Эндоцитоз — процесс захвата внешнего материала клеткой, осуществляемый путём образования мембранных везикул. В результате эндоцитоза клетка получает для своей жизнедеятельности гидрофильный материал, который иначе не проникает через липидный бислой клеточной мембраны. Различают фагоцитоз, пиноцитоз и рецептор-опосредованный эндоцитоз. Термин был предложен в 1963 году бельгийским цитологом Кристианом де Дювом для описания множества процессов интернализации, развившихся в клетке млекопитающих.

Типы

Различные типы эндоцитоза: фагоцитоз, пиноцитоз и рецептор-опосредованный эндоцитоз.

• Фагоцитоз — процесс поглощения клеткой твёрдых объектов, таких как клетки эукариот, бактерии, вирусы, остатки мёртвых клеток и т. п. Вокруг поглощаемого объекта образуется большая внутриклеточная вакуоль. Размер фагосом - от 250 нм и больше. Путем слияния фагосомы с первичной лизосомой образуется вторичная лизосома. В кислой среде гидролитические ферменты расщепляют макромолекулы, оказавшиеся во вторичной лизосоме. Продукты расщепления транспортируются затем через лизосомную мембрану в цитоплазму клетки. Фагоцитоз распространен очень широко. У высокоорганизованных животных и человека процесс фагоцитоза играет защитную роль. Фагоцитарная деятельность лейкоцитов и макрофагов имеет огромное значение в защите организма от попадающих в него патогенных микробов и других нежелательных частиц. Фагоцитоз впервые описал русский ученый И.И. Мечников.
• Пиноцитоз — процесс поглощения клеткой жидкой фазы из окружающей среды, содержащей растворимые вещества, включая крупные молекулы. При пиноцитозе от мембраны отшнуровываются внутрь клетки небольшие пузырьки - эндосомы. Они меньше фагосом и обычно не содержат крупных частиц. После образования эндосомы к ней подходит первичная лизосома, и эти два мембранных пузырька сливаются. Образовавшаяся органелла носит название вторичной лизосомы. Процесс пиноцитоза постоянно осуществляют все эукариотическме клетки.
• Рецептор-опосредованный эндоцитоз — активный специфический процесс, при котором клеточная мембрана выпучивается внутрь клетки, формируя окаймлённые ямки. Внутриклеточная сторона окаймлённой ямки содержит набор адаптивных белков. Макромолекулы, связывающиеся со специфическими рецепторами на поверхности клетки, проходят внутрь со значительно большей скоростью, чем вещества, поступающие в клетки за счет пиноцитоза. Внешняя сторона мембраны при этом включает специфические рецепторы. При связывании лиганда из окружающей клетку среды окаймлённые ямки формируют внутриклеточные везикулы. Рецептор-опосредованный эндоцитоз включается для быстрого и контролируемого поглощения клеткой соответствующего лиганда. Эти пузырьки быстро теряют свою кайму и сливаются между собой, образуя более крупные пузырьки - эндосомы. После чего эндосомы сливаются с первичными лизосомами, в результате чего формируются вторичные лизосомы. Например, когда животной клетке необходим холестерин для синтеза мембраны, она экспрессирует ЛПНП-рецепторы на плазматической мембране. Богатые холестерином и эфирами холестерина ЛПНП, связавшиеся с ЛПНП-рецепторами, быстро доставляют холестерин в клетку.

Экзоцитоз

) — процесс поглощения веществ путем втягивания (инвагинации) участка клеточной и образования в цитоплазме мембранного пузырька (эндосомы) с внеклеточным содержимым. Обратный процесс называется экзоцитозом.

Описание

С помощью эндоцитоза клетка утилизирует отработанные поверхностные , импортирует необходимые , а также захватывает бактерии, и другие чужеродные агенты в процессе иммунной защиты. Вещества, предназначенные для деградации, направляются в лизосомы. Различают несколько механизмов эндоцитоза: фагоцитоз (рецептор-опосредованный захват крупных частиц, таких, как бактерии и мертвые клетки), макропиноцитоз (образование больших внутриклеточных пузырьков с внешним материалом), кавеолярный путь (захват вещества путем образования маленьких пузырьков размером 50–100 нм), рецептор-опосредованный эндоцитоз (см. рис.).

Эндоцитоз является основным механизмом поступления в клетку нанолекарств и терапевтических генов. С одной стороны, он может быть использован для направленной доставки в клетки, с другой, - может опосредовать побочные эффекты. Например, функционализация фосфатидилсерином ( , являющимся фагоцитарным сигналом для макрофагов) позволяет направить трубки в макрофаги по фагоцитарному механизму, а коньюгация с к онкомаркерам направляет частицы в раковые клетки по рецептор-опосредованному эндоцитозу. Токсические эффекты наночастиц, например, полупроводниковых , используемых для in vivo диагностики, напрямую коррелируют с уровнем их интернализации клетками, которая также опосредована эндоцитозом.

Транспорт ионов и макромолекулярных соединений через плазмолемму происходит разными путями. Растворенные в жидкой среде вещества проникают через клеточную мембрану либо сами - без переносчиков (или носителей), либо с помощью переносчиков, или носителей. Транспорт без носителей называется пассивным (непосредственным транспортом) и осуществляется через каналы мембран, т. е. в тех белоксодержащих участках, которые проницаемы для малых молекул (воды, мочевины, ионов) и действуют подобно молекулярным ситам, а также через липидную фазу мембраны. В последнем случае липидная фаза служит растворителем для ряда веществ (простые и сложные эфиры, жирные кислоты и др.).

Однако большинство веществ проникают через плазмолемму с помощью транспортных систем, или переносчиков (носителей). Это специфические мембранные белки группы интегральных, или функциональные комплексы липопротеидов, которые связываются и трансмембранно переносят молекулы субстратов. Простейшим примером транспорта с помощью носителя является облегченная (опосредованная) диффузия. В этом процессе носитель облегчает перенос какого-либо вещества через мембрану в направлении градиента концентраций без затраты энергии.

Для осуществления процесса активного транспорта - против градиента концентрации (из области с низкой концентрацией в область с высокой концентрацией), требуется не только носитель, но и источник энергии, которым обычно является аденозинтрифосфат (АТФ). Активный транспорт может служить для переноса одного вещества в одном направлении, либо для переноса двух веществ в противоположных (или в том же самом) направлениях. В последнем случае перенос веществ называется сопряженным активным транспортом. В отличие от транспорта низкомолекулярных соединений, макромолекулярные соединения транспортируются с помощью процессов эндоцитоза (в клетку) и экзоцитоза (из клетки).

Эндоцитоз - это транспорт макромолекул через плазмолемму. Соответственно агрегатному состоянию поглощаемого вещества выделяют пиноцитоз (захват и транспорт клеткой жидкости или растворенных в жидкости соединений) и фагоцитоз (захват и транспорт твердых частиц). Эндоцитоз бывает неспецифический и специфический.

Неспецифический эндоцитоз осуществляется без участия рецепторных белков плазмолеммы. Первым этапом неспецифического эндоцитоза в случае транспорта твердых частиц является адгезия (прилипание) частиц к внешней поверхности плазмолеммы (важную роль в этом процессе играет гликокаликс). Второй этап - погружение частиц в клетку путем инвагинации плазмолеммы. Адгезия и погружение происходят в тех участках плазмолеммы, которые свободны от холестерина, т. е. наименее жесткие, и к которым со стороны цитоплазмы прилежит слой белка клатрина. После отшнуровки участка плазмолеммы с твердыми частицами образуется внутриклеточный пузырек - эндосома. Перемещение эндосомы в гиалоплазме осуществляется с помощью элементов цитоскелета. Дальнейшая судьба эндосом может быть различна. Наиболее часто эндосомы подвергаются процессу внутриклеточного переваривания: к эндосоме подходят и сливаются с ней первичные лизосомы - формируется фаголизосома, в которой под действием гидролитических ферментов лизосом происходит химическое расщепление макромолекул до мономерных соединений.

По мере расщепления (переваривания) макромолекул от мембраны фаголизосомы отшнуровываются фрагменты, которые встраиваются в плазмолемму и восполняют ее дефицит, ранее образовавшийся при отшнуровке эндосомы.

