Молекулярная биология клетки. Том 1. Молекулярная биология клетки 2Molecular Bruce Alberts, Dennis Bray,Biology

• Название: Молекулярная биология клетки 2Molecular Bruce Alberts, Dennis Bray,Biology
• Анкор: Молекулярная биология клетки. Том 1.pdf
• Дата: 22.04.2017
• Размер: 25.6 Mb.
• Имя файла: Молекулярная биология клетки. Том 1.pdf
• Тип: Документы; #5292
• страница: 63 из 79

6-8
6.5.13. Эндоцитозный цикл может иметь отношение к движению клеток и к феномену «кэппинга» [49]
Окаймленные ямки распределены на поверхности клеток более или менее случайным образом, так что поглощение плазматической мембраны (липиды вместе со специфическими белками-рецепторами) имеет место по всей клеточной поверхности. В неполяризованных клетках поглощенные участки мембраны возвращаются также случайным образом на поверхность клетки. Однако в поляризованных клетках, напри-

420
Рис. 6-81.
Текучесть плазматической мембраны подвижных клеток как результат асимметрии эндоцитозного цикла в этих клетках. Фибробласт
(показан в разрезе) движется слева направо. Эндоцитоз мембраны, содержащей рецепторы, происходит в окаймленных ямках, распределенных по клеточной поверхности случайным образом. Поглощенная мембрана возвращается из эндосомного компартмента (не показан) в виде экзоцитозных пузырьков, сливающихся с мембраной передней (по отношению к движению клетки) оконечности клетки. Таким образом, эндоцитоз по всей поверхности и направленный экзоцитоз вызывают перетекание компонентов мембраны в направлении, обратном движению клетки (показано большими цветными стрелками). (По М. S. Bretscher, Science, 224, 681-686, 1984.) мер фибробластах, ползущих по поверхности субстрата, центросома и ассоциированный с ней аппарат Гольджи смещены в направлении передней части клетки, и поглощенные кусочки мембран возвращаются преимущественно в мембрану переднего края клетки. Такая пространственная асимметрия циклического процесса эндоцитоз - экзоцитоза может помогать клетке выдвигать свой передний край вперед во время движения (см. разд. 11.6.6). Более того, поскольку участки эндоцитоза и экзоцитоза в таких клетках не совпадают, будет существовать постоянный ток липидов и рецепторов по плазматической мембране от переднего края клетки в ее заднюю часть (рис. 6-81). Этот мембранный поток может объяснить тот факт, что объекты, типа частичек угля, будучи помещенными на поверхность культуральных фибробластов, перемещаются от передней части клетки к задней при передвижении клетки вперед.
При связывании мультивалентных лигандов (таких, например, как антитела и лектины) со специфическими белками мембраны образуются кластеры, которые, объединяясь между собой, формируют пятна (пэтчи). Этот процесс называется пэтчингом (от. англ. patching - ставить заплаты). Такие пятна быстро движутся по поверхности клетки (например, лимфоцита), собираясь в так называемый «кэп» или шапочку
(рис. 6-82). Процесс образования шапочки, кэппинг, занимает всего лишь несколько минут. Он является АТР-зависимым и завершается (в лимфоцитах) появлением этой необычной структуры в задней части клетки. Интересно, что формировать кэп способны лишь клетки, умеющие ползать по поверхности, хотя для этого процесса никакой необходимости в движении клетки нет. Это наводит на мысль, что механизм кэппинга может иметь сходство с механизмами, используемыми клеткой для движения. Одна из гипотез заключается в том, что мембранный поток, описанный выше и возникающий при циклическом эндоцитозе, переносит большие кластеры связанных молекул в задний конец клетки, тогда как свободные (несшитые между собой) белки достаточно быстро диффундируют, и, следовательно, их распределение остается случайным несмотря на поток. Альтернативная гипотеза состоит в том, что кластеры мембранных белков взаимодействуют (прямо или опосредованно) с движущей системой внутри клеточных актиновых филаментов (находящихся в кортексе, непосредственно под плазматической мембраной), которая перемещает кластеры к заднему концу клетки. До сих пор нет четких результатов, исключающих какую-либо из гипотез.
6.5.14. Специализированные клетки - фагоциты поглощают частицы, связывающиеся со специфическими рецепторами на их
поверхности [50]
Фагоцитоз - специальная форма эндоцитоза, при которой поглощаются крупные частицы, например, микроорганизмы или клеточный дебрис. Это происходит через образование больших эндоцитозных пузырьков, называемых фагосомами. У простейших фагоцитоз - это форма питания: крупные частицы захватываются фагосомами и затем попадают в лизосомы. Продукты переваривания проходят через цитозоль и используются в качестве пищи. В многоклеточных организмах большинство клеток не способны эффективно поглощать крупные частицы. Поэтому

421
Рис. 6-82.
Индуцированный антителами пэтчинг и кзппинг поверхностных клеточных белков лимфоцитов. Антитела сшивают между собой молекулы белка, с которыми они связаны, образуя крупные кластеры. Кластеры со временем собираются в одном месте, образуя «шапочку» (кэп) на заднем полюсе клетки. Обратите внимание, что передний полюс определяется положением центросомы, а сшитые между собой белки образуют
«шапочку» на противоположном полюсе, даже если клетки находятся в суспензии и не мигрируют. в кишечнике крупные частицы пищи разрушаются вне клеток перед всасыванием, а вообще в организме фагоцитоз осуществляют
«профессиональные» фагоциты. У млекопитающих существуют два класса лейкоцитов, опосредующих фагоцитоз: макрофаги (широко распространенные как в тканях, так и в крови) и нейтрофилы. Эти два типа клеток происходят от общей клетки-предшественника (см. разд. 17.5.8) и защищают нас от инфекции, поглощая вторгшиеся микроорганизмы. Макрофаги играют важную роль также и в утилизации старых или поврежденных клеток и клеточных обломков. В количественном отношении последняя функция особенно важна: в каждом из нас макрофаги ежедневно поглощают посредством фагоцитоза более чем 10 11
старых эритроцитов.
Эндоцитозные пузырьки, образующиеся из окаймленных ямок, имеют относительно небольшие размеры (

150 нм в диаметре).
Фагосомы
же имеют диаметр, который определяется размерами поглощаемой частицы. Иногда они почти такого же размера, как и сами фагоцитирующие клетки (рис. 6-83). Фагосомы сливаются с лизосомами и образуют фаголизосомы. Здесь происходит деградация поглощенного материала. Неперевариваемые продукты остаются в фаголизосомах, образуя остаточные тельца. Часть поглощенных компонентов собственной плазматической мембраны, как и при эндоцитозе возвращается обратно в плазматическую мембрану. В некоторых макрофагах пептиды, получившиеся при деградации поглощенных белков, возвращаются на клеточную поверхность связанными с гликопротеинами главного комплекса гистосовместимости (см. разд. 18.6.10). Поверхность этих макрофагов затем тщательно обследуется Т-лимфоцитами иммунной системы. Если пептиды происходят от чужеродного агента - они активируют Т-лимфоциты к иммунному ответу. Таким образом, макрофаги в данном случае выступают как клетки, представляющие антиген (см. разд. 18.6.10).
Для того чтобы фагоцитоз имел место, поглощаемые частицы должны прежде всего связаться с поверхностью фагоцита. Однако не все связавшиеся частицы поглощаются. Существует набор специализированных поверхностных рецепторов, функционально связанных с фагоцитозным аппаратом клетки. В отличие от пиноцитоза, конститутивного процесса, протекающего непрерывно, фагоцитоз - явление индуцируемое, в котором активированные рецепторы передают сигналы внутрь клеток для инициации ответа. Наилучшим образом охарактеризованы в качестве таких индукторов, запускающих фагоцитоз, антитела. Антитела защищают нас от инфекции микроорганизмов, связываясь с их поверхностью и образуя оболочку, в которой F
с
-области каждой молекулы антитела экспонированы наружу. Эта оболочка затем узнается специфическими F
с
-рецепторами, расположенными на поверхности макрофагов и нейтрофилов. Связывание частиц, имеющих оболочку из антител, с этими рецепторами вызывает образование в плазматической мембране клетки псевдоподий, которые обволакивают частицу и сливаются по краям, образуя фагосомы (рис. 6-84).
О двух других классах рецепторов известно лишь, что они способствуют фагоцитозу. Рецепторы одного из этих классов узнают компоненты комплемента, а другого - олигосахариды на поверхности определен-
Рис. 6-83.
Полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа фотография мышиного макрофага, поглощающего посредством фагоцитоза два химически поврежденных эритроцита. Стрелки указывают на края клетки, участвующие в этом тонком процессе (псевдоподии), когда макрофаг как бы натягивается на эритроцит, поглощая его. (С любезного разрешения Jean Paul Revel.)

422
Рис. 6-84.
Электронная микрофотография нейтрофила, поглощающего посредством фагоцитоза бактерию, которая находится в процессе деления.
(С любезного разрешения Dorothy F. Bainton.) ных микроорганизмов. К тому же макрофаги могут узнавать и поглощать старые и разрушенные клетки, но о рецепторах, участвующих в этих процессах, практически ничего неизвестно.
6.5.15. Фагоцитоз - это локальная ответная реакция, осуществляющаяся путем «застегивания» мембраны по принципу застежки-
молнии [51]
Эритроциты можно обработать таким образом, что они будут связываться на поверхности макрофагов, но не подвергнутся фагоцитозу.
Если адсорбировавшим их макрофагам предоставить затем возможность осуществить фагоцитоз бактерий, окруженных антителами, то будут поглощаться лишь бактерии, а эритроциты, даже расположенные в непосредственной близости от места активного фагоцитоза, не будут захватываться. Это говорит о том, что фагоцитоз, как и индуцируемый экзоцитоз тучных клеток (см. разд. 6.5.2), представляет собой локальную ответную реакцию участка плазматической мембраны и лежащих под ней цитоплазматических структур.
Если макрофаг связывается с клетками-мишенями, равномерно покрытыми антителами, он поглощает такие клетки. Однако если молекулы антител сосредоточены в результате кэппинга на одном полюсе клетки (см. разд. 6.5.13), то плазматическая мембрана макрофага сближается с поверхностью клетки-мишени только на участке кэпа, и фагоцитоз не происходит (рис. 6-85). Отсюда следует, что первоначального взаимодействия покрытых антителами клеток с F
с
-рецепторами, расположенными на поверхности макрофага, недостаточно для того, чтобы вызвать поглощение этих клеток. Связывание клетки-мишени с макрофагом лишь индуцирует постепенно распространяющийся процесс соединения мембран, для осуществления которого требуется непре-

423
Рис. 6-85.
Схема эксперимента, свидетельствующего о том, что фагоцитоз осуществляется путем «застегивания» мембран по принципу застежки- молнии. (По Е. М. Griffin et al., J. Exp. Med., 144, 788-809, 1976.) рывный контакт рецепторов с антителами: только при этом условии поглощаемая клетка оказывается полностью окруженной фагосомой. Это свидетельствует о том, что фагоцитоз происходит путем «застегивания» мембраны с помощью механизма, действующего наподобие застежки- молнии.
Ни механизм инициации поглощения при связывании антител с F
c
-рецепторами, ни природа движущих сил, увеличивающих размеры псевдоподий, неизвестны. Однако псевдоподии накапливают актин и актин-связывающие белки, а цитохолазин (препарат, препятствующий полимеризации актина) ингибирует фагоцитоз. Это наводит на мысль об актин-зависимости механизма увеличения размеров псевдоподий.
Поскольку на цитоплазматической поверхности фагосом, образующихся в макрофагах, иногда присутствует клатрин, вполне вероятно, что он играет определенную роль не только в пиноцитозе, но и в фагоцитозе. Эти две формы эндоцитоза, однако, четко различаются, поскольку цитохолазин не ингибирует пиноцитоз.
Каким образом псевдоподии, захватившие частицы, сливаются по краям, образуя фагосому? Этот вопрос опять возвращает нас к фундаментальным проблемам, которых мы кратко касались вначале нашего рассмотрения экзоцитоза и эндоцитоза.
6.5.16. Слияние мембран при экзоцитозе и эндоцитозе, вероятно, катализируется специальными белками слияния [52]
Слипание бислоев
и объединение бислоев представляют собой последовательные этапы слияния мембран. Это фундаментальные клеточно-мембранные процессы, происходящие не только при экзоцитозе и эндоцитозе, но также и при делении или слиянии клеток (рис. 6-86). Ни в одном из этих случаев механизм слияния мембран пока не понят, однако несколько интересных выводов можно сделать из анализа слияния некоторых вирусов, обладающих мембранной оболочкой, с клетками при инфекции. Клеточные мембраны никогда не сливаются самопроизвольно.
Для того чтобы мембраны слились, необходимо, чтобы молекулы воды были вытеснены взаимодействующими липидными бислоями, которые бы сблизились до расстояния 1,5 нм между собой. Процесс этот энергети-

424
Рис. 6-86.
Слияние мембран (включает два этапа: слипание бислоев и их объединение), происходящее при делении и слиянии клеток. В природе слияние клеток наблюдается в процессе оплодотворения (слияние сперматозоида с яйцеклеткой), а также при образовании многоядерных клеток скелетных мышц (слияние миобластов). чески очень невыгоден. Поэтому весьма вероятно, что слияние всех мембран в клетках катализируется специальными белками слияния. Пока такие клеточные белки непосредственно не идентифицированы, однако известно, что у вирусов белки слияния играют ключевую роль в проникновении мембраносодержащих вирусов (т. е. имеющих мембранную оболочку на основе липидного бислоя) внутрь инфицируемой ими клетки (см. разд.
8.9.5). Такие вирусы, как вирус гриппа, например, проникают в клетку путем опосредуемого рецепторами экзоцитоза и попадают в эндосомы. При низком рН в эндосоме активируется белок слияния (фузоген), находящийся в оболочке вируса. Он катализирует слияние вирусной мембраны с мембраной эндосомы. При этом вирусная нуклеиновая кислота высвобождается в цитозоль (рис. 6-87).
Гены, кодирующие несколько вирусных белков слияния, были клонированы и затем использованы для трансфекции эукариотических
клеток в культуре. Трансфицированные клетки экспрессировали вирусные белки на поверхности мембраны. При кратковременной инкубации при
низких рН эти клетки сливались между собой, образуя гигантскую многоядерную клетку. Для наиболее изученного белка слияния из вируса гриппа
была определена трехмерная структура методом рентгеноструктурного анализа (см. разд. 8.6.12). Было показано, что при низком рН в белке
слияния индуцируются крупные конформационные изменения, приводящие к экспонированию предварительно спрятанной гидрофобной области на
поверхность белка. При этом становятся возможными его взаимодействия с липидным бислоем мембраны-мишени. По-видимому, кластер таких
гидрофобных областей, расположенных в близком соседстве друг с другом в молекуле белка слияния, приводит два липидных бислоя в тесное
соприкосновение и дестабилизирует их так, что бислои сливаются (рис. 6-87).
Рис. 6-87.
Схема, показывающая, как белки слияния, имеющиеся на поверхности многих вирусов с мембранной оболочкой, катализируют слияние вирусной и эндосомной мембран. Вирусы проникают в клетку путем опосредуемого рецепторами эндоцитоза и попадают в эндосомы; низкий рН внутри эндосом активирует белок, катализирующий слияние мембран. Это позволяет вирусному капсиду высвободиться в цитозоль, где нуклеиновая кислота вируса может реплицироваться.

425
Заключение
Большинство клеток секретируют и поглощают макромолекулы в процессе соответственно экзоцитоза и эндоцитоза. При экзоцитозе
содержимое транспортных или секреторных пузырьков высвобождается во внеклеточное пространство, когда они сливаются с плазматической
мембраной. При эндоцитозе процесс идет в обратной последовательности: локальные участки плазматической мембраны впячиваются и
замыкаются, образуя эндоцитозный пузырек. Большинство частиц, поглощенных при эндоцитозе, попадает затем в лизосомы, где они
подвергаются деградации. Как экзоцитоз, так и эндоцитоз бывают конститутивными и индуцируемыми в ответ на внеклеточные сигналы.
Большинство клеток непрерывно осуществляет эндоцитоз фрагментов своей плазматической мембраны и затем возвращает их
обратно на клеточную поверхность в цикле эндоцитоза-экзоцитоза, опосредуемого в основном клатрин-окаймленными ямками и пузырьками.
Многие поверхностные рецепторы, связывающие специфические внеклеточные макромолекулы, локализуются в клатриновых окаймленных ямках и
как следствие поглощаются в составе окаймленных пузырьков. Этот процесс называется опосредуемым рецепторами эндоцитозом.
Окаймленные эндоцитозные пузырьки быстро теряют свою клатриновую оболочку и сливаются с эндосомами, где происходит сортировка
рецепторов и лигандов. Большинство лигандов отделяется от рецепторов внутри эндосомы и, в конечном итоге, попадает в лизосомы. А большая
часть рецепторов возвращается через транспортные пузырьки обратно на клеточную поверхность для повторного использования. Известны
комплексы рецептор - лиганд, которые проходят по другому пути из эндосомного компартмента. Иногда и рецептор, и лиганд попадают в
лизосому и деградируют. В некоторых случаях рецептор и лиганд переносятся сквозь клетку, и лиганд высвобождается на другой поверхности
клетки путем экзоцитоза. Этот процесс называется трансцитозом.
Литература
Общая
Bretscher M. S.
The molecules of the cell membrane. .Sci. Am., 253(4), 100-109, 1985.
Datta D. B.
A Comprehensive Introduction to Membrane Biochemistry. Madison. Floral., 1987.
Finean J. B. R., Coleman R., Michell R. H.
Membranes and Their Cellular Functions, 3rd rd. Oxford, Blackwell, 1984.
Singer S. J., Nicolson G. I.
The fluid mosaic model of the structure of cell membranes. Science, 175, 720-731, 1972.
Veagle P.
The Membranes of Cells. Orlando, Academic, 1987.
Цитируемая
1. Branton D. Fracture faces of frozen membranes. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 55, 1048-1056, 1966.
Ceve G., Marsh D.
Phospholipid Bilayers: Physical Principles and Models. New York., Wiley, 1987.
Gorter E., Grendel F.
On bimolecular layers of lipoids on the chromocytes of the blood. J. Exp. Med.,