Ченцов Ю.С. Введение в клеточную биологию. Общая цитология

Подождите немного. Документ загружается.

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.

241

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

242

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

243

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,

244

взаимодействующих с белками-лигандами. Так при бактериальных

инфекциях антитела к белкам бактерий связываются с поверхностью

бактериальных клеток, образуя слой, в котором F

-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.

245

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).

Рецепторная роль плазмолеммы

Мы уже встречались с этой особенностью плазматической мембраны при

ознакомлении с ее транспортными функциями. Белки-переносчики и насосы

являются кроме всего также рецепторами, узнающими и

взаимодействующими с определенными ионами. Рецепторные белки

связываются с лигандами и участвуют в отборе молекул, поступающих в

клетки.

В качестве таких рецепторов на поверхности клетки могут выступать

белки мембраны или элементы гликокаликса - гликопротеиды. Такие

246

чувствительные участки к отдельным веществам могут быть разбросаны по

поверхности клетки или собраны в небольшие зоны.

Разные клетки животных организмов могут обладать разными наборами

рецепторов или же разной чувствительностью одного и того же рецептора.

Роль многих клеточных рецепторов заключается не только в связывании

специфических веществ или способности реагировать на физические

факторы, но и в передаче межклеточных сигналов с поверхности внутрь

клетки. В настоящее время хорошо изучена система передачи сигнала

клеткам с помощью некоторых гормонов, в состав которых входят

пептидные цепочки. Было найдено, что эти гормоны связываются со

специфическими рецепторами на поверхности плазматической мембраны

клетки. Рецепторы, после связи с гормоном активируют другой белок,

лежащий уже в цитоплазматической части плазматической мембраны, -

аденилатциклазу. Этот фермент синтезирует молекулу циклического АМФ из

АТФ. Роль циклического АМФ (цАМФ) заключается в том, что он является

вторичным мессенджером - активатором ферментов - киназ, вызывающих

модификации других белков-ферментов. Так, при действии на печеночную

клетку гормона поджелудочной железы глюкагона, вырабатываемого А-

клетками островков Лангерганса, гормон связывается со специфическим

рецептором, что стимулирует активацию аденилатциклазы.

Синтезированный цАМФ активирует протеинкиназу А, которая в свою

очередь активирует каскад ферментов, в конечном счете расщепляющих

гликоген (запасной полисахарид животных) до глюкозы. Действие инсулина

заключается в обратном - он стимулирует вхождение глюкозы в печеночные

клетки и отложение ее в виде гликогена.

В целом цепь событий развертывается следующим образом: гормон

взаимодействует специфически с рецепторной частью этой системы и, не

проникая внутрь клетки, активирует аденилатциклазу, которая синтезирует

цАМФ, активирующий или ингибирующий внутриклеточный фермент или

247

группу ферментов. Таким образом, команда, сигнал от плазматической

мембраны передается внутрь клетки. Эффективность этой

аденилатциклазной системы очень высока. Так взаимодействие одной или

нескольких молекул гормона может привести за счет синтеза множества

молекул цАМФ к усилению сигнала в тысячи раз. В данном случае

аденилатциклазная система служит преобразователем внешних сигналов.

Существует и другой путь, при котором используются другие вторичные

мессенджеры, - это т.н. фосфатидилинозитольный путь. Под действием

соответствующего сигнала (некоторые нервные медиаторы и белки)

активируется фермент фосфолипиза C, которая расщепляет фосфолипид

фосфатидилинозитолдифосфат, который входит в состав плазматической

мембраны. Продукты гидролиза этого липида, с одной стороны, активируют

протеинкиназу C, которая вызывает активацию каскада киназ, что приводит

к определенным клеточным реакциям, а с другой - приводит к

освобождению ионов кальция, который регулирует целый ряд клеточных

процессов.

Другой пример рецепторной активности - рецепторы ацетилхолина,

важного нейромедиатора. Ацетилхолин, освобождаясь из нервного

окончания, связывается с рецептором на мышечном волокне, вызывает

импульсное поступление Na

в клетку (деполяризация мембраны), открывая

сразу около 2000 ионных каналов в зоне нервно-мышечного окончания.

Разнообразие и специфичность наборов рецепторов на поверхности

клеток приводит к созданию очень сложной системы маркеров,

позволяющих отличать свои клетки (той же особи или того же вида) от

чужих. Сходные клетки вступают друг с другом во взаимодействия,

приводящие к слипанию поверхностей (конъюгация у простейших и

бактерий, образование тканевых клеточных комплексов). При этом клетки,

отличающиеся набором детерминантных маркеров или не воспринимающие

248

их, либо исключаются из такого взаимодействия, либо у высших животных

уничтожаются в результате иммунологических реакций (см. ниже).

С плазматической мембраной связана локализация специфических

рецепторов, реагирующих на физические факторы. Так, в плазматической

мембране или у ее производных у фотосинтетических бактерий и

синезеленых водорослей локализованы белки-рецепторы (хлорофиллы),

взаимодействующими с квантами света. В плазматической мембране

светочувствительных клеток животных расположена специальная система

фоторецепторных белков (родопсин), с помощью которых световой сигнал

превращается в химический, что в свою очередь приводит к генерации

электрического импульса.

Межклеточное узнавание

У многоклеточных организмов за счет межклеточных взаимодействий

образуются сложные клеточные ансамбли, поддержание которых может

осуществляться разными путями. В зародышевых, эмбриональных тканях,

особенно на ранних стадиях развития, клетки остаются в связи друг с другом

за счет способности их поверхностей слипаться. Это свойство адгезии

(соединения, сцепления) клеток может определяться свойствами их

поверхности, которые специфически взаимодействуют друг с другом.

Механизм этих связей достаточно хорошо изучен, он обеспечивается

взаимодействием между гликопротеидами плазматических мембран. При

таком межклеточном взаимодействии клеток между плазматическими

мембранами всегда остается щель шириной около 20 нм, заполненная

гликокаликсом. Обработка ткани ферментами, нарушающими целостность

гликокаликса (муказы, действующие гидролитически на муцины,

мукополисахариды) или повреждающие плазматическую мембрану

(протеазы), приводит к обособлению клеток друг от друга, к их

диссоциации. Однако если удалить фактор диссоциации, то клетки могут

снова собираться, реагрегировать. Так можно диссоциировать клетки

249

разных по окраске губок, оранжевых и желтых. Оказалось, что в смеси этих

клеток образуются два типа агрегатов: состоящие только из желтых и только

из оранжевых клеток. При этом смешанные клеточные суспензии

самоорганизуются, восстанавливая исходную многоклеточную структуру.

Сходные результаты были получены с суспензиями разделенных клеток

эмбрионов амфибий; в этом случае происходит избирательное

пространственное обособление клеток эктодермы от энтодермы и от

мезенхимы. Более того, если для реагрегации используются ткани поздних

стадий развития зародышей, то в пробирке самостоятельно собираются

различные клеточные ансамбли, обладающие тканевой и органной

специфичностью, образуются эпителиальные агрегаты, сходные с

почечными канальцами, и т.д.

Было найдено, что за агрегацию однородных клеток отвечают

трансмембранные гликопротеиды. Непосредственно за соединение, адгезию,

клеток отвечают молекулы т.н. CAM-белков (cell adhesion molecules).

Некоторые из них связывают клетки друг с другом за счет межмолекулярных

взаимодействий, другие образуют специальные межклеточные соединения

или контакты.

Взаимодействия между адгезивными белками может быть гомофильные,

когда соседние клетки связываются друг с другом с помощью однородных

молекул, гетерофильные, когда в адгезии участвуют разного рода CAM на

соседних клетках. Встречается межклеточное связывание через

дополнительные линкерные молекулы.

CAM-белков бывает несколько классов. Это кадгерины, иммуноглобулино-

подобные N-CAM (молекулы адгезии нервных клеток), селектины,

интегрины.

Кадгерины представляют собой интегральные фибриллярные

мембранные белки, которые образуют параллельные гомодимеры.

Отдельные домены этих белков связаны с ионами Ca

, что придает им

250