием мутаций, влияющих на локализацию и период белка; BMC Genomics & period; (2009)
PubMed: 19309509 DOI: 10.1186 / 1471-2164-10-122

Park S. et al., Локализация белка как основной признак этиологии и коморбидности генетических заболеваний & период; Мол сист биол и период; (2011)
PubMed: 21613983 DOI: 10.1038 / msb.2011.29

Christoforou A et al., Черновик карты пространственного протеома и периода плюрипотентных стволовых клеток мыши; Нац Коммуна & период; (2016)
PubMed: 26754106 DOI: 10.1038 / ncomms9992

Itzhak DN et al., Global & comma; количественное и динамическое картирование субклеточной локализации и периода белка; Элиф и период; (2016)
PubMed: 27278775 DOI: 10.7554 / eLife.16950

Roux KJ et al., Беспорядочный гибридный белок с биотин-лигазой идентифицирует проксимальные и взаимодействующие белки в клетках млекопитающих & period; J Cell Biol & period; (2012)
PubMed: 22412018 DOI: 10.1083 / jcb.201112098

Lee SY et al., APEX Fingerprinting выявляет субклеточную локализацию интересующих белков & period; Cell Rep & период; (2016)
PubMed: 27184847 DOI: 10.1016 / j.celrep.2016.04.064

Huh WK et al., Глобальный анализ локализации белка у почкующихся дрожжей и период; Природа и период; (2003)
PubMed: 14562095 DOI: 10.1038 / nature02026

Simpson JC et al., Систематическая субклеточная локализация новых белков, идентифицированных с помощью крупномасштабного секвенирования кДНК & период; EMBO Rep & period; (2000)
PubMed: 11256614 DOI: 10.1093 / embo-reports / kvd058

Stadler C et al., Иммунофлуоресценция и мечение флуоресцентным белком показывают высокую корреляцию для локализации белка в клетках млекопитающих. Нат. Методы. 2013 Apr; 10 (4): 315-23 (2013)
PubMed: 23435261 DOI: 10.1038 / nmeth.2377

Barbe L. et al., К конфокальному субклеточному атласу протеома человека. Протеомика клеток Mol. (2008)
PubMed: 18029348 DOI: 10.1074 / mcp.M700325-MCP200

Stadler C et al., Единый протокол фиксации для исследований локализации иммунофлуоресценции в масштабе протеома. Дж. Протеомика. (2010)
PubMed: 19896565 DOI: 10.1016 / j.jprot.2009.10.012

Fagerberg L et al., Картирование субклеточного распределения белка в трех линиях клеток человека. J Proteome Res. (2011)
PubMed: 21675716 DOI: 10.1021 / pr200379a

Baker M & period ;, Кризис воспроизводимости и двоеточие; Во всем виноваты антитела и период; Природа и период; (2015)
PubMed: 25993940 DOI: 10.1038 / 521274a

Jacobson K et al., Боковая организация и подвижность компонентов плазменной мембраны & период; Ячейка и период; (2019)
PubMed: 31051105 DOI: 10.1016 / j.cell.2019.04.018

Kobayashi T. et al., Transbilayer lipid asymmetry & period; Curr Biol & period; (2018)
PubMed: 29689220 DOI: 10.1016 / j.cub.2018.01.007

Krapf D & period ;, Компартментализация плазматической мембраны & период; Curr Opin Cell Biol & period; (2018)
PubMed: 29656224 DOI: 10.1016 / j.ceb.2018.04.002

Garcia MA et al., Соединения «клетка-клетка» организуют структурные и сигнальные сети & period; Cold Spring Harb Perspect Biol & period; (2018)
PubMed: 28600395 DOI: 10.1101 / cshperspect.a029181

Orlando K et al., Мембранная организация и динамика в полярности и периоде клеток; Cold Spring Harb Perspect Biol & period; (2009)
PubMed: 20066116 DOI: 10.1101 / cshperspect.a001321

Eaton RC et al., рецепторы D2 в паравентрикулярном ядре регулируют генитальные реакции и совокупление у самцов крыс & period; Pharmacol Biochem Поведение и период; (1991)
PubMed: 1833780 DOI: 10.1016 / 0091-3057 (91)

-2

Simons K et al., Cholesterol & comma; липидные рафты и запятая; и болезнь и период; J Clin Invest & period; (2002)
PubMed: 12208858 DOI: 10.1172 / JCI16390 Альбертс Б. и др., 2002. Молекулярная биология клетки.4-е издание. Нью-Йорк: Наука о гирляндах.

Границы | S-слой и цитоплазматическая мембрана — исключения из типичной клеточной стенки архей с акцентом на двойные мембраны

Введение

Микроорганизмы и особенно археи можно найти практически в любых экстремальных условиях окружающей среды, хотя они не ограничиваются ими: высокая температура, высокая кислотность, высокое давление, бескислородность, отсутствие органических субстратов. В этих местообитаниях были обнаружены и описаны различные виды гипертермофильных или, в более общем смысле, экстремофильных архей.Следовательно, общий план клетки большинства этих экстремофильных архей и особенно архитектура их клеточной стенки может представлять собой наиболее основную и архаичную версию: псевдокристаллический белковый поверхностный слой (S-слой), так называемый S-слой, который расположен на единственной цитоплазматической мембране, окружающей цитоплазму. Было обнаружено, что этот простой клеточный план присутствует у большинства описанных видов архей. Из-за своей простоты и широкого распространения среди основных групп архей и бактерий Альберс и Мейер (2011) уже заявили, что S-слой может быть вариантом клеточной стенки, который развился самым ранним.S-слой обычно изображает единственный компонент клеточной стенки, особенно внутри кренархей. Гликопротеины S-слоя были впервые обнаружены и широко изучены у галофильных архей, а именно Halobacterium salinarum , а также Haloferax volcanii (Houwink, 1956; Mescher and Strominger, 1976a, b; Lechner and Sumper, 1987; Sumper and Wieland, 1995; Sumper et al., 1990) и Halococcus (Brown and Cho, 1970) или метаногены, такие как Methanosarcina (Kandler and Hippe, 1977), Methanothermus fervidus (Kandler and König, 1993; Kärcher et al., 1993) и Methanococcus видов, таких как Methanococcus vannielii и Methanococcus thermolithotrophicus (Koval and Jarrell, 1987; Nußer and König, 1987). Среди прочего, было проведено несколько исследований, посвященных S-слою у различных видов Sulfolobus . Члены отряда Sulfolobales, например Sulfolobus solfataricus или Metallosphaera sedula , представляют собой модельные организмы для базовой структуры этого типа клеточной стенки (Veith et al., 2009; Альберс и Мейер, 2011).

Но, как показывают различные примеры из прошлого, архитектура клеточной стенки архей не всегда так проста. Помимо (гликозилированных) S-слоев у галофильных, термофильных и гипертермофильных эври, а также у кренархей можно найти большое количество совершенно разных структур клеточной стенки, которые иногда напоминают биологические вещества, также обнаруживаемые у эукариот и бактерий, например глутаминилгликан в натронококках. , метанохондроитин в Methanosarcina или двухслойные клеточные стенки, содержащие псевдомуреин в Methanothermus и Methanopyrus , и это лишь некоторые из них (König et al., 2007; Альберс и Мейер, 2011; Klingl et al., 2013).

Кроме того, обнаружение активированной внешней клеточной мембраны у хорошо описанного Ignicoccus hospitalis и родственных видов уже указывало на возможность наличия внешней мембраны (OM), поскольку она присутствует у грамотрицательных бактерий. Более того, недавние результаты по эвриархе SM1, сверхмалым клеткам ARMAN и Methanomassiliicoccus luminyensis укрепили идею настоящего архейного ОМ и, помимо прочего, также будут обсуждаться здесь (Comolli et al., 2009; Дриди и др., 2012; Perras et al., 2014). И в этом отношении становятся очевидными возможные функции ОМ в отношении бактериальной версии, а также проблемы, связанные с энергетическими проблемами.

Стенки архей

Подобно бактериям, цитоплазма архей окружена цитоплазматической мембраной, состоящей в основном из фосфолипидов фосфат глицерина, хотя и с небольшими различиями в липидном составе мембран (Kates, 1992; Albers and Meyer, 2011; Klingl et al., 2013). Но вместо жирных кислот, связанных с положениями ( sn ) -1,2 глицерина через сложноэфирные связи, липидное ядро ​​архей состоит из изопреноидных единиц C 5 , связанных с глицерином через эфирные связи в специфичных для архей ( sn ) -2,3 позиция (Kates, 1978; Kates, 1992; Albers, Meyer, 2011). Но здесь это обсуждаться не будет, поскольку основное внимание в этом обзоре будет уделено клеточной стенке архей, особенно компонентам, которые расположены за пределами цитоплазматической мембраны.Чаще всего эта клеточная стенка представлена ​​белковым S-слоем. Но, как показывает следующий обзор, существует множество других вариантов клеточной стенки (рис. 1). Согласно некоторым недавним открытиям, особое внимание будет уделено архее, окруженное двойными мембранами.

РИСУНОК 1. Организация клеточной стенки архей. На схематической иллюстрации обобщены наиболее распространенные типы клеточной стенки архей, включая наиболее подходящие роды.С — цитоплазма; ЦМ — цитоплазматическая мембрана; ГК, гликокаликс; GG, глутаминилгликан; HP, гетерополисахарид; ЛП, липогликаны; MC, метанохондроитин; ОКМ, внешняя клеточная мембрана или внешняя мембрана; PM, псевдомуреин; ПС — белковая оболочка; SL, S-слой. На основе König et al. (2007) ASM Press, Вашингтон, округ Колумбия, США.

S-слой

Чаще всего оболочка архейной клетки состоит из S-слоя белка или гликопротеина, так называемого S-слоя, образующего двумерный псевдокристаллический массив на поверхности клетки с отчетливой симметрией (Kandler and König, 1985; Beveridge и Graham, 1991; Baumeister, Lembcke, 1992; Messner and Sleytr, 1992; Kandler and König, 1993; Sumper and Wieland, 1995; Veith et al., 2009; Альберс и Мейер, 2011; Klingl et al., 2013). Они обычно состоят из одного типа (глико-) белка, образующего центральную кристаллическую единицу, состоящую из двух, трех, четырех или шести субъединиц, что соответствует p2-, p3-, p4- или p6-симметрии соответственно (рис. 2; Sleytr. et al., 1988; Sleytr et al., 1999; Eichler, 2003).

РИСУНОК 2. Расположение субъединиц S-слоя с соответствующими типами симметрии. Элементарная ячейка кристаллов 2D-белка обозначена темно-серым цветом. Воспроизведено из Sleytr et al.(1999) с разрешения WILEY-VCH Verlag GmbH, Вайнхайм, Германия

Этот массив белков обычно закреплен в цитоплазматической мембране посредством стебельчатых структур, образующих квазипериплазматическое пространство. Было показано, что постоянные решетки для этих кристаллов S-слоя изменяются от 11 до 30 нм с массой белка от 40 до 325 кДа (Messner and Sleytr, 1992; König et al., 2007). С некоторыми ограничениями, симметрия S-слоя, а также расстояние между центрами могут использоваться в качестве таксономического признака (König et al., 2007; Klingl et al., 2011). Напр., Все белки S-слоя видов Sulfolobus , описанные до сих пор, обнаруживают очень редкую p3-симметрию и расстояние около 21 нм (König et al., 2007; Veith et al., 2009). Эта симметрия считалась уникальной для Sulfolobales, пока недавние открытия, касающиеся S-слоя Nitrososphaera viennensis , не смогли показать, что этот член типа Thaumarchaeota также имеет поверхностный белок с p3-симметрией (Stieglmeier et al., 2014).

Белок S-слоя Halobacterium salinarum был не только первым гликопротеином, обнаруженным у прокариот, но также иллюстрирует тот факт, что S-слои часто сильно гликозилированы (Mescher and Strominger, 1976a, b; Kandler and König, 1998; König et al. al., 2007; Veith et al., 2009; Альберс и Мейер, 2011). Гликозилирование галофильных белков S-слоя увеличивает стабильность белка, а также предотвращает деградацию (Yurist-Doutsch et al., 2008). Помимо ситуации с галофильными археями, гликозилирование может также вносить вклад в термостабилизацию белков S-слоя, как указано в Jarrell et al. (2014).

Что касается потенциальной функции белков S-слоя, было обсуждено несколько возможностей (Engelhardt, 2007a, b): защита от высокой температуры, солености (осмозащита), низкого pH и поддержание формы клетки (экзоскелет).Они обладают высокой температурной стабильностью, особенно в случае кренархей, поскольку они должны выдерживать температуры около 80 ° C и pH ниже 2 в случае Sulfolobales (например, Veith et al., 2009). Здесь важную роль может играть высокая доля заряженных аминокислот, а также ионные взаимодействия (Haney et al., 1999). Другой пример высокой стабильности белков S-слоя был показан для Thermoproteus tenax и Thermofilum pendens , где жесткий мешочек S-слоя даже выдерживает обработку 2% SDS при 100 ° C в течение 30 минут (König and Stetter, 1986; Вильдхабер и Баумейстер, 1987; Кениг и др., 2007). У большинства эвриархей ситуация совершенно иная с высоколабильными белками S-слоя (например, Archaeoglobus fulgidus , König et al., 2007), что также затрудняет выделение белков. Исключением из этих результатов является S-слой Picrophilus , который может быть побочным эффектом его высокой кислотной стабильности.

Для получения дополнительной информации об общих свойствах белков S-слоя, их генетическом фоне и характерных особенностях, внимание читателя следует обратить на некоторые общие обзоры по этой теме (например,г., Claus et al., 2001, 2005; Кениг и др., 2007; Альберс и Мейер, 2011). Кроме того, существует также несколько более целенаправленных исследований белков S-слоя мезофильных и чрезвычайно термофильных архей (Claus et al., 2002), а также мезофильных, термофильных и чрезвычайно термофильных метанококков (Akça et al., 2002).

Псевдомуреин, метанохондроитин и белковые оболочки

Кроме того, псевдомуреин, полимер, который поддерживает форму клеток и, возможно, также защищает клетки, может быть обнаружен в качестве дополнительного соединения второй клеточной стенки у всех видов Methanothermus и Methanopyrus (König et al., 2007). Он показывает сходство с бактериальным пептидогликаном, но обычно состоит из L N -ацетилталозаминуроновой кислоты со связью β-1,3 с D N -ацетилглюкозамином вместо N -ацетилмурамовая кислота, связанная β-1. , 4 до D N -ацетилглюкозамин, как в случае бактериального муреина (пептидогликан). Кроме того, сшивающие аминокислоты в псевдомуреине представлены L-аминокислотами (глутаминовая кислота, аланин, лизин) вместо D -аминокислот в муреине (Kandler and König, 1993; König et al., 1994; Альберс и Мейер, 2011).

В отличие от одиночных клеток, агрегаты Methanosarcina spp. продуцирует вещество, называемое метанохондроитином, покрывающее S-слой, причем последний также присутствует в отдельных клетках (Kreisl and Kandler, 1986; Albers and Meyer, 2011). Метанохондроитин, который похож на хондроитин в соединительной ткани позвоночных (Kjellen and Lindahl, 1991), состоит из повторяющегося тримера двух N -ацетилгалактозаминов и одной глюкуроновой кислоты, но отличается от позвоночного хондроитина молярным соотношением мономеров и тот факт, что он не сульфатирован (Albers and Meyer, 2011).

Метаногенные виды архей Methanospirillum hungatei и Methanosaeta concilii образуют длинные цепи, окруженные белковой оболочкой (Zeikus, Bowen, 1975). Помимо высокой устойчивости к протеазам и детергентам, он также обнаружил паракристаллическую структуру и функционировал как микросито (Kandler and König, 1978; Sprott and McKellar, 1980; König et al., 2007). Особенность этой оболочки заключается в том, что она окружает всю цепочку, а не только отдельные клетки.Каждая клетка отдельно окружена внутренней клеточной стенкой, состоящей из S-слоя ( Methanospirillum hungatei ) или аморфного гранулярного слоя ( Methanosaeta concilii ; Zeikus and Bowen, 1975; Sprott et al., 1979; Zehnder et al. , 1980; Beveridge et al., 1985, 1986; Shaw et al., 1985; Beveridge, Graham, 1991; Firtel et al., 1993; Albers and Meyer, 2011).

Глутаминилгликан и галомуцин

Подобно поли-γ- D -глутамиловым полимерам в Bacillus , Sporosarcina и Planococcus , такие полимеры также были обнаружены в пределах рода Natronococcus (Niemetz et al., 1997). В Natronococcus occultus полиглутамин формирует клеточную стенку, но в отличие от аналогичных полимеров, обнаруженных у бактерий, полимер стенки в этой архее гликозилирован. Он состоит примерно из 60 мономеров, связанных через γ-карбоксильную группу (König et al., 2007).

У чрезвычайно галофильного эвриархея квадратной формы Haloquadratum walsbyi клетки окружены S-слоем на цитоплазматической мембране. В зависимости от штамма C23 T или HBSQ001 клетки H.walsbyi окружены одним или, что более сложно, двумя S-слоями соответственно (Burns et al., 2007). Кроме того, присутствует другой белок, называемый галомуцином, который очень похож на муцин млекопитающих и, вероятно, помогает клеткам развиваться в условиях до 2 M MgCl 2 (Bolhuis et al., 2006). Из-за наличия соответствующих генов M. walsbyi , скорее всего, также окружена капсулой поли-γ-глутамата (Bolhuis et al., 2006; Albers and Meyer, 2011).

Двухслойные клеточные стенки

Как для Methanothermus fervidus , так и для Methanopyrus kandleri описана клеточная оболочка, состоящая из двух отдельных слоев (Stetter et al., 1981; Kurr et al., 1991; König et al., 2007). В первом случае он образован слоем псевдомуреина (толщиной 15–20 нм), покрытым внешним гликопротеином S-слоя с p6-симметрией. В последнем случае ситуация аналогична, за исключением того, что для Methanopyrus не удалось показать регулярное расположение самого внешнего слоя (König et al., 2007). Здесь следует упомянуть, что две слоистые клеточные стенки не ограничиваются только Methanothermus fervidus и Methanopyrus kandleri , потому что другие археи также могут иметь две клеточные стенки, например, виды Methanosarcina покрыты S-слоем. и необязательный слой метанохондроитина. Другой пример — упомянутый ранее H . walsbyi штамм HBSQ001, покрытый двумя S-слоями.

Двойные мембраны

На данный момент описано всего несколько примеров архей, которые не обладают одним из ранее упомянутых полимеров и структур клеточной стенки.У представителей Thermoplasmatales, таких как Ferroplasma acidophilum , полностью отсутствует клеточная стенка, несмотря на то, что они растут в суровых условиях, таких как повышенные температуры и низкий pH. Поэтому считается, что гликокаликс, липогликаны или связанные с мембраной гликопротеины замещают функцию клеточной стенки этих организмов (Albers and Meyer, 2011). Гипертермофильный окисляющий серу вид кренархей Ignicoccus hospitalis был первым археоном, для которого была описана двойная мембранная система (Huber et al., 2002, 2012; Рэйчел и др., 2002; Нэтер и Рэйчел, 2004; Юнглас и др., 2008; Купер и др., 2010). Это также верно для всех других видов рода Ignicoccus , исследованных до настоящего времени. Это очень сложная и динамичная система, ведущая к разделенной на отсеки клетке с огромной периплазмой, заключенной между обеими мембранами. Ширина этой периплазмы может варьироваться от 20 до 1000 нм (König et al., 2007; Huber et al., 2012). Между обеими мембранами есть некоторые явные различия. Внутренняя мембрана (IM) состоит из археола, а также кальдархеола, причем последний образует тетраэфирные липиды и поэтому не может быть разделен в экспериментах по разрыву замораживания (Rachel et al., 2002, 2010; Burghardt et al., 2007; Huber et al., 2012; Klingl et al., 2013), в то время как внешняя клеточная мембрана содержит археол. Кроме того, большинство полярных головных групп гликозилировано (Jahn et al., 2004). Интересно, что АТФ-синтаза, а также S 0 -H оксидоредуктаза, как было показано, расположены в этой самой внешней мембране, а не в цитоплазматической мембране, как можно было ожидать; Ignicoccus hospitalis , таким образом, демонстрирует активированную внешнюю клеточную мембрану (Küper et al., 2010).

