Аппарат Гольджи: строение и функции

Аппарат Гольджи, или комплекс Гольджи, — одномембранный органоид эукариотической клетки: стопка уплощённых мембранных мешков-цистерн с окружающими её пузырьками. Через него проходят почти все белки, которые клетка синтезирует на шероховатой ЭПС: белки на экспорт, белки плазмалеммы и лизосом. Здесь их углеводные цепи достраиваются, некоторые предшественники разрезаются на активные молекулы, а затем груз сортируется и отправляется по адресам — наружу, в плазмалемму или в лизосомы [1, 2]. В аппарате Гольджи синтезируются и липиды плазмалеммы — сфингомиелин и гликолипиды, а у растений — бо́льшая часть полисахаридов клеточной стенки.

В статье разобраны: как открыли аппарат Гольджи и почему полвека спорили, существует ли он; строение стопки и её отделы; белки, которые держат стопку и связывают её с цитоскелетом; пузырьки, их белковые оболочки и машина слияния мембран; две модели прохождения груза через стопку; гликозилирование и другие модификации; сортировка в транс-сети Гольджи и образование лизосом; аппарат Гольджи в разных клетках, у растений, водорослей и грибов; болезни; происхождение. В конце — сводная таблица, частые ошибки, требования ЕГЭ и ОГЭ, раздел для олимпиад и 20 заданий с разбором. Как белок попадает в ЭПС, сворачивается и проходит контроль качества, рассказано в статье «Эндоплазматическая сеть: строение и функции»; здесь мы продолжаем его путь.

• 1. Как открыли аппарат Гольджи
• 2. Строение: стопка цистерн и её отделы
• 3. Что держит стопку
• 4. Пузырьки: оболочки и слияние
• 5. Как груз проходит стопку
• 6. Гликозилирование
• 7. Другие модификации и синтез липидов
• 8. Сортировка в транс-сети Гольджи
• 9. Метка лизосом
• 10. Аппарат Гольджи в разных клетках
• 11. Растения, водоросли и грибы
• 12. Аппарат Гольджи и болезни
• 13. Происхождение
• 14. Сводная таблица
• 15. Частые ошибки и вопросы
• 16. Что нужно знать к ЕГЭ и ОГЭ
• 17. Для олимпиад
• Задания с разбором
• Литература

1. Как открыли аппарат Гольджи

Камилло Гольджи, профессор Павийского университета, к концу XIX века был известен как автор «чёрной реакции»: ткань выдерживали в растворе бихромата калия и затем в нитрате серебра, и в немногих случайных клетках выпадал чёрный осадок хромата серебра, прорисовывая нейрон целиком со всеми отростками. Этим методом Гольджи и Сантьяго Рамон-и-Кахаль описали строение нервной системы и в 1906 году вместе получили Нобелевскую премию — хотя толковали увиденное по-разному: Гольджи считал нервную систему непрерывной сетью, а Кахаль доказывал, что она состоит из отдельных клеток [3, 4].

Изменив состав фиксатора, Гольджи в 1898 году увидел в телах клеток Пуркинье мозжечка сипухи тонкую чёрную сеточку вокруг ядра. Он доложил о ней в апреле 1898 года Медико-хирургическому обществу Павии и назвал её «внутренним сетчатым аппаратом» [5, 6]. Вскоре похожие структуры нашли в клетках желёз, кишечного эпителия, семенников, и за органоидом закрепилось имя первооткрывателя.

Затем на полвека растянулся спор. Аппарат Гольджи почти не виден в живой клетке под обычным световым микроскопом, а «проявлялся» только после фиксации и импрегнации солями серебра или осмия. Многие цитологи считали его артефактом — осадком металла на случайных скоплениях липидов. Форма «аппарата» к тому же сильно менялась от метода к методу: то сеть, то отдельные палочки и чешуйки [6, 7].

Спор разрешил электронный микроскоп. В 1954 году Альберт Далтон и Мари Феликс показали на ультратонких срезах клеток придатка семенника, что на месте «сеточки» Гольджи лежат стопки плоских мембранных мешков, окружённых мелкими пузырьками; ту же картину увидели и в других клетках [8]. Обзор Мэрилин Фаркуар и Джорджа Паладе 1981 года об этом органоиде так и назван: «от артефакта — в центр сцены» [7].

Функцию аппарата Гольджи установили методом меченых атомов. В 1966 году Мариан Нейтра и Шарль Леблон вводили крысам глюкозу, меченную тритием, и на радиоавтографах бокаловидных клеток кишечника увидели, что метка уже через несколько минут появляется в цистернах Гольджи, а не в ЭПС: здесь к белкам слизи присоединяются углеводы [9]. В 1967 году Джеймс Джеймисон и Паладе проследили меченый лейцин в клетках поджелудочной железы: через ЭПС и аппарат Гольджи в секреторные гранулы [10]. Механизм транспорта раскрыли в 1980–1990-е годы Рэнди Шекман (генетика дрожжей) и Джеймс Ротман (перенос белка в пробирке); вместе с Томасом Зюдхофом они получили Нобелевскую премию 2013 года (раздел 4) [11].

2. Строение: стопка цистерн и её отделы

Основная единица аппарата Гольджи — стопка (диктиосома) из нескольких уплощённых цистерн, у животных обычно из 4–8. Цистерна в поперечнике около 0,5–1 мкм; в середине её полость очень узкая, а края расширены и окружены пузырьками и трубочками [12, 1]. Каждая цистерна ограничена одной мембраной, а полость цистерн по составу подобна полости ЭПС и, как и она, топологически соответствует внешней среде клетки: то, что обращено в полость, после слияния пузырька с плазмалеммой окажется снаружи клетки.

Стопка полярна. Сторона, обращённая к ЭПС, называется цис-стороной (входной), противоположная — транс-стороной (выходной). Между ними лежат средние, или медиальные, цистерны. С транс-стороны к стопке примыкает транс-сеть Гольджи (TGN) — сеть трубочек и пузырьков, где груз сортируется. С цис-стороны к стопке примыкает промежуточный компартмент между ЭПС и Гольджи (ERGIC) — скопления пузырьков и трубочек, куда приходят пузырьки из ЭПС [13, 12]. В клетке железы цис-сторона обычно обращена к ядру и ЭПС, транс-сторона — к верхушке клетки, откуда выходят секреторные гранулы.

Отделы стопки различаются набором ферментов. Это установили, окрашивая срезы на активность ферментов и помечая их антителами: маннозидаза I сосредоточена в цис-цистернах, N-ацетилглюкозаминилтрансфераза I — в медиальных, галактозилтрансфераза и сиалилтрансфераза — в транс-цистернах. Ферменты стоят в том порядке, в каком действуют на углеводную цепь, и белок, проходя стопку от цис- к транс-стороне, обрабатывается ими последовательно, как на конвейере [1, 14].

Отделы различаются и кислотностью. В полости ЭПС pH около 7,2, в цис-цистернах — около 6,7, в транс-сети — около 6,0, в зрелых секреторных гранулах — около 5,5 [15, 16]. Протоны закачивает в полость протонная АТФаза V-типа; её становится больше от цис- к транс-стороне, а утечка протонов — меньше. Кислотность служит сигналом: рецептор KDEL связывает белки ЭПС в кислых цистернах Гольджи и отпускает их в нейтральной ЭПС, рецепторы маннозо-6-фосфата отдают ферменты лизосом в ещё более кислой эндосоме (разделы 4 и 9), а ферменты, разрезающие предшественники гормонов, работают в кислой среде гранул.

У млекопитающих десятки стопок соединены боковыми трубочками в единую «ленту» (ribbon), которая лежит у ядра вокруг центросомы. У растений и многих протистов ленты нет: в клетке десятки или сотни отдельных диктиосом, рассеянных по цитоплазме (раздел 11). У пекарских дрожжей цистерны вообще не собраны в стопки и разбросаны по клетке поодиночке, а у родственных дрожжей Pichia pastoris стопки есть [17]. Значит, стопка — не обязательное условие работы органоида: цистерны и без неё созревают и сортируют груз, но в стопке это идёт быстрее и упорядоченнее.

3. Что держит стопку

Если разрушить клетку, стопки Гольджи распадаются не сразу: цистерны связаны белковым «матриксом», который можно выделить и после удаления мембран детергентом [18]. Главные его компоненты — белки двух семейств.

