Принципы межклеточной коммуникации

УО «Международный государственный  экологический университет

им. А. Д. Сахарова»

 

 

 

 

 

 

Реферат на тему:

«Принципы межклеточной коммуникации»

 

 

 

 

 

Подготовила: Студентка 5-го курса

506 группы

Шилик Д.В

Проверила: Морозик М.С.

 

 

 

 

 

 

 

 

Минск,2012

Принципы межклеточной коммуникации.

Судьба любой клетки организма зависит от сигналов, поступающих к ней извне. Они регулируют процессы, определяющие выживание клеток, их способность к делению и дифференцировке, функциональную активность или гибель последних. Под влиянием внешних сигналов происходят различные биохимические превращения внутри клеток, изменяется уровень экспрессии генов, наблюдаются перестройки цитоскелета – клетка реагирует на раздражение.

Важнейшим этапом межклеточной коммуникации является передача

сигнала от клетки к клетке. Для ее успешного осуществления необходимо, как минимум, два элемента: клетка, генерирующая сигнал, и клетка,

способная к восприятию сигнала. В зависимости от наличия специализированных, способных к восприятию сигнала, структур на поверхности клетки – рецепторов – все многообразие действующих механизмов можно разделить на две большие группы:

1) сигнализация, протекающая без участия рецепторов – обеспечивается благодаря наличию особых контактов между клетками, встречается между клетками в пределах одной ткани;

2) сигнализация, для реализации  которой необходимы рецепторы –

протекает как между клетками в пределах одной ткани, так и  между клетками разных тканей.

Ко второй группе механизмов передачи сигнала относятся различные

типы связи, большинство  из которых ассоциируется с выделением химического вещества во внеклеточную среду генерирующей сигнал клеткой

(принцип гуморальной регуляции). В настоящее время выделяют:

• эндокринную передачу сигнала: химическое вещество – гормон –

попадает в кровеносное  русло и вместе с током крови  переносится на

значительные расстояния, оказывая влияние на клетки-мишени, расположенные в самых разных местах организма;

• паракринную передачу сигнала: химическое вещество – «тканевой» регулятор, или парагормон, выделяется во внеклеточную среду, где оно способно диффундировать на незначительное расстояние, вовлекая в ответную реакцию совокупность расположенных рядом клеток;

• нейронную передачу сигнала: действие химического вещества –

нейромедиатора – ограничено узкой областью специального контакта

двух взаимодействующих  клеток – синапсом. Таким образом, в ответную реакцию вовлекается лишь одна клетка из множества возможных. В рассмотренном случае в качестве генерирующей сигнал структуры всегда

выступает нервная клетка. Объектом ее влияния является другая нервная клетка, клетка мышечной ткани или железы.

Часто крайне сложно провести четкую границу между двумя последними типами межклеточной сигнализации. В ряде случаев диффузия нейромедиатора не ограничивается областью синапса, оказывая действие на рядом расположенные клетки. Справедливо и обратное – парагормоны, достигая области синапса, модулируют нейронную передачу сигнала.

Помимо взаимодействия, опосредованного  выделением химического

вещества в межклеточное пространство, возможна и коммуникация, основанная на прямом контакте между клетками. При этом генерирующая

сигнал клетка, перемещаясь  и вступая в контакт с клеткой-мишенью, сама является источником информации. Связывание клеток происходит при участии мембран-ассоциированных белков и играет важную роль в некоторых процессах клеточной дифференцировки.

Эволюция межклеточной коммуникации.

Сравнительно-физиологические исследования показали, что признаков эволюционного усложнения элементарных механизмов, лежащих в основе электрической возбудимости нервной клетки, не существует. По мнению П. Г. Костюка (1979),они представляют собой чрезвычайно древнее приобретение живых организмов. Новыми же являются различные вспомогательные механизмы, способствующие более эффективному использованию уже имеющихся основных, например появление миелиновой оболочки и системы перехватов Ранвье, значительно увеличивающих скорость проведения нервного импульса.

Даже по отношению к  организмам, обладающим самой простой, в

сравнении с высокоорганизованными животными, нервной системой, несправедливо говорить о меньшей степени медиаторной специфичности их нервных клеток. Использование в качестве сигнальных молекул различных веществ характерно даже для кишечнополостных.

Тем не менее в ходе эволюции происходит перекомбинация элементарных механизмов, обусловливающих процессы межклеточной коммуникации. В частности, у высших позвоночных и беспозвоночных животных уменьшается доля пептидергических нейронов и наблюдается экспансия нервных клеток, использующих различные низкомолекулярные соединения в качестве нейромедиатора. У представителей животного мира, находящихся на более высокой ступени эволюционной лестницы, происходит замена электрических и электрохимических синапсов на чисто химические.

ТИПЫ МЕЖКЛЕТОЧНЫХ КОНТАКТОВ

Морфологические структуры, возникающие в местах соприкосновения клеток в тканях, носят название межклеточных контактов. Они могут быть классифицированы на основании выполняемой функции:

1. Функция герметизации  отсеков межклеточного пространства между соседними клетками. В результате мелкие водорастворимые молекулы не способны легко и быстро перемещаться во внеклеточном матриксе.

В организме позвоночных  этот тип соединений представлен плотными контактами (tight junction). Они сформированы посредством связанных друг с другом белков, закрепленных на рядом расположенных участках мембран соседних клеток (рис. 1, а). Играют ключевую роль в поддержании полярности клеток, особенно эпителиальных, обеспечивая различия в составе межклеточного пространства по разные стороны от слоя связанных таким образом клеток.

2. Функция скрепления  клеток друг с другом. В результате  ткани

приобретают механическую прочность, а различные клеточные типы не

смешиваются в пределах одного органа (ткани).

Основу контактов этого  типа составляют трансмембранные белки  –

кадгерины. Молекула кадгерина плазматической мембраны одной клетки

напрямую связывается  с аналогичной молекулой кадгерина, расположенной на мембране соседствующей клетки, соединяя их в единое целое.Связывание происходит в присутствии ионов кальция.

Наиболее просто устроенными  типами подобных соединений являются рыхлые (простые) контакты, в англоязычной литературе именуемые слипающимися контактами (adherens junction). В этом случае (рис. 1, б)

между лишенными специализированных структур плазматическими мембранами соседних клеток имеется щель шириной 10–20 нм. При этом молекула кадгерина посредством связывающего белка соединяется с актиновыми волокнами внутри клетки. Таким образом реализуется соединение этого элемента цитоскелета в единую сеть. Благодаря сокращению актиновых волокон обеспечиваются координированные движения пластов клеток, что имеет особенно важное значение в ходе эмбрионального развития, например при формировании нервной трубки. Своеобразной разновидностью простых контактов являются межклеточные «замки» –когда мембраны соседних клеток изгибаются, образуя на поверхности клеток впячивания (см. рис. 1, б).Десмосомы принципиально не отличаются от описанных выше структур. Этот тип контакта образован кадгеринами различных типов, соединенными в цитоплазме клетки с бляшкой, представленной связывающими белками, и скрепленными при ее посредстве с промежуточными волокнами (рис. 1, в). Эти элементы цитоскелета пересекают цитоплазму клетки во многих направлениях, укрепляют всю конструкцию, противодействуя механическим напряжениям, возникающим в ткани. Представлены тремя классами молекул:

1) кератиновыми волокнами (в клетках эпителиальной ткани);

2) виментином и виментин-подобными волокнами (в клетках соединительной и мышечной ткани, поддерживающих клетках нервной системы – нейроглии);

3) нейрофиламентами (в нервных клетках).

Полудесмосомы обеспечивают прикрепление пласта клеток к базальной мембране (характерны для эпителиальных клеток).

3. Функция коммуникации  между клетками как в пределах  одной ткани, так и между разными типами тканей. Благодаря этим соединениям осуществляется транспорт веществ и передача сигналов. Представлены щелевыми контактами (gap junction) и синапсами.

Подробные описания этих структур приводятся ниже.

Цитоплазма растительных клеток соединена посредством плазмодесм – специальных каналов, стенки которых образованы цитоплазматической мембраной, общей для контактирующих клеток. Таким образом, создается не

прерывность цитоплазмы, что  обеспечивает передачу раздражения и передвижение веществ от клетки к клетке, а скрепление клеток друг с другом

происходит благодаря  срединной пластинке, цементирующей  клеточные стенки рядом расположенных клеток.

ЩЕЛЕВЫЕ КОНТАКТЫ

На сегодняшний день считается  общепринятым тот факт, что клетки большинства тканей позвоночных и беспозвоночных животных способны контактировать со своими соседями посредством внутриклеточных

структур, обладающих низким электрическим сопротивлением. У  позвоночных только несколько типов  клеток (красные клетки крови, сперматозоиды, скелетные мышцы) в высокодифференцированном (зрелом) состоянии не формируют щелевых контактов.

Благодаря электронномикроскопическим исследованиям были определены структуры, ответственные за прямую межклеточную передачу

электрического сигнала. Последняя возможна только в случае наличия

участков плотного прилегания мембран соседних клеток (размеры  щели составляют 2–3 нм). Дальнейшие работы показали присутствие в этих

местах специфических частиц – коннексонов, плотно упакованных в плазмалемме (расстояние между центрами соседних структур составляет 9–10 нм). Коннексон, входящий в состав щелевого контакта, образует цилиндр с центрально расположенной водяной порой. Стенки цилиндра сформированы шестью белковыми субъединицами, способными смещаться относительно друг друга, контролируя таким образом проницаемость канала.

Рентгеноструктурный анализ позволил с высоким разрешением (7 и 21 Å) установить строение канала щелевого контакта (рис. 2). Щелевой контакт состоит из двух полуканалов, каждый из которых содержит 24 белковые α-спирали, соответствующие четырем трансмембранным доменам шести субъединиц. Наружный диаметр полуканала со стороны цитозоля составляет 70 Å, а с внеклеточной стороны – 50 Å.

Диаметр поры колеблется от 40 Å (со стороны цитозоля) до 15 Å (в месте соединения двух полуканалов во внеклеточном пространстве). Поверхности коннексонов образуют плотное соединение друг с другом за счет стыкующего домена, что препятствует утечке частиц, переносящих заряд (ионов) во внеклеточное пространство.

Белки, образующие каналы щелевого контакта, называются коннексинами (connexin, Cx). Их классификация основана на молекулярной массе (в кДа) и месте обнаружения (h – human (человек), r – rat (крыса) и т. п.):hCx32. К 2003 г. было известно о 20 генах, кодирующих образование коннексинов у человека. Они находятся во многих хромосомах, образуя скопление только в первой хромосоме. Множество генов, кодирующих коннексины, имеют сходную организацию. Предполагается, что в гаплоидном геноме они представлены лишь одной копией, а их возникновение является результатом дупликации генов.

СИНАПСЫ

Согласно классическому  определению, синапсы представляют собой

специализированные функциональные контакты между клетками возбудимых тканей. Термин «синапс» ввел Ч. Шеррингтон (С. Sherrington, 1897).

Характерная особенность  данных образований – наличие относительно широкого (15–20 нм) пространства между контактирующими клетками. Следствием этого является невозможность прямой передачи электрического сигнала от клетки к клетке (благодаря шунтирующему действию обладающей низким электрическим сопротивлением внеклеточной жидкости). Указанное затруднение было разрешено за счет использования химических веществ в механизмах передачи сигнала. В результате сформировалась оригинальная морфологическая структура (рис. 3).

В синапсе различают несколько  составных частей:

1) пресинаптическая часть: представляет собой расширенное окончание клетки (нейрона). Именно здесь располагаются многочисленные

синаптические пузырьки (везикулы), окруженные мембраной структуры

диаметром от 10 до 90 нм, содержащие химическое вещество (медиатор

или нейромедиатор). Здесь также широко представлены митохондрии,

многочисленные микротрубочки  и микрофиламенты (нейрофиламенты).

Пресинаптическая мембрана представляет собой участок плазмалеммы,

непосредственно контактирующий с соседней клеткой;

2) синаптическая щель: участок межклеточного пространства, отделяющий пресинаптическую клетку от постсинаптической;

3) постсинаптическая часть:  образована участком плазматической

мембраны другой клетки, содержит встроенные белковые молекулы – рецепторы, способные обратимо связываться с нейромедиатором, вызывая