Vezikuly (biologie a chemie) - Vesicle (biology and chemistry)

Schéma lipozomu tvořeného fosfolipidy v vodný řešení.

v buněčná biologie, a váček je struktura v rámci nebo mimo A buňka, sestávající z kapaliny nebo cytoplazmy uzavřené a lipidová dvojvrstva. Vezikuly se přirozeně tvoří během procesů vylučování (exocytóza ), absorpce (endocytóza ) a transport materiálů uvnitř plazmatické membrány. Alternativně mohou být připraveny uměle, v takovém případě se nazývají liposomy (nezaměňovat s lysozomy ). Pokud je jen jeden fosfolipidová dvojvrstva, se nazývají unilamelární liposom vezikuly; jinak se jim říká multilamelární. Membrána obklopující váček je také a lamelární fáze, podobně jako u plazmatická membrána a intracelulární vezikuly se mohou spojit s plazmatickou membránou a uvolnit jejich obsah mimo buňku. Vezikuly se mohou také spojit s jinými organely uvnitř buňky. Vezikul uvolněný z buňky je známý jako extracelulární vezikul.

Vezikuly plní řadu funkcí. Protože je oddělen od cytosol lze vnitřek váčku odlišit od cytosolického prostředí. Z tohoto důvodu jsou vezikuly základním nástrojem používaným buňkou pro organizaci buněčných látek. Vezikuly jsou zapojeny do metabolismus doprava, kontrola vztlaku,[1] a dočasné skladování potravin a enzymů. Mohou také působit jako komory chemické reakce.

Sarfus obraz lipidových váčků.
IUPAC definice
Uzavřená struktura tvořená amfifilními molekulami, která obsahuje rozpouštědlo (obvykle vodu).[2]

2013 Nobelova cena za fyziologii nebo medicínu sdílel (a) James Rothman, Randy Schekman a Thomas Südhof za jejich roli při objasňování (vycházející z dřívějšího výzkumu, někteří z nich od jejich mentorů) složení a funkce buněčných vezikul, zejména u kvasinek a lidí, včetně informací o částech jednotlivých vezikul a způsobu jejich sestavení. Předpokládá se, že k tomu přispívá dysfunkce vezikul Alzheimerova choroba, cukrovka, některé těžko léčitelné případy epilepsie, některé druhy rakoviny a imunologické poruchy a určité neurovaskulární stavy.[3][4]

Typy vezikulárních struktur

Elektronový mikrofotografie buňky obsahující potravinovou vakuolu (fv) a transportní vakuolu (TV) v a parazit malárie.

Vakuovačky

Vakuovačky jsou buněčné organely, které obsahují převážně vodu.


Lyzozomy

  • Lyzozomy podílejí se na buněčném trávení. Potraviny mohou být přijímány zvnějšku buňky do potravinových vakuol procesem zvaným endocytóza. Tyto potravinářské vakuoly fúzují s lysozomy, které štěpí složky, aby mohly být použity v buňce. Tato forma buněčného stravování se nazývá fagocytóza.
  • Lysosomy se také používají ke zničení vadných nebo poškozených organel v procesu zvaném autofagie. Fúzují s membránou poškozené organely a tráví ji.

Přepravujte vezikuly

Sekreční vezikuly

Sekreční vezikuly obsahují materiály, které se mají z buňky vylučovat. Buňky mají mnoho důvodů k vylučování materiálů. Jedním z důvodů je likvidace odpadu. Další důvod souvisí s funkcí buňky. Ve větším organismu jsou některé buňky specializovány na produkci určitých chemikálií. Tyto chemikálie jsou uloženy ve vylučovacích váčcích a v případě potřeby se uvolňují.

Typy

Extracelulární vezikuly

Extracelulární vezikuly (EV) jsou částice oddělené lipidovou dvojvrstvou produkované všemi doménami života včetně komplexních eukaryot, jak gramnegativních, tak grampozitivních bakterií, mykobakterií a hub.[6][7]

Typy

  • Ektozomy / mikrovezikuly jsou vylučovány přímo z plazmatické membrány a jejich velikost se může pohybovat kolem 30 nm na průměr větší než mikron[8]:stůl 1). Mohou zahrnovat velké částice, jako např apoptotické bleby uvolněné umírajícími buňkami,[9][8]:stůl 1 velké onkosomy uvolňovány některými rakovinnými buňkami nebo "exophers, “popsáno v kultuře neuronových buněk.
  • Exozomy: membránové vezikuly endocytového původu (průměr 30–100 nm)[8]:stůl 1.

Různé typy EV lze rozdělit na základě hustoty[8]:stůl 1 (podle přechodu diferenciální centrifugace ), značky velikosti nebo povrchu.[10] Podtypy EV však mají překrývající se rozsahy velikostí a hustoty a značky specifické pro podtyp musí být stanoveny na základě jednotlivých buněk. Proto je obtížné určit cestu biogeneze, která vedla ke vzniku konkrétního EV poté, co opustil buňku.[7]

U lidí pravděpodobně hrají roli při koagulaci, mezibuněčné signalizaci a nakládání s odpady endogenní extracelulární vezikuly.[8] Rovněž se podílejí na patofyziologických procesech podílejících se na mnoha onemocněních, včetně rakoviny.[11] Extracelulární vezikuly vyvolaly zájem jako potenciální zdroj objevu biomarkerů kvůli jejich roli v mezibuněčné komunikaci, uvolňování do snadno přístupných tělesných tekutin a podobnosti jejich molekulárního obsahu s uvolňováním buněk.[12] Extracelulární vezikuly (mezenchymální) kmenové buňky, také známý jako sekretom kmenových buněk, jsou převážně zkoumány a aplikovány pro terapeutické účely degenerativní, autoimunitní a / nebo zánětlivé nemoci.[13]

U gramnegativních bakterií se EV produkují odštěpením vnější membrány; jak však EV unikají silným buněčným stěnám grampozitivních bakterií, mykobakterií a hub, není dosud známo. Tyto EV obsahují různý náklad, včetně nukleových kyselin, toxinů, lipoproteinů a enzymů, a mají důležitou roli v mikrobiální fyziologii a patogenezi. V interakcích hostitel-patogen produkují gramnegativní bakterie vezikuly, které hrají roli při vytváření kolonizačního výklenku, přenosu a přenosu faktorů virulence do hostitelských buněk a modulování obrany a odpovědi hostitele.[14]

Oceán sinice Bylo zjištěno, že nepřetržitě uvolňují vezikuly obsahující proteiny, DNA a RNA do otevřeného oceánu. Vezikuly nesoucí DNA z různých bakterií jsou hojné ve vzorcích pobřežní a otevřené mořské vody.[15]

Jiné typy

Hlavní článek: Plynový váček

Plynové vezikuly používá Archaea, bakterie a planktonika mikroorganismy, případně ke kontrole vertikální migrace regulací obsahu plynu a tím vztlak, případně umístit článek pro maximální sběr slunečního světla. Tyto vezikuly jsou obvykle citronové nebo válcovité trubičky vyrobené z bílkovin;[16] jejich průměr určuje sílu vezikuly, přičemž větší jsou slabší. Průměr vezikuly také ovlivňuje její objem a to, jak efektivně může poskytovat vztlak. U sinic přirozený výběr pracoval na vytvoření vezikul, které mají maximální možný průměr a přitom jsou strukturálně stabilní. Proteinová kůže je propustná pro plyny, ale ne pro vodu, což brání zaplavení vezikul.[17]

Matice vezikuly jsou umístěny v extracelulárním prostoru nebo matrici. Použitím elektronová mikroskopie byly nezávisle objeveny v roce 1967 H. Clarkem Andersonem[18] a Ermanno Bonucci.[19] Tyto vezikuly odvozené z buněk se specializují na iniciaci biomineralizace matrice v různých tkáních, včetně kost, chrupavka a dentin. Během normálu kalcifikace, hlavní příliv iontů vápníku a fosfátů do buněk doprovází buněčné apoptóza (geneticky podmíněné sebezničení) a tvorba vezikul matrice. Vápník také vede k tvorbě fosfatidylserin: komplexy vápník: fosfát v plazmatické membráně zprostředkované částečně tzv. proteinem anexiny. Matricové vezikuly budují z plazmatické membrány v místech interakce s extracelulární matricí. Vezikuly matrice tedy přenášejí do extracelulární matrice vápník, fosfát, lipidy a anexiny, které působí na tvorbu minerálů nukleátů. Tyto procesy jsou přesně koordinovány tak, aby na správném místě a v čase došlo k mineralizaci matrice tkáně, pokud neexistují Golgi.

Multivezikulární tělo, nebo MVB, je vezikul vázaný na membránu obsahující řadu menších vezikul.

Vznik a doprava

Hlavní článek: Obchodování s membránovými váčky
Buněčná biologie
The zvířecí buňka
Animal Cell.svg

Některé vezikuly se tvoří, když část membrány sevře endoplazmatické retikulum nebo komplex Golgi. Jiné vznikají, když je objekt mimo buňku obklopen buněčnou membránou.

Mechový plášť a molekuly nákladu

"Plášť" vezikuly je sbírka proteinů, které slouží k tvarování zakřivení donorové membrány a tvoří zaoblený tvar vezikul. Obalové proteiny mohou také fungovat tak, že se vážou na různé proteiny transmembránových receptorů, nazývané receptory nákladu. Tyto receptory pomáhají vybírat, v jakém materiálu je endocytován receptorem zprostředkovaná endocytóza nebo intracelulární transport.

Existují tři typy plášťů vezikul: Clathrin, COPI a COPII. Různé druhy obalových proteinů pomáhají s tříděním vezikul do jejich konečného cíle. Clathrinovy ​​pláště se vyskytují na vezikulách, které se obchodují mezi Golgi a plazmatická membrána, Golgi a endozomy a plazmatická membrána a endosomy. Vezikuly potažené COPI jsou zodpovědné za retrográdní transport z Golgiho do ER, zatímco vezikuly potažené COPII jsou zodpovědné za anterográdní transport z ER do Golgiho.

The Clathrin Předpokládá se, že plášť se shromažďuje v reakci na regulační opatření G protein. Proteinový plášť se sestavuje a rozebírá kvůli Faktor ribosylace ADP (ARF) protein.

Dokování vezikul

Povrchové proteiny zvané SNARE identifikujte náklad vezikuly a doplňkové SNARE na cílové membráně působí tak, že způsobí fúzi vezikuly a cílové membrány. Předpokládá se, že takové v-SNARES existují na vezikulární membráně, zatímco komplementární na cílové membráně jsou známé jako t-SNARE.

Často jsou SNARE spojené s vezikuly nebo cílovými membránami místo toho klasifikovány jako Qa, Qb, Qc nebo R SNARE kvůli další variaci než jednoduše v- nebo t-SNARE. Řadu různých komplexů SNARE lze vidět v různých tkáních a subcelulárních kompartmentech s 36 izoformami, které jsou v současné době identifikovány u lidí.

Regulační Rab Předpokládá se, že bílkoviny kontrolují spojení SNARE. Rab protein je regulační protein vázající GTP a řídí vazbu těchto komplementárních SNARE po dostatečně dlouhou dobu, aby protein Rab hydrolyzoval svůj navázaný GTP a uzavřel vezikul na membránu.

Spojení vezikul

Další informace: Spojení vezikul

K fúzi vezikul může dojít dvěma způsoby: úplnou fúzí nebo polibek a běh fúze. Fúze vyžaduje, aby byly obě membrány navzájem přeneseny do 1,5 nm. Aby k tomu mohlo dojít, musí být voda vytlačena z povrchu membrány vezikul. To je energeticky nepříznivé a důkazy naznačují, že tento proces vyžaduje ATP, GTP a acetyl-coA. Fúze je také spojena s pučením, a proto vzniká termín pučící a fúzní.

Při downregulaci receptoru

Membránové proteiny sloužící jako receptory jsou někdy označeny pro downregulace připojením ubikvitin. Po příjezdu endozom cestou popsanou výše se vezikuly začnou tvořit uvnitř endosomu a vezmou s sebou membránové proteiny určené k degradaci; Když endosom buď dospívá, aby se stal lysozom nebo je spojen s jedním, vezikuly jsou zcela degradovány. Bez tohoto mechanismu by pouze extracelulární část membránových proteinů dosáhla lumenu lysozom a pouze tato část by byla degradována.[20]

Je to kvůli těmto vezikulům, že endosom je někdy známý jako a multivesikulární tělo. Cesta k jejich formování není zcela pochopena; na rozdíl od výše popsaných jiných vezikul není vnější povrch vezikul v kontaktu s cytosol.

Příprava

Izolované vezikuly

Produkce membránových vezikul je jednou z metod zkoumání různých membrán buňky. Poté, co je živá tkáň rozdrcena suspenze, různé membrány tvoří malé uzavřené bubliny. Velké fragmenty rozdrcených buněk mohou být odstraněny centrifugací při nízké rychlosti a později frakcí známého původu (plasmalemma, tonoplast atd.) lze izolovat přesnou vysokorychlostní centrifugací v gradientu hustoty. Použitím osmotický šok, je možné dočasně otevřít vezikuly (naplnit je požadovaným roztokem) a poté znovu centrifugovat a resuspendovat v jiném roztoku. Použití ionoforů jako valinomycin může vytvářet elektrochemické přechody srovnatelné s přechody uvnitř živých buněk.

Vezikuly se používají hlavně ve dvou typech výzkumu:

  • Najít a později izolovat membránové receptory, které specificky vážou hormony a různé další důležité látky.[21]
  • Zkoumat transport různých iontů nebo jiných látek přes membránu daného typu.[22] Zatímco dopravu lze snáze vyšetřit pomocí svorka techniky, vezikuly lze také izolovat z objektů, pro které není použit svorkový patch.

Umělé vezikuly

Fosfolipidové vezikuly byly také studovány v biochemie. Pro takové studie lze homogenní suspenzi fosfolipidových vezikul připravit vytlačováním nebo sonikace,[23] injekce roztoku fosfolipidu do membrán vodného pufru.[24] Tímto způsobem mohou být připraveny vodné roztoky vezikul s různým složením fosfolipidů, stejně jako s různými velikostmi vezikul.

Viz také

Reference

  1. ^ Walsby AE (1994). "Plynové vezikuly". Mikrobiologické recenze. 58 (1): 94–144. doi:10.1128 / mmbr. 58.1.94-144.1994. PMC  372955. PMID  8177173.
  2. ^ Slomkowski, Stanislaw; Alemán, José V; Gilbert, Robert G; Hess, Michael; Horie, Kazuyuki; Jones, Richard G; Kubisa, Przemyslaw; Meisel, Ingrid; Mormann, Werner; Penczek, Stanisław; Stepto, Robert F. T (2011). „Terminologie polymerů a polymeračních procesů v dispergovaných systémech (doporučení IUPAC 2011)“ (PDF). Čistá a aplikovaná chemie. 83 (12): 2229–2259. doi:10.1351 / PAC-REC-10-06-03.
  3. ^ „Nobelova cena za lékařství je udělena 2 Američanům, 1 Němci“. CNN. 19. 10. 2005. Citováno 2013-10-09.
  4. ^ Nobelova cena za fyziologii nebo medicínu za rok 2013, tisková zpráva 07.10.2013
  5. ^ Deatherage, B.L .; Cookson, B. T. (2012). „Uvolňování membránových vezikul v bakteriích, eukaryotech a archaeách: konzervovaný, ale nedoceněný aspekt mikrobiálního života“. Infekce a imunita. 80 (6): 1948–1957. doi:10.1128 / IAI.06014-11. ISSN  0019-9567. PMC  3370574. PMID  22409932.
  6. ^ Yáñez-Mó M, Siljander PR, Andreu Z a kol. (2015). "Biologické vlastnosti extracelulárních vezikul a jejich fyziologické funkce". J Extracell Vesicles. 4: 27066. doi:10.3402 / jev.v4.27066. PMC  4433489. PMID  25979354.
  7. ^ A b Théry C, Witwer KW, Aikawa E a kol. (2018). „Minimální informace pro studie extracelulárních vezikul 2018 (MISEV2018): prohlášení o postavení Mezinárodní společnosti pro extracelulární vezikuly a aktualizace pokynů MISEV2014“. J Extracell Vesicles. 7 (1): 1535750. doi:10.1080/20013078.2018.1535750. PMC  6322352. PMID  30637094.
  8. ^ A b C d E van der Pol, Edwin; Böing, Anita N .; Harrison, Paul; Sturk, Augueste; Nieuwland, Rienk (01.07.2012). "Klasifikace, funkce a klinický význam extracelulárních vezikul". Farmakologické recenze. 64 (3): 676–705. doi:10.1124 / pr.112.005983. ISSN  1521-0081. PMID  22722893. Plný text zdarma
  9. ^ van der Pol, E .; Böing, A. N .; Gool, E. L .; Nieuwland, R. (1. ledna 2016). „Poslední vývoj v nomenklatuře, přítomnosti, izolaci, detekci a klinickém dopadu extracelulárních vezikul“. Journal of trombózy a hemostázy. 14 (1): 48–56. doi:10.1111 / jth.13190. PMID  26564379.
  10. ^ Mateescu B, Kowal EJ, van Balkom BW a kol. (2017). „Překážky a příležitosti ve funkční analýze extracelulární vezikulární RNA - poziční dokument ISEV“. J Extracell Vesicles. 6 (1): 1286095. doi:10.1080/20013078.2017.1286095. PMC  5345583. PMID  28326170.
  11. ^ Dhondt, Bert; Rousseau, Quentin; De Wever, Olivier; Hendrix, An (11. června 2016). "Funkce extracelulárních vezikul asociovaných miRNA v metastázách". Výzkum buněk a tkání. 365 (3): 621–641. doi:10.1007 / s00441-016-2430-x. hdl:1854 / LU-7250365. PMID  27289232.
  12. ^ Dhondt, Bert; Van Deun, Jan; Vermaerke, Silke; de Marco, Ario; Lumen, Nicolaas; De Wever, Olivier; Hendrix, An (červen 2018). „Biomarkery močových extracelulárních vezikul u urologických rakovin: od objevu k klinické implementaci“. International Journal of Biochemistry & Cell Biology. 99: 236–256. doi:10.1016 / j.biocel.2018.04.009. hdl:1854 / LU-8559155. PMID  29654900.
  13. ^ Teixeira, Fábio G .; Carvalho, Miguel M .; Sousa, Nuno; Salgado, António J. (01.10.2013). „Sekretomát mezenchymálních kmenových buněk: nové paradigma pro regeneraci centrálního nervového systému?“ (PDF). Buněčné a molekulární biologické vědy. 70 (20): 3871–3882. doi:10.1007 / s00018-013-1290-8. hdl:1822/25128. ISSN  1420-682X. PMID  23456256.
  14. ^ Kuehn, Meta J .; Kesty, Nicole C. (2005-11-15). „Bakteriální vezikuly vnější membrány a interakce hostitel-patogen“. Geny a vývoj. 19 (22): 2645–2655. doi:10.1101 / gad.1299905. ISSN  0890-9369. PMID  16291643.
  15. ^ Biller, Steven J .; Schubotz, Florencie; Roggensack, Sara E; Thompson, Anne W .; Summons, Roger E .; Chisholm, Sallie W. (01.01.2014). „Bakteriální vezikuly v mořských ekosystémech“ (PDF). Věda. 343 (6167): 183–186. Bibcode:2014Sci ... 343..183B. doi:10.1126 / science.1243457. hdl:1721.1/84545. ISSN  0036-8075. PMID  24408433.
  16. ^ Pfeifer F (2012). "Distribuce, tvorba a regulace plynových vezikul". Recenze přírody. Mikrobiologie. 10 (10): 705–15. doi:10.1038 / nrmicro2834. PMID  22941504.
  17. ^ Walsby, Anthony (březen 1994). "Plynové vezikuly". Mikrobiologické recenze. 58: 94–144. doi:10.1128 / mmbr. 58.1.94-144.1994. PMC  372955. PMID  8177173.
  18. ^ Anderson HC (1967). „Elektronové mikroskopické studie indukovaného vývoje a kalcifikace chrupavky“. J. Cell Biol. 35 (1): 81–101. doi:10.1083 / jcb.35.1.81. PMC  2107116. PMID  6061727.
  19. ^ Bonucci E (1967). "Jemná struktura časné kalcifikace chrupavky". J. Ultrastruct. Res. 20 (1): 33–50. doi:10.1016 / S0022-5320 (67) 80034-0. PMID  4195919.
  20. ^ Katzmann DJ, Odorizzi G, Emr SD (2002). "Downregulace receptoru a třídění multivesikulárních těl" (PDF). Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 3 (12): 893–905. doi:10.1038 / nrm973. PMID  12461556.
  21. ^ Sidhu VK, Vorhölter FJ, Niehaus K, Watt SA (2008). „Analýza proteinů asociovaných s vezikulem vnější membrány izolovaných z rostlinné patogenní bakterie Xanthomonas campestris pv. campestris". BMC Microbiol. 8: 87. doi:10.1186/1471-2180-8-87. PMC  2438364. PMID  18518965.
  22. ^ Scherer GG, Martiny-Baron G (1985). "K.+
    /H+
     výměnný transport v rostlinných membránách je důkazem K.+
     doprava". Plant Science. 41 (3): 161–8. doi:10.1016/0168-9452(85)90083-4.
  23. ^ Barenholz, Y .; Gibbes, D .; Litman, B. J .; Goll, J .; Thompson, T. E .; Carlson, F. D. (1977). "Jednoduchá metoda pro přípravu homogenních fosfolipidových vezikul". Biochemie. 16 (12): 2806–10. doi:10.1021 / bi00631a035. PMID  889789.
  24. ^ Batzri S, Korn ED (duben 1973). "Jednovrstvé liposomy připravené bez použití ultrazvuku". Biochim. Biophys. Acta. 298 (4): 1015–9. doi:10.1016/0005-2736(73)90408-2. PMID  4738145.

Další čtení

externí odkazy