Межклеточные контакты представляют собой специализированные белковые комплексы благодаря которым соседние клетки вступают во взаимный контакт и сообщаются друг с другом

Внеклеточный матрикс представляет собой плотную сеть, состоящую из белков, которая расположена между клетками и образована ими самими

Клетки экспрессируют рецепторы для белков внеклеточного матрикса

Белки внеклеточного матрикса и межклеточные контакты контролируют трехмерную организацию клеток в ткани, а также их рост, подвижность, форму и дифференцировку

Одним из наиболее важных событий в эволюции живых существ было появление многоклеточных организмов . Когда клетки выработали способ группироваться вместе, они приобрели способность образовывать сообщества, в которых различные клетки специализированы по функциям. Если, например, два одноклеточных организма «объединяют усилия», можно представить себе, что каждый из них будет специализироваться на выполнении определенных функций, необходимых для успешного роста и размножения, а остальные оставит своему партнеру.

Для образования простого многоклеточного организма или ткани более сложного организма клетки должны надежно прикрепляться друг к другу. Как показано на рисунке ниже, для клеток животных это прикрепление может достигаться тремя путями. Во-первых, клетки непосредственно прикрепляются друг к другу посредством образования межклеточных контактов, которые представляют собой специальные модификации клеточной поверхности соседних клеток. Эти контакты видны в электронном микроскопе. Во-вторых, клетки могут взаимодействовать между собой без формирования контактов, используя белки, которые не образуют такие специализированные области. В-третьих, клетки соединяются между собой непрямым образом, прикрепляясь к сети внеклеточного матрикса (ВКМ), который содержит молекулы, расположенные в межклеточной среде.

Прикрепление клеток происходит за счет образования контактов их поверхности с внеклеточным матриксом.

Однако формирование многоклеточного организма представляет собой не такую простую задачу, как скрепление нескольких клеток друг с другом. Правильное функционирование таких сообществ клеток обеспечивается их эффективным взаимодействием и разделением труда между ними. Межклеточные контакты представляют собой высокоспециализированные области, в которых клетки соединяются между собой посредством белковых комплексов, связанных с мембранами. Известно несколько различных типов межклеточных контактов, каждый из которых выполняет специфическую роль в сообщении клеток между собой.

Белки, образующие щелевые контакты , дают возможность клеткам непосредственно сообщаться друг с другом, образуя каналы, через которые происходит обмен малыми цитоплазматическими молекулами. Белки, формирующие плотные контакты, служат селективным барьером, который регулирует прохождение молекул через слой клеток и препятствует диффузии белков в плазматической мембране. Адгезивные контакты и десмосомы формируют механическую устойчивость, связывая цитоскелет контактирующих клеток, в результате чего слой клеток может функционировать как единое целое. Эти контакты могут служить передатчиками сигналов, переводя изменения клеточной поверхности в биохимические сигналы, которые распространяются по клетке.

Схемы строения межклеточных контактов эпителиальных клеток (слева),
контактных адгезивных комплексов клеток неэпителиального происхождения (справа) и комплексов клеток с внеклеточным матриксом (внизу).
Показаны также основные классы компонентов (ВКМ).

Известны также различные типы белков, которые участвуют в бесконтактном взаимодействии клеток . К таким белкам относятся интегрины, кадерины, селектины и родственные иммуноглобулинам молекулы, обеспечивающие адгезию клеток.

Все клетки, даже самые примитивные одноклеточные организмы , обладают функциями узнавания внешнего окружения и взаимодействия с ним. Даже до появления клеточных сообществ клетки должны были прикрепляться к поверхности и перемещаться по ней. Таким образом, адгезивные структуры клеточного матрикса сформировались рано в эволюции. Как показано на рисунке ниже, у многоклеточных организмов пространство между клетками заполнено плотной структурой, состоящей из белков и сахаров, которая называется внеклеточным матриксом. Внеклеточный матрикс организован в виде волокон, слоев и пленочных структур.

В некоторых тканях внеклеточный матрикс находится в виде сложных слоев, которые называются базальной ламиной и непосредственно контактируют с клетками. Белки, входящие в состав внеклеточного матрикса, бывают двух типов: структурные гликопротеины, например коллаген и эластин, и протеогликаны. Эти белки придают тканям прочность и эластичность, а также служат селективным фильтром, контролирующим поток нерастворимых компонентов между клетками. Протеогликаны проявляют гидрофильные свойства и поддерживают между клетками водное окружение. Когда клетки мигрируют, внеклеточный матрикс функционирует как опорная структура, обеспечивающая их передвижение.

Клетки секретируют компоненты внеклеточного матрикса . Они сами образуют эту наружную опорную систему, и при необходимости могут изменять ее форму за счет деградации и замены окружающих участков матрикса. В настоящий момент вопросы контроля сборки и деградации внеклеточного матрикса представляют существенный интерес, поскольку они играют важную роль в развитии многоклеточных организмов, в заживлении ран, а также в образовании злокачественных опухолей.

Контакты клеток с внеклеточным матриксом образуются за счет рецепторных белков клеточной поверхности, которые, собираясь вместе, формируют на поверхности клеток структуры типа островков (patch) и которые связывают внеклеточный матрикс, расположенный с наружной стороны плазматической мембраны с цитоскелетом со стороны цитозоля. Так же как в случае некоторых межклеточных контактов, некоторые из этих белков образуют упорядоченные комплексы, соединяющие клеточную поверхность с цитоскелетом. Эти белки обладают гораздо более широкими функциями, чем просто «клеточные присоски»; они также участвуют во многих процессах передачи сигналов и обеспечивают клеткам возможность сообщаться друг с другом.

Различные клетки вместе со своим внеклеточным матриксом формируют ткани, для которых характерна высокая степень специализации. Хрящевая, костная и другие виды соединительной ткани могут противостоять сильной механической нагрузке, в то время как другие, например ткань, формирующая легкие, не отличаются прочностью, однако являются высокоэластичными. Баланс между прочностью, эластичностью и трехмерной структурой тщательно регулируется, и компоненты каждой ткани выполняют свои функции во взаимодействии друг с другом. Таким образом, организация и состав ткани соответствуют функции, выполняемой органом; например, мышцы совершенно отличаются от кожи, и слава Богу!

Межклеточные контакты и прикрепление клеток к матриксу не ограничены только клеточной поверхностью. Во многих случаях белки должны быть заякорены в мембране достаточно сильно для того, чтобы противостоять механическим усилиям. Для этого требуется их связывание с цитоскелетом, что в основном обеспечивает клетке структурную поддержку. Наличие цитоскелета также предотвращает латеральное смещение рецепторов в плоскости мембраны, «удерживая» их на своих местах. Наряду с этим, процессы передачи сигнала регулируют сборку межклеточных контактов и поддерживают их. Цитоскелет и сигнальные механизмы играют существенную роль в клеточной адгезии.

Межклеточный матрикс - это надмолекулярный комплекс, образованный сложной сетью связанных между собой макромолекул.

В организме межклеточный матрикс формирует такие высокоспециализированные структуры, как хрящ, сухожилия, базальные мембраны, а также (при вторичном отложении фосфата кальция) кости и зубы. Эти структуры различаются между собой как по молекулярному составу, так и по способам организации основных компонентов (белков и полисахаридов) в различных формах межклеточного матрикса.

Химический состав межклеточного матрикса

В состав межклеточного матрикса входят: 1). Коллагеновые иэластиновые волокна . Они придают ткани механическую прочность, препятствуя ее растяжению; 2). аморфное вещество в виде ГАГ и протеогликанов. Оно удерживает воду и минеральные вещества, препятствует сдавливанию ткани; 3). неколлагеновые структурные белки - фибронектин, ламинин, тенасцин, остеонектин и др. Кроме того, в межклеточном матриксе может присутствовать минеральный компонент - в костях и зубах: гидроксиапатит, фосфаты кальция, магния и т.д. Он придает механическую прочность костям, зубам, создает запас в организме кальция, магния, натрия, фосфора.

Функция межклеточного матрикса

Межклеточный матрикс выполняет в организме разнообразные функции:

· образует каркас органов и тканей;

· является универсальным «биологическим» клеем;

· участвует в регуляции водно-солевого обмена;

· образует высокоспециализированные структуры (кости, зубы, хрящи, сухожилия, базальные мембраны).

· окружая клетки, влияет на их прикрепление, развитие, пролиферацию, организацию и метаболизм.

КОЛЛАГЕН

Коллаген - фибриллярный белок, основной структурный компонент межклеточного матрикса. Коллаген обладает огромной прочностью (Коллаген прочнее стальной проволоки того же сечения, он может выдерживать нагрузку в 10000 раз большую собственного веса) и практически не растяжим. Это самый распространенный белок организма, на него приходиться от 25 до 33% общего количества белка в организме, т.е. 6% массы тела. Около 50% всех коллагеновых белков содержится в тканях скелета, около 40% - в коже и 10% - в строме внутренних органов.

Строение коллагена

Под коллагеном понимают два вещества: тропоколлаген и проколлаген.

Молекула тропоколлагена состоит из 3 α-цепей. Известно около 30 видов α-цепей, отличающихся между собой аминокислотным составом. Большинство α-цепей содержит около 1000АК. В тропоколлагене содержится 33% глицина, 25% пролина и 4-оксипролина, 11% аланина, есть гидроксилизин, мало гистидина, метионина и тирозина, нет цистеина и триптофана.

· Первичная структура α-цепей состоит из повторяющейся аминокислотной последовательности: Глицин-X-Y . В X положении чаще всего находиться пролин, а в Y – 4-оксипролин или 5-оксилизин.

· Пространственная структура α-цепи представлена левозакрученной спиралью в витке которой находиться 3 АК.

· 3 α-цепи скручиваются друг с другом в правозакрученную суперспираль тропоколлагена . Она стабилизируется водородными связями, радикалы АК направлены наружу.

Молекула проколлагена устроена также как и тропоколлагена, но на ее концах находятся С- и N-пропептиды, образующие глобулы. N-концевой пропептид состоит из 100АК, С-концевой пропептид – из 250АК. С- и N-Протеопептиды содержат цистеин, который через дисульфидные мостики образует глобулярную структуру.

Виды коллагена

Коллаген - полиморфный белок, в настоящее время известно 19 типов коллагена, которые отличаются друг от друга по первичной структуре пептидных цепей, функциям и локализации в организме. 95% всего коллагена в организме человека составляют коллагены I, II и III типов.

Типы	Гены	Ткани и органы
I	COLIA1, COL1A2	Кожа, сухожилия, кости, роговица, плацента, артерии, печень, дентин
II	COL2A1	Хрящи, межпозвоночные диски, стекловидное тело, роговица
III	C0L3A1	Артерии, матка, кожа плода, строма паренхиматозных органов
IV	COL4A1-COL4A6	Базальные мембраны
V	COL5A1-COL5A3	Минорный компонент тканей, содержащих коллаген I и II типов (кожа, роговица, кости, хрящи, межпозвоночные диски, плацента)
VI	COL6A1-COL6A3	Хрящи, кровеносные сосуды, связки, кожа, матка, лёгкие, почки
VII	COL7A1	Амнион, кожа, пищевод, роговица, хорион
VIII	COL8A1-COL8A2	Роговица, кровеносные сосуды, культуральная среда эндотелия
IX	COL9A1-COL9A3
X	COL10A1	Хрящи (гипертрофированные)
XI	COLUA1-COL11A2	Ткани, содержащие коллаген II типа (хрящи, межпозвоночные диски, стекловидное тело)
XII	COL12A1
XIII	C0L13A1	Многие ткани
XIV	COL14A1	Ткани, содержащие коллаген I типа (кожа, кости, сухожилия и др.)
XV	C0L15A1	Многие ткани
XVI	COL16A1	Многие ткани
XVII	COL17A1	Гемидесмосомы кожи
XVIII	COL18A1	Многие ткани, например печень, почки
XIX	COL19A1	Клетки рабдомиосаркомы

Гены коллагена называются по типам коллагена и записываются арабскими цифрами, например СОL1 - ген коллагена 1 типа, COL2 - ген коллагена II типа и т.д. К этому символу приписываются буква А (обозначает α-цепь) и арабская цифра (обозначает вид α-цепи). Например, COL1A1 и COL1A2 кодируют, соответственно, α 1 , и α 2 -цепи коллагена I типа.

НАУКА

Теория межклеточного матрикса

Все мы знаем, что человеческий организм состоит из клеток, но мало кто задумывается о том, что их количество составляет примерно 20% от всего организма. Остальные 80% состоят из “межклеточного матрикса” . Что такое “межклеточный матрикс”? Как его можно увидеть?

Наиболее наглядным примером межклеточного матрикса в человеческом организме является костная ткань.

Клеточная основа костной ткани это - Остеобласт. Это клетки размером 5-7 микрон, которые строят костную ткань. Количество их еще меньше по массе, чем 20%. Человеческая кость состоит из кристаллов гидроксиапатита, коллагена(тип I) и т.д. Все остальное - это межклеточный матрикс.

Теория старения человека

Даже если клетки будут на 100% здоровыми, в старости разрушение межклеточного матрикса происходит в первую очередь. Как результат, кожа становится дряблой, межклеточный матрикс разрушается, кожа “повисает”, и мы видим все признаки старения кожи невооруженным глазом. То же самое мы можем видеть и на примере костей. Люди болеют не от того, что клетки ведут себя “не так”. От остеопороза кости становятся хрупкими, в первую очередь, по причине разрушения межклеточного матрикса.

Те же проблемы возникают при облысении. В человеческом волосе нет клеток, наоборот - волосы состоят из продуктов жизнедеятельности клеток, а это - межклеточный матрикс в чистом виде. Когда разрушается межклеточный матрикс - наши волосы выпадают.

В ПОЛЬЗУ ЭТОЙ ТЕОРИИ ГОВОРЯТ СЛЕДУЮЩИЕ ФАКТЫ:

Возьмем восстановление структуры в качестве примера, или процесс регенерации.

Например, человек порезался. Восстановление клеток идет примерно с одинаковой скоростью, что у ребенка, что у пожилого человека. Разница в скорости зарастания ран исчисляется процентами, но никак не на порядок. У пожилых людей раны зарастают так же быстро, с соизмеримой скоростью, что и у молодых. Если у молодого человека неглубокий порез затягивается в течение недели, то у пожилого - 8-10 дней. Разница не является кардинальной, клетки делятся и регенерируются примерно с одинаковой скоростью на протяжении всей жизни человека, если он здоров. Это говорит о том, что клетки в порядке, и с возрастом они не теряют своей способности к регенерации, к делению.

Долгие годы для ведущих ученых мира было большой загадкой - как происходит питание клеток на самом деле? Всем давно понятно, что все питательные вещества проникают в клетки с кровью по кровеносным сосудам, по капиллярам. А дальше как? Если вы возьмете микроскоп и посмотрите на ваши клетки - вы обнаружите, что капилляры не подходят к каждой клетке вашего организма, а снабжает кислородом и питательными веществами очень большие группы клеток. Что дальше?

Межклеточный матрикс имеет очень сложное строение. В межклеточном матриксе образуются пути для транспортировки полезных веществ и вывода отработанных продуктов, причем эти пути не всегда существуют, а в зависимости от времени суток, состояния человека могут образовываться в виде “туннелей”, шоссе и т.д. Они могут образовываться на одном и том же месте. Это как аналогия полос с реверсивным движением на дорогах, когда люди едут в одном направлении утром и в противоположном вечером.

