1.3.2. Выведение веществ из клетки

Выведение веществ из клетки представляет собой, с одной стороны, завершающую стадию секреторного процесса, с другой — механизм экстренного и эффективного уменьшения объема клетки, внутриклеточного осмотического давления и рН. Различают конститутивный и регулируемый экзоцитоз.

Конститутивный экзоцитоз осуществляется периодически, по мере накоплениях секрета, без видимого воздействия внеклеточных факторов, при колебаниях гидратированности клетки, без участия аппарата Гольджи и Са²⁺—независимо.

Регулируемый экзоцитоз отличается от предыдущего необходимостью для запуска внеклеточного воздействия и четкой стадийностью процесса. Каждая из стадий регулируется дифференцированно. Специфика экзоцитоза определяется химической природой выделяемого (—мых) вещества, невезикулярной или везикулярной формами его выведения.

Невезикулярный регулируемый экзоцитоз. Различают типы невезикулярного регулируемого экзоцитоза с частичной утратой клеточной мембраны и без нее. К первым относят апокриновый тип секреции, например, коллоидных белков, и лемокриновый (липидных капель). Апокриновый тип характеризуется тем, что синтез коллоидных белков в фолликулярных эпителиальных клетках щитовидной железы, клетках Сертоли семенников, в ацинусах слюнных желез, в желудке и кишке (муцины I, II) значительно увеличивает объем клеток, компенсируемых микроворсинками и складками апикальной мембраны. Часть секрета заполняет кончики микроворсинок, растягивает их мембрану, что активирует механочувствительные миниС1^——каналы, ионы хлора выходят, деполяризуя плазмалемму. Это затем активирует более высокопороговые потенциалочувствительные максиСl^——каналы и вместе с хлором через них выходят анионы N0з^—, Вг^— и вода. При таких же значениях МП открываются механо— и потенциалочувствительные К⁺—каналы. Выход ионов калия усиливает деполяризацию, вызванную работой максиСl^——каналов. Это вызывает вход Са²⁺ через открывающиеся потенциалочувствительные Са²⁺—каналы и Са²⁺—зависимое сокращение актина и апокрина. Вследствие этого происходит отшнуровывание части микроворсинок с коллоидом, окруженным фрагментом клеточной мембраны.

При лемокриновой секреции липидная капля (например, молочного жира в эпителии молочной железы) подходит к плазмалемме и на расстоянии около 10 нм неполярные фосфолипиды мембраны и осмофильные поверхности капли слипаются под воздействием сил Ван—дер—Ваальса—Лондона, за этим следует облегание капли клеточной мембраной с последующим отшнуровыванием. В адипоцитах и стероидогенных клетках на поверхности липидных капель обнаружены фосфопротеины перлипины, присутствие которых критично для лемокриновой секреции.

Без утраты части плазмалеммы осуществляется экзоцитоз тех веществ, которые могут диффундировать через мембрану или же транспортироваться с помощью определенных переносчиков. К ним относятся газообразные секреты (O₂, NO, NО₂, CO, CO₂ и др.), которые могут выделяться через поры ряда помп или диффузией по концентрационному градиенту. Протон—секретирующие клетки беспозвоночных и позвоночных животных используют ряд сходных обменников и Н⁺—АТФаз. Электролиты и вода, а также другие жидкости могут выделяться Са²⁺—зависимо и Са²⁺—независимо. Основные нейротрансмиттеры с помощью транспортеров могут не только накапливаться в клетках, но и секретироваться ими.

Для секреции кислот у позвоночных и некоторых беспозвоночных (например, одноклеточными железами подошвы ноги брюхоногих моллюсков) используются комплексы транспортеров и обменников с итоговым выведением воды и анионов. Так, секреция НС1 обеспечивается транспортером выхNa⁺/ выxK⁺/вx2Cl^—, затем ионы хлора обмениваются на анион угольной кислоты (выхСl^—/вхНСОз^—), причем эти выходящие ионы хлора позже участвуют в синтезе НСl. В клетке угольный анион образует кислоту (Н₂СОз), которая под действием карбоангидразы II распадается на H₂O и СО₂, а вода — на гидроксил и секретируемый протон, участвующий в синтезе НС1. Угольная кислота может также секретироваться в других клетках, для чего используются обменники Na⁺/H⁺ Сl^—/НСОз^—и НСОз^——каналы.

