Рис. 1. Проницаемость искусственного билипидного слоя для различных молекул (из Ченцова….). Перенос низкомолекулярных веществ через мембрану

Простая диффузия характерна для небольших нейтральных молекул (H₂O, CO₂, O₂), а также гидрофобных низкомолекулярных органических веществ жирные кислоты, мочевина). Эти молекулы могут проходить без какого-либо взаимодействия с мембранными белками через поры или каналы мембраны до тех пор, пока будет сохраняться градиент концентрации.

При увеличении разности концентраций между отсеками, разделенными мембраной, прямо пропорционально будет расти и скорость диффузии. При выравнивании концентраций диффу­зия прекращается, а если соотношение концентраций меняется на противоположное, то меняется и направление диффузии.

Это имеет место, в частности, в случае прохождения СО₂ че­рез мембрану эритроцитов: в капиллярах тканей СО₂ диффундирует из плазмы в эритроциты, а в капиллярах лег­ких – наоборот, из эритроцитов в плазму. Все определяется со­отношением концентраций СО₂ в этих компартментах.

При данном способе переноса вещество прохо­дит через мембрану тоже по направлению градиента своей кон­центрации (т.е. в компартмент с меньшей концентрацией), но не самостоятельно, а с помощью специального транспортного белка – транслоказы.

Транслоказы – интегральные белки, обладающие большей или меньшей специфичностью в отношении переносимых ве­ществ. Примеры – анионные каналы в плазмолемме эритроци­тов, К⁺-каналы в плазмолемме возбудимых клеток, Са⁺-каналы в мембранах саркоплазматического ретикулума и т. д.

Практически всегда с помощью транслоказы переносится такое вещество, которое не способно к простой диффузии через мембрану. Но есть и исключение – перенос воды через мембра­ны почечных канальцев и секреторных эпителиальных кле­ток. Вода способна самостоятельно пересекать липидный бислой. Однако для интенсификации ее диффузии в указанных мембранах есть специальная транслоказа – аква-порин.

Механизм действия транслоказ заключается в следующем.

Как правило, тран­слоказы состоят из нескольких субъединиц. С учетом этого воз­можно несколько вариантов.

1. 
   Между субъединицами имеется всегда открытый гидро­фильный канал, доступный лишь для веществ определенного размера и заряда.
   
2. 
   Канал открывается только при связывании с одной из его сторон специфического лиганда.
   
3. 
   Канала как такового не образуется вовсе, а перенос осу­ществляется путем поворота транслоказы (вместе со связанным лигандом) в плоскости мембраны на 180°. В результате лиганд, связавшийся на одной стороне мембраны, высвобождается с другой стороны.
   

При изменении градиента концентрации воз­можно изменение направления облегченной диффузии. Например, в капиллярах тканей и легких перенос бикарбонат-ионов че­рез анионные каналы плазмолеммы эритроцитов происходит в проти­воположных направлениях.

Вместе с тем, возможен феномен, отсутствующий при про­стой диффузии – так называемое явление насыщения. Это значит, что при неуклонном повышении концентрации лиганда с одной стороны мембраны скорость переноса может расти не беспредельно, а лишь до некоторого предела. При этой максимальной скорости каждая транслоказа функционирует без периодов «простоя»: после высвобождения молекулы лиганда с одной стороны тут же следует связывание очередной молекулы с другой стороны.

Дальнейшая же интенсификация деятельности транслоказы уже невозможна.

Аналогичный феномен, как известно, присущ и фермен­там. В связи с этим транслоказы можно рассматривать как «ферменты», катализирующие перемещение веществ через мембраны.
Активный транспорт

Активный транспорт имеет место в том случае, когда вещество проходит через мембрану с помощью специального транс­портного белка (транслоказы), но против градиента своей кон­центрации, т.е. из компартмента с меньшей концентрацией в компартмент с большей концентрацией.

Такое перемещение требует затрат энергии клеткой. Следователь­но, транспортная система должна осуществлять и энергетиче­ское обеспечение переноса. Данная проблема решается разными способами.

1. Сопряжение переноса вещества с энергодающей реакцией (как правило, такой реак­цией служит гидролиз АТФ).

В простейшем варианте сама транслоказа обладает АТФазной активностью (как показано на рис. 4.9,в). Таков, в част­ности, Са²⁺-насос, закачивающий ионы Са²⁺ в цистерны саркоплазматического ретикулума.

