Стресс фибриллы

Стресс фибриллы

ПАК – это субмембранная система клетки, в которой можно выделить: наружную мембрану или плазмалемму, внутреннею мембрану или гликокаликс, субмембранный опорно-сократительный аппарат.

ПЛАЗМАЛЕММА.

занимает центральную часть ПАКа, построена по типичной жидкостно мозаичной модели.

ГЛИКОКАЛИКС.

В основном включает в себя углеводный компонент: полисахариды, олигосахариды, гликопротеины, гликолипиды, а также наружные домены интегральных и полуинтегральных и периферических белков. Гликокаликс выполняет маркерную функцию, функцию индивидуализации, а также способен участвовать в образование клеточных контактов, кроме того, как производное гликокаликса формируется клеточная стенка у растений, а также белки соединительной ткани, например, коллаген и эластин. Гликокаликс может выполнять ферментативные функции, примером является фермент гидролаза, встроенная в гликокаликс, которая участвует в процессах пристеночного пищеварения.

СОСА включает в себя:

белки опорно-сократительной системы

периферическая гиалоплазма отличается от основной определенной концентрацией ферментативных комплексов. Здесь располагаются белки и ферменты, которые способствуют транспорту через мембрану, здесь также локализована фермент аденилатциклаза, которая участвует в работе рецепторных систем вторичных посредников, здесь локализованы ферменты гликолиза. Кроме того, в периферической гиалоплазме находятся секреторные гранулы, которые способны выводится из клетки после поступления из клетки сигнала.

к белкам опорно-сократительной системы относятся:

Тонкие фибриллы.

Первичная структура белков неизвестна, функции неизвестны. Однако выяснено, что тонкие филоменты способны делить клетку на функциональные отсеки или компартменты.

К тонким фибриллам могут прикрепляться ферментативные комплексы, различные органоиды (рибосомы, митохондрии)

Микрофибриллы.

Микрофибриллы состоят из белка актина и имеют диаметр примерно 5-7 нм. В клетке актин может существовать в двух вариантах: глобулярный актин или G -актин, фибриллярный или F -актин. При определенных условиях G -актин может полимеризоваться, и приобретать вид двойной спирали.

F -актин нестабилен и его структура стабилизируется другим белком тропомиоезином (это фибриллярный белок, который укладывается на структуру α-спирали и стабилизирует ее. Актиновые фибриллы способны не только к сборке, но и к разборке с разных концов молекул. Сборка и разборка контролируется определенными белками, которые называются кэп-белками. Актиновые фибриллы могут сшиваться и взаимодействовать между собой при помощи определенных белков. Сшивание молекул может происходит по середине или концами актиновых фибрилл, в результате образуется пучок микрофибрилл, который в зависимости от количества сшивающих белков может быть рыхлым или плотным. Кроме того к актиновым фибриллам могут якорные белки, при помощи которых фибриллы взаимодействуют с белками плазмолеммы, частично ограничивая их подвижность. в клетке актиновые фибриллы взаимодействуют с белком миозином. Причем выделяется одноголовочный и двуголовочный миозин. Одноголовочный встречается редко , в основном в кардиомиоцитах. Двуголовочный характерен для всех остальных клеток.

Головки обладают АТФ-азной активностью, это значит, что при расщеплении молекул АТФ головки могут менять свою конформацию. Расщепление молекул АТФ проходит в несколько этапов, причем конформационные изменения головки способны вызывать движения в шарнирной части, если молекула миозина прикреплена головкой к молекуле актина, то движение головки вызывает движение молекулы миозина по актину.

Головка миозина содержит в себе центр связывающий АТФ, а также несколько центров для взаимодействия с актиновыми фибриллами. Находясь в связанном с АТФ состоянии головка миозина не обладает сродством к F -актину. Гидролиз АТФ приводит к тому, что в АТФ-азном центре оказывается комплекс АДФ+ F н. Образование этого комплекса так изменяет конформацию головки, что она способна связаться с фибриллярным актином. Эта связь приводит к дальнейшему изменению конформации головки, в результате чего АДФ и неорганический фосфат уходят из АТФ-азного центра. В этот момент наблюдается смещение головки миозина относительно ее стержня, и головка продвигается по F -актину.

В норме в клетки в состав актомиозиновой системы входят не отдельные молекулы миозина, а их функциональные объединения, которые получили название биполярные миозиновые филаменты. В этом случае молекула миозина своими головками прикреплена к разным нитям фибриллярного актина, а хвосты миозина сцеплены.

