Эпителиальные ткани: строение, виды и функции

В 2002 году японские генетики вывели мышей, у которых не работал ген одного-единственного белка — клаудина-1. Мышата рождались внешне нормальными, их кожа выглядела как обычно, все слои эпидермиса были на месте. Но через сутки все они погибали: через кожу уходила вода, и новорождённые просто высыхали [1]. Клаудин-1 — белок плотных контактов, запирающих щели между клетками эпидермиса. Без него слой клеток толщиной в доли миллиметра перестал быть барьером. Этот опыт показывает главное свойство эпителия: это ткань-граница, и от того, насколько плотно сомкнуты её клетки, зависит жизнь организма.

Ниже разобрано, как устроен эпителий и почему именно так, чем различаются его виды и где они находятся, как эпителий всасывает, выделяет, защищает и очищает, как он обновляется, какие болезни связаны с его нарушениями и что из этого нужно уметь на ЕГЭ. Общий обзор всех тканей — в статье «Ткани животных и человека».

• 1. Что такое эпителий
• 2. Признаки эпителиальной ткани
• 3. Полярность: у клетки есть верх и низ
• 4. Контакты и барьер
• 5. Базальная мембрана
• 6. Микроворсинки, реснички и другие структуры поверхности
• 7. Классификация эпителиев
• 8. Однослойные эпителии
• 9. Многослойные эпителии
• 10. Эпидермис: главный барьер тела
• 11. Эпителий кишки: всасывание и обновление
• 12. Эпителий дыхательных путей и лёгких
• 13. Эпителий почки: всасывание по требованию
• 14. Эндотелий: эпителий внутри сосудов
• 15. Чувствующие эпителии
• 16. Железистый эпителий
• 17. Происхождение эпителиев
• 18. Регенерация эпителия
• 19. Эпителий и болезни
• 20. Эпителии у разных животных
• 21. История изучения
• 22. Частые ошибки
• 23. Интересные факты
• 24. Частые вопросы
• 25. Что пока не решено
• 26. ЕГЭ
• 27. Для олимпиад
• 28. Задания с разбором
• Литература

1. Что такое эпителий

Эпителий находится везде, где организм граничит с внешней средой или где одна внутренняя среда граничит с другой. Снаружи тело покрыто эпидермисом кожи. Пищеварительная трубка от рта до заднего прохода выстлана эпителием — по сути, это та же внешняя среда, проходящая сквозь организм. Эпителий выстилает дыхательные пути и альвеолы лёгких, мочевыводящие и половые пути, протоки желёз, кровеносные и лимфатические сосуды, полости тела (брюшную, плевральную, околосердечную) [2, 3].

Отсюда и главные функции эпителия:

• пограничная и защитная — отделяет организм от среды, защищает от механических повреждений, высыхания, микроорганизмов, ультрафиолета;
• всасывающая — эпителий кишки всасывает питательные вещества, эпителий канальцев почки возвращает в кровь воду, глюкозу и соли из первичной мочи;
• секреторная — железистый эпителий выделяет слизь, ферменты, гормоны, пот, молоко;
• выделительная — через эпителий почечных канальцев и потовых желёз выводятся продукты обмена;
• газообменная — тонкий эпителий альвеол пропускает кислород и углекислый газ;
• транспортная — мерцательный эпителий перемещает слизь по дыхательным путям, яйцеклетку — по маточной трубе;
• рецепторная — в эпителии языка, носа, внутреннего уха находятся чувствительные клетки.

Многообразие функций при одинаковом общем плане строения — отличительная черта эпителия. Все эпителии — это пласт сомкнутых клеток на базальной мембране, но форма клеток, число слоёв и специальные структуры на поверхности подобраны под конкретную задачу.

2. Признаки эпителиальной ткани

Чтобы узнать эпителий на рисунке или в описании, достаточно помнить шесть признаков [2, 3].

1. Клетки плотно прилегают друг к другу и образуют сплошной пласт. Межклеточного вещества почти нет: между мембранами соседних клеток — щели шириной в десятки нанометров.
2. Клетки соединены межклеточными контактами: плотными, адгезионными, десмосомами, щелевыми. Благодаря им пласт прочен и непроницаем.
3. Пласт лежит на базальной мембране, которая отделяет его от подлежащей соединительной ткани.
4. Клетки полярны: их верхушечная сторона устроена не так, как базальная.
5. В эпителии нет кровеносных сосудов. Питательные вещества и кислород приходят путём диффузии из капилляров соединительной ткани через базальную мембрану. Нервные окончания в эпителии при этом есть: в эпидермисе — свободные окончания, воспринимающие боль и температуру.
6. Высокая способность к восстановлению. Клетки эпителия постоянно гибнут на поверхности и заменяются новыми за счёт деления клеток нижних слоёв или стволовых клеток.

3. Полярность: у клетки есть верх и низ

Клетка эпителия обращена одной стороной в просвет органа или наружу, а другой — к базальной мембране и капиллярам. Эти стороны работают по-разному, и мембрана клетки разделена на три области: апикальную (верхушечную), латеральные (боковые) и базальную. На апикальной стороне находятся микроворсинки, реснички, белки, всасывающие вещества из просвета; на базальной — белки, выпускающие вещества в кровь, и рецепторы, прикрепляющие клетку к базальной мембране. Ядро обычно смещено к базальной части, а аппарат Гольджи и секреторные пузырьки — к апикальной [4].

Пример со всасыванием глюкозы в кишке показывает, зачем это нужно. В просвете кишки глюкозы после еды много, но клетка должна забрать её и тогда, когда её мало, а потом отдать в кровь. На апикальной мембране работает белок, который переносит глюкозу в клетку вместе с ионами натрия: натрий входит по своему градиенту и «тянет» за собой глюкозу. На базальной мембране стоит другой белок, по которому глюкоза выходит из клетки в кровь по градиенту. А натрий-калиевый насос на базальной и боковых мембранах выкачивает натрий из клетки с затратой АТФ и поддерживает тот самый градиент, который работает на апикальной стороне [5]. Каждая сторона клетки делает свою часть работы, и в результате глюкоза идёт только в одном направлении — из кишки в кровь.

Полярность задают белковые комплексы, которые распределяются по разным сторонам клетки и «узнают» друг друга. Те же белки, что делают полярным эпителий, определяют передний и задний конец яйцеклетки дрозофилы и первое деление зиготы нематоды [4]. Потеря полярности — один из первых признаков превращения эпителиальной клетки в опухолевую.

4. Контакты и барьер

Самый важный контакт для барьерной функции — плотный. Он опоясывает клетку у самой верхушки, и мембраны соседних клеток здесь соединены цепочками белков — клаудинов и окклюдина. Клаудины открыл японский биолог М. Фурусэ в 1998 году [6]. У человека их больше двух десятков, и в разных эпителиях работают разные клаудины. Одни делают щель между клетками почти непроницаемой, другие образуют в ней избирательные поры для определённых ионов.

Поэтому эпителии бывают «плотными» и «неплотными». Эпителий мочевого пузыря почти непроницаем: моча, которая может быть в несколько раз концентрированнее крови, часами лежит в пузыре, не вытягивая воду из тканей. Эпителий начальных отделов почечных канальцев, наоборот, неплотный: вслед за солями и глюкозой через его клетки и через щели между ними возвращается в кровь около двух третей воды первичной мочи, а её за сутки образуется около 180 литров.

Эксперимент с клаудином-1, описанный в начале статьи, показал, что даже в многослойной коже с роговым слоем решающую роль в удержании воды играют плотные контакты зернистого слоя [1]. Плотные контакты также не дают белкам мембраны смешиваться: белки апикальной стороны не уходят на боковую, и полярность сохраняется.

Адгезионные контакты и десмосомы обеспечивают механическую прочность пласта. Особенно много десмосом в эпидермисе: на них приходится нагрузка при трении и растяжении кожи. Щелевые контакты связывают цитоплазму соседних клеток каналами, через которые проходят ионы и сигнальные молекулы, — так клетки пласта согласуют работу. Полудесмосомы прикрепляют базальные клетки к базальной мембране.

5. Базальная мембрана

Базальная мембрана — тонкий слой межклеточного вещества толщиной около 0,1 мкм, на котором лежит любой эпителий. Её образуют совместно клетки эпителия и подлежащей соединительной ткани. Основа — сеть из коллагена IV типа и белка ламинина, к которой присоединены протеогликаны. Под электронным микроскопом в ней видны светлая и тёмная пластинки, а снизу к ней прикрепляются волокна соединительной ткани [2].

Функции базальной мембраны:

• опора и прикрепление — клетки эпителия крепятся к ней полудесмосомами и интегринами;
• барьер и фильтр — через неё из капилляров к эпителию идут вода, газы, питательные вещества, но не проходят крупные белки и клетки; в почечном клубочке базальная мембрана — часть фильтра, через который из крови выходит первичная моча;
• ориентация — задаёт клеткам «верх» и «низ», то есть полярность;
• направляющая при заживлении — по сохранившейся базальной мембране клетки быстро наползают на рану.

Базальная мембрана отделяет эпителий от соединительной ткани, и её состояние важно в медицине. Пока злокачественные клетки не прорвали базальную мембрану, опухоль называют «рак на месте», и она не даёт метастазов. Прорыв мембраны — момент, когда опухоль становится способной распространяться.

6. Микроворсинки, реснички и другие структуры поверхности

Апикальная сторона эпителиальных клеток часто несёт особые структуры, которые определяют её работу [2, 5].

Микроворсинки — пальцевидные выросты клетки длиной около 1 мкм и диаметром около 0,1 мкм. Внутри каждой — пучок актиновых нитей. На всасывающих клетках тонкой кишки и почечных канальцев их тысячи, они стоят плотно, как щётка, и в световом микроскопе видны как полоска — щёточная каёмка. Микроворсинки многократно увеличивают поверхность мембраны, через которую идёт всасывание; на их мембране сидят пищеварительные ферменты, расщепляющие дисахариды и короткие пептиды. Эпителий кишки с такой каёмкой называют каёмчатым.

Реснички — подвижные выросты длиной 5–10 мкм. Внутри каждой — каркас из микротрубочек по схеме «9 + 2» (девять пар по окружности и две в центре) и моторные белки динеины, заставляющие ресничку изгибаться с затратой АТФ. На одной клетке дыхательных путей — около двух сотен ресничек. Они бьют согласованно, волнами, и перемещают слой слизи. Эпителий с ресничками называют мерцательным (реснитчатым): под микроскопом ряды бьющихся ресничек похожи на мерцание.

Стереоцилии, несмотря на название, — не реснички, а очень длинные микроворсинки. Они есть на клетках придатка семенника и на чувствительных волосковых клетках внутреннего уха, где их отклонение звуковыми колебаниями открывает ионные каналы.

Почти на каждой клетке есть одна неподвижная первичная ресничка — «антенна», воспринимающая ток жидкости и химические сигналы. В канальцах почки она чувствует ток мочи; при нарушении её работы развивается поликистоз почек.

7. Классификация эпителиев

Эпителии делят на две большие группы по функции: покровные (выстилающие) и железистые. Покровные эпителии, в свою очередь, классифицируют по строению — по двум признакам [2, 3].

Число слоёв. В однослойном эпителии все клетки лежат на базальной мембране. В многослойном на мембране лежит только нижний слой, а остальные — над ним. Особый случай — многорядный эпителий: все его клетки касаются базальной мембраны, но имеют разную высоту, и их ядра лежат на разных уровнях, поэтому на срезе кажется, что слоёв несколько. Многорядный эпителий — разновидность однослойного.

Форма клеток. Плоские клетки шире своей высоты, кубические — примерно одинаковы по высоте и ширине, призматические (цилиндрические) — выше своей ширины. Многослойный эпителий называют по форме клеток верхнего слоя: в многослойном плоском эпителии нижние клетки кубические или призматические, а плоскими становятся только верхние.

