Управление мембранными ионными каналами

Ионные каналы имеют структурное образование, непосредственно отвечающее за их пропускную способность. Эту структуру называют воротами (аналогия с открытыми и закрытыми воротами). «Ворота» открываются под воздействием разных сигналов. Молекулярный воротный механизм заключается в изменениях общей конформации белка ионного канала под влиянием сигнала.

Регуляция конформационного состояния канала осуществляется различными способами.

Рецептор-зависимые ионные каналы снабжены рецепторами, которые распознают сигнальную молекулу (хим. сигнал). Такие каналы открываются или закрываются при участии нейромедиаторов, биогенных аминов (адреналин, дофамин и др.), АТФ, циклических нуклеотидов. Например, такие нейромедиаторы как гамма-аминомасляная кислота и аминокислота глицин открывают в синапсах определенных нейронов хлорные каналы и пропускают ионы Cl, несущие отрицательный заряд. Проникновение хлора вызывает в нервной клетке состояние гиперполяризации, то есть торможение (передача возбуждения происходит за счет противоположного процесса: деполяризации мембраны нейрона). Глицин (альфа-аминоуксусная кислота) подавляет раздражимость и делает поведение более разумным, повышает скорость реакций, усиливает умственную работоспособность, т.е. обладает ноотронным действием (noos – ум, tropos – действие).

Активность некоторых каналов может изменяться под влиянием метаболических реакций и фосфорилирования.

Потенциалзависимые ионные каналы пропускают катионы при изменении мембранного потенциала. Механочувствительные каналы открываются при деформации мембраны. Например, в коже имеются чувствительные нервные окончания – тельца Пачинни, в которых ионные каналы реагируют на механическое воздействие.

Мембранные каналы чувствительны к температуре, реагируюттакже нахимические вещества, вызывающие чувство прохлады или жжения: ментол, капсаицин (жгучее вещество перца), изотиоцианат горчицы и хрена и мн. др. Активностьионных каналов может изменяться под влиянием токсинов и лекарственных веществ. Некоторые заболевания возникают в результате выработки специфических антител против белков ионных каналов.

 

Активный транспорт

При активном транспорте перемещение вещества происходит против его концентрационного градиента (от лат. gradus – ступень). В связи с этим этот вид трансмембранного переноса веществ нуждается во внешнем источнике энергии. Таким источником служит гидролиз АТФ.

Примером системы активного транспорта может служить так называемый Na⁺/K⁺-насос в клеточных мембранах животных клеток. Этот насос иначе называется Na⁺/K⁺ АТФазой, поскольку выкачивание из клетки натрия и закачивание в нее калия сопряжено с гидролизом АТФ до АДФ. Благодаря работе этого насоса в клетках поддерживается высокая концентрация ионов калия (140мМ) и низкая – ионов натрия (12мМ), между тем как в крови и межклеточной жидкости соотношение этих концентраций – обратная. Работа Na⁺/K⁺ насоса создает разность потенциалов в 50-70мB (плюс – снаружи плазматической мембраны, минус – внутри).

Трансмембранный Na⁺-градиент, создаваемый Na⁺/K⁺ АТФазой, есть не что иное, как форма запасания энергии. Эта энергия рассеивается в виде тепла, если ионы натрия диффундируют в клетку. Однако в некоторых клетках существуют белки, ответственные за совместный перенос ионов натрия с другими молекулами, например, глюкозой, аминокислотами. При этом глюкоза и аминокислоты двигаются против собственного концентрационного градиента. Такой механизм одновременного переноса функционирует при всасывании аминокислот и глюкозы в кишечнике.

 

 

Натрий-калиевый насос – интегральный мембранный белок, состоящий из двух субъединиц. Каталитическая субъединица α гидролизует АТФ, гликопротеин β является структурным элементом. Na⁺/K⁺ насос регулирует потоки воды, поддерживая постоянный объем клетки; обеспечивает Na⁺- связанный транспорт множества органических и неорганических молекул; участвует в генерации потенциала действия нервных и мышечных элементов. На поддержание ионных градиентов животные тратят около трети расходуемой энергии.

Наряду с Na⁺/K⁺-насосом существуют и другие АТФазы. Например, протонная и калиевая АТФаза участвует в образовании соляной кислоты в париетальных клетках желудка.Протонная АТФаза перекачивает протоны (Н⁺) из цитоплазмы в лизосомы, где создается кислая среда. Ca²⁺-АТФаза мышц откачивает ионы кальция из цитоплазмы в полости гладкой эндоплазматической сети, именуемой в скелетных мышечных волокнах и кардиомиоцитах саркоплазматической сетью (лат. sarcos – мясо). Недостаточность этого насоса проявляется симптомами мышечной усталости при физической нагрузке (Миопатия Броди). Это проявляется в виде частых судорог.

 

 

 

Рис. Схема механизма регуляции транспорта ионов хлора сквозь клеточную мембрану. Если к белку присоединена фосфатная группа, канал – открыт, когда фосфатная группа отщепляется, канал закрывается. (Из кн. Д. Кларк, Л.. Рассел «Молекулярная биология», 2004..)

 

Белок, который кодируется геном кистозного фиброза, называется транспортер кистозного фиброза (ТрКФ) и находится в клеточной мембране, где его молекулы формируют канал для ионов хлора. У здоровых людей этот канал может быть открыт или закрыт в зависимости от нужд клетки. У некоторых людей наблюдается нарушение контроля проницаемости ионов хлора сквозь клеточные мембраны. Это, в свою очередь, влияет на множество других процессов. Наиболее вредным является то, что слизь, которая выстилает и защищает легкие, становится ненормально густой. (Нехватка ионов хлора приводит к недостатку воды, которая разжижает слизь.) Клетки, которые выстилают воздухоносные пути легких, погибают и заменяются фиброзной рубцовой тканью, отсюда и название болезни – кистозный фиброз. В конце концов, пациент погибает от нарушения дыхания. Эта болезнь – результат гомозиготных рецессивных мутаций. Примерно один из 2000 белых детей страдают кистозным фиброзом.

 

Эндоцитоз

Эндоцитоз – это везикулярный перенос жидкостей, макромолекул или небольших частиц и микроорганизмов (вирусов, бактерий) в клетку. Существует, по крайней мере, три механизма эндоцитоза:

 

1. Пиноцитоз – («клеточное питье»).

2. Рецепторно-опосредованный эндоцитоз или клатрин-зависимый эндоцитоз.

3. Фагоцитоз – («клеточная еда»).

 

Пиноцитоз – это конститутивный (постоянный) процесс поглощения жидкости и растворенных веществ с образованием небольших пузырьков. (Название пиноцитоз происходит от греческих слов «pineo» – пить и «kytos – клетка»). Эти пузырьки переносят небольшие молекулы, воду и растворимые белки, то есть вещества, относящиеся к жидкой фазе внеклеточной среды. Благодаря такому процессу клетки могут поглощать как крупные молекулы, так и ионы, неспособные проникнуть через мембрану.

В цитоплазме клетки многие пиноцитозные пузырьки сливаются друг с другом и формируют ранние эндосомы, которые смещаются в глубь клетки и сливаются с лизосомами; в их полости начинается разрушение веществ. Несмотря на маленькие размеры пиноцитозных пузырьков, их многочисленность позволяет им доставлять в клетку большое количество веществ. Иногда эти пузырьки представляют собой крупные макропиноцитозные образования, создающие складчатость плазматической мембраны. Некоторые микроорганизмы стимулируют образовние подобных складок, что обеспечивает их проникновение в клетку. Пиноцитоз может быть очень интенсивным процессом; в некоторых клетках вся плазматическая мембрана поглощается и восстанавливается за один час. Особенно интенсивно пиноцитоз протекает в эндотелиальных клетках кровеносных капилляров. Путем пиноцитоза вещества попадают из тканевой жидкости в просвет кровеносных капилляров.

Опосредуемый рецепторный эндоцитоз характеризуется поглощением из внеклеточной жидкости конкретных макромолекул. Для этой цели клетка экспрессирует на свою поверхность специфические поверхностные рецепторы, что обеспечивает избирательное связывание молекул во внеклеточном растворе. Рецепторы, способные связывать лиганд (специфическую сигнальную молекулу), накапливаются в специфических участках поверхности клетки, называемых окаймленными ямками. Поверхность этих небольших углублений покрыта с цитозольной стороны плазматической мембраны белком клатрином. При сязывании лиганда с рецептором под плазматической мембраной формируется пузырек – ранняя эндосома, содержащий комплекс лиганд-рецептор, покрытый снаружи клатрином. Белок клатрин предотвращает слияние эндосом с лизосомами и переваривание лиганда ферментом. В пузырьках такого типа лиганд доставляется в различные отделы в пределах одной клетки или переносится в другой слой клеток. Такой тип переноса называют трансцитозом.

Известны четыре типа трансцитоза. При первом типе – рецептор возвращается в плазматическую мембрану, а лиганд разрушается (инсулин, липопротеиды низкой плотности, некоторые вирусы и др.). При втором типе – рецептор возвращается и лиганд возвращается (белок, переносящий железо и др.). Третий тип трансцитоза характеризуется разрушением лиганда и рецептора (эпидермальный фактор роста и др.). Механизм четвертого типа связан с транспортом и лиганда и рецептора. Например, трансцитозом материнские антитела переносятся в клетки молочной железы, а затем у новорожденного из молока они проходят через эпителий кишечника и попадают в лимфатические протоки и кровь.

Нарушения различных типов рецепторно-опосредованного эндоцитоза сопровождаются серьезными заболеваниями человека. Семейная гиперхолестеролемия является примером неполноценного трансцитоза первого типа. Эта болезнь обусловлена различными мутациями гена рецптора липопротеида низкой плотности (ЛНП), который присутствует в большинстве клеток организма и обеспечивает поступление пищевого холестерола в в клетку. Холестерол необходим для синтеза клеточных мембран, биоснтеза стероидных гормонов и др. молекул. Нарушение транспорта ЛНП, в составе которых холестерол попадает в клетку, сопровождается накоплением ЛНП в плазме крови, что приводит к образованию атеросклеротических бляшек в сосудах.

Фагоцитоз ( греч. fageo – пожирать) – поглощение крупных частиц (микроорганизмов, остатков разрушающихся клеток и др.). К фагоцитозу способны все клетки, но наиболее активно фагоцитоз осуществляют профессиональные фагоциты (моноциты, макрофаги, нейтрофилы). Эпителиальные клетки и фибробласты также способны к фогоцитозу. В ходе фагоцитоза образуются большие эндоцитозные пузырьки – фагосомы. Фагосомы сливаются с лизосомами и формируют фаголизосомы, в которых происходит переваривание поглощенного материала. Многие паразиты (туберкулезная палочка, токсоплазма и др.) обладают способностью перестраивать мембрану фагосомы, благодаря чему фаголизосома не образуется и фагоцитоз не завершается. Фагоцитоз является очень сложным многоэтапным процессом. Фагоцитоз, в отличие от пиноцитоза, индуцируют сигналы, воздействующие на рецепторы в плазмалемме фагоцитов. Чаще всего такими сигналами являются антитела покрывающие частицу, например, бактерию (рис. 9), подвергающуюся фагоцитозу. Для фагоцитоза обычно требуется полимеризация актина. Этот процесс запускается при взаимодействии молекул частицы с поверхностным рецептором клетки.

Фагоцитоз представляет собой ключевой механизм защиты организма-хозяина от микроорганизмов. Доказательством большого значения фагоцитоза являются случаи, когда при нарушении этого процесса даже маловирулентные микробы вызывают септические состояния (sepsis – гниение). Это, например, бывает когда в фагоцитах не образуется Н₂О₂ и не выделяется кислородный радикал О₂^-, необходимый для бактериолиза внутри фагоцитов, а также при недостаточности фермента НАДН-зависимой оксидазы. Этот дефект наследуется рецессивно, он сцеплен с Х-хромосомой. Фагоцитоз поврежденных или постаревших клеток необходим для обновления ткани и заживления ран.

 

 

Рис. 9. Электронная микрофотография лейкоцита, поглощающего посредством фагоцитоза бактерию, которая находится в процессе деления (Фото из книги: Молекулярная биология клетки, том II).

Экзоцитоз

 

Экзоцитоз – перенос частиц и крупных соединений из клетки. Наиболее распространенный способ экзоцитоза – секреция. Это такое выведение из клетки растворимых соединений, которое является одной из функций данной клетки. Специализированные клетки хранят секретируемые молекулы (пищеварительные ферменты, гормоны, нейротромедиаторы) в пузырьках, расположенных вблизи плазматической мембраны. При получении внешнего сигнала происходит слияние пузырьков с плазматической мембраной и освобождение их содержимого. Такой процесс называют стимулированной секрецией. Реже секреция совершается по типу облегченной диффузии или активного транспорта. (Например, секреция ионов Н⁺ в желудке и канальцах почки).

Удаление из клетки твердых частиц называют экскрецией. При такой форме экзоцитоза удаляемые частицы оказываются в цитоплазматическом пузырьке, который затем сливается с плазмолеммой.

В клетках иммунной системы осуществляется рекреция – перенос твердых веществ через клетку. При этом процессе с одной стороны клетки происходит фагоцитоз, а с другой – экскреция. Так специализированные макрофаги (дендритные клетки, клетки Лангерганса и др.) локализованные в слизистых оболочках и коже захватывают бактериальные клетки, разрушают их до мелких обломков и представляют (презентируют) эти антигены иммуннокомпетентным лимфоцитам.

 

Ядро

Ядро (лат. nucleus, греч. karyon) – наиболее крупная (диаметром около 10 мкм) видимая в световой микроскоп органелла эукариотической клетки. При микроскопии большинства тканей ядро часто выглядит как крупная округлая или овальная (или другой формы) структура, расположенная чаще всего вблизи центра клетки. Однако в клетках некоторых тканей оно имеет специфическое расположение и строение; в связи с этим некоторые морфологи образно называют ядро «гербом ткани».

Структурные компоненты ядра: ядерная оболочка, ядерный белковый матрикс, ядерный сок, хромосомы, связанные с хромосомами ядрышки.

Ядерная оболочка – двойная мембранная структура, которая окружает нуклеоплазму и изолирует центральные генетические процессы – репликацию ДНК и синтез РНК – от рибосом цитоплазмы, где происходит синтез белка. Область между двумя ядерными мембранами называется перинуклеарным пространством. Внешняя ядерная мембрана несет рибосомы и переходит в шероховатый эндоплазматический ретикулум (лат. reticulum – сеть). Внутренняя поверхность внутренней мембраны имеет тонкую пластинку – ламину, построенную из крупных нитевидных белков (ламина А и ламина В), которая играет ключевую роль в поддержании структурной целостности мембраны. Матрикс ядра включает ламину и внутриядерную фибриллярную сеть. К ламине и внутриядерной фибриллярной сети крепятся хромосомы, а таже разнообразные ферменты и регуляторные белки.

Нуклеоплазма (ядерный сок) – жидкое или гелеобразное вещество, в которое погружены хромосомы и ядрышко.

Обмен макромолекул между ядром и цитоплазмой осуществляется через ядерные поры, образованные белковым комплексом. Этот комплекс – основные ворота для веществ, которые постоянно перемещаются внутрь ядра и из него. Например, матричная РНК (мРНК), субъединицы рибосом, гистоны, рибосомные белки, факторы транскрипции, а также ионы и мелкие молекулы быстро обмениваются между ядром и полостью эндоплазматического ретикулума или цитозолем.

 

Рис. Комплекс ядерной поры, реконструированный на основе протеомного анализа (изучения структуры белков) порового комплекса.

 

 

Ядерный поровый комплекс (ЯПК) формирует цилиндр, приблизительно 120нм в диаметре и 50нм толщиной, состоящий из 16 субъединиц. Каждая субъединица содержит около 30 различных белков. Ядерный поровый комплекс состоит из центральной части – транспортера, через который и проходят молекулы, а также периферических частей. В сторону цитоплазмы от поры отходят филаменты, функция которых состоит в обеспечении связывания и транспортировки макромолекул со стороны цитоплазмы к корзине ядра на ядерной стороне поры. В ядре периферический отдел образует баскет-структуру (структуру, похожую на корзину).

В мембране ядра насчитывается около 5000 поровых комплексов. Во время деления клетки оболочка ядра не «растворяется», а разбирается и превращается в компоненты эндоплазматического ретикулума, а поры становятся отдельными белковыми компонентами, которые уходят в глубь клетки. Новые поровые комплексы формируются из так называемых окончатых мембран. Они представляют собой часть эндоплазматического ретикулума и состоят из гладких цистерн и пороподобных комплексов, морфологически и биохимически сходных с ядерными поровыми комплексами.

