Учебное пособие: Эпителиальные ткани
В базальных мембранах выявлены коллаген IV и в меньшей степени коллаген V, проколлаген и неколлагеновые белки: высокомолекулярные гликопротеины – сульфатированные гликопротеины, связывающие ламинин с коллагеном IV. В базальных мембранах находятся и протеогликаны, содержащие гепарансульфат, обеспечивающие процессы фильтрации. Ламинин, фибронектин и коллаген IV довольно равномерно распределены в темной пластинке, но концентрация ламинина выше со стороны плазмолеммы, а фибронектина – со стороны соединительной ткани. Ламинин и фибронектин, будучи адгезивными гликопротеидами матрикса, с помощью своих доменов связываются не только с коллагеном Г34. В них нет плакоглобина обязательного для десмосом, но присутствует пемфигоидный АГ, отсутствующий в пластинке прикрепления десмосом. Если к пемфигоидному АГ вырабатываются АТ, взаимодействующие с этим АГ, происходит отслоение эпителия кожи от базальной мембраны и образование пузырей. Специфичность белкового состава гемидесмосом и своеобразие в их расположении только около базальной мембраны делают неправомерным представление об гемидесмосомах как просто «половинках» десмосом.
Покровныйэпителийкожи
Строение эпидермиса
Многослойный ороговевающий эпителий образует эпидермис кожи и состоит из нескольких слоев клеток – кератиноцитов, разных по структуре и свойствам.
Самый глубокий базольный слой располагается на базальной мембране и строится из одного ряда преимущественно цилиндрических клеток. В их цитоплазме содержится мало цистерн гранулярной эндоплазматической сети, много свободных рибосом, тонкие нити, называемые тонофиламентами. Их относят к промежуточным филаментам. Эти нити состоят из предшественника кератина – прекератина и собраны в пучки, ориентированные, в основном, по продольной оси клетки. В кератиноцитах базального слоя находятся немногочисленные митохондрии и слабо развитый комплекс Гольджи. Встречаются единичные гранулы меланина. Ядра базальных клеток имеют мелко диспергированный хроматин. Базальная поверхность клеток данного слоя снабжена пальцевидными выростами, вдающимися в базальную мембрану, что обеспечивает более прочную связь эпителия с соединительной тканью. В отдельных участках на базальной плазматической мембране находятся гемидесмосомы, описанные ранее.
Боковые поверхности клеток базального слоя снабжены многочисленными интердигитациями, направленными в относительно широкие межклеточные пространства. Именно базальный слой эпидермиса первым воспринимает питательные вещества, поступающие в эпителий диффузным путем или с помощью пиноцитоза из соединительной ткани через базальную мембрану. Клетки этого слоя интенсивно делятся, причем основная масса новообразованных клеток перемещается в вышерасположенные слои, а небольшое число клеток остается в базальном слое и, редко делясь, поддерживает существование эпидермиса как обновляющейся ткани.
На поверхности кератиноцитов имеются многочисленные структуры, обеспечивающие соединение их между собой. На уровне световой микроскопии эти образования выглядят тонкими перемычками между клетками. Много лет тому назад они были названы клеточными мостиками. При их электронном микроскопировании выяснилось, что слияния соседних клеток с помощью клеточных мостиков не происходит. Эти структуры представляют собой сложные связующие комплексы, получившие название десмосомы. В области десмосомы у кератиноцитов часто наблюдаются направленные навстречу друг к другу выросты цитоплазмы, покрытые плазмолеммой. Они цементируются друг с другом электронно-плотным веществом. Клетки эпителия разных типов всегда обладают этими контактами, хотя в некоторой степени десмосомы различаются по составу интегральных и трансмембранных белков. В настоящее время принято считать, что десмосома представляет собой комплекс локально расположенныхи обычно симметричных компонентов, в состав которого входят две прикрепляющие пластинки, расположенные вблизи внутренней стороны плазмолеммы, два ограниченных участка плазматической мембраны и десмоглея, находящаяся во внеклеточном пространстве. Прикрепляющая пластинка связывается с пучками промежуточных фила-ментов. Использование биохимических и иммуноцитохимических методов позволило определить белковый состав десмосом. В цитоплазматической пластинке выявлено четыре негликозилированных белка: десмоплакины I и II, плакоглобин и десмокальмин.
Десмоплакины I и II
В десмосомах содержатся также единичные протеины – десмоглеин III', который найден только в десмосомах эпидермиса, а также десмоплакины III и ГУ, десмокальмин и плектин, но их точная топография в этих контактах еще не определена.
Над базальным слоем эпителия располагается несколько рядов клеток, называемых шиповатыми, крылатыми или остистыми. Совокупность этих клеток составляет второй, шиповатый или остистый, слой. Частоэтот слой вместе с базальным объединяют в единый ростковый. Клетки имеют неправильные очертания. Они снабжены крыловидными выростами, внедряющимися между соседними клетками. От слоя к слою эти клетки постепенно уплощаются, имеют все органеллы, а также многочисленные тонофиламенты, собранные в пучки – тонофибриллы, видимые в световой микроскоп. Они содержат белок альфа-кератин или его предшественник – прекератин. Эти клетки способны к митотическому делению, но число делящихся клеток становится меньше по мере удаления клеток от базального слоя. В клетках верхних частей шиповатого слоя появляются овальные гранулы, названные кератиносомами. Эти гранулы имеют пластинчатое содержимое.
Недифференцированные клетки базального слоя содержат в высокой концентрации вещества катехоламиновой системы, способные индуцировать бета-2-адренорецепторы. Стимуляция последних способствует процессу цитодифференцировки. В вышерасположенных слоях эпидермиса биосинтез катехоламинов уменьшается и цитодифференцировка постепенно замедляется.
Над ростковым слоем располагается третий, зернистый слой. Клетки этого слоя лежат в 3–4 ряда и имеют несколько уплощенную форму. Они соединяются с соседними клетками с помощью десмосом. Их ядра имеют конденсированный хроматин, в цитоплазме хорошо видны пучки тонофиламентов, ориентированные вдоль длинной оси клетки, т.е. параллельно поверхности пласта. Наиболее характерным признаком этого слоя является наличие в клетках крупных гранул, окрашивающихся гематоксилином и названных кератогиалиновыми. В этих гранулах содержатся белки, богатые гистидином и цистеином, протеогликаны и гликопротеины. Иммунофлуоресцентным методом в гранулах выявлен богатый гистидином белок – филаггрин, характерный только для кератогиалина. Кератогиали-новые гранулы эпидермиса человека и крысы имеют сходное строение. Внутри них содержатся пучки филаментов невысокой электронной плотно с липидами и белками. В верхних частях следующего – зернистого слоя из этих гранул выделяются мембранные структуры путем экзоцитоза в межклеточное пространство, которые сливаются конец в конец и образуют видимый под электронным микроскопом слоистый липидный защитный слой. Очевидно, гранулы Одленда играют роль в формировании межклеточного. «цемента и барьера против проникновения чужеродных материалов и бактерий в подлежащие ткани. Кроме того, кератиносомы проявляют гидролазную активность, выделяя, в частности, кислую фосфатазу и арилфосфатазу и этим участвуют в подготовке эпителиальных клеток к слущиванию в ходе ороговения.
Недифференцированные клетки базального слоя содержат в высокой концентрации вещества катехоламиновой системы, способные индуцировать бета-2-адренорецепторы. Стимуляция последних способствует процессу цитодифференцировки. В вышерасположенных слоях эпидермиса биосинтез катехоламинов уменьшается и цитодифференцировка постепенно замедляется.
Над ростковым слоем располагается третий, зернистый слой. Клетки этого слоя лежат в 3–4 ряда и имеют несколько уплощенную форму. Они соединяются с соседними клетками с помощью десмосом. Их ядра имеют конденсированный хроматин, в цитоплазме хорошо видны пучки тонофиламентов, ориентированные вдоль длинной оси клетки, т.е. параллельно поверхности пласта. Наиболее характерным признаком этого слоя является наличие в клетках крупных гранул, окрашивающихся гематоксилином и названных кератогиалиновыми. В этих гранулах содержатся белки, богатые гистидином и цистеином, протеогликаны и гликопротеины. Им-мунофлуоресцентным методом в гранулах выявлен богатый гистидином белок – филаггрин, характерный только для кератогиалина. Кератогиалиновые гранулы эпидермиса человека и крысы имеют сходное строение. Внутри них содержатся пучки филаментов невысокой электронной плотности. В плотном матриксе кератогиалиновых гранул обнаруживается мелкая зернистость, часто образующая кристаллические структуры. Эти гранулы лишены окружающей мембраны и имеют неправильную форму. Иногда кератогиалиновые гранулы выглядят аморфными.
Зернистый слой переходит в неоволосненной части кожи, в толстом эпидермисе, в четвертый – блестящий слой. Блестящий слой состоит из 1–4 рядов сильно уплощенных эозинофильных клеток, заполненных светопреломляющей волокнистой массой. В этих клетках кератогиалиновые гранулы как бы расплываются, ядра подвергаются кариорексису и кариолизису, другие органеллы разрушаются. Такой слой погибающих клеток сменяется многочисленными, особенно на подошвах ладоней и подушечках пальцев, рядами плоских роговых чешуек, образующих самый поверхностный роговой слой эпидермиса.
Роговые чешуйки представляют собой резко ограниченные, плоские элементы с четко выраженными границами. Основная часть роговой чешуйки заполнена электронно-прозрачными фибриллами альфа-кератина диаметром 8–12 нм. Между фибриллами располагается электронно-плотный матрикс из аморфного гамма-кератина, а в центре чешуйки накапливаются относительно низкомолекулярные продукты гидролиза, не имеющие видимой структурной организации. При приготовлении препаратов для световой микроскопии эти вещества обычно вымываются, в результате чего во многих роговых чешуйках бывает видна полость. Сверху и снизу роговые чешуйки лишены десмосом, и верхние, и нижние поверхности корнеоцитов кажутся гладкими. Однако с помощью сканирующей электронной микроскопии обнаружено, что их поверхности имеют выросты, гребнии впадины. Выделяемый гранулами Одленда липидный материал образует слоистый цемент, скрепляющий корнеоциты друг с другом. По периметру каждая чешуйка имеет электронно-плотную зону, толщиной 30–35 нм и протяженностью около 1 ОС-150 нм, которой она связывается с чешуйками соседних клеток. Эти соединения называются сквамосомами. Считают, что сквамосомы возникают путем смещения десмосом в клетках верхних слоев эпидермиса к латеральным границам уплощающихся клеток. Связывание сквамосомами соседних роговых чешуек одного уровня в единый пласт обеспечивает возможность свободного слущивания пласта из многих чешуек. При этом создается оптимальный механический барьер при минимуме строительного материала. Ультрамикроскопическое строение сква-мосом сходно с десмосомами, но протяженность их значительно большая, поскольку они опоясывают уплощенную чешуйку. В межклеточном пространстве в роговом слое долго сохраняется слоистый липидный материал.
Ороговение эпидермиса и его слущивание. Процесс превращения эпителиальной клетки в роговую чешуйку весьма сложен и недостаточно изучен,] В течение ороговения прекератиновые филаменты – предшественники кератиновых фибрилл, постепенно начинают утолщаться за счет присоединения белков, богатых сулъфгидрильными группами и гистидином. Их диаметр при этом становится равным 10–12 нм. В синтезе] прекератина принимают участие рибосомы, концентрирующиеся вблизи то-1 нофиламентов. Далее прототонофибриллы собираются в пучки, связывающиеся с плазмолеммой через десмосомы, и превращаются в кератиновые фибриллы. При повреждении десмосом или отделении от них тонофибрилл ороговение прекращается.
В верхних участках шиповатого слоя начинается синтез кислого белка профиллагрина, который после фосфорилирования и посттрансляционных модификаций превращается в филаггрин. Он приобретает свойства основного белка и становится способным образовывать комплексы с кератиновыми филаментами. Слияние кератиновых гранул с утолщенными прототонофибриллами происходит в присутствии неорганических солей. Именно зернистый слой является областью высокой концентрации и стабилизации филаггрина. В глубокой зоне рогового слоя начинается его разрушение и в верхних участках рогового слоя филаггрин не обнаруживается. При катаболизме филаггрина обнаруживается гистидин и далее образуется уриконовая кислота. Последняя играет важную роль в защите кожи от действия ультрафиолетовых лучей, которые она поглощает. Другой продукт разрушения филаггрина – пиролидонкарбоксидрвая кислота. Это вещество обладает большой гигроскопичностью и обеспечивает тем самым сохранение воды в верхних слоях эпидермиса даже в условиях повышенной сухости окружающего воздуха. Полученные данные говорят о том, что молекулы катаболизма филаггрина не ограничиваются участием в ороговении, а имеют более разнообразные функции.
Другой специфический белок зернистого слоя – инволюкрин. В этом слое он растворен и располагается вокруг кератогиалиновьгх зерен. В дальнейшем, он переходит в нерастворимую форму и вместе с кератолинином включается в состав стенок клеток рогового слоя, утолщая их почти вдвое, особенно их верхнюю часть. При этом в кератолинине возникают дополнительные гамма-глютамил-Е-лизиновые связи между остатками лизина в одном полипептиде и остатками глютамина в другом, делающие этот белок устойчивым к действию сильных кислот и щелочей. Такую реакцию катализирует фермент транскглютаминаза. В результате – на внутренней поверхности плазмолеммы корнеоцита создается устойчива к внешним воздействиям маргинальная полоса, толщиной 12–15 нм, не содержащая кератина. Существование таких маргинальных полос характерно только для ороговевающего эпителия. Открыт еще один, возможно главный, предшественник рогового вещества – богатый цистеином белок ^юрикрин. Он локализован в кератогиалиновых гранулах и, по-видимому, участвует в конечных стадиях ороговения.
Во всех слоях эпидермиса содержатся липиды. В базальном слое преобладают фосфолшшды. В гранулярном слое, помимо фосфолипидов, обнаруживается холестерол, жирные кислоты и появляются церамиды. В роговом слое в высокой концентрации содержатся церамиды, высоко содержание жирных кислот и холестерола. Эти гидрофобные липиды ответственны за проницаемость эпидермиса. Фосфолипиды в роговом слое не выявляются.
Следовательно, состав и содержание липидов в процессе ороговения значительно изменяются. Существенно отметить, что синтез липидов и ферментативное расщепление происходят во всех слоях эпидермиса, а их выделение в межклеточные пространства можно рассматривать как секреторный процесс. В глубоких участках рогового слоя липиды образуют прочные комплексы с белком и не выявляются обычными красочными реакциями, а в слущивающейся зоне рогового слоя, благодаря частичному разрушению этих комплексов, и появлению свободных стеринов, липиды выявляются. Среди них преобладает полярный лгатид ацилглюкозилцерамид-сфинголипид, структура и свойства которого определяют барьерную функцию клеток рогового слоя. Углеводы в этих слоях почти не выявляются. Методом дифракции рентгеновских лучей установлено, что межклеточные липиды в роговом слое организованы в двухслойные ламеллярные структуры и содержат в кристаллическом виде холестерол. В верхних зонах рогового слоя происходит разрушение цементирующего клетки материала под действием ферментов, выделяемых кератиносомами. При десульфатировании холестерол-сульфата межклеточные ламеллярные структуры распадаются и начинается слущивание корнеоцитов. Распад мембранных бислоев межклеточных липидов, обусловливающий слущивание, осуществляется под действием стероид-сульфатаз, кислых лапаз и церамидаз, находящихся в роговом слое. Показано, что сульфатированный холестерол участвует в метаболизме экзогенных продуктов, проникающих в эпидермис.
Таким образом, барьерная функция корнеоцитов разнообразна. Наличие барьера, однако, не означает абсолютной непроницаемости эпидермиса для воды и растворов. Бислои липидов в роговом слое не образуют непрерывную липидную фазу и в промежутках между липидными участками находится водная фаза. В верхних отделах рогового слоя цементирующие липиды не выявляются, что и облегчает слущивание роговых чешуек.
Следует иметь в виду, что описанный способ образования рогового вещества при участии прототонофибрилл и кератогаалиновых зерен не является единственным. В ряде случаев ороговение идет почти без участия прототонофибрилл. Так, при образовании кутикулы волоса кератинизация происходит главным образом путем слияния аморфных гранул трихогиалина, накапливающихся в эпителиоцитах. В других случаях кератогиалиновые гранулы в эпителиальных клетках не появляются, и образование рогового веществабывает связано лишь с усиленным синтезом фибрилл. При этом ороговевшие клетки не слущиваются. Так возникает фиброзный кератин, в котором под электронным микроскопом бывает видна выраженная фибриллярность.
Роговое вещество обладает разными физическими свойствами. Так, кератин ногтей, когтей, коркового вещества волоса и его кутикулы относятся к твердому кератину, кератин эпидермиса и мозгового вещества волоса – к мягкому кератину. В твердом кератине по сравнению с мягким содержится больше серы. Способы ороговения как в клетках с твердым, так и с мягким кератином могут быть разными.
Кератины представляют собой разнородную группу по аминокислотному составу и последовательности аминокислот в полипептидных цепочках. По надмолекулярной организации различают три разновидности кератинов: альфа-кератины со спиральным расположением полипептидных цепей; бета-кератины с линейным их расположением и гамма-кератины с неправильной укладкой полипептидных цепей. Кератины содержат большое число дисульфидных мостиков, а также водородных и ионных связей, определяющих химическую устойчивость кератинов и их механическую прочность. При этом бета-кератин содержит больше серусодержащих аминокислот, чем альфа-кератин.
По недавно созданной химической классификации кератинов эпидермальных клеток, они разделены на две группы: кислые керати-ны и основные. Всего у человека идентифицировано 19 разновидностей кератинов, каждая из которых получила свой порядковый номер. В покровном эпителии кератины построены по единому плану и имеют одинаковую вторичную структуру. Центральную часть молекулы занимает альфа-спиральный домен, состоящий из 311–314 аминокислотных остатков, прерывающийся тремя короткими неспирализованными последовательностями. Наиболее консервативен С-конец альфа-спирали, который состоит из 30 аминокислотных остатков одинаковых для всех белков промежуточных филаментов. Центральная часть альфа-спирального домена имеет семичленную периодичность в одном витке спирали. Предполагается, что три альфа-спиральных домена образуют спиральную надмолекулярную структуру. С кератиновыми молекулами могут ассоциироваться и другие белки, что приводит к модификациям их структуры. Например, филаггрин осуществляет ассоциацию филаментов в пучки.
В многослойном эпителии кожи разные его слои содержат различные кератины. В базальном слое обнаруживаются кислые кератины и осно