Ченцов Ю.С. Введение в клеточную биологию. Общая цитология

Подождите немного. Документ загружается.

определенную жесткость. Кадгеринов насчитывают более 40 видов. Так Е-

кадгерин характерен для клеток преимплантированных эмбрионов и для

эпителиальных клеток взрослых организмов. P-кадгерин характерен для

клеток трофобласта, плаценты и эпидермиса, N-кадгерин располагается на

поверхности нервных клеток, клеток хрусталика, на сердечных и скелетных

мышцах.

Молекулы адгезии нервных клеток (N-CAM) принадлежат к

суперсемейству иммуноглобулинов, они образуют связи между нервными

клетками. Некоторые из N-CAM участвуют в соединении синапсов, а также

при адгезии клеток иммунной системы.

Селектины также интегральные белки плазматической мембраны

участвуют в адгезии эндотелиальных клеток, в связывании кровяных

пластинок, лейкоцитов.

Интегрины представляют собой гетеродимеры, с α и β-цепями.

Интегрины в первую очередь осуществляют связь клеток с внеклеточными

субстратами, но могут участвовать и в адгезии клеток друг с другом.

Узнавание чужеродных белков

Как уже указывалось, на попавшие в организм чужеродные

макромолекулы (антигены), развивается сложная комплексная реакция -

иммунная реакция. Суть ее заключается в том, что часть лимфоцитов

вырабатывает специальные белки - антитела, которые специфически

связываются с антигенами. Так, например, макрофаги своими

поверхностными рецепторами узнают комплексы антиген-антитело и

поглощают их (например, поглощение бактерий при фагоцитозе).

В организме всех позвоночных, кроме того, существует система рецепции

чужеродных клеток или же своих, но с измененными белками

плазматической мембраны, например при вирусных инфекциях или при

мутациях, часто связанных с опухолевым перерождением клеток.

251

На поверхности всех клеток позвоночных располагаются белки, т.н.

главного комплекса гистосовместимости (major histocompatibility complex

- MHC). Это интегральные белки гликопротеины, гетеродимеры. Очень

важно запомнить, что каждый индивидум имеет свой набор таких белков

MHC. Это связано с тем, что они очень полиморфны, т.к. в каждом

индивидуме имеется большое число альтериальных форм одного и того же

гена (более 100), кроме того имеется 7-8 локусов, кодирующих молекулы

MHC. Это приводит к тому, что каждая клетка данного организма, имея

набор белков MHC, будет отличаться от клеток индивидума этого же вида.

Специальная форма лимфоцитов, Т-лимфоциты, узнают MHC своего

организма, но малейшие изменения в структуре MHC (например, связь с

вирусом, или результат мутации в отдельных клетках), приводит к тому, что

Т-лимфоциты узнают такие изменившиеся клетки и их уничтожают, но не

путем фагоцитоза. Они выделяют из секреторных вакуолей специфические

белки-перфорины, которые встраиваются в цитоплазматическую мембрану

измененной клетки, образуют в ней трансмембранные каналы, делая

плазматическую мембрану проницаемой, что и приводит к гибели

измененной клетки (рис. 143, 144).

Специальные межклеточные соединения

Кроме таких сравнительно простых адгезивных (но специфических)

связей (рис. 145) существует целый ряд специальных межклеточных

структур, контактов или соединений, которые выполняют определенные

функции. Это запирающие, заякоревающие и коммуникационные

соединения (рис. 146).

Запирающее или плотное соединение характерно для однослойных

эпителиев. Это зона, где внешние слои двух плазматических мембран

максимально сближены. Часто видна трехслойность мембраны в этом

контакте: два внешних осмофильных слоя обеих мембран как бы сливаются

в один общий слой толщиной 2-3 нм. Слияние мембран происходит не по

252

всей площади плотного контакта, а представляет собой ряд точечных

сближений мембран (рис. 147а, 148).

На плоскостных препаратах разломов плазматической мембраны в зоне

плотного контакта с помощью метода замораживания и скалывания было

обнаружено, что точки соприкосновения мембран представляют собой ряды

глобул. Это белки окклудин и клаудин, специальные интегральные белки

плазматической мембраны, встроенные рядами. Такие ряды глобул или

полоски могут пересекаться так, что образуют на поверхности скола как бы

решетку или сеть. Очень характерна эта структура для эпителиев, особенно

железистых и кишечных. В последнем случае плотный контакт образует

сплошную зону слияния плазматических мембран, опоясывающую клетку в

апикальной (верхней, смотрящей в просвет кишечника) ее части (рис. 148).

Таким образом, каждая клетка пласта как бы обведена лентой этого контакта.

Такие структуры при специальных окрасках можно видеть и в световом

микроскопе. Они получили у морфологов название замыкающих

пластинок. Оказалось, что в данном случае роль замыкающего плотного

контакта заключается не только в механическом соединении клеток друг с

другом. Эта область контакта плохо проницаема для макромолекул и ионов,

и тем самым она запирает, перегораживает межклеточные полости, изолируя

их (и вместе с ними собственно внутреннюю среду организма) от внешней

среды (в данном случае - просвет кишечника).

Это можно продемонстрировать, используя электронноплотные

контрастеры, например раствор гидроокиси лантана. Если просвет

кишечника или протока какой-нибудь железы наполнить раствором

гидроокиси лантана, то на срезах под электронным микроскопом зоны, где

располагается это вещество, обладают высокой электронной плотностью и

будут темными. Оказалось, что ни зона плотного контакта, ни межклеточные

пространства, лежащие ниже его, не темнеют. Если же повредить плотные

контакты (легкой ферментативной обработкой или удалением ионов Ca

), то

253

лантан проникает и в межклеточные участки. Точно так же была доказана

непроницаемость плотных контактов для гемоглобина и ферритина в

канальцах почек.

Таким образом, плотные контакты являются барьерами не только для

макромолекул, но и непроницаемы для жидкостей и ионов.

Замыкающий, или плотный, контакт встречается между всеми типами

однослойного эпителия (эндотелий, мезотелий, эпендима).

Заякоривающие или сцепляющие соединения или контакты так

называются из-за того, что они соединяют не только плазматические

мембраны соседних клеток, но и связываются с фибриллярными элементами

цитоскелета (рис. 149). Для этого рода соединений характерным является

наличие двух типов белков. Один из них - это трансмембранные линкерные

(связующие) белки, которые участвуют или в собственно межклеточном

соединении или в соединении плазмолеммы с компонентами внеклеточного

матрикса (базальная мембрана эпителиев, внеклеточные структурные белки

соединительной ткани).

Второй - внутриклеточные белки, соединяющие или заякоревающие за

мембранные элементы такого контакта цитоплазматические фибриллы

цитоскелета.

К заякоревающим соединениям относятся межклеточные сцепляющие

точечные контакты, сцепляющие ленты, фокальные контакты или бляшки

сцепления - все эти контакты связываются внутри клеток с актиновыми

микрофиламентами.

Другая группа заякоревающих межклеточных соединений - десмосомы и

полудесмосомы - связываются с другими элементами цитоскелета, а именно

с промежуточными филаментами.

Межклеточные точечные сцепляющие соединения обнаружены у многих

неэпителиальных тканей, но более отчетливо описана структура

специальных (адгезивных) лент в однослойных эпителиях (рис. 150). Это

254

структура опоясывает весь периметр эпителиальной клетки, подобно тому

как это происходит в случае плотного соединения. Чаще всего такой поясок

или лента лежит ниже плотного соединения (см. рис. 146). В этом месте

плазматические мембраны не сближены, а даже несколько раздвинуты на

расстояние 25-30 нм, и между ними видна зона повышенной плотности. Это

ничто иное как места взаимодействия трансмембранных гликопротеидов,

которые специфически сцепляются друг с другом и обеспечивают

механическое соединение мембран двух соседних клеток. Эти линкерные

белки относятся к Е-кадгеринам - белкам, обеспечивающим специфическое

узнавание клетками однородных мембран. Разрушение этого слоя

гликопротеидов приводит к обособлению отдельных клеток и разрушению

эпителиального пласта. С цитоплазматической стороны около мембраны

видно скопление какого-то плотного вещества, к которому примыкает слой

тонких (6-7 нм) филаментов, лежащих вдоль плазматической мембраны в

виде пучка, идущего по всему периметру клетки. Тонкие филаменты

относятся к актиновым фибриллам, они связываются с плазматической

мембраной посредством белка катенина, образующего плотный около

мембранный слой.

Функциональное значение такого ленточного соединения заключается на

только в механическом сцеплении клеток друг с другом: при сокращении

актиновых филаментов в ленте может изменяться форма клетки. Считается,

что кооперативное сокращение актиновых фибрилл во всех клетках

эпителиального пласта может вызвать изменение его геометрии, например,

сворачивание в трубку, подобно тому, что происходит при образовании

нервной трубки у эмбрионов позвоночных.

