Характеристика, этапы и механизмы осуществления пиноцитоза. Характеристика, этапы и механизмы осуществления пиноцитоза Что такое фагоцитоз и пиноцитоз

Многие полагают, что клетка представляет собой низший уровень организации живой материи . Однако на самом деле клетка - это сложный организм, развитие которого из примитивной формы, впервые появившейся на Земле и напоминавшей нынешний вирус, заняло сотни миллиардов лет. На рисунке ниже приведена схема, отражающая относительные размеры: (1) мельчайшего из известных вирусов; (2) крупного вируса; (3) риккетсии; (4) бактерии; (5) ядросодержащей клетки. На рисунке видно, что диаметр клетки в 10 , а объем - в 10 раз больше размера мельчайшего вируса.
Особенности строения и функции клеток по сложности во много раз превышают таковые у вирусов.

Основа жизнедеятельности вируса заключена в молекуле нуклеиновой кислоты , покрытой белковой оболочкой. Нуклеиновая кислота, как и в клетках млекопитающих, представлена либо ДНК, либо РНК, которые при определенных условиях способны самокопироваться. Таким образом, вирус, как и клетки человека, воспроизводится от поколения к поколению, поддерживая свой «род».

В результате эволюции в состав организма наряду с нуклеиновыми кислотами и простыми белками вошли другие вещества, а различные отделы вируса начали выполнять специализированные функции. Вокруг вируса сформировалась мембрана, появился жидкий матрикс. Вещества, сформированные в матриксе, стали выполнять особые функции, появились ферменты, способные катализировать ряд химических реакций, которые в итоге и определяют жизнедеятельность организма.

На следующих ступенях развития, в частности на стадиях риккетсий и бактерий, появляются внутриклеточные органеллы, с помощью которых отдельные функции выполняются более эффективно, чем с помощью веществ, диффузно распределенных в матриксе.

Наконец, в ядросодержащей клетке возникают более сложные органеллы, важнейшим из которых является само ядро. Наличие ядра отличает данный тип клеток от более низких форм жизни; ядро осуществляет контроль над всеми функциями клетки и так организует процесс деления, что последующее поколение клеток оказывается почти идентичным клетке-предшественнику.

Эндоцитоз - захват веществ клеткой. Живая, растущая и делящаяся клетка должна получать питательные и другие вещества из окружающей жидкости. Большая часть веществ проникает через мембрану путем диффузии и активного транспорта. Под диффузией подразумевается простой неупорядоченный перенос молекул вещества через мембрану, которые проникают в клетку чаще через поры, а жирорастворимые вещества - непосредственно через липидный бислой.
Активный транспорт - это перенос веществ через толщу мембраны с помощью белка-переносчика. Механизмы активного транспорта крайне важны для деятельности клетки.

Частицы большого размера попадают в клетку путем процесса, называемого эндоцитозом. Главные виды эндоцитоза - пиноцитоз и фагоцитоз. Пиноцитозом называют захват и перенос в цитоплазму небольших пузырьков с внеклеточной жидкостью и микрочастицами. Фагоцитоз обеспечивает захват крупных элементов, включая бактерии, целые клетки или фрагменты поврежденных тканей.

Пиноцитоз . Пиноцитоз происходит постоянно, а в некоторых клетках - весьма активно. Так, в макрофагах этот процесс происходит настолько интенсивно, что за 1 мин около 3% общей площади мембраны преобразуется в пузырьки. Однако размеры пузырьков крайне малы - всего 100-200 нм в диаметре, поэтому их можно увидеть только при электронной микроскопии.

Пиноцитоз - единственный способ, благодаря которому большинство макромолекул могут проникать в клетку. Интенсивность пиноцитоза возрастает, когда такие молекулы соприкасаются с мембраной.

Как правило, белки присоединяются к поверхностным рецепторам мембраны , которые высокоспецифичны к абсорбируемым видам белков. Рецепторы концентрируются в основном в области мельчайших углублений на наружной поверхности мембраны, которые называют окаймленными ямками. Дно ямок со стороны цитоплазмы выстлано сетевидной конструкцией из фибриллярного белка клатрина, который, как и другие сократительные белки, содержит нити актина и миозина. Присоединение белковой молекулы к рецептору меняет форму мембраны в области ямки благодаря сократительным белкам: ее края смыкаются, мембрана все больше погружается в цитоплазму, захватывая молекулы белка вместе с небольшим количеством внеклеточной жидкости. Сразу после замыкания краев происходит отрыв пузырька от наружной мембраны клетки и формирование пиноцитозной вакуоли внутри цитоплазмы.

Пока не ясно, почему происходит деформация мембраны , необходимая для образования пузырьков. Известно, что этот процесс энергозависимый, т.е. требует макроэргического вещества АТФ, роль которого обсуждается далее. Присутствие ионов кальция во внеклеточной жидкости, по всей вероятности, также необходимо для взаимодействия с лежащими в области дна окаймленных ямок с сократительными филаментами, которые создают усилие, необходимое для отщепления пузырьков от наружной мембраны клетки.

4.7. Эндоцитоз (фагоцитоз и пиноцитоз)

В секреторных клетках многоклеточных организмов продукты секреции выделяются через клеточную мембрану во внеклеточное пространство. Место и условия, в которых продукты секреции осуществляют свои функции (например, просвет кишечника, синаптическая щель или сыворотка крови), определяются свойствами анатомически обособленного пространства, куда попадают эти продукты. Однако у примитивных, свободно живущих организмов, таких, как амеба, подобное неограниченное разбазаривание ресурсов во внешней среде было бы крайне неэкономичным. Клеткам многоклеточных организмов, выполняющим функции защиты и очистки, было бы также невыгодно в некоторых ситуациях (таких, как деструкция болезнетворных бактерий или чужеродных белков) распылять свое содержимое вместо того, чтобы направить его в концентрированной форме против чужеродного агента.

Фагоцитоз (рис. 88) и пиноцитоз, обозначаемые вместе термином эндоцитоз, являются процессами, при которых соответственно осуществляется транспорт твердых и жидких материалов из внеклеточного пространства внутрь клетки. Здесь захваченные частицы находятся отдельно от содержимого клетки либо в крупных вакуолях, либо в небольших пузырьках. Слияние мембран этих структурных образований с мембранами внутриклеточных органелл (таких, как лизосомы или какие-либо иные гранулы, наполненные ферментами) приводит к смешению содержимого двух взаимодействующих систем и как следствие к модификации поглощенного материала в замкнутом, отделенном от цитоплазмы пространстве.

У примитивных организмов описанные процессы имеют непосредственное отношение к их питанию, и внутриклеточные вакуоли, образованные в результате слияния эндоцитозных вакуолей и лизосом, можно рассматривать как первичным пищеварительный аппарат: низкомолекулярные продукты поступают в цитоплазму, а непереваренный материал выбрасывается из клетки.

Функция фагоцитоза, присущая полиморфноядерным лейкоцитам крови и тканей млекопитающих, направлена на изоляцию и уничтожение проникающих в организм патогенов. В складывающейся при этом ситуации клетки могут уничтожить проникшие в них бактерии по крайней мере четырьмя способами: 1) путем интенсивного окисления перекисью, которую они способны локально синтезировать; 2) с помощью основных белков, обладающих антибактериальной активностью; 3) с помощью лизосомных ферментов и, наконец, 4) с помощью лизоцима. Уничтожение захваченного клеткой микроорганизма осуществляется очень быстро, однако его переваривание протекает относительно медленно. Образующиеся в клетках бактерицидные агенты хранятся в двух различных типах гранул, развившихся из комплекса Гольджи при дифференцировке клеток в костном мозге. В процессе фагоцитоза содержимое гранул обоих типов вливается в вакуоли, в которых находятся перевариваемые частицы.

У амебы процесс выделения содержимого гранул и лизосом в фагоцитозные вакуоли протекает аналогично секреции макромолекул клетками многоклеточных организмов, с той лишь разницей, что при фагоцитозе участок клеточной мембраны, формирующий вакуоль, находится во внутриклеточном пространстве.

Поглощение веществ при пинодитозе не следует рассматривать просто как неспецифический захват внеклеточной жидкости. Процесс этот направлен на аккумуляцию клетками различных молекул из окружающей среды. Пиноцитозные вакуоли имеют небольшой размер (обычно ниже разрешающей способности светового микроскопа), но содержатся в клетке в очень большом количестве. Образуются эти вакуоли из характерных впячиваний плазматической мембраны. В местах формирования пиноцитозных пузырьков плазматическая мембрана теряет свои четкие очертания, что предполагает модификацию участка мембраны, предназначенного для впячивания.

