III. Взаимодействие клеток со средой (клеточная мембрана или плазмолемма)

Взаимодействие клетки с окружающей средой, в том числе и с другими клетками, включает:

• поглощение необходимых веществ (ионов, молекул)
• выделение в среду продуктов синтеза, например, ферментов или сигнальных молекул
• контактные взаимодействия с соседними клетками и др.
• рецепцию сигнальных молекул, например, гормонов

Эти процессы реализуются при участии клеточной мембраны (плазмолеммы).

Клеточная мембрана (плазмолемма)

• образована бислоем липидов с погруженными в него интегральными белками; интегральные белки мембран являются гликопротеинами; их олигосахаридные группы ориентированы во внеклеточное пространство (или его топологический эквивалент).
• при ТЭМ выявляется как трехслойная структура, с прозрачной средней гидрофобной зоной, периферические гидрофильные зоны каждого липидного слоя выглядят электронно-плотными
• строение плазмолеммы и распределение белков в ней можно изучать с помощью метода "замораживания-раскалывания" (криофрактографии), при котором бислой липидов расщепляется на две пластинки
• состав липидного бислоя и его организация определяют ее текучесть, способность к деформации и барьерные свойства
• белки, часто в совокупности с окружающими липидами, выполняют специфические функции клеточной мембраны (рецепторную, транспортную); фрагменты собственных белков клеток (антигены) представляются на внешней поверхности мембраны для распознавания иммунокомпетентными клетками.
• на внешней (экстраклеточной) поверхности плазмолеммы выделяют гликокаликс
• гликокаликс образован олигосахаридными группами гликопротеинов и липидов мембраны; содержит много отрицательно заряженных групп, что способствует связыванию воды и молекул внеклеточной среды
• участвует в образовании межклеточных соединений (контактов)
• с помощью специальных рецепторных белков (фибронектинов) клеточная мембрана может формировать постоянные или временные (фокальные) контакты с внеклеточным матриксом (базальной пластинкой, белками аморфного вещества, фибрином)

Клеточные мембраны двух эндотелиальных клеток

Поверхности расщепленных мембран эритроцитов

Гликокаликс на поверхности эндотелиальной клетки

Межклеточные соединения (контакты)

• особенно многочисленны в некоторых тканях (эпителиальных, мышечных, нервной), образующих клеточные пласты или функциональные группы
• основные разновидности - простые (без мембранных специализаций), адгезионные (механическая связь мембран), окклюдирующие или плотные (замыкающие пространство между клетками), коммуникационные (сообщение между цитоплазмами клеток).
• в некоторых клеточных ансамблях (например, в эпителии кишки и воздухоносных путей), межклеточные соединения разных типов образуют контактные комплексы

Механические соединения

• интердигитации - простые соединения клеточных мембран, не содержащие специализированных структур и сформированные за счет сложной пальцевидной конфигурации прилегающих клеточных поверхностей; обеспечивают механическую связь с соседними клетками
• адгезионные контакты (десмосомы, фасции и пояски адгезии) связывают клетки между собой, обеспечивая механическую прочность клеточного слоя; в десмосомах (пятнах адгезии) участки клеточных поверхностей связываются посредством специальных белков адгезии; прочность контакта подкрепляется промежуточными филаментами
• фасция и поясок адгезии (опоясывающие десмосомы) менее прочны, чем десмосомы, но занимают сравнительно большую площадь поверхностей соседних клеток; подкрепляются актиновыми филаментами

Интердигитации между поверхностями эпителиальных клеток

Десмосома между эпителиальными клетками околоушной слюнной железы

Окклюдирующие соединения

• плотные (окклюдирующие или замыкающие) контакты регулируют проходимость (проницаемость) межклеточного пространства в эпителии
• в составе контактных комплексов располагаются наиболее апикально (ближе к поверхности), образуются за счет сети гребешков, составленных из внутримембранных частиц (интегральных белков - клодинов и оккклюдинов)
• такие частицы принадлежат обеим мембранам контактирующих клеток, но при расщеплении мембран (криофрактография) видны на какой-либо одной поверхности (на другой - определяются ямки, комплементарные этим частицам)
• сеть гребешков плотного контакта перекрывает межмембранное пространство, ограничивая перемещение веществ между клетками; проницаемость окклюдирующих соединений зависит от густоты ("плотности") сети гребешков и заметно различается в разных эпителиях

Контактный комплекс между эпителиальными клетками тонкой кишки

Плотный контакт между клетками секреторного отдела (ацинуса) поджелудочной

Перерывы в сети гребешков плотного контакта в эндотелии

Коммуникационные соединения

• обеспечивают перемещение веществ между цитоплазмами контактирующих клеток
• представлены щелевыми контактами (нексусами), образованными кластерами внутримембранных частиц - коннексонов
• каждый коннексон представляет собой короткий трансмембранный канал, который очень точно сопоставлен с аналогичным каналом соседней мембраны (в итоге формируется сплошной канал, связывающий напрямую цитоплазмы контактирующих клеток)
• щелевые соединения проницаемы для и ионов и небольших молекул (например, цАМФ), что может быть важным для распространения возбуждения или сигнала между соседними клетками.
• нексусы многочисленны и обширны в возбудимых тканях (например, в мышце сердца, между отдельными кардиомиоцитами, в нервной системе)

Анулярный нексус между мембранами клеток сердечной мышцы

Кластер коннексонов в мембране эндотелиальной клетки (криофрактография)

Мембранный транспорт

• липидный бислой плазмолеммы почти непроницаем для водорастворимых веществ; перенос в цитоплазму веществ, необходимых для жизнедеятельности клетки (ионов, аминокислот, сахаров), осуществляется с помощью специальных интегральных белков - трансмембранных каналов, пронизывающих липидный бислой
• внеклеточные белки и многие водорастворимые молекулы не могут переноситься через клеточную мембрану. Для поглощения крупных молекул клетки используют механизм эндоцитоза.
• при селективном (рецептор-зависимом) эндоцитозе переносимая молекула предварительно связывается с рецепторами клеточной поверхности; на цитоплазматической поверхности мембраны формируется оболочка из белка клатрина
• клатриновая оболочка способствует концентрации рецепторов в образующейся ямке; ямка превращается в инвагинацию и затем в клатриновую везикулу; после отделения от мембраны везикула теряет клатриновую оболочку
• с помощью рецептор-зависимого эндоцитоза клетка поглощает не только необходимые нутриенты (питательные вещества), но и некоторые сигнальные молекулы, эффекты которых связаны с регуляцией активности внутриклеточных структур
• при пиноцитозе (неселективном эндоцитозе) с помощью плазмолеммальных инвагинаций и везикул в клетку интернализуются "кванты" окружающей среды, не требующие участия рецепторов

Формирование везикулы, окаймленной клатрином, в эндотелиальной клетке

• для поглощения частиц (остатков разрушенных клеток, микроорганизмов, нерастворимых соединений) клетки используют механизм фагоцитоза. Клеточная мембрана при этом образует протяженные выросты, которые окружают частицы и, замыкаясь, формируют фагосомы. В последующем фагосомы сливаются с лизосомами клетки, превращаются в фаголизосомы, в которых происходит деградация поглощенного материала.
• некоторые клетки, например, макрофаги, специализированы в отношении функции фагоцитоза: в их цитоплазме можно встретить много лизосом, содержащих протеолитические ферменты, необходимые для деградации фагоцитированных частиц (формирование лизосом обеспечивается хорошо развитым комплексом Гольджи).
• фрагменты чужеродных белков, поглощенных макрофагами, представляются на клеточной поверхности с помощью специальных белков главного комплекса гистосовместимости (MHC) и распознаются рецепторами Т-лимфоцитов.
• с помощью аутофагоцитоза в клетке разрушаются собственные органеллы, например, митохондрии, завершившие свой жизненный цикл; для формирования аутофагосомы используются мембраны эндоплазматической сети.

Фагоцитоз клеточного детрита макрофагом

Аутофагосома в цитоплазме клетки

Фрагмент цитоплазмы макрофага (лизосомы, комплекс Гольджи)

• для освобождения в окружающую среду продуктов жизнедеятельности или специфического синтеза используется механизм экзоцитоза (процесс, обратный эндоцитозу)
• в типичном варианте экзоцитоза: в цитоплазме секреторных клеток формируются специальные мембранные "контейнеры" - секреторые гранулы, которые группируются в апикальной части клеток; мембраны гранул сливаются с плазмолеммой и содержимое освобождается в просвет железы

Секреторные гранулы в клетках околоушной слюнной железы

Освобождение содержимого гранулы в просвет ацинуса поджелудочной железы