Эндоцитоз и экзоцитоз: механизмы везикулярного транспорта в клетке

В дополнение к диффузии и опосредованному транспорту клетки используют альтернативные пути переноса веществ, не требующие прохождения молекул через структурную матрицу плазматической мембраны. При электронно-микроскопическом исследовании часто наблюдается, как участки плазматической мембраны сворачиваются внутрь, образуя небольшие карманы, которые впоследствии сужаются, формируя внутриклеточные, связанные с мембраной пузырьки, содержащие объем внеклеточной жидкости. Этот фундаментальный процесс называется эндоцитозом (рис. 4.20). Обратный механизм — экзоцитоз — возникает, когда связанные с цитоплазматической мембраной пузырьки сливаются с плазматической мембраной, высвобождая свое содержимое во внеклеточное пространство.

Рис. 4.20. Эндоцитоз и экзоцитоз: схематическое изображение процессов интернализации и секреции везикул

Эндоцитоз. В эукариотических клетках происходят три распространенных типа эндоцитоза: пиноцитоз («выпивание клеток»), фагоцитоз («поедание клеток») и рецепторно-опосредованный эндоцитоз (рис. 4.21). Каждый механизм выполняет определенные физиологические функции и задействует различные молекулярные механизмы. Понимание этих процессов важно для усвоения питательных веществ, защиты от патогенов и поддержания мембранного гомеостаза.

Рисунок 4.21. Пиноцитоз, фагоцитоз и эндоцитоз, опосредованный рецепторами: (а) при пиноцитозе растворенные вещества и вода неспецифически попадают в клетку; (б) при фагоцитозе псевдоподии поглощают бактерии или остатки клеток; (в) при рецептор-опосредованном эндоцитозе лиганд связывается с рецептором, запуская эндоцитоз через покрытые клатрином везикулы

Пиноцитоз. При пиноцитозе, также называемом жидкостным эндоцитозом, эндоцитозная везикула неспецифически захватывает небольшой объем внеклеточной жидкости. Этому процессу недостает молекулярной селективности, поскольку везикула просто поглощает водную среду вместе с любыми присутствующими растворенными веществами, включая ионы, питательные вещества и другие мелкие внеклеточные молекулы. Крупные макромолекулы, целые клетки и клеточный мусор обычно не попадают в клетки путем пиноцитоза. Этот путь подходит в первую очередь для отбора проб внеклеточной среды и получения растворенных питательных веществ.

Фагоцитоз. Во время фагоцитоза клетки поглощают бактерии или крупные частицы, такие как клеточный мусор из поврежденных тканей. В этом варианте эндоцитоза отростки плазматической мембраны, называемые псевдоподиями, сворачиваются вокруг поверхности частицы-мишени, полностью окружая ее перед интернализацией. Псевдоподии, содержащие поглощенный материал, впоследствии сливаются, образуя крупные пузырьки, известные как фагосомы, которые внедряются в клетку. Эти фагосомы мигрируют к лизосомам в цитоплазме и сливаются с ними, где содержимое разрушается лизосомальными ферментами и другими молекулами. В то время как большинство клеток могут осуществлять пиноцитоз, только специализированные типы клеток, особенно относящиеся к иммунной системе (глава 18), осуществляют фагоцитоз в качестве основного защитного механизма против патогенов.

Эндоцитоз, опосредованный рецепторами. В отличие от неселективных процессов пиноцитоза и фагоцитоза, большинство клеток обладают способностью специфически поглощать молекулы, необходимые для функционирования и структурной целостности. При рецепторно-опосредованном эндоцитозе специфические молекулы внеклеточной жидкости связываются с определенными белками на внешней поверхности плазматической мембраны. Эти специализированные белки называются рецепторами, и каждый рецептор распознает один лиганд с высокой аффинностью связывания (подробное обсуждение лиганд-белковых взаимодействий приведено в разделе С главы 3). При одной хорошо описанной форме рецептор-опосредованного эндоцитоза рецептор претерпевает конформационное изменение при связывании лиганда, инициируя каскад молекулярных событий.

Посредством последовательных этапов цитозольный белок, называемый клатрином, рекрутируется на плазматическую мембрану, где белки-адаптеры связывают комплекс лиганд-рецептор с клатрином. Затем весь комплекс собирается в структуру, способствующую агрегации связанных с лигандом рецепторов в локализованной области мембраны, образуя углубление, известное как ямка, покрытая клатрином. Эта ямка инвагинирует и отщипывается, формируя покрытый клатрином пузырек. Локализуя лиганд-рецепторные комплексы на отдельных участках мембраны перед эндоцитозом, клетки получают концентрированное количество специфических лигандов без поглощения больших объемов внеклеточной жидкости. Следовательно, рецептор-опосредованный эндоцитоз обеспечивает избирательную концентрацию определенных лигандов в эндоцитозном пузырьке.

Внутриклеточная судьба эндоцитозных везикул. После того как эндоцитозная везикула отщепляется от плазматической мембраны в процессе рецепторно-опосредованного эндоцитоза, клатриновая оболочка удаляется, и белки клатрина возвращаются в мембрану для повторного использования. У образующихся везикул может быть несколько вариантов развития событий в зависимости от типа клетки и поглощаемого лиганда. Некоторые везикулы сливаются с мембранами внутриклеточных органелл, добавляя содержимое во внутренний просвет этих органелл. Другие эндоцитозные везикулы пересекают цитоплазму и соединяются с плазматической мембраной на противоположной стороне клетки, высвобождая содержимое во внеклеточное пространство, что обеспечивает перенос крупных молекул через клеточные слои, разделяющие два жидкостных отсека (например, между кровью и интерстициальной жидкостью).

Большинство эндоцитозных везикул соединяются с рядом внутриклеточных пузырьков и трубчатых элементов, известных как эндосомы (глава 3), которые расположены между плазматической мембраной и аппаратом Гольджи. Подобно аппарату Гольджи, эндосомы выполняют важные функции сортировки, распределяя содержимое везикул и мембранные компоненты по различным участкам клетки. Часть содержимого поступает из эндосом в аппарат Гольджи, где лиганды подвергаются модификации и обработке. Другие везикулы соединяются с лизосомами — органеллами, содержащими пищеварительные ферменты, расщепляющие белки, полисахариды и нуклеиновые кислоты. При слиянии эндосомальных везикул с лизосомальной мембраной содержимое подвергается воздействию этих ферментов. Наконец, во многих случаях рецепторы, внедренные в везикулу, возвращаются обратно в плазматическую мембрану для дополнительных циклов эндоцитоза.

Потоцитоз. Другая специфическая судьба эндоцитозных пузырьков проявляется в особой форме рецептор-опосредованного эндоцитоза, называемой потоцитозом. Потоцитоз напоминает другие типы рецептор-опосредованного эндоцитоза тем, что внеклеточный лиганд связывается с рецептором плазматической мембраны, инициируя образование внутриклеточных пузырьков. Однако при потоцитозе лиганды в основном ограничены низкомолекулярными молекулами, такими как определенные витамины, хотя липопротеиновые комплексы также могут использовать этот путь. Потоцитоз отличается от клатрин-зависимого рецептор-опосредованного эндоцитоза главным образом судьбой везикулы: крошечные пузырьки, называемые кавеолами (в единственном числе кавеола — «маленькая пещерка»), отделяются от плазматической мембраны и доставляют содержимое непосредственно в цитозоль, а не сливаются с лизосомами или другими органеллами. Небольшие молекулы внутри кавеол могут диффундировать в цитозоль по каналам или транспортироваться белками-переносчиками. Кавеолы участвуют в различных важных клеточных функциях, включая клеточную передачу сигналов, межклеточный транспорт и гомеостаз холестерина.

Рециркуляция мембраны во время эндоцитоза. Каждый эпизод эндоцитоза удаляет небольшую часть мембраны с поверхности клетки. В клетках с высокой эндоцитотической активностью более 100% плазматической мембраны может быть усвоено в течение одного часа, при этом площадь поверхности мембраны остается удивительно постоянной. Эта стабильность достигается благодаря тому, что мембрана заменяется примерно с той же скоростью за счет слияния мембран везикул с плазматической мембраной во время экзоцитоза. Некоторые белки плазматической мембраны, усвоенные при эндоцитозе, сохраняются в мембранах эндосом и при получении соответствующих сигналов могут быть возвращены для слияния с плазматической мембраной во время экзоцитоза, завершая цикл рециркуляции.

Экзоцитоз. Экзоцитоз выполняет две важные функции для клеток. Во-первых, он обеспечивает механизм замены участков плазматической мембраны, удаленных при эндоцитозе, и открывает путь для добавления новых мембранных компонентов. Во-вторых, экзоцитоз обеспечивает путь, с помощью которого синтезируемые клеткой непроницаемые для мембран молекулы (такие как белковые гормоны) могут секретироваться во внеклеточную жидкость, обеспечивая межклеточную коммуникацию.

Как клетки упаковывают вещества, предназначенные для экзоцитарной секреции, в везикулы? В главе 3 описано поступление новообразованных белков в просвет эндоплазматического ретикулума и последующая обработка белков аппаратом Гольджи. Из аппарата Гольджи белки, предназначенные для секреции, перемещаются к плазматической мембране внутри везикул, откуда они могут высвобождаться во внеклеточную жидкость путем экзоцитоза. В некоторых случаях вещества попадают в везикулы через опосредованные транспортеры, расположенные в мембране везикул, добавляя еще один уровень регуляции секреторного пути.

Секреция веществ путем экзоцитоза запускается в большинстве клеток стимулами, повышающими цитозольную концентрацию Ca²⁺. Как описано в главах 5 и 6, эти стимулы открывают кальциевые каналы в плазматической мембране и/или мембранах внутриклеточных органелл. Возникающее увеличение цитозольной концентрации Са²⁺ активирует белки, необходимые для слияния мембраны везикул с плазматической мембраной, высвобождая содержимое везикул во внеклеточную жидкость. Материал, хранящийся в секреторных пузырьках, остается доступным для быстрой секреции в ответ на стимулы, избегая задержек, которые возникли бы при синтезе de novo. Экзоцитоз представляет собой основной механизм, с помощью которого большинство нейронов взаимодействуют посредством высвобождения нейромедиаторов, хранящихся в секреторных пузырьках, которые сливаются с плазматической мембраной. Этот процесс также является основным путем высвобождения гормонов из эндокринных клеток во внеклеточную жидкость.

Клетки, активно подвергающиеся экзоцитозу, восстанавливают фрагменты мембраны посредством процесса, называемого компенсаторным эндоцитозом. Этот процесс, механизмы которого остаются неясными, но могут включать как клатриновые, так и неклатриновые пути, возвращает мембранный материал в цитоплазму для формирования новых секреторных пузырьков. Компенсаторный эндоцитоз также помогает предотвратить неконтролируемое расширение плазматической мембраны, поддерживая площадь клеточной поверхности в физиологических пределах.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Эрик П. Видмайер, Бостонский университет, Хершел Рафф, Медицинский колледж Висконсина, Медицинский центр Авроры Сент-Люк, Кевин Т. Странг, Университет Висконсин-Мэдисон

Источник: Физиология человека: механизмы функционирования организма

Данные публикации будут полезны студентам биологических и медицинских специальностей, начинающим специалистам в области клеточной биологии, биофизики и физиологии, а также всем, кто интересуется основами мембранного транспорта и регуляции клеточного гомеостаза.