Пиноцитоз характерен для клеток различного типа, однако наиболее полно он изучен у амебы, пиноцитозные пузырьки которой имеют сравнительно крупные размеры (рис. 89). У амебы в центре псевдоподий формируются каналы (впячивания плазматической мембраны), и от основания этих цилиндрических впячиваний мембраны отпочковываются пиноцитозные пузырьки. Процесс образования пузырьков протекает особенно быстро, если внеклеточный раствор содержит соли или белки в высоких концентрациях. Наблюдения за пиноцитозом "меченых" белков, например белков, конъюгировавших с флуоресцеином или ферритином, показали, что накопление белковых молекул в клетках протекает с высокой скоростью. Первая стадия пиноцитоза, по-видимому независимая от энергии метаболизма, представляет собой адсорбцию белков на развитой поверхности клеточной мембраны, затем следует энергозависимый процесс формирования мембранных пузырьков внутри клетки.

У млекопитающих пиноцитоз является широко распространенной формой эндоцитоза, однако наибольшее значение пиноцитоз приобретает в ретикуло-эндотелиальной системе, где происходит удаление чужеродных или денатурированных белков, а также в эндотелиальных клетках, выстилающих капилляры, где этот процесс облегчает движение крупных молекул. В лимфоцитах, а также, возможно, и в других клетках молекулы, адсорбированные на клеточной поверхности, группируются в дискретных областях мембраны, прежде чем произойдет формирование пиноцитозных пузырьков. В почках пинодитоз играет большую роль при извлечении белков из клубочкового фильтрата.

Внутри клеток пиноцитозные пузырьки объединяются с лизосомами, образуя вторичные лизосомы. Обнаружена определенная связь между пиноцитозом и формированием лизосом в клетке: добавление гетерологической сыворотки к культуре макрофагов индуцирует пиноцитоз и эффективно стимулирует образование новых лизосом.

Фагоцитоз

Наиболее важной функцией нейтрофилов и макрофагов является фагоцитоз — поглощение клеткой вредоносного агента. Фагоциты избирательны в отношении материала, который они фагоцитируют; иначе они могли бы фагоцитировать нормальные клетки и структуры организма. Осуществление фагоцитоза зависит главным образом от трех специфических условий.

Во-первых, большинство естественных структур имеют гладкую поверхность, которая препятствует фагоцитозу. Но если поверхность неровная, возможность фагоцитирования возрастает.

Во-вторых, большинство естественных поверхностей имеют защитные белковые оболочки, отталкивающие фагоциты. С другой стороны, большинство погибших тканей и инородных частиц лишены защитных оболочек, что делает их объектом фагоцитоза.

В-третьих, иммунная система организма образует антитела против инфекционных агентов, например бактерий. Антитела прикрепляются к мембранам бактерий, и бактерии становятся особенно чувствительными к фагоцитозу. Для осуществления этой функции молекула антитела также соединяется с продуктом СЗ каскада комплемента — дополнительной частью иммунной системы, обсуждаемой в следующей главе. Молекулы СЗ, в свою очередь, прикрепляются к рецепторам на мембране фагоцитов, инициируя фагоцитоз. Этот процесс выбора и фагоцитоза называют опсонизацией.

Фагоцитоз, осуществляемый нейтрофилами . Нейтрофилы, входящие в ткани, являются уже зрелыми клетками, способными к немедленному фагоцитозу. При встрече с частицей, которая должна быть фагоцитирована, нейтрофил сначала прикрепляется к ней, а затем выпускает псевдоподии во всех направлениях вокруг частицы. На противоположной стороне частицы псевдоподии встречаются и сливаются друг с другом. При этом образуется замкнутая камера, содержащая фагоцитируемую частицу. Затем камера погружается в цитоплазматическую полость и отрывается от наружной стороны клеточной мембраны, формируя свободно плавающий фагоцитарный пузырек (также называемый фагосомои) внутрицитоплазмы. Один нейтрофил обычно может фагоцитировать от 3 до 20 бактерий, прежде чем он сам инактивируется или погибает.

Сразу после фагоцитирования большинство частиц перевариваются внутриклеточными ферментами. После фагоцитирования инородной частицы лизосомы и другие цитоплазматические гранулы нейтрофила или макрофага немедленно вступают в контакт с фагоцитарным пузырьком, их мембраны сливаются, в результате в пузырек вбрасываются многие переваривающие ферменты и бактерицидные вещества. Таким образом, фагоцитарный пузырек теперь становится переваривающим пузырьком, и сразу начинается расщепление фагоцитированной частицы.

