Цитоплазматический матрикс функции кратко

Обновлено: 02.07.2024

Цитоплазматический матрикс (гиалоплазма, цитозоль) – это основное вещество цитоплазмы. Матрикс представляет собой водорастворимую часть цитоплазмы. Содержит около 90 % воды, в которой растворены макромолекулы и молекулярные комплексы (образующие коллоидный раствор), а также малые молекулы и ионы (образующие истинный раствор). В целом матрикс представляет собой жидкий коллоидный раствор – золь. При определенных условиях матрикс переходит в студневидное состояние – гель. Переходы золя в гель и геля в золь – это нормальное состояние физиологически активной клетки; с этими переходами связано движение цитоплазмы, амебоидное движение клеток и изменение их формы.

Функции матрикса: место хранения биологических молекул; среда для протекания биохимических реакций; место хранения включений; транспорт веществ; поддержание постоянства внутриклеточной среды (рН, водно-солевого режима и т.д.).

Цитоплазма эукариотических клеток пронизана трехмерной сеткой из белковых нитей (филаментов), называемой цитоскелетом – это часть цитоплазмы, представленная фибриллярными (волоконными) структурами. В зависимости от диаметра филаменты разделяются на три группы: микрофиламенты (6-8 нм), промежуточные волокна (около 10 нм) и микротрубочки (около 25 нм). Все эти волокна представляют собой полимеры, состоящие из субъединиц особых глобулярных белков.

Микрофиламенты – это нитевидные структуры, образующие сократимые комплексы. Микрофиламенты пронизывают всю клетку и составляют основу цитоскелета. К ним прикрепляются все остальные органоиды клетки. Расположение микрофиламентов в эктоплазме определяет форму клеток. В состав микрофиламентов входят разнообразные белки: актин, миозин и другие. Актин составляет до 10…15% от всех белков клетки. Глобулярный G–актин существует в виде отдельных молекул в форме коллоидного раствора (золь). Но в присутствии АТФ и некоторых белковых факторов образуется нитчатая структура из последовательностей глобул актина (фибриллярный F–актин) в студневидной форме (гель). Миозин всегда существует в виде толстых нитей. Оба белка с участием других белков образуют актин-миозиновый комплекс, способный к сокращению за счет скольжения актиновых и миозиновых микрофиламентов относительно друг друга (при этом затрачивается энергия за счет гидролиза АТФ на определенных участках молекул миозина).

Микротрубочки представляют собой вытянутые полые цилиндры диаметром 25 нм. Микротрубочки сосредоточены в центре клетки и на ее периферии. Они входят в состав центриолей, органоидов движения, веретена деления, образуют цитоскелет в выступающих частях клеток (например, в аксонах нервных клеток). Вдоль микротрубочек могут перемещаться различные структуры (митохондрии и др.). Стенки микротрубочек состоят из белка тубулина. Тубулин (как и актин) может существовать и в виде золя (молекулы α–и β–тубулина, которые соединяются попарно в димеры), и в виде геля. Микротрубочки могут быть одиночными, парными (дублеты) и тройными (триплеты). Одиночные микротрубочки и первые (А) микротрубочки дублетов и триплетов – полные: на поперечном срезе одновременно видны 13 тубулиновых молекул, которые образуют кольцо (точнее, виток спирали). Вторые (В) и третьи (С) микротрубочки дублетов и триплетов – неполные: на поперечном срезе одновременно видны 11 тубулиновых молекул, образующих незамкнутое кольцо. Параллельно расположенные микротрубочки, дублеты и триплеты способны соединяться с помощью белка динеина.

Промежуточные филаменты образованы разнообразными белками: прекератин, виментин, десмин и другие. Их функции разнообразны. В частности, из прекератина образуется кератин – основа рогового вещества.

Включения. В состав цитоплазмы входят включения – структуры, которые не являются ее обязательными компонентами. Включения разнообразны по химическому составу, происхождению и функциям. Эргастические включения содержат энергию для жизнедеятельности клетки. К ним относятся: жировые капли, гранулы гликогена и крахмальные зерна, гранулы белка и алейроновые зерна. Неэргастические включения не служат источниками энергии. К ним относятся: некоторые пигменты (меланин, антоциан), эфирные масла, кристаллы оксалата кальция.

You can follow any responses to this entry through the RSS 2.0 feed.
You can leave a response, or trackback from your own site.

Цитоплазматический матрикс представляет собой основную и наиболее важную часть клетки, ее истинную внутреннюю среду. Компоненты цитоплазматического матрикса осуществляют процессы биосинтеза в клетке и содержат ферменты, необходимые для продуцирования энергии, главным образом за счет анаэробного гликолиза.

