Физиология межклеточной коммуникации
Исследование форм взаимодействия клеток, обеспечивающих поддержание целостности организма. Механизмы передачи сигналов. Типы и функции межклеточных контактов. Морфологическая структура синапса. Роль молекул клеточной адгезии в физиологических процессах.
| Рубрика | Биология и естествознание |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 02.04.2023 |
| Размер файла | 374,1 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://allbest.ru
РЕФЕРАТ
Физиология межклеточной коммуникации
Дисциплина: Биохимия
Содержание
Введение
1. Межклеточные контакты
2. Клеточная адгезия
3. Клеточная миграция
Заключение
Список использованной литературы
Введение
Сигналы, поступающие к клетке извне, регулируют процессы, определяющие выживание клеток, их способность к делению и дифференцировке, функциональную активность или клеточную гибель. Под влиянием внешних сигналов происходят различные биохимические превращения внутри клеток, происходит изменение уровня экспрессии генов, наблюдаются перестройки экзоскелета. Таким образом клетка реагирует на раздражение.
Межклеточные коммуникации - феномен, объединяющий различные формы взаимодействия клеток, обеспечивающий формирование и поддержание целостности организма. Клетки способны взаимодействовать за счет прямого контакта, локальной и дистанционной передачи секретируемых медиаторных молекул.
Взаимодействие молекул адгезии обеспечивает узнавание клеточных партнёров и их прикрепление друг к другу (адгезию), что позволяет клеткам-партнёрам сформировать контакты, а также передавать сигналы от клетки к клетке при помощи диффундирующих молекул и поверхностных рецептов. Важным аспектом адгезионной активности клеток является также взаимодействие с белками межклеточного матрикса (фибронектин, ламинин и др.). Активность адгезивных взаимодействий регулируется при участии специфических для каждого типа клеток и вида молекул цитокинов. Причиной многих осложнений (в частности, онкологических заболеваний) служат дефекты генов, кодирующих гликопротеины клеточной адгезии.
1. Межклеточные контакты
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).
Рисунок 1 - Типы межклеточных контактов
а - плотный контакт, б - рыхлый (простой контакт), в - десмосома
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. Щелевой контакт состоит из двух полуканалов, каждый из которых содержит 24 белковые б-спирали, соответствующие четырем трансмембранным доменам шести субъединиц. Наружный диаметр полуканала со стороны цитозоля составляет 70 Е, а с внеклеточной стороны - 50 Е. Диаметр поры колеблется от 40 Е (со стороны цитозоля) до 15 Е (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. Строение щелевого контакта представлено на рисунке 2.
Рисунок 2 - Структура канала щелевого контакта
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.
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).
Рисунок 3 - Структура синапса
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 впоследствии генерацию электрического импульса в постсинаптическом нейроне.
В зависимости от морфологии контактирующих пре- и постсинаптических мембран выделяют синапсы двух типов: асимметричные, 1-го типа, и симметричные, 2-го типа. Они отличаются друг от друга по ряду признаков:
* синаптическая щель в синапсах 1-го типа шире (300 Е) синаптической щели синапсов 2-го типа (200 Е);
* постсинаптическая мембрана синапсов 1-го типа толще и плотнее;
* синапсы 1-го типа длиннее (размеры синаптических мембран составляют 1-2 мкм, и мембраны более выражены), а синапсы 2-го типа короче (1 мкм, и уплотнение их синаптических мембран не столь выражено);
* синаптические пузырьки многочисленны в синапсах 1-го типа, имеют округлую форму (30-60 нм в диаметре), а в синапсах 2-го типа они овальной или дисковидной формы, менее многочисленны, их размер составляет 10-30 нм;
* в синаптической щели синапсов 1-го типа (ближе к постсинаптической мембране) расположена бляшка из внеклеточного вещества.
2. Клеточная адгезия
Адгезия клеток друг к другу и к внеклеточному матриксу играет важную роль в осуществлении многих физиологических и патологических процессов, таких как эмбриональное развитие, заживление ран, развитие иммунного ответа и опухолевый рост. Она обеспечивает целостность и взаимодействие тканей, влияет на регуляцию пролиферации, миграции, дифференцировки и апоптоза клеток.
В осуществлении адгезии клеток принимают участие адгезивные молекулы белковой природы (например, кадерины, селектины, коннексины, протеогликаны, иммуноглобулины), а также белки экстрацеллюлярного матрикса (ЭЦМ). Важной структурной особенностью белков клеточной адгезии является наличие в их составе трипептида RGD, участвующего во взаимодействии со специфическими рецепторами на поверхности клеток - интегринами.
Большинство адгезивных белков мозаичные, мультимодульные и полифункциональные. При этом каждый из их модулей может функционировать независимо от других, по-видимому, путем связывания со своим мембранным рецептором. К функционально важным модулям таких белков относятся модули, структурно сходные с эпидермальным фактором роста (ЭФР), содержащие 30-40 аминокислотных остатков (а.о.) и ответственные за их способность участвовать в регуляции пролиферации и дифференцировки клеток.
Взаимодействие с соседними клетками или элементами межклеточного матрикса обеспечивается молекулами, объединенными в группу молекул клеточной адгезии (МКА, cell adhesion molecules - CAMs). При этом клеточная адгезия не должна рассматриваться только как процесс, с помощью которого клетки механически прикрепляются друг к другу встроенными молекулами, а как динамический процесс, где МКА участвуют в процессах межклеточной сигнализации.
В настоящее время бесспорной является роль МКА в воспалительных процессах (прилипание лейкоцитов и их миграция через эндотелий), в процессе формирования тромба, опухолевого роста и пр. Однако эти же МКА обеспечивают и процессы эмбрионального развития, начиная от взаимодействия гамет и заканчивая формированием тканей и органов.
Впервые МКА были выделены в 70-х гг. прошлого столетия. К настоящему времени число известных МКА достаточно велико, и по мнению большинства авторов, количество и значение изученных МКА ничтожно мало по сравнению с неизученными. Тем не менее их можно разделить на пять семейств структурно и функционально родственных молекул:
* кадгерины;
* селектины;
* интегрины;
* иммуноглобулиновое суперсемейство;
* муцины (сахарид-опосредованные МКА)
Все МКА имеют 3 участка: внеклеточный, трансмембранный, внутриклеточный (цитоплазматический). Внеклеточный участок ответственен за связь с лигандами. Во многих случаях отдельная молекула способна взаимодействовать не с одним, а с несколькими лигандами, для чего служат разные участки связывания. Трансмембранный участок обеспечивает фиксацию молекулы в мембране, ее латеральную подвижность. Внутриклеточный участок связан с элементами цитоскелета или вторичными посредниками, поэтому с его помощью полученная извне информация реализуется во внутриклеточные процессы: изменение формы, перемещение, активизацию синтетических процессов, деление и пр.
Кадгерины являются Са2+-зависимыми МКА («кальциевая адгезия»), которые объединяют клетки в ткани и поддерживают целостность ткани, т.е. удерживают вместе контактирующие мембраны соседних клеток. Для кадгерина характерны гомофильные взаимодействия (когда рецептор и лиганд идентичны), т.е. внеклеточные участки кадгериновых молекул двух соседних клеток соединяются в антипараллельной ориентации и формируют непрерывную кадгериновую «молнию», образуя адгезионные контакты и десмосомы. Цитоплазматический домен кадгерина связан с актиновыми филаментами посредством белков катенинов.
Катенины являются активными посредниками, поскольку служат субстратом для различных тирозинкиназ, ингибирующих клеточную адгезию, взаимодействуют с рецептором эпидермального фактора роста и пр., а значит, играют важную роль в регуляции клеточной адгезии.
Подавляющее большинство клеток организма экспрессирует молекулы кадгерина, изначально названные по типу ткани, в которой впервые были обнаружены. К настоящему времени открыто более десятка кадгеринов. Наиболее распространенными являются:
- Е-кадгерин - эпителиальные клетки, яичники, плацента, почки;
- N-кадгерин - нервы, мышцы, клетки селезенки;
- Р-кадгерин - плацента, эпидермис;
- R-кадгерин - сетчатка;
- десмоглеины, десмоколлины - кардиомиоциты, эпителиальные клетки.