И нейтрофилы , и макрофаги содержат громадное количество лизосом, наполненных протеолитическими ферментами, особенно приспособленными для переваривания бактерий и других чужеродных белковых веществ. Лизосомы макрофагов (но не нейтрофилов) содержат также большое количество липаз, которые разрушают толстые липидные мембраны, покрывающие некоторые бактерии, например туберкулезную палочку.

И нейтрофилы, и макрофаги могут уничтожать бактерии. Кроме переваривания поглощенных бактерий в фагосомах нейтрофилы и макрофаги содержат бактерицидные агенты, уничтожающие большинство бактерий, даже если лизосомальные ферменты не могут их переварить. Это особенно важно, поскольку некоторые бактерии имеют защитные оболочки или другие факторы, предупреждающие их разрушение пищеварительными ферментами. Основная часть «убивающего» эффекта связана с действием некоторых мощных окислителей, образуемых в больших количествах ферментами мембраны фагосомы, или специфической органеллой, называемой пероксисомой. К этим окислителям относятся супероксид (О2), пероксид водорода (Н2О2) и гидроксилъные ионы (-ОН), каждый из них даже в небольших количествах смертелен для большинства бактерий. Кроме того, один из лизосомальных ферментов — миелопероксидаза — катализирует реакцию между Н2О2 и ионами Сl с образованием гипохлорита — мощного бактерицидного агента.

Однако некоторые бактерии , особенно туберкулезная палочка, имеют оболочки, устойчивые к лизосомальному перевариванию, и к тому же секретируют вещества, отчасти препятствующие «убивающим» эффектам нейтрофилов и макрофагов. Такие бактерии ответственны за многие хронические болезни, например туберкулез.

Пиноцитоз

Пиноцито́з (от др.-греч. πίνω — пью, впитываю и κύτος — вместилище, здесь — клетка) — 1) Захват клеточной поверхностью жидкости с содержащимися в ней веществами. 2) Процесс поглощения и внутриклеточного разрушения макромолекул.

Один из основных механизмов проникновения в клетку высокомолекулярных соединений, в частности белков и углеводно-белковых комплексов.

Открытие пиноцитоза Явление пиноцитоза открыто американским учёным У.Льюисом в 1931.

Процесс пиноцитоза При пиноцитозе на плазматической мембране клетки появляются короткие тонкие выросты, окружающие капельку жидкости. Этот участок плазматической мембраны впячивается, а затем отшнуровывается внутрь клетки в виде пузырька. Методами фазово-контрастной микроскопии и микрокиносъёмки прослежено формирование пиноцитозных пузырьков диаметром до 2 мкм. В электронном микроскопе различают пузырьки диаметром 0,07—0,1 мкм (микропиноцитоз). Пиноцитозные пузырьки способны перемещаться внутри клетки, сливаться друг с другом и с внутриклеточными мембранными структурами. Наиболее активный пиноцитоз наблюдается у амёб, в эпителиальных клетках кишечника и почечных канальцев, в эндотелии сосудов и растущих ооцитах. Пиноцитозная активность зависит от физиологического состояния клетки и состава окружающей среды. Активные индукторы пиноцитоза — γ-глобулин, желатина, некоторые соли.

Эндоцитоз - реакция клеток, направленная на поглощение и переваривание растворимых макромолекулярных соединений, а также чужеродных или структурно измененных собственных клеток. Термин “эндоцитоз” является обобщающим для двух близких, но, тем не менее, самостоятельных процессов - пиноцитоза и фагоцитоза. Первый из них характеризуется поглощением и внутриклеточным разрушением макромолекулярных соединений, таких как белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, липопротеины, белковые комплексы. В то же время фагоцитоз - явление поглощения и переваривания клеткой (макрофагами, нейтрофилами) корпускулярного материала (бактерий, крупных вирусов, отмирающих собственных клеток организма или чужеродных клеток, таких, например, как эритроциты различных видов).
Объектом пиноцитоза как фактора неспецифической иммунной защиты являются, в частности, токсины микроорганизмов.
На рис. В.1 представлены последовательные этапы захвата и внутриклеточного переваривания растворимых, находящихся в экстрацеллюлярном пространстве макромолекул. Адгезия таких молекул на клетке может осуществляться двумя способами: неспецифическим - в результате случайной встречи молекул с клеткой, и специфическим, который зависит от предсуществующих

