Макромолекули такі як білки, нуклеїнові кислоти, полісахариди, ліпопротеїдні комплекси та інші крізь клітинні мембрани не проходять, на противагу тому як транспортуються іони і мономери. Транспорт Мікромолекули, їх комплексів, часток всередину клітини і з неї відбувається зовсім іншим шляхом - за допомогою везикулярного перенесення. Цей термін означає, що різні макромолекули, біополімери, або їх комплекси, не можуть потрапляти в клітку крізь плазматичну мембрану. І не тільки крізь неї: будь-які клітинні мембрани не здатні до трансмембранному переносу біополімерів, за винятком мембран, які мають особливі білкові комплексні переносники - порінов (мембрани мітохондрій, пластид, пероксисом). У клітку ж або з одного мембранного компартмента в інший макромолекули потрапляють ув'язненими всередині вакуолей або везикул. Такий везикулярний перенесення можна розділити на два види: екзоцитоз - винос з клітки макромолекулярних продуктів, і ендоцитоз - поглинання клітиною макромолекул (рис. 133).
При ендоцитозу певну ділянку плазмалемми захоплює, як би обволікає позаклітинний матеріал, укладає його в мембранну вакуоль, що виникла за рахунок впячивания плазматичноїмембрани. У таку первинну вакуоль, або в ендосом. можуть потрапляти будь-біополімери, макромолекулярні комплекси, частини клітин або навіть цілі клітини, де потім і розпадаються, деполімеризуються до мономерів, які шляхом трансмембранного перенесення потрапляють в гіалоплазму. Основне біологічне значення ендоцитозу - це отримання будівельних блоків за рахунок внутрішньоклітинного перетравлення. яке здійснюється на другому етапі ендоцитозу після злиття первинної ендосоми з лизосомой, вакуолью, що містить набір гідролітичних ферментів (див. нижче).
Ендоцитоз формально поділяють на пиноцитоз і фагоцитоз (рис. 134). Фагоцитоз - захоплення і поглинання клітиною великих частинок (іноді навіть клітин або їх частин) - був вперше описаний І, І, Мечниковим. Фагоцитоз, здатність захоплювати кліткою великі частки, зустрічається серед клітин тварин, як одноклітинних (наприклад, амеби, деякі хижі інфузорії), так і для спеціалізованих клітин багатоклітинних тварин. Спеціалізовані клітини, фагоцити характерні як для безхребетних тварин (амебоцити крові або порожнинної рідини), так і для хребетних (нейтрофіли і макрофаги). Пиноцитоз спочатку визначався як поглинання клітиною води або водних розчинів різних речовин. Зараз відомо, що як фагоцитоз так і пиноцитоз протікають дуже схоже, і тому вживання цих термінів може відображати лише відмінності в обсягах, масі поглинених речовин. Загальна для цих процесів то, що поглинені речовини на поверхні плазматичної мембрани окружаются мембраною у вигляді вакуолі - ендосоми, яка переміщається всередину клітини.
Ендоцитоз, включаючи пиноцитоз і фагоцитоз, може бути неспецифічним або конститутивним, постійним і специфічним, опосередкованої рецепторами (рецепторних). Неспецифічний ендоціто з (пиноцитоз і фагоцитоз), так називається тому, що він протікає як би автоматично і часто може приводити до захоплення і поглинання абсолютно чужих або байдужих для клітини речовин, наприклад, частинок сажі або барвників.
Неспецифічний ендоцитоз часто супроводжується первісної сорбцией захоплюючого матеріалу гликокаликсом плазмолеми. Гликокаликс через кислих груп своїх полісахаридів має негативний заряд і добре зв'язується з різними позитивно зарядженими групами білків. При такому адсорбционном неспецифічному ендоцитозу поглинаються макромолекули і дрібні частинки (кислі білки, феритин, антитіла, віріони, колоїдні частинки). Рідкофазний пиноцитоз призводить до поглинання разом з рідким середовищем розчинних молекул, що не зв'язуються з плазмолеммой.