Помимо двух мембран Ignicoccus hospitalis и других близкородственных видов рода Ignicoccus , недавние исследования других архей могут также подтвердить двойную мембранную систему этих организмов. Трехмерная криоэлектронная томография на клетках некоторых сверхмалых архей, принадлежащих к филогенетически глубоко разветвленной и некультивируемой линии ARMAN, выявила внутреннюю часть и ОМ, окружающие периплазму (Comolli et al., 2009). В этом частном случае они также обнаружили показания для цитохромов в IM.Во время исследования по выделению ассоциированных с человеком архей был описан новый род, названный Methanomassiliicoccus luminyensis (Dridi et al., 2012). Хотя качество данных об ультраструктуре этого организма было низким, все же можно было распознать электронно-плотный слой вне цитоплазматической мембраны, скорее всего, представленный ОМ. Толстый прозрачный слой, упомянутый в этом исследовании, может изображать периплазму Methanomassiliicoccus luminyensis .В недавнем исследовании ультраструктуры холодолюбивого изолята архей SM1 также может быть задокументирована внешняя клеточная мембрана в дополнение к цитоплазматической мембране (Perras et al., 2014).

Со второй, самой внешней мембраной, вы получаете по крайней мере два отдельных отделения, как у грамотрицательных бактерий: цитоплазма и (псевдо) периплазма (Rigel and Silhavy, 2012). У грамотрицательных бактерий периплазма может составлять около 10% объема клетки и представляет собой окислительную среду, содержащую растворимые белки, тонкий слой пептидогликана и, как правило, без АТФ (Ruiz et al., 2006). В частном случае Ignicoccus объем межмембранного компартмента как аналог бактериальной периплазмы может быть даже выше, чем объем цитоплазмы (Küper et al., 2010). Как и у бактерий, присутствие мембранных белков и пор делает ОМ проницаемым и селективным барьером (Rigel and Silhavy, 2012). Хотя существуют различия в липидном и белковом составе внутренней и внешней клеточной мембраны Ignicoccus hospitalis (Burghardt et al., 2007; Küper et al., 2010) еще предстоит выяснить, присутствует ли в архее также асимметричный OM, содержащий LPS (липополисахарид). У грамотрицательных бактерий можно найти фосфолипидный бислой (IM) и обычно асимметричный бислой в случае OM, включая такие белки, как переносчики или каналы (Ruiz et al., 2006; Rigel and Silhavy, 2012). В OM внутренний листок состоит из фосфолипидов; наружная створка в основном состоит из ЛПС, который важен для барьерной функции ОМ (Ruiz et al., 2006): липид А, сердцевинный олигосахарид и полисахарид О-антигена с вариациями длины. Подобно грамотрицательным бактериям, археи с двумя мембранами имеют несколько проблем: им необходимы липопротеины и интегральные белки ОМ (ОМР) в ОМ. Последние важны для поступления питательных веществ и вывоза продуктов жизнедеятельности, поскольку они служат каналами (Ruiz et al., 2006). Кроме того, это также показывает важность конкретной системы для биогенеза OM и системы секреции у архей, как это было описано, например, для Escherichia coli (Tokuda, 2009).

Сводка и прогноз

Хотя цитоплазматическая мембрана, наложенная S-слоем, изображает наиболее обычную архитектуру клеточной стенки у архей, существуют различные другие версии клеточной стенки, присутствующие как у cren-, так и у euryarchaeota. Поскольку они были изолированы из совершенно разных биотопов, нельзя обобщать, что одно определенное условие окружающей среды приводит к определенному типу клеточной стенки (König et al., 2007), это верно для галофильных архей в частности и всех других архей в целом.С увеличением числа архей, которые, как было описано, окружены двумя мембранами, такими как сверхмалые клетки ARMAN, Methanomassiliicoccus luminyensis или эвриархея SM1, этой теме следует уделять особое внимание. Например, эвриархея SM1 была известна уже более 10 лет, но при этом не было данных о структуре ее клеточной стенки (Rudolph et al., 2001).

Интересно, что общей чертой всех архей, обладающих архитектурой двойной мембраны клеточной стенки, является то, что они тесно взаимодействуют с другими организмами (архей, бактериями, эукариотами), как уже упоминалось Perras et al.(2014), и что их трудно культивировать или вообще не выращивать. На этом этапе все еще можно обсудить, является ли S-слой (Albers and Meyer, 2011) или OM более архаичным соединением клеточной стенки. Благодаря недавно разработанным и усовершенствованным методам выделения и подготовки, текущие исследования должны пролить свет на дальнейшие структурные и биохимические особенности самых внешних клеточных мембран архей. В частности, локализация белковых комплексов, таких как АТФаза, в цитоплазматической мембране, как у грамотрицательных бактерий, или в самой внешней клеточной мембране, как у Ignicoccus hospitalis (Küper et al., 2010) представляется решающим в этом вопросе.

Заявление о конфликте интересов

Автор заявляет, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Исследовательский центр синтетической микробиологии LOEWE (Synmikro) поддержал эту работу. Я хочу поблагодарить Uwe-G. Майеру за предоставление помещения EM в Марбурге и Марион Дебус для оказания технической помощи.

Список литературы

Akça, E., Claus, H., Schultz, N., Karbach, G., Schlott, B., Debaerdemaeker, T., et al. (2002). Гены и производные аминокислотные последовательности белков S-слоя мезофильных, термофильных и чрезвычайно термофильных метанококков. Экстремофилы 6, 351–358. DOI: 10.1007 / s00792-001-0264-1

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Беверидж, Т. Дж., И Грэм, Л. Л. (1991). Поверхностные слои бактерий. Microbiol. Ред. 55, 684–705.

Google Scholar

Беверидж, Т. Дж., Патель, Г. Б., Харрис, Б. Дж., И Спротт, Г. Д. (1986). Ультраструктура Methanothrix concilii , мезофильный уксусно-пластический метаноген. Банка. J. Microbiol. 32, 703–710. DOI: 10,1139 / m86-128

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Bolhuis, H., Palm, P., Wende, A., Falb, M., Rampp, M., Rodriguez-Valera, F., et al. (2006). Геном квадратного архея Haloquadratum walsbyi : жизнь на пределе активности воды. BMC Genomics 7: 169. DOI: 10.1186 / 1471-2164-7-169

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Браун, А. Д., и Чо, К. Дж. (1970). Клеточные стенки чрезвычайно галофильных кокков. Грамположительные бактерии, лишенные мурамовой кислоты. J. Gen. Microbiol. 62, 267–270. DOI: 10.1099 / 00221287-62-2-267

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Burghardt, T., Näther, D. J., Junglas, B., Huber, H., and Rachel, R.(2007). Доминирующий белок внешней мембраны гипертермофильных архей Ignicoccus hospitalis : новый порообразующий комплекс. Мол. Microbiol. 63, 166–176. DOI: 10.1111 / j.1365-2958.2006.05509.x

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бернс, Д. Г., Янссен, П. Х., Ито, Т., Камекура, М., Ли, З., Дженсен, Г. и др. (2007). Haloquadratum walsbyi gen. nov., sp. nov., квадратный галоархеон Уолсби, выделенный из солевых кристаллизаторов в Австралии и Испании. Внутр. J. Syst. Evol. Microbiol. 57, 387–392. DOI: 10.1099 / ijs.0.64690-0

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Клаус, Х., Акча, Э., Дебардемекер, Т., Эврард, К., Деклерк, Дж. П., Харрис, Дж. Р. и др. (2005). Молекулярная организация выбранных белков S-слоя прокариот. Банка. J. Microbiol. 51, 731–743. DOI: 10.1139 / w05-093

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Клауса, Х., Akça E., Debaerdemaeker, T., Evrard, C., Declercq, J. P., and König, H. (2002). Первичная структура выбранных мезофильных и чрезвычайно термофильных белков внешней поверхности архей. Syst. Прил. Microbiol. 25, 3–12. DOI: 10.1078 / 0723-2020-00100

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Claus, H., Akça, E., Schultz, N., Karbach, G., Schlott, B., Debaerdemaeker, T., et al. (2001). «Поверхностные (глико) белки: первичная структура и кристаллизация в условиях микрогравитации», Труды Первого Европейского семинара по экзо- / астробиологии, , ESA SP-496 , Frascati, 806–809.

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | Google Scholar

Комолли, Л. Р., Бейкер, Б. Дж., Даунинг, К. Х., Согерист, К. Э., и Банфилд, Дж. Ф. (2009). Трехмерный анализ структуры и экологии нового сверхмалого археона. ISME J. 3, 159–167. DOI: 10.1038 / ismej.2008.99

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дриди, Б., Фардо, М.-Л., Оливье, Б., Рауль, Д., и Дранкур, М. (2012). Methanomassiliicoccus luminyensis gen. nov., sp. nov., метаногенный археон, выделенный из фекалий человека. Внутр. J. Syst. Evol. Microbiol. 62, 1902–1907. DOI: 10.1099 / ijs.0.033712-0

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фиртель, М., Саутэм, Г., Харауз, Г., и Беверидж, Т. Дж. (1993). Характеристика клеточной стенки покрытого оболочкой метаногена Methanospirillum hungatei Gp1 как S-слоя. J. Bacteriol. 175, 7550–7560.

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | Google Scholar

Haney, P.J., Badger, J.H., Buldak, G.L., Reich, C.I., Woese, C.R., и Olsen, G.J. (1999). Температурная адаптация проанализирована путем сравнения белковых последовательностей мезофильных и чрезвычайно термофильных видов Methanococcus . Proc. Natl. Акад. Sci. США 36, 3578–3583. DOI: 10.1073 / pnas.96.7.3578

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хубер, Х., Хон, М. Дж., Рэйчел, Р., Фукс, Т., Виммер, В. К., и Стеттер, К. О. (2002). Новый тип архей, представленный наноразмерным гипертермофильным симбионтом. Природа 417, 63–67. DOI: 10.1038 / 417063a

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ян У., Саммонс Р., Стурт Х., Гроссджан Э. и Хубер Х. (2004). Состав и источник липидов Nanoarchaeum equitans и их происхождение в цитоплазматической мембране его хозяина Ignicoccus sp.KIN4I. Arch. Microbiol. 182, 404–413. DOI: 10.1007 / s00203-004-0725-x

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст

Джаррелл, К. Г., Динг, Ю., Мейер, Б. Х., Альберс, С.-В., Камински, Л., и Эйхлер, Дж. (2014). N-связанное гликозилирование в архее: структурный, функциональный и генетический анализ. Microbiol. Мол. Биол. Ред. 78, 304–341. DOI: 10.1128 / MMBR.00052-13

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Юнглас, Б., Briegel, A., Burghardt, T., Walther, P., Wirth, R., Huber, H., et al. (2008). Ignicoccus hospitalis и Nanoarchaeum equitans : ультраструктура, межклеточное взаимодействие и трехмерная реконструкция из серийных срезов замороженных клеток и с помощью электронной криотомографии. Arch. Microbiol. 190, 395–408. DOI: 10.1007 / s00203-008-0402-6

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кандлер О. и Кениг Х.(1985). «Оболочки клеток архебактерий» в журнале The Bacteria. Трактат о структуре и функциях. Archaebacteria , Vol. VIII, К. Р. Вёзе и Р. С. Вулф (Нью-Йорк: Academic Press), 413–457.

Google Scholar

Кандлер О. и Кениг Х. (1993). «Клеточные оболочки архей: структура и химия», в Биохимия архей (Archaebacteria) , ред. М. Кейтс, Д. Кушер и А. Т. Матесон (Амстердам: научная публикация Elsevier), 223–333.

Google Scholar

Кандлер, О., и Кениг, Х. (1998). Полимеры клеточной стенки архей (Archaebacteria). Cell Mol. Life Sci. 54, 305–308. DOI: 10.1007 / s000180050156

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Kärcher, U., Schröder, H., Haslinger, E., Allmeier, G., Schreiner, R., Wieland, F., et al. (1993). Первичная структура гетеросахарида поверхностного гликопротеина Methanothermus fervidus . J. Biol. Chem. 268, 26821–26826.

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | Google Scholar

Кейтс, М.(1992). Липиды архебактерий: структура, биосинтез и функции. Biochem. Soc. Symp. 58, 51–72.

Google Scholar

Кьеллен Л. и Линдаль У. (1991). Протеогликаны: структуры и взаимодействия. Annu. Rev. Biochem. 60, 443–475. DOI: 10.1146 / annurev.bi.60.070191.002303

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Klingl, A., Flechsler, J., Heimerl, T., and Rachel, R. (2013). Архейские клетки. В: eLS. John Wiley & Sons, Ltd: Чичестер.

Klingl, A., Moissl-Eichinger, C., Wanner, G., Zweck, J., Huber, H., Thomm, M., et al. (2011). Анализ поверхностных белков штамма Acidithiobacillus ferrooxidans SP5 / 1 и нового пиритоокисляющего изолята Acidithiobacillus HV2 / 2 и их возможное участие в окислении пирита. Arch. Microbiol. 193, 867–882. DOI: 10.1007 / s00203-011-0720-y

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кениг, Х., Хартманн Э. и Керхер У. (1994). Пути и принципы биосинтеза полимеров клеточной стенки метанобактерий. Syst. Прил. Microbiol. 16, 510–517. DOI: 10.1016 / S0723-2020 (11) 80320-6

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кениг, Х., Рэйчел, Р. и Клаус, Х. (2007). «Белковые поверхностные слои архей: ультраструктура и биохимия», в Археи: молекулярная и клеточная биология , изд. Р. Кавиккиоли (Вашингтон, округ Колумбия: издательство Американского общества микробиологии), 315–340.

Google Scholar

Kreisl, P., and Kandler, O. (1986). Химическая структура полимера клеточной стенки Methanosarcina . Syst. Прил. Microbiol. 7, 293–299. DOI: 10.1016 / S0723-2020 (86) 80022-4

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Купер У., Мейер К., Мюллер В., Рэйчел Р. и Хубер Х. (2010). Энергетическая внешняя мембрана и пространственное разделение метаболических процессов у гипертермофильного архея Ignicoccus hospitalis . Proc. Natl. Акад. Sci. США 107, 3152–3156. DOI: 10.1073 / pnas.0

1107

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Курр М., Хубер Р., Кениг Х., Яннаш Х. В., Фрике Х., Тринконе А. и др. (1991). Methanopyrus kandleri , gen. и sp. ноя представляет новую группу гипертермофильных метаногенов, растущих при 110 ° C. Arch. Microbiol. 156, 239–247. DOI: 10.1007 / BF00262992

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лехнер, Дж., и Сампер, М. (1987). Первичная структура прокариотического гликопротеина. Клонирование и секвенирование гена гликопротеина клеточной поверхности галобактерий. J. Biol. Chem. 262, 9724–9729.

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | Google Scholar

Mescher, M. F. и Strominger, J. L. (1976a). Очистка и характеристика прокариотического гликопротеина из клеточной оболочки Halobacterium salinarium . J. Biol. Chem. 251, 2005–2014.

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | Google Scholar

Месснер П. и Слейтр У. Б. (1992). Кристаллические слои бактериальной клетки на поверхности. Adv. Микробный. Physiol. 33, 213–274. DOI: 10.1016 / S0065-2911 (08) 60218-0

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ниемец, Р., Керхер, У., Кандлер, О., Тиндалл, Б., и Кениг, Х. (1997). Полимер клеточной стенки чрезвычайно галофильного архея Natronococcus occultus . Eur.J. Biochem. 249, 905–911. DOI: 10.1111 / j.1432-1033.1997.00905.x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Nußer, E., and König, H. (1987). Исследования S-слоя трех видов Methanococcus , живущих при разных температурах. Банка. J. Microbiol. 33, 256–261. DOI: 10.1139 / m87-043

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Перрас А. К., Ваннер Г., Клингл А., Мора М., Ауэрбах А. К., Хайнц В. и др. (2014). Борьба с архей: ультраструктурный анализ некультивируемых, холодолюбивых архей и их биопленок. Фронт. Microbiol. 5: 397. DOI: 10.3389 / fmicb.2014.00397

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Рэйчел Р., Мейер К., Клингл А., Гюрстер С., Хеймерл Т., Вассербургер Н. и др. (2010). Анализ ультраструктуры архей с помощью электронной микроскопии. Methods Cell Biol. 96, 47–69. DOI: 10.1016 / S0091-679X (10) 96003-2

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Рудольф, К., Ваннер, Г.и Хубер Р. (2001). Природные сообщества новых архей и бактерий, произрастающих в холодных сернистых источниках с жемчужной морфологией. Заявл. Environ. Microbiol. 67, 2336–2344. DOI: 10.1128 / AEM.67.5.2336-2344.2001

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шоу, П. Дж., Хиллс, Дж. Дж., Хенвуд, Дж. А., Харрис, Дж. Э. и Арчер, Д. Б. (1985). Трехмерная архитектура оболочки и перегородок клетки Methanospirillum hungatei . J. Bacteriol. 161, 750–757.

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | Google Scholar

Sleytr, U. B., Messner, P., Pum, D., and Sára, M. (1988). «Кристаллические поверхностные слои бактериальных клеток» в Труды семинара EMBO по поверхностным кристаллическим слоям бактерий . Берлин: Springer Verlag.

Google Scholar

Sleytr, U. B., Messner, P., Pum, D., and Sára, M. (1999). Кристаллические поверхностные слои бактериальных клеток (S-слои): от супрамолекулярной клеточной структуры до биомиметики и нанотехнологий. Angew. Chem. Int. Эд. Англ. 38, 1034–1054. DOI: 10.1002 / (SICI) 1521-3773 (199

) 38: 8

<1034 :: AID-ANIE1034> 3.0.CO; 2- #

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Спротт, Г. Д., Колвин, Дж. Р., и Маккеллар, Р. К. (1979). Сферобласты Methanospirillum hungatai образовывались при обработке дитиотреитолом. Банка. J. Microbiol. 25, 730–738. DOI: 10,1139 / m79-106

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Спротт, Г.Д., и МакКеллар, Р. С. (1980). Состав и свойства клеточной стенки Methanospirillum hungatei . Банка. J. Microbiol. 26, 115–120. DOI: 10.1139 / m80-017

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Stetter, K.O., Thomm, M., Winter, J., Wildgruber, G., Huber, H., Zillig, W., et al. (1981). Methanothermus fervidus , sp. nov., новый чрезвычайно теплолюбивый метаноген, выделенный из исландских горячих источников. Zbl. Бакт. Hyg. Я.Abt. Ориг. C2, 166–178.

Google Scholar

Стиглмайер, М., Клингл, А., Риттманн, С., Алвес, Р. Э., Мельчер, М., Лейш, Н. и др. (2014). Nitrososphaera viennensis sp. nov., аэробная и мезофильная архея, окисляющая аммиак, из почвы и член нового архейного типа Thaumarchaeota. Внутр. J. Syst. Evol. Microbiol. 64, 2738–2752. DOI: 10.1099 / ijs.0.063172-0

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шумпер, М.и Виланд Ф. Т. (1995). «Бактериальные гликопротеины» в Glycoproteins , ред. J. Montreuil, J. F. G. Vliegenthart и H. Schachter (Амстердам: Elsevier), 455–473.

Google Scholar

Veith, A., Klingl, A., Zolghadr, B., Lauber, K., Mentele, R., Lottspeich, F., et al. (2009). Acidianus , Sulfolobus и Metallosphaera Поверхностные слои: структура, состав и экспрессия генов. Мол. Microbiol. 73, 58–72. DOI: 10.1111 / j.1365-2958.2009.06746.x

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Вильдхабер И. и Баумейстер В. (1987). Оболочка клеток Thermoproteus tenax : трехмерная структура поверхностного слоя и его роль в поддержании формы. EMBO J. 6, 1475–1480.

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | Google Scholar

Юрист-Дауч, С., Чабан, Б., Ван Дайк, Д. Дж., Джаррелл, К. Ф., и Эйхлер, Дж.(2008). Сладкое до крайности: гликозилирование белков в архее. Мол. Microbiol. 68, 1079–1084. DOI: 10.1111 / j.1365-2958.2008.06224.x

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст | Google Scholar

3.1 Клеточная мембрана — анатомия и физиология

Несмотря на различия в структуре и функциях, все живые клетки в многоклеточных организмах имеют окружающую клеточную мембрану. Поскольку внешний слой вашей кожи отделяет ваше тело от окружающей среды, клеточная мембрана (также известная как плазматическая мембрана) отделяет внутреннее содержимое клетки от внешней среды.Эта клеточная мембрана обеспечивает защитный барьер вокруг клетки и регулирует, какие материалы могут проходить внутрь или наружу.

Структура и состав клеточной мембраны

Клеточная мембрана представляет собой чрезвычайно гибкую структуру, состоящую в основном из взаимно расположенных фосфолипидов («бислой»). Также присутствует холестерин, который способствует текучести мембраны, и есть различные белки, встроенные в мембрану, которые выполняют множество функций.

Одиночная молекула фосфолипида имеет фосфатную группу на одном конце, называемую «головкой», и две расположенные рядом друг с другом цепи жирных кислот, которые составляют липидные «хвосты» (рис.2). Фосфатная группа заряжена отрицательно, что делает голову полярной и гидрофильной — или «водолюбивой». Гидрофильная молекула (или область молекулы) притягивается к воде. Таким образом, фосфатные головки притягиваются к молекулам воды как внеклеточной, так и внутриклеточной среды. С другой стороны, липидные хвосты не заряжены или неполярны и являются гидрофобными или «водобоязненными». Гидрофобная молекула (или участок молекулы) отталкивается и отталкивается водой. Некоторые липидные хвосты состоят из насыщенных жирных кислот, а некоторые содержат ненасыщенные жирные кислоты.Эта комбинация добавляет плавности постоянно находящимся в движении хвостам. Таким образом, фосфолипиды представляют собой амфипатические молекулы. Амфипатическая молекула — это молекула, которая содержит как гидрофильную, так и гидрофобную области. Фактически, мыло удаляет масляные и жирные пятна, потому что оно обладает амфипатическими свойствами. Гидрофильная часть может растворяться в воде, в то время как гидрофобная часть может улавливать жир в мицеллах, которые затем можно смыть.

Рис. 3.2 Структура фосфолипида Молекула фосфолипида состоит из полярной фосфатной «головы», которая является гидрофильной, и неполярного липидного «хвоста», которая является гидрофобной.Ненасыщенные жирные кислоты приводят к изгибам гидрофобных хвостов.

Клеточная мембрана состоит из двух смежных слоев фосфолипидов. Липидные хвосты одного слоя обращены к липидным хвостам другого слоя, встречаясь на границе двух слоев. Головки фосфолипидов обращены наружу, причем один слой находится внутри клетки, а другой — снаружи (рис. 3.3). Поскольку фосфатные группы полярны и гидрофильны, они притягиваются к воде во внутриклеточной жидкости.Внутриклеточная жидкость (ICF) — это жидкость внутри клетки. Фосфатные группы также притягиваются к внеклеточной жидкости. Внеклеточная жидкость (ECF) — это жидкая среда за пределами клеточной мембраны. Интерстициальная жидкость (IF) — это термин, обозначающий внеклеточную жидкость, не содержащуюся в кровеносных сосудах. Поскольку липидные хвосты гидрофобны, они встречаются во внутренней области мембраны, исключая водянистую внутриклеточную и внеклеточную жидкость из этого пространства. Клеточная мембрана содержит множество белков, а также другие липиды (например, холестерин), которые связаны с бислоем фосфолипидов.Важной особенностью мембраны является то, что она остается текучей; липиды и белки в клеточной мембране не закреплены жестко на месте.

Рис. 3.3. Фосфолипидный бислой. Фосфолипидный бислой состоит из двух соседних листов фосфолипидов, расположенных хвостом к хвосту. Гидрофобные хвосты соединяются друг с другом, образуя внутреннюю часть мембраны. Полярные головки контактируют с жидкостью внутри и снаружи ячейки.

Мембранные белки

Липидный бислой составляет основу клеточной мембраны, но он полностью усеян различными белками.Два разных типа белков, которые обычно связаны с клеточной мембраной, — это интегральные белки и периферический белок (рис. 3.4). Как следует из названия, интегральный белок — это белок, встроенный в мембрану. Канальный белок является примером интегрального белка, который избирательно позволяет определенным материалам, таким как определенные ионы, проходить внутрь или из клетки.

Рис. 3.4 Клеточная мембрана Клеточная мембрана клетки представляет собой бислой фосфолипидов, содержащий множество различных молекулярных компонентов, включая белки и холестерин, некоторые с присоединенными углеводными группами.

Другой важной группой интегральных белков являются белки распознавания клеток, которые служат для обозначения идентичности клетки, чтобы ее могли распознать другие клетки. Рецептор — это тип белка распознавания, который может избирательно связывать определенную молекулу вне клетки, и это связывание вызывает химическую реакцию внутри клетки. Лиганд — это специфическая молекула, которая связывается с рецептором и активирует его. Некоторые интегральные белки выполняют двойную роль как рецептор, так и ионный канал. Одним из примеров взаимодействия рецептор-лиганд являются рецепторы нервных клеток, которые связывают нейротрансмиттеры, такие как дофамин.Когда молекула дофамина связывается с белком рецептора дофамина, канал в трансмембранном белке открывается, позволяя определенным ионам проникать в клетку.

Некоторые интегральные мембранные белки являются гликопротеинами. Гликопротеин — это белок, к которому прикреплены молекулы углеводов, которые проникают во внеклеточный матрикс. Прикрепленные углеводные метки на гликопротеинах помогают в распознавании клеток. Углеводы, которые происходят из мембранных белков и даже из некоторых мембранных липидов, вместе образуют гликокаликс.Гликокаликс представляет собой нечеткое покрытие вокруг клетки, образованное гликопротеинами и другими углеводами, прикрепленными к клеточной мембране. Гликокаликс может выполнять различные роли. Например, он может иметь молекулы, которые позволяют клетке связываться с другой клеткой, он может содержать рецепторы гормонов или может содержать ферменты, расщепляющие питательные вещества. Гликокализы, обнаруженные в организме человека, являются продуктами его генетической структуры. Они придают каждой из триллионов клеток человека «идентичность» принадлежности к его телу.Эта идентичность — основной способ, которым клетки иммунной защиты человека «знают» не атаковать клетки собственного тела человека, но это также причина, по которой органы, пожертвованные другим человеком, могут быть отвергнуты.

Периферические белки обычно находятся на внутренней или внешней поверхности липидного бислоя, но также могут быть прикреплены к внутренней или внешней поверхности интегрального белка. Эти белки обычно выполняют определенную функцию для клетки. Например, некоторые периферические белки на поверхности клеток кишечника действуют как пищеварительные ферменты, расщепляя питательные вещества до размеров, которые могут проходить через клетки в кровоток.

Транспорт через клеточную мембрану

Одно из величайших чудес клеточной мембраны — это ее способность регулировать концентрацию веществ внутри клетки. Эти вещества включают ионы, такие как Ca ++ , Na + , K + и Cl ; питательные вещества, включая сахара, жирные кислоты и аминокислоты; и продукты жизнедеятельности, особенно диоксид углерода (CO 2 ), которые должны покинуть ячейку.

Двухслойная липидная структура мембраны обеспечивает первый уровень контроля.Фосфолипиды плотно упакованы вместе, и мембрана имеет гидрофобную внутреннюю часть. Эта структура делает мембрану избирательно проницаемой. Мембрана, обладающая избирательной проницаемостью, позволяет без посторонней помощи проходить через нее только веществам, отвечающим определенным критериям. В случае клеточной мембраны только относительно небольшие неполярные материалы могут перемещаться через липидный бислой (помните, липидные хвосты мембраны неполярны). Некоторыми примерами этого являются другие липиды, кислород и углекислый газ, а также спирт.Однако водорастворимые материалы, такие как глюкоза, аминокислоты и электролиты, нуждаются в некоторой помощи для прохождения через мембрану, потому что они отталкиваются гидрофобными хвостами фосфолипидного бислоя. Все вещества, которые проходят через мембрану, делают это одним из двух общих методов, которые классифицируются в зависимости от того, требуется ли энергия. Пассивный транспорт — это движение веществ через мембрану без затрат клеточной энергии. Напротив, активный транспорт — это движение веществ через мембрану с использованием энергии аденозинтрифосфата (АТФ).

Пассивный транспорт

Чтобы понять , как веществ пассивно перемещаются через клеточную мембрану, необходимо понимать градиенты концентрации и диффузию. Градиент концентрации — это разница в концентрации вещества в пространстве. Молекулы (или ионы) будут распространяться / диффундировать от того места, где они более сконцентрированы, к месту, где они менее концентрированы, до тех пор, пока они не будут равномерно распределены в этом пространстве. (Когда молекулы движутся таким образом, они, как говорят, перемещаются на вниз на своего градиента концентрации.) Диффузия — это перемещение частиц из области с более высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией. Несколько общих примеров помогут проиллюстрировать эту концепцию. Представьте, что вы находитесь в закрытой ванной. Если распылить флакон духов, молекулы аромата естественным образом распространятся из места, где они оставили флакон, во все углы ванной комнаты, и это распространение будет продолжаться до тех пор, пока не исчезнет градиент концентрации. Другой пример — ложка сахара, помещенная в чашку чая.В конце концов сахар будет распространяться по всему чаю, пока не исчезнет градиент концентрации. В обоих случаях, если в комнате теплее или чай горячее, диффузия происходит еще быстрее, поскольку молекулы сталкиваются друг с другом и распространяются быстрее, чем при более низких температурах. Таким образом, внутренняя температура тела около 98,6 ° F также способствует диффузии частиц внутри тела.

Интерактивная ссылка

Перейдите по этой ссылке, чтобы увидеть диффузию и то, как она приводится в движение кинетической энергией молекул в растворе.Как температура влияет на скорость диффузии и почему?

Когда какое-либо вещество существует в большей концентрации на одной стороне полупроницаемой мембраны, такой как клеточные мембраны, любое вещество, которое может двигаться вниз по градиенту своей концентрации через мембрану, будет делать это. Рассмотрим вещества, которые могут легко диффундировать через липидный бислой клеточной мембраны, такие как газы кислород (O 2 ) и CO 2 . O 2 обычно диффундирует в клетки, потому что он более сконцентрирован вне них, а CO 2 обычно диффундирует из клеток, потому что он более сконцентрирован внутри них.Ни один из этих примеров не требует энергии со стороны клетки, и поэтому они используют пассивный транспорт для перемещения через мембрану.

Прежде чем двигаться дальше, вам нужно рассмотреть газы, которые могут диффундировать через клеточную мембрану. Поскольку клетки быстро потребляют кислород во время метаболизма, обычно внутри клетки концентрация O 2 ниже, чем снаружи. В результате кислород будет диффундировать из межклеточной жидкости непосредственно через липидный бислой мембраны в цитоплазму внутри клетки.С другой стороны, поскольку клетки продуцируют CO 2 в качестве побочного продукта метаболизма, концентрации CO 2 повышаются в цитоплазме; следовательно, CO 2 будет перемещаться из клетки через липидный бислой в интерстициальную жидкость, где его концентрация ниже. Этот механизм движения молекул через клеточную мембрану со стороны, где они более сконцентрированы, к стороне, где они менее сконцентрированы, представляет собой форму пассивного транспорта, называемого простой диффузией (Рисунок 3.5).

Рис. 3.5 Простая диффузия через клеточную (плазменную) мембрану Структура липидного бислоя позволяет небольшим незаряженным веществам, таким как кислород и углекислый газ, и гидрофобным молекулам, таким как липиды, проходить через клеточную мембрану вниз по градиенту их концентрации. простая диффузия.

Большие полярные или ионные молекулы, которые являются гидрофильными, не могут легко пересечь фосфолипидный бислой. Очень маленькие полярные молекулы, такие как вода, могут пересекаться посредством простой диффузии из-за своего небольшого размера.Заряженные атомы или молекулы любого размера не могут пересечь клеточную мембрану посредством простой диффузии, поскольку заряды отталкиваются гидрофобными хвостами внутри бислоя фосфолипидов. Растворенные вещества, растворенные в воде по обе стороны от клеточной мембраны, будут стремиться диффундировать вниз по градиенту их концентрации, но поскольку большинство веществ не могут свободно проходить через липидный бислой клеточной мембраны, их движение ограничивается белковыми каналами и специализированными транспортными механизмами в мембране. .Облегченная диффузия — это процесс диффузии, используемый для тех веществ, которые не могут пересекать липидный бислой из-за своего размера, заряда и / или полярности (рис. 3.6). Типичным примером облегченной диффузии является перемещение глюкозы в клетку, где она используется для производства АТФ. Хотя глюкоза может быть более концентрированной вне клетки, она не может пересекать липидный бислой посредством простой диффузии, потому что он является одновременно большим и полярным. Чтобы решить эту проблему, специальный белок-носитель, называемый переносчиком глюкозы, будет переносить молекулы глюкозы в клетку, чтобы облегчить ее внутреннюю диффузию.

Рис. 3.6. Облегченная диффузия (a) Облегченная диффузия веществ, пересекающих клеточную (плазматическую) мембрану, происходит с помощью белков, таких как канальные белки и белки-носители. Канальные белки менее избирательны, чем белки-носители, и обычно легко различают свой груз в зависимости от размера и заряда. (б) Белки-носители более селективны, часто позволяя пересекаться только одному конкретному типу молекул.

В качестве примера, хотя ионы натрия (Na + ) сильно сконцентрированы вне клеток, эти электролиты заряжены и не могут проходить через неполярный липидный бислой мембраны.Их диффузии способствуют мембранные белки, которые образуют натриевые каналы (или «поры»), так что ионы Na + могут перемещаться вниз по градиенту их концентрации из-за пределов клеток внутрь клеток. Есть много других растворенных веществ, которые должны пройти через облегченную диффузию, чтобы попасть в клетку, например, аминокислоты, или выйти из клетки, например, отходы. Поскольку облегченная диффузия — это пассивный процесс, он не требует затрат энергии клеткой.

Вода также может свободно перемещаться через клеточную мембрану всех клеток либо через белковые каналы, либо скользя между липидными хвостами самой мембраны.Осмос — это диффузия воды через полупроницаемую мембрану (рис. 3.7).

Рисунок 3.7 Осмос Осмос — это диффузия воды через полупроницаемую мембрану вниз по градиенту ее концентрации. Если мембрана проницаема для воды, но не для растворенного вещества, вода выровняет свою концентрацию, диффундируя в сторону более низкой концентрации воды (и, следовательно, в сторону более высокой концентрации растворенного вещества). В стакане слева раствор с правой стороны мембраны гипертонический.

Движение молекул воды само по себе не регулируется некоторыми клетками, поэтому важно, чтобы эти клетки подвергались воздействию среды, в которой концентрация растворенных веществ вне клеток (во внеклеточной жидкости) равна концентрации растворенных веществ. внутри клеток (в цитоплазме). Два раствора с одинаковой концентрацией растворенных веществ называются изотоническими (равное натяжение). Когда клетки и их внеклеточная среда изотоничны, концентрация молекул воды одинакова снаружи и внутри клеток, и клетки сохраняют свою нормальную форму (и функцию).

Осмос возникает, когда существует дисбаланс растворенных веществ вне клетки по сравнению с внутри клетки. Раствор, который имеет более высокую концентрацию растворенных веществ, чем другой раствор, называется гипертоническим, а молекулы воды имеют тенденцию диффундировать в гипертонический раствор (рис. 3.8). Клетки в гипертоническом растворе будут сморщиваться, когда вода покидает клетку посредством осмоса. Напротив, раствор, который имеет более низкую концентрацию растворенных веществ, чем другой раствор, считается гипотоническим, а молекулы воды имеют тенденцию диффундировать из гипотонического раствора.Клетки в гипотоническом растворе будут поглощать слишком много воды и набухать, что в конечном итоге может привести к разрыву. Важнейшим аспектом гомеостаза живых существ является создание внутренней среды, в которой все клетки тела находятся в изотоническом растворе. Различные системы органов, особенно почки, работают над поддержанием этого гомеостаза.

Рис. 3.8 Концентрация растворов Гипертонический раствор имеет более высокую концентрацию растворенного вещества, чем другой раствор. Изотонический раствор имеет концентрацию растворенного вещества, равную другому раствору.Гипотонический раствор имеет меньшую концентрацию растворенного вещества, чем другой раствор.

Другой механизм помимо диффузии для пассивной транспортировки материалов между отсеками — фильтрация. В отличие от диффузии вещества от более концентрированного до менее концентрированного, фильтрация использует градиент гидростатического давления, который выталкивает жидкость — и растворенные в ней вещества — из области с более высоким давлением в область с более низким давлением. Фильтрация — чрезвычайно важный процесс в организме. Например, кровеносная система использует фильтрацию для перемещения плазмы и веществ через эндотелиальную выстилку капилляров в окружающие ткани, снабжая клетки питательными веществами.Давление фильтрации в почках обеспечивает механизм удаления отходов из кровотока.

Активный транспорт

Для всех методов транспортировки, описанных выше, ячейка не расходует энергию. Мембранные белки, которые помогают в пассивном переносе веществ, делают это без использования АТФ. Во время активного транспорта АТФ требуется для перемещения вещества через мембрану, часто с помощью белков-носителей, и обычно против его градиента концентрации.

Один из наиболее распространенных типов активного транспорта включает белки, которые служат насосами.Слово «насос», вероятно, вызывает в воображении мысли об использовании энергии для накачки шины велосипеда или баскетбольного мяча. Точно так же энергия АТФ требуется этим мембранным белкам для переноса веществ — молекул или ионов — через мембрану, обычно против градиентов их концентрации (из области с низкой концентрацией в область с высокой концентрацией).

Натрий-калиевый насос, который также называется Na + / K + АТФаза, транспортирует натрий из клетки, одновременно перемещая калий в клетку.Насос Na + / K + — важный ионный насос, обнаруженный в мембранах многих типов клеток. Эти насосы особенно распространены в нервных клетках, которые постоянно выкачивают ионы натрия и притягивают ионы калия для поддержания электрического градиента через клеточные мембраны. Электрический градиент — это разница в электрическом заряде в пространстве. В случае нервных клеток, например, существует электрический градиент между внутренней и внешней частью клетки, при этом внутренняя часть заряжена отрицательно (около -70 мВ) относительно внешней стороны.Отрицательный электрический градиент сохраняется, потому что каждый насос Na + / K + перемещает три иона Na + из клетки и два иона K + в клетку для каждой используемой молекулы АТФ (рис. 3.9) . Этот процесс настолько важен для нервных клеток, что на него приходится большая часть использования ими АТФ.

Рис. 3.9. Натрий-калиевый насос. Натрий-калиевый насос находится во многих клеточных (плазматических) мембранах. Насос, работающий от АТФ, перемещает ионы натрия и калия в противоположных направлениях, каждый против своего градиента концентрации.За один цикл насоса три иона натрия вытесняются из ячейки, а два иона калия импортируются в ячейку.

Активные транспортные насосы могут также работать вместе с другими активными или пассивными транспортными системами для перемещения веществ через мембрану. Например, натрий-калиевый насос поддерживает высокую концентрацию ионов натрия вне клетки. Следовательно, если клетке нужны ионы натрия, все, что ей нужно сделать, это открыть пассивный натриевый канал, поскольку градиент концентрации ионов натрия заставит их диффундировать в клетку.Таким образом, действие активного транспортного насоса (натрий-калиевый насос) обеспечивает пассивный транспорт ионов натрия, создавая градиент концентрации. Когда активный транспорт обеспечивает перенос другого вещества таким образом, это называется вторичным активным транспортом.

Симпортеры — это вторичные активные переносчики, которые перемещают два вещества в одном направлении. Например, симпортер натрий-глюкоза использует ионы натрия, чтобы «втягивать» молекулы глюкозы в клетку. Поскольку клетки хранят глюкозу для получения энергии, глюкоза обычно находится в более высокой концентрации внутри клетки, чем снаружи.Однако из-за действия натрий-калиевого насоса ионы натрия легко диффундируют в клетку при открытии симпортера. Поток ионов натрия через симпортер обеспечивает энергию, которая позволяет глюкозе перемещаться через симпортер в клетку против градиента ее концентрации.

И наоборот, антипортеры — это вторичные активные транспортные системы, которые транспортируют вещества в противоположных направлениях. Например, антипортер ионов натрия-водорода использует энергию поступающего внутрь потока ионов натрия для перемещения ионов водорода (H +) из клетки.Натрий-водородный антипортер используется для поддержания pH внутри клетки.

Другие формы активного транспорта не связаны с мембранными переносчиками. Эндоцитоз (попадание «в клетку») — это процесс поглощения клеткой материала путем охвата его частью своей клеточной мембраны с последующим отщипыванием этой части мембраны (рис. 3.10). После защемления часть мембраны и ее содержимое становятся независимыми внутриклеточными пузырьками. Везикула — это перепончатый мешок — сферическая полая органелла, ограниченная двухслойной липидной мембраной.Эндоцитоз часто приносит в клетку материалы, которые необходимо расщепить или переварить. Фагоцитоз («поедание клеток») — это эндоцитоз крупных частиц. Многие иммунные клетки участвуют в фагоцитозе вторгающихся патогенов. Как и маленькие пакмены, их работа — патрулировать ткани тела на предмет нежелательных веществ, таких как вторжение в бактериальные клетки, фагоцитировать и переваривать их. В отличие от фагоцитоза, пиноцитоз («питье клетки») переносит жидкость, содержащую растворенные вещества, в клетку через мембранные везикулы.