Рис. В.1. Эндоцитоз макромолекул фагоцитами.
РМ - растворимые макромолекулы; РЦ - рецептор; ПП - пиноцитарный пузырек; ПС - пиносома

рецепторов на поверхности пиноцитирующей клетки. В последнем случае внеклеточные вещества выступают в качестве лигандов, взаимодействующих с соответствующими рецепторами. Адгезия
нации (впячиванию) мембраны, завершающейся образованием пиноцитарного пузырька очень небольшого размера (приблизи- тельно ОД ц). Несколько слившихся пузырьков формируют более крупное образование - шшосому. На следующем этапе пиносомы сливаются с лизосомами, содержащими гидролитические ферменты, которые разрушают полимерные молекулы до мономеров. В тех случаях, когда процесс пиноцитоза реализуется через рецепторный аппарат, в пиносомах до слияния с лизосомами наблюдается отсоединение захваченных молекул от рецепторов, которые в со-
Фагоцитоз как фактор неспецифической защиты проявляет себя при проникновении в организм патогенных микробов. Случайный или обусловленный рецепторами контакт микробной клетки с фагоцитом (макрофагом, нейтрофилом) приводит к образованию выростов мембраны - псевдоподий, окружающих чужеродную клетку. Сформировавшаяся вакуоль (фагосома) в 10-20 раз больше пиносомы. Она погружается в клетку, где после слияния с лизосомами образует фаголизосому. Именно в ней за счет активности гидролитических ферментов происходит полное или
микробной клетки удаляется в экстрацеллюлярную среду, другая остается на поверхности фагоцитирующей клетки (рис. В.2).


Рис. В.2. Фагоцитоз бактерий.
Б - бактерии; П - псевдоподии; ФС - фагосома; ФЛС - фагализосома

Рис. 18. Фагоцитоз и пиноцитоз.

Макромолекулярная структура. 2.Начало фагоцитоза. 3.Фагосома. 4.Фаголизосома (вторичная лизосома). 5.Гранулярная ЭПС. 6.Митохондрия. 7.Первичная лизосома. 8.Эндосома. 9. Аппарат Гольджи. 10.Фрагмент ядра. 11.Плазмолемма. 12.Остаточное тельце.

Существует несколько способов эндоцитоза (от греч. endon – внутри, kytos – клетка: пиноцитоз (от греч. pino – пью) и фагоцитоз (от греч. phagos – пожирающий). При пиноцитозе клетка захватывает жидкие коллоидные частицы, а при фагоцитозе – плотные частицы (макромолекулярные комплексы, части клеток, бактерии и др.). В этих процессах активную роль играют плазмолемма (11) и гликокаликс.

При пиноцитозе и фагоцитозе вбираемые клеткой частицы взаимодействуют с плазмолеммой и окружаются ею (2). Жидкие частицы окаймляются дополнительно белком клатрином (окаймленные пузырьки) (12). В последующем и при пиноцитозе и при фагоцитозе происходит взаимодействие захваченных клеткой веществ с лизосомами.

Фагоцитоз характерен для клеток макрофагов, которые находятся в рыхлой соединительной ткани в каждом органе, нейтрофилов и др. При фагоцитозе бактерий, частей клеток специализированными клетками идет взаимодействие фагоцитируемой частицы с рецепторами на поверхности клетки и активация фагоцитоза с изменением внутриклеточного содержания кальция. Это ведет к изменению полимеризации тонких микрофиламентов и микротрубочек, вызывает формирование выпячивания цитолеммы (псевдоподии) с погружением крупной частицы внутрь клетки (образование фагосомы). В дальнейшем эндоцитозные пузырьки (эндосомы) (8) могут сливаться друг с другом и внутри пузырьков, кроме поглощенных веществ обнаруживаются гидролитические ферменты, которые поступают из лизосом. Ферменты расщепляют биополимеры до мономеров, которые в результате активного транспорта через мембрану пузырька переходят в гиалоплазму. Таким образом, поглощенные молекулы внутри мембранных вакуолей, образовавшихся из элементов плазмолеммы, подвергаются внутриклеточному пищеварению.