Біохімія мембран

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Сумський державний університет

Біохімія мембран

Навчальний посібник

І. В. Чорна, І. Ю. Висоцький

Суми

Сумський державний університет-2015

УДК 577.352(075.8)

ББК 28.07я73

Ч-75

Рецензенти:

І. М. Кліщ - доктор біологічних наук, професор, завідувач кафедри клініко-лабораторної діагностики ДВНЗ «Тернопільський державний медичний університет ім. І. Я. Горбачевського»;

О. В. Атаман - доктор медичних наук, професор, завідувач кафедри фізіології і патофізіології з курсом медичної біології Медичного інституту Сумського державного університету;

О. І. Сміян - доктор медичних наук, професор, завідувач кафедри педіатрії післядипломної освіти з курсами пропедевтики педіатрії та дитячих інфекцій Медичного інституту Сумського державного університету

Рекомендовано вченою радою

Сумського державного університету

як навчальний посібник

(протокол № 6 від 18 грудня 2014 р.)

Ч-75 Чорна І. В.

Біохімія мембран : навч. посіб. / І. В. Чорна, І. Ю. Висоцький. - Суми : Сумський державний університет, 2015. - 72 с.

ISBN 978-966-657-547-3

У навчальному посібнику подані відомості щодо особливостей будови біологічних мембран та їх окремих компонентів, розглянуто механізми трансмембранного передавання сигналів та транспорту речовин через клітинні мембрани. Матеріал посібника викладено з урахуванням міждисциплінарної інтеграції знань.

Для студентів вищих медичних навчальних закладів ІІІ-ІV рівнів акредитації.

1. Функціональні особливості та різноманітність біологічних мембран

мембрана біологічний речовина транспорт

Біологічні мембрани є найважливішими компонентами клітини, що відокремлюють клітину від зовнішнього середовища. Цілісність мембран є необхідною умовою існування клітини як єдиного цілого. Крім того, майже у всіх еукаріотичних клітинах існують органели, кожна з яких має свою мембрану.

Мембрани відповідальні за виконання багатьох найважливіших функцій клітини. Узгоджене функціонування мембранних систем - рецепторів, ферментів, транспортних механізмів - допомагає підтримувати гомеостаз клітини і в той же час швидко реагувати на зміни зовнішнього середовища.

Складна структура мембран дозволяє їм забезпечити багато фундаментальних процесів життєдіяльності, що неможливо для окремих макромолекул та інших надмолекулярних комплексів.

До основних функцій мембран можна віднести:

відмежування клітини від навколишнього середовища і формування внутрішньоклітинних компартментів (відсіків);

контроль і регулювання транспорту величезної різноманітності речовин через мембрани;

участь у забезпеченні міжклітинних взаємодій, передаванні всередину клітини сигналів;

створення структурних, біофізичних умов для організації мембранозв'язаних мультиферментних комплексів (ферментних ансамблів), що реалізують життєво важливі клітинні функції (наприклад, електронотранспортних ланцюгів у мембранах мітохондрій);

перетворення енергії харчових органічних речовин в енергію хімічних зв'язків молекул АТФ.

Основні принципи структурної організації всіх мембран однакові, проте одна з найхарактерніших особливостей - величезна їх різноманітність. Мембрани органел еукаріотичних клітин унікальні за своїм складом і за характером виконуваних функцій.

Плазматична мембрана

Плазматична мембрана, що оточує кожну клітину, визначає її величину, забезпечує транспорт малих і великих молекул із клітини в клітину, підтримує різницю концентрацій іонів по обидва боки мембрани. Мембрана бере участь у міжклітинних контактах, сприймає, посилює і передає всередину клітини сигнали зовнішнього середовища. Із мембраною зв'язані багато ферментів, що каталізують біохімічні реакції.

Ядерна мембрана

Ядерна оболонка складається із зовнішньої і внутрішньої ядерних мембран. Ядерна оболонка має пори, через які РНК проникають із ядра в цитоплазму, а регуляторні білки - із цитоплазми в ядро.

Внутрішня ядерна мембрана містить специфічні білки, що мають ділянки зв'язування основних поліпептидів ядерного матриксу - ламіну А, ламіну В і ламіну С. Важлива функція цих білків - дезінтеграція ядерної оболонки в процесі мітозу.

Мембрана ЕПР

Мембрана ЕПР має численні складки та вигини. Вона утворює безперервну поверхню, що обмежує внутрішній простір, який має назву порожнини ЕПР. Шорсткий ЕПР зв'язаний із рибосомами, на яких відбувається синтез білків плазматичної мембрани, ЕПР, апарату Гольджі, лізосом, а також білків, що секретуються. Ділянки ЕПР, що не містять рибосом, називають гладким ЕПР. Тут відбувається завершальний етап біосинтезу холестерину, фосфоліпідів, реакції окиснення власних метаболітів і чужорідних речовин за участі мембранних ферментів - цитохрому Р450, цитохром Р450 редуктази, цитохром b5 редуктази і цитохрому b5.

Апарат Гольджі

Апарат Гольджі - важлива мембранна органела, що відповідає за модифікацію, накопичення, сортування і спрямовування різних речовин у відповідні внутрішньоклітинні компартменти, а також за межі клітини. Ферменти комплексу Гольджі глікозилтрансферази, глікозилюючи білки за залишками амінокислот серину, треоніну або амідною групою аспарагіну, завершують утворення складних білків - глікопротеїнів.

Мітохондріальні мембрани

Мітохондрії - органели, оточені подвійною мембраною, що спеціалізуються на синтезі АТФ шляхом окисного фосфорилювання. Особливістю зовнішньої мітохондріальної мембрани є вміст великої кількості білка порину, що утворює пори в мембрані. Завдяки порину зовнішня мембрана проникна для неорганічних іонів, метаболітів і навіть невеликих молекул білків (менше 10 кДа). Для більших білків зовнішня мембрана непроникна, це дозволяє мітохондріям утримувати білки міжмембранного простору від витоку в цитозоль.

Для внутрішньої мембрани мітохондрій характерний високий вміст білків (близько 70 %), що виконують здебільшого каталітичну і транспортну функції. Транслокази мембрани забезпечують вибіркове перенесення речовин із міжмембранного простору в матрикс й у зворотному напрямку, ферменти беруть участь у транспорті електронів (ланцюг перенесення електронів) і синтезі АТФ.

Мембрана лізосом

Мембрана лізосом відіграє роль “бар'єра” між активними ферментами (більше 50), що забезпечують реакції розщеплення білків, вуглеводів, жирів, нуклеїнових кислот і рештою клітинного вмісту. Мембрана містить унікальні білки, наприклад АТФ-залежну протонну помпу (насос), що підтримує кисле середовище (рН 5), необхідне для дії гідролітичних ферментів (протеаз, ліпаз), а також транспортні білки, що дозволяють продуктам розщеплення макромолекул залишати лізосому. Більшість білків лізосомальної мембрани сильно глікозильовані, а вуглеводні складові, що знаходяться на внутрішній поверхні мембрани, захищають їх від дії протеаз.

