Endotsütoos

Endotsütoos on väliskeskkonnast transportvesiikulite abil makromolekulaarsete komponentide omastamine. Makromolekulid seonduvad membraani või retseptoriga ja see põhjustab plasmamembraanist koosneva vesiikuli moodustumise ehk endosoomi, mis tagab transporditavate ainete jõudmise rakku. Makromolekulaarsed ained ei läbi passiivselt hüdrofoobset plasmamembraani ning peavad seetõttu kasutama endotsütoosi. Mõiste võttis kasutusele 1963. aastal Christian de Duve.^[1] Endotsütoosile vastupidine protsess on eksotsütoos.

Fagotsütoos esineb rakkudes, mis on spetsialiseerunud suuremate partiklite ja mikroorganismide fagotsüteerimisele ehk kahjutuks tegemisele. Imetajates on nendeks ühisest eellasest arenenud makrofaagid ehk suur-õgirakud ning neutrofiilid ehk vere valgelibled, mis suuri võõrkehi "alla neelates" moodustavad fagosoomi. Fagosoomiga interakteerudes moodustab lüsosoom fagolüsosoomi. Paljudele ainuraksetele loomadele on fagotsütoos ainus toitumisviis.^[1]

Pinotsütoos on lahustunud makromolekulide sissevõtmine väikeste vesiikulite abil. Pinotsütoos jaguneb kolmeks alatüübiks:

1. Retseptorseoseline selektiivne endotsütoos. Kõigepealt seondub makromolekul rakumembraanis paikneva retseptoriga ning seejärel retseptor-ligandi kompleks assimileeritakse endotsütoosi teel ning moodustub transportvesiikul. Sellel on kaks mehhanismi:
   1. Klatriinisõltuv endotsütoos. Selle mehhanismi puhul on retseptorid kogunenud plasmamembraani teatud piirkonda, mida nimetatakse kaetud lohuks (coated-pit). Kaetud vesiikuli (coated vesicle) moodustumisel osaleb valk dünamiin. Vesiikul kaetakse klatriiniga, et toimuks suunatud liikumine Golgi kompleksi ja endosoomide vahel. Kui vesiikul on ühinenud endosoomiga, siis saadetakse klatriin raku välismembraani tagasi.^[2] Seda tüüpi endotsütoosi kasutavad kõik eukarüootsed rakud, et omastada vajalikke toitaineid ja signaalmolekule. Samuti eemaldatakse selle mehhanismi abil väliskeskkonnast potentsiaalselt kahjulikke ühendeid. Näiteks sisenevad rakkudesse madala tihedusega lipoproteiinid (LDL), mis sisaldavad kolesterooli, transferriini jt. ühendeid. LDL retseptori puudumine põhjustab hüperlipideemiat, mis põhjustab kolesterooli kuhjumist organismis ning ateroskleroosi.^[1]
   2. Kaveoliinisõltuv endotsütoos. Kaveoliinid on valgud, mis vastutavad, et kaveoolide pealt toimuks seostumine kolesterooliga. Kaveoolid on suhteliselt stabiilsed 50–80 nm laiused raku membraani sissesopistused, mis on retseptoriteks spetsiifilistele molekulidele, näiteks kõrge tihedusega lipoproteiinidele (HDL). Imetajates ekspresseeritakse 3 erinevat kaveoliinivalku.^[1]
2. Kaveoliinist ja klatriinist sõltumatute vesiikulite teke. Järgmised endotsütoosi mehhanismid on kõige vähem kirjeldatud ning nende toimumise mehhanismid on veel paljuski ebaselged:
   1. CLIC/GEEC tüüpi endotsütoos. Kasutatakse CLIC (clathrin-independent carrier) ehk klatriinisõltumatu kandjate ja GEEC (GPI-anchored protein-enriched early endocytic compartment) ehk GPI-ankurdatud valgurikaste varajaste endotsütootiliste kompartmentide osa omavahelist koostööd. Seda tüüpi endotsütoosi vahendab GRAF-1 valk, mille abil sisenevad rakku bakteriaalsed eksotoksiinid, GPI-ga ankurdatud valgud ja muud ühendid.^[3][4][5]
   2. Flotilliinisõltuv endotsütoos. Flotilliinid moodustavad lipiidsete parvede sarnaseid piirkondi, sest nad asuvad kolesteroolirikastes regioonides. Sellist mehhanismi kasutati ka kaveoliinisõltuva endotsütoosi puhul.^[3]
3. Makropinotsütoos. Põhjustab struktuurseid muutusi raku membraanis, mille tagajärjel moodustuvad väljasopistused, mis on võimelised haarama lahustunud aineid. Lahustunud makromolekulid sisenevad rakku umbes 0,5–5 μm laiusega vesiikulite ehk makropinosoomide abil. Makropinotsütoos on mittespetsiifiline endotsütoos, mille puhul ligandi seondumine retseptorile pole vajalik.^[3]

