Molekuljarnaja Biologija Kletki v2
.pdf
481
Рис. 14-11. Сильно схематизированное изображение десмосомы, С внутренней стороны каждой из смежных плазматических мембран находится электроноплотная пластинка, состоящая из смеси внутриклеточных прикрепительных белков, называемых десмоплакинами. Каждая пластинка связана с густой сетью кератиновых волокон, проходящих вдоль поверхности пластинки. Трансмембранные линкерные гликопротеины, называемые десмоглеинами, связываются с пластинками и своими внеклеточными доменами соединяют смежные мембраны при участии какого-то Са2 +-зависимого механизма. Хотя десмосомы и адгезионные пояса различаются морфологически и химически, они содержат по меньшей мере один
общий внутриклеточный белок, называемый плакоглобином.
кожного заболевания пемфигуса, при котором у больных образуются антитела к одному или нескольким десмосомным линкерным гликопротеинам собственного организма; это приводит к разрушению десмосом между клетками эпидермиса и появлению многочисленных волдырей в результате просачивания тканевых жидкостей в разрыхленный эпителий. Антитела разрушают десмосомы только в коже, из чего следует, что десмосомы в других тканях, возможно, имеют иную биохимическую природу.
Полудесмосомы морфологически сходны с десмосомами, но отличаются от них функциональными и химическими особенностями. Они скрепляют не плазматические мембраны соседних клеток между собой, а базальную поверхность этих клеток с подстилающей базальной мембраной - специализированной прослойкой внеклеточного матрикса на границе между эпителием и соединительной тканью (разд. 14.2.15). Кроме того, если кератиновые филаменты, связанные с десмосомами, прикрепляются к последним своей боковой поверхностью (рис. 14-11), то многие филаменты, прикрепленные к полудесмосомам, оканчиваются в десмосомных пластинках (рис. 14-12).
И десмосомы, и полудесмосомы действуют как заклепки, распределяя сжимающие и растягивающие усилия по эпителию и подлежащей соединительной ткани.
14-6
14.1.5. Щелевые контакты позволяют малым молекулам переходить непосредственно из клетки в клетку [5]
Вероятно, это самый удивительный тип межклеточных соединений. Щелевые контакты относятся к наиболее распространенным - они весьма многочисленны в большинстве тканей и имеются практически у всех животных. На электронных микрофотографиях они выглядят как участки, где мембраны двух смежных клеток разделены узкой щелью шириной около 3 мкм. Щелевые контакты участвуют в межклеточной коммуникации, позволяя неорганическим ионам и другим малым водорастворимым молекулам прямо переходить из цитоплазмы одной клетки в цитоплазму другой и обеспечивая таким образом электрическое и метаболическое сопряжение между клетками. Такое сопряжение имеет важный функциональный смысл, многие аспекты которого мы еще только начинаем понимать.
Межклеточные связи такого типа были впервые продемонстрированы в 1958 г. физиологическими методами, однако потребовалось больше 10 лет, чтобы показать, что это физиологическое сопряжение коррелирует с наличием щелевых контактов, видимых в электронный микроскоп. Первые данные о таком сопряжении были получены при электрофизиологическом исследовании определенных пар взаимодействующих нейронов в нервной цепочке речного рака. При подаче разности потен-
Рис. 14-12. Расположение десмосом и полудесмосом в эпителиальных клетках тонкого кишечника. Сети кератиновых волокон соседних клеток связаны друг с другом через десмосомы, а с базальной мембраной - через полудесмосомы. Если к плотным пластинкам десмосом
кератиновые волокна прикрепляются своей боковой поверхностью, то в полудесмосомах они закреплены своими концами.
482
Рис. 14-13. Если в одну из двух клеток, соединенных щелевым контактом, ввести флуоресцирующие молекулы разной величины, то в другую клетку будут переходить лишь те из них, у которых мол. масса не превышает примерно 1000-1500 (в зависимости от типа клеток), а более
крупные проходить не будут. Это соответствует эффективному диаметру межклеточного канала около 1,5 нм.
