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 Са²⁺ 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 Са²⁺;

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.