Ченцов Ю.С. Введение в клеточную биологию. Общая цитология
Подождите немного. Документ загружается.
(мембраны лизосом, эндосом, аппарата Гольджи и др.) она возникает и
обновляется за счет синтетической активности эндоплазматического
ретикулума и имеет сходную композицию. Как ни странно, но
плазматическую мембрану можно уподобить мембране внутриклеточной
вакуоли, но вывернутой наизнанку: она не окружена гиалоплазмой, а
окружает ее.
Барьерно-транспортная роль плазмолеммы
Окружая клетку со всех сторон, плазматическая мембрана выполняет
роль механического барьера. Для того, чтобы проколоть ее с помощью
микроигл или микропипеток, требуется довольно большое усилие. При
давлении на нее микроиглы она сначала сильно прогибается, а лишь затем
прорывается. Искусственные липидные мембраны менее устойчивы. Эта
механическая устойчивость плазматической мембраны может определяться
дополнительными компонентами, такими как гликокаликс и кортикальный
слой цитоплазмы (рис. 127).
Гликокаликс представляет собой внешний по отношению к
липопротеидной мембране слой, содержащий полисахаридные цепочки
мембранных интегральных белков - гликопротеидов. Эти цепочки содержат
такие углеводы как манноза, глюкоза, N-ацетилглюкозамин, сиаловая
кислота и др. Такие углеводные гетерополимеры образуют ветвящиеся
цепочки, между которыми могут располагаться выделенные из клетки
гликолипиды и протеогликаны. Слой гликокаликса сильно обводнен, имеет
желеподобную консистенцию, что значительно снижает в этой зоне
скорость диффузии различных веществ. Здесь же могут “застревать”
выделенные клеткой гидролитические ферменты, участвующие во
внеклеточном расщеплении полимеров (внеклеточное пищеварение) до
мономерных молекул, которые затем транспортируются в цитоплазму через
плазматическую мембрану.
231
В электронном микроскопе, особенно при специальных методах
контрастирования полисахаридов, гликокаликс имеет вид рыхлого
волокнистого слоя, толщиной 3-4 нм, покрывающего всю поверхность
клетки. Особенно хорошо гликокаликс выражен в щеточной каемке клеток
всасывающего эпителия кишечника (энтероциты), однако он обнаружен
практически у всех животных клеток, но степень его выраженности
различна (рис. 128).
Механическая устойчивость плазматической мембраны, кроме того,
обеспечивается структурой примыкающего к ней со стороны цитоплазмы
кортикального слоя и внутриклеточных фибриллярных структур.
Кортикальный (от слова - cortex -кора, кожица) слой цитоплазмы,
лежащий в тесном контакте с липопротеидной наружной мембраной, имеет
ряд особенностей. Здесь в толщине 0,1-0,5 мкм отсутствуют рибосомы и
мембранные пузырьки, но в большом количестве встречаются
фибриллярные элементы цитоплазмы - микрофиламенты и часто
микротрубочки. Основным фибриллярным компонентом кортикального
слоя является сеть актиновых микрофибрилл. Здесь же располагается ряд
вспомогательных белков, необходимых для движения участков цитоплазмы
(подробнее о скелетно-двигательной системе клеток см. ниже). Роль этих
связанных с актином белков очень важна, так как она объясняет их участие
в связи, в “заякоревании” интегральных белков плазматической мембраны.
У многих простейших, особенно у инфузорий, плазматическая мембрана
принимает участие в образовании пелликулы, жесткого слоя, часто
определяющего форму клетки. К плазматической мембране здесь изнутри
могут примыкать мембранные мешочки; в этом случае у поверхности
клеток имеются три мембранных слоя: собственно плазматическая
мембрана и две мембраны пелликулярных альвеол. У инфузории туфельки
пелликула образует утолщения, располагающиеся в виде шестиугольников,
в центре которых выходят реснички (рис. 129). Жесткость пелликулярных
232
образований может быть связана также с элементами цитоплазмы,
подстилающими плазматическую мембрану, с кортикальным слоем. Так, в
гребнях пелликулы эвглены вблизи мембраны обнаруживаются кроме
мембранных вакуолей параллельные пучки микротрубочек и
микрофиламентов. Такая фибриллярная периферическая арматура вместе
со складчатой многослойной мембранной периферией создает жесткую
структуру пелликулы.
