Транспорт в мембранной упаковке (эндо- и экзоцитоз).

Во многих случаях клетка должна транспортировать через мембрану не отдельные молекулы или ионы, а целые молекулярные комплексы и даже частицы. Они не проходят через мембранные поры. В связи с этим в клетке существует специальная разновидность транспорта — транспорт в мембранной упаковке. В одних случаях происходит выпячивание наружной плазматической мембраны, охватывающей инородную частицу (например, частицу пищи или бактерию), замыкание ее в мембранное кольцо и погружение вглубь цитоплазмы клетки. Такой процесс впервые был открыт знаменитым российским ученым, лауреатом Нобелевской премии И. И. Мечниковым и назван фагоцитозом. Это явление было обнаружено при изучении свойств клеток крови. Лейкоциты захватывали бактерии и нейтрализовали их. С помощью фагоцитоза питаются многие простейшие организмы. Процесс захвата клеткой более мелких частиц и капелек жидкости получил название пиноцитоза.

Интенсивность 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 транспортных пузырьков-пиносом невелик, их нижний предел составляет 60—130 нм, но обилие их приводит к тому, что плазмолемма должна быстро замещаться, поскольку как бы «тратится» на образование множества мелких пузырьков. Так, у макрофагов вся плазматическая мембрана заменяется за 30 мин, у фибробластов — за 2 ч.

В большинстве случаев эндоцитоз не случайный процесс, и клетка захватывает определенные макромолекулы или молекулярные комплексы. Это происходит с помощью так называемого рецепторно-опосредованного эндоцитоза, в котором задействован большой комплекс как мембранных, так и цитоплазматических белков (рис. 3.7). Начинается он с момента связывания поглощаемого вещества — лиганда с рецепторами на клеточной мембране. Комплексы лиганд-рецептор мигрируют вдоль мембраны в район так называемых окаймленных ямок, покрытых с внутренней стороны специальным белком — клатри- ном с рядом вспомогательных белков (рис. 3.7, А). Эти ямки есть почти у всех клеток животных, они занимают около 2 % клеточной поверхности. Клатриновые комплексы образуют на внутренней поверхности ямок рыхлую сеть, состоящую из пяти- и шестиугольников, в целом напоминающую корзинку.

По мере накопления лиганд-рецепторных комплексов в ямке она увеличивается и погружается вглубь цитоплазмы, формируя первичный окаймленный пузырек. Клатриновый слой покрывает весь периметр отделяющихся окаймленных пузырьков. Биологический смысл появления клатриновой оболочки пузырьков заключается в том, что он обеспечивает сцепление окаймленных пузырьков с элементами цитоскелета и последующий их транспорт в цитоплазме, а также препятствует слиянию их друг с другом. С помощью специального белка — динамина, с использованием энергии гидролиза ГТФ, происходит отшну- рование окаймленного клатрином пузырька с находящимися внутри лиганд-рецепторными комплексами (рис. 3.7, Б).

Схема рецепторно-опосредованного эндоцитоза

Рис. 3.7. Схема рецепторно-опосредованного эндоцитоза:

А — начальные этапы формирования окаймленного пузырька; Б — процесс отшнуровывания пузырька от плазматической мембраны

После погружения в цитоплазму окаймленного пузырька происходит быстрая потеря клатринового слоя, пузырьки начинают сливаться друг с другом, образуя первичную эндосому — вакуоль, содержащую поглощенные частицы транспортируемого вещества, связанные еще с рецепторами на поверхности мембраны пузырька. Затем происходит распад комплекса лиганд — рецептор, от эндосомы отщепляются мелкие вакуоли, мембраны которых содержат свободные рецепторы. Эти пузырьки направляются к поверхности клетки и включаются в плазматическую мембрану, и тем самым рецепторы возвращаются в мембрану.

Эндосомы сливаются друг с другом, увеличиваются в размерах и могут сливаться с лизосомами, гидролитические ферменты которых переваривают содержащийся в эндо-лизосомах субстрат, компоненты которого поступают в цитоплазму. Формируются эндолизосомы. Часть эндосом не сливаются с лизосомами, а переносят вещества через клетку, сочетая процессы эндо- и экзоцитоза. Так, например, происходит при переносе молекул иммуноглобулина (антител) из молока матери в кровеносное русло ребенка через всасывающие клетки кишечного эпителия.

