Строение и функции базальной ламины (мембраны)
Обновлено: 28.04.2024
Базальная мембрана эпителия в световом микроскопе при обычной окраске видна плохо и воспринимается как тонкий бесструктурный слой толщиной 1 мкм. Однако солями серебра и при помощи ШИК-реакции эта структура выявляется достаточно хорошо. При электронной микроскопии базальная мембрана состоит из трех слоев (рис.).
1. Светлая пластинка прилежит к цитолемме эпителиоцитов, с которой связана при помощи полудесмосом. Содержит гликопротеины (ламинин), протеогликаны (гепаран-сульфат) и другие органические вещества,
2. Плотная пластинка. Состоит т аморфного вещества и фибриллярных структур. В нее входят якорные филаменты, образованные коллагеном VII типа. Кроме того, плотная пластинка содержит коллаген V типа, гликозаминогликаны, гликопротеины ламинин и фибронектин.
3. Ретикулярная пластинка. Состоит из коллагеновых фибрилл соединительной ткани, образованных коллагенами I и III типов и связанных с якорными филаментами. Именно эта часть базальной мембраны выявляется ШИК-реакцией и солями серебра, В образовании базальной мембраны участвуют и эпителиоциты, и подлежащая соединительная ткань.
Рис. Схема строения базальной мембраны (на примере эпидермиса) по данным световой микроскопии (а), электронной микроскопии и биохимических исследований (б) (по В.Е. Соколову и соавт.):
I — плазмолемма базальных кератиноцитов, II — светлая пластинка, III — плотная пластинка, IV — субэпидермальное сплетение. 1 — пиноцитозные пузырьки, 2 — полудесмосома. 3 — кератиновые промежуточные филаменты полудесмосом, 4 — заякоривающие филаменты, 5 — цитоплазма кератиноцита, 6 — Н-линия, 7 — место локализации буллезного пемфигоидмого антигена (этот белок обнаруживается в коже и крови больных, страдающих буллезным пемфигоидом, при котором эпидермис отделяется от дермы с образованием пузырей). 8 — фибронектин, 9 — место локализации ламинина, 10 — протеогепарансульфат. 11 — коллаген IV типа, 12 — дерма, 13 — микрофиламенты, 14 — коллагеновые волокна дермы, 15 — заякоривающие волокна.
Функции базальной мембраны:
1. Транспорт веществ. Выполняет роль своеобразного молекулярного сита.
2. Опорная функция - создание эластической основы для эпителия.
3. Разграничительная функция. Отделяет эпителий от подлежащей соединительной ткани.
4. Функция механического соединения эпителия и соединительной ткани. С базальной мембраной связаны, с одной стороны, эпителиоциты (полудесмосомами), с другой — коллагеновые волокна соединительной ткани (при помощи якорных филаментов).
5. Регулирующая и морфо генетическая функция — поддержание нормальной архитектоники и поляризации эпителия. При развитии и регенерации эпителия базальная мембрана играет роль поверхности для миграции эпителиоцитов. В норме препятствует росту эпителия вглубь соединительной ткани. При злокачественных опухолях эта функция теряется, и эпителий врастает в соединительную ткань — инвазивный рост.
2. Многослойный эпителий: различные виды, источники развития, строение, диффероны кожного эпителия, физиологическая регенерация, локализация камбиальных клеток.
К многослойным эпителиям относятся эпителии, у которых на базальной мембране лежит только нижний, базальный слой. Клетки остальных слоев лежат друг на друге. Благодаря выраженной толщине эпителиальных пластов многослойные эпителий выполняют в первую очередь барьернозащитную и разграничительную функцию.
К многослойным эпителиям относят многослойные плоские эпителии (неороговевающий и ороговевающий), многослойные кубические, цилиндрические и переходный. Большинство из них развиваются из эктодермы.
1. Многослойный плоский неороговевающий эпителий находится в ротовой полости, пищеводе, роговине глаза, выстилает влагалище. Клетки всех слоев этого эпителия сохраняют жизнеспособность и имеют ядра.
Эпителий состоит из базального, шиповатого слоев и слоя плоских клеток (рис.). Базальные клетки цилиндрической формы. Они прикреплены к базальной мембране полудесмосомами. Среди базальных клеток есть стволовые клетки, за счет митотического деления которых происходит регенерация эпителия на клеточном уровне. При травме митозы могут появляться в шиповатом слое. Эти два слоя объединены в ростковый слой Мальпиги. В шиповатом слое клетки многоугольные, с отростками ("шинами"), в области которых соседние клетки связаны друг с другом десмосомами. В клетках имеются диффузно лежащие кератиновые тонофиламенты. В слое плоских клеток клетки плоские, они постепенно отмирают и слушиваются с поверхности, замещаясь новыми клетками, мигрирующими из глубжележащих слоев. Функций этого эпителия — разграничительная, барьерно-защитная, всасывательная, экскреторная.
Рис. Многослойный плоский неороговевающий эпителий роговицы глаза: 1 — базальный, 2 —шиповатый слой, 3 — слой плоских клеток, 4 — соединительная ткань (собственное вещество роговицы), 5 — базальная мембрана.
2. Многослойный плоский ороговевающий эпителий (эпидермис). Развивается из кожной эктодермы. Органная локализация — поверхность кожи.
Функции эпителия — барьерно-защитная, всасывательная, экскреторная.
Граница этого эпителия с подлежащей рыхлой волокнистой соединительной тканью неровная, эпителий внедряется в РВНСТ в виде эпидермальных гребешков, а соединительная ткань в эпидермис — в виде сосочков.
Данное обстоятельство резко увеличивает зону контакта двух тканей, улучшая их механическую связь и питание утолщенного эпителия.
Эпителий состоит из пяти слоев (рис):
1. Базальный слой представлен цилиндрическими клетками, содержащими тонофиламенты для опорной функции. В базальном слое содержатся стволовые клетки, способные к митозу. Они лежат наиболее глубоко, на самой вершине эпидермальных гребешков, т.е. защищены от вредных воздействий местоположением. За счет них идет регенерация эпителия. Базальные клетки прикреплены к базальной пластинке полудесмосомами, а между собой связаны десмосомами, плотными и щелевыми контактами.
2. Шиповатый слой состоит из клеток многоугольной формы. В их цитоплазме из тонофиламентов образуются тонофибриллы, выполняющие опорную функцию.
3. Зернистый слой состоит из плоских клеток, в которых содержатся тонофибриллы и зерна кератогиалина, образованные белком филлагрином, агрегирующим кератиновые филаменты в тонофибриллы (макрофибриллы). Кроме того, здесь образуется белок кератолинин, покрывающий внутреннюю поверхность клеток и делающий ее устойчивой к действию лизосомальных ферментов. В клетках зернистого слоя содержатся также кератиносомы (гранулы Одланда). Они являются производными лизосом, со-
держат ряд ферментов и липидные субстанции. После экзоцитоза содержимого кератиносом в межклеточные промежутки ферменты модифицируют липиды, которые прочно соединяют клетки и роговые чешуйки. Это ведет к сильному возрастанию барьерных и водоотталкивающих свойств эпителия.
4. Блестящий слой выявляется только в световом микроскопе и представляет собой зону перехода от живых клеток к роговым чешуйкам (корнеоцитам). Образован плоскими клетками, в которых содержится комплекс кератогиалина с тонофибриллами, сильно преломляющий свет, поэтому клетки в этом слое не видны.
5. В роговом слое тонофибриллы с филлагрином образуют кератиновые фибриллы, идущие в разных направлениях и выполняющие опорную функцию.
Рис. Многослойный плоский ороговевающий эпителий (эпидермис толстой кожи пальца): 1 — эпидермальный гребешок, 3 — соединительнотканный сосочек, 3 — базальный, 4 — шиповатый, 5 — зернистый, 6 — блестящий, 7 — роговой слои.
3. Многослойный кубический эпителий. Находится в слизистой оболочке прямой кишки, выстилает протоки потовых и сальных желез, а также образует стенку крупных фолликулов яичника. По строению напоминает многослойный плоский неороговевающий эпителий, но клетки поверхностного слоя имеют кубическую форму. В первых трех случаях источником развития эпителиев является кожная эктодерма, эпителий фолликулов яичника развивается из мезодермы.
4. Многослойный призматический эпителий у человека встречается редко. Выстилает часть мочеиспускательного канала, крупные протоки слюнных и часть протоков молочных желез. Он встречается также в местах резкого перехода многослойного плоского эпителия в однослойный (в гортани, глотке, в месте перехода пищевода в желудок). Клетки его поверхностного слоя имеют призматическую форму. Источник развития этого эпителия — кожная эктодерма.
5. Переходный эпителий. Его органная локализация — органы мочевыделения — лоханки, чашечки, мочеточники, мочевой пузырь, начальная часть мочеиспускательного канала. Регенераторная способность эпителия высокая благодаря камбиальным клеткам базального слоя. Эпителий со-держит три слоя: базальный, промежуточный, покровный (рис.).
1. Базальный слой образован мелкими треугольной формы темными клетками. Содержит камбиальные клетки.
2. В промежуточном слое клетки многоугольные, удлиненные, накладывающиеся друг на друга наподобие черепицы.
3. Поверхностный (покровный) слой образован крупными фасеточными клетками, среди которых есть многоядерные или полиплоидные клетки.
Клетки этого слоя в наибольшей мере подвержены изменениям при растяжении эпителиального пласта. Поэтому на апикальной поверхности они имеют многочисленные инвагинации плазмолеммы и систему дисковидной формы пузырьков ("фасеток"). Пузырьки и инвагинации создают резерв плазмолеммы, необходимый при растяжении клетки.
Рис. Строение переходного эпителия мочевыводящих путей: А — эпителий мочевого пузыря при растянутом, Б — при сокращенном состоянии органа: 1 — базальный, 1 — промежуточный. 3 — покровный слой, 4 — соединительная ткань.
3. Морфо-функциональная характеристика эпителиальных тканей. Источники развития. Межклеточные контакты, как системообразующий фактор эпителиальных тканей. Цитокератины, как маркеры различных видов эпителиальных тканей.
Эпителиальные ткани — это совокупность дифферонов полярно дифференцированных клеток, тесно расположенных в виде пласта на базальной мембране, на границе с внешней или внутренней средой, а также образующих большинство желез организма.
ОБЩАЯ МОРФОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
Отдельные виды эпителиальных тканей отличаются друг от друга многими показателями, но вместе с тем все они имеют общие черты.
1. Эпителиальные ткани представляют собой пласт клеток, лежащих на базальной мембране, — пограничное расположение.