Примембранный внеклеточный ацидоз приводит к активации протеаз, разрушающих соответствующие пептидные связи в рецепторе или прогормоне, синтезированных в клетке и встроенных в плазмалемму как интегральные белки. В результате этого происходит удаление с поверхности клетки гормона, активированного отделением от прогормона, «отработавших» лиганд—рецепторных комплексов или избыточных рецепторов.

Судьба последних в плазме крови может измениться: они акцептируют гормоны, транспортируют и защищают их от протеаз (например, соматотропин—связывающие белки).

Везикулярный экзоцитоз. Синтезированные в клетке белки и пептиды подвергаются двухэтапной сортировке. В цитоплазме она основана на присутствии в структуре молекулы сигнального «мотива» и соответствующего заряда: если на С—конце имеется последовательность аминокислотных остатков —Lys—Asp—Glu—Leu (KDEL—мотив) или —Lys—Lys—, то в поляризованной секреторной клетке молекула транспортируется от эндоплазматического ретикулума в cis—Гольджи;

если в N—терминале молекулы содержится сигнальный мотив в виде —Arg—Arg—, то белок переносится к плазмалемме и встраивается как трансмембранный с последующим невезикулярным экзоцитозом.

Сигнальные мотивы в молекуле белка обеспечивают связь его со специфическим внутриклеточным транспортером и молекулой—акцептором в той или иной мембране. Белки с дисульфидными мостиками, которые синтезируются на полирибосомах, транспортируются к участкам мембраны ретикулума, локализованным перед аппаратом Гольджи. Они обогащены анионными фосфолипидами, гликопротеинами и акцепторными белками. Это способствует попаданию синтезированной молекулы в cis—Гольджи, откуда она переносится с помощью специфических транспортеров в trans—Гольджи. Минуя ретикулум, в цистерны могут попадать эндоцитосомально—лизосомальные комплексы белков.

Формирование везикул при экзоцитозе начинается с сортировки и упаковки секреторных белков, обладающих четвертичной структурой. Для этого необходимо повышенное содержание Са²⁺, ацидоз (рН 4,5—5) и присутствие специфических для аппарата Гольджи кислых белков секрето— и хромогранинов. Секрето— и хромогранины облегчают сортировку и упаковку белков, акцептируя белковый продукт, а также протеазы. Последние в кислой среде trans—Гольджи, а затем в везикуле осуществляют протеолиз молекул прогормонов и самих гормонов. Такое превращение молекул показано в гепатоцитах для прогормона фактора роста нервов и в аденогипофизарных кортикотропоцитах — для проопиомеланокортина (предшественника кортикотропина) меланотропина и опиоидных пептидов. Это приводит к одновременному выделению из клетки при регулируемом экзоцитозе комплекса веществ: гормонов, хромогранина и их фрагментов. Кроме того, в везикуле содержатся нейтральные фосфолипиды и липиды, в том числе холестерин.

Следующие стадии процесса экзоцитоза включают: транспорт везикулы к плазмалемме, селективная адгаезия (прилипание) везикулы к определенному участку мембраны, слипание мембран везикулы и клетки, образование фузионной поры и выведение секрета во внеклеточное пространство. В реализации каждой стадии участвуют специфические белки, многие из них полифункциональны и активируются через фосфорилирование протеинкиназами А и С (соответственно цАМФ— и Са—зависимыми). Они встраиваются в мембрану везикулы по мере продвижения к плазмалемме.

Роль транспортера и энергетического донора играют ГТФазы, ближе к плазмалемме встраиваются Ras—подобные АТФазы, которые участвуют и в селективной поставке везикул к плазмалемме. Ацидоз в везикулах поддерживается встроенными в мембрану Н⁺—АТФазой и Н⁺/НСО₃^——обменником, закачивающими протон в органеллу.

По осмотическому градиенту в везикулу поступают вместе с водой ионы хлора, увеличивая размеры везикулы. Кроме того, буферирующий ацидоз ион Са²⁺ удаляется в цитоплазму Са²⁺/Мg²⁺—АТФазой и Са²⁺/2Н⁺—обменником. Это способствует увеличению концентрации Са²⁺ в околовезикулярном пространстве и запускает (через Са—связывающие белки) необходимые для экзоцитоза Са—зависимые процессы.