Фагоцитоз и пиноцитоз — это разновидности общего явления, характерного для большинства клеток — эндоцитоза. Процесс, обратный эндоцитозу, — выведение из клеток каких-либо веществ или продуктов называется — экзоцитоз.

У эукариот различают два типа экзоцитоза. Кальций-независимый 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. Кальций-зависимый экзоцитоз встречается, например, в химических синапсах или клетках, вырабатывающих гормоны. При этом типе экзоцитоза транспортные пузырьки накапливаются в клетке, а процесс их высвобождения запускается по определенному сигналу, опосредованному быстрым повышением концентрации ионов кальция, поступающих в цитоплазму клетки через систему специальных кальциевых ионных каналов (как потенциал-зависимых, так и лиганд-зависимых).

Важно еще раз подчеркнуть, что эндо- и экзоцитоз являются энергозависимыми процессами, и таким образом, относятся к разновидностям активного транспорта.

Рецепторная функция. Принципы работы мембранных рецепторов. Во внеклеточной среде постоянно находятся разнообразные сигнальные молекулы, чье присутствие очень важно для нормальной жизнедеятельности клетки. Для того чтобы клетка могла на них адекватно реагировать, в ее плазматической мембране находятся специальные рецепторные комплексы. Как правило, это сложные образования, состоящие из нескольких белковых молекул (в состав рецепторов могут входить также мембранные липопротеины и гликолипиды), которые связываются с сигнальными молекулами, обеспечивая определенную реакцию клетки.

Все разнообразные рецепторы клеточных мембран имеют ряд общих особенностей:

  • • рецепторы специфичны, т. е. связываются только с определенными веществами. Специфичность рецепторов определяется структурой «активного центра» его молекулы и возможностью молекул связываться с этим активным центром. Выделяют два класса таких молекул: агонисты — молекулы, связывающиеся с рецептором и вызывающие определенный физиологический ответ и антагонисты — молекулы, также способные связаться с рецептором, но вызывающие блокаду работы рецептора. Например: агонистами ацетилхолинового рецептора являются сам ацетилхолин и никотин, а антагонистами — яд кураре или столбнячный токсин;
  • • процесс рецепции и передачи сигнала на мембрану или вглубь клетки происходит со значительной затратой энергии.

По принципу работы все рецепторы можно разделить на три группы: ионотропные рецепторы прямого действия (например: ацетилхолино- вый рецептор в нейромышечном синапсе); метаботропные рецепторы непрямого действия (рецепторы к многим гормонам, нейромедиаторам, ростовым и дифференцировочным факторам) и каталитические рецепторы (инсулиновые) (рис. 3.8). В первом случае связывание молекулы с активным центром рецептора приводит к изменению конфигурации ионного канала, входящего в состав этого рецептора (открытие или закрытие). Во втором варианте рецепторная часть комплекса и ионный канал являются независимыми структурами, которые взаимодействуют через систему вспомогательных белков или других веществ, называемых вторичными посредниками. В третьем варианте рецептор после взаимодействия с сигнальной молекулой активируется и выполняет, таким образом, функции фермента, влияя на работу клетки.

Основные типы мембранных рецепторов в клетке

Рис. 3.8. Основные типы мембранных рецепторов в клетке:

1 — сигнальная молекула (лиганд); 2 — рецептор I типа в неактивном состоянии (ионный канал закрыт); 3 — рецептор I типа в активном состянии (ионный канал открыт); 4 — рецептор II типа; 5 — система вторичных посредников; 6 — ионный канал рецепторного комплекса II типа; 7 — рецептор III типа в неактивном состоянии; 8 — рецептор III типа в активном состоянии; 9 — изменения в мембране или клетке под действием активированного рецептора

На примере ацетилхолиновых рецепторов в нервной системе позвоночных животных и человека необходимо рассмотреть более подробно работу мембранных рецепторов.

Ионотропный никотиновый ацетилхолиновый рецептор (N-AhR) представлен мембранным гликопротеиновыми комплексом, состоящим из 5 субъединиц и ионного K+/Na+ канала. В состав рецептора входят: две ocl, и по одной: |3, у, 5 — субъединицы (рис. 3.9 А, Б). Свое название никотиновый ацетилхолиновыи рецептор получил из-за его сродства к агонисту ацетилхолина, алкалоиду растительного происхождения — никотину. Медиатор (две молекулы ацетилхолина) соединяются с двумя od — субъединицами рецептора. При этом одновременно открывается ионный канал, происходит перераспределение ионных потоков внутри и снаружи мембраны, вследствие чего изменяется трансмембранный потенциал и возникает нервный импульс. Такая разновидность рецептора (al)2(3ly5 встречается в нервно-мышечном синапсе. В нервной системе существует несколько модификаций аце- тилхолинового рецептора, различающихся по типу и соотношению субъединиц, входящих в состав рецептора и, соответственно, по своим функциональным характеристикам: (а7)5; (аЗ)2 ((33)3; (а3)2(32(34а4; (аЗ)2 ((34)2а5; (а4)3 ((32)2; (а4)2 (|32)2а5.

Таким образом, к одному и тому же сигнальному веществу (лиганду) может сформироваться несколько разновидностей рецепторов. Ионотропный рецептор может быть как потенциал-зависимым, так и лиганд- зависимым. Тем самым создается возможность комбинировать набор рецепторов в разных клетках. Ионотропные рецепторы открываются почти мгновенно (время реакции —10 мс), но остаются открытыми лишь в течение нескольких миллисекунд.

Рис. 3.9. Схема строения синаптических рецепторов разного вида в нервной системе:

А, В — строение ионотропного (А) и метаботропного (В) ацетилхолинового синаптического рецептора; Б — субъединицы ионотропного никотинового ацетилхолинового (N-Ah) рецептора (объяснения в тексте)

Метаботропный мускариновый ацетилхолиновый рецептор (M-AhR) получил название из-за его сродства к другому агонисту ацетилхолина алкалоиду — мускарину, выделенному из ядовитых грибов (Amanita muscaria). Сам рецепторный комплекс представляет собой сложное образование, где рецептор и K+/Na+ ионный канал пространственно разобщены в мембране клетки (3.9, В). В связи с этим необходим «посредник» для связи их друг с другом и дальнейшей передачи сигнала на мембрану или вглубь клетки. Рецептор на мембране активируется лигандом и передает информацию специальной системе белков и ферментов (вторичные посредники), которые формируют каскад передачи сигнала на мембранный ионный канал или вглубь клетки.

В мускариновом ацетилхолиновом рецепторе этот каскад сопряжен с G-белком. G-белок — это ГТФ (гуанозинтрифосфат), связывающий белок, состоящий из трех субединиц (а, (3, у) и находящийся на внутренней поверхности мембраны. При наличии лиганда, события в рецепторном комплексе развиваются следующим образом:

  • • при взаимодействии рецептора с ацетилхолином происходит активация G-белка и его а-субъединица соединяется с ГТФ и перемещается по мембране к интегральному мембранному белку-ферменту аденилатциклазе;
  • • происходит активация аденилатциклады и образуется вторичный посредник — цАМФ (циклический аденозинмонофосфат);
  • • одна молекула аденилатциклазы вызывает образование множества молекул цАМФ, усиливая таким образом эффект сигнальной молекулы;
  • • цАМФ, в свою очередь, активирует мембранный белок протеин- киназу А, также входящая в сигнальный каскад;
  • • активированная протеинкиназа А с помощью энергии АТФ фос- форилирует (присоединяет фосфорный остаток) белки K+/Na+ ионного канала и он открывается;
  • • происходит перераспределение ионных потоков с наружной и внутренней стороны мембраны и возникает мембранный потенциал.

Метаботропные рецепторы к другим нейромедиаторам (серотонин, адреналин, глутамат, ГАМК, допамин, энкефалины и др.) работают по такой же схеме.

Передача сигнала от гормонов, ростовых факторов, цитокинов и других биологически активных молекул в клетку также осуществляется через данный каскад, за исключением того, что протеинкиназа А, активированная цАМФ, находится в этих случаях в цитоплазме клетки и фосфо- рилирует белки, управляющие экспрессией соответствующих генов. Это приводит к усилению или подавлению синтеза специфических белков.

Метаботропные рецепторы сохраняют активированное состояние в течение секунд или минут после связывания с медиатором, поэтому они имеют более длительные эффекты, чем ионотропные рецепторы.

Как и ионотропный рецептор (N-AhR), метаботропный рецептор (M-AhR) имеет несколько разновидностей, различающихся по вторичным посредникам и типам ионных каналов. Рецепторы разных подтипов могут располагаться как на разных нервных клетках, так и на одном нейроне. Например, на пирамидном нейроне гиппокампа найдены все пять подтипов M-AhR (табл. 3.2).

Таблица 3.2

Некоторые характеристики метаботропных ацетилхолиновых рецепторов разного вида (М1—М5) и их распределение в организме человека (количество плюсов отражает степень встречаемости рецептора в данной структуре/органе)

Показатель

Ml

М2

М3

М4

М5

Тип G-белка

Gq/11

Gai/o

Gq/11

Gai/o

Gq/11

Вторичный посредник

ИФЗ

цАМФ

ИФЗ

цАМФ

ИФЗ

Ионный канал

Са+2

К+

Са+2

К+

Са+2

Центральная нервная система

Неокортекс

+ + +

+ + +

+ +

+ +

+

Мозжечок

+ +

+ + +

+ +

+

Гиппокамп

+ + +

+ +

+ +

+ +

+

Гипоталамус

+ +

Спинной мозг

+ + +

+ +

Периферическая нервная система и органы

Глаз

+ +

+

Сердце

+ +

+ + +

+ +

+ +

+ +

Гладкая мускулатура

+ +

+ +

+ +

Нейроны симпатических ганглиев

+ +

+ +

+

В клетках эукариот существует ряд других сигнальных каскадов, в которых участвуют другие вторичные посредники: циклический гуа- нозин монофосфат (цГМФ), инозитол-три фосфат (IP3); ионы кальция (Са+2); диацилглицерол (DAG), арахидоновая кислота (АА).

Таким образом, система внутриклеточных вторичных посредников передают информацию с мембранных рецепторов на исполнительные молекулы, опосредующие ответ клеток на сигналы из межклеточной среды.

Каталитические мембранные рецепторы III типа являются интегральными белками-ферментами — тирозинкиназами, однократно пронизывающими мембрану и состоящими из нескольких частей (доменов). Экстрамембранный домен участвует в связывании лиганда, которое приводит к активации внутриклеточного цитоплазматического тирозинкиназного домена. Этот домен определяет биологический ответ рецептора и передает сигнал внутрь клетки. Трансмембранный домен однократно пронизывает мембрану и соединяет вне- и внутриклеточные домены. После взаимодействия с лигандом тирозинкиназные рецепторные молекулы объединяются попарно (димеризуются), активируются и фосфорилируют определенные белки, запуская метаболические изменения в клетке. К таким рецепторам относятся рецепторы к инсулину, ростовым факторам, иммуноглобулинам.

Ядерные рецепторы. Многие гидрофобные вещества (стероидные гормоны, тироксин, желчные кислоты, витамин D3) могут свободно проникать через билипидный слой цитоплазматической мембраны и рецепторы к ним располагаются в цитоплазме или ядре. Комплекс рецептор- лиганд проходит в ядро и взаимодействует с регуляторными участками ДНК, влияя на активность генов и, как следствие, изменяет транскрипцию. В геноме человека имеется более 30 ядерных рецепторов.

Изолирующая функция мембраны. Межклеточные контакты. В многоклеточном организме клетки находятся в постоянном взаимодействии друг с другом (рис. 3.10). Особенно тесный контакт существует в тканях, которые граничат с наружной средой (покровы, кишечник, дыхательные пути) или где возникает необходимость согласованной работы (например, гладкие и сердечные мышцы).

Существует четыре разновидности межклеточных колнтактов: изолирующие, или плотные контакты (zonulae occludens, tight junction); щелевые контакты (nexus, gap junction); десмосомы разного вида (macula adherens,desmosoma); адгезионные контакты (zonula adherens).

Изолирующий, плотный контакт (лат. zonulae occludens, англ, tight junction) образован ячеистой сетью интегральных мембранных белков (клаудины, окклудины), которые в межклеточном пространстве соединяются с белками соседней клетки и образуют непроницаемый для большинства макромолекул и ионов молекул поясок шириной 0,1—0,5 мкм вокруг клетки. Со стороны цитоплазмы они связаны через систему вспомогаптельных субмембранных белков (ZO-1, ZO-2, cingulin) с цитоскелетом клетки.

При этом плотные контакты достаточно динамичная структура и могут перестраиваться в разных ситуациях. Например, они могут размыкаться, чтобы пропустить лимфоциты из капилляров при иммунных и воспалительных реакциях или менять (увеличивать) свою проницаемость при повышении артериального давления — гипертонии.

Щелевой контакт (лат. nexus, англ, gap junction) — это наиболее распространенный вид межклеточного контакта. Он представляет собой систему мембранных молекулярных комплексов — коннексонов, образованных розеткой из пяти-шести интегральных белков — коннек- синов (Сх), в центре которой находится канал диаметром 1,5—2,0 нм. Коннексоны соседних мембран соединяются, и через такие каналы могут проходить молекулы с молекулярным весом до 1 kD (отдельные аминокислоты, АДФ, АТФ, цАМФ, аденозин, простогландины, ионы, витамины и ряд других соединений). Поскольку они могут пропускать заряженные ионы, то в ряде тканей (нервной и мышечной) щелевые контакты служат для проведения электрических сигналов.

Рис. ЗЛО. Основные типы межклеточных контактов на примере контактов между соседними клетками кишечного эпителия):

1 — изолирующий, плотный контакт; 2 — цитоскелетные нити; 3 — промежуточное соединение; 4 — десмосома; 5 — цитоскелетные нити, прикрепленные к десмосоме; 6 — щелевой контакт; 7 — белковые комплексы, входящие в состав щелевого контакта (коннексоны)[1]

Коннексины в клетках разные. У человека обнаружено 21 вид кон- нексинов, у мыши — 20 видов, которые могут объединяться в различных сочетаниях. Так, например, коннексоны, образующие контакты между астроцитами (разновидность глиальных клеток в нервной системе) состоят из коннексинов — Сх43, а между нейронами коры больших полушарий — СхЗб. В клетках кардиомиоцитов сердца найдены коннексины Сх40, Сх43 и Сх45. Есть коннексоны, образованные разными коннексинами. Это дает возможность создавать десятки вариантов коннексонов, что сказывается на физиологических и транспортных свойствах этих контактов.

У беспозвоночных животных в состав коннексонов входят другие разновидности мембранных белков — паннексины (Рапх) и иннексины (Inx), но механизм действия и функции у них сходные с позвоночными животными.

Десмосомы (греч. desmos — связка, soma — тело) — еще одна форма механических межклеточных контактов, объединяющих группы клеток. Особенно это выражено в эпителиальных тканях. Состоит из двух структур: субмембранной плотной пластинки прикрепления, состоящей из нескольких белков (десмоплакин, плакофиллин, плакоглобин и др.) и трансмембранных белков межклеточной адгезии из семейства кадгеринов (десмоглеин и десмоколлин), связывающих две соседние клетки. Пластинка прикрепления соединяется с системой фибриллл цитоскелета клетки. Существует несколько разновидностей десмосом: точечные, септированные и полудесмосомы. Десмосомы — образования довольно лабильные, могут пропадать и формироваться заново.

Адгезионные (лат. zonula adherens, англ, adhesive — липкий, клейкий) контакты образованы участками мембраны двух соседних клеток, в промежутке между которыми располагается сложный комплекс гли- копотеиновых молекул, среди которых важнейшим является белки — кадгерины. Значение их состоит в обеспечении связи, с одной стороны, с такими же адгезионными белками мембраны соседней клетки, с другой — с субмембранными белками — катенинами, которые связывают всю структуру адгезионного соединения с элементами актинового цитоскелета клетки. Такие контакты служат для прикрепления клеток друг к другу, но более лабильны, чем другие виды контактов, и могут быстро образовываться и исчезать по мере необходимости.

  • [1] ДеДюв К. Путешествие в мир живой клетки : пер с англ. М. : Мир, 1987.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >