SUBSTANCJA MIĘDZYKOMÓRKOWA
Rośliny i zwierzęta rozwinęły swoją wielokomórkową organizację niezależnie i ich tkanki są zbudowane na odrębnych zasadach. Zwierzęta są drapieżcami w stosunku do innych żyjących stworzeń, dlatego też muszą mieć tkanki zdolne do szybkiego ruchu, a komórki tworzące te tkanki muszą mieć zdolność do tworzenia i przenoszenia sił mechanicznych oraz szybkiej zmiany kształtów. Rośliny natomiast są osiadłe, ich tkanki są mniej lub bardziej sztywne, mimo że komórki rozpatrywane pojedynczo są delikatne i kruche.
Wytrzymałość tkanki roślinnej jest warunkowana obecnością ścian komórkowych tworzących rodzaj pudełek, które otaczają, chronią i nadają kształt każdej komórce tej tkanki. Ściana komórkowa jest wytworem protoplastu, odkładanym na powierzchni błony komórkowej. Ściana komórkowa zatem jest swego rodzaju substancją międzykomórkową u roślin Komórka kontroluje skład ściany, która może być gruba i twarda, jak w drewnie, lub cienka i giętka, jak w liściu. Ogólny schemat budowy tkanki jest jednak u roślin zawsze taki sam, komórki łącza się w tkankę za pośrednictwem ścian komórkowych.
Tkanki zwierzęce są bardziej różnorodne. Podobnie jak tkanki roślinne składają się z substancji międzykomórkowej oraz z komórek, lecz składniki te są zorganizowane na wiele różnych sposobów. W niektórych tkankach, np. w kościach i ścięgnach, substancja międzykomórkowa jest obfita i mechanicznie bardzo wytrzymała, w innych, np. w mięśniach lub naskórku, substancja międzykomórkowa jest bardzo skąpa a napięcia mechaniczne przenosi cytoszkielet komórek.
Tkanka łączna zwierząt składa się głównie z substancji międzykomórkowej
U zwierząt wyróżnia się cztery główne typy tkanek: tkankę łączną, tkankę nabłonkową, tkankę nerwową i tkankę mięśniową. Jednak zasadnicza różnica w budowie w stosunku do pozostałych tkanek dotyczy tkanki łącznej. W tkankach łącznych substancja międzykomórkowa jest obfita i przenosi siły mechaniczne. W innych tkankach, takich jak nabłonki, substancja międzykomórkowa jest skąpa, a komórki są połączone ze sobą bezpośrednio i same przenoszą siły mechaniczne.
Tkanki łączne zwierzęce są ogromnie zróżnicowane. Mogą być one mocne i elastyczne jak ścięgna lub skóra właściwa; twarde i spoiste jak kość; sprężyste i amortyzujące uderzenia jak chrząstka lub miękkie i przejrzyste jak substancja galaretowata wypełniająca wnętrze oka. We wszystkich tych przykładach większość masy tkanki jest zajęta przez substancję międzykomórkową, a komórki wytwarzające tę substancję są w niej rozproszone jak rodzynki w cieście. Ponadto we wszystkich wymienionych tkankach łącznych wytrzymałość na rozciąganie jest zapewniona przez białko włókienkowe - kolagen, a nie przez polisacharydy, jak w przypadku roślin. Różne odmiany tkanki łącznej zawdzięczają swój specyficzny charakter posiadanemu rodzajowi kolagenu, jego ilości, i co najważniejsze innym cząsteczkom, które są tam wplecione w różnych proporcjach.
Kolagen zapewnia wytrzymałość na rozciąganie w zwierzęcych tkankach łącznych
Kolagen został wykazany we wszystkich organizmach wielokomórkowych i występuje w wielu odmianach. Ssaki mają ok. 20 genów kolagenu kodujących różne jego typy potrzebne w poszczególnych tkankach. Kolageny są głównymi białkami w kościach, ścięgnach i skórze (skóra garbowana jest wyprawionym = zdenaturowanym kolagenem); stanowią one 25% całej masy białek w organizmie ssaków — więcej niż jakiekolwiek inne białko.
Charakterystycznymi cechami typowej cząsteczki kolagenu jest jej długość, sztywność oraz trójniciowa, skręcona struktura, w której trzy łańcuchy polipeptydowe są nawinięte wokół siebie na kształt superhelikalnej liny. Cząsteczki te są następnie złożone w uporządkowane polimery, włókienka kolagenowe - cienkie nitki o średnicy 10-300 nm i długości wielu mikrometrów, które mogą się łączyć w jeszcze grubsze włókna kolagenowe.
Komórki znajdujące się w tkance łącznej, wytwarzające substancję międzykomórkową, nazywamy różnie, zależnie od tkanki; w skórze, ścięgnach i wielu innych tkankach łącznych nazywamy je fibroblastami; w kości nazywamy je osteoblastami. Wytwarzają one zarówno kolagen, jak i inne składniki substancji międzykomórkowej. Prawie wszystkie te cząsteczki są syntetyzowane wewnątrz komórek i wydzielane na drodze egzocytozy. Na zewnątrz komórki są one montowane w wielkie, spójne agregaty. Jeżeli agregaty te powstawałyby jeszcze przed wydzieleniem, komórki zablokowałyby się własnymi produktami. W przypadku kolagenu komórka omija to niebezpieczeństwo dzięki wydzielaniu cząsteczek kolagenu w formie prekursorowej, zwanego prokolagenem, z dodatkowymi peptydami na końcach cząsteczki, zapobiegającymi agregacji we włókienka kolagenowe. Zewnątrzkomórkowy enzym - kolagenaza - odcina końcowe peptydy, co pozwala agregować cząsteczkom dopiero w przestrzeni pozakomórkowej.
U niektórych ludzi występuje genetyczny defekt kolagenazy powodujący nieprawidłowe składanie włókienek kolagenowych. W rezultacie, skóra i różne inne tkanki łączne mają zmniejszoną wytrzymałość i wykazują niezwykłą rozciągliwość.
Komórki wydzielają i organizują kolagen
Aby móc spełniać swoje funkcje, włókienka kolagenowe muszą być prawidłowo zorganizowane. W skórze na przykład, są one splecione na wzór wikliny, a w sąsiadujących pokładach mają różny przebieg, tak aby tkanka była wytrzymała na rozciąganie w różnych kierunkach. W ścięgnach przymocowujących mięśnie do kości biegną one w równoległych pęczkach wzdłuż głównej osi rozciągania.
Tkanka łączna kontroluje rozmieszczenie kolagenu, częściowo przez odkładanie go w zorientowany sposób, częściowo dzięki późniejszej rearanżacji jego ułożenia. Podczas rozwoju tkanki fibroblasty „opracowują" kolagen, który same wydzielają; pełzają po nim i wciągają go — pomagając mu w upakowaniu w struktury błoniaste lub w tworzeniu włókien. Np. gdy fibroblasty zmieszano z przypadkowo rozrzuconą siecią włókienek kolagenowych tworzącą żel w płytce hodowlanej, fibroblasty pociągały tę sieć i wyciągały kolagen powodując jego zbijanie się. Jeżeli dwa małe kawałki tkanki embrionalnej, zawierającej fibroblasty, zostaną umieszczone daleko od siebie na żelu kolagenowym, to żel ten organizuje się w zbite pasmo ukierunkowanych włókien łączących oba fragmenty. Fibroblasty wywędrowują z obu fragmentów wzdłuż ukierunkowanych włókien kolagenowych. W ten sposób fibroblasty mają wpływ na wiązkę włókien kolagenowych, a włókna kolagenowe z kolei wpływają na rozmieszczenie fibroblastów. Fibroblasty prawdopodobnie odgrywają ważną rolę w tworzeniu długotrwałego uporządkowania substancji międzykomórkowej wewnątrz organizmu, tworząc np. ścięgna lub mocne, zbite blaszki tkanki łącznej otaczające i łączące ze sobą większość narządów.
Integryny łączą substancję międzykomórkową z cytoszkieletem wewnątrz komórek
Jeżeli komórki umieści się na podłożu z substancji międzykomórkowej, to będą one pełzać, co oznacza, że potrafią przytwierdzać się do tej substancji. Komórki nie przytwierdzają się dobrze do samego kolagenu. Łączenie to zapewnia fibronektyna, inne białko substancji międzykomórkowej. Jeden fragment fibronektyny łączy się z kolagenem, a inny fragment tworzy miejsce wiązania dla komórki.
Komórka wiąże się ze specyficznymi miejscami na fibronektynie za pomocą transbłonowego białka receptorowego, zwanego integryną. Domena zewnątrzkomórkowa integryny przyłącza się do fibronektyny, a domena znajdująca się w cytoplazmie, wiąże filamenty aktynowe. W ten sposób, zamiast rozerwania błony komórkowej w czasie naprężeń między komórką a substancją międzykomórkową, cząsteczka integryny przenosi napięcie z kolagenu na cytoszkielet. Komórki mięśniowe w podobny sposób łączą swoje aparaty kurczliwe z substancją międzykomórkową ścięgien, umożliwiając im dużą odporność na siły mechaniczne.
Żel polisacharydowy i białkowy wypełnia wolne przestrzenie i zapobiega kompresji
Kolagen zapewnia wytrzymałość na rozciąganie, a inne rodzaje makrocząsteczek w substancji międzykomórkowej zwierząt, pełniące funkcje pomocnicze, zapobiegają kompresji i służą do wypełniania wolnych przestrzeni. Są to proteoglikany, białka pozakomórkowe związane ze specjalną grupą złożonych, ujemnie naładowanych polisacharydów, glikozo-aminoglikanów (GAG). Proteoglikany różnią się bardzo długością, kształtem i budową chemiczną. Najczęściej wiele łańcuchów cząsteczek GAG jest dołączonych do pojedynczego rdzenia białkowego, który może być z kolei połączony swoim końcem do innej cząsteczki GAG, tworząc olbrzymie, przypominające szczotkę do butelki makrocząsteczki, mające masę cząsteczkową wielu milionów Da.
W zbitych, zwartych tkankach łącznych, takich jak ścięgno i kość, część cząsteczki GAG ma małą masę cząsteczkową i substancja międzykomórkowa składa się prawie w całości z kolagenu (lub, w przypadku kości, kolagenu i kryształów fosforanów wapnia). W innej skrajności substancja galaretowata wewnątrz oka składa się prawie w całości z jednego szczególnego typu GAG i wody, z niewielką ilością kolagenu. Ogólnie, GAG są silnie hydrofilowe i zwykle przybierają mocno wydłużone konfiguracje, które zajmują dużą objętość w stosunku do ich masy. Formują one żele nawet w bardzo małym stężeniu, ich silny ładunek ujemny przyciąga kationy, takie jak Na+, które są silnie aktywne osmotycznie, co powoduje wiązanie dużej ilości wody w substancji międzykomórkowej. Zwiększa to ciśnienie osmotyczne, które jest wyrównywane przez napięcie we włóknach kolagenowych, zmieszanych z proteoglikanami. Gdy substancja międzykomórkowa jest bogata w kolagen, a w jego oczkach znajdują się duże ilości cząsteczek GAG, to ciśnienie osmotyczne i wyrównujące napięcie są olbrzymie. W ten sposób substancja międzykomórkowa jest twarda, sprężysta i oporna na ściskanie. Taki charakter ma na przykład substancja międzykomórkowa chrząstki pokrywająca staw kolanowy, która może utrzymać nacisk setek kilogramów na centymetr kwadratowy.
Proteoglikany, oprócz zwyczajnego wytwarzania uwodnionej przestrzeni wokół komórek mogą tworzyć żele o różnych oczkach i ładunku, i działają jak filtry regulujące przechodzenie cząsteczek przez środowisko zewnątrzkomórkowe. Mogą one wiązać czynniki wzrostu i inne białka służące jako sygnały międzykomórkowe. Mogą blokować lub pobudzać przemieszczanie komórek i wskazywać im drogę. Tymi różnymi sposobami składniki substancji międzykomórkowej wpływają na zachowanie się komórek, często tych samych komórek, które ją wytworzyły.