Особенно сильно АМС развита в клетках поперечноисчерченой мускулатуры. Единицей строения клетки скелетной мускулатуры является сакромер, который ограничен белковыми полосками.

АМС участвует в образование на клетки временных и постоянных выростов. К временным выростам относятся псевдоподии или ложноножки, которые характерны для защитных клеток организма фагоцитов. К постоянным относятся микроворсинки, которые возникают в тонком кишечнике.

Актиновые фибриллы образуют стресс-фибриллы, которые способны удерживать форму клетки при меняющимся астматическом давлении. При делении клеток АМС участвует в формировании пояска деления. Поясок деления необходим для деления цитоплазмы.

Обнаружены химические вещества, которые способны влиять на полимеризацию микрофибрилл, например, метаболиты некоторых грибов – цитохалазины способны присоединяться к молекулам G -актина. Такой комплекс присоединяется к концу микрофибриллы и препятствует ее полимеризации, что приводит к разрушению микрофибриллы. Токсин бледной поганки фаллоидин взаимодействует сразу с F -актином вызывая его суперстабилизацию. В этом случае F -актин теряет способность к внутриклеточным перестройкам.

Встречаются наследственные патологии, которые обусловлены дефектами актин-связывающих белков, к такой патологии относятся один из видов миодистрофии – миодистрофия Дюшена. Причиной является патология гена локализованного в Х-хромосоме, поэтому данное заболевание проявляется в основном у мальчиков. Это мышечная слабость, причем к 8-13 годам они теряют способность ходить, погибают от остановки дыхания.

Скелетные фибриллы.

Является универсальным элементом СОСА и представляет собой белковые нити диаметром около 10нм. Характеризуются повышенной устойчивостью к действию химических и физических факторов, поэтому основной функцией является структурная и опорная. Участвуют в формировании цитоскелета клетки, способны поддерживать определенные части клетки, например, длинные отростки нейрона. В большом количестве встречаются в зоне контактов между клетками. Скелетные фибриллы представляют собой белки различной первичной структуры, но одинаковой третичной и четвертичной. На третичном уровне организации белок скелетные фибриллы представляет собой гомотетромер. Скелетные фибриллы образуются за счет взаимодействия нескольких гомотетромеров между собой по принципу кирпичной кладки.

Такая структура в длину может расти до бесконечности (в зависимости от размеров клетки), а в ширину не более чем до 8 протофибрилл. Примером белков скелетных фибрилл является белки кератины, которые особенно в большом количестве встречаются в наружных слоях эпидермиса и производных эпидермиса. Увеличение скелетных фибрилл в клетки приводит к нарушению клеточных функций и, следовательно, к различным патологиям, например, в сердечной мышцы к различным кардиомиодистрофиям, увеличение фибрилл в нейронах головного мозга приводит к различным формам старческого слабоумия. Увеличение скелетных фибрилл может происходить под действием различных химических факторов, например, алкоголя. Увеличение скелетных фибрилл в клетках печени приводит к циррозу печени у алкоголиков. Увеличение скелетных фибрилл в нейронах приводит к деградации личности. Первичная структура скелетных фибрилл в клетках различных тканей различна, поэтому скелетные фибриллы можно использовать для диагностики опухолей и на основании диагностики делать вывод является ли данная опухоль первичной, либо это метастаза.

Микротрубочки.

Это полые белковые структуры диаметром 22-25нм и шириной примерно 6нм.

Микротрубочки состоят из белков тубулинов. Как правило, с микротрубочками связаны так называемые ассоциативные белки или МАР белки.

В клетке встречаются 3 вида тубулинов α , β, γ, причем основная масса примерно 99% приходится на α и β тубулин. Γ-тубулин в составе микротрубочек не встречается, он располагается в клеточном центре и образует ЦОМТ. Считается, что γ-тубулин необходим для начала сборки микротрубочек. Тубулины являются ГТФ-связывающими белками, поэтому в присутствии ГТФ и ионов магния α и β тубулины активируются и способны объединятся в стабильные гетеродимеры. Затем в ЦОМТах при наличии ГТФ и магния начинается сборка гетеродимеров, которые реагируют между собой с образованием протофибрилл. Формируется так называемый тубулиновый коврик, который в длину может расти до бесконечности, а в ширину не более чем до 13 протофибрилл. После этого края коврика слипаются, и он превращается в полую трубочку. В микротрубочке выделяют + и — концы, на + конце в основном идет полимеризация микротрубочек, на –конце в основном деполимеризация. Этот процесс (сборки и разборки) регулируется специальными белками и в норме в клетки процесс сборки преобладает над процессом разборки. Сборка и разборка микротрубочек зависит от концентрации различных веществ, например, ионов кальция. При избыточной концентрации кальция в клетки процесс деполимеризации микротрубочек активируется. В настоящее время считают, что количество кальция в клетке является основным механизмом, определяющим процессы перестройки микротрубочковых систем. При действии алкоголя и растительного алкалоида колхицина микротрубочки разрушаются.

Основными функциями микротрубочек является структурная и опорная функции. Существуют структуры, в которых цитоскелет образуется за счет микротрубочек, например, тромбоциты. Кроме того микротрубочки объединяются с белками МАР и могут участвовать в выполнении многих важных функций в клетке. МАР-белки способны регулировать сборку и разборку микротрубочек, в частности в соединении с некоторыми МАР-белками микротрубочки приобретают устойчивость к действию ионов кальция и низких температур. Важнейшими среди МАР-белков являются белки транслокаторы, которые вместе с микротрубочками образуют тубулин транслокаторную систему клетки. Транслокаторы по строению сходны с миозином. В них выделяют стержень и головку, причем головка обладает АТФ-азной активностью, следовательно, при изменении конформации транслокатор способен перемещаться по микротрубочке.

Выделяют 3 группы транслокаторов:

кинезины способны перемещаться по микротрубочке только от – к + концу, поэтому они обеспечивают транспорт веществ от центра клеток к ПАКу, это так называемый антреградный транспорт. В данном случае транслокатор движется по микротрубочке за счет конформационные изменений головки, а к стержню прикреплен немембранный пузырек с упакованным веществом.

С помощью данного вида транспорта транспортируются медиаторы в нейроны, а также пигменты в пигментных клетках

Динеины участвуют в формировании тубулин-динеиновой системы, которая осуществляет ретроградный транспорт. Помимо этого динеины участвую в образовании локомоторных структур клеток: ресничек и жгутиков.

Динамины обладают ГТФ-азной активностью, обеспечивают ретроградный транспорт. Функции динаминов изучены плохо.

Важнейшей функцией тубулин-транслокаторной системы является формирование двигательных систем в клетке, которые у всех эукориот построены по единой схеме.

Существуют наследственные патологии, связанные с нарушением структуры тубулина. Они практически не совместимы с жизнью, однако существует патологии тубулин-денеиновой системы, которые касаются непосредственно жгутиков и ресничек. При этом нарушается структура ресничного эпителия, выстилающего носоглотку, дыхательные пути и полость среднего уха, что приводит к хроническим бронхитам и отитам мужчины с синдромом неподвижных ресничек, как правило, стерильны.

Все компоненты СОСА характеризуются структурным единством, которое проявляется в том случае, что фибриллярные белки могут взаимодействовать друг с другом. Например, микрофибриллы могут образовывать пучки, которые могут взаимодействовать с микротрубочками и скелетными фибриллами. Все компоненты СОСА способны взаимодействовать с интегральными белками плазмолеммы, а плазмолемма структурно связана с гликокаликсом, поэтому для ПАКа характерно структурное единство.

biobox.spb.ru

Cell Biology.ru

Справочник

  • Обзоров: 126
  • Биографии: 12
  • Записей в дневниках: 13
  • Новостей: 16

Микрофиламенты

мономер G-актин (глобулярный актин)- ассиметричный
(42кДа) состоит из двух доменов, по мере повышения ионной
силы агрегирует в скрученный в спираль полимер F-актин (фибриллярный
актин).

G-актин имеет участки связывания двухвалентных катионов
и нуклеотидов в физиологических условиях занятые Mg 2+
и ATP.

Полимеризация G-актина в F-актин

F-актин обладает полярностью (+) и (-) имеющих
различные свойства.

Молекула G-актина несет прочно связанную АТФ, который при
переходе в F-актин медленно гидролизуется до АДФ – проявляет
свойства АТФ-азы Полимеризация сопровождается гидролизом
АТФ, что не необходимо т.к. полимеризация идет и в присутствии
негидролизуемых аналогов АТФ

Полимеризация состоит из нескольких процессов: нуклеация,
элонгация, диссоциация,
фрагментация, стыковка.
Эти процессы протекают одновременно.

Нуклеация – соединение трех G-актинов –
инициация полимеризации.

Элонгация — наращивание цепи актина путем
присоединения G-актина к (+)-концу F-актина.