2. Эпителиальные ткани образованы одним видом тканевых элементов — клетками.
3. Для этих тканей характерна полярность. В однослойных эпителиях полярны эпителиальные клетки (эпителиоциты), т.е. они имеют апикальный и базальный полюсы, различающиеся по строению. У многослойных эпителиев полярность клеток сменяется полярностью слоев: базальный и поверхностный слои имеют разное строение.
4. Эпителиоциты всех эпителиальных тканей содержат в цитоплазме особый вид промежуточных филамент, которые называются кератиновыми филаментами и состоят из цитокератинов различного типа. Для каждого вида эпителия характерен свой особый набор цитокератинов, рассматриваемых в качестве маркеров эпителиальных тканей.
5. В эпителиях отсутствуют собственные сосуды, их питание идет через базальную мембрану путем диффузии веществ из сосудов соединительной ткани (единственное исключение — эпителий сосудистой полоски внутреннего уха).
6. Эпителий, как правило, хорошо иннервируется.
7. Для эпителиальных тканей характерны 5 основных функций — пограничная, барьерно-защитная, секреторная, экскреторная (выделительная), всасывательная (резорбтивная). Каждая ил этих функций может проявляться в различном объеме, причем на первое место могут выступать одна-две функции. Так, в покровных эпителиях доминирует барьерно-защитная функция, у железистого эпителия на первое место выступает секреторная функция и т.д.
8. Регенераторные свойства эпителиальных тканей, как правило, высокие, выполняются за счет митотического деления камбиальных клеток. Некоторые эпителии могут совмещать клеточную регенерацию с внутриклеточной.
9. Эпителии развиваются из всех трех зародышевых листков. Из эктодермы развиваются многослойные, из энтодермы и мезодермы — однослойные эпителии.
Источники развития эпителиальных тканей. Эпителии развиваются из всех трех зародышевых листков, начиная с 3—4-й недели эмбрионального развития человека. В зависимости от эмбрионального источника различают эпителии эктодермального, мезодермального и энтодермального происхождения.
Родственные виды эпителиев, развивающиеся из одного зародышевого листка, в условиях патологии могут подвергаться метаплазии, т.е. переходить из одного вида в другой, например в дыхательных путях эктодермальный эпителий при хронических бронхитах из однослойного реснитчатого может превратиться в многослойный плоский, который в норме характерен для ротовой полости и имеет также эктодермальное происхождение.
1. Эпителий эктодермального типа. Развивается из кожной эктодермы.
2. Эпителий энтодермального типа. Источником развития для этого эпителия служит кишечная энтодерма.
3. Эпителий целонефродермального типа. Развивается из мезодермы: листков спланхнотома (мезотелий, эпителий коры надпочечника), нефротома (эпителий канальцев нефрона).
4. Эпителий эпендимоглиального типа развивается из нейроэктодермы (эпендима, задний эпителий роговицы, периневральный эпителий).
5. Эпителий ангиодермального типа (эндотелий). Развивается из мезенхимы.
Цитокератины
Промежуточные филаменты клеток различных эпителиев имеют разные молекулярные формы цитокератина. Более того, в различных анатомических областях одного и того же эпителия могут экспрессироваться различные формы цитокератина. Например, кератиноциты ладони и подошвы синтезируют особые кератины, не встречающиеся в других частях тела. Известно более 20 форм кератина с Мr от 48 до 68 кД; каждая форма колирована своим геном. По мере дифференцировки эпителиоцитов происходит перепрограммирование синтеза кератинов (например, в эпидермисе). Экспрессия некоторых кератинов—признак появления клеток, достигших состояния терминальной дифференцировки. Так, цитокератин 1 служит маркёром терминальной дифференцировки кератиноцитов. Иммуногистохимическое выявление конкретного цитокератина позволяет определить принадлежность исследуемого материала к тому или иному типу эпителиев, что имеет важное значение в диагностике опухолей.
4. Морфо-функциональная характеристика покровного эпителия. Классификация. Однослойные эпителии: различные виды, источники развития, строение, диффероны кишечного эпителия. Физиологическая регенерация, локализация камбиальных клеток.
Однорядные эпителии
Однослойный плоский эпителий представлен в организме мезотелием и, по некоторым данным, эндотелием.
Мезотелий покрывает серозные оболочки (листки плевры, висцеральную и париетальную брюшину, околосердечную сумку и др.).
Клетки мезотелия — мезотелиоциты плоские, имеют полигональную форму и неровные края (рис.). В той части, где в них располагается ядро, клетки более «толстые». Некоторые из них содержат не одно, а два или даже три ядра. На свободной поверхности клетки имеются микроворсинки. Через мезотелий происходят выделение и всасывание серозной жидкости. Благодаря его гладкой поверхности легко осуществляется скольжение внутренних органов. Мезотелий препятствует образованию соединительнотканных спаек между органами брюшной и грудной полостей, развитие которых возможно при нарушении его целостности.
Рис. Плоский эпителий (мезотелий). 1. микроворсинки (каемка), 2. ядро эпителиоцита, 3. базальная мембрана, 4. соединительная ткань.
Эндотелий выстилает кровеносные и лимфатические со-суды, а также камеры сердца. Он представляет собой пласт плоских клеток — эндотелиоцитов, лежащих в один слой на базальной мембране. Эндотелиоциты отличаются относительной бедностью органелл и присутствием в цитоплазме пиноцитозных везикул. Эндотелий, располагаясь в сосудах на границе с лимфой, кровью, участвует в обмене веществ и газов между ними и другими тканями. При его повреждении возможны изменение кровотока в сосудах и образование в их просвете сгустков крови — тромбов.
Однослойный кубический эпителий выстилает часть почечных канальцев (проксимальные и дистальные). Клетки проксимальных канальцев имеют щеточную каемку и базальную исчерченность. Щеточная каемка состоит из большого числа микроворсинок. Исчерченность обусловлена наличием в базальных отделах клеток глубоких складок плазмолеммы и митохондриями, расположенными между ними. Эпителий почечных канальцев выполняет функцию обратного всасывания (реабсорбция) ряда веществ из первичной мочи, протекающей по канальцам, в кровь межканальцевых сосудов.
Однослойный призматический эпителий.
Этот вид эпителия характерен для среднего отдела пищеварительной системы (см. рис.). Он выстилает внутреннюю поверхность желудка, тонкой и толстой кишки, желчного пузыря, ряда протоков печени и поджелудочной железы. Эпителиальные клетки связаны между собой с помощью десмосом, щелевых коммуникационных соединений, по типу замка, плотных замыкающих соединений (см. главу IV). Благодаря последним в межклеточные щели эпителия не может проникнуть содержимое полости желудка, кишки и других полых органов. В желудке в однослойном призматическом эпителии все клетки являются железистыми, продуцирующими слизь, которая защищает стенку желудка от грубого влияния комков пищи и переваривающего действия желудочного сока, имеющего кислую реакцию и ферменты, расщепляющие белки. Меньшая часть клеток эпителия, расположенных в желудочных ямочках — мелких углублениях в стенке желудка, представляет собой камбиальные эпителиоциты, способные делиться и диффе-
ренцироваться в железистые эпителиоциты. За счет ямочных клеток каждые 5 сут происходит полное обновление эпителия желудка — его физиологическая регенерация.
В тонкой кишке эпителий однослойный призматический каемчатый, активно участвующий в пищеварении, т.е. в расщеплении пищи до конечных продуктов и всасывании их в кровь и лимфу. Он покрывает в кишке поверхность ворсинок и образует стенку кишечных желез — крипт.
Рис. Призматический каемчатый эпителий. 1. микроворсинки (каемка), 2. ядро эпителиоцита, 3. базальная мембрана, 4. соединительная ткань.
Строение и функции базальной ламины (мембраны)
• Базальная ламина представляет собой тонкий слой внеклеточного матрикса, который располагается на базальной стороне эпителиального слоя и в области нейромышечных контактов и состоит, по крайней мере, из двух различных слоев
• Базальная мембрана состоит из базальной ламины связанной с сетью коллагеновых волокон
• Базальная мембрана функционирует в качестве опорной структуры, поддерживающей эпителиальную ткань, служит диффузионным барьером и местом сбора таких растворимых белков, как факторы роста, а также сигналом, направляющим миграцию нейронов
• В разных тканях компоненты базальной ламины отличаются друг от друга, однако для большинства характерно наличие четырех основных компонентов внеклеточного матрикса: слои коллагена IV и ламинина, скрепленные вместе гепарансульфат протеогликанами и линкерным белком, нидогеном
Термином базальная ламина обозначается тонкий слой (или ламина) внеклеточного матрикса, который непосредственно примыкает ко многим типам клеток, контактируя с ними. Базальная ламина представляет собой самостоятельную форму внеклеточного матрикса, поскольку она содержит такие характерные белки, как коллаген IV, обнаруженный только в базальной ламине, а также имеет слоистую структуру.
Вначале этот термин применялся только для обозначения слоя внеклеточного матрикса, находящегося в контакте с базальной поверхностью клеток эпителия (отсюда название базальная), где впервые с помощью электронного микроскопа удалось наблюдать базальную ламину. В настоящее время, когда идентифицированы основные компоненты базальной ламины, мы также используем этот термин для обозначения слоя, находящегося в месте контакта между мышечными и нервными клетками, что связано с тем, что этот слой содержит много таких же белков, что и базальная ламина, расположенная под клетками эпителия.
В течение многих лет этот слой внеклеточного матрикса назывался по-разному. В сканирующем электронном микроскопе базальная ламина выглядит как хорошо видимый слой, разделяющий две группы клеток. В трансмиссионном электронном микроскопе базальная ламина имеет вид двух слоев, ширина каждого из которых составляет 40-60 нм. Область, примыкающая к плазматической мембране эпителиальных клеток, кажется практически пустой и называется прозрачной ламиной (lamina lucida, от лат слова lucidus, яркий, прозрачный). Область, расположенная дальше всего от плазматической мембраны, интенсивно окрашивается электронно-плотными красителями и называется плотной ламиной (lamina densa).
За плотной ламиной лежит сеть коллагеновых волокон, которая иногда называется ретикулярной ламиной; в световом микроскопе базальная и ретикулярная ламины выглядят как один слой, который часто называется базальной мембраной. Часто термины базальная ламина и базальная мембрана используются для обозначения одних и тех же структур.
Базальная мембрана имеет вид тонкого слоя,
состоящего из белков и расположенного непосредственно под клетками эпителия.
Базальная ламина выполняет четыре основные функции:
• Она служит структурным основанием слоя эпителиальных клеток. Клетки присоединяются к ламининовым и коллагеновым волокнам базальной ламины посредством специальных структур, которые называются полудесмосомы и которые также скрепляются с сетью промежуточных филаментов. Таким образом, базальная ламина связывает сети промежуточных филаментов нескольких клеток, что укрепляет ткань. Это особенно характерно для кожи, которая представляет собой очень упругий орган!
• Базальная ламина представляет собой барьер между компартментами эпителия, который обладает селективной проницаемостью. Содержащиеся в ней про-теогликаны задерживают нерастворимые частицы (погибшие клетки, бактерии и т. д.), тем самым устраняя инфекции и способствуя деятельности иммунной системы.
• Протеогликаны базальной ламины связывают, иммобилизуют и концентрируют растворимые лиганды (например, факторы роста), находящиеся в жидкой среде тканей. Это способствует доступности факторов роста для клеток и в ряде случаев облегчает их связывание с рецепторами.
• Присутствующие в базальной ламине ламининовые белки служат сигналом, направляющим конусы роста развивающихся нейронов. Это один из путей, который используется данными отростками нейронов для обнаружения своих клеток- мишеней.
Учитывая столь широкий набор функций, неудивительно, что молекулярные компоненты базальной ламины варьируют в зависимости от вида ткани, а для одной и той же ткани даже изменяются во времени. Выделение этих компонентов представляет собой трудную задачу, поскольку в большинстве тканей на долю базальной ламины приходится крайне незначительная часть внеклеточного матрикса. К счастью для исследователей, идентификация у мышей хондросаркомы, опухоли, секрети-рующей большие количества белков «базальной мембраны», позволила выполнить детальный анализ компонентов базальной ламины. Сейчас в составе базальной ламины идентифицировано около 20 разных белков.
Почти во всех тканях в базальной ламине обнаружено четыре основных компонента. Это коллаген типа IV, ламинин, гепарансульфат-протеогликаны, и энтактин (также известный под названием нидоген). Предложена модель, объясняющая, каким образом эти компоненты встроены в слоистую конфигурацию базальной ламины.
Согласно этой модели, коллаген типа IV и ламинин полимеризуются, образуя разветвленные сетеобразные структуры. Эти структуры расположены одна поверх другой и образуют слои, которые скрепляются вместе мостиками, состоящими из таких белков, как гепарансульфат-протеогликан перлекан и энтактин, связывающиеся с обеими сетевыми структурами. Остальные компоненты, такие как ламинин-5 и филаменты коллагена типа VII, которые связываются с белками полудесмосом, вплетаются между слоями.
Каким образом эти дополнительные белки связываются с основными компонентами, неизвестно. Правда существуют данные о том, что за правильную сборку интактной базальной ламины отвечает клеточный контакт, который обеспечивается интегриновыми рецепторами. После сборки базальная ламина образует прочно связанную сложную сеть белков, которая обеспечивает необходимую структурную устойчивость эпителиальной ткани и в то же время остается достаточно пористой для того, чтобы функционировать как селективный фильтр внеклеточных жидкостей.
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
• Плотные контакты представляют собой разновидность контактного комплекса, который образуется между соседними эпителиальными или эндотелиальными клетками
• Плотные контакты регулируют транспорт частиц между эпителиальными клетками
• Плотные контакты сохраняют полярность эпителиальных клеток, выполняя функцию «загородки», которая предотвращает миграцию белков плазматической мембраны между апикальной и базальной областью
Межклеточные контакты играют критическую роль в образовании многоклеточных организмов и в обеспечении их жизнеспособности. Вдоль латеральных поверхностей примыкающих друг к другу клеток эпителия и эндотелия могут образоваться три различных типа контактных комплексов. У позвоночных это плотные контакты, адгезивные контакты и десмосомы. У беспозвоночных вместо плотного контакта часто возникает септированный контакт. Взаимное положение контактов схематически представлено на рисунке ниже.
Они поддерживают существование обособленных специализированных областей у многоклеточных организмов и регулируют между ними транспорт молекул. Они также предохраняют клетки от химических и физических повреждений. Мы рассмотрим каждый тип межклеточных взаимодействий, начиная с плотного контакта.
Контактный комплекс подразделяется, по меньшей мере, на три вида межклеточных контактов.
Они обеспечивают эпителиальной клетке возможность поддерживать свою структуру и функционировать в качестве селективного транспортного барьера.
Септированные контакты обнаружены только у беспозвоночных, где они часто присутствуют вместо плотных контактов.
Как видно на рисунке ниже, на фотографии ультратонкого среза клеток в трансмиссионном электронном микроскопе плотные контакты видны в виде групп небольших контактов (иногда называемых «поцелуями»). Эти контакты существуют между латеральными мембранами соседних клеток, расположенными напротив. Белки на цитоплазматической стороне мембраны, примыкающей к этим контактам, имеют вид электронно-плотных «облаков». На сколах замороженных суспензий клеток видна другая картина, которая показывает распределение белка в двух липидных монослоях, разделенных в середине плазматической мембраны.
При этом плотные контакты имеют вид переплетенной сети тонких фибрилл (или нитей), если белки остаются встроенными в мембрану, или же выглядят как сеть углублений, если в процессе скола произошла потеря белков.
Плотные контакты имеют сложный молекулярный состав. В зоне этих контактов обнаружено более 24 белков. Среди них идентифицировано три типа трансмембранных белков: клаудины, окклюдины и контактные адгезивные молекулы (JAM). Клаудины являются основными белками фибриллярных структур плотного контакта. Упомянутые выше поры образуются при организации внеклеточных доменов клаудинов в петли, формирующие селективные каналы в фибриллах.
У млекопитающих идентифицировано по меньшей мере 24 клаудиновых белка, и различные их комбинации формируют каналы, обладающие различной проницаемостью по отношению к ионам. Трансфекция клаудиновых генов в клетки, которые в норме их не экспрессируют, приводит к формированию плотных контактов. Окклюдины латерально сополимеризуются с клаудинами вдоль фибрилл плотного контакта, в латеральном направлении, однако их точная функция неизвестна.
Три трансмембранных белка прочно связаны с девятью или более структурными белками, включая актин. Они также способны к эпизодическому связыванию более двенадцати сигнальных белков. Это позволяет предполагать, что плотные контакты играют дополнительную роль в качестве присутствующих на клеточной поверхности организаторов сигнала, подобно тому как это имеет место для фокального адгезивного комплекса на базальной поверхности клеток.
Многие другие белки зоны плотного контакта, например ZO-1, по своей первичной структуре относятся к семейству мембраносвязанных гуанилаткиназ (MAGUK). Эти белки содержат три домена, расположенные в характерном порядке. Благодаря этим доменам они связываются со многими типами белковых мишеней, включая сигнальные белки и элементы актинового цитоскелета. Некоторые из белков зоны плотного контакта содержат также домен PDZ, который дает им возможность связываться между собой. В модельных экспериментах in vitro с использованием интактных и усеченных форм этих белков продемонстрирована возможность образования в зоне контакта их различных комбинаций.
Плотные контакты играют две важные роли. Во-первых, они представляют собой молекулярные структуры, регулирующие параклеточный транспорт (транспорт материалов, происходящий в пространстве между клетками) в эпителиальных и эндотелиальных слоях. (Ранее считалось, что они функционируют в качестве барьеров, блокирующих (предотвращающих) этот транспорт, и, поэтому, контактные зоны назывались zonula occludens.) Этим плотные контакты напоминают «молекулярный фильтр», через который пропускаются молекулы клеточного окружения при прохождении ими границ эпителия и эндотелия.
Однако не все фильтры одинаковы, поскольку для каждого вида ткани необходим фильтр, способный удалять определенный набор молекул. Например, для ткани почек не обязательно удалять дымовые частицы. Фактически диапазон размеров частиц, проходящих через плотные контакты за счет свободной диффузии, варьирует между 4 и 40 А, в зависимости от типа ткани.
Физические барьеры для транспорта ионов и других растворимых компонентов имеют различную природу: ионы проходят мгновенно, а другим растворимым компонентам для прохождения через плотный контакт необходимы минуты или даже часы. Каким образом это осуществляется? Недавно предложенная модель постулирует, что барьер проницаемости в плотном контакте создается за счет слоев пор, несущих селективные заряды и образующих сетчатую структуру, состоящую из хрупких нитевидных структур. Ионы способны проходить через эти поры, однако для прохождения других растворимых компонентов должна нарушиться целостность нитей.
По мере разрыва и воссоединения нитей компонент постепенно продвигается через барьер контакта, как показано на рисунке ниже.
Вторая роль плотных контактов состоит в том, что в структурном и функциональном отношении они делят плазматическую мембрану поляризованных клеток на два домена. Апикальная (от греч. слова apex — вершина) поверхность представляет собой часть плазматической мембраны, которая ориентирована по направлению к полости или к пространству с одной стороны слоя эпителия. Базальная (или нижняя) поверхность представляет собой область с противоположной стороны, которая находится в контакте с внеклеточным матриксом.
Латеральные поверхности формируют «стороны» между этими двумя областями. Плотные контакты полностью окружают клетки эпителия и эндотелия вдоль латеральной поверхности по границе апикальной и латеральной зон. Тем самым клетка подразделяется на две области: апикальный и базолатеральный домены. Эти домены разграничивают поверхность клетки на область «вершины» и область «основания», играющие различную роль в контроле трансклеточного перемещения метаболитов. Хотя мембранные белки могут диффундировать в плоскости каждого домена, они не мигрируют от одного домена к другому через плотные контакты.
В этом смысле плотные контакты как бы играют роль «изгороди», благодаря которой поддерживается уникальный молекулярный состав в пределах каждого из двух мембранных доменов.
Хотя молекулярные механизмы этого диффузионного барьера исследованы еще недостаточно, идентифицированы два отдельных макромолекулярных комплекса, играющие важную роль в формировании и поддержке полярного распределения белков плазматической мембраны в клетках эпителия и эндотелия. Изменения экспрессии любого из этих белков приводят к утрате клеткой полярности. Эти комплексы обнаружены в плотных контактах и непосредственно связаны с белками, входящими в состав сетчатых структур, о которых шла речь выше.
Электронная микрофотография клеточного препарата, приготовленного методом замораживания-скалывания.
Видна фибриллярная сеть, образующая плотный контакт.
На фотографии, выполненной с помощью трансмиссионного электронного микроскопа (на вставке),
показана связь между мембранами, существующая в плотном контакте. В плотных контактах клетки удерживаются вместе окклюдином, клаудином и контактными адгезивными молекулами. Модель, описывающая процессы быстрого и медленного транспорта растворимых веществ через плотный контакт.
Быстрый транспорт некоторых ионов происходит через ионные каналы, встроенные в фибриллярные структуры контакта.
Медленный транспорт веществ, которые не могут проходить через каналы, осуществляется при возникновении в фибриллах разрывов,
через которые происходит их транспорт. Поскольку существует много фибриллярных слоев, этот процесс транспорта включает несколько стадий.
Строение септированных контактов клеток
• Септированные контакты обнаружены только у беспозвоночных и по свойствам близки к плотным контактам между клетками позвоночных
• Септированные контакты выглядят в виде серии прямых или изогнутых стенок (септ), расположенных между плазматическими мембранами примыкающих друг к другу клеток эпителия
• Септированные контакты, главным образом, функционируют как барьеры на пути межклеточной диффузии
• Септированные контакты выполняют две функции, не свойственные плотным контактам: в течение развития клеток они контролируют их рост и форму. Эти функции осуществляются с участием специальных белков, присутствующих только в септированных контактах
Септированные контакты обнаружены только у беспозвоночных и рассматриваются как функциональные аналоги плотных контактов позвоночных. Однако у некоторых видов беспозвоночных найдены как септированные, так и плотные контакты. Септированные контакты представляют собой часть белковых комплексов, расположенных на латеральной мембране клеток эпителия, и, так же как и плотные контакты, они участвуют в межклеточном транспорте через слои эпителиальных клеток.
В электронном микроскопе они выглядят в виде стопки параллельно расположенных стенок (или септ, отсюда и название), соединяющих промежуток шириной 15-20 нм, существующий между плазматическими мембранами клеток. Как показано на рисунке ниже, контакт может выглядеть или в виде относительно прямой линии, т. н. гладкий септированный контакт, или носит складчатый характер.
Септированные и плотные контакты отличаются друг от друга, по крайней мере, в трех отношениях. Во-первых, септированные контакты содержат белки, которые отсутствуют в плотных контактах. Во-вторых, септированные контакты располагаются на базальном крае латеральной мембраны, в то время как плотные находятся на ее апикальном крае, «выше» опоясывающих зональных контактов (zonula adherens).
Гладкий септированный контакт выглядит в виде прямых септ, находящихся между соседними клетками.
Складчатый септированный контакт (врезка) имеет вид складчатых септ.
В-третьих, септированные контакты выполняют две функции, не свойственные плотным контактам.
У некоторых клеток плотные и септированные контакты входят в один и тот же комплекс, что позволяет предполагать существование у них различных функций. Когда в клетках присутствуют плотные и складчатые септированные контакты, то плотные контакты играют роль первичного барьера на пути межклеточной диффузии.
К этому выводу пришли на основании исследований межклеточного транспорта небольших молекул с помощью электронного микроскопа, используя обработку препаратов электронно-плотными красителями. Так же как адгезивные, септированные контакты могут служить местами прикрепления актиновых филаментов. Какова же функция септированных контактов?
Подобно плотным контактам, они выполняют функции «ворот» и «изгороди», характерные для контактных комплексов. Ограничивая транспорт частиц между клетками, они действуют как «ворота», а ограничивая поток фосфолипидов и мембранных белков между апикальным и базальным мембранными доменами, играют роль «изгороди».
Однако, в отличие от плотных, септированные контакты выполняют, по крайней мере, еще две функции. Одна из них заключается в контроле клеточного роста. Например, у организмов Drosophila и С. elegans, экспрессирующих мутантные белки, входящие в комплекс септированного контакта, часто развиваются опухоли эпителия. Другая функция состоит в контроле формы клеток: мутации в различных белках контактной зоны приводят к развитию необычно широких каналов у Drosophila.
Каким образом септированные каналы выполняют эти функции? Для ответа на этот вопрос необходимо рассмотреть белки, входящие в зону септированного канала. Как следует из рисунка ниже, у Drosophila идентифицировано несколько таких белков.
Функции белков септированного контакта у Drosophila.
Ген scribble кодирует Scrib, один из наиболее важных белков зоны данного контакта. В отличие от эмбрионов, развивающихся у мух дикого типа, для которых характерна гладкая кутикула, потомство гомозигот по мутантной форме этого гена отличается морщинистой кутикулой. Оболочка эмбрионов выглядит как бы исцарапанной. Это объясняется невозможностью возникновения септированных контактов между клетками в кутикуле.
Составляющие ее эпителиальные клетки не могут сформировать правильные структуры и образуют беспорядочные скопления. В Scrib мутантах также клетки других эпителиальных органов обладают гораздо большими размерами и значительно разупорядоченной структурой.
Наряду с функционированием в септированных контактах, белки Scrib взаимодействуют еще по меньшей мере с двумя другими белками контактного комплекса, Dig (англ. Disks large) и lgl (англ. lethal giants larvae). Эти белки ответственны за инициацию полярности эпителиальных клеток. Мутантные формы этих белков вызывают утрату септированных межклеточных контактов. Более того, при этом плотные контакты могут возникнуть в неожиданных местах (например, с базальной стороны латеральной мембраны), и не происходит правильной сортировки белков апикальной мембраны.
В результате клетки не поляризуются, и нарушается целостность эпителиального слоя. Интересно, что по сравнению с нормальными клетками эти мутантные клетки также делятся чаще, и это обеспечивает появление аномально крупных кластеров эпителиальных клеток.
Второй тип генов кодирует, по меньшей мере, восемь различных белков септированных контактов. Эти белки включают неурексин, контролирующий форму клеток, при образовании эпителиальных трубочек трахеальной системы у Drosophila Мутации в этих белках приводят к появлению эпителиальных клеток с увеличенными апикальными поверхностями. В дальнейшем такие клетки образуют трубочки, отличающиеся крайне большим диаметром. Интересно, что рост этих клеток не нарушается, и септированные контакты в мутантных клетках сохраняют барьерные функции, свойственные плотным контактам.
Это свидетельствует о том, что эти функции являются совершенно самостоятельными. Согласно двум предложенным моделям, перегородчатые контакты контролируют форму клеток или посредством белков, формирующих домены апикальной мембраны, или способствуя образованию внеклеточного матрикса с апикальной стороны этих клеток.
Характер взаимосвязи между формированием септированных контактов, контролем над делением и формой клеток остается неизученным. Исследования в этом направлении помогли бы пролить свет на механизм роста эпителиальных клеток во многих тканях, в том числе при таких патологических состояниях у человека, как рак и болезни почек (такие исследования иллюстрируют, каким образом эксперименты с дрозофилой помогают бороться с болезнями человека).
Еще одна интересная особенность Scrib заключается в том, что он принадлежит к семейству белков, содержащих PDZ-домен. Этот домен присутствует во многих белках контактной зоны и, подобно другим доменам, характерным для сигнальных белков, вероятно, участвует в связывании между трансмембранными и цитозольными белками. В настоящее время исследователи пытаются понять молекулярный механизм функционирования таких белков септированных контактов, как Scrib, в различных и важных аспектах жизнедеятельности эпителиальных клеток.
Сравнение фенотипа эмбрионов Drosophila дикого типа (WT) и мутантов scribble (справа).
Верхний ряд: эмбрионы в фазово-контрастном микроскопе.
Средний ряд: образцы эпителия, полученные от 14-дневных эмбрионов в сканирующем электронном микроскопе.
Нижний ряд: распределение спектрина в эпидермисе эмбриона на 15 стадии развития.
Спектрин является маркером эпителиальных клеток.
Иммунофлуоресцентный метод окраски.
Строение и функции базальной мембраны.
Эпителии располагаются на базальных мембранах (пластинках), которые образуются в результате деятельности как клеток эпителия, так и подлежащей соединительной ткани. Базальная мембрана имеет толщину около 1 мкм и состоит из подэпителиальной электронно-прозрачной светлой пластинки толщиной 20-40 нм и темной пластинки толщиной 20-60 нм Светлая пластинка включает аморфное вещество, относительно бедное белками, но богатое ионами кальция. Темная пластинка имеет богатый белками аморфный матрикс, в который впаяны фибриллярные структуры (коллаген IV типа), обеспечивающие механическую прочность мембраны. В ее аморфном веществе содержатся сложные белки — гликопротеины, протеогликаны и углеводы (полисахариды) — гликозаминогликаны. Гликопротеины — фибронектин и ламинин — выполняют роль адгезивного субстрата, с помощью которого к мембране прикрепляются эпителиоциты. Важную роль при этом играют ионы кальция, обеспечивающие связь между адгезивными молекулами гликопротеинов базальной мембраны и полудесмосом эпителиоцитов. Кроме того, гликопротеины индуцируют пролиферацию и дифференцировку эпителиоцитов при регенерации эпителия. Протеогликаны и гликозаминогликаны создают упругость мембраны и характерный для нее отрицательный заряд, от которого зависит ее избирательная проницаемость для веществ, а также способность накапливать в условиях патологии многие ядовитые вещества (токсины), сосудоактивные амины и комплексы из антигенов и антител.
Функции базальной мембраны:
Поддержание нормальной архитектоники, дифференцировки и поляризации эпителия.
Обеспечение прочной связи эпителия с подлежащей соединительной тканью. К базальной мембране прикрепляются, с одной стороны, эпителиальные клетки (с помощью полудесмосом), с другой - коллагеновые волокна соединительной ткани (посредством якорных фибрилл).
Избирательная фильтрация питательных веществ, поступающих в эпителий (базальная мембрана играет роль молекулярного сита).
Обеспечение и регуляция роста и движения эпителия по подлежащей соединительной ткани при его развитии или репаративной регенерации.
В физиологических условиях базальная мембрана препятствует росту эпителия в сторону соединительной ткани. Это ингибирующее действие утрачивается при злокачественном росте, когда раковые клетки прорастают сквозь базальную мембрану в подлежащую соединительную ткань (инвазивный рост). Вместе с тем, прорастание базальной мембраны эпителиальными клетками выстилки сосудов (эндотелиоцитоми) наблюдается и в норме при новообразовании сосудов (ангиогенезе).
Цитохимическим маркером эпителиоцитов является белок цитокератин, образующий промежуточные филаменты. В различных видах эпителиев он имеет различные молекулярные формы. Известно более 20 форм этого белка. Иммуногистохимическое выявление этих форм цитокератина позволяет определить принадлежность исследуемого материала к тому или иному типу эпителиев, что имеет важное значение в диагностике опухолей.
Читайте также: