МІЖКЛІТИННИЙ ОБМІН РЕЧОВИНАМИ

В даний час ще не всі деталі вражаючого по досконалості механізму відтворення генетичної інформації та молекулярного біологічного синтезу встановлені. Зрозуміле хоча б головне, в тому числі те, що кожна клітина в організмі не створює всіх потрібних їй речовин, хоча генетичною інформацією володіє. Більш ефективним виявляється шлях спеціалізації функцій клітин, це призводить до вдосконалення організму в цілому.

Отже, між «елементалями» організму (клітинами) повинен безперервно підтримуватися обмін, - клітини і постачальники, і споживачі потоків речовин. У найпростіших одноклітинних організмів процес обміну речовинами між клітиною і навколишнім середовищем є процесом травлення, в результаті якого відбувається асиміляція корисних речовин і видалення шлаків, що залишаються після утилізації продуктів харчування. За останні 10-15 років вдалося встановити, що вага різноманітність процесів асиміляції корисних для клітини продуктів, властивих живим організмам (від одноклітинних бактерій до ссавців), зводиться до трьох основних типів: позаклітинного, внутрішньоклітинного і мембранного. Схема відповідних процесів наведена на рис. 121 [15J.

Схема процесів асиміляції

Мал. 121. Схема процесів асиміляції:

А - мембранний; В - позаклітинний; З - внутрішньоклітинний

При внутрішньоклітинної асиміляції ферменти цитоплазми гидролизуют (розкладають) невеликі молекули поживних речовин (головним чином димери: дисахариди, дипептиди і т.д.), які проникли в клітку шляхом дифузії або шляхом спеціального транспорту (ендоціто- за).

Позаклітинне травлення здійснюється ферментами, які виходять з цитоплазми назовні. Тут ферменти, як кажуть біохіміки, атакують поглинені організмом субстрати (великі молекулярні комплекси), руйнують їх до димеризованих або мономерних форм, які вже здатні потім проникати в клітку.

У вищих тварин і людини цей процес починається в ротовій порожнині і триває в порожнині шлунка, поєднуючись з внутрішньоклітинним. Мембранна деполимеризация субстрату відбувається на кордоні і має риси як позаклітинного, так і внутрішньоклітинного процесів. Вона малоефективна щодо великих надмолекулярних комплексів. Тому для таких «ласих шматочків» багато клітини використовують цикл ендоцігоза.

Ендоцитоз (процес зворотний екзоцитозу) починається з того, що макромолекула поживної речовини прикріплюється до спеціального мембранного білка, званого рецептором. Рецептори можуть переміщатися по плазматичної (полужидкой) мембрані клітини, переносячи з собою ліганди - прикріплені до них великі молекули. Таке перенесення виявляється більш ефективним, ніж випадкова дифузія субстрату по мембрані. За одну хвилину циркулює білок може пройти відстань близько 10 мкм, що можна порівняти з розмірами деяких клітин. Коли в одному місці збираються до тисячі рецепторів з лігандами, така ділянка мембрани починає впячиваются всередину клітини і утворює спочатку ямку, а потім пляшечку (везикулу), як це схематично показано на рис. 122. Везикула відгалужується від мембрани і переміщається в цитоплазму, де з нею з'єднується лизосома з ферментами.

Схема процесу ендоцитозу

Мал. 122. Схема процесу ендоцитозу

Оболонка лізосоми оберігає вміст цитоплазми від хімічного дії ферментів. Коли дві оболонки входять в контакт і об'єднуються, ферменти переходять в везикулу і розщеплюють харчової субстрат, який надходить в цитоплазму, а білки оболонки везикули повертаються в мембрану клітини. Весь цей цикл відбувається досить швидко, за одну-дві хвилини.

Клітини різних організмів використовують той або інший тип асиміляції, в залежності від їх еволюційного шляху. Ендоцитоз і внутрішнє травлення характерно для нижчих організмів, у вищих тварин і людини основні ролі грають процеси порожнинного гідролізу і мембранного всмоктування. Між ними існує функціональна зв'язок, оскільки кінцеві продукти порожнинної деполимеризации служать вихідною сировиною для мембранних процесів. У будь-якому випадку саме через мембрану клітини проходять зустрічні потоки речовин.

Оцінка ролі мембран зросла в останні роки, коли були розпочаті дослідження механізму гормонального управління міжклітинних обміном речовин. Наприклад, відомо, що клітини печінки виробляють глюкозу у відповідь на появу в крові гормону адреналіну. Яким чином зовнішнє (по відношенню до клітки) хімічний вплив запускає процес вироблення глюкози?

Було запропоновано кілька моделей будови плазматичної мембрани клітин, найбільш повною є твердокаркасная жидкокристаллическая модель (рис. 123).

Модель будови мембрани клітин

Мал. 123. Модель будови мембрани клітин

По ній основу будь-якої клітинної мембрани становить подвійний шар ліпідів (жирних кислот). Головні частини молекул ліпідів гідрофільних, тобто добре змочуються водою і водними розчинами. Хвостові ланцюга, навпаки, водовідштовхувальні, гідрофобні, енергія їх взаємодії між собою перевершує енергію їх взаємодії з молекулами води. Головні частини формують зовнішні поверхні мембран, а гідрофобні кінці звернені всередину. Бислой вельми стабільний і, в той же час, має властивості рідини. В одну або відразу в обидві поверхні бішару вбудовуються великі молекули білків різного призначення: циркулюючі (переносники лігандів), комутаційні, рецептори і ефектори. З внутрішньої сторони мембрани є ажурний каркас з елементами далекого порядку (властивого кристалів), він побудований з микронитей (мікрофіламенти) спектрина, які закріплені за деякі комутаційні білки, вбудовані в бішар мембрани.

Така рідко-тверда структура допускає локальні і загальні перебудови з різним ступенем кооперативне ™. При цьому структурний обурення, що поширюється по мембрані після посадки гормону або медіатора (хімічного передавача сигналу) на відповідний тільки йому рецептор, призводить до зміни координації та каталітичної активності інших мембранно-пов'язаних ферментів.

За таким механізмом передаються межрецепторние сигнали (взаємодії). Наприклад, інсулін через свій рецептор втрачає нормальний стан зовсім інший білкової молекули - (3-адренорецептори.

У мембрані є канали різного діаметру, стінками яких служать молекули білків. Через ці канали вільно можуть проходити в обидві сторони молекули води, деякі іони (натрію і калію) і деякі кислотні залишки (фосфорних кислот, амінокислоти).

Схема іонного каналу і рецептора

Мал. 124. Схема іонного каналу і рецептора

Частина каналів відкрита постійно (рис. 124), інші відкриваються тільки тоді, коли пов'язані з ними ферменти розщеплюють молекули субстрату (при мембранному травленні).

В результаті реакції конформація ферменту помітно змінюється, так що канал відкривається і отщепленим частки можуть увійти в цитоплазму клітини (приклад конформационного переходу). Сигнал на фермент натрієвого каналу може бути переданий також від конформационного переходу на сусідньому рецепторі.

Більш складні процеси передачі інформації на рівні клітини відбуваються за участю месенджерів (білків-посланників). В середині 80-х рр. минулого століття з'ясувалося, що центральне місце в передачі міжклітинних сигналів займають G-білки, таку назву вони отримали через пристосованості для зв'язку з гуанінових нуклеотидами ГТФ і ГДФ. G-бслкі прикріплені до внутрішнього шару мембрани і можуть пересуватися по ньому від рецептора до ефектору (рис. 125).

Схема процесів за участю G-білка

Мал. 125. Схема процесів за участю G-білка

Мембранні процеси за участю G-білків відбуваються із загальної, універсальної схемою. Після того як адреналін (або інший гормон) прикріплюється до наружнему кінця свого рецептора, що виділяється енергія зв'язку передається на іншому кінці рецептора G-білку, це стимулює обмін білка з приєднаним до нього гуаніндіфосфатом. Обмін відбувається з виділенням енергії, і G-бслок дисоціює, від нього відділяється його компонент Р-субчастіца (вона несе ГТФ) і швидко мігрує до білка-ефектору. Це перший етап процесу.

Другий етап починається після того, як зв'язування Р-субчастіци з ефектором переводить в збуджений стан його електронну оболонку.

У збудженому стані хімічна активність молекул підвищується і стають можливими нові реакції, в звичайних умовах не протікають. В даному випадку ефектор стає каталізатором перетворення аденозинтрифосфату (АТФ) в циклічний аденозінметафосфаг, позначений як сАМФ (рис. 122). Активний стан зберігається до тих пір, поки не відбудеться гідроліз (відщеплення однієї фосфатної групи):

Тоді Р-субчастіца повертається назад, збуджений стан ефектора знімається, і він припиняє створювати сАМФ. Таким чином, час «включеного» стану ефектора задається часом протікання реакції гідролізу фосфатної ланцюга гуанінових нуклеотиду в складі субчастіци G-білка. Можна говорити про те, що знайдено механізм таймера, або своєрідного реле часу, на молекулярному клітинному рівні. Мабуть, організм людини сприймає протягом часу завдяки цій реакції, яка триває від 0,1 с до 0,5 с.

Напрацьовані за час активного стану ефектора молекули сАМФ запускають каскад ферментативних реакцій утворення глюкози з тваринного крохмалю глікогену. Такі реакції давно вивчені і добре відтворюються в лабораторних умовах. Освічена глюкоза виходить через мембранні канали в міжклітинний простір або в кров'яне русло. Це відповідь клітини на зовнішнє «послання» про необхідність для організму деякої кількості глюкози. У місці її використання (наприклад в м'язах) відбувається споживання енергії глюкози (рис. 109).

Навіщо природі потрібен був такий (на перший погляд ускладнений) варіант передачі інформації? Справа в тому, що при такому механізмі дії відбувається велике посилення початкового сигналу. Будучи в збудженому стані, ефектор перетворює сотні молекул

АТФ на одну молекулу первинного, зовнішнього для клітини, месенджера (в даному випадку молекули адреналіну), з'являються сотні месенджерів вторинних (до 500 в нашому випадку) в цитоплазмі клітини. За порівнянне час через відкритий канал мембрани встигли б пройти всього один або два іона і ефективність управління була б низькою.

Процеси передачі міжклітинної взаємодії за участю G-білків мають велике поширення в живих організмах. Вважають, що вони грають роль в розрізненні запахів, коли кількість сприйманих первинних ароматичних молекул надзвичайно мало. Ці білки можуть регулювати роботу іонних каналів в мембранах. Наприклад, циклічний сГМФ підтримує у відкритому стані натрієвий канал. Gm-білок включає ефектор, який перетворює сГМФ в нециклический ГМФ. Після цього канал для іонів натрію закривається і клітина в цілому набуває електричний заряд.

Молекула родопсина в мембрані диска

Мал. 126. Молекула родопсина в мембрані диска

Доповнимо тепер опис механізму зору людини. У молекулі родопсину присутній Gw-білок транс- дуцін (рис. 126). Він контролює білок-ефектор фосфордіестеразу, яка перетворює сГМФ в ГМФ. Процес йде з посиленням початкового сигналу (фотозбудження однієї молекули ре- тіналя, описаного раніше в п. 5.4.1) в 500 разів! Крім того G-білки служать своєрідними часовими механізмами в організмах, час гідролізу ГТФ -> ГДФ виявляється на рівні інтервалів, цілком розрізняються людиною.

Людина «відчуває» час тому, що в його клітинах є таке важливе з'єднання, як гуанінтріфосфат!

 
Переглянути оригінал
< Попер   ЗМІСТ   ОРИГІНАЛ   Наст >