В других случаях к гидролизу АТФ приводит более сложная совокупность реакций, сопряженных с переносом ве­щества. Например, транспорт аминокислот в эпителиальные клетки кишечника в процессе всасывания. Здесь аминокислота, прошедшая с помощью транслоказы через мембрану, сразу же реагирует с трипептидом глутатионом – так, что образуются два дипептида. Тем самым снижа­ется концентрация данной аминокислоты в примембранном пространстве клетки, что облегчает диффузию через мембрану новых порций аминокислоты. Затем происходит серия реакций, идущих с выделением энергии:

- распад обоих дипептидов и

- ресинтез глутатиона с затратой трех молекул АТФ.

В итоге получается, что для всасывания 1-й молекулы амино­кислоты расходуется энергия 3-х молекул АТФ (-150 кДж/моль аминокислоты). Это более чем достаточно для преодоления кон­центрационного барьера.

Кроме гидролиза АТФ, непосредственным источником энергии для активного транспорта может быть окислительно-восстановительный процесс.

Так, в частности, обстоит дело в митохондриях. В ходе перемещения электронов по дыхательной цепи выделяет­ся энергия, которая служит для откачки протонов из матрикса в межмембранное пространство (через внутреннюю митохондриальную мембрану). Тем самым создается протонный гради­ент, энергия которого затем используется для синтеза АТФ (в ходе обратного перемещения протонов в матрикс по градиен­ту концентрации через другую транспортную систему – АТФазу).

2. Сопряжение переноса вещества X (про­тив градиента концентрации) с пассивным переносом другого вещества Y (по градиенту его концентрации). В данном случае выделяют два варианта трансмембранного переноса веществ: симпорт и анти­порт.

В случае симпорта оба вещества переносятся транслоказой в одну сторону, т.. молекулы Y, диффундируя по градиенту своей концентрации, как бы тянут вместе с собой соединение X.

Таков, в частности, механизм реабсорбции глюкозы в ка­нальцах почек: она проникает в эпителиальную клетку путем симпорта с ионами Na⁺.

Если оба вещества, участвующие в симпорте, являются ио­нами, то они имеют разноименные заряды.

При антипорте, вещества пе­реносятся транслоказой во взаимно противоположных напра­влениях. Т.е. молекулы Y как бы обмениваются на молекулы X. Но у эукариот антипорт весьма редко используется как средство энергообеспечения трансмембранного переноса. Гораздо более распространена система, где путем антипорта сразу оба вещества перемещаются против градиента своей кон­центрации, при этом источником энергии служит АТФ. Например, Na⁺,K⁺-нacoc или Na⁺,К⁺-зависимая ATФаза, присутствующая в плазмолемме почти всех клеток, при антипорте этих ионов послед­ние имеют одноименные заряды.

После этих общих сведений рассмотрим подробней некото­рые из упомянутых выше транспортных систем.
Системы переноса низкомолекулярных веществ

Натрий-калиевый насос

Na⁺,K⁺-нacoc этот белок включает две а- и две Р-субъединицы. Используя энергию АТФ, он переносит ионы Na⁺ и К⁺ против градиента их концентрации: ионы Na⁺ – из клетки, а ионы К⁺ – в клетку.

Именно благодаря деятельности этого насоса создается резко асимме­тричное распределение данных ионов между кле­точной и внутриклеточ­ной средой. Концентрация ионов Na⁺ значительно выше вне клеток, а ионов К⁺ – вну­три клеток.

Важная особенность деятельности насоса – характерная стехиометрия: за счет распада 1-й молекулы АТФ происходит вы­качивание 3-х ионов Na⁺ и одновременно закачивание в клетку 2-х ионов К⁺.

Расчеты показывают, что при этом рассеивается только 10 % энергии АТФ; остальные 90 % преобразуются в энер­гию концентрационных градиентов. Такая эффективность пре­образования энергии, очевидно, является очень высокой.

Насос имеет некую полость. В начале очередного цикла она открыта с внутренней стороны мембраны, где ее заполняют 3 иона Na⁺. Для преодоле­ния электрического отталкивания между ионами требуется энергия. Связывание ионов Na⁺ инициирует гидролиз мо­лекулы АТФ.