Lüsosoom on membraaniga ümbritsetud hüdrolüütilisi reaktsioone teostav organell ning katalüüsimisele kuuluv aine saadakse endotsütoosi teel moodustunud vesiikulitest. Kõigepealt toimub väliskeskkonnast endotsütoosi teel vesiikuli moodustumine, mis ühineb varajase endosoomiga. Seal eemaldatakse spetsiifilised retseptorid, mis transporditakse tagasi plasmamembraani koostisse. Varajased endosoomid muutuvad aja möödudes hilisteks endosoomideks, kuhu transporditakse trans-Golgi kompleksist ka happelisi hüdrolüüse. Viimati nimetatud transpordiks on vajalik mannoos-6-fosfaat retseptor, mis eemaldub hilises endosoomis ning liigub hiljem tagasi Golgi kompleksi. Hilised endosoomid muutuvad lüsosoomideks, kus algab ainete degradeerimine ehk lahustumine. Endosoomide küpsemisel mängib rolli pH langus ehk hapestumine, mida reguleerivad ATP-sõltuvad prootonpumbad ja ioonkanalid. Varajastes endosoomides on pH umbes 6,2 ning hilistes endosoomides on pH umbes 5,5.^[1]

Eksotsütoos on transportvesiikulite abil sisekeskkonnast makromolekulaarsete komponentide omastamine ning nende ühinemine raku välismembraaniga.^[2]

1. Pidev ehk konstitutiivne tee. Transpordivesiikulid kannavad pidevalt membraanikomponente Golgi kompleksist välismembraani, kus toimub mittevajalike valkude eksotsüteerimine rakust välja. Eksotsütoosi teel toimub pidev plasmamembraani uuenemine.^[2]
2. Reguleeritud tee. Vajalikud on signaaljärjestused, mis määravad valkude jõudmise trans-Golgist sekretoorsetesse vesiikulitesse. Sekreteeritavad ained kogutakse sekretoorsetesse vesiikulitesse ning need ühinevad välismembraaniga pärast keskkonnast tulevat signaali, milleks võib olla hormoon või neurotransmitter. Signaali äratundmise tagajärjel tõuseb kaltsiumioonide kontsentratsioon ning seejärel aktiveerub reguleeritud eksotsütoos ^[2][6]. Selline rada esineb neis rakkudes, mis on spetsialiseerunud oma toodangu kiirele eritamisele.

Mõned näited reguleeritud endotsütoosist:

• Rakkudevahelise suhtluse tagab eksotsütoos, mis on oluline immuunsüsteemis olevatele T-rakkudele. T-rakud ehk tappurrakud on võimelised identifitseerima organismile võõraid objekte, näiteks viirusi. T-rakud eritavad tsütokiine, mis aktiveerivad omakorda teisi tappurrakke ning takistavad rakus viiruste paljunemist raku apoptoosiga ehk raku programmeeritud surmaga. T-rakud liiguvad nakatunud rakule väga lähedale ning signaali toimel vabaneb T-rakkudest perforiinproteiin, mis kaltsiumioonide toimel kinnitub sihtraku plasmamembraanile. Selle tulemusena läheb rakk apoptoosi.^[7]
• Neuron ehk närvirakk on kohastunud närviimpulsside edasikandmiseks.^[7] Teiste rakkudega on ta ühenduses signaalainete kaudu. Neuroni aksoni terminaalis olevatest sünaptilistest vesiikulitest sekreteeritakse neurotransmittereid, mis kannavad närviimpulsi edasi postsünaptilisele rakule.^[2]

Raku ruumala ja pindala on konstantsed ehk püsivad, seega endotsütoosi ja eksotsütoosi omavaheline tasakaal peab olema stabiilne, et tagada võimalikult püsiv rakusisene keskkond. Iga vesiikul on määratud ühinema ainult kindla membraaniga. Tulemuseks on makromolekulide suunatud liikumine raku sise- ja väliskeskkonna vahel ^[2]. Transportvesiikulite teket katalüüsivad spetsiifilised kattevalgud ^[8]. Katetena kasutatakse sihtkoha-spetsiifilisi valke:

• Klatriin. Klatriiniga kaetud vesiikulid liiguvad plasmamembraani ja endosoomide vahel, samuti trans-Golgi retiikulumi ja endosoomide vahel. See mehhanism ei vaja ATP-d.^[1]
• COP valgud. Nende moodustatud katte tekkeks on vaja lisaenergiat, mis saadakse ATP hüdrolüüsi käigus. Sõltuvalt sihtmembraanist jaotatakse COP valgud järgnevalt kaheks:
  • COP I – transpordib vesiikuleid cis-Golgi kompleksist endoplasmaatilisse retiikulumi.
  • COP II – transpordib vesiikuleid endoplasmaatilisest retiikulumist cis-Golgi kompleksi.^[1]

Et transportvesiikulid tunneksid ära õige sihtmembraani, osalevad protsessis SNARE-valgud. SNARE-valgud on transmembraansed valgud, mis jagunevad vastavalt kaheks, kas valk asub vesiikulil (vSNARE) või sihtmembraanil (tSNARE). Vesiikuli ühinemine sihtmembraaniga ei toimu iseeneslikult, vajalikud on Rab perekonna GTP siduvad valgud.^[1]

• Vesiikul (bioloogia)
• Peptiidid
• Eksotsütoos