Рис. 14-14. Здесь схематически представлен радиоавтограф, демонстрирующий метаболическое сопряжение клеток, связанных щелевыми контактами, в культуре in vitro. Мутантные клетки лишены фермента тимидинкиназы и поэтому не могут включать в ДНК радиоактивный тимидин,
добавленный в среду. Нормальные клетки способны включать тимидин в ДНК, и поэтому их ядра усеяны черными точками (зернами серебра в радиоавтографе). Как видно, в смешанной культуре нормальных и мутантных клеток радиоактивную метку включают также ядра тех мутантных клеток, которые соприкасаются с нормальными и устанавливают с ними щелевые контакты. Это обусловлено тем, что в нормальной клетке радиоактивный тимидин фосфорилируется тимидинкиназой с образованием тимидинтрифосфата; затем радиоактивный тимидинтрифосфат переходит через щелевые контакты в мутантную клетку и включается в ее ДНК.
циалов на два микроэлектрода, введенных в две взаимодействующие клетки, через мембрану в месте их соединения протекал ток неожиданно большой величины. Это указывало на то, что неорганические ионы (которые переносят электрические заряды в живых тканях) могут свободно переходить из одной клетки в другую. Последующие опыты показали, что небольшие флуоресцирующие молекулы, введенные в одну из клеток, тоже легко переходят в соседние клетки, не просачиваясь в межклеточное пространство, если только их молекулярная масса не превышала 10001500. Из этого следовало, что эффективный диаметр соединительных каналов должен составлять около 1,5 нм (рис. 14-13) и что клетки обмениваются малыми молекулами (неорганическими ионами, сахарами, аминокислотами, нуклеотидами, витаминами и др.), но не макромолекулами (белками, нуклеиновыми кислотами и полисахаридами).
Такой обмен малыми внутриклеточными метаболитами составляет основу метаболической кооперации, которая может быть продемонстрирована на клетках в культуре. Например, можно выращивать клетки мутантных линий, у которых нет фермента тимидинкиназы, вместе с нормальными (дикого типа) клетками, у которых этот фермент есть. Мутантные клетки сами по себе не способны включать тимидин в ДНК, так как они не могут осуществлять первый этап этого процесса-превращение тимидина в тимидинтрифосфат. Если, однако, выращивать такие клетки совместно с клетками дикого типа в присутствии радиоактивного тимидина, то метка будет включаться в ДНК мутантных клеток, находящихся в прямом контакте с клетками дикого типа. Это означает, что какой-то предшественник ДНК, содержащий радиоактивный тимидин (очевидно, это тимидинтрифосфат), прямо переходит из клеток дикого типа в контактирующие с ними мутантные клетки (рис. 14-14). Такой метаболической кооперации не наблюдается, когда подобный эксперимент проводят с клетками, не способными к образованию щелевых контактов.
Есть и другие данные в пользу того, что за электрическое и химическое сопряжение между соприкасающимися клетками ответственны щелевые контакты. Типичные для таких контактов структуры можно обнаружить почти везде, где удается выявить сопряжение по электрическим или химическим критериям. И наоборот, сопряжение не выявляется между теми клетками позвоночных, у которых нет щелевых контактов. Кроме того, прохождение тока и красителя можно блокировать, если в клетки, соединенные щелевыми контактами, путем микроинъекции ввести антитела к главному белку такого контакта (см. ниже). Наконец, если этот белок щелевого контакта включить в искусственный липидный бислой или же мРНК, кодирующую этот белок, инъецировать в ооциты лягушки, то электрофизиологически можно будет обнаружить в этих объектах каналы со многими свойствами, присущими каналам щелевых контактов.
14.1.6. Коннексоны щелевого контакта являются олигомерами трансмембранного белка, несколько раз пронизывающего мембрану [6]
Щелевые соединения построены из трансмембранных белков, формирующих структуры называемые котексонами. Когда коннексоны плазматической мембраны двух соседних клеток совмещаются, они образуют непрерывный водный канал, соединяющий внутренность двух клеток (рис. 14-15). Коннексоны соединены так, что между смежными плазматическими мембранами остается щель (отсюда и название «щелевой контакт»), и в этом состоит отличие от плотного соединения, где
483
Рис. 14-15. Модель щелевого контакта по данным биохимических исследований, электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа. Показаны соединенные таким контактом плазматические мембраны двух соседних клеток. Через оба липидных бислоя проходят белковые
структуры, называемые конпексонами; как полагают, каждый коннексон состоит из шести идентичных белковых субъединиц. В результате соединения двух коннексонов образуется непрерывный водный канал, соединяющий одну клетку с другой.
Рис. 14-16. Большой и маленький щелевые контакты между фибробластами в культуре. Электронные микрофотографии тонкого среза (А) и препарата, полученного методом замораживания -скалывания (Б). На сколе каждый щелевой контакт выглядит как скопление гомогенных
межмембранных частиц, ассоциированных только с цитоплазматической стороной скола мембраны. Каждая межмембранная частица соответствует коннексону, показанному на рис. 14-15. [N.B. Gilula. In: Cell Communication (R.P. Cox, ed.), pp. 1-29. New York, Wiley, 1974. Reprinted by permission of John Wiley a. Sons, Inc.]
Рис. 14-17. Электронная микрофотография участка щелевого контакта, выделенного из печени крысы. Применен негативный контраст, чтобы показать коннексоны, организованные в гексагональную решетку. Электроноплотное центральное отверстие каждого коннексона имеет диаметр около 2 нм. [N. В. Gilula. In: Intercellular Junctions and Synapses (Receptors and Recognition, Series B, Vol. 2; J. Feldman, N.B. Gilula, and J.D.
Pitts, eds.), pp. 3-22, London. Chapman a. Hall, 1978.]
мембраны сближены теснее (ср. рис. 14-5 и 14-15). На электронных микрофотографиях препаратов, полученных методом замораживанияскалывания, каждый коннексон виден как внутримембранная частица, и каждый щелевой контакт может содержать сотни сгруппированных вместе коннексонов (рис. 14-16).
Щелевые контакты благодаря их необычной устойчивости к протеолитическим ферментам и детергентам удается выделять из печени грызунов (рис. 14-17). Щелевой контакт состоит в основном из одного белка с мол. массой около 30000. Как показывает секвенирование ДНК, его полипептидная цепь (около 280 аминокислотных остатков) пересекает липидный бислой мембраны в виде четырех α-спиралей. Видимо, для образования каждого коннексона объединяются шесть таких белковых молекул, подобно тому как это, вероятно, происходит При построении канала рецептора ацетилхолина, где водную пору образуют шесть α -спиралей - по одной от каждой белковой субъединицы (см. рис. 6-64).
Антитела к белку с мол. массой 30000 реагируют со щелевыми контактами многих тканей и организмов; по-видимому, белки коннексона во всех случаях сходны (хотя биохимические и физиологические данные показывают, что они все же не идентичны). Это согласуется с тем фактом, что клетки различного типа в культуре обычно образуют щелевые контакты друг с другом, даже если они принадлежат разным видам.
484
Рис. 14-18. Действие антител к главному белку щелевого контакта, инъецированных в одну из клеток раннего зародыша Хепорus. Поперечные срезы нормального эмбриона (А) и зародыша после инъекции антител на 8-клеточной стадии (Б). Обратите внимание, что у второго из них на стороне инъекции отсутствует глаз и недоразвит мозг. (A. Warner, S. Guthrie, N. В. Gilula, Nature 331: 126-131, 1985. Copyright 1985 Macmillan Journals Limited.)
14-7
14.1.7. Большинство клеток в ранних эмбрионах сообщается через щелевые контакты [7]
В некоторых тканях роль сопряжения клеток через щелевые контакты очевидна. Например, электрическое сопряжение синхронизирует сокращения клеток сердечной мышцы и клеток гладкой мускулатуры, ответственных за перистальтику кишечника. Точно так же электрическое сопряжение между нервными клетками позволяет потенциалам действия быстро распространяться от клетки к клетке без задержки, происходящей
вхимических синапсах; это дает преимущество в случаях, когда решающее значение имеют быстрота и надежность ответа, например при некоторых реакциях бегства у рыб и насекомых. Труднее понять, зачем нужны щелевые контакты в тканях, не проявляющих электрической активности. В принципе обмен метаболитами и ионами мог бы обеспечить координацию активности отдельных клеток в этих тканях. Например, через щелевые контакты могла бы координироваться такая активность клеток эпителиального слоя, как биение ресничек; а поскольку внутриклеточные посредники типа циклического AMP способны проходить через щелевые контакты, ответ сопряженных клеток на внеклеточные сигнальные молекулы мог бы распространяться и координироваться именно этим путем.
По-видимому, сопряжение клеток через щелевые контакты играет важную роль в эмбриогенезе. В ранних зародышах позвоночных (у мышиного - начиная с поздней стадии восьми бластомеров) большинство клеток электрически связано друг с другом. Однако по мере того, "как специфические группы клеток приобретают явные различия и начинают дифференцироваться, они обычно утрачивают сопряжение с окружающими тканями. Например, при замыкании нервной трубки ее клетки теряют связь с покрывающей эктодермой (см. рис. 14-9). Тем временем клетки внутри каждой группы остаются сопряженными друг с другом и поэтому ведут себя как кооперативная система, согласованно следуя по определенному пути развития.
Одна из привлекательных гипотез состоит в том, что сопряжение эмбриональных клеток могло бы обеспечивать возможность дальнодействуюшей сигнализации в развивающемся эпителии. Например, малые молекулы могли бы переходить через щелевые контакты из тех участков ткани, где их концентрация поддерживается на высоком уровне, в участки, где она остается низкой, так что создавался бы плавный градиент. Локальный уровень концентрации мог бы доставлять клеткам «позиционную информацию» для управления их дифференцировкой в соответствии с их локализацией в зародыше. Но действительно ли щелевые контакты выполняют такую функцию, не известно.
На возможную роль межклеточной коммуникации через щелевые контакты в процессах развития указывают эксперименты, в которых в один из бластомеров 8-клеточного зародыша амфибии инъецировали антитела к главному белку щелевого контакта. Введенные антитела не только избирательно разрывали электрическое сопряжение и предотвращали перенос красителя между потомками обработанной клетки (что проверялось через два цикла деления - на 32-клеточной стадии), но и резко нарушали развитие зародыша (рис. 14-18). Остается неясным, каким образом разрыв клеточного сопряжения на ранней стадии приводит позже к дефектам в развитии, однако эксперименты такого рода - многообещающий первый шаг
визучении роли щелевых контактов в эмбриональном развитии.
485
14.1.8. Проницаемость щелевых контактов может регулироваться [8]
Экспериментальные воздействия, снижающие рН или повышающие концентрацию свободных ионов Са2 + в цитозоле, быстро (за несколько секунд) и обратимо уменьшают проницаемость щелевых контактов, а в некоторых тканях проницаемость их может регулироваться градиентом напряжения на контакте или внеклеточными химическими сигналами. Эти наблюдения показывают, что щелевые контакты - динамичные структуры, способные открываться или закрываться в ответ на изменения в клетках. Таким образом, в этом отношении они сходны с обычными ионными каналами (разд. 6.4.14), хотя переходы между открытым и закрытым состояниями происходят здесь значительно реже, чем у большинства ионных каналов.
Какую роль играет регуляция проницаемости щелевых контактов потенциалом или величиной рН в нормальном функционировании клеточных ансамблей, не известно. В одном случае однако, смысл контроля с участием ионов Са2+ кажется понятным. При гибели или повреждении клетки ее мембрана утрачивает барьерную функцию. Такие ионы, как Са2+ или Na + , входят в клетку, а важные метаболиты выходят из нее. Если бы такая клетка оставалась связанной со своими здоровыми соседями, то их внутренняя среда тоже подвергалась бы опасности. Однако повышение концентрации Са2+ в поврежденной клетке приводит к закрытию каналов щелевых контактов, что эффективно изолирует ее и таким образом предотвращает распространение повреждения.