Однако этот гидролиз не только энергетически обеспечива­ет первую стадию цикла, но и, в свою очередь, инициирует сле­дующую стадию. Так, фосфатная группа переносится от АТФ на белок, что изменяет его конформацию. В результате полость с ионами Na⁺ открывается с другой стороны мембраны – наруж­ной. Сила электрического отталкивания между ионами заста­вляет последних высвобождаться во внеклеточную среду, нес­мотря на высокую их концентрацию здесь.

Вместо ионов Na⁺ полость заполняют 2 иона К⁺. Не ис­ключено, что меньшее количество этих ионов обусловлено просто тем, что они крупнее. Правда, в водном растворе ионы Na⁺ эффективней притягивают воду и за счет гидратной оболочки оказыва­ются больше.

Другое объяснение может состоять в том, что для двух ионов гораздо меньше сила электрического отталкивания. И, наконец, по третьей точке зрения, дело вовсе не в размерах полости и ионов, а «просто» в числе связывающих центров у насоса: для Na⁺ их – 3, а для К⁺ – 2.

Как бы то ни было, связывание ионов К⁺ инициирует дефосфорилирование транслоказы. Это, с одной стороны, видимо, высвобождает остатки энергии АТФ, со­хранявшиеся в связи фосфатной группы. А, с другой стороны, дефосфорилирование возвращает конформацию транслоказы в исходное состояние: ее полость вновь от­крывается с внутренней стороны мембра­ны, отчего здесь высвобождаются ионы К⁺. Так завершается цикл работы насоса.

Имеется важная группа лекарствен­ных средств, которые тормозят дей­ствие Na⁺,K⁺-нacoca. Это сердечные гликозиды (алкалоиды наперстянки). Они конкурируют с ионами К⁺ за связывание с транслоказой с ее наружной стороны.

Более всего действие данных средств проявляется в отношении сер­дечной мышцы. Поэтому в саркоплазме кардиомиоцитов возрастает концентра­ция Na⁺. Это снижает возбудимость мио­карда. Одновременно увеличивается концентрация ионов Са²⁺ (видимо, из-за того, что их транспорт из клетки про­исходит в обмен на внеклеточные ионы Na⁺, так что при большей внутриклеточ­ной концентрации Na⁺ обмен происходит слабее). Ионы же Са²⁺ повышают сократимость миокарда. В итоге сокращения сердца становятся более редкими и более сильными.

При передозировке сердечных гликозидов их действие можно ослабить путем введения больному препаратов К⁺. Тогда ионы К⁺ вытесняют гликозиды из связи с Na⁺,K⁺-нacocoм.

Перенос через мембраны частиц и высокомолекулярных соединений

Переход частиц через плазмолемму происходит в составе мембранного пузырька.При этом по направлению транспорта и по характеру пере­носимых веществ различают следующие процессы.

1. 
   Эндоцитоз – перенос частиц в клетку. Его разновидности:
   

1. 
   пиноцитоз – захват и поглощение клеткой раствори­мых макромолекулярных соединений;
   
2. 
   фагоцитоз – то же самое, но в отношении твердых частиц;
   
3. 
   эндоцитоз, опосредованный рецепторами, – поглощаемый субстрат предварительно специфически связы­вается с поверхностными рецепторами плазмолеммы. Это очень частый вариант фаго- и пиноцитоза, особенно в иммун­ных процессах.
   

2. 
   Экзоцитоз – перенос частиц и крупных соединений из клетки.
   

Из приведенного определения следует, что секреция мо­жет быть проявлением не только экзоцитоза, но и экспорта низкомолекулярных соединений. Действительно, под се­крецией понимают выделение из клетки веществ разного размера:

• 
  высокомолекулярных (например, белковых гормонов в передней доле гипофиза),
  

• 
  низкомолекулярных (ионов Н⁺ в желудке и почках, био­логически активных аминов в соединительной ткани, ме­диаторов в пресинаптических окончаниях и т. д.).
  

Реже секреция совершается по типу облегченной диффузии или активного транспорта. Очевидно, такой механизм может от­носиться лишь к низкомолекулярным веществам. Пример: се­креция ионов Н⁺ в желудке и почках.

Заметим, что в понятие секреции обычно не включают вы­ведение из клетки обычных продуктов ее обмена, а также выве­дение из нее таких ионов (например, Na⁺), которые остаются в окружающей клетку среде.

Если из клетки удаляются твердые частицы, то такую разновидность экзоцитоза называют экскрецией. Примером эк­скреции может служить происходящее в конце эритропоэза уда­ление из ретикулоцитов сетчатой субстанции (агрегированных остатков органелл).

Видимо, механизм экскреции вновь состоит в том, что вна­чале выделяемые частицы оказываются в цитоплазматическом пузырьке, который затем сливается с плазмолеммой.

Наконец, существует еще одно понятие – рекреция. Это перенос твердых веществ через клетку; фактически здесь соче­таются фагоцитоз и экскреция.

Видимо, о данном феномене можно говорить примени­тельно к тем специализированным макрофагам (М-клеткам, дендритным клеткам, клеткам Лангерганса), которые по­стоянно локализованы в эпителии слизистых оболочек и кожи. Поглощая с одной своей стороны бактериальные части­цы и выделяя их «обломки» с другой стороны («представляя» таким образом антигены подлежащим лимфоцитам), эти клетки осуществляют, по существу, рекрецию.
Межклеточное узнавание

У многоклеточных организмов за счет межклеточных взаимодейст­вий образуются сложные клеточные ансамбли, поддержание которых может осуществляться разными путями. В зародышевых, эмбриональ­ных тканях, особенно на ранних стадиях развития, клетки остаются в связи друг с другом из-за способности их поверхностей слипаться. Это свойство адгезии (соединения, сцепления) клеток может опреде­ляться свойствами их поверхности, которые специфически взаимо­действуют друг с другом. Механизм этих связей достаточно хорошо изучен, он обеспечивается взаимодействием между гликопротеидами плазматических мембран. При таком межклеточном взаимодействии клеток между плазматическими мембранами всегда остается щель ши­риной около 20 нм, заполненная гликокаликсом. Обработка ткани ферментами, нарушающими целостность гликокаликса (муказами, действующими гидролитически на муцины, мукополисахариды) или повреждающими плазматическую мембрану (протеазами), приводит к обособлению клеток друг от друга, к их диссоциации. Однако если удалить фактор диссоциации, то клетки могут снова собираться, реагрегировать. Так можно диссоциировать клетки разных по окраске гу­бок, оранжевых и желтых. Оказалось, что в смеси этих клеток образу­ются два типа агрегатов: одни состоят только из желтых, другие – только из оранжевых клеток. При этом смешанные клеточные суспен­зии самоорганизуются, восстанавливая исходную многоклеточную структуру. Сходные результаты были получены с суспензиями разде­ленных клеток эмбрионов амфибий; в этом случае происходит избира­тельное пространственное обособление клеток эктодермы от энтодер­мы и от мезенхимы. Более того, если для реагрегации используются ткани поздних стадий развития зародышей, то в пробирке самостоя­тельно собираются различные клеточные ансамбли, обладающие тка­невой и органной специфичностью, образуются эпителиальные агре­гаты, сходные с почечными канальцами, и т. д.

За агрегацию однородных клеток отвечают трансмембранные гликопротеиды. Непосредственно за соединение – адгезию, клеток отве­чают молекулы так называемых САМ-белков (cell adhesion molecules). Некоторые из них связывают клетки друг с другом за счет межмолеку­лярных взаимодействий, другие образуют специальные межклеточные соединения, или контакты.

Взаимодействия между адгезивными белками могут быть гомофильными, когда соседние клетки связываются друг с другом с помо­щью однородных молекул, и гетерофильными, когда в адгезии участву­ют разного рода САМ на соседних клетках. Встречается межклеточное связывание через дополнительные линкерные молекулы.

Имеется несколько классов САМ-белков: кадгерины, иммуноглобулиноподобные N-CAM (молекулы адгезии нервных клеток), селектины, интегрины.

Кадгерины представляют собой интегральные фибриллярные мем­бранные белки, которые образуют параллельные гомодимеры. Отдель­ные домены этих белков связаны с ионами Са²⁺, что придает им опре­деленную жесткость. Насчитывают более 40 видов кадгеринов. Так, Е-кадгерин характерен для клеток преимплантированных эмбрионов и для эпителиальных клеток взрослых организмов, Р-кадгерин – для клеток трофобласта, плаценты и эпидермиса, N-кадгерин рас­полагается на поверхности нервных клеток, клеток хрусталика, на сер­дечных и скелетных мышцах.

Молекулы адгезии нервных клеток (N-CAM) принадлежат к суперсемейству иммуноглобулинов, они образуют связи между нервными клетками. Некоторые из N-CAM участвуют в соединении синапсов, а также при адгезии клеток иммунной системы.

Селектины – интегральные белки плазматической мембраны, уча­ствуют в адгезии эндотелиальных клеток, в связывании кровяных пла­стинок, лейкоцитов.

Интегрины представляют собой гетеродимеры, с - и -цепями. Интегрины в первую очередь осуществляют связь клеток с внеклеточны­ми субстратами, но могут участвовать и в адгезии клеток друг с другом.

Как уже указывалось, на попавшие в организм чужеродные макромолекулы (антигены) развивается сложная комплексная реакция – иммунная реакция. Суть ее заключается в том, что часть лимфоцитов вырабатывает специальные белки-антитела, которые специфически связываются с антигенами. Так, макрофаги своими поверхностными рецепторами узнают комплексы антиген-антитело и поглощают их (например, поглощение бактерий при фагоцитозе).

В организме всех позвоночных, кроме того, существует система ре­цепции чужеродных клеток или же своих, но с измененными белками плазматической мембраны, например при вирусных инфекциях или при мутациях, часто связанных с опухолевым перерождением клеток.

На поверхности всех клеток позвоночных располагаются белки так называемого главного комплекса гистосовместимости (МНС – major histocompatibility complex). Это интегральные белки гликопротеины, гетеродимеры. Очень важно запомнить, что каждый индивидуум име­ет свой набор таких белков МНС. Это связано с тем, что они очень по­лиморфны, так как в каждом индивидуме имеется большое число альтернативных форм одного и того же гена (более 100); кроме того, имеется 7-8 локусов, кодирующих молекулы МНС. Это приводит к тому, что каждая клетка данного организма, имея набор белков МНС, будет отличаться от клеток индивидуума этого же вида. Специальная форма лимфоцитов – Т-лимфоциты, узнают МНС своего организма, но малейшие изменения в структуре МНС (например, связь с вирусом или результат мутации в отдельных клетках) приводят к тому, что Т-лимфоциты узнают такие изменившиеся клетки и уничтожают их, но не путем фагоцитоза. Они выделяют из секреторных вакуолей специ­фические белки-перфорины, которые встраиваются в цитоплазматическую мембрану измененной клетки, образуют в ней трансмембран­ные каналы, делая плазматическую мембрану проницаемой, что и приводит к гибели измененной клетки (рис. 143 и 144).

Кроме таких сравнительно простых адгезивных (но специфиче­ских) связей (рис. 145) существует целый ряд специальных межклеточ­ных структур – контактов, или соединений, которые выполняют опре­деленные функции. Это запирающие, заякоривающие и коммуника­ционные соединения (рис. 146).

Запирающее, или плотное, соединение характерно для однослойных эпителиев. Это зона, где внешние слои двух плазматических мембран максимально сближены. Часто видна трехслойность мембраны в этом контакте: два внешних осмофильных слоя обеих мембран как бы сли­ваются в один общий слой толщиной 2– 3 нм. Слияние мембран про­исходит не по всей площади плотного контакта, а представляет собой ряд точечных сближений мембран (рис. 147, а и 148).

На плоскостных препара­тах разломов плазматической мембраны в зоне плотного контакта с помощью метода замораживания и скалывания было обнаружено, что точки соприкосновения мембран представляют собой ряды гло­бул. Это белки окклудин и клаудин – специальные инте­гральные белки плазматиче­ской мембраны, встроенные рядами. Такие ряды глобул, или полоски, могут пересе­каться так, что образуют на поверхности скола как бы ре­шетку, или сеть. Очень харак­терна эта структура для эпите­лиев, особенно железистых и кишечных. В последнем слу­чае плотный контакт образует сплошную зону слияния плаз­матических мембран, опоясы­вающую клетку в апикальной (верхней, смотрящей в просвет кишечника) ее части (см. рис. 148). Таким образом, каждая клет­ка пласта как бы обведена лентой этого контакта. Такие структуры при специальных окрасках можно видеть и в световом микроскопе. Они получили у морфологов название замыкающих пластинок. Оказалось, что в данном случае роль замыкающего плотного контакта заключает­ся не только в механическом соединении клеток друг с другом. Эта об­ласть контакта плохо проницаема для макромолекул и ионов, и тем са­мым она запирает, перегораживает межклеточные полости, изолируя их (и вместе с ними собственно внутреннюю среду организма) от внешней среды (в данном случае – просвет кишечника).

Это можно продемонстрировать, используя электронно-плотные контрастеры, например раствор гидроокиси лантана. Если просвет кишечника или протока какой-нибудь железы наполнить раствором гид­роокиси лантана, то на срезах под электронным микроскопом зоны, где располагается это вещество, обладают высокой электронной плот­ностью и будут темными. Оказалось, что ни зона плотного контакта, ни межклеточные пространства, лежащие ниже его, не темнеют. Если же повредить плотные контакты (легкой ферментативной обработкой или удалением ионов Са²⁺), то лантан проникает и в межклеточные участки. Точно так же была доказана непроницаемость плотных кон­тактов для гемоглобина и ферритина в канальцах почек. Таким образом, плотные контакты являются барьерами не только для макромоле­кул, они непроницаемы для жидкостей и ионов.

Замыкающий, или плотный, контакт встречается между всеми ти­пами однослойного эпителия (эндотелий, мезотелий, эпендима).

Заякоривающие, или сцепляющие, соединения, или контакты, так называются потому, что они соединяют не только плазматические мембраны соседних клеток, но и связываются с фибриллярными эле­ментами цитоскелета (рис. 149). Для этого рода соединений характер­ным является наличие двух типов белков. Первый тип представлен трансмембранными линкерными (связующими) белками, которые участвуют или в собственно межклеточном соединении или в соедине­нии плазмалеммы с компонентами внеклеточного матрикса (базальная мембрана эпителиев, внеклеточные структурные белки соедини­тельной ткани).

Ко второму типу относятся внутриклеточные белки, соединяющие, или заякоривающие, мембранные элементы такого контакта с цитоплазматическими фибриллами цитоскелета.

К заякоривающим соединениям относятся межклеточные сцепля­ющие точечные контакты, сцепляющие ленты, фокальные контакты, или бляшки сцепления; все эти контакты связываются внутри клеток с актиновыми микрофиламентами. Другую группу заякоривающих межклеточных соединений составляют десмосомы и полудесмосомы; они связываются с другими элементами цитоскелета – промежуточ­ными филаментами.

Межклеточные точечные сцепляющие соединения обнаружены у многих неэпителиальных тка­ней, но более отчетливо описана структура сцепляющих (адгезив­ных) лент в однослойных эпителиях (рис. 150). Эта структура опоясывает весь периметр эпи­телиальной клетки, подобно тому, как это происходит в случае плотного соединения. Чаще все­го такой поясок, или лента, ле­жит ниже плотного соединения (см. рис. 146). В этом месте плаз­матические мембраны не сбли­жены, а даже несколько раздви­нуты на расстояние 25-30 нм, и между ними видна зона повы­шенной плотности. Это не что иное, как места взаимодействия трансмембранных гликопротеинов, которые специфически сцепляются друг с другом и обеспечивают механическое соединение мембран двух соседних клеток. Эти линкер­ные белки относятся к Е-кадгеринам – белкам, обеспечивающим спе­цифическое узнавание клетками однородных мембран. Разрушение этого слоя гликопротеидов приводит к обособлению отдельных клеток и к разрушению эпителиального пласта. С цитоплазматической сторо­ны около мембраны видно скопление какого-то плотного вещества, к которому примыкает слой тонких (6-7 нм) филаментов, лежащих вдоль плазматической мембраны в виде пучка, идущего по всему пери­метру клетки. Тонкие филаменты относятся к актиновым фибриллам, они связываются с плазматической мембраной посредством белков катенина, винкулина и осактинина, образующих плотный околомем­бранный слой.

Функциональное значение такого ленточного соединения заклю­чается не только в механическом сцеплении клеток друг с другом: при сокращении актиновых филаментов в ленте может изменяться форма клетки. Считается, что кооперативное сокращение актиновых фиб­рилл во всех клетках эпителиального пласта может вызвать изменение его геометрии, например сворачивание в трубку, подобно тому, что про­исходит при образовании нервной трубки у эмбрионов позвоночных.

Фокальные контакты, или бляшки сцепления, встречаются у многих клеток и особенно хорошо изучены у фибробластов. Они построены по общему плану со сцепляющими лентами, но выражены в виде небольших участков – бляшек – на плазмалемме. В этом случае транс­мембранные линкерные белки-интегрины специфически связывают­ся с белками внеклеточного матрикса (например, с фибронектином) (рис. 151). Со стороны цитоплазмы эти же гликопротеиды связаны с примембранными белками, куда входит и винкулин, который в свою очередь связан с пучком актиновых филаментов. Функциональное значение фокальных контактов заключается как в закреплении клетки на внеклеточных структурах, так и в создании механизма, позволяю­щего клеткам перемещаться.

Десмосомы – структуры в виде бляшек или кнопок, также соединя­ют клетки друг с другом (рис. 152 и 153, а). В межклеточном простран­стве здесь также виден плотный слой, представленный взаимодейству­ющими интегральными мембранными кадгеринами – десмоглеинами, которые сцепляют клетки друг с другом. С цитоплазматической сторо­ны к плазмалемме прилежит слой белка-десмоплакина, с которым свя­заны промежуточные филаменты цитоскелета. Десмосомы встречаются чаще всего в эпителиях, в этом случае промежуточные филаменты со­держат кератины. Клетки сердечной мышцы – кардиомиоциты, содер­жат десминовые фибриллы в составе десмосом. В эндотелии сосудов в состав десмосом входят виментиновые промежуточные филаменты.

Полудесмосомы в принципе сходны по строению с десмосомой, но представляют собой соединение клеток с межклеточными структура­ми. Так, в эпителиях линкерные гликопротеиды (интегрины) десмосо­мы взаимодействуют с белками так называемой базальной мембраны, куда входят коллаген, ламинин, протеогликаны и др.

Функциональная роль десмосом и полудесмосом сугубо механиче­ская: они сцепляют клетки друг с другом и с подлежащим внеклеточ­ным матриксом прочно, что позволяет эпителиальным пластам выдер­живать большие механические нагрузки. Подобно этому десмосомы прочно связывают друг с другом клетки сердечной мышцы, что позво­ляет им выполнять огромную механическую нагрузку, оставаясь свя­занными в единую сокращающуюся структуру.

В отличие от плотного контакта все типы сцепляющих контактов проницаемы для водных растворов и не играют никакой роли в огра­ничении диффузии.

Щелевые контакты считаются коммуникационными соединениями клеток. Эти структуры участвуют в прямой передаче химических ве­ществ из клетки в клетку, что может не только играть большую физио­логическую роль при функционировании специализированных кле­ток, но и обеспечивать межклеточные взаимодействия при развитии организма, при дифференцировке его клеток. Характерным для этого типа контактов является сближение плазматических мембран двух со­седних клеток на расстояние 2–3 нм (см. рис. 147, б и 153, б). Именно это обстоятельство долгое время не позволяло на ультратонких срезах отличить данный вид контакта от плотного разделительного (замыка­ющего) контакта. При использовании гидроокиси лантана было заме­чено, что некоторые плотные контакты пропускают контрастер.

В этом случае лантан заполнял тонкую щель шириной около 3 нм ме­жду сближенными плазматическими мембранами соседних клеток. Это и послужило появлению термина щелевой контакт. Дальнейший прогресс в расшифровке его строения был достигнут при использова­нии метода замораживания-скалывания. Оказалось, что на сколах мембран зоны щелевых контактов (размером от 0,5 до 5 мкм) усеяны гексагонально расположенными (с периодом 8-10 нм) частицами 7-8 нм в диаметре, имеющими в центре канал около 2 нм шириной. Эти частицы получили название коннексонов (рис. 154). В зонах щелевого контакта может быть от 10-20 до нескольких тысяч коннексонов в зависимости от функциональных особенностей клеток. Коннексоны были выделе­ны препаративно, они состоят из шести субъединиц коннектина – бел­ка с молекулярной массой около 30 тыс. Объединяясь друг с другом, коннектины образуют цилиндрический агрегат – коннексон, в центре которого располагается канал. Отдельные коннексоны встроены в плазматическую мембрану так, что прободают ее насквозь. Одному коннексону на плазматической мембране клетки точно противостоит коннексон на плазматической мембране соседней клетки, так что ка­налы двух коннексонов образуют единое целое. Коннексоны играют роль прямых межклеточных каналов, по которым ионы и низкомолеку­лярные вещества могут диффундировать из клетки в клетку. Коннексоны могут закрываться, изменяя диаметр внутреннего канала, и тем участво­вать в регуляции транспорта молекул между клетками.

При изучении гигантских клеток слюнных желез двукрылых вы­яснилось, какое функциональное значение имеют щелевые контак­ты. В такие клетки благодаря их величине легко можно вводить мик­роэлектроды для того, чтобы изучать электропроводимость их мемб­ран. Оказалось, что если ввести электроды в две соседние клетки, то их плазматические мембраны проявляют низкое электрическое сопро­тивление, т. е. между клетками идет ток. Более того, выявлено, что при инъекции в одну клетку флуоресцирующего красителя метка быстро обнаруживается в соседних клетках. Используя разные флуорохромы на клетках культуры ткани млекопитающих, обнаружили, что через щелевые контакты могут транспортироваться вещества с молекуляр­ной массой не более 1-1,5 тыс. и размером не более 1,5 нм (у насеко­мых через щелевой контакт могут проходить вещества с молекулярной массой до 2 тыс.). Среди этих веществ были разные ионы, аминокис­лоты, нуклеотиды, сахара, витамины, стероиды, гормоны, цАМФ. Ни белки, ни нуклеиновые кислоты через щелевые контакты проходить не могут.

Такая способность щелевых контактов служить местом транспорта низкомолекулярных соединений используется в тех клеточных систе­мах, где нужна быстрая передача электрического импульса (волны возбуждения) от клетки к клетке без участия нервного медиатора. Так, все мышечные клетки миокарда сердца связаны с помощью щелевых контактов (кроме того, клетки там связаны и адгезивными контакта­ми) (см. рис. 147, б). Это создает условие для синхронного сокращения огромного количества клеток. При росте культуры эмбриональных сердечных мышечных клеток (миокардиоцитов) некоторые клетки в пласте начинают независимо друг от друга спонтанно сокращаться с разной частотой, и лишь после образования между ними щелевых контактов они начинают биться синхронно, как единый сокращаю­щийся пласт клеток. Таким же способом обеспечивается совместное сокращение гладкомышечных клеток в стенке матки.

Щелевые контакты могут служить целям метаболической коопера­ции между клетками, обмениваясь различными молекулами, гормона­ми, цАМФ или метаболитами. Примером может служить совместное культивирование мутантных по тимидинкиназе клеток с нормальны­ми: при возникновении щелевых контактов между этими типами кле­ток мутантные клетки через щелевые контакты получали от нормаль­ных клеток тимидинтрифосфат и могли участвовать в синтезе ДНК. У ранних эмбрионов позвоночных, начиная с восьмиклеточной стадии, большинство клеток связано друг с другом щелевыми контак­тами. По мере дифференцировки эмбриона щелевые контакты между всеми клетками исчезают и остаются только между группами специа­лизирующихся клеток. Например, при образовании нервной трубки связь клеток этой структуры с остальным эпидермисом прерывается и они разобщаются.

Целостность и функционирование щелевых контактов сильно за­висят от уровня ионов Са²⁺ внутри клетки. В норме концентрация кальция в цитоплазме очень низка. Если Са²⁺ инъецировать в одну из клеток пласта культуры тканей, то в соседних клетках увеличения уровня Са²⁺ в цитоплазме не происходит; клетки как бы разобщаются с соседями, перестают проводить электрический ток и красители. Че­рез некоторое время, после того как введенный кальций будет аккуму­лирован митохондриями, структура и функции щелевых контактов восстанавливаются. Такое свойство очень важно для поддержания це­лостности и работы всего слоя клеток, так как повреждение одной из них не передается на соседний через щелевые контакты, которые пе­рестают работать как межклеточные диффузионные каналы.

Функциональная роль плазмодесм очень велика: с их помощью обеспечивается межклеточная циркуляция растворов, содержащих питательные вещества, ионы и другие соединения. По плазмодесмам могут перемещаться липидные капли. Через плазмодесмы происходит заражение клеток растительными вирусами.