Vesiikul (bioloogia)

Vesiikul on suhteliselt väike tavaliselt veega täidetud põieke raku tsütoplasmas. Vesiikulid on rakusisusest eraldatud rakumembraaniga. Vesiikulite ülesanne on ainete transport või säilitamine raku sees. Vesiikulid osalevad raku elutegevuseks vajalike ainete, näiteks vitamiinide, lipiidide, kolesterooli, raua ja makromolekulide transpordis rakus. Vesiikul on üldjuhul ümbritsetud fosfolipiidse kaksikkihiga nii, et membraani südamikku on koondunud hüdrofoobsed rasvhappeahelad. Hüdrofiilsed pead paiknevad vesiikuli tsentri ja tsütosooli poolel. Vesiikulid võivad moodustuda rakus loomulikult, näiteks endotsütoosi käigus, kuid neid saab tekitada laboris kunstlikult. Sel viisil loodud vesiikuleid kutsutakse liposoomideks ning neid kasutatakse mudelmembraanidena eksperimentaalseteks uuringuteks. Vesiikulite membraani koostis on sama mis raku plasmamembraanil. Seetõttu saavad vesiikulid liituda nii raku plasmamembraani kui ka erinevate organellide membraanidega. Ekso- ja endotsütoosi puhul eraldatakse vastavad makromolekulid vesiikulisse ning nad ei segune teiste tsütoplasmas olevate molekulidega. Vesiikulid võivad kuuluda näiteks Golgi aparaadi koosseisu. Vesiikuli funktsioon sõltub selle sisaldistest. Iga vesiikul on määratud ühinema ainult kindla membraaniga. Tulemuseks on makromolekulide suunatud liikumine raku sise- ja väliskeskkonna vahel. Sarnane protsess toimub ka transportvesiikulite vahendatud karedal endoplasmaatilisel retiikulumil ehk ER-il sünteesitud valkude liikumisel Golgi kompleksi. Valke sisaldav vesiikul eraldub ühest kompartmendist ja ühineb seejärel teise kompartmendi membraaniga. Eukarüootses rakus toimub pidevalt vesiikulite eraldumine ühelt membraanilt ning liitumine mõne teise membraaniga. Vesiikulid kannavad seejuures kaasas membraanide struktuurses koostises olevaid komponente ja vees lahustuvaid molekule. Kogu selline membraansete komponentide vaheldumine kulgeb mööda kõrgelt organiseerunud ning kindla suunaga molekulaarseid radu, mis lubavad rakul modelleerida plasmamembraani. Kogu selle protsessi juures ei tohi raku pindala ning ruumala muutuda. Seetõttu on ekso- ja endotsütoos tasakaalus: endotsütoosi teel membraani materjal sopistub, eksotsütoosi teel saab ta selle tagasi. Enamikul rakkudel tekivad kaetud vesiikulid juhuslikes kohtades, nii et membraani sopistumine toimub üle terve raku pinna. Raku ekso- ja endotsütoosi rajad on ruumiliselt lahutatud. Iga vesiikul peab olema selektiivne – see peab haarama endasse õiged molekulid ja peab liituma õige sihtmembraaniga, näiteks ei tohi vesiikul, mis kannab aineid Golgi kompleksist plasmamembraanile, haarata kaasa aineid, mis peavad jääma Golgi kompleksi koostisse. Lisaks peab see vesiikul liituma ainult plasmamembraaniga ja mitte ühegi teise organelliga. Vastavalt ekso- ja endotsütoosile jaotatakse vesiikulid järgmiselt: transportvesiikulid ja sekretoorsed vesiikulid. Transportvesiikulid osalevad ainete transportimises erinevate organellide vahel raku sees, näiteks transpordivad vesiikulid valke karedapinnaliselt ER-ilt Golgi kompleksi. Sekretoorsed vesiikulid osalevad raku sisekeskkonnast väliskeskkonda. Need ained on valdavalt raku elutegevuse jääkproduktid, mida ei ole rakus enam vaja. Mõned eukarüootsed rakud on spetsialiseerunud eritama keemilisi aineid. Sel juhul kogutakse need aineid sekretoorsetesse vesiikulitessse, mida rakk eritab alles vastusena väliskeskkonna tugevale ärritusele. Näiteks kasutavad sekretoorseid vesiikuleid närvirakud, mis vastusena aksonist saadud signaalile vallandavad vesiikulite abil neurotransmittereid. Enamik transportvesiikuleid moodustub plasmamembraani spetsiaalsest osast, mis on kaetud valkudega. Pinotsütootilised vesiikulid moodustuvad plasmamembraani piirkonnas, mida nimetatakse kaetud lohuks (coated-pit). See piirkond sopistub ja moodustub nn kaetud vesiikul (coated vesicle). Kaetud vesiikuli eluiga on lühike: sekundite jooksul pärast lähtemembraani küljest vabanemist kaob talt kate ja ta on valmis ühinema endosoomiga. "Kattel" on kaks põhilist funktsiooni: koondab spetsiaalsed valgud, mis aitavad vesiikulil membraanist eralduda; vormib vesiikuli. Kirjeldatud on kolme eri tüüpi vesiikulite "katteid", mis määravad liikumise raja organellide vahel: Klatriin on proteiin, mis koosneb kolmest pikast ja kolmest lühikesest polüpeptiidahelast. Need ahelad moodustavad omakorda triskeletid, mis assambleeruvad heksagonaalsete võredena ümber vesiikuli. Vesiikulite moodustumisel mängivad tähtsat rolli retseptormolekulid, mis paiknevad klatriinkatte ja lipiidse membraani vahel. Retseptorid seovad klatriini membraani külge ja püüavad kinni transmembraansed valgud. Viimaste hulka kuuluvad ka spetsiifilised retseptormolekulid, millega ümbritsevas keskkonnas olev molekul kõigepealt seostub. Näiteks trans-Golgi membraanis paiknev mannoos-6-fosfaadi retseptor tunneb ära lüsosomaalsed ensüümid, mis pakitakse eraldi vesiikulisse ja saadetakse endosoomi. Cis-Golgis tunneb retseptor ära valgud, mis kannavad KDEL järjestust ning need saadetakse tagasi ER-i. Ajal, mil vesiikul kasvab, moodustavad valgud (näiteks dünamiin) ümber vesiikuli kaela (osa, mis on ühenduses lähtemembraaniga) rõnga, mis eemaldab vesiikuli membraani küljest. Dünamiin seostub teiste valkudega, mis moonutavad koos lipiide modifitseerivate ensüümidega plasmamembraani. Hetkel, mil vesiikul eemaldub lähtemembraanist, laguneb ka klatriinkest. Tsütoplasmas liigub korraga väga palju vesiikuleid. Seega püsib oht, et mõni neist võib liituda vale membraaniga enne, kui ta leiab õige. Kõik vesiikulid peavad olema spetsiifilised, et nad tunneksid ära õige membraani, millega liituda. See on tagatud vesiikuli pinnal olevate markeritega, mis tuvastavad neid vastavalt päritolule ja koostisele. Need markerid seonduvad konkreetsete retseptoritega sihtmembraanis. Kogu see protsess sõltub kahest valgutüübist: Rab-valkudest – vahendavad vesiikuli sihtmembraaniga ühinemist SNARE-valkudest – vahendavad vesiikuli liitumist sihtmembraaniga ja transporditava aine vabastamist Rab-valkude perekonda kuulub enam kui 60 liiget. Iga Rab-valk seondub ühe või enama organelli membraaniga ja igal organellil on tsütosoolipoolses alas vähemalt üks Rab-valk. Rab-valgud on GTP-st sõltuvad. GDPga seondunult on Rab-valgud inaktiivsed ja seostunud mõne teise valguga, mis hoiab Rab-valku tsütosoolis lahustatult. GTPga seondunult on Rab aga aktiivne ning tihedalt seondunud organelli või vesiikuli membraaniga. Aktiivses olekus Rab-valk seostub Rab-efektoriga, mis vahendab vesiikuli transporti, membraanide ühendumist ja liitumist. Üks Rab-valk võib seonduda mitme erineva efektoriga. Iga Rab-valk seondub konkreetse organelliga SNARE-valgud katalüüsivad vesiikuli liitumist membraaniga vesikulaarsel transpordil. Nad aitavad kaasa vesiikuli spetsiifilisusele, sest hoolitsevad selle eest, et konkreetne vesiikul liituks õige membraaniga. SNARE perekonda kuulub loomadel teadaolevalt vähemalt 35 liiki valke, millest igaüks seondub spetsiifilise organelliga. Transmembraansed SNARE-valgud on komplementaarsed – vSNAREd vesiikuli ja t-SNAREd organelli membraanis. vSNARE on üheahelaline polüpeptiid ja t-SNARE koosneb kahest või kolmest valgust. Nende kahe SNARE ühinemisel toimub peptiidahelate omavaheline keerdumine nii, et moodustub stabiilne neljaheeliksiline põimik. Membraanide liitumine ei toimu alati kohe pärast seda, kui vSNARE ja t-SNARE ühinevad, näiteks reguleeritud eksotsütoosi puhul käivitab liitumise spetsiifiline rakuväline signaal. Fosfolipiidse kaksikkihi liitumine toimub mitmes etapis. Tekib tugev paardumine vSNARE ja t-SNARE vahel, mis tõmbab membraanid lähestikku ning surub nende vahelt välja vee molekulid. Vesiikuli ja organelli membraanide esimene lipiidide kiht valgub omavahel kokku. Moodustub membraane ühendav sild. Lipiidse membraani teised kihid ühinevad omavahel. Vesiikuli ja organelli membraanid ühinevad. Rab-valk reguleerib t-SNARE kättesaadavust. t-SNARE-valgud on sihtmembraanis tihtipeale seondunud inhibiitoritega, mis peavad t-SNARE funktsioneerimiseks vabanema. Rab-valgud ja efektorid vahendavad selliste SNARE inhibiitorite vabanemist. Selleks, et vesiikul saaks ühineda mõne teise membraaniga, on vaja õigeid SNARE ja Rab-valke. Vesiikulite vahendatud ainete transport on kõrgelt organiseerunud ja kindla suunaga. Primaarne sekretoorne rada kulgeb ER-ist Golgi kompleksini ning seejärel raku pinnale, samas kui sekundaarne rada viib aga lüsosoomideni. Endotsüütiline rada kulgeb aga plasmamembraani pinnalt raku sisse. Mõlemal juhul on vesikulaarne transport tasakaalustatud vastassuunalise transpordiga, mis aitab tuua vesiikuli membraani ja selle koostises olevaid valke tagasi lähteorganelli membraani. Vesikulaartranspordil võib eristada kolme põhilist suunda: Konstitutiivne sekretoorne suund – valk, mis satub ER-i (membraani või valendikku), liigub läbi Golgi kompleksi ning jõuab raku välispinnale. Arvatakse, et see toimub ilma spetsiaalse signaalita. Kõik valgud, mis ER-i satuvad ja millel pole küljes signaaljärjestusi, mis neid mingis kompartmendis kinni hoiaksid, saadetakse automaatselt raku välismembraanile või rakust välja. Lüsosomaalne suund – lüsosoomi sattumiseks peavad vastavad valgud saama spetsiaalselt märgistatud. Mannoos-6-fosfaat on lüsosomaalsete ensüümide marker. Seda markerit kandvad valgud kallutatakse kõrvale sekretoorselt suunalt ja saadetakse läbi endosoomi lüsosoomi. Reguleeritud sekretoorne suund – on olemas spetsialiseeritud rakkudes, kus esineb nn kontrollitud eksotsütoos. Vastavatel valkudel peavad olema analoogsed signaaljärjestused mannoos-6-fosfaadiga, mis määrab ära nende saatmise trans-Golgi kompleksi sekretoorsetesse vesiikulitesse. Kõik ER-i membraani või selle valendikku sattunud valgud lõpetavad oma teekonna vastavalt kas raku välismembraanis või rakku ümbritsevas keskkonnas, juhul kui puuduvad signaaljärjestused, mis sunniksid valku kuskil peatuma või sellelt teelt kõrvale kalduma. Valkude sisenemist ER-i ja liikumist läbi Golgi kompleksi raku välispinnale transportvesiikulite abil nimetatakse klassikaliseks sekretoorseks rajaks. ER-i ja Golgi kompleksi valendikud on topoloogiliselt ekvivalentsed raku väliskeskkonnaga. Nad on omavahel pidevas ühenduses transportvesiikulite abil, mis punguvad ühest kompartmendist ja ühinevad järgmisega. Vesiikulite liikumine on täpselt organiseeritud, see toimub ER-ilt Golgi kompleksi suunas ja sealt raku välispinnale. Vaatamata sellele, et sekretoorse raja organellidest käib läbi pidev membraanikomponentide vool, peavad nad säilitama oma identsuse. Pinotsütoos Sikut, R. "Rakubioloogia loengute konspekt". Plasmamembraan. Vaadatud 08.10.2012. Sikut, R. "Rakubioloogia loengute konspekt". Eksotsütoos. Vaadatud 08.10.2012. Alberts, B et al. (2008); Molecular Biology of the Cell; Fifth Edition Rein Sikut. "Rakubioloogia loengute konspekt". Valgutransport. Vaadatud 08.10.2012.