8. Однослойные эпителии

Однослойный плоский эпителий — самый тонкий: толщина клеток в периферической части — доли микрометра. Там, где нужно, чтобы вещества проходили быстро, организм использует именно его. В лёгких газы между воздухом и кровью проходят через стенку альвеолы и стенку капилляра, общая толщина барьера — меньше 1 мкм, а общая площадь поверхности газообмена у взрослого человека — 120–140 м² [7]. Внутреннюю поверхность всех кровеносных и лимфатических сосудов выстилает эндотелий, а серозные оболочки — брюшину, плевру, перикард — покрывает мезотелий. Он выделяет жидкость, которая смачивает поверхности органов, и органы легко скользят друг относительно друга при дыхании и сокращениях сердца и кишечника.

Однослойный кубический эпителий выстилает канальцы почки, протоки желёз и образует стенки фолликулов щитовидной железы, где синтезируются гормоны. В клетках канальцев почки, которые возвращают в кровь соли и глюкозу из первичной мочи, много митохондрий у базальной стороны: там работают насосы, расходующие АТФ.

Однослойный призматический эпителий выстилает желудок и кишечник. В желудке все его клетки выделяют защитную слизь, покрывающую слизистую оболочку плотным слоем: благодаря ей соляная кислота желудочного сока не переваривает собственную стенку желудка. В кишке среди всасывающих клеток с щёточной каёмкой рассеяны бокаловидные клетки, выделяющие слизь, и клетки, выделяющие гормоны.

Многорядный мерцательный эпителий выстилает воздухоносные пути — носовую полость, гортань, трахею, бронхи. Подробнее — в разделе 12.

9. Многослойные эпителии

Многослойный эпителий там, где на поверхность действуют трение и повреждения. Нижние клетки, лежащие на базальной мембране, делятся; их потомки смещаются вверх, постепенно уплощаются и в конце концов слущиваются с поверхности. Так эпителий постоянно обновляется снизу, а изнашивается сверху.

Многослойный плоский неороговевающий эпителий покрывает поверхности, которые постоянно увлажнены: роговицу глаза (её смачивает слёзная жидкость), ротовую полость, пищевод, влагалище. Верхние клетки здесь живые, сохраняют ядра и слущиваются поодиночке. Роговица — особый случай: эпителий в ней прозрачный, и в нём особенно много нервных окончаний, поэтому соринка в глазу ощущается так остро.

Многослойный плоский ороговевающий эпителий — эпидермис кожи. Его верхние клетки погибают, заполняются белком кератином и образуют роговой слой. Подробнее о нём — в следующем разделе.

Переходный эпителий (уротелий) выстилает мочевыводящие пути. В пустом мочевом пузыре он выглядит толстым, из нескольких рядов клеток; верхние клетки крупные, округлые, иногда двуядерные. При наполнении пузыря клетки растягиваются и уплощаются, и эпителий становится тонким. Апикальную мембрану верхних клеток покрывают пластинки из особых белков — уроплакинов; они делают её почти непроницаемой для воды и мочевины и при растяжении «разворачиваются», как запасные складки [8].

10. Эпидермис: главный барьер тела

Кожа — самый большой по площади орган человека: около 2 м² у взрослого. Её наружный слой — эпидермис — многослойный плоский ороговевающий эпителий. Под ним лежит дерма из соединительной ткани с сосудами и нервами, а ещё глубже — подкожная жировая клетчатка [2].

Основные клетки эпидермиса — кератиноциты. Они возникают при делении клеток базального слоя и за несколько недель проходят путь к поверхности. По дороге клетки синтезируют кератины — белки промежуточных филаментов, — соединяются множеством десмосом, а в зернистом слое накапливают белок филаггрин и выделяют в межклеточные промежутки липиды. Затем ядро и органоиды разрушаются, и клетка превращается в плоскую роговую чешуйку — мешок, плотно набитый кератином. Липиды между чешуйками скрепляют их (гистологи называют это устройство моделью «кирпичи и раствор») и создают главный барьер для воды. Каждый день с поверхности кожи человека слущиваются миллионы роговых чешуек.

Кроме кератиноцитов, в эпидермисе есть:

• меланоциты — клетки базального слоя, производящие пигмент меланин. Они передают его соседним кератиноцитам, где меланин собирается «зонтиком» над ядром и защищает ДНК от ультрафиолета. Число меланоцитов у светлокожих и темнокожих людей примерно одинаково, а различается количество и вид меланина;
• клетки Лангерганса — иммунные клетки, захватывающие микробы и показывающие их антигены лимфоцитам;
• клетки Меркеля — чувствительные клетки, связанные с нервными окончаниями и воспринимающие лёгкое прикосновение.

Меланоциты происходят из нервного гребня, клетки Лангерганса — из костного мозга. Эпидермис, таким образом, — сообщество клеток разного происхождения, но ткань определяют кератиноциты, которых подавляющее большинство.

Производные эпидермиса — волосы, ногти, потовые, сальные и молочные железы. Они развиваются из эпидермиса, врастающего в дерму, и поэтому тоже относятся к эпителиальным структурам.

11. Эпителий кишки: всасывание и обновление

Внутренняя поверхность тонкой кишки увеличена на трёх уровнях. Слизистая оболочка образует круговые складки. Складки покрыты ворсинками — выростами высотой около миллиметра, внутри которых проходят капилляры и лимфатический капилляр. Ворсинки покрыты однослойным призматическим каёмчатым эпителием, клетки которого несут микроворсинки. Между ворсинками в глубину слизистой уходят крипты — трубчатые углубления [2].

Эпителий тонкой кишки — одна из самых быстро обновляющихся тканей взрослого человека: он сменяется за 3–5 суток. Стволовые клетки на дне крипт постоянно делятся. Их потомки движутся вверх по стенке крипты, по дороге специализируются — становятся всасывающими, бокаловидными, гормонпродуцирующими клетками — и через несколько дней отмирают и слущиваются с вершины ворсинки [10]. На дне крипт остаются клетки Панета, выделяющие антимикробные белки и поддерживающие стволовые клетки. В 2009 году из одной стволовой клетки кишки в культуре вырастили органоид — трёхмерную «мини-кишку» с криптами и ворсинками [11].

Быстрое обновление — плата за тяжёлые условия: эпителий кишки постоянно контактирует с пищеварительными ферментами, желчью, бактериями. Обратная сторона — уязвимость к лекарствам, подавляющим деление клеток: химиотерапия опухолей часто повреждает именно эпителий кишки и вызывает тяжёлые нарушения пищеварения.

12. Эпителий дыхательных путей и лёгких

Воздухоносные пути выстланы многорядным мерцательным эпителием. В нём есть три основных вида клеток: реснитчатые клетки, бокаловидные клетки, выделяющие слизь, и короткие базальные клетки, из которых образуются новые клетки эпителия. Реснитчатые клетки достигают поверхности и несут по две сотни ресничек; базальные клетки не доходят до поверхности, поэтому ядра лежат на разной высоте [2].

Слизь, которую выделяют бокаловидные клетки и железы подслизистой основы, улавливает пыль, бактерии, споры. Реснички бьют с частотой около 11–15 раз в секунду, и слой слизи медленно движется вверх, к глотке, где её проглатывают или откашливают. Этот механизм называют мукоцилиарным транспортом — «слизисто-ресничным конвейером». Курение и загрязнённый воздух парализуют реснички, слизь застаивается, и человек вынужден её откашливать: так возникает «кашель курильщика».

Дальше по ходу воздухоносных путей эпителий становится ниже, ресничек и бокаловидных клеток меньше. В альвеолах его сменяет однослойный плоский эпителий из клеток двух типов: тонкие плоские клетки, через которые идёт газообмен, и округлые клетки, выделяющие сурфактант — смесь липидов и белков, уменьшающую поверхностное натяжение жидкости в альвеолах. Без сурфактанта альвеолы слипались бы при выдохе. У недоношенных детей он ещё не вырабатывается в достаточном количестве, и это главная причина их дыхательных расстройств.

13. Эпителий почки: всасывание по требованию

Каждые сутки в почечных клубочках из крови отфильтровывается около 180 литров первичной мочи, а выделяется всего полтора литра. Всё остальное — вода, глюкоза, аминокислоты, большая часть солей — возвращается в кровь эпителием почечных канальцев. Это самая большая по объёму работа, которую выполняет эпителий в теле человека [2].

Эпителий разных отделов канальца устроен по-разному, и это хорошо показывает связь строения и функции. В начальном (проксимальном) отделе клетки кубические, с высокой щёточной каёмкой из микроворсинок на апикальной стороне и множеством складок плазмалеммы у базальной стороны, между которыми плотно лежат митохондрии. Микроворсинки увеличивают площадь всасывания, а митохондрии снабжают энергией натрий-калиевые насосы базальной стороны. Здесь возвращается в кровь около двух третей воды и солей и практически вся глюкоза. Эпителий этого отдела «неплотный»: часть воды и ионов проходит между клетками.

В собирательных трубочках эпителий «плотный», и вода проходит только через клетки — по белковым каналам аквапоринам. Аквапорины открыл американский биохимик П. Эгр в 1992 году: он показал, что белок мембраны эритроцита, встроенный в яйцеклетку лягушки, делает её проницаемой для воды, и клетка быстро разбухает в разбавленном растворе [12]. За это открытие он получил Нобелевскую премию по химии 2003 года. В клетках собирательных трубочек аквапорины хранятся в пузырьках внутри клетки. Когда организму не хватает воды, гипофиз выделяет антидиуретический гормон, и пузырьки встраивают аквапорины в апикальную мембрану: вода уходит из мочи в кровь, моча становится концентрированной. Когда воды много, аквапорины убираются с мембраны, и выделяется много разбавленной мочи. Это пример того, как эпителий меняет свою проницаемость по команде гормона.

14. Эндотелий: эпителий внутри сосудов

Эндотелий — однослойный плоский эпителий, выстилающий изнутри все кровеносные и лимфатические сосуды и полости сердца. Долгое время его считали пассивной выстилкой сосудов. Но в 1980 году американский фармаколог Р. Фёрчготт заметил, что ацетилхолин расслабляет кольцо артерии только тогда, когда её внутренняя поверхность не повреждена. Если эндотелий случайно стирали, тот же ацетилхолин вызывал сокращение [13]. Значит, эндотелий выделяет вещество, расслабляющее гладкие мышцы сосудистой стенки. Позже выяснилось, что это оксид азота NO — газ, проникающий из эндотелия в соседние мышечные клетки. За открытие роли NO как сигнальной молекулы Фёрчготт и его коллеги получили Нобелевскую премию 1998 года.

Функции эндотелия [2]:

• барьер и обмен веществ — через эндотелий капилляров идёт весь обмен между кровью и тканями: вода, газы, глюкоза, продукты обмена;
• регуляция просвета сосудов — выделяя NO и другие вещества, эндотелий расслабляет или сокращает гладкие мышцы сосудов;
• регуляция свёртывания крови — здоровый эндотелий препятствует образованию тромбов, а повреждённый открывает белки, запускающие свёртывание;
• участие в воспалении — при воспалении на эндотелии появляются белки, к которым прилипают лейкоциты, после чего они выходят из сосуда в ткань.

Эндотелий в разных органах различается. В капиллярах мозга клетки эндотелия соединены особенно прочными плотными контактами и почти не образуют пузырьков для переноса веществ. Так возникает гематоэнцефалический барьер: многие вещества крови, в том числе многие лекарства, не проникают в мозг. В почечных клубочках, наоборот, эндотелий пронизан отверстиями — порами, через которые легко фильтруется плазма. В печени и костном мозге в стенках капилляров есть щели, через которые проходят даже клетки.

15. Чувствующие эпителии

В некоторых эпителиях есть клетки, воспринимающие раздражения. Их называют сенсорными эпителиями.

Вкусовые почки языка — бочонковидные группы из нескольких десятков клеток, встроенные в многослойный эпителий. На верхушке почки — вкусовая пора, куда попадают растворённые вещества. Вкусовые клетки — видоизменённые эпителиальные клетки: у них нет аксонов, а сигнал они передают окончаниям нервных волокон. Живут они от одной до нескольких недель и постоянно заменяются новыми из базальных клеток почки [14]. Поэтому вкус восстанавливается через несколько дней после того, как человек обжёг язык горячим чаем.

Обонятельный эпителий в верхней части носовой полости содержит обонятельные клетки — настоящие нейроны, которые отправляют аксоны прямо в мозг. Каждый из них несёт рецепторный белок одного типа. Гены этих белков открыли в 1991 году американские исследователи Л. Бак и Р. Аксель; у мыши их около тысячи, у человека работает около четырёх сотен [15]. Обонятельные нейроны — редкое исключение: они постоянно гибнут и заменяются новыми, образующимися из стволовых клеток эпителия.

Волосковые клетки внутреннего уха — эпителиальные клетки со стереоцилиями, воспринимающие звук и положение головы. В отличие от вкусовых и обонятельных клеток, у млекопитающих они не восстанавливаются, и их гибель от громкого шума или с возрастом ведёт к необратимой потере слуха. У птиц волосковые клетки восстанавливаются, и это одна из целей исследований по лечению глухоты.

Сюда же можно отнести пигментный эпителий сетчатки — однослойный пласт клеток с меланином, который поглощает лишний свет и поддерживает работу палочек и колбочек.

16. Железистый эпителий

Железистый эпителий состоит из клеток, специализированных на выработке и выделении веществ — секретов. Железы развиваются из покровного эпителия: в зародыше участок пласта врастает в подлежащую соединительную ткань, и из него формируются концевые отделы, вырабатывающие секрет, и протоки [2, 3].

Железы внешней секреции (экзокринные) сохраняют связь с поверхностью через проток и выделяют секрет наружу или в полость органа: потовые, сальные, слюнные, молочные, слёзные железы, железы желудка и кишки, печень, поджелудочная железа. Железы внутренней секреции (эндокринные) теряют связь с поверхностью, протоков у них нет, и гормоны поступают прямо в кровь: щитовидная железа, гипофиз, надпочечники, паращитовидные железы. Поджелудочная железа — железа смешанной секреции: её основная часть выделяет пищеварительный сок в двенадцатиперстную кишку, а островки Лангерганса — гормоны инсулин и глюкагон в кровь.

Экзокринные железы бывают одноклеточными — это бокаловидные клетки, рассеянные в эпителии кишки и дыхательных путей, — и многоклеточными. Многоклеточные делят на простые (неветвящийся проток) и сложные (ветвящийся), а по форме концевых отделов — на трубчатые (потовые, железы желудка) и альвеолярные, похожие на мешочки (сальные, молочные).

Как клетка выделяет секрет

Белковый секрет синтезируется на рибосомах шероховатой эндоплазматической сети, упаковывается в аппарате Гольджи в секреторные пузырьки, и пузырьки сливаются с апикальной мембраной, выпуская содержимое наружу. Так работают клетки поджелудочной железы, выделяющие ферменты, и бокаловидные клетки. Подробнее — в статье «Аппарат Гольджи». Различают три способа выделения секрета:

Потовые железы человека — важнейший орган терморегуляции: испарение пота охлаждает кожу. Их у человека несколько миллионов, больше всего — на ладонях, подошвах и лбу. Молочные железы — видоизменённые кожные железы, по происхождению родственные потовым; они есть только у млекопитающих и дали название всему классу.

17. Происхождение эпителиев

Эпителий — единственный тип ткани, который развивается из всех трёх зародышевых листков [2, 16]:

Поэтому гистологи объединяют эпителии в один тип не по происхождению, а по строению и функции: в любом из них клетки сомкнуты в пласт на базальной мембране, полярны и выполняют пограничную функцию.

Эпителий может превращаться в подвижные клетки и обратно. При эпителиально-мезенхимном переходе клетки пласта теряют контакты и полярность, выключают синтез кадгерина и уходят из пласта. Так образуются клетки мезодермы при гаструляции и клетки нервного гребня. Обратный переход превращает рыхлые скопления клеток в эпителиальные канальцы — так формируются канальцы почки. Эти переходы используются и при заживлении ран, а опухолевые клетки, запуская их, приобретают способность к метастазированию [17].

18. Регенерация эпителия

Эпителии восстанавливаются лучше большинства тканей. Различают два вида восстановления [2].

Физиологическая регенерация идёт постоянно: эпителий кишки обновляется за несколько суток, эпидермис — примерно за месяц, эпителий роговицы — за неделю-полторы. Источник новых клеток — стволовые клетки, сосредоточенные в определённых местах: в базальном слое эпидермиса и у основания волосяных фолликулов, на дне крипт кишки, по краю роговицы.

Репаративная регенерация — восстановление после повреждения. Когда кожа поранена, клетки эпидермиса на краях раны в течение нескольких часов начинают двигаться и наползать на поверхность раны, ослабляя контакты друг с другом; одновременно клетки за ними делятся. Края эпидермиса смыкаются, и только после этого пласт вновь утолщается. Если сохранились волосяные фолликулы, островки нового эпидермиса нарастают и из них. Поэтому неглубокие ссадины заживают без рубца, а при глубоких ожогах, разрушающих фолликулы и потовые железы, требуется пересадка кожи.

Ещё один пример — роговица. Её стволовые клетки находятся в узком кольце на границе роговицы и склеры. Если эти клетки разрушены, например, химическим ожогом, роговица зарастает мутным эпителием конъюнктивы, и зрение теряется. Сегодня такие стволовые клетки выращивают в культуре из сохранившегося участка у больного и пересаживают обратно.

19. Эпителий и болезни

Эпителии делятся чаще других тканей и чаще других контактируют с повреждающими факторами — ультрафиолетом, табачным дымом, вирусами, канцерогенами пищи. Поэтому большинство злокачественных опухолей человека — карциномы, то есть опухоли из эпителия: рак кожи, лёгких, желудка, кишечника, молочной железы, предстательной железы. На них приходится больше 80 % смертей от рака [18]. Опухоли из соединительной ткани (саркомы) встречаются гораздо реже.

Многие наследственные болезни — это болезни эпителиев:

• Муковисцидоз (кистозный фиброз) вызывают мутации гена белка CFTR — канала для ионов хлора в апикальной мембране эпителиальных клеток дыхательных путей, протоков поджелудочной железы, потовых желёз. Без него в просвет выходит мало хлора и воды, слизь становится вязкой, закупоривает бронхи и протоки, лёгкие постоянно инфицируются. Ген нашли в 1989 году [19]; современные препараты, помогающие работе дефектного белка, сильно изменили течение болезни.
• Первичная цилиарная дискинезия: в 1976 году шведский учёный Б. Афцелиус обнаружил у мужчин с хроническим бронхитом и неподвижными сперматозоидами дефект динеиновых «ручек» в ресничках и жгутиках. Слизь не выводится из бронхов. А примерно у половины таких больных внутренние органы расположены зеркально: сердце справа, печень слева [20]. Позже выяснилось, почему: у зародыша на ранней стадии вращающиеся реснички создают ток жидкости влево, и этот ток задаёт левую сторону тела. Без работающих ресничек сторона выбирается случайно [21].
• Пузырчатка — аутоиммунная болезнь, при которой антитела разрушают белки десмосом, и клетки эпидермиса расходятся, образуя пузыри.

20. Эпителии у разных животных

Эпителий — самая древняя ткань животных. Даже у губок покровный слой — настоящий эпителий: его клетки связаны контактами, лежат на межклеточном веществе и создают барьер [22]. Особенно отчётливо это видно у губок-гомосклероморф, у которых есть и базальная мембрана.

У кишечнополостных тело построено из двух эпителиальных слоёв — наружного и внутреннего, — между которыми лежит мезоглея. Многие клетки этих слоёв эпителиально-мышечные: у основания они вытянуты в сократительные отростки, и сокращения этих отростков изменяют форму тела гидры.

У членистоногих наружный эпителий (гиподерма) выделяет кутикулу — плотный наружный скелет из хитина и белков; при линьке старая кутикула сбрасывается, а эпителий выделяет новую. У моллюсков эпителий мантии выделяет раковину, у кольчатых червей и земноводных кожный эпителий богат слизистыми железами, а кожа земноводных участвует в дыхании. У рыб кожный эпителий неороговевающий и покрыт слизью, у пресмыкающихся, птиц и млекопитающих эпидермис ороговевает и образует чешуи, перья, волосы, когти, рога, копыта — это всё производные эпидермиса.

Эволюция ороговевающего эпидермиса — одно из приспособлений к жизни на суше: он защищает от высыхания. Земноводные, у которых кожа тонкая и влажная, вынуждены жить вблизи воды; пресмыкающиеся с плотной ороговевающей кожей освоили и пустыни.

21. История изучения

Слово «эпителий» придумал около 1700 года голландский анатом Ф. Рюйш для тонкого покрова красной каймы губ. В XIX веке Я. Генле, один из первых гистологов, описал эпителии разных органов и разделил их по форме клеток; эта классификация сохранилась почти без изменений. Электронный микроскоп в середине XX века открыл межклеточные контакты [23], а молекулярная биология — белки, из которых они построены [6], и гены, нарушения которых вызывают болезни эпителиев [9, 19]. Последние десятилетия принесли стволовые клетки эпителия и органоиды — культуры, в которых эпителий растёт и организуется почти как в теле [10, 11].

22. Частые ошибки

23. Интересные факты

• Поверхность газообмена в лёгких взрослого человека — 120–140 м², а толщина барьера между воздухом и кровью — меньше 1 мкм, в сотню раз тоньше листа бумаги [7].
• Эпителий тонкой кишки — одна из самых быстро обновляющихся тканей взрослого человека: от рождения клетки на дне крипты до её гибели на вершине ворсинки проходит всего несколько суток [10].
• Мыши без одного белка плотных контактов — клаудина-1 — гибнут в первые сутки после рождения от потери воды через кожу [1].
• Неподвижные реснички зародыша могут «перевернуть» расположение внутренних органов: при первичной цилиарной дискинезии у половины больных сердце справа [20, 21].
• Волосы, ногти, перья, чешуи пресмыкающихся, рога носорога и копыта лошади — всё это производные эпидермиса, построенные в основном из белков-кератинов.
• Эмаль зубов — самый твёрдый материал тела — образуют клетки эктодермального эпителия; после прорезывания зуба этих клеток уже нет, и эмаль не восстанавливается.

24. Частые вопросы

Почему эпителий быстро восстанавливается, хотя в нём нет сосудов?

Восстановление зависит не от сосудов, а от способности клеток делиться. В эпителии много делящихся и стволовых клеток, а питание им обеспечивает подлежащая соединительная ткань с капиллярами. Как только клетки начинают делиться, пласт быстро смыкается.

Чем многорядный эпителий отличается от многослойного?

В многорядном эпителии все клетки лежат на базальной мембране, но не все доходят до поверхности, поэтому ядра расположены на разных уровнях. В многослойном эпителии с базальной мембраной соприкасается только нижний слой клеток, остальные лежат друг на друге.

Почему стенка желудка не переваривает сама себя?

Однослойный призматический эпителий желудка выделяет толстый слой слизи и ионы гидрокарбоната, которые нейтрализуют кислоту у самой поверхности; плотные контакты не пропускают кислоту между клетками; повреждённые клетки быстро заменяются. Если защита нарушается — например, бактерией хеликобактер или некоторыми лекарствами, — возникает язва.

Почему кожа на ладонях и подошвах толще?

Эпидермис отвечает на трение и давление усилением деления клеток и утолщением рогового слоя. На ладонях и подошвах он толще с самого рождения, а при постоянной нагрузке образуются мозоли.

Эндотелий и мезотелий — это эпителий?

Да, оба — однослойный плоский эпителий, хотя развиваются из мезодермы. Эндотелий выстилает сосуды и сердце, мезотелий — серозные оболочки полостей тела.

Почему печень и поджелудочную железу относят к эпителиальным органам?

Их главные клетки — эпителиальные: они развиваются из энтодермы кишечной трубки, связаны контактами, полярны и выделяют секрет в протоки (желчь, пищеварительный сок). Это крупные железы внешней секреции, а поджелудочная — ещё и внутренней.

25. Что пока не решено

• Как устроены и регулируются поры плотных контактов. Известно больше двух десятков клаудинов, но как их сочетание определяет проницаемость каждого эпителия, понятно не до конца [6].
• Как эпителий «решает», когда переходить в подвижное состояние. Эпителиально-мезенхимный переход — не переключатель, а спектр промежуточных состояний, и неясно, какие из них опасны при опухолях [17].
• Насколько эпителий губок соответствует эпителию других животных и возник ли эпителий один раз [22].
• Как стволовые клетки эпителия поддерживают число и распределение потомков всю жизнь и почему с возрастом обновление замедляется [10].

26. ЕГЭ

В кодификаторе ЕГЭ-2027 тема входит в элемент 4.4: «Типы животных тканей: эпителиальная… Особенности строения, функций и расположения тканей в органах животных и человека» [24]. Задания встречаются в части 1 (определить ткань по рисунку, установить соответствие между видом эпителия и местом, где он находится) и в части 2 (объяснить, как строение эпителия связано с функцией, найти ошибки в тексте).

Типичные формулировки ответов:

• «Признаки эпителия: клетки плотно прилегают друг к другу, межклеточного вещества мало, лежат на базальной мембране, нет кровеносных сосудов, высокая способность к регенерации».
• «Однослойный плоский эпителий альвеол тонкий, что облегчает диффузию газов между воздухом и кровью».
• «Микроворсинки каёмчатого эпителия кишки увеличивают площадь всасывания».
• «Реснички мерцательного эпителия дыхательных путей вместе со слизью удаляют из них пыль и микроорганизмы».
• «Многослойный ороговевающий эпителий кожи защищает от механических повреждений, высыхания и проникновения микроорганизмов».

27. Для олимпиад

Во сколько раз микроворсинки увеличивают поверхность

Пусть микроворсинка — цилиндр высотой h = 1 мкм и радиусом r = 0,05 мкм, а на 1 мкм² поверхности клетки их n = 80. Боковая поверхность одной микроворсинки 2πrh ≈ 0,31 мкм²; всех на 1 мкм² — 80 · 0,31 ≈ 25 мкм². Площадь оснований, которые ворсинки «занимают», почти не меняет итог: поверхность увеличивается примерно в 26 раз. Учебники обычно называют увеличение в 20 раз и больше; вместе со складками и ворсинками поверхность кишки увеличивается в сотни раз по сравнению с гладкой трубкой.

Почему альвеолы выстланы плоским эпителием

Время диффузии газа через слой толщиной x оценивается как t ≈ x²/(2D). Для кислорода в водной среде D ≈ 2·10⁻⁹ м²/с. Через барьер толщиной 0,5 мкм кислород проходит примерно за 0,06 мс, через слой толщиной 10 мкм (высота призматической клетки) — уже за 25 мс, то есть в 400 раз дольше. Эритроцит проходит альвеолярный капилляр примерно за 0,75 с, и тонкий барьер гарантирует, что кровь успеет насытиться кислородом даже при быстром кровотоке во время нагрузки.

Почему эпителий мочевого пузыря не всасывает воду

Моча в пузыре может быть в несколько раз концентрированнее крови, и вода по осмосу стремилась бы из тканей в мочу. Переходный эпителий препятствует этому двумя способами: плотные контакты закрывают щели между клетками, а апикальная мембрана верхних клеток покрыта пластинками уроплакинов и малопроницаема для воды и мочевины [8]. Это пример того, как непроницаемость — тоже функция.

Сколько клеток теряет кишка за сутки

Если в тонкой кишке около 10¹⁰ эпителиальных клеток и они полностью обновляются за 4 суток, то каждые сутки отмирает и образуется около 2,5·10⁹ клеток. Масса слущенного эпителия кишки составляет заметную долю всей массы клеток, заменяемых в теле за сутки [25].

28. Задания с разбором

Задание 1

Выберите три признака эпителиальной ткани: 1) клетки плотно прилегают друг к другу; 2) много межклеточного вещества; 3) клетки лежат на базальной мембране; 4) пронизана кровеносными капиллярами; 5) высокая способность к регенерации; 6) клетки обладают сократимостью.

Задание 2

Установите соответствие между эпителием и местом, где он находится: А) однослойный плоский; Б) однослойный призматический каёмчатый; В) многорядный мерцательный; Г) многослойный плоский ороговевающий; Д) переходный; Е) многослойный плоский неороговевающий. Места: 1) трахея; 2) альвеолы лёгких; 3) мочевой пузырь; 4) тонкая кишка; 5) эпидермис кожи; 6) пищевод.

Задание 3

Объясните, как строение эпителия альвеол связано с его функцией.

Задание 4

Найдите ошибки в тексте и исправьте их. (1) Эпителий покрывает поверхность тела и выстилает полости органов. (2) В эпителии много межклеточного вещества. (3) Эпителий кровоснабжается за счёт собственных капилляров. (4) Многорядный эпителий относится к многослойным. (5) Эпителий может выполнять секреторную функцию.

Задание 5

Установите соответствие между железой и типом секреции: А) щитовидная; Б) слюнная; В) потовая; Г) гипофиз; Д) печень; Е) надпочечник. Типы: 1) внешней секреции; 2) внутренней секреции.

Задание 6

Чем микроворсинки отличаются от ресничек? Укажите не менее трёх отличий.

Задание 7

Почему у курильщиков возникает утренний кашель с мокротой?

Задание 8

Выберите три верных утверждения о многослойном плоском ороговевающем эпителии: 1) находится в ротовой полости; 2) образует эпидермис кожи; 3) верхние клетки мёртвые и заполнены кератином; 4) делятся клетки базального слоя; 5) содержит кровеносные капилляры; 6) состоит из одного слоя клеток.

Задание 9

Установите последовательность слоёв эпидермиса, начиная от базальной мембраны: 1) роговой; 2) зернистый; 3) базальный; 4) шиповатый; 5) блестящий.

Задание 10

Почему эпителий мочевого пузыря называют переходным? Как его строение связано с функцией органа?

Задание 11

Ребёнок с наследственным заболеванием страдает постоянными бронхитами, а в его поте повышено содержание хлорида натрия. Нарушение работы какого белка эпителиальных клеток можно предположить? Объясните связь с симптомами.

Задание 12

Почему ссадина заживает без рубца, а глубокий ожог — нет?

Задание 13

Установите соответствие между структурой и функцией: А) плотный контакт; Б) десмосома; В) щелевой контакт; Г) полудесмосома; Д) базальная мембрана. Функции: 1) прикрепляет клетку к базальной мембране; 2) запирает щели между клетками; 3) прочно скрепляет клетки, связан с промежуточными филаментами; 4) соединяет цитоплазму соседних клеток каналами; 5) отделяет эпителий от соединительной ткани и служит фильтром.

Задание 14

Почему при химиотерапии опухолей часто нарушается пищеварение и выпадают волосы?

Задание 15

Какие из перечисленных структур являются производными эпидермиса: 1) волосы; 2) ногти; 3) сальные железы; 4) хрящ ушной раковины; 5) потовые железы; 6) подкожная жировая клетчатка?

Задание 16

Почему стенка желудка не разрушается соляной кислотой желудочного сока?

Задание 17

Выберите три примера однослойного эпителия: 1) эндотелий сосудов; 2) эпидермис; 3) эпителий трахеи; 4) эпителий канальцев почки; 5) эпителий пищевода; 6) эпителий мочевого пузыря.

Задание 18 (олимпиадное)

Микроворсинки имеют высоту 1,2 мкм и радиус 0,05 мкм; на 1 мкм² апикальной поверхности их 60. Во сколько раз они увеличивают площадь поверхности?

Задание 19 (олимпиадное)

Кислород диффундирует через альвеолярный барьер толщиной 0,6 мкм. Оцените время диффузии (D = 2·10⁻⁹ м²/с, t ≈ x²/(2D)). Во сколько раз оно увеличится, если барьер утолщится в 5 раз (например, при отёке или фиброзе лёгких)? Почему это опасно при физической нагрузке?

Задание 20 (олимпиадное)

Роговой слой кожи толщиной 15 мкм обновляется за 14 суток. С какой средней скоростью роговые чешуйки «поднимаются» к поверхности? Сколько слоёв чешуек слущивается в сутки, если толщина одной чешуйки 0,5 мкм?

Литература

1. Furuse M., Hata M., Furuse K. et al. Claudin-based tight junctions are crucial for the mammalian epidermal barrier: a lesson from claudin-1–deficient mice // Journal of Cell Biology. 2002. Vol. 156. P. 1099–1111.
2. Pawlina W. Ross and Pawlina Histology: A Text and Atlas with Correlated Cell and Molecular Biology. 8th ed. Philadelphia: Wolters Kluwer, 2020.
3. Mescher A. L. Junqueira's Basic Histology: Text and Atlas. 16th ed. New York: McGraw Hill, 2021.
4. St Johnston D., Ahringer J. Cell polarity in eggs and epithelia: parallels and diversity // Cell. 2010. Vol. 141. P. 757–774.
5. Alberts B., Heald R., Johnson A. et al. Molecular Biology of the Cell. 7th ed. New York: W. W. Norton, 2022.
6. Furuse M., Fujita K., Hiiragi T. et al. Claudin-1 and -2: novel integral membrane proteins localizing at tight junctions with no sequence similarity to occludin // Journal of Cell Biology. 1998. Vol. 141. P. 1539–1550.
7. Weibel E. R. Lung morphometry: the link between structure and function // Cell and Tissue Research. 2017. Vol. 367. P. 413–426.
8. Wu X.-R., Kong X.-P., Pellicer A. et al. Uroplakins in urothelial biology, function, and disease // Kidney International. 2009. Vol. 75. P. 1153–1165.
9. Palmer C. N. A., Irvine A. D., Terron-Kwiatkowski A. et al. Common loss-of-function variants of the epidermal barrier protein filaggrin are a major predisposing factor for atopic dermatitis // Nature Genetics. 2006. Vol. 38. P. 441–446.
10. Barker N., van Es J. H., Kuipers J. et al. Identification of stem cells in small intestine and colon by marker gene Lgr5 // Nature. 2007. Vol. 449. P. 1003–1007.
11. Sato T., Vries R. G., Snippert H. J. et al. Single Lgr5 stem cells build crypt–villus structures in vitro without a mesenchymal niche // Nature. 2009. Vol. 459. P. 262–265.
12. Preston G. M., Carroll T. P., Guggino W. B., Agre P. Appearance of water channels in Xenopus oocytes expressing red cell CHIP28 protein // Science. 1992. Vol. 256. P. 385–387.
13. Furchgott R. F., Zawadzki J. V. The obligatory role of endothelial cells in the relaxation of arterial smooth muscle by acetylcholine // Nature. 1980. Vol. 288. P. 373–376.
14. Roper S. D., Chaudhari N. Taste buds: cells, signals and synapses // Nature Reviews Neuroscience. 2017. Vol. 18. P. 485–497.
15. Buck L., Axel R. A novel multigene family may encode odorant receptors: a molecular basis for odor recognition // Cell. 1991. Vol. 65. P. 175–187.
16. Gilbert S. F., Barresi M. J. F. Developmental Biology. 12th ed. Oxford University Press, 2020.
17. Nieto M. A., Huang R. Y.-J., Jackson R. A., Thiery J. P. EMT: 2016 // Cell. 2016. Vol. 166. P. 21–45.
18. Weinberg R. A. The Biology of Cancer. 2nd ed. New York: Garland Science, 2014.
19. Riordan J. R., Rommens J. M., Kerem B. et al. Identification of the cystic fibrosis gene: cloning and characterization of complementary DNA // Science. 1989. Vol. 245. P. 1066–1073.
20. Afzelius B. A. A human syndrome caused by immotile cilia // Science. 1976. Vol. 193. P. 317–319.
21. Nonaka S., Tanaka Y., Okada Y. et al. Randomization of left–right asymmetry due to loss of nodal cilia generating leftward flow of extraembryonic fluid in mice lacking KIF3B motor protein // Cell. 1998. Vol. 95. P. 829–837.
22. Leys S. P., Riesgo A. Epithelia, an evolutionary novelty of metazoans // Journal of Experimental Zoology Part B. 2012. Vol. 318. P. 438–447.
23. Farquhar M. G., Palade G. E. Junctional complexes in various epithelia // Journal of Cell Biology. 1963. Vol. 17. P. 375–412.
24. ФИПИ. Кодификатор проверяемых требований к результатам освоения основной образовательной программы и элементов содержания для проведения ЕГЭ по биологии, 2027 г. М.: ФИПИ, 2026.
25. Sender R., Milo R. The distribution of cellular turnover in the human body // Nature Medicine. 2021. Vol. 27. P. 45–48.