Диссоциация — укорачивание цепи. Деполимеризация
актина имеет одинаковую скорость с обоих концов

Фрагментация — в результате теплового движения
F-актин может фрагментироваться.

Стыковка — отдельные фрагменты могут соединяться
друг с другом конец в конец.

При конценрации G>F – одновременно происходит полимеризация
(+) и (–) конца.

Если G 2+ и протеинкиназами.

Имеется пять мест действия белков: с мономером
актина, с (+)-концом (оперенный), с (-)-концом (заостренный),
с боковой поверхностью. Актин-связывающие белки могут быть
чувствительны или нечувствительны к Ca 2+

1. Белки связывающиеся c мономером актина — подавляют нуклеацию
(профилин, фрагментин — чувствительны к Ca 2+ ).
Профилин с мономером способны надстраивать F-актин, а фрагментин
нет, блокируя и нуклеацию и элонгацию. Не чувствительные
к Ca 2+ ДНКазаI и белок связывающийся с витамином
D — функционируют вне клетки.

2. Кепирующие(+)-конец может быть блокирован кепирующими
белками — блокирование элонгации и стыковки, способствуют
нуклеации — появление укороченных филаментов (гельзолин,
виллин, фрагмин)

3. (-)-конец — инициирование нуклеации, подавление стыковки
и элонгации — увеличение числа и уменьшение длины фрагментов.
Акументин в макрофагах, бревин — сывороточный белок вызывает
быстрое снижение вязкости раствора F-актина. Оба белка не
чувствительны к Ca 2+

4. Не сшивающие — боковое связывание может как стабилизировать
так и дестабилизировать F-актин Тропомиозин (Ca-независим)
стабилизирует, северин, виллин (Ca-зависим) — связываясь
с F-актином разрезают его.

5. Сшивающие F-актин между собой с образованием геля. Такие
белки индуцируют нуклеацию. Такие белки димерны или имеют
два актин-связывающих домена. α-актин тромбоцитов,
виллин, фимбрин, актиногелин из макрофагов (Ca-независим).

кэпирующие белки — закрывают концы актиновых
филаментов, предотвращая полимеризацию-деполимеризацию,
способствуют прикреплению филамента к мембране.

фаллоидин – яд бледной поганки, связывается
с (-)-концом и ингибирует деполяризацию.

цитохалазин – токсин плесневых грибов присоединяется
к (+) концу, блокируя полимеризацию.

кэпирующие-фрагментирующие белки — фрагментируют
F-актин, вызывая переход геля в золь (гельзолин 90kD активируясь
Ca2+ 10-6M разрывает F-актин и связывается с его концами).

www.cellbiol.ru

Общие свойства

Микрофиламенты (МФ) встречаются во всех клетках эукариот. Особенно они обильны в высокоспециализированных мышечных волокнах и клетках, выполняющих функции сокращения мышц. Микрофиламенты входят также в состав специальных клеточных компонентов, таких как микроворсинки, ленточные соединения эпителиальных клеток, в состав стереоцилий чувствительных клеток. Микрофиламенты образуют пучки в цитоплазме подвижных клеток животных и слой под плазматической мембраной — кортикальный слой (рис. 244, а и 245). У многих растительных клеток и клеток низших грибов они располагаются в слоях движущейся цитоплазмы.

Рис. 244. Микрофотография элементов цитоскелета фибробласта, полученная с помощью электронного микроскопа

а — микрофиламенты (МФ) в зоне ламеллоплазмы; 6 — микротрубочки (МТ)

Рис. 245. Пучки актиновых микрофиламентов в клетках культуры ткани, окрашенных флуоресцирующими антителами (фото А.В. Буракова)

Основным белком микрофиламентов является актин. Это неоднородный белок, в различных клетках могут быть разные его варианты или изоформы, каждая из которых кодируется своим геном. Так, у млекопитающих есть шесть различных актинов: один в скелетных мышцах, один в сердечной мышце, два типа в гладких мышцах (один из них в сосудах) и два немышечных цитоплазматических актина являются универсальным компонентом любых клеток млекопитающих. Все эти изоформы актина очень сходны по аминокислотным последовательностям, вариантными в них являются концевые участки, которые определяют скорость полимеризации, но не влияют на сокращение. Такое сходство актинов, несмотря на некоторые отличия, определяет их общие свойства. Актин имеет молекулярную массу около 42 тыс. и в мономерной форме имеет вид глобулы (G-актин), содержащей в своем составе молекулу АТФ. При его полимеризации образуется тонкая фибрилла (F-актин) толщиной 8 нм, представляющая собой пологую спиральную ленту. Актиновые микрофиламенты полярны по своим свойствам. При достаточной концентрации G-актин начинает самопроизвольно полимеризоваться. При такой спонтанной полимеризации актина на образовавшейся нити микрофиламента один из ее концов быстро связывается с G-актином (плюс-конец микрофиламента) и поэтому растет быстрее, чем противоположный (минус-конец) (рис. 246). Если концентрация G-актина будет недостаточной, то образовавшиеся фибриллы F-актина начинают деполимеризоваться. В растворах, содержащих так называемую критическую концентрацию G-актина, будет устанавливаться динамическое равновесие между полимеризацией и деполимеризацией, в результате чего фибрилла F-актина будет иметь постоянную длину (рис. 247). Из этого следует, что актиновые микрофиламенты представляют собой очень динамичные структуры, которые могут возникать и расти или же, наоборот, разбираться и исчезать в зависимости от наличия глобулярного актина. На растущем конце нити актина встраиваются мономеры, содержащие АТФ. По мере нарастания полимера происходит гидролиз АТФ, и мономеры остаются связанными с АДФ. Молекулы актина, соединенные с АТФ, прочнее взаимодействуют друг с другом, чем мономеры, связанные с АДФ.

Рис. 246. Полимеризация актинового микрофиламента

На плюс-конце филамента включение мономерного актина происходит быстрее

Рис. 247. Скорость роста актиновых микрофиламентов при различных концентрациях свободного актина

В клетках такая, казалось бы, неустойчивая фибриллярная система стабилизируется массой специфических белков, ассоциирующих с F-актином. Так, белок тропомиозин, взаимодействуя с микрофиламентами, придает им необходимую жесткость. Целый ряд белков, например филамин и α-актинин, образует поперечные скрепки между нитями F-актина, что приводит к образованию сложной трехмерной сети, придающей гелеобразное состояние цитоплазме. Другие дополнительные белки могут связывать филаменты в пучки (фимбрин) и т.д. Кроме того, существуют белки, взаимодействующие с концами микрофиламентов, предотвращая их разборку, они стабилизируют их. Взаимодействие F-актина со всей этой группой белков регулирует агрегатное состояние микрофиламентов, их рыхлое или, наоборот, тесное расположение, связь их с другими компонентами. Особую роль при взаимодействии с актином играют белки миозинового типа, которые вместе с актином образуют комплекс, способный к сокращению при расщеплении АТФ (см. рис. 262).

Таким образом, микрофиламенты представляют собой фибриллы полимеризованного актина, связанного с многими другими белками. В принципе микрофиламенты во всех немышечных клетках могут осуществлять по крайней мере два ряда функций: быть частью сократительного аппарата, взаимодействуя с моторными белками (миозин), или участвовать в формировании скелетных структур, способных к собственному движению за счет процессов полимеризации и деполимеризации актина.

Особенно много сведений о цитоскелете и о микрофиламентах получено при изучении фибробластов в культуре ткани, обладающих способностью к амебоидному движению. Эти клетки не имеют ответственных за движение постоянных фибриллярных структур, их фибриллярный аппарат все время находится в реорганизации: часть фибриллярных элементов разбирается в одних участках клетки и новообразуется в других.

Обычно ползущий по поверхности субстрата фибробласт поляризован: у него есть движущийся конец и «хвостовой» отдел (рис. 248 и 249). На движущемся конце, который часто более распластан по субстрату, чем боковые и хвостовые участки фибробласта, постоянно возникают и убираются тонкие нитевидные или пластинчатые выросты — ламеллоподии. Это — ведущий край клетки (ламеллоплазма), который и обеспечивает движение фибробласта вперед. В таком движущемся фибробласте с помощью антител можно узнать места расположения актина. Он будет распределяться по трем основным частям клетки: в виде тонкого слоя (1) он располагается по всему периметру клетки под плазматической мембраной. Это кортикальный (cortex — кора) слой. Обильно актин выявляется в выростах цитоплазмы ведущего края клетки (2) и (3) в пучках актиновых филаментов, отходящих от ведущего края в глубь клетки (см. рис. 245).

Рис. 248. Микрофиламенты поляризованного движущегося фибробласта

1 — ламеллоподии движущегося края; 2 — сеть актиновых филаментов ламеллы; 3 — пучки микрофиламентов; 4 — микрофиламенты кортикального слоя; 5 — фокальный контакт

biology-of-cell.narod.ru

Очевидно, что в распластывании клеток ключевую роль играет формирование адгезионных структур, обеспечивающих прикрепление концов образующихся псевдоподий к внеклеточному матриксу. Среди нескольких вариантов таких структур наиболее распространенными, встречающимися во всех типах клеток являются фокальные комплексы и фокальные контакты (последние называют также фокальными адгезия ми).

Фокальные комплексы — точечные (в диаметре менее 1 мкм) контакты на краях ламеллоподий или на концах филоподий. Эти адгезионные структуры — короткоживущие, они быстро исчезают или преобразуются в фокальные контакты.

Фокальные контакты — овальной или палочковидной формы бляшки (2—7 мкм длины), связанные с пучками актиновых микрофиламентов. Эти специализированные адгезионные структуры обеспечивают стабильные контакты клетки с внеклеточным матриксом. Механическая связь этих контактов с ак-тиновыми микрофиламентами цитоскелета, обладающими контрактильными свойствами, создает центростремительное натяжение прикрепившихся псевдоподий. Это натяжение обеспечивает распластывание клетки, а также ее способность к передвижению — локомоции.

В распластанной клетке фокальные контакты представляют собой множественные дискретные участки прочного прикрепления клетки к внеклеточному матриксу, расположенные на базальной клеточной поверхности, преимущественно на периферии клетки вблизи ее активных краев. В этих небольших участках формируются специализированные адгезионные структуры.

В фокальном контакте сосредоточены особые белки — интегрины, обладающие способностью специфически связываться с различными белковыми компонентами внеклеточного матрикса — коллагенами, фибронектином, ламинином и др. Интегрин состоит из а- и b-субъединиц, которые могут связываться в различных сочетаниях, формируя более 20 разных типов интегринов. Различные сочетания а- и b-субъединиц определяют специфичность связывания интегрина с тем или иным белком внеклеточного матрикса.

Некоторые из интегринов могут связываться лишь с каким-либо одним белком матрикса (например, интегрин а5b1 только с фибронектином, а интегрин a6b1 —только с ламинином), но большинство интегринов способно связываться сразу с несколькими белками матрикса.

Таким образом, интегрины выполняют роль рецепторов, механически связывающих клетку с соответствующими лигандами — белками внеклеточного матрикса. Перемещаясь в плоскости клеточной мембраны, интегриновые рецепторы образуют кластеры (скопления) в формирующихся фокальных контактах. Кластеризация, а также конформационные изменения интегриновых рецепторов, влияющие на их аффинность (способность связываться со своими лигандами), определяют стабильность интегринопосредованных контактов клетки с внеклеточным матриксом.

Интегриновый рецептор является трансмембранным белком: его молекула «прошивает» плазматическую мембрану клетки и, таким образом, обладает как внеклеточной, так и цитоплазматической частями (доменами). С белками матрикса связывается внеклеточный домен интегрина, тогда как его цито-плазматический домен ассоциирован с субмембранной бляшкой, состоящей из более чем 50 различных белков, упакованных в плотный комплекс. Среди этих белков есть как структурные элементы (белки винкулин, паксилин, талин и др.), так и сигнальные белки (например, киназа FAK). Эта белковая бляшка соединена с концом пучка актиновых микрофиламентов.

Тем самым интегриновые рецепторы, связавшиеся с белками матрикса, оказываются заякоренными изнутри клетки микрофиламентами, что обеспечивает структурную связь внеклеточного матрикса с актиновым цитоскелетом прикрепившейся клетки. Поскольку пучки микрофиламентов (их называют также стресс-фибриллами), заякоривающие интегриновые рецепторы, обладают сократимостью, клетка находится под воздействием центростремительных сил натяжения. Эти силы — необходимое условие для поддержания структуры фокального контакта: при значительном ослаблении сил натяжения (например, путем ингибирования сократимости актиновых микрофиламентов) фокальные контакты быстро разбираются.

Упрощенная схема фокального контакта клетки с внеклеточным матриксом.
ПМК — плазматическая мембрана клетки; И — интегриновый рецептор; Т — талин; Ф — протеинкиназа фокального контакта; П — паксиллин; В — винкулин; ТЗ — тензин; а — а-актинин; АФ — пучки актиновых микрофиламентов.

Наоборот, при возрастании сил натяжения в клетке (например, при растягивании эластического внеклеточного матрикса, к которому прикреплены клетки, или при движении потока жидкой среды) размеры фокальных контактов увеличиваются.

Таким образом, индивидуальные фокальные контакты функционируют как механосенсоры: увеличиваются в размерах пропорционально приложенному к ним натяжению и распадаются, когда это напряжение ослабевает. Когда силы натяжения в каких-то слишком увеличившихся фокальных контактах становятся избыточными и грозят оторвать их от внеклеточного матрикса, клетка включает особый механизм: к этим фокальным контактам направляются плюс-концы растущих микротрубочек, приходят в соприкосновение (на расстояние 50 нм) с контактами и вызывают избирательное подавление сократимости тех стресс-фибрилл, которые связаны с этими контактами.

В результате фокальные контакты деградируют. По-видимому, по микротрубочкам транспортируются какие-то компоненты, которые локально ингибируют стресс-фибриллы чрезмерно увеличившихся фокальных контактов.

Крайне важно, что связь между распластанной клеткой и внеклеточным матриксом не только структурная, но и функциональная: связывание интегринового рецептора со своим лигандом «включает» цепь передани внутриклеточных сигналов, достигающих ядра и индуцирующих экспрессию определенных генов.

Передача сигналов в клетке представляет собой прямое взаимодействие специфических белков в строго определенной последовательности. Основными участниками являются разные типы киназ — ферментов, катализирующих перенос фосфата от молекулы АТФ на аминокислотные остатки (тирозин, серии или треонин) различных белков. Механизм передачи сигнала базируется на специфической ассоциации белков и их фосфорилировании (или дефосфорилировании). Фосфорилирование белков-мишеней ведет к мгновенному изменению их конфигурации и свойств. Результатом является последовательная активация белков сигнальной цепи, обеспечивающая передачу сигнала от рецептора клеточной поверхности внутрь клетки до ее генетического аппарата в ядре.

Связывание интегринового рецептора с его белковым лигандом во внеклеточном матриксе вызывает аутофосфорилирование и активацию тирозинкиназы фокальных контактов — FAK (Focal Adhesion Kinase), прямо связанной с цитоплазматическим доменом (3-субъединицы интегрина. Активированная FAK ассоциируется с подмембранной тирозинкиназой Src, инициируя ее киназную активность и кооперируясь с ней в фосфорилировании белков фокального контакта — паксиллина и тензина. Сигнал от FAK передается также на белки семейства Ras, приводя их в активированное состояние. Последние стимулируют активность цитоплазматических киназ семейства Raf, которые в свою очередь активируют каскад MAP (mitogen activated protein)-киназ.

МАР-киназы являются ключевыми регуляторами клеточного цикла. Конечные продукты МАР-киназного каскада переходят из цитоплазмы в ядро клетки, где они фосфорилируют и активируют целый ряд транскрипционных факторов (ядерных белков, которые, связываясь с определенными генами, регулируют их активность), стимулирующих экспрессию ряда генов, включая те, которые побуждают клетку к делению.

Таким образом, результатом проведения сигналов от интегриновых рецепторов, связанных со своими лигандами во внеклеточном матриксе, по Ras — Raf— МАР-киназной сигнальной цепи является экспрессия специфических генов, стимулирующих пролиферацию клеток.

Помимо митогенной сигнальной цепи Ras — Raf — МАР-киназный каскад, задействованные интегриновые рецепторы «включают» сигнальную цепь, которую условно можно назвать «морфогенной». Она передает сигнал от активированного Ras на G-белки семейства Rho, изменение активности которых приводит к реорганизации цитоскелетных структур (влияя, в частности, на полимеризацию актина и сократимость актиновых микрофиламентов), опосредованно влияя таким образом на сборку/разборку фокальных контактов.

Митогенная сигнальная цепь обеспечивает проведение сигнала не только от задействованных интегриновых рецепторов, но также от специфических цито-кинов — растворимых факторов роста (growth factors). Последние, связываясь со своими рецепторами на поверхности клеток, вызывают аутофосфорилирование и активацию цитоплазматического домена рецептора, что индуцирует митогенный сигнал с последующим его прохождением по цепи Ras—Raf — МАР-киназный каскад до клеточного ядра. Однако реализация этого сигнала осуществляется только в клетках, прикрепившихся к внеклеточному матриксу: в случае открепления клетки митогенный сигнал от рецепторов факторов роста блокируется на одной из промежуточных киназ МАР-киназного каскада и клетка не может пролиферировать.

Фибробласт в радиальной стадии распластывания. Клетка имеет вид тонкого диска с ламеллоподиями по всему краю.

Таким образом, связывание интегринов с внеклеточным матриксом не только продуцирует митогенный сигнал, но также является необходимым условием для митогенного действия растворимых факторов роста. Кроме того, в клетках, открепившихся от матрикса, аккумулируется продукт гена — опухолевого супрессора К1Р1, блокирующий вхождение клеток в S-фазу клеточного цикла.

Утрата контактов с внеклеточным матриксом не только лишает клетки способности пролиферировать. Многие открепившиеся клетки подвергаются апоптозу (который в данном случае называется аноикисом). Аноикис возникает в результате активации гена — опухолевого супрессора ТР53. Последний осуществляет одновременно активацию гена — супрессора ВАХ (индуцирующего апоптоз) и ингибирование протоонкогена BCL2 (блокирующего апоптоз). В результате активация ТР53, вызванная откреплением клеток от матрикса, генерирует мощный апоптогенный сигнал. Может быть и другая причина аноикиса. В клетках, прикрепленных к матриксу, одна из сигнальных цепей (от активированного Ras) активирует киназу Akt, которая предохраняет клетки от апоптоза. Открепление клеток от матрикса выключает эту сигнальную цепь.

Описанные механизмы лежат в основе феномена, называемого субстратной зависимостью размножения, присущей нормальным клеткам: последние могут выживать и размножаться, только будучи прикрепившимися и достаточно распластанными на поверхности внеклеточного матрикса; в полужидкой среде суспендированные клетки не размножаются и могут подвергнуться аноикису.

Таким образом, фокальные контакты являются не только адгезионными структурами, механически связывающими клетки с внеклеточным матриксом, но также трансдукторами разнообразных внутриклеточных сигналов, обеспечивающих сохранение клетками способности к выживанию и их пролиферативной активности.

Полностью распластавшаяся клетка постоянно испытывает изометрическое напряжение, которое является результатом взаимодействия двух сил: центростремительного натяжения стресс-фибрилл, заякоренных в фокальных контактах, и противодействующей этому натяжению силы адгезии клетки к внеклеточному матриксу. Этот баланс механических сил определяет не только степень распластывания клетки, но также ее функциональную и проли-феративную активность. Так, например, в условиях дефицита или неравномерного («островкового») распределения во внеклеточном матриксе белковых компонентов, необходимых для адгезии клеток данного типа, последние не в состоянии достигнуть полного распластывания, и в них соответственно падает изометрическое напряжение. Это приводит к торможению пролиферации и в некоторых случаях даже к аноикису клеток.

Нарушаются также синтетические процессы, например, у эпителиоцитов возрастает синтез некоторых протеаз и т. д. Усиление изометрического напряжения клеток, вызываемое периодическими сгибаниями или растягиванием эластического матрикса, к которому клетки прикреплены, стимулирует не только рост фокальных контактов, но также пролиферацию клеток, активацию в них ферментных систем и трансмембранных ионных каналов.

Клетки реагируют не только на деформации, возникающие в матриксе, но даже на его механическую жесткость — своего рода «сопротивление материала». Например, фибробласты на особо ригидном внеклеточном матриксе могут начать синтезировать особую форму актина — гладкомышечный актин, несколько отличающийся от типичного для фибробластов немышечного актина. Такие фибробласты называют миофибробластами. Гладкомышечный актин в составе пучков микрофиламентов придает последним более сильную контрактильность, а заякоренность таких стресс-фибрилл в фокальных контактах повышает напряжение клетки, распластавшейся на матриксе.

Все эти реакции опосредуются задействованными интегриновыми рецепторами, поэтому последние рассматриваются как трансдукторы не только биохимических, но и механических сигналов от внеклеточного матрикса. Возможно, что деформации или механические свойства матрикса изменяют конформацию цитоплазматических доменов интегринов, инициируя этим внутриклеточную передачу сигналов.

Клетки в свою очередь оказывают механическое воздействие на внеклеточный матрикс. Центростремительное натяжение стресс-фибрилл через фокальные контакты передается на матрикс, который в результате этого претерпевает реорганизацию в виде образования тонких складок, ориентации волокон и т. п. Такая реорганизация происходит при регенеративных процессах (заживлении ран), формировании костной ткани и др.. Особо сильное ремоделирующее воздействие на матрикс оказывают миофибробласты в связи с большим напряжением, развиваемым этими клетками.

Таким образом, изометрическое напряжение, испытываемое клетками, распластавшимися на внеклеточном матриксе, служит мощным регулятором формы и функциональной активности клеток, а также влияет на организацию самого матрикса.

dommedika.com