Эндоцитоз и экзоцитоз: механизмы и отличия

Ионы и мелкие молекулы клетка перекачивает через каналы и насосы, но белок, липопротеидную частицу или целую бактерию сквозь липидный бислой протащить невозможно: слишком крупный груз. Для него работает транспорт в мембранной упаковке. Эндоцитоз втягивает вещество внутрь в пузырьке, отшнурованном от поверхности, а экзоцитоз выбрасывает содержимое пузырька наружу, вплавляя его мембрану в плазмалемму. Оба процесса тратят энергию, оперируют целым участком мембраны и должны уравновешивать друг друга, иначе клетка либо съёжилась бы, либо раздулась. Ниже разберём виды эндоцитоза, молекулярную машинерию слияния и то, как в задачах считают баланс мембраны.

Эндоцитоз и экзоцитоз: общий принцип

Оба процесса объединяют термином цитоз, или везикулярный транспорт. Его отличие от всех прочих способов переноса в том, что вещество ни разу не пересекает липидный бислой: оно всё время остаётся по одну сторону мембраны, а меняется топология самой мембраны. Груз внутри везикулы биохимически эквивалентен внеклеточной среде, и именно поэтому эндосома может нести белок, который в цитозоле мгновенно бы денатурировал или был бы расщеплён.

Цитоз всегда энергозависим, то есть относится к активному транспорту, хотя и не похож на работу натрий-калиевого насоса. Энергия уходит не на перенос против градиента, а на деформацию мембраны: сборку белковой оболочки, полимеризацию актина, работу ГТФазы динамина и последующую разборку комплексов. Строение самого бислоя, его текучесть и способность к самозалечиванию описаны в разборе плазматической мембраны - без этих свойств ни впячивание, ни слияние были бы невозможны.

Виды эндоцитоза: фагоцитоз, пиноцитоз, рецепторный захват

Классификация строится по размеру груза и по избирательности.

Фагоцитоз - захват твёрдых частиц крупнее 0,5 мкм: бактерий, обломков клеток, апоптотических телец. Клетка выпускает псевдоподии, за которыми стоит полимеризация актина, обхватывает частицу и замыкает вокруг неё фагосому размером до нескольких микрометров. У млекопитающих на это способны немногие типы клеток: макрофаги, нейтрофилы, дендритные клетки. Подробно стадии и сигнальные каскады разобраны в материале про механизм фагоцитоза.

Пиноцитоз - «питьё» клеткой, захват внеклеточной жидкости с растворёнными в ней веществами. Пиноцитозные пузырьки мелкие, обычно 0,1-0,2 мкм, образуются непрерывно и практически у всех эукариотических клеток. Отбор груза здесь неизбирательный: в везикулу попадает всё, что случайно оказалось в захваченной капле. Отдельная форма - макропиноцитоз, когда мембранные складки-руфлы смыкаются и отсекают крупную каплю до 5 мкм.

Рецептор-опосредованный эндоцитоз - избирательный захват конкретного лиганда, связавшегося со своим рецептором. Именно так клетка получает холестерин в составе ЛПНП, железо в комплексе с трансферрином, витамин B12 и многие гормоны. Избирательность даёт колоссальный выигрыш: концентрация лиганда в везикуле оказывается в сотни и тысячи раз выше, чем в среде, поэтому клетка забирает нужное вещество даже при ничтожном его содержании снаружи. Этим же путём в клетку проникают многие вирусы, подделавшие лиганд, - об этом в разборе адсорбции и проникновения вируса.

Рассчитать для своей задачи

Клатриновая ямка: как собирается везикула

Механику отшнуровки лучше всего изучили на клатриновом пути. Белок клатрин состоит из трёх тяжёлых и трёх лёгких цепей и в растворе выглядит как трёхлучевая звезда - трискелион. Трискелионы самопроизвольно собираются в решётку из пяти- и шестиугольников, геометрически неизбежно изгибающуюся в корзинку. Решётка прикрепляется к мембране не напрямую, а через адаптерные комплексы, в первую очередь AP2, которые одновременно узнают сигнальные последовательности в цитоплазматических хвостах рецепторов. Так сборка оболочки и отбор груза оказываются одной операцией.

Дальше события идут по стадиям: окаймлённая ямка углубляется, шейка сужается, на неё в виде спирали садится ГТФаза динамин и при гидролизе ГТФ пережимает и разрезает перешеек. Свободная везикула диаметром около 100 нм тут же теряет оболочку с помощью шаперона Hsc70 и ауксилина - клатрин уходит в цитозоль на новый цикл. Весь путь от ямки до голой везикулы занимает примерно минуту.

Рассчитать для своей задачи

Клатрин не единственный вариант. Кавеолин-зависимый путь формирует кавеолы - устойчивые колбовидные впячивания 50-80 нм, богатые холестерином и сфинголипидами. Есть и клатрин-независимые, и кавеолин-независимые маршруты, а также макропиноцитоз, вообще обходящийся без белковой оболочки.

Сортировка в эндосоме и возврат мембраны

Судьбу груза решает ранняя эндосома. Мембранная V-АТФаза закачивает в неё протоны, pH падает до 6,0-6,5, и большинство рецепторов при таком закислении теряют сродство к лиганду. Разошедшиеся партнёры сортируются: рецепторы уходят в отпочковывающиеся трубчатые выросты и возвращаются на поверхность, а лиганд остаётся в теле эндосомы, которая созревает в позднюю (pH 5,0-5,5) и сливается с лизосомой (pH около 4,5-5,0), где груз расщепляется гидролазами.

Рециклирование делает систему экономной. Рецептор ЛПНП совершает полный цикл примерно за 10 минут и живёт около 20 часов, то есть успевает отработать больше сотни раз - независимо от того, доставил он лиганд или вернулся пустым. Часть рецепторов, наоборот, отправляется вместе с лигандом на деградацию: так клетка снижает чувствительность к избытку гормона.

Экзоцитоз: конститутивный и регулируемый

Экзоцитоз бывает двух типов. Конститутивный идёт непрерывно во всех клетках: пузырьки от транс-сети Гольджи постоянно подходят к плазмалемме и сливаются с ней без всякого внешнего сигнала. Так клетка выводит коллаген и другие компоненты матрикса и одновременно встраивает в поверхность новые липиды, белки-переносчики и рецепторы.

Регулируемый экзоцитоз есть только у секреторных клеток. Готовые гранулы копятся под мембраной и ждут команды - обычно это подъём концентрации свободного кальция в цитозоле примерно со 100 нМ покоя до десятков микромоль. По такому сценарию работает выброс нейромедиатора в синапсе, где задержка между приходом импульса и слиянием составляет доли миллисекунды, и секреция инсулина при росте глюкозы: детали второго процесса разобраны в статье про бета-клетки островков Лангерганса.

Слияние обеспечивает семейство белков SNARE. На везикуле сидит v-SNARE (синаптобревин), на мембране-мишени - t-SNARE (синтаксин и SNAP-25). Их спирали закручиваются друг вокруг друга наподобие застёжки-молнии, стягивая мембраны на расстояние, где отталкивание преодолевается и открывается пора слияния. Кальциевым сенсором служит синаптотагмин, а после слияния комплекс SNARE разбирают АТФаза NSF и белок α-SNAP, готовя детали к следующему циклу. Именно SNARE перерезают ботулотоксин и столбнячный токсин, поэтому их эффект - блок секреции нейромедиатора.

Рассчитать для своей задачи

Баланс мембраны и расчёты в задачах

Интенсивность цитоза удобно оценивать через площадь. Площадь сферической везикулы радиуса $r$ и число везикул, покрывающих поверхность клетки, считают так:

$$S_{в} = 4\pi r^{2}, \qquad N = \frac{S_{кл}}{S_{в}}$$

Для везикулы радиусом 50 нм получаем $S_{в} \approx 3{,}1 \cdot 10^{-2}$ мкм². Клетка радиусом 10 мкм имеет поверхность $S_{кл} = 4\pi R^{2} \approx 1257$ мкм², то есть на её «покрытие» ушло бы около 40 тысяч таких пузырьков. Макрофаг интернализирует площадь, равную всей своей плазмалемме, примерно за полчаса, а объём поглощённой жидкости за час достигает четверти объёма клетки. Если бы возврата мембраны не было, поверхность клетки исчезла бы за минуты, поэтому эндоцитоз и экзоцитоз количественно сбалансированы: скорость поглощения площади равна скорости её возврата.

Частые ошибки

• Считают эндоцитоз пассивным процессом. Он не требует градиента, но требует АТФ и ГТФ: на актин, динамин и сборку оболочек. Охлаждение или яд метаболизма его останавливают.
• Ставят знак равенства между эндоцитозом и фагоцитозом. Фагоцитоз - лишь один частный вид, доступный немногим типам клеток; универсален как раз пиноцитоз.
• Забывают про возврат мембраны. Мембрана не расходуется безвозвратно, она циркулирует: экзоцитоз возвращает поверхности ровно то, что забрал эндоцитоз.
• Путают экзоцитоз и секрецию вообще. Стероидные гормоны липофильны и выходят простой диффузией, без всяких пузырьков, а экзоцитоз - это конкретный механизм с везикулой и слиянием.
• Пишут, что вещество проходит сквозь бислой. При цитозе груз не пересекает мембрану ни разу, меняется только форма и топология самой мембраны.

FAQ

Чем эндоцитоз отличается от экзоцитоза кратко? Направлением переноса и судьбой мембраны. При эндоцитозе плазмалемма впячивается внутрь и отшнуровывает пузырёк с внеклеточным содержимым, площадь поверхности уменьшается. При экзоцитозе внутриклеточный пузырёк подходит изнутри, сливается с плазмалеммой и выбрасывает содержимое наружу, площадь поверхности увеличивается.

Почему рецепторный эндоцитоз выгоднее пиноцитоза? Потому что он избирателен. В пиноцитозную везикулу вещество попадает в той же концентрации, что и в среде, а рецепторы предварительно собирают лиганд на мембране, и в окаймлённой ямке его концентрация возрастает в сотни раз. Клетка получает нужную молекулу, не перекачивая лишнюю жидкость.

Какие вещества поступают в клетку путём эндоцитоза? Всё, что слишком велико для каналов и переносчиков: белки и пептидные гормоны, липопротеиды с холестерином, комплекс трансферрина с железом, антитела, бактерии и остатки погибших клеток. Ионы и мелкие молекулы этим путём не переносятся - для них есть каналы и насосы.

Коротко

Эндоцитоз и экзоцитоз - две половины везикулярного транспорта, при котором груз перемещается в мембранной упаковке, а не сквозь бислой. Эндоцитоз делится на фагоцитоз крупных частиц, неизбирательный пиноцитоз и рецептор-опосредованный захват с клатриновой оболочкой, динамином и последующей сортировкой в эндосоме. Экзоцитоз бывает конститутивным и регулируемым кальцием, а слияние мембран выполняют белки SNARE. Оба потока энергозависимы и точно уравновешены по площади мембраны, поэтому поверхность клетки остаётся постоянной при интенсивном обмене с внешней средой.