Клеточные контакты и внеклеточные структуры, коллаген. Структура и функции базальных мембран

Большинство клеток у многоклеточных животных кооперируется в организованные ансамбли, называемые тканями, которые в свою очередь в различных комбинациях объединяются в более крупные функциональные единицы - органы. Клетки в тканях связаны друг с другом в специализированных местах контакта, называемых клеточными соединениями. Клеточные соединения могут быть разделены на 1) прикрепительные контакты, которые механически связывают клетки и их цитоскелеты с соседними клетками или внеклеточным матриксом; 2) коммуникационные контакты, по которым передаются химические или электрические сигналы между взаимодействующими клетками. В свою очередь прикрепительные контакты делятся на рыхлые или простые контакты, плотные контакты и десмосомы. Клетки в простых контактах разделяет щель шириной 20 нм, в плотных контактах – до 10 нм. Десмосомы это высокоспециализированные контакты. К внутренней стороне каждой мембраны прилегают промежуточные филаменты из прекератина. Без таких поддерживающих структур многоклеточные объединения в виде тканей и органов и особенно сосудистые стенки не смогли бы выдержать даже ничтожное напряжение. Коммуникационные контакты делятся на щелевые контакты и химические синапсы. Щелевые контакты шириной 2 нм формируются за счет трансмембранных белков-каналов, соединяющих внутренность двух клеток. Через такие каналы из одной клетки в другую могут перемещаться неорганические ионы и другие молекулы и частицы с массой до 1500 дальтон. Щелевые контакты имеют особое значение для координации функций электрически активных клеток. В этом случае их называют электрические синапсы. Существуют еще химические синапсы, Строение и функции химических синапсов или просто синапсов будут детально рассмотрены в лекции по нервно-мышечной физиологии.

Рис. 10 Строение щелевого контакта

Ткани состоят не только из клеток. Значительную часть объема ткани занимает внеклеточное пространство или внеклеточный матрикс. Он заполнен сложной сетью макромолекул, главным образом, разнообразными полисахаридами и белками. Внеклеточный матрикс способствует поддержанию многоклеточных структур, создавая каркас, внутри которого клетки могут мигрировать и взаимодействовать друг с другом. Животные ткани можно разделить на две главные группы, в которых роль матрикса и межклеточных соединений существенно различаются - эпителиальные и соединительные. Эпителиальные клетки выстилают различные внутренние полости, например кишечник, и свободные поверхности тела. Внеклеточного матрикса в эпителии мало, а клетки плотно прилегают друг к другу, образуя пласты, воспринимающие большую часть нагрузок на орган. Благодаря запирающим соединениям между клетками (десмосомам) эти пласты могут служить барьерами для передвижения воды и солей и разделяют жидкости различного химического состава. Эпителии почти всегда располагаются на подложке из соединительной ткани, которая может связывать их с другими тканями (например, мышечной), не имеющими явно выраженной эпителиальной или соединительнотканной организации. В соединительных тканях имеется обширный внеклеточный матрикс, в котором клетки располагаются весьма свободно. Матрикс богат волокнистыми полимерами, которые армируют подобно тому, как железные прутья армируют железобетон, и поэтому матрикс, а не клетки, берет на себя большую часть нагрузок, которым подвергается ткань. Главным фибриллярным белком внеклеточного матрикса является коллаген, название которого произошло от греческого слова kolla - клей, поскольку коллаген - вещество, которое промышленным способом извлекается из костей и используется для получения желатина и клея. К настоящему времени выявлено около 20 различных типов коллагена, каждый из которых кодируется отдельным геном.

В коллагене найдены уникальные аминокислоты – гидроксипролин и гидроксилизин. Гидроксипролин, представленный в коллагене весьма большим числом остатков, стабилизирует тройную спираль коллагена по отношению к действию протеаз. В отличие от гидроксилизина, гидроксильная группа которого служит местом присоединения остатков галактозы и глюкозы , гидроксильные группы гидроксипролина в коллагене остаются незамещенными. Гидроксилирование пролина (или лизина) катализируется пролилгидроксилазой (или лизилгидроксилазой) - ферментами, находящимися в микросомальной фракции многих тканей(кожи, печени, легких, сердца, скелетной мышцы, гранулирующих раневых поверхностей). Установлено, что аскорбиновая кислота является существенным фактором многих реакций типа RH + O—>ROH. Роль восстановителя в таких процессах может показаться парадоксальной, но это не так, если принять во внимание, что витамин С может образовывать окислительно-восстановительную пару аскорбиновая кислота/дегидроаскорбиновая кислота. Аскорбиновая кислота участвует в метаболизме некоторых аминокислот, способствуя образованию гидроксипролина, гидроксилизина, норадреналина, серотонина и карнитина. Коллаген, синтезированный при недостатке или отсутствии витамина С, не способен к образованию полноценных волокон, что является причиной поражения кожи, ломкости сосудов и других признаков, характерных для цинги.

Другой белок внеклеточного матрикса - эластин. Обширная сеть волокон эластина придает коже, кровеносным сосудам и легким способность возвращаться к исходному состоянию после растяжения или сжатия. Благодаря различиям в соотношениях различных типов макромолекул и в способе их организации существует необычайное разнообразие форм внеклеточного матрикса, каждая из которых очень хорошо приспособлена к функциональным потребностям данной ткани. В сухожилиях матрикс может принимать форму каната, что придает им огромную прочность на разрыв. Матрикс может обызвествляться, образуя твердые, как камень, структуры кости или зуба, может формировать прозрачное вещество роговицы глаза.

На границе между эпителием и соединительной тканью матрикс образует базальную мембрану - тонкую, но плотную прокладку, состоящую, в основном, из параллельно уложенных волокон коллагена. Кроме опорной роли для эпителия базальная мембрана может выполнять некоторые специализированные функции, например, в почечных клубочках она действует как молекулярный фильтр, регулируя переход молекул из крови в мочу.