Ekso- ja endotsütoos

.
Ekso- ja endotsütoos tähendab membraaniga ümbritsetud transportvesiikulite teket ja nende ühinemist kas välismembraaniga (eksotsütoos) või endosoomi membraaniga (endotsütoos).
Ühinemine toimub kahes etapis:
1. bilipiidkihid lähenevad üksteisele
2. seejärel toimub ühinemine.
Mõlemat etappi aitavad läbida teatud membraanvalgud, nn. fusogeensed valgud, milliseid pole õnnestunud identifitseerida.
Ekso- ja endotsütoosi puhul vastavad makromolekulid eraldatakse vesiikulisse ning nad ei segune teiste tsütoplasmas olevate makromolekulidega. Iga vesiikul on määratud ühinema ainult kindla membraaniga. Tulemuseks on makromolekulide suunatud liikumine raku sise- ja väliskeskkonna vahel. Väga sarnane protsess toimub ka sünteesitud valkude liikumisel rERst cis-Golgisse ning sealt edasi trans-Golgisse: see toimub samuti membraaniga ümbritsetud transportvesiikulite abil, mis punguvad ühest kompartmendist ja ühinevad teise kompartmendi membraaniga.

Eksotsütoosi kaks teed

1. Pidev ehk konstitutiivne
2. Reguleeritud

1. Pidev eksotsütoos toimub kõigis eukarüootsetes rakkudes - transportvesiikulid kannavad pidevalt uusi membraanikomponente Golgi kompleksist välismembraani. Eksotsütoosi teel toimub pidev plasmamembraani uuendamine. Pidevalt eksotsüteeritakse valke, mida antud rakk ise ei vaja, kuid mida on organismil kui tervikul tarvis. Näit. fibroblastid toodavad ekstratsellulaarse maatriksi valku kollageeni, B-lümfotsüütidest tekkinud plasmarakud sekreteerivad antikehi, maksarakud toodavad paljusid seerumi valke jne.

2. Reguleeeritud eksotsütoosi puhul kogutakse vastavad ained sekretoorsetesse vesiikulitesse, mis ühinevad raku välismembraaniga pärast keskkonnast tulevat kindlat signaali. Reguleeritud eksotsütoos esineb neis rakkudes, mis on spetsialiseerunud oma produkti kiirele ja vastavalt vajadusele sekreteerimisele. Näit. pankrease endokriinsed rakud sekreteerivad insuliini, pankrease atsinaarrakud aga seedeensüüme. Neuroni aksoni terminaalis olevatest sünaptilistest vesiikulitest sekreteeritakse neurotransmittereid, mis kannavad närviimpulsi edasi potsünaptilisele rakule. Histamiini sisaldavad sekretoorsed vesiikulid esinevad nn. nuumrakkudes (mast cells), mida leidub näiteks nahaaluses sidekoes. Histamiini sekreteeritakse näit. põletikuliste protsesside puhul. See laiendab verekapillaare ja suurendab nende permeaablust, mis kergendab fagotsüütide ja antikehade sattumist põletikukoldesse. Histamiini sekretsioon toimub ka allergeenide toimel, sellest ongi tingitud allergilised nähud (naha sügelemine, allergiline nohu ja aevastamine).

Sekretoorsetes vesiikulites ei ole alati valgumolekulid, vaid võivad olla ka madalmolekulaarsed ühendid (näit. histamiin nuumrakkude vesiikulites, neurotransmitterid aksoni terminaali vesiikulites). Madalmolekulaarsed (mittevalgulised) ühendid satuvad sekretoorsetesse vesiikulitesse tsütoplasmast, mitte Golgi kompleksist. Madalmolekulaarsed ühendid seotakse vesiikulis kindlate kõrgmolekulaarsete ühenditega, et vältida osmootse gradiendi teket.
Signaaliks reguleeritud eksotsütoosile on kas mingi keemilise aine (hormoon, glükoos, elektriline signaal ehk aktsiooni potentsiaal). Signaali äratundmise tagajärjel genereeritakse membraani retseptorite poolt üks või mitu rakusisest signaali, millega kaasneb rakusisese Ca++-ioonide kontsentratsiooni ajutine tõus, see käivitabki reguleeritud eksotsütoosi.

Endotsütoos

Kiirus, millega plasmamembraani endotsütoosi käigus internaliseeritakse, on eri rakutüüpidel erinev, kuid igal juhul on see üllatavalt suur - näit. makrofaag internaliseerib 30 min jooksul oma välispinnaga võrdse pindala membraani.

Endotsütoosi on kaks tüüpi:
1. pinotsütoos - lahustunud makromolekulide sissevõtmine väikeste (< 150 nm) vesiikulite abil,
2. fagotsütoos - suurte partiklite (mikroorganismid, surnud rakkude osad jne.) sissevõtmine.
Need kaks endotsütoosi tüüpi toimuvad eri mehanismide abil. Enamik eukarüootseid rakke pinotsüteerivad pidevalt. Fagotsütoosiks on võimelised ainult spetsialiseerunud rakud. Seetõttu kasutatakse mittefagotsüteerivate rakkude kohta termineid endotsütoos ja pinotsütoos võrdväärseina.

Paljud molekulid ja partiklid, mida rakk endotsüteerib, satuvad lüsosoomidesse. Pinotsütootilised vesiikulid moodustuvad plasmamembraani teatud piirkonnas, mida nimetatakse kaetud lohuks (coated-pit.) See piirkond invagineerub ja moodustub nn. kaetud vesiikul (coated vesicle). Kaetud vesiikuli eluiga on lühike; sekundite jooksul kaob talt nn. "kate" ja ta on valmis ühinema endosoomiga. Kaetud lohu ja kaetud vesiikulite nn."katte" moodustab valk - klatriin. See on ilmselt vajalik sissesopistuse tekitamiseks. Klatriin läheb tagasi membraani, et tekitada uut kaetud lohku. Klatriiniga kaetud vesiikulid liiguvad ka Golgi kompleksi ja endosoomide vahel. Ilma klatriinita vesiikulid liiguvad rER ja Golgi kompleksi ning Golgi kompleksi eri osade vahel. Enamikus loomarakkudes kujutab klatriiniga kaetud vesiikulite teke väga efektiivset ja selektiivset kontsentreerimismehanismi, mille abil rakk korjab väliskeskkonnast kokku spetsiifilisi makromolekule. Seda nimetatakse ka retseptor-vahendatud endotsütoosiks. See tähendab, et mingi molekul, mis on rakku ümbritsevas keskkonnas, seostub kõigepealt plasmamembraanis oleva temale spetsiifilise retseptormolekuliga, seejärel käivitub endotsütoos ning see molekul satub klatriiniga kaetud vesiikulisse kompleksis oma retseptoriga. Kui vesiikul on ühinenud endosoomiga, siis seal retseptori ja endotsüteeritud molekuli kompleksid lagunevad ning retseptor saadetakse raku välismembraani tagasi. See protsess on väga sarnane sellega, kuidas Golgi kompleksis korjatakse kokku lüsosomaalsed ensüümid , kasutades selleks mannoos-6-fosfaadi retseptorit. Need ensüümid pakitakse eraldi transportvesiikulitesse (ka neid vesiikuleid ümbritseb klatriinist kate) ja saadetakse endosoomi. Endosoomist aga saadetakse tagasi retseptor.

