Везикулы — мембранные органоиды клетки¶
Везикулы — это ограниченные мембраной полые органоиды эукариотических клеток, выполняющие функции хранения, транспорта и переработки веществ. Размер везикул обычно составляет от нескольких десятков нанометров до нескольких микрометров. Мембрана везикул по составу сходна с плазматической мембраной и построена из липидного бислоя с встроенными белками. В клетке везикулы участвуют в секреции, эндоцитозе, внутриклеточном транспорте, поддержании гомеостаза и защите от патогенов.
¶Классификация
В клетке различают несколько основных типов везикул:
- Экзосомы — мелкие везикулы диаметром 30–150 нм, секретируемые клеткой во внеклеточное пространство. Участвуют в межклеточном коммуникативном обмене, перенося белки, липиды и нуклеиновые кислоты.
- Микровезикулы (микрочастицы) — везикулы диаметром 100–1000 нм, образующиеся путём отшнуровывания плазматической мембраны.
- Эндосомы — везикулы эндоцитарного пути, подразделяются на ранние, поздние и промежуточные; участвуют в сортировке внутренизированных веществ.
- Лизосомы — органоиды диаметром 0,1–1,2 мкм, содержащие гидролитические ферменты (протеазы, липазы, гликозидазы) и обеспечивающие внутриклеточное переваривание.
- Пероксисомы — везикулы, содержащие ферменты окисления жирных кислот и каталазу, участвующие в метаболизме перекиси водорода.
- Вакуоли — крупные везикулы, особенно характерные для растительных клеток (центральная вакуоль может занимать до 90 % объёма клетки). В животных клетках вакуоли меньше и выполняют функции транспорта и хранения.
- Секреторные гранулы — везикулы, содержащие вещества, предназначенные для экзоцитоза (гормоны, ферменты, нейромедиаторы).
¶Устройство и биохимия
Мембрана везикул построена из фосфолипидного бислоя толщиной около 5–7 нм. В неё встроены трансмембранные и периферические белки, определяющие функциональные свойства везикул. На цитоплазматической поверхности мембраны располагаются белки-теги (например, Rab-гиптазы семейства GTP-аз), обеспечивающие адресную доставку везикул и их слияние с мишенью.
Ключевую роль в транспорте везикул играют белки-клеточные шапероны: динамин участвует в отшнуровывании везикул от мембраны-донора, а SNARE-белки (синтаксин, VAMP, синаптотагмин) обеспечивают слияние везикулы с мембраной-мишенью.
¶Механизмы образования и транспорта
Везикулы образуются несколькими способами:
- Буддирование — выпячивание мембраны с последующим отшнуровыванием (эндоцитоз, транспорт по Гольджи).
- Экзоцитоз — слияние секреторной везикулы с плазматической мембраной с высвобождением содержимого наружу.
- Автотофагия — образование двумембранных аутофагосом, которые затем сливаются с лизосомами.
Внутриклеточный транспорт везикул осуществляется по микротрубочкам с участием моторных белков: кинезин перемещает везикулы к периферии клетки, динеин — к центру (к клеточному ядру).
¶Функции
Основные функции везикул в клетке:
| Функция | Примеры везикул |
|---|---|
| Хранение веществ | Секреторные гранулы, центральная вакуоль |
| Транспорт | Эндосомы, транспортные везикулы Гольджи |
| Переваривание | Лизосомы |
| Детоксикация | Пероксисомы |
| Межклеточное взаимодействие | Экзосомы, микровезикулы |
| Поддержание тургора | Центральная вакуоль растений |
¶Роль в патологиях
Нарушение функционирования везикул лежит в основе ряда заболеваний. Лизосомальные болезни накопления (болезнь Тэя — Сакса, болезнь Гоше, болезнь Помпе) вызваны дефицитом гидролитических ферментов, что приводит к накоплению субстратов внутри лизосом. Нарушение экзоцитоза нейромедиаторов связано с рядом нервно-мышечных заболеваний, включая ботулизм (токсин ботулизма блокирует SNARE-комплекс).
Экзосомы и микровезикулы играют роль в патогенезе онкологических и инфекционных заболеваний: вирусы (ВИЧ, вирус гриппа) могут использовать механизм экзоцитоза для выхода из клетки, а опухолевые клетки секретируют экзосомы, подавляющие иммунный ответ.
¶Исследования и медицинское применение
В последние десятилетия изучение внеклеточных везикул (экзосом и микровезикул) стало одним из активных направлений биомедицины. Везикулы рассматриваются как потенциальные носители лекарственных препаратов (наноносители), а их состав может служить источником биомаркеров для диагностики заболеваний.
В России исследования внеклеточных везикул ведутся в ряде научных центров, в том числе в Институте биологии РАН и на кафедрах клеточной биологии ведущих университетов.
¶История
Термин «везикула» происходит от лат. vesicula — «пузырёк». Открытие лизосом было осуществлено Кристианом де Дювом в 1955 году, за что он получил Нобелевскую премию по физиологии или медицине в 1974 году. Механизм везикулярного транспорта был описан в работах Рэндальфа Шекмана, Джеймса Ротмана и Томаса Зурдофа, удостоенных Нобелевской премии 2013 года.
- Биология клетки. Учебник / под ред. В. Н. Ярыгина. — М.: Академия, 2008.
- Альбертс Б. и др. Молекулярная биология клетки. — М.: БИНОМ, 2013.
- De Duve C. Lysosomes // Ciba Foundation Symposium. 1963.
- Raposo G., Stoorvogel W. Extracellular vesicles: exosomes, microvesicles, and friends // Journal of Cell Biology. 2013.