Рисунок 3.10 Три формы эндоцитоза Эндоцитоз — это форма активного транспорта, при котором клетка окружает внеклеточные материалы, используя свою клеточную мембрану. (а) При фагоцитозе, который является относительно неселективным, клетка поглощает крупную частицу. (б) При пиноцитозе клетка поглощает мелкие частицы жидкости. (c) Напротив, рецепторно-опосредованный эндоцитоз довольно селективен. Когда внешние рецепторы связывают определенный лиганд, клетка отвечает эндоцитозом лиганда.

Фагоцитоз и пиноцитоз захватывают большие части внеклеточного материала, и они, как правило, не обладают высокой избирательностью в отношении веществ, которые они приносят.Клетки регулируют эндоцитоз определенных веществ через рецептор-опосредованный эндоцитоз. Рецептор-опосредованный эндоцитоз — это эндоцитоз части клеточной мембраны, содержащей множество рецепторов, специфичных для определенного вещества. Как только поверхностные рецепторы свяжут достаточное количество специфического вещества (лиганда рецептора), клетка будет эндоцитозировать часть клеточной мембраны, содержащую комплексы рецептор-лиганд. Таким образом эритроциты эндоцитируют железо, необходимый компонент гемоглобина.Железо связано с белком, который называется трансферрином в крови. Специфические рецепторы трансферрина на поверхности эритроцитов связывают молекулы железо-трансферрин, и клетка эндоцитирует комплексы рецептор-лиганд.

В отличие от эндоцитоза, экзоцитоз («извлечение из клетки») — это процесс экспорта клетками материала с использованием везикулярного транспорта (рис. 3.11). Многие клетки производят вещества, которые необходимо секретировать, как фабрика, производящая продукт на экспорт. Эти вещества обычно упакованы в мембраносвязанные везикулы внутри клетки.Когда мембрана везикулы сливается с клеточной мембраной, везикула выпускает свое содержимое в интерстициальную жидкость. Затем мембрана везикул становится частью клеточной мембраны. Клетки желудка и поджелудочной железы производят и секретируют пищеварительные ферменты посредством экзоцитоза (рис. 3.12). Эндокринные клетки производят и секретируют гормоны, которые разносятся по всему телу, а определенные иммунные клетки производят и секретируют большое количество гистамина, химического вещества, важного для иммунных реакций.

Рисунок 3.11 Экзоцитоз Экзоцитоз во многом похож на эндоцитоз в обратном направлении. Материал, предназначенный для экспорта, упаковывается в пузырьки внутри клетки. Мембрана везикулы сливается с клеточной мембраной, и содержимое выходит во внеклеточное пространство.

Рисунок 3.12 Ферментные продукты клеток поджелудочной железы Ацинарные клетки поджелудочной железы производят и секретируют множество ферментов, которые переваривают пищу. Крошечные черные гранулы на этой электронной микрофотографии представляют собой секреторные везикулы, заполненные ферментами, которые будут выводиться из клеток посредством экзоцитоза.LM × 2900. (Микрофотография предоставлена ​​Медицинской школой Риджентс Мичиганского университета © 2012)

Болезни …

Клетка: Муковисцидоз

Муковисцидоз (CF) поражает примерно 30 000 человек в Соединенных Штатах, при этом ежегодно регистрируется около 1000 новых случаев. Это генетическое заболевание наиболее известно своим поражением легких, вызывающим затруднения дыхания и хронические легочные инфекции, но оно также поражает печень, поджелудочную железу и кишечник. Всего около 50 лет назад прогноз для детей, рожденных с МВ, был очень мрачным — ожидаемая продолжительность жизни редко превышала 10 лет.Сегодня, с развитием медицины, многие пациенты с МВ доживают до 30 лет.

Симптомы МВ являются результатом неисправности мембранного ионного канала, называемого регулятором трансмембранной проводимости при муковисцидозе, или CFTR. У здоровых людей белок CFTR является интегральным мембранным белком, который переносит ионы Cl из клетки. У человека, у которого есть CF, ген CFTR мутирован, таким образом, клетка производит дефектный белок канала, который обычно не включается в мембрану, а вместо этого разрушается клеткой.

CFTR требует АТФ для работы, что делает его Cl транспортной формой активного транспорта. Эта характеристика долгое время озадачивала исследователей, потому что ионы Cl на самом деле текут на вниз по градиенту их концентрации при транспортировке из клеток. Активный транспорт обычно перекачивает ионы против их градиента концентрации, но CFTR представляет собой исключение из этого правила.

В нормальной ткани легких перемещение Cl из клетки поддерживает обогащенную Cl отрицательно заряженную среду непосредственно за пределами клетки.Это особенно важно в эпителиальной выстилке дыхательной системы. Клетки респираторного эпителия выделяют слизь, которая улавливает пыль, бактерии и другой мусор. Реснички (множественное число = реснички) — это один из волосковидных придатков, обнаруженных на определенных клетках. Реснички на эпителиальных клетках перемещают слизь и ее захваченные частицы по дыхательным путям от легких к внешней стороне. Для эффективного продвижения вверх слизь не может быть слишком вязкой; скорее он должен иметь жидкую водянистую консистенцию.Транспорт Cl и поддержание электроотрицательной среды вне клетки привлекают положительные ионы, такие как Na + , во внеклеточное пространство. Накопление ионов Cl и Na + во внеклеточном пространстве создает богатую растворенными веществами слизь с низкой концентрацией молекул воды. В результате через осмос вода перемещается из клеток и внеклеточного матрикса в слизь, «разжижая» ее. Таким образом, в нормальной дыхательной системе слизь остается достаточно разбавленной, чтобы ее можно было вытолкнуть из дыхательной системы.

Если канал CFTR отсутствует, ионы Cl не выводятся из клетки в достаточном количестве, что не позволяет им вытягивать положительные ионы. Отсутствие ионов в секретируемой слизи приводит к отсутствию нормального градиента концентрации воды. Таким образом, отсутствует осмотическое давление, втягивающее воду в слизь. Образующаяся слизь густая и липкая, и мерцательный эпителий не может эффективно удалить ее из дыхательной системы. Проходы в легких блокируются слизью вместе с мусором, который она переносит.Бактериальные инфекции возникают легче, потому что бактериальные клетки не выводятся из легких.

Грамотрицательная бактериальная периплазма: размер имеет значение

Цитирование: Миллер С.И., Салама Н.Р. (2018) Грамотрицательная бактериальная периплазма: размер имеет значение. PLoS Biol 16 (1): e2004935. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2004935

Опубликовано: 17 января 2018 г.

Авторские права: © Миллер, Салама, 2018.Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника.

Финансирование: Национальные институты здравоохранения https://www.nih.gov (номер гранта R01AI054423). Получено NRS. Спонсор не имел никакого отношения к дизайну исследования, сбору и анализу данных, принятию решения о публикации или подготовке рукописи. Национальные институты здоровья https: // www.nih.gov (номер гранта 5U19AI107775). Получено по SIM-карте. Спонсор не имел никакого отношения к дизайну исследования, сбору и анализу данных, принятию решения о публикации или подготовке рукописи.

Конкурирующие интересы: Авторы заявили об отсутствии конкурирующих интересов.

Сокращения: ABC, АТФ-связывающая кассета; Я, внутренняя мембрана; Lpp, Липопротеин Брауна; LPS, липополисахарид; ОМ, внешняя мембрана; PG, пептидогликан; RcsF, Регулятор капсульного синтеза F

Происхождение: Введен в эксплуатацию; внешняя экспертная оценка.

Грамотрицательные бактерии, как и энергетические органеллы растений и животных (хлоропласты и митохондрии), имеют два мембранных бислоя, называемых внешней и внутренней мембранами. Пространство между этими двумя мембранами называется периплазмой. Задолго до одноклеточных эукариот периплазма превратилась в первый экстрацитоплазматический компартмент, обеспечивающий важную конкурентную адаптацию к грамотрицательным бактериям. Ранние знания и открытие периплазмы возникли еще до ее морфологической визуализации.В 1960-х годах ученые пытались понять, насколько токсичные ферменты, участвующие в деградации важных биологических молекул, таких как рибонуклеазы и фосфатазы, продуцируемые грамотрицательными бактериями Escherichia coli , не токсичны для клетки. Методы биохимической экстракции предлагали отдельный отсек, поскольку такая экстракция сохраняла внутреннюю мембранно-связанную цитоплазму, и эти сферопласты могли снова расти и синтезировать больше ферментов [1]. Развитие электронной микроскопии привело к визуализации двух мембранных бислоев, разделенных периплазмой [2].

Дополнительная мембрана позволяет создавать периплазму как отдельный клеточный компартмент, новые функции которого, вероятно, обеспечивают значительное и, возможно, даже более важное селективное преимущество, чем исключение токсинов (Таблица 1). Эти новые функции включают транспорт, фолдинг, окисление и контроль качества белка, аналогичные эндоплазматическому ретикулуму эукариотических клеток. Периплазма также обеспечивает секвестрацию ферментов, которые могут быть токсичными в цитоплазме, важных сигнальных функциях и регуляции деления клеток.Кроме того, он способствует способности клетки противостоять тургорному давлению, обеспечивая структурные системы, которые работают согласованно с внешней мембраной, такие как пептидогликан и липопротеины, системы оттока нескольких лекарственных препаратов и специфические растворенные вещества, которые вносят вклад в доннановский или ионный потенциал через внешняя мембрана. Периплазма также содержит платформы сборки, участвующие в секреции уникально структурированных бета-стволовых белков, липопротеинов и глицеринфосфолипидов на внешнюю мембрану (Рис. 1).

Рис. 1. Архитектура оболочки грамотрицательных бактериальных клеток.

Показан асимметричный бислой липополисахарида и глицеролфосфолипидов, который составляет внешнюю мембрану. Внутренняя мембрана представляет собой симметричный бислой глицеринфосфолипидов. Периплазматическое пространство — это область между этими мембранами, которая включает в себя множество ферментов и функций, включая окисление и контроль качества белков. Также в периплазматическом пространстве находится слой сшитых сахаров и аминокислот, называемый пептидогликаном, который окружает клетку.Пептидогликан связан с внешней мембраной кишечных бактерий посредством ковалентных транспептидазных связей между обильным липопротеином Lpp наружной мембраны. Разнообразные сенсоры располагаются на внутренней мембране с периплазматическими доменами, воспринимающими изменение окружающей среды и, в случае системы Rcs, изменение местоположения липопротеина внешней мембраны RcsF. Многокомпонентные белковые комплексы, такие как жгутиковый аппарат, охватывают две мембраны. IM, внутренняя мембрана; Lpp, липопротеин Брауна; ЛПС, липополисахарид; RcsF, Регулятор синтеза капсул F.

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2004935.g001

Наружная мембрана — это уникальная органелла, соединенная с другими частями клеточной оболочки через периплазму. У грамположительных бактерий отсутствует внешняя мембрана, но они имеют более обширный пептидогликановый полимер, защищающий их поверхность. В отличие от внутренней бактериальной мембраны, которая представляет собой бислой из глицеролфосфолипидов, подобный таковому у большинства мембран млекопитающих, и который имеет специфический поток, характеризующийся боковой диффузией, внешняя мембрана имеет ограниченный поток [3].Это уникальный бислой, внутренний лист которого имеет типичное глицеринфосфолипидное содержание фосфотидилэтаноламина, фосфатидилглицерина и кардиолипина, а внешний листок в основном состоит из уникального гликолипида, липополисахарида (ЛПС) [4]. Фосфаты ЛПС наделяют поверхность отрицательным зарядом, и через внешнюю мембрану в периплазму создается специфический потенциал Доннана [5]. Наружная мембрана действует как селективный барьер, который позволяет транспортировать ценные питательные вещества, одновременно обеспечивая барьер против токсичных соединений, таких как катионные противомикробные соединения, продуцируемые всеми организмами, включая многие грамположительные бактерии [6].Другим компонентом этого барьера являются белки внешней мембраны с уникальной бета-цилиндрической структурой, которые вставляются во внешнюю мембрану через специфическую периплазматическую систему шаперонов [7]. Эти белки собираются во внешнюю мембрану как специфические точки, указывая на то, что внешняя мембрана, вероятно, собирается в специфические дискретные участки, содержащие белок и уникальный асимметричный липидный бислой [8]. В число этих белков внешней мембраны входят порины, которые могут действовать как селективные каналы, позволяющие гидрофильным субстратам определенного размера проникать в периплазму.К счастью для людей, эти порины транспортируют гидрофильные бета-лактамные антибиотики, что позволяет им проникать в периплазму, где они нацелены на синтез важного структурного элемента клеточной стенки — полимерного пептидогликана. Наружная мембрана у некоторых бактерий прикреплена к пептидогликановому полимеру через обильные липопротеины, которые вставляются во внутренний листок внешней мембраны через специфические системы секреции [9]. Множество важных белковых комплексов функционируют как наномашины и используют гидролиз АТФ для секреции макромолекул или поворота органеллы подвижности, называемой жгутиками [10,11,12].Следовательно, внешняя мембрана и внутренняя мембрана также связаны через периплазму с помощью трансмембранных белковых комплексов. Следовательно, внешняя мембрана состоит из четко собранных участков, которые содержат сложную органеллу, которая может быть прикреплена к слою пептидогликана и внутренней мембране посредством ковалентных и нековалентных белковых связей. Сборка внешней мембраны и ее связь с пептидогликаном и цитоплазмой создают пространство между внутренней мембраной и внешней мембраной, которое является периплазмой.

Несмотря на важные функции, содержащиеся в периплазматическом пространстве, в течение многих лет ведутся споры о межмембранном расстоянии или размере этого компартмента и о единообразии расстояния между внутренней и внешней мембранами по всей клетке. Высказывались опасения, что многие визуализации этого пространства как определенного размера были артефактами фиксации для получения изображений с помощью электронной микроскопии, и что на самом деле это пространство было лишь потенциальным пространством.Ранние электронно-микроскопические исследования Байера продемонстрировали спайки между внешней и внутренней мембранами, которые уничтожили часть этих пространств; он предположил, что точки адгезии — это области, где главный липид наружной створки, LPS, доставляется к внешней мембране из места его синтеза на внутренней мембране [13]. Однако его работа впоследствии была дискредитирована как результат наблюдения потенциальных артефактов фиксации, хотя сегодня многие эксперты считают, что между мембранами могут существовать настоящие белковые адгезии, поскольку некоторые системы оттока и транспорта не содержат компонентов достаточных размеров, чтобы охватить весь мир. визуализированное пространство.Наличие специфических областей, в которых мембраны расположены близко друг к другу, объясняет, как могут работать некоторые из этих насосов для транспортировки и оттока АТФ-связывающей кассеты (ABC); эти системы имеют периплазматические белковые компоненты, которые необходимы для оттока, LPS или другого транспорта гликолипидов, но не имеют собственного размера или полимерной природы, достаточно большой, чтобы достичь внешней мембраны и, таким образом, обеспечить механизм, способствующий транспорту. Кроме того, периплазма содержит множество других компонентов, которые требуют, по крайней мере, некоторого объема периплазматического пространства, в первую очередь полимерного слоя пептидогликана, окружающего клетку.В настоящее время неясно, как эти переносчики перемещаются вокруг этого полимера и ширина периплазмы для контакта с мембраной, хотя недавняя работа, демонстрирующая, что липопротеины внешней мембраны могут координировать синтез пептидогликана посредством прямого контакта, указывает на то, что по крайней мере некоторые белки могут проходить через поры в пептидогликан для выполнения важных функций [14]

Напротив, множество органелл, включая жгутик и связанный с вирулентностью игольчатый комплекс системы секреции типа III, требуют сборки полимеров внутри периплазмы, которая охватывает две мембраны.В случае жгутика его стержень или приводной вал охватывает периплазму, а его длина определяется полимером, контактирующим с внешней мембраной. Элегантная недавняя работа группы Келли Хьюз показала, что размер периплазмы или расстояние между двумя мембранами у кишечных бактерий в значительной степени контролируется специфическим липопротеином, называемым липопротеином Брауна (или Lpp), который ковалентно связывает внешнюю мембрану. в слой пептидогликана [15]. Это весьма примечательно, потому что Lpp — это самый распространенный белок, присутствующий в кишечных бактериях, описанный Брауном 48 лет назад, и до этого момента ему не приписывали никакой специфической функции.Этот альфа-спиральный белок вставляется через свой липидный якорь во внутренний листок внешней мембраны и ковалентно связан с пептидогликановым полимером семейством транспептидаз [16]. Удлинение этих липопротеинов, что способствует расширению периплазмы, приводит к более длинному жгутиковому стержню и более эффективному поведению при плавании. Эти авторы интерпретировали этот результат как указание на то, что должны быть другие эволюционно избранные функции, которые ограничивают периплазматический размер, вызывая снижение эффективности плавания.В этом выпуске PLOS Biology раскрывается одна из этих важных функций: сигнальная функция повреждения оболочки, контролируемая другим липопротеином внешней мембраны, регулятором синтеза капсулы F (RcsF), который распознает нарушение или повреждение оболочки.

Грамотрицательные бактерии выполняют множество важных функций, которые определяют повреждение мембраны и токсичные соединения, такие как антимикробные пептиды, которые повреждают внешнюю мембрану [17,18]. Эти сенсорные системы включают те, которые позволяют реконструировать бактериальную поверхность, чтобы сделать ее более устойчивой к токсичным соединениям — аналогично космическим кораблям, активирующим свои щиты в научно-фантастических рассказах [19].Некоторые из этих сенсорных систем представляют собой рецепторы, которые функционируют как сенсорные киназы с доменами в периплазме, чтобы ощущать определенные молекулы или повреждения. Однако одна из наиболее уникальных сенсорных киназных систем, называемая системой Rcs, которая при повреждении мембраны активирует синтез внеклеточного полисахарида для обеспечения клеточной защиты и образования биопленок, имеет липопротеин внешней мембраны RcsF, который взаимодействует с сигнальными белками со специфическими периплазматическими доменами на повреждение оболочки и пептидогликановый стресс для активации синтеза внеклеточной продукции полисахаридов и других связанных со стрессом путей совладания [20].Таким образом, повреждение оболочки каким-то образом приближает липопротеин RcsF к внутренней мембранно-чувствительной системе, и, таким образом, он эволюционировал, чтобы почувствовать нарушение во внешней мембране и / или пептидогликане (Рис. 2). В этом выпуске PLOS Biology авторы убедительно демонстрируют, что для этого зондирования требуется периплазма определенного размера, поскольку мутации, которые удлиняют очень распространенный липопротеиновый якорь Lpp от внешней мембраны до пептидогликана (что приводит к увеличению размера периплазмы). ) отменяет передачу сигналов, если чувствительный липопротеин (который при повреждении мембраны должен достигать сенсора внутренней мембраны) также не удлиняется [21].Эта работа также ясно показывает очень специфический порядок и размер периплазмы; размер периплазмы четко виден, поскольку он существует в связи с изменениями в прикреплении липопротеинов или длине при криоэлектронной микроскопии. Эта технология и электронная томография, использованные в работе группы Хьюза в отношении жгутикового ротора [15], революционизируют наш взгляд на оболочку бактериальной клетки и белковые комплексы, которые покрывают периплазму для выполнения важных функций [22].

Рис 2.Передача сигналов RcsF изменяется из-за изменения размера периплазматического пространства.

Датчик липопротеинов внешней мембраны RcsF должен контактировать со своими внутренними мембранными сигнальными партнерами, чтобы активировать зондирование. Это восприятие требует определенного периплазматического расстояния, потому что удлинение связей Lpp с пептидогликаном увеличивает расстояние периплазмы, и если RcsF не удлиняется, передача сигналов больше не может происходить. На панели A: состояние, в котором RcsF не активирует сигнализацию, потому что не происходит нарушения оболочки.На панели B: нарушение оболочки приводит к физическим взаимодействиям RcsF с внутренней мембранно-чувствительной системой, и активируется регулон Rcs. На панели C, на которой Lpp был удлинен и периплазматическое межмембранное расстояние увеличено, Rcs регулон не может быть активирован, несмотря на нарушение оболочки. На панели D: дефект длинного Lpp исправлен удлинением RcsF. IM, внутренняя мембрана; Lpp, липопротеин Брауна; ОМ, наружная мембрана; PG, пептидогликан; RcsF, Регулятор синтеза капсул F.

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2004935.g002

Хотя эти недавние исследования определили Lpp как особый молекулярный правитель между внешней мембраной и пептидогликаном, неизвестно, что регулирует расстояние между внутренней мембраной и пептидогликан и то, что контролирует полимеризацию или деградацию пептидогликанового полимера, так что он не полностью блокирует белки, покрывающие периплазму. Определение этих и других загадок клеточной оболочки может привести к важным практическим достижениям в дополнение к удовлетворению нашего научного стремления разгадать загадки оболочки грамотрицательных бактерий.Эта оболочка представляет собой чрезвычайно эффективное и эволюционно продвинутое молекулярное сито, которое значительно затрудняет разработку антибиотиков против этих организмов, чем для грамположительных бактерий, у которых отсутствует дополнительная мембрана и периплазма.

Расширенные знания о грамотрицательной клеточной оболочке также имеют решающее значение для понимания механизмов устойчивости к антибиотикам, потому что многие из наших наиболее успешных антибиотиков, включая бета-лактамные антибиотики (которые нацелены на пептидогликан и проникают через порины), нацелены на клеточную оболочку.Грамотрицательные бактерии и организмы с множественной лекарственной устойчивостью продолжают развиваться за счет мутаций оболочки и приобретения новых периплазматических ферментов. В разработке не хватает новых антибиотиков для грамотрицательных бактерий из-за сложности преодоления уникального барьера, обеспечиваемого внешней мембраной и периплазмой. В этом отношении антибиотики с периплазматическими мишенями имеют преимущество перед антибиотиками, которые сталкиваются с трудностями проникновения через внутреннюю мембрану и предотвращения значительного оттока.Интересно предположить, что нацеливание на важные периплазматические функции, которые требуют периплазмы определенного размера и способности выполнять различные функции, может предложить новые важные цели для разработки антибиотиков. Недавние исследования выявили новые основные функции грамотрицательной оболочки с помощью бактериальной генетики, структурной биологии и передовых морфологических методов. Несмотря на десятилетия исследований, еще многое предстоит узнать о оболочке грамотрицательных бактериальных клеток.Раскрытие других загадок в этой области должно привести к новому поколению целей для разработки антибиотиков, чтобы держать нас на шаг впереди в гонке вооружений с устойчивыми к антибиотикам грамотрицательными бактериями.

Бактериальная клеточная стенка — обзор

тРНК для синтеза клеточной стенки

В стенке бактериальной клетки аминокислотная модификация пептидогликана способствует перекрестному связыванию с плазматической мембраной, что приводит к снижению проницаемости мембраны, что часто является предпосылкой для применения антибиотика высокого уровня сопротивление.Многие клинически значимые бактерии, в том числе Streptococcus pneumoniae , Staphylococcus aureus , Enterococcus faecalis и Pseudomonas aeruginosa , рекрутируют специфические аминоацилированные тРНК в пептидогликаны, биосинтез и мембрану фосфолигликанов (2012). ; Banerjee и др. , 2010). Поперечное сшивание коротких внутрицепочечных пептидов придает клетке дополнительную жесткость, обеспечивающую устойчивость S.aureus к β-лактамным антибиотикам, включая метициллин (Biarrotte-Sorin et al. , 2004). Эти аминокислоты, обычно Gly и Ala, переносятся из аминоацил-тРНК (AA-тРНК) в гексапептидный липидный интермедиат с помощью ряда ферментов, таких как FemA / B / X. Каждый из белков Fem присоединяет несколько аминокислот для последовательного построения межпептидного мостика (Biarrotte-Sorin et al. , 2004; Benson et al. , 2002).

Чтобы участвовать в биосинтезе пептидогликана, AA-тРНК должны выходить из цепи трансляции цитоплазматического белка.Некоторые тРНК специально оптимизированы для избежания трансляции из-за отсутствия определенных последовательностей GTψC и GG в петле акцепторного ствола и, таким образом, неспособны связываться с EF-Tu • GTP и рибосомой. Кроме того, белки FemX специфически распознают аминокислотную составляющую (Gly и Ala), дискриминаторное основание тРНК Gly и акцепторный стержень тРНК Ala , чтобы рекрутировать эти тРНК для биосинтеза пептидогликана. Другие аминокислоты, включая Ser, Thr, Lys и Arg и их тРНК, также используются для сшивания пептидогликанов или модификации липидов клеточной мембраны (Dare and Ibba, 2012).

У стрептомицетов аминоацилированные тРНК также используются для синтеза антибиотиков, а также для устойчивости к антибиотикам. Антибиотик валанимицин, продуцируемый Streptomcyes viridifaciens , является производным Val (l-валин) и Ser (l-серин). Вал сначала превращается в изобутилгидроксиламин, который должен реагировать с Ser во время биосинтеза валанимицина (Garg et al. , 2008). Ген серил-тРНК синтетазы, неожиданно идентифицированный в кластере генов биосинтеза валанимицина (vlm), указывает на то, что сериловый остаток может переноситься с серил-тРНК на гидроксильную группу изобутилгидроксиламина (Garg et al., 2006). Другой пример тРНК-зависимого синтеза антибиотиков — это биосинтез альбонурсина (alb) в Streptomyces noursei (Gondry et al. , 2009). Альбонурсин представляет собой циклодипептидный антибиотик, полученный из Phe и Leu ферментом AlbC, и было обнаружено, что заряженные тРНК E.coli тРНК Phe и тРНК Leu были необходимыми субстратами. В следующих исследованиях было обнаружено множество других циклодипептидов, содержащих Ala, Val и Met из клеточного экстракта, что указывает на то, что AlbC и его гомологи могут использовать другие тРНК в качестве субстратов, помимо тРНК Phe и тРНК Leu .Эти примеры предполагают, что у тРНК есть много других ролей, которые еще предстоит раскрыть.

Разделение фаз в биологии; функциональная организация высшего порядка | Клеточная коммуникация и передача сигналов

Подобно разделению труда в человеческих обществах, клеточная «рабочая сила», макромолекулы, такие как белки, ДНК и РНК, пространственно организована в клетке на основе функциональной специализации. Субклеточная организация макромолекул лежит в основе жизненно важных клеточных процессов, таких как развитие, деление и гомеостаз, в то время как нарушение этой организации часто связано с болезнью.

Большая часть ферментативных и сигнальных реакций в биологии происходит в водном растворе. Липидные бислои, не смешивающиеся с водной фазой, включают водорастворимые компоненты клетки. Плазматическая мембрана охватывает все внутренние компоненты клетки. Органеллы, связанные с мембраной, обеспечивают физическое разделение, необходимое для протекания специализированных процессов в функционально оптимизированных компартментах внутри клетки. Таким образом, ядро ​​содержит механизмы, предназначенные для синтеза ДНК и РНК, а в цитоплазме находятся компоненты, контролирующие синтез и распад белка.Эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи и липидные везикулы представляют собой мембранные компартменты, специализирующиеся на сортировке и транспортировке белков через клетку. Митохондрии обеспечивают энергетические потребности клетки в АТФ и заключены в двухслойную мембрану, в отличие от одинарного липидного бислоя, окружающего другие мембраносвязанные органеллы.

С появлением электронной микроскопии, которая позволила визуализировать структуры в нанометровом масштабе [1], а также достижением флуоресцентных красителей и световой микроскопии стало очевидно, что в ядре и цитозоле происходит дальнейшее подразделение и локальная организация в форме не -мембранные макромолекулярные сборки.

В настоящее время охарактеризованные безмембранные тела или органеллы имеют размер от десятков нм до десятков мкм и были определены как высокодинамичные макромолекулярные ансамбли, компоненты которых быстро меняются между органеллами и окружающей средой [2-7]. Ядрышки (обзор в [8]), ядерные спеклы (обзор в [3, 9]), параспеклы (обзор в [2, 10]) и PML (обзор в [11, 12]) и тельца Кахаля (обзор в [ 4]) заключены в ядерную оболочку и специализируются на различных аспектах регуляции генов и метаболизма РНК.Гранулы цитоплазматического рибонуклеопротеина (мРНП), такие как Р-тельца, зародышевые гранулы и стрессовые гранулы (рассмотренные в [13]), выполняют специфические роли в метаболизме и гомеостазе мРНК. Аналогичные формы гранул РНК недавно были идентифицированы в митохондриях, играющих роль в биогенезе митохондриальных рибосом и процессинге РНК [14].

В этом обзоре мы представим обзор современных знаний о структурной биологии безмембранных органелл и молекулярных механизмах, участвующих в регуляции их структуры и функции.

Обзор безмембранных органелл

Безмембранные органеллы были описаны как динамические структуры, которые часто проявляют подобные жидкости физические свойства [5, 6]. Хотя точно установлено, что они участвуют в важных биологических процессах, их точные роли остаются неуловимыми, часто связанными более чем с одним функциональным путем. Как будет описано более подробно в следующих разделах, белковый состав безмембранных органелл и их морфология изменяются в ответ на изменения в клеточной среде.Эта способность реагировать на сигналы окружающей среды может представлять собой механистическую основу участия безмембранных органелл, обсуждаемых здесь, в чувствительности к стрессу [2, 4, 9, 11, 13, 15]. Отсутствие богатого липидами барьера для включения компонентов безмембранных органелл дает преимущество, заключающееся в том, что изменения в окружающей среде могут легко изменить их внутреннее равновесие. Высвобождение или секвестрация составляющих белков или РНК из безмембранных органелл или внутри них изменяет их концентрации в окружающем свободно диффундирующем пуле макромолекул, тем самым посылая сигналы, которые нарушают пути реакции на стресс.Одним из примеров является накопление в ядрышке с последующим высвобождением в нуклеоплазму опухолевого супрессора p14 ARF в ответ на повреждение ДНК, которое активирует путь опухолевого супрессора p53 [16]. Ядерный объем разделен на несколько безмембранных органелл, также называемых ядерными тельцами. Цитоплазматические тельца дополнительно разделяют цитозольные компоненты. Ядерные и цитоплазматические тельца представляют собой динамические структуры с четко определенным составом, которые обладают способностью обмениваться компонентами в ответ на изменения в окружающей их среде.В следующем разделе мы обсудим функциональную роль безмембранных органелл и уникальные особенности, которые их определяют.

Ядерные безмембранные тельца

Ядрышко

Крупнейшая и наиболее изученная безмембранная органелла, ядрышко, функционирует как центр биогенеза рибосом в эукариотических клетках. Ядрышко демонстрирует сложную, раздельную организацию в интерфазе и распадается в митозе. С помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) в интактных ядрышках можно наблюдать три различных участка: центры фибриллы (FC), плотный фибриллярный компонент (DFC) и гранулярный компонент (GC).Во время митоза GC растворяется, нарушая организацию ядрышка, но компоненты FC и DFC поддерживают взаимодействия как диффундирующие субструктуры.

Сборка ядра (обзор в [8]) инициируется РНК-полимеразой I (РНК-Pol I), транскрипция кластерных генов рибосомной РНК (рРНК) (рДНК), связанных с фактором транскрипции UBF. Биогенез рибосом происходит векторно, начиная с FC, где рДНК транскрибируется в рРНК. Молекулы пре-рРНК проходят через DFC, где они сплайсируются и собирается малая рибосомная субъединица, затем перемещаются в GC, где собирается большая рибосомная субъединица.Затем прерибосомные частицы высвобождаются в нуклеоплазму и затем экспортируются в цитоплазму, где собираются функциональные рибосомы.

p53-зависимые механизмы чувствительности к стрессу интегрированы в ядрышко, тем самым позволяя клетке останавливать энергетически затратный процесс биогенеза рибосом в условиях, неблагоприятных для роста и пролиферации. Например, в ответ на онкогенный стресс (например, активацию Myc), Mdm2, убиквитинлигаза E3, отвечающая за быстрый оборот p53, иммобилизуется в ядрышке посредством взаимодействия с p14 ARF , чтобы активировать p53 и его нижележащие клетки. эффекторы остановки цикла [17].

Paraspeckles

Paraspeckles — это ядерные тельца, расположенные в межхроматиновом пространстве, играющие роль в контроле экспрессии генов посредством удерживания в ядре специфических молекул РНК, отмеченных аденозино-инозиновым редактированием [2]. Белки, из которых состоят параспеклы, связаны с транскрипцией РНК-полимеразы II (РНК-Pol II) и процессингом РНК. Семейство DBHS белков сплайсинга, P54NRB / NONO, PSPC1, PSF / SFPQ [2, 10, 18, 19], и длинные некодирующие РНК (lcnRNA) NEAT1 / Men ε / β и Ctn являются составными частями. компоненты параспеклов [2].Параспеклы реагируют на стресс и обмениваются компонентами с ядрышком в ответ на сигналы окружающей среды. Например, белок 1 параспекла (PSPC1) был впервые идентифицирован как белок ядрышка; однако позже было показано, что в условиях активной РНК-Pol II-зависимой транскрипции он разделяется на другое ядерное тельце, параспеклы, и становится повторно локализованным в ядрышке только тогда, когда активность РНК Pol II подавляется [10, 18 ]. Интересно, что эта повторная локализация происходит в пери-ядрышковых крышках, которые представляют собой структуры, которые, по-видимому, физически связаны с ядрышками, но не интегрированы в ядрышковый матрикс [10].Это указывает на то, что либо физические свойства PSPC1-содержащих тел и ядрышка различны, что исключает слияние, либо их динамическое поведение ограничено в ответ на сигналы, которые ингибируют активность РНК Pol II.

Ядерные спеклы

По внешнему виду похожие на параспеклы и локализованные рядом с нуклеоплазматическими межхроматиновыми областями [3], ядерные спеклы, также называемые снарпосомами, представляют собой отдельный класс динамических органелл [1]. Состав ядерных спеклов, обогащенных факторами сплайсинга пре-мРНК, такими как малые ядерные рибонуклеопротеины (snRNP) и белки, богатые серином / аргинином (SR) [20], и поли (A) + РНК [21], как а также их пространственная близость к сайтам активной транскрипции, предполагает, что они могут играть роль в регуляции экспрессии генов, поставляя или сохраняя факторы, связанные со сплайсингом пре-мРНК [22].

Тельца Кахаля

Хотя не полностью выяснена, роль телец Кахаля связана с регуляцией snRNPs и малых ядрышковых рибонуклеопротеиновых частиц (snoRNPs) [4]. Промежуточные эксперименты по мониторингу флуоресцентно меченых коилинов и выживания белков мотонейронов (SMN), двух хорошо описанных маркеров тельцов Кахаля, показали, что они являются динамическими структурами внутри ядра, которые подвергаются событиям слияния и деления [23]. Подобно другим ядерным органеллам без мембран, тельца Кахаля чувствительны к стрессовым условиям.Супрессор опухолей p53 ассоциируется с тельцами Кахаля в условиях УФ-облучения и хемотоксического стресса [24], в то время как коилин повторно локализуется в ядрышковых крышках вместе с фибрилларином и компонентами аппарата РНК Pol I [25]. Более того, подобно ядрышку, структурная целостность тельцов Кахаля зависит от клеточного цикла; они интактны во время интерфазы и растворяются во время митоза [26].

Тельца PML

Локализованные в основном в ядре тельца PML характеризуются наличием белка промиелоцитарного лейкоза (PML).Член семейства белков TRIM, PML содержит домен RING, два B-боксовых домена и предсказанный домен coiled-coil, все из которых, как было показано, необходимы для правильной сборки тел PML. Точная роль этих органелл еще предстоит полностью выяснить. Доказательства того, что регуляторы транскрипции, такие как p53, CBP и Daxx, временно нацелены и удерживаются в тельцах PML, предполагают, что они функционируют как хранилище и, таким образом, регулируют пути, участвующие в подавлении опухоли, вирусной защите и апоптозе [12].Как и в случае с другими безмембранными органеллами, на количество и структурную целостность телец PML влияют фазы клеточного цикла и стрессовые стимулы [27]. В стареющих клетках тела ПМЛ увеличиваются и ассоциируются с крышечками ядрышек [28]. Недавно синтезированная РНК накапливается на периферии тел PML, поддерживая роль в метаболизме РНК. Однако, в отличие от других безмембранных органелл, описанных здесь, РНК не обязательна в отношении образования телец PML [29].

Цитозольные безмембранные тельца

В цитоплазме также описаны динамические безмембранные органеллы.Их обычно называют гранулами мРНП, они участвуют в метаболизме и гомеостазе мРНК и включают такие структуры, как Р-тельца, стрессовые гранулы и зародышевые гранулы (см. Обзор [13, 30]). Несколько разных типов гранул мРНП имеют общие белковые и мРНК компоненты, и было продемонстрировано, что они обладают способностью физически взаимодействовать друг с другом in vivo , претерпевая события стыковки и слияния [13]. Эти наблюдения предполагают, что эти безмембранные органеллы не только функционально связаны, но при определенных условиях они проявляют сходные физико-химические свойства, которые позволяют их структурную смешиваемость.Основные типы гранул мРНП обсуждаются ниже.

P-тельца

Процессинг или P-тельца распространены повсеместно для всех типов клеток и содержат белки, участвующие в транспорте, модификации и трансляции мРНК (обзор в [31]). Исследования на дрожжах продемонстрировали, что делеции любого отдельного белкового компонента недостаточно для полного прекращения сборки Р-телец [32], но подчеркнули важность партнерских взаимодействий для накопления ряда белков в органелле [33, 34].Напр., Рекрутирование Dcp1-декапирующего фермента в органеллу опосредуется взаимодействиями с его кофактором, Dcp2 [34], тогда как Dcp2 напрямую взаимодействует с каркасным белком Edc3 [33, 34]. Как и в случае с другими безмембранными органеллами, РНК играет центральную роль в сборке Р-телец. Повышенные уровни нетранслирующей мРНК, достигаемые за счет ингибирования инициации трансляции или стресса, коррелируют с увеличением размера и количества Р-телец [35]. Напротив, захват мРНК в полисомы путем ингибирования стадии элонгации или ферментативной деградации мРНК коррелирует с растворением Р-телец [31, 35].

Стрессовые гранулы

Стрессовые гранулы, как следует из названия, собираются в ответ на стрессовые сигналы, секвестируя транскрипционно молчащие молекулы мРНК и факторы транскрипции (обзор в [30]). Факторы инициации трансляции и компоненты малой рибосомной субъединицы входят в число белков, обогащенных стрессовыми гранулами [13]. Удаление стрессовых сигналов и повторная инициация трансляции мРНК вызывали разрушение стрессовых гранул [36]. Подобно Р-тельцам, секвестрация нетранслирующих молекул мРНК в полисомах ингибирует образование стрессовых гранул [36], таким образом предполагая, что мРНК необходима для их сборки.Р-тельца и стресс-гранулы у дрожжей демонстрируют обширное перекрытие по составу, но различные физические свойства [37]. Кроме того, штаммы дрожжей, дефицитные по образованию Р-телец, также не могли эффективно образовывать стрессовые гранулы. На образование Р-телец у дрожжей не влияли мутантные штаммы, у которых отсутствовала сборка стрессовых гранул. Вместе эти наблюдения подтвердили, что предварительная сборка комплексов мРНК / белок в Р-тельцах является предпосылкой для образования стрессовых гранул [32], подчеркивая функциональную связь между двумя типами безмембранных органелл.

Зародышевые гранулы

Термин «зародышевые гранулы» охватывает класс немембранно-связанных органелл, обнаруженных в специализированных половых клетках, которые генерируют половые клетки при мейозе в развивающемся эмбрионе, и называются Р-гранулами, зародышевыми тельцами или Nuage. органов в зависимости от организма-происхождения (см. обзор [38]). Значительные успехи были достигнуты в понимании как биологии, так и биофизики Р-гранул нематоды C. elegans. P-гранулы обогащены мРНК, РНК-геликазами и ферментами, модифицирующими РНК, и участвуют в посттранскрипционной регуляции мРНК в первичных половых клетках [38].Напр., Nos-2 РНК асимметрично сегрегирована во время личиночного развития C. elegans [39]. P-тельца физически состыковываются, но не сливаются с зародышевыми гранулами C. elegans эмбрионов. Эта физическая ассоциация между двумя типами органелл позволяет Р-тельцам сегрегировать внутри бластомера зародышевой линии — свойство, заимствованное у зародышевых гранул. Более того, эти Р-тела, которые связаны с зародышевыми гранулами, неспособны подвергнуться созреванию в органеллы, которые разрушают мРНК [40].В совокупности эти наблюдения иллюстрируют, как различные физико-химические свойства сохраняют целостность органелл и подтверждают межорганические взаимодействия как новый механизм регуляции функции.

гранулы мРНП при нейродегенеративном заболевании

Ослабляющие нейродегенеративные заболевания, такие как боковой амиотрофический склероз (БАС), мультисистемная протеинопатия (MSP) и лобно-височная долевая дегенерация (FTLD), характеризуются образованием патологических мРНП (включений мРНК в нормальном состоянии и нарушение метаболизма) [41]).Эти патологические включения образуются в результате агрегации белков, обнаруженных в гранулах эндогенных мРНП. Интересно, что многие белки, связанные с патологическими включениями, содержат прионоподобный домен в своей аминокислотной последовательности, который способствует их сборке в амилоидоподобные фибриллы. Некоторые белки, о которых известно, что они локализуются в стрессовых гранулах, включая FUS [42], hnRNPA1 [43–45] и hnRNPA2 [43], были обнаружены в патологических включениях, связанных с БАС. Интересно, что образование фибрилл этими белками стимулируется в микроокружении стрессовых гранул, где достигаются высокие локальные концентрации белка [37, 42, 44, 45].Более того, генетические мутации в прионоподобных доменах этих белков, которые, как известно, связаны с БАС, ускоряют образование амилоидоподобных фибрилл и ингибируют клиренс стрессовых гранул in vivo , тем самым нарушая гомеостаз мРНК [41–44]. Эти данные свидетельствуют о том, что высокоплотное окружение гранул мРНП способствует образованию фибрилл белками, указанными выше, особенно когда их склонность к агрегации усиливается мутацией. Кроме того, эти исследования устанавливают корреляцию между связанными с БАС мутациями в белках гранул мРНП и повышенным образованием фибрилл и измененным метаболизмом мРНК.Однако необходимы дополнительные исследования, чтобы понять, как эти изменения в структуре и функции гранул мРНП связаны с нейропатогенезом.

В следующем разделе мы обсудим общие физико-химические особенности безмембранных органелл и объединим механистические идеи, которые описывают их сборку в многокомпонентные плотные фазы.

Общие черты безмембранных органелл

Отличительной чертой описанных выше безмембранных органелл является то, что их состав и физические свойства меняются в зависимости от клеточных факторов, таких как стадия клеточного цикла, стимулы роста и стрессовые условия.Кроме того, они обладают динамическими структурными особенностями. Brangwynne и его коллеги продемонстрировали, что ядрышко [5] и Р-гранулы [6] демонстрируют жидкоподобное поведение in vivo и что эта жидкостная организация возникает в результате фазового разделения их молекулярных компонентов. Эта концепция подтверждается растущим объемом данных, идентифицирующих белки, иногда смешанные с нуклеиновыми кислотами, которые разделяют in vitro на на плотные жидкости, подобные [46–49] или гидрогелевые [50, 51] (см. Обзор [ 52]).Белки и нуклеиновые кислоты сконцентрированы в ~ 10-100 раз в плотной фазе [46, 48], где они могут достигать концентраций в миллимолярном диапазоне [53]; разбавленная фаза поддерживается на уровне критической концентрации разделения фаз. Экспериментально два физических состояния, жидкость и гидрогель, отличаются своей способностью течь, когда их поверхности подвергаются напряжению сдвига. Жидкоподобные свойства безмембранных органелл и in vitro с фазовым разделением и капель белка и белка / РНК были продемонстрированы на основе измерений их вязкоупругих свойств [5, 6, 44, 47, 54, 55].Например, жидкообразные Р-тела [37] и Р-гранулы [6] приняли сферическую форму в цитоплазме, которая определялась поверхностным натяжением, и слились и слились в более крупные капли, которые вернулись к сферической форме. Кроме того, P-гранулы обратимо деформировались, когда сталкивались с физическим барьером (, т.е. «капали» на поверхность ядра) [6]. Напротив, гидрогели не проявляют текучести в стационарных условиях [50, 51, 56]. Микрореологический анализ показал, что жидкие безмембранные органеллы [5, 6] и капли белка и белка / РНК, приготовленные in vitro , характеризуются высокой вязкостью.Поразительно, что измеренные значения вязкости широко варьируются в диапазоне трех порядков: от ~ 1 Па · с для P-гранул до ~ 10 3 Па · с для ядрышек [5, 6, 47, 54, 55 ]. Хотя это не обязательно является прямым индикатором жидкоподобного поведения, макромолекулы в безмембранных органеллах ([7, 37, 44, 46]) и жидкоподобные капли [42, 44, 46, 53, 55] восстанавливаются после фотообесцвечивания на шкала времени от секунд до десятков секунд. Это указывает на быстрый обмен молекулами внутри жидкообразной фазы или с окружающей средой, когда объект подвергается фотообесцвечиванию частично или полностью, соответственно.

Безмембранные органеллы имеют разный сложный состав. Например, P-гранулы состоят примерно из 40 белков [57], в то время как масс-спектрометрия показала, что ядрышки человека содержат ошеломляющие ~ 4500 белков [58]. Кроме того, белковый состав безмембранных органелл может варьироваться в зависимости от клеточных условий. Примечательно, что протеом ядрышка значительно изменяется в стрессовых условиях, и эти изменения специфичны для определенных форм стресса [59, 60].Эти наблюдения поднимают два важных вопроса: (1) как достигается специфический молекулярный состав безмембранных органелл и (2) как регулируется их состав в ответ на сигналы стресса ? В следующем разделе мы обращаемся к молекулярным принципам, лежащим в основе фазового разделения и структурной организации безмембранных органелл. Мы также обсуждаем текущие данные, свидетельствующие о том, как регулируются их динамическая структура и состав.

Структурные и композиционные особенности белков, находящихся в безмембранных органеллах

Результаты исследований методом нокдауна и нокаута [32, 39, 61–63] показали, что структурная целостность некоторых безмембранных органелл зависит от гетерогенных взаимодействий. среди множества компонентов.Нокдаун или генетическая делеция отдельных белков, таких как NPM1 [61] или нуклеолин [62] в ядрышке или PGL-1 и PGL-3 [63] в зародышевых гранулах, изменяет морфологию органелл, но не предотвращает другие, неизмененные органеллы. компоненты от сборки в точечные структуры. Эти наблюдения согласуются с избыточностью характеристик последовательности белков, обнаруженных в различных безмембранных органеллах (Table 1).

Таблица 1 Состав белков и РНК безмембранных органелл
Основные принципы фазового разделения полимерами; от химических полимеров к белкам

Фазовое разделение органических полимеров в растворах широко изучено и может быть описано с помощью упрощенных математических термодинамических моделей.Теория Флори-Хаггинса описывает свободную энергию смешения полимера с растворителем, при этом полимеры рассматриваются как упрощенные массивы модулей, которые представляют их повторяющиеся сегменты. Разделение жидко-жидкой фазы на фазу с высоким содержанием полимера и фазу с низким содержанием полимера происходит, когда критическая концентрация или температурный порог пересекаются, после чего полимер становится лучшим растворителем для себя, чем буфер, в котором он растворен (см. [64 ]; Рисунок 1).

Рис. 1

Макромолекулярная конденсация опосредует образование безмембранных органелл.Безмембранные органеллы представляют собой динамические структуры, образованные с помощью механизма разделения фаз, подобного конденсации полимера и зависящему от концентрации. Порог критической концентрации (серая линия , ) для разделения фаз может быть настроен в пределах диапазона концентраций ( заштрихованный зеленый прямоугольник ) посредством физико-химических изменений в системе ( т. Е. посттрансляционных модификаций доменов и / или мотивов, которые изменяют сродство их взаимодействий, изменения температуры, измененную ионную силу и т. д.). Эти изменения могут управлять фазовым разделением и сборкой безмембранных органелл или их разборкой

Розен и его коллеги сообщили, что поливалентные повторяющиеся домены двух сигнальных белков, которые регулируют полимеризацию актина, NCK и N-WASP, разделяют фазы in vitro и что порог разделения фаз зависит от концентрации белка и валентности каждого отдельного партнера по взаимодействию [ 46]. Используя упрощенное представление белка, подобное тому, которое используется для органических полимеров, авторы использовали адаптацию формализма Флори-Хаггинса для описания поведения фазового перехода бинарной системы NCK / N-WASP.Модель включала четыре параметра: параметры ассоциации / диссоциации, а также коэффициенты диффузии и краудинга. Качественно этот формализм, который предполагал структурное разобщение между отдельными связывающими доменами, предсказал влияние различной валентности на порог концентрации для разделения фаз [46]. Подобная адаптация этой модели была использована для описания поведения фазового разделения мономолекулярной РНК-геликазы, Ddx4 [48]. Хотя общую феноменологию можно описать с помощью этой упрощенной модели, недавний отчет с участием бинарной системы NCK / N-WASP продемонстрировал, что заряженные остатки в неупорядоченном линкере, соединяющем модули связывания домена Sh4, вызывают слабую самоассоциацию NCK и снижение критической концентрации. для разделения фаз [65] (рис.1). Таким образом, теория Флори-Хаггинса описывает основное поведение фазового разделения бимолекулярных и мономолекулярных белковых систем. Однако сложность последовательности белковых полимеров, в отличие от более простых по составу химических полимеров, обеспечивает возможность дополнительных межмолекулярных взаимодействий, которые могут «настроить» явление разделения фаз. Эти результаты обеспечивают основу для понимания поведения фазового разделения более сложных систем in vitro в будущем.Более того, они обеспечивают основу для глубокого изучения поведения безмембранных органелл в клетках.

Белковые элементы, связанные с разделением фаз; Последовательности низкой сложности и свернутые домены

Белки, ассоциированные с безмембранными органеллами, часто обладают многовалентными свойствами, которые структурно проявляются по-разному. Складчатые домены представляют собой белковые сегменты, которые принимают дискретные и стабильные вторичные и третичные структуры. Неупорядоченные области, также называемые внутренне неупорядоченными областями белка (IDR), представляют собой сегменты белка, которые не принимают стабильную вторичную и третичную структуру и являются конформационно гетерогенными и динамичными.Некоторые белки в безмембранных органеллах содержат свернутые домены, но могут также содержать IDR, тогда как другие полностью неупорядочены (называемые внутренне неупорядоченными белками или IDP). Подмножество неупорядоченных областей белка, называемых областями низкой сложности, демонстрируют смещение состава в сторону небольшого набора аминокислот. Интересно, что последовательности и нарушения низкой сложности [47, 48, 50, 56] чрезмерно представлены в белках, которые, как показано, разделяют in vitro на по фазе. Эти особенности обеспечивают высокую степень конформационной гибкости, которая требуется для событий связывания, чтобы оставаться несвязанными [46].ЯМР-анализ белков в жидкообразной фазе после разделения фаз не предоставил доказательств сворачивания при связывании, тем самым предполагая, что неупорядоченные области низкой сложности сохраняют свою конформационную гибкость в жидкообразной фазе [48, 53]. Однако детальная интерпретация этих данных осложняется возможностью организационной гетерогенности белковых молекул снаружи и, возможно, внутри жидко-подобных капель, а также влиянием межмолекулярных взаимодействий и видимого размера молекул на ширину и интенсивность резонансных линий.

Многовалентные взаимодействия, вероятно, вносят вклад в динамические, похожие на жидкость свойства мономолекулярных сборок с разделением фаз [47, 48], а также более сложных сборок [46, 49]. Среди белков, связанных с разделением фаз в безмембранных органеллах, поливалентность достигается за счет повторяющегося отображения двух типов белковых модулей: i) свернутых доменов и ii) неупорядоченных сегментов низкой сложности (суммированных в таблицах 1 и 2; рис. 2). Исследования in vitro показали, что один из двух типов поливалентности необходим и достаточен для разделения фаз белка.Концентрации белка, связанные с разделением фаз, для разных систем варьировались на несколько порядков, от субмикромолярных [44, 47] до сотен микромолярных [44, 46, 48, 53]. Безмембранные органеллы представляют собой многокомпонентные системы, и их сборка, как показано для ядрышка, зависит от общей концентрации их составляющих [66]. Принимая во внимание отмеченные выше наблюдения, что накопление компонентов с ядрышками определяется во времени (рассмотрено в [8]) и происходит в предварительно сформированных ядрышковых организующих областях (NORs), возникает важный вопрос.Являются ли одни компоненты более важными, чем другие, для инициации процесса разделения фаз с образованием безмембранных органелл? Учитывая большие различия в критических концентрациях, измеренных для различных систем, один из возможных ответов состоит в том, что компоненты с самой низкой критической концентрацией фазы разделяются первыми, таким образом увеличивая локальную концентрацию выше критической концентрации для разделения фаз других компонентов, которые впоследствии включаются в плотную фазу. фаза. Сообщалось, что как складчатые домены, так и неупорядоченные / неупорядоченные области инициируют разделение фаз in vitro, и в целлюлозе. Складчатые домены часто участвуют в специфических взаимодействиях белок-нуклеиновая кислота [67–69] и белок-белок [19, 70] и могут обеспечивать организационную основу для сборки безмембранных органелл. Домены низкой сложности, с другой стороны, предоставляют средства для более динамических взаимодействий с потенциально более широким диапазоном партнеров по связыванию (Fig. 2). Убедительный пример такого синергетического сотрудничества между поливалентными свернутыми доменами и их соответствующими соединяющими гибкими линкерами был описан Bajade et al.на систему Nck / N-WASP / нефрин [65]. Конструкции Nck, которые являются двухвалентными в мотивах Sh4, связываются с мотивами PRM в N-WASP с микромолярным или миллимолярным сродством и подвергаются фазовому разделению. Посредством слабых, в основном электростатических взаимодействий неупорядоченный линкер, соединяющий домены Sh4 в Nck, способствует самосборке, эффективно снижая критическую концентрацию для разделения фаз. Кроме того, добавление неупорядоченной области нефрина, содержащей несколько остатков фосфотирозина, которые связываются со свернутым доменом Sh3 внутри Nck, усиливает поливалентные взаимодействия и дополнительно снижает критическую концентрацию для разделения фаз.Таким образом, мультивалентное отображение свернутых доменов и последовательностей низкой сложности с неупорядоченными областями внутри белков обеспечивает синергию между различными компонентами сложных жидкоподобных капель. Подобный синергизм между поливалентными компонентами, вероятно, будет способствовать образованию безмембранных органелл в клетках.

Таблица 2 Примеры участков белка, участвующих в фазовом разделении, и их функциональные роли Рис. 2

Молекулярная основа сборки безмембранных органелл.Белки, обогащенные матриксом безмембранных органелл, обычно имеют несколько модулей, которые создают поливалентность, включая свернутые связывающие домены ( красный, ) и области низкой сложности (, фиолетовый, ). Валентность часто усиливается доменами, которые делают возможной гомо- или гетероолигомеризацию ( оранжевый ). Взаимодействия между белками, содержащими различные комбинации этих модулей взаимодействия, обеспечивают основу для построения гетерогенной, бесконечно расширяемой сети внутри безмембранных органелл.Формирование такого типа сети приводит к разделению фаз при достижении критического порога концентрации. Для многих обсуждаемых здесь примеров активная транскрипция РНК необходима для безмембранной сборки органелл. Мы предполагаем, что экспрессия РНК, превышающая порог критической концентрации, необходима для зарождения взаимодействий со специфическими, многомодульными белками и для зарождения образования безмембранных органелл. Сигналы стресса могут изменить многовалентные взаимодействия, которые приводят к разделению фаз и привести к частичной или полной разборке органеллы

Инициирующие события в сборке безмембранных органелл

Многие белки, которые участвуют в образовании безмембранных органелл, имеют сегменты с низкой сложностью последовательностей, часто содержащие множественные мотивы, обогащенные аминокислотами аргинин, серин, глицин, глутамин, аспарагин и / или ароматические остатки (таблицы 1 и 2).Однако, несмотря на низкую сложность их последовательностей, эти белки часто связаны со специфическими безмембранными органеллами. Что лежит в основе включения определенных белков и молекул нуклеиновых кислот в определенные безмембранные органеллы? Возникающее решение этой загадки, по крайней мере в некоторых случаях, заключается в том, что специфические взаимодействия белок-нуклеиновая кислота или белок-белок инициируют сборку безмембранных органелл, которые затем создают микросреду, которая способствует фазовому разделению дополнительных компонентов (рис. .2). Эта концепция была описана для ядрышка, которое собирается вокруг ЯОР, стабильных ядрышковых предшественников, состоящих из кластерных массивов ( т. Е. Мультивалентность ) генов рРНК, связанных с фактором транскрипции UBF [71]. Примечательно, что UBF содержит массив из шести боксов HMG-доменов, которые проявляют широкий диапазон аффинности связывания с ДНК [69]. РНК Pol I рекрутируется в ЯОР для транскрипции пре-рРНК, которая инициирует сборку ядрышка. В случае зародышевых гранул [63] и телец PML [12] их образование инициируется самоассоциацией доменов coiled-coil белков PGL-1/3 и PML, соответственно.В этих примерах структурированные домены обеспечивают специфические взаимодействия с образованием сборок, которые служат каркасом для дальнейшей сборки компонентов безмембранных органелл. Некоторые из белков, которые способствуют сборке, содержат как структурированные домены, так и сегменты низкой сложности, которые обеспечивают поливалентные взаимодействия. Таким образом, образование безмембранных органелл может включать иерархическую сборку специфических комплексов белок-нуклеиновая кислота с более высоким сродством с последующим привлечением дополнительных компонентов посредством более слабых, поливалентных взаимодействий.

Сборка белков, ассоциированных с параспеклами, представляет собой другой пример того, как события инициации могут опосредовать рекрутирование компонентов внутри безмембранной органеллы. Бонд и его сотрудники использовали рентгеновскую кристаллографию и малоугловое рассеяние рентгеновских лучей (SAXS) для изучения полимеризации факторов сплайсинга DBHS, локализованных в параспеклах и обогащенных ими [19, 70]. Расширенные мотивы взаимодействия спиральной спирали в пределах домена полимеризации этих белков обеспечивают структурный каркас для образования протяженных полимеров неопределенной длины.Слабые полярные контакты стабилизируют взаимодействия спиральных катушек и считаются полезными для поддержания растворимости неспаренных протяженных спиральных структур [70]. Валентность молекулярной сборки усиливается дополнительным доменом димеризации, который опосредует гомо- и гетеродимеризацию между белками семейства DBHS, такими как PSPC1 и NONO [19] или SFPQ и NONO [70]. Более того, поливалентные взаимодействия с РНК опосредуются тандемными доменами RRM, присутствующими в NONO, PSPC1 и SFPQ [19, 70].Эти исследования демонстрируют, как модульные, поливалентные белки могут опосредовать образование гетерогенных, динамических молекулярных ансамблей, тем самым обеспечивая структурную основу для образования безмембранных органелл (Fig. 2).

Силы, которые опосредуют взаимодействия, связанные с разделением фаз белка

Как обсуждалось выше, белки, которые претерпевают фазовое разделение, обычно содержат сегменты с низкой сложностью последовательности. Кроме того, эти области часто обогащены заряженными и ароматическими аминокислотами, что подчеркивает важность электростатических и гидрофобных взаимодействий в процессе разделения фаз.Напр., Неупорядоченные сегменты DEAD-box геликаз Ddx4 [48] и LAF-1 [47], а также hnRNPA1 [44], которые обеспечивают разделение фаз, обогащены остатками аргинина в пределах их RGG-бокса и RRM-доменов низкой сложности. Из-за их общего положительного заряда образование жидких капель этими белками очень чувствительно к ионной силе окружающего раствора. Многие другие белки, связанные с ядерными тельцами и гранулами мРНП, обогащены остатками аргинина ( e.грамм. доменов RGG и SR; см. Таблицу 1). Напр., SR повторы низкой сложности, общие для семейства SR факторов сплайсинга, были идентифицированы как сигналы нацеливания для локализации ядерных спеклов [72, 73]. Эти наблюдения убедительно подтверждают, что электростатические взаимодействия играют ключевую роль в фазовом разделении субнабора белков (Рис. 1).

Электростатика, однако, не единственные взаимодействия, которые способствуют формированию богатого белком состояния с разделением фаз. Области низкой сложности, богатые ароматическими остатками ( i.е. фенилаланин, тирозин) чрезмерно представлены в белках, которые находятся в безмембранных органеллах [48, 74] и других разделенных фазами матрицах, как в случае белка FUS в гранулах мРНП [50, 53] и FG-Nups в ядерно-поровый комплекс [51]. Интересно, что мутации F в Y, но не F в S, в домене повтора FG сохранили образование in vitro гидрогеля дрожжевым нуклеопорином Nsp1p [51], демонстрируя важность ароматических остатков в явлениях сборки, связанных с комплексом ядерных пор. .Кроме того, критическая концентрация для образования in vitro жидких капель FUS была снижена за счет увеличения ионной силы раствора, что согласуется с интерпретацией, согласно которой высаливание гидрофобных взаимодействий снижает порог растворимости белка в буфере [53]. Nott et al. Отметили, что эволюционно консервативная кластеризация одинаково заряженных аминокислотных остатков и регулярное расстояние между мотивами RG и FG необходимы для фазового разделения конструкции Ddx4 [48].Эти исследования подчеркивают роль взаимодействий катион-π [48] и π-π [50, 51] в явлениях разделения фаз.

В отсутствие липидного мембранного барьера движение молекул внутрь и из безмембранных органелл ограничено диффузией [1], и их накопление в основном зависит от удерживания, основанного на взаимодействиях с матрицей органелл. Интересно, что диффузионный барьер для экзогенных макромолекул, таких как декстраны, продиктован физическими свойствами безмембранного матрикса органелл [1].DFC ядрышка менее благоприятен для накопления декстранов по сравнению с окружающими GC, что согласуется с наблюдениями, что DFC более плотный, чем GC [1]. Более того, динамические характеристики компонентов, специфически удерживаемых внутри безмембранных органелл, варьируются в зависимости от природы их взаимодействий с другими составляющими матрикса [7, 23]. Вместе эти результаты предполагают, что переменные вклады различных типов межмолекулярных взаимодействий, которые способствуют разделению фаз, определяют избирательное накопление определенных белков в определенных типах безмембранных органелл.

Механизмы, участвующие в достижении локальной организации и композиционной сложности в безмембранных органеллах

Локализация определенных макромолекул в определенных безмембранных органеллах достигается за счет специфических взаимодействий с молекулярной сетью, которая простирается от области зародышеобразования. Как обсуждалось выше, большая часть белков, о которых известно, что они ассоциируются с безмембранными органеллами, проявляют поливалентность за счет отображения повторяющихся мотивов низкой сложности (например,g., SR, RGG или мотивы FG) и / или множества копий свернутых доменов, таких как домены RRM. Таким образом, за счет комбинаторного использования конечного числа модулей межмолекулярного взаимодействия сложные смеси белков и нуклеиновых кислот могут быть задействованы в конденсированной фазе. Например, образование Р-гранул инициируется самоассоциацией спиральных доменов белков PGL-1 и PGL-3, которые в дальнейшем связывают мРНК через свои RGG-домены низкой сложности. Связанные с Vasa геликазы GLH-1, 2, 3 и 4, которые содержат повторы FG, затем включаются для облегчения ассоциации P-гранул с ядрами посредством взаимодействий с матриксом гидрогеля комплекса ядерных пор и его расширения [74].Присутствие доменов гомо- и гетеро-олигомеризации дополнительно увеличивает степень поливалентности и способствует интеграции в безмембранные органеллы (Рис. 2). Белок PML образует гомо- и гетеро-олигомеры через свой домен спиральной спирали, но валентность может быть увеличена путем гомодимеризации через домен RING. Мутации либо в coiled-coil, либо в RING доменах приводят к разрушению тел PML [12]. Компоненты аппарата обезглавливания мРНК, обнаруженные в P-тельцах, включая Pdc1, Dcp2 и Edc3, собираются в жидко-подобные капли in vitro. Два домена LSm в димерном Edc3 взаимодействуют с Dcp2 и Pdc1, которые оба содержат поливалентные мотивы HLM. Edc3 связывается с различными мотивами HLM с аффинностью от низкого микромолярного до миллимолярного диапазона [49]. Валентность мотивов HLM в Pdc1 увеличивается за счет олигомеризации через центральный домен coiled-coil [49, 75]. Эти примеры иллюстрируют, как модули многовалентного взаимодействия и домены олигомеризации могут взаимодействовать, чтобы инициировать разделение фаз в контексте различных типов безмембранных органелл.Дополнительные домены в этих белках, которые не участвуют напрямую в механизме разделения фаз, могут опосредовать привлечение дополнительных компонентов в жидкую фазу. Напр., Геликаза Ddx6 / Dhh2 и мРНК могут рекрутироваться в Р-тельца через домен FDF Edc3 и домен связывания РНК геликазы, соответственно [49]. Таким образом, мы различаем два основных типа компонентов безмембранных органелл: (i) многовалентные макромолекулы, которые непосредственно участвуют во взаимодействиях, участвующих в процессе разделения фаз и лежащие в основе структурных особенностей жидкой фазы, и (ii) другие макромолекулы, которые рекрутируются. через специфические взаимодействия со сборкой, разделенной на фазы, в которой отсутствуют элементы многовалентного взаимодействия, но которые выполняют специализированные функции в жидкой фазе ( i.е., ферментов, катализирующих определенные биохимические реакции). Однако способность к сборке / разделению фаз и биохимическая функциональность могут быть воплощены в одном белке, как видно с Ddx4, который несет в себе домен геликазы и поливалентный домен RGG низкой сложности, который обеспечивает разделение фаз [48].

РНК в безмембранных органеллах

Хотя много внимания было уделено пониманию роли поливалентных белков в формировании безмембранных органелл, основные функции многих из этих органелл — это разные аспекты метаболизма РНК и, следовательно, РНК также участвует в их сборке и структурной целостности.Сборка ядрышка на выходе из митоза инициируется транскрипционной активацией РНК Pol I [8, 76], а структурная целостность парашютов зависит от транскрипционной активности РНК Pol II [2]. Белки, способные к фазовому разделению, часто содержат аналогичные наборы свернутых и мультивалентных доменов с низкой сложностью, что приводит к структурной избыточности и возможности при определенных условиях беспорядочно локализоваться в более чем одном типе безмембранных органелл.Напротив, разные типы органелл обычно содержат специфические типы РНК (суммированные в Таблице 1), предполагая, что компоненты РНК являются основными детерминантами идентичности органелл. В подтверждение этой гипотезы нарушение транскрипции РНК вызывает повторную локализацию белковых компонентов различных ядерных и цитоплазматических тел [25, 59]. Напр., Mao et al. Продемонстрировали, что lncRNA Mem ε / β необходима для рекрутирования специфических молекул белка и РНК в параспеклы [77].Кроме того, иммобилизация PSP1, модульного белка парапекл, который, как было показано, гомо- и гетеро-олигомеризоваться [18], была способна рекрутировать некоторые компоненты белка парапекл, но была неспособна воспроизвести полную сборку органеллы [77]. Рекрутирование полного набора белков и компонентов РНК параспеклов в сочетании с исключением макромолекул, связанных с ядерными спеклами, достигалось только в условиях активной транскрипции днРНК Mem ε / β. Хотя обобщенные выше наблюдения ясно указывают на доминирующую роль РНК в молекулярном составе определенных безмембранных органелл, другие факторы также могут влиять на их структурную целостность.Например, стрессовые сигналы, индуцированные DRB, небольшой молекулой, которая избирательно ингибирует Pol II РНК, вызвали растворение параспеков до того, как можно было измерить значительное снижение общих уровней Mem ε / β днРНК [77]. Это открытие предполагает, что неизвестный в настоящее время регуляторный механизм контролирует структурную целостность парапекл и что существует острый и чувствительный порог для восприятия клеточного стресса и реакции на него. Это поднимает важный общий вопрос: как изменения в условиях окружающей среды, например, в ответ на различные типы стресса, передаются на безмембранный матрикс органелл и проявляются как изменения в структуре и функции ? Эта тема обсуждается в следующем разделе.

Структурная и динамическая регуляция структур с разделенными фазами

Отсутствие липидного двухслойного барьера между безмембранными органеллами и их окружением устраняет необходимость активного транспорта макромолекул через мембраны и обеспечивает быструю передачу сигнала. Стрессовые сигналы влияют на структурную целостность безмембранных органелл, обеспечивая механизм стрессовых реакций, опосредованных органеллами. Далее мы обсудим различные факторы, которые влияют на структуру и функцию безмембранных органелл.

Химические и другие факторы окружающей среды

Изменения температуры [27, 48], ионной силы [47, 48], хемотоксические повреждения и повреждения ДНК [27, 59, 60, 78, 79] — это изменения окружающей среды, которые, как известно, нарушают разделение фаз клеточные тела и in vitro жидких капель. Жесткость ядрышек, выделенных из клеток HeLa, снижалась или увеличивалась при ингибировании РНК-полимеразы или протеасомы, соответственно, на основании измерений атомно-силовой микроскопии [79]. Таким образом, сигналы напряжения влияют на вязкоупругие свойства ядрышек и, следовательно, модулируют их функции.

Безмембранные органеллы образуются, разбираются и функционируют во внутриклеточной среде, заполненной макромолекулами. Высокая кумулятивная концентрация макромолекул в клетке, которая коррелирует с высоким процентом исключенного объема (~ 20–30% от общего объема клетки), влияет на кинетику и термодинамику большинства биохимических процессов [80]. In vitro, агенты молекулярного краудинга способствуют сборке рекомбинантной hnRNPA1 в плотные жидкие капельки белка при более низких критических концентрациях, чем наблюдаемые в одном только буфере [44, 45].Таким образом, увеличение исключенного объема, вызванное макромолекулярным краудингом, увеличивает локальную концентрацию отдельных видов белка, тем самым снижая порог эффективной концентрации для разделения фаз (рис. 1).

Изменения морфологии и вязкоупругих свойств гранул мРНП из-за мутаций в резидентных белках ( например, hnRNPA1, FUS) связаны с изнурительными нейродегенеративными заболеваниями [13, 42, 44, 45]. In vitro , фазы FUS и hnRNPA1 разделяются на жидкие капельки [42, 44, 45, 53] или гидрогели [42, 44, 50], в зависимости от концентрации белка и условий эксперимента.Области низкой сложности в двух белках, наряду с доменами RRM [44, 45, 53], вносят вклад в разделение фаз. Мутации внутри Q / N-богатых областей низкой сложности, называемых прионоподобными доменами, связаны с дефектами гранул мРНП и нейропатогенезом [42, 44]. Эти дефекты объясняются кинетически медленным шагом (от десятков минут до часов в масштабе времени), который происходит в плотной жидкообразной фазе, называемом «капельным старением» [42], когда жидкообразная фаза превращается в твердую фазу. нравится состояние.Феноменологические наблюдения предполагают, что это физическое преобразование является результатом медленной структурной реорганизации плотной жидкообразной фазы. Реорганизация приводит к снижению динамики внутри состояния с разделенными фазами и достигает кульминации в переходе от жидкого состояния к гидрогелевому или твердому состоянию. Переход между двумя физическими состояниями сопровождается морфологическими изменениями: от почти сферических капель, сформированных за счет поверхностного натяжения, до удлиненных фибриллообразных структур [42, 44, 45].Аналогичный переход наблюдали для in vitro, и in vivo, для капель, содержащих Whi3, белок, кодирующий тракт polyQ [55]. Потенциальный механизм, лежащий в основе, заключается в том, что в условиях высокой локальной концентрации белка в плотной жидко-подобной фазе возникают новые, менее динамичные взаимодействия, возможно, между прионоподобными доменами низкой сложности. Со временем эти взаимодействия могут стать преобладающими над более динамичными, многовалентными электростатическими взаимодействиями, которые приводят к жидкоподобному состоянию.Мы предполагаем, что баланс термодинамической благоприятности этих двух типов взаимодействий может влиять на физическую природу состояния с разделенными фазами (, т.е. жидкость, гидрогель / твердое тело) и определять различные склонности белков дикого типа и мутантных белков к переход от жидкого структурного состояния к твердому.

Энергозависимый контроль динамики безмембранных органелл

Мы подчеркнули, что физические свойства безмембранных органелл зависят от их белков и состава РНК.В дополнение, однако, ядрышку требуется АТФ, чтобы поддерживать свое жидкое поведение, физическое состояние, называемое «активной жидкостью» [5]. В настоящее время неясно, какие специфические АТФ-зависимые процессы участвуют в поддержании этого активного жидкого состояния. Более того, активность АТФ-зависимых шаперонов, таких как Hsp70 / Hsp40, которые накапливаются в стрессовых гранулах, необходима для их разборки после восстановления после стресса [81]. Эти наблюдения предполагают, что ферменты, гидролизующие АТФ, регулируют динамику макромолекул внутри безмембранных органелл.Сходным образом несколько других типов АТФ-зависимых ферментов, включая киназы и DEAD-box геликазы [47–49, 78], которые включены в эти органеллы, могут участвовать в поддержании их жидких физических свойств. Геликазы могут модулировать структуру РНК, а также взаимодействия белок-РНК и, таким образом, активно контролировать вязкоупругие свойства безмембранных органелл.

Роль посттрансляционных модификаций в регулировании структуры и динамики безмембранных органелл

Сборка компонентов во многих из рассмотренных нами систем с разделенными фазами управляется электростатически.Следовательно, посттрансляционные модификации, которые изменяют характеристики заряда аминокислот внутри доменов и сегментов низкой сложности белков, предоставляют средства для модуляции их поливалентных взаимодействий и поведения фазового разделения (Fig. 1).

Важность электростатических взаимодействий иллюстрируется поведением фазового разделения LAF-1 [47], hnRNPA1 [44, 45] и Ddx4 [48], на способность которых образовывать жидкие капли сильно влияет концентрация соли в окружающий буфер.Пороговое значение концентрации фазового разделения для обоих линейно масштабировалось с ионной силой по мере увеличения концентрации NaCl. Кроме того, метилирование остатков аргинина в RGG домене Ddx4 увеличивает порог разделения фаз in vitro [48].

Фосфорилирование играет решающую роль во многих путях передачи сигналов, а также модулирует структурную целостность и динамику безмембранных органелл. Например, фосфорилирование нефрина тирозином стимулирует фазовое разделение тройной системы нефрин / NCK / N-WASP [46].Интересно, что общей чертой некоторых хорошо охарактеризованных безмембранных органелл является то, что они включают киназы и фосфатазы в свой матрикс [39, 78, 82]. Циклы активного фосфорилирования / дефосфорилирования связаны с регуляцией структурной целостности органелл. Активность ядрышковой киназы CK2 контролирует структурную связь между GC и DFC областями внутри ядрышка [78] и увеличивает динамику обмена NPM1 между ядрышковым и нуклеоплазматическим компартментами [83].Кроме того, фосфорилирование белков MEG-3 и MEG-4 киназой MBK-2 / DYRK и дефосфорилирование фосфатазой PP2A PPTR-1 / PPTR2 регулируют разборку и сборку P-гранул, соответственно, во время митоза у C. elegans в ассоциация с эмбриогенезом [39].

Сборка и разборка безмембранных органелл обеспечивает механизм для управления концентрацией и ассоциированным сигнальным поведением свободно диффундирующих молекул в ограниченных мембранами компартментах клетки.Напр., Динамические свойства стрессовых гранул связаны с передачей сигналов mTORC1 за счет иммобилизации mTORC1 внутри гранул, тогда как опосредованное фосфорилированием растворение этих органелл высвобождает mTORC1, активируя передачу сигналов ниже по течению [82]. В качестве другого примера Wippich et al. [82], продемонстрировали, что киназа DYRK3 конденсируется в цитоплазматических гранулах через свой N-концевой домен низкой сложности в зависимости от концентрации и локализуется в стрессовых гранулах при осмотическом и окислительном стрессе.Неактивный DYRK3 конденсируется в стрессовые гранулы вместе с компонентами пути mTORC1. Активация DYRK3 и последующее фосфорилирование PRAS40, ингибитора mTORC1, приводит к растворению стрессовых гранул и нарушению ингибирующего взаимодействия PRAS40 / mTORC1.

Дальнейшее доказательство роли посттрансляционных модификаций в регуляции свойств безмембранных органелл обеспечивается наблюдением, что аминокислоты аргинин, серин и тирозин чрезмерно представлены в последовательностях белков низкой сложности внутри них.Эти аминокислоты могут быть модифицированы посттрансляционно, аргинины — метилированием, а серины и тирозины — фосфорилированием, обеспечивая общие механизмы для модуляции пороговых значений конденсации белков и, следовательно, сигнальные пути ниже компонентов, секвестрированных в разделенной фазе фракции.

Концентрация компонентов как фактор сборки / разборки безмембранных органелл

Другим важным фактором в формировании безмембранных органелл в зависимости от фазового разделения является локальная концентрация компонентов (рис.1). Например, регуляция Р-гранул во время перехода от ооцита к эмбриону, когда они переходят из перинуклеарной области в цитоплазму, регулируется градиентом концентрации, который вызывает растворение перинуклеарных капель и повторную конденсацию в цитоплазме. Похожий механизм используется во время асимметричной сегрегации Р-гранул в основную клетку зародышевой линии [6]. Недавно Brangwynne и его коллеги продемонстрировали, что уровни РНК в каплях LAF-1, минималистичной модели P-гранул in vitro , регулируют вязкость и молекулярную динамику внутри жидкообразной фазы [47].Вязкоупругие свойства жидкоподобных капель, содержащих Whi3, также модулируются концентрацией РНК. В то время как Whi3 способен к фазовому разделению мономолекулярным образом при определенных условиях, присутствие РНК необходимо для того, чтобы процесс происходил при физиологических концентрациях соли. Более того, увеличение концентрации РНК коррелирует с увеличением вязкости капель и снижением динамики восстановления Whi3 после фотообесцвечивания [55]. Кроме того, сборка ядрышек и парашютов зависит от концентраций составляющих их РНК, которые контролируются транскрипционной активностью РНК-полимераз [2, 8], предполагая, что транскрипционный контроль концентрации РНК может быть общим механизмом для настройки физических свойств. безмембранных органелл (рис.1).

Многие безмембранные органеллы участвуют в клеточных ответах на различные типы стресса, и чувствительность их структурной целостности к концентрациям белка и РНК обеспечивает механизм быстрого реагирования на стрессовые сигналы, влияющие на эти уровни. Например, ингибирование Pol I-, II- и III-зависимой транскрипции РНК актиномицином D было связано с реорганизацией компонентов как ядерных, так и цитоплазматических безмембранных органелл [59]. После обработки актиномицином D, NPM1, основной компонент GC ядрышка, становится делокализованным в нуклеоплазму и цитоплазму из-за ингибирования РНК-Pol I-зависимой транскрипции рРНК.В этих условиях было обнаружено, что цитоплазматический NPM1 взаимодействует с компонентами стрессовых гранул, такими как мРНК, и белками hnRNPU и hnRNPA1 [84].

Также в условиях лечения актиномицином D компоненты белка и РНК, связанные с параспеклами, а также с тельцами PML и Кахаля, перемещаются в крышки ядрышек. Интересно, что в то время как белки из GC выбрасываются из ядрышка, белки из DFC, такие как фибрилларин, повторно локализуются в крышках ядрышка [25]. Эти наблюдения предполагают, что изменения окружающей среды могут изменять равновесие, которое поддерживает целостность безмембранных органелл, тем самым изменяя концентрации их компонентов в свободно диффундирующих пулах макромолекул внутри нуклеоплазмы и цитоплазмы и позволяя их перераспределение в различных других органеллах.

Новые методы исследования структур с разделенными фазами

Детальный анализ структурных особенностей безмембранных органелл и лежащих в их основе макромолекулярных ансамблей представляет проблемы, не встречающиеся в других областях структурной биологии. Взаимодействия, относящиеся к явлению разделения фаз, происходят в различных масштабах длины, от субнанометров до десятков микрометров, что делает какой-либо один аналитический метод недостаточным для исследования макромолекулярных сборок с разделением фаз.Например, хотя жидкообразные капли превышают ограничения по размеру, связанные с анализом с помощью ЯМР-спектроскопии, структурные и динамические характеристики гибких компонентов внутри них были охарактеризованы [53]. Однако динамические характеристики этих систем несовместимы с рентгеновской кристаллографией. Хотя сформированные макромолекулярные сборки легко наблюдаются с помощью обычных методов микроскопии, взаимодействия, ответственные за сборку, происходят на масштабах длины, которые ниже предела разрешения обнаружения.Кроме того, эти системы очень разнородны, и поэтому необходимы интеграционные решения, сочетающие в себе дополнительные методы, чтобы понять их структурные особенности.

Методы определения структуры с атомным разрешением

Несколько исследований с использованием классических структурных методов, включая ЯМР в растворе [46, 48, 49, 67–69] и рентгеновскую кристаллографию [19, 70], предоставили детальное понимание молекулярных взаимодействий. которые опосредуют сетевую структуру, которая управляет фазовым разделением модульных белков внутри безмембранных органелл.Однако из-за технологических ограничений эти исследования проводились с усеченными формами белков и нуклеиновых кислот, соответствующими индивидуальным модулям взаимодействия. Эти традиционные методы будут полезны в будущем для определения структурной основы взаимодействий между свернутыми доменами внутри многодоменных белков, склонных к фазовому разделению, и их партнеров по взаимодействию, включая пептиды, соответствующие коротким линейным мотивам и сегментам РНК. Однако, поскольку многие белки, склонные к фазовому разделению, демонстрируют низкую сложность и особенности неупорядоченной последовательности, эти методы определения дискретной структуры белка, вероятно, найдут ограниченное применение в этой развивающейся области.

