Разграничение и транспорт метаболитов

Благодаря разграничению с окружающей средой клетка сохраняет своя свою индивидуальность, благодаря транспорту клетка может жить и функционировать. Обе эти функции являются взаимоисключающими и взаимодополняющими друг друга и оба процесса направлены на поддержку постоянства характеристик внутренней среды - гомеостаза клетки.

Транспорт из внешней среды внутрь клетки может быть активным и пассивным.

·Путем активного транспорта осуществляется перенос многих органических соединений против градиента плотности с затратой энергии за счет расщепления АТФ, с участием ферментных транспортных систем.

·Пассивный транспорт осуществляется путем диффузии и обеспечивает перенос воды, ионов, некоторых низкомолекулярных соединений.

Транспорт веществ из внешней среды внутрь клетки называется эндоцитозом , процесс выведения веществ из клетки носит название экзоцитоза .

Эндоцитоз делят на фагоцитоз и пиноцитоз.

Фагоцитоз - это захват и поглощение клеткой крупных частиц (бактерий, фрагментов других клеток).

Пиноцитоз - это захват микромолекулярных соединений, которые находятся в растворенном состоянии (жидкостей).

·Эндоцитоз протекает в несколько следующих друг за другом этапов:

1) Сорбция - поверхностью мембраны поглощаемых веществ, связывание которых с плазмолеммой определяется наличием на ее поверхность рецепторных молекул.

2) Образование впячиваний плазмолеммы внутрь клетки . Вначале впячивания имеют вид незамкнутых округлых пузырьков или глубоких инвагинаций.

3) Отшнуровывание впячиваний от плазмолеммы . Отделившиеся пузырьки свободно размещаются в цитоплазме под плазмолеммой. Пузырьки могут сливаться друг с другом.

4) Расщепление поглощенных частиц при помощи гидролитических ферментов, поступающих из лизосом.

Иногда встречается и такой вариант, когда частичка поглощается одной поверхностью клетки и в окружение биомембраны проходит через цитоплазму и выводится из клетки без изменений на противоположной поверхности клетки. Такое явление называется цитопемписом .

Экзоцитоз - это выведение продуктов жизнедеятельности клетки за пределы цитоплазмы.

Существует несколько разновидностей экзоцитоза:

1) секреция;

2) экскреция;

3) рекреция;

4) клазматоз.

Секреция - выделение клеткой продуктов ее синтетической деятельности, необходимых для обеспечения физиологических функций органов и систем организма.

Экскреция - выделение токсических продуктов метаболизма, которые подлежат выведению за пределы организма.

Рекреция - удаление из клетки соединений, которые не меняют своей химической структуры в процессе внутриклеточного метаболизма (вода, минеральные соли).

Клазматоз - удаление за пределы клетки отдельных ее структурных компонентов.

·Экзоцитоз состоит из ряда последовательных стадий:

1) накопление продуктов синтетической деятельности клетки в виде окруженных биомембранной скоплений в составе мешочков и пузырьков комплекса Гольджи;

2) перемещение этих скоплений из центральных участков цитоплазмы к периферии;

3) включение биомембраны мешочка в плазмолемму;

4) эвакуация содержимого мешочка в межклеточное пространство.

Рецепция

Восприятие (рецепция) клеткой различных раздражителей микроокружения осуществляется при участии специальных рецепторных белков плазмолеммы. Специфичность (избирательность) взаимодействия белка рецептора с определенным раздражителем определяется углеводным компонентом, который входит в состав этого белка. Передача полученного сигнала на рецептор внутрь клетки может осуществляется через аденилатциклазную систему, которая является одним из ее путей.

Необходимо отметить, что сложные процессы рецепции являются основой взаимоузнавания клеток и в связи с этим являются кардинально необходимым условием существования многоклеточных организмов.

Межклеточные контакты (соединения)

Соединение между клетками в составе тканей и органов многоклеточных животных организмов образуется сложными специальными структурами, которые называются межклеточныеконтакты.

Структурированные межклеточные контакты особенно выражены в покровных пограничных тканях, в эпителиях.

Все межклеточные контакты по их функциональному назначению делят на три группы:

1) контакты межклеточного сцепления (адгезивные);

2) изолирующие;

3) коммуникационные.

~К первой группе относятся: а) простой контакт, б) контакт по типу замка, в) десмосома.

·Простой контакт - это сближение плазмолеммы соседних клеток на расстоянии 15-20 нм. Со стороны цитоплазмы к этой зоне мембраны не примыкают никакие специальные структуры. Разновидностью простого контакта является интердигитации.

·Контакт по типу замка - это выпячивание поверхности плазмолеммы одной клетки в инвагинат (впячивание) другой. Роль плотного замыкающего соединения заключается в механическом соединении клеток друг с другом. Такой тип межклеточных соединений характерен для многих эпителиев где он соединяет клетки в единый пласт, способствуя их механическому скреплению друг с другом.

Межмембранное (межклеточное) пространство и цитоплазма в зоне «замков» имеют те же характерные что и в зонах простого контакта с расстоянием 10-20 нм.

·Десмосома представляет собой небольшую площадку диаметром до 0,5 мкм, где между мембранами располагается область с высокой электронной плотностью, иногда имеющая слоистый вид. К плазматической мембране в области десмосомы со стороны цитоплазмы прилегает участок электронно-плотного вещества так, что внутренний слой мембраны кажется утолщенным. Под утолщением находится область тонких фибрилл, которые могут быть погружены в относительно плотный матрикс. Эти фибриллы часто образуют петли и возвращаются в цитоплазму. Более тонкие филаменты, берущие начало от плотных пластинок в примембранной цитоплазме, проходят в межклеточное пространство, где образуют центральный плотный слой. Эти «межмембранные связки» обеспечивают прямое механическое соединение между сетями тонофилламентов соседних эпителиальных или других клеток.

~Ко второй группе относится:

а) плотный контакт.

·Плотный (замыкающий) контакт - это зона, где внешние слои двух плазмолемм максимально сближены. Часто видна трехслойность мембраны в этом контакте: два внешних осмиофильных слоя обеих мембран как бы сливаются в один общий слой толщиной 2-3 нм. Слияние мембран происходит не по всей площади плотного контакта, а представляет собой ряд точечных сближений мембран. Установлено, что точки соприкосновения мембран представляют собой глобулы специальных интегральных белков, выстроенных рядами. Эти ряды глобул могут пересекаться, так, что образуют как бы решетку или сеть. Со стороны цитоплазмы в этой зоне встречаются многочисленные фибриллы диаметром 7 нм, которые располагаются параллельно плазмолемме. Область контакта непроницаема для макромолекул и ионов, и тем самым запирает, перегораживает межклеточные полости, изолируя их от внешней среды. Эта структура характерна для эпителиев, особенно для желудочных или кишечных.

~К третей группе относится:

а) щелевой контакт (нексус).

·Щелевые контакты - это коммуникационные соединения клеток посредством специальных белковых комплексов - коннексонов , которые участвуют в прямой передаче химических веществ из клетки в клетку.

Зона такого соединения имеет размеры 0,5-3 мкм и расстояние между плазмолеммами на этом участке составляет 2-3 нм. В зоне этого контакта гексагонально расположены частички - коннексоны с диаметром 7-8 нм и каналом в центре шириной 1,5 нм. Коннексон состоит из шести субьединиц белка коннектина. Коннексоны вмонтированы в мембрану таким образом, что пронизывают ее насквозь, совпадая на плазмолеммах двух соседних клеток, они замыкаются конец в конец. Вследствие этого устанавливается непосредственная химическая связь между цитоплазмами клеток. Этот тип контактов характерен для всех видов тканей.

Крупные молекулы биополимеров практически не транспортируются через мембраны, и все же они могут попадать внутрь клетки в результате эндоцитоза . Его разделяют на фагоцитоз и пиноцитоз . Эти процессы связаны с активной деятельностью и подвижностью цитоплазмы. Фагоцитоз - захват и поглощение клеткой крупных частиц (иногда даже целых клеток и их частей). Фагоцитоз и пиноцитоз протекают очень сходно, поэтому эти понятия отражают лишь различие в объемах поглощенных веществ. Общее для них то, что поглощенные вещества на поверхности клетки окружаются мембраной в виде вакуоли, которая перемещается внутрь клетки (или фагоцитозный, или пиноцитозный пузырек,. Названные процессы связаны с затратой энергии; прекращение синтеза АТФ полностью их тормозит. На поверхности эпителиальных клеток, выстилающих, например, стенки кишечника, видны многочисленные микроворсинки , значительно увеличивающие поверхность, через которую происходит всасывание. Плазматическая мембрана принимает участие и в выведении веществ из клетки, это происходит в процессе экзоцитоза . Так выводятся гормоны, полисахариды, белки, жировые капли и другие продукты клетки. Они заключаются в пузырьки, ограниченные мембраной, и подходят к плазмалемме. Обе мембраны сливаются, и содержимое пузырька выводится в среду, окружающую клетку.

Клетки способны также поглощать макромолекулы и частицы, используя сходный с экзоцитозом механизм, но в обратной последовательности. Поглощенное вещество постепенно окружается небольшим участком плазматической мембраны , который сначала впячивается, а затем отщепляется, образуя внутриклеточный пузырек , содержащий захваченный клеткой материал. Такой процесс образования внутриклеточных пузырьков вокруг поглощенного клеткой материала называется эндоцитозом.

В зависимости от размера образующихся пузырьков различают два типа эндоцитоза:

1) Пиноцитоз - поглощение жидкости и растворенных веществ с помощью небольших пузырьков, и

2) фагоцитоз - поглощение больших частиц, таких, как микроорганизмы или обломки клеток. В этом случае образуются крупные пузырьки, называемые вакуолями и поглощение корпускулярного материала: бактерий, крупных вирусов, отмирающих собственных клеток организма или чужеродных клеток, таких, например, как эритроциты различных видов осуществляется клетками ( макрофагами ,нейтрофилами )

Жидкость и растворенные вещества непрерывно поглощаются большинством клеток посредством пиноцитоза, тогда как большие частицы поглощаются главным образом специализированными клетками - фагоцитами . Поэтому термины "пиноцитоз" и "эндоцитоз" обычно употребляются в одном и том же смысле.

Пиноцитоз характеризуется поглощением и внутриклеточным разрушением макромолекулярных соединений, таких как белки и белковые комплексы, нуклеиновые кислоты, полисахариды, липопротеины. Объектом пиноцитоза как фактора неспецифической иммунной защиты являются, в частности, токсины микроорганизмов. Адгезия веществ на клеточной поверхности приводит к локальной инвагинации (впячиванию) мембраны, завершающейся образованием пиноцитарного пузырька очень небольшого размера (приблизительно 0,1 микрона). Несколько слившихся пузырьков формируют более крупное образование - пиносому . На следующем этапе пиносомы сливаются с лизосомами , содержащими гидролитические ферменты, которые разрушают полимерные молекулы до мономеров. В тех случаях, когда процесс пиноцитоза реализуется через рецепторный аппарат, в пиносомах до слияния с лизосомами наблюдается отсоединение захваченных молекул от рецепторов, которые в составе дочерних пузырьков возвращаются на клеточную поверхность.

Часть 3. Трансмембранное перемещение макромолекул

Через плазматическую мембрану способны транспортироваться макромолекулы. Процесс, с помощью которого клетки захватывают крупные молекулы, называется эндоцитозом . Некоторые из этих молекул (например, полисахариды, белки и полинуклеотиды) служат источником питательных веществ. Эндоцитоз позволяет также регулировать содержание определенных мембранных компонентов, в частности рецепторов гормонов. Эндоцитоз можно использовать для более детального изучения клеточных функций. Клетки одного типа можно трансформировать с помощью ДНК другого типа и, таким образом, изменить характер их функционирования или фенотип.

В таких экспериментах часто используют специфические гены, что предоставляет уникальную возможность изучать механизмы их регуляции. Трансформация клеток с помощью ДНК осуществляется путем эндоцитоза – именно таким способом ДНК поступает в клетку. Трансформацию обычно проводят в присутствии фосфата кальция, поскольку Са 2+ стимулирует эндоцитоз и осаждение ДНК, что облегчает ее проникновение в клетку с помощью эндоцитоза.

Из клетки макромолекулы выходят путем экзоцитоза . Как при эндоцитозе, так и при экзоцитозе образуются везикулы, сливающиеся с плазматической мембраной или отшнуровывающиеся от нее.

3.1. Эндоцитоз: виды эндоцитоза и механизм

У всех эукариотических клеток часть плазматической мембраны постоянно оказывается внутри цитоплазмы . Это происходит в результате инвагинации фрагмента плазматической мембраны, образования эндоцитозной везикулы , замыкания шейки везикулы и отшнуровывания ее в цитоплазму вместе с содержимым (рис. 18). Впоследствии везикулы могут сливаться с другими мембранными структурами и, таким образом, переносить свое содержимое в другие клеточные компартменты или даже обратно, во внеклеточное пространство. Большинство эндоцитозных везикул сливаются с первичными лизосомами и образуют вторичные лизосомы , которые содержат гидролитические ферменты и являются специализированными органеллами. Макромолекулы перевариваются в них до аминокислот, простых сахаров и нуклеотидов, которые диффундируют из везикул и утилизуются в цитоплазме.

Для эндоцитоза необходимы:

1) энергия, источником которой обычно служит АТФ ;

2) внеклеточный Са 2+ ;

3) сократительные элементы в клетке (вероятно, системы микрофиламентов).

Эндоцитоз можно подразделить три основных типа :

1. Фагоцитоз осуществляется только с участием специализированных клеток (рис. 19), таких, как макрофаги и гранулоциты. При фагоцитозе происходит поглощение крупных частиц – вирусов, бактерий, клеток или их обломков. Макрофаги исключительно активны в этом отношении и могут включать в себя объем, составляющий 25% собственного объема, за 1 ч. При этом происходит интернализация 3% их плазматической мембраны каждую минуту, или целой мембраны каждые 30 минут.

2. Пиноцитоз присущ всем клеткам. С его помощью клетка поглощает жидкости и растворенные в ней компоненты (рис. 20). Жидкофазный пиноцитоз – это неизбирательный процесс , при котором количество растворенного вещества, поглощаемого в составе везикул, просто пропорционально его концентрации во внеклеточной жидкости. Такие везикулы образуются исключительно активно. Например, у фибробластов скорость интернализации плазматической мембраны составляет 1/3 скорости, характерной для макрофагов. В этом случае мембрана расходуется быстрее, чем синтезируется. В то же время площадь поверхности и объем клетки сильно не меняются, что указывает на восстановление мембраны за счет экзоцитоза или за счет повторного ее включения с той же скоростью, с какой она расходуется.

3. Рецепторно-опосредованный эндоцитоз (обратный захват нейромедиатора) – эндоцитоз, при котором мембранные рецепторы связываются с молекулами поглощаемого вещества, или молекулами, находящимися на поверхности фагоцитируемого объекта – лигандами (от лат. ligare – связывать (рис. 21)) . В дальнейшем (после поглощения вещества или объекта) комплекс рецептор-лиганд расщепляется, и рецепторы могут вновь вернуться в плазмолемму.

Один из примеров рецепторно-опосредованный эндоцитоза может служить фагоцитоз бактерии лейкоцитом. Так как на плазмолемме лейкоцита имеются рецепторы к иммуноглобулинам (антителам), то скорость фагоцитоза возрастает, если поверхность клеточной стенки бактерии покрыта антителами (опсонинами – от греч. opson – приправа ).

Рецептор-опосредованный эндоцитоз – активный специфический процесс, при котором клеточная мембрана выпучивается внутрь клетки, формируя окаймлённые ямки . Внутриклеточная сторона окаймлённой ямки содержит набор адаптивных белков (адаптин, клатрин, обуславливающий необходимую кривизну выпучивания и др. белки) (рис. 22). При связывании лиганда из окружающей клетку среды окаймлённые ямки формируют внутриклеточные везикулы (окаймлённые пузырьки). Рецептор-опосредованный эндоцитоз включается для быстрого и контролируемого поглощения клеткой соответствующего лиганда. Эти пузырьки быстро теряют свою кайму и сливаются между собой, образуя более крупные пузырьки – эндосомы.

Клатрин – внутриклеточный белок, основной компонент оболочки окаймлённых пузырьков, образующихся при рецепторном эндоцитозе (рис. 23).

Три молекулы клатрина ассоциированы друг с другом на C-терминальном конце таким образом, что тример клатрина имеет форму трискелиона. В результате полимеризации клатрин формирует замкнутую трёхмерную сеть, напоминающую футбольный мяч. Размер клатриновых везикул – около 100 нм.

Окаймленные ямки могут занимать до 2% поверхности некоторых клеток. Эндоцитозные везикулы, содержащие липопротеины низкой плотности (ЛНП) и их рецепторы, сливаются в клетке с лизосомами. Рецепторы освобождаются и возвращаются на поверхность клеточной мембраны, а апопротеин ЛНП расщепляется и соответствующий эфир холестерола метаболизируется. Синтез рецепторов ЛНП регулируется вторичными или третичными продуктами пиноцитоза, т.е. веществами, образующимися при метаболизме ЛНП, например холестеролом.

3.2. Экзоцитоз: кальций-зависимый и кальций-независимый.

Большинство клеток высвобождают макромолекулы во внешнюю среду путем экзоцитоза . Этот процесс играет роль и в обновлении мембраны , когда ее компоненты, синтезированные в аппарате Гольджи, доставляются в составе везикул к плазматической мембране (рис. 24).

Рис. 24. Сравнение механизмов эндоцитоза и экзоцитоза.

Между экзо- и эндоцтозом кроме разницы в направлении передвижения веществ, существует еще одно значительное различие: при экзоцитозе происходит слияние двух внутренних находящихся со стороны цитоплазмы монослоев , тогда как при эндоциозе сливаются внешние монослои.

Вещества, высвобождаемые путем экзоцитоза , можно разделить на три категории :

1) вещества, связывающиеся с клеточной поверхностью и становящиеся периферическими белками, например антигены;

2) вещества, включающиеся во внеклеточный матрикс , например коллаген и глюкозаминогликаны;

3) вещества, выходящие во внеклеточную среду и служащие сигнальными молекулами для других клеток.

У эукариот различают два типа экзоцитоза :

1. Кальций-независимый конститутивный экзоцитоз встречается практически во всех эукариотических клетках. Это необходимый процесс для построения внеклеточного матрикса и доставки белков на внешнюю клеточную мембрану . При этом секреторные везикулы доставляются к поверхности клетки и сливаются с наружной мембраной по мере их образования.

2. Кальций-зависимый неконститутивный экзоцитоз встречается, например, в химических синапсах или клетках, вырабатывающих макромолекулярные гормоны . Этот экзоцитоз служит, например, для выделения нейромедиаторов . При этом типе экзоцитоза секреторные пузырьки накапливаются в клетке, а процесс их высвобождения запускается по определённому сигналу , опосредованному быстрым повышением концентрации ионов кальция в цитозоле клетки. В пресинаптических мембранах процесс осуществляется специальным кальций-зависимым белковым комплексом SNARE.

1. Существование клеток открыл Гук 2. Существование одноклеточных организмов открыл Левенгук

4. Клетки, содержащие ядро, называются эукариоты

5. К структурным компонентам эукариотической клетки относятся ядро, рибосомы, пластиды, митохондрии, комплекс гольджи, эндоплазматический ретикулум

6. Внутриклеточная структура, в которой хранится основная наследственная информация, называется ядро

7. Ядро состоит из ядерного матрикса и 2х мембран

8. Число ядер в одной клетке обычно равно 1

9. Компактная внутриядерная структура называется хроматин

10. Биологическая мембрана, покрывающая всю клетку, называется цитоплазматическая мембрана

11. Основу всех биологических мембран составляет полисахариды

12. В состав биологических мембран обязательно входят белки

13. Тонкий слой углеводов на внешней поверхности плазмалеммы называется гликокаликс

14. Основным свойством биологических мембран является их выборочная проницаемость

15. Клетки растений защищены оболочкой, которая состоит из целлюлозы

16. Поглощение клеткой крупных частиц называется фагоцитоз

17. Поглощение клеткой капель жидкости называется пиноцитоз

18. Часть живой клетки без плазматической мембраны и ядра называется цитоплазма 19. В состав цитоплазмы входят протопласт и ядро

20. Основное вещество цитоплазмы, растворимое в воде, называется глюкоза

21. Часть цитоплазмы, представленная опорно-сократимыми структурами (комплексами), называется вакуоли

22. Внутриклеточные структуры, которые не являются ее обязательными компонентами, называются включения

23. Немембранные органоиды, обеспечивающие биосинтез белков с генетически обусловленной структурой, называются рибосомы

24. Целостная рибосома состоит из 2х субъедениц

25. В состав рибосомы входят … .

26. Главная функция рибосом – это синтез белков

27. Комплексы из одной молекулы иРНК (мРНК) и связанных с ней десятков рибосом называются … .

28. Основу клеточного центра составляют микротрубочки

29. Одиночная центриоль представляет собой … .

30. К органоидам движения относятся жгутики, реснички

31. Система цистерн и трубочек, связанных между собой в единое внутриклеточное пространство, отграниченное от остальной части цитоплазмы замкнутой внутриклеточной мембраной, называется ЭПС

32. Основной функцией ЭПС является синтез органических в-в.

33. На поверхности шероховатой ЭПС расположены рибосомы

34. Часть эндоплазматической сети, на поверхности которой расположены рибосомы, называется шероховатой ЭПС
35. Главной функцией гранулярного ЭПР является синтез белков

36. Часть эндоплазматической сети, на поверхности которой отсутствуют рибосомы, называется гладкая эпс

37. В полости агранулярного ЭПР происходит синтез сахаров и липидов

38. Система уплощенных одномембранных цистерн называется комплекс Гольджи

39. Накопление веществ, их модификация и сортировка, упаковка конечных продуктов в одномембранные пузырьки, выведение секреторных вакуолей за пределы клетки и формирование первичных лизосом – это функции комплекса Гольджи

40. Одномембранные пузырьки, содержащие гидролитические ферменты, называются комплекс Гольджилизосомы

41. Заполненные жидкостью крупные одномембранные полости называются вакуоли

42. Содержимое вакуолей называется клеточный сок

43. К двумембранным органоидам (в состав которых входят внешняя и внутренняя мембраны) относятся пластиды и митохондрии

44. Органоиды, которые содержат собственные ДНК, все типы РНК, рибосомы и способны синтезировать некоторые белки, – это пластиды и митохондрии
45. Главная функция митохондрий это получение энергии в процессе клеточного дыхания

46. Главное вещество, которое является источником энергии в клетке, – это АТФ

Макромолекулы такие как белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, липопротеидные комплексы и другие сквозь клеточные мембраны не проходят, в противовес тому как транспортируются ионы и мономеры. Транспорт микромолекул, их комплексов, частиц внутрь клетки и из нее происходит совершенно иным путем - посредством везикулярного переноса. Этот термин означает, что различные макромолекулы, биополимеры, или их комплексы, не могут попадать в клетку сквозь плазматическую мембрану. И не только сквозь нее: любые клеточные мембраны не способны к трансмембранному переносу биополимеров, за исключением мембран, имеющих особые белковые комплексные переносчики - порины (мембраны митохондрий, пластид, пероксисом). В клетку же или из одного мембранного компартмента в другой макромолекулы попадают заключенными внутри вакуолей или везикул. Такой везикулярный перенос можно разделить на два вида: экзоцитоз - вынос из клетки макромолекулярных продуктов, и эндоцитоз - поглощение клеткой макромолекул (рис. 133).

При эндоцитозе определенный участок плазмалеммы захватывает, как бы обволакивает внеклеточный материал, заключает его в мембранную вакуоль, возникшую за счет впячивания плазматической мембраны. В такую первичную вакуоль, или в эндосому , могут попадать любые биополимеры, макромолекулярные комплексы, части клеток или даже целые клетки, где затем и распадаются, деполимеризуются до мономеров, которые путем трансмембранного переноса попадают в гиалоплазму. Основное биологическое значение эндоцитоза - это получение строительных блоков за счет внутриклеточного переваривания , которое осуществляется на втором этапе эндоцитоза после слияния первичной эндосомы с лизосомой, вакуолью, содержащей набор гидролитических ферментов (см. ниже).

Эндоцитоз формально разделяют на пиноцитоз и фагоцитоз (рис. 134). Фагоцитоз - захват и поглощение клеткой крупных частиц (иногда даже клеток или их частей) - был впервые описан И,И, Мечниковым. Фагоцитоз, способность захватывать клеткой крупные частицы, встречается среди клеток животных, как одноклеточных (например, амебы, некоторые хищные инфузории), так и для специализированных клеток многоклеточных животных. Специализированные клетки, фагоциты характерны как для беспозвоночных животных (амебоциты крови или полостной жидкости), так и для позвоночных (нейтрофилы и макрофаги). Пиноцитоз вначале определялся как поглощение клеткой воды или водных растворов разных веществ. Сейчас известно, что как фагоцитоз так и пиноцитоз протекают очень сходно, и поэтому употребление этих терминов может отражать лишь различия в объемах, массе поглощенных веществ. Общее для этих процессов то, что поглощенные вещества на поверхности плазматической мембраны окружаются мембраной в виде вакуоли - эндосомы, которая перемещается внутрь клетки.

Эндоцитоз, включая пиноцитоз и фагоцитоз, может быть неспецифическим или конститутивным, постоянным и специфическим, опосредуемым рецепторами (рецепторным). Неспецифический эндоцито з (пиноцитоз и фагоцитоз), так называется потому, что он протекает как бы автоматически и часто может приводить к захвату и поглощению совершенно чуждых или безразличных для клетки веществ, например, частичек сажи или красителей.

Неспецифический эндоцитоз часто сопровождается первоначальной сорбцией захватывающего материала гликокаликсом плазмолеммы. Гликокаликс из-за кислых групп своих полисахаридов имеет отрицательный заряд и хорошо связывается с различными положительно заряженными группами белков. При таком адсорбционном неспецифическом эндоцитозе поглощаются макромолекулы и мелкие частицы (кислые белки, ферритин, антитела, вирионы, коллоидные частицы). Жидкофазный пиноцитоз приводит к поглощению вместе с жидкой средой растворимых молекул, которые не связываются с плазмолеммой.

На следующем этапе происходит изменение морфологии клеточной поверхности: это или возникновение небольших впячиваний плазматической мембраны, инвагинации, или же это появление на поверхности клетки выростов, складок или “оборок” (рафл - по-английски), которые как бы захлестываются, складываются, отделяя небольшие объемы жидкой среды (рис. 135, 136). Первый тип возникновения пиноцитозного пузырька, пиносомы, характерен для клеток кишечного эпителия, эндотелия, для амеб, второй - для фагоцитов и фибробластов. Эти процессы зависят от поступления энергии: ингибиторы дыхания блокируют эти процессы.

Вслед за такой перестройкой поверхности следует и процесс слипания и слияния контактирующих мембран, который приводит к образованию пеницитозного пузырька (пиносома), отрывающегося от клеточной поверхности и уходящего вглубь цитоплазмы. Как неспецифический так и рецепторный эндоцитоз, приводящий к отщеплению мембранных пузырьков, происходит в специализированных участках плазматической мембраны. Это так называемые окаймленные ямки . Они называются так потому, что со стороны цитоплазмы плазматическая мембрана покрыта, одета, тонким (около 20 нм) волокнистым слоем, который на ультратонких срезах как бы окаймляет, покрывает небольшие впячивания, ямки (рис. 137). Эти ямки есть почти у всех клеток животных, они занимают около 2% клеточной поверхности. Окаймляющий слой состоит в основном из белка клатрина , ассоциированного с рядом дополнительных белков. Три молекулы клатрина вместе с тремя молекулами низкомолекулярного белка образуют структуру трискелиона, напоминающего трехлучевую свастику (рис. 138). Клатриновый трискелионы на внутренней поверхности ямок плазматической мембраны образуют рыхлую сеть, состоящую из пяти- и шестиугольников, в целом напоминающую корзинку. Клатриновый слой одевает весь периметр отделяющихся первичных эндоцитозных вакуолей, окаймленных пузырьков.

Клатрин относится к одному из видов т.н. “одевающих” белков (COP - coated proteins). Эти белки связываются с интегральными белками-рецепторами со стороны цитоплазмы и образуют одевающий слой по периметру возникающей пиносомы, первичного эндосомного пузырька - “окаймленного” пузырька. в отделении первичной эндосомы участвуют также белки - динамины, которые полимеризуются вокруг шейки отделяющегося пузырька (рис. 139).

После того как окаймленный пузырек отделится о плазмолеммы и начнет переноситься вглубь цитоплазмы клатриновый слой распадается, диссоциирует, мембрана эндосом (пиносом) приобретает обычный вид. После потери клатринового слоя эндосомы начинают сливаться друг с другом.

Было найдено, что мембраны окаймленных ямок содержат сравнительно мало холестерина, что может определять снижение жесткости мембран и способствовать образованию пузырьков. Биологический смысл появления клатриновой “шубы” по периферии пузырьков, возможно, заключается в том, что он обеспечивает сцепление окаймленных пузырьков с элементами цитоскелета и последующий их транспорт в клетке, и препятствует их слиянию друг с другом.

Интенсивность жидкофазного неспецифического пиноцитоза может быть очень высокой. Так клетка эпителия тонкого кишечника образует до 1000 пиносом в секунду, а макрофаги образуют около 125 пиносом в минуту. Размер пиносом невелик, их нижний предел составляет 60-130 нм, но обилие их приводит к тому, что при эндоцитозе плазмолемма быстро замещается, как бы “тратится” на образование множества мелких вакуолей. Так у макрофагов вся плазматическая мембрана заменяется за 30 минут, у фибробластов - за два часа.

Дальнейшая судьба эндосом может быть различной, часть из них может возвращаться к поверхности клетки и сливаться с ней, но большая часть вступает в процесс внутриклеточного пищеварения. Первичные эндосомы содержат в основном захваченные в жидкой среде чужеродные молекулы и не содержат гидролитических ферментов. эндосомы могут сливаться друг с другом при этом увеличиваясь в размере. Они затем сливаются с первичными лизосомами (см. ниже), которые вводят в полость эндосом ферменты, гидролизующие различные биополимеры. Действие этих лизосомных гидролаз и вызывает внутриклеточное пищеварение - распад полимеров до мономеров.

Как уже указывалось, в ходе фагоцитоза и пиноцитоза клетки теряют большую площадь плазмолеммы (см. макрофаги), которая однако довольно быстро восстанавливается при рециклизации мембран, за счет возвращения вакуолей и их встраивания в плазмолемму. Это происходит вследствие того, что от эндосом или вакуолей, так же как и от лизосом могут отделяться небольшие пузырьки, которые вновь сливаются с плазмолеммой. При такой рециклизации происходит как бы “челночный” перенос мембран: плазмолемма - пиносома - вакуоль - плазмолемма. Это ведет к восстановлению исходной площади плазматической мембраны. Найдено, что при таком возврате, рециклизации мембран, в оставшейся эндосоме удерживается весь поглощенный материал.

Специфический или опосредуемый рецепторами эндоцитоз имеет ряд отличий от неспецифического. Главное в том, что поглощаются молекулы, для которых на плазматической мембране есть специфические рецепторы, ассоциирующиеся только с данным типом молекул. Часто такие молекулы, связывающиеся с белками-рецепторами на поверхности клеток, называют лигандами .

Впервые опосредуемый рецепторами эндоцитоз был описан при накоплении белков в ооцитах птиц. Белки желточных гранул, вителлогенины, синтезируются в различных тканях, но затем с током крови попадают в яичники, где связываются со специальными мембранными рецепторами ооцитов и затем с помощью эндоцитоза попадают внутрь клетки, где и происходит отложение желточных гранул.

Другой пример избирательного эндоцитоза представляет собой транспорт в клетку холестерина. Этот липид синтезируется в печени и в комплексе с другими фосфолипидами и белковой молекулой образует т.н. липопротеид низкой плотности (ЛНП), который секретируется клетками печени и кровеносной системой разносится по всему телу (рис. 140). Специальные рецепторы плазматической мембраны, диффузно расположенные на поверхности различных клеток, узнают белковый компонент ЛНП, и образуют специфический комплекс рецептор-лиганд. Вслед за этим такой комплекс перемещается в зону окаймленных ямок и интернализуется - окружается мембраной и погружается вглубь цитоплазмы. Показано, что мутантные рецепторы могут связывать ЛНП, но не аккумулируются в зоне окаймленные ямок. Кроме рецепторов к ЛНП обнаружено более двух десятков других, участвующих в рецепторном эндоцитозе различных веществ, все они используют один и тот же путь интернализации через окаймленные ямки. Вероятно, их роль заключается в накапливании рецепторов: одна и та же окаймленная ямка может собрать около 1000 рецепторов разного класса. Однако у фибробластов кластеры рецепторов ЛНП расположены в зоне окаймленных ямок даже в отсутствие лиганда в среде.

Дальнейшая судьба поглощенной частицы ЛНП заключается в том, что она подвергается распаду в составе вторичной лизосомы . После погружения в цитоплазму окаймленного пузырька, нагруженного ЛНП, происходит быстрая потеря клатринового слоя, мембранные пузырьки начинают сливаться друг с другом, образуя эндосому - вакуоль, содержащую поглощенные ЛНП-частицы, связанные еще с рецепторами на поверхности мембраны. Затем происходит диссоциация комплекса лиганд-рецептор, от эндосомы отщепляются мелкие вакуоли, мембраны которых содержат свободные рецепторы. Эти пузырьки рециклируются, включаются в плазматическую мембрану, и тем самым, рецепторы возвращаются на поверхность клетки. Судьба же ЛНП состоит в том, что после слияния с лизосомами, они гидролизуются до свободного холестерина, который может включаться в клеточные мембраны.