На наступному етапі відбувається зміна морфології клітинної поверхні: це або виникнення невеликих впячіваній плазматичноїмембрани, інвагінації, або ж це поява на поверхні клітини виростів, складок або "оборок" (Рафл - по-англійськи), які як би захльостує, складаються, відокремлюючи невеликі обсяги рідкого середовища (рис. 135, 136). Перший тип виникнення піноцитозного бульбашки, піносоми, характерний для клітин кишкового епітелію, ендотелію, для амеб, другий - для фагоцитів і фібробластів. Ці процеси залежать від надходження енергії: інгібітори дихання блокують ці процеси.
Слідом за такий перебудовою поверхні слід і процес злипання і злиття контактують мембран, який призводить до утворення пеніцітозного бульбашки (піносома), відривається від клітинної поверхні і йде вглиб цитоплазми. Як неспецифічний так і рецепторний ендоцитоз, що приводить до відщеплення мембранних бульбашок, відбувається в спеціалізованих ділянках плазматичної мембрани. Це так звані облямовані ямки. Вони називаються так тому, що з боку цитоплазми плазматична мембрана покрита, одягнена, тонким (близько 20 нм) волокнистих шаром, який на ультратонких зрізах як би оздоблює, покриває невеликі впячивания, ямки (рис. 137). Ці ямки є майже у всіх клітин тварин, вони займають близько 2% клітинної поверхні. Окаймляющий шар складається в основному з білка клатріна. асоційованого з рядом додаткових білків. Три молекули клатріна разом з трьома молекулами низькомолекулярного білка утворюють структуру трискеліон, нагадує трипроменеву свастику (рис. 138). Клатріновий трискеліон на внутрішній поверхні ямок плазматичноїмембрани утворюють пухку мережу, що складається з п'яти-і шестикутників, в цілому нагадує кошик. Клатріновий шар одягає весь периметр отделяющихся первинних ендоцитозних вакуолей, облямованих бульбашок.
Клатріна відноситься до одного з видів т.зв. "Одягають" білків (COP - coated proteins). Ці білки зв'язуються з інтегральними білками-рецепторами з боку цитоплазми і утворюють одягає шар по периметру виникає піносоми, первинного ендосомного бульбашки - "облямованого" бульбашки. в відділенні первинної ендосоми беруть участь також білки - дінаміни, які полімеризуються навколо шийки отделяющегося бульбашки (рис. 139).
Після того як облямований бульбашка відокремиться про плазмолеми і почне переноситися вглиб цитоплазми клатріновий шар розпадається, дисоціює, мембрана ендосом (Піноса) набуває звичайний вигляд. Після втрати клатрінового шару ендосоми починають зливатися один з одним.
Було знайдено, що мембрани облямованих ямок містять порівняно мало холестерину, що може визначати зниження жорсткості мембран і сприяти утворенню бульбашок. Біологічний сенс появи клатріновой "шуби" з периферії бульбашок, можливо, полягає в тому, що він забезпечує зчеплення облямованих бульбашок з елементами цитоскелету і подальший їх транспорт в клітці, і перешкоджає їх злиття один з одним.
Інтенсивність жидкофазного неспецифічного пиноцитоза може бути дуже високою. Так клітина епітелію тонкого кишечника утворює до 1000 Піноса в секунду, а макрофаги утворюють близько 125 Піноса в хвилину. Розмір Піноса невеликий, їх нижню межу становить 60-130 нм, але велика кількість їх приводить до того, що при ендоцитозу плазмолемма швидко заміщується, як би "витрачається" на утворення безлічі дрібних вакуолей. Так у макрофагів вся плазматична мембрана замінюється за 30 хвилин, у фібробластів - за дві години.
Подальша доля ендосом може бути різною, частина з них може повертатися до поверхні клітини і зливатися з нею, але більша частина вступає в процес внутрішньоклітинного травлення. Первинні ендосоми містять в основному захоплені в рідкому середовищі чужорідні молекули і не містять гидролитических ферментів. ендосоми можуть зливатися один з одним при цьому збільшуючись в розмірі. Вони потім зливаються з первинними лізосомами (див. Нижче), які вводять в порожнину ендосом ферменти, що гідролізують різні біополімери. Дія цих лізосомних гідролаз і викликає внутрішньоклітинне травлення - розпад полімерів до мономерів.
Як уже зазначалося, в ході фагоцитозу і піноцитозу клітини втрачають велику площу плазмолеми (див. Макрофаги), яка проте досить швидко відновлюється при рециклізації мембран, за рахунок повернення вакуолей і їх вбудовування в плазмолемму. Це відбувається внаслідок того, що від ендосом або вакуолей, так само як і від лізосом можуть відділятися невеликі пухирці, які знову зливаються з плазмолеммой. При такій рециклізації відбувається як би "човниковий" перенесення мембран: плазмолемма - піносома - вакуоль - плазмолемма. Це веде до відновлення вихідної площі плазматичноїмембрани. Знайдено, що при такому поверненні, рециклізації мембран, в що залишилася ендосомамі утримується весь поглинутий матеріал.
Специфічний або опосредуемий рецепторами ендоцитоз має ряд відмінностей від неспецифічного. Головне в тому, що поглинаються молекули, для яких на плазматичній мембрані є специфічні рецептори, що асоціюються тільки з даним типом молекул. Часто такі молекули, що зв'язуються з білками-рецепторами на поверхні клітин, називають лігандами.
Вперше опосредуемий рецепторами ендоцитоз був описаний при накопиченні білків в ооцитах птахів. Білки желточних гранул, вітеллогеніни, синтезуються в різних тканинах, але потім з потоком крові потрапляють в яєчники, де зв'язуються зі спеціальними мембранними рецепторами ооцитів і потім за допомогою ендоцитозу потрапляють всередину клітини, де і відбувається відкладення желточних гранул.
Інший приклад виборчого ендоцитозу є транспорт в клітину холестерину. Цей ліпід синтезується в печінці і в комплексі з іншими фосфолипидами і білкової молекулою утворює т.зв. ліпопротеїд низької щільності (ЛПНЩ), який секретується клітинами печінки і кровоносною системою розноситься по всьому тілу (рис. 140). Спеціальні рецептори плазматичної мембрани, дифузно розташовані на поверхні різних клітин, дізнаються білковий компонент ЛНП, і утворюють специфічний комплекс рецептор-ліганд. Слідом за цим такий комплекс переміщується в зону облямованих ямок і інтерналізуются - оточується мембраною і занурюється вглиб цитоплазми. Показано, що мутантні рецептори можуть пов'язувати ЛНП, але не акумулюються в зоні облямовані ямок. Крім рецепторів до ЛНП виявлено більше двох десятків інших, що беруть участь в рецепторном ендоцитозі різних речовин, всі вони використовують один і той же шлях інтерналізації через облямовані ямки. Ймовірно, їх роль полягає в нагромадженні рецепторів: одна і та ж облямована ямка може зібрати близько 1000 рецепторів різного класу. Однак у фібробластів кластери рецепторів ЛНП розташовані в зоні облямованих ямок навіть за відсутності ліганду в середовищі.
Подальша доля поглинутої частинки ЛНП полягає в тому, що вона піддається розпаду в складі вторинної лізосоми. Після занурення в цитоплазму облямованого бульбашки, навантаженого ЛНП, відбувається швидка втрата клатрінового шару, мембранні бульбашки починають зливатися один з одним, утворюючи ендосом - вакуоль, що містить поглинені ЛНП-частинки, пов'язані ще з рецепторами на поверхні мембрани. Потім відбувається дисоціація комплексу ліганд-рецептор, від ендосоми отщепляются дрібні вакуолі, мембрани яких містять вільні рецептори. Ці бульбашки рецікліруются, включаються в плазматичну мембрану, і тим самим, рецептори повертаються на поверхню клітини. Доля ж ЛНП полягає в тому, що після злиття з лізосомами, вони гідролізуються до вільного холестерину, який може включатися в клітинні мембрани.
Ендосоми характеризуються більш низьким значенням рН (рН 4-5), більш кислим середовищем, ніж інші клітинні вакуолі. Це пов'язано з наявністю в їх мембранах білків протонного насоса, закачують іони водню з одночасною витратою АТФ (Н + -залежна АТФаза). Кисле середовище всередині ендосом грає вирішальну роль в дисоціації рецепторів і лігандів. Крім того, кисле середовище є оптимальною для активації ферментів в складі лізосом, які активуються при злитті лізосом з ендосомамі і призводять до утворення ендолізосоми. в якій і відбувається розщеплення поглинених біополімерв.
У деяких випадках доля дисоційованому лігандів не пов'язана з лізосомного гідролізом. Так в деяких клітинах після зв'язування рецепторів плазмолеми з певними білками, покриті клатріном вакуолі занурюються в цитоплазму і переносяться до іншої області клітини, де зливаються знову з мембраною, а пов'язані білки дисоціюють від рецепторів. Так здійснюється перенесення, трансцітозіс, деяких білків через стінку ендотеліальної клітини з плазми крові у міжклітинну середу (рис. 141). Інший приклад трансцитозу - перенесення антитіл. Так у ссавців антитіла матері, можуть передаватися дитинчаті через молоко. У цьому випадку комплекс рецептор-антитіло залишається в ендосомамі без змін.
Як вже говорилося, фагоцитоз є варіантом ендоцитозу і пов'язаний з поглинанням кліткою великих агрегатів макромолекул аж до живих або мертвих клітин. Так само як і пиноцитоз, фагоцитоз може бути неспецифічним (наприклад, поглинання фибробластами або макрофагами частинок колоїдного золота або полімеру декстрану) і специфічним, опосередкованої рецепторами на поверхні плазматичної мембрани фагоцитуючих клітин. При фагоцитозі відбувається утворення великих ендоцитозних вакуолей - фагосом. які потім зливаючись з лізосомами утворюють фаголізосоми.
На поверхні клітин, здатних до фагоцитозу (у ссавців це нейтрофіли і макрофаги) існує набір рецепторів, що взаємодіють з білками-лігандами. Так при бактеріальних інфекціях антитіла до білків бактерій зв'язуються з поверхнею бактеріальних клітин, утворюючи шар, в якому Fc-області антитіл дивляться назовні. Цей шар впізнається специфічними рецепторами на поверхні макрофагів і нейтрофілів, і в місцях їх зв'язування починається поглинання бактерії шляхом обволікання її плазматичноїмембраною клітини (рис. 142).
Плазматична мембрана бере участь у виведенні речовин з клітини за допомогою екзоцитозу - процесу, зворотного ендоцитозу (див. Рис. 133).
У разі екзоцитозу, внутрішньоклітинні продукти, укладені в вакуолі або бульбашки і відмежовані від гіалоплазми мембраною, підходять до плазматичної мембрани. У місцях їх контактів плазматична мембрана і мембрана вакуолі зливаються, і бульбашка спустошується в навколишнє середовище. За допомогою екзоцитозу відбувається процес рециклізації мембран, що беруть участь в ендоцитозу.
З екзоцитозу пов'язано виділення синтезованих в клітці різноманітних речовин. Секретирующие, що виділяють речовини в навколишнє середовище, клітини можуть виробляти і викидати низькомолекулярні сполуки (ацетилхолін, біогенні аміни і ін.), А також в більшості випадків макромолекули (пептиди, білки, ліпопротеїди, пептидоглікани і ін.). Екзоцитоз або секреція в більшості випадків відбувається у відповідь на зовнішній сигнал (нервовий імпульс, гормони, медіатори та ін.). Хоча в ряді випадків екзоцитоз відбувається постійно (секреція фибронектина і колагену фібробластами). Подібним чином з цитоплазми рослинних клітин виводяться деякі полісахариди (геміцелюлози), які беруть участь в утворенні клітинних стінок.
Більшість секретується речовин використовується іншими клітинами багатоклітинних організмів (секреція молока, травних соків, гормонів та ін.). Але часто клітини секретують речовини і для власних потреб. Так наприклад зростання плазматичної мембрани здійснюється за рахунок вбудовування ділянок мембрани в складі екзоцітозних вакуолей, частина елементів гликокаликса виділяється клітиною у вигляді глікопротеїдних молекул і т.д.
Виділені з клітин шляхом екзоцитозу гідролітичні ферменти можуть сорбироваться в шарі гликокаликса і забезпечувати прімембранной внеклеточное розщеплення різних біополімерів і органічних молекул. Величезне значення прімембранной неклітинні травлення має для тварин. Було виявлено, що в кишковому епітелії ссавців в зоні так званої щіткової облямівки всмоктуючого епітелію, особливо багатою гликокаликсом, можна знайти дуже багато різноманітних ферментів. Частина цих же ферментів має панкреатичне походження (амілаза, ліпази, різні протеїнази і ін.), А частина виділяється власне клітинами епітелію (екзогідролази, що розщеплюють переважно олігомери і димери з утворенням продуктів, що транспортуються).