Еще каких-нибудь несколько лет назад никто в здравом уме не отважился бы войти в клетку путем эндоцитоза, не заручившись твердой гарантией, что лизосомальный компартмент можно обойти. Ибо, перефразируя знаменитое дантевское изречение, нужно было «оставить надежду всякому, туда входящему» — во всяком случае в это верили. Даже если бы вам удалось вырваться обожженным кислотой или разрезанным на куски гидролазами, вы навсегда остались бы узниками «мембра- нозной тюрьмы», бесконечно перегоняемыми из одного отсека в другой капризной игрой цис- и транс-слияний. Об этом свидетельствует бесчисленное множество достоверных примеров, включая целый ряд патологических состояний, связанных с перегрузкой лизосом.
Однако, как мы теперь знаем, такая точка зрения не вполне справедлива. Из лизосом существует выход, причем не один, а несколько, связанных с различными внутриклеточными путями, ведущими либо к плазматической мембране, либо к аппарату Гольджи. Все, что необходимо сделать, — это схватиться за подходящий участок мембраны («пэтч»), который вскоре отделится и вытащит нас из лизосомального пространства. Трудность, вероятно, состоит в том, чтобы крепко держаться за мембрану в лизосомальной среде. Многие вещества, которые связываются с рецепторами плазматической мембраны, отщепляются под влиянием кислой среды в лизосомах или ферментативной обработки. Содержимое лизосом губительно сказывается даже на некоторых рецепторах, которые в результате разрушаются. Таким образом, к тому моменту, когда участок мембраны отделяется от лизосомальной мембраны для возвращения на периферию клетки, он передвигается «голым», с гладкой поверхностью. По крайней мере так мы интерпретируем тот факт, что столь мало
удаляется из лизосом, несмотря на непрерывное рециклирование окружающих их мембран.
Живые клетки производят все виды экспортных материалов, они их собирают, дорабатывают, упаковывают и транспортируют в виде цепочки взаимосвязанных ограниченных мембраной образований, которые в конце концов выгружают путем экзоцитоза. Эти вещества в основном состоят из белков или углеводов, часто соединенных в виде гликопротеинов или протеогликанов. Они составляют весьма обширный каталог.
Сначала мы обнаруживаем множество веществ, образованных для экспорта на небольшие расстояния и используемых клетками для организации или очистки непосредственного окружения. Перегородки, волокна, матриксы и все остальные компоненты каркаса, удерживающего клетки вместе и придающего тканям и органам их характерную архитектуру, собираются из растворимых предшественников, таких, как проколлаген , которые образуются и разгружаются на месте. Ферменты, разрезающие и соединяющие эти строительные блоки, также образуются и секретируются на месте благодаря экспортному аппарату клеток. «Специалистами» такой конструкторской работы по праву следует назвать остеобласты, создающие каркас кости, хондробласты, формирующие мат- рикс хряща, и фибробласты, образующие волокна соединительной ткани.
Как правило, в живом мире созидание предусматривает и разрушение. Этот процесс происходит внеклеточно при помощи литических ферментов, которые также являются продуктами клеточного экспорта.С точки зрения отдельных клеток литические ферменты выступают в качестве средства инвазии (вторжения); они разрезают внеклеточные структуры и расчищают пути для продвижения клеток. Без такой секреции лейкоцит, выведший нас из кровяного русла, не смог бы прорваться через базальную мембрану капилляра. Раковые клетки, вероятно, осуществляют характерную для них инвазивность благодаря особо агрессивной активности подобного рода. Но такие же средства разрушения весьма полезны также оседлым клеточным сообществам, поскольку они наделяют их способностью очищать, восстанавливать и переделывать свою среду обитания.
Все клетки стремятся, образно говоря, очистить свои «пороги», но специализированные клетки делают разрушение внеклеточных структур основным занятием всей своей жизни. Мы уже встречали остеокласты, которые прорывают себе путь через костный матрикс с помощью смеси лизосомальных гидролаз . Фибробласты, как ни удивительно, также выступают в виде «фиброкластов». При соответствующей стимуляции они выделяют мощную коллагеназу, специфически разрезающую кшагеновые волокна, и специфическую протеазу, воздействующую на структурные протеогликаны . Такая секреция физиологически очень важна, но одновременно в ней таятся серьезные патологические опасности, как мы наблюдали в случае перегрузки лизосом .
«Фабрики», где клетки производят продукты на экспорт, обычно не доступны для посетителей извне. Аппарат Гольджи, в который мы прибыли из лизосом, лежит на полпути к конвейеру. Если мы хотим проследить производственный процесс с самого начала, нам следует прежде всего форсировать путь вверх по течению. Наше незаконное путешествие сопряжено с многими трудностями, приходится преодолевать немало узких полостей и извилистых туннелей. Но этот небольшой участок вскоре заканчивается по мере проникновения в глубокое ущелье впечатляющих размеров — часть эндоплазматического ретикулума (сети), или ЭР.
Термин «ретикулум» по-латыни Означает сеть. Выбор этого термина отражает двумерное представление морфологов об ЭР, которые наблюдали эту систему в поперечном сечении в виде Уонких нитей «филиграни. Эти линии представляют собой ■ края мембран, срезанных перпендикулярно их плоскости. Трехмерная (пространственная) реконструкция показала, что мембраны образуют большие уплощенные мешочки, или цистерны, полностью изолированные, за исключением соединений — постоянных или временных, — которые связывают их друг с другом и с аппаратом Гольджи.
Рассматриваемые изнутри плоские мембранозные стенки цистерн ЭР кажутся построенными по такому же бислойно- белковому плану, что и плазматическая мембрана и стенки эндосом и лизосом. Однако мембраны ЭР тоньше, глаже и подвижнее; фосфолипиды в их бислое имеют иное строение, а связанный с ними холестерин практически отсутствует.'.Белки также отличаются и в значительной степени лишены боковых углеводных цепочек. Эн- доплазматические мембраны лишены характерного «щетинистого» вида плазматической мембраны. В отличие от последней они покрыты пучками очень тонких шелковистых нитей, которые придают им вид мерцающей паутины. Мерцание — это не просто оптический эффект, оно отражает движение: шелковистые нити растут, и с довольно ощутимой скоростью, приблизительно 1 нм/с, что при нашем увеличении в миллион раз составляет свыше 5 см/Мин. Они растут стабильно до тех пор, пока не достигают длины 50—200 им, после чего отпадают и уносятся с потоком. Мы погружаемся в море движущегося шелка.
В большинстве случаев полипептидные цепи представляют собой лишь полуфабрикаты секреторных продуктов; они требуют значительной дальнейшей доработки и «отделки» перед тем, как будут готовы к отправке. Одни из них снабжаются боковыми углеводными цепочками, содержащими 10 и более молекул сахара (гликозилирование), другие связываются с липидами, иногда во много раз превышающими их массу, как, например, липопротеины плазмы, вырабатываемые в печени. Все цепи должны принять соответствующую конфигурацию, причем для некоторых молекул необходимо участие специальных химических мостиков-связей, обычно дисульфидных связей: 8 — 5. И наконец, в результате дополнительной протеолитической обработки многие молекулы уменьшаются.
Некоторые изменения, в частности глнкозилирование, начинаются еще до полной сборки полипептидных цепей. Другие происходят по мере продвижения молекул с током секреторных продуктов во время скольжения их вдоль мембран, на которых расположены ферменты, участвующие в доработке. В этот процесс вовлечен целый комплекс биохимических реакций, но даже с нашей выгодной позиции внутри цистерн ЭР мы часто в состоянии видеть лишь немногим более, чем финальные стадии. В основном события развертываются на цитоплазматической поверхности мембран, где в изобилии имеются строительные блоки и энергетические запасы; само внутреннее пространство ЭР служит главным образом собирательным каналом и местом сборки. Такая организация напоминает происходящее на автомобильном заводе, где двигатель, кузов, шасси, колеса и другие части машины производятся в отдельных цехах к затем просто собираются на конвейере с ' минимальной затратой рабочей силы.
Место, где мы сейчас находимся, получило свое название по имени итальянского гистолога Камилло Гольджи, который на пороге текущего столетия открыл эту систему в нервных клетках, пропитанных солями металла, и описал ее в виде тонкой сети, названной внутренним сетчатым аппаратом.
Истинная пространственная форма аппарата Гольджи (часто называемого просто Гольджи) все еще выясняется. Он несколько характерных компонентов, н структурные Детали варьируют от клетки клетке, и точные границы этой системы не установлены. Гольджи представля собой комплекс крупных и мелких окруженных мембраной полостей беспорядочного вида (за которым на самом деле скрывается высокая степень упорядоченности) часто располагающийся в «товарном складе» и «упаковочных центрах».
Самым крупным и наиболее типичны компонентом Гольджи является диктиосома , названная так благодаря представлениям Гольджи об это системе. Конечно, аппарат Гольджи такаяже сеть, как и эндоплазматический ретикулум; он просто кажется сетью на поперечном срезе. Диктиосома представляет собой скопление нескольких крупных уплощеных, мембранозных цистерн, тесно спрессованных друг с другом наподобие стопи крупных двустенных чаш. Эта структур» напоминает стопку и потому, что имен изогнутые поверхности: одну вогнутую, другую выпуклую. Сейчас мы находима в первой цистерне на выпуклой поверхности вблизи эндоплазматического ретикулума. Стенки этой структуры незначительно отличаются от стенок гладкого ЭР. Одна по мере продвижения от одной полости другой в направлении от выпуклой к вогнутой поверхности стопки мембраны становятся толще и грубее, увеличивает" количество холестерина в липидном бисл и углеводных боковых цепей в мембранн белках. Окружающие нас мембраны яви становятся все более похожими на плазм" тическую мембрану. Эта полярность отражает присущую аппарату Гольджи функцию упаковки. Секреторные продукты, проходя через аппарат Гольджи, передвигаются от «контейнеров», похожих по структуре на эндоплазматический ретикулум, к «контейнерам», построенным подобно плазматической мембране. Такое изменение, вероятно, необходимо перед выходом продукта из клетки путем слияния с плазматической мембраной и экзоцитоза.
Как известно, мембраны никогда не образуются de novo. Они всегда возникают из предсуществующих мембран путем добавления дополнительных составных частей. Этот процесс, возможно, столь же стар, как и эволюция. Каждое поколение передает последующему, в основном через яйцеклетку, запас ранее сформированных (предсуществующих) мембран, из которых отпочковываются от Гольджи, и разгружают содержимое во внеклеточное пространство путем экзоцитоза. При прерывистой секреции продукты концентрируются в больших конденсирующих вакуолях, которые превращаются в зрелые секреторные гранулы — крупные, плотноупакованные, окруженные мембраной структуры, имеющие характерные для железистых клеток черты. Гранулы высвобождают свое содержимое путем экзоцитоза, но только при соответствующей стимуляции — часто сложной цепи нервных и гормональных переключений, которые завершаются локальным выходом ацетилхолина. Этот перенос-чик соединяется с рецептором,на клеточной поверхности , и наступившее в результате конформационное изменение запускает механизм выхода секреторных гранул путем экзоцитоза, возможно впуская ионы кальция в клетку. Если же стимул не поступает и клетка продолжает вырабатывать секреторные гранулы, они начинают сливаться с лизосомами, а не с плазматической мембраной, и излишки секреторных продуктов разрушаются кринофагией .
Существует несколько способов выхода из аппарата Гольджи в зависимости от того, какими опознавательными знаками мы воспользуемся, собираясь покинуть Гольджи. Если мы не хотим вернуться в лизосомы, нам следует избегать маннозофосфата. За этим исключением, все остальные выходы приводят к некой точке вне клетки, и мы можем воспользоваться
прерывистой секрецией, представляющей нам наибольшие возможности для приспособления. Но даже в этом случае наше путешествие далеко не из приятных. Прежде всего мы должны попасть в конденсирующую вакуоль и выдержать почти непереносимое давление, по мере того как из вакуоли будет выкачиваться вода, а продукты секреции вокруг нас уплотнятся до почти твердого состояния. Затем наступает ожидание в состоянии острого физического дискомфорта и нарастающего страха перед кринофагией, которая может помешать нашему бегству и отбросить нас в лизосомальное пространство. Когда же наконец открывается выход из клетки, то это происходит с необыкновенной силой и стремительностью. Экзоцитарная разгрузка секреторных гранул представляет собой взрывной процесс. Гранулы скапливаются и толкают друг друга, стремясь возможно скорее попасть на периферию клетки. Часто они сливаются с другими гранулами, лежащими на их пути, вызывая глубокие дефекты на поверхности клетки и выгружая массы секреторных продуктов. Внешнему наблюдателю это явление на-поминает внезапное извержение гряды вулканов, истинное «клеточное землетрясение». Беспомощным спутникам секреторных продуктов сам экзоцитоз приносит последнее напряжение, к счастью, кратковременное и легко забываемое в сладости вновь обретенной свободы. И вот уже обратно в целительное, успокаивающее внеклеточное море, где мы вновь созерцаем покрытую углублениями движущуюся поверхность клеточной мембраны с ее извивающимися отростками и колышащейся вуалью. Мы завершили цикл: вошли в клетку путем эндоцитоза, бродили, плутая, по нескончаемой веренице ее комнат и коридоров и вышли путем экзоцитоза.
В начале XX столетия французские цитологи предложили название «вакуом» для обозначения сложной системы вакуолей и гранул, обнаруженной в растительных и животных клетках. По их мнению, вакуом состоял из множества цитоплазматических структур, в том числе аппарата Гольджи, за исключением митохондрий, которые они рассматривали как отдельную систему, хондриом. Такое разделение оказалось настоящим предвидением, и слово «вакуом», которое ранее не находило всеобщего признания, заслуживает быть воскрешенным. Термин «вакуолярная система», который иногда используется в таком же значении сегодня, более расплывчатый, поскольку им длительное время обозначали только импортную часть всей системы.Импорт и экспорт, каждый с соответствующими реакциями процессинга в них, — основные функции вакуома. Если, однако, рассматривать анатомическую и функциональную организацию системы, то наиболее .поразительной чертой окажется ее разделение на два домена аппаратом Гольджи.
Эндоплазматический ретикулум (ЭР), или эндоплазматический домен, располагается по одну сторону от Гольджицис- сторону, которую мы называем эндоплазматической. Связанный с производством белков, ЭР имеет отчетливо выраженную полярность от участков, связывающих рибосомы, в шероховатом ЭР к переходным элементам между гладким ЭР и Гольджи. За исключением этой асимметрии, мембраны ЭР, которые также являются местом «обитания» некоторых метаболических систем, не связанных с секрецией (см. гл. 13), во многом однородны по составу. Продвижение по этой части вакуома осуществляется весьма просто и в одном направлении. ЭР направляет свое содержимое в Гольджи со слегка заметным обратным током. Согласно имеющимся данным, секреторные продукты перемещаются через эффективную одностороннюю «замок — ловушку», даже если их транспорт может зависеть от двустороннего направленного мембранного челнока. Это означает также, что импортный поток останавливается у барьера Голь-джи. Действительно, материалы, захваченные эндоцитозом, не попадают в эндоплазматический домен. Нам удалось сделать это, но только прокладывая путь через «ловушку».
Наличие вакуома является характерной чертой эукариотических клеток. Большинство бактерий совсем не имеют внутриклеточных мембран. Эукариоты произошли от прокариотов около миллиарда лет назад. Рассматривая экспортный механизм у прокариотов, мы получим некоторое представление о том, как произошла эта важная трансформация, ключевая для появления всех растительных и животных клеток на земном шаре.
Большинство бактерий секретируют белки в окружающую их среду. Среди этих белков преобладают гидролитические экзоферменты, выполняющие пищеварительную функцию. Интересно и, возможно, весьма показательно, что эти экзоферменты производятся и выталкиваются полисомами, прикрепленными к внутренней поверхности плазматической мембраны бактерий, во многих отношениях так же, как начальные экспортные белки переносятся через мембрану эндоплазматического ретикулума. Сходство даже распространяется на молекулярные механизмы этого процесса, что наводит на мысль о происхождении шероховатого (гранулярного) эндоплазматического ретикулума эукариотов из плазматической мембраны их прокариотических предков, возможно в результате некоего прогрессивного процесса впячивания мембраны в клетку. Для такого процесса необходима подвижность клеточной оболочки, что дает возможность предположить отсутствие ригидной оболочки у наших предполагаемых отдаленных предков. Такие «голые» бактериальные клетки могут образоваться под влиянием лизоцима (протопласты), а также возникать случайно в природе . Они очень хрупкие, но при определенных обстоятельствах их ранимость может быть компенсирована необыкновенным эволюционно приобретенным преимуществом — подвижностью поверхностного слоя. Возможно, именно этим объясняется образование углублений в плазматической мембране и особенно внутриклеточной везикулизации таких углублений-впячиваний, характерных для эндоцитоза; при этом экзоферменты, вырабатываемые в связанных с мембранами полисомах, остаются внутри везикул, где они воздействуют на любой внеклеточный мате-риал, захваченный в процессе поглощения. Последний можно рассматривать как простейшую возможную форму внутриклеточного пищеварения внутри вакуолей, имеющих свойства эндосом, лизосом и цистерн шероховатого эндоплазматического ретикулума.

Добро пожаловать в интересный мир молекул и клеток



Разделы сайта
 Рейтинг@Mail.ru
Календарь обновлений
«    Март 2016    »
ПнВтСрЧтПтСбВс
 
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
 
Архив новостей
Облако тегов
Популярные новости
Наш опрос