Przestrzeń zewnątrzkomórkowa komórek zwierzęcych

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.