Pęcherzyk (biologia i chemia) - Vesicle (biology and chemistry)

Schemat liposomu utworzonego przez fosfolipidy w roztworze wodnym .

W biologii komórki , A pęcherzyk jest strukturą wewnątrz lub na zewnątrz w komórce , obejmującej ciekłą lub cytoplazmie zamknięty przez podwójną warstwę lipidową . Pęcherzyki powstają naturalnie podczas procesów sekrecji ( egzocytoza ), wychwytu ( endocytoza ) i transportu materiałów w obrębie błony komórkowej. Alternatywnie, mogą być przygotowane sztucznie, w tym przypadku nazywane są liposomami (nie mylić z lizosomami ). Jeśli istnieje tylko jedna dwuwarstwa fosfolipidowa , nazywane są one jednowarstwowymi pęcherzykami liposomowymi ; w przeciwnym razie nazywane są wielolamelarnymi . Błona otaczająca pęcherzyk jest również fazą lamelarną , podobną do błony plazmatycznej , a pęcherzyki wewnątrzkomórkowe mogą łączyć się z błoną plazmatyczną, aby uwolnić swoją zawartość na zewnątrz komórki. Pęcherzyki mogą również łączyć się z innymi organellami w komórce. Pęcherzyk uwolniony z komórki jest znany jako pęcherzyk zewnątrzkomórkowy .

Pęcherzyki pełnią różne funkcje. Ponieważ jest oddzielony od cytozolu , wnętrze pęcherzyka może różnić się od środowiska cytozolu. Z tego powodu pęcherzyki są podstawowym narzędziem wykorzystywanym przez komórkę do organizowania substancji komórkowych. Pęcherzyki biorą udział w metabolizmie , transporcie, kontroli pływalności oraz czasowym przechowywaniu żywności i enzymów. Mogą również pełnić funkcję komór reakcji chemicznych.

Obraz Sarfus przedstawiający pęcherzyki lipidowe.
Definicja IUPAC

Zamknięta struktura utworzona przez cząsteczki amfifilowe zawierające rozpuszczalnik (zwykle wodę).

Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny w 2013 r. podzielili James Rothman , Randy Schekman i Thomas Südhof za ich rolę w wyjaśnianiu (opierając się na wcześniejszych badaniach, częściowo przeprowadzonych przez ich mentorów) budowy i funkcji pęcherzyków komórkowych, zwłaszcza u drożdży i ludzi, w tym informacje na temat części każdego pęcherzyka i sposobu ich złożenia. Uważa się, że dysfunkcja pęcherzyków przyczynia się do rozwoju choroby Alzheimera , cukrzycy , niektórych trudnych do leczenia przypadków epilepsji , niektórych nowotworów i zaburzeń immunologicznych oraz niektórych stanów nerwowo-naczyniowych.

Rodzaje struktur pęcherzykowych

Mikrograf elektronowy komórki zawierającej wakuolę pokarmową (fv) i wakuolę transportową (tv) u pasożyta malarii .

Wakuole

Wakuole to organelle komórkowe zawierające głównie wodę.

Lizosomy

  • Lizosomy biorą udział w trawieniu komórek. Pokarm może być pobierany z zewnątrz komórki do wakuoli pokarmowych w procesie zwanym endocytozą . Te wakuole pokarmowe łączą się z lizosomami, które rozkładają składniki, dzięki czemu można je wykorzystać w komórce. Ta forma odżywiania się komórek nazywana jest fagocytozą .
  • Lizosomy są również wykorzystywane do niszczenia wadliwych lub uszkodzonych organelli w procesie zwanym autofagią. Łączą się z błoną uszkodzonej organelli, trawiąc ją.

Pęcherzyki transportowe

Pęcherze wydzielnicze

Pęcherzyki wydzielnicze zawierają materiały, które mają zostać wydalone z komórki. Komórki mają wiele powodów do wydalania materiałów. Jednym z powodów jest usuwanie odpadów. Inny powód jest związany z funkcją komórki. W większym organizmie niektóre komórki specjalizują się w wytwarzaniu pewnych substancji chemicznych. Te chemikalia są przechowywane w pęcherzykach wydzielniczych i uwalniane w razie potrzeby.

Rodzaje

  • Pęcherzyki synaptyczne znajdują się na zakończeniach presynaptycznych w neuronach i przechowują neuroprzekaźniki . Kiedy sygnał dociera do aksonu , pęcherzyki synaptyczne łączą się z błoną komórkową uwalniając neuroprzekaźnik, dzięki czemu można go wykryć przez cząsteczki receptora na następnej komórce nerwowej.
  • U zwierząt tkanki wydzielania wewnętrznego uwalniają hormony do krwiobiegu. Hormony te są przechowywane w pęcherzykach wydzielniczych. Dobrym przykładem jest tkanka endokrynna znaleziona w wysepkach Langerhansa w trzustce . Ta tkanka zawiera wiele typów komórek, które są definiowane na podstawie wytwarzanych przez nie hormonów.
  • Pęcherzyki wydzielnicze trzymać enzymy, które są wykorzystywane do wytwarzania tych ścian komórkowych z roślin , pierwotniaki , grzyby , bakterie i Archaea komórek, jak również pozakomórkowej z komórek zwierzęcych .
  • Bakterie, archeowce , grzyby i pasożyty uwalniają pęcherzyki błonowe (MV) zawierające różne, ale wyspecjalizowane związki toksyczne i biochemiczne cząsteczki sygnałowe, które są transportowane do komórek docelowych w celu zainicjowania procesów na korzyść drobnoustroju, które obejmują inwazję komórek gospodarza i zabijanie konkurencyjnych drobnoustrojów w tej samej niszy.

Pęcherzyki zewnątrzkomórkowe

Pęcherzyki zewnątrzkomórkowe (EV) to dwuwarstwowe cząsteczki lipidowe wytwarzane przez wszystkie domeny życia, w tym złożone organizmy eukariotyczne, bakterie Gram-ujemne i Gram-dodatnie, prątki i grzyby.

Rodzaje

  • Ektosomy/mikropęcherzykizrzucane bezpośrednio z błony plazmatycznej i mogą mieć wielkość od około 30 nm do średnicy większej niż mikron). Mogą to być duże cząstki, takie jak pęcherzyki apoptotyczne uwalniane przez umierające komórki, duże onkosomy uwalniane przez niektóre komórki rakowe lub „ egzofery ” uwalniane przez neurony nicieni i mysie kardiomiocyty.
  • Egzosomy : błoniaste pęcherzyki pochodzenia endocytarnego (średnica 30-100 nm).

Różne typy pojazdów elektrycznych można rozdzielić na podstawie gęstości (przez wirowanie różnicowe w gradiencie ), rozmiaru lub markerów powierzchniowych. Jednak podtypy EV mają nakładające się zakresy rozmiarów i gęstości, a markery unikalne dla podtypów muszą być ustalane na zasadzie komórka po komórce. Dlatego trudno jest wskazać ścieżkę biogenezy, która doprowadziła do powstania konkretnego EV po opuszczeniu komórki.

U ludzi endogenne pęcherzyki zewnątrzkomórkowe prawdopodobnie odgrywają rolę w krzepnięciu, sygnalizacji międzykomórkowej i gospodarce odpadami. Są również zaangażowane w procesy patofizjologiczne związane z wieloma chorobami, w tym z rakiem. Pęcherzyki zewnątrzkomórkowe wzbudziły zainteresowanie jako potencjalne źródło odkrycia biomarkerów ze względu na ich rolę w komunikacji międzykomórkowej, uwalnianiu do łatwo dostępnych płynów ustrojowych i podobieństwie ich zawartości molekularnej do zawartości komórek uwalniających. Pęcherzyki zewnątrzkomórkowe (mezenchymalnych) komórek macierzystych , znane również jako sekretom komórek macierzystych , są badane i stosowane w celach terapeutycznych, głównie w chorobach zwyrodnieniowych , autoimmunologicznych i/lub zapalnych .

U bakterii Gram-ujemnych EV są wytwarzane przez ściśnięcie zewnętrznej błony; jednak wciąż nie wiadomo, w jaki sposób pojazdy elektryczne wydostają się z grubych ścian komórkowych bakterii Gram-dodatnich, prątków i grzybów. Te pojazdy EV zawierają zróżnicowany ładunek, w tym kwasy nukleinowe, toksyny, lipoproteiny i enzymy, i odgrywają ważną rolę w fizjologii i patogenezie drobnoustrojów. W interakcjach gospodarz-patogen bakterie Gram-ujemne wytwarzają pęcherzyki, które odgrywają rolę w tworzeniu niszy kolonizacyjnej, przenoszeniu i przenoszeniu czynników wirulencji do komórek gospodarza oraz modulowaniu obrony i odpowiedzi gospodarza.

Stwierdzono, że sinice oceaniczne w sposób ciągły uwalniają do otwartego oceanu pęcherzyki zawierające białka, DNA i RNA. Pęcherzyki przenoszące DNA różnych bakterii występują obficie w próbkach wody morskiej przybrzeżnej i na otwartym oceanie.

Inne rodzaje

Pęcherzyki gazowe są wykorzystywane przez Archaea , bakterie i mikroorganizmy planktonowe , prawdopodobnie do kontrolowania migracji pionowej poprzez regulację zawartości gazu, a tym samym pływalności , lub ewentualnie do ustawienia komórki w celu maksymalnego zbierania światła słonecznego. Pęcherzyki te są zazwyczaj rurkami w kształcie cytryny lub cylindrycznymi wykonanymi z białka; ich średnica determinuje siłę pęcherzyka, przy czym większe są słabsze. Średnica pęcherzyka wpływa również na jego objętość i to, jak skutecznie może zapewnić pływalność. W przypadku sinic dobór naturalny pracował nad stworzeniem pęcherzyków, które mają maksymalną możliwą średnicę, a jednocześnie są stabilne strukturalnie. Skóra białkowa jest przepuszczalna dla gazów, ale nie dla wody, co zapobiega zalewaniu pęcherzyków.

Pęcherzyki macierzy znajdują się w przestrzeni pozakomórkowej lub macierzy. Za pomocą mikroskopii elektronowej zostały odkryte niezależnie w 1967 roku przez H. Clarke'a Andersona i Ermanno Bonucciego. Te pęcherzyki komórkowe są wyspecjalizowane w inicjowaniu biomineralizacji macierzy w różnych tkankach, w tym w kościach , chrząstkach i zębinie . Podczas normalnego zwapnienia , apoptozie komórek (genetycznie uwarunkowanej samozniszczenia) i powstawaniu pęcherzyków macierzystych towarzyszy duży napływ jonów wapnia i fosforanów do komórek . Obciążenie wapniem prowadzi również do tworzenia kompleksów fosfatydyloseryna :wapń:fosforan w błonie komórkowej, w której pośredniczy częściowo białko zwane aneksynami . Pęcherzyki macierzy wychodzą z błony komórkowej w miejscach interakcji z macierzą zewnątrzkomórkową. Zatem pęcherzyki macierzy przenoszą do macierzy zewnątrzkomórkowej wapń, fosforany, lipidy i aneksyny, które działają na tworzenie się jąder mineralnych. Procesy te są precyzyjnie skoordynowane, aby we właściwym miejscu i czasie doprowadzić do mineralizacji macierzy tkanki, chyba że aparaty Golgiego nie istnieją.

Ciało wielopęcherzykowe (MVB) to związany z błoną pęcherzyk zawierający pewną liczbę mniejszych pęcherzyków.

Formacja i transport

Komórka biologiczna
Schemat komórki zwierzęcej
Animal Cell.svg
Składniki typowej komórki zwierzęcej:
  1. Jądro
  2. Jądro
  3. Rybosom (kropki jako część 5)
  4. Pęcherzyk
  5. Szorstka siateczka śródplazmatyczna
  6. Aparat Golgiego (lub ciało Golgiego)
  7. Cytoszkielet
  8. Retikulum endoplazmatyczne gładkie
  9. Mitochondrium
  10. Vacuole
  11. Cytozol (płyn zawierający organelle ; z którym zawiera cytoplazmę )
  12. Lizosom
  13. Centrosom
  14. Błona komórkowa

Niektóre pęcherzyki powstają, gdy część błony odrywa się od retikulum endoplazmatycznego lub kompleksu Golgiego. Inne powstają, gdy obiekt na zewnątrz komórki jest otoczony błoną komórkową.

Powłoka pęcherzyka i cząsteczki ładunku

„Powłoka” pęcherzyka to zbiór białek, które służą do kształtowania krzywizny błony dawcy, tworząc zaokrąglony kształt pęcherzyka. Białka płaszcza mogą również wiązać się z różnymi białkami receptora transbłonowego, zwanymi receptorami cargo. Receptory te pomagają wybrać, jaki materiał ulega endocytozie w endocytozie za pośrednictwem receptora lub transporcie wewnątrzkomórkowym.

Istnieją trzy rodzaje płaszcza pęcherzykowego: klatryna , COPI i COPII . Różne rodzaje białek płaszcza pomagają w sortowaniu pęcherzyków do ich ostatecznego miejsca przeznaczenia. Powłoki klatryny znajdują się na pęcherzykach przemieszczających się między aparatem Golgiego a błoną plazmatyczną , aparatem Golgiego i endosomami oraz błoną plazmatyczną i endosomami. Pęcherzyki pokryte COPI są odpowiedzialne za transport wsteczny z aparatu Golgiego do ER, podczas gdy pęcherzyki pokryte COPII są odpowiedzialne za transport wsteczny z ER do aparatu Golgiego.

Klatryny Płaszcz jest, że montaż w odpowiedzi regulacyjnej białka G . Powłoka białkowa składa się i rozkłada z powodu białka czynnika rybozylacji ADP (ARF).

Dokowanie pęcherzyków

Białka powierzchniowe zwane SNARE identyfikują ładunek pęcherzyka, a komplementarne SNARE na błonie docelowej powodują fuzję pęcherzyka i błony docelowej. Przypuszcza się, że takie v-SNARES istnieją na błonie pęcherzyka, podczas gdy komplementarne na błonie docelowej są znane jako t-SNARE.

Często SNARE związane z pęcherzykami lub błonami docelowymi są zamiast tego klasyfikowane jako Qa, Qb, Qc lub R SNARE ze względu na dalszą zmienność niż po prostu v- lub t-SNARE. W różnych tkankach i przedziałach subkomórkowych można zaobserwować szereg różnych kompleksów SNARE, przy czym obecnie u ludzi zidentyfikowano 36 izoform.

Uważa się, że regulatorowe białka Rab kontrolują łączenie SNARE. Białko Rab jest regulatorowym białkiem wiążącym GTP i kontroluje wiązanie tych komplementarnych SNARE przez wystarczająco długi czas, aby białko Rab zhydrolizowało związane GTP i zablokowało pęcherzyk na błonie.

SNARE w roślinachsłabo zbadane w porównaniu z grzybami i zwierzętami. Botanik komórek Natasha Raikhel przeprowadziła kilka podstawowych badań w tej dziedzinie. Ona i jej zespół odkryli, że AtVTI1a jest niezbędny dla Golgiego - transportu wakuoli .

Fuzja pęcherzyków

Fuzja pęcherzyków może zachodzić na dwa sposoby: fuzja pełna lub fuzja typu kiss-and-run . Fuzja wymaga, aby dwie membrany znajdowały się w odległości 1,5 nm od siebie. Aby tak się stało, woda musi zostać wyparta z powierzchni błony pęcherzyka. Jest to energetycznie niekorzystne, a dowody wskazują, że proces wymaga ATP , GTP i acetylo-coA . Fuzja jest również powiązana z pączkowaniem, dlatego pojawia się termin pączkowanie i fuzja.

W regulacji w dół receptora

Białka błonowe służące jako receptory są czasami oznaczone do regulacji w dół przez przyłączenie ubikwityny . Po dotarciu do endosomu szlakiem opisanym powyżej, wewnątrz endosomu zaczynają tworzyć się pęcherzyki, zabierając ze sobą białka błonowe przeznaczone do degradacji; Kiedy endosom albo dojrzeje, aby stać się lizosomem, albo zostanie z nim zjednoczony, pęcherzyki ulegają całkowitej degradacji. Bez tego mechanizmu tylko zewnątrzkomórkowa część białek błonowych dotarłaby do światła lizosomu i tylko ta część uległaby degradacji.

To właśnie z powodu tych pęcherzyków endosom jest czasami nazywany ciałem wielopęcherzykowym . Droga do ich powstania nie jest w pełni zrozumiała; w przeciwieństwie do innych pęcherzyków opisanych powyżej, zewnętrzna powierzchnia pęcherzyków nie styka się z cytozolem .

Przygotowanie

Pojedyncze pęcherzyki

Wytwarzanie pęcherzyków błonowych jest jedną z metod badania różnych błon komórkowych. Po rozdrobnieniu żywej tkanki do zawiesiny różne błony tworzą maleńkie zamknięte pęcherzyki. Duże fragmenty zmiażdżonych komórek można odrzucić przez wirowanie z małą prędkością, a później frakcję znanego pochodzenia ( plazlemma , tonoplast itp.) można wyizolować przez precyzyjne wirowanie z dużą prędkością w gradiencie gęstości. Za pomocą szoku osmotycznego możliwe jest chwilowe otwarcie pęcherzyków (wypełnienie ich wymaganym roztworem), a następnie ponowne odwirowanie i zawieszenie w innym roztworze. Zastosowanie jonoforów, takich jak walinomycyna, może wytworzyć gradienty elektrochemiczne porównywalne z gradientami wewnątrz żywych komórek.

Pęcherzyki są wykorzystywane głównie w dwóch rodzajach badań:

  • Aby znaleźć, a później wyizolować receptory błonowe, które specyficznie wiążą hormony i różne inne ważne substancje.
  • Zbadanie transportu różnych jonów lub innych substancji przez błonę danego typu. Podczas gdy transport można łatwiej zbadać technikami patch clamp , pęcherzyki można również izolować od obiektów, dla których patch clamp nie ma zastosowania.

Sztuczne pęcherzyki

Sztuczne pęcherzyki dzieli się na trzy grupy na podstawie ich wielkości: małe jednowarstwowe liposomy/pęcherzyki (SUV) o wielkości w zakresie 20–100 nm, duże jednowarstwowe liposomy/pęcherzyki (LUV) o wielkości w zakresie 100–1000 nm oraz olbrzymie jednowarstwowe liposomy/pęcherzyki (GUV) o wielkości w zakresie 1–200 µm. Mniejsze pęcherzyki w tym samym zakresie wielkości co pęcherzyki transportujące znajdujące się w żywych komórkach są często wykorzystywane w biochemii i dziedzinach pokrewnych. Do takich badań jednorodną zawiesinę pęcherzyków fosfolipidowych można wytworzyć przez ekstruzję lub sonikację , albo przez szybkie wstrzyknięcie roztworu fosfolipidów do wodnego roztworu buforowego. W ten sposób można wytwarzać wodne roztwory pęcherzyków o różnym składzie fosfolipidowym, a także różnej wielkości pęcherzyków. Większe syntetycznie wytworzone pęcherzyki, takie jak GUV, są wykorzystywane do badań in vitro w biologii komórki w celu naśladowania błon komórkowych. Pęcherzyki te są wystarczająco duże, aby można je było badać za pomocą tradycyjnej fluorescencyjnej mikroskopii świetlnej. Istnieje wiele metod kapsułkowania reagentów biologicznych, takich jak roztwory białek, w takich pęcherzykach, dzięki czemu GUV są idealnym systemem do odtwarzania (i badania) funkcji komórek in vitro w środowiskach błon modelowych przypominających komórki. Metody te obejmują metody mikroprzepływowe, które pozwalają na wysokowydajną produkcję pęcherzyków o stałych rozmiarach.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki