Cytoza

Wyobraź sobie, że jesteś makrofagiem: bezlitosną białą komórką krwi, która grasuje, jak ameba, przez tkanki ciała, szukając patogenów, martwych i umierających komórek i innych niepożądanych obiektów. Gdy napotkasz jeden z nich, Twoim zadaniem jest nie tylko jego zniszczenie, ale także całkowite jego pochłonięcie. (Chrup!)

To całkowite zniszczenie może wydawać się nieco przesadne, ale służy dwóm przydatnym celom. Po pierwsze, pozwala odzyskać cenne makrocząsteczki, które mogą być wykorzystane przez organizm. Po drugie, w przypadku obcych patogenów, pozwala makrofagowi prezentować fragmenty patogenu na swojej powierzchni. Ta ekspozycja ostrzega inne komórki odpornościowe, że patogen jest obecny i wyzwala odpowiedź immunologiczną.

Cofnijmy się jednak trochę. W jaki sposób makrofag „zjada” patogen lub fragment szczątek komórkowych? W kilku ostatnich rozdziałach mówiliśmy o sposobach, jakimi jony i małe cząsteczki, takie jak cukry i aminokwasy, mogą wnikać do komórki i opuszczać komórkę przez kanały i transportery. Kanały i białka nośnikowe świetnie nadają się do transportowania określonych małych cząsteczek przez błonę, ale są zbyt małe (i zbyt wybredne w kwestii tego, co transportują), aby pozwolić komórce pochłonąć coś w rodzaju całej bakterii.

Zamiast tego, komórki potrzebują mechanizmów transportu masy, w których duże cząsteczki (lub duże ilości mniejszych cząsteczek) są transportowane przez błonę komórkową. Mechanizmy te obejmują zamykanie substancji, które mają być transportowane, w małych pęcherzykach z ich własnej błony, które mogą następnie pączkować z błony lub stapiać się z nią w celu przetransportowania substancji. Na przykład, makrofag może pochłonąć swoją patogenną kolację rozkładając wokół niej „ramiona” z błony i zamykając ją w pęcherzyku z błony zwanym wakuolą pokarmową (gdzie patogen jest później trawiony).

Makrofagi dostarczają dramatycznego przykładu transportu masy, ale większość komórek w twoim ciele nie pochłania całych mikroorganizmów. Niemniej jednak większość komórek ma pewnego rodzaju mechanizmy transportu masy. Mechanizmy te umożliwiają komórkom pozyskiwanie składników odżywczych ze środowiska, selektywne „wychwytywanie” niektórych cząsteczek z płynu pozakomórkowego lub uwalnianie cząsteczek sygnalizacyjnych w celu komunikowania się z sąsiadami. Podobnie jak transport aktywny, podczas którego przenoszone są jony i małe cząsteczki z wykorzystaniem białek nośnikowych, transport masy jest procesem wymagającym energii (i rzeczywistoście energochłonnym).

W tym artykule przyjrzymy się różnym rodzajom transportu masy: fagocytozie, pinocytozie, endocytozie zależnej i egzocytozie.

Endocytoza (endo = wewnętrzny, cytosis = mechanizm transportowy) to ogólny termin określający różne rodzaje aktywnego transportu, które przenoszą cząsteczki do komórki poprzez zamknięcie ich w pęcherzyku wykonanym z błony plazmatycznej.

Istnieją różne odmiany endocytozy, ale wszystkie przebiegają według tego samego podstawowego schematu. Najpierw błona plazmatyczna komórki wpukla się (składa się do wewnątrz), tworząc kieszeń wokół docelowej cząsteczki lub cząsteczek. Kieszeń następnie odrywa się z pomocą wyspecjalizowanych białek, pozostawiając cząstkę uwięzioną w nowo utworzonym pęcherzyku lub wakuoli wewnątrz komórki.

Endocytozę można dalej podzielić na następujące kategorie: fagocytozę, pinocytozę i endocytozę zależną od receptora.

Fagocytoza (dosłownie „zjadanie komórek”) jest rodzajem endocytozy, w której duże cząsteczki, takie jak komórki lub szczątki komórkowe, są transportowane do komórki. Na początku artykułu zapoznaliśmy się już z jednym przykładem fagocytozy, ponieważ jest to rodzaj endocytozy wykorzystywanej przez makrofagi do pochłaniania patogenu.

Jednokomórkowe eukarionty zwane amebami również wykorzystują fagocytozę do polowania i konsumowania zdobyczy. A przynajmniej próbują - seria obrazów poniżej przedstawia sfrustrowaną amebę próbującą fagocytować komórkę drożdży, która jest tylko odrobinę za duża.

Gdy komórka skutecznie pochłonie docelową cząsteczkę, kieszeń zawierająca cząsteczkę odrywa się od membrany, tworząc pęcherzyk z błony zwany wakuolą pokarmową. Wakuola pokarmowa połączy się następnie z organellum zwanym lizosomem, „centrum recyklingu” komórki. Lizosomy zawierają enzymy, które rozkładają pochłoniętą cząsteczkę na jej podstawowe składniki (takie jak aminokwasy i cukry), które następnie mogą być wykorzystane przez komórkę.

Pinocytoza (dosłownie „picie komórek”) jest rodzajem endocytozy, w której komórka pobiera niewielkie ilości płynu pozakomórkowego. Pinocytoza występuje w wielu typach komórek i odbywa się w sposób ciągły, przy czym komórki pobierają próbki i ponownie sprawdzają otaczający płyn, aby pobrać wszelkie składniki odżywcze i inne cząsteczki, które są obecne w środowisku. Pochłonięty materiał jest przechowywany w małych pęcherzykach, znacznie mniejszych niż duża wakuola pokarmowa wytwarzana w procesie fagocytozy.

Endocytoza zależna od receptora jest rodzajem endocytozy, w której białka receptorowe na powierzchni komórki są wykorzystywane do wychwytywania określonej cząsteczki docelowej. Receptory, które są białkami transbłonowymi, skupiają się w obszarach błony plazmatycznej zwanych dołkami. Nazwa ta pochodzi od warstwy białek zwanych białkami płaszcza, które znajdują się po cytoplazmatycznej stronie dołu. Klatryna, przedstawiona na powyższym schemacie, jest najlepiej przebadanym białkiem płaszcza${}^2$‍.

Kiedy receptory wiążą się ze swoistą cząsteczką docelową, wywoływana jest endocytoza, a receptory i związane z nimi cząsteczki są pobierane do komórki w pęcherzyku. Białka płaszcza uczestniczą w tym procesie, nadając pęcherzykowi zaokrąglony kształt i pomagając mu odłączyć się od błony. Endocytoza zależna od receptora umożliwia komórkom pobieranie dużych ilości cząsteczek, które są stosunkowo rzadkie (obecne w niskich stężeniach) w płynie pozakomórkowym${}^{2,3}$‍.

Chociaż endocytoza zależna od receptora ma na celu wprowadzenie użytecznych substancji do komórki, inne, mniej przyjazne cząstki mogą dostać się tą samą drogą. Wirusy grypy, błonica i toksyna cholery wykorzystują szlaki endocytozy zależnej od receptora, aby uzyskać dostęp do komórek.

Załóżmy, że pewien rodzaj cząsteczki został usunięty z krwi na drodze endocytozy zależnej od receptora. Co by się stało, gdyby białka receptorowe dla tej cząsteczki brakowało lub było ono uszkodzone?

Komórki muszą pobierać pewne cząsteczki, takie jak składniki odżywcze, ale muszą także uwalniać inne cząsteczki do środowiska zewnętrznego, takie jak białka sygnalizacyjne i produkty zbędne. Egzocytoza (exo = zewnętrzny, cytosis = mechanizm transportowy) jest rodzajem transportu masy, w którym materiały są transportowane z wnętrza na zewnątrz komórki w pęcherzykach błonowych, które łączą się następnie z błoną plazmatyczną.

Niektóre z tych pęcherzyków pochodzi z aparatu Golgiego i zawiera białka zbudowane specjalnie przez komórkę do uwolnienia na zewnątrz, np. cząsteczki sygnalizacyjne. Inne pęcherzyki zawierają produkty zbędne, które komórka musi usunąć, np. resztki, które pozostają po strawieniu fagocytozowanej cząsteczki.

Pęcherzyki te są transportowane do krawędzi komórki, gdzie mogą się połączyć z błoną plazmatyczną i uwolnić swoją zawartość do przestrzeni pozakomórkowej. Niektóre pęcherzyki łączą się całkowicie z błoną i są w nią wbudowane, podczas gdy inne stosują model „pocałuj i uciekaj”, łącząc się na tyle z błoną, aby uwolnić swoją zawartość („całując” błonę) i ponownie odrywają się i wracają z powrotem do wnętrza komórki${}^4$‍.