7.5. Пиноцитоз и фагоцитоз
И наконец, следует отметить попадание в клетку веществ с помощью пиноцитоза и фагоцитоза. Транспортные белки (переносчики, АТФазы) способствуют проникновению через клеточные мембраны многих полярных молекул небольшого размера, однако они не способны транспортировать макромолекулы, например белки, полинуклеотиды, полисахариды, а также твердые частицы. Тем не менее в большинстве клеток указанные вещества проходят в обоих направлениях через плазматические мембраны. Механизмы, с помощью которых осуществляются эти процессы, сильно отличаются от механизмов, опосредующих транспорт небольших молекул и ионов. При переносе макромолекул или твердых частиц происходит инвагинация (впячивание) мембраны с последующим образованием пузырьков (везикул). Например, для того чтобы секретировать инсулин, клетки, индуцирующие этот гормон, упаковывают его во внутриклеточные пузырьки, которые сливаются с плазматической мембраной и отрываются во внеклеточное пространство, высвобождая при этом инсулин. Подобный процесс называется экзоцитозом. Во всех эукариотических клетках имеются и другие пузырьки, переносящие посредством аналогичного процесса от аппарата Гольджи к плазматической мембране новосинтезируемые компоненты.
Клетки способны также поглощать макромолекулы и частицы и в обратном направлении. Этот процесс называется эндоцитозом (внутрь клетки).
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, требуют дальнейшего изучения.
Тем не менее каждый пузырек сливается только со специфическими мембранными структурами, что гарантирует правильный перенос макромолекул и их распределение между внеклеточным пространством и внутренностью клеток.
В эукариотических клетках секреция макромолекул и твердых частиц почти всегда происходит за счет экзоцитоза. Одни секретируемые молекулы адсорбируются на поверхности клетки и становятся частью клеточной оболочки, другие включаются в межклеточный матрикс, а третьи попадают в интерстициальную жидкость и (или) в кровь, где они служат для других клеток в качестве питательных веществ или каких-то сигналов.
Оба процесса – и экзоцитоз, и эндоцитоз – представляют собой локальные ответные реакции плазматической мембраны и находящейся под ней цитоплазмы.
Пиноцитоз подразделяется на несколько этапов:
1) адсорбция на мембране молекул вещества; 2) впячивание или выпячивание (инвагинация) мембраны, образование пиноцитозного пузырька 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 мембранах, последние делят на четыре типа.
К первому типу относят мембраны, через которые транспорт веществ осуществляется путем простой диффузии, а скорость переноса прямо пропорциональна разности концентраций по обеим сторонам мембраны. Они препятствуют прохождению ионов и пропускают нейтральные молекулы. Через такие мембраны быстрее всего диффундируют молекулы веществ с высоким коэффициентом распределения в системе масло–вода, т. е. веществ, обладающих выраженными липофильными свойствами.
Мембраны второго типа характеризуются наличием в них специфического 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. Из-за малой толщины мембраны при связывании молекул снаружи и высвобождения внутри клетки переносчик может испытывать лишь незначительные конформационные изменения, поэтому даже простого изменения заряда может оказаться достаточным для того, чтобы молекула высвободилась.
Иллюстрацией может служить транспорт глюкозы в эритроциты человека. Показано, что кроме Д-глюкозы, переносчик транспортирует Д-маннозу, Д-ксилозу, несколько менее активно Д-арабинозу, а также некоторые синтетические неметаболизирующиеся сахара. Для фруктозы, например, существует свой переносчик.
Особый интерес представляет облегченная диффузия в клетку молекулы холина. Простая диффузия ионизированной гидрофильной молекулы 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, иллюстрирующими проницаемость мембран третьего типа, могут служить: а) транспорт Na+ и K+ в клетки млекопитающих, перенос Н+ и K+ 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, сахаров и аминокислот; г) накопление ионов йода щитовидной железой; д) накопление K+, Na+, Са2+ и Mg2+ против градиента электрохимического потенциала в митохондриях.
Часто мембраны второго и третьего типов бывают вкраплены в мембрану первого типа.
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 изученных примеров мембран четвертого типа представлен почечным клубочком в капсулах Боумана. Клубочки пропускают все молекулы, меньшие по размеру, чем молекулы альбумина (ОММ 70000). Размеры пор составляют 3 нм, и инсулин (ОММ 5000), например, проникает в них с легкостью.
Мембраны четвертого типа встречаются в основном в капиллярах млекопитающих и в паренхиме почек
Таким образом, можно отметить, что наличие определенных транспортных систем определяет и структурно-функциональные особенности биологических мембран различных клеток.