Все изменения состояния клетки и превращения веществ в ней в конечном счете слагаются из отдельных звеньев биохимических процессов. В свою очередь, каждый биохимический процесс представляет собой последовательную цепь многих единичных химических реакций. Эти цепи связаны между собой и совершаются в различных компартментах клетки. Все биохимические реакции осуществляются с помощью ферментов.
Детально процессы обмена веществ, в том числе и внутриклеточные, изучаются в курсе биохимии. В настоящем пособии будут рассмотрены не столько эти процессы, сколько участие в них клеточных структур.
Для осуществления биохимических реакций необходимо поступление веществ в клетку - эндоцитоз, обмен веществ в клетке - метаболизм и выведение продуктов метаболизма - экзоцитоз.
Существует несколько способов эндоцитоза (греч. en- don - внутри, kytos - клетка). Некоторые из них, такие как пассивный и активный трансмембранный транспорт, описаны в разделе «Биологические мембраны».
При эндодитозе этот транспорт осуществляется плазмалеммой. Кроме того, существуют более сложные способы - пиноцитоз) греч. ріпо - пью) и фагоцитоз (греч. phagos — пожирающий). Обычно под пиноцитозом понимают захват клеткой жидких коллоидных частиц, под фагоцитозом - захват корпускул (более плотных и крупных частиц, вплоть до других клеток). Механизм пино- и фагоцитоза различен.
В общем виде поступление в клетку твердых частиц или капель жидкости извне называется гетерофагией (греч. heteros - иной). Этот процесс наиболее широко распространен у простейших, но очень важен и у человека (равно как и у других млекопитающих). Гетерофагия играет существенную роль в защите организма (сегментоядерные нейтрофильные гранулоциты, макрофагоциты), перестройке костной ткани (остеокласты), образовании тироксина фолликулами щитовидной железы, реабсорбции белка и других макромолекул в проксимальном отделе нефрона и других процессах.
Для того чтобы внешние молекулы поступили в клетку, они должны быть сначала связаны рецепторами гликокаликса (рис. 40).
Рис. 40. Рецепторно-опосредованный эндоцитоз:
I - окаймленная ямка; II - промежуточная стадия; III - окаймленный пузырек: 1 - лиганды: 2 - мембранные рецепторы; 3 - клатрин (по В. Албертсу и соавт., с изменениями)
В месте такого связывания под плазмалеммой обнаруживаются молекулы белка клатрина. Плазмалемма вместе с присоединенными извне молекулами и подстилаемая со стороны цитоплазмы клатрином начинает впячиваться. Впячивание становится все глубже, его края сближаются и затем смыкаются. В результате от плазмалеммы отщепляется пузырек, несущий в себе захваченные молекулы. Клатрин на его поверхности выглядит на электронных микрофотографиях как неровная каемка, поэтому такие пузырьки получили название окаймленных.
Клатрин не дает возможности пузырькам присоединяться к внутриклеточным мембранам. Поэтому окаймленные пузырьки могут беспрепятственно транспортироваться в клетке именно к тем участкам цитоплазмы, где должно использоваться их содержимое. Так к ядру доставляются, в частности, стероидные гормоны. Однако обычно окаймленные пузырьки сбрасывают кайму вскоре после отщепления от плазмалеммы. Клатрин переносится к плазмалемме и снова может участвовать в реакциях эндоцитоза.
У поверхности клетки в цитоплазме имеются более постоянные пузырьки - эндосомы. Окаймленные пузырьки сбрасывают клатрин и сливаются с эндосомами, при этом объем и поверхность эндосом увеличиваются. Затем «избыточная» часть эндосомы отщепляется в виде нового пузырька, в котором нет поступивших в клетку веществ, они остаются в эндосоме. Новый пузырек направляется к поверхности клетки и сливается с плазмалеммой. В результате убыль мембраны, возникшая при отщеплении окаймленного пузырька, восстанавливается, при этом в плазмалемму возвращаются и ее рецепторы.
Эндосомы погружаются в цитоплазму и встречаются с лизосомами. Их мембраны сливаются. В возникшей таким образом вторичной лизосоме вещества, поступившие в клетку, подвергаются разнообразным биохимическим превращениям. По завершении процесса мембрана лизосомы может распадаться на фрагменты, а продукты распада вторичной лизосомы и ее содержимого становятся доступными для внутриклеточных метаболических реакций. Так, например, аминокислоты связываются тРНК и доставляются к рибосомам, а глюкоза может поступать в комплекс Гольджи либо в канальцы агранулярной ЭПС.
Хотя эндосомы и не обладают клатриновой каймой, не все они сливаются с лизосомами. Часть из них направляется от одной поверхности клетки к другой (так происходит, если клетки образуют эпителиальный пласт). Там мембрана эндосомы сливается с плазмалеммой и содержимое выводится вовне. В результате вещества переносятся через клетку из одной среды в другую без изменений. Этот процесс называют трансцитозом. Существенно, что путем трансцитоза могут переноситься и белковые молекулы, в частности иммуноглобулины.
Если крупная частица имеет на поверхности молекулярные группировки, которые могут распознаваться рецепторами клетки, она связывается. Далеко не всегда чужеродные частицы сами обладают такими группировками. Однако, попадая в организм, они окружаются молекулами иммуноглобулинов (опсонинами), которые всегда содержатся и в крови, и в межклеточной среде. Иммуноглобулины всегда распознаются клетками-фагоцитами.
После того как покрывающие чужеродную частицу опсонины связались с рецепторами фагоцита, активируется весь его поверхностный комплекс. Актиновые микрофиламенты начинают взаимодействовать с миозином, и конфигурация поверхности клетки изменяется. Вокруг частицы вытягиваются выросты цитоплазмы фагоцита. Они охватывают поверхность частицы и объединяются над ней. Наружные листки выростов сливаются, замыкая поверхность клетки (рис. 41).
Глубокие листки выростов образуют мембрану вокруг поглощенной частицы - формируется фагосома. Фагосома сливается с лизосомами, в результате чего возникает их комплекс - гетеролизосома (гетеросома, или фаголизосома). В ней происходит лизис захваченных компонентов частицы. Часть продуктов лизиса выводится из гетеросомы и утилизируется клеткой, часть же может оказаться не поддающейся действию лизосомных ферментов.
Эти остатки, как уже сказано, образуют остаточные тельца.
Потенциально все клетки обладают способностью к фагоцитозу, но в организме лишь некоторые специализируются в этом направлении. Таковы нейтрофильные лейкоциты и макрофаги. Подробности об этих клетках излагаются в курсе общей гистологии.