Основные свойства цитоплазматического матрикса.

1. С матриксом связаны коллоидные свойства клетки. Вместе с внутриклеточными мембранами вакуолярной системы его можно рассматривать как высокогетерогенную или многофазную коллоидную систему.

2. Обеспечивает изменение вязкости цитоплазмы различных клеток, которая возникает под действием внешних и внутренних факторов.

3. Ответствен за циклоз, амебовидное движение, деление клетки и движение пигмента в хроматофорах.

4. Определяет полярность расположения внутриклеточных компонентов.

5. Обеспечивает механические свойства клеток, такие, как эластичность, способность к слиянию, ригидность.

Библиотека образовательных материалов для студентов, учителей, учеников и их родителей.

Наш сайт не претендует на авторство размещенных материалов. Мы только конвертируем в удобный формат материалы из сети Интернет, которые находятся в открытом доступе и присланные нашими посетителями.

Если вы являетесь обладателем авторского права на любой размещенный у нас материал и намерены удалить его или получить ссылки на место коммерческого размещения материалов, обратитесь для согласования к администратору сайта.

Разрешается копировать материалы с обязательной гипертекстовой ссылкой на сайт, будьте благодарными мы затратили много усилий чтобы привести информацию в удобный вид.

цитоплазма это вещество, обнаруженное внутри клеток, которое включает цитоплазматический матрикс (или цитозоль) и субклеточные компартменты. Цитозоль составляет чуть более половины (приблизительно 55%) от общего объема клетки и является областью, где происходит синтез и распад белков, обеспечивая адекватные средства для проведения необходимых метаболических реакций.

Все компоненты прокариотической клетки находятся в цитоплазме, в то время как у эукариот есть другие отделы, такие как ядро. В эукариотических клетках оставшийся объем клеток (45%) занят цитоплазматическими органеллами, такими как митохондрии, гладкая и шероховатая эндоплазматическая сеть, ядра, пероксисомы, лизосомы и эндосомы..

1 Общая характеристика
2 компонента
- 2.1 Цитозол
- 2.2 Мембранные органеллы
- 2.3 Дискретные органеллы
- 2.4 Без мембранных органелл
- 2.5 Включения
- 3.1 Это коллоид
- 3.2 Тиксотропные свойства
- 3.3 Цитоплазма ведет себя как гидрогель
- 3.4 Циклическое движение
Общие характеристики

Цитоплазма - это вещество, которое заполняет внутреннюю часть клеток и делится на два компонента: жидкая фракция, известная как цитозольный или цитоплазматический матрикс, и органеллы, которые в нее встроены, - в случае эукариотической линии.

Цитозол является желатиновой матрицей цитоплазмы и состоит из огромного разнообразия растворенных веществ, таких как ионы, промежуточные метаболиты, углеводы, липиды, белки и рибонуклеиновые кислоты (РНК). Это может происходить в двух взаимопревращаемых фазах: гелевая и солнечная фазы.

Он состоит из коллоидной матрицы, похожей на водный гель, состоящий в основном из воды, и сети волокнистых белков, соответствующих цитоскелету, включая актин, микротрубочки и промежуточные филаменты, а также ряд вспомогательных белков, которые способствуют образованию рамки.

Эта сеть, образованная белковыми нитями, диффундирует по всей цитоплазме, придавая ей свойства вязкоупругости и характеристики сократительного геля..

Цитоскелет отвечает за обеспечение поддержки и стабильности сотовой архитектуры. Помимо участия в транспорте веществ в цитоплазме и способствуют движению клеток, как при фагоцитозе.

компоненты

Цитоплазма состоит из цитоплазматического матрикса или цитозоля и органелл, которые встроены в это желатиновое вещество. Далее каждый из них будет подробно описан:

цитозоль

Цитозоль представляет собой бесцветное, иногда сероватое, желатиновое и полупрозрачное вещество, обнаруживаемое снаружи органелл. Считается растворимой частью цитоплазмы.

Наиболее распространенным компонентом этой матрицы является вода, составляющая от 65 до 80% ее общего состава, за исключением костных клеток, эмали зубов и семян..

Что касается его химического состава, 20% соответствует белковым молекулам. Он содержит более 46 элементов, используемых ячейкой. Из них только 24 считаются необходимыми для жизни.

Среди наиболее заметных элементов можно упомянуть углерод, водород, азот, кислород, фосфор и серу..

Таким же образом, эта матрица богата ионами, и их удержание приводит к увеличению осмотического давления клетки. Эти ионы помогают поддерживать оптимальный кислотно-щелочной баланс в клеточной среде.

Разнообразие ионов, обнаруженных в цитозоле, варьируется в зависимости от типа изучаемых клеток. Например, мышечные и нервные клетки имеют высокие концентрации калия и магния, в то время как ион кальция особенно богат в клетках крови..

Мембранные органеллы

В случае эукариотических клеток существует множество субклеточных компартментов, встроенных в цитоплазматический матрикс. Их можно разделить на мембранные и дискретные органеллы.

Эндоплазматическая сеть и аппарат Гольджи принадлежат к первой группе, обе из которых представляют собой системы мешкообразных мембран, которые взаимосвязаны. По этой причине сложно определить предел его структуры. Кроме того, эти компартменты представляют пространственную и временную непрерывность с плазматической мембраной.

Эндоплазматический ретикулум делится на гладкий или шероховатый, в зависимости от наличия или отсутствия рибосом. Гладкая отвечает за метаболизм малых молекул, имеет механизмы детоксикации и синтеза липидов и стероидов..

Напротив, грубый эндоплазматический ретикулум имеет рибосомы, прикрепленные к его мембране, и в основном отвечает за синтез белков, которые будут выделяться клеткой..

Аппарат Гольджи представляет собой набор дисков в форме дисков и участвует в синтезе мембран и белков. Кроме того, он обладает ферментативным механизмом, необходимым для внесения изменений в белки и липиды, включая гликозилирование. Он также участвует в хранении и распределении лизосом и пероксисом..

Дискретные органеллы

Вторая группа состоит из внутриклеточных органелл, которые являются дискретными, и их пределы четко прослеживаются по наличию мембран..

Они изолированы от других органелл со структурной и физической точек зрения, хотя могут быть взаимодействия с другими компартментами, например, митохондрии могут взаимодействовать с мембранными органеллами.

В эту группу входят митохондрии, органеллы, которые обладают необходимыми ферментами для осуществления необходимых метаболических путей, таких как цикл лимонной кислоты, цепь переноса электронов, синтез АТФ и b-окисление жирных кислот..

Лизосомы также являются дискретными органеллами и ответственны за хранение гидролитических ферментов, которые помогают реабсорбции белков, уничтожению бактерий и деградации цитоплазматических органелл..

Микротела (пероксисомы) участвуют в окислительных реакциях. Эти структуры обладают ферментной каталазой, которая помогает преобразовывать перекись водорода - токсичный метаболизм - в вещества, безвредные для клетки: воду и кислород. B-окисление жирных кислот происходит в этих органах.

В случае растений существуют другие органеллы, называемые пластидами. Они выполняют десятки функций в растительной клетке, и наиболее выдающимися являются хлоропласты, где происходит фотосинтез.

Безмембранные органеллы

Клетка также имеет структуры, которые не ограничены биологическими мембранами. Они включают компоненты цитоскелета, которые включают микротрубочки, прерывистые филаменты и актиновые микрофиламенты..

Актиновые филаменты состоят из глобулярных молекул и представляют собой гибкие цепи, в то время как промежуточные филаменты более устойчивы и состоят из разных белков. Эти белки ответственны за обеспечение устойчивости к растяжению и дают силы клетке.

Центриоли представляют собой структурный дуэт в форме цилиндра, а также являются не мембранными органеллами. Они расположены в центросомах или организованных центрах микротрубочек. Эти структуры дают начало базальным телам ресничек.

Наконец, существуют рибосомы, структуры, образованные белками, и рибосомная РНК, которая участвует в процессе трансляции (синтез белка). Они могут быть свободны в цитозоле или прикреплены к шероховатой эндоплазматической сети.

Однако некоторые авторы не считают, что рибосомы должны быть классифицированы как сами органеллы..

включений

Включения являются компонентами цитоплазмы, которые не соответствуют органеллам, и в большинстве случаев они не окружены липидными мембранами..

Эта категория включает в себя большое количество гетерогенных структур, таких как гранулы пигментов, кристаллов, жиров, гликогена и некоторых отходов..

Эти тела могут быть окружены ферментами, которые участвуют в синтезе макромолекул из вещества, присутствующего во включении. Например, иногда гликоген может быть окружен ферментами, такими как гликогенсинтаза или гликогенфосфорилаза.

Включения распространены в клетках печени и мышечных клетках. Таким же образом, включения волос и кожи имеют гранулы пигментов, которые придают им характерную окраску этих структур..

Свойства цитоплазмы

Это коллоид

Химически цитоплазма является коллоидной, поэтому она имеет характеристики раствора и суспензии одновременно. Он состоит из молекул с низкой молекулярной массой, таких как соли и глюкоза, а также из молекул большей массы, таких как белки.

Коллоидная система может быть определена как смесь частиц диаметром от 1/10000 до 1/10000, диспергированных в жидкой среде. Вся клеточная протоплазма, которая включает в себя как цитоплазму, так и нуклеоплазму, представляет собой коллоидный раствор, поскольку дисперсные белки обладают всеми характеристиками этих систем..

Белки способны образовывать стабильные коллоидные системы, поскольку они ведут себя как заряженные ионы в растворе и взаимодействуют в соответствии с их зарядами, а во-вторых, они способны привлекать молекулы воды. Как и любой коллоид, он обладает свойством поддерживать это состояние суспензии, что дает стабильность клеткам.

Появление цитоплазмы мутно, поскольку составляющие ее молекулы велики и преломляют свет. Это явление называется эффектом Тиндалла..

С другой стороны, броуновское движение частиц увеличивает столкновение частиц, способствуя ферментативным реакциям в клеточной цитоплазме..

Тиксотропные свойства

Цитоплазма проявляет тиксотропные свойства, как и некоторые неньютоновские жидкости и псевдопластики. Тиксотропия относится к изменениям вязкости с течением времени: когда жидкость подвергается воздействию, ее вязкость уменьшается.

Тиксотропные вещества обладают стабильностью в состоянии покоя и при нарушении приобретают текучесть. В повседневной среде мы находимся в контакте с такими материалами, как томатный соус и йогурт.

Цитоплазма ведет себя как гидрогель

Гидрогель представляет собой природное или синтетическое вещество, которое может быть пористым или нет и обладает способностью поглощать большое количество воды. Его способность к расширению зависит от таких факторов, как осмолярность среды, ионная сила и температура.

Цитоплазма обладает характеристиками гидрогеля, поскольку она может поглощать значительное количество воды, а объем изменяется в зависимости от внешней среды. Эти свойства были подтверждены в цитоплазме млекопитающих.

Цикличность движений

Цитоплазматический матрикс способен совершать движения, которые создают ток или цитоплазматический поток. Это движение обычно наблюдается в наиболее жидкой фазе цитозоля и является причиной смещения клеточных компартментов, таких как пиносомы, фагосомы, лизосомы, митохондрии, центриоли и другие..

Это явление наблюдается в большинстве клеток животных и растений. Амебоидные движения простейших, лейкоцитов, эпителиальных клеток и других структур зависят от движения цитоза в цитоплазме.

Фазы цитозоля

Вязкость этой матрицы варьируется в зависимости от концентрации молекул в клетке. Благодаря своей коллоидной природе в цитоплазме можно выделить две фазы или состояния: солнечную фазу и гелевую фазу. Первый напоминает жидкость, а второй похож на твердое вещество благодаря более высокой концентрации макромолекул.

Например, при приготовлении желатина мы можем различить оба состояния. В солнечной фазе частицы могут свободно перемещаться в воде, однако при охлаждении раствора он затвердевает и становится своего рода полутвердым гелем.

В состоянии геля молекулы способны удерживаться вместе различными типами химических связей, в том числе H-H, C-H или C-N. В тот момент, когда к раствору будет применено тепло, он вернется к солнечной фазе.

В естественных условиях инверсия фаз в этой матрице зависит от множества физиологических, механических и биохимических факторов в клеточной среде..

функции

Цитоплазма - это своего рода молекулярный суп, в котором происходят ферментативные реакции, необходимые для поддержания клеточной функции..

Это идеальное средство транспорта для процессов дыхания клеток и реакций биосинтеза, поскольку молекулы не растворяются в среде и плавают в цитоплазме, готовые к использованию..

Кроме того, благодаря своему химическому составу цитоплазма может функционировать как буфер или буфер. Он также служит адекватной средой для суспендирования органелл, защищая их - и генетический материал, ограниченный ядром - от внезапных движений и возможных столкновений..

Цитоплазма способствует движению питательных веществ и перемещению клеток благодаря генерации цитоплазматического потока. Это явление состоит из движения цитоплазмы.

Токи в цитоплазме особенно важны в крупных растительных клетках и помогают ускорить процесс распределения материала.

Общее строение клетки: ядро, цитоплазматическая мембрана, цитоплазма

Клетка — основная функциональная единица организма. Ядро клетки служит хранилищем огромного объёма генетической информации и одновременно центром её активной экспрессии. Существует большое количество различных типов клеток (клетки эпителия, печени, нервных волокон и др.), особенности метаболизма которых обусловлены находящимися в их цитоплазме органеллами, а также множеством растворимых ферментов, характерных для каждого вида клеток.

Цитоплазматическая мембрана, или плазмолемма, — барьер для растворимых в воде молекул, который отделяет внутреннее содержимое клетки от внешней среды. Она состоит из двух параллельных рядов фосфолипидов, которые образуют гидрофобную липидную прослойку между двумя гидрофильными слоями из фосфатных групп.

Плазмолемма пронизана различными белками, гидрофобные части которых находятся внутри билипидного слоя, а гидрофильные — на внешней и внутренней поверхности мембра ны. Микроворсинки — удлинения на верхней (апикальной) части плазмолеммы, которые увеличивают поверхность мембраны и облегчают обмен молекулами.

Ядро клетки. Генетическая информация заключена в хромосомах, которые находятся в ядерном матриксе. Матрикс — сетчатый внутриядерный каркас, состоящий из белкового материала и тесно примыкающий к ядерной оболочке.
Ядрышком называют морфологически выраженную структуру внутри ядра, в которой происходит синтез рибосомальной РНК (рРНК). В ядре клеток человека обычно присутствует одно ядрышко, в котором во время интерфазы возникают ядрышковые организаторы акроцентрических хромосом.

Ядро окружено двойной мембраной, называемой ядерной оболочкой, которая пронизана ядерными порами.

Цитоплазма клетки. Цитоплазма состоит из гелеобразного цитозоля, содержащего запасы гликогена, липидные вкрапления и свободные рибосомы, который пронизан рядами взаимосоединённых волокон и трубочек, образующих цитоскелет. Основные структурные компоненты цитоскелета — микротрубочки, микрофиламенты и промежуточные филаменты.

Микротрубочки — прямые полые цилиндры, стенки которых состоят из чередующихся молекул а- и b-тубулина. Они исходят из клеточного центра (центросомы), который имеет пару центриолей— цилиндрических структур, образованных девятью триплетами микротрубочек. Подобное строение свойственно также базальным тельцам реснитчатого эпителия.
Сеть микротрубочек играет важную роль в поддержании структуры и размера клетки, а также при расхождении хромосом во время деления и движения ресничек и сперматозоидов.

Микрофиламенты представляют собой двуспиральные полимеры белка актина и находятся в основном по периметру клетки. Они участвуют в движении клетки и изменении её формы.
Промежуточные филаменты имеют трубчатую структуру и соединяют десмосомы. В зависимости от вида клетки в их состав входит один или несколько из пяти определённых белков.

Митохондрии — самые крупные и наиболее распространённые в цитоплазме органеллы, основной функцией которых служит обеспечение организма энергией посредством синтеза АТФ. Митохондрии — самовоспроизводящиеся полуавтономные органеллы, содержащие рибосомы и до десяти и более копий кольцевых нитей митохондриальной ДНК.

Данная ДНК кодирует митохондриальные гены. В митохондриях присутствуют ферменты, необходимые для функционирования цикла трикарбоновых кислот, а также большое количество ферментов, участвующих в окислении жирных кислот.

Пероксисомы частично отвечают за детоксикацию различных веществ (в том числе этанола), однако их основная задача — окисление жирных кислот.

Эндоплазматическая сеть (ЭПС) — основной центр синтеза белков и липидов, который также служит начальным этапом секреторного пути белков. ЭПС представляет собой обширный лабиринт из связанных с мембраной каналов, который соединяется непосредственно с ядерной оболочкой.

Вблизи ядра на поверхности ЭПС есть рибосомы (гранулярная ЭПС), в то время как на участках, расположенных дальше, рибосомы отсутствуют (агранулярная или гладкая ЭПС). ЭПС играет важную роль в нейтрализации токсинов. Белки, синтезируемые в ней, затем попадают в комплекс Гольджи — ряд расположенных друг над другом сплюснутых везикул. После этого белки депонируются или попадают в секреторные везикулы для осуществления экзоцитоза, т.е. выведения из клетки в ответ на внешнее воздействие.

Эндоцитоз. Эндоцитозом называют процесс поглощения и переработки клеткой компонентов окружающей среды. При опосредованном рецепторами пиноцитозе происходит захват мелких частиц путём образования везикулы с жидкостью на поверхности цитоплазматической мембраны и её последующего поглощения клеткой. При этом образуются окаймлённые впячивания. Более крупные частицы связываются с мембраной и поглощаются в составе фагоцитарных вакуолей (фаголизосом); растворы поглощаются при помощи жидкостного пиноцитоза.

Содержимое пиноцитарных и фагоцитарных везикул, которые часто называют эндосомами, обычно обрабатывают лизосомы, содержащие разрушающие ферменты — лизоцимы.

Межклеточные соединения. В случае плотного соединения образуется непроницаемая перемычка между внешней (апикальной) и базолатеральной поверхностями эпителиальных клеток. При липких соединениях клетки связаны с помощью опоясывающих (длинные волокна) и точечных (расположены непосредственно в месте скрепления) десмосом. Гемидесмосомы (полудесмо-сомы) соединяют эпителиальные клетки через базальные мембраны (производные экстрацеллюлярного матрикса).

Причина болезни Шарко—Мари—Тута, сцепленной с Х-хромосомой, — дефект белка, участвующего в щелевом соединении клеток.
Большинство лекарственных препаратов вступают во взаимодействие с рецепторами цитоплазматической мембраны. Различные противоопухолевые препараты, такие, как винкристин или винбластин, повреждают систему микротрубочек, в то время как колхицин, применяемый для исследования хромосом, угнетает клетки во время метафа-зы митоза. Клофибрат снижает продукцию дополнительных пероксисом, его используют для снижения уровня липопротеинов в сыворотке крови.

Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021

Обзор

Внеклеточный матрикс — неотъемлемая часть любой ткани.

Автор

Редакторы

Внеклеточный матрикс (ВКМ) — многокомпонентная субстанция, в которую погружены все клетки нашего организма. В последнее десятилетие интерес к внеклеточному матриксу значительно возрос. Это связано с установлением его роли в старении, клеточной дифференцировке, успешной терапии рака и лечении некоторых наследственных заболеваний. Мы подготовили цикл статей, в котором расскажем об организации внеклеточного матрикса, болезнях, связанных с его патологиями, роли ВКМ в старении и подходах к корректировке возрастных изменений.
В первой статье цикла мы рассказываем о компонентах и функциях внеклеточного матрикса, разбираемся, какую практическую пользу может принести его изучение, а также вкратце освещаем самые важные открытия в этой области, совершенные за последний год.

Редакция благодарит Татьяну Голубеву за экспертные консультации и комментарии при подготовке статьи.

Что такое внеклеточный матрикс?

Внеклеточный матрикс (ВКМ, extracellular matrix, ECM) объединяет разрозненные клетки в единый многоклеточный организм. ВКМ похож на государство, в котором живут граждане-клетки: он отвечает за благополучие клеток и управляет всеми аспектами их жизни — от питания и размножения до смерти. Для клеток ВКМ — это и квартира, и магазин, и интернет, и общественный транспорт.

ВКМ: основные игроки

Создатели ВКМ. Компоненты ВКМ синтезируют специализированные клетки. В соединительной ткани наиболее распространены фибробласты, однако создавать ВКМ умеют и другие клетки: в хрящах, например, это хондроциты, а в костях — остеобласты. Компоненты матрикса могут синтезировать и клетки прилегающих органов: например, клетки эпителия сосудов производят компоненты рыхлой соединительной ткани.

Основное вещество ВКМ. Основу матрикса формируют гиалуроновая кислота и особые белки: гликопротеины и протеогликаны (рис. 1). В состав ВКМ входит и множество других белков со специфической функциональной нагрузкой — интегрины, фибронектины, эластин, — о них мы поговорим в следующем разделе.

Рисунок 1. Организация ВКМ на примере кожи. Фибробласты создают ВКМ, металлопротеиназы его разрушают. Клетки эпидермиса связаны с ВКМ при помощи интегринов.

Компоненты ВКМ

Выделяют два подкласса белков, содержащих углеводы, — протеогликаны и гликопротеины. Оба подкласса входят в состав ВКМ, однако между ними есть существенные различия.

В гликопротеинах доля углеводов не превышает 20%, углеводные цепи короткие, имеют нерегулярное строение и не содержат уроновых кислот.

К гликопротеинам относятся такие важные структурные белки, как коллаген и эластин. За счет самого распространенного структурного белка в организме — коллагена — ВКМ приобретает прочность, а за счет эластина — гибкость и эластичность.

Рисунок 2. Схема строения молекулы интегрина. Субъединицы интегрина (α и β) пронизывают плазматическую мембрану, связывая клетку с внешней средой.

Интегрины улавливают химические и физические сигналы из внеклеточного матрикса и проводят их в клетку. Сигнал от интегринов передается в ядро через белки цитоскелета и сигнальные белки — так ВКМ управляет экспрессией генов и регулирует клеточную пролиферацию. При посредничестве белков цитоскелета ВКМ также управляет формой и движениями клеток.

Фибронектины — это белки клеточной адгезии. Растворимые предшественники фибронектинов синтезируюся внутри клеток и затем попадают в ВКМ. Интегрины превращают фибронектины в нерастворимые нити — компоненты внеклеточного матрикса [4]. Они помогают клеткам закрепляться на поверхностях и отвечают за их рост и перемещение в ВКМ [5].

Почему так важно изучать внеклеточный матрикс?

Внеклеточный матрикс присутствует во всех тканях организма, поэтому сбои в его функционировании ведут к развитию болезней соединительной ткани, преждевременному старению и гибели клеток. Самый очевидный стимул для изучения ВКМ — необходимость лечения заболеваний, связанных с нарушениями структуры соединительной ткани. Таких болезней много, они могут протекать тяжело и значительно ухудшать качество жизни пациентов. Вот несколько примеров.

Мутации в генах, отвечающих за синтез структурных белков ВКМ, приводят к врожденным патологиям [7]. Поскольку соединительная ткань — основа всех систем организма, пострадать от генетических нарушений может любой орган. Такие нарушения приводят:
- на уровне костей — к несовершенному остеогенезу,
- на уровне кожи — к синдрому Элерса—Данлоса, при котором кожа становится слишком эластичной,
- на уровне мышечной ткани — к врожденной мышечной дистрофии (CMD).
Из всех типов генетических нарушений ВКМ лучше всего изучена врожденная миодистрофия. Это заболевание развивается из-за нескольких мутаций, нарушающих работу мышц. В результате мутации в гене ITGA7, кодирующем интегрины мышечных клеток, нарушается связь клеток с ВКМ. Это гибельно для мышечной ткани: потеря связей с ВКМ запускает апоптоз — программируемую смерть клеток.

Преждевременное разрушение ВКМ — еще одна серьезная проблема. Здоровый внеклеточный матрикс постоянно обновляется и реструктурируется. За это отвечает семейство металлопротеиназ, белков — разрушителей ВКМ.

Еще одна патология, вызываемая нарушениями в процессах разрушения и формирования ВКМ, — болезнь Крона (хроническое воспаление кишечника) [10]. По мере ее развития возникает фистулизация и фибростеноз кишечника (рис. 3).

Рисунок 3. При болезни Крона происходит фистулизация и фибростеноз кишечника. Из-за избыточного разрушения ВКМ в кишечной стенке образуются отверстия, а из-за избыточного синтеза коллагена сужается просвет кишечника.

Фистулизация — образование отверстий в кишечной стенке. Этот процесс связан с неконтролируемой активностью металлопротеиназ, разрушающих коллаген слизистой оболочки кишечника. Так как целостность слизистой нарушается, иммунные клетки из кровеносных сосудов проникают в кишечную стенку — так развивается воспаление, а через некоторое время появляется отверстие в стенке кишечника.

Избыточный синтез ВКМ часто говорит о том, что у человека рак и у этого рака плохой прогноз [11]. Кроме того, сам ВКМ может способствовать росту опухоли и распространению метастазов — это доказано для опухоли головного мозга. Особенно неприятно, что существующие методы лечения — например, лучевая терапия — способны заставить ВКМ послать клеткам сигнал, который может привести к рецидиву опухоли мозга [12].

Лучевая терапия стимулирует работу мембранных белков HAS2, которые отвечают за синтез ГК. В результате они синтезируют больше гиалуроновой кислоты, а чем больше ГК, тем агрессивнее становятся опухолевые клетки. Получается, что лучевая терапия может стимулировать метастазирование опухоли. Таким образом, из-за особенностей ВКМ лучевая терапия помогает только на время: опухоль часто возвращается, становясь еще более опасной. Отчасти по этой причине некоторые виды опухолей мозга так плохо поддаются лечению.

Проблемы с ВКМ — важная причина старения

Первые признаки старения, которые сразу бросаются в глаза, — слабость, хрупкость костей, появление морщин и старческих пятен. Многие из этих проблем связаны с необратимыми изменениями во внеклеточном матриксе.

Одна из причин старения кожи — нарушение работы фибробластов (клеток, синтезирующих компоненты внеклеточного матрикса). При этом благополучие фибробластов зависит от состояния внеклеточного матрикса — получается замкнутый круг.

Чтобы фибробласты хорошо себя чувствовали, им нужно цепляться за интактные, целые коллагеновые нити. Но со временем эти нити фрагментируются, и фибробластам становится не к чему крепиться, чтобы создать новый, целый коллаген (рис. 4) [13]. Если бы мы научились разрывать этот замкнутый круг, то нам, вполне возможно, больше никогда не понадобились бы антивозрастные услуги косметологов и пластических хирургов.

Старение костной ткани чаще всего связано с нарушением работы остеобластов. Эти клетки создают костный ВКМ, синтезируя коллаген и особые гликопротеины, которые участвуют в первом этапе минерализации коллагена. На втором этапе коллаген превращается в прочный внеклеточный матрикс — основу кости [14].

С течением лет старые остеобласты погибают, а новые делятся хуже и хуже. Оставшимся в живых стареющим клеткам становится всё сложнее справляться с созданием внеклеточного матрикса. Из-за этого кости у пожилых людей становятся очень хрупкими и плохо заживают после переломов.

Если бы мы могли заставить остеобласты делиться или хотя бы выяснили, как помочь им эффективнее минерализовать соединительную ткань, у пожилых людей появилась бы возмножность быстрее восстанавливаться после переломов. Такие работы уже ведутся!

Что нового мы узнали о внеклеточном матриксе за последний год?

Над изучением ВКМ работают сотни исследовательских групп по всему миру, и каждый день появляется множество публикаций по этой теме. Давайте рассмотрим несколько свежих работ, чтобы получить представление о ключевых направлениях современных исследований. Вот что мы узнали о компонентах ВКМ в 2018 году.

Металлопротеиназы

Когда металлопротеиназы преждевременно разрушают эластин и коллаген легких, возникает соединительнотканное заболевание легких — эмфизема. Ученые давно стремились узнать, какой генетический компонент влияет на чрезмерную активность металлопротеиназ при этом заболевании.

Не исключено, что в будущем мы научимся управлять процессами, которые протекают в матриксе, используя редактирование генома и генную терапию.

Гликопротеины и металлопротеиназы

Яркий пример коварства металлопротеиназ — образование аневризм. Так, при аневризме брюшной аорты матриксные металлопротеиназы разрушают компоненты, из которых строится ВКМ этого крупного сосуда. Вскоре эта область воспаляется благодаря деятельности иммунных клеток — макрофагов. Механизмы, заставляющие металлопротеиназу разрушать аорту, долгое время оставались неизвестными.

Американским исследователям удалось выяснить, что макрофаги синтезируют нетрин-1 — белок, активирующий клетки гладких мышц сосудов [16]. Под воздействием нетрина-1 гладкомышечные клетки активируют свободные металлопротеиназы, разрушающие соединительную ткань сосуда.

Возможно, когда-нибудь мы научимся использовать иммунные клетки, чтобы управлять разрушением внеклеточного матрикса.

Интегрины и фибронектины

Южноафриканские исследователи обнаружили, что на синтез и деградацию фибронектина влияет внутриклеточный белок теплового шока Hsp90. Этот белок воздействует на фибронектин посредством рецептора LRP1 [4]. Если заблокировать этот рецептор, количество фибронектина, который накапливается во внеклеточном матриксе, уменьшается. И это очень хорошо — ведь из-за избыточного накопления фибронектина развиваются многие патологии ВКМ.

Не исключено, что если мы обнаружим подобные рецепторы в клетках разных тканей и научимся на них воздействовать, то сможем предотвращать болезни, связанные с накоплением ВКМ — например, фиброз легких.

Гиалуроновая кислота

Как компонент внеклеточного матрикса гиалуроновая кислота участвует в передаче сигнала от ВКМ в клетку и даже может превратить здоровую клетку в злокачественную [17]. Гиалуроновая кислота воздействует на клетки через рецептор CD44.

Удалось выяснить, что интенсивность сигнала, запускающего злокачественный процесс в клетке и определяющего, насколько опасна будет получившаяся раковая клетка, зависит от концентрации гиалуроновой кислоты и от ее молекулярной массы.

Если мы научимся управлять гиалуронидазами — ферментами, которые отвечают за модификацию и деградацию гиалуроновой кислоты, — мы сможем предотвращать развитие рака и появление метастазов.

Как создавать ВКМ

Когда мы усовершенствуем технологии создания искусственного ВКМ, мы сможем производить полноценные ткани и использовать их в регенеративной медицине. Работы в этом направлении ведутся уже давно, и в прошлом году удалось сделать несколько важных шагов на пути к технологии искусственного ВКМ.

3D-модели можно модифицировать и дорабатывать. Уже созданы первые гидрогели — биосовместимые синтетические полимеры, способные удерживать воду. С появлением гидрогелей появилась и теоретическая возможность печатать внутренние органы.

Заключение

Внеклеточный матрикс — огромная тема, которую очень сложно охватить в одной статье. Ясно одно: если мы сумеем разобраться, как ВКМ функционирует и влияет на клетки, медицина сделает огромный шаг вперед.

Читайте также: