1.3. Функциональные системы клетки

Процессы поглощения и выделения

!Клетка способна поглощать вещества путем диффузии, активного транспорта, а также эндоцитоза (пиноцитоза либо фагоцитоза); распад веществ (переваривание) осуществляют лизосомы.

Транспорт веществ. Чтобы жить, расти и размножаться, клетка должна получать из жидкой окружающей среды питательные вещества и другие соединения. Большинство соединений проникают через клеточную мембрану посредством диффузии или активного транспорта.

Диффузия — процесс, при котором вещество мигрирует в направлении более низкой его концентрации, т. е. со снижением энергии (упрощенное определение). Это может происходить с помощью белков мембранных пор (белков-перено- счиков) или в случае жирорастворимых соединений путем перехода через липидный матрикс. Активный транспорт — так называется передвижение вещества в направлении более высокой его концентрации, т. е. с повышением энергии (упрощенное определение). Возможный механизм — перенос вещества через плазматическую мембрану (или мембраны других структур: лизосом, эндоплазматического ретикулума, ядра

ит. д.) с помощью специфических интегральных мембранных белков (насосов) с затратой энергии (АТФ, ГТФ и т. д.). Такие транспортные механизмы пригодны в основном для неорганических ионов (Na+, K+, Ca2+, Cl–, HCO3 и т. д.)

идля мелких органических молекул массой менее 100 кДа (например, глюкозы).

Эндоцитоз. Для проникновения в клетку круп-

ных частиц необходим их полный охват (окаймление) клеточной мембраной. Этот процесс называется эндоцитозом (рис. 1.9). Существует два типа эндоцитоза.

Пиноцитоз — поглощение очень мелких белковых молекул, которое постоянно происходит в большинстве клеток, но с наиболее высокой частотой — в специализированных клетках. Пример — макрофаги, в которых каждую минуту отпочковывается ~3% плазматической мембраны для получения внеклеточных соединений. Пиноцитозные везикулы достигают размеров не более 100–200 нм. Их можно визуализировать с помощью электронной микроскопии целой клетки (с высоким оптическим разрешением) либо методом флуоресцентной микроскопии (с низким оптическим разрешением) в живой клетке.

Фагоцитоз — поглощение очень крупных структур (бактерий, целых клеток, отмерших тканей

и т. д.). К фагоцитозу способны лишь немногие клетки, а именно тканевые макрофаги и некоторые виды лейкоцитов крови. Бактерия или мертвая клетка сначала прикрепляется к специфическому мембранному рецептору фагоцита. Что касается бактерий, то их поверхность уже несет на себе антитела, которые служат «молекулярным посредником», обеспечивая соединение с клеточной поверхностью фагоцита. Это явление называют опсонизацией. Далее процесс идет так же, как при пиноцитозе (см. выше).

Лизосомы. Как только в результате пиноцитоза, эндоцитоза или фагоцитоза везикулы отпочкуются от клеточной мембраны и станут свободно перемещаться в цитоплазме, к ним прикрепляются везикулы лизосом (рис. 1.9). Те и другие везикулы сливаются, их содержимое смешивается. Жидкость внутри лизосом имеет кислую реакцию (вследствие высокой концентрации свободных протонов) и богата гидролазами. Оказавшись в объединенной везикуле, белки, углеводы, жиры и другие соединения перевариваются. При этом образуются низкомолекулярные метаболиты — аминокислоты, глюкоза и жирные кислоты, которые диффундируют из везикулы в цитоплазму и могут включаться в дальнейшие процессы клеточного обмена веществ. В зависимости от типа клетки и ее активности метаболиты либо расщепляются с освобождением энергии (в случае АТФ), либо входят в состав новых макромолекул (синтез белка), либо преобразуются в гликоген и нейтральные жиры

споследующим их запасанием.

Ворганизме часто наблюдается сжимание тканей. Речь не идет о такой ситуации, когда человек с излишней массой тела пытается с помощью специальной диеты нормализовать содержимое жировых клеток. В данном случае имеется в виду, на-

Аутофагия Аутофагосома

Рис. 1.9. Переваривание в лизосомах. Представлены три пути внутриклеточного переваривания материала различного происхождения: фагоцитоз бактерии, автофагия дефектной митохондрии и эндоцитоз макромолекул из внеклеточного пространства. (По данным: Alberts, Bray, Lewis, 2002.)

пример, послеродовое сокращение размеров матки, атрофия миокарда и скелетной мускулатуры вследствие прекращения тренировок, уменьшение молочных желез по окончании периода лактации и т. д. Нет сомнений, что к сжиманию тканей причастны лизосомы, хотя все механизмы пока не выяснены (см. 1.3). Кроме того, лизосомы осуществляют элиминацию поврежденных клеток в живой ткани. Высокие и низкие температуры, механические травмы, ионизирующие излучения, химические вещества и другие воздействия (в том числе пока неизвестные) вызывают разрыв лизосом. Высвободившиеся из них гидролитические ферменты сразу начинают переваривать органические соединения. Если при этом переваривается собственная клетка, процесс называют автолизом. Клетка полностью уничтожается и при необходимости замещается другой в результате митотического деления соседней клетки.

В лизосомах также присутствуют бактерицидные вещества, которые могут уничтожать фагоцитированные бактерии раньше, чем те причинят вред. Лизоцим растворяет мембрану бактериальной клетки, лизоферрин связывает железо, необходимое для роста бактерий, а вследствие низкого pH (pH 5) в лизосомах активируются гидролазы и одновременно прекращается метаболизм бактерий.

1.3. Липидозы и гликогенозы

Известны патологии (болезни накопления липидов и гликогена), обусловленные генетическими мутациями лизосомных ферментов. При этом лизосомы не способны разрушать поступившие в клетки и аккумулированные там липиды или гранулы, состоящие из крупных разветвленных молекул гликогена. В результате в клетках различных органов скапливаются большие количества липидов и гликогена. Такие заболевания, редко рассматриваемые как нозологическая группа, имеют следующие названия:

•болезнь Гирке (гликогеноз),

•болезнь Ниманна—Пика (сфингомиелиноз),

•болезнь Тея—Сакса (GM2-ганглиозидоз — накопление церамидов),

•холестериновый гранулематоз (накопление хо-

лестерина).

Болезни накопления часто приводят к повреждениям нервной системы, печени (набухание, гипертрофия печени), системы кроветворения (анемия), кожи (ксантома) и костей (остеолиз).

В настоящее время применяется только симптоматическое лечение.

Динамика мембран

!Эндоплазматический ретикулум и аппарат Гольджи — это протяженные мембранные сети. Они транспортируют необходимые для мембран компоненты, благодаря которым мембраны быстро адаптируются к новым запросам.

Транспорт белков. Из-за множества рибосом поверхность ЭР выглядит в электронном микроскопе покрытой точками (гранулярный, или шероховатый, ЭР). На рибосомах мембран ЭР осуществляется синтез белков. Вновь синтезированные белковые молекулы переносятся в полость ЭР. Небольшая часть белков поступает с рибосом непосредственно в цитоплазму.

Транспорт липидов. С помощью соответствующих ферментов на мембранах ЭР синтезируются также липиды. Рибосомы для этого не требуются, так что в данных участках ЭР остается гладким (гладкий, или агранулярный, ЭР). Синтезированные липиды растворяются в липидной фазе мембран ЭР, значительно увеличивая их поверхность. Во избежание чрезмерного расширения поверхности ЭР везикулы эндоплазматического ретикулума (ЭР-везикулы) постоянно переходят в цитоплазму, перемещаясь к аппарату Гольджи, своему следующему «месту пребывания».

Протеогликаны. Белки, поступающие от ЭР, претерпевают изменения в аппарате Гольджи. Здесь синтезируются крупные гликозаминогликаны (мукополисахариды), такие как гиалуроновая кислота и хондроитинсульфат. Эти полимеры являются основными компонентами сложных белков, обнаруживаемых в секрете желез многих эпителиев (слизистых оболочек). Далее протеогликаны выполняют важные функции в составе межклеточного матрикса. Благодаря наличию электрических зарядов и гидратных оболочек молекулы протеогликанов поддерживают для других веществ доступ в интерстициальное пространство между коллагеновыми волокнами и клетками. Наконец, протеогликаны служат главными компонентами органического матрикса хрящевой и костной ткани.

Образование везикул. Внутренняя архитектура клетки впечатляет своей высокой функциональностью (рис. 1.10). Как в хорошо спланированном доме, здесь имеются «помещения» с коридорами и дверями, что создает условия для жизненно важных коммуникаций. Белки и все остальные соединения перемещаются по системе микротрубочек от места своего синтеза, шероховатого ЭР, к области гладкого ЭР вблизи аппарата Гольджи. От гладкого ЭР постоянно отпочковываются мелкие транспортные везикулы, которые диффундируют на расстояние нескольких сотен нанометров к аппарату Гольджи. Здесь везикулы сливаются с самой нижней цистерной мембранной стопки, так что содержимое везикул изливается в просвет цистерны. Наряду с белками в цистерны попадает также небольшое количество углеводов. По мере того как смесь белков, углеводов и липидов перерабатывается в аппарате Гольджи от самых нижних слоев мембранных стопок до самых верхних слоев, молекулы белков снабжаются углеводными остатками (гликозилируются) и приобретают за-

конченную третичную структуру. Одновременно содержимое становится более компактным. Вскоре после этого обильно нагруженные везикулы отпочковываются и распределяются по клетке.

Какова скорость этих процессов? В качестве примера рассмотрим расщепляющую углеводы амилазу — фермент, секретируемый ацинарными клетками экзокринной части поджелудочной железы во внеклеточное пространство (просвет ацинуса). Синтез амилазы на рибосомах шероховатого ЭР продолжается 2–3 мин, транспорт в тубулярную систему вплоть до поступления в аппарат Гольджи происходит в течение последующих 20 мин. Еще через 1–2 ч вновь синтезированный белок появляется (в ответ на стимул) в просвете ацинуса.

Экзоцитоз. В клетках многих типов присутствуют большие количества секреторных везикул, что свидетельствует о высокой интенсивности секреции. Это не только железистые клетки, содержащие секрет, но и нервные клетки с синаптическими везикулами, нейроэндокринные клетки с гормонами, разнообразные эпителиальные клетки с поверхностноактивными веществами и клетки эндотелия,

а также клетки крови с веществами, стимулирующими процесс свертывания. Слияние секреторных везикул с плазматической мембраной, лежащее в основе механизма высвобождения клеточного содержимого, называется экзоцитозом (рис. 1.11).

Последовательные этапы экзоцитоза

Секреторная везикула приближается к плазматической мембране на расстояние до нескольких нанометров. Специфические мембранные белки секреторной везикулы и клетки сливаются благодаря локальному повышению концентрации Ca2+. В результате содержимое везикулы выделяется во внеклеточное пространство.

Процесс экзоцитоза может занимать от нескольких миллисекунд (в синапсах) до минут (в легочном эпителии и в эндотелии). Везикулы объединяются полностью или раскрываются лишь частично, затем снова «отступают» в цитоплазму.

Не все везикулы, отпочкованные от аппарата Гольджи, подвергаются слиянию. Пищеварительные ферменты лизосом высвобождаются исключительно в цитоплазму. Их содержимое никогда не выводится во внеклеточное пространство.

Далеко не всегда слившиеся везикулы отдают материал во внеклеточное пространство. В стенках многих везикул интегральные белки липидного бислоя после слияния с клеточной мембраной функционируют в качестве ее мембранных белков. Таким образом в клеточную мембрану поступают ионные каналы, переносчики и насосы. Непрерывный процесс отдачи и поступления материала (экзоцитоз—эндоцитоз) придает клетке чрезвычайную пластичность и может в самые короткие сроки обеспечивать новые функциональные запросы.

Кислотно-щелочное соотношение в везикулах (уровень pH). Содержимое везикул, участвующих в эндо- и экзоцитозе, часто имеет кислую реакцию (рН от 4,5 до 6,5). Эндоцитозные вези-

Рис. 1.10. Внутриклеточный транспорт при посредстве везикул. Участок мембраны углубляется и отпочковывается в виде везикулы либо объединяется с различными полостями, окруженными мембранами. Таким образом материал переходит в соответствующие компартменты либо усваивается

Рис. 1.11. Механизм экзоцитоза. Секреторная везикула приближается к внутренней стороне плазматической мембраны, где прикрепляется и сливается с ней. Вследствие этого ее содержимое (например, инсулин) поступает во внеклеточное пространство. Необходимое условие — присутствие в месте слияния свободных ионов Ca2+. Экзоцитоз может продолжаться микросекунды (в синапсах) или минуты (в эндотелии легких и сосудов)

кулы — это эндосомы и лизосомы. Посредством экзоцитоза образуются участки транс-отдела аппарата Гольджи (самого отдаленного от клеточного ядра) и депонирующие гранулы (которые аккумулируют катехоламины — хромаффинные гранулы или пептиды, например инсулин в гранулах эндокринного отдела поджелудочной железы). Кислая среда содержимого органелл необходима для их функционирования. Лизосомные ферменты расщепляют субстраты (макромолекулы) при оптимальном значении pH 5. Другой пример функциональной роли кислой среды в органеллах — это сохранение важнейших мембранных рецепторов от деградации. В результате эндоцитоза, опосредуемого мембранными рецепторами,

комплекс лиганд–рецептор (например, инсулин, связанный с рецептором) поступает в лизосому

ив кислой среде распадается на составные части — «лиганд» и «рецептор». Лиганд в лизосоме разрушается, тогда как рецептор «рециркулирует» в мембрану путем экзоцитоза. Таким образом один

итот же рецепторный белок способен выполнять свои специфические функции в клеточной мембране многократно.

Кислая среда содержимого секреторных гранул важна с двух точек зрения. С одной стороны, некоторые органические молекулы (например, биогенные амины) накапливаются в высокой кон-

центрации для последующего экзоцитоза только в компартментах с низким рН. С другой стороны, кислая среда часто способствует биохимической модификации обогащенных внутри органеллы макромолекул. Следовательно, в везикулах постоянно присутствуют ферменты (действующие при низких оптимальных значениях pH), которые упрощают структуру предназначенных к секреции макромолекул таким образом, что последние могут выполнять свои функции сразу после высвобождения.

Клеточные источники энергии

!АТФ — это молекулярный источник энергии; его синтез происходит в митохондриях с потреблением кислорода.

молекула состоит из азотистого основания, аденина, сахара, рибозы и трех фосфатных радикалов. Два из них связаны непрочно, и при их отщеплении высвобождается большое количество энергии (12 000 калорий на одну молекулу АТФ). Благодаря этой «валюте» с богатыми энергией связями «финансируются» (снабжаются энергией) практически все внутриклеточные метаболические процессы. АТФ высвобождает энергию при отщеплении