Эндоцитоз

Для того чтобы лучше понять, что такое эндоцитоз, нам придется вернуться в прошлый век. Место действия — сицилийский город Мессина, где русский зоолог Илья Мечников, живший там в добровольной ссылке, наблюдал в микроскоп за прозрачной личинкой морской звезды. Как вспоминал ученый в своих мемуарах, «семья ушла в цирк полюбоваться выступлениями необыкновенных обезьян». В тот момент, когда Мечников следил за странствующей клеткой, передвигающейся наподобие амебы по тканям личинки, ему вдруг пришла в голову неожиданная мысль: что, если в каждом организме имеется группа подвижных клеток, назначение которых обнаруживать, преследовать, поглощать и уничтожать непрошеных пришельцев, например вирусы или микробы? Этот интуитивный вывод сделал Мечникова одним из основоположников иммунологии. С помощью друга-эллиниста он придумал термин для «пожирающей клетки», назвав ее фагоцитом . Сам же процесс поглощения твердой частицы, например бактерии, стал называться фагоцитозом, что буквально означает «клеточный процесс поедания».
В начале 30-х гг. нашего столетия американский биолог Уоррен Льюис обнаружил, что клетки в состоянии поглощать также капельки жидкости; он назвал это явление пиноцитозом . Со временем оказалось, что фагоцитоз и пиноцитоз — проявления более общего механизма захвата, которому дали название эндоцитоз.
Эндоцитоз может осуществляться по- разному, но неизменно зависит от плазматической мембраны, служащей «перевозочным средством» для проникновения внутрь клетки. Каким бы ни был захваченный клеткой объект, он всегда входит в нее, окутанный мембранозным мешком, образованным из инвагинации (впячивания) плазматической мембраны. Как мы уже знаем, биомембраны характеризуются текучестью и свойством самозамыкания. Это поможет нам лучше понять физические аспекты рассматриваемого явления. Представим себе такую картину: небольшой участок оболочки мыльного пузыря втягивается внутрь, после чего, отделившись от этого мыльного пузыря, образует маленький пузырь, заключенный внутри большого. Вопрос о том, каким образом происходит втягивание участка оболочки и каков его механизм, весьма сложен. Мы ответим на него, когда окажемся внутри клетки и увидим процесс изнутри.
Сейчас же, находясь вне клетки, мы можем увидеть немало интересных явлений, связанных с эндоцитозом. Наиболее удивительной представляется роль, которую при эндоцитозе играют поверхностные рецепторы. Как мы отмечали в предыдущей главе, часто за соединением рецептора с лигандом следует их втягивание в клетку. По сути дела основная функция многих рецепторов в том и состоит, что они отбирают из внеклеточной среды материал для последующего внутриклеточного поглощения. Этот процесс носит название эндоцитоза, опосредованного рецепторами. Он лучше всего виден, когда в околоклеточную среду вводятся молекулы лиганда, который специфически связывается с определенным типом рецептора. При захвате молекул-лигандов соответствующие занятые рецепторы быстро сходятся со своей «добычей» к образовавшимся в мембране углублениям, а затем постепенно исчезают по мере того, как ямки углубляются и их края сужаются. В конце концов остается только отверстие не больше булавочной головки, но и оно вскоре полностью исчезает, тогда как мембрана снова становится гладкой. По существу в ходе этого процесса мембрана лишилась целого участка — «пэтча», который, превратившись в закрытую везикулу, содержащую поглощенные вещества, свободно передвигается внутри клетки. Для обозначения везикул приняты следующие термины: „фагосома», „пиносома», „эндосома», „фагоцитарная», „пиноцитарная» или ,,эндоцитарная вакуоль». Термин „эндосома» приобрел специальное значение; им стали обозначать «кислотную сортировочную станцию», в которой захваченные материалы подвергаются первичной внутриклеточной переработке .
Тенденция связанных лигандами рецепторов группироваться в эндоцитарных углублениях служит прекрасной иллюстрацией способности мембранных белков свободно передвигаться в плоскости липидного бислоя благодаря латеральной диффузии. Что заставляет их собираться вместе, пока не ясно. Возможно, в некоторых случаях это вызвано поперечным связыванием двухвалентными или мультивалентными лигандами. В других случаях создается впечатление, что рецепторы вообще находятся в постоянном движении. Независимо от того, загружены они лигандами или нет, рецепторы то исчезают в эндоцитарных ямках, то непрерывным потоком появляются на поверхности клетки, напоминая в какой-то степени работу эскалатора или транспортера. Как в транспортере и эскалаторе, здесь механизм скрыт от глаз. Мы увидим его, когда посетим цитозоль. Снаружи нам только видна неясная структура, напоминающая «клетку», которая находится на дне эндоцитарной ямки; она словно втягивает участок («пэтч») мембраны внутрь и превращает его в вакуоль. Сделанная из
клатрина , эта структура на поперечном срезе выглядит как щетинистая оболочка. Поэтому о ямках и везикулах, ограниченных ею, говорят, что они «окаймлены» или покрыты щетинистой оболочкой.
Другой тип эндоцитоза, который в значительной степени зависит от межрецепторных связей, наблюдается, когда молекулы лиганда прикреплены к поверхности крупного объекта, например бактерии^ Как только установлен контакт между объектом и мембраной (путем соединения нескольких рецепторов и лиганда), с соседних участков поверхности клетки подключаются дополнительные рецепторы. Их связывание вызывает прогрессивное обволакивание покрытого лигандами объекта участком плазматической мембраны, содержащим рецепторы. Таким образом, эффект молекулярного «застегивания молнии» индуцирует процесс поглощения. Название «фагоцитоз» обычно употребляется только для этого типа захвата.
Механизм, с помощью которого антитела «клеймят» мишени для разрушения лейкоцитами, зависит от этого процесса (гл. 3). Антитела представляют собой У-образные белковые молекулы, прикрепляющиеся к соответствующим антигенам своим раздвоенным концом (его называют Рс-фрагментом). Эта часть антитела несет иммунологическую специфичность молекулы, поэтому она различна для каждого вида антител. «Ножка», или нижняя часть У-молекулы, называемая Рс-фрагментом, одинакова для всех антител. А теперь представьте себе, что микроб проник в иммунизированный организм, где он встретился с антителами, направленными против некоторых компонентов его стенки. Микроб покрывается молекулами антител, которые присоединились к нему своими ЕаЬ-фрагментами, а их прямые Рс-фрагменты торчат наружу. Оболочка из Рс-фрагментов вызывает поглощение микроба лейкоцитом, имеющим на своей мембране специфические Рс-рецепторы и пустившим в ход механизм поглощения типа застежки-молнии. Первые иммунологи назвали антитела, вызывающие фагоцитоз, опсонинами . Опсонины и в самом деле можно приравнять к приправе, которая придает приятный вкус пище, приготовленной для клеток- пожирателей.
Мы сможем лучше понять роль рецепторов эндоцитоза, когда узнаем, что происходит с объектами, поглощенными клеткой с их помощью. А пока необходимо помнить, что природа и плотность расположения рецепторов на поверхности клетки варьируют от одного типа клеток к другому и даже у одной и той же клетки они различны в зависимости от ее функционального состояния. Иными словами, посредством поверхностных рецепторов каждая клетка выбирает в окружающей среде свое специфическое меню.
Захват при эндоцитозе не ограничивается молекулами или объектами, отобранными рецепторами. Возможно также случайное попадание внеклеточных компонентов, как, например, растворенных веществ в поглощенных каплях жидкости. Такой процесс представляет собой пиноцитоз в первичном значении этого термина. Названный жидкофазным эндоцитозом, он способствует захвату больших количеств различных продуктов, поскольку клетка еже дневно легко «выпивает» количество жидкости, равное ее объему. Только представьте себе человека, выпивающего в день по 68—90 литров жидкости!
Еще больше поражает количество мембран, перемещающихся в процессе эндоцитоза, В течение часа клетка в состоянии поглощать при эндоцитозе мембрану, площадью вдвое превышающей площадь поверхности плазматической мембраны клетки, включая складки и пальцевидные выступы. Вряд ли клетки способны создать новую мембрану с такой скоростью. Поэтому они постоянно возвращают (рецнклируют) в поверхностную мембрану те ее участки, которые они использовали при эндоцитозе.

Трюк с комнатой без дверей

Трюк с комнатой без дверей

За каких-нибудь несколько минут, подобно призракам, мы просочились сквозь несколько герметически закрытых стен — «барьеров»: сначала из внеклеточной среды во внутриклеточную эндосому, а затем из эндосомы в лизосому. Одновременно мы видели, как целые участки мембран — «пэтчи» присоединялись к окружающей нас тонкой структуре или отделялись от нее, ни разу не повредив или разорвав эту структуру. Вне всяких сомнений, это обстоятельство озадачило бы самого Шерлока Холмса, хотя он, по всей вероятности, оглушил бы доктора Уотсона целой лекцией об основных свойствах липидных бислоев, ибо ключ к нашим перемещениям лежит в способности мембран соединяться. Этот феномен является физической основой везикулярного транспорта, основного средства массовых транспортировок через множественные, окруженные мембранами компартменты клетки, к изучению которых мы приступили на этом первом маршруте нашего путешествия.
Везикулярный транспорт зависит от ‘двух четко разграниченных событий, которые на языке перевозок могут быть описаны как слияние и разделение, в плане содержимого — как смешивание и отделение (разделение), а в плане механизма — как цис- и грамс-мембранные соединения (слияния). Чтобы яснее представить себе эти определения, присмотримся сначала внимательнее ко второму этапу нашего путешествия, когда эндосома соединилась с лизосомой. Это, несомненно, было образцом слияния, приведшего к перемешиванию содержимого. Слияние произошло при соединении и реорганизации мембран двух телец, которые приблизились одно к другому своими цитоплазматическими поверхностями (поверхностями мембран, находящимися в прямом контакте с цитоплазмой). Такой тип соединения мы будем называть цысмембранным соединением. Этот термин удобен не только потому, что он напоминает су1, но и потому, что префикс цис означает «по эту сторону»,а транс — «по ту сторону». В справедливости такого обозначения мы убедимся, посмотрев на мембраны изнутри клетки.
Легко заметить, что этот тип цис-соединения является универсальным механизмом: содержимое любых двух везикул, взаимодействующих таким путем, перемешивается. Особый вид Рс-соединения наблюдается при слиянии цитоплазматической везикулы с плазматической мембраной. В этом случае содержимое везикулы по выходе из клетки смешивается с внешней средой. Это явление, названное экзоцитозом, играет важную роль при секреции. На нем мы подробнее остановимся в гл. 6.
А теперь рассмотрим событие, благодаря которому мы в свое время впервые попали в клетку, а именно закрытие эндоцитарной инвагинации. Это явление представляет собой разделение — в том смысле, что небольшой объем отделяется от внеш-него мира и изолируется от него, превращаясь в содержимое эндосомы. Если внимательно присмотреться к механизму разделения, то обнаружится также зависимость этого феномена от слияния мембран в виде суживающихся краев, что ведет к сближению их наружных, или транс-поверхностей; вновь этот механизм является универсальным. Любая везикула, подвергающаяся этому процессу, разделяется на две. Так, в частности, окончательное отделение везикул от нашей эндосомы, которое мы наблюдали, также протекало по принципу транс-соединения мембран.
Вот так и раскрылся секрет комнаты «без дверей». Все, что необходимо, чтобы переправить груз через ряд «закрытых стен», будь то при импорте, как только что наблюдалось, или при экспорте (см. гл. 6), — это чередование процессов слияния и разделения, обеспечивающихся соответственно цис- и транс-соединениями мембран. «Элементарно, дорогой Уотсон». Но так ли это? Только в чисто описательном смысле. Мы до сих пор очень мало знаем о том, какие силы приводят мембраны в такое положение, при котором становятся возможными слияние и реорганизация липидных бислоев, и от каких факторов зависит удивительная специфичность этих состояний. Следует подчеркнуть, что все процессы слияний подчиняются строгим правилам. Цитоплазматическая везикула не просто сливается с первым попавшимся на ее пути объектом, окруженным мембраной.
Везикулярный транспорт также представляет собой основной механизм для передвижения мембранного материала по клетке и через нее. Насколько известно, фрагменты мембран—«пэтчи»—всегда передвигаются в виде закрытых везикул, хотя они могут быть очень плоскими и практически лишенными содержимого. Именно таким путем вернулся на поверхность клетки и тот участок мембраны, что принес нас в клетку, или возвращаются другие аналогичные ему участки. Как мы уже видели, подобное рециклирование является настоятельной потребностью, обусловленной огромным расходованием мембранного материала при эндоцитозе. Рециклирование мембран происходит в основном за счет эндосом, но может продолжаться еще некоторое время после слияния эндосом с лизосомами. Это позволяет хрупким рецепторам спасаться от гибели в лизосомах. В исключительных случаях таким же образом могут быть спасены вещества, прочно связанные с отделяющимися фрагментами мембраны — «пэтчами». Везикулы, образованные таким путем, могут направляться либо прямо к плазматической мембране и вновь встраиваться в нее путем экзоцитоза, либо следовать окольным путем .

Проникновение в клетку: эндоцитоз и везикулярный транспорт

Описанные вкратце в предыдущей главе пути проникновения в клетку посредством переноса, облегченного транспорта или активного транспорта ограничены только небольшими молекулами. За редкими исключениями, даже единичные макромолекулы не в состоянии преодолеть плазматическую мембрану; ясно, что для нас этот путь нереален. К счастью, существует другой, более пригодный путь проникновения в клетку, который открыт не только для макромолекул, но и для более крупных объектов, включая вирусы, бактерии и фрагменты различных клеток. И связан этот путь с эндоцитозом — опосредованным мембранами процессом захвата объектов.

Рискованный старт

Теперь мы готовы отправиться внутрь клетки. Но прежде надо соответствующим образом одеться. По причинам, которые нам вскоре станут понятными, мы должны надеть на себя кислотоустойчивую и недоступную для лизосом одежду, если хотим избежать внезапного — и фатального — окончания нашего путешествия. Материалом для нашего костюма послужит восковое вещество, экстрагированное из клеточной стенки бацилл проказы, которое придаёт этой бацилле удивительную резистентность к внутриклеточному перевариванию. Поверх костюма следует надеть плащ, имеющий на поверхности подходящий лиганд, чтобы клетка, которую мы планируем посетить, могла нас узнать и впустить. Если это будет лейкоцит, то на плаще должны находиться антитела для Рс-рецепторов. Для других клеток может понадобиться другая одежда — помните, что поверхностные рецепторы варьируют от клетки к клетке. Это значит, что мы можем до известной степени выбрать цель нашего путешествия, не забывая покрыть себя соответствующим лигандом.
С учетом наших размеров (даже после уменьшения в миллион раз мы сопоставимы с крупной бактерией) мы должны внедриться в клетку путем фагоцитоза Однако мы узнаем больше, если попросим клетку сделать исключение и поместить нас в окаймленное углубление. Это даст нам возможность участвовать в эндоцитозе совместно с различными связанными с рецепторами молекулами и испытать его с точки зрения его жертв или объектов. Мы знали, на что идем, тем не менее очень неприятно, когда тебя постепенно обволакивают складки наползающей мембраны. Но еще тяжелее становится на душе, когда, разорвав последнюю связь с внешним миром, наше непрочное суденышко погружается в глубокий мрак цитоплазмы, проплывая мимо огромных теней, едва различимых сквозь полупрозрачную мембрану.
Первым признаком того, что наше поглощение клеткой завершено, является нарастающее закисление среды внутри нашего мембранного корабля. Ионы водорода Н+, или протоны, ответственные за это, проникают к нам из окружающего цитозоля посредством энергозависимого протонного насоса (гл. 3). Предполагается, что насос уже размещен в углублениях клеточной поверхности, но выбрасываемые им протоны растворяются и уносятся внеклеточной жидкостью. Когда же углубления закрываются, образуя везикулы, про-тоны остаются в ловушке, где они быстро накапливаются, пока не достигают концентрации 20 микроэквивалентов на 1 л (рН 4,7) в отличие от концентрации протонов в цитозоле около нейтральных значений (0,1 микроэквивалента на 1 л, или рН 7,0). В результате закисления значительно снижается аффинитет многих лигандов к их рецепторам, вследствие чего ли- ганды полностью отделяются от мембраны. По счастью, наш плащ сделан из лигандов такого типа, и теперь мы свободно плаваем в едкой жидкости, наполняющей эндоцитарную вакуоль, благодаря судьбу за кислотоустойчивое одеяние, которое мы позаимствовали у бацилл проказы. Немало других лигандов присоединились к нам, но некоторые остаются прикрепленными к своим рецепторам.
Тем временем окружающая нас мембрана позволяет нам увидеть спектакль, удивительно похожий на тот, что мы наблюдали на поверхности клетки. Вновь мы видим рецепторы — отдельные из них заняты, но многие свободны. Они скапливаются в углубляющихся щелях и постепенно исчезают в цитоплазме в виде мелких уплощенных везикул; последние либо возвращаются к клеточной поверхности, либо направляются к структурам, которые мы пока не в состоянии разглядеть. Вся эта деятельность направлена на возвращение мембраны, без чего, как мы видели, эндоцитоз не мог бы длительно продолжаться. Но описываемый процесс протекает не стихийно: он предусматривает множество высокоспециализированных процессов сортировки и реорганизации. Определенные рецепторы и другие компоненты мембраны избирательно концентрируются на удаляемых из мембраны участках — «пэтчах» и вместе с ними перемещаются, сопровождаемые теми заглоченными материалами, которые остались прикрепленными к рецепторам или прикрепились к ним в кислой среде, созданной протонным насосом. В это же время к окружающей нас мембране присоединяются участки — «пэтчи» мембран, поступивших в составе вновь прибывших эндоцитарных вакуолей, которые сливаются с нашей. По существу мы находимся в настоящей органелле, являющейся первой станцией на пути импортируемого клеткой материала. На этой станции рецепторы выгружают свою добычу и возвращаются к постам на поверхности клетки для выполнения работы; исключение составляет небольшое число рецепторов, которые отправляются вместе с грузом в глубь клетки. Эта органелла получила название промежуточного компартмента, или рецептосомы, или эндосомы. Последний термин имеет обобщенное значение; он используется для обозначения эндоцитарной вакуоли (см. с. 67), название которой в настоящее время сохранено для эндоцитарной сортировочной станции.
Все эти мембранные перестановки не обходятся без некоторого «слюнотечения», или регургитации (заброса) жидкого содержимого. Но в конечном итоге разложенные на составные части вещества и отделившиеся лиганды остаются внутри эндосом (или возвращаются в этот ком- партмент при новом эндоцитарном заглатывании) . Вместе с ними и мы продолжаем наше рискованное путешествие по цитозолю, подтягиваемые и направляемые невидимыми нитями, частями цитоскелета, как это станет ясно в гл. 12.
Неожиданно прямо перед нами вырастают очертания темного неуклюжего «дирижабля» грязно-коричневого цвета. Столкновение неизбежно.
Сам по себе удар почти не ощущается, но его последствия ужасающи, так как базальная мембрана нашего суденышка в момент столкновения соединилась с мембраной встретившегося нам объекта и мы оказались в чрезвычайно неприятном
окружении. Куда бы мы ни взглянули, всюду видны следы разрушения: разного вида изуродованные молекулы, бесформенные осколки, едва узнаваемые обломки бактерий и вирусов, фрагменты митохондрий, завитки мембран, поврежденные рибосомы — все это находится в процессе растворения и исчезает у нас на глазах. Судя по всему, мы попали в какую-то страшно едкую жидкость. Это конец пути для всех, если не считать нескольких особенно стойких существ. Это было бы и концом нашего пути, не будь мы одеты в защитные костюмы. На языке химии этот выраженный и чрезвычайно неразборчивый процесс разрушения на составные части, свидетелями которого мы стали, называется перевариванием, а «дирижабль», с которым мы столкнулись, — это переваривающий «карман», или лизосома (литическое тело). Вся следующая глава будет посвящена этой негостеприимной, однако в высшей степени нужной части клетки. Но прежде реконструируем события, приведшие нас в лизосому.

Роль эндоцитоза

Вряд ли можно охарактеризовать клетку как радушного хозяина, если иметь в виду, что первой ее приемной для гостей является лизосома. Но клетки и в самом деле гостей не жалуют. Им нужно, чтобы их кормили. Эндоцитоз—прежде всего и больше всего механизм питания клетки Для многих одноклеточных организмов, таких, например, как простейшие, и низших беспозвоночных, эндоцитоз — единственный механизм питания. Пища, как все мы знаем, должна поступать в желудок для переваривания. Это и есть задача, выполняемая при слиянии эндосом и лизосом.
Правда, чем выше по эволюционной лестнице живых организмов мы поднимаемся, тем меньше они нуждаются в таком механизме питания. Клетки человека, например, находят в крови и во внеклеточных жидкостях достаточное количество пита тельных мелких молекул, которые все вместе формируют то, что французский физиолог Клод Бернар назвал «внутренней средой». Таким образом, наши клетки могут скорее позволить себе питаться при помощи молекулярного транспорта, чем при помощи поглощения (захвата) веществ. Однако путь эндоцитоза не был отвергнут эволюцией—просто эндоцитоз стал более тонким, избирательным и приспособленным к широкому кругу функций. Большинство из них связано с процессом переваривания в лизосомах и будет рассмотрено в следующей главе. Вместе с тем имеются и исключения из этого правила. Так, большинство эндосом, формирующихся на обращенной в просвет сосудов поверхности выстилающих их плоских эндотелиальных клеток, не перехватываются лизосомами. Они мигрируют к той стороне клетки, которая обращена к тканям, и там, сливаясь с плазматической мембраной, выгружают свое содержимое. В данном случае за эндоцитозом непосредственно следует экзоцитоз, что служит средством транспортировки некоторых компонентов крови через клеточный слой (пласт). Этот процесс называется диацитозом или иногда грансцитозом.
В некоторых клетках поступление питательных веществ посредством эндоцитоза и диацитоз происходят одновременно. Например, клетки печени направляют часть поглощенных ими веществ к лизосомам, а часть—в желчные протоки. И те, и другие вещества проникают в клетку одинаковым путем как единое, смешанное содержимое одной и той же вакуоли. Только после захвата они разделяются и направляются к соответствующим пунктам назначения при помощи уже известного нам процесса сортировки.
Иногда эндосомы изменяются таким образом, что процесс их слияния с лизосомами задерживается. В таких случаях эндосомы служат вакуолями временного хранения. По имеющимся данным, такие процессы протекают в яйцеклетках некоторых насекомых, использующих захваченные эндоцитозом экзогенные белки для формирования желтка. После оплодотворения активируется слияние гранул желтка с лизосомами и начинается процесс переработки желтка, что необходимо для питания эмбриона. Мы не знаем точно, каким способом в подобных случаях достигается задержка слияния эндосом с лизосомами, но известно, что этот процесс может контролироваться изнутри эндодитарной вакуоли. Такой способностью обладают захваченные в ходе эндоцитоза вещества, которые связываются с клеточной мембраной, например конканавалин А, — гликопротеин, экстрагированный из плодов джекфрута. Этим же свойством обладают некоторые микроорганизмы, в частности туберкулезная бацилла. Благодаря этой своей особенности последняя способна предпринять внутриклеточное внедрение, оставаясь и размножаясь внутри эндосомы. Родственная ей бацилла проказы использует иной способ: она покрывается устойчивой к процессу переваривания оболочкой—мы тоже воспользовались ею—и фактически живет и размножается в лизосомах.