4.9. Эндоцитоз и экзоцитоз

 

Плазматическая мембрана способна транспортировать внутрь клетки или из нее некоторые вещества в составе маленьких пузырьков (везикул). Эти везикулы образуются из небольшого впячивания или ямки на поверхности мембраны. При отшнуровывании в цитоплазму везикулы захватывают некоторые вещества и переносят их внутрь клетки (рис. 4–37). Переваривание или разрушение везикул приводит к высвобождению их содержимого в цитозоль. Этот процесс известен под общим названием эндоцитоз; при этом, если поглощается жидкость, говорят о пиноцитозе, а если поглощаются твердые частицы – о фагоцитозе. На молекулярном уровне проявление одной из форм эндоцитоза, а именно опосредованного медиатором, обусловлено наличием рецепторных молекул, погруженных в клеточную мембрану. Они связывают лиганды – молекулы или частицы, которые включают различные плазматические белки, гормоны, токсины, иммуноглобулины и некоторые другие вещества, не способные проходить по мембранным каналам. Рецепторы могут диффундировать в плоскости мембраны, но при связывании лиганда образуется комплекс рецептор–лиганд, который имеет тенденцию скапливаться внутри углублений в мембране; при этом образуются так называемые окаймленные ямки (рис. 4–37). Их роль заключается в накоплении лиганда. Одна из теорий, объясняющих механизм этого процесса, предполагает образование везикул, которые затем отшнуровываются в цитоплазму. Эти везикулы называются окаймленными, поскольку их поверхность покрыта слоем белка клатрина. Клатрин образует пентагональную или гексагональную решетку и, по–видимому, выполняет несколько функций. В частности, он связывает занятые лигандом молекулы рецептора и участвует в последующем отшнуровывании везикулы от поверхности мембраны.

 

 

Рис. 4.37. Образование окаймленных везикул при опосредованном рецепторами эндоцитозе. А. Молекулы лиганда связываются молекулами поверхностного рецептора, расположенными в окаймленных ямках (этап 1); последние образуются при связывании молекул клатрина с поверхностной мембраной. Происходит инвагинация окаймленной ямки (этап 2) и образуется окаймленная везикула (этап 3), которая затем сливается с вакуолью (этап 4). Вакуоль и ее содержимое претерпевают дальнейшие превращения (этап 5), а клатрин и молекулы рецептора возвращаются в плазматическую мембрану до повторного использования (этап 6). (Реаrсе, 1980).

Б. Электронные микрофотографии окаймленной ямки (вверху) и окаймленной везикулы (внизу). Видно, что на обеих стадиях эндоцитоза в ооците цыпленка цитоплазматическая поверхность мембраны покрыта плотным клатриновым слоем. Видна поверхностная мембрана, от которой отшнуровывается везикула. Увеличение 135 000.

 

 

Когда окаймленная везикула отшнуровывается в цитоплазму, ее содержимое, по–видимому, поступает в другие органеллы, например в лизосомы, а клатрин и рецепторы возвращаются к поверхностной мембране.

Сходный с эндоцитозом процесс, называемый экзоцитозом, играет важную роль в функционировании эндокринной и нервной систем. Например, пресинаптические окончания нервных клеток содержат много внутренних ограниченных мембранами везикул диаметром около 50 нм, в которых находятся вещества, участвующие в передаче нервного импульса –нейромедиаторы. Эти везикулы могут сливаться с поверхностной мембраной нервного окончания и высвобождать свое содержимое во внеклеточное пространство. Вероятность этого процесса многократно увеличивается, когда к окончанию подходит нервный импульс, а смысл его состоит в высвобождении синаптического медиатора, который взаимодействует с постсинаптической мембраной. Аналогичные механизмы ответственны за секрецию гормонов.

Согласно теории экзоцитоза, мембраны везикул включаются в поверхностную мембрану с высвобождением всего содержимого – гормонов, нейромедиаторов и случайно захваченных молекул – во внеклеточное пространство, где они затем диффундируют. Если бы эти включенные мембранные фрагменты оставались в составе плазматической мембраны, то ее площадь непрерывно увеличивалась бы. Полагают, однако, что в процессе эндоцитоза часть мембранного материала «изымается» и из него образуются новые секреторные везикулы. Данные о таком круговороте мембран были получены в ходе экспериментов, в которых во внеклеточную среду вводили электроноплотные белки, например пероксидазу хрена, и следили за эндоцитозом с помощью электронной микроскопии. Электроноплотные молекулы белка обнаруживались внутри клеток только в составе везикул. Пероксидаза хрена – это довольно крупная молекула и она не может попасть в клетку, пройдя непосредственно через плазматическую мембрану; этот фермент захватывается вместе с небольшим объемом внеклеточной среды в процессе формирования эндоцитозных микровезикул, т. е. при постепенном их отшнуровывании от плазмалеммы в цитоплазму.

В экзоцитозной секреции нейромедиаторов из нервной клетки и гормонов из эндокринных клеток принимают непосредственное участие ионы кальция. Их конкретная роль в инициации секреции неясна, но, по–видимому, при повышении внутриклеточной концентрации Са²⁺ каким–то образом увеличивается экзоцитозная активность – возможно, облегчается слияние везикул с внутренней поверхностью мембраны. Мембрана регулирует экзоцитозную активность путем регуляции уровня внутриклеточного Са²⁺. При увеличении направленного внутрь потока Са^2 + его концентрация в цитоплазме увеличивается и параллельно возрастает скорость экзоцитозной секреции (рис. 4–38). Таким образом, Са²⁺ относится к секретагогам.

 

Рис. 4.38. Возможная роль микротрубочек в выведении секрета на примере β –панкреатических клеток. Микротрубочки с последовательно прикрепленными к ним везикулами, часто обнаруживаемые в секреторных участках, могут переносить везикулы к мембране, создавая предпосылки к секреции. Перемещение везикул вдоль микротрубочек и слияние их с мембраной регулируется кальцием. (Lacy, 1972.)

 

 

 

Сама везикулярная мембрана может принимать активное участие в процессах, предшествующих экзоцитозу. Установлено, что секреторные гранулы хромаффинной ткани обогащены необычным фосфолипидом лизолецитином, который облегчает слияние мембран и, таким образом, может способствовать слиянию везикулярной и клеточной мембран. Прежде чем произойдет слияние этих двух мембран, секреторная гранула (или везикула) должна прийти в контакт с плазмалеммой. Высвобождение секретируемых продуктов из железистой секреторной клетки блокируется колхицином (антимитотическим препаратом, который вызывает разборку микротрубочек) или цитохалазином (препаратом, разрушающим микрофиламенты). Эти данные позволяют предположить, что микротрубочки и микрофиламенты принимают участие в перемещении секреторных гранул к тому месту с внутренней стороны плазматической мембраны, где происходит экзоцитоз (рис. 4–38). Хотя специфичность упомянутых фармакологических препаратов вызывает некоторые сомнения, такое предположение, по–видимому, справедливо, поскольку под электронным микроскопом часто наблюдаются секреторные гранулы, ассоциированные с микротрубочками.