Белки промежуточных филаментов. Строение и функции промежуточных филаментов. Сборка и разборка промежуточных филаментов

Это тонкие (10 нм) неветвящиеся, часто располагающиеся пучками нити. Характерно, что их белковый состав различен в разных тканях. Содержатся как в цитоплазме, так и в ядре большинства эукариотических клеток.

113.классификация. Существует пять ткане-специфических классов белков промежуточных филаментов: виментин, десмин, глиальный фибриллярный кислый белок,белки нейрофиламентов и кератины. Недавно в семейство белков промежуточных филаментов включили ламины - белки, образующие скелет ядерной оболочки на внутренней стороне мембраны.

§ Ваментиновые филаменты – в клетках мезенхимного происхождения;

§ десминовые ф.- гладкая и поперечно-полосатая мышечная ткань;

§ глиальный фибриллярный кислый белок – клетки глии (сложный комплекс вспомогательных клеток нервной ткани);

§ белки нейрофиламентов – нервные клетки;

§ кератиновые ф.- эпителиальная ткань;

§ ламины – ядерная пластинка.

Ультраструктура и молекулярная организация промежуточных филаментов.

Промежуточные филаменты представляют собой фибриллы диаметром 8-12 нм. Несмотря на то, что промежуточные филаменты в разных типах клеток морфологически неразличимы, они состоят из разных белков. Промежуточные филаменты постоены из фибриллярных белков наподобие каната. Все белки ПФ обладают сходной аминокислотной последовательностью из 130 остатков в центральной части фибриллярной молекулы, которая обладает α-спиральным строением. Концевые же участки молекул имеют разные последовательности аминокислот, разную длину, и не имеют α-спирального строения. Наличие протяженных α-спиральных участков позволяет двум молекулам образовывать двойную спираль, подобно тому, что приводит к образованию палочковидного димера, длиной около 48 нм. Два димера, объединяясь бок о бок, образуют короткий протофиламент, тетрамер, толщиной около 3 нм. Такие протофиламенты могут объединяться в более толстые и длинные фибриллы и в конечном итоге в промежуточный полный филамент, состоящий из 8 продольных протофиламентов. Иначе полимеризуются белки ядерной ламины: они образуют димеры с головками на одном конце и полимеризуются, образуя рыхлую прямоугольную решётку. Такие слои ламины быстро разрушаются во время митоза при фосфорилировании ламинов. Роль промежуточных филаментов опорно-каркасная. Топографически в клетке расположение промежуточных филаментов повторяет расположение микротрубочек, они как бы идут бок о бок.

Жизненный цикл клетки (клеточный цикл)

Это время существования клетки от деления до следующего деления, или от деления до смерти. Для разных типов клеток клеточный цикл различен.

Митотический цикл –существование клетки от деления до следующего деления.

Пресинтетическая, синтетическая и постсинтетическая фазы.

Интерфаза – это период между двумя клеточными делениями. В интерфазе ядро компактное, не имеет выраженной структуры, хорошо видны ядрышки. Совокупность интерфазных хромосом представляет собой хроматин. Хромосомы в интерфазе не видны, поэтому их изучение ведется электронно-микроскопическими и биохимическими методами. Интерфаза включает три стадии: пресинтетическую (G 1), синтетическую (S) и постсинтетическую (G 2). G1-фаза - самый длительный период (от 10 ч до нескольких суток). Заключается в подготовке клеток к удвоению хромосом. Сопровождается синтезом белков, РНК, увеличивается количество рибосом, митохондрий. В этой фазе происходит рост клетки. S-фаза (6-10 ч) - происходит самоудвоение, или репликация ДНК. При этом одни участки хромосом удваиваются раньше, а другие – позже, то есть репликация ДНК протекает асинхронно. Параллельно происходит удвоение центриолей (если они имеются). G2-фаза (3-6 ч) - сопровождается конденсацией хромосом. В течение указанной фазы синтезируются белки микротрубочек, формирующих веретено деления.

Митоз

Непрямое деление соматических клеток эукариотов. Идёт глубокая перестройка структуры клеток. Митоз приводит к образованию двух полноценных клеток с диплоидным набором хромосом и равномерно распределенном клеточным материалом. Клеточный цикл может совпадать или не совпадать с митотическим. Если клеточный цикл совпадает с митотическим, то он состоит из митоза и интерфазы.

Содержатся как в цитоплазме, так и в ядре большинства эукариотических клеток. Средний диаметр ПФ - около 10 нм (9-11 нм), меньше, чем у микротрубочек (около 25 нм) и больше, чем у актиновых микрофиламентов (5-9 нм). Название получили из-за того, что толщина цитоскелетных структур, состоящих из ПФ, занимала промежуточное положение между толщиной миозиновых филаментов и микротрубочек . В ядре известен только один тип ПФ - ламиновых , остальные типы - цитоплазматические.

Структура

Локусная структура белковых молекул ПФ довольно консервативна. Полипептид обычно имеет два глобулярных домена на N- и C-концах, которые соединены протяженным суперскрученным палочковидным доменом, состоящим из альфа-спиралей . Основной строительный блок филамента - димер , а не мономер. Он образован двумя полипептидными цепями, обычно двух разных белков, которые взаимодействуют между собой своими палочковидными доменами, образующими двойную суперскрученную спираль. Цитоплазматические ПФ образованы из таких димеров, образующих неполярные нити, толщиной в один блок. Отсутствие полярности у ПФ обусловлено антипараллельной ориентацией димеров в тетрамере. Из них далее образуются более сложные структуры, в которых ПФ могут уплотняться, вследствие чего имеют непостоянный диаметр.

Распространение

Цитоплазматические ПФ есть не у всех эукариот, они обнаружены только у некоторых групп животных. Так, ПФ есть у нематод. моллюсков и позвоночных. но не найдены у членистоногих и иглокожих . У позвочноных ПФ отсутствуют в некоторых клетках (например, олигодендроцитах). В растительных клетках ПФ не обнаружены.
В большинстве животных клеток ПФ образуют «корзинку» вокруг ядра , откуда направлены к периферии клеток. ПФ особенно много в клетках, подверженных механическим нагрузкам: в эпителиях , где ПФ участвуют в соединении клеток друг с другом через десмосомы , в нервных волокнах , в клетках гладкой и поперечно-полосатой мышечной ткани.

Типы

В отличие от других основных элементов цитоскелета, ПФ в цитоплазме клеток разных тканей состоят из разных, хотя и похожих по своей структуре белков. Все белки ПФ у человека кодируют около 70 генов. На основе особенностей аминокислотного состава и строения выделяют пять основных групп белков ПФ.

Тип I - кератины

Из кератинов с молекулярной массой 40 - 70 кДа состоит наиболее разнообразная группа ПФ. Данный тип белков делится на 2 подсемейства:

• кислые кератины,
• нейтральные и основные кератины.

Димер кератина состоит из одного кислого и одного основного кератина. Среди многочисленных изоформ кератина выделяют две основные группы - эпителиальные кератины (см. цитокератин), включающую около 20 видов кератинов, и кератины волос (примерно 10 видов), из которых построены также ногти , рога и чешуя пресмыкающихся .

Тип II

Второй тип белков ПФ включает в себя 4 вида белков:

• виментин - белок с массой 45 - 53 кДа, характерный для клеток мезенхимного происхождения: входит в состав клеток соединительной ткани , эндотелия , клеток крови ;
• глиальный фибриллярный кислый белок;
• периферин.

Тип III

• Альфа-интернексин
• Белки нейрофиламентов
• Нестин
• Синемин
• Синкойлин

Микроворсинки - пальцевидные выросты цитоплазмы клетки диаметром 0.1 мкм и длиной 1 мкм, основу которых образуют актиновые микрофиламенты. Мнкроворсинки обеспечивают многократное увеличение площади поверхности клетки, на которой происходит расщепление и всасывание веществ. На апикальной поверхности некоторых клеток, активно участвующих в указанных процессах (в эпителии тонкой кишки и почечных канальцев) имеется до нескольких тысяч микроворсинок, образующих в совокупности щеточную каемку.

Рис 3-17. Схема ультраструкгурной организации микроворсинки. АМФ - актиновые микрофиламенты, АВ - аморфное вещество (апикальной части микроворсинки), Ф, В - фимбрин и виллин (белки, образующие поперечные сшивки в пучке АМФ), ММ - молекулы минимиозина (прикрепляющие пучок АМФ к плазмолемме микроворсинки), ТС - терминальная сеть АМФ, С - спектриновые мостики (прикрепляют ТС к плазмолемме), МФ - миозиновые филаменты, ПФ - промежуточные филаменты, ГК - гликокаликс.

Каркас каждой микроворсинки образован пучком, содержащим около 40 микрофиламентов, лежащих вдоль ее длинной оси (рис. 3-17). В апикальной части микроворсинки этот пучок закреплен в аморфном веществе. Его жесткость обусловлена поперечными сшивками из белков фимбрина и виллина, изнутри пучок прикреплен к плазмолемме микроворсинки особыми белковыми мостиками (молекулами минимиозина). У основания мнкроворсинки микрофиламенты пучка вплетается

в терминальную сеть, среди элементов которой имеются миозиновые филаменты. Взаимодействие актиновых и миозиновых филаментов терминальной сети, вероятно, обусловливает тонус и конфигурацию микроворсинки.

Стереоцилии - видоизмененные длинные (в некоторых клетках - ветвящиеся) микроворсинки - выявляются значительно реже, чем микроворсинки и, подобно последним, содержат пучок микрофиламентов.

Промежуточные филаменты

Промежуточные филаменты - прочные и устойчивые в химическом отношении белковые нити толщиной около 10 нм (что является промежуточным значением между толщиной микротрубочек и микро-филаментов). Они встречаются в клетках разных тканей (см. ниже) и располагаются в виде трехмерных сетей в различных участках цитоплазмы, окружают ядро, входят в состав десмосом и полудесмосом эпителиальных клеток (в плазмолемме которых они закреплены посредством трансмембранных белков), лежат по всей длине отростков нейронов. Промежуточные филаменты образованы нитевидными белковыми молекулами, сплетенными друг с другом наподобие каната.

Функции промежуточных филаментов изучены недостаточно;

установлено, однако, что они не влияют ни на движение, ни на деление клетки.

К их основным функциям относятся:

(1) структурная - поддерживающая и опорная, обеспечение распределения органелл по определенным участкам цитоплазмы;

(2) обеспечение равномерного распределения сил деформации между клетками ткани, что препятствует повреждению отдельных клеток (благодаря связи промежуточных филаментов с трансмембранньгми белками десмосом и полудесмосом);

(3) участие в образовании рогового вещества в эпителии кожи; в

эпителиальных клетках связываются с другими белками и образуют непроницаемые барьеры (роговые чешуйки), являются главным компонентом волос и ногтей;

(4) поддержание формы отростков нервных клеток и фиксация трансмембраниых белков (в частности, ионных каналов);

(5) удержание миофибрилл в мышечной ткани и прикрепление их к плазмолемме. что обеспечивает их сократительную функцию.

Очевидно, что функции, отмеченные цифрами (2)-(5), служат лишь частными проявлениями более общей структурной функции (1) в различных тканях.

72 -

В поврежденной клетке сеть промежуточных филаментов (в отличие от других компонентов цитоскелета) спадается и концентрируется вокруг ядра, связывая поврежденные органеллы и белковые агрегаты. Формируется своеобразная структура, которая наподобие кокона концентрирует поврежденные компоненты клетки для последующего уничтожения путем их внутриклеточного переваривания. В ходе восстановления структуры и функции клетки после повреждения сеть промежуточных филаментов вновь развертывается по всей цитоплазме. В отличие от микрофиламентов и микротрубочек, для образования промежуточных филаментов не требуется АТФ, причем они не подвергаются постоянной сборке и диссоциации, а представляют собой менее лабильные и сравнительно устойчивые структуры.

Распределение промежуточных филаментов различных классов в клетках и тканях человека

Классы промежуточных филаментов и их идентификация.

Несмотря на то, что строение промежуточных филаментов в клетках различных типов сходно, они существенно различаются по своей молекулярной массе и химической природе, что может быть продемонстрировано иммуноцитохимическими методами с антителами к промежуточным филаментам различных классов. Различают 6 основных классов промежуточных филаментов (см. выше). В цитоплазме большинства клеток содержится лишь один их класс; в части клеток выявляются два класса, из которых один является основным.

Идентификация классов промежуточных филаментов имеет важное значение в диагностике опухолей для выявления тканевой принадлежности опухолевых клеток, что может определить выбор лечения и прогноз. Наибольшее диагностическое значение имеет выявление цитокератинов, десмина и глиального фибриллярного кислого белка, которые служат маркерами опухолей эпителиального, мышечного и глиального происхождения. Менее отчетливые результаты дает обнаружение виментина, который экспрессируется и коэкспрессируется (экспрессируется в сочетании с белками других классов промежуточных филаментов) многими типами клеток. Существенную информацию о степени поражения эпителия можно получить путем определения экспрессии молекулярных форм кератинов, специфичных для клеток конкретной локализации и уровня дифференцировки. Таким путем можно установить, например, ранние предраковые изменения в эпителии, не выявляемые стандартными морфологическими методами.

Микротрабекулы

Микротрабекулы - наименее изученная система цитоскелета, само существование которой оспаривается многими исследователями. Предполагают, что гри описанные выше системы филаментов пронизываются и объединяются некоей четвертой системой, названной микротрабекулярной сетью. Последняя выявляется при высоковольтной электронной микроскопии как система нитей неравномерной толщины (2-10 нм), связывающая три системы цитоскелета, различные органеллы и плазмолемму. В "узлах" микротрабекулярной сети располагаются свободные рибосомы и полисомы. Белок, образующий микротрабекулярную сеть, не идентифшшрован. Высказываются предположения о том, что эта сеть представляет собой артефакт, возникающий в результате преципитации и коагуляции белков при фиксации цитоплазмы клетки.

ВКЛЮЧЕНИЯ

Включения цитоплазмы - временные ее компонента, обусловленные накоплением продуктов метаболизма клеток. Традиционно подразделяются на трофические, секреторные, экскреторные и пигментные.

Трофические включения разделяют в зависимости от природы накапливаемого вещества. Липидные включения встречаются в виде липидных капель (особенно крупных в жировых клетках), которые располагаются в цитоплазме по отдельности или сливаются друг с другом. Их вид на электронно-микроскопических фотографиях варьирует в зависимости от способа фиксации. На гистологических препаратах они обычно имеют вид светлых ("пустых") вакуолей, так как при стандартных методах обработки ткани липиды растворяются. Липидные капли служат источником веществ, используемых в качестве энергетических субстратов; в некоторых клетках (например, продуцирующих стероидные гормоны) они могут содержать субстраты, необходимые для последующего синтеза. Из углеводных трофических включений наиболее распространены гранулы гликогена, представляющего собой полимер глюкозы. Они встречаются в виде плотных гранул диаметром 20-30 нм (β-частиц), которые часто образуют скопления (розетки), называемые α-частицами (см. рис. 3-13). Гранулы гликогена часто расположены вблизи аЭПС и используются в качестве источника энергии.

Секреторные включения обычно имеют вид мембранных пузырьков, содержащих секретируемый клеткой продукт; в мембране могут находиться ферменты, осуществляющие конечный процессинг продукта по мере перемещения пузырька к плазмолемме. Избыток невостребованного секреторного продукта поглощается и разрушается в цитоплазме клетки механизмом кринофагии (см. выше).

Экскреторные включения по своему строению сходны секреторными, однако они содержат вредные продукты метаболизма, подлежащие удалению из клетки.

Пигментные включения представляют собой скопления эндогенных или экзогенных пигментов, которые могут окружаться мембраной. К наиболее распространенным эндогенным пигментам относятся гемоглобин (растворен в цитоплазме эритроцитов, переносит кислород), гемосидерин (продукт обмена гемоглобина, накапливается в макрофагах в виде мелких плотных частиц ферритина), меланин (синтезируется в пигментных клетках - меланоцитах, в которых он накапливается и хи-

мически дозревает в окруженных мембраной гранулах - меланосомах), липофусцин (пигмент старения, накапливается в виде мембранных гранул с плотным содержимым, в котором определяются липидные капли).

ЯДРО КЛЕТКИ

Ядро является важнейшим компонентом клетки, содержащим ее генетический аппарат.

Функции ядра:

1) хранение генетической информации (в молекулах ДНК, находящихся в хромосомах);

2) реализацию генетической информации , контролирующей осуществление разнообразных процессов в клетке - от синтетических до запрограммированной гибели (аноптоза);

3) воспроизведение и передачу генетической информации (при делении

Обычно в клетке имеется только одно ядро, однако встречаются многоядерные клетки, которые образуются вследствие деления клеток, не сопровождающегося цитотомией, или слияния нескольких одно-ядерных клеток (последние правильнее называть симпластами).

Форма ядра различных клеток неодинакова: встречаются клетки с округлым, овальным, бобовидным, палочковидным, многолопастным, сегментированным ядром; нередко на поверхности ядра имеются вдавления. Чаще всего форма ядра в целом соответствует форме клетки: оно обычно сферическое в клетках округлой или кубической формы, вытянутое или эллипсоидное в призматических клетках, уплощенное - в плоских.

Расположение ядра варьирует в разных клетках; оно может лежать в центре клетки (в клетках округлой, плоской, кубической или вытянутой формы), у ее базального полюса (в клетках призматической формы) или на периферии (например, в жировых клетках).

Величина ядра относительно постоянна для каждого типа клеток, однако она может меняться в определенных пределах, увеличиваясь при усилении функциональной активности клетки и уменьшаясь при ее угнетении.

Компоненты ядра. В ядре неделящейся (интерфазной) клетки выявляются кариолемма (ядерная оболочка), хроматин, ядрышко и кариоплазма (ядерный сок). Как будет видно из дальнейшего изложения,

хроматин и ядрышко представляют собой не самостоятельные компоненты ядра, а являются морфологическим отражением хромосом, присутствующих в интерфазном ядре, но не выявляемых в качестве отдельных образований.

Ядерная оболочка

Ядерная оболочка (кариолемма) на светооптическом уровне практически не определяется; под электронным микроскопом обнаруживается, что она состоит из двух мембран - наружной и внутренней, - разделенных полостью шириной 15-40 нм (перинуклеарным пространством) и смыкающихся в области ядерных пор (рис. 3-18 и 3-19).

Рис. 3-18. Ядро клетки - общий вид (I) и участок ядерной оболочки (2). ГХ - гетерохроматин, ЭХ - эухроматин, Я - ядрышко, ПНХ - перинукпеолярный хроматин, НМ - наружная мембрана ядерной оболочки, ВМ - внутренняя мембрана, ПНП - перинуклеарное пространство, ВПФ - виментиновые промежуточные филаменты, Л - ламина. Черными стрелками показаны ядерные поры, белой - участок соединения ядерной оболочки с грЭПС.

Наружная мембрана составляет единое целое с мембранами грЭПС - на ее поверхности имеются рибосомы, а перинуклеарное пространство соответствует полости цистерн грЭПС и может содержать синтезированный материал. Со стороны цитоплазмы наружная мембрана окружена рыхлой сетью промежуточных (виментиновых) филаментов (см. рис. 3-18).

Рис. 3-19. Комплекс ядерной поры (КЯП). БГ - белковые гранулы, БФ - белковые фибриллы, ЦГ центральная гранула, КЛ - кариолемма: НМ - наружная мембрана (рибосомы на ее поверхности не показаны), ВМ - внутренняя мембрана кариолеммы, Л - ламина, ПНП - перинуклеарное пространство.

Внутренняя мембрана - гладкая, ее интегральные белки связаны с ядерной пластинкой - ламиной - слоем толщиной 80-300 нм, состоящим из переплетенных промежуточных филаментов (ламинов), образующих кариоскелет. Ламина играет очень важную роль в: (1) поддержании формы ядра;

(2) упорядоченной укладке хроматина; (3) структурной организации поровых комплексов; (4) формировании кариолеммы при делении клеток.

Ядерные поры занимают 3-35% поверхности ядерной оболочки. Они более многочисленны в ядрах интенсивно функционирующих клеток и отсутствуют в ядрах спермиев. Поры (см. рис. 3-19) содержат два параллельных кольца (по одному с каждой поверхности кариолеммы) диаметром 80 нм, которые образованы 8 белковыми гранулами. От этих гранул к центру сходятся фибриллы, формируйте перегородку (диафрагму) толщиной около 5 нм, в середине которой лежит центральная гранула (по некоторым представлениям, это - транспортируемая через пору субъединица рибосомы). Совокупность структур, связанных с ядерой порой, называется комплексом ядерной поры. Последний образует водный канал диаметром 9 нм, по которому движутся мелкие водорастворимые молекулы и ионы. Гранулы поровых комплексов структурно связаны с белками ядерной ламины, которая участвует в их организации.

Ядерная оболочка в клетках животных и человека содержит до 2000-4000 поровых комплексов. В ядро из цитоплазмы через них поступают синтезированные белки, в обратном направлении переносятся молекулы РНК и субъединицы рибосом.

Функции комплекса ядерной поры:

1. Обеспечение регуляции избирательного транспорта веществ между цитоплазмой и ядром.

2. Активный перенос в ядро белков , имеющих особую маркировку в виде так называемой последовательности ядерной локализации - Nuclear Localization Sequence (NLS), распознаваемой рецепторами NLS (в комплексе поры).

3. Перенос в цитоплазму субъединиц рибосом , которые, однако, слишком велики для свободного прохождения пор; их транспорт, веро¬ятно, сопровождается изменением конформации порового комплекса.

Хроматин

Хроматин (от греч. chroma - краска) мелкие зернышки и глыбки материала, который обнаруживается в ядре клеток и окрашивается основными красителями. Хроматин состоит из комплекса ДНК и белка и соответствует хромосомам, которые в интерфазном ядре представлены длинными, тонкими перекрученными нитями и неразличимы как индивидуальные структуры. Выраженность спирализации каждой из хромосом неодинакова по их длине. Различают два вида хроматина - эухроматин и гетерохроматин.

Эухроматин соответствует сегментам хромосом, которые деспирализованы и открыты для транскрипции. Эти сегменты не окрашиваются и не видны в световой микроскоп.

Гетерохроматин соответствует конденсированным, плотно скрученным сегментам хромосом (что делает их недоступными для транскрипции). Он интенсивно окрашивается основными красителями, и в световом микроскопе имеет вид гранул.

Таким образом, по морфологическим признакам ядра (соотношению содержания эу- и гетерохроматина) можно оценить активность процессов транскрипции, а, следовательно, синтетической функции клетки. При ее повышении это соотношение изменяется в пользу эухроматина, при снижении - нарастает содержание гетерохроматина. При полном подавлении функции ядра (например, в поврежденных и гибнущих клетках, при ороговении эпителиальных клеток эпидермиса - кератиноцитов, при образовании ретикулоцитов крови) оно уменьшается в размерах, содержит только гетерохроматин и окрашивается основными красителями интенсивно и равномерно. Такое явление называется кариопикнозом (от греч. karyon - ядро и pyknosis - уплотнение).

Распределение гетерохроматина (топография его частиц в ядре) и

соотношение содержания эу- и гетерохроматина характерны для клеток каждого типа, что позволяет осуществлять их идентификацию

как визуально, так и с помощью автоматических анализаторов изображения. Вместе с тем, имеются определенные общие закономерности распределения гетерохроматина в ядре: его скопления располагаются под кариолеммой, прерываясь в области пор (что обусловлено его связью с ламиной) и вокруг ядрышка (перинуклеолярный гетерохроматин), более мелкие глыбки разбросаны по всему ядру (см. рис. 3-18).

Тельце Барра - скопление гетерохрома гина, соответствующее одной Х- хромосоме у особей женского пола, которая в интерфазе плотно скручена и неактивна. В большинстве клеток оно лежит у кариолеммы, а в гранулоцитах крови имеет вид маленькой добавочной дольки ядра ("барабанной папочки"). Выявление тельца Барра (обычно в эпителиальных клетках слизистой оболочки полости рта) используется как диагностический тест для определения генетического пола (обязателен, в частности, для женщин, участвующих в Олимпийских Играх).

Упаковка хроматина в ядре. В деконденсированном состоянии длина одной молекулы (двойной спирали) ДНК, образующей каждую хромосому, равна в среднем, около 5 см, а общая длина молекул ДНК всех хромосом в ядре (диаметром около 10 мкм) составляет более 2 м (что сравнимо с укладкой нити длиной 20 км в теннисный мячик диаметром около 10 см), а в Б-период интерфазы - более 4 м. Конкретные механизмы, препятствующие спутыванию этих нитей во время транскрипции и репликации, остаются нераскрытыми, однако очевидна необходимость компактной упаковки молекул ДНК. В клеточном ядре это осуществляется благодаря их связи со специальными основными (гистоновыми) белками. Компактная упаковка ДНК в ядре обеспечивает:

(1) упорядоченное расположение очень длинных молекул ДНК в небольшом объеме ядра;

(2) функциональный контроль активности генов (вследствие вли¬яния характера упаковки на активность отдельных участков генома.

Уровни упаковки хроматина (рис. 3-20). Начальный уровень упаковки хроматина, обеспечивающий образование нуклеосомной нити диаметром 11 нм, обусловлен намоткой двойной нити ДНК (диаметром 1 нм) на блоки дисковидной формы из 8 гистоновых молекул (нуклеосомы). Нуклеосомы разделены короткими участками свободной ДНК. Второй уровень упаковки также обусловлен гистонами и приводит к скручиванию нуклеосомной нити с формированием хроматиновой фибриллы диаметром 30 нм. В интерфазе хромосомы образованы хроматиновыми фибриллами, причем каждая хроматида состоит из одной фибриллы. При дальнейшей упаковке хроматиновые фибриллы образуют петли (петельные домены) диаметром 300 нм, каждый из которых соответствует одному или нескольким генам, а те, в свою очередь, в ре-

Промежуточные филаменты в клетках различных типов различаются по своей химической природе и молекулярному весу. Выделяют 6 основных классов промежуточных филаментов

Цитокератины – промежуточные филаменты, характерные для клеток эпителия. Этот класс включает около 20 близких полипептидов (тонофиламентов). Кератиновые филаменты входят в состав десмосом и полудесмосом, участвуют в образовании рогового вещества в эпителии кожи и являются главным компонентом волос и ногтей.

Десмины – промежуточные филаменты мышечных тканей (за исключением миоцитов сосудов). Десмины играют важную роль в организации миофибрилл в мышечной ткани и обеспечении сократительной функции

Виментины – филаменты, характерные для различных клеток мезенхимного происхождения (фибробласты, макрофаги, остеобласты, эндотелий и гладкие миоциты сосудов).

Нейрофиламенты – промежуточные филаменты нейронов, которые играют важную роль в поддержании формы отростков нервных клеток.

Глиальные клетки содержат глиальный фибриллярный кислый белок и встречаются только в клетках нейроглии (астроциты, олигодендроциты).

Идентификация классов промежуточных филаментов (методами иммуноцитохимии с антителами к данному типу промежуточных филаментов) имеет большое значение в диагностике опухолей, и, следовательно, в прогнозе и выборе противоопухолевого лечения. Так, выявление различных форм кератинов свидетельствует о недифференцированных опухолях эпителиального происхождения, карциномах, аденокарциномах. Десмин является маркёром опухолей мышечного происхождения, а глиальный фибриллярный кислый белок – маркёр опухолей глиального происхождения.

ВКЛЮЧЕНИЯ

В отличие от органелл, включения цитоплазмы – непостоянные компоненты цитоплазмы, возникающие и исчезающие в зависимости от метаболического состояния клеток.

Включения подразделяются на трофические, секреторные, экскреторные и пигментные.

Трофические включения разделяются в зависимости от природы накапливаемого вещества на липидные, углеводные и белковые. Липидные включения – это капли нейтрального жира различного диаметра, которые накапливаются в цитоплазме и служат резервом энергетических субстратов, используемых клеткой. Из углеводных включений наиболее распространены гранулы гликогена (полимер глюкозы), эти включения также используются в качестве источника энергии. Примером белковых включений могут служить запасы белка вителлина в яйцеклетках животных. Они являются источником питания на ранних стадиях развития зародыша.

Секреторные включения имеют вид пузырьков, окруженные мембраной и содержащие биологически активные вещества, которые синтезируются в самой клетке, а затем выделяются (секретируются) во внешнюю среду. К таким включениям относятся секреторные гранулы, содержащие пищеварительные проферменты (зимогеновые гранулы), гормоны, медиаторы и др.

Экскреторные включения по своему строению сходны с секреторными, но в отличие от них, содержат вредные продукты метаболизма, подлежащие удалению из цитоплазмы клеток.

Пигментные включения представляют собой скопления эндогенных (синтезированных клеткой), или экзогенных (захваченных клеткой извне) окрашенных веществ - пигментов. Наиболее распространенными эндогенными пигментами являются гемоглобин, гемосидерин, билирубин, меланин, липофусцин; к экзогенным пигментам относят каротин, различные красители, пылевые частицы и др. Меланин – тёмно-коричневый пигмент, встречающийся в норме в коже, волосах, пигментной оболочке сетчатки в виде меланосом - гранул, окруженных мембраной. Липофусцин – гранулы жёлто-коричневого пигмента из продуктов лизосомного переваривания – накапливается в долгоживущих клетках (нейроны, кардиомиоциты), и поэтому его рассматривают как «пигмент старения».

ГИАЛОПЛАЗМА

Гиалоплазму называют также цитозолем , или клеточным матриксом . Гиалоплазма – сложная коллоидная система, которая может менять своё агрегатное состояние: переходить из более жидкого (золь) в более плотное (гель). Гиалоплазма состоит из гомогенного мелкозернистого вещества с низкой электронной плотностью, в которое погружены органеллы и включения. В составе гиалоплазмы – вода, белки (ферменты), нуклеиновые кислоты, полисахариды, липиды, а также неорганические вещества.

Функции гиалоплазмы:

· создание жидкой микросреды;

· метаболическая: метаболизм белков, жиров, углеводов.

III. ЯДРО. КЛЕТОЧНЫЙ ЦИКЛ. ДЕЛЕНИЕ КЛЕТКИ. КЛЕТОЧНЫЕ ПОПУЛЯЦИИ. ГИБЕЛЬ КЛЕТОК.

Ядро – важнейший компонент клетки, содержащий её генетический аппарат.

Функции ядра :

· хранение генетической информации (в молекулах ДНК, находящихся в хромосомах);

· реализация генетической информации, контролирующей различные процессы в клетке: транскрипция информационных, рибосомальных, транспортных РНК → синтетическая активность; апоптоз и т.д.);

· воспроизведение и передача генетической информации при делении клетки

В ядре неделящейся (интерфазной) клетки выявляются следующие компоненты ядра:

· ядерная оболочка (кариолемма);

· хроматин;

· ядрышко;

· кариоплазма.

Ядерная оболочка (кариолемма, нуклеолемма) на светооптическом уровне практически не определяется. Под электронном микроскопом обнаруживается, что она состоит из двух мембран – наружной и внутренней мембран, разделенных полостью шириной 15-40 нм – перинуклеарной цистерной.

Наружная мембрана составляет единое целое с мембранами грЭПС: на её поверхности имеются рибосомы, а перинуклеарная цистерна сообщается с цистерной грЭПС

Внутренняя мембрана – гладкая, её интегральные белки связаны со слоем, состоящим из сети промежуточных филаментов (ламинов), - ламиной , или ядерной пластинкой. Ламина играет большую роль в поддержании формы ядра, укладке хроматина и структурной организации поровых комплексов.

В определенных точках наружная и внутренняя мембрана смыкаются, образуя ядерные поры. Ядерная пора образована двумя параллельными кольцами диаметром 80 нм, содержащих по 8 белковых гранул, от которых к центру поры тянутся фибриллы, формирующие диафрагму толщиной около 5 нм. В середине диафрагмы лежит центральная гранула. Белковые гранулы ядерной поры структурно связаны с белками ламины. Совокупность компонентов, входящих в состав ядерной поры, называется комплексом ядерной поры .

Ядерная оболочка клетки содержит 2000-4000 поровых комплексов. Число поровых комплексов возрастает с увеличением функциональной активности: в клетках с высокой синтетической активностью ядерные поры занимают до 35% поверхности кариолеммы.

Комплекс ядерной поры обеспечивает избирательный транспорт веществ между цитоплазмой и ядром. По каналу, образованному поровым комплексом, движутся мелкие водорастворимые молекулы и ионы; активно переносятся в ядро белки, синтезируемые в цитоплазме (белки с маркировкой в виде с особой последовательности аминокислот – NLS, распознаваемой рецепторами NLS в комплексе поры); из ядра в цитоплазму переносятся субъединицы рибосом.

Хроматин в интерфазной (неделящейся) клетке соответствует хромосомам и состоит из комплекса ДНК и белка. Выраженность спирализации каждой из хромосом неодинакова по длине. Соответственно, различают два вида хроматина: эухроматин и гетерохроматин .

Эухроматин соответствует участкам хромосом, которые деспирализованы и открыты для транскрипции . Эти участки не окрашиваются и не видны в световой микроскоп.

Гетерохроматин соответствует конденсированным сегментам хромосом, что делает их недоступными для транскрипции . Гетерохроматин интенсивно окрашивается основными красителями, и в световом микроскопе имеет вид мелких гранул и глыбок.

По соотношению эу- и гетерохроматина в ядре можно оценить активность процессов транскрипции, и, следовательно, синтетической функции клетки. При её повышении это соотношение изменяется в пользу эухроматина, при снижении – нарастает содержание гетерохроматина. Соотношение эухроматин-гетерохроматин может, например, служить основой для дифференциальной диагностики доброкачественных и злокачественных опухолевых клеток.

При полном подавлении функции ядра в поврежденных и гибнущих клетках, оно уменьшается в размерах и содержит только гетерохроматин. Такое явление называется кариопикнозом .

Половой хроматин (тельце Барра ) – скопление гетерохроматина, соответствующее одной из пары Х-хромосом , которая в интерфазе плотно скручена и неактивна.

Выявление полового хроматина используется как диагностический тест для определения генетического женского пола, что существенно при изучении генетических аномалий и, особенно, в спортивной медицине. Обычно анализируют эпителиальные клетки слизистой оболочки полости рта, где, как и в большинстве других клеток, половой хроматин выявляется как крупная глыбка гетерохроматина, лежащая рядом с ядерной оболочки. В нейтрофильных лейкоцитах крови половой хроматин имеет вид маленькой добавочной дольки ядра («барабанной палочки»).

Упаковка хроматина в ядре

В деконденсированном состоянии длина одной молекулы (двойной спирали) ДНК, образующей одну хромосому, составляет около 5 см, а общая длина молекул ДНК в ядре – более 2 м. Такие длинные нити ДНК компактно и упорядоченно упакованы в ядре диаметром всего 5-10 мкм.

Компактная упаковка молекул ДНК осуществляется благодаря связи ДНК со специальными основными белками – гистонами .

Начальный уровень упаковки хроматина – нуклеосома с

диаметром 11 нм.

· Нуклеосома состоит из блока, образованного комплексом из 8 молекул гистонов, на который намотана двойная нить ДНК (цепочка из 166 пар нуклеотидов).

· Нуклеосомы разделены короткими участками свободной ДНК (48 пар

оснований). Нуклеосомная нить имеет вид нитки с бусинами, где каждая бусина – нуклеосома.

· Второй уровень упаковки также обусловлен гистонами и приводит к скручиванию нуклеосомной нити (виток из 6 нуклеосом) с формированием хроматиновой фибриллы диаметром 30 нм.

· Хроматиновые фибриллы образуют петли диаметром 300 нм. При делении клетки в результате еще более компактной укладки и сверхспирализации ДНК появляются хромосомы (диаметр 700 нм), видимые под световым микроскопом.

Компактная упаковка ДНК в ядре обеспечивает упорядоченное расположение очень длинных молекул ДНК в небольшом объеме ядра, а также функциональный контроль активности генов.

Ядрышко выявляется в интерфазном ядре на светооптическом уровне как мелкая (~ 1 мкм в диаметре), плотная сферическая структура, интенсивно окрашивающееся основными красителями. Ядрышко образовано специализированными участками хромосом – ядрышковыми организаторами, на которых происходит синтез рибосомальной РНК, а также её сборка в предшественники рибосомальных субъединиц.

Компоненты ядрышка:

· Аморфный компонент , слабо окрашиваемый, представляет собой участки расположения ядрышковых организаторов: крупные петли ДНК, активно участвующих в транскрипции рибосомальной РНК;

· Фибриллярный компонент состоит из множества нитей диаметром 5-8 нм, преимущественно во внутренней части ядрышка, и представляет собой длинные молекулы рРНК (первичные транскрипты);

· Гранулярный компонент образован скоплением плотных мелких гранулярных частиц, представляющие собой зреющие субъединицы рибосом. Рибосомальные субъединицы образуется из рРНК, синтезированной в ядрышке, и белков, синтезированных в цитоплазме.

· Фибриллярный и гранулярный компоненты ядрышка образуют ядрышковую нить – нуклеолонему , которая образует петлистую сеть, выделяющуюся большой плотностью на фоне менее плотного ядерного матрикса

Размеры и объем ядрышек увеличиваются при повышении функциональной активности клетки. Особенно крупные ядрышки характерны для эмбриональных и активно синтезирующих белки клеток, а также клеток быстрорастущих злокачественных опухолей.

Ядрышко исчезает в профазе митоза, в результате инактивации рибосомных генов при конденсации соответствующих хромосом, и вновь формируется в поздней телофазе.

Ядерный матрикс – компонент ядра, в котором располагаются хроматин и ядрышко. Ядерный матрикс образован кариоплазмой и кариоскелетом . Кариоплазма – жидкий компонент ядра, содержащий РНК, ионы, ферменты, метаболиты, растворенные в воде. Кариоскелет состоит из ламины и других фибриллярных белков.

Клеточный цикл – совокупность процессов, происходящих в клетке между двумя последовательными делениями или между её образованием и гибелью. Клеточный цикл включает в себя собственно митотическое деление и интерфазу – промежуток между делениями

Интерфаза занимает около 90% всего времени клеточного цикла и подразделяется на три периода:

· пресинтетический или постмитотический – G1 (от англ. gap – промежуток);

· синтетический – S;

· постсинтетический илипремитотический - G2.

Пресинтетический период – G1 – характеризуется активным ростом клетки, синтезом белка и РНК , благодаря чему клетка восстанавливает необходимый набор органелл и достигает нормальных размеров . G1 период длится от нескольких часов до нескольких дней. В течение этого периода синтезируются особые «запускающие» белки – активаторы S периода. Они обеспечивают достижение клеткой точки R (точки ограничения), после которого она вступает в S-период.

Если клетка не достигает точки R, она выходит из цикла и вступает в период репродуктивного покоя (G0). Клетки некоторых тканей под влиянием определенных факторов способны возвращаться из периода G0 в клеточный цикл, клетки других тканей (кардиомиоциты, нейроны) утрачивают эту способность по мере дифференцировки. Абсолютное большинство дифференцированных клеток организма, выполняющих свои специфические функции, не делятся.

Синтетический период –S- характеризуется репликацией (удвоением содержания) ДНК, синтезом гистонов и других белков . В результате происходит удвоение числа хромосом . Одновременно удваивается число центриолей . S-период длится у большинства клеток 8-12 часов.

Постсинтетический период – G2 - длится 2-4 часа и продолжается вплоть до митоза. В течение этого периода запасается энергия, и синтезируются белки, в частности тубулины , необходимые для процесса деления.

Митоз (кариокинез ) является универсальным механизмом деления соматических клеток. Во время митоза родительская клетка делится, и каждая из дочерних клеток получает набор хромосом идентичный родительскому, и, таким образом, происходит равномерное распределение генетического материала. Продолжительность митоза – 1-3 часа.

Митоз условно разделяют на 4 основные фазы:

· профазу;

· метафазу;

· анафазу;

· телофазу.

Профазаначинается сконденсации хромосом, которые становятся видимыми в световой микроскоп как нитевидные структуры. Каждая хромосома состоит из двух параллельно лежащих сестринских хроматид, связанных в области центромеры. Ядерная оболочка распадается на мембранные пузырьки и исчезает к концу профазы, так же как и ядрышко. Кариоплазма смешивается с цитоплазмой. Пары центриолей расходятся к противоположным полюсам клетки и дают начало микротрубочкам митотического веретена.

В метафазе хромосомы выстраиваются в области экватора митотического веретена (в равной удаленности от центриолей противоположных полюсов), и образуют картину экваториальной (метафазной) пластинки (вид сбоку) или материнской звезды (вид со сторону полюсов). Сестринские хроматиды к концу этой фазы разделяются щелью, однако удерживаются в области центромеры.

Анафаза начинается с синхронного расщепления всех хромосом на сестринские хроматиды (в области центромеры) и движения дочерних хромосом к противоположным полюсам клеток, происходящего вдоль микротрубочек. Анафаза завершается скоплением на полюсах клетки двух идентичных наборов хромосом, которые образуют картину звезд (стадия дочерних звезд). В конце анафазы начинает образовываться клеточная перетяжка, благодаря сокращению актиновых микрофиламентов, которые концентрируются по окружности клетки.

Телофаза характеризуется реконструкцией ядер дочерних клеток и завершением их разделения. Ядерная оболочка восстанавливается, хромосомы постепенно деспирализуются, замещаясь картиной хроматина интерфазного ядра, а в конце телофазы вновь появляется ядрышко. Углубление клеточной перетяжки завершается полной цитотомией с формированием двух дочерних клеток . При этом происходит приблизительно равное распределение органелл между дочерними клетками.

Эндомитоз – процесс увеличения числа хромосом внутри ядерной оболочки без последующего деления клетки, что приводит к повышенному содержанию ДНК в ядре – полиплоидии .

Полиплоидные ядра имеют больший объем. Полиплоидные клетки могут также возникнуть вследствие митотического деления без последующей цитотомией. При таком делении образуются двуядерные клетки с увеличенным вдвое набором хромосом. Основной смысл развития полиплоидии заключается в усилении функциональной активности клеток.

Наличие полиплоидных – тетра- (4n, если 1n – гаплоидный набор хромосом) и октаплоидных (8n) клеток – нормальное явление для гепатоцитов (клеток печени), переходного эпителия мочевого пузыря, секреторных клеток поджелудочной и слюнных желез. Уровень полиплоидизации мегакариоцитов красного костного мозга достигает – 16-32n.

По уровню обновления ткани организма подразделяются на три группы – три типа клеточных популяций :

· Обновляющиеся клеточные популяции характеризуются постоянным обновлением. Естественная убыль дифференцированных клеток, специализированных к выполнению определенных функций и неспособных к делению уравновешена образованием новых клеток в результате деления малодифференцированных камбиальных клеток и последующей дифференцировки (физиологическая регенерация ). К таким популяциям относят клетки костного мозга и крови, эпителий кишки, эпидермис кожи.

· Растущие клеточные популяции способны к увеличению массы ткани за счет нарастания числа клеток и их полиплоидизации. Их долгоживущие клетки выполняют специализированные функции, но сохраняют способность при стимуляции, под действием некоторых факторов вновь вступать в клеточный цикл, чтобы восстановить свою нормальную численность. К растущим популяциям относят эпителий почек, различных желез, печени.

· Стабильные клеточные популяции состоят из высокоспециализированных клеток с полной потерей способности к делению. К таким популяциям относятся нейроны, кардиомиоциты.

Регуляция клеточного цикла в различных тканях организма осуществляется сложной системой механизмов, стимулирующих или ингибирующих клеточное деление.

Протоонкогены – группа генов-активаторов, контролирующих клеточное деление и дифференцировку. Изменения структуры и усиление активности экспрессии протоонкогенов вызывает развитие опухолей. Повышение активности протоонкогенов может быть связано с изменениями строениями ДНК (в результате мутаций), увеличением количества генов (генной амплификации) или их перегруппировкой, при которой гены размещаются вблизи активного промотора (т.e., участка ДНК, ответственного за инициацию транскрипции). Злокачественная трансформация клетки может возникнуть не только вследствие повышения активности протоонкогенов, но и в результате снижения активности другой группы генов, называемых антионкогенами .

Антионкогены – гены, которые продуцируют супрессоры опухолевого роста, угнетающие митотическую активность клеток. Пример антионкогенов – ген р53 . Ген р53 обеспечивает поддержание стабильности генетического аппарата и контролирует клеточный цикл. Его экспрессия резко усиливается при повреждении ДНК. Активация гена р53 приводит к остановке клеточного цикла (выходу в G0) для репарации ДНК, а при тяжелых повреждениях запускает программу апоптоза (клеточной гибели). Выявлена четкая связь между утратой функции гена р53 (в результате мутации или делеции) и развитием более 50 видов злокачественных опухолей у человека.

Факторы роста представляют собой гликопептиды, продуцируемые клетками различных тканей, усиливающие митотическую активность в определенных клетках-мишенях, имеющих специфические рецепторы на плазмолемме. К ним относятся фактор роста нервов, инсулиноподобные факторы роста, колониестимулирующие факторы, интерлейкины и другие цитокины.

Кейлоны, напротив, подавляют клеточное деление. Кейлоны образуются всеми зрелыми дифференцированными клетками и локально воздействуют на камбиальные элементы (стволовые и полустволовые клетки) этой же ткани. Они обеспечивают стабильную численность клеточной популяции, а их выделение контролируется механизмом отрицательной обратной связи. При уменьшении численности зрелых клеток данной популяции (например, потеря лейкоцитов при кровотечении или эпидермиса при ранении) продукция кейлонов снижается, что приводит к усилению митотической активности клеток, способных к делению, - репаративной регенерации.

Число клеток в организме, органах и тканях регулируется гомеостатическими механизмами и динамическим равновесием междуобразованием клеток и их гибелью . Гибель клеток, наряду с их размножением (пролиферацией) и дифференцировкой , является одним из ключевых процессов в обеспечении нормальной жизнедеятельности различных тканей

При гибели клеток могут наблюдаться два вида морфологических изменений, которые соответствуют различным механизмам её развития:

· некроз и

· апоптоз.

Некроз возникает под действием резко выраженных повреждающих факторов: перегревания (гипертермии), переохлаждения (гипотермии), недостатка кислорода (гипоксии), нарушения кровоснабжения (ишемии), метаболических ядов, механической травмы и др. Некроз – «смерть в результате несчастного случая».

Поздние явления при некрозе включают: разрыв ядерной оболочки, плазмолеммы и мембран органелл, разрушение и растворение ядра (кариолизис), исчезновение клеточных границ и распад клетки

Апоптоз - физиологическая (запрограммированная) гибель клеток; «смерть клетки в результате самоубийства (самоуничтожения)». Апоптоз – это активный, генетически контролируемый процесс, регулируемый внутренней программой, которая запускается внешними факторами. Факторы могут разными: повреждающие физические и химические факторы, умеренные по интенсивности; некоторые инфекции (вирусные); воздействие физиологических активаторов (индукторов) апоптоза; дефицит стимулирующих факторов, потеря контакта с другими клетками и др.

Развитие апоптоза индуцируется особыми генами (киллерными генами – р53 и др.). Это энергоёмкий процесс и сопровождается активацией сигнальных систем в клетке. Развитие апоптоза морфологически на светооптическом уровне проявляется уплотнением ядра (кариопикноз и кариорексис без разрушения кариолеммы), конденсацией цитоплазмы, которая уплотняется, сморщивается и уменьшается в размерах, органеллы при этом сохраняют свою целостность. При прогрессировании апоптоза изменяется форма клетки – образуются многочисленные крупные вздутия и выросты на поверхности – и происходит распад клетки на фрагменты – апоптозные тела.

IY. МЕЖКЛЕТОЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ.

МЕЖКЛЕТОЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Внешние клеточные мембраны участвуют в образовании межклеточных контактов, которые обеспечивают межклеточные взаимодействия.

Простое межклеточное соединение – сближение плазмолемм соседних клеток на расстояние 15-20 нм. Важную роль при этом играют клеточные рецепторы-гликопротеины, называемые клеточными адгезионными молекулами (КАМ), такие как кадгерины, интегрины, способные распознавать и связывать плазмолеммы соседних клеток. Интегрины – трансмембранные белки, внутриклеточная молекула интегрина через ряд других промежуточных белков (таких как винкулин, α-актинин) связана с цитоскелетом. Наружная часть молекулы через другие гликопротеины (фибронектин, ламинин) связана с клетками и молекулами внеклеточного матрикса. При этом плазмолеммы соседних клеток могут формировать интердигитации, то есть взаимные выпячивания двух соседних клеток. Такой тип межклеточных соединений усиливает механическую прочность соединения клеток и увеличивает площадь обменной поверхности.

Сложные межклеточные соединения – небольшие парные специализированные участки плазматических мембран соседних клеток. Сложные межклеточные соединения подразделяются на изолирующие (запирающие), сцепляющие, обусловливающие механическое сцепление и соединение клеток, и коммуникационные соединения, обеспечивающие химическую (метаболическую, ионную) и электрическую связь между клетками. Особенно ярко выражены межклеточные соединения в эпителиальных тканях (рис. 13).

К изолирующим соединениям относятся плотные контакты.

Плотный контакт (zonula occludens) окружает апикальную часть клеток по периметру в виде пояска. Это область частичного слияния наружных листков плазмолемм двух соседних клеток. Специальные белки, образующие подобие ячеистой сети (окклюдины), как бы «сшивают» соседние плазмолеммы. Основная функция плотного контакта – блокировать проникновение и распространение веществ по межклеточному пространству.

К сцепляющим (заякоривающим) соединениям относят поясок сцепления и десмосомы. Для сцепляющих соединений характерно наличие слоя примембранных белков, примыкающих к цитоплазме в области контакта, к которым подходят фибриллярные элементы цитоскелета. Поясок сцепления (zonula adherens, опоясывающая десмосома) также опоясывает клетки в виде ленты, но локализуется на латеральной поверхности клеточной мембраны ниже, чем плотный контакт. Здесь клетки связаны друг с другом интегральными гликопротеидами, к которым примыкает слой примембранных белков (винкулин и др.). С этим слоем связаны пучки актиновых микрофиламентов. Десмосома (macula adherens)- парная структура, состоящая из утолщенных и уплотненных участков цитоплазмы, прилегающих к плазмолеммам соседних клеток, так называемых пластинок прикрепления, разделенных межклеточной щелью. Каждая пластинка прикрепления имеет форму диска (диаметр около 0.5 мкм) и содержит особые белки (десмоплакины и др.), к которым прикреплены пучки промежуточных филаментов (тонофиламентов). При этом находящиеся в межклеточном пространстве Са 2+- связывающие белки взаимодействуют с пластинками прикрепления, благодаря чему усиливается механическое сцепление клеток. Десмосомы не имеют определенной локализации и разбросаны по поверхности клетки.

Десмосома

Рис.13.

Коммуникационные соединения представлены щелевыми контактами и синапсами. Щелевое соединение (нексус) представляет собой участок протяженностью 0,5-3 мкм, где плазмолеммы разделены узкой межклеточной щелью (2-3 нм). При этом в структуре плазмолемм соседних клеток друг против друга располагаются трубчатые трансмембранные структуры – коннексоны (из белка коннексина), которые образуют межцитоплазматические каналы, обеспечивающие свободный обмен низкомолекулярными соединениями между клетками (рис.14). Число конексонов в одном щелевом контакте обычно исчисляется сотнями. Функциональная роль щелевых соединений заключается в переносе ионов и мелких молекул от клетки к клетке.

Рис.14. Щелевой контакт

(нексус)

Синаптические соединения – высокоспециализированные контакты нервных клеток, проводящие импульсы в одном направлении. Синаптические контакты устанавливаются также между нейронами и мышечными и железистыми клетками.

Промежуточные филаменты представляют собой основные компоненты ядерного и цитоплазматического цитоскелета

Промежуточные филаменты необходимы для поддержания правильной структуры тканей и их функционирования

По диаметру промежуточные филаменты находятся между актиновыми филаментами и микротрубочками и образуют прочные сети

Промежуточные филаменты представляют собой полимеры, состоящие из белковых субъединиц

Белки, из которых состоят промежуточные филаменты, гетерогенны и кодируются семейством больших и сложно устроенных генов

У человека более 50 болезней обусловлены возникновением мутаций в белках промежуточных филаментов

Микротрубочки, актиновые филаменты (микрофиламенты) и промежуточные филаменты представляют собой три основные системы белковых филаментов, составляющих цитоскелет. Промежуточные филаменты образуют в цитоплазме и ядре сеть и присутствуют во всех клетках метазоа (животных).

В отличие от микротрубочек и актиновых филаментов, которые необходимы даже для выживания изолированных клеток in vitro , основная функция промежуточных филаментов проявляется на уровне тканевой организации, где они необходимы для надлежащего функционирования тканей и органов. Некоторые типы промежуточных филаментов участвуют в скреплении клеток друг с другом, что необходимо для формирования тканей.

Белки промежуточных филаментов кодируются несколькими большими семействами генов . Эти белки образуют сложную систему филаментов, на долю которых в клетке в нормальных физиологических условиях приходится до 80% общего клеточного белка. Внутриклеточное распределение промежуточных филаментов отличается от характерного для актиновых филаментов и микротрубочек.

Гистологи обнаружили их (в виде нейрофибрилл нейронов и тонофиламентов клеток эпидермиса) задолго до того, как в 1960-х гг. при электронно-микроскопическом исследовании мышечной ткани были описаны индивидуальные филаменты. В клетках мышц «промежуточные» филаменты занимали по диаметру среднее положение между «толстыми филаментами» миозина-II и «тонкими филаментами» актина. Их средний диаметр составляет около 10 нм, т. е. они толще, чем актиновые филаменты (около 8 нм), и тоньше микротрубочек (около 25 нм). Все три системы филаментов представлены рисунке ниже.

Белки промежуточных филаментов характеризуются общей молекулярной структурой и полимеризуются в филаменты, обладающие высокой механической прочностью. В электронном микроскопе они выглядят одинаково. У высших позвоночных семейство соответствующих белков организовано наиболее сложно, и этот вопрос будет рассмотрен в настоящей главе.

Похожие промежуточные филаменты также обнаружены у беспозвоночных, однако у них количество генов, кодирующих соответствующие белки, значительно меньше, чем у позвоночных. Также промежуточные филаменты беспозвоночных менее гетерогенны и обладают меньшей тканевой специфичностью, чем у млекопитающих. В геноме человека находится порядка 70 генов, кодирующих белки промежуточных филаментов. Принимая во внимание альтернативный сплайсинг для пары из них, общее количество этих белков приближается к 75.

Они представлены гораздо большим числом вариантов и более гетерогенны, чем актиновые или тубулиновые белки . Для всех белков промежуточных филаментов характерна тканеспецифическая экспрессия. Также их экспрессия изменяется в процессе дифференцировки.

Большинство сведений, касающихся экспрессии и биохимических свойств , были получены до того, как были установлены их функции и связь с некоторыми заболеваниями. Сейчас показано, что мутации в генах белков промежуточных филаментов связаны с многими генетическими заболеваниями, которые характеризуются различными фенотипическими проявлениями. Они включают по меньшей мере 50 отдельных болезней, от фликтены до прогерии.

Почти все типы генов белков промежуточных филаментов связаны с той или иной формой проявления хрупкости тканей. Это позволяет предполагать, что для функционирования ткани in vivo необходима надлежащая механическая прочность и что в значительной степени она прямо или опосредованно связана с промежуточными филаментами. Принимая во внимание, что экспрессия генов белков промежуточных филаментов носит тканеспецифический характер, весьма возможно, что все эти белки придают клеткам тканей мельчайшие оттенки различия. Клеткам тканей необходимы различные свойства, такие как прочность, пластичность, быстрота сборки и разборки структур, обеспечивающих прочность.

Может быть, в этом кроется причина того, что в ходе эволюции возникло столь много генов, кодирующих белки промежуточных филаментов.