ЯМР-спектроскопия; универсальный инструмент в исследованиях белков, склонных к фазовому разделению.

ЯМР-спектроскопия предлагает уникальные возможности в исследованиях неупорядоченных белков, обеспечивая понимание конформаций и динамики отдельных аминокислот по всей полипептидной цепи. Измерения значений химического сдвига для ядер атомов основной цепи сообщают о склонностях и динамике вторичной структуры, которые можно исследовать в масштабах времени от пс до нс и от мкс до мс с использованием различных методов релаксации [85].Более того, дальнодействующая структура в неупорядоченных белках может быть изучена с использованием методов усиления парамагнитной релаксации (PRE) и путем измерения остаточных диполярных связей [86]. Первый метод, однако, требует, чтобы белки были сконструированы так, чтобы включать отдельные остатки цистеина для мечения парамагнитным зондом. Ограничением этих подходов ЯМР является то, что быстрые конформационные флуктуации неупорядоченных полипептидов вызывают ансамблевое усреднение параметров ЯМР. Второе ограничение заключается в том, что полученная структурная и динамическая информация сообщает об особенностях отдельных сайтов в белке в очень ограниченной шкале длины (Å или десятки Å в случае измерений PRE).Исключением является использование методов градиента импульсного поля для изучения диффузии белков [87], но они еще не использовались в исследованиях белков в жидких каплях. Обширная динамика, характеризующая IDP, часто является преимуществом для исследований ЯМР, поскольку они вызывают сужение резонанса и улучшают обнаружение. Однако некоторые ВПЛ испытывают колебания во временных масштабах, которые вызывают расширение резонанса и могут затруднять ЯМР-исследования. Несмотря на эти ограничения, уже было продемонстрировано, что ЯМР обеспечивает уникальное понимание конформационных и динамических характеристик IDP, склонных к разделению фаз, как до, так и после разделения фаз; несколько примерных исследований обсуждаются ниже в разделе «Интегративные подходы к пониманию молекулярных основ разделения фаз».

Методы исследования молекулярных взаимодействий, связанных с разделением фаз

Классические методы характеристики биомолекулярных взаимодействий, такие как ITC [49] и SPR [68, 69], использовались для характеристики широкого диапазона аффинностей связывания, связанных с различными типы взаимодействий, которые происходят в жидкообразных каплях и / или безмембранных органеллах. ЯМР также можно использовать для характеристики макромолекулярных взаимодействий и особенно хорошо подходит для исследований слабых взаимодействий, которые создают проблемы для других методов.Например, возмущения химического сдвига, наблюдаемые во время титрования немеченого связывающего партнера в изотопно-меченый белок, могут быть количественно проанализированы для определения специфичных для остатков и общих значений K d для взаимодействий, связанных с разделением фаз [NPM1 интегрируется в ядрышко через несколько -модальные взаимодействия с белками, демонстрирующими R-богатые линейные мотивы и рРНК: Mitrea DM, et al., в обзоре]. Однако поливалентность белков, склонных к фазовому разделению, может привести к возникновению сложных многоступенчатых механизмов взаимодействия, которые усложняют анализ данных, полученных с помощью описанных выше методов.Поэтому эксперименты часто проводят с усеченными макромолекулами пониженной поливалентности и, следовательно, не рассматривают взаимодействия в условиях разделения фаз. Несмотря на эти ограничения, эти биофизические методы обеспечивают важное понимание свойств связывания отдельных элементов в поливалентных макромолекулах, которые претерпевают фазовое разделение.

Методы рассеяния для исследования структурных особенностей до и после разделения фаз

Динамическое рассеяние света и малоугловое рассеяние рентгеновских лучей (SAXS) [19, 46] были использованы для понимания общего размера и формы макромолекулярных ансамблей.В частности, SAXS использовался для характеристики формы (например, радиуса вращения) ансамблей неупорядоченных белков [88]. Однако методы рассеяния могут также обнаруживать дальний порядок в так называемых мягких материалах и однозначно давать представление о структурном составе этих материалов. Малоугловое рассеяние нейтронов (МУРН) ранее использовалось в структурном анализе смесей полимеров [89–91] и полимерных мягких наноматериалов [92] и имеет большой потенциал в исследованиях безмембранных органелл для получения информации о пространственной организации макромолекулы в конденсированном состоянии.Одно недавнее исследование использовало SANS для характеристики регулярного расположения молекул в каплях, состоящих из ядрышкового белка, нуклеофозмина (NPM1) и пептида, полученного из рибосомного белка, rpL5, на масштабах длины от 5,5 до 11,9 нм [NPM1 интегрируется в ядрышко посредством мультимодальных взаимодействий с белками, демонстрирующими R-богатые линейные мотивы и рРНК: Mitrea DM, et al., в обзоре]. SANS имеет то преимущество, что позволяет обнаруживать рассеяние от конкретных компонентов в гетерогенных, разделенных фазами состояниях посредством селективного протонирования и / или дейтерирования и согласования контрастности растворителя [93].Более того, SANS с временным разрешением использовались в прошлом в исследованиях фазового разделения мутантного хантингтина экзона 1 на амилоидные волокна для определения механизма сборки макромолекул и геометрии упаковки мономеров внутри фибрилл [94]. Мы предполагаем, что SAXS и SANS могут быть в состоянии выявить расстояние между частично упорядоченными макромолекулами в жидкообразной структуре капель, приготовленных in vitro и, возможно, в безмембранных органеллах, если могут быть решены технические проблемы, связанные с подготовкой образцов.Мы предполагаем, что эти методы рассеяния станут мощным инструментом для характеристики биологических структур, возникающих в результате разделения фаз в будущем.

Световая микроскопия

Методы световой микроскопии (обзор в [95]) широко используются для визуализации субклеточной локализации флуоресцентно меченых молекул. Визуализация в реальном времени в сочетании с восстановлением флуоресценции после фотообесцвечивания (FRAP) или потери флуоресценции при фотообесцвечивании (FLIP) позволяет исследовать динамику макромолекул в безмембранных органеллах внутри живых клеток [7, 46, 48, 77] и фазово-разделенные состояния, восстановленные in vitro [46–48, 50].

Информация, полученная с помощью методов структурной биологии, находится на шкале длин от 10 −10 до 10 −9 м, в то время как классические методы световой микроскопии предоставляют информацию на гораздо более крупных масштабах, от 10 −7 до 10 −3 м. Эта ситуация создает разрыв, соответствующий двум порядкам величины по шкале длины в нашем понимании структурных и динамических особенностей безмембранных органелл микронного размера. Макромолекулярные взаимодействия, которые происходят в масштабе длины этого промежутка, ответственны за структурную организацию, которая приводит к разделению фаз и жидкоподобным и / или гелеобразным свойствам безмембранных органелл и родственных структур.Далее мы обсудим структурные методы, которые могут заглянуть в этот разрыв в масштабе длины.

Высокое разрешение и микроскопия одиночных молекул

Электронная микроскопия может расширить промежуток между двумя наборами методов, описанных выше, и широко используется для изучения ультраструктуры клеток [1]. Существенным ограничением этого метода является низкая уверенность в том, что конкретные молекулы могут быть идентифицированы на основе контраста изображений в оттенках серого [96]. Возникающая область коррелированной световой и электронной микроскопии (CLEM; обзор [96]) предоставляет возможность напрямую связать динамическую информацию, полученную с помощью методов живой флуоресцентной микроскопии, с ультраструктурными деталями, полученными с помощью электронной микроскопии.

Значительный прогресс был достигнут за последнее десятилетие в методах микроскопии сверхвысокого разрешения (обзор приведен в [97]) и был успешно применен для расшифровки архитектуры хромосом [98]. Для изучения ультраструктурной организации зародышевых гранул у C. elegans была применена микроскопия решетчатых листов в сочетании с микроскопией со структурированным освещением, метод, который возвращает трехмерные изображения с разрешением ~ 200 нм x 200 нм в плоскости x / z, которое превышает дифракционный предел. [39]. Внутренняя структура, наблюдаемая в нескольких безмембранных органеллах, предполагает, что сконденсированные макромолекулы не распределены однородно, а далее разделяются на фракции с разделенными фазами с различными физическими свойствами.Эти методы дают возможность выявить гетерогенную ультраструктуру безмембранных органелл в будущем.

Флуоресцентная микроскопия одиночных молекул имеет большой потенциал для анализа белков в жидких каплях in vitro и безмембранных органеллах в клетках. Например, флуоресцентная корреляционная спектроскопия одиночных молекул (FCS) [99] и резонансный перенос энергии Ферстера (smFRET) [100] были использованы для изучения структурных и динамических характеристик склонных к агрегации внутренне неупорядоченных белков in vitro (обзор в [101]).Кроме того, одномолекулярный FRET и другие методы были применены к широкому диапазону неупорядоченных белков с различным составом и распределением заряженных остатков (обзор в [102]). Мы предполагаем, что в будущем эти методы будут применяться к неупорядоченным белкам внутри жидких капелек, чтобы выявить их структурные и динамические особенности. Более того, smFRET и визуализация времени жизни флуоресценции выявили конформационные особенности неупорядоченного белка в клетках HeLa [103], открывая возможности в будущем для изучения склонных к фазовому разделению белков в безмембранных органеллах в их естественной клеточной среде.

Дополнительные методы определения физических характеристик

Плотность [1], вязкость [5, 6, 47] и жесткость [79] — это некоторые из физических свойств, которые были измерены для bona fide безмембранных органелл или in vitro. капель восстановленной жидкости. Интерферометрическая микроскопия была использована для измерения плотности ядерных безмембранных органелл в изолированных зародышевых пузырьках Xenopus laevis , ядрах ооцитов [1]. Этот метод позволил получить важную информацию о физических свойствах тугоплавких субклеточных тел в квази-естественной среде.Однако несколько соображений при интерпретации этих данных заключаются в том, что результаты основаны на упрощенном предположении, что органеллы имеют сферическую форму и состоят исключительно из гомогенно смешанной воды, белков и низкомолекулярных растворенных веществ [1].

Атомно-силовая микроскопия обеспечивает преимущество выполнения сканирования поверхности безмембранных органелл, которые создают топологические карты с разрешением в нанометровом диапазоне. Кроме того, этот метод предоставляет средства для измерения других ключевых биофизических свойств, таких как структурная жесткость, как это делается для ядрышек [79].

Методы микрореологии, традиционно используемые для характеристики вязкоупругих свойств полимеров и сложных жидкостей [104], были применены для характеристики безмембранных органелл [5, 6, 42, 105] и in vitro. сформированных белков и белков. -РНК жидкие капли [47, 55]. В частности, технология индикаторных шариков предоставила важную информацию о влиянии РНК на вязкоупругие свойства in vitro жидких капель [47, 55].

Вычислительные и теоретические подходы

По мере того, как мы получаем больше знаний о типах макромолекул, которые подвергаются фазовому разделению с образованием жидких структур как in vitro, , так и в клетках, необходимы вычислительные модели для анализа структурных и динамических характеристик, закодированных по их аминокислотным последовательностям, чтобы понять их поведение при разделении фаз.Большая часть белков или участков белка, которые, как было показано, подвергаются фазовому разделению, по своей природе неупорядочены, что создает множество вычислительных проблем, особенно конформационный отбор образцов и физическую точность. Для удовлетворения потребности в выборке обширного конформационного пространства, исследуемого IDP / IDR, используется широкий спектр методов, включая методы молекулярной динамики, часто улучшенные такими подходами, как обмен репликами и родственными методами [106, 107], а также методами выборки Монте-Карло. [108, 109].Доступно множество различных силовых полей и их вариантов [110–112], а некоторые из них были недавно протестированы и сравнены [113]. Расчеты часто выполняются без экспериментальных ограничений, и поэтому они полагаются на лежащие в основе силовые поля для создания физически точных молекулярных ансамблей. В прошлом проблема заключалась в том, что вычислительные модели IDP были слишком компактными [114], но эта проблема решается путем уточнения метода [112, 115–117] и рассмотрения данных ЯМР, SAXS и smFRET [110, 113, 118] .Другая группа подходов использует экспериментальные ограничения (например, данные ЯМР и / или SAXS) для выбора конформеров для включения в ансамбли IDP — так называемые методы «выборки и выбора» [88, 119–121]. Дополнительные вычислительные методы были разработаны для создания ансамблей IDP на основе данных SAXS [122]. Разработка физически точных молекулярных ансамблей с атомистическими деталями для IDP важна, потому что, за исключением методов флуоресценции одиночных молекул, экспериментальные методы, используемые для характеристики IDP, подлежат усреднению по ансамблю.Таким образом, созданные с помощью вычислений ансамблевые модели IDP позволяют исследовать особенности большого числа отдельных молекул. Однако эти подходы только начинают применяться к белкам, которые претерпевают фазовое разделение.

Ключевой задачей компьютерных исследований белков, склонных к фазовому разделению, является понимание межмолекулярных взаимодействий, которые являются основой самоассоциации и фазового разделения. Что касается этой цели, область находится в зачаточном состоянии. Однако методологии, применяемые для понимания агрегации белков и образования фибрилл, можно использовать для понимания типов взаимодействий, которые управляют фазовым разделением белков и, возможно, в будущем, фазовым разделением белок-нуклеиновая кислота.В области агрегации белков были применены методы разностных вычислений, чтобы понять агрегацию полиглутаминовых трактов, связанных с болезнью Хантингтона [123], и атомистические методы, чтобы понять агрегацию амилоида β [124]. Очевидно, что для понимания молекулярной основы разделения фаз необходимы дополнительные усилия в этой области.

В то время как вычислительные подходы сталкиваются с проблемами в решении проблемы разделения фаз белков, в последние годы был достигнут значительный прогресс в понимании взаимосвязей между особенностями последовательностей IDPs и IDRs и общими конформационными особенностями ансамблей IDP [125–127].Результаты ЯМР, флуоресценции одиночных молекул и вычислительных подходов показали, что характеристики заряда IDP влияют на форму их динамических ансамблей. Паппу и его сотрудники расширили эти результаты, используя как вычислительные, так и экспериментальные методы, чтобы показать, что не только доля заряженных остатков и чистый заряд на остаток в IDP и IDR влияют на их общие конформационные характеристики, но также и на распределение противоположно заряженных остатков в последовательностях. существенно влияет на уплотнение ансамблей ИДП [128].Эти достижения привели к разработке новой фазовой диаграммы, основанной на значениях чистого положительного и отрицательного заряда на остаток для классификации последовательностей IDP и IDR [129]. Эти разработки обеспечивают концептуальную основу для установления взаимосвязей между характеристиками начисления IDP и IDR, их конформационными характеристиками и их склонностью к разделению фаз. Характеристики заряда, безусловно, являются важными факторами, определяющими поведение фазового разделения белков; например, остатки аргинина преобладают в областях низкой сложности, которые, как известно, образуют жидкие капельки in vitro и в белковых компонентах безмембранных органелл [44, 47].Однако эти последовательности часто обогащены ароматическими и другими нейтральными аминокислотами, что указывает на то, что, хотя электростатические взаимодействия могут играть важную роль в некоторых случаях, другие типы молекулярных взаимодействий играют роль в других случаях [48, 50, 53]. Это было подтверждено в недавнем исследовании Гарсиа Кироса и Чилкоти [130], в котором они определили особенности последовательностей сконструированных белков, которые могут подвергаться фазовому разделению из-за повышения температуры (названные последовательностями LCST) или уменьшения (названные последовательностями UCST).Последовательности LCST были обогащены гидрофобными остатками, тогда как последовательности UCST были обогащены остатками зарядов [131]. Это исследование, которое включало теоретические соображения, а также экспериментальные измерения in vitro и , служит моделью для будущих исследований физической основы для фазового разделения растущего списка белков и молекул РНК, которые, как было показано, разделяются на жидкие или гелевые. -подобная фаза безмембранных органелл и других клеточных тел.

Интегративные подходы к пониманию молекулярной основы фазового разделения

Ни один из отдельных методов или подходов, обсуждаемых выше, сам по себе не раскрывает молекулярную основу для фазового разделения с помощью белков и смесей белок-нуклеиновые кислоты; следовательно, существует необходимость в применении нескольких взаимодополняющих методов и интеграции результатов для улучшения понимания механизмов.Интеграция необходима для охвата широких масштабов длины, относящихся к безмембранным органеллам, начиная от атомной шкалы (единиц Å), относящейся к конформациям аминокислот и их межмолекулярным взаимодействиям, до общего размера in vitro жидких капель. и клеточные органеллы без мембран (единицы микрометры). Интеграция также необходима в широком диапазоне соответствующих временных масштабов, включая движения аминокислот и их полипептидных цепей, которые опосредуют их конформационную гетерогенность и межмолекулярные взаимодействия в масштабе времени от нс до мкс, для диффузии макромолекул внутрь и наружу. и внутри жидкообразных структур в масштабе времени от секунд до десятков секунд.Ключевой задачей является понимание взаимосвязи между конформационными особенностями и движениями аминокислот в атомном масштабе и макроскопическими свойствами этих структур (например, вязкостью, поверхностным натяжением, скоростью макромолекулярной диффузии и т. Д.).

Было начато несколько исследований, направленных на решение проблем, связанных с охватом этих широких масштабов длины и времени. Например, в недавнем отчете рассматриваются конформационные особенности белка FG-Nup, Nup153, и то, как эти особенности опосредуют сверхбыстрые взаимодействия с ядерным транспортным рецептором, Importin β [132].Хотя это исследование не связано с разделением фаз per se , это исследование дает объяснение того, как груз, связанный с импортином β, может быстро диффундировать через конденсированную фазу в ядре комплекса ядерных пор, который состоит из нескольких белков FG-Nup, включая Nup153. ЯМР-спектроскопию использовали для понимания усредненных по ансамблю конформационных и динамических характеристик амидных групп основной цепи в неупорядоченном Nup153 в отсутствие и в присутствии импортина-β и для создания конформационного ансамбля с использованием подхода «образец и выбор».Этот ансамбль был подтвержден обратным расчетом профиля рассеяния рентгеновских лучей и сравнением с экспериментальными данными SAXS, иллюстрацией масштабов охвата от аминокислот до целого неупорядоченного белка. Чтобы дополнить эту информацию, данные smFRET и измерения времени жизни флуоресценции были использованы для понимания конформационных особенностей многих отдельных молекул в одних и тех же условиях, в то время как флуоресцентная корреляционная спектроскопия использовалась для сравнения молекулярных диффузионных свойств Nup153 без и с импортином β.Кроме того, молекулярная динамика и вычислительные методы броуновской динамики использовались, чтобы связать выводы из вышеупомянутых биофизических методов с механизмом взаимодействия Nup153 / Importin β при атомистическом разрешении. Наконец, эти различные части молекулярных данных были связаны с импортином-β-зависимым транспортом через NPC в живых клетках с использованием объемного и одночастичного отслеживания флуоресценции.

Другой пример — недавнее исследование связанного с БАС белка, FUS, от Fawzi и его сотрудников, в котором использовались методы ЯМР и различные методы флуоресцентной микроскопии для изучения молекулярных свойств FUS в in vitro, жидкоподобных каплях и его взаимодействия с РНК и С-концевым доменом РНК Pol II.Последним примером является недавнее исследование очень распространенного ядрышкового белка, NPM1, который, как было показано, разделяется на жидкие капельки с другими ядрышковыми белками и рибосомной РНК [NPM1 интегрируется в ядрышко посредством мультимодальных взаимодействий с белками, демонстрирующими R-богатые линейные мотивы и рРНК: Mitrea DM, et al., В обзоре]. ЯМР, smFRET и SANS были использованы для понимания конформационных и динамических характеристик NPM1 до и после разделения фаз с пептидом, полученным из рибосомного белка, rpL5, и выявили молекулярную организацию, простирающуюся до ~ 10 нм в жидкообразных каплях.Кроме того, делеционный анализ идентифицировал домены NPM1, необходимые для разделения фаз in vitro, и для локализации внутри ядрышек в клетках.

Три исследования, обсужденные выше, иллюстрируют подходы, позволяющие связать молекулярные особенности склонных к фазовому разделению белков, изученных с атомным разрешением, с макроскопическими особенностями жидкоподобных структур, которые они образуют. Важно отметить, что в двух исследованиях также были интегрированы результаты клеточных анализов, что позволило связать молекулярные особенности с биологической функцией.Мы только начинаем понимать физические свойства белков, склонных к фазовому разделению, которые связаны с их локализацией в безмембранных органеллах, и с нетерпением ждем результатов аналогичных авантюрных интегративных исследований, чтобы расширить наши знания об этих свойствах и, что важно, о том, как они вносят свой вклад.

Author: alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *