Мембранный транспорт макромолекул и частиц: эндоцитоз и экзоцитоз (фагоцитоз и пиноцитоз). Характеристика, этапы и механизмы осуществления пиноцитоза Основные этапы пиноцитоза

Многие полагают, что клетка представляет собой низший уровень организации живой материи . Однако на самом деле клетка - это сложный организм, развитие которого из примитивной формы, впервые появившейся на Земле и напоминавшей нынешний вирус, заняло сотни миллиардов лет. На рисунке ниже приведена схема, отражающая относительные размеры: (1) мельчайшего из известных вирусов; (2) крупного вируса; (3) риккетсии; (4) бактерии; (5) ядросодержащей клетки. На рисунке видно, что диаметр клетки в 10 , а объем - в 10 раз больше размера мельчайшего вируса.
Особенности строения и функции клеток по сложности во много раз превышают таковые у вирусов.

Основа жизнедеятельности вируса заключена в молекуле нуклеиновой кислоты , покрытой белковой оболочкой. Нуклеиновая кислота, как и в клетках млекопитающих, представлена либо ДНК, либо РНК, которые при определенных условиях способны самокопироваться. Таким образом, вирус, как и клетки человека, воспроизводится от поколения к поколению, поддерживая свой «род».

В результате эволюции в состав организма наряду с нуклеиновыми кислотами и простыми белками вошли другие вещества, а различные отделы вируса начали выполнять специализированные функции. Вокруг вируса сформировалась мембрана, появился жидкий матрикс. Вещества, сформированные в матриксе, стали выполнять особые функции, появились ферменты, способные катализировать ряд химических реакций, которые в итоге и определяют жизнедеятельность организма.

На следующих ступенях развития, в частности на стадиях риккетсий и бактерий, появляются внутриклеточные органеллы, с помощью которых отдельные функции выполняются более эффективно, чем с помощью веществ, диффузно распределенных в матриксе.

Наконец, в ядросодержащей клетке возникают более сложные органеллы, важнейшим из которых является само ядро. Наличие ядра отличает данный тип клеток от более низких форм жизни; ядро осуществляет контроль над всеми функциями клетки и так организует процесс деления, что последующее поколение клеток оказывается почти идентичным клетке-предшественнику.

Эндоцитоз - захват веществ клеткой. Живая, растущая и делящаяся клетка должна получать питательные и другие вещества из окружающей жидкости. Большая часть веществ проникает через мембрану путем диффузии и активного транспорта. Под диффузией подразумевается простой неупорядоченный перенос молекул вещества через мембрану, которые проникают в клетку чаще через поры, а жирорастворимые вещества - непосредственно через липидный бислой.
Активный транспорт - это перенос веществ через толщу мембраны с помощью белка-переносчика. Механизмы активного транспорта крайне важны для деятельности клетки.

Частицы большого размера попадают в клетку путем процесса, называемого эндоцитозом. Главные виды эндоцитоза - пиноцитоз и фагоцитоз. Пиноцитозом называют захват и перенос в цитоплазму небольших пузырьков с внеклеточной жидкостью и микрочастицами. Фагоцитоз обеспечивает захват крупных элементов, включая бактерии, целые клетки или фрагменты поврежденных тканей.

Пиноцитоз . Пиноцитоз происходит постоянно, а в некоторых клетках - весьма активно. Так, в макрофагах этот процесс происходит настолько интенсивно, что за 1 мин около 3% общей площади мембраны преобразуется в пузырьки. Однако размеры пузырьков крайне малы - всего 100-200 нм в диаметре, поэтому их можно увидеть только при электронной микроскопии.

Пиноцитоз - единственный способ, благодаря которому большинство макромолекул могут проникать в клетку. Интенсивность пиноцитоза возрастает, когда такие молекулы соприкасаются с мембраной.

Как правило, белки присоединяются к поверхностным рецепторам мембраны , которые высокоспецифичны к абсорбируемым видам белков. Рецепторы концентрируются в основном в области мельчайших углублений на наружной поверхности мембраны, которые называют окаймленными ямками. Дно ямок со стороны цитоплазмы выстлано сетевидной конструкцией из фибриллярного белка клатрина, который, как и другие сократительные белки, содержит нити актина и миозина. Присоединение белковой молекулы к рецептору меняет форму мембраны в области ямки благодаря сократительным белкам: ее края смыкаются, мембрана все больше погружается в цитоплазму, захватывая молекулы белка вместе с небольшим количеством внеклеточной жидкости. Сразу после замыкания краев происходит отрыв пузырька от наружной мембраны клетки и формирование пиноцитозной вакуоли внутри цитоплазмы.

Пока не ясно, почему происходит деформация мембраны , необходимая для образования пузырьков. Известно, что этот процесс энергозависимый, т.е. требует макроэргического вещества АТФ, роль которого обсуждается далее. Присутствие ионов кальция во внеклеточной жидкости, по всей вероятности, также необходимо для взаимодействия с лежащими в области дна окаймленных ямок с сократительными филаментами, которые создают усилие, необходимое для отщепления пузырьков от наружной мембраны клетки.

Белки, полинуклеоти- ды, полисахариды, а также твердые частицы. Тем не менее в большин-стве клеток указанные вещества проходят в обоих направлениях через плазматические мембраны. Механизмы, с помощью которых осущест-вляются эти процессы, сильно отличаются от механизмов, опосре-дующих транспорт небольших молекул и ионов. При переносе макро-молекул или твердых частиц происходит инвагинация (впячивание или выпячивание) мембраны с последующим образованием пузырьков (ве-зикул). Например, для того чтобы секретировать инсулин, клетки, ин-дуцирующие этот гормон, упаковывают его во внутриклеточные пу-зырьки, которые сливаются с плазматической мембраной и отрывают-ся во внеклеточное пространство, высвобождая при этом инсулин. По-добный процесс называется экзоцитозом. Клетки способны также поглощать макромолекулы и частицы и в обратном направлении. Этот процесс называется эндоцитозом (внутрь клетки).Тем не менее каждый пузырек сливается только со специфически-ми мембранными структурами, что гарантирует правильный перенос макромолекул и их распределение между внеклеточным пространст-вом и внутренностью клеток. Одни секретируемые моле-кулы адсорбируются на поверхности клетки и становятся частью клеточ-ной оболочки, другие включаются в межклеточный матрикс, а третьи по-падают в интерстициальную жидкость и (или) в кровь, где они служат для других клеток в качестве питательных веществ или каких-то сигналов.Пиноцитоз подразделяется на несколько этапов:

1) адсорбция на мембране молекул вещества; 2) впячивание или вы-пячивание (инвагинация) мембраны, образование пиноцитозного пу-зырька и отрыв его от мембраны с затратой энергии АТФ; 3) миграция пузырька внутрь протопласта, органеллы или наружу; 4) растворение мембраны пузырька (при действии фермента) или просто ее разрыв.

Исходя из функционирования транспортных механизмов на мем-бранах, последние делят на четыре типа.

К первому типу относят мембраны, через которые транспорт ве-. ществ осуществляется путем простой диффузии, а скорость переноса прямо пропорциональна разности концентраций по обеим сторонам мембраны. Они препятствуют прохождению ионов и пропускают ней-тральные молекулы. Через такие мембраны быстрее всего диффунди-руют молекулы веществ с высоким коэффициентом распределения в системе масло-вода, т. е. веществ, обладающих выраженными липо- фильными свойствами.

Мембраны второго типа характеризуются наличием в них специ-фического переносчика, обеспечивающего облегченную диффузию и способствуют всасыванию ряда веществ, плохо проникающих через мембраны первого типа из-за высокой степени ионизированности или высокой гидрофильности. Транспортируемая молекула в мембране обратимо соединяется с переносчиком. Иллюстрацией может служить транспорт глюкозы в эритроциты человека. Особый интерес представляет облегченная диффузия в клетку мо-лекулы холина. Простая диффузия ионизированной гидрофильной мо-лекулы холина невозможна, однако специфический переносчик быстро доставляет его в эритроциты и другие клетки.

