Молекулярная биология клетки. Том 1. Молекулярная биология клетки 2Molecular Bruce Alberts, Dennis Bray,Biology
 Скачать 25.6 Mb.
|
|
6.5.Перенос через мембрану макромолекул и частиц: экзоцитоз и эндоцитоз Транспортные белки опосредуют проникновение через клеточные мембраны многих полярных молекул небольшого размера, однако они не способны транспортировать макромолекулы, например белки, полинуклеотиды или полисахариды. Тем не менее в большинстве клеток макромолекулы могут как поглощаться, так и секретироваться, а некоторые специализированные клетки способны захватывать даже крупные частицы. Механизмы, с помощью которых клетки осуществляют эти процессы, сильно отличаются от механизмов, опосредующих транспорт 408 Рис. 6-68. Слипание и объединение бислоев при экзоцитозе и эндоцитозе. Внеклеточное пространство находится сверху; оно отделено от цитоплазмы (снизу) плазматической мембраной. Обратите внимание, что из-за наличия стадии слипания бислоев экзоцитоз и эндоцитоз не повторяют друг друга в обратном порядке: при экзоцитозе слипаются два монослоя плазматической мембраны, обращенные к цитоплазме, тогда как при эндоцитозе два наружных монослоя мембраны. В обоих случаях сохраняется асимметрический характер мембран и монослой, обращенный к цитоплазме, всегда контактирует с цитозолем. небольших молекул и ионов. При переносе макромолекул происходит последовательное образование и слияние окруженных мембраной пузырьков (везикул). Например, для того чтобы секретировать инсулин, клетки, продуцирующие этот гормон, упаковывают его в специализированные секреторные пузырьки. В ответ на внеклеточные сигналы эти пузырьки сливаются с плазматической мембраной и открываются во внеклеточное пространство, высвобождая при этом инсулин. Подобный процесс слияния называется экзоцитозом. Клетки способны также поглощать макромолекулы и частицы, используя сходный механизм, только в обратной последовательности. Поглощенное вещество постепенно окружается небольшим участком плазматической мембраны, который сначала впячивается, а затем отщепляется, образуя внутриклеточный пузырек, содержащий захваченный клеткой материал. Этот процесс называется эндоцитозом. Процессы экзоцитоза и эндоцитоза представлены для сравнения на рис. 6-68. Оба механизма включают слияние первоначально разделенных участков липидного бислоя и осуществляются по крайней мере в две стадии: на первой два бислоя склеиваются (слипание бислоев), а затем сливаются (слияние бислоев). Обе стадии, по-видимому, опосредуются специализированными белками, что будет обсуждаться ниже (см. разд. 6.5.16). Важная особенность как экзоцитоза, так и эндоцитоза заключается в том, что секретируемые или поглощаемые макромолекулы локализуются в пузырьках и обычно не смешиваются с другими макромолекулами или органеллами клетки. Пузырьки могут сливаться только со специфическими мембранами, что обеспечивает направленный перенос макромолекул между внеклеточным пространством и содержимым клетки. Аналогичный процесс осуществляется во время переноса новосинтезированных макромолекул из эндоплазматического ретикулума в аппарат Гольджи и затем к другим компартментам клетки (см. гл. 8). Хотя ясно, что быстрое и повсеместное образование и слияние пузырьков - это фундаментальная особенность всех эукариотических клеток, молекулярные механизмы, обеспечивающие приведение в действие и направление этого транспорта по специфическим путям, во многом еще требуют изучения. 6.5.1. Существуют два пути экзоцитоза - конститутивный и регулируемый [38] Во всех эукариотических клетках транспортные пузырьки непрерывно переносят новые компоненты плазматической мембраны из аппарата Гольджи к плазматической мембране посредством экзоцитоза. В то же время клетки секретируют различные типы молекул с помощью процесса экзоцитоза. Некоторые из этих молекул могут оставаться на поверхности клетки и становятся частью клеточной мембраны, другие выходят во внеклеточный матрикс. При этом часть из них диффундирует во 409 внутритканевую жидкость и/или в кровь для питания или переноса сигнала к другим клеткам. Как описано в гл. 8, секретируемые белки синтезируются на рибосомах, связанных с мембранами шероховатого эндоплазматического ретикулума (ЭР). Эти белки проходят в полость ЭР и транспортируются к аппарату Гольджи с помощью отпочковавшихся от ЭР транспортных пузырьков. В аппарате Гольджи белки модифицируются, концентрируются, сортируются и затем упаковываются в пузырьки, которые отщепляются в цитозоль и в конце концов сливаются с мембраной. В отличие от макромолекул секретируемые молекулы малых размеров, например гистамин (см. ниже), активно транспортируются из цитозоля в уже сформировавшиеся пузырьки, где они зачастую связываются со специфическими макромолекулами (в случае гистамина - с протеогликанами) и в результате могут накапливаться в высокой концентрации, не создавая при этом чрезмерного осмотического градиента. Некоторые белки непрерывно секретируются производящими их клетками. При этом они упаковываются в транспортные пузырьки в аппарате Гольджи и затем переносятся непосредственно к плазматической мембране. В этом случае говорят о конститутивном пути секреции. В других клетках определенные белки и/или малые молекулы запасаются в специальных секреторных пузырьках, которые сливаются с плазматической мембраной только после получения клетки соответствующего сигнала извне. Этот процесс носит название регулируемого пути секреции (рис. 6-69). Конститутивный путь осуществляется во всех клетках, а регулируемый путь обнаружен главным образом в клетках, приспособленных для секреции производимых ими веществ в зависимости от определенных потребностей. Обычно это гормоны, нейротрансмиттеры или переваривающие ферменты. В таких специализированных секреторных клетках сигналом к секреции часто служит химический медиатор, например, гормон, связывающийся с рецепторами на клеточной поверхности. В результате происходит активация рецепторов, которая генерирует внутриклеточный сигнал, зачастую включающий кратковременное повышение концентрации свободного Са 2+ в цитозоле (см. разд. 12.3.7). С помощью неизвестного механизма этот сигнал (сигналы) инициирует процесс экзоцитоза, побуждая секреторные пузырьки к слиянию с плазматической мембраной и, таким образом, к высвобождению их содержимого во внеклеточное пространство. В процессе экзоцитоза мембраны пузырьков объединяются с плазма- Рис. 6-69. Два пути прохождения секретируемых белков. Некоторые секретируемые белки упаковываются в транспортные пузырьки и непрерывно секретируются (конститутивный путь). Другие содержатся в специальных секреторных везикулах и высвобождаются только в ответ на стимуляцию клетки внеклеточными сигналами (регулируемый путь). Конститутивный путь осуществляется во всех эукариотических клетках, тогда как регулируемый путь - только в клетках специализированных для секреции (секреторных клетках). 410 тической мембраной (см. рис. 6-68). По крайней мере в случае регулируемого пути белки и липидные компоненты секреторных мембран возвращаются позднее специфическим образом в первоначальное состояние посредством экзоцитоза, для того чтобы войти в состав новых секреторных пузырьков. Общая площадь мембраны секреторных пузырьков, временно включающейся в состав плазматической мембраны, может быть огромна: в ацинарной клетке поджелудочной железы, выделяющей пищеварительные ферменты, в состав апикальной плазматической мембраны (площадь которой составляет лишь 30 мкм 2 ) при стимулировании клетки к секреции включается до 900 мкм 2 везикулярной мембраны. 6.5.2. Регулируемый экзоцитоз - это локальный ответ плазматической мембраны и находящейся под ней цитоплазмы [39] Тучные клетки секретируют гистамин (см. табл. 12-1) в ответ на связывание специфических лигандов с рецепторами на их поверхности. Именно гистамин, секретируемый тучными клетками ответствен за многие неприятные симптомы, такие, как зуд или чихание, сопровождающие аллергические реакции. Если тучные клетки проинкубировать в среде, содержащей растворимый стимулятор, то экзоцитоз наблюдается по всей клеточной поверхности (рис. 6-70). Если же стимулирующий лиганд искусственно связан с твердой гранулой, так что он может взаимодействовать только с небольшим участком поверхности тучной клетки, экзоцитоз ограничивается местом контакта с гранулой (рис. 6- 71). Ясно, что тучная клетка не отвечает на стимуляцию как нечто целое: активация рецепторов, внутриклеточные сигналы как результат этой активации и последующий экзоцитоз, очевидно, происходят лишь в том участке клетки, который подвергается стимуляции. Это свидетельствует о важном свойстве плазматической мембраны: отдельные ее участки могут функционировать независимо от остальной мембраны. Как мы видим, это свойство одинаково важно как для экзоцитоза, так и для эндоцитоза. 6.5.3. Существуют два вида эндоцитоза: пиноцитоз и фагоцитоз [40] В зависимости от размера образующихся пузырьков различают два типа эндоцитоза: пиноцитоз (от греч. ріnо - пью + kitos - клетка), предполагающий поглощение жидкости и растворенных веществ с помощью небольших пузырьков (150 нм в диаметре), и фагоцитоз (от греч. phagos - пожирающий + kitos - клетка), означающий поглощение больших частиц, таких, как микроорганизмы или обломки клеток. В этом случае образуются крупные пузырьки, называемые фагосомами, или вакуолями (с диаметром, как правило, > 250 нм). Жидкость и растворенные вещества непрерывно поглощаются большинством эукариотических клеток посредством пиноцитоза, тогда как большие частицы захватываются в основном специализированными клетками - фагоцитами. По этой причине для большинства клеток термины «пиноцитоз» и «эндоцитоз» обычно употребляются в одном и том же смысле. Большинство частиц и молекул, поглощенных клеткой посредством фагоцитоза или пиноцитоза заканчивают свой путь в лизосомах. Большие частицы включаются в фагосомы, которые затем, видимо, сливаются с лизосомами, образуя фаголизосомы. Жидкость и макромолекулы, поглощенные при пиноцитозе, первоначально переносятся в проме- Риc 6-70. Электронные микрофотографии, показывающие экзоцитоз в тучных клетках крысы. А. Клетка не подвергалась стимуляции. Б. Клетка активировалась внеклеточным лигандом с целью вызвать секрецию запасенного в ней гистамина. Пузырьки, содержащие гистамин, выглядят темными, а пузырьки, освободившиеся от него, - светлыми. То, что остается в пузырьках после секреции гистамина, представляет собой сеть из протеогликанов, с которыми в норме связан запасаемый гистамин. Если секреторный пузырек слился с плазматической мембраной, то его собственная мембрана часто служит после этого мишенью для слияния с другими секреторными пузырьками. Таким образом, множество секреторных пузырьков в тучных клетках открывается во внеклеточное пространство через другие открывшиеся пузырьки. В результате клетка (Б) содержит несколько больших полостей, образованных слившимися друг с другом мембранами множества опорожненных пузырьков, составляющих теперь с плазматической мембраной единое целое. Эти полости не всегда оказываются в одной плоскости сечения клетки. (По D. Lawson et al., J. Exp. Med., 142, 391-402, 1975, с разрешения Rockefeller University Press.) 411 Рис. 6-71. Электронная микрофотография тучной клетки, активированной с целью вызвать секрецию гистамина. Активация проводилась с помощью стимулятора, «пришитого» к твердой грануле. Экзоцитоз идет только в той области клетки, которая контактирует с гранулой. (По D. Lawson et al., J. Cell. Biol., 79, 394-400, 1978, с разрешения Rockefeller University Press.) жуточные мембраносвязанные органеллы, называемые эндосомами, откуда они в конце концов либо переходят в лизосомы, либо специфическим образом возвращаются обратно. Поскольку в лизосомах имеются разнообразные гидролитические ферменты (см. разд. 8.8.1), большая часть материала, содержащегося в фагосомах и эндосомах, слившихся с лизосомами, быстро разрушается, низкомолекулярные продукты распада, такие, как аминокислоты, сахара и нуклеотиды, транспортируются через мембрану лизосомы в цитозоль, где они могут быть использованы клеткой. Большинство же мембранных компонентов эндоцитозных пузырьков возвращаются с помощью экзоцитоза из фагосом и эндосом и повторно утилизируются в плазматической мембране. 6.5.4. Пиноцитозные пузырьки образуют окаймленные ямки в плазматической мембране [41] Практически все эукариотические клетки непрерывно поглощают кусочки своих мембран в виде небольших эндоцитозных (пиноцитозных) пузырьков, которые впоследствии возвращаются на клеточную поверхность. Этот цикл эндоцитоза начинается в специализированных областях плазматической мембраны, называемых окаймленными ямками. На обычных электронных микрофотографиях эти области выглядят как впячивания плазматической мембраны, окаймленные щетиноподобной структурой на цитоплазматической стороне. В различных клетках такие структуры занимают около 2% общей площади плазматической мембраны. Время жизни окаймленных ямок невелико: формируются они примерно в течение минуты, затем втягиваются в клетку и, сужаясь у основания, отщепляются, образуя окаймленные пузырьки (рис. 6-72). Установлено, что из плазматической мембраны фибробластов, растущих в культуре, в течение каждой минуты отщепляется примерно 2500 окаймленных пузырьков. Время их жизни оказалось даже меньше, чем у окаймленных ямок: они очень быстро теряют свою кайму и после этого могут сливаться с эндосомами. Содержимое этих эндоцитозных пузырьков в конце концов попадает в лизосомы либо возвращается в прежнее состояние. Рис. 6-72. Электронные микрофотографии, иллюстрирующие вероятную последовательность событий при образовании окаймленного пузырька из окаймленной ямки. Показанные здесь окаймленные ямка и пузырьки участвуют в продвижении липопротеиновых частиц внутрь очень большого куриного ооцита при образовании желтка; они здесь несравненно крупнее, чем в клетках обычного размера. (С любезного разрешения М. М. Perry и А. В. Gilbert, J. Cell. Sci., 39, 257-272, 1979.) 412 6-30 6.5.5. Окаймленные ямки содержат клатрин [42] На электронных микрофотографиях образцов, полученных методом быстрого замораживания и глубокого травления, поверхность окаймленных ямок и пузырьков имеет вид сетки из многоугольников (рис. 6-73). Из чего же построена кайма и каковы ее функции? После того как окаймлённые пузырьки, образующиеся из окаймленных ямок, были выделены, обнаружилось, что их мембраны содержат несколько «мажорных» белков. Из них лучше всего охарактеризован клатрин - белковый комплекс, весьма консервативный в эволюции. Он состоит из трех длинных и трех коротких полипептидных цепей, образующих трехвалентный белковый комплекс (трискелион). Трискелионы формируют на цитоплазматической поверхности мембраны корзиноподобные сетчатые структуры из шестиугольников и пятиугольников (рис. 6-74). Остальные белки, более тесно связанные с мембраной окаймленных пузырьков, необходимы для связывания клатриновой оболочки с пузырьком и для улавливания различных рецепторов плазматической мембраны (см. ниже). Предполагают, что впячивание окаймленной ямки осуществляется за счет сил, возникающих при ассоциации клатрина с другими белками оболочки, находящимися на цитоплазматической поверхности плазматической мембраны. После формирования окаймленного пузырька клатрин вместе с ассоциированными белками отделяется от мембраны пузырька и возвращается в плазматическую мембрану для образования новых окаймленных ямок. Однако остается неясным, каким образом индуцируется образование окаймленной ямки, как окаймленная ямка превращается в окаймленный пузырек и каким образом происходит отделение этой оболочки от пузырька. Интересно, что один из белков, относящихся к семейству hsp 70 (белков теплового шока), действует in vitro как АТРаза, удаляющая клатриновую оболочку с пузырьков (см. разд. 8.8.6). Видимо, должен существовать некий механизм, контроли- Рис. 6-73 . Электронная микрофотография многочисленных окаймленных ямок и пузырьков на внутренней поверхности плазматической мембраны фибробластов в культуре. Клетки были быстро заморожены в жидком гелии, подвергнуты скалыванию и затем глубокому травлению, чтобы сделать видимой цитоплазматическую поверхность плазматической мембраны. (По J. Heuser, J.Cell. Biol., 84, 560-583, 1980, с разрешения Rockefeller University Press.) Рис. 6-74. Структура клатриновой оболочки. А. Электронные микрофотографии клатриновых трискелеонов, оттененных платиной. Каждый трискелеон состоит из трех тяжелых и трех легких полипептидных цепей клатрина. Естественно, эти детали на микрофотографиях не видны. Б. Трехмерная модель клатриновой оболочки. 36 трискелеонов образуют сеть из 12 пятиугольников и 8 шестиугольников. Концы двух трискелеонов отмечены на фотографии. Обратите внимание, что каждая ножка трискелеона проходит вдоль двух соседних граней многоугольника и затем поворачивает внутрь, так что их N-концевые домены (черные кружки) образуют внутренний остов оболочки. То, что гибкие концы трискелеонов перекрываются друг с другом, обеспечивает как механическую прочность, так и подвижность всей структуры. Клатриновые оболочки других размеров и форм сконструированы аналогичным образом из 12 пятиугольников и различного числа шестиугольников. (А - Ungewickell и D. Branton, Nature, 289, 420-422, 1981; Б - G.P.A. Vigers et al., EMBO J., 5, 2079-2085, 1986.) 413 рующий преждевременное удаление клатриновой оболочки с окаймленной ямки до ее превращения в пузырек, поскольку оболочка на ямке существует намного дольше. 6.5.6. Существуют по крайней мере два типа окаймленных пузырьков [43] В большинстве клеток именно окаймленные ямки и пузырьки осуществляют пиноцитозное поглощение внеклеточной жидкости и мембраносвязанных лигандов. Однако известны пути пиноцитоза, использующие и другие типы пузырьков. К сожалению, недостаток знаний о них в настоящее время не позволяет судить о том, насколько они важны. Некоторые эндотелиальные клетки, выстилающие мелкие кровеносные сосуды, видимо, транспортируют вещества из кровяного русла в окружающую внеклеточную жидкость с помощью эндоцитозных пузырьков, не имеющих клатриновой оболочки. Эти пузырьки курсируют по типу челнока от одной поверхности клетки к другой в процессе, называемом трансцитозом. Однако в большинстве других клеток, осуществляющих трансцитоз, этот процесс опосредуется окаймленными ямками и пузырьками (см. разд. 6.5.11). Не все окаймленные пузырьки в клетке образуются из плазматической мембраны. В гл. 8 будет обсуждаться вопрос о том, что многие из пузырьков непрерывно образуются из эндоплазматического ретикулума и в аппарате Гольджи. Они осуществляют крупномасштабный везикулярный транспорт между этими и другими органеллами. Существуют по крайней мере два типа окаймленных пузырьков: 1) пузырьки с клатриновой оболочкой, участвующие как в эндоцитозе, так и в везикулярном транспорте из транс-сети Гольджи в эндолизосомы (см. ниже) и секреторные пузырьки (см. разд. 8.9); 2) пузырьки с неклатриновыми оболочками, осуществляющие везикулярный транспорт из эндоплазматического ретикулума в аппарат Гольджи, из одной цистерны аппарата Гольджи в другую и из аппарата Гольджи к плазматической мембране. Молекулы, образующие оболочку на этих пузырьках, пока неохарактеризованы. Окаймленные (клатриновые) пузырьки и ямки могут быть устроены гораздо сложнее, чем неклатриновые, поскольку они способны узнавать специфические макромолекулы для транспортировки их внутрь, тогда как неклатриновые пузырьки этого делать не могут. |