Очевидно, что выход кальция из внутриклеточных депо, представляющий собой один из основных внутриклеточных ритмов, и/или вход иона через каналы плазмалеммы при ее деполяризации, растяжении, лиганд—рецепторном связывании являются мощным и экзоцитоз—стимулирующими факторами. Поэтому белки, участвующие в конечных стадиях экзоцитоза, являются Са²⁺—связывающими или Са²⁺—каналами. Поскольку в образовании поры участвуют не только белки, но и фосфолипиды мембраны, по крайней мере один из белков (Ехо1/р14—3—3) обладает функциями фосфолипазы А2, гидролизующей анионные фосфолипиды.

Сборка комплекса установки начинается с входа Са²⁺ через канал, образованный аннексином, белком, обладающим свойствами АТФазы. Фузионная пора отличается от канала тем, что после образования она увеличивает свой диаметр вплоть до полного встраивания мембраны везикулы в плазмалемму. Через пору по осмотическому и рН—градиентам из околоклеточного пространства начинают поступать вода и Са²⁺, что быстро увеличивает объем везикулы и растягивает ее мембрану, вызывая затем сокращение везикулы с выбросом содержимого из клетки. В силу различия знака мембранного потенциала везикулы и плазмалеммы в точке установки сама адгезия вызывает генерацию спайкового разряда в возбудимых клетках, что способствует выравниванию потенциала между встроенным фрагментом бывшей везикулярной мембраны и соседними участками плазмалеммы.

В эндотелиальных клетках к апикальной мембране может поставляется цепочка везикул, взаимодействующих между собой, а последняя везикула — адгезировать к базолатеральной мембране, завершая таким образом формирование канала трансцитоза. В некоторых пресинаптических окончаниях везикулы образуют более сложные комплексы. Но в том и другом случае агрегирование везикул направлено на быстрое выделение из клетки больших количеств секрета.

В группах секреторных клеток синхронизация выведения веществ осуществляется благодаря синаптическим или щелевым контактам между клетками. Те и другие активируются потенциал— и Са—зависимо. Белки коннексины, образующие щелевой контакт, изменяют свою стереоструктуру при деполяризации и связывании кальция, т. е. представляют собой потенциал— и Са—чувствительный Са²⁺—канал, по которому ионы могут переходить от клетки к клетке, вовлекая их в экзоцитоз. Такие «кальциевые волны» описаны в костной ткани, в эндокриноцитах, эндотелии и энтероцитах. Особое значение они могут иметь в многоклеточных железах.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Всем живым клеткам свойственна способность активно реагировать на внешние воздействия. Реактивность (раздражимость) особенно отчетливо выражена у нервных, мышечных и железистых клеток. Их реакции проявляются в изменении электрического состояния, а также в сокращении (у мышечных) и секреции (у железистых клеток). Реактивность этих клеток лежит в основе функции нервной системы, двигательных аппаратов и желез организма животных и человека.

Возбудимость нервных и мышечных клеток, их способность генерировать потенциал действия связаны со свойствами их поверхностной мембраны, в которой имеются ионные каналы с потенциалозависимыми воротами. В покое мембрана этих клеток имеет закрытые каналы для Na⁺ и открытые — для К⁺. Непрерывная работа ионного насоса создает и поддерживает высокую концентрацию К⁺_вн и низкую Na⁺_BH. В этой ситуации небольшая утечка К⁺ наружу формирует поляризацию мембраны («+» снаружи, «—» внутри). Это мембранный потенциал покоя (МПП).

При электрическом раздражении открываются каналы Na⁺ (в некоторых клетках — Са²⁺) и за счет их входа внутрь клетки поляризация мембраны извращается. Это потенциал действия (ПД). Его длительность составляет несколько миллисекунд.

Прекращение ПД связано с закрытием (инактивацией) Na—каналов и с открытием дополнительных каналов для K⁺, выход которого возвращает мембранный потенциал к исходной величине. Во время ПД электровозбудимость отсутствует (состояние рефрактерности). После ПД остается некоторый избыток Na⁺ в клетке, который устраняется работой ионного насоса, откачивающего из клетки Na⁺ в обмен на наружный К⁺.

Возникнув в какой—либо точке, ПД распространяется по нервному или мышечному волокну за счет раздражающего действия локального тока, возникающего между возбужденным и соседним участками. Скорость распространения возбуждения зависит от соотношения значения локального тока и электровозбудимости мембраны. Скорость эта тем больше, чем толще проводник (волокно). В миелинизированных нервных проводниках распространение ПД особенно быстро, так как в них ПД как бы прыгает от одного оголенного участка волокна (перехвата) к другому (сальтаторное проведение). В толстых миелинизированных волокнах скорость проведения достигает 100—120 м/с.

Контакты между нервными клетками и между нервными клетками и другими клетками—мишенями называют синапсами. Синапсы передают либо возбуждающий, либо тормозный сигнал. Существуют электрические синапсы, в которых сигнал передается локальным электрическим током. Большинство синапсов относится к химическому типу. В них сигнал передается в форме физиологически активного вещества — медиатора (трансмиттера). Это вещество синтезируется в «передающей» пресинаптической клетке, накапливается в ее нервных окончаниях, выбрасывается из них в синаптическую щель и воспринимается специфическими рецепторами постсинаптической клетки. Активация названных рецепторов либо прямо открывает ионные каналы, приводя к электрической реакции, либо воздействует на метаболизм клетки через специальные ферментные системы и вторичные передатчики (мессенджеры), что также может влиять на ионные каналы.

В возбуждающих синапсах рецепторы открывают каналы для Na⁺ или Са²⁺, что частично деполяризует мембрану и вызывает ПД (возбуждение).

В тормозных синапсах рецепторы открывают каналы для К⁺ или Сl^—, движение которых по их градиентам нормализует или увеличивает МПП, т. е. тормозит, успокаивает клетку. Отработанный медиатор либо разрушается специальным ферментом, либо всасывается обратно в нервное окончание.

Нервные проводники осуществляют транспорт веществ. Этот процесс (аксонный транспорт) имеет скорость от 1—2 до 400 мм/сут. Аксонный транспорт (антероградный и ретроградный} важен для осуществления трофических процессов, а также для восполнения запасов квантов медиатора в нервном окончании. Через синапсы помимо описанных сигналов передаются трофические влияния (с помощью специальных агентов белковой природы). В трофике нервной системы, а также в обмене медиаторов и ионном гомеостазе тканей принимают участие глиалъные клетки.

В нервной системе животных и человека нейроны формируют нервные сети, обладающие рядом общих свойств {дивергенция и конвергенция нервных путей, связанные с ними пространственное облегчение и окклюзия; наличие ряда тормозных механизмов).

Основным вариантом реакции нервной сети на внешний стимул является рефлекс, представляющий собой возбуждение определенных рецепторов, афферентных нервных проводников, центра, эфферентных проводников и рабочего органа (эффектора). Взаимодействие (борьба) антагонистических рефлексов осуществляется с помощью реципрокного (сопряженного) торможения в центре.

Мышечные волокна помимо электрических реакций на нервные стимулы развивают сократительные ответы. Сокращения мышечных волокон представляют собой результат встречного движения толстых (миозиновых) и тонких (актиновых), нитей, расположенных в саркомерах миофибрилл. Это движение обеспечивается работой миозиновых мостиков, использующих энергию АТФ. В покое этот механизм не работает. Но при возбуждении, когда мышечный ПД провоцирует выброс Са²⁺ из саркоплазматического ретикулума, Са²⁺ снимает препятствие работе мостиков и сокращение начинается. Окончание сокращения обеспечивается обратным захватом Са²⁺ в саркоплазматический ретикулум.

Одиночный ПД обеспечивает одиночные сокращения, серия частых ПД — тетанус (как результат суперпозиции одиночных сокращений). Отмеченное правило применимо к большинству мышц позвоночных животных (хотя у гладких мышц есть особенности). Но в фибриллярных мышцах насекомых один ПД мышцы дает не одно, а множество очень быстрых сокращений. Этот «миогенный» ритм связан с тем, что названные мышцы, будучи возбужденными и, соответственно, сокращенными, мгновенно теряют напряжение (тягу), если освобождаются от «груза», и, наоборот, снова восстанавливают сокращения в ответ на нагрузку. В этих условиях при связи с упругим экзоскелетом насекомого возбужденные мышцы—антагонисты тянут попеременно, что и обеспечивает высокочастотные махи крыльев (при редких ПД мышц). Запирательные мышцы моллюсков в ответ на короткую серию нервных импульсов генерируют краткую пачку ПД и при этом производят очень длительное сокращение. Сократительные механизмы фибриллярных мышц и запирательных мускулов, по—видимому, отличаются от изученных в обычных мышцах.

Электрический механизм (работающий в нервных проводниках, в постсинаптических мембранах и в мышечных волокнах) имеет специальное и чрезвычайное развитие в электрических органах рыб, которые могут за счет последовательного соединения клеточных батарей генерировать импульсы напряжением до 500—1000 В.

Сократительные механизмы присущи не только мышцам. В сходной форме они существуют и действуют в примембранных структурах, жгутиках и ресничках, обеспечивающих двигательные функции у простейших, и у ряда специализированных клеток высших животных и человека.

Деятельность секреторных клеток, направленная на стабилизацию процессов обмена веществ и энергии, осмотического давления, рН и объема, сходна с подобной деятельностью у других клеток. Однако специфика секретируемого вещества (газы, жидкости, липиды, белки, моноамины и т. д.), интенсивность его синтеза и выведения определяют особенности клеточных структур и функций секреторных клеток. К ним относятся: большее разнообразие систем трансмембранного переноса веществ — предшественников секрета и выделения синтезированных продуктов; широкое использование гидрофильных ионов для регуляции осмотического давления , рН и объема секреторной клетки; усложнение систем внутриклеточной сортировки молекул и везикул (эндо—, пино—, фагосомальных и экзоцитозных); более полное использование изменений мембранного потенциала как инструмента быстрой регуляции всех стадий секреторного процесса.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Авдонин П. В., Ткачук В. А. Рецепторы и внутриклеточный кальций. М., 1994.

Бернштейн Н.А. Физиология движений и активность. М., 1990.

Гехт Б. М. Теоретическая и клиническая электромиография. Л., 1990.

Жуков Е. К. Очерки по нервно—мышечной физиологии. Л., 1969.

Ичас М. О природе живого: механизмы и смысл. М., 1994.

Катц Б. Нерв, мышца и синапс. М., 1968.

Крутецкая 3. И. Лонский А. В. Биофизика мембран. СПб., 1994.

Куффлер С., Николе Дж. От нейрона к мозгу. М., 1979.

Кэндел Э. Клеточные основы поведения. М., 1980.

Лапицкий В. П. Сравнительная физиология сократительного аппарата. СПб., 1998.

Милешковский Б. Ю. Ноздрачев А. Д. Торможение двигательной активности. Стволовые механизмы. СПб., 1998.,

Наследов Г. А. Тоническая мышечная система позвоночных. Л., 1981.

Ноздрачев А. Д., Янцев А. В. Автономная передача. СПб., 1995.

Общая физиология возбудимых мембран. Руководство по физиологии. М., 1975. Общая физиология нервной системы. Руководство по физиологии. Л., 1979.

Свидерский В. Л. Основы нейрофизиологии насекомых. Л., 1980.

Скок В. И., Шуба М. Ф. Нервно—мышечная физиология. Киев, 1986.

Уголев А. М. Эволюция пищеварения и принципы эволюции функций. Элементы современного функционализма. Л., 1985.

Угрюмое М. В. Механизмы нейроэндокринной регуляции. М., 1999.

Физиология животных. В 2 т. / Под ред. Р. Эккерта и др. М., 1992.

Физиология человека. В 2 т. / Под ред. В. М. Покровского, Г. Ф. Коротько. М., 1997.

Физиология человека. В 3 т. / Под ред. Р. Шмидта, Г. Тевса. М., 1996.

Хилл А. Механика мышечного сокращения. Старые и новые опыты. М., 1972.

Ходжкин А. Нервный импульс. М., 1965.

Шаповалов А. И. Механизмы синаптической передачи. Избранные труды. СПб., 1997.

Шеперд Г. Нейробиология. В 2 т. М., 1987.

Шмидт—Ниельсен К. Физиология животных. Приспособление и среда. В 2 кн. М., 1982.

Экклс Дж. Физиология синапсов. М., 1966.

<\/a>") //-->