Химия. Навчальний посібник для студентів біологічних спеціальностей вищих навчальних закладів
 Скачать 5.37 Mb.
|
|
лігандзалежні ворітні канали). У ролі сигнальних лігандів при цьому можуть виступати позаклітинні по- середники (нейротрансмітери або нейромедіатори (нейротранс- мітерзалежні канали)), або внутрішньоклітинні посередники, напри- клад, іони (іонзалежні канали), нуклеотиди (нуклеотидзалежні кана- ли) або ГТФ-зв'язувальні регуляторні білки (G-білокрегулюючі канали). В іншому разі активація каналів може здійснюватися за рахунок зміни мембранного потенціалу (потенціалзалежні ворітні канали). Або ж канали відкриваються у відповідь на механічне розтягнення мембрани ( канали, що відкриваються механічно або механочутливі канали). Отже, канальні "ворота, відкриваються лишена короткий час і лише у відповідь на специфічні збудження мембрани. При цьому активність різних каналів може змінюватися під впливом різних факторів, у резуль- таті певних метаболічних реакцій, унаслідок фосфорилювання, за дії пе- вних токсинів і лікарських речовин. 62 Іонні канали, маючи вибіркову селективність, з одного боку, забезпе- чують підтримання внутрішньоклітинного гомеостазу, аз іншого – реалі- зуючи транспорт певних іонів лише у відповідь на дію певних сигнальних чинників, залучаються до процесів міжклітинної сигналізації. Так, нерво- ва клітина, маючи доп яти різних типів іонних каналів, за їхньою участю реалізує електричну збудливість (як і м'язові волокна) і здійснює в біль- шості випадків передачу електричних сигналів у нервовій системі. Іонні каналі виявлені не лише в електрично збудливих клітинах. Є вони в усіх тваринних клітинах, виявляються в деяких рослинних, а також у клітинах мікроорганізмів. Найпоширенішими серед них можна вважати К + - канали, виявлені в плазматичних мембранах майже всіх тваринних клітин. Оскільки для їхнього відкривання скоріш за все не потрібно спе- цифічного мембранного збудження, їх ще називають калієвими проточ- ними каналами Вони є ключовими чинниками у процесі відновлення мембранного потенціалу спокою після збуджувальної деполяризації. К- канали функціонують як транслокази за будь-якого функціонально- го стану клітини. Завдяки цьому через них повертається в позаклітинне середовище певна кількість іонів К, напрямок руху яких зумовлюється сильним концентраційним градієнтом, створеним К- насосом (див. нижче). Вихід уже відносно невеликої кількості іонів К + створює таку різ- ницю потенціалів між боками мембрани, яка врівноважує за енергією концентраційний градієнт, настає динамічна рівновага, і подальша дифу- зія іонів К + через канали зупиняється. У результаті зовнішньо- та внутрі- шньоклітинні концентрації цих іонів практично не змінюються, проте клі- тина набуває трансмембранного потенціалу. Припускають, що ці канали здатні пропускати й іони Na + , хоч і з меншою швидкістю, ніж іони К + Na + - канали. Ці канали виявлені лише в мембранах, здатних до збу- дження: у плазмолемі нервових клітин, м'язових волокон, сперматозоїдів, сенсорних клітин органів чуття тощо. Відкриття цих каналів у будь-якій ділянці мембрани індукується зни- женням (за модулем) трансмембранного потенціалу даної ділянки. Таке зниження потенціалу, як правило, є наслідком збудження сусідньої ділянки мембрани. Виключення становлять світлочутливі клітини сітківки ока, тут при збудженні Na + - канали закриваються. Через відкриті канали іони Na + переносяться всередину клітини (чи волокна) за електрохімічним градієнтом. Таким чином ззовні знижу- ється надлишок позитивних зарядів, що створюється калієвими каналами. Тому різниця потенціалів (за модулем) знижується ще більше, що індукує відкриття ще закритих натрієвих каналів. Процес посилюється сам по собі й швидко розвивається. Са 2+ - канали. Активація кальцієвих каналів здійснюється за участю рі- зних механізмів залежно від типу каналу існують лігандзалежні, потенці- алзалежні та механочутливі Са 2+ - канали. При їх відкритті іони Са 2+ швид- ко надходять у цитозоль, різко збільшуючи свою локальну концентрацію та активуючи чутливі до них клітинні механізми. Потік іонів кальцію, 63 спрямований за ступеневим градієнтом у відповідь на зовнішні сигнали, є одним із засобів передачі сигналів через плазматичну мембрану. Це робить зрозумілим той факт, що концентрація вільних іонів Са 2+ зростає короткочасно: для підтримання чутливості такого сигнального механізму концентрація Са 2+ у цитозолі повинна підтримуватися надо- сить низькому рівні та в разі її сигнал-індукованого зростання швидко й ефективно повертатися до початкового рівня. Відновлення "базової" концентрації іонів кальцію забезпечується системами відкачування Са 2+ з цитозолю специфічними Са 2+ - насосами, такими як Na + /Ca 2+ - антипорт. Напрям руху кальцію через Na + /Ca 2+ - антипорт (котранспортну систему, в якій транспортування іонів водному напрямку залежить від перенесення іонів у протилежному) може бути спрямованим як усередину клітини, так і ззовні, залежно від градієнта іонів тому активність цього насоса частково залежить від Na + /K + - насоса, що є головним чинником у підтриманні градієнта іонів див. нижче)). Однією з головних властивостей Na + /Ca 2+ - насоса є його здатність сприяти відновленню внутрішньоклітинної концентрації кальцію після нейронної деполяризації. Після деполяризації плазматичної мем- брани клітини, зумовленої підвищенням внутрішньоклітинної концентра- ції Na + , початковий потік кальцію через цей антипорт буде спрямований усередину клітини, тоді як після реполяризації, чому сприяє функціону- вання Na + /K + - насоса, потік іонів Са 2+ спрямовується назовні. Са 2+ - АТФаза, специфічний ензим плазматичної мембрани, який скла- дається з одного єдиного поліпептиду, що здійснює спряжене з гідролізом АТФ відкачування іонів Са 2+ з цитозолю, також залучений до механізму підтримання кальцієвого гомеостазу в клітині. Висока активність АТФази частково регулюється кальмодуліном, цитозольним кальційзв'язуваль- ним білком з високим ступенем спорідненості з іонами Са 2+ . Кальмодулін можна вважати внутрішньоклітинним рецептором для цих іонів, він бере участь у більшості процесів, які ними регулюються. Активний транспорт. Цей вид мембранного транспорту здійснюється за участю спеціального транспортного білка-переносника – транслокази. На відміну відполегшеної дифузії, до реалізації якої залучені також спе- цифічні білки-транспортери, активний транспорт відбувається проти гра- дієнта концентрації речовини, що транспортується. Таке перенесення розчинної молекули через мембрану потребує затрати енергії, а це означає, що транспортна система має здійснювати і енергетичне забезпечення. Проблема енергозабезпечення активного транспорту може вирішува- тися декількома шляхами. По-перше, спряженням перенесення речовини з реакцією, що забезпечує виділення енергії, наприклад, гідролізом АТФ. При цьому сама транслоказа може мати АТФазну активність (яку випадку Са 2+ - насосав цистернах саркоплазматичного ретикулума м'язових волокон. Або ж гідроліз АТФ здійснює більш складна послідовність реакцій, спряже- них з перенесенням речовини. У першому, а особливо у другому випадках механізм фосфорилювання, будучи достатньо складним, ретельно контро- 64 люється. До його здійснення залучається низка окремих мембранних білків, а також донор високоенергетичного фосфату (фосфоенолпіруват). У плазматичних мембранах аеробних бактерій, у внутрішніх мембранах мітохондрій і тилакоїдних мембранах хлоропластів джерелом енергії для активного транспорту слугує також окисно-відновний процес. Так, у мітохондріях під час переміщення електронів по так званому дихальному ланцюгу (ланцюгу ферментних комплексів на внутрішньому боці внутрі- шньої мітохондріальної мембрани) вивільнюється енергія, яка викорис- товується для транспорту Н + через внутрішню мембрану мітохондрії (тобто для відкачування протонів з матриксу в міжмембранний простір). Створений таким чином протонний градієнт дає необхідну енергію для наступного синтезу АТФ специфічними ферментами АТФсинтетазами. Останні, як і транспортні АТФази, здатні працювати в обох напрямках залежно від умов або гідролізувати АТФ і качати Н + через мембрану в міжмембранний проміжок, або синтезувати АТФ при проходженні протоку протонів через молекули ферментів у зворотному напрямку. Прикладом використання сонячного світла як джерела енергії у процесі активного транспорту є фотоактивуючий протонний насосу. Певна ділянка плазмолеми ("пурпурна мембрана) бактерій Holobacterium halobium містить молекули одного білка – бактеріородопсину, кожна молекула якого також містить одну поглинаючу світло простетичну групу або хромофор (який називають ретиналем Ця простетична група, поді- бна до вітаміну А та ідентична хромофору, виявленому в родопсині пали- чок сітківки ока у хребетних, ковалентно зв'язана з бічним ланцюгом лізину у специфічному білку. При активації світлом збуджений хромофор викли- кає конформаційні зміни в білку, у результаті чого два протони перено- сяться з внутрішньої поверхні клітини на зовнішню. Унаслідок такого пере- несення в клітині виникає електрохімічний (протонний) градієнт, який за- безпечує синтез АТФ за допомогою АТФсинтетази плазматичної мембрани. Принципово іншим підходом у розв'язання проблеми енергозабезпе- чення активного транспорту через мембрану можна вважати спряження перенесення певної речовини Х (проти градієнта концентрації) з пасив- ним перенесенням іншої речовини Y (за градієнтом її концентрації). У цьому випадку вивільнення енергії під час переміщення речовини Y повинно переважати затрати енергії на переміщення речовини Х. Такий підхід може реалізуватися такими шляхами по-перше, шляхом симпорту: обидві речовини переносяться транслоказою в один бік. Молекули Y дифундують (полегшена дифузія) за градієнтом своєї концентрації й "тягнуть" за собою сполуку Х. Прикладам такої транспортної "співдружності" може бути реабсорбція глю- кози в канальцях нирок, яка проникає в епітеліальну клітину шляхом симпорту з іонами натрію; подруге, шляхом антипорту: речовини переносяться транслока- зою у протилежних напрямках (молекула Y обмінюється на молекулу Х. Так, майже всі клітини хребетних мають у складі своєї плазмолеми 65 Na + /Н + - переносник-обмінник, який відіграє ключову роль у підтриманні внутрішньоклітинного рівня рН (як правило, на рівні 7,1–7,2). Цей пере- носник забезпечує спряження вивільнення в позаклітинне середовище шляхом полегшеної дифузії іонів Н + (видаляється надлишок іонів Н, утво- рених у результаті клітинних реакцій окиснення) з енергетично ємним (ак- тивним) транспортом іонів до внутрішньоклітинного середовища. Робота Н- обмінника регулюється рівнем рН: при його зростанні він інактивується, при зниженні – активність обмінника збільшується. Регуля- ція зумовлена процесом зв'язування іонів Н + з регуляторною ділянкою об- мінника, локалізованою на цитоплазматичному боці плазматичної мем- брани. Н- обмінник залучається не лише до підтримання внутрішньоклі- тинного рівня рН (що є життєво важливим для клітини), але й до складних процесів перетворення зовнішньоклітинних сигналів на внутрішньоклітинні. Слід підкреслити, що в еукаріотів антипорт, подібний до Н- обмін- ника, досить рідко використовується як засіб енергозабезпечення трансме- мбранного перенесення. Поширенішою є система, в якій шляхом антипорту одразу обидві речовини транспортуються проти градієнтів своїх концентра- цій. Джерелом енергії при цьому є АТФ. Прикладом може слугувати К- насос, виявлений у плазматичних мембранах практично всіх тварин. Na + /К + - АТФаза активно качає іони Na + назовні, а іони К+ усередину клітини проти їхніх електрохімічних градієнтів: при гідролізі всередині клітини кожної молекули АТФ три іони Na + викачуються з клітини і два іони К + накачуються у клітину. К- насос є інтегральним глікопротеїном, що складається з чоти- рьох субодиниць – двох по 95000 Да) і двох по 40000 Да, при цьому останні локалізовані на зовнішньому боці мембрани й саме вони пов'яза- ні з олігосахаридними ланцюгами. Завдяки діяльності цього комплексу створюється різко асиметричний розподіл іонів між позаклітинним і внут- рішньоклітинним середовищем: концентрація іонів Na + значно вище поза клітиною, а іонів К усередині, що є необхідним для реалізації життєво важливих клітинних процесів. Так, створений насосом градієнт іонів Na + регулює об'єм клітини за рахунок осмотичних ефектів, транспорт вугле- водів та амінокислот в клітину, забезпечує поширення потенціалу дії у електрично збуджувальних нервових клітинах тощо. Тому не дивно, що майже третина всієї енергії, необхідної для життєдіяльності тваринної клітини, витрачається саме на роботу цього насоса. К- насос може працювати і в протилежному напрямку, забезпе- чуючи синтез АТФ.Якщо градієнти концентраційіонів і К + збільшити так, що енергія їхніх електрохімічних градієнтів буде вищою за хімічну ене- ргію гідролізу АТФ, то іони будуть проходити крізь мембрану за їхнім елек- трохімічним градієнтом, а АТФ синтезуватиметься з ортофосфату й AДФ. Везикулярний транспорт. Особливість структурної організації мембра- ни, специфіка її хімічного складу забезпечує здійснення ще одного, принци- пово відмінного від попередніх, типу транспорту речовин через мембрану. Пакуючись особливим чином у мембранний пухирець (везикулу, речовина здатна перетинати мембрану в результаті здійснення специфічних цитозів. 66 Ендоцитоз. Ендоцитоз – це везикулярне захоплення рідини, макромолекул або невеликих часток у клітину. Можна виділити, як мінімум, три механі- зми ендоцитозу: піноцитоз, або клатриннезалежний ендоцитоз, рецепторно- опосередкований ендоцитоз, або клатринзалежний ендоцитоз, фагоцитоз. Піноцитоз є конститутивним процесом, який забезпечує перенесен- ня речовин рідинної фази позаклітинного середовища: води, дрібних молекул, розчинних білків. На поверхні клітини формуються дрібні інвагіна- ції, які перетворюються на піноцитозні пухирці а після відщеплення уже всередині клітини) зливаються з утворенням первинних (ранніх) ен- досом. Інколи пухирці, що формуються, є великими макропіноцитозними утвореннями, які створюють складчастість мембрани. Процес піноцитозу може бути досить інтенсивним: у деяких клітинах до 100 % плазматичної мембрани поглинається і відновлюється протягом години. З часом утворені ранні ендосоми (периферійні) зміщуються у глиб клітини та зливаються з первинною власне лізосомою (перинуклеарною) з утворенням вторинної власне лізосоми гетерофагічного типу (які інколи називають пізніми ендосомами, або мультивезикулярними тільцями). Рецепторно-опосередкований ендоцитоз є специфічним проце- сом перенесення молекул, до якого залучаються специфічні поверхневі рецептори. Розташування рецепторів у мембранах різних клітин і характер їхнього зв'язування з певними речовинами є вибірковими, тож рецеп- торно-опосередкований ендоцитоз забезпечує вибіркове зв'язування молекулу позаклітинному розчині. При цьому, якщо специфічний рецептор після зв'язування ліганду й поглинання не повертається до плазмолеми, то клітина стає рефрактерною до цього ліганду. Рецепторно-опосередкований ендоцитоз є принципово відмінним від звичайного піноцитозу й фагоцитозу. Цим шляхом у клітину надходять речовини двох функціонально різних груп. Перша – це ліпопротеїни ни- зької щільності, транспортні білки, які доставляють поживні речовини, білок трансферрин, що транспортує залізо тощо. До другої групи молекул належать фактори росту, у тому числі тромбоцитарний і епідер- мальний, інсулін та деякі з цитокінів. Початкові етапи процесу ендоцитозу для молекул обох груп є однако- вими. Лігандзв'язувальні рецептори накопичуються у специфічних, невеликих за розміром поглибленнях плазмолеми – облямованих ямках – вкритих з боку цитозолю клатрином, після чого ямки формують обля- мовані пухирці. Клатринова оболонка пухирця відділяється, вивільне- ний клатрин повертається до плазматичної мембрани, а оголений пухи- рець (первинна ендосома) зливається з перинуклеарною ендосомою з утворенням наприкінці мультивезикулярного тільця. Транспортування молекул другої групи має принципову відмінність, пов'язану з тим, що процеси, які проходять зі зв'язуванням ліганду з рецептором, спричинюють клітинну відповідь. А отже, їхній ендоцитоз не- обхідний для видалення їхніх власних рецепторів з поверхні плазмолеми та зменшення здатності клітин відповідати на ліганд. 67 Слід зауважити, що деякі рецептори не рухаються до облямованих ямок до зв'язування з лігандом. Так, епідермальний фактор росту вне- зв'язаному стані дифузно розподіляється по поверхні клітини. Після утворення ж комплексу ліганд – рецептор, він швидко рухається до об- лямованої ямки й поглинається. Навпаки, інколи незв'язані рецептори рухаються до утвореної ямки і поглинаються без зв'язування з лігандом. Це характерно для рецепторів транспортних молекул, таких як ліпопро- теїни низької щільності, трансферрин, сіалоглікопротеїн тощо. І нарешті, фагоцитоз визначається як поглинання клітинами відносно великих (до 0,5 мкм) часток за допомогою клатриннезалежного, актинза- лежного механізму. Він запускається при взаємодії молекул часток з повер- хневим рецептором клітини. Фагоцитоз характерний і для одноклітинних, і для багатоклітинних організмів. Він є ключовим механізмом захисту органі- зму-хазяїна від мікроорганізмів, механізмом загоєння ран і оновлення тканин при їхньому старінні чи пошкодженні, механізмом захисту мікроорганізмів від прямої руйнівної дії антитіл і білків комплементу та цитотоксичних клітин. Фагоцитозу ссавців здебільшого здійснюється клітинами трьох типів: нейтрофілами, моноцитами й макрофагами. На поверхні цих клітин ви- явлені спеціальні рецептори, призначені для розпізнання неантигензв'я- зувальної ділянки імуноглобулінів або інших молекул, які належать до імунної системи організму-хазяїна, і проведення процесу фагоцитозу. Антитіла й білки комплементу в плазмі оточують поверхню клітини мікро- організму (цей процес має назву опсонізації), що й спричинює її зв'язу- вання з рецептором фагоциту й сам фагоцитоз. Крім згаданих "профе- сійних " фагоцитів, деякі інші клітини також здатні до фагоцитозу, напри- клад, епітеліоцити й фібробласти. Останні, не маючи поверхневих реце- пторів професійних макрофагів, використовують для зв'язування рецеп- тори для білків позаклітинного матриксу – фібронектину, ламініну тощо. Поглинання опсонізованих часток здійснюється за механізмом блис- кавки: частка спочатку зв'язується з першим (Fc) рецептором на поверхні фагоциту, після чого здійснюється послідовне з'єднання з іншими поверх- невими рецепторами клітини, що й призводить до утворення фагосоми. Поглинуті фагосоми, зливаючись під плазматичною мембраною, утворюють ранні (периферійні) ендосоми. В їхній порожнині рН дорівнює 6,0, що призводить до розриву зв'язку між лігандом і рецептором. Рецеп- тори при цьому можуть відділятися й шляхом везикулярного транспорту повертатися до плазматичної мембрани, або разом з лігандом перетрав- люватися в перинуклеарній ендосомі. Однак деякі з комплексів ліганд–рецептор при зниженому рН не роз- падаються, а відокремлюються в окремі пухирці, які зливаються потім з іншими внутрішньоклітинними мембранами або певними ділянками плазмолеми. Цей процес назвали трансцитозом, він є специфічним механізмом транспортування певних екзогенних молекул до різних міше- ней усередині клітини або їхнього переміщення від одного шару клітин до інших у тканинах. При трансцитозі ні ліганд, ні рецептор не руйнуються, вивільнений наприкінці рецептор повертається до вихідної точки за |