Мембраны третьего типа (наиболее сложные из всех) способны при необходимости переносить вещества против градиента концентрации. Эта так называемая система активного транспорта требует затраты энергии, высокочувствительна к изменениям температуры.

Примерами а) транспорт Na + и К + в клетки млекопитающих, перенос Н + и К + в клетках растений и т. д.; б) всасывание и выведение различных ионизированных и неионизированных веществ почечными канальцами и в меньшей мере через мембраны эпителия желудочно- кишечного тракта; в) захват бактериями неорганических ионов, Саха- ров и аминокислот; г) накопление ионов йода щитовидной железой;

Мембраны четвертого типа отличаются от первого типа наличием пор (каналов), диаметр которых можно оценить по размерам самых больших молекул, проникающих через них. Один из наиболее изучен-ных примеров мембран четвертого типа представлен почечным клу-бочком в капсулах Боумана. Мембраны четвертого типа встречаются в основном в капиллярах млекопитающих и в паренхиме почек.

4.7. Эндоцитоз (фагоцитоз и пиноцитоз)

В секреторных клетках многоклеточных организмов продукты секреции выделяются через клеточную мембрану во внеклеточное пространство. Место и условия, в которых продукты секреции осуществляют свои функции (например, просвет кишечника, синаптическая щель или сыворотка крови), определяются свойствами анатомически обособленного пространства, куда попадают эти продукты. Однако у примитивных, свободно живущих организмов, таких, как амеба, подобное неограниченное разбазаривание ресурсов во внешней среде было бы крайне неэкономичным. Клеткам многоклеточных организмов, выполняющим функции защиты и очистки, было бы также невыгодно в некоторых ситуациях (таких, как деструкция болезнетворных бактерий или чужеродных белков) распылять свое содержимое вместо того, чтобы направить его в концентрированной форме против чужеродного агента.

Фагоцитоз (рис. 88) и пиноцитоз, обозначаемые вместе термином эндоцитоз, являются процессами, при которых соответственно осуществляется транспорт твердых и жидких материалов из внеклеточного пространства внутрь клетки. Здесь захваченные частицы находятся отдельно от содержимого клетки либо в крупных вакуолях, либо в небольших пузырьках. Слияние мембран этих структурных образований с мембранами внутриклеточных органелл (таких, как лизосомы или какие-либо иные гранулы, наполненные ферментами) приводит к смешению содержимого двух взаимодействующих систем и как следствие к модификации поглощенного материала в замкнутом, отделенном от цитоплазмы пространстве.

У примитивных организмов описанные процессы имеют непосредственное отношение к их питанию, и внутриклеточные вакуоли, образованные в результате слияния эндоцитозных вакуолей и лизосом, можно рассматривать как первичным пищеварительный аппарат: низкомолекулярные продукты поступают в цитоплазму, а непереваренный материал выбрасывается из клетки.

Функция фагоцитоза, присущая полиморфноядерным лейкоцитам крови и тканей млекопитающих, направлена на изоляцию и уничтожение проникающих в организм патогенов. В складывающейся при этом ситуации клетки могут уничтожить проникшие в них бактерии по крайней мере четырьмя способами: 1) путем интенсивного окисления перекисью, которую они способны локально синтезировать; 2) с помощью основных белков, обладающих антибактериальной активностью; 3) с помощью лизосомных ферментов и, наконец, 4) с помощью лизоцима. Уничтожение захваченного клеткой микроорганизма осуществляется очень быстро, однако его переваривание протекает относительно медленно. Образующиеся в клетках бактерицидные агенты хранятся в двух различных типах гранул, развившихся из комплекса Гольджи при дифференцировке клеток в костном мозге. В процессе фагоцитоза содержимое гранул обоих типов вливается в вакуоли, в которых находятся перевариваемые частицы.

У амебы процесс выделения содержимого гранул и лизосом в фагоцитозные вакуоли протекает аналогично секреции макромолекул клетками многоклеточных организмов, с той лишь разницей, что при фагоцитозе участок клеточной мембраны, формирующий вакуоль, находится во внутриклеточном пространстве.

Поглощение веществ при пинодитозе не следует рассматривать просто как неспецифический захват внеклеточной жидкости. Процесс этот направлен на аккумуляцию клетками различных молекул из окружающей среды. Пиноцитозные вакуоли имеют небольшой размер (обычно ниже разрешающей способности светового микроскопа), но содержатся в клетке в очень большом количестве. Образуются эти вакуоли из характерных впячиваний плазматической мембраны. В местах формирования пиноцитозных пузырьков плазматическая мембрана теряет свои четкие очертания, что предполагает модификацию участка мембраны, предназначенного для впячивания.

Пиноцитоз характерен для клеток различного типа, однако наиболее полно он изучен у амебы, пиноцитозные пузырьки которой имеют сравнительно крупные размеры (рис. 89). У амебы в центре псевдоподий формируются каналы (впячивания плазматической мембраны), и от основания этих цилиндрических впячиваний мембраны отпочковываются пиноцитозные пузырьки. Процесс образования пузырьков протекает особенно быстро, если внеклеточный раствор содержит соли или белки в высоких концентрациях. Наблюдения за пиноцитозом "меченых" белков, например белков, конъюгировавших с флуоресцеином или ферритином, показали, что накопление белковых молекул в клетках протекает с высокой скоростью. Первая стадия пиноцитоза, по-видимому независимая от энергии метаболизма, представляет собой адсорбцию белков на развитой поверхности клеточной мембраны, затем следует энергозависимый процесс формирования мембранных пузырьков внутри клетки.

У млекопитающих пиноцитоз является широко распространенной формой эндоцитоза, однако наибольшее значение пиноцитоз приобретает в ретикуло-эндотелиальной системе, где происходит удаление чужеродных или денатурированных белков, а также в эндотелиальных клетках, выстилающих капилляры, где этот процесс облегчает движение крупных молекул. В лимфоцитах, а также, возможно, и в других клетках молекулы, адсорбированные на клеточной поверхности, группируются в дискретных областях мембраны, прежде чем произойдет формирование пиноцитозных пузырьков. В почках пинодитоз играет большую роль при извлечении белков из клубочкового фильтрата.

Внутри клеток пиноцитозные пузырьки объединяются с лизосомами, образуя вторичные лизосомы. Обнаружена определенная связь между пиноцитозом и формированием лизосом в клетке: добавление гетерологической сыворотки к культуре макрофагов индуцирует пиноцитоз и эффективно стимулирует образование новых лизосом.

Многие клетки иммунной системы обладают таким свойством как фагоцитоз. Фагоцитоз – это явление, при котором одна клетка «пожирает» другую.

Способность одних клок фагоцитировать другие была открыта еще Мечниковым И.И., который помещал споры гриба в тело рачка дафнии и наблюдал, как споры были атакованы клетками рачка, поглощены и переварены.

Фагоцитоз состоит из 8 этапов:

Приближения фагоцита к микробной клетке, которое возможно благодаря хемотаксису - движению по химическому следу.

Прилипания фагоцита к объекту поглощения. Возможно это благодаря наличию на поверхности фагоцита специфичных рецептором к определенному объекту, то есть своеобразных химических замочков, с помощью которых микроорганизм или его часть «пристегиваются» к фагоциту.

После прилипания объекта мембрана фагоцита должна подготовиться к его поглощению, происходит это под воздействием фермента С-протеинкиназы.

После того как мембрана фагоцита приходит в готовность, наступает погружение объекта в цитоплазму.

При погружении соприкасающаяся с объектом часть мембраны фагоцита вгибается вовнутрь клетки, постепенно обвалакивая объект, в результате чего вокруг объекта образуется оболочка из мембраны фагоцита. Окруженный оболочкой объект называется фагосомой.

Образовавшаяся фагосома сливается с лизосомами, которые представляют собой микроскопические пузырьки содержащие множество ферментов расщепляющих белки, жиры и углеводы. В результате такого слияния происходит

Расщепление объекта.

Завершается фагоцитоз выбросом переваренных остатков объекта, которые уже не принесут организму никакого вреда.

В качестве объекта фагоцитоза могут выступать бактерии, вирусы, грибки, и другие частицы, которые не являются генетически родственными организму.

Если происходит расщепление объекта, то фагоцитоз называется завершенным, если объект уцелел, то незавершенным.

Пиноцитоз (от греч. Пено - пью, впитываю) - захват и поглощение клеткой жидкости вместе с растворенными в них соединениями. Процесс пиноцитоза подобен фагоцитоза, но происходит преимущественно благодаря вгинанню мембраны. Пиноцитоз наблюдают у клеток различных организмов.

10) Экзоцитоз (от греч.Έξω - внешний и κύτος - клетка) - у эукариот клеточный процесс, при котором внутриклеточные везикулы (мембранные пузырьки) сливаются с внешней клеточной мембраной. При экзоцитозе содержимое секреторныхвезикул(экзоцитозных пузырьков) выделяется наружу, а их мембрана сливается с клеточной мембраной. Практически все макромолекулярные соединения (белки,пептидные гормоныи др.) выделяются из клетки этим способом.

Экзоцитоз может выполнять три основные задачи:

доставка на клеточную мембрану липидов, необходимого для роста клетки;

высвобождение различных соединений из клетки, например, токсичных продуктов метаболизма или сигнальных молекул (гормонов или нейромедиаторов );

доставка на клеточную мембрану функциональных мембранных белков , таких как рецепторы или белки-транспортёры. При этом часть белка, которая была направлена внутрь секреторной везикулы, оказывается выступающей на наружной поверхности клетки

Фагоцитоз

Наиболее важной функцией нейтрофилов и макрофагов является фагоцитоз — поглощение клеткой вредоносного агента. Фагоциты избирательны в отношении материала, который они фагоцитируют; иначе они могли бы фагоцитировать нормальные клетки и структуры организма. Осуществление фагоцитоза зависит главным образом от трех специфических условий.

Во-первых, большинство естественных структур имеют гладкую поверхность, которая препятствует фагоцитозу. Но если поверхность неровная, возможность фагоцитирования возрастает.

Во-вторых, большинство естественных поверхностей имеют защитные белковые оболочки, отталкивающие фагоциты. С другой стороны, большинство погибших тканей и инородных частиц лишены защитных оболочек, что делает их объектом фагоцитоза.

В-третьих, иммунная система организма образует антитела против инфекционных агентов, например бактерий. Антитела прикрепляются к мембранам бактерий, и бактерии становятся особенно чувствительными к фагоцитозу. Для осуществления этой функции молекула антитела также соединяется с продуктом СЗ каскада комплемента — дополнительной частью иммунной системы, обсуждаемой в следующей главе. Молекулы СЗ, в свою очередь, прикрепляются к рецепторам на мембране фагоцитов, инициируя фагоцитоз. Этот процесс выбора и фагоцитоза называют опсонизацией.

Фагоцитоз, осуществляемый нейтрофилами . Нейтрофилы, входящие в ткани, являются уже зрелыми клетками, способными к немедленному фагоцитозу. При встрече с частицей, которая должна быть фагоцитирована, нейтрофил сначала прикрепляется к ней, а затем выпускает псевдоподии во всех направлениях вокруг частицы. На противоположной стороне частицы псевдоподии встречаются и сливаются друг с другом. При этом образуется замкнутая камера, содержащая фагоцитируемую частицу. Затем камера погружается в цитоплазматическую полость и отрывается от наружной стороны клеточной мембраны, формируя свободно плавающий фагоцитарный пузырек (также называемый фагосомои) внутрицитоплазмы. Один нейтрофил обычно может фагоцитировать от 3 до 20 бактерий, прежде чем он сам инактивируется или погибает.

Сразу после фагоцитирования большинство частиц перевариваются внутриклеточными ферментами. После фагоцитирования инородной частицы лизосомы и другие цитоплазматические гранулы нейтрофила или макрофага немедленно вступают в контакт с фагоцитарным пузырьком, их мембраны сливаются, в результате в пузырек вбрасываются многие переваривающие ферменты и бактерицидные вещества. Таким образом, фагоцитарный пузырек теперь становится переваривающим пузырьком, и сразу начинается расщепление фагоцитированной частицы.

И нейтрофилы , и макрофаги содержат громадное количество лизосом, наполненных протеолитическими ферментами, особенно приспособленными для переваривания бактерий и других чужеродных белковых веществ. Лизосомы макрофагов (но не нейтрофилов) содержат также большое количество липаз, которые разрушают толстые липидные мембраны, покрывающие некоторые бактерии, например туберкулезную палочку.

И нейтрофилы, и макрофаги могут уничтожать бактерии. Кроме переваривания поглощенных бактерий в фагосомах нейтрофилы и макрофаги содержат бактерицидные агенты, уничтожающие большинство бактерий, даже если лизосомальные ферменты не могут их переварить. Это особенно важно, поскольку некоторые бактерии имеют защитные оболочки или другие факторы, предупреждающие их разрушение пищеварительными ферментами. Основная часть «убивающего» эффекта связана с действием некоторых мощных окислителей, образуемых в больших количествах ферментами мембраны фагосомы, или специфической органеллой, называемой пероксисомой. К этим окислителям относятся супероксид (О2), пероксид водорода (Н2О2) и гидроксилъные ионы (-ОН), каждый из них даже в небольших количествах смертелен для большинства бактерий. Кроме того, один из лизосомальных ферментов — миелопероксидаза — катализирует реакцию между Н2О2 и ионами Сl с образованием гипохлорита — мощного бактерицидного агента.

Однако некоторые бактерии , особенно туберкулезная палочка, имеют оболочки, устойчивые к лизосомальному перевариванию, и к тому же секретируют вещества, отчасти препятствующие «убивающим» эффектам нейтрофилов и макрофагов. Такие бактерии ответственны за многие хронические болезни, например туберкулез.

Пиноцитоз

Пиноцито́з (от др.-греч. πίνω — пью, впитываю и κύτος — вместилище, здесь — клетка) — 1) Захват клеточной поверхностью жидкости с содержащимися в ней веществами. 2) Процесс поглощения и внутриклеточного разрушения макромолекул.

Один из основных механизмов проникновения в клетку высокомолекулярных соединений, в частности белков и углеводно-белковых комплексов.

Открытие пиноцитоза Явление пиноцитоза открыто американским учёным У.Льюисом в 1931.

Процесс пиноцитоза При пиноцитозе на плазматической мембране клетки появляются короткие тонкие выросты, окружающие капельку жидкости. Этот участок плазматической мембраны впячивается, а затем отшнуровывается внутрь клетки в виде пузырька. Методами фазово-контрастной микроскопии и микрокиносъёмки прослежено формирование пиноцитозных пузырьков диаметром до 2 мкм. В электронном микроскопе различают пузырьки диаметром 0,07—0,1 мкм (микропиноцитоз). Пиноцитозные пузырьки способны перемещаться внутри клетки, сливаться друг с другом и с внутриклеточными мембранными структурами. Наиболее активный пиноцитоз наблюдается у амёб, в эпителиальных клетках кишечника и почечных канальцев, в эндотелии сосудов и растущих ооцитах. Пиноцитозная активность зависит от физиологического состояния клетки и состава окружающей среды. Активные индукторы пиноцитоза — γ-глобулин, желатина, некоторые соли.