Молекулярная биология

     Несмотря  на это, в течение практически  всей реабсорбции всасывание 1 молекулы глюкозы вполне может быть обеспечено (энергетически) симпортом всего одного иона Na — столь высока энергия Na-градиента.

     Вместе  с тем надо помнить, что данный градиент создается благодаря деятельности Na ,К-насоса и что для выведения из клетки 3 ионов Na (в обмен на 2 иона К ) расходуется 1 молекула АТФ. Следовательно, в конечном счете за счет энергии 1 молекулы АТФ в эпителиоцит попадают 3 молекулы глюкозы.

     Затем глюкоза проходит через плазмолемму, расположенную с банальной стороны клетки. Здесь транспорт является пассивным, т. е. он осуществляется путем облегченной диффузии: глюкоза проходит через специальные каналы по градиенту своей концентрации — из клеток в окружающее пространство. Видимо, таким же образом преодолеваются и обе мембраны эндотелиоци-тов кровеносных капилляров. Для того то и нужно, чтобы концентрация глюкозы в эпителиоцитах была выше, чем в крови.

     Таким образом, вся реабсорбция глюкозы  из фильтрата в кровь энергетически  обеспечивается за счет той АТФ, что  расходуется Na, K-насосом эпителиоцитов. Локализуется же этот насос, видимо, тоже в базальном отделе плазмолеммы.

     В свою очередь, АТФ восполняется за счет катаболизма веществ — в первую очередь, самой глюкозы. Можно найти: для энергообеспечения реабсорбции 180 г глюкозы в сутки необходим полный (аэробный) распад 1,65 г глюкозы. 
 
 

2.3 Перенос через  мембраны частиц  и высокомолекулярных  соединений.

     Через биомембраны могут проходить  не только низкомолекулярные вещества, но также высокомолекулярные соединения и даже относительно мелкие частицы.

     Переход частиц через плазмолемму происходит иначе – в составе мембранного  пузырька.

     При этом по направлению транспорта  по характеру переносимых веществ  различают следующие процессы (рис. 1.13).

     1) Эндоцитоз – перенос частиц  в клетку. Его разновидности:

     а) пиноцитоз – захват и поглощение клеткой растворимых микромолекулярных  соединений;

     б) фагоцитоз – то же самое, но в  отношении твердых частиц;

     в) эндоцитоз, опосредованный рецепторами, - здесь поглощаемый субстрат предварительно специфически связывается с поверхностными рецепторами плазмолеммы. Это очень частный вариант фаго- и пиноцитоза, особенно в иммунных процессах.

     2) Экзоцитоз – перенос частиц  и крупных соединений из клетки.

     а) Наиболее распространенный способ экзоцитоза – секреция. Это такое выведение из клетки растворимых соединений, которое является одной из функций данной клетки.

       
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                  (рис. 1.13)

     Секреция  может быть не только экзоцитоза, но и экспорта низкомолекулярных соединений. Действительно, под секрецией понимают выделение из клетки веществ разного размера:

  - и высокомолекулярных

          - и низкомолекулярных.

      В одних случаях накопление веществ  в клетке происходит в виде секреторных  пузырьков. Затем мембрана пузырьков сливается с плазмолеммой – так, что содержимое пузырьков оказывается вне клетки. Так могут секретироваться как высоко-, так и низкомолекулярные соединения.

      б) Если из клетки удаляются твердые  частицы, то такую разновидность  экзоцитоза называют экскрецией.

      Видимо, механизм экскреции вновь состоит  в том, что в начале выделяемые частицы оказываются в цитоплазматическом пузырьке, котрый затем сливается  с плазмолеммой.

      в) Наконец, существует еще одно понятие  – рекреция. Это перенос твердых  веществ через клетку; фактически здесь сочетаются фагоцитоз и экскреция.

      Какие мембранные белки обеспечивают эндо- и экзоцитоз? Во многих случаях это  еще неясно. Наиболее изучен данный вопрос в отношении экзоцитоза ацетилхолина в холинергических синапсах.

      Экзоцитоз ацетилхолина. Ацетилхолин образуется в цитоплазме пресинаптического окончания и только после этого поступает в синаптические пузырьки (или синаптосомы; рис. 1.14). Одновременно в окончании обычно присутствует несколько сотен пузырьков.

     Конечная  концентрация медиатора в пузырьках весьма высока (-0,5 М), так что его «упаковка», очевидно, требует энергии. Непосредственным источником последней является градиент водородных ионов, создаваемый протонными насосами. Насосы локализуются в мембране пузырьков и за счет АТФ поддерживают внутри высокую концентрацию протонов. Накачка же ацетилхолина в пузырьки, видимо, происходит путем антипорта с этими ионами, которые выходят в гиалоплазму по градиенту своей концентрации. Соответствующую транспортную систему можно обозначить как Н- зависимый ацетилхолиновый насос.

        
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      (рис. 1.14)

     Теперь  обратимся к собственно экзоцитозу. Ключевую роль в данном процессе (а  возможно, в экзоцитозе и других медиаторов в прочих синапсах) играют ионы Са. С этим напрямую связана природа целой группы белков пресинаптической мембраны и синаптических пузырьков.

     Так, в пресинаптической мембране содержатся Са - каналы. Они образуют скопления в т. н. активных зонах мембраны — участках, с которыми будут впоследствии сливаться синаптические пузырьки. Каналы закрыты в состоянии покоя и открываются при снижении трансмембранного потенциала. Благодаря этому, при возбуждении в цитоплазме пресинаптического окончания повышается концентрация ионов Са— за счет поступления из внешней среды.

     С другой стороны, в мембране синаптических пузырьков имеются АТФ-зависимые Са-насосы, которые, постоянно функционируя, создают в пузырьках высокую концентрацию Са. Таким образом, для экзоцитоза медиатора необходимо, чтобы концентрация этих ионов оказалась высокой с обеих сторон мембраны пузырька.

     Спектр  белков, на которые влияют ионы Са в пресинаптической окончании, весьма широк. Укажем лишь на ключевые белки.

     Один  из них — синапсин. Этот белок состоит из двух субъединиц (общей массой 166 кДа) и связан с внешней поверхностью мембраны синаптосомы. При низкой концентрации ионов Са в цитоплазме он находится в дефосфорилированном состоянии и соединяет пузырек с актиновыми микрофиламентами цито-скелета - пузырек пребывает в фиксированном положении.

     При возбуждении же пресинаптической мембраны, когда в цитоплазму поступают ионы Са, последние стимулируют специфическую киназу (Са кальмодулинзависимую киназу). Этот фермент фосфорилирует синапсин, отчего ослабевает связь с актинном - пузырек перемещается вдоль микротрубочек к одной из активных зон пресинаптической мембраны.

     Следующие события — контакт и слияние  пузырька с этой мембраной. Они тоже обеспечиваются Са-зависимыми белками мембраны пузырька.

     Среди них, в частности, белок синаптогамин. Взаимодействуя в присутствии Са с группой других мембранных белков, он приводит в конце концов к активации синаптопорина. Последний же формирует первичную пору, которая пронизывает обе мембраны и, видимо, инициирует слияние липидных бислоев. Через эту же пору начинается излияние медиатора в синоптическую щель.

     Предполагают  также, что в мембране пузырька имеются  и актомиозинподобные белки, вызывающие сокращение его стенки и облегчающие тем самым выброс медиатора.

     В результате встраивания мембран пузырьков в пресинаптическую мембрану поверхность последней увеличивается.

     Затем начинается процесс рециклизации — от пресинаптической мембраны отпочковываются мембранные структуры, которые вначале сливаются в цистерны. И лишь потом от последних отшнуровываются новые синаптические пузырьки, вновь заполняемые медиатором.

3. Адгезивная функция мембран

 

3.1. Семейства адгезивных  мембранных белков

     Сделаем несколько предварительных замечаний.

     а) Наиболее удобный и оттого излюбленный объект изучения адгезивных мембранных белков — клетки крови и эндотелиоциты. Соответственно, и среди адгезивных взаимодействий лучше всего охарактеризованы взаимодействия данных клеток между собой, а такжке с компонентами внеклеточного матрикса. Поэтому в нижеследующем изложении будут иметься в виду, в основном, эти клетки и взаимодействия.

     б)   Второе замечание касается терминологии. Адгезивные мембранные белки часто  относят к рецепторам клетки. В определенном смысле это справедливо, поскольку на начальной стадии адгезивного взаимодействия они действительно выступают как рецепторы, узнающие определенные вещества (на поверхности других клеток или в составе внеклеточного матрикса).

     В то же время понятие рецепторы  существенно шире - оно охватывает и те мембранные белки, которые реагируют  на растворимые сигнальные молекулы, выделенные другими клетками.

     Таким образом, адгезивные белки можно считать клеточными рецепторами, но не все клеточные рецепторы являются адгезивными белками.

     в) Независимо от функции рецептора вещество, с которым ой взаимодействует, называется лигандом. Поэтому часто говорят о взаимодействии в паре лиганд-рецептор.

     Для адгезивных белков лиганд - соответствующий  компонент мембраны другой клетки или внеклеточного матрикса. В то же время данный адгезивный белок сам является лигандом для реагирующего с ним вещества.

     г) Наконец, о классификации и номенклатуре адгезивных мембранных белков.

     Классификация является еще незавершенной. Среди  известных на настоящий момент адгезивных белков различают следующие семейства:

     1)  интегрины,

     2)  селектины.

     3)   иммуноглобулины, Ig (точнее, Ig-подобные белки),

     4)  кадгерины.

     Но  существуют и целый ряд белков, которые не отнесены пока к какому-либо семейству.

     Что же касается номенклатуры, или системы  обозначений конкретных белков, то она способна вселить ужас — настолько беспорядочной и громоздкой она является. Т. е. системы, в точном смысле этого слова, пока фактически нет.

     Отметим попутно, что неупорядоченность  номенклатуры белков (и генов) —  общая проблема современной биологии. Т. е. это относится не только к адгезивным мембранным белкам, но и к сотням вновь выявляемых других белков, особенно тем, что участвуют в многочисленных регуляторных процессах.

     После этих замечаний коротко познакомимся с адгезивными белками.

     Интегрины. Интегрины это интегральные белки гетеродимерной структуры α,β, (рис. 1.15). Вообще говоря, интегральными являются и многие другие адгезивные белки (например, селектины и иммуноглобулины), но термин «интегрины» используется только для данного семейства (еще один пример несовершенства номенклатуры).

     Известно  более 10 разных видов субъединицы  α около 15 видов субъединицы β. При этом β-субъединицы по размеру значительно меньше, чем α-субъединицы. Тем не менее и в тех, и в других — по три домена: внутриклеточный (небольшой по размеру), мембранный и внеклеточный.

     Внутриклеточные домены интегринов участвуют в фиксации цитоскелета (актиновых микрофиламентов). Связь между этими доменами и микрофиламентами осуществляется с помощью специальных белков винкулина, талина или непосредственно актина. Таким образом, за счет внутриклеточных доменов интегрины, подобно гликофорину эритроцитов выполняют и структурную функцию.

     Внеклеточные  же домены ответственны за узнавание специфических лигандов и адгезию с ними. Очень часто (хотя не всегда) узнаваемым локусом в этих лигандах является одна и та же трипептидная последовательность — -Apr  Гли-Асп-.

     Хотя, как уже отмечалось, выявлено около 15 разных β-субъединиц, наиболее изучены белки с β-субъединицами первых трех типов (β1,β2,β3).

     β1-интегрины обнаружены в плазмолемме лимфоцитов и тромбоцитов. При этом некоторые β1-интегрины участвуют во взаимодействии лимфоцитов с эндотелием (на начальной стадии проникновения в ткани), контактируя с адгезивными иммуноглобулинами на поверхности эндотелиоцитов.