Барьерная роль плазмолеммы заключается также в ограничении
свободной диффузии веществ. Модельные опыты на искусственных
липидных мембранах показали, что они проницаемы для воды, газов,
малых неполярных молекул жирорастворимых веществ, но совершенно не
проницаемы для заряженных молекул (ионы) и для крупных незаряженных
(сахара) (рис. 130).
Естественные мембраны так же ограничивают скорость проникновения
низкомолекулярных соединений в клетку.
Трансмембранныый перенос ионов и низкомоекулярных соединений
Плазматическая мембрана, так же как и другие липопротеидные
мембраны клетки, является полупроницаемой. Это значит, что через нее с
различной скоростью проходят разные молекулы и чем больше размер
молекул, тем меньше скорость прохождения их через мембрану. Это
свойство определяет плазматическую мембрану как осмотический барьер.
Максимальной проникающей способностью обладает вода и растворенные
в ней газы, значительно медленнее проникают сквозь мембрану ионы
(примерно в 10
4
раз медленнее). Поэтому если клетку, например эритроцит,
поместить в среду, где концентрация солей будет ниже, чем в клетке
(гипотония), то вода снаружи устремится внутрь клетки, что приведет к
увеличению объема клетки и к разрыву плазматической мембраны
(“гипотонический шок”). Наоборот, при помещении эритроцита в растворы
солей более высокой концентрации, чем в клетке, произойдет выход воды
233
из клетки во внешнюю среду. Клетка при этом сморщится, уменьшится в
объеме.
Такой пассивный транспорт воды из клетки и в клетку все же идет с
низкой скоростью. Скорость проникновения воды через мембрану
составляет около 10
-4
см/с, что в 100 000раз меньше скорости диффузии
молекул воды через водный слой толщиной 7,5 нм. Было заключено, что в
клеточной мембране, в ее липопротеидном слое существуют специальные
“поры” для проникновения воды и ионов. Число их не так велико:
суммарная площадь при величине отдельной “поры” около 0,3-0,8 нм
должна составлять лишь 0,06% всей клеточной поверхности.
В отличие от искусственных бислойных липидных мембран,
естественные мембраны, и в первую очередь плазматическая мембрана, все
же способны транспортировать ионы и многие мономеры, такие как сахара,
аминокислоты и др. Проницаемость для ионов мала, причем скорость
прохождения разных ионов неодинакова. Более высокая скорость
прохождения для катионов (K
+
, Na
+
) и значительно ниже для анионов (Cl
-
).
Транспорт ионов через плазмалемму проходит за счет участия в этом
процессе мембранных транспортных белков - пермеаз. Эти белки могут
вести транспорт в одном направлении одного вещества (унипорт) или
нескольких веществ одновременно (симпорт), или же вместе с импортом
одного вещества выводить из клетки другое (антипорт). Так, например,
глюкоза может входить в клетки симпортно вместе с ионом Na
+
.
Транспорт ионов может происходить по градиенту концентрации -
пассивно без дополнительной затраты энергии. Так, например, в клетку
проникает ион Na
+
из внешней среды, где его концентрация выше, чем в
цитоплазме. В случае пассивного транспорта некоторые мембранные
транспортные белки образуют молекулярные комплексы, каналы, через
которые растворенные молекулы проходят через мембрану за счет простой
диффузии по градиенту концентрации. Часть этих каналов открыта
234
постоянно, а другая часть может закрываться или открываться в ответ либо
на связывание с сигнальными молекулами, либо на изменение
внутриклеточной концентрации ионов. В других случаях специальные
мембранные белки - переносчики избирательно связываются с тем или
иным ионом и переносят его через мембрану (облегченная диффузия) (рис.
131).
Наличие таких белковых транспортных каналов и переносчиков казалось
бы должно приводить к уравновешиванию концентраций ионов и
низкомолекулярных веществ по обе стороны мембраны. На самом же деле
это не так: концентрация ионов в цитоплазме клеток резко отличается не
только от таковой во внешней среде, но даже от плазмы крови, омывающей
клетки в организме животных. На табл. 14 показаны концентрации ионов
внутри и снаружи клетки.
Таблица 14.
Ион Внутриклеточная
концентрация, мМ
Внеклеточная
концентрация, мМ
Na
+
5-15 145
K
+
140 5
Mg
2+
30 1-2
*Ca
2+
1-2 2,5-5
Cl
-
4 110
*Концентрация Ca
2+
в свободном состоянии в цитозоле эукариотических
клеток составляет 10
-7
М, а снаружи 10
-3
М.
Как видно, в этом случае, суммарная концентрация одновалентных
катионов как внутри клеток, так и снаружи практически одинаковы (150
мМ), изотонична. Но оказывается в цитоплазме концентрация K
+
почти в
50 раз выше, а Na
+
ниже, чем в плазме крови. Причем это различие
поддерживается только в живой клетке: если клетку убить или подавить в
ней метаболические процессы, то через некоторое время ионные различия
235
по обе стороны плазматической мембраны исчезнут. Можно просто
охладить клетки до +2
0
С, и через некоторое время концентрация K
+
и Na
+
по обе стороны от мембраны станут одинаковыми. При нагревании клеток
это различие восстанавливается. Это явление связано с тем, что в клетках
существуют мембранные белковые переносчики, которые работают против
градиента концентрации, затрачивая при этом энергию за счет гидролиза
АТФ. Такой тип работы носит название активного транспорта, и он
осуществляется с помощью белковых ионных насосов. В плазматической
мембране находится двухсубъединичная молекула (K
+
+ Na
+
)-насоса,
которая одновременно является и АТФазой. Этот насос при работе
откачивает за один цикл 3 иона Na
+
и закачивает в клетку 2 иона K
+
против
градиента концентрации. При этом затрачивается одна молекула АТФ,
идущая на фосфорилирование АТФазы, в результате чего Na
+
переносится
через мембрану из клетки, а K
+
получает возможность связаться с белковой
молекулой и затем переносится в клетку (рис. 132). В результате активного
транспорта с помощью мембранных насосов происходит также регуляция в
клетке концентрации и двухвалентных катионов Mg
2+
и Ca
2+
, также с
затратой АТФ.
Такая постоянная работа пермеаз и насосов создает в клетке постоянную
концентрацию ионов и низкомолекулярных веществ, создает т.н. гомеостаз,
постоянство концентраций осмотически активных веществ. Надо отметить,
что примерно 80% всей АТФ клетки тратится на поддержание гомеостаза.
В сочетании с активным транспортом ионов через плазматическую
мембрану происходит транспорт различных сахаров, нуклеотидов и
аминокислот.
Так активный транспорт глюкозы, которая симпортно (одновременно)
проникает в клетку вместе с потоком пассивно транспортируемого иона
Na
+
, будет зависеть от активности (K
+
+ Na
+
)-насоса. Если этот (K
+
-Na
+
)-
насос заблокировать, то скоро разность концентрации Na
+
по обе стороны
236
мембраны исчезнет, сократится при этом диффузия Na
+
внутрь клетки, и
одновременно прекратится поступление глюкозы в клетку. Как только
восстановится работа (K
+
-Na
+
)-АТФазы и создается разность концентрации
ионов, то сразу возрастает диффузный поток Na
+
и одновременно
транспорт глюкозы. Подобно этому осуществляется через мембрану и
поток аминокислот, которые переносятся специальными белками-
переносчиками, работающими как системы симпорта, перенося
одновременно ионы.
Активный транспорт сахаров и аминокислот в бактериальных клетках
обусловлен градиентом ионов водорода.
Само по себе участие специальных мембранных белков, участвующих в
пассивном или активном транспорте низкомолекулярных соединений, указывает
на высокую специфичность этого процесса. Даже в случае пассивного ионного
транспорта белки “узнают” данный ион, взаимодействуют с ним, связываются
специфически, меняют при этом свою конформацию и функционируют.
Следовательно, уже на примере транспорта простых веществ мембраны
выступают как анализаторы, как рецепторы. Особенно такая рецепторная роль
проявляется при поглощении клеткой биополимеров.
Везикулярный перенос: эндоцитоз и экзоцитоз
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
237
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
238
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 эндоцитоз
(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,
239
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).
240