Контакты коммуникационного типа.
Кадгерины.
Ключевая особенность кадгеринов состоит в том, что их адгезивная способность проявляется только в присутствии ионов Ca2+. Их функциональная роль – участие в формировании относительно постоянных клеточных контактов в эпителиальной (подсемейства E- и P-кадгеринов), нервной и мышечной (подсемейство N-кадгеринов) тканях. По структуре классический кадгерин представляет собой трансмембранный протеин, существующий в форме параллельного димера. Кадгерины находятся в комплексе с катенинами.
Интегрины
Интегрины это интегральные белки гетеродимерной структуры αβ. Известно более 10 различных видов субъединицы α и около 15 видов субъединицы β. При этом β-субъединицы по размеру значительно меньше, чем α-субъединицы. Тем не менее и в тех, и в других – по три домена: внутриклеточные (небольшой по размеру), мембранный и внеклеточный.
Внутриклеточные домены интегринов участвуют в фиксации актиновых микрофиламентов. Связь между этими доменами и микрофиламентами осуществляется с помощью специальных белков – винкулина, талина или непосредственно актина. Таким образом, за счет внутриклеточных доменов интегрины, выполняют структурную функцию.
Внеклеточные домены ответственны за узнавание специфических лигандов и адгезию с ними. Очень часто (хотя и не всегда) узнаваемым локусом в этих лигандах является одна и та же трипептидная последовательность –Арг-Гли-Асп (RGD).
Селектины, в отличие от интегринов, представляют собой мономеры. Название происходит от того факта, что N-концевой домен обладает свойствами лектинов.
Лектины – группа белков, которые имеют специфическое сродство к тому или иному концевому моносахараду олигосахаридных цепей.
Таким образом, благодаря лектиновому домену, селектины узнают определенные углеводные компоненты на поверхности клеток. В частности, для двух селектинов (P и E) лигандом является концевая последовательность Сиалил-Фукоза.
За лектиновым доменом следует (в направлении от N- к C-концу цепи) серия из трех-десяти других доменов. Из них одни, видимо, влияют на конформацию первого домена, а другие сами принимают участие в связывании (на стадиях, происходящих за первичным узнаванием).
Среди конкретных представителей селектинов наиболее известные 3 белка – L-, P-, и E-селектины.
L-селектины обнаруживаются на поверхности на поверхности различных лейкоцитов и участвуют в их взаимодействии с гликопротеинами эндотелия.
В отличие от L-селектина, P- и E- селектины обнаруживаются на поверхности не лейкоцитов, а эндотелия. Причём, в большинстве сосудов – не постоянно, а только после стимуляции эндотелия факторами (гистамином, тромбином, цитокинами), стимулирующими воспаление и ряд других реакций. Появившись на поверхности эндотелиоцитов, эти селектины участвуют во взаимодействии с лейкоцитами, а затем вновь исчезают с поверхности. В невозбужденных эндотелиоцитах селектины хранятся в специальных эндоплазматических образованиях – тельцах Вейбеля-Паладе.
Таким образом, здесь обращают на себя внимание два обстоятельства.
Во-первых некоторые адгезивные молекулы оказываются на поверхности клетки лишь при определенных условиях и временно.
Во-вторых, селектины участвуют во взаимодействии лейкоцит-эндотелиоцит как бы «с двух сторон»: один (L-селектин) – со стороны лейкоцитов, а другие (P и E-селектины) – со стороны эндотелия.
Что касается P селектина, то он, помимо того, выявляется на активированных тромбоцитах.
Ig-подобные белки
Адгезивные Ig и Ig-подобные белки находятся на поверхности лимфоидных и ряда других клеток (в частности, эндотелиоцитов), выступая в качестве рецепторов.
а) при этом на B-лимфоцитах структура данных белков наиболее близка к структуре классических иммуноглобулинов. Причем B-клетки одного клона имеют на поверхности Ig лишь одной иммуноспецифичности. Поэтому B-лимфоциты наиболее специфично реагируют с антигенами.
б) На поверхности T-лимфоцитовIg присутствуют, вероятно, в «неполном» виде – представлены, как считают, только тяжелой цепью (которая, однако, вновь имеет вариабельный и константные домены). Такие белки называются T-клеточными рецепторами.
Специфичность их взаимодействия с антигенами несколько иная, чем у полных Ig B-клеток. Так, TCR не узнают антигенные детерминанты (АД) в свободных макромолекулах. Для узнавания необходимо, чтобы
- антиген был вначале расщеплён в клетке до АД и других пептидов;
- а затем АД были выведены на поверхность клетки в комплексе со специальными белками. И лишь такие поверхностные комплексы узнаются TC-рецепторами, что приводит к активации T-клеток.
Активацию T-клеток также можно вызвать лектинами. Последние же специфически взаимодействуют с концевыми остатками олигосахаридов.
в) Существуют Ig-подобные поверхностные белки, которые совсем лишены иммуноспецифичности. Они играют роль обычных адгезионных белков и участвуют, в частности, в тех же процессах взаимодействия клеток крови с эндотелием, что и интегрины и селектины.
Например, белок LFA-2 (на T-лимфоцитах), белок LFA-3 (на лейкоцитах, эритроцитах, фибробластах, различных клетках эндотелия и эпителия), белок ICAM-1 (на эндотелиоцитах и др.).
Интересно, что некоторые белки этой группы являются облигатно или факультативно гомофильными.
Адгезия может осуществляться на основе двух механизмов: гомофильного– молекулы адгезии одной клетки связываются с молекулами того же типа соседней клетки, и гетерофильного,когда две клетки имеют на своей поверхности разные типы молекул адгезии, которые связываются между собой
Классификация контактов:
По своим функциональным свойствам межклеточные контакты подразделяются на 4 группы:
1) контакты простого типа – простые межклеточные соединения и интердигитации (пальцевидные соединения);
2) контакты сцепляющего типа – десмосомы и адгезивные пояски;
3) контакты запирающего вида – плотное соединение (запирающая зона, или zona occludens)
4) контакты коммуникационного типа – щелевидные соединения (нексусы) и синапсы
Контакты простого типа.
а) Простое межклеточное соединение (адгезионные контакт).Это простое сближение плазмолемм соседних клеток на расстояние 15-20 нм без образования специальных структур. При этом плазмолеммы взаимодействуют друг с другом с помощью специфических адгезивных гликопротеидов – кадгеринов, интегринов и др.Адгезионные контакты представляют собой точки прикрепления актиновых филаментов.
б) Интердигитация (пальцевидное соединение). Плазмолемма двух клеток, сопровождая друг друга, инвагинирует в цитоплазму сначала одной, а затем – соседней клетки. В остальном же организация контакта – такова же, как в случае простого соединения.
Контакты сцепляющего типа
а) Десмосома. Десмосома представляет собой небольшое округлое образование, содержащее специфические структурные элементы.
I. Внутриклеточные элементы. В области десмосомы плазмолеммы обеих клеток с внутренней стороны утолщены – за счёт белков десмоплакинов, образующих дополнительный слой.
От этого слоя в цитоплазму клетки отходит пучок промежуточных филаментов, участвующих в образовании цитоскелета. Белковая природа этих филаментов зависит от типа клеток.
Десмосома состоит из белков клеточной адгезии из семейства кадгеринов и соединительных (адапторных) белков, которые соединяют их с промежуточными филаментами. Белки клеточной адгезии, формирующие десмосомы – десмоглеин и десмоколлин. Как и другие кадгерины, эти трансмембранные белки имеют по пять внеклеточных доменов и являются кальцийсвязывающими. Они обеспечивают гомофильное соединение клеток – между собой соединяются две одинаковые по строению молекулы белка. Внутриклеточный белок десмоплакин (при участии еще двух белков, плакофиллина и плакоглобина) соединяет внутриклеточные домены десмоглеина с промежуточными филаментами. Тип промежуточных филаментов зависит от типа клеток: в большинстве эпителиальных клеток они кератиновые, а в клетках сердечной мышцы – десминовые, и т. п.
Если контакты похожего строения образуются между клетками и внеклеточным матриксом, то они называются полудесмосомами.
II. Межклеточные элементы. В области десмосомы пространство между плазмолеммами контактирующих клеток несколько расширено (по сравнению с простым контактом) и заполнено утолщенным гликокаликсом, который пронизан сцепляющими белками – десмоглеинами. Последние образуют фибриллоподобные структуры и дисковидное утолщение посередине.
Если клетка лежит на базальной мембране, то связь между ними (клеткой и мембраной) осуществляется с помощью полудесмосом. Это значит, что со стороны клетки присутствуют все элементы десмосомы (и внутри- и внеклеточные), включая дисковидную пластинку. Но теперь эта пластинка прикреплена непосредственно к базальной мембране.
Хотя по структуре гемидесмосомы напоминают десмосомы и тоже содержат промежуточные филаменты, они образованы другими белками. Основные трансмембранные белки гемидесмосом – интегрины и коллаген XVII. С промежуточными филаментами они соединяются при участии дистонина и плектина. Основной белок межклеточного матрикса, к которому клетки присоединяются с помощью гемидесмосом – ламинин.
В некоторых тканях каждая клетка участвует в образовании нескольких сотен десмосом и полудесмосом.
б) Адгезивный поясок.По структуре данный контакт похож на десмосомный, но имеет ряд отличительных черт. Адгезивный поясок, или поясок слипания (zonula adherens), – парное образование в виде лент, каждая из которых опоясывает апикальные части соседних клеток и обеспечивает в этой области их прилипание друг к другу. Прежде всего это касается формы контакта: последний представляет собой ленту, которая опоясывает клетку. Иная и природа белков:
I. Вместо десмоплакинов используется винкулин (утолщения плазмолемм со стороны цитоплазмы);
II. вместо промежуточных филаментов – тонкие филаменты, образованные во всех клетках белком актином (нити, отходящие в цитоплазму);
III. вместо десмоглеинов – другие сцепляющие белки (в пространстве между плазмолеммами).
Поясок сцепления как ободок охватывает цитолемму вкупе с соседними клеточными мембранами. Контакт имеет высокую электронную плотность как в области мембран, так и в участке межклеточного вещества, аналогично десмосоме.
Для поясков сцепления характерен опорный белок винкулин, который служит местом прикрепления тонких микрофиламентов к внутренней поверхности цитомембраны. Другие структурные белки и их взаимодействия близки к десмосоме.
Контакт запирающего типа
Плотное соединение.Здесь плазмолеммы прилегают друг к другу вплотную, сцепляясь с помощью специальных белков.
Места такого плотного прилегания образуют на контактирующих поверхностях подобие ячеистой сети. Тем самым обеспечивается надёжное отграничение двух сред, находящихся по разные стороны от пласта клеток.
Распространены в эпителиальных тканях, где составляют наиболее апикальную часть (лат. zonula occludens) комплекса контактов между клетками, в который входят адгезионные контакты и десмосомы. Плотные контакты построены из нескольких лент, опоясывающих клетку, которые, пересекаясь между собой, образуют сетевидную связь. С цитоплазматической стороны ассоциированы с актиновыми филаментами.
Основными белками плотных контактов являются клаудины.
Второе место по распространенности в плотных контактах занимают белки окклюдины (от лат. occludo — закрывать), они регулируют транспорт маленьких гидрофильных молекул и прохождение нейтрофилов через эпителий. Наибольшие концентрации третьего белка — трицеллюлина, наблюдаются в местах контакта трех клеток.
Цитоплазматическая пластинка плотных контактов необходима для их присоединения к актиновым филаментам, регуляции сцепления клеток и параклеточного транспорта, а также для передачи сигналов от поверхности внутрь клетки. В её состав входят адаптерные, каркасные и цитоскелетные белки, а также элементы сигнальных путей (киназы, фосфатазы). Наиболее изучен белок цитоплазматической пластинки — ZO-1, он имеет несколько доменов белок-белкового взаимодействия, каждый из которых обеспечивает контакт с другими компонентами, в том числе три PDZ-домена (англ. PSD95–DlgA–ZO-1) – с клаудинами и другими адаптерными белками — ZO-2 и ZO-3, GUK-домен (англ. guanylate kinase homology) — с окклюдинами, а SH3-домен — с сигнальными белками.
Контакты коммуникационного типа.
а) Щелевидное соединение (нексус). Нексус имеет форму круга диаметром 0,5-0,3 мкм. Плазмолеммы контактирующих клеток сближены здесь на расстояние 2 нм и пронизаны многочисленными полыми трубочками – каналами (с просветом в 2 нм), которые связывают цитоплазму клеток.
Каждая трубочка состоит из двух половин – коннексонов. Коннексон пронизывает мембрану лишь одной клетки и выступает в межклеточную щель на 1-1,5 нм, где стыкуется со вторым коннексоном.
Через образуемые коннексонами каналы могут диффундировать неорганические ионы и большинство низкомолекулярных органических соединений – сахара, аминокислоты, промежуточные продукты метаболизма. Это означает, что между контактирующими клетками существует электрическая и метаболическая связи.
Ионы Ca2+ меняют конфигурацию коннексонов – так, что просвет каналов закрывается.
б) Синапсы.Синапсы служат для передачи сигнала от одних возбудимых клеток к другим. В этом отношении их функция отчасти схожа с функцией нексусов.
Но структура синапса совсем иная. В синапсе различают:
– пресинаптическую мембрану (ПреМ), принадлежащую одной клетке;
– синаптическую щель и
– постсинаптическую мембрану (ПоМ) – часть плазмолеммы другой клетки.
Обычно сигнал передается химическим веществом – медиатором: последний диффундирует от ПреМ и воздействует на специфические рецепторы в ПоМ.
Сравнение синапсов
В электрическом синапсе сигналы передаются электрическим током, в химичесокм синапсе передатчиком сигнала служит вещество-посредник – медиатор. В обоих синапсах имеются пресинаптическая мембрана, синаптическая щель и постсинаптическая мембрана. У электрического синапса ширина синаптической щели около 2 нм, а у химического около 20 нм. У электрического синапса высокая скорость передачи импульса, в некоторых случаях имеются мостики, которые увеличивают взаимодействие между мембранами клеток. У химического синапса существует синаптическая задержка. В электрическом синапсе передача возможна в обе стороны, в химическом строго от пресинаптической мембраны к постсинаптической. Точность передачи в химическом синапсе выше, потому что происходит строго по химическому адресу. Электрический синапс передает только возбуждение, а химический как возбуждение, так и торможение. Химический синапс имеет способность к морфофизиологическим изменениям, что составляет основу обучения, памяти. И в отличие от электрического синапса, химический имеет чувствительность к изменению температуры.
Чаще всего у высокоразвитых организмов встречается химический тип синапсов, так как они обладают рядом преимуществ перед электрическим синапсом. Например, точность передачи сигнала строго по химическому адресу, а так же пластичность, т.е. способность к морфологическим и физиологическим изменениям, что составляет основу обучения, памяти.
Плазмодесмы – микроскопические цитоплазматические мостики, соединяющие соседние клетки растений. Плазмодесмы проходят через канальцы поровых полей первичной клеточной стенки, полость таких канальцев выстлана плазмалеммой — наружной клеточной мембраной.
В отличие от десмосом животных, плазмодесмы растений образуют прямые цитоплазматические межклеточные контакты, обеспечивающие межклеточный транспорт ионов и метаболитов. Совокупность клеток, объединённых плазмодесмами, образует симпласт.
К контактам между клетками и матриксом относятся:
Фокальные контакты
Полудесмосомы
Основными трансмембранными белками адгезии фокальных контактов являются различные интегрины. Внеклеточным лигандом белки внеклеточного матрикса. С внутренней стороны плазмалеммы к интегрину прикреплены актиновые филаменты с помощью промежуточных белков.
Взаимодействие клеток с внеклеточным матриксом является сложным процессом и проявляется как усилением адгезии, так и её ослаблением.
Белки межклеточного матрикса выполняют различные функции, но их можно разделить на две большие группы по одному весьма важному признаку:
1) белки, обладающие адгезивными свойствами;
2) белки, подавляющие адгезию клеток.
К первой группе белков с выраженными адгезивными свойствами относят фибронектин, ламинин, нидоген, фибриллярные коллагены и коллаген IV типа; их относят к белкам "зрелой" соединительной ткани.
Фибронектин
Фибронектин – один из ключевых белков межклеточного матрикса, неколлагеновый структурный гликопротеин, синтезируемый и выделяемый в межклеточное пространство многими клетками. Он построен из двух идентичных полипептидных цепей, соединённых дисульфидными мостиками у своих С-концов.
Полипептидная цепь фибронектина содержит 7-8 доменов, на каждом из которых расположены специфические центры для связывания разных веществ. Фибронектин может связывать коллаген, протеогликаны, гиалуроновую кислоту, углеводы плазматических мембран, гепарин, фермент трансглутаминазу. Трансглутаминаза катализирует реакцию соединения остатков глутамина одной полипептидной цепи с остатками лизина другой белковой молекулы. Это позволяет сшивать поперечными ковалентными связями молекулы фибронектина друг с другом, коллагеном и другими протеинами. Таким способом структуры, возникающие путем самосборки, фиксируются прочными ковалентными связями.
Благодаря своей структуре фибронектин может выполнять интегрирующую роль в организации межклеточного вещества, а также способствовать адгезии клеток.
В геноме человека один ген пептидной цепи фибронектина, но в результате альтернативного сплайсинга, а также посттрансляционной модификации (гликозилирование, сульфатирование, фосфорилирование) образуется несколько форм белка, различных в клетках разных типов.
Существует несколько форм фибронектина, которые синтезируются разными клетками. Растворимый, или плазменный, фибронектин синтезируется гепатоцитами и клетками ретикуло-эндотелиальной системы. Нерастворимый, или тканевый фибронектин синтезируется в основном фибробластами или эндотелиоцитами, глиоцитами и эпителиальными клетками.
Обе формы фибронектина вовлекаются в разнообразные процессы: способствуют адгезии и распространению эпителиальных и мезенхимальных клеток, стимулируют пролиферацию и миграцию эмбриональных и опухолевых клеток, контролируют дифференцировку и поддержание цитоскелета клеток, активно участвуют в воспалительных и репаративных процессах. Это связано с тем, что каждая субъединица фибронектина содержит последовательность Арг-Гли-Асп (RGD), с помощью которой он может присоединяться к клеточным рецепторам (интегринам). Эти рецепторы опосредованно взаимодействуют с актиновыми микрофиламентами, которые находятся в цитозоле. В этом процессе участвуют так называемые белки прикрепления (от англ. attach - прикреплять proteins): талин, винкулин, α-актинин.
С помощью таких белок-белковых взаимодействий информация может передаваться из межклеточного матрикса внутрь клетки, а также в обратном направлении – из клетки наружу, таким образом, влияя на протекающие в клетке процессы.
Известно также, что фибронектин участвует в миграции клеток, которые могут присоединяться к его RGD-участкам, и, таким образом, фибронектин как бы помогает им перемещаться в межклеточном матриксе.
В межклеточном матриксе, окружающем трансформированные (или опухолевые) клетки, количество фибронектина заметно снижено, что может быть одной из причин появления метастазов.
Таким образом, система клеточных контактов, механизмов клеточной адгезии и внеклеточного матрикса играет принципиальную роль во всех проявлениях организации, функционирования и динамики многоклеточных организмов.
Ламинин– наиболее распространённый неколлагеновый гликопротеин базальных мембран. Он состоит из трёх полипетидных цепей: А, В1 и В2. Молекула ламинина имеет крестообразную форму с тремя одноцепочечными ветвями и одной трёхцепочечной ветвью. Каждая цепь ламинина содержит несколько глобулярных и стержневидных доменов, на которых имеются специфические центры связывания для различных веществ. Ламинин взаимодействует со всеми структурными компонентами базальных мембран, включая коллаген IV типа, нидоген, фибронектин, ГСПГ. Кроме того, молекула ламинина имеет несколько центров связывания с клетками. Главные функции ламинина определяются его способностью связывать клетки и модулировать клеточное поведение. Он может влиять на рост, морфологию, дифференцировку и подвижность клеток.
Ламинин выполняет роль адгезивного белка для различных эпителиальных и мезенхимальных клеток.
Нидоген– сульфатированный гликопротеин базальных мембран, образует с ламинином плотный, нековалентно связанный комплекс; сила связывания нидогена с коллагеном IV типа гораздо меньше, чем с ламинином. Этот белок представлен одной полипептидной цепью, содержащей три глобулярных домена. Один из доменов нидогена имеет центр связывания ламинина, в области другого домена находится центр связывания коллагена IV типа. Таким образом, нидоген может выступать в качестве одного из связывающих мостов между различными компонентами межклеточного матрикса и участвовать в образовании тройных комплексов ламинин-нидоген-коллаген. Кроме этого, нидоген содержит RGD-последовательность и поэтому может присоединяться к клеточной поверхности.
Б. Антиадгезивные белки
Ко второй группе белков, обладающих антиадгезивными свойствами, относят такие гликопротеины, как остеонектин, тенасцин и тромбоспондин.Эти белки появляются и играют заметную роль в эмбриогенезе и морфогенезе, развитии клеточного ответа на повреждение. Их концентрация в матриксе повышается при некоторых опухолевых заболеваниях.
Остеонектин(синонимы: ВМ-40, SPARC, от англ, secreted protein acidic and rich in cysteine) состоит из 4 доменов, к 2 из которых могут присоединяться ионы Са2+. Остеонектин – кислый белок, богатый цистеином. Показано, что он может ингибировать G1-S'-фазу роста эндотелиальных клеток.
Тенасцин(антиген мышечных сухожилий) - олигомерный гликопротеин, состоящий, подобно фибронектину, из 2 субъединиц, соединённых дисульфидной связью. Эту большую молекулу, похожую на осьминога, называют ещё "гексабрахион", так как она имеет 6 "рук", отходящих радиально от одного участка. Благодаря такому строению, тенасцин может взаимодействовать с большим количеством лигандов, к которым относят различные молекулы межклеточного матрикса.
Тенасцин обладает как адгезивными, так и антиадгезивными свойствами, синтезируется в различных тканях эмбриона (наиболее интенсивно - в зонах эпителиальномезинхимальных контактов и в развивающейся нервной ткани). В зрелых тканях небольшие количества тенасцина находятся в сухожилиях и хрящах, его синтез увеличивается в заживающих ранах.
Тромбоспондин,как и другие белки межклеточного матрикса, может взаимодействовать со многими лигандами: коллагеном, фибронекти-ном, ламинином, протеогликанами, ионами Са2+ и др. В клетках роговицы глаза и тромбоцитах Тромбоспондин проявляет адгезивные свойства, а в клетках эндотелия и фибробластах он функционирует как антиадгезивный белок.
Таким образом, функции этих белков определяются их локализацией и окружением.
Таким образом, система клеточных контактов, механизмов клеточной адгезии и внеклеточного матрикса играет принципиальную роль во всех проявлениях организации, функционирования и динамики многоклеточных организмов.