Специальные механизмы транспорта веществ через биомембрану (эндо- и экзоцитоз)
Транспортные белки обеспечивают проникновение через клеточные мембраны многих полярных молекул небольшого размера, однако они не способны транспортировать макромолекулы, например, белки, полинуклеотиды или полисахариды. Тем не менее, в большинстве клеток определенные макромолекулы могут проходить в двух направлениях через плазматические мембраны, а некоторые клетки даже способны поглощать большие клеточные частицы. Механизмы этих процессов значительно отличаются от механизмов транспорта небольших молекул или ионов.
Экзоцитоз представляет собой механизм секреции макромолекул из клетки во внешнюю среду.
При переносе макромолекул во внешнюю среду происходит последовательное образование и слияние окруженных мембраной пузырьков (везикул) с плазматической мембраной (рис.6.3):
Рис. 6.3 Схема экзоцитоза
Например, для секреции инсулина клетки упаковывают его во внутриклеточные пузырьки, которые сливаются с плазматической мембраной и открываются во внешнеклеточное пространство, высвобождая при этом молекулы инсулина. Во всех эукариотических клетках имеются специальные везикулы, переносящие аналогичным образом от аппарата Гольджи к плазматической мембране ее вновь синтезированные компоненты. Таким образом, путь синтезированных в клетке молекул – это адсорбция на поверхности клетки в качестве ее новых компонентов, либо экзоцитоз в интерстициальную жидкость или в кровь питательных веществ и сигнальных молекул.
Процесс слияния двух мембран состоит из двух фаз и начинается с того, что эти мембраны приходят в близкое соприкосновение друг с другом (слипание бислоев). Электронная микрофотография регистрирует при этом появление пятислойной мембранной структуры, однако ее существование кратковременно. Затем слипшиеся бислои быстро перестраиваются и объединяются, образуя одну непрерывную мембрану, вследствие чего секреторные пузырьки открываются во внеклеточное пространство. Процессы слипания и объединения бислоев представляют собой фундаментальные процессы, лежащие в основе эндоцитоза и экзоцитоза, деления и слияния клеток.
Индуцированный экзоцитоз.
Было установлено, что одни вещества непрерывно секретируются клетками, тогда как другие запасаются в секреторных пузырьках и высвобождаются только после получения клеткой соответствующего сигнала извне. Этот сигнал к секреции часто представляет собой химический медиатор, например, гормон, связывающийся с рецепторами на поверхности клетки. В результате происходит активация рецепторов, которая вызывает обычно кратковременное повышение концентрации свободных ионов Cа2+ в цитозоле, а это в свою очередь индуцирует процесс экзоцитоза. Представляется вероятным, что ионы Cа2+ действуют в ограниченной области секретирующей клетки, инициируя локальный ответ части цитоплазмы и располагающейся над ней плазматической мембраны. Этот вывод был сделан в опытах с тучными клетками, секретирующими гистамин в ответ на связывание специальных лигандов с рецепторами на их поверхности. Если тучные клетки инкубировали в среде, содержащей растворенный стимулятор, то экзоцитоз наблюдался по всей клеточной поверхности. В другом случае стимулятор был закреплен на подложке, и экзоцитоз ограничивался местом контакта с подложкой.
Эндоцитоз – клетки способны также поглощать макромолекулы и частицы, используя в обратной последовательности сходный механизм:
поглощенное вещество постепенно окружается небольшим участком плазматической мембраны, которая сначала впячивается, а затем отщепляется, образуя внутриклеточный пузырек, содержащий захваченный клеткой материал.
В зависимости от размера образующихся пузырьков различают 2 типа процесса эндоцитоза:
1) пиноцитоз – поглощение жидкости и (или) растворенных веществ с помощью небольших пузырьков;
2) фагоцитоз – поглощение больших частиц, таких как микроорганизмы или обломки клеток. Большинство эндоцитозных пузырьков в конце концов сливается с первичными лизосомами. При этом образуются вторичные лизосомы, в которых переваривается большая часть макромолекулярного содержимого пузырьков. После этого основная часть мембранных компонентов пузырьков каким-то образом возвращается в плазматическую мембрану.
Эндоцитоз, также как и экзоцитоз, представляет собой локальную ответную реакцию плазматической мембраны. Большинство животных клеток непрерывно осуществляют эндоцитоз фрагментов своей плазматической мембраны. Таким путем поглощается также внеклеточная жидкость и растворенные в ней вещества.
При эндоцитозе одни пузырьки образуются из гладких участков плазматической мембраны, а другие – из ее окаймленных участков, называемых окаймленными ямками. Согласно данным электронной микроскопии эти участки со стороны цитоплазмы окружены щетинообразной каймой. Окаймленные ямки и пузырьки обеспечивают протекание процесса, называемого опосредуемый рецепторами эндоцитоз или адсорбционный эндоцитоз: поглощаемые молекулы связываются со специфическими белками-рецепторами, локализованными в окаймленных ямках (рис.5.7).
Этот процесс представляет собой избирательный концентрирующий механизм, позволяющий клеткам захватывать большие количества специфических лигандов без поглощения соответственно большого объема внеклеточной жидкости.
Рис.6.4 Схема адсорбционного эндоцитоза холестерина
Примером данного процесса служит поглощение животными клетками холестерина из внеклеточной среды, за счет этого обеспечивается большая часть потребности клеток в холестерине для синтеза мембран. Если этот процесс по какой-то причине заблокирован, то холестерин накапливается в крови и увеличивает риск атеросклероза. Основная часть холестерина переносится кровью в виде комплексов с белком, которые известны под названием - ЛНП - липопротеины низкой плотности. Эти комплексы представляют собой большие сферические частицы (22 нм в диаметре), каждая из которых имеет сердцевину, заполненную 1500 молекулами холестерина, связанного сложноэфирными связями с длинными цепями жирных кислот. Сердцевина ЛНП окружена липидным бислоем, содержащим белок одного-единственного типа.
Фагоцитоз у простейших организмов представляет собой форму питания, у млекопитающих большинство клеток не способно эффективно поглощать крупные частицы. Эту роль у млекопитающих выполняют 2 класса лейкоцитов – макрофаги и полиморфноядерные лейкоциты, защищая организм от вторгшихся микроорганизмов.
Важная особенность как экзоцитоза, так и эндоцитоза состоит в том, что секретируемые или поглощаемые макромолекулы локализуются в мембранных пузырьках и не смешиваются с другими макромолекулами или органеллами клетки. С помощью неизвестного механизма каждый пузырек сливается только со специфическими мембранными структурами, что гарантирует правильный перенос макромолекул.
Экзоцитоз и эндоцитоз не повторяют друг друга в обратном порядке из-за наличия стадии слипания бислоев, и благодаря такому различию, по-видимому, могут регулироваться независимо друг от друга.