Фокальные контакты или бляшки сцепления встречаются у многих

клеток и особенно хорошо изучены у фибробластов. Они построены по

общему плану со сцепляющими лентами, но выражены в виде небольших

участков - бляшек на плазмолемме. В этом случае трансмембранные

255

линкерные белки-интегрины специфически связываются с белками

внеклеточного матрикса (например с фибронектином) (рис. 151). Со стороны

цитоплазмы эти же гликопротеиды связаны с примембранными белками,

куда входит и винкулин, который в свою очередь связан с пучком актиновых

филаментов. Функциональное значение фокальных контактов заключается

как в закреплении клетки на внеклеточных структурах, так и создании

механизма, позволяющего клеткам перемещаться.

Десмосомы, структуры в виде бляшек или кнопок также соединяют

клетки друг с другом (рис. 152, 153а). В межклеточном пространстве здесь

также виден плотный слой, представленный взаимодействующими

интегральными мембранными кадгеринами - десмоглеинами, которые

сцепляют клетки друг с другом. С цитоплазматической стороны к

плазмолемме прилежит слой белка-десмоплакина, с которым связаны

промежуточные филаменты цитоскелета. Десмосомы встречаются чаще

всего в эпителиях, в этом случае промежуточные филаменты содержат

кератины. В сердечной мышце клетки, кардиомиоциты, содержат

десминовые фибриллы в составе десмосом. В эндотелии сосудов в состав

десмосом входят виментиновые промежуточные филаменты.

Полудесмосомы - в принципе сходны по строению с десмосомой, но

представляют собой соединение клеток с межклеточными структурами. Так

в эпителиях линкерные гликопротеиды (интегрины) десмосомы

взаимодействуют с белками т.н. базальной мембраны, куда входят коллаген,

ламинин, протеогликаны и др.

Функциональная роль десмосом и полудесмосом сугубо механическая -

они сцепляют клетки друг с другом и с подлежащим внеклеточным

матриксом прочно, что позволяет эпителиальным пластам выдерживать

большие механические нагрузки. Подобно этому десмосомы прочно

связывают друг с другом клетки сердечной мышцы, что позволяет им

256

выполнять огромную механическую нагрузку, оставаясь связанными в

единую сокращающуюся структуру.

В отличие от плотного контакта все типы сцепляющих контактов

проницаемы для водных растворов и не играют никакой роли в ограничении

диффузии.

Щелевые контакты считаются коммуникационными соединениями

клеток; это структуры, которые участвуют в прямой передаче химических

веществ из клетки в клетку, что может играть большую физиологическую

роль не только при функционировании специализированных клеток, но и

обеспечивать межклеточные взаимодействия при развитии организма, при

дифференцировке его клеток. Характерным для этого типа контактов

является сближение плазматических мембран двух соседних клеток на

расстояние 2-3 нм (рис. 147б, 153б). Именно это обстоятельство долгое

время не позволяло на ультратонких срезах отличить данный вид контакта от

плотного разделительного (замыкающего) контакта. При использовании

гидроокиси лантана было замечено, что некоторые плотные контакты

пропускают контрастер. В этом случае лантан заполнял тонкую щель

шириной около 3 нм между сближенными плазматическими мембранами

соседних клеток. Это и послужило появлению термина - щелевой контакт.

Дальнейший прогресс в расшифровке его строения был достигнут при

использовании метода замораживания-скалывания. Оказалось, что на сколах

мембран зоны щелевых контактов (размеров от 0,5 до 5 мкм) усеяны

гексагонально расположенными с периодом 8-10 нм частицами 7-8 нм в

диаметре, имеющими в центре канал около 2 нм шириной. Эти частицы

получили название коннексонов (рис. 154). В зонах щелевого контакта

может быть от 10-20 до нескольких тысяч коннексонов в зависимости от

функциональных особенностей клеток. Коннексоны были выделены

препаративно, они состоят из шести субъединиц коннектина - белка с

молекулярным весом около 30 тыс. Объединяясь друг с другом, коннектины

257

образуют цилиндрический агрегат - коннексон, в центре которого

располагается канал. Отдельные коннексоны встроены в плазматическую

мембрану так, что прободают ее насквозь. Одному коннексону на

плазматической мембране клетки точно противостоит коннексон на

плазматической мембране соседней клетки так, что каналы двух

коннексонов образуют единое целое. Коннексоны играют роль прямых

межклеточных каналов, по которым ионы и низкомолекулярные вещества

могут диффундировать из клетки в клетку. Было обнаружено, что

коннексоны могут закрываться, изменяя диаметр внутреннего канала, и тем

участвовать в регуляции транспорта молекул между клетками.

Функциональное значение щелевых контактов было понято при изучении

гигантских клеток слюнных желез двукрылых. В такие клетки благодаря их

величине легко можно вводить микроэлектроды, для того чтобы изучать

электропроводимость их мембран. Оказалось, что если ввести электроды в

две соседние клетки, то их плазматические мембраны проявляют низкое

электрическое сопротивление, между клетками идет ток. Более того,

оказалось, что при инъекции в одну клетку флуоресцирующего красителя

метка быстро обнаруживается в соседних клетках. Используя разные

флуорохромы, на клетках культуры ткани млекопитающих было обнаружено,

что через щелевые контакты могут транспортироваться вещества с

молекулярным весом не более 1-1,5 тыс. и размером не более 1,5 нм (у

насекомых через щелевой контакт могут проходить вещества с

молекулярным весом до 2 тыс.). Среди этих веществ были разные ионы,

аминокислоты, нуклеотиды, сахара, витамины, стероиды, гормоны, цАМФ.

Ни белки, ни нуклеиновые кислоты через щелевые контакты проходить не

могут.

Такая способность щелевых контактов служить местом транспорта

низкомолекулярных соединений используется в тех клеточных системах, где

нужна быстрая передача электрического импульса (волны возбуждения) от

258

клетки к клетке без участия нервного медиатора. Так, все мышечные клетки

миокарда сердца связаны с помощью щелевых контактов (кроме того, клетки

там связаны и адгезивными контактами) (рис. 147б). Это создает условие для

синхронного сокращения огромного количества клеток. При росте культуры

эмбриональных сердечных мышечных клеток (миокардиоциты) некоторые

клетки в пласте начинают независимо друг от друга спонтанно сокращаться

с разной частотой, и лишь только после образования между ними щелевых

контактов они начинают биться синхронно как единый сокращающийся

пласт клеток. Таким же способом обеспечивается совместное сокращение

гладкомышечных клеток в стенке матки.

Щелевые контакты могут служить целям метаболической кооперации

между клетками, обмениваясь различными молекулами, гормонами, цАМФ

или метаболитами. Примером этого может служить совместное

культивирование мутантных по тимидин-киназе клеток с нормальными: при

возникновении щелевых контактов между этими типами клеток, мутантные

клетки через щелевые контакты получали от нормальных клеток тимидин-

трифосфат и могли участвовать в синтезе ДНК.

У ранних эмбрионов позвоночных, начиная с 8-клеточной стадии

большинство клеток связано друг с другом щелевыми контактами. По мере

дифференцировки эмбриона щелевые контакты между всеми клетками

исчезают и остаются только между группами специализирующихся клеток.

Например, при образовании нервной трубки связь клеток этой структуры с

остальным эпидермисом прерывается, разобщается.

Целостность и функционирование щелевых контактов сильно зависит от

уровня ионов Ca

внутри клетки. В норме концентрация кальция в

цитоплазме очень низка. Если Ca

инъецировать в одну из клеток пласта

культуры тканей, то в соседних клетках увеличения уровня Ca

цитоплазме не происходит; клетки как бы разобщаются с соседями,

перестают проводить электрический ток и красители. Через некоторое

259

время, после того как введенный кальций будет аккумулирован

митохондриями, структура и функции щелевых контактов

восстанавливаются. Такое свойство очень важно для поддержания

целостности и работы всего слоя клеток, так как повреждение одной из них

не передается на соседний через щелевые контакты, которые перестают

работать как межклеточные диффузионные каналы.

Синаптический контакт (синапсы). Этот тип контактов характерен для

нервной ткани и встречается как между двумя нейронами, так и между

нейроном и каким-либо иным элементом - рецептором или эффектором

(например, нервно-мышечное окончание). Синапсы - участки контактов двух

клеток, специализированных для односторонней передачи возбуждения или

торможения от одного элемента к другому (рис. 155). В принципе подобного

рода функциональная нагрузка, передача импульса может осуществляться и

другими типами контактов (например, щелевым контактом в сердечной

мышце), однако в синаптической связи достигается высокая эффективность

в реализации нервного импульса. Синапсы образуются на отростках

нервных клеток - это терминальные участки дендритов и аксонов.

Межнейронные синапсы обычно имеют грушевидных расширений, бляшек

на конце отростка нервной клетки. Такое терминальное расширение

отростка одной из нервных клеток может контактировать и образовывать

синаптическую связь как с телом другой нервной клетки, так и с ее

отростками. Периферические отростки нервных клеток (аксоны) образуют

специфические контакты с клетками-эффекторами или клетками-

рецепторами. Следовательно, синапс - это структура, образующаяся между

участками двух клеток (так же как и десмосома). Мембраны этих клеток

разделены межклеточным пространством - синаптической щелью шириной

около 20-30 нм. Часто в просвете этой щели виден тонковолокнистый,

перпендикулярно расположенный по отношению к мембранам материал.

Мембрана в области синаптического контакта одной клетки называется

260