Как осуществляется обмен веществ между ядром и цитоплазмой кратко
Обновлено: 30.06.2024
Транспорт между ядром и цитоплазмой через ядерные поровые комплексы (ЯПК)
Незаряженные молекулы менее 100 Да, включая молекулы воды, могут свободно диффундировать через фосфолипидный бислой, однако все остальные молекулы и макромолекулы транспортируются через ЯПК (ядерный комплекс поры) в ядерной оболочке. Процесс транспорта через ЯПК называется транслокация.
На рисунке ниже представлены различные классы молекул, которые проходят в ядро и выходят из него через ядерные поровые комплексы (ЯПК).
Транспорт молекул (>100 Да) и макромолекул между ядром и цитоплазмой можно исследовать, используя соединения, меченные радиоактивными изотопами или флуоресцентными красителями. Эти соединения вводят в цитоплазму или в ядра крупных клеток, таких как, например, ооциты амфибий.
Локализация молекул, меченных радиоактивными изотопами, определяется после выделения ядерной и цитоплазматической фракции клеток, а локализация соединений, меченных красителями — с помощью флуоресцентной микроскопии. Исследования, проведенные с использованием этих методов, показали, что относительно небольшие молекулы таких соединений, как глюкозо-6-фосфат или флуоресцеин, проходят через ядерную оболочку очень быстро — в течение нескольких секунд.
В состоянии равновесия концентрация таких соединений по обеим сторонам ядерной оболочки одинакова. Мы полагаем, что транспорт этих небольших молекул происходит за счет прямой диффузии, поскольку он осуществляется с одинаковой скоростью как при температуре 4 °С, так и при физиологических ее значениях.
Через ЯПК транспортируется много различных молекул и макромолекул.
Не показаны небольшие, незаряженные молекулы (
Максимальный размер частиц, способных свободно диффундировать через ядерную оболочку, определяли путем инъекции частиц золота определенного размера с одной стороны ядерной оболочки и регистрации их появления с другой стороны. Как показано на при помощи таких исследований удалось выяснить, что частицы размером 9 нм и менее могут поступать в ядро и выходить из него за счет пассивной диффузии через ядерные поры.
Такой диаметр соответствует молекуле глобулярных белков массой около 40 кДа. Поскольку скорость диффузии частицы пропорциональна ее величине, поскольку более крупные частицы проникают в обоих направлениях медленнее, чем более мелкие. Скорость диффузии одинакова в обоих направлениях.
Молекулы белков, размеры которых превышают 9 нм, не могут свободно диффундировать через ядерные поры и переносятся в процессе активного селективного транспорта. К такому заключению пришли на основании экспериментов, в которых в цитоплазму клетки вводили белки различного размера.
Было показано, что лишь некоторые белки способны проникать в ядро, причем скорость их транспорта не связана с величиной молекул. Такие же закономерности существуют и для экспорта белков из ядра. Эти эксперименты показали, что ядерный импорт и экспорт белков представляют собой избирательные процессы.
Они не происходят при недостатке АТФ и при 4 °С, что свидетельствует об их энергозависимом характере. Ниже мы обсудим вопрос о том, что причина транспорта в ядро и выхода из него только определенных белков заключается в том, что они содержат специальные сигналы, позволяющие им транспортироваться через оболочку ядра.
Когда частицы золота различных размеров, покрытые поливинилпирролидоном,
вводят в клетку, частицы меньше либо равные 9 нм проходят через ЯПК за счет пассивной диффузии.
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
Когда речь заходит о различиях между про- и эукариотическими клетками, то первым, что можно услышать в ответ, будет замечание о том, что эукариоты обладают ограниченным мембранами ядром, тогда как прокариоты являются безъядерными. И хотя у про- и эукариотов еще множество иных отличий, тем не менее основным признаком, по которому эти организмы делят на два домена, является именно наличие либо отсутствие ядра, что указывает на фундаментальное значение этого органоида. Ядро представляет собой не просто один из многих компартментов внутри клетки, но берет на себя функции основного регулятора ее жизнедеятельности.
Чтобы понять, как же ядро исполняет возложенные на него обязанности, и почему его наличие настолько преображает внутриклеточные процессы, обратимся к его устройству. Ядерная оболочка состоит из двух концентрических фосфолипидных мембран — наружной и внутренней, — удаленных друг от друга на 30 нм (рис. 1).
Рисунок 1 | Ядерная оболочка, цитоплазматическая сторона (атомно-силовая микроскопия).
Надо сказать, такая двухслойная оболочка представляет собой куда более серьезный барьер, чем одинарная цитоплазматическая мембрана, окружающая клетку. Наружная мембрана ядерной оболочки неразрывно связана с лабиринтами ЭПР, а внутренняя мембрана — с сетью промежуточных филаментов, которая сформирована белком ламином и называется ядерной пластинкой, служащей местом прикрепления хромосом. Как и любой другой мембранный компонент, ядерная оболочка обладает избирательной проницаемостью, что необходимо для контролируемого перемещения различных соединений между ядром и цитоплазмой. Такое свойство ядерной оболочке обеспечивают белковые комплексы нуклеопоринов, представляющих собой ядерные поры (nuclear pore complex, NPC), которые в огромном количестве (от двух до пяти тысяч в клетках позвоночных) испещряют мембраны, окружающие ядро (рис. 2).
Рисунок 2 | Схематичная структура NPC.
В состав одного комплекса ядерной поры входят различные виды нуклеопоринов (коих около 30-ти), скомпонованных в субкомплексы, каждый из которых представлен несколькими копиями, в результате чего полностью собранный NPC включает в себя от 500 до 1000 отдельных белков. NPC соединяют наружную и внутреннюю мембраны оболочки ядра, формируя при этом водные каналы. Благодаря методам криоэлектронной микроскопии и томографии стало возможным внимательное рассмотрение структуры ядерных пор: центральный канал каждой поры окружен тремя последовательно уходящими вглубь кольцевыми структурами, к которым как со стороны цитоплазмы, так и со стороны ядра прикрепляются белковые нити, что в совокупности по своему виду напоминает корзину (да собственно, так и называется — nuclear basket). Транспорт солей, нуклеотидов, небольших молекул и компонентов, требующихся для синтеза ДНК и РНК, осуществляется через NPC путем пассивной диффузии (рис. 3).
Механизм ядерного транспорта молекул, размер которых не превышает 40 кДа (и диаметром 4–5 нм), заключается в прохождении через NPC без специфического распознавания, путем пассивной диффузии. Более крупные молекулы (белки, некоторые мРНК) связываются с транспортными рецепторами, распознающими особые аминокислотные последовательности (NLS, NES). Пояснения в тексте.
Для импорта в ядро крупных белков, размером крупнее 40–65 кДа, требуется участие транспортных рецепторов, которые чувствительны к сигналам, посылаемым транспортируемыми белками. Одним только созданием диффузионного барьера и контролем ядерно-цитоплазматического транспорта функции NPC не ограничиваются. Данные белковые комплексы задействованы также в таких ядерных процессах, как восстановление ДНК, клеточный цикл, организация хроматина, регуляция транскрипции, созревание РНК (рис. 4).
Рисунок 4 | Схематичное представление механизмов ядерно-цитоплазматического импорта и экспорта. Пояснения в тексте.
Обратимся более подробно к упомянутым сигналам, необходимым для переноса крупных белков в ядро или из него. Растворимые транспортные рецепторы семейства кариоферинов распознают в структуре белков специфические аминокислотные последовательности, к которым относятся сигнал ядерной локализации (NLS) и сигнал ядерного экспорта (NES). Распознав нужный участок (типичным признаком NLS является повторение нескольких положительно заряженных аминокислот — лизин, аргинин), транспортные рецепторы либо связываются с ним напрямую, либо с помощью адапторных молекул, в результате чего запускается процесс транслокационных изменений.
Передача сигнала может происходить путем различных механизмов, которые классифицируют по функциональным особенностям NLS.
Например, первыми описанными сигнальными последовательностями были короткие, богатые лизином участки, которые впоследствии стали относить к классическим NLS. Такие NLS связывают домен ARM на С-терминальном конце импортина-α, выполняющего роль адапторного белка, а он, в свою очередь, связывает транспортный рецептор импортин-β, взаимодействуя с доменом αIBB на его N-терминальном конце, то есть, формируется трехкомпонентный комплекс, включающий в себя перемещаемый белок, адаптор и транспортный рецептор. В противоположность данному типу NLS, неклассические NLS связываются с транспортным рецептором без участия адапторных молекул. Например, к белкам, непосредственно распознаваемым импортином-β, относятся рибосомальные белки, транскрипционный фактор CREB, вирусные белки Rev и Tat вируса иммунодефицита человека, SREBP-2, белок Rex Т-лимфотропного вируса человека 1-го типа, циклин В1, Smad3 и т. д.
Характерным признаком членов данного семейства рецепторных белков является наличие многоповторных HEAT-мотивов, сформированных двумя антипараллельными амфифильными спиралями, соединенными линкерной областью. Именно эти структуры ответственны за узнавание транспортируемых белков, опосредованное ГТФазой Ran, а также за высвобождение белков после переноса. Таким образом, ГТФаза Ran и белок, который необходимо протащить через ядерную пору, связываются с суперспиралью рецептора изнутри, а нуклеопорины связываются с рецепторами через FG-мотивы снаружи, и таким образом, путем многократных последовательных связываний и разобщений NPC с рецептором белок транспортируется через пору. Кроме того, важно, чтобы комплексы ядерных пор поддерживали гидрофобное микроокружение, поскольку это критично для рецептор-опосредованного транспорта.
По данным кристаллографического анализа комплекса FG-мотива импортина-β, данный рецептор обладает несколькими гидрофобными карманами на выпуклой поверхности, которые предназначены для взаимодействия с гидрофобными остатками FG-Nup (встречаются в составе нуклеопоринов, составляющих комплексы ядерных пор). Отсюда также следует, что помимо размера белка его гидрофобность тесно связана с его способностью проходить через ядерные поры. Однако сильная поверхностная гидрофобность и сильные связи с нуклеопоринами не объясняют в полной мере скорость перемещения белка через NPC, поскольку гидрофобные белки застревают в NPC на некоторое время и не так-то легко высвобождаются в цито-/нуклеоплазму.
При импорте какого-либо белка со стороны ядра к транспортному комплексу присоединяется уже неоднократно упоминаемая ГТФаза Ran, что необходимо для диссоциации импортина-β и высвобождения переносимого субстрата в кариолимфу (рис. 5, 6).
После связывания транспортируемой молекулы в цитоплазме импортины способны взаимодействовать с белками NPC и проходить через центральный канал поры. Оказавшись внутри ядра, комплекс импортина с транспортируемой им молекулой связывается с ГТФазой Ran, что ведет к конформационным изменениям, способствующим высвобождению груза. После высвобождения белка импортин и ГТФаза перебрасываются в цитоплазму.
А — рецептор-независимый импорт (бета-катенин взаимодействует с белками NPC напрямую).
В — классический рецептор-зависимый импорт транспортируемой молекулы с образованием комплекса с α- и β-импортинами.
С — особый способ, характерный для некоторых типов белковых молекул, когда возможно взаимодействие как с нуклеопоринами без посредников, так и с участием импортинов.
Ran представляет собой гуаниннуклеотидсвязывающий белок, который может находиться в форме Ran-ГТФ или Ran-ГДФ, в зависимости от того, в каком компартменте клетки он находится. Внутри ядра белок Ran-GEF (фактор обмена гуаниновых нуклеотидов) заботится о том, чтобы Ran оставался связанным с ГТФ. После диссоциации импортинов (как α, так и β) каждый из них своим путем возвращается назад в цитоплазму, чтобы снова участвовать в импорте белков. Импортин-α экспортируется в цитоплазму по Ran-зависимому механизму с помощью рецепторов CAS (cellular apoptosis susceptibility — клеточной чувствительности к апоптозу). Импортин-β выносится из ядра в комплексе с ГТФазой Ran, что препятствует его повторному связыванию с импортином-α в ядре.
Перешедшая таким образом в цитоплазму ГТФаза Ran в комплексе с импортином-β связывается ГТФаза-активирующим белком (GAP), и буквально в следующее мгновение ГТФ гидролизуется до ГДФ. После гидролиза импортин и Ran-ГДФ диссоциируют на отдельные компоненты, и импортин готов для следующего цикла импорта белков внутрь ядра. А Ran-ГДФ, в свою очередь, доставляется назад транспортным фактором NTF-2 (не относится к семейству импортина-β), который специфичен для Ran. В ядре Ran снова принимает форму ГТФ-связанного белка и готовится выполнять свои функции как в качестве помощника для высвобождения транспортируемого белка при импорте в ядро, так и для формирования транспортного комплекса при экспорте белковых молекул из ядра.
Кроме того, существует путь транспорта между ядром и цитоплазмой, для которого участие транспортных рецепторов, таких как импортин-β, не является ключевым моментом. В этом случае перемещаемый белок связывается напрямую с белками NPC (такой транспорт описан, например, для белка Vpr ВИЧ), катализируя свой перенос самостоятельно, без участия каких-либо растворимых факторов.
Через каждую пору ядерной мембраны возможен как импорт, так и экспорт белков (рис. 7).
Экспортины связываются с ГТФазой Ran и экспортируемым белком в ядре; весь комплекс преодолевает центральный канал и оказывается в цитоплазме. Ran-GAP (совместно с RANBP1 и RANBP2) активирует гидролиз ГТФ, связанного с Ran. В итоге Ran-ГДФ взаимодействует с NTF2 и передислоцируется в ядро, где с помощью RAN-обменного фактора RCC1 восстанавливается уровень Ran-ГТФ.
Как уже было сказано выше, размер транспортируемого белка не является единственной детерминантой, предполагающей активный или пассивный транспорт. В том числе это подтверждается тем, что хотя крупные белки и не могут диффундировать через ядерные поры, тем не менее далеко не все небольшие молекулы свободно проникают через ядерную оболочку, напротив, многие из них все равно транспортируются по механизму активного транспорта, т. к. этот процесс подвержен более строгой регуляции.
Например, активный транспорт предполагает вовлечение определенных сигнальных путей, тогда как в отсутствие сигнала нуклеопорины не проявляют аффинных свойств к субстратам. В то же время, мнение ученых о механизмах пассивного транспорта разнятся. Одни придерживаются представления о том, что по краю NPC, вокруг центрального канала поры, располагается восемь маленьких каналов, через которые небольшие молекулы и ионы беспрепятственно диффундируют внутрь ядра (рис. 3).
Другие ученые предполагают, что существует все же только один канал, по которому осуществляется как диффузия, так и активный транспорт. Долгое время считалось, что пассивный транспорт никак не регулируется, кроме как размером пропускного канала, однако позже была выяснена зависимость пропускной способности NPC от концентрации ионов кальция в просвете ядерных пор, что дает возможность для управления и пассивным транспортом молекул.
Материальный обмен между ядром и цитоплазмой клетки осуществляется посредством ядерных пор — транспортных каналов, пронизывающих двухслойную ядерную оболочку. Переход макромолекул из ядра в цитоплазму и в обратном направлении называется ядерно-цитоплазматическим транспортом.
Содержание
Структура
Свойства ядерных пор
Количество ядерных пор на одно ядро может колебаться от 190 у дрожжей, 3000-5000 в клетках человека, до 50 млн в зрелых ооцитах шпорцевой лягушки (Xenopus laevis). Этот показатель может также варьировать в зависимости от типа клетки, гормонального статуса и стадии клеточного цикла. Например, в клетках позвоночных количество ядерных пор удваивается на протяжении S фазы, одновременно с удвоением хромосом. При разборке ядерной оболочки во время митоза ядерные поры позвоночных распадаются на субкомплексы с массами около миллиона дальтон. Показано, что разборка комплекса ядерной поры инициируется циклин B-зависимой киназой, фосфорилирующей нуклеопорины. После завершения клеточного деления ядерные поры собираются de novo. Ядерные поры интерфазного ядра перемещаются большими массивами, а не независимо друг от друга, причем эти перемещения происходят синхронно с перемещениями ядерной ламины. Это служит доказательством того, что ядерные поры механически связаны между собой и формируют единую систему (англ., NPC network).
Нуклеопорины
Нуклепорины, белки из которых постоены ядерные поры, делят на три подгруппы. К первой относят трансмембранные белки, заякоривающие комплекс в ядерной оболочке. Нуклепорины второй группы содержат характерный аминокислотный мотив — несколько раз повторенные FG, FXFG или GLFG — последовательности (так называемые FG-повторы, где F — фенилаланин, G — глицин, L — лейцин, X — любая аминокислота). Функция FG-повторов, по-видимому, заключается в связывании транспортных факторов, необходимых для осуществления ядерно-цитоплазматического транспорта. Белки третьей подгруппы не имеют ни мембранных доменов, ни FG- повторов, наиболее консервативны среди всех нуклеопоринов, их роль, по-видимому, заключается в обеспечении связывания FG-содержащих нуклепоринов с трансмембранными. Нуклеопорины также отличаются по своей мобильности в составе ядерной поры. Некоторые белки связаны с конкретной порой на протяжении всего клеточного цикла, в то время как другие полностью обновляются всего за несколько минут.
Ядерно-цитоплазматический транспорт
Ядерно-цитоплазматическим транспортом называется материальный обмен между ядром и цитоплазмой клетки. Ядерно-цитоплазматический транспорт можно разделить на две категории: активный транспорт, требующий затрат энергии, а также специальных белков-рецепторов, и пассивный транспорт, протекающий путем простой диффузии молекул через канал ядерной поры.
Пассивный транспорт
Молекулы небольших размеров (ионы, метаболиты, мононуклеотиды и т. д.) способны пассивно диффундировать в ядро. Проводимость ядерных пор для молекул разных размеров различна. Белки массой менее 15 кДа быстро проникают в ядро, в то время как для белка массой более 30 кДа на это требуется определенное время. Белковые молекулы массой более 60-70 кДа, по-видимому, вообще не могут пассивно проходить через ядерные поры. Впрочем, пропускная способность ядерных пор для пассивной диффузии может изменяться в зависимости от типа клетки и стадии клеточного цикла.
Активный транспорт
Цикл Ran.
1. Транслокация Ran-ГТФ в цитоплазму в комплексе с транспортинами. 2. Гидролиз ГТФ. Собственная ГФАзная активность Ran активируется цитоплазматическим белком RanGAP. 3. Ran-ГДФ реимпортируется в ядро при участии белка NTF2. 4. ГДФ в активном центре Ran заменяется на ГТФ под действием ядерного белка RCC1 (фактора обмена нуклеотидов).
Схема импорта белков в ядро.
1. Образование комплекса груз-рецептор (импортин). 2. Заякоривание комплекса на белках ядерной поры и собственно транслокация. 3. Диссоциация комплекса груз-импортин под воздействием Ran-ГТФ, высвобождение груза, образование комплекса Ran-ГТФ-импортин. 4. Реэкспорт образовавшегося комплекса в цитоплазму. 5. Гидролиз ГТФ и диссоциация комплекса.
Механизм импорта белков в ядро
Рассмотрим механизм поступления субстратов в ядро на примере импорта NLS-содержащих белков. Первой стадией транспортировки является узнавание субстрата транспортинами, в данном случае комплексом импортинов-α/β (транспортины участвующие в транспорте в ядро называются импортинами, а из ядра — экспортинами). Затем образовавшийся комплекс заякоривается на белках ядерной поры с цитоплазматической стороны и транслоцируется через канал в ядро, где с ним связывается Ran-ГТФ, что вызывает диссоциацию комплекса и высвобождение груза. После чего импортины в комплексе с Ran-ГТФ направляются обратно в цитоплазму, где Ran под действием RanGAP1 гидролизует ГТФ (ГТФ => ГДФ + PO4 3- ). Комплекс Ran-ГДФ-импортины α/β нестабилен и диссоциирует. Ran-ГДФ поступает обратно в ядро при помощи собственного переносчика, димерного белка NTF2. В ядре под действием белка RanGEF, ГДФ в активном центре Ran заменяется на ГТФ и цикл, тем самым, замыкается.
Схема экспорта белков из ядра.
1. Образование комплекса груз-экспортин-Ran-ГТФ. 2. Заякоривание комплекса на белках ядерной поры и собственно транслокация. 3. Гидролиз ГТФ, диссоциация комплекса и высвобождение груза. 4. Реимпорт высвободившегося экспортина.
Механизм экспорта белков из ядра
Теперь рассмотрим механизм экспорта из ядра на примере белков, содержащих сигналы ядерного экспорта (англ., Nuclear Export Signal, NES). Для последовательностей этих сигналов характерно содержание гидрофобных аминокислот. Первой стадией транспортировки здесь также является рецепция субстрата специфическим экспортином Crm1 (англ., Chromosome Region Maintenance) и образование комплекса. Главным отличием механизмов импорта является тот факт, что в состав транслоцирующегося комплекса в случае экспорта помимо субстрата и Crm1 входит и Ran-ГТФ, то есть сопряжение с циклом Ran происходит на стадии транслокации, а не на стадии реимпорта рецептора. После прохождения через ядерную пору в цитоплазму, Ran расщепляет ГТФ, комплекс теряет стабильность и диссоциирует, высвобождая груз.
Читайте также: