Многоклеточного организма способны синтезировать в межклеточную среду различные вещества, формирующие межклеточный матрикс, выполняющий различные функции. Матрикс:
1) разделяет группы клеток, препятствуя контакту между ними;
2) служит средой для миграции клеток;
3) может индуцировать дифференцировку клеток.
В состав внеклеточного матрикса входят три основных компонента: коллаген, протеогликаны и гликопротеины. Консистенция внеклеточного матрикса зависит от соотношения коллагена и протеогликанов (преобладание коллагена создает жесткость). Также в состав внеклеточного матрикса входит множество других компонентов: - фибрин, эластин, фибронектины, ламинины и нидогены; минералы, такие, как гидроксилапатит; жидкости - лимфа, плазма крови, содержащая свободные антигены. Внеклеточный матрикс составляет большую часть соединительных тканей, чем окружаемые им клетки, и определяет физические свойства ткани, например, кальцинированный матрикс костей и матрикс зубов; прозрачный матрикс роговицы; канатообразный матрикс сухожилий, выдерживающий огромные силы натяжения. Внеклеточный матрикс также принимает участие в регулировании поведения контактирующих с ним клеток: их развития, миграции, воспроизведения, формы, функционирования. В промежутке между эпителиальными и соединительными тканями матрикс образует базальную - тонкую, но жесткую подстилку, играющую важную роль в контролировании клеточного поведения. Вайнберг (R. A. Weinberg, 1989) высказал предположение, что окружающая нормальная ткань сдерживает рост опухолевых клеток, как бы нормализуя их и не давая проявляться неконтролируемому росту. Такими «нормализующими» факторами, согласно Вайнбергу, могут быть взаимодействие клетки с внеклеточным матриксом, межклеточные связи через щелевые контакты и выделяемые нормальными клетками цитокины. Нормальное микроокружение является тем первым барьером, который должен преодолеть трансформированный клон прежде, чем превратиться в автономно растущую опухоль.
Знания о составе, свойствах и функционировании внеклеточного матрикса очень важны для разработки новых лекарств на основе , поскольку первыми барьерами, которые необходимо им преодолеть на пути до клетки-мишени, является кровь и внеклеточный матрикс. Структурные элементы матрикса (например, коллаген) как правило имеют наноразмерную организацию и используются в подходах. Так, коллагеновые матрицы с контролируемой укладкой наноразмерных волокон могут быть использованы для культивирования клеток и создания имплантатов.
Авторы
- Народицкий Борис Савельевич
- Нестеренко Людмила Николаевна
Источники
- Матрикс // Информационно-справочный ресурс по биологии. -www.cellbiol.ru/book/kletka/matriks
- ВКМ (матрикс внеклеточный, ECM) // База знаний по биологии человека. -
Межклеточные контакты представляют собой специализированные белковые комплексы благодаря которым соседние клетки вступают во взаимный контакт и сообщаются друг с другом
Внеклеточный матрикс представляет собой плотную сеть, состоящую из белков, которая расположена между клетками и образована ими самими
Клетки экспрессируют рецепторы для белков внеклеточного матрикса
Белки внеклеточного матрикса и межклеточные контакты контролируют трехмерную организацию клеток в ткани, а также их рост, подвижность, форму и дифференцировку
Одним из наиболее важных событий в эволюции живых существ было появление многоклеточных организмов . Когда клетки выработали способ группироваться вместе, они приобрели способность образовывать сообщества, в которых различные клетки специализированы по функциям. Если, например, два одноклеточных организма «объединяют усилия», можно представить себе, что каждый из них будет специализироваться на выполнении определенных функций, необходимых для успешного роста и размножения, а остальные оставит своему партнеру.
Для образования простого многоклеточного организма или ткани более сложного организма клетки должны надежно прикрепляться друг к другу. Как показано на рисунке ниже, для клеток животных это прикрепление может достигаться тремя путями. Во-первых, клетки непосредственно прикрепляются друг к другу посредством образования межклеточных контактов, которые представляют собой специальные модификации клеточной поверхности соседних клеток. Эти контакты видны в электронном микроскопе. Во-вторых, клетки могут взаимодействовать между собой без формирования контактов, используя белки, которые не образуют такие специализированные области. В-третьих, клетки соединяются между собой непрямым образом, прикрепляясь к сети внеклеточного матрикса (ВКМ), который содержит молекулы, расположенные в межклеточной среде.