Белки GRASP (GRASP65 и GRASP55) прикреплены к цитоплазматической поверхности цистерн. Молекулы на соседних цистернах сцепляются друг с другом, склеивая цистерны в стопку. GRASP65 открыли в 1997 году в лаборатории Грэма Уоррена по способности восстанавливать стопки в бесклеточной системе: антитела к нему мешали цистернам собраться [19].

Гольджины — длинные белки, состоящие почти целиком из спирализованных участков, скрученных попарно (coiled-coil). Одним концом они закреплены на мембране цистерны, а другим уходят в цитоплазму на сотни нанометров и ловят пузырьки. Разные гольджины стоят на разных цистернах и ловят разные пузырьки. В 2014 году Шон Манро и Мие Вонг перенесли отдельные гольджины на поверхность митохондрий — и митохондрии начали собирать на себе именно те пузырьки, которые этот гольджин ловит в норме. Значит, адрес доставки записан в самих гольджинах [20].

Лента у ядра держится на микротрубочках: аппарат Гольджи собирается вокруг центросомы, потому что моторный белок динеин тянет его мембраны к минус-концам микротрубочек. Если микротрубочки разрушить колхицином или нокодазолом, лента распадается на отдельные стопки, рассеянные по клетке, — и они продолжают работать [1].

Перед митозом аппарат Гольджи разбирается. В конце фазы G2 лента разделяется на отдельные стопки, а в профазе стопки распадаются на мелкие пузырьки и скопления, которые распределяются между дочерними клетками примерно поровну; в телофазе стопки собираются заново. Разборку запускают митотические киназы, фосфорилируя GRASP и гольджины. Это не просто следствие митоза: в 2002 году показали, что если помешать разделению ленты, клетка задерживается перед митозом [21]. Уходят ли при этом мембраны Гольджи в ЭПС или остаются отдельными пузырьками, долго спорили; по большинству данных, у клеток млекопитающих бо́льшая часть остаётся в виде пузырьков.

Непрерывный обмен мембраной между Гольджи и ЭПС наглядно показывает брефельдин А — вещество, выделяемое грибами. Он блокирует белок, запускающий сборку оболочки COPI (раздел 4). В 1989 году Дженнифер Липпинкотт-Шварц с коллегами увидела, что через 10–15 минут после добавления брефельдина цистерны Гольджи вытягиваются в трубочки, которые сливаются с ЭПС, и ферменты Гольджи оказываются в ЭПС; после отмывки вещества аппарат Гольджи собирается снова [22]. Отсюда вывод: аппарат Гольджи — не застывшая постройка, а равновесие между постоянным притоком мембран из ЭПС и их возвратом.

4. Пузырьки: оболочки и слияние

Вещества переходят между ЭПС, цистернами Гольджи, плазмалеммой и лизосомами в мембранных пузырьках диаметром около 50–100 нм. Пузырёк отпочковывается от одной мембраны и сливается с другой, поэтому содержимое его полости никогда не попадает в цитозоль, а мембрана сохраняет ориентацию: сторона, обращённая в полость цистерны, остаётся обращённой в полость.

Отпочковаться самопроизвольно мембрана не может — её изгибают белковые оболочки, собирающиеся на цитоплазматической стороне. Таких оболочек три [1, 23].

• COPII — оболочка пузырьков, выходящих из ЭПС. Открыта в 1994 году в лаборатории Шекмана; сборку запускает малая ГТФаза Sar1 [24].
• COPI (коатомер) — оболочка пузырьков, идущих обратно из Гольджи в ЭПС и между цистернами. Её описали Лелио Орчи, Бенджамин Глик и Ротман в 1986 году как «пузырьки без клатрина» [25]; сборку запускает ГТФаза Arf1 — именно её активацию блокирует брефельдин А.
• Клатрин — оболочка пузырьков транс-сети Гольджи и плазмалеммы, открытая Барбарой Пирс в 1976 году. Три молекулы клатрина образуют трёхлучевую фигуру, и такие фигуры складываются в многогранную корзинку; к мембране и грузу клатрин прикрепляют белки-адаптеры [26, 23].

Оболочка не только изгибает мембрану, но и отбирает груз. Её внутренний слой связывает цитоплазматические «хвосты» мембранных белков с сигналами сортировки или мембранные рецепторы, которые, в свою очередь, связывают растворимые белки в полости. После отпочкования малая ГТФаза гидролизует ГТФ, и оболочка распадается: слиться с мишенью может только голый пузырёк [1].

Возврат в ЭПС. Вместе с грузом из ЭПС неизбежно уходят и её собственные белки. Растворимые белки ЭПС несут на C-конце сигнал KDEL (лизин — аспарагиновая кислота — глутаминовая кислота — лейцин); в цис-цистернах их связывает рецептор KDEL, и пузырьки COPI возвращают их назад. Человеческий рецептор нашли Майкл Льюис и Хью Пелэм в 1990 году [27]. Мембранные белки ЭПС возвращаются по другому сигналу — двум лизинам у C-конца (KKXX), который коатомер связывает напрямую [28].

Как пузырёк находит мишень. Каждая мембрана клетки несёт свой набор белков Rab — малых ГТФаз, которых у человека около шестидесяти. Rab в форме с ГТФ привлекает к мембране белки-тросы, в том числе гольджины, и они захватывают подходящий пузырёк [29, 18]. Окончательное слияние выполняют белки SNARE: v-SNARE в мембране пузырька и t-SNARE в мембране мишени закручиваются в прочный пучок из четырёх спиралей и стягивают мембраны так тесно, что липидные слои сливаются [30].

Эту машину открыли двумя независимыми путями. Шекман в 1980 году отобрал мутантов дрожжей, у которых при повышенной температуре секреция останавливалась, и белок накапливался в ЭПС, в Гольджи или в пузырьках — смотря по тому, какой этап нарушен; так нашлись гены sec [31]. Ротман в 1984 году воспроизвёл перенос белка между цистернами Гольджи в пробирке (как это устроено, разобрано в задании 13) [32]. Перенос останавливало вещество N-этилмалеимид; так нашли АТФазу NSF, а затем белки SNAP и связывающие их белки SNARE [33, 34]. Оказалось, что ген sec18 дрожжей кодирует тот же NSF: генетика и биохимия пришли к одному белку [35]. В 1998 году показали, что белки SNARE, встроенные в искусственные липидные пузырьки, сами по себе сливают их, — это минимальная машина слияния [36]. Томас Зюдхоф показал, как та же машина под управлением ионов кальция выбрасывает медиатор из нервного окончания за доли миллисекунды [11].

5. Как груз проходит стопку

То, что белок идёт от цис- к транс-стороне, известно с 1960-х. Но как именно — переходит ли груз из одной постоянной цистерны в следующую в пузырьках или движется сама цистерна, — спорят до сих пор [37, 38].

Модель пузырькового транспорта считала цистерны постоянными отделами со своими ферментами, а пузырьки COPI — переносчиками груза вперёд по стопке. В её пользу говорили опыты Ротмана в пробирке и обилие пузырьков вокруг стопки.

Модель созревания цистерн предполагает обратное: новая цистерна собирается на цис-стороне из пузырьков, пришедших из ЭПС, и постепенно сдвигается к транс-стороне, «созревая» — её ферменты сменяются более поздними, которые приносят пузырьки COPI из следующих цистерн. На транс-стороне цистерна распадается на пузырьки транс-сети. Груз при этом всё время остаётся внутри цистерны, а пузырьки движутся назад и возвращают ферменты.

Первые доводы в пользу созревания дали водоросли. У золотистых водорослей рода Pleurochrysis и их родственников в цистернах Гольджи собираются органические чешуйки размером в несколько десятых микрометра — в десятки раз крупнее пузырька, — и они проходят стопку, оставаясь в цистернах [39]. У животных такой же «негабаритный» груз — проколлаген: жёсткие стержни длиной 300 нм. В 1998 году на серийных срезах фибробластов показали, что скопления проколлагена проходят стопку, не покидая полости цистерн, а в пузырьки COPI не попадают никогда [40].

Решающие опыты поставили в 2006 году одновременно две группы — Бенджамина Глика и Акихико Накано. У дрожжей, где цистерны не собраны в стопку, их можно наблюдать в световой микроскоп поодиночке. Ранний белок Гольджи пометили зелёным флуоресцентным белком, поздний — красным, и в течение нескольких минут на одной и той же цистерне зелёная метка сменялась красной: цистерна созревала у них на глазах [41, 42].

Для клеток млекопитающих картина сложнее. Мелкие растворимые белки выходят из Гольджи быстрее, чем предсказывает созревание: если груз запустить одновременно, его выход идёт по экспоненте, без задержки, необходимой для прохождения цистерны от начала до конца стопки. Группа Липпинкотт-Шварц объяснила это моделью «быстрого распределения», в которой груз быстро перемешивается по всей стопке между мембранными доменами разного липидного состава и выходит из любого её места [43]. Сегодня большинство исследователей считают созревание цистерн основным механизмом, а пузырьки COPI — в первую очередь средством возврата ферментов; споры идут о том, есть ли у мелких белков ещё и короткие пути [37]. Проход через аппарат Гольджи клетки млекопитающего занимает порядка 15–30 минут [44, 10].

6. Гликозилирование

Большинство белков, проходящих аппарат Гольджи, — гликопротеины: к ним присоединены углеводные цепи. Гликозилирование начинается ещё в ЭПС, где на аспарагин переносится готовый олигосахарид из 14 сахаров, а затем часть сахаров отщепляется при контроле качества. Из ЭПС белок выходит с цепью Man₈GlcNAc₂: восемь остатков маннозы на двух остатках N-ацетилглюкозамина [45].

В аппарате Гольджи эта цепь перестраивается. Маннозидазы отщепляют ещё пять маннозных остатков, а гликозилтрансферазы присоединяют N-ацетилглюкозамин, галактозу, фукозу и на концах ветвей — сиаловые кислоты. Каждая гликозилтрансфераза переносит один определённый сахар в одну определённую связь, получая его в виде нуклеотид-сахара (УДФ-галактозы, ЦМФ-сиаловой кислоты и т. д.); нуклеотид-сахара синтезируются в цитозоле и закачиваются в полость Гольджи белками-переносчиками [14, 46]. Так из однотипной «маннозной» цепи получаются тысячи вариантов «сложных» цепей. Матрицы для углеводной цепи нет: её строение определяется тем, какие ферменты и в каком количестве есть в аппарате Гольджи данной клетки и сколько времени белок проводит в каждой цистерне.

Если участок цепи закрыт складкой белка, ферменты до него не дотягиваются, и цепь остаётся богатой маннозой. Отсюда удобный приём исследователей: фермент Endo H разрезает только цепи, богатые маннозой. Пока белок в ЭПС или цис-Гольджи, после обработки Endo H он становится легче; когда маннозидаза II медиальных цистерн «переделала» цепь, белок к Endo H устойчив. Так по одному гелю можно сказать, дошёл ли белок до середины стопки [45, 1].

Порядок ферментов доказали на мутантах. У линии клеток яичника китайского хомячка Lec1 нет N-ацетилглюкозаминилтрансферазы I, и цепи навсегда остаются в виде Man₅GlcNAc₂: без первого шага медиальных цистерн не идут и все последующие [47]. Эти клетки прекрасно живут в культуре, а вот мыши без этого фермента гибнут в середине эмбрионального развития: сложные углеводные цепи нужны для взаимодействия клеток в многоклеточном организме [14].

O-гликозилирование. Второй тип углеводных цепей присоединяется не к аспарагину, а к гидроксильной группе серина или треонина — и не в ЭПС, а в аппарате Гольджи, начиная с цис-цистерн. Первым сахаром обычно служит N-ацетилгалактозамин; его переносят около двадцати разных ферментов. Так устроены муцины — белки слизи, у которых углеводы составляют до 80 % массы: сотни коротких цепей на белковом стержне связывают воду и образуют гель [46].

Группы крови. Антигены системы AB0 — концевые сахара углеводных цепей на белках и липидах мембраны эритроцитов. Фукозилтрансфераза аппарата Гольджи (ген FUT1) создаёт антиген H, присоединяя фукозу к галактозе. Фермент, кодируемый аллелем A, добавляет к нему N-ацетилгалактозамин, аллелем B — галактозу. Ферменты A и B различаются всего четырьмя аминокислотами, и от двух из них зависит, какой сахар узнаёт фермент. Аллель 0 несёт выпадение одного нуклеотида в начале гена: сдвиг рамки считывания даёт короткий неактивный белок, и на эритроцитах остаётся антиген H [48]. У людей с «бомбейским» фенотипом (описан в Бомбее в 1952 году) нет активной фукозилтрансферазы — нет антигена H, а значит, нет и антигенов A и B, какие бы аллели A и B они ни несли [49] (задание 16).

7. Другие модификации и синтез липидов

Протеогликаны. В аппарате Гольджи строятся цепи гликозаминогликанов — длинных неразветвлённых полисахаридов из повторяющихся пар сахаров (хондроитинсульфат, гепарансульфат, кератансульфат). Цепь начинается с ксилозы, присоединённой к серину белка-стержня, и наращивается по одному сахару; затем сульфотрансферазы присоединяют к ней сульфатные группы, получая активированный сульфат из цитозоля. Готовый протеогликан, например аггрекан хряща, несёт до сотни таких цепей [46, 1]. Исключение — гиалуроновая кислота: её синтезирует фермент плазмалеммы, сразу выпуская цепь наружу, а не аппарат Гольджи.

Разрезание предшественников. Многие белки синтезируются неактивными предшественниками и созревают при выходе из Гольджи. Фермент фурин транс-сети разрезает цепь после пар основных аминокислот — так созревают рецепторы, факторы роста, белки оболочек многих вирусов. Гормоны и нейропептиды режут прогормон-конвертазы в незрелых секреторных гранулах [50]. Классический пример — инсулин. Дональд Штайнер в 1967 году нашёл его предшественник — проинсулин, одну цепь из 86 аминокислот [51]. В гранулах конвертазы вырезают из неё середину, C-пептид из 31 аминокислоты, вместе с двумя парами основных аминокислот на границах, и остаются цепи B (30 аминокислот) и A (21), уже соединённые дисульфидными связями, замкнутыми в ЭПС. Лелио Орчи в 1985 году показал антителами к проинсулину и инсулину, что превращение идёт именно в незрелых гранулах, после выхода из транс-сети [52]. Инсулин и C-пептид выделяются в кровь поровну, поэтому по C-пептиду судят о том, сколько инсулина синтезирует собственная поджелудочная железа больного, получающего инсулин в уколах.

Один предшественник может давать разные гормоны в разных клетках. Проопиомеланокортин в передней доле гипофиза разрезается конвертазой PC1/3 с образованием адренокортикотропного гормона, а в промежуточной доле, где есть ещё и PC2, — меланоцитстимулирующего гормона и β-эндорфина [50].

Липиды. Фосфолипиды и холестерин синтезируются в ЭПС, а в аппарате Гольджи — сфинголипиды: сфингомиелин и гликосфинголипиды, в том числе ганглиозиды нервных клеток. Их основу, церамид, синтезирует ЭПС, а в транс-цистерны его переносит без пузырьков белок CERT, работающий в местах контакта ЭПС и Гольджи [53]. Сфинголипиды вместе с холестерином накапливаются на пути к плазмалемме, и мембрана становится толще и плотнее. Это используется при сортировке: трансмембранные участки белков Гольджи в среднем короче, чем у белков плазмалеммы, и белок с коротким участком «застревает» в тонкой мембране цистерн, а с длинным уходит в толстую плазмалемму [54, 55] (задание 19).

Лактоза. Молочный сахар синтезируется в полости аппарата Гольджи клеток молочной железы. Его делает обычная галактозилтрансфераза, которая во всех клетках присоединяет галактозу к N-ацетилглюкозамину углеводных цепей. В молочной железе к ней присоединяется белок α-лактальбумин, и фермент начинает переносить галактозу на свободную глюкозу [56]. Лактоза не проходит через мембрану, поэтому накапливается в пузырьках и осмотически притягивает воду: от количества синтезированной лактозы зависит объём молока.

8. Сортировка в транс-сети Гольджи

В транс-сети Гольджи груз расходится по трём главным маршрутам [1, 57].

Постоянная (конститутивная) секреция есть во всех клетках. Пузырьки отходят от транс-сети непрерывно и сразу сливаются с плазмалеммой. Так выделяются белки межклеточного вещества (коллаген, фибронектин), белки плазмы крови из клеток печени, так в плазмалемму доставляются её белки и липиды. Белок без специальных сигналов сортировки уходит именно по этому пути — по умолчанию.

Регулируемая секреция есть в клетках желёз, в эндокринных клетках и нейронах. В кислой, богатой ионами Ca²⁺ среде транс-сети секреторные белки слипаются в плотные агрегаты, которые отделяются вместе с окружающей мембраной; лишняя мембрана и случайно захваченные белки затем возвращаются назад в клатриновых пузырьках, и гранула сгущается. Готовые гранулы накапливаются у плазмалеммы и сливаются с ней только по сигналу — при повышении концентрации Ca²⁺ в цитозоле. Так выделяются инсулин, пищеварительные ферменты, гистамин тучных клеток, медиаторы.

Доставка в лизосомы. Ферменты лизосом получают метку маннозо-6-фосфат и уходят из транс-сети в клатриновых пузырьках в эндосомы (раздел 9).

В эпителии есть ещё одна развилка. У клетки кишечного или почечного эпителия апикальная мембрана (обращённая в просвет) и базолатеральная (обращённая к соседним клеткам и крови) несут разные белки, а плотные контакты не дают им перемешиваться. Сортировка начинается в транс-сети Гольджи: белки с сигналами в цитоплазматическом хвосте (короткие мотивы с тирозином или двумя лейцинами) уходят к базолатеральной мембране, а белки с якорем гликозилфосфатидилинозитола и многими углеводными цепями — к апикальной [58].

9. Метка лизосом

Ферменты лизосом — около пятидесяти гидролаз, расщепляющих белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и липиды, — синтезируются на шероховатой ЭПС, как и секреторные белки. Чтобы они не ушли из клетки, им нужен адрес. Этот адрес — маннозо-6-фосфат на их углеводных цепях [59].

Метку ставят в два шага. В цис-Гольджи фермент фосфотрансфераза узнаёт гидролазы по участку на поверхности свёрнутой молекулы и присоединяет к маннозе N-ацетилглюкозамин-1-фосфат. В транс-сети второй фермент снимает N-ацетилглюкозамин, открывая фосфат [60]. Рецепторы маннозо-6-фосфата в мембране транс-сети связывают меченые ферменты и собираются в клатриновые пузырьки, которые сливаются с эндосомами. В эндосоме pH ниже 6, рецептор отпускает фермент, с маннозы отщепляется фосфат, и пустой рецептор возвращается в транс-сеть. Эндосома, накапливая ферменты и закисляясь, превращается в лизосому [59, 1].

Метку открыли благодаря редкой наследственной болезни. В 1967 году Жак Леруа и Роберт Демарс заметили в культуре фибробластов больного ребёнка крупные включения, заполнявшие цитоплазму, и назвали болезнь I-клеточной (от inclusion — включение) [61]. У больных ферменты лизосом синтезировались нормально, но оказывались в крови и в культуральной среде, а не в лизосомах. Элизабет Нойфельд и Стюарт Хикман в 1972 году показали, что нормальные фибробласты захватывают ферменты, выделенные другими нормальными клетками, но не ферменты больного, — у ферментов больного нет «опознавательного знака» [62]. Этим знаком оказался маннозо-6-фосфат, а причиной болезни — мутация в гене фосфотрансферазы. Без неё ферменты уходят из клетки путём постоянной секреции, а лизосомы клеток соединительной ткани переполняются непереваренными веществами.

Часть меченых ферментов и в норме ускользает из клетки. Рецепторы маннозо-6-фосфата есть и на плазмалемме, и они возвращают такие ферменты внутрь. На этом основано лечение ряда лизосомных болезней накопления: больному вводят фермент, полученный в культуре клеток, и клетки сами захватывают его через рецепторы [59].

10. Аппарат Гольджи в разных клетках

Размер аппарата Гольджи, как и ЭПС, говорит о работе клетки: он крупнее всего в клетках, которые много выделяют, особенно гликопротеинов и полисахаридов [1, 63].

Светлая зона у ядра плазматической клетки, видимая под световым микроскопом, — это и есть аппарат Гольджи: цитоплазма вокруг него, заполненная шероховатой ЭПС с РНК, сильно окрашивается основными красителями, а сам он почти не красится. Гистологи называют это «негативным изображением» аппарата Гольджи [63].

В нейроне большая часть мембранных белков проходит аппарат Гольджи в теле клетки, но в длинных дендритах пирамидных нейронов коры есть и отдельные небольшие стопки — «форпосты Гольджи». В 2005 году показали, что они сосредоточены в самом длинном, апикальном, дендрите, и нарушение их работы мешает ему расти [64].

Акросома головки сперматозоида — производное аппарата Гольджи: в сперматиде к одному полюсу ядра подходят пузырьки транс-сети и сливаются в один крупный пузырь с гидролазами, который распластывается по ядру шапочкой. По составу и происхождению акросому относят к органоидам, родственным лизосомам [65].

11. Растения, водоросли и грибы

В клетке растения аппарат Гольджи состоит из десятков или нескольких сотен отдельных диктиосом, каждая из которых окружена своей транс-сетью. Ленты нет, центросомы тоже. В 1998 году, пометив диктиосомы флуоресцентным белком, увидели, что они движутся по нитям актина вместе с участками ЭПС, от которых получают груз; движение то останавливается, то возобновляется, и его обеспечивает миозин [66, 67].

Главный продукт аппарата Гольджи растений — полисахариды клеточной стенки, кроме целлюлозы. Пектины и гемицеллюлозы (например, ксилоглюкан) синтезируются в цистернах и в пузырьках выводятся наружу, где встраиваются между микрофибриллами целлюлозы [68]. Целлюлозу же синтезируют белковые комплексы-розетки прямо в плазмалемме, выпуская цепи наружу; аппарат Гольджи лишь собирает эти комплексы и доставляет их к мембране [69]. Поэтому фраза «аппарат Гольджи синтезирует целлюлозу» неверна, а «синтезирует полисахариды клеточной стенки» — верна. Особенно развит аппарат Гольджи в клетках корневого чехлика, выделяющих слизь, которая облегчает продвижение корня в почве.

У растений аппарат Гольджи не разбирается при делении: напротив, именно он строит новую перегородку. В телофазе пузырьки Гольджи с пектинами и гемицеллюлозами движутся по микротрубочкам фрагмопласта к экватору клетки и сливаются, образуя клеточную пластинку, которая растёт от центра к краям и соединяется со старой стенкой [70].

Транс-сеть Гольджи растений работает одновременно и как ранняя эндосома: в неё попадают пузырьки, отщепившиеся от плазмалеммы внутрь клетки. Это показали в 2006 году на резуховидке Таля: белки, поглощённые клеткой, уже через несколько минут оказывались в транс-сети [71].

У водорослей аппарат Гольджи иногда строит наружный скелет. Органические чешуйки золотистых водорослей собираются в цистернах (раздел 5), а известковые пластинки кокколитофорид — кокколиты — кристаллизуются в особом пузырьке, происходящем из аппарата Гольджи, и затем выводятся на поверхность клетки [72].

У грибов строение разное: у пекарских дрожжей цистерны не собраны в стопки (раздел 2), у мицелиальных грибов это тоже обычно отдельные цистерны. У ряда протистов-паразитов и анаэробов — лямблии, дизентерийной амёбы, малярийного плазмодия — стопок нет, но белки, характерные для аппарата Гольджи, сохранились, и его функции выполняют отдельные пузырьки или цистерны. Стопки утрачивались в эволюции несколько раз независимо [73, 74].

12. Аппарат Гольджи и болезни

I-клеточная болезнь — следствие утраты метки лизосом (раздел 9). Больные отстают в развитии, у них грубеют черты лица, деформируются кости; большинство не доживает до 10 лет [59].

Врождённые нарушения гликозилирования — более сотни наследственных болезней, при которых не работает один из ферментов сборки углеводных цепей, переносчик нуклеотид-сахаров или белок, поддерживающий условия в полости Гольджи. Чаще всего страдают нервная система, печень и свёртывание крови [75]. Например, мутации субъединицы протонной АТФазы, работающей в аппарате Гольджи, нарушают закисление его полости и гликозилирование, и кожа теряет эластичность [76].

Комбинированная недостаточность факторов свёртывания V и VIII. Эти два белка покидают ЭПС с помощью рецептора-грузчика ERGIC-53, курсирующего между ЭПС и промежуточным компартментом. При мутациях его гена оба фактора задерживаются в ЭПС, и кровь свёртывается медленно [77].

Болезни Менкеса и Вильсона. Медь поступает к ферментам, которым она нужна (тирозиназе, лизилоксидазе и др.), в полости транс-сети Гольджи; туда её закачивают медные АТФазы ATP7A и ATP7B. При избытке меди эти белки уходят из транс-сети к плазмалемме и выводят медь из клетки. Мутации ATP7A вызывают болезнь Менкеса — тяжёлую нехватку меди в тканях; мутации ATP7B в клетках печени — болезнь Вильсона, при которой медь не выводится в жёлчь и накапливается в печени и мозге [78].

Токсины, идущие обратным путём. Холерный токсин, рицин клещевины и шига-токсин дизентерийной палочки проникают в клетку, пройдя путь секреции в обратную сторону: от плазмалеммы через эндосомы в аппарат Гольджи, затем в ЭПС, откуда их ферментативная часть выходит в цитозоль через систему уборки неправильно свёрнутых белков. Субъединица A холерного токсина даже несёт на C-конце сигнал KDEL, и рецептор KDEL доставляет её в ЭПС [79]. Поэтому брефельдин А, разрушающий аппарат Гольджи, защищает клетки от этих токсинов.

Нейродегенерация. Распад ленты Гольджи на мелкие фрагменты — один из ранних признаков гибели нейронов при боковом амиотрофическом склерозе, болезнях Альцгеймера и Паркинсона; он появляется раньше, чем другие изменения в клетке [80].

13. Происхождение

У прокариот аппарата Гольджи нет. Сравнение геномов десятков эукариот показывает, что у их общего предка он уже был, и притом сложный. В 2018 году Лаэль Барлоу, Джоэл Дакс и коллеги проверили в 87 геномах эукариот гены гольджинов и других белков, отвечающих за строение стопки. Набор, характерный для разных отделов стопки, нашёлся во всех крупных группах эукариот; отсюда вывод, что у общего предка эукариот был аппарат Гольджи с цис- и транс-отделами и несколькими маршрутами транспорта [74].

Как он возник, объясняет гипотеза «паралогов органоидов»: белки транспорта — оболочки пузырьков, Rab, SNARE — образуют семейства, члены которых возникли удвоением генов. Каждое удвоение давало новому отделу мембранной системы собственные белки-«адреса», и система ветвилась [81]. Оболочки COPI, COPII и клатрина построены из одних и тех же структурных блоков — «пропеллеров» из β-листов и длинных спиральных «соленоидов», — и из таких же блоков состоят белки ядерной поры; поэтому предполагают, что все они произошли от одной древней оболочки, изгибавшей мембраны [82]. У асгардархей, ближайших родственников эукариот среди прокариот, найдены гены малых ГТФаз, похожих на Rab, и белков с доменами, характерными для систем транспорта пузырьков [83]. Значит, часть «инструментов» существовала ещё до появления эукариотической клетки.

14. Сводная таблица

Общее для всех отделов: одна мембрана; полость, соответствующая внешней среде клетки; рибосом нет; обмен мембраной с ЭПС и между цистернами пузырьками COPI.

15. Частые ошибки и вопросы

«В аппарате Гольджи синтезируются белки». Нет: рибосом на нём нет. Белки синтезируются на рибосомах шероховатой ЭПС, а аппарат Гольджи их модифицирует, упаковывает и сортирует.

«Аппарат Гольджи — двумембранный органоид, ведь цистерна состоит из двух мембран». Каждая цистерна — плоский мешок, ограниченный одной мембраной; на срезе видны две её стороны. Аппарат Гольджи — одномембранный органоид.

«В аппарате Гольджи синтезируются полисахариды». Верно отчасти: здесь синтезируются полисахариды клеточной стенки растений (пектины, гемицеллюлозы), цепи гликозаминогликанов и углеводные цепи гликопротеинов. Но целлюлоза и гиалуроновая кислота синтезируются в плазмалемме, гликоген — в цитозоле, крахмал — в пластидах. В ответе ЕГЭ формулировка «синтез полисахаридов» засчитывается.

«Лизосомы отпочковываются от аппарата Гольджи готовыми». В школьном курсе так и говорят: «аппарат Гольджи образует лизосомы», и в ответе это засчитывается. Строже: из транс-сети Гольджи выходят пузырьки с ферментами лизосом, они сливаются с эндосомами, и лизосома созревает из эндосомы.

«Аппарат Гольджи есть только в клетках животных». Нет: у растений это многочисленные диктиосомы, есть он и у грибов и большинства протистов. Нет его у прокариот и в зрелых эритроцитах млекопитающих.

«Акросома и есть аппарат Гольджи». Акросома — производное аппарата Гольджи, пузырь с гидролазами, образованный слиянием его пузырьков; сам аппарат Гольджи в сперматиде после этого перемещается и затем удаляется вместе с остатком цитоплазмы.

Чем аппарат Гольджи отличается от ЭПС? ЭПС — непрерывная сеть по всей клетке, где синтезируются белки (на рибосомах) и липиды, белки сворачиваются и получают первичную углеводную цепь. Аппарат Гольджи — стопки отдельных цистерн у ядра (у животных) без рибосом; здесь цепи достраиваются, синтезируются сфинголипиды, груз сортируется и упаковывается.

Почему в клетках желёз аппарат Гольджи обращён транс-стороной к верхушке? Секреторные гранулы выходят из транс-сети и должны слиться с апикальной мембраной, обращённой в проток железы; короткий путь ускоряет выделение.

Почему белки плазмалеммы гликозилированы только с наружной стороны? Углеводы присоединяются в полости ЭПС и Гольджи. Когда пузырёк сливается с плазмалеммой, сторона мембраны, обращённая в полость, становится наружной. С цитоплазматической стороны гликозилтрансфераз, работающих в полости, нет.

16. Что нужно знать к ЕГЭ и ОГЭ

В кодификаторе ЕГЭ-2027 аппарат Гольджи входит в элемент «Строение и функционирование эукариотической клетки»: «Одномембранные органоиды клетки: эндоплазматическая сеть (ЭПС), аппарат Гольджи, лизосомы, их строение и функции. Взаимосвязь одномембранных органоидов клетки» [84].

Что проверяют чаще всего:

• аппарат Гольджи — одномембранный органоид; это стопки плоских цистерн и пузырьки; у растений — отдельные диктиосомы; нет у прокариот;
• функции: накопление, модификация (присоединение углеводов и липидов), упаковка и сортировка веществ, синтезированных в ЭПС; выведение веществ из клетки (секреция); образование лизосом; синтез полисахаридов; у растений — участие в образовании клеточной стенки и клеточной пластинки при делении;
• взаимосвязь одномембранных органоидов: рибосома шероховатой ЭПС → полость ЭПС → пузырёк → аппарат Гольджи → секреторный пузырёк → плазмалемма (экзоцитоз) или лизосома;
• задачи с мечеными аминокислотами и сахарами: где и в какой последовательности появится метка;
• вопросы «в каких клетках аппарат Гольджи развит сильнее и почему»: клетки желёз, бокаловидные клетки, плазматические клетки;
• соответствие «органоид — функция» и выбор трёх верных утверждений; распознавание аппарата Гольджи на рисунке (стопка изогнутых цистерн с пузырьками по краям).

В ОГЭ достаточно знать, что аппарат Гольджи — система плоских мембранных цистерн и пузырьков, где накапливаются, изменяются и упаковываются вещества, синтезированные в ЭПС, которые затем выводятся из клетки или используются в ней; он образует лизосомы.

17. Для олимпиад

Endo H и сиаловая кислота — «часы» пути секреции. Белок, чувствительный к Endo H, ещё не дошёл до медиальных цистерн; устойчивый, но без сиаловой кислоты — между медиальными и транс-цистернами; с сиаловой кислотой — в транс-цистернах или дальше. Метка на поверхности клетки (её снимают протеазой или биотином, не проникающим внутрь) показывает, что белок дошёл до плазмалеммы. На этом основаны опыты «импульс — погоня» [45].

Температурные блоки. При 15 °C груз накапливается в промежуточном компартменте ЭПС — Гольджи, при 20 °C — в транс-сети Гольджи; после возвращения к 37 °C он движется дальше синхронно [85, 86]. Современный способ синхронизации — система RUSH: груз удерживают в ЭПС белком-«крючком», связывающим стрептавидин, а добавление биотина отцепляет его, и весь груз в клетке одновременно отправляется по пути секреции [87].

Брефельдин А и мутант Lec1. Брефельдин А блокирует фактор обмена нуклеотидов для Arf1 — оболочка COPI не собирается, и аппарат Гольджи сливается с ЭПС [22]. Клетки Lec1 без GlcNAc-трансферазы I — доказательство порядка ферментов и инструмент опыта Ротмана [47, 32].

Почему у мембран Гольджи «короткие якоря». Средняя длина трансмембранного участка у белков Гольджи около 15 аминокислот, у белков плазмалеммы — около 20; при подъёме α-спирали на 0,15 нм на остаток это 2,25 и 3,0 нм. Если удлинить трансмембранный участок фермента Гольджи, он уходит в плазмалемму, если укоротить у белка плазмалеммы — задерживается в Гольджи [54, 55].

Сигналы удержания и возврата. KDEL (у дрожжей HDEL) — растворимые белки ЭПС, связывание рецептором при кислом pH Гольджи; KKXX — мембранные белки ЭПС, связывание коатомером; ферменты Гольджи удерживаются длиной трансмембранного участка, связыванием с белками COPI через цитоплазматический хвост и постоянным возвратом в более молодые цистерны при их созревании.

Ингибиторы закисления. Бафиломицин и монензин снимают разницу pH. Тогда рецептор KDEL хуже связывает белки ЭПС (они выходят из клетки), рецептор маннозо-6-фосфата не отпускает ферменты в эндосомах и не возвращается за новыми (ферменты лизосом секретируются), а прогормоны в гранулах не разрезаются [15].

Постоянная секреция — путь по умолчанию. Растворимый белок с сигнальным пептидом, но без других сигналов, выходит из клетки. Белок с сигналом KDEL остаётся в ЭПС, с меткой маннозо-6-фосфат — уходит в лизосомы, белок без сигнального пептида вообще не попадает в ЭПС и остаётся в цитозоле. Задачи на «перестановку сигналов» — классика олимпиад.

Задания с разбором

Задание 1. Выберите три верных утверждения об аппарате Гольджи. 1) Образован стопками плоских цистерн и пузырьками. 2) Ограничен двумя мембранами. 3) На его мембранах находятся рибосомы. 4) Участвует в образовании лизосом. 5) Модифицирует и сортирует белки, синтезированные на шероховатой ЭПС. 6) Содержит собственную кольцевую ДНК.

Задание 2. Установите соответствие между функцией и органоидом: 1) шероховатая ЭПС; 2) аппарат Гольджи. Функции: А) присоединение к белку первичного олигосахарида из 14 сахаров; Б) синтез сфингомиелина; В) упаковка ферментов в секреторные гранулы; Г) синтез белков на прикреплённых рибосомах; Д) образование метки лизосом маннозо-6-фосфат; Е) синтез пектинов клеточной стенки растений.

Задание 3. Установите последовательность, в которой меченый белок, выводимый из клетки, проходит структуры клетки. 1) Плазмалемма. 2) Полость шероховатой ЭПС. 3) Цис-цистерна аппарата Гольджи. 4) Рибосома. 5) Секреторная гранула. 6) Транс-сеть Гольджи.

Задание 4. Найдите три ошибки в тексте и исправьте их. (1) Аппарат Гольджи — одномембранный органоид эукариотической клетки. (2) Он состоит из стопок плоских цистерн, окружённых пузырьками. (3) На мембранах цистерн расположены рибосомы, синтезирующие белки на экспорт. (4) В клетках растений аппарат Гольджи синтезирует целлюлозу. (5) Пузырьки, отделяющиеся от транс-стороны, доставляют вещества к плазмалемме и в лизосомы. (6) В клетках слюнных желёз аппарат Гольджи развит слабо, так как они почти ничего не выделяют.

Задание 5. Выберите три клетки, в которых аппарат Гольджи развит особенно сильно. 1) Бокаловидная клетка кишечника. 2) Зрелый эритроцит человека. 3) Ацинарная клетка поджелудочной железы. 4) Клетка мышечного волокна. 5) Плазматическая клетка. 6) Клетка эпидермиса кожи в роговом слое.

Задание 6. Почему в бокаловидных клетках кишечника аппарат Гольджи очень крупный? Где в этой клетке он расположен и почему?

Задание 7. Крысам ввели глюкозу, меченную тритием, и через 5, 20 и 40 минут исследовали бокаловидные клетки кишечника методом радиоавтографии. Где появится метка в первые минуты и куда переместится потом? Почему метка почти не появляется в шероховатой ЭПС?

Задание 8. Делящиеся клетки корня обработали веществом, разрушающим аппарат Гольджи, после окончания митоза ядер. Как изменятся клетки? Ответ поясните.

Задание 9. У ребёнка ферменты лизосом синтезируются нормально, но их активность в лизосомах фибробластов очень низкая, а в крови — в десятки раз выше нормы. В цитоплазме фибробластов крупные включения. Объясните, какой этап нарушен и почему ферменты оказываются в крови.

Задание 10. Почему углеводные цепи гликопротеинов и гликолипидов плазмалеммы находятся только на её наружной поверхности?

Задание 11. Для синтеза лактозы в клетках молочной железы нужен фермент галактозилтрансфераза, который есть в аппарате Гольджи всех клеток, и белок α-лактальбумин. Почему лактоза синтезируется только в молочной железе и почему от её количества зависит объём молока?

Задание 12. Больной сахарным диабетом получает инсулин в уколах. Врач определил у него в крови содержание C-пептида. Что такое C-пептид, где он образуется и зачем его определяют?

Задание 13 (олимпиадное). В опыте Ротмана (1984) смешивали две фракции цистерн Гольджи. Донор — Гольджи мутантных клеток Lec1 (нет GlcNAc-трансферазы I), заражённых вирусом везикулярного стоматита: в цистернах много вирусного гликопротеина G. Акцептор — Гольджи нормальных незаражённых клеток. Добавляли цитозоль, АТФ и УДФ-N-ацетилглюкозамин с радиоактивной меткой. А) Почему метка включается в белок G, только если он перешёл из донорных цистерн в акцепторные? Б) Что будет, если обработать цитозоль N-этилмалеимидом? В) Если взять акцептор тоже из клеток Lec1?

Задание 14 (олимпиадное). Клетки пометили 5-минутным импульсом радиоактивного метионина и затем инкубировали без метки («погоня»). Мембранный гликопротеин выделяли через разные промежутки времени, обрабатывали ферментом Endo H и проверяли, доступен ли он протеазе, добавленной снаружи к живым клеткам. Результаты: 0–10 мин — Endo H разрезает углеводные цепи; 20 мин — цепи устойчивы к Endo H; 30 мин — в цепях появилась сиаловая кислота; 45 мин — белок разрушается протеазой снаружи. А) Где находился белок в каждый момент? Б) Что изменится, если всю «погоню» вести при 20 °C? В) При 15 °C?

Задание 15 (олимпиадное). Проинсулин человека состоит из 86 аминокислот. При его превращении вырезаются C-пептид (31 аминокислота) и две пары основных аминокислот на его границах. Цепь B инсулина содержит 30 аминокислот. А) Сколько аминокислот в цепи A? Б) Сколько всего аминокислот в молекуле инсулина? В) Каково соотношение числа молекул инсулина и C-пептида, выделяемых β-клеткой?

Задание 16 (олимпиадное). Антигены A и B создают гликозилтрансферазы аппарата Гольджи, присоединяя сахар к антигену H, который создаёт фукозилтрансфераза (ген H; у рецессивных гомозигот hh фермента нет — «бомбейский» фенотип). Женщина с фенотипом группы 0 (I(0)), генотип hh I^BI^B, вышла замуж за мужчину с группой 0, генотип HH ii. Какие группы крови могут быть у их детей? Объясните, почему мать имеет фенотип 0.

Задание 17 (олимпиадное). Секреторная гранула — шар диаметром 1 мкм, пузырёк транс-сети — шар диаметром 60 нм. А) Сколько пузырьков нужно, чтобы собрать мембрану одной гранулы? Б) Сколько пузырьков нужно, чтобы заполнить её объём? В) Что следует из разницы этих чисел?

Задание 18 (олимпиадное). pH в полости ЭПС 7,2, в цис-цистернах Гольджи 6,7. А) Во сколько раз различается концентрация ионов водорода? Б) Клетки обработали бафиломицином, ингибитором протонной АТФазы V-типа. Что произойдёт с белком ЭПС BiP (несёт сигнал KDEL) и с ферментами лизосом? Ответ обоснуйте.

Задание 19 (олимпиадное). Трансмембранный участок белка плазмалеммы состоит из 23 аминокислот. Его заменили на участок из 17 гидрофобных аминокислот. Подъём α-спирали — 0,15 нм на аминокислоту. А) Какой длины трансмембранные участки до и после замены? Б) Куда попадёт изменённый белок и почему?

Задание 20 (олимпиадное). В стопке Гольджи 6 цистерн; груз проходит её от цис- до транс-стороны за 24 минуты. А) Если верна модель созревания цистерн, как часто на цис-стороне образуется новая цистерна? Б) Объясните, почему проколлаген (жёсткие стержни длиной 300 нм) свидетельствует в пользу этой модели, если пузырьки COPI имеют диаметр около 60 нм. В) Какое наблюдение в живых дрожжах подтвердило модель?

Литература

1. Alberts B., Heald R., Johnson A., Morgan D., Raff M., Roberts K., Walter P. Molecular Biology of the Cell. 7th ed. New York: W. W. Norton, 2022.
2. Lodish H., Berk A., Kaiser C. A. et al. Molecular Cell Biology. 9th ed. New York: Macmillan Learning, 2021.
3. The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1906: Camillo Golgi, Santiago Ramón y Cajal. NobelPrize.org.
4. Mazzarello P. The Hidden Structure: A Scientific Biography of Camillo Golgi. Oxford: Oxford University Press, 1999.
5. Golgi C. Intorno alla struttura delle cellule nervose. Bollettino della Società Medico-Chirurgica di Pavia 1898, 13.
6. Dröscher A. Camillo Golgi and the discovery of the Golgi apparatus. Histochem. Cell Biol. 1998, 109, 425–430.
7. Farquhar M. G., Palade G. E. The Golgi apparatus (complex) — (1954–1981) — from artifact to center stage. J. Cell Biol. 1981, 91, 77s–103s.
8. Dalton A. J., Felix M. D. Cytologic and cytochemical characteristics of the Golgi substance of epithelial cells of the epididymis — in situ, in homogenates and after isolation. Am. J. Anat. 1954, 94, 171–207.
9. Neutra M., Leblond C. P. Synthesis of the carbohydrate of mucus in the Golgi complex as shown by electron microscope radioautography of goblet cells from rats injected with glucose-H3. J. Cell Biol. 1966, 30, 119–136.
10. Jamieson J. D., Palade G. E. Intracellular transport of secretory proteins in the pancreatic exocrine cell. I. Role of the peripheral elements of the Golgi complex; II. Transport to condensing vacuoles and zymogen granules. J. Cell Biol. 1967, 34, 577–596; 597–615.
11. The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2013: James E. Rothman, Randy W. Schekman, Thomas C. Südhof. NobelPrize.org.
12. Klumperman J. Architecture of the mammalian Golgi. Cold Spring Harb. Perspect. Biol. 2011, 3, a005181.
13. Appenzeller-Herzog C., Hauri H.-P. The ER–Golgi intermediate compartment (ERGIC): in search of its identity and function. J. Cell Sci. 2006, 119, 2173–2183.
14. Stanley P. Golgi glycosylation. Cold Spring Harb. Perspect. Biol. 2011, 3, a005199.
15. Casey J. R., Grinstein S., Orlowski J. Sensors and regulators of intracellular pH. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2010, 11, 50–61.
16. Paroutis P., Touret N., Grinstein S. The pH of the secretory pathway: measurement, determinants, and regulation. Physiology 2004, 19, 207–215.
17. Rossanese O. W., Soderholm J., Bevis B. J. et al. Golgi structure correlates with transitional endoplasmic reticulum organization in Pichia pastoris and Saccharomyces cerevisiae. J. Cell Biol. 1999, 145, 69–81.
18. Munro S. The golgin coiled-coil proteins of the Golgi apparatus. Cold Spring Harb. Perspect. Biol. 2011, 3, a005256.
19. Barr F. A., Puype M., Vandekerckhove J., Warren G. GRASP65, a protein involved in the stacking of Golgi cisternae. Cell 1997, 91, 253–262.
20. Wong M., Munro S. The specificity of vesicle traffic to the Golgi is encoded in the golgin coiled-coil proteins. Science 2014, 346, 1256898.
21. Sütterlin C., Hsu P., Mallabiabarrena A., Malhotra V. Fragmentation and dispersal of the pericentriolar Golgi complex is required for entry into mitosis in mammalian cells. Cell 2002, 109, 359–369.
22. Lippincott-Schwartz J., Yuan L. C., Bonifacino J. S., Klausner R. D. Rapid redistribution of Golgi proteins into the ER in cells treated with brefeldin A: evidence for membrane cycling from Golgi to ER. Cell 1989, 56, 801–813.
23. Robinson M. S. Forty years of clathrin-coated vesicles. Traffic 2015, 16, 1210–1238.
24. Barlowe C., Orci L., Yeung T. et al. COPII: a membrane coat formed by Sec proteins that drive vesicle budding from the endoplasmic reticulum. Cell 1994, 77, 895–907.
25. Orci L., Glick B. S., Rothman J. E. A new type of coated vesicular carrier that appears not to contain clathrin: its possible role in protein transport within the Golgi stack. Cell 1986, 46, 171–184.
26. Pearse B. M. F. Clathrin: a unique protein associated with intracellular transfer of membrane by coated vesicles. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1976, 73, 1255–1259.
27. Lewis M. J., Pelham H. R. B. A human homologue of the yeast HDEL receptor. Nature 1990, 348, 162–163.
28. Letourneur F., Gaynor E. C., Hennecke S. et al. Coatomer is essential for retrieval of dilysine-tagged proteins to the endoplasmic reticulum. Cell 1994, 79, 1199–1207.
29. Zerial M., McBride H. Rab proteins as membrane organizers. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2001, 2, 107–117.
30. Jahn R., Scheller R. H. SNAREs — engines for membrane fusion. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2006, 7, 631–643.
31. Novick P., Field C., Schekman R. Identification of 23 complementation groups required for post-translational events in the yeast secretory pathway. Cell 1980, 21, 205–215.
32. Balch W. E., Dunphy W. G., Braell W. A., Rothman J. E. Reconstitution of the transport of protein between successive compartments of the Golgi measured by the coupled incorporation of N-acetylglucosamine. Cell 1984, 39, 405–416.
33. Block M. R., Glick B. S., Wilcox C. A., Wieland F. T., Rothman J. E. Purification of an N-ethylmaleimide-sensitive protein catalyzing vesicular transport. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1988, 85, 7852–7856.
34. Söllner T., Whiteheart S. W., Brunner M., Erdjument-Bromage H., Geromanos S., Tempst P., Rothman J. E. SNAP receptors implicated in vesicle targeting and fusion. Nature 1993, 362, 318–324.
35. Rothman J. E. The principle of membrane fusion in the cell (Nobel lecture). Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 12676–12694.
36. Weber T., Zemelman B. V., McNew J. A. et al. SNAREpins: minimal machinery for membrane fusion. Cell 1998, 92, 759–772.
37. Glick B. S., Luini A. Models for Golgi traffic: a critical assessment. Cold Spring Harb. Perspect. Biol. 2011, 3, a005215.
38. Glick B. S., Nakano A. Membrane traffic within the Golgi apparatus. Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 2009, 25, 113–132.
39. Becker B., Bölinger B., Melkonian M. Anterograde transport of algal scales through the Golgi complex is not mediated by vesicles. Trends Cell Biol. 1995, 5, 305–307.
40. Bonfanti L., Mironov A. A. Jr., Martínez-Menárguez J. A. et al. Procollagen traverses the Golgi stack without leaving the lumen of cisternae: evidence for cisternal maturation. Cell 1998, 95, 993–1003.
41. Losev E., Reinke C. A., Jellen J., Strongin D. E., Bevis B. J., Glick B. S. Golgi maturation visualized in living yeast. Nature 2006, 441, 1002–1006.
42. Matsuura-Tokita K., Takeuchi M., Ichihara A., Mikuriya K., Nakano A. Live imaging of yeast Golgi cisternal maturation. Nature 2006, 441, 1007–1010.
43. Patterson G. H., Hirschberg K., Polishchuk R. S., Gerlich D., Phair R. D., Lippincott-Schwartz J. Transport through the Golgi apparatus by rapid partitioning of two lipid phases. Cell 2008, 133, 1055–1067.
44. Hirschberg K., Miller C. M., Ellenberg J. et al. Kinetic analysis of secretory protein traffic and characterization of Golgi to plasma membrane transport intermediates in living cells. J. Cell Biol. 1998, 143, 1485–1503.
45. Kornfeld R., Kornfeld S. Assembly of asparagine-linked oligosaccharides. Annu. Rev. Biochem. 1985, 54, 631–664.
46. Varki A., Cummings R. D., Esko J. D. et al. (eds.) Essentials of Glycobiology. 4th ed. Cold Spring Harbor: Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2022.
47. Gottlieb C., Baenziger J., Kornfeld S. Deficient uridine diphosphate-N-acetylglucosamine:glycoprotein N-acetylglucosaminyltransferase activity in a clone of Chinese hamster ovary cells with altered surface glycoproteins. J. Biol. Chem. 1975, 250, 3303–3309.
48. Yamamoto F., Clausen H., White T., Marken J., Hakomori S. Molecular genetic basis of the histo-blood group ABO system. Nature 1990, 345, 229–233.
49. Bhende Y. M., Deshpande C. K., Bhatia H. M. et al. A “new” blood group character related to the ABO system. Lancet 1952, 259, 903–904.
50. Steiner D. F. The proprotein convertases. Curr. Opin. Chem. Biol. 1998, 2, 31–39.
51. Steiner D. F., Oyer P. E. The biosynthesis of insulin and a probable precursor of insulin by a human islet cell adenoma. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1967, 57, 473–480.
52. Orci L., Ravazzola M., Amherdt M. et al. Direct identification of prohormone conversion site in insulin-secreting cells. Cell 1985, 42, 671–681.
53. Hanada K., Kumagai K., Yasuda S. et al. Molecular machinery for non-vesicular trafficking of ceramide. Nature 2003, 426, 803–809.
54. Bretscher M. S., Munro S. Cholesterol and the Golgi apparatus. Science 1993, 261, 1280–1281.
55. Sharpe H. J., Stevens T. J., Munro S. A comprehensive comparison of transmembrane domains reveals organelle-specific properties. Cell 2010, 142, 158–169.
56. Brew K., Vanaman T. C., Hill R. L. The role of α-lactalbumin and the A protein in lactose synthetase: a unique mechanism for the control of a biological reaction. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1968, 59, 491–497.
57. Kelly R. B. Pathways of protein secretion in eukaryotes. Science 1985, 230, 25–32.
58. Rodriguez-Boulan E., Kreitzer G., Müsch A. Organization of vesicular trafficking in epithelia. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2005, 6, 233–247.
59. Kornfeld S., Mellman I. The biogenesis of lysosomes. Annu. Rev. Cell Biol. 1989, 5, 483–525.
60. Reitman M. L., Kornfeld S. UDP-N-acetylglucosamine:glycoprotein N-acetylglucosamine-1-phosphotransferase: proposed enzyme for the phosphorylation of the high mannose oligosaccharide units of lysosomal enzymes. J. Biol. Chem. 1981, 256, 4275–4281.
61. Leroy J. G., DeMars R. I. Mutant enzymatic and cytological phenotypes in cultured human fibroblasts. Science 1967, 157, 804–806.
62. Hickman S., Neufeld E. F. A hypothesis for I-cell disease: defective hydrolases that do not enter lysosomes. Biochem. Biophys. Res. Commun. 1972, 49, 992–999.
63. Ченцов Ю. С. Введение в клеточную биологию. 4-е изд. М.: Академкнига, 2004 (МГУ им. М. В. Ломоносова).
64. Horton A. C., Rácz B., Monson E. E., Lin A. L., Weinberg R. J., Ehlers M. D. Polarized secretory trafficking directs cargo for asymmetric dendrite growth and morphogenesis. Neuron 2005, 48, 757–771.
65. Berruti G., Paiardi C. Acrosome biogenesis: revisiting old questions to yield new insights. Spermatogenesis 2011, 1, 95–98.
66. Boevink P., Oparka K., Santa Cruz S., Martin B., Betteridge A., Hawes C. Stacks on tracks: the plant Golgi apparatus traffics on an actin/ER network. Plant J. 1998, 15, 441–447.
67. Nebenführ A., Gallagher L. A., Dunahay T. G. et al. Stop-and-go movements of plant Golgi stacks are mediated by the acto-myosin system. Plant Physiol. 1999, 121, 1127–1142.
68. Driouich A., Follet-Gueye M.-L., Bernard S. et al. Golgi-mediated synthesis and secretion of matrix polysaccharides of the primary cell wall of higher plants. Front. Plant Sci. 2012, 3, 79.
69. Somerville C. Cellulose synthesis in higher plants. Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 2006, 22, 53–78.
70. Samuels A. L., Giddings T. H., Staehelin L. A. Cytokinesis in tobacco BY-2 and root tip cells: a new model of cell plate formation in higher plants. J. Cell Biol. 1995, 130, 1345–1357.
71. Dettmer J., Hong-Hermesdorf A., Stierhof Y.-D., Schumacher K. Vacuolar H⁺-ATPase activity is required for endocytic and secretory trafficking in Arabidopsis. Plant Cell 2006, 18, 715–730.
72. Marsh M. E. Regulation of CaCO₃ formation in coccolithophores. Comp. Biochem. Physiol. B 2003, 136, 743–754.
73. Mowbray C., Dacks J. B. Evolution and diversity of the Golgi body. FEBS Lett. 2009, 583, 3738–3745.
74. Barlow L. D., Nývltová E., Aguilar M., Tachezy J., Dacks J. B. A sophisticated, differentiated Golgi in the ancestor of eukaryotes. BMC Biol. 2018, 16, 27.
75. Freeze H. H., Chong J. X., Bamshad M. J., Ng B. G. Solving glycosylation disorders: fundamental approaches reveal complicated pathways. Am. J. Hum. Genet. 2014, 94, 161–175.
76. Kornak U., Reynders E., Dimopoulou A. et al. Impaired glycosylation and cutis laxa caused by mutations in the vesicular H⁺-ATPase subunit ATP6V0A2. Nat. Genet. 2008, 40, 32–34.
77. Nichols W. C., Seligsohn U., Zivelin A. et al. Mutations in the ER–Golgi intermediate compartment protein ERGIC-53 cause combined deficiency of coagulation factors V and VIII. Cell 1998, 93, 61–70.
78. Lutsenko S., Barnes N. L., Bartee M. Y., Dmitriev O. Y. Function and regulation of human copper-transporting ATPases. Physiol. Rev. 2007, 87, 1011–1046.
79. Sandvig K., van Deurs B. Membrane traffic exploited by protein toxins. Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 2002, 18, 1–24.
80. Gonatas N. K., Stieber A., Gonatas J. O. Fragmentation of the Golgi apparatus in neurodegenerative diseases and cell death. J. Neurol. Sci. 2006, 246, 21–30.
81. Dacks J. B., Field M. C. Evolution of the eukaryotic membrane-trafficking system: origin, tempo and mode. J. Cell Sci. 2007, 120, 2977–2985.
82. Devos D., Dokudovskaya S., Alber F. et al. Components of coated vesicles and nuclear pore complexes share a common molecular architecture. PLoS Biol. 2004, 2, e380.
83. Zaremba-Niedzwiedzka K., Caceres E. F., Saw J. H. et al. Asgard archaea illuminate the origin of eukaryotic cellular complexity. Nature 2017, 541, 353–358.
84. ФИПИ. Кодификатор проверяемых требований к результатам освоения основной образовательной программы и элементов содержания для проведения ЕГЭ по биологии, 2027 г. М.: ФИПИ, 2026.
85. Saraste J., Kuismanen E. Pre- and post-Golgi vacuoles operate in the transport of Semliki Forest virus membrane glycoproteins to the cell surface. Cell 1984, 38, 535–549.
86. Matlin K. S., Simons K. Reduced temperature prevents transfer of a membrane glycoprotein to the cell surface but does not prevent terminal glycosylation. Cell 1983, 34, 233–243.
87. Boncompain G., Divoux S., Gareil N. et al. Synchronization of secretory protein traffic in populations of cells. Nat. Methods 2012, 9, 493–498.