СТРУКТУРА МЕЖКЛЕТОЧНОГО МАТРИКСА ДО КОНЦА НЕ ИЗВЕСТНА.

Но совершенно четко доказано: межклеточный матрикс состоит из нескольких основных компонентов. В научном сообществе общепринято, что основной составляющей межклеточного матрикса является - гиалуроновая кислота. Поэтому она сейчас очень модна, повсеместно применяется в косметических кремах, БАДах и тд. Кроме того, в него входит коллаген или аморфный белок, хондроитин, в частности, хондроитин-сульфат, которого особенно много в суставах. И кроме этого последние исследования показывают, что наиболее важным элементом является кремнезем. Он образует первичную структуру, которая состоит из соединений кремния (SiO2). Очень напоминает строки из Библии, когда «Бог создал человека из глины», а глина как мы знаем, состоит из кремнезема, оксида кремния.

Хотя количества кремния в тканях человеческого организма не большое (всего 2%), но он играет огромную роль. Несмотря на то, что кремния очень много в природе - это основной элемент в земной коре, биодоступного кремния очень мало. Обычный кремнезем (песок, пыль, земля) очень химически инертное вещество, которое не вступает в химические реакции. Вроде бы его много, а взять его организму практически негде.

Введение

Главными тканями позвоночных являются нервная, мышечная, эпителиальная и соединительная. Клетки в тканях находятся в контакте с большим количеством внеклеточных макромолекул, объединенных в понятие внеклеточный матрикс. В некоторых тканях клетки взаимодействуют при помощи прямых контактов между собой.

Эпителиальная и соединительная ткани являются полярными, если судить по типу взаимоотношений клеток и матрикса. В соединительных тканях значительную часть объема занимает внеклеточное пространство, заполненное молекулами внеклеточного матрикса. Межклеточное вещество соединительной ткани определяет основные её свойства.

В эпителии клетки занимают большую часть объема ткани, образуя плотные слои. Их внеклеточный матрикс беден и представляет собой тонкую основу, называемую базальной мембраной. Она располагается на границе между эпителием и соединительной тканью и играет большую роль в контроле жизнедеятельности клеток. Через цитоплазму каждой эпителиальной клетки проходят тонкие внутриклеточные филаменты. Эти филаменты прямо или опосредованно соединяются с трансмембранными белками в плазматической мембране и, таким образом, образуют специфические соединения между клетками и подлежащей мембраной.

Биомедицинское значение внеклеточного матрикса

• Продвижение клеток во время эмбриогенеза зависит от молекул матрикса
• Острые и хронические воспаления разворачиваются в тканях при активном посредничестве молекул матрикса
• Проблема метастазирования опухолевых клеток тесно связана с внеклеточным матриксом.
• Наиболее распространенные заболевания - ревматоидный артрит, остеоартрит, атеросклероз - протекают с участием молекул внеклеточного матрикса.
• Широкий спектр коллагеновых заболеваний связан с генетическими нарушениями обмена молекул матрикса
• Дефекты лизосомных гидролаз приводят к тяжелым последствиям (мукополисахаридозы).
• Старение и проблемы косметики тесно связаны с возможностями влияния на обмен молекул матрикса.

В большинстве органов молекулы матрикса образуются клетками, называемыми фибробластами или клетками этого семейства (хондробласты в хряще и остеобласты в костной ткани). Их называют постоянными клетками. К этому типу клеток относят также макрофаги (гистиоциты), тканевые базофилы (тучные клетки, лаброциты, гепариноциты), адипоциты (липоциты), мезенхимные клетки, перициты.

На молекулярный состав межклеточного вещества оказывают влияние и транзиторные клетки. Эти клетки мигрируют в соединительную ткань из крови в ответ на специфический стимул. К ним относятся лимфоциты, плазматические клетки, эозинофилы, нейтрофилы, базофилы и др.

В состав межклеточного матрикса входят 3 основных класса белковых молекул:

• протеогликаны (ПГ ) - представлены белками, соединенными с полисахаридами - гликозаминогликанами (ГАГ)
• фибриллярные белки двух функциональных типов: преимущественно структурные (семейства коллагена и эластина) и преимущественно адгезивные (семейства фибронектина или ламинина).

Все названные белки относятся к группе белково-углеводных комплексов.

Межклеточный матрикс - это надмолекулярный комплекс, образованный сложной сетью связанных между собой макромолекул.

В организме межклеточный матрикс формирует такие высокоспециализированные структуры, как хрящ, сухожилия, базальные мембраны, а также (при вторичном отложении фосфата кальция) кости и зубы. Эти структуры различаются между собой как по молекулярному составу, так и по способам организации основных компонентов (белков и полисахаридов) в различных формах межклеточного матрикса.

Химический состав межклеточного матрикса

В состав межклеточного матрикса входят: 1). Коллагеновые иэластиновые волокна . Они придают ткани механическую прочность, препятствуя ее растяжению; 2).аморфное вещество в виде ГАГ и протеогликанов. Оно удерживает воду и минеральные вещества, препятствует сдавливанию ткани; 3).неколлагеновые структурные белки - фибронектин, ламинин, тенасцин, остеонектин и др. Кроме того, в межклеточном матриксе может присутствоватьминеральный компонент - в костях и зубах: гидроксиапатит, фосфаты кальция, магния и т.д. Он придает механическую прочность костям, зубам, создает запас в организме кальция, магния, натрия, фосфора.

Функция межклеточного матрикса

Межклеточный матрикс выполняет в организме разнообразные функции:

образует каркас органов и тканей;

является универсальным «биологическим» клеем;

участвует в регуляции водно-солевого обмена;

образует высокоспециализированные структуры (кости, зубы, хрящи, сухожилия, базальные мембраны).

окружая клетки, влияет на их прикрепление, развитие, пролиферацию, организацию и метаболизм.

1. Коллаген

Коллаген - фибриллярный белок, основной структурный компонент межклеточного матрикса. Коллаген обладает огромной прочностью (Коллаген прочнее стальной проволоки того же сечения, он может выдерживать нагрузку в 10000 раз большую собственного веса) и практически не растяжим. Это самый распространенный белок организма, на него приходиться от 25 до 33% общего количества белка в организме, т.е. 6% массы тела. Около 50% всех коллагеновых белков содержится в тканях скелета, около 40% - в коже и 10% - в строме внутренних органов.

Строение коллагена

Под коллагеном понимают два вещества: тропоколлаген и проколлаген.

Молекула тропоколлагена состоит из 3 α-цепей. Известно около 30 видов α-цепей, отличающихся между собой аминокислотным составом. Большинство α-цепей содержит около 1000АК. В тропоколлагене содержится 33% глицина, 25% пролина и 4-оксипролина, 11% аланина, есть гидроксилизин, мало гистидина, метионина и тирозина, нет цистеина и триптофана.

Первичная структура α-цепей состоит из повторяющейся аминокислотной последовательности: Глицин- X - Y . ВX положении чаще всего находиться пролин, а вY – 4-оксипролин или 5-оксилизин.

Пространственная структура α-цепи представлена левозакрученной спиралью в витке которой находиться 3 АК.

3 α-цепи скручиваются друг с другом в правозакрученную суперспираль тропоколлагена . Она стабилизируется водородными связями, радикалы АК направлены наружу.

Молекула проколлагена устроена также как и тропоколлагена, но на ее концах находятсяС- и N -пропептиды, образующие глобулы. N-концевой пропептид состоит из 100АК, С-концевой пропептид – из 250АК. С- иN-Протеопептиды содержат цистеин, который через дисульфидные мостики образует глобулярную структуру.