Повышение проницаемости щелевых контактов под действием внеклеточных химических сигналов ведет к распространению реакции на соседние клетки, не находящиеся в прямом контакте с действующим агентом. Например, гормон глюкагон, побуждающий клетки печени к расщеплению гликогена и высвобождению глюкозы в кровяное русло, может также повышать проницаемость щелевых контактов между этими клетками у крысы. Это происходит за счет увеличения внутриклеточной концентрации циклического AMP (сAMP), который активирует сАМР-
Рис. 14-19. Схема расположения различных соединений, образуемых эпителиальными клетками тонкой кишки.
486
зависимую протеинкиназу (разд. 12.4.1), а та в свою очередь, по-видимому, фосфорилирует главный белок щелевого контакта. Расщепление гликогена клетками печени тоже обусловлено повышением концентрации сАМР, так что одновременное увеличение проницаемости щелевых контактов, облегчая диффузию сАМР из клетки в клетку, способствует вовлечению соседних групп клеток в процесс расщепления гликогена. На рис. 14-19 суммированы различные типы соединений, образующихся между клетками в эпителии. В апикальном конце клетки относительное положение клеточных соединений одинаково почти во всех эпителиях: плотные соединения занимают наиболее апикальную область клетки, за ними идет адгезионный пояс, а дальше - специальные параллельные ряды десмосом; все вместе они образуют «соединительный комплекс». Менее регулярно располагаются щелевые контакты и дополнительные десмосомы.
Заключение
Большинство клеток в тканях связаны друг с другом и с внеклеточным матриксом в специализированных местах контакта, называемых клеточными соединениями. Клеточные соединения разделяют на три функциональных класса: запирающие, прикрепительные и коммуникационные. Плотные соединения составляют главную группу запирающих соединений и играют основную роль в поддержании разности концентраций малых гидрофильных молекул по разные стороны эпителиальных слоев; они, во-первых, плотно связывают мембраны соседних клеток и создают таким образом непрерывный барьер проницаемости между двумя сторонами эпителия и, во-вторых, образуют барьер в липидном бислое, предотвращающий диффузию мембранных транспортных белков между апикальной и базо латеральной областями плазматической мембраны каждой эпителиальной клетки.
Существуют два основных типа прикрепительных контактов: адгезионные соединения и десмосомы. Все они объединяют группы клеток в прочные структурные комплексы, связывая элементы их цитоскелетов. Адгезионные соединения связывают пучки актиновых филаментов, а десмосомы-промежуточные филаменты. Щелевые контакты служат для межклеточной коммуникации и состоят из групп канальных белков, позволяющих частицам с мол. массой менее 1500 непосредственно переходить из одной клетки в другую. Клетки, связанные такими контактами, обмениваются многими неорганическими ионами и другими малыми молекулами, т, е. они химически и электрически сопряжены. Щелевые контакты имеют большое значение для координации функций электрически активных клеток и, по-видимому, играют сходную роль также в других группах клеток.
14.2. Внеклеточный матрикс [9]
Ткани состоят не только из клеток. Значительную часть их объема занимает внеклеточное пространство, заполненное сложной сетью макромолекул, составляющих внеклеточный матрикс (рис. 14-20). Этот матрикс включает разнообразные полисахариды и белки, которые секретируются самими клетками и организуются в упорядоченную сеть. Описывая межклеточные соединения, мы рассматривали главным образом эпигелиальные ткани, при описании же внеклеточного матрикса мы будем иметь дело в основном с соединительными тканями (рис. 14-21). В таких тканях матрикс обычно занимает больший объем, чем клетки, окружает их со всех сторон и определяет механические свойства ткани. У позвоночных соединительные ткани образуют структурный каркас
Рис. 14-20. Электронная микрофотография, показывающая при небольшом увеличении клетки, окруженные внеклеточным матриксом. В данном случае это еще не дифференцированные клетки конечности раннего куриного эмбриона. (С любезного разрешения Cheryll Tickle.)
487
Рис. 14-21. Соединительная ткань, подстилающая слой эпителиальных клеток.
тела, но их доля в разных органах весьма различна: в коже и костях, например, они являются основным компонентом, а в головном и спинном мозгу составляют лишь незначительную часть.
Различия в соотношениях разных типов макромолекул и в способе их организации во внеклеточном матриксе порождают необычайное разнообразие форм, каждая из которых очень хорошо приспособлена к функциональным потребностям данной ткани. Матрикс может обызвествляться, образуя твердые, как камень, структуры кости или зуба, может формировать прозрачное вещество роговицы глаза или принимать форму каната, что придает сухожилиям огромную прочность на разрыв. На границе между эпителием и соединительной тканью матрикс образует базальную мембрану - чрезвычайно тонкую, но плотную прокладку, играющую важную роль в регуляции поведения клеток. Мы ограничимся описанием внеклеточного матрикса позвоночных, но интересные и своеобразные структуры того же рода встречаются и у многих других организмов; таковы, например, клеточные стенки бактерий и растений, кутикула червей и насекомых, раковины моллюсков. Стенки растительных клеток будут детально рассмотрены в гл. 20.
До недавнего времени внеклеточный матрикс позвоночных считали сравнительно инертным каркасом, стабилизирующим физическую структуру тканей. Но сейчас стало ясно, что он играет значительно более активную и сложную роль в регуляции поведения контактирующих с ним клеток - влияет на их развитие, миграцию, пролиферацию, форму и метаболизм. Молекулярный состав внеклеточного матрикса достаточно сложен, но, хотя наше понимание его организации пока еще фрагментарно, идет быстрый прогресс в изучении его главных компонентов.
14.2.1. Внеклеточный матрикс состоит в основном из фибриллярных белков, погруженных в гидратированный полисахаридный гель
Макромолекулы внеклеточного матрикса в основном секретируются in situ находящимися в нем клетками. В большинстве соединительных тканей в этом участвуют главным образом фибробласты (рис. 14-22). В некоторых специализированных соединительных тканях, таких как хрящ и кость, эту функцию выполняют особые фибробластоподобные клетки, имеющие собственные названия: например, хрящ образуют хондробласты, а кость-остеобласты. Два главных класса макромолекул, образующих матрикс, - это 1) полисахариды гликозаминогликаны,
Рис. 14-22. Фибробласты (указаны стрелками) в соединительной ткани роговицы куриного эмбриона. Микрофотография, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа. Внеклеточный матрикс, окружающий фибробласты, состоит в основном из коллагеновых волокон (эластических волокон в роговице нет). Гликозаминогликаны, образующие гидратированный гель в пустотах волокнистой сети, при
высушивании препарата осели на поверхности коллагеновых волокон. (С любезного разрешения Robert Trelsta.)
488
обычно ковалентне связанные с белком в форме протеогликанов, и 2) фибриллярные белки двух функциональных типов: преимущественно структурные (например, коллаген и эластин) и в основном адгезивные (например, фибронектин и ламинин). Молекулы гликозаминогликана и протеогликана образуют сильно гидратированное гелеподобное «основное вещество», в которое погружены фибриллярные белки. Водная фаза полисахаридного геля обеспечивает диффузию питательных веществ, метаболитов и гормонов между кровью и клетками ткани; коллагеновые волокна укрепляют и упорядочивают матрикс, а резино-подобные эластиновые волокна придают ему упругость. Адгезивные белки способствуют прикреплению клеток к внеклеточному матриксу: фибронектин участвует в прикреплении фибробластов и подобных им клеток к матриксу в соединительных тканях, а ламинин - в прикреплении эпителиальных клеток к базальной мембране.
14.2.2. Цепи гликозаминогликанов занимают большие объемы пространства и образуют гидратированные гели
[10]
Гликозамнногликаны - это длинные неразветвленные полисахаридные цепи, состоящие из повторяющихся дисахаридных звеньев. Их называют гликозаминогликанами потому, что один из двух остатков в повторяющемся дисахариде - это всегда аминосахар (N-ацетилглюкозамин или N-ацетилгалактозамин). В большинстве случаев один из этих аминоса-харов сульфатирован, а второй представляет собой уроновую кислоту. Наличие у многих сахарных остатков сульфатных или карбоксильных групп придает гликозаминогликанам большой отрицательный заряд (рис. 1423). По типу сахарных остатков, типу связей между ними, а также по числу и положению сульфатных групп различают четыре главные группы гликозаминогликанов; это 1) гиалуроновая кислота, 2) хондроитинсулъфат и дерматансулъфат, 3) гепарансульфат и гепарин и 4) кератансулъфат (табл. 14-2).
Полисахаридные цепи недостаточно гибки, чтобы, подобно многим полипептидным цепям, складываться в компактные глобулярные структуры. Кроме того, они в высокой степени гидрофильны. Поэтому гликозаминогликаны стремятся принять конформацию очень рыхлого, неупорядоченного клубка, который занимает огромный для своей массы объем (рис. 14-24), и образуют гели даже в очень низких концентрациях. Благодаря высокой плотности отрицательных зарядов их молекулы притягивают множество таких осмотически активных ионов, как Na+, что ведет к присасыванию в матрикс большого количества воды. Это создает давление набухания (тургор), позволяющее матриксу противостоять сжимающим силам (в противоположность коллагеновым волок-
Рис. 14-23. Гликозаминогликаны представляют собой длинные линейные полимеры, состоящие из повторяющейся дисахаридной последовательности. Здесь представлена небольшая часть цепи дерматансульфата; обычно эти цепи содержат от 70 до 200 сахарных остатков.
Очень высокая плотность отрицательных зарядов вдоль цепи обусловлена присутствием карбоксильных и сульфатных групп.
489
Таблица 14-2. Гликозаминогликаны
Гру |
Гликозамино |
Мол. масса |
Повторяющийся дисахарид (А-В)n |
Число |
|
Связь |
с Другие |
Распределение в организме |
||
ппа |
гликан |
|
|
|
сульфогру |
белком |
сахара |
|
|
|
|
|
|
|
|
пп |
на |
|
|
|
|
|
|
|
Остаток А |
Остаток В |
дисахарид |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
Гиалуроновая |
4000-8 • 106 |
D-глюкуроновая |
N-ацетил-D- |
0 |
|
|
0 |
Различные |
соединительные |
|
кислота |
|
кислота |
глюкозамин |
|
|
|
|
ткани, кожа, стекловидное |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
тело, хрящ, синовиальная |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
жидкость |
|
2 |
Хондроитин- |
5000-50000 |
» |
N-ацетил-В- |
0,2-2,3 |
|
+ |
D-галактоза, |
Хрящ, роговица, кости, кожа, |
|
|
сульфат |
|
|
галактоз-амин |
|
|
|
D-ксилоза |
артерии |
|
|
Дерматансуль |
15000-40000 |
D-глкжуроно-вая |
» |
1,0-2,0 |
|
+ |
» |
Кожа, кровеносные сосуды, |
|
|
фат |
|
кислота или L- |
|
|
|
|
|
сердце, сердечные клапаны |
|
|
|
|
идуроновая |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
кислота1) |
|
|
|
|
|
|
|
3 |
Гепаран- |
5000-12000 |
» |
N-ацетил-D- |
0,2-2,0 |
|
+ |
» |
Легкие, артерии, поверхность |
|
|
сульфат |
|
|
глюкозамин |
|
|
|
|
клеток, базальные мембраны |
|
|
Гепарин |
6000-25000 |
» |
» |
2,0-3,0 |
|
+ |
» |
Легкие, печень, кожа, тучные |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
клетки |
|
4 |
Кератан- |
4000-19000 |
D-галактоза |
» |
0,9-1,8 |
|
+ |
D- |
Хряш, |
роговица, |
|
сульфат |
|
|
|
|
|
|
галактозамин |
межпозвоночные диски |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, D-манноза, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
L-фруктоза, |
|
|
сиаловая
кислота
1) L-идуроновая кислота - продукт эпимеризации D-глюкуроновой кислоты по месту присоединения карбоксильной группы. Таким образом, дерматансульфат - это модифицированная форма хондроитинсульфата, и два типа повторяющихся дисахаридов обычно чередуются в одной и той же гликозаминогликановой цепи
нам, противодействующим растяжению). Именно таким образом сопротивляется сжатию, например, матрикс хряща.