2. Моделі будови біомембран

Біологічні мембрани - це “ансамблі” ліпідних і білкових молекул, що утримуються разом за допомогою нековалентних взаємодій. Крім того, в мембранах є вуглеводи, неорганічні солі та вода.

Незважаючи на відмінності у співвідношенні окремих хімічних компонентів і функціональні особливості різних типів клітинних мембран, принцип молекулярної архітектури для всіх біомембран, очевидно, приблизно однаковий.

У 1925 р. Е. Гортер і Ф. Грендел припустили, що основу мембрани становить подвійний шар ліпідів - біліпідний шар. У 1931 р. Дж. Даніелі та Г. Даусон, спираючись на відомі на той час експериментальні дані, запропонували першу просторову модель будови клітинної мембрани типу “сандвіча”, або “бутербродну” модель, яка згодом була дещо вдосконалена Дж. Робертсоном. Принцип побудови такої мембрани відносно нескладний. Внутрішній прошарок мембрани становить подвійний шар ліпідів, полярні голівки яких обернені назовні. Суцільні шари білкових молекул прилягають із обох боків до полярних голівок ліпідів. Така модель пояснювала, чому через клітинну мембрану добре проходять сполуки, розчинні в ліпідах, і не проникають гідрофільні речовини. Вибіркова проникність для окремих гідрофільних молекул пояснювалася тим, що у бімолекулярному шарі ліпідів є “розриви”, або пори, які вистелені шаром білкових макромолекул. Через них можуть проходити різні водорозчинні сполуки залежно від розмірів пор, які регулюються зовнішніми факторами. Тривалий час вважалося, що всі мембрани побудовані за цим принципом. Звідси й назва - “унітарна” модель мембрани.

Однак поступово накопичувались аргументи проти “бутербродної” моделі:

з'явилися відомості про глобулярність плазматичної мембрани;

виявилося, що структура мембрани при електронній мікроскопії залежить від способу її фіксації;

плазматична мембрана може розрізнятися за структурою навіть в одній клітині, наприклад у голівці, шийці та хвості сперматозоїда;

“бутербродна” модель термодинамічно не вигідна - для підтримки такої структури потрібно затрачати велику кількість енергії, і “протягнути” речовину через мембрану дуже складно;

кількість білків, що зв'язані із мембраною електростатичними зв'язками, дуже невелика, здебільшого білки дуже важко виділити з мембрани, оскільки вони занурені в неї.

На сьогодні загальноприйнятою моделлю будови мембран є рідинно-мозаїчна, запропонована у 1972 р. С. Сингером і Дж. Ніколсоном. Згідно із цією моделлю основу (матрицю) мембрани також становить подвійний ліпідний шар, однак білки по відношенню до цього шару розміщені по-різному. Вивчення біологічних мембран показало, що одні білки міцно зв'язані з мембраною, інші легко відділяються під час обробки водно-сольовим розчином. Перші з них називають внутрішніми, іноді структурними, другі - зовнішніми білками. Серед внутрішніх білків можна виділити такі, що на різну глибину занурюються в гідрофобну частину ліпідного матриксу із зовнішнього або внутрішнього боку мембрани. Проте є білки, або білкові компоненти, що пронизують наскрізь мембрану, їх часто називають інтегральними. Білки поверхневого шару прикріплюються до полярних голівок фосфоліпідів за допомогою електростатичних сил або через молекули структурно зв'язаної води. Білки, занурені в ліпіди, належать на відміну від поверхневих до амфіпатичних. Їх занурена частина утворює з ліпідами мембран гідрофобні зв'язки, а виступаючі частини контактують із полярними “голівками” ліпідів і взаємодіють із молекулами води. Інтегральні мембранні білки також містять гідрофобні й гідрофільні частини молекул, перші вступають у взаємодію з гідрофобними частинами ліпідних молекул, другі розміщуються в поверхневих шарах мембрани. Чергування ділянок білків та ліпідів і дає “мозаїчну” картину мембрани. Більша частина фосфоліпідів представлена переривчастим бімолекулярним шаром, полярні групи яких перебувають у контакті з водою або білками. Полярні групи амінокислот білків, глікопротеїнів і гліколіпідів також знаходяться на поверхні мембрани. Взагалі ця модель передбачає високий рівень специфічної взаємодії між компонентами мембрани і, відповідно, забезпечує термодинамічний принцип мінімуму вільної енергії системи. Передбачається також асоціація двох або кількох субодиниць інтегральних білків із утворенням специфічних агрегатів усередині мембрани. У таких агрегатах між білковими субодиницями можуть утворюватися гідрофільні пори (канали).

Ліпіди всередині мембрани перебувають у “рідкому” стані, що забезпечує їх значну рухливість. У свою чергу, ця якість зумовлює динамічність мембрани. Для ліпідів мембран характерна обертальна дифузія, тобто вільне обертання навколо своєї осі; латеральна дифузія - переміщення в одному ряду бішарової структури; обмін між рядами - фліп-флоп (такі перескоки трапляються рідко). Молекули білків також можуть переміщуватися латерально у площині мембрани. Для них характерні трансглобулярні конформаційні переходи. Можливо також, що білкові молекули обертаються навколо перпендикулярних і паралельних площині бішару осей, що може мати велике значення при функціонуванні макромолекул і мембран у цілому. Однак білкові молекули не абсолютно вільно переміщуються у площині мембрани, оскільки можуть існувати взаємодії між окремими білковими молекулами і, крім того, між білками мембран і цитоскелетом клітини, структурними білками, мікрофіламентами, мікротрубочками, що примикають до мембрани зсередини. У свою чергу, розміщення білкових молекул у мембрані впливає на розподіл й орієнтацію ліпідних молекул залежно від спорідненості конкретних білків і ліпідів.

3. Хімічний склад біологічних мембран

Основу мембрани становить подвійний ліпідний шар, у формуванні якого беруть участь фосфоліпіди та гліколіпіди. Ліпідний бішар утворений двома рядами ліпідів, гідрофобні радикали яких заховані всередину, а гідрофільні групи звернені назовні й контактують із водним середовищем. Білкові молекули “розчинені” у ліпідному бішарі (рис. 1).

Відносна кількість ліпідних і білкових молекул варіює у складі різних мембран (від 1/5 - білок + 4/5 - ліпіди до 3/4 - білок + 1/4 - ліпіди). Вуглеводи містяться у формі глікопротеїнів, гліколіпідів і становлять 0,5-10 % речовини мембрани.

Рисунок 1 - Поперечний розріз плазматичної мембрани

3.1 Структура та властивості ліпідів мембран

Мембранні ліпіди - амфіфільні (амфіпатичні) молекули, тобто в молекулі є як гідрофільні групи (полярні “голівки”), так і аліфатичні радикали (гідрофобні “хвости”), що довільно формують бішар (рис. 2).

Рисунок 2 - Схематичне зображення біліпідного шару мембрани

У більшості еукаріотичних клітин ліпіди становлять близько 30-70 % маси мембрани. У мембранах наявні ліпіди трьох головних типів - фосфоліпіди, гліколіпіди та холестерол.

Ліпідний склад мембран різний, вміст того чи іншого ліпіду визначається різноманітністю функцій, виконуваних цими ліпідами в мембранах.

Фосфоліпіди. Усі фосфоліпіди можна розділити на 2 групи - гліцерофосфоліпіди та сфінгофосфоліпіди (рис. 3). Гліцеро-фосфоліпіди відносять до похідних фосфатидної кислоти. Найбільш поширені гліцерофосфоліпіди мембран - фосфатидилхоліни та фосфатидилетаноламіни. У мембранах еукаріотичних клітин виявлена величезна кількість різних фосфоліпідів, причому вони розподілені нерівномірно по різних клітинних мембранах. Ця нерівномірність стосується розподілу як полярних “голівок”, так і ацильних залишків.

Кожен гліцерофосфоліпід, наприклад фосфатидилхолін, представлений декількома десятками фосфатидилхолінів, що відрізняються один від одного будовою залишків жирних кислот (рис. 3(а)).

На частку гліцерофосфоліпідів (полярна група - інозитол) припадає лише 2-8 % усіх фосфоліпідів, що містяться в клітинній мембрані еукаріотів. Інозитол у складі фосфатидилінозитолів може бути фосфорильований по С4 (фосфатидилінозитол-4-монофосфат) або С4 і С5 (фосфатидилінозитол-4,5-бісфосфат).

До складу фосфатидилінозитол-4,5-бісфосфатів входять переважно ацильні залишки стеаринової або пальмітинової (за першим положенням гліцеролу) та арахідонової (за другим положенням) жирних кислот.

Специфічні фосфоліпіди внутрішньої мембрани мітохондрій - кардіоліпіни (дифосфатидилгліцероли) побудовані на основі гліцеролу і двох залишків фосфатидної кислоти. Вони синтезуються ферментами внутрішньої мембрани мітохондрій і становлять близько 22 % від усіх фосфоліпідів мембрани.

У плазматичних мембранах клітин у значних кількостях містяться сфінгомієліни (рис. 3(b)). Сфінгомієліни побудовані на основі цераміду - ацильованого аміноспирту сфінгозину. Полярна група складається із залишку фосфорної кислоти та холіну, етаноламіну або серину. Сфінгомієліни - головні ліпіди мієлінової оболонки нервових волокон.



Рисунок 3 - Схема будови фосфоліпідів:

(а) - фосфатидилхолін (гліцерофосфоліпід);

(b) - сфінгомієлін (сфінгофосфоліпід)

Гліколіпіди. У гліколіпідах гідрофобна частина представлена церамідом (рис. 4). Гідрофільна група - вуглеводний залишок, приєднаний глікозидним зв'язком до гідроксильної групи біля першого вуглецевого атома цераміду (рис. 5). Залежно від довжини та будови вуглеводної частини розрізняють цереброзиди, що містять моно- або олігосахаридний залишок, і гангліозиди, до ОН-групи яких приєднаний складний, розгалужений олігосахарид, що містить N-ацетилнейрамінову кислоту (NANA).



Рисунок 4 - Хімічна формула цераміду

Полярні “голівки” глікосфінголіпідів знаходяться на зовнішній поверхні плазматичних мембран. У значних кількостях гліколіпіди містяться в мембранах клітин мозку, еритроцитів, епітеліальних клітин. Гангліозиди еритроцитів різних індивідуумів розрізняються будовою олігосахаридних ланцюгів, що проявляють антигенні властивості.



Рисунок 5 - Схема будови гліколіпідів:

Gal - галактоза; Glc - глюкоза; NANA - N-ацетилнейрамінова, або сіалова, кислота

Холестерол. Холестерол є у всіх мембранах клітин тварин. Його молекула складається із жорсткого гідрофобного ядра і гнучкого вуглеводневого ланцюга, єдина гідроксильна група є полярною “голівкою” (рис. 6).

Молекула холестеролу розміщена в ліпідному шарі мембрани паралельно до аліфатичних ланцюгів молекул фосфо- і гліколіпідів. Гідроксильна група холестеролу контактує з гідрофільними “голівками” цих ліпідів.



Рисунок 6 - Холестерол

Для тваринної клітини середнє молярне відношення холестерол/фосфоліпіди дорівнює 0,3-0,4, але в плазматичній мембрані це співвідношення набагато вище (0,8-0,9). Наявність холестеролу в мембранах зменшує рухливість жирних кислот, знижує латеральну дифузію ліпідів і білків, і тому може впливати на функції мембранних білків.

У складі мембран рослин холестеролу немає, а є рослинні стероїди - ситостерол і стигмастерол.

3.1.1 Трансмембранна асиметрія ліпідів

Кожна мембрана клітини замкнена, тобто має внутрішню і зовнішню поверхні, що розрізняються за ліпідним і білковим складом - цю особливість мембран називають трансмембранною (поперечною) асиметрією.

Ліпідна асиметрія виникає передусім тому, що ліпіди з більш об'ємними полярними “голівками” прагнуть перебувати у зовнішньому моношарі, оскільки там площа поверхні, яка припадає на полярну “голівку”, більша. Фосфатидилхоліни та сфінгомієліни локалізовані переважно в зовнішньому моношарі, а фосфатидилетаноламіни та фосфатидилсерини здебільшого у внутрішньому. Холестерол є в обох шарах мембрани.

Ліпіди в деяких біологічних мембранах із досить великою частотою мігрують із одного боку мембрани на інший, тобто здійснюють “фліп-флоп” (від англ. flip-flop - переміщення) (рис. 7). Переміщення ліпідних молекул ускладнюють полярні “голівки”, тому ліпіди, що знаходяться на внутрішньому боці мембрани, мають відносно високу швидкість трансмембранної міграції порівняно з ліпідами зовнішнього боку мембрани, що мігрують повільніше або взагалі не здійснюють “фліп-флоп”-переміщення.

Рисунок 7 - Типи рухів ліпідних молекул у бішарі мембран

3.1.2 Плинність мембран

Для мембран характерна плинність (“текучість”), здатність ліпідів і білків до латеральної дифузії. Швидкість переміщення молекул залежить від мікров'язкості мембран, що, у свою чергу, визначається відносним вмістом насичених і ненасичених жирних кислот у складі ліпідів. Мікров'язкість менша, якщо в складі ліпідів переважають ненасичені жирні кислоти, і більша при високому вмісті насичених жирних кислот.

“Текучість” мембрани зумовлена цис-конформацією подвійних зв'язків ненасичених жирних кислот. Ацильні (аліфатичні) залишки ненасичених жирних кислот мають так звані “злами”, що перешкоджають дуже щільній упаковці молекул у мембрані й роблять її більш пухкою, а отже й більш “текучою”. На плинність мембран також впливають розміри вуглеводневих “хвостів” ліпідів, зі збільшенням довжини яких мембрана стає більш “текучою”.

3.1.3 Функції мембранних ліпідів

Фосфо- і гліколіпіди мембран, крім участі у формуванні ліпідного бішару, виконують ряд інших важливих функцій. Ліпіди формують середовище для функціонування мембранних білків, які набувають у ньому нативну конформацію. Виділені з мембран ферменти, позбавлені ліпідного оточення, як правило, не виявляють каталітичної активності.

Деякі мембранні ліпіди - попередники вторинних посередників при передачі гормонального сигналу. Так, фосфатидилінозитол-4,5-бісфосфат (ФІФ2) під дією ферменту фосфоліпази С гідролізується до інозитол-1,4,5-трифосфату (ІФ3) - регулятора кальцієвого обміну в клітині й діацилгліцеролу (ДАГ) - активатора протеїнкінази С.

ДАГ, ІФ3, протеїнкіназа С і Са2+ - учасники інозитолфосфатної системи передачі гормонального сигналу.

Крім того, деякі ліпіди виконують “якірну” функцію, наприклад до фосфатидилінозитолів через олігосахарид можуть приєднуватися специфічні білки зовнішньої поверхні клітини. Фосфатидилінозитол із приєднаним до нього олігосахаридом (гліканом) називають фосфатидилінозитолгліканом. Зв'язок білків із цією молекулою (гліканом) здійснюється через фосфоетаноламін. Прикладом такого “заякореного” білка є ацетилхолінестераза, що каталізує гідроліз ацетилхоліну в синаптичній щілині. Цей фермент фіксується на постсинаптичній мембрані, ковалентно приєднуючись до фосфатидилінозитолглікану. Під дією фосфоліпази С може відбуватися відділення білків від зовнішньої поверхні клітини.

Ліпіди можуть бути алостеричними активаторами мембранних ферментів. Наприклад, р-гідрокси-бутиратдегідрогеназа, що бере участь в окисненні кетонових тіл, локалізована на внутрішній мембрані мітохондрій. Каталітична активність ферменту виявляється лише за наявності фосфатидилхоліну.

Фермент протеїнкіназа С каталізує реакції фосфорилювання білків за амінокислотними залишками серину і треоніну. У неактивній формі протеїнкіназа С знаходиться в цитозолі. Однак після стимуляції клітини (підвищення в клітині концентрації кальцію) фермент швидко активується іонами кальцію і виявляється зв'язаним із мембраною. Функціонально активна протеїнкіназа С - комплекс, що містить мономер ферменту, молекулу діацилгліцеролу, один або більше іонів Са2+ і чотири молекули фосфатидилсерину.

3.2 Білки мембран

3.2.1 Функції мембранних білків

Якщо основна роль ліпідів у складі мембран полягає в стабілізації бішару, то білки відповідають за функціональну активність мембран. Одні з них забезпечують транспорт певних молекул та іонів, інші є ферментами, треті беруть участь у зв'язуванні цитоскелета з позаклітинним матриксом або служать рецепторами для гормонів, медіаторів, ейкозаноїдів, ліпопротеїнів, оксиду азоту (NO). При цьому мембранні ліпіди створюють середовище, необхідне для дії цих білків.

На частку білків припадає від 30 до 70 % маси мембран. Так, у мієліні найбільш високим вмістом білка (аж до 75 %) характеризуються мембрани, що функціонують як перетворювачі енергії, зокрема внутрішні мембрани мітохондрій.

Різноманітність функцій мембранних білків, більшість яких визначають функціональну активність мембран, показана в табл. 1.

Таблиця 1 - Класифікація білків біомембран залежно від їх функцій (за Я. Кагавою)

Функції	Мембранні білки
1. Каталізатори метаболізму	Ферменти: оксидоредуктази, трансферази, ізомерази, лігази, ліази. Інші: переносники електронів (цитохроми, білки з негемовим залізом та ін.)
2. Транспорт	Переносники: рухливі переносники. Канали, нерухливі мембранні пори й селективні фільтри. Ворота: специфічна ворітна система. Насоси: механізм активного транспорту
3. Рухливість	Мікротрубочки. Мікрофіламенти. Війки, білок динеїн, мікроворсинки
4. Рецепція й передача інформації	Хеморецептори: рецептори гормонів та ін. Рецептори світла: родопсин. Антитіла та інші речовини, пов'язані з імунітетом
5. Збереження структури	Волокнисті білки: колаген та ін. Інші: глікокалікс

3.2.2 Особливості будови та розміщення мембранних білків

Мембранні білки, що контактують із гідрофобною частиною ліпідного бішару, повинні бути амфіфільними. Ті ділянки білка, що взаємодіють із вуглеводневими ланцюгами жирних кислот, містять переважно неполярні амінокислоти. Ділянки білка, що знаходяться в області полярних “голівок”, збагачені гідрофільними амінокислотними залишками.

Білки мембран різняться за своїм розміщенням у мембрані. Вони можуть глибоко проникати у фосфоліпідний бішар або навіть пронизувати його - інтегральні білки (трансмембранні) (рис. 8).



Рисунок 8 - Інтегральні білки, вбудовані в ліпідний бішар

Інтегральні білки, як правило, мають великі гідрофобні ділянки, розміщені всередині мембрани. Такі білки можна виділити з мембрани лише шляхом її руйнування за допомогою екстракції детергентами.

Інші білки можуть різними способами прикріплятися до мембрани - поверхневі білки (периферичні). На відміну від інтегральних периферичні білки легко відокремлюються від мембран під час дії сольових розчинів, зміни рН тощо. При цьому в молекулах периферичних білків залишки гідрофільних амінокислот займають положення на поверхні білкової глобули. Міцність зв'язування білків з ліпідним бішаром варіює в широких межах.

Поверхневі білки часто прикріплюються до мембрани, взаємодіючи з інтегральними білками або поверхневими ділянками ліпідного шару.

Наприклад, низка травних ферментів, що беруть участь у гідролізі крохмалю та білків, прикріплюється до інтегральних білків мембран мікроворсинок кишечника. Прикладами таких комплексів можуть бути сахараза-ізомальтаза та мальтаза-глікоамілаза. Можливо, зв'язок цих травних ферментів із мембраною дозволяє з високою швидкістю гідролізувати субстрати і засвоювати продукти гідролізу клітиною.

Полярні або заряджені домени білкової молекули можуть взаємодіяти з полярними “голівками” ліпідів, утворюючи іонні та водневі зв'язки. Крім того, безліч розчинних у цитозолі білків за певних умов можуть зв'язуватися з поверхнею мембрани на нетривалий час. Іноді зв'язування білка - необхідна умова прояву ферментативної активності. До таких білків, наприклад, відносять протеїнкіназу С, фактори згортання крові.

Деякі білки зв'язуються з мембраною за допомогою гідрофобного мембранного “якоря”. Ця структура зазвичай виявляється як послідовність неполярних амінокислотних залишків. Прикладом такого білка є цитохром b5 мембрани ЕПР, який бере участь в окисно-відновних реакціях як переносник електронів. Деякі мембранні білки використовують як “якір” ковалентно зв'язані з ними жирні кислоти (мірістинову - С14 або пальмітинову - С16) чи фосфоліпіди. Білки, зв'язані з жирними кислотами, локалізовані здебільшого на внутрішній поверхні плазматичної мембрани. Міристинова кислота приєднується до N-кінцевого гліцину з утворенням амідного зв'язку. Пальмітинова кислота утворює тіоефірний зв'язок із цистеїном або складноефірний зв'язок із залишками серину і треоніну.

Невелика група білків може бути “заякореною” за допомогою ковалентно приєднаного до С-кінця білка ліпіду фосфатидилінозитолглікану. Цей “якір” - часто єдина сполучна ланка між білком і мембраною, тому під час дії фосфоліпази С цей білок відділяється від мембрани.

Деякі з трансмембранних (інтегральних) білків пронизують мембрану один раз (глікофорин), інші мають кілька ділянок (доменів), що послідовно перетинають бішар (адренорецептор, рецептор інсуліну, транспортер глюкози ГЛЮТ-1).

Трансмембранні домени, що пронизують бішар, мають конформацію б-спіралі. Полярні залишки амінокислот звернені всередину глобули, а неполярні контактують із мембранними ліпідами. Такі білки називають “вивернутими” порівняно з розчинними у воді білками, де більшість гідрофобних залишків амінокислот заховані всередину, а гідрофільні розміщені на поверхні. Радикали заряджених амінокислот у складі цих доменів позбавлені заряду і протоновані (-СООН) або депротоновані (-NH2).

Глікозильовані білки. Поверхневі білки або домени інтегральних білків, розміщені на зовнішній поверхні всіх мембран, майже завжди глікозильовані. Олігосахаридні залишки можуть бути приєднані через амідну групу аспарагіну або гідроксильні групи серину і треоніну (рис. 9).

Олігосахаридні залишки захищають білок від протеолізу, беруть участь у впізнаванні лігандів або адгезії.

Рисунок 9 - Схематичне зображення глікопротеїну, вбудованого в ліпідний бішар мембрани (наприклад, глікофорин А мембрани еритроцитів)

3.2.3 Латеральна дифузія білків

Деякі мембранні білки переміщаються вздовж бішару (латеральна дифузія) або повертаються навколо осі, перпендикулярно до його поверхні. Наприклад, фермент фосфоліпаза А2, зв'язуючись із цитоплазматичною поверхнею мембрани, може латерально переміщуватися по поверхні бішару і гідролізувати кілька тисяч фосфоліпідів за хвилину доти, поки не відокремиться від мембрани.

Латеральна дифузія інтегральних білків у мембрані обмежена, це пов'язано з їх великими розмірами, взаємодією з іншими мембранними білками, елементами цитоскелета або позаклітинного матриксу.

Білки мембран не здійснюють переміщень із одного боку мембрани на інший (“фліп-флоп” - перескоки), подібно до фосфоліпідів.

3.3 Вуглеводи мембран

У клітинних мембранах міститься від 0,5 до 10 % вуглеводів у формі гліколіпідів і глікопротеїнів. Потрібно відзначити, що залишки цукрів у плазматичних мембранах локалізовані лише на зовнішньому боці мембрани. Можливо, що вуглеводні групи служать для орієнтування глікопротеїнів у мембрані. Маючи яскраво виражені гідрофільні властивості, залишки цукрів у глікопротеїнах чи гліколіпідах розміщуються на поверхні мембрани. Вуглеводні компоненти мембранних глікопротеїнів сприяють підтриманню асиметрії біологічних мембран.

Вуглеводи на поверхні клітини можуть відігравати також важливу роль у міжклітинному розпізнаванні. Від розпізнавання клітинами одна одної залежать такі, наприклад, процеси, як формування тканин шляхом взаємодії різних клітин або розпізнавання чужорідних клітин імунною системою вищих організмів.

Вуглеводи володіють потенційною можливістю до створення великого структурного різноманіття. Так, набір вуглеводів на поверхні клітин має величезну кількість варіантів тому, що: 1) моносахариди можуть з'єднуватись один з одним через будь-яку зі своїх гідроксильних груп; 2) зв'язок за С-1 може бути як б-, так і в-конфігурації; 3) можливе інтенсивне галуження ланцюга.

4. Види транспорту речовин через біологічні мембрани

Живі системи на всіх рівнях організації - відкриті системи. Тому транспорт речовин через біологічні мембрани - необхідна умова життя. Із перенесенням речовин через мембрани пов'язані процеси метаболізму клітини, біоенергетичні процеси, утворення біопотенціалів, генерація нервового імпульсу та ін. Порушення транспорту речовин через мембрани призводить до різних патологій.

Існує 2 види транспорту - пасивний та активний (рис. 10).

Рисунок 10 - Види транспорту речовин через мембрани

Пасивний транспорт не пов'язаний прямо з витратою хімічної енергії та здійснюється внаслідок дифузії речовин за електрохімічним градієнтом. Активний транспорт - перенесення речовин проти їх електрохімічного градієнта, відбувається за рахунок використання хімічної енергії АТФ.

Розрізняють такі види пасивного транспорту речовин у клітинах і тканинах: дифузія, осмос, фільтрація.

Дифузія - основний механізм пасивного транспорту речовин, обумовлений наявністю концентраційного градієнта.

Будь-яка молекула може пройти через ліпідний бішар, однак швидкість пасивної дифузії речовин, тобто переходу речовини з області з більшою концентрацією в область з меншою, може сильно відрізнятися. Для деяких молекул це займає такий тривалий час, що можна говорити про їх практично непроникність для ліпідного бішару мембрани. Швидкість дифузії речовин через мембрану залежить головним чином від розміру молекул і їх відносної розчинності в жирах.

Розрізняють декілька видів дифузії:

проста дифузія - мимовільний фізичний процес проникнення речовини з області вищої в область меншої концентрації внаслідок теплового хаотичного (броунівського) руху молекул;

обмежена дифузія: коли іон, що проходить через мембрану, піддається впливу заряджених груп білків, що знаходяться в каналі та обмежують швидкість надходження речовини у клітину;

полегшена дифузія: речовина самостійно дифундує через мембрану. На поверхні мембрани молекули речовини з'єднуються з молекулами переносника й у вигляді комплексу проникають у клітину. Далі молекули речовини звільняються, а молекули переносника дифундують до зовнішньої поверхні мембрани і зв'язуються з молекулами нової речовини.

Найлегше проходять простою дифузією через ліпідну мембрану малі неполярні молекули, такі як О2, стероїди, тиреоїдні гормони, а також жирні кислоти. Малі полярні незаряджені молекули - СО2, NH3, Н2О, етанол, сечовина - також дифундують із досить великою швидкістю. Дифузія гліцеролу йде значно повільніше, а глюкоза практично не здатна самостійно пройти через мембрану.

Для всіх заряджених молекул, незалежно від розміру, ліпідна мембрана непроникна. Транспорт таких молекул можливий завдяки наявності в мембранах або білків, що формують у ліпідному шарі канали (пори), заповнені водою, через які можуть проходити речовини певного розміру простою дифузією, або специфічних білків-переносників, які, вибірково взаємодіючи з певними лігандами, полегшують їх перенесення через мембрану (полегшена дифузія).

Осмос і фільтрація. Для клітинних мембран характерна напівпроникність, тобто здатність пропускати одні речовини (зокрема воду) і не пропускати інші. Молекула води проходить крізь клітинні стінки внаслідок відмінностей гідростатичного тиску та осмосу. Осмос - це процес переміщення молекули води через напівпроникну мембрану з області меншої концентрації розчиненої речовини в область більшої. Сила, що викликає рух розчинника, називається осмотичним тиском. Осмотичний тиск розчину залежить від кількості розчинених іонів і температури. Перенесення води може також здійснюватися шляхом фільтрації. Фільтрація - це процес проникнення рідини через пори будь-якої перегородки під дією гідростатичного тиску.

Крім пасивного транспорту речовин, у клітинах є білки, що активно перекачують певні розчинені у воді речовини проти їх градієнта, тобто з меншої концентрації в область більшої. Цей процес, названий активним транспортом, здійснюється завжди за допомогою білків-переносників і відбувається з витратою енергії. Первинно-активним називається транспорт, що здійснюють транспортні АТФ-ази за рахунок енергії гідролізу АТФ. Вторинно-активний транспорт - це процес, джерелом енергії для якого є градієнт іонів, що виник, наприклад, у ході первинно-активного транспорту.

4.1 Будова та функціонування білкових каналів

Канали в мембрані формуються інтегральними білками, що “пронизують” ліпідний бішар, утворюючи пору, заповнену водою. Стінки каналу “вистилаються” радикалами амінокислот цих білків. Канали зазвичай побудовані із чотирьох, п'яти або шести білкових субодиниць (рис. 11).

Рисунок 11 - Схематичне подання мембранних каналів

Якщо канали розрізняють речовини лише за розміром і пропускають усі молекули менші за певну величину, за градієнтом концентрації, тобто служать фільтрами, то їх називають “неселективні канали”, або “пори”. Такі пори є в зовнішній мембрані мітохондрій, де молекули білка порину утворюють широкі гідрофільні канали. Через них можуть проходити всі молекули з молекулярною масою 10 кДа і менше, зокрема і невеликі білки.

Селективні канали, як правило, беруть участь у перенесенні певних іонів. Іонна селективність (вибірковість) каналів визначається їх діаметром і будовою внутрішньої поверхні каналу. Наприклад, катіонселективні канали пропускають лише катіони, оскільки містять багато негативно заряджених амінокислотних залишків. Відкриття або закриття селективних каналів регулюється або зміною концентрації специфічних регуляторів, таких як медіатори, гормони, циклічні нуклеотиди, NO, G-білки, або зміною трансмембранного електрохімічного потенціалу. Вплив регуляторного фактора викликає конформаційні зміни каналоутворювальних білків, канал відкривається й іони проходять по градієнту концентрації. Транспорт речовин через канали не призводить до конформаційних змін білків і залежить лише від різниці концентрацій речовин по обидва боки мембрани. Тому швидкість транспорту речовин через такі канали може досягати 106-108 іонів за секунду.

4.2 Полегшена дифузія речовин

У мембранах клітин існують білки-транслокази. Взаємодіючи зі специфічним лігандом, вони забезпечують його дифузію (транспорт із області більшої концентрації в область меншої) через мембрану. На відміну від білкових каналів, транслокази в процесі взаємодії з лігандом і перенесення його через мембрану зазнають конформаційних змін. Кінетично перенесення речовин полегшеною дифузією нагадує ферментативну реакцію. Для транслоказ існує насичувальна концентрація ліганду, при якій всі центри зв'язування білка з лігандом зайняті, і білки працюють із максимальною швидкістю Vmax. Тому швидкість транспорту речовин полегшеною дифузією залежить не лише від градієнта концентрацій ліганду, що переноситься, а й від кількості білків-переносників у мембрані.

Існують транслокази, що переносять лише одну розчинну у воді речовину з одного боку мембрани на інший. На рис. 12 наведена схема функціонування ГЛЮТ-1 - транслокази, що переносить молекулу глюкози через мембрану еритроцита. Молекула глюкози зв'язується переносником на зовнішній поверхні плазматичної мембрани. Відбувається конформаційна зміна, і центр переносника, зайнятий глюкозою, виявляється відкритим усередину клітини. Внаслідок конформаційних змін переносник втрачає спорідненість до глюкози, і молекула вивільняється в цитозоль клітини. Відділення глюкози від переносника викликає конформаційні зміни білка, і він повертається до початкової конформації. Такий простий транспорт називають “пасивним уніпортом”.



Рисунок 12 - Полегшена дифузія (уніпорт) глюкози в еритроцити за допомогою переносника ГЛЮТ-1

Деякі транслокази можуть одночасно переносити дві різні речовини за градієнтом концентрацій - так звані ко-транспортери. Якщо транспорт обох речовин відбувається в одному напрямку, то процес носить назву пасивного симпорту, а якщо в протилежних напрямках - пасивного антипорту (рис. 13).

Рисунок 13 - Типи полегшеної дифузії за участі переносників (транслоказ)

Прикладом транслокази, що працює за механізмом пасивного симпорту, є ко-транспорт амінокислот і Na+ у клітини кишечника. Прикладом антипорту є Na+/K+-насос, що викачує Na+ із клітин та закачує K+ у клітини.

4.3 Будова та функціонування білків-переносників, що здійснюють активний транспорт

Перенесення деяких лігандів (іонів, глюкози, амінокислот) через мембрани відбувається проти градієнта концентрації і пов'язаний із витратою енергії (активний транспорт).

Перенесення деяких неорганічних іонів іде проти градієнта концентрації за участі транспортних АТФ-аз (іонних насосів) - первинно-активний транспорт. Усі іонні насоси одночасно служать ферментами, здатними до автофосфорилювання й автодефосфорилювання. АТФ-ази різняться за іонною специфічністю, кількістю іонів, що переносяться, напрямком транспорту. Внаслідок функціонування АТФ-ази іони, що переносяться, накопичуються з одного боку мембрани. Найбільш поширені в плазматичній мембрані клітин людини Nа+, К+-АТФ-аза, Са2+-АТФ-аза і Н+, К+-АТФ-аза слизової оболонки шлунка.

Na+, К+-АТФ-аза. Цей фермент-переносник каталізує АТФ-залежний транспорт іонів Na+ і K+ через плазматичну мембрану. Nа+, К+-АТФ-аза складається із субодиниць б і в; б - каталітична велика субодиниця, a в - мала субодиниця (глікопротеїн). Активна форма транслокази - тетрамер (бв)2 (рис. 14).

Три іони натрію зв'язуються специфічним центром транслокази. Зміна конформації транслокази, викликана приєднанням 3Na+, призводить до активації каталітичної субодиниці й збільшення спорідненості активного центру до субстрату (АТФ). Унаслідок АТФ-азної реакції вивільняється молекула АДФ, а фосфатний залишок залишається зв'язаним із ферментом: відбувається реакція автофосфорилювання за карбоксильною групою аспарагінової кислоти, внаслідок чого змінюються заряд і конформація транслокази, вона закривається із внутрішнього боку мембрани і відкривається із зовнішнього, зменшується спорідненість до іонів натрію і вони дисоціюють від переносника. Відкрита із зовнішнього боку мембрани Na+, К+-АТФ-аза має специфічний центр зв'язування для 2К+. Приєднання двох іонів калію до фосфорильованої транслокази викликає зміну конформації і появу автофосфатазної активності. Відбувається реакція автодефосфорилювання, що призводить до відщеплення фосфатної групи у позаклітинне середовище, внаслідок чого змінюються заряд і конформація транслокази, вона закривається із зовнішнього боку мембрани і відкривається із внутрішнього, зменшується спорідненість до іонів калію і вони дисоціюють від Na+, К+-АТФ-ази, а АТФ-аза повертається до вихідного конформаційного стану.

Рисунок 14 - Будова та функціонування Nа+, К+-АТФ-ази

Na+, К+-АТФ-аза відповідає за підтримання високої концентрації К+ у клітині й низької концентрації Na+. Оскільки Na+, K+-АТФ-аза викачує три позитивно заряджені іони, а закачує два, то на мембрані виникає електричний потенціал із від'ємним значенням на внутрішній частині клітини по відношенню до її зовнішньої поверхні. На перекачування іонів Na+ і К+ використовується більше 30 % АТФ, що утилізується клітиною на свої потреби у стані спокою.

У нейронах трансмембранний градієнт концентрацій цих іонів необхідний для реалізації елементарного акту нервової діяльності, яким є виникнення і поширення нервового імпульсу. Роль пускового фактора відіграють найчастіше особливі натрієві канали, які в спокої не проникні для іонів, але миттєво відкриваються у відповідь на дію нейромедіатора або іншого подразника. Локальне надходження у клітину навіть малої порції катіонів (декілька тисяч іонів Na+ за одну мілісекунду) викликає стрибкоподібну деполяризацію мембрани, що означає зміну потенціалу спокою потенціалом дії. Очевидно, в таких каналах повинні бути певні “ворота”, що швидко “відчиняються” під дією подразника, проте майже відразу знову “зачиняються”, зупиняючи потік іонів. У цьому разі закриття “ворітних каналів” відбувається під впливом потенціалу дії, що виникає. Зміна трансмембранного електричного потенціалу в зоні виникнення імпульса створює відповідну різницю зарядів уздовж мембрани, тобто відносно суміжних її ділянок. У них через це також відкриваються “ворота” для Na+ і відбувається стрибок трансмембранного потенціалу. Таким способом потенціал дії поступово охоплює всю решту поверхні клітини та її відростків. Локальний зсув мембранного потенціалу у біомембрані відразу ж компенсується роботою Na+, K+-насоса, що повертає стан готовності до виникнення і проведення нових імпульсів. На цю роботу нейрони використовують до 70 % синтезованої ними АТФ.

Система Na+,K+-насоса і ворітних каналів діє не лише у нервовій, а й в інших збудливих тканинах, зокрема у м'язовій.

Са2+-АТФ-аза. У цитозолі клітин, що знаходяться у стані спокою, концентрація Са2+ становить ~ 10-7 моль/л, тоді як поза клітиною вона дорівнює ~ 2 10-3 моль/л. Підтримує таку різницю в концентрації система активного транспорту іонів кальцію; її основні компоненти - кальцієві насоси - Са2+-АТФ-ази та Na+, Ca2+-обмінники.

Са2+-АТФ-аза локалізована не лише в плазматичній мембрані, а й у мембрані ЕР. Фермент складається з десяти трансмембранних доменів, що пронизують клітинну мембрану. Між другим і третім доменами знаходяться декілька залишків аспарагінової кислоти, що беруть участь у зв'язуванні кальцію. Ділянка між четвертим і п'ятим доменами має центр для приєднання АТФ та автофосфорилювання за залишком аспарагінової кислоти. Са2+-АТФ-ази плазматичних мембран деяких клітин регулюються білком кальмодуліном. Кожна з Са2+-АТФ-аз плазматичної мембрани та ЕР представлена кількома ізоформами.

Послідовність подій у процесі роботи Са2+-АТФ-ази цитоплазматичної мембрани є такою: 1) із ділянкою АТФ-ази, звернутої до цитозолю, зв'язуються два іони кальцію, внаслідок чого змінюються заряд і конформація ферменту (АТФ-ази), що, у свою чергу, призводить до підвищення спорідненості до АТФ та активації автофосфорилювання; 2) внаслідок автофосфорилювання АТФ-аза закривається з боку мембрани і відкривається із зовнішнього; 3) відбувається зниження спорідненості центрів зв'язування до іонів кальцію і вони відокремлюються від АТФ-ази, 4) автодефосфорилювання активується іонами магнію, в результаті Са2+-АТФ-аза втрачає фосфорний залишок і два іони Мg2+, після чого АТФ-аза повертається до початкового конформаційного стану.

Одна з причин порушення роботи Са2+-АТФ-ази - активація перекисного окиснення ліпідів (ПОЛ) мембран. Окисненню піддаються як ацильні залишки жирних кислот у складі фосфоліпідів, так і SH-гpyпи в активному центрі ферменту. Порушення структури ліпідного оточення та структури активного центру призводить до зміни конформації АТФ-ази, втрати спорідненості до іонів кальцію і здатності до автофосфорилювання. АТФ-аза перестає викачувати іони кальцію із цитозолю клітини, підвищується концентрація внутрішньоклітинного кальцію, Са2+ посилює м'язове скорочення, зростає тонус м'язової стінки, що призводить до підвищення артеріального тиску. Не останню роль порушення функціонування Са2+-АТФ-ази відіграє у розвитку атеросклерозу, раку, імунних патологій.

Перенесення деяких розчинних речовин проти градієнта концентрації залежить від одночасного або послідовного переносення іншої речовини за градієнтом концентрації в тому самому напрямку (активний симпорт) або в протилежному (активний антипорт). Такий процес носить назву вторинно-активного транспорту.

У клітинах людини іоном, перенесення якого відбувається за градієнтом концентрації, найчастіше служить Na+. Прикладом такого типу транспорту може служити Na+, Са2+-обмінник плазматичної мембрани (активний антипорт), іони натрію за градієнтом концентрації переносяться в клітину, а іони Са2+ проти градієнта концентрації виходять із клітини.

За механізмом активного симпорту відбуваються всмоктування глюкози клітинами кишечника і реабсорбція з первинної сечі глюкози, амінокислот клітинами нирок.

4.4 Перенесення через мембрану макромолекул та частинок

Траспортні білки забезпечують переміщення через клітинну мембрану полярних молекул невеликого розміру, але вони не можуть транспортувати макромолекули, наприклад білки, нуклеїнові кислоти, полісахариди або ще більші частинки. Механізми, за допомогою яких клітини можуть засвоювати такі речовини або видаляти їх із клітини, відрізняються від механізмів транспорту іонів і полярних сполук.

Перенесення речовини із середовища в клітину разом із частиною плазматичної мембрани називають “ендоцитоз”. Виділяють два типи ендоцитозу залежно від розміру пухирців (везикул), що формуються: піноцитоз та фагоцитоз.

Поглинання рідини і розчинених у ній речовин за допомогою невеликих пухирців (діаметром близько 0,15 мкм) називають “піноцитоз”. Засвоєння речовин механізмом ендоцитозу (піноцитозу) характерне для всіх клітин. Піноцитозні пухирці спочатку переносяться до ендосом, далі до лізосом. Утворені внаслідок дії лізосомальних ферментів продукти гідролізу транспортуються через лізосомальну мембрану в цитозоль для повторного використання.

Шляхом іншого типу ендоцитозу, який називають “фагоцитоз”, клітини можуть поглинати тверді частинки (мікроорганізми, уламки клітин). При цьому утворюються великі щільні ендоцитозні пухирці - фагосоми. Діаметр утворених при фагоцитозі везикул (фагосом) становить близько 0,25 мкм. Фагосоми зливаються безпосередньо з лізосомами і формують фаголізосоми.

Цикл ендоцитозу починається в певних ділянках плазматичної мембрани, що мають назву “облямовані ямки” (рис. 15). На частку облямованих ямок припадає всього 1-2 % загальної площі мембрани. Білок клатрин утворює ґратчасті структури, зв'язані із заглибленнями на поверхні плазматичної мембрани. Облямовані ямки втягуються в клітину, звужуються біля основи, відокремлюються від мембрани, утворюючи облямовані пухирці (піноцитозні пухирці). Час життя облямованих ямок нетривалий, вони формуються протягом хвилини, потім здійснюють цикл ендоцитозу.

Рисунок 15 - Послідовність подій під час утворення облямованого пухирця з облямованої ямки

Речовини у складі піноцитозних пухирців не змішуються з іншими макромолекулами клітини. Вони закінчують свій шлях у лізосомах, а мембранні компоненти пухирців, що містять клатрин, повертаються в плазматичну мембрану.

Ендоцитоз, що відбувається за участі рецепторів, убудованих в облямовані ямки, дозволяє клітинам поглинати із позаклітинної рідини специфічні речовини (рис. 16). Це так званий рецептор-залежний ендоцитоз (опосередкований рецепторами ендоцитоз). При цьому макромолекули або частинки зв'язуються рецепторами і накопичуються в облямованій ямці. Везикули швидко втрачають клатринову оболонку, після чого клатрин повертається в плазматичну мембрану, щоб сформувати нову облямовану ямку. Потім відбувається злиття пухирця з ендосомою, у складі якої тепер знаходяться поглинена речовина, мембранні компоненти облямованої ямки та рецептор. Кисле середовище ендосоми (підтримуване АТФ-залежними протонними помпами) спричиняє дисоціацію більшості білково-рецепторних комплексів. Таке розділення дає можливість спрямовувати білки та рецептори до різних пунктів призначення. Рецептор-вмісні пухирці, що вивільняються з ендосом, повертаються у плазматичну мембрану. Білки розщеплюються лізосомальними ферментами, а продукти розщеплення вивільняються в цитозоль.

Рисунок 16 - Рецептор-залежний ендоцитоз

Прикладом рецептор-залежного ендоцитозу може служити надходження в клітину холестеролу в складі ліпопротеїнів низької густини (ЛПНГ). Кількість рецепторів у облямованій ямці плазматичної мембрани варіює залежно від потреби клітини в холестеролі. Порушення структури рецепторів ЛПНГ (мутації в гені) не дозволяє їм вбудовуватися в плазматичну мембрану в область облямованої ямки. Положення рецептора поза облямованою ямкою не знижує його комплементарності до ЛПНГ, але ендоцитоз комплексу рецептор-ЛПНГ не відбувається.

Макромолекули, наприклад білки плазми крові, пептидні гормони, травні ферменти, білки позаклітинного матриксу, ліпопротеїнові комплекси, синтезуються в клітинах і потім секретуються у міжклітинний простір або кров. Але мембрана непроникна для таких макромолекул або комплексів, їх секреція відбувається шляхом екзоцитозу. Процес виведення макромолекул, при якому внутрішньоклітинні секреторні пухирці зливаються з плазмолемою, і їх вміст виводиться з клітини називають “екзоцитоз”.

Особливість екзоцитозу в тому, що речовини, які секретуються, локалізуються в пухирцях і не змішуються з іншими макромолекулами або органелами клітини. У ході екзоцитозу вміст секреторних пухирців виділяється в позаклітинний простір, коли вони зливаються з плазматичною мембраною.

В організмі є як регульований, так і нерегульований шляхи екзоцитозу. Нерегульована секреція характеризується безперервним синтезом білків, що секретуються, упакуванням їх у транспортні пухирці в апараті Гольджі й перенесенням до плазматичної мембрани для секреції. Прикладом можуть служити синтез і секреція колагену фібробластами для формування міжклітинного матриксу.

...