 

Хромосóмы

 

В ядре расположена почти вся ДНК. Эта ДНК является носителем генетической информации и главным местом ее репликации (удвоения) и экспрессии (работы) генов. Эукариотная ДНК хранится на хромосомах (греч. chroma – цвет, окраска, soma – тело).

Хромосóмы – главные структурно-функциональные элементы клеточного ядра, в которых находятся расположенные в линейном порядке гены, обеспечивающие хранение и воспроизведение генетической информации. Каждая хромосома содержит одну молекулу ДНК. Эти молекулы существенно различаются по размеру. Они могут быть длиной от одного до нескольких сантиметров, а размер ядра в поперечнике – 5-10 микрон, поэтому хромосомы в ядре рассредоточены упорядоченным образом и каждая из них прикреплена к мембране ядра в строго определенном месте. Строение хромосом зависит от периода жизненного цикла.

В интерфазе (фазе между делениями клетки) хромосомы максимально деконденсированы (деспирализованы), индивидуально неразличимы и занимают весь объем ядра, образуя так называемый хроматин. Хроматúнпредставляет собойупакованную ДНК, ассоциированную с гистоновыми и негистоновыми белками. Плотность хроматина в разных участках ядра неодинакова – слабо окрашенные неконденсированные участки перемежаются с интенсивно окрашенными конденсированными участками. По степени конденсации хроматин разделяют на гетерохроматин и эухроматин. Область гетерохроматина является генетически не активной, поскольку не содержит генов, либо их активность подавлена. Наличие гетерохроматина является одной из характеристик генома эукариот. Цитологические исследования показали, что области центромер и концевые участки хромосом гетерохроматиновые. В отдельных случаях целые хромосомы представлены в виде гетерохроматина. Например, большая часть У-хромосом млекопитающих инертна. Инактивированная Х-хромосома у самок млекопитающих также конденсирована в инертный гетерохроматин (тельце Барра). У некоторых насекомых, например, у мучного жука-хрущака, один гаплоидный набор хромосом инактивирован и представлен виде гетерохроматина. Следует отметить, что наличие гетерохроматина является одной из характеристик генома эукариот. Подобных комплексов прокариоты не имеют.

Эухроматин – транскрипционно активная и менее конденсированная часть хроматина, локализуется в более светлых участках ядра между гетерохроматином.

Четко различимую палочковидную форму хромосомы приобретают во время митоза. В этот период из гетеро- и эухроматина образуются конденсированные (транспортные) структуры хромосом. Цитогенетики характеризуют хромосомы по их состоянию на стадии профазы и прометафазы, но чаще всего на стадии метафазы. В этой стадии митоза, находясь в неактивном состоянии, хромосомы максимально уплотнены (конденсированы) и компактны; это необходимо для того, чтобы во время клеточного деления в минимальном объеме и без структурных нарушений доставить огромные по длине молекулы ДНК в дочерние клетки. (Общая длина всех 46 молекул ДНК, находящихся в ядре человеческой клетки, – около 200 см.)

Метафазная хромосома, являющаяся транспортной формой генетического материала, состоит из двух рядом лежащих дочерних (в русск. лит. – сестринских) одинаковых хроматид (греч. chroma – цвет, окраска, греч. -id – дочь), соединенных в области центромеры (первичной перетяжки). На внешней поверхности центромеры располагаются комплексы белков кинетохора.Для разделениядочерних хромосом к кинетохору прикрепляются микротрубочки митотического веретена. Такая «материнская» хромосома в анафазе разделяется на две дочерние хромосомы. (В интерфазе в S-период из каждой дочерней хромосомы в результате редупликации ДНК снова образуется две лежащие рядом хроматиды, удерживаемые вместе центромерой).

Когда происходит транслокация участков гетерохроматина на другой участок той же хромосомы, или на другую не гомологичную хромосому, генетически активные области, рядом с которыми окажется гетерохроматиновый участок, могут стать генетически инертными. Такое действие на эухроматин называют эффектом положения.