ГЛАВА 1 БУДОВА МІЖКЛІТИЧНИХ КОНТАКТІВ
ТИПИ МІЖКЛІТИННИХ КОНТАКТІВ
Морфологічні структури, що виникають у місцях зіткнення клітин у тканинах, звуться міжклітинних контактів. Вони можуть бути класифіковані на підставі виконуваної функції:
Функція герметизації відсіків міжклітинного простору між сусідніми клітинами. В результаті дрібні водорозчинні молекули не здатні легко та швидко переміщатися у позаклітинному матриксі.
У організмі хребетних цей тип сполук представлений щільними контактами (tight junction). Вони сформовані за допомогою пов'язаних один з одним білків, закріплених на розташованих поблизу ділянках мембран сусідніх клітин (рис. 1, а). Відіграють ключову роль у підтримці полярності клітин, особливо епітеліальних, забезпечуючи відмінності у складі міжклітинного простору з різних боків від шару пов'язаних таким чином клітин.
Функція скріплення клітин друг з одним. В результаті тканини набувають механічної міцності, а різні клітинні типи не змішуються в межах одного органу (тканини).
Основу контактів цього типу становлять трансмембранні білки – кадгерини. Молекула кадгерину плазматичної мембрани однієї клітини безпосередньо пов'язується з аналогічною молекулою кадгерину, розташованої на мембрані сусідньої клітини, з'єднуючи в єдине ціле. Зв'язування відбувається у присутності іонів кальцію.
Найбільш просто влаштованими типами подібних сполук є пухкі (прості) контакти, в англомовній літературі звані контактами, що злипаються (adherens junction). У цьому випадку (рис. 1 б) між позбавленими спеціалізованих структур плазматичними мембранами сусідніх клітин є щілина шириною 10-20 нм. При цьому молекула кадгерину за допомогою зв'язуючого білка з'єднується з активними волокнами всерединіклітини. Таким чином, реалізується з'єднання цього елемента цитоскелета в єдину мережу. Завдяки скороченню актинових волокон забезпечуються координовані рухи пластів клітин, що має особливо важливе значення в ході ембріонального розвитку, наприклад, при формуванні нервової трубки. Своєрідним різновидом простих контактів є міжклітинні «замки» - коли мембрани сусідніх клітин згинаються, утворюючи поверхні клітин впячивания (див. рис. 1, б).
Десмосоми принципово не від описаних вище структур. Цей тип контакту утворений кадгеринами різних типів, з'єднаними в цитоплазмі клітини з бляшкою, представленою білками, що зв'язують, і скріпленими при її посередництві з проміжними волокнами (рис. 1, в). Ці елементи цитоскелета перетинають цитоплазму клітини у багатьох напрямках, зміцнюють всю конструкцію, протидіючи механічним напругам, що виникають у тканині. Представлені трьома класами молекул: 1) кератиновими волокнами (у клітинах епітеліальної тканини); 2) Віментин і Віментін-подібними волокнами (у клітинах сполучної та м'язової тканини, що підтримують клітинах нервової системи - нейроглії); 3) нейрофіламентами (у нервових клітинах).
Напівдесмосоми забезпечують прикріплення пласта клітин до базальної мембрани (характерні для епітеліальних клітин).
Функція комунікації між клітинами як у межах однієї тканини, і між різними типами тканин. Завдяки цим сполукам здійснюється транспорт речовин та передача сигналів.
Представлені щілинними контактами (gap junction) та синапсами. Детальні описи цих структур наводяться нижче.
Цитоплазма рослинних клітин з'єднана за допомогою плазмодесм - спеціальних каналів, стінки яких утворені цитоплазматичною мембраною, загальною дляконтактуючих клітин. Таким чином, створюється безперервність цитоплазми, що забезпечує передачу подразнення та пересування речовин від клітини до клітини, а скріплення клітин один з одним відбувається завдяки серединній платівці, що цементує клітинні стінки розташованих поруч клітин.
ЩІЛИНІ КОНТАКТИ
На сьогоднішній день вважається загальноприйнятим той факт, що клітини більшості тканин хребетних і безхребетних тварин здатні контактувати зі своїми сусідами за допомогою внутрішньоклітинних структур, які мають низький електричний опір. У хребетних лише кілька типів клітин (червоні клітини крові, сперматозоїди, скелетні м'язи) у високодиференційованому (зрілому) стані не формують щілинних контактів.
Завдяки електронно-мікроскопічним дослідженням було визначено структури, відповідальні за пряму міжклітинну передачу електричного сигналу. Остання можлива лише у разі наявності ділянок щільного прилягання мембран сусідніх клітин (розміри щілини становлять 2-3 нм). Подальші роботи показали присутність у цих місцях специфічних частинок - коннексонів, щільно запакованих у плазмалеммі (відстань між центрами сусідніх структур становить 9-10 нм). Коннексон, що входить до складу щілинного контакту, утворює циліндр із центрально розташованою водяною порою. Стіни циліндра сформовані шістьма білковими субодиницями, здатними зміщуватися відносно один одного, контролюючи таким чином проникність каналу.
Рентгеноструктурний аналіз дозволив з високою роздільною здатністю (7 та 21 А) встановити будову каналу щілинного контакту (рис. 2).
Щілинний контакт складається з двох напівканалів, кожен з яких містить 24 білкові а-спіралі, що відповідають чотирьом трансмембранним доменам шести субодиниць. Зовнішнійдіаметр напівканалу з боку цитозолю становить 70 А, а з позаклітинної сторони - 50 А. Діаметр пори коливається від 40 А (з боку цитозолю) до 15 А (у місці з'єднання двох напівканалів у позаклітинному просторі). Поверхні коннексонів утворюють щільне з'єднання один з одним за рахунок стикуючого домену, що перешкоджає витоку частинок, що переносять заряд (іонів) у позаклітинний простір.
Білки, що утворюють канали щілинного контакту, називаються коннексинами (connexin, Cx). Їхня класифікація заснована на молекулярній масі (в кДа) і місці виявлення (h - human (людина), r - rat (щур) тощо): hCx32. До 2003 р. було відомо про 20 генів, що кодують утворення коннексинів у людини. Вони перебувають у багатьох хромосомах, утворюючи скупчення лише у першій хромосомі. Безліч генів, що кодують коннексини, мають схожу організацію. Передбачається, що в гаплоїдному геном вони представлені лише однією копією, а їх виникнення є результатом дуплікації генів.
Згідно з класичним визначенням, синапси є спеціалізованими функціональними контактами між клітинами збудливих тканин. Термін «синапс» запровадив Ч. Шеррінгтон (С. Sherrington, 1897).
Характерна особливість даних утворень – наявність щодо широкого (15-20 нм) простору між контактуючими клітинами. Наслідком цього є неможливість прямої передачі електричного сигналу від клітини до клітини (завдяки шунтуючої дії, що володіє низьким електричним опором позаклітинної рідини). Зазначене утруднення було дозволено з допомогою використання хімічних речовин у механізмах передачі сигналу. Через війну сформувалася оригінальна морфологічна структура (рис. 3).
У синапсі розрізняють кілька складових частин:
пресинаптична частина: є розширеним закінченням клітини (нейрону). Саме тут розташовуються численні синаптичні бульбашки (везикули), оточені мембраною структури діаметром від 10 до 90 нм, що містять хімічну речовину (медіатор або нейромедіатор). Тут також широко представлені мітохондрії, численні мікротрубочки та мікрофіламенти (нейрофіламенти). Пресинаптична мембрана являє собою ділянку плазмалеми, що безпосередньо контактує з сусідньою клітиною;
синаптична щілина: ділянка міжклітинного простору, що відокремлює пресинаптичну клітину від постсинаптичної;
постсинаптична частина: утворена ділянкою плазматичної мембрани іншої клітини, містить вбудовані білкові молекули - рецептори, здатні оборотно зв'язуватися з нейромедіатором, викликаючи згодом генерацію електричного імпульсу в постсинаптичному нейроні.
Залежно від морфології (рис. 4) контактуючих пре- та пост-синаптичних мембран виділяють синапси двох типів: асиметричні, 1-го типу, та симетричні, 2-го типу. Вони відрізняються один від одного за низкою ознак:
синаптична щілина в синапсах 1-го типу ширша (300 А); синаптична щілина синапсів 2-го типу (200 А);
постсинаптична мембрана синапсів 1-го типу товща та щільніша;
синапси 1-го типу довші (розміри синаптичних мембран становлять 1-2 мкм, і мембрани більш виражені), а синапси 2-го типу коротші (1 мкм, і ущільнення їх синаптичних мембран менш виражено);
синаптичні бульбашки численні в синапсах 1-го типу, мають округлу форму (30-60 нм у діаметрі), а в синапсах 2-го типу вони овальної або дископодібної форми, менш численні, їх розмір становить 10-30 нм;
у синаптичній щілині синапсів 1-го типу (ближче допостсинаптичній мембрані) розташована бляшка із позаклітинної речовини.
Численні відростки нервових клітин взаємодіють між собою, утворюючи в межах нервової системи різноманітні типи синапсів:
Нервово-м'язові та нервово-залізисті сполуки є контактами, які принципово не відрізняються від аксо-дендритних (аксосоматичних) синапсів у межах центральної нервової системи (ЦНС). В обох випадках довгий відросток нейрона (аксон) утворює контакт із тілом постсинаптичної клітини (м'язової або залізистої).
За функціональним значенням синапси можуть бути збуджуючими або гальмівними - залежно від того, чи вони стимулюють або пригнічують електричну активність постсинаптичної клітини.
Особливу морфологічну групу складають синапс зі змішаним (електрохімічним) механізмом передачі сигналу.
Найбільш характерним прикладом є чашоподібний синапс циліарного ганглія курчати, докладний опис будови якого було дано А. де Лоренцо (A. J. de Lorenzo, 1960). У цьому випадку (рис. 5) розширена частина відростка пресинаптичного нейрона більш ніж наполовину оточує тіло гангліонарної клітини (постсинаптичного нейрона). Зовні цієї системи знаходяться шванівські клітини, що щільно ізолюють область синапсу, насамперед електрично.
Дендрити нейронів здатні розгалужуватися і утворювати вирости - шипики, які є виступами мембрани, що містять шипиковий апарат - систему плоских цистерн і мішечків, розташованих під постсинаптичною мембраною (рис. 6, а). Шипиковий апарат виявлено лише в шипиках пірамідних клітин нової кори та гіпокампу, що дає підставу припускати його участь у процесах пам'яті та навчання.
У гладких м'язах норадренергічні нервові волокна розгалужуються.серед та вздовж м'язових волокон. Виділення нейромедіатора походить з розширених ділянок нервового волокна (рис. 6, б). Подібні амінергічні варикозні розширення волокон - аксони en passant виявлені і в ЦНС. У цьому далеко ще не всі вони формують у результаті структуру класичного синапсу, а дію нейромедіатора у разі носить паракринный характер.
Відзначено численні спроби пов'язати ультраструктуру того чи іншого синапсу з його функцією, що використовується нейромедіатором тощо. У той же час симетричні синапси (2-го типу), як правило, аксо-соматичні, нейромедіатором служить у-аміномасляна кислота (ГАМК), і вони є гальмівними. Кількісне співвідношення синапсів 1-го та 2-го типу становить 4:1.
Везикули холінергічних синапсів (200-400 Â) прозорі порівняно з більш електроннощільними синаптичними бульбашками (500900 Â), що містять моноаміни (особливо норадреналін). Везикули аксоаксональних синапсів сплощені або мають дископодібну форму і містять переважно один з гальмівних нейромедіаторів: ГАМК або гліцин. Сферичні везикули, навпаки, асоціюються з збуджуючими аксо-соматичними синапсами, що використовують глутамат як медіатор. Везикули асиметричних та симетричних синапсів містять також моноаміни, що використовуються як ко-трансмітери глутамат- і ГАМК-ергічної передачі.
Проте слід зазначити, що розглянуті зв'язки структури та функції є абсолютними.