Процесс пиноцитоза подразделяется на микро- и макропиноцитоз. При микропиноцитозе начальным этапом является образование инвагинации плазмолеммы, в которой находится часть жидкой среды. Образующиеся затем по аналогии с эндосомами пиносомы представляют собой небольшие пузырьки (везикулы), которые по мере продвижения по цитоплазме могут сливаться в более крупные - мультипиноцитозные образования. Погружение капли жидкости при микропиноцитозе происходит не в случайных участках плазмолеммы, а в тех областях, которые имеют со стороны гиалоплазмы тонкий слой особого белка - клатрина. В этих участках, как правило, отсутствует холестерин, что делает мембрану податливой к инвагинации. Когда от мембраны отшнуровывается пиносома (пиноцитозный пузырек, или везикула) по периферии она имеет слой клатрина, в связи с чем пузырек именуют окаймленным.

Макропиноцитоз отличается от микропиноцитоза тем, что с помощью довольно длинных выростов плазмолеммы клетка активно захватывает фрагменты жидкой среды. Макропиноцитоз в связи с этим именуется еще рофеоцитозом. После смыкания конца выроста с соседним участком плазмолеммы образуется крупная пиноцитозная вакуоль. Таким образом, при макропиноцитозе процесс поглощения клеткой жидкости происходит более интенсивно.

Эндоцитоз

Эндоцитоз - везикулярный захват жидкостей, макромолекул или небольших частиц в клетку. Существует по крайней мере три механизма эндоцитоза:

• 1. Пиноцитоз, который дословно обозначает «клеточное питьё». Он также называется клатрин-независимым эндоцитозом.
• 2. Рецепторно-опосредованный эндоцитоз или клатрин-зависимый эндоцитоз. Этому процессу уделяется большое внимание, поскольу он вызывает определенные заболевания у человека.

Фагоцитоз, который дословно означает «клеточная еда».

Пиноцитоз:

Пиноцитоз - это конститутивный процесс, то есть он принимает участие в постоянном динамическом образовании небольших пузырьков на поверхности клетки. Точнее, мелкие инвагинации и пузырьки образуются на поверхности клетки, затем они поглощаются и сливаются с другими пузырьками, находящимися близко к поверхности и формируют первичные эндосомы. На периферии клетки эти пузырьки встраиваются в поверхностную мембрану.

Таким образом, на клеточной поверхности образуются и постоянно работают пузырьки, которые доставляют вещества в клетку и восстанавливают плазматическую мембрану. Эти пузырьки переносят небольшие молекулы, воду и растворимые белки, то есть вещества, относящиеся к жидкой фазе внеклеточной среды. Несмотря на маленькие размеры пиноцитозных пузырьков, их многочисленность позволяет им доставлять в клетку большое количество веществ.

Рецепторно-опосредованный эндоцитоз:

Рецепторно-опосредованный эндоцитоз использует для переноса молекул специфические поверхностные рецепторы. Рецепторно-опосредованный эндоцитоз обладает определенными перимуществами:

• · Специфичность . Только клетки определенного типа экспрессируют поверхностные рецепторы, что обеспечивает избирательное связывание молекул во внеклеточном растворе. Экспрессия определенных растворов у клеток одного типа являются общим механизмом развития и формирования ткани.
• · Способность к концентрированию лиганда на поверхности клетки . По законам диффузии молекулы перемещаются из среды с высокой концентрацией. Таким образом, если клетки могут избирательно удалять лиганды из окружающего раствора, они действуют как водосток для этих молекул. В конце концов, лиганд будет удалён из окружающей жидкости.
• · Рефрактерность . Если специфический рецептор после связывания лиганда и поглощения не возвращается на мембрану, клетка становится рефракторной к данному лиганду.

Основные характеристики рецепторно-опосредованного эндоцитоза :

После того как раньше эндосомы сливаются с другими эндосомами, содержащими ATP-азную протонную помпу, и pH в полости понижается, лиганд-рецепторный комплекс может пойти по одному из следующих путей.

• 1. Рецептор возвращается после высвобождения груза
• 2. Рецептор и переносимый лиганд возвращаются, как в случае с трансферрином
• 3. Рецептор и лиганд разрушаются в лизосоме
• 4. Рецептор и лиганд транспортируются через клетку и доставляются к противоположной стороне мембране; это происходит главным образом в полярных клетках

Фагоцитоз :

Фагоцитоз - это захват клетками относительно крупных частиц с помощью клатрин-независимого, актин-зависимого механизма. Фагоцитоз представляет собой ключевой механизм защиты организма-хозяина от микроорганизмов; фагоцитоз поврежденных или постаревших клеток необходим для обновления тканей и заживления ран. Фагоцитоз особенно важен для многоклеточных организмов. К тому же фагоцитоз является общим механизмом, используемым микроорганизмами для защиты от прямого разрушающего действия антител и белков комплемента и цитотоксических клеток.

Фагоцитоз у млекопитающих осуществляют в основном клетки трех типов: нейтрофилы, моноциты и макрофаги. На поверхности этих клеток расположены специальные рецепторы, предназначенные для распознавания и проведения процесса фагоцитоза. Эти рецепторы распознают неантиген-связывающий участок иммуноглобулинов или других молекул, которые входят в состав иммунной системы организма-хозяина. Антитела и белки комплемента в плазме окружают поверхность клетки микроорганизма, после чего микроб связывается с рецептором фагоцита и начинается фагоцитарный процесс. Этот процесс называется опсонизацией.

Захват опсонизированных частиц происходит по механизму молнии, в котором частица сначала связывается с Fc-рецептором на поверхности фагоцита. Затем следует последовательное соединение с другими поверхностными рецепторами клетки. Это соединение приводит к образованию фагосомы, которая принимает форму захваченной частицы. Таким образом, плазматическая мембрана плотно прилегает к частице, словно на липучке.

Макромолекулы и более крупные частицы проникают через мембрану внутрь клетки путем эндоцитоза, а удаляются из нее - экзоцитозом.

При эндоцитозе плазматическая мембрана образует впячивания или выросты, которые затем отшнуровываясь превращаются во внутриклеточные пузырьки, содержащие захваченный клеткой материал. Продукты поглощения поступают в клетку в мембранной упаковке. Эти процессы происходят с затратой энергии АТФ.

Слипание и объединение бислоев при экзоцитозе и эндоцитозе. Внеклеточное пространство находится сверху, оно отделено от цитоплазмы (снизу) плазматической мембраной. Из-за наличия стадии слипания бислоев экзоцитоз и эндоцитоз не повторяют друг друга в обратном порядке: при экзоцитозе слипаются два монослоя плазматической мембраны, обращенные к цитоплазме, тогда как при эндоцитозе - два наружных монослоя мембраны. В обоих случаях сохраняется асимметрический характер мембран, и монослой, обращенный к цитоплазме, всегда контактирует с цитозолем.

Различают два вида эндоцитоза - фагоцитоз и пиноцитоз

Фагоцитоз - захват и поглощение клеткой крупных частиц (иногда целых клеток и их частей). Специальные клетки, осуществляющие фагоцитоз, называются фагоцитами. В результате образуются крупные пузырьки, называемые фагосомами.

Жидкость и растворенные в ней вещества поглощаются клеткой посредством пиноцитоза.

Плазматическая мембрана принимает участие в выведении веществ из клетки, это происходит в процессе экзоцитоза. Таким образом из клетки выводятся гормоны, белки, жировые капли и другие продукты клетки. Некоторые секретируемые клеткой белки упаковываются в транспортные пузырьки, непрерывно переносятся к плазматической мембране, сливаются с ней и открываются во внеклеточное пространство, высвобождая содержимое. Это характерно для всех эукариотических клеток.

В других клетках, главным образом секреторных, определенные белки запасаются в специальных секреторных пузырьках, которые сливаются с плазматической мембраной только после получения клеткой соответствующего сигнала извне. Данные клетки способны к секреции веществ в зависимости от определенных потребностей организма, например, в гормонах или ферментах

Другая важная функция мембраны - рецепторная. Она обеспечивается молекулами интегральных белков, имеющих снаружи полисахаридные концы. Взаимодействие гормона со «своим» рецептором снаружи вызывает изменение структуры интегрального белка, что приводит к запусканию клеточного ответа. В частности, такой ответ может проявиться в образовании «каналов», по которым растворы некоторых веществ поступают в клетку или выводятся из нее.

Одна из важных функций мембраны - обеспечение контактов между клетками в составе тканей и органов.