Прикрепление клеток происходит за счет образования контактов их поверхности с внеклеточным матриксом.
Однако формирование многоклеточного организма представляет собой не такую простую задачу, как скрепление нескольких клеток друг с другом. Правильное функционирование таких сообществ клеток обеспечивается их эффективным взаимодействием и разделением труда между ними. Межклеточные контакты представляют собой высокоспециализированные области, в которых клетки соединяются между собой посредством белковых комплексов, связанных с мембранами. Известно несколько различных типов межклеточных контактов, каждый из которых выполняет специфическую роль в сообщении клеток между собой.
Белки, образующие щелевые контакты , дают возможность клеткам непосредственно сообщаться друг с другом, образуя каналы, через которые происходит обмен малыми цитоплазматическими молекулами. Белки, формирующие плотные контакты, служат селективным барьером, который регулирует прохождение молекул через слой клеток и препятствует диффузии белков в плазматической мембране. Адгезивные контакты и десмосомы формируют механическую устойчивость, связывая цитоскелет контактирующих клеток, в результате чего слой клеток может функционировать как единое целое. Эти контакты могут служить передатчиками сигналов, переводя изменения клеточной поверхности в биохимические сигналы, которые распространяются по клетке.
Схемы строения межклеточных контактов эпителиальных клеток (слева),контактных адгезивных комплексов клеток неэпителиального происхождения (справа) и комплексов клеток с внеклеточным матриксом (внизу).
Показаны также основные классы компонентов (ВКМ).
Известны также различные типы белков, которые участвуют в бесконтактном взаимодействии клеток . К таким белкам относятся интегрины, кадерины, селектины и родственные иммуноглобулинам молекулы, обеспечивающие адгезию клеток.
Все клетки, даже самые примитивные одноклеточные организмы , обладают функциями узнавания внешнего окружения и взаимодействия с ним. Даже до появления клеточных сообществ клетки должны были прикрепляться к поверхности и перемещаться по ней. Таким образом, адгезивные структуры клеточного матрикса сформировались рано в эволюции. Как показано на рисунке ниже, у многоклеточных организмов пространство между клетками заполнено плотной структурой, состоящей из белков и сахаров, которая называется внеклеточным матриксом. Внеклеточный матрикс организован в виде волокон, слоев и пленочных структур.
В некоторых тканях внеклеточный матрикс находится в виде сложных слоев, которые называются базальной ламиной и непосредственно контактируют с клетками. Белки, входящие в состав внеклеточного матрикса, бывают двух типов: структурные гликопротеины, например коллаген и эластин, и протеогликаны. Эти белки придают тканям прочность и эластичность, а также служат селективным фильтром, контролирующим поток нерастворимых компонентов между клетками. Протеогликаны проявляют гидрофильные свойства и поддерживают между клетками водное окружение. Когда клетки мигрируют, внеклеточный матрикс функционирует как опорная структура, обеспечивающая их передвижение.
Клетки секретируют компоненты внеклеточного матрикса . Они сами образуют эту наружную опорную систему, и при необходимости могут изменять ее форму за счет деградации и замены окружающих участков матрикса. В настоящий момент вопросы контроля сборки и деградации внеклеточного матрикса представляют существенный интерес, поскольку они играют важную роль в развитии многоклеточных организмов, в заживлении ран, а также в образовании злокачественных опухолей.
Контакты клеток с внеклеточным матриксом образуются за счет рецепторных белков клеточной поверхности, которые, собираясь вместе, формируют на поверхности клеток структуры типа островков (patch) и которые связывают внеклеточный матрикс, расположенный с наружной стороны плазматической мембраны с цитоскелетом со стороны цитозоля. Так же как в случае некоторых межклеточных контактов, некоторые из этих белков образуют упорядоченные комплексы, соединяющие клеточную поверхность с цитоскелетом. Эти белки обладают гораздо более широкими функциями, чем просто «клеточные присоски»; они также участвуют во многих процессах передачи сигналов и обеспечивают клеткам возможность сообщаться друг с другом.
Различные клетки вместе со своим внеклеточным матриксом формируют ткани, для которых характерна высокая степень специализации. Хрящевая, костная и другие виды соединительной ткани могут противостоять сильной механической нагрузке, в то время как другие, например ткань, формирующая легкие, не отличаются прочностью, однако являются высокоэластичными. Баланс между прочностью, эластичностью и трехмерной структурой тщательно регулируется, и компоненты каждой ткани выполняют свои функции во взаимодействии друг с другом. Таким образом, организация и состав ткани соответствуют функции, выполняемой органом; например, мышцы совершенно отличаются от кожи, и слава Богу!
Межклеточные контакты и прикрепление клеток к матриксу не ограничены только клеточной поверхностью. Во многих случаях белки должны быть заякорены в мембране достаточно сильно для того, чтобы противостоять механическим усилиям. Для этого требуется их связывание с цитоскелетом, что в основном обеспечивает клетке структурную поддержку. Наличие цитоскелета также предотвращает латеральное смещение рецепторов в плоскости мембраны, «удерживая» их на своих местах. Наряду с этим, процессы передачи сигнала регулируют сборку межклеточных контактов и поддерживают их. Цитоскелет и сигнальные механизмы играют существенную роль в клеточной адгезии.
05.07.2016 Аврора
Внеклеточный матрикс (Extracellular Matrix, ECM) — это комплекс веществ, выделяемых клетками нашего организма и находящийся за пределами самих клеток. Этот комплекс выполняет функцию среды для транспортировки веществ между клетками организма и их механическую поддержку. Также он составляет основу соединительных тканей — костной, хрящевой и жировой.
Внеклеточный матрикс отвечает за жизненно важные процессы, происходящие в нашем организме. В первую очередь, через межклеточную среду происходит транспорт веществ между клетками, тканями и органами. Матрикс также отвечает за регенерацию клеток, их рост, дифференциацию и миграцию. Поэтому от его состояния зависит нормальное функционирование всех наших клеток, тканей, органов и систем.
Структура внеклеточного матрикса не известна до конца, поскольку она постоянно меняется в зависимости от очень многих факторов: количества и соотношения химических элементов в клетках, типа самих клеток и внешних физических факторов. Но его химический состав достаточно хорошо изучен.
Состав внеклеточного матрикса
Кроме воды, которая составляет большую часть его объема, в матриксе содержится:
Гиалуроновая кислота (гиалуронан) — это полисахарид, играющий ключевую роль в создании внутриклеточного давления за счет способности поглощать воду. Гиалуроновая кислота — важнейший компонент синовиальной жидкости, отвечающий за ее вязкость. В суставных хрящах гиалуронан присутствует в качестве оболочки хондроцитов (клеток хрящевой ткани).
Коллаген и эластин. Волокна коллагена (фибриллярного белка), присутствующие в межклеточном матриксе, оказывают клеткам и тканям структурную поддержку. Эластин, наоборот, делает матрикс пластичным. Вместе эти вещества отвечают за растяжение тканей при необходимости и возвращение их в нормальное состояние. Эти свойства очень важны для эластичности сосудов, кожи, связок, мышц и сухожилий.
Протеогликаны (хондроитинсульфат, гепарансульфат, кератансульфат) — сложные белки, которые образуют промежуточное (основное по объему) вещество соединительной ткани. Они служат смазочным материалом в суставах, связывая межклеточную воду.
Кремнезем считается наиболее важным структурным элементом внеклеточного матрикса. Именно за счет диоксида кремния (SiO 2) в нем формируются каналы для транспортировки питательных веществ, а также отвода продуктов жизнедеятельности клеток.
Узнайте подробнее о структуре внеклеточного матрикса из этого видео:
К чему ведет дефицит питательных веществ?
При недостатке этих веществ в организме внеклеточный матрикс теряет свои свойства. Нарушается клеточное питание, ткани начинают терять эластичность, уменьшается скорость их регенерации. И в первую очередь страдает опорно-двигательный аппарат: мышцы, сухожилия, связки, костная и хрящевая ткань. Одновременно с этим теряет свою эластичность кожа, появляются морщины — все это мы привыкли называть естественным старением и износом организма. Но причина этого старения не в количестве прожитых лет, а в недостатке питательных веществ, которое приводит к потере свойств внеклеточного матрикса.
Задачей компании Аврора был поиск такого комплекса питательных веществ, который максимально отвечал бы задаче восстановления внеклеточного матрикса. И мы создали группу биологически-активных добавок, которые не только помогут восстановлению опорно-двигательного аппарата, но и решат целый ряд проблем старения.
В первую очередь следует упомянуть для лечения и профилактики заболеваний опорно-двигательного аппарата. В его состав входит гиалуроновая кислота и хондроитинсульфат — важнейшие элементы для восстановления внеклеточного матрикса соединительной ткани. Этот крем обладает прямым действием на суставы, сухожилия и межпозвоночные диски: питательные вещества поступают напрямую через кожу. Кроме того, крем имеет мощные антиоксидантные свойства, разогревает и снимает усталость.
Томатный сублимированный также содержит эти вещества, но он воздействует на внеклеточный матрикс изнутри. Его регулярное применение способствует выработке синовиальной жидкости, восстановлению хрящевых тканей и суставов, а также слизистых оболочек, сердечно-сосудистой и пищеварительной систем. Наблюдается также и внешний эффект — улучшается состояние кожи, волос, ногтей.
Для восстановления здоровья и молодости кожи рекомендуется косметический крем . В его состав входит запатентованный восстановитель внеклеточного матрикса EMX (Extracellular Matrix Renovator). Это активные частицы кремнезема размером 5 нанометров. Благодаря своим размерам, а также специальной химической обработке они становятся биодоступными, хотя SiO 2 в природе является биологически инертным. Таким образом, частицы EMX могут вступать в химические реакции по восстановлению межклеточного матрикса. Эти свойства были использованы нами в креме Икс-Силанс для глубокого восстановления кожи.
Остеокласты
Остеоциты
Остеобласты
КЛЕТКИ КОСТНОЙ ТКАНИ
ФункциИ костной ткани
ЛЕКЦИЯ №
Тема: Биохимия костной ткани
Факультеты: стоматологический.
Костная ткань является разновидностью соединительной ткани с высокой минерализацией межклеточного вещества.
1. Формообразующая
2. Опорная (фиксация мышц, внутренних органов)
3. Защитная (грудная клетка, череп и т.д.)
4. Запасающая (депо минеральных веществ: кальция, магния, фосфора, натрия и т.д.).
5. Регуляция КОС (при ацидозе отдает Na + , Ca 3 (PO 4) 2)
В организме человека выделяют 2 типа костной ткани: ретикулофиброзная (губчатое костное вещество) и пластинчатая (компактное костное вещество). Из них образованы различные виды костей: трубчатые, губчатые и т. п.
Как и любая ткань, костная ткань состоит из клеток и межклеточного матрикса.
В костной тканивыделяются 2 типа клеток мезенхимального происхождения.
1 тип:
а) стволовые остеогенные клетки;
б) полустволовые стромальные клетки;
в) остеобласты (из них образуются остеоциты);
г) остеоциты;
2 тип:
а) стволовые кроветворные клетки;
б) полустволовые кроветворные клетки (из них образуются миелоидные клетки, макрофаги);
в) унипотентная колонеообразующая моноцитарная клетка (из нее образуется монобласт → промоноцит → моноцит → остеокласт);
Молодые, не делящиеся клетки, создающие костную ткань. Имеют различную форму: кубическую, пирамидальную, угловатую. Содержат 1 ядро. В цитоплазме хорошо развиты широховатая ЭПС, митохондрии и комплекс Гольджи. В клетке много РНК, высокая активность щелочной фосфатазы, активен биосинтез белка (коллагена, протеогликаны, ферменты).
Встречаются только в глубоких слоях надкостницы и в местах регенерации костной ткани. Покрывают всю поверхность развивающейся костной балки.
Преобладающие клетки костной ткани, образуются из остеобластов. Не способны к делению, имеют отросчатую форму, крупное ядро в центре клетки, содержат мало органелл, не имеют центриолей. Располагаются в лакунах, вырабатывают компоненты межклеточного вещества.
Гигантские многоядерные клетки гематогенной природы. В клетке выделяют 2 зоны. В клетке много вакуолей, митохондрий, лизосом. Немного рибосом, слабо развит шероховатый ЭПС.
Активность остеокластов регулируются Т-лимфоцитами через цитокины. Остеокласты способны разрушать обызвествленный хрящ или кость. Они выделяют в межклеточную жидкость СО 2 и карбоангидразу. Н 2 О + СО 2 = Н 2 СО 3 Накопление кислот приводит разрушение кальциевых солей и органической матрицы.
В состав межклеточного матрикса костной ткани входят органические и неорганические вещества. В компактной кости неорганический компонент составляет 70% массы кости, органический компонент - 20% массы кости, вода – 10% массы кости. При этом по объему на неорганический компонент приходится только около ¼ кости; остальную часть занимает органический компонент и вода.
В губчатой костной ткани неорганический компонент составляет 33-40% массы кости, органический компонент - 50% массы кости, вода – 10% массы кости.
Органический компоненткостной ткани состоит в основном (90-95%) из коллагеновых волокон (коллаген 1 типа), которые содержат много оксипролина, лизина, фосфата, связанного с серином, и мало гидроксилизина.
Органический компонент костной ткани содержит незначительное количество протеогликанов и ГАГ. Основным представителем является хондроитин-4-сульфат, немного хондроитин-6-сульфата, кератансульфата, гиалуроновой кислоты.
В костной ткани находятся неколлагеновые структурные белки остеокальцин, остеонектин, остеоронтин и др. Остеонектин является посредником кальцификации, он связывает кальций и фосфор с коллагеном. Пептид (49АК), содержащий 3 остатка γ-карбоксиглутаминовой кислоты. В синтезе этого пептида участвует витамин К, он обеспечивает карбоксилирование глутаминовой кислоты.
В косной ткани содержатся ферменты: щелочная фосфатаза (много в растущих костях), кислая фосфатаза (мало), коллагеназа, пирофосфатаза. Фосфотазы выделяют фосфат из органических соединений. Пирофосфатаза разрушает пирофосфат, который является ингибитором кальцификации.
Также органический компонент представлен различными органическими кислотами фумаровой, яблочной, молочной и т.д. Присутствуют липиды.
Минеральный компонент костной ткани взрослого человека состоит главным образом из гидроксиапатита (приблизительный состав Са 10 (РО 4) 6 (ОН) 2), кроме того, он включает фосфаты кальция (Са 3 (РО 4) 2), магния (Mg 3 (РО 4) 2), карбонаты, фториды, гидроксиды, цитраты (1%) и т.д. В состав костей входит большая часть Mg 2+ , около четверти Na + и небольшая часть К + , содержащихся в организме. У детей раннего возраста в минеральном компоненте костной ткани преобладает аморфный фосфат кальция (Са 3 (РО 4) 2), он является лабильным резервом кальция и фосфора.
Кристаллы гидроксиапатита имеют форму пластинок или палочек толщиной около 8-15Å, шириной 20-40Å, длиной 200-400Å. В кристаллической решетке гидроксиапатита Са 2+ может замещаться другими двухвалентными катионами. В растущую кристаллическую решетку гидроксиапатита могут внедряться ионы тяжелых металлов: свинец, радий, уран и тяжелые элементы, образующиеся при распаде урана, например стронций.
Анионы, отличные от фосфата и гидроксила, либо адсорбируются на большой поверхности, образуемой маленькими кристаллами либо растворяются в гидратной оболочке кристаллической решетки. Ионы Na + адсорбируются на поверхности кристаллов.
Между собой кристаллы гидроксиапатита связываются через Са 2+ с помощью остатков γ-карбоксиглутаминовой кислоты пептида (49 АК).
Вследствие кристаллической структуры образованной органическими и неорганическими компонентами модуль упругости кости сходен с бетоном.
НАУКА
Теория межклеточного матрикса
Все мы знаем, что человеческий организм состоит из клеток, но мало кто задумывается о том, что их количество составляет примерно 20% от всего организма. Остальные 80% состоят из “межклеточного матрикса” . Что такое “межклеточный матрикс”? Как его можно увидеть?
Наиболее наглядным примером межклеточного матрикса в человеческом организме является костная ткань.
Клеточная основа костной ткани это - Остеобласт. Это клетки размером 5-7 микрон, которые строят костную ткань. Количество их еще меньше по массе, чем 20%. Человеческая кость состоит из кристаллов гидроксиапатита, коллагена(тип I) и т.д. Все остальное - это межклеточный матрикс.
Теория старения человека
Даже если клетки будут на 100% здоровыми, в старости разрушение межклеточного матрикса происходит в первую очередь. Как результат, кожа становится дряблой, межклеточный матрикс разрушается, кожа “повисает”, и мы видим все признаки старения кожи невооруженным глазом. То же самое мы можем видеть и на примере костей. Люди болеют не от того, что клетки ведут себя “не так”. От остеопороза кости становятся хрупкими, в первую очередь, по причине разрушения межклеточного матрикса.
Те же проблемы возникают при облысении. В человеческом волосе нет клеток, наоборот - волосы состоят из продуктов жизнедеятельности клеток, а это - межклеточный матрикс в чистом виде. Когда разрушается межклеточный матрикс - наши волосы выпадают.
В ПОЛЬЗУ ЭТОЙ ТЕОРИИ ГОВОРЯТ СЛЕДУЮЩИЕ ФАКТЫ:
Возьмем восстановление структуры в качестве примера, или процесс регенерации.
Например, человек порезался. Восстановление клеток идет примерно с одинаковой скоростью, что у ребенка, что у пожилого человека. Разница в скорости зарастания ран исчисляется процентами, но никак не на порядок. У пожилых людей раны зарастают так же быстро, с соизмеримой скоростью, что и у молодых. Если у молодого человека неглубокий порез затягивается в течение недели, то у пожилого - 8-10 дней. Разница не является кардинальной, клетки делятся и регенерируются примерно с одинаковой скоростью на протяжении всей жизни человека, если он здоров. Это говорит о том, что клетки в порядке, и с возрастом они не теряют своей способности к регенерации, к делению.
Долгие годы для ведущих ученых мира было большой загадкой - как происходит питание клеток на самом деле? Всем давно понятно, что все питательные вещества проникают в клетки с кровью по кровеносным сосудам, по капиллярам. А дальше как? Если вы возьмете микроскоп и посмотрите на ваши клетки - вы обнаружите, что капилляры не подходят к каждой клетке вашего организма, а снабжает кислородом и питательными веществами очень большие группы клеток. Что дальше?
Межклеточный матрикс имеет очень сложное строение. В межклеточном матриксе образуются пути для транспортировки полезных веществ и вывода отработанных продуктов, причем эти пути не всегда существуют, а в зависимости от времени суток, состояния человека могут образовываться в виде “туннелей”, шоссе и т.д. Они могут образовываться на одном и том же месте. Это как аналогия полос с реверсивным движением на дорогах, когда люди едут в одном направлении утром и в противоположном вечером.
СТРУКТУРА МЕЖКЛЕТОЧНОГО МАТРИКСА ДО КОНЦА НЕ ИЗВЕСТНА.
Но совершенно четко доказано: межклеточный матрикс состоит из нескольких основных компонентов. В научном сообществе общепринято, что основной составляющей межклеточного матрикса является - гиалуроновая кислота. Поэтому она сейчас очень модна, повсеместно применяется в косметических кремах, БАДах и тд. Кроме того, в него входит коллаген или аморфный белок, хондроитин, в частности, хондроитин-сульфат, которого особенно много в суставах. И кроме этого последние исследования показывают, что наиболее важным элементом является кремнезем. Он образует первичную структуру, которая состоит из соединений кремния (SiO2). Очень напоминает строки из Библии, когда «Бог создал человека из глины», а глина как мы знаем, состоит из кремнезема, оксида кремния.
Хотя количества кремния в тканях человеческого организма не большое (всего 2%), но он играет огромную роль. Несмотря на то, что кремния очень много в природе - это основной элемент в земной коре, биодоступного кремния очень мало. Обычный кремнезем (песок, пыль, земля) очень химически инертное вещество, которое не вступает в химические реакции. Вроде бы его много, а взять его организму практически негде.