Teatud osa ainetest satub rakku ümbritsevast keskkonnast endotsüteeritavasse vesiikulisse ka mittespetsiifiliselt, sest vesiikul haarab endasse alati ka mingi koguse rakuvälist vedelikku koos selles lahustunud ainetega. Seda nimetatakse ka vedela-faasi endotsütoosiks. Nii satub rakku ainult neid aineid, mida ümbritsevas keskkonnas on palju. Selle efektiivsus on proportsionaalne aine kontsentratsiooniga rakuvälises keskkonnas.
Retseptor-vahendatud endotsütoos on funktsionaalses mõttes põhiline. See on spetsiifiline kontsentreerimismehanism, mis võimaldab rakul kätte saada väliskeskkonnast ka väga väikese kontsentratsiooniga aineid. Selle eelduseks on see, et rakul peab olema membraanis vastavat ainet äratundev retseptor.

Hästiuuritud ja füsioloogiliselt oluline retsptor-vahendatud endotsütoosi näide on kolesterooli sisenemine rakku.:
Veres olev kolesterool on seotud kompleksi spetsiifilise valguga - LDL (low density lipoprotein). Kui rakk vajab kolesterooli membraanide sünteesiks, siis ta sünteesib oma plasmamembraani LDL retseptori, mis korjab kokku LDL-kolesterooli komplekse. Kolesterooli sisenemine rakku on häiritud, kui LDL retseptor ei funktsioneeri korralikult (näit. vastava struktuurgeeni punktmutatsiooni tõttu). See on aluseks pärilikule hüperkolesterineemiale. Kolesterooli sisenemine rakku LDL-retseptori vahendusel on osa keerukast mehanismist, mis kontrollib kolesterooli sünteesi. Rakud on võimelised ka ise kolesterooli sünteesima, kuid nad lülitavad enda sünteesiraja välja, kui kolesterool on väliskeskkonnas. Kolesterooli sisenemine rakku põhjustab rakus järgmisi regulatoorseid muutusi:
a) inhibeeritakse kolesterooli sünteesi võtmeensüüm,
b) aktiveeritakse ensüümid, mis on vajalikud kolesterooli säilitamiseks,
c) inhibeeritakse LDL-retseptori sünteesi (takistatakse vastava geeni transkriptsiooni).
Sama moodi pääseb rakku transferriin. See on põhiline valk, mis transpordib rauda kõikidesse rakkudesse. Nii korjatakse paljude rakkude poolt ekstratsellulaarsest keskkonnast kokku potentsiaalselt kahjulikke valke, näit. proteaase, mis on sinna mingitel põhjustel sattunud.
Endotsütoosi teel rakku sattunud valkude edasine saatus võib olla mitmesugune. Näit. endotsüteeritud LDL partikkel ning mitmed teised valgud satuvad alati lüsosoomi, kus nad lagundatakse. Endotsüteeritud materjali võidakse rakus ka lihtsalt säilitada. Näit. küpsevad munarakud e. ootsüüdid endotsüteerivad palju valke. Kanamuna, mis teatavasti on üksainus rakk, sisaldab mitu grammi valku, kõik see on vereringest endotsüteeritud. Endotsüteeritud rebu valgud jäävad säilitusgraanulitena munarakku, kus neid kasutatakse hiljem areneva embrüo poolt.

Mõningad epiteelirakkude retseptorid kannavad endotsüteeritud molekule rakkude ühest ekstratsellulaarsest ruumist teise transtsütoosi abil. Nii satuvad emapiimas olevad antikehad lapse verre, ilma et neid lüsosoomide poolt lagundatakse. Antikeha sisaldav transportvesiikul satub sooleepiteeli raku endosoomi, seal tekib uus transportvesiikul, mis eksotsüteeritakse raku teises- basolateraalses küljes. Ema piimanäärmes toimub asi vastupidi - transtsütoosi abil satub antikeha ema verest piima. Samal moel pääsevad immuunoglobuliinid ka läbi platsenta ema vereringest loote ringesse.

Paljud viirused sisenevad rakku retseptor-vahendatud endotsütoosi abil. Nad on evolutsiooni käigus õppinud ära kasutama rakkude endotsütoosi mehanismi, et sel moel rakku pääseda. Paljudel loomaviirustel on fosfolipiidne kaksikkiht, mis ümbritseb viiruse geneetilist materjali ja valgulist katet. See fosfolipiidne kaksikkiht pärineb eelmise peremeesraku membraanist, kust viirus on pungunud. Viiruse membraan sisaldab ka paari viirusespetsiifilist valku, ilma milleta viirus ei saaks sihtrakku nakatada. Sellist tüüpi viiruse sisenemine rakku on peaaegu täpselt nagu tagurpidi eksotsütoos, kus vesiikul (viiruspartikkel) läheneb plasmamembraanile väljastpoolt ning ühineb sellega. Sel moel pääseb viiruslik nukleiinhape tsütoplasmasse.
Gripiviirus näit. kasutab veidi keerulisemat teed. Endotsüteeritud viiruspartikkel satub endotsütoosi vesiikulisse, mis ühineb endosoomiga. Seal on madal pH, mis aktiviseerib viiruse membraanis oleva fusogeense valgu, selle tulemusel ühinevad viiruse membraan ja endosoomi membraan ning viiruspartikkel pääseb endosoomist välja.
Osa viiruseid ühinevad raku välismembraaniga, ilma et toimuks endotsütoos. Näit. AIDS-i põhjustav HIV-i (human immunodeficiency virus) viirus ühineb nende rakkude membraaniga, kus on glükoproteiin CD4. See valk on retseptoriks HIV-i viirusele. CD4 valk on olemas T- lümfotsüütide ühel subpopulatsioonil, makrofaagidel ja teatud grupil ajurakkudel. Seega HIV-iu viirus nakatab ainult neid rakke, sellest on aga küll, et viia rivist välja kogu immuunsüsteem.

Endo- ja eksotsütoosi tasakaal

Kuna raku pindala ja ruumala ei muutu, siis ekso- ja endotsütoos peavad olema tasakaalus: endotsütoosi teel membraani materjal internaliseeritakse, eksotsütoosi teel saab ta selle tagasi. Enamikul rakkudel tekivad kaetud vesiikulid juhuslikes kohtades, nii et membraani internaliseerimine toimub üle terve raku pinna. Kui aga vaadata rakku, kes on parasjagu suunatud liikumises, siis tema endo- ja eksotsütoosi kohad on ruumiliselt lahutatud. Endo- ja eksotsütoosi ruumiline ebasümmeetria aitab liikuval rakul juhtserva (leading edge) vajalikult suunata. (vt. rakkude polariseeritus)

Fagotsütoos

Algloomadel on fagotsütoos toitumisviis. Hulkraksetel pole enamik rakke võimelised fagotsüteerima, seda teevad selleks spetsialiseerunud rakud. Imetajatel on kaks põhilist klassi fagotsüüte: makrofaagid ja neutrofiilid (mõlemad arenevad ühest eellasest. Et saada fagotsüteeritud, peab osake seostuma raku pinnale teatud retseptorite abil, mis on funktsionaalselt seotud raku fagotsütootilise masinavärgiga. Erinevalt pinotsütoosist, mis toimub pidevalt, on fagotsütoos indutseeritud protsess. Kõige peamine uuritud käivitusmehanism on antikehade abil. Antikeha molekuli Fc piirkonda tunneb ära makrofaagi membraanis olev Fc- retseptor, peale seda toimub makrofaagi kortikaalses tsütoplasmas oleva aktiinifilamentide võrgustiku lokaalne lagundamine, mis võimaldab makrofaagil fagotsüteeritavat osakest "alla neelata".
Makrofaagid täidavad olulist funktsiooni ka oma vananenud ja kahjustatud keharakkude ärasöömisel. Kui arvuliselt väljenduda, siis on see veel isegi tähtsam funktsioon: iga päev fagotsüteeritakse näit. 10 astmel 11 vananenud erütrotsüüti.