Таким образом, тромбоциты можно рассматривать как фрагменты цитоплазмы, естественно образующиеся из структур противоположного типа – гигантских клеток. Эти фрагменты могут длительно сохраняться в крови в упакованном виде, но при необходимости могут однократно активироваться и самоорганизовываться, а затем, выполнив свою функцию, активировав свертывание, погибать.
Способность к самоорганизации – важнейшее свойство цитоплазмы. Эта способность является основой распределения компонентов в каждой клетке, а также используется в организме для специальных целей – образования многоядерных клеток и естественно отделяющихся фрагментов, таких, как тромбоциты. Возможно, что механизм самоорганизации используется и в тех случаях, когда в клетке выделяются (сегрегируются) особые участки, способные к относительно самостоятельным движениям, но остающиеся связанными с остальной клеткой.
IV. Натяжения цитоскелета
контролируют архитектуру клетки и тканей
Что такое натяжение
С незапамятных времен известно, что мышцы создают механическое натяжение. Если точка прикрепления мышцы подвижна, то это натяжение ведет к сокращению мышцы – такое натяжение называют изотоническим. Если эта точка неподвижна из-за сопротивления материала, к которому эта мышца прикреплена, то натяжение не приводит к сокращению мышцы – такое натяжение называют изометрическим. Пример изометрического натяжения – натяжение, которое создается в мышцах руки, тянущей ручку прочно запертой двери.
Актин и миозин есть не только в мышечных клетках, но и в большинстве других клеток эукариот. Чаще всего здесь эти нити лабильны – они постоянно разбираются и собираются. Какова функция таких структур, наполняющих клетку? Давно известно, что сокращение актин-миозиновых структур – сила, которая двигает ползающую клетку. С наружной стороны такая клетка прикрепляется к неклеточной подложке при помощи особой адгезивной структуры – фокального контакта. На внутренней цитоплазматической стороне контакт соединяется с пучком актиновых микрофиламентов. Сокращаясь, этот пучок тянет тело клетки вперед.
Другой пример сокращения актин-миозинового пучка – цитокинез, последняя стадия клеточного деления, когда такой пучок образуется между двумя наборами хромосом. Сжимаясь, такое сократимое кольцо разделяет две дочерние клетки.
Когда клетка в культуре распластана, то есть прочно соединена контактами со всех сторон с дном культуры – подложкой, то соединенные с фокальными контактами пучки актиновых микрофиламентов сократиться не могут, их натяжение становится изометрическим. Такая клетка все время находится в напряженном, растянутом состоянии.
В организме большинство клеток, за исключением клеток, плавающих в крови или лимфе, прикреплено друг к другу и к фибриллам неклеточного матрикса. Поэтому в таких клетках, так же как и в клетках культуры, создается изометрическое натяжение.
и изменения формы органов
Натяжение актин-миозина определяет организацию цитоскелета и контактов самой клетки и окружающего их матрикса в культуре. Естественно предположить, что натяжения клеток играют важную роль и в организме, в особенности в процессах морфогенеза, то есть в образовании и регенерации органов и других структур определенной формы. Простой пример морфогенеза – заживление наружной раны. В такую рану уже через несколько дней проникают из окружающих тканей фибробласты и сосуды, образуя так называемую грануляционную ткань. Фибробласты вырабатывают в ране фибронектиновый и коллагеновый матрикс, прикрепляются к нему и начинают синтезировать гладкомышечную форму актин. Развивая натяжение, эти миофибробласты сжимают матрикс и всю рану, которая позже полностью заживляется в результате размножения эпителий кожи и других местных клеток.
Сжатие миофибробластами раны – лишь один из случаев действия клеточных натяжений в организме. Можно думать, что натяжения цитоскелета играют критическую роль в развитии разных тканей и органов: образовании складок и вырастов эпителиальных пластов, изменениях формы мышц, костей и т.д. За последние годы появилось много работ, где исследователи пытаются объяснить натяжениями клеток процессы развития. В частности, разработана детальная теория (или модель, как нынче модно говорить), которая объясняет натяжениями цитоскелетов нервных клеток образование самого сложного по форме из существующих в природе органов – нашего мозга, например образования складок (извилин) коры головного мозга. К сожалению, все эти модели показывают лишь возможные пути развития органов, показывают только, где надо искать роль натяжений в развитии, какими должны бы быть натяжения клеток в развивающихся органах для того, чтобы придать этим органам свойственную им форму. Остается главное – показать, что такие натяжения цитоскелета действительно в клеткам этих органов реально существуют и играют постулируемую теориями роль. Эта сложная работа только начинается.
перестройки клеточных программ
Как мы знаем, клетки в организме и культуре способны под влиянием определенных сигналов переключаться с одной программы работы на другую: клетка может начать или прекратить размножение, превратиться из менее специализированной в более специализированную (дифференцироваться) и, наконец, включить программу самоубийства (апоптоза).
При каждой из таких перестроек меняется большинство синтезов и других биохимических процессов. В клетке происходит глобальная перестройка всей ее деятельности. Есть данные, которые позволяют предположить, что одним из факторов, вызывающих такие перестройки могут быть изменения натяжения цитоскелета. Например, нормальные фибробласты, уплощенные и растянутые на подложке, активно размножаются, но стоит их отделить от подложки, как клетки сжимаются сокращением актин-миозиновых структур в шары и размножение прекращается, а не редко наступает и гибель «бездомной» клетки – апоптоз. Некоторые типы эпителиальных клеток, например клетки молочных желез, растянувших на жестком коллагеновом геле, размножаются, но не синтезируют белки молока. Напротив, на плавающем мягком коллагене эти клетки сжимаются и начинают синтезировать специализированные белки, то есть дифференцируются. Какую конкретную роль играют изменения натяжения цитоскелета в этих перестройках клеток от размножения к гибели или дифференцировке? Это пока не ясно. Сейчас многие исследователи начали активно работать в этой области.
Заключение
Развитие наших взглядов на архитектуру отдельной клетки можно условно разделить на три этапа. Сначала казалось, что клетка - это мешок, где стенка (мембрана) окружает жидкий бульон (цитозоль), в котором плавают отдельные «клецки» - органеллы (ядро, митохондрии, лизосомы). На втором этапе было обнаружено несколько сетей фибрилл цитоскелета, проходящих через всю клетку от мембраны до ядра и направляющих движения органелл. И наконец, в последние годы начали понимать, что речь идет не о сети, но о динамичных фибриллах, которые развивают и передают механические натяжения. Клетка, кроме всего прочего, оказалась сложной системой сбалансированных сил. Некоторые ученые, например А. Харрис и Д. Ингбер в США, Л. Белоусов в нашей стране, уже давно говорили о роли таких натяжений, но их природа и значение становятся ясными лишь теперь. Человек тоже умеет делать постройки, где крыша из эластичной пленки растянута на опорах (вспомним легкие разбираемые выставочные павильоны). Однако конституция клетки гораздо сложнее: ведь ее строительные элементы, нити цитоскелета, динамичны, они постоянно возникают и распадаются, а сила натяжений постоянно меняется под влиянием регулярных систем, таких, как Rho и Rac.
Новые представления об организации цитоскелета начинает понемногу менять наши взгляды не только на структуру клетки, но и на происходящие в ней молекулярные процессы. Не могут ли изменения натяжений нитей цитоскелета быстро передавать непосредственно какие-то сигналы с одного конца клетки на другой? Не может ли передача сигналов с одной молекулы на другую осуществляться не при столкновении молекул в растворе, а по цепи молекул, прикрепленных к нитям актина, причем изменения натяжения могут менять расположение этих молекул и целых органов? Как меняются натяжения актин-миозиновой системы при опухолевых трансформациях клеток и как эти изменения отражаются на нарушениях клеточных регуляций? Эти предположения требуют проверки. Биологи начинают думать о клетке по-новому.
Используемая литература:
1. Ченцов Ю.С. «Общая цитология (Введение в биологию клетки). 3-е изд. М.: Изд-во МГУ, 1995 г.
2. Васильев Ю.М. «Клетка как архитектурное чудо.» Соросовский Общеобразовательный Журнал. 1996 г. № 2
3. Васильев Ю.М. «Клетка как архитектурное чудо.» Соросовский Общеобразовательный Журнал. 1996 г. № 4
4. Васильев Ю.М. «Клетка как архитектурное чудо.» Соросовский Общеобразовательный Журнал. 1999 г. № 8
5. Васильев Ю.М. «Клетка как архитектурное чудо.» Соросовский Общеобразовательный Журнал. 2000 г. № 6