Количество гликозаминогликанов в соединительной ткани обычно составляет менее 10% от содержания фибриллярных белков. Поскольку, однако, они образуют рыхлый гидратированный гель, цепи гликозами-ногликана заполняют большую часть межклеточного пространства, обеспечивая ткани механическую опору и в то же время не препятствуя быстрой диффузии водорастворимых молекул и миграции клеток.
14.2.3. Гиалуроновая кислота, по-видимому, облегчает миграцию клеток во время морфогенеза и регенерации тканей [11]
Гиалуроновая кислота (называемая также гиалуронатом или гиалуронаном), которая может содержать до нескольких тысяч сахарных остатков, - относительно простая молекула, она состоит из повторяющейся последовательности несульфагированных дисахаридных единиц (рис. 14-25). Это вещество встречается в различных количествах во всех тканях
490
и жидкостях тела взрослых животных, особенно много его у ранних зародышей. Гиалуроновую кислоту ввиду простоты ее структуры предположительно считают эволюционно самой ранней формой гликоза-миногликана, однако она не является типичной среди большинства гликозаминогликанов. Все другие гликозаминогликаны 1) содержат сульфатированные сахара, 2) чаще всего содержат несколько различных дисахаридных единиц, образующих более сложные последовательности, 3) имеют гораздо более короткие цепи, содержащие менее 300 сахарных остатков, и 4) ковалентно связаны с белками.
Появляется все больше данных о том, что гиалуроновая кислота выполняет особую функцию там, где происходит миграция клеток, например в процессах эмбрионального развития и при заживлении ран, В периоды клеточной миграции она образуется в больших количествах, а после прекращения миграции избыток ее разрушается ферментом гиалуронидазой. Такая последовательность событий была обнаружена в разнообразных тканях. Это позволяет предполагать, что локальное увеличение синтеза гиалуроновои кислоты, притягивающей воду и тем самым вызывающей набухание матрикса, служит общей стратегией облегчения миграции клеток при морфогенезе и регенерации. Гиалуроновая кислота является также важным компонентом синовиальной (суставной) жидкости, где она играет роль смазки.
14.2.4. Протеогликаны состоят из длинных цепей гликозаминогликана, ковалентно связанных с сердцевинным белком [12]
За исключением гиалуроновои кислоты, все гликозаминогликаны ковалентно связаны с белком в форме протеогликанов. Как и в случае гликопротеинов (разд. 8.6.6), полипептидная цепь (сердцевинный белок] протеогликана синтезируется на рибосомах, связанных с мембранами, и «протаскивается» через мембрану в просвет эндоплазматического ретикулума. Полисахаридные цепи добавляются к сердцевинному белку главным образом в аппарате Гольджи: первым к сериновому остатку этого белка присоединяется специальный литерный трисахарид, служащий «затравкой» для роста полисахарида; затем с помощью специфических гликозилтрансфераз один за другим добавляются сахарные остатки (рис. 1426). По мере удлинения цепи в аппарате Гольджи многие из полимеризованных сахарных остатков ковалентно модифицируются в результате ряда последовательных и координированных реакций сульфатирования (разд. 8.7.4) и эпимеризации, которые изменяют конфигурацию функциональных групп вокруг одного из углеродных атомов в молекуле сахара. Сульфатирование сильно увеличивает отрицательный заряд протеогликанов.
Обычно Протеогликаны сильно отличаются от гликопротеинов при-
Рис. 14-24. Относительные объемы молекул различных белков, гликогеновой гранулы и одной гидратированной молекулы гиалуроновой кислоты с мол. массой около 8 • 106.
Рис. 14-25. Повторяющаяся дисахаридная последовательность гиалуроновои кислоты - относительно простого гликозаминогликана, состоящего из одной очень длинной цепи, в которой может быть до нескольких тысяч сахарных остатков. Обратите внимание на отсутствие
сульфатных групп.