Е-кадгерин экспрессируется всеми эмбриональными клетками млекопитающих, начиная с одноклеточной стадии, и на протяжении всего развития необходим для распознавания и сортировки клеток. Разделение и дифференцировка тканей в процессе эмбриогенеза связано с дифференциальной экспрессией различных генов кадгерина. Так, в ходе гаструляции клетки, формирующие мезодерму, утрачивают Е-кадгерин и начинают экспрессировать N-кадгерин. Отмечено также, что при миграции клетки утрачивают кадгериновые молекулы, но при реагрегации вновь возобновляют их экспрессию на своей поверхности. Примерами могут служить исчезновение и появление N-кадгерина при миграции и реагрегации клеток нервного гребня, при разъединении сомитов и образовании новых структур. Предполагается, что катенины активно участвуют в формировании тела эмбриона. Выяснено, что ген катенина человека на 70% идентичен гену сегментарной полярности дрозофилы, который кодирует белки, необходимые для определения пути развития клеток во время раннего эмбриогенеза. Сходным образом катенин участвует в регуляции формирования эмбриона лягушек и частично отвечает за регуляцию образования передне-задней оси тела. Можно предположить, что эта консервативная нуклеотидная последовательность выполняет сходные функции и в процессе раннего эмбриогенеза человека.
Селектины - группа МКА, которые связываются с углеводными остатками в составе гликопротеинов, т.е. обладают лектиноподобными свойствами (лектины - молекулы, связывающиеся с углеводами). Кроме лектинового домена, связывающегося с углеводами, во внеклеточном участке селектина содержится домен, по структуре близкий рецептору фактора роста эпителия, и домен, гомологичный доменам регуляторных белков комплемента. Селектины классифицируются по названиям клеток, в которых они впервые были обнаружены:
- L-селектин - лейкоцитарный;
- Е-селектин - эндотелиальный;
- Р-селектин - тромбоцитарный (обнаружен и в эндотелии).
Доказана роль, которую играют селектины в процессах краевого стояния и миграции лейкоцитов из сосудистого русла, описаны их гликопротеиновые лиганды (адрессины) на поверхности лейкоцитов, тромбоцитов, нейтрофилов и эндотелиальных клеток. Селектинам, как и другим МКА, участвующим в подобных процессах, присваиваются другие (синонимичные) названия. Например, отдельным селектинам соответствуют номера кластеров дифференцировки. К селектинам относится, например, CD43. Вместе с тем, немаловажная роль отводится селектинам в раннем эмбриогенезе.
L-селектин обнаружен на поверхности зрелого овоцита, в процессе дробления исчезает и вновь экспрессируется на клетках бластоцисты накануне имплантации; в то же время олигосахаридные лиганды выявлены на мембранах эпителия эндометрия и сохраняются там в течение периода возможной имплантации (20-24 сутки полового цикла).
Р-селектины обнаружены на поверхности гамет, и инициация взаимодействия прозрачной оболочки и поверхности сперматозоида с последующей акросомальной реакцией является селектин-опосредованным взаимодействием: рецептор-фермент гликозилтрансфераза на поверхности сперматозоида распознает N-ацетилглюкозамин в составе прозрачной оболочки овоцита и т.д.
Интегрины - это обширная группа МКА, которые участвуют не только в межклеточных взаимодействиях, но и во взаимодействиях с компонентами внеклеточного матрикса. Они участвуют во многих процессах, включая эмбриогенез, рост и метастазирование опухолевых клеток, апоптоз, формирование тромба и миграцию клеток в зоны воспаления. Все интегрины состоят из двух цепей: альфа и бета. Обе цепи пронизывают мембрану и участвуют в связывании с лигандом. Семейство интегринов делят на подсемейства по типу бета-цепи. В настоящее время выделено 9 видов бета- цепей, но в организме человека наиболее часто определяются бета1-, бета2- и бета3- цепи. Бета1- и бета3-цепи обеспечивают взаимодействие между клеткой и матриксом, а бета2- цепи - межклеточные взаимодействия. Лигандами бета1-цепей являются ламинин, коллаген, фибронектин, т.е. эти интегрины обеспечивают адгезию клеток к элементам межклеточного матрикса. Бета3-цепи взаимодействуют с фибриногеном, витронектином, тромбоспондином, участвуя в адгезии клеток к элементам сосудистой стенки. Лигандами для бета2-цепей будут являться другие виды МКА, часто - иммуноглобулинового семейства.
Каждая бета-цепь может связываться с одной из различных альфа-цепей, в результате чего образуются разнообразные молекулы адгезии внутри каждого подсемейства. Например, альфа1бета1 экспрессируется на фибробластах и связывается с коллагеном и ламинином, альфа2бета1 - на эпителиоцитах и взаимодействует с теми же лигандами и т.д.
Хорошо изучена роль интегринов, прежде всего, в процессах эмбриональной миграции и формирования полудесмосом в эпителиальном пласте. Характерным для интегринов является тот факт, что один и тот же рецептор может слабо связываться с различными, но сходными молекулами лиганда или обладать различным сродством к одному и тому же лиганду. В одних случаях предпочтение тому или иному субстрату или прочность связывания с ним объясняется наличием определенных ионов (интегрины функционируют в присутствии Са2+ или Mg2+), в других - внутриклеточному содержимому, т.е типу клетки.
Так, интегрин альфа3бета1 фибробластов имеет относительно низкое сродство к ламинину, коллагену и фибронектину, поэтому использует этот лиганд в качестве субстрата для миграции. Внеклеточный участок интегрина то связывается с элементами межклеточного матрикса, то прерывает эту связь, то вновь возобновляет. Цитоплазматический участок бета-цепи интегрина посредством винкулина, талина, альфа-актинина связан с сократительным аппаратом (актином) внутри клетки, что дает клетке возможность изменять форму, двигаться относительно неподвижного матрикса.
Тот же самый интегрин альфа3бета1 эпителиальных клеток имеет значительно более высокое сродство к ламинину, поэтому он имеет существенное значение в прикреплении эпителиоцита к ламинину базальной мембраны и формировании полудесмосом.
В то же время один и тот же тип клеток под влиянием окружения начинает продуцировать разные виды интегринов и дифференцироваться в различных направлениях. Так, например, клетки нефрона происходят из однородной группы клеток метанефрогенной ткани. Однако по мере развития клетки, дающие начало эпителию боуменовой капсулы экспрессируют интегрин альфа3бета1, тогда как клетки канальцев - альфа6бета1.
Иммуноглобулиновое суперсемейство - это группа МКА, структура внеклеточной части которых напоминает структуру молекул иммуноглобулинов. Все МКА, принадлежащие этому суперсемейству, делятся на две группы: образующие гомофильные и гетерофильные связи. К первой группе относятся нейрональные МКА - N-CAM. N-CAM соседних клеток, связываясь друг с другом (гомофильное соединение), обеспечивают адгезию аксонов к мышечным клеткам, миграцию нервных клеток вдоль глиальных, объединение аксонов в пучок (N-CAM-фасцилины), стимуляцию роста нервных отростков (от сетчатки к мозгу), а также соединение клеток (хотя межклеточное соединение с помощью кадгеринов гораздо сильнее), временную экспрессия при развитии не нервных тканей, регуляцию межклеточной адгезии в процессах развития. N-CAM обнаруживается на неоплодотворенном зрелом овулировавшем овоците вплоть до стадии бластоцисты. С-CAM - другой член этого семейства - экспрессируется клетками ранней бластоцисты и участвует в имплантации.
Ко второй группе относятся иммуноглобулиновые МКА, которые осуществляют межклеточную адгезию путем связывания с МКА других классов (гетерофильное связывание), чаще всего - с интегринами. К ним относятся ICAM-1 (intercellular adhesion molecula-1), ICAM-2, ICAM-3 на поверхности эндотелия, VCAM-1 (vascular cellular adhesion molecula-1) - молекула адгезии сосудистого эндотелия и пр. Взаимодействие иммуноглобулиновых МКА на поверхности эндотелия с интегринами лейкоцитов обеспечивает в адгезии лейкоцитов к эндотелию и в дальнейшем - выходу в окружающие ткани.
Муцины (протеогликаны) - это МКА, имеющие ряд гликозаминогликановых участков связывания. Типичный маркер - CD44, который активно связывается с гиалуроновой кислотой аморфного вещества, участвуя в процессах клеточного роста, миграции клеток, воспаления, опухолевого роста. CD44 обнаружен на фолликулярных клетках зернистой зоны и лучистого венца и, очевидно, играет определенную роль в созревании овоцита. Растворимый CD44 обнаружен в фолликулярной жидкости. Определение его концентрации используется в программах по экстракорпоральному оплодотворению, поскольку отражает будущую фертильность содержащегося в фолликуле овоцита.
3. Клеточная миграция
Миграция клеток имеет основополагающее значение для установления и поддержания правильной организации многоклеточных организмов. Морфогенез можно рассматривать частично как следствие клеточной локомоции, от крупномасштабных миграций эпителиальных пластов во время гаструляции до движения отдельных клеток при развитии нервной системы. Во взрослом организме миграция клеток необходима для правильного иммунного ответа, заживления ран и гомеостаза тканей, в то время как аберрантная миграция клеток обнаруживается при различных патологиях. Действительно, по мере того как наши знания о миграции расширяются, мы можем рассчитывать, например, на снижение распространения высокозлокачественных раковых клеток, замедление инвазии лейкоцитов при воспалительном процессе или ускорение заживления ран.
Направленная миграция клеток - это интегрированный процесс, который необходим для эмбрионального развития и на протяжении всей жизни. Неспособность клеток мигрировать или миграция клеток в неподходящие места могут привести к аномалиям или опасным для жизни последствиям. Например, многие врожденные дефекты головного мозга развитие, ведущие к психическим расстройствам могут быть связаны с нарушением миграции нейронов. У взрослых миграция клеток является центральным гомеостатическим процессом, устанавливая эффективный иммунитет, реагируя на раздражающие факторы и восстанавливая поврежденные ткани. Миграция также может способствовать некоторым патологическим процессам, в том числе сосудистым заболеваниям, хроническим воспалительным заболеваниям, образованию опухолей и метастазов. адгезия клетка молекула сигнал
Таким образом, существует значительный интерес к пониманию клеточной миграции на молекулярном уровне потому что это может привести к новым терапевтическим подходам, особенно в областях биотехнологии, которые сосредоточены на клеточной трансплантации и производстве искусственных тканей.
Миграция происходит повсеместно при эмбриональном развитии, например, гаструляция. Этот процесс происходит после зачатия и последующего формирования бластоциста, клубка быстро делящихся клеток. При гаструляции большие группы клеток внутри бластоцистов мигрируют вместе как листы и образуют три слоя, которые составляют получившийся эмбрион. Ячейки внутри этих слоев в конечном итоге мигрируют в целевые местоположения по всему развивающемуся эмбриону, где они пролиферируют и образуют различные ткани и органы.
Например, в развивающийся мозжечок, клетки-предшественники нейронов мигрируют из эпителиальных слоев, расположенных вдоль желудочка к месту расположения в отдельные слои, где они затем расширяются в аксоны и образуют синапсы.
Миграция не ограничивается периодом развития, и происходит во взрослом организме как в норме, так и в патологии. Например, кожа постоянно обновляется за счет клеток-предшественников, которые мигрируют вверх из базального слоя. Миграция также характерна для взрослой иммунной системы, когда лейкоциты из кровеносного русла переходят в окружающие ткани и фагоцитируют бактерии. С другой стороны, некоторые клетки опухолей приобретают способность мигрировать из исходной опухоли на новые места, где образуют вторичную опухоль (метастазы).
Миграцию можно рассматривать как циклический процесс. Он начинается с ответа клетки на внешний сигнал, что приводит к поляризации и удлинению выпячивания в направлении движения. Образование спаек прикрепляет выпячивание к субстрату, по которому мигрирует клетка. Эти спайки частично служат точками тяги для миграции, а также инициируют сигналы, которые регулируют динамику спайки и протрузионную активность. Затем сокращение перемещает тело клетки вперед, а освобождение прикреплений сзади по мере того, как клетка втягивается, завершает цикл. В то время как относительно медленно движущиеся клетки, т.е. фибробласты показывают эти очень отчетливые этапы, в других типах клеток различные этапы менее очевидны. Быстро мигрирующие клетки, такие как кератоциты и лейкоциты, скользят по субстрату, плавно выпячиваясь и втягиваясь, не образуя заметных прикреплений. Интересно, что клетки, мигрирующие пластами, обнаруживают черты движения одиночных клеток; те, что спереди, имеют выступы, а ячейки в задней части листа имеют признаки втягивания.
Недавние данные указывают на пластичность механизмов миграции. Например, миграция клеток in vivo отличается от миграции клеток in vitro. Миграция in vivo гораздо более направлена, чем in vitro, при этом клетки образуют длинные устойчивые выпячивания, направленные в направлении миграции. Опухолевые клетки также демонстрируют пластичность, которая резко зависит от окружающей среды. В одних условиях они поляризуются и мигрируют вдоль пучков коллагена, тогда как в других они становятся более амебоидными и используют другие механизмы миграции.
Центральным элементом клеточной миграции является поляризованная клетка. Большое количество различных молекул может служить внешними агентами, инициирующими и способствующими миграции. Некоторые молекулы инициируют миграционный фенотип (хемокинетический), в то время как другие находятся в растворимой форме (хемотаксические) или субстратные (гаптотактические) градиенты, связанные и приводящие к направленному движению. Эти молекулы и их рецепторы особенно хорошо изучены в лейкоцитах.
Нейтрофилы, например, чувствуют наличие даже небольшого градиента, в котором они поляризуются и постоянно мигрируют в одном направлении. Их постоянная полярность очевидна, когда эти клетки ощущают изменяющиеся хемотаксические градиенты, и вся клетка поворачивается, а не расширяет новое выпячивание из другой области. Напротив, фибробласты кажутся гораздо более пластичными и могут выпячиваться из любого положения в клетке, меняя направление.
Cами хемотаксические рецепторы не поляризуются в ответ на градиент, они передают внеклеточный сигнал внутрь клетки. Затем клетка должна преобразовать этот сигнал в поляризованные внутренние ответы. Одной из первых молекул, которые становятся поляризованными в ответ на хемотаксический агент, является фосфатидилинозитол (3,4,5) трифосфат (PIP3), липид, который служит для рекрутирования других молекул, таких как Akt/PKB, к мембране. Локальная активация PI 3-киназы и низкий уровень липидфосфатаз, таких как PTEN, на клеточном фронте вызывают быстрое накопление PIP3 на переднем крае. Асимметричное накопление PIP3 приводит к активации ГТФаз семейства Rho, включая Rac и/или Cdc42, и полимеризации актина на переднем крае.
Cdc42, по-видимому, является ключевым регулятором полярности, потому что клетки теряют способность реагировать на хемотаксический градиент и беспорядочно мигрируют, когда эта молекула ингибируется. Par6 и ассоциированный с ним белок, PKCж, являются частью сигнального пути ниже Cdc42, который устанавливает клеточную полярность во время миграции. Хотя нижестоящие мишени PKCж неизвестны, этот путь, по-видимому, участвует в организации сетb микротрубочек.
Локальная активация Rac или Cdc42 является ключевым регуляторным событием, которое стимулирует полимеризацию актина на переднем крае широких ламеллоподий или шиповидных филоподий соответственно. Эта полимеризация служит для продвижения мембраны вперед, что приводит к расширению выступа в направлении миграции. Другие регуляторы актиновой динамики также локализуются на уровне или вблизи его переднего края. В ламеллиподиях к ним относятся PIP2, WASP, Scar и Arp2/3, которые контролируют образование новых ветвей актиновых филаментов на существующих филаментах.
Сама полимеризация регулируется белками, которые служат для закрытия растущих филаментов, разрезания старых частей существующих филаментов и контроля доступности активированных актиновых мономеров.
Адгезионные комплексы, которые являются местами прикрепления между клеткой и внеклеточным матриксом, стабилизируют выпячивание посредством структурных связей с актиновыми филаментами и опосредуют передачу сигналов семейству Rho GTPases, ERK/MAP kinase и др. регуляторным молекулам. Адгезионные комплексы состоят из ряда белков, включая рецепторы адгезии, киназы, адаптеры и структурные молекулы. Они служат точками тяги, по которым движется клетка, и могут передавать сильные выталкивающие силы. Небольшие Rac-индуцированные спайки на переднем крае ответственны за быструю миграцию клеток. Формирование более сильных спаек препятствует миграции, которая является самой быстрой при оптимальной силе адгезии, т. е. достаточно прочной, чтобы поддерживать тракцию, но достаточно слабой, чтобы обеспечить быстрое отсоединение в задней части. Несколько связанных с миграцией молекул находится на переднем крае. Они включают активированные интегрины, которые предположительно зарождают и стабилизируют зарождающиеся спайки, талин, который рекрутирует киназу PIP типа Iг, и винкулин, который взаимодействует с Arp2/3. Интересно, что Arp2/3 также временно связывается с зарождающимися адгезиями, что указывает на роль этих адгезий в зародышеобразовании полимеризации актина.
Актиновые филаменты генерируют силу миозина в передней части клетки, которая служит для притягивания тела клетки к выпячиванию. Высвобождение адгезивных связей в задней части клетки и ретракция хвоста, также миозин-опосредованный процесс, завершают цикл. Пространственная и временная регуляция Rho GTPаз контролирует эти процессы с помощью эффекторов, таких как ROCK, которые регулируют сократимость актомиозина. ROCK участвует в высвобождении спаек в задней части клетки посредством регуляции миозина II. Другие молекулы, участвующие в высвобождении спаек, включают протеазу кальпаин, фосфатазу кальцинейрин и динамику микротрубочек, которые служат для регуляции Rac-активности и разборки адгезии.
Функциональная и молекулярная асимметрия, столь присущая миграции клеток, предполагает полярность в переносе клеточных компонентов, поскольку старые компоненты высвобождаются и удаляются сзади, а новые компоненты перемещаются к передней кромке. Хотя относительный вклад различных механизмов неизвестен, есть несколько интересных вариантов. К ним относится перенос эндоцитарных везикул, которые могут перемещать материал из задней части клетки в переднюю или через эндосомальный путь рециркуляции. Некоторые сигнальные молекулы транспортируются комплексами к функциональным областям клетки и обратно через большие многобелковые комплексы. Поляризованные актиновые филаменты также могут служить дорожками для транспорта мРНК и доставки секреторных пузырьков к передней части клетки.
Заключение
В ходе выполнения работы были рассмотрены такие вопросы как межклеточные контакты, клеточная адгезия и клеточная миграция. Все эти три понятия являются связанными друг с другом. Так, межклеточные контакты неразрывно связаны с белками клеточной адгезии, которые обеспечивают не только прикрепление клеток к матриксу, но и друг к другу. Вопрос клеточной миграции также имеет тесную связь с клеточной адгезией в связи с тем, что перемещение клеток обусловлено нарушениями и изменениями, происходящими в белках адгезии.
Значение этих вопросов сложно недооценить. Межклеточные контакты отвечают за передачу сигналов между клетками, что особенно вызывает интерес при изучении нервной системы и взаимодействия нервных клеток между собой при помощи синаптических связей. Клеточная адгезия - основополагающий механизм лабораторного культивирования множества клеточных культур, относящихся к адгезионному типу. Миграция же клеток лежит в основе распространения, например, раковых клеток, что вызывает метастазы в других органах.
Список использованной литературы
1. Сидоров, А. В. Физиология межклеточной коммуникации : учеб. пособие / А. В. Сидоров. - Минск : БГУ, 2008. - 215 с
2. Терентьев А. А., Молдогазиева Н. Т. Белки клеточной адгезии и аlpha-фетопротеин. Сходные структурные мотивы и возможные общие функции (обзор) //Биохимия. - 2007. - Т. 72. - №. 9. - С. 1133-1152.
3. Слука Б. А., Студеникина Т. М. Молекулы клеточной адгезии и их роль в процессе оплодотворения у человека //Медицинский журнал. - 2005. - №. 4. - С. 7-10.
4. Trepat X., Chen Z., Jacobson K. Cell migration //Comprehensive Physiology. - 2012. - Т. 2. - №. 4. - С. 2369.
5. Horwitz R., Webb D. Cell migration //Current Biology. - 2003. - Т. 13. - №. 19. - С. R756-R759.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Миграция лейкоцитов, циркулирующих с кровью, по всему организму, зависимость пути их миграции от стадии дифференцировки и уровня активации клеток. Молекулы межклеточной адгезии. Механизмы клеточной миграции, ее усиление в период воспалительного процесса.
реферат [24,2 K], добавлен 26.09.2009Классификация межклеточных контактов. Понятие, характеристика, функции замыкающих (рыхлый, плотный), адгезионных (десмосомы), проводящих (синапсы, нексусы) межклеточных контактов, гемидесмосомы, рецепторов. Аутоиммунное заболевание, поражающее десмосомы.
курсовая работа [218,2 K], добавлен 13.04.2009Эндоэкологический "дефолт" клеток организма. Общая характеристика экосистемы, ее типы. Концепция эндоэкологической реабилитации. Экосистемы во внутренней организации индивидуума, их роль для организма. Эндоэкология и проблемы целостности живого организма.
курсовая работа [52,4 K], добавлен 30.09.2012Анатомия и физиология как науки. Роль внутренней среды, нервной и кровеносной систем в превращении потребностей клеток в потребности целого организма. Функциональные системы организма, их регуляция и саморегуляция. Части тела человека, полости тела.
презентация [10,6 M], добавлен 25.09.2015Механизм передачи нервных импульсов от одной клетки организма другой, значение синапса в данном процессе. Природа синапсов и их разновидности. Метод Гольджи и его роль в изучении строения нервных клеток. Выделение медиатора при химическом синапсе.
реферат [65,0 K], добавлен 08.08.2009Развитие физиологических функций организма на каждом возрастном этапе. Анатомия и физиология как предмет. Организм человека и составляющие его структуры. Обмен веществ и энергии и их возрастные особенности. Гормональная регуляция функций организма.
учебное пособие [6,1 M], добавлен 20.12.2010Химический состав клеток, функции внутриклеточных структур, функции клеток в организме животных и растений, размножение и развитие клеток, приспособления клеток к условиям окружающей среды. Положения клеточной теории по М. Шлейдену и Т. Шванну.
презентация [1,3 M], добавлен 17.12.2013Виды возбудимых тканей и свойственные им формы возбуждения. Механизм поддержания электролитного гомеостаза клеткой. Строение и функции клеточной мембраны. Формирование потенциалов покоя и действия. Роль возбуждения в процессах дыхания и пищеварения.
реферат [1,2 M], добавлен 08.12.2013Смерть клетки как постоянное проявление жизнедеятельности организма. Виды клеточной гибели и механизмы их протекания. Нарушения физиологической гибели клетки и их последствия. Современные направления научно-исследовательской работы в данном вопросе.
доклад [779,9 K], добавлен 19.04.2013Исследование основных этапов развития клеточной теории. Анализ химического состава, строения, функций и эволюции клеток. История изучения клетки, открытие ядра, изобретение микроскопа. Характеристика форм клеток одноклеточных и многоклеточных организмов.
презентация [1,4 M], добавлен 19.10.2013
