11.7: אנדוציטוזיס בתיווך קולטן
- Page ID
- 208574
בדיוק כפי שיש תנועה שלפוחית לכיוון קרום הפלזמה, בין אם להפרשה או לשילוב של שומנים ממברנה או חלבונים, יכולה להיות גם תנועה שלפוחית מממברנת הפלזמה. אנדוציטוזיס הוא התהליך שבו חלבון מעיל (בדרך כלל קלתרין) בצד הציטופלזמי של קרום הפלזמה, מתחיל לפלמר מעיל שמושך איתו את הממברנה לתוך שלפוחית. עם זאת, במקום ללכוד איתו מעט ER או Golgi לומן, השלפוחית מכילה מעט חומר מחוץ לתא. לפעמים אנדוציטוזה מתחילה באופן פנימי, אולי כדי להסיר חלבון מסוים משטח התא (לדוגמה, ראה דינמיקת קצה נגרר בתנועתיות התא בפרק הבא), אך לעתים קרובות, האנדוציטוזה היא תוצאה של ליגנד הנקשר לקולטן חוץ תאי. מולקולה, המובילה להפעלתה ולגרעין שלאחר מכן של מכלול קלתרין ויצירת שלפוחית.
ישנם סוגים רבים של ליגנדים: מולקולת תזונה (בדרך כלל על חלבון נשא, כמו בדוגמאות להלן) או אפילו וירוס תוקף אשר בחר במנגנון האנדוציטי כדי להקל על הכניסה לתא. הדוגמה המתוארת כאן היא דוגמה קלאסית: אנדוציטוזיס של כולסטרול (באמצעות ליפופרוטאין בצפיפות נמוכה). זה ממחיש מסלול פוטנציאלי אחד שהקולטנים והמטען שלהם עשויים לקחת. במקרה של כולסטרול, חלבון הנשא מתפרק במלואו, אם כי במקרה של טרנספרין, חלבון בסרום הנושא ברזל בדם, חלבון הנשא ממוחזר רק לאחר שחרור מטען הטרנספרין שלו. הוא ארוז לתוך שלפוחית אקסוציטית הפונה חזרה אל פני התא.
כולסטרול בסרום הוא בדרך כלל אסטרי וקשור על ידי LDL (ליפופרוטאין בצפיפות נמוכה), אשר לאחר מכן צף בזרם הדם עד שהוא נפגש עם קולטן LDL על פני התא. כאשר ה- LDL נקשר לקולטן שלו, הקולטן מופעל, ונוצר שלפוחית מצופה קלתרין סביב מתחם ה- LDL/קולטן. קולטני LDL נוטים להצטבר במה שמכונה בורות מצופים קלתרין - שלפוחיות חלקיות דמויי מכתש שכבר יש בהן מספר קטן של מולקולות קלתרין פולימריות. השלפוחית נוצרת בדיוק כפי שתואר קודם לכן עבור שלפוחיות קלתרין שמקורן בגולגי: הקלתרין מתאסף בעצמו לשלפוחית כדורית, והדינמין צובט את השלפוחית מממברנת התא. שלפוחית זו מתמזגת לאחר מכן עם אנדוזום מוקדם, הנושא משאבות פרוטון בקרום שלו, וגורם לסביבה בתוך השלפוחית להחמיר (~ pH 6). החמצה זו עלולה לגרום לשינויים קונפורמטיביים בחלבונים שעלולים, למשל, לגרום לקולטן לשחרר את הליגנד שלו, כפי שקורה כאן עם קולטן LDL ו- LDL. האנדוזום המוקדם מתפקד גם כתחנת מיון: הקולטן עובר שלפוחית מחדש ומועבר חזרה לקרום הפלזמה. בינתיים, ה-LDL נארז לתוך שלפוחית אחרת ויוצא להמשך עיבוד.
משאבות הפרוטון האנדוזומליות מונעות ATP, משאבה מסוג V תלויה Mg 2+ (בניגוד למשאבה מסוג F בקרום הפנימי המיטוכונדריאלי). מבחינה מבנית, השניים דומים, והידרוליזה של ATP מניעה את היחידה הסיבובית, אשר לאחר מכן מפעילה את תנועת הפרוטונים על פני הממברנה מהציטופלזמה לאנדוזום.

השלפוחית האנדוזומלית עם ה-LDL בתוכה מתמזגת לאחר מכן עם תא חומצי נוסף הקשור לקרום. הליזוזום, ב-pH ~ 5.0, הוא אפילו יותר חומצי מהאנדוזום, והוא מכיל גם השלמה גדולה של הידרולאזים חומציים - אנזימים הידרוליטיים הנעים בין מצעים (כולל פרוטאזות, ליפאזות, גליקוזידאזות, נוקלאזות) הפועלים בצורה אופטימלית בתנאים חומציים, ובמינימום בתנאים הנייטרליים או מעט בסיסיים בציטופלזמה. בחלקו, זהו מנגנון בטיחות - דליפה של אנזימי עיכול מהליזוזום לא תגרום לעיכול סיטונאי של התא מכיוון שלאנזימים יש פעילות מועטה או ללא פעילות בציטופלזמה. הממברנה הליזוזומלית, בנוסף לבעלות משאבות פרוטון להחמצת הסביבה הפנימית, משלבת גם חלבוני טרנספורטר רבים המסייעים בהעברת מוצרי העיכול של הידרולאזות החומצה אל מחוץ לליזוזום כך שהתא יוכל לעשות שימוש בחומצות האמינו, הסוכרים, הנוקלאוטידים, ושומנים הנובעים מכך. בחזרה לדוגמא שלנו, זה אומר שאסטרי הכולסטרול מתפרקים למולקולות כולסטרול בודדות, והליפופרוטאין מתפרק לשומנים וחומצות אמינו. מעניין לציין שחלבוני הטרנספורטר הללו אינם מתעכלים על ידי הפרוטאזות הליזוזומליות מכיוון שהם בעלי גליקוזילציה כבדה מאוד, מה שמגן על אתרים פרוטאוליטיים פוטנציאליים מפני הפרוטאזות.
אנזימים ליזוזומליים מתויגים במיוחד על ידי מנוז-6-פוספט שמתווסף ב-cis Golgi. זהו תהליך דו-שלבי שבו N-acetylglucosamine phosphotransferase מוסיף פוספו-GlcNAc לשארית מנוז, מתחבר דרך קבוצת הפוספטים, ואז פוספודיאסטרז מסיר את ה- GlcNAc ומשאיר את המנוז-6-P. זה מכוון ספציפית לאנזימים ליזוזומליים מכיוון שלכולם יש רצפי זיהוי חלבונים ספציפיים אליהם נקשר הפוספוטרנספראז לפני העברת ה-p-GlcNAc. למרות שהאנזימים הליזוזומליים מתויגים ב-cis Golgi, הם לא ממיינים עד הטרנס גולגי, כאשר קולטני מנוז-6-P נקשרים לאנזימים הליזוזומליים ויוצרים שלפוחיות ליזוזומליות שיצמחו ויעברו לאנדוזומים וליזוזומים מאוחרים כדי לספק את מטען ההידרולאז החומצי שלהם. שוב, שינוי ה-pH חשוב: בסביבה החומצית במקצת (pH 6.5) של הטרנס גולגי, הקולטן קושר את האנזימים המתויגים מנוז-6-P, אך בליזוזום החומצי יותר, ההידרולאזים החומציים משתחררים לעשות את עבודתם.
כאשר הידרולאזות חומצה אחת או יותר אינן מתפקדות כראוי או אינן נכנסות לליזוזום עקב מיון לא תקין, התוצאה היא עיכול לא שלם של התוכן הליזוזומלי. זה בתורו מוביל להיווצרות תכלילים גדולים של חומר מעוכל חלקית בתוך הליזוזומים. הצטברות חומר זו יכולה להיות ציטוטוקסית, והפרעות גנטיות המשפיעות על ביטוי או מיון של הידרולאזות ליזוזומליות מכונות ביחד מחלות אחסון ליזוזומליות. אלה מתחלקים למספר קטגוריות בהתאם לסוגי המולקולות שנצברו.
מחלה נפוצה וניתנת לטיפול בקלות של הצטברות גליקוזאמינוגליקן היא מחלת הורלר, שניתן לטפל בה ביעילות ואף להפוך השפעות לא נוירולוגיות על ידי טיפול בתחליפי אנזים. האחרים של הורלר בכיתתו משפיעים על מגוון רחב של רקמות מכיוון שגליקוזאמינוגליקנים נמצאים בכל מקום. מצד שני, מכיוון שהמוח מועשר בגנגליוזידים, מחלות אחסון ליזוזומליות כמו מחלת גושה מראות פגמים בעיקר במערכת העצבים המרכזית. למחלות אגירה ליזוזומליות רבות יש הצגה דומה: הפרעות התפתחותיות, במיוחד צמיחת עצם מעוכבת, היעדר תווי פנים עדינים וחולשה עצבית-שרירית.
מכיוון שזה תלוי מאוד בתוכן האנדוזום/ים שהתמזגו איתו, הגודל והתוכן של הליזוזומים יכולים להשתנות מאוד. למעשה, הליזוזום עשוי גם לפרק רכיבים תאיים פנימיים באמצעות תהליך האוטופגיה. בדרך כלל, זה מתחיל בתנאי רעב המובילים לעיכוב של mTOR, וביטוי לאחר מכן של גנים אוטופגיים. לאחר מכן אלה מקיימים אינטראקציה עם המיטוכונדריה ורכיבים תאיים אחרים, ומקדמים היווצרות אוטופגוזום כפול קרום סביבם. מקור הממברנות אינו ברור, אם כי יש חשד למיון. לבסוף, האוטופגוזום מתמזג עם ליזוזום, וההידרולאזות החומצות מפרקות את חלקי התא לאנרגיה. וריאציה על זה הנקראת מיקרואוטופגיה יכולה להתרחש גם היא, שבה הליזוזום עצמו פולש מעט חומר ציטופלזמי ומפנים שלפוחית תוך-תוך-סומלית שמתפרקת לאחר מכן.
המחלה החמורה ביותר, תאי I (mucolipidosis סוג II) מתרחשת כאשר כמעט כל האנזימים הליזוזומליים חסרים בפיברובלסטים של האדם הפגוע. יש עיכוב התפתחותי קשה ואי ספיקת גדילה מוקדמת, בעיות עצביות ומומים בהתפתחות השלד המוקדמת. חומרת הפרעה זו נובעת מהיעדר כמעט מוחלט באנזימים ליזוזומליים, אשר נגרם כתוצאה ממחסור בפוספוטרנספרז GlcNAc. בלעדיו, אין אנזימים מתויגים למיון לליזוזום.
הפרעות שכיחות יחסית אחרות כוללות מחלות טיי-זקס ונימן-פיק. טיי-זקס נגרמת על ידי הצטברות של גנגליוזידים במוח והיא בדרך כלל קטלנית עד גיל 5. נימן-פיק, לעומת זאת, עשוי להתבטא כסוג A עם תוחלת חיים קצרה עוד יותר, או כסוג B, בו התסמינים קלים יחסית. ההבדל העיקרי הוא שלמטופלים מסוג A יש מעט מאוד (< 5%) מפעילות הספינגומיאלינאז שלהם, בעוד שלמטופלים מסוג B יש רק מעט פחות מהרגיל (~ 90%) פעילות.
לבסוף, יש לציין כי הוואקוולים הגדולים של תאי הצמח הם למעשה ליזוזומים מיוחדים. נזכיר כי vacuoles עוזרים לשמור על הטורגור, או לחץ מים כלפי חוץ על דפנות התא המוביל לחלק צמחי נוקשה ולא לחלק צולע ונבול. אחת הדרכים שבהן זה קורה היא שההידרולאזים החומציים בתוך ה-vacuole משנים את הלחץ האוסמוטי בתוך ה-vacuole כדי לווסת את תנועת המים פנימה או החוצה.
דוגמה נוספת לאנדוציטוזה בתיווך קולטן היא יבוא ברזל לתא יונקים. בדומה לכולסטרול בסרום, ברזל אינו מיובא בדרך כלל לתא בפני עצמו. במקום זאת, הוא קשור לאפוטרנספרין, חלבון בסרום הקושר שני יוני Fe 3 +. לאחר שהוא קשר את יוני הברזל, האפוטרנספרין מכונה כיום טרנספרין, וניתן לזהות אותו ולקשור אותו על ידי קולטני טרנספרין (TfR) הממוקמים על פני השטח החוץ -תאיים של ממברנות התא. זה יוזם אנדוציטוזה בתיווך קולטן בדיוק כפי שתואר לעיל. עם זאת, במקרה זה, הליזוזום אינו מעורב. כאשר קולטן הטרנספרין והטרנספרין מגיעים לאנדוזום המוקדם, הם אינם מתנתקים, אלא ה- Fe 2 + משתחרר מהטרנספרין, ולאחר מכן יוצא מהאנדוזום דרך DMT1, חלבון הובלת מתכת דו ערכי שישמש בקבוצות heme או קומפלקסים אחרים. זה משאיר את קומפלקס Apotransferrin-TFR, הממוחזר בחזרה לקרום התא באמצעות שלפוחית. ברגע שהשלפוחית מתמזגת עם החלל החוץ תאי, החומציות של האנדוזום מתפוגגת והאפוטרנספרין כבר לא נקשר ל- TfR. אפוטרנספרין יכולה אפוא לחזור לחובתה למצוא יוני ברזל ולהחזיר אותם לתא.