Эндосомы характеризуются более низким значением рН (рН 4-5), более кислой средой, чем другие клеточные вакуоли. Это связано с наличием в их мембранах белков протонного насоса, закачивающих ионы водорода с одновременной затратой АТФ (Н + -зависимая АТФаза). Кислая среда внутри эндосом играет решающую роль в диссоциации рецепторов и лигандов. Кроме того, кислая среда является оптимальной для активации гидролитических ферментов в составе лизосом, которые активируются при слиянии лизосом с эндосомами и приводят к образованию эндолизосомы , в которой и происходит расщепление поглощенных биополимерв.

В некоторых случаях судьба диссоциированных лигандов не связана с лизосомным гидролизом. Так в некоторых клетках после связывания рецепторов плазмолеммы с определенными белками, покрытые клатрином вакуоли погружаются в цитоплазму и переносятся к другой области клетки, где сливаются снова с плазматической мембраной, а связанные белки диссоциируют от рецепторов. Так осуществляется перенос, трансцитозис, некоторых белков через стенку эндотелиальной клетки из плазмы крови во межклеточную среду (рис. 141). Другой пример трансцитоза - перенос антител. Так у млекопитающих антитела матери, могут передаваться детенышу через молоко. В этом случае комплекс рецептор-антитело остается в эндосоме без изменений.

Фагоцитоз

Как уже говорилось, фагоцитоз является вариантом эндоцитоза и связан с поглощением клеткой крупных агрегатов макромолекул вплоть до живых или мертвых клеток. Так же как и пиноцитоз, фагоцитоз может быть неспецифическим (например, поглощение фибробластами или макрофагами частичек коллоидного золота или полимера декстрана) и специфическим, опосредуемым рецепторами на поверхности плазматической мембраны фагоцитирующих клеток. При фагоцитозе происходит образование больших эндоцитозных вакуолей - фагосом , которые затем сливаясь с лизосомами образуют фаголизосомы .

На поверхности клеток, способных к фагоцитозу (у млекопитающих это нейтрофилы и макрофаги) существует набор рецепторов, взаимодействующих с белками-лигандами. Так при бактериальных инфекциях антитела к белкам бактерий связываются с поверхностью бактериальных клеток, образуя слой, в котором F c -области антител смотрят наружу. Этот слой узнается специфическими рецепторами на поверхности макрофагов и нейтрофилов, и в местах их связывания начинается поглощение бактерии путем обволакивания ее плазматической мембраной клетки (рис. 142).

Экзоцитоз

Плазматическая мембрана принимает участие в выведении веществ из клетки с помощью экзоцитоза - процесса, обратного эндоцитозу (см. рис. 133).

В случае экзоцитоза, внутриклеточные продукты, заключенные в вакуоли или пузырьки и отграниченные от гиалоплазмы мембраной, подходят к плазматической мембране. В местах их контактов плазматическая мембрана и мембрана вакуоли сливаются, и пузырек опустошается в окружающую среду. С помощью экзоцитоза происходит процесс рециклизации мембран, участвующих в эндоцитозе.

С экзоцитозом связано выделение синтезированных в клетке разнообразных веществ. Секретирующие, выделяющие вещества во внешнюю среду, клетки могут вырабатывать и выбрасывать низкомолекулярные соединения (ацетилхолин, биогенные амины и др.), а также в большинстве случаев макромолекулы (пептиды, белки, липопротеиды, пептидогликаны и др.). Экзоцитоз или секреция в большинстве случаев происходит в ответ на внешний сигнал (нервный импульс, гормоны, медиаторы и др.). Хотя в ряде случаев экзоцитоз происходит постоянно (секреция фибронектина и коллагена фибробластами). Сходным образом из цитоплазмы растительных клеток выводятся некоторые полисахариды (гемицеллюлозы), участвующие в образовании клеточных стенок.

Большинство секретируемых веществ используется другими клетками многоклеточных организмов (секреция молока, пищеварительных соков, гормонов и др.). Но часто клетки секретируют вещества и для собственных нужд. Так например рост плазматической мембраны осуществляется за счет встраивания участков мембраны в составе экзоцитозных вакуолей, часть элементов гликокаликса выделяется клеткой в виде гликопротеидных молекул и т.д.

Выделенные из клеток путем экзоцитоза гидролитические ферменты могут сорбироваться в слое гликокаликса и обеспечивать примембранное внеклеточное расщепление различных биополимеров и органических молекул. Огромное значение примембранное неклеточное пищеварение имеет для животных. Было обнаружено, что в кишечном эпителии млекопитающих в зоне так называемой щеточной каемки всасывающего эпителия, особенно богатой гликокаликсом, обнаруживается огромное количество разнообразных ферментов. Часть этих же ферментов имеет панкреатическое происхождение (амилаза, липазы, различные протеиназы и др.), а часть выделяется собственно клетками эпителия (экзогидролазы, расщепляющие преимущественно олигомеры и димеры с образованием транспортируемых продуктов).

©2015-2019 сайт
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-04-15