Тропоколлаген

Рис. Превращение проколлагена в тропоколлаген.

Перекрывание 64-67 нм

40 нм 400 нм

Рис. Расположение молекулы тропоколлагена в четыре ряда.

Коллагеновым волокнам свойственно два типа поперечных связей: внутримолекулярные – в пределах одной тропоколлагеновой единицы между NН и СО и межмолекулярные – между отдельными тропоколлагеновыми единицами. В образовании внутримолекулярных поперечных связей в коллагене участвуют боковые цепи лизина. Внеклеточный медь-содержащий фермент, лизилоксидаза, осуществляет окислительное дезаминирование ε-аминогрупп некоторых лизиловых и гидроксилизиловых радикалов.

Именно они могут образовывать поперечные связи, реагируя с остатками лизина и оксилизина, а также друг с другом, с образованием шиффовых оснований и альдолей - между полипептидами Р₁ и Р₂.

Эти шиффовы основания подвергаются химической перегруппировке, обеспечивая стабильные ковалентные сшивки. При дефиците лизилоксидазы или нарушении метаболизма меди нарушается образование поперечных связей, что ведет к аномалиям коллагена - причиной наследственных болезней. Наиболее известные среди них: синдром Марфана, синдром Элерса-Данлоса и синдром Менке (синдром курчавых волос). При этом наблюдается дефекты в развитии скелета повышенная растворимость коллагенов, поражения кожи, сосудов.

Поперечные связи придают коллагеновым волокнам высокую степень упругости. В промежутках между коллагеновыми волокнами костей откладываются кристаллы фосфата кальция.

Известны 19 типов коллагена. Фибриллообразующие: I (кости, роговица, сухожилия), II (хрящи, диски, стекловидное тело), III (почки, печень, сосуды), а также V и ХI-типы характеризуются ступенчатым расположением параллельных рядов (сдвиг на ¼ полипептидной цепи) V и ХI типы в разных количествах присутствуют в межклеточном матриксе всех тканей, определяя диаметр коллагеновых фибрилл.

IХ, ХII, ХIV, ХVI типы не образуют фибрилл, но непосредственно связаны с другими типами (например, IХ со II). IХ тип представляет собой прерывистую тройную спираль, которая состоит из трех коллагеновых и четырех неколлагенных доменов.

Коллаген IV-го типа является компонентом базальных мембран, который секретируется эпителиальными, эндотелиальными, мышечными клетками с повторяющимися спирализированными участками гли- х-у, прерывающимися неспиральными сегментами. Такая особенность структуры коллагена IV-го типа является причиной гибкости и способности к образованию сетчатых структур. Кроме того, этому помогают N- и С- концевые пептиды, которые не отщепляются при созревании коллегативных волокон.

Коллаген VI-го типа образует микрофибриллы, которые локализуется между коллагенами I, II и III-го типов в результате складывания его цепей антипараллельно и в таком виде образованные микрофибриллы секретируются из клетки.

Коллаген VII-го типа является основным структурным компонентом «заякоренных фибрилл», которые располагаются в субэпителиальных слоях. Пучки фибрилл, образованных димерами этого коллагена, соединенных «бок о бок» участвуют в присоединении эпидермиса к дерме.

Вышеуказанные типы несколько отличаются и своим аминокислотным составом, тип I отличается от остальных низким содержанием гидроксилизина. Остальные содержат много гидроксилизина, кроме типа III, который характеризуется высоким содержанием гидроксипролина. V-й тип отличается низким содержанием аланина, и т.д. При кипячении в воде волокнистый, нерастворимый и неперевариваемый коллаген превращается в желатин – растворимую смесь полипепидов, который в кулинарии используется для приготовления желе.

Распад коллагена - единственный источник свободного гидроксипролина в организме, поэтому содержание гидроксипролина в крови и моче отражает баланс скорости катаболизма коллагена. У взрослого человека экскретизируется 15-50 мг гидроксипролина в сутки, при поражении соединительной ткани, например при гиперпаратироидизме с мочой выделяется до 1 г в сутки.

Нативный коллаген не гидролизуется обычными пептидгидролазами. Основной фермент-коллагеназа, расщепляющий пептидные связи в определенных участках спирализованных областей коллагена бывает двух типов.

1. Тканевая коллагеназа синтетизируется клетками соединительной ткани и присутствует у человека в различных органах и тканях. Это металлозависимый фермент, содержит Zn²⁺ в активном центре, и активность его определяется действием активаторов (калликреин, плазмин) и ингибиторов. Коллагеназа высокоспецифична и перерезает тройную спираль на ¼ расстояния от С-конца. Нарушение катаболизма ведет к фиброзу органов и тканей (печени и легких), усиление его распада происходит при аутоимунных заболеваниях (ревматоидном артрите и системной красной волчанке) в результате избыточного синтеза коллагеназа при иммунном ответе.

2. Бактериальная коллагеназа синтезируется возбудителем газовой гангрены, которая расщепляет полипептидную цепь более чем 200 местах. В результате разрыва связей перед остатками глицина, микроорганизмы проникают через соединительно-тканные барьеры и способствуют развитию газовой гангрены. Коллагеназа используется для лечения ожоговой болезни и в офтальмологии.

Синтез коллагена увеличивается в заживающей ране в результате миграции фибробластов в область раны и синтез ими веществ межклеточного матрикса. На месте раны образуется разновидность соединительной ткани -рубец, основным компонентом которого является коллаген. Аналогично, погибающие клетки печени замещаются соединительной тканью при циррозе, в стенках артерий при атеросклерозе, в мышцах при их дистрофии.

Эластин – белок входящий в состав эластических волокон. Он отличается от коллагена по химическому составу и молекулярной структуре.

Общим для коллагена и эластина является большое содержание глицина и пролина, наличие гидроксипролина, хотя последнего в эластине примерно в 10 раз меньше, чем в коллагене. В эластине нет гидроксилизина, но много лизина. При ферментативном гидролизе эластина в гидролизате обнаруживаются десмозин и изодесмозин.

Эти соединения содержатся только в эластине и образуются из боковых цепей (радикалов) остатков лизина. В образовании одной молекулы десмозина или изодесмозина участвуют радикалы четырех остатков лизина, образующие пиридиновое кольцо. Таким путем две, три или четыре полипептидные цепи эластина могут объединяться в системы, способные обратимо растягиваться во всех направлениях. Наряду с десмозином и изодесмозином поперечные связи в молекуле эластина образуется в результате соединения между радикалами аминокислот лизина и норлейцина.

Эластин синтезируется в фибробластах в виде предшественника – тропоэластина (в отличие от проколлагена – проэластина нет). Он растворим и не содержит поперечных связей. В последующем тропоэластин превращается в нерастворимый эластин, содержащий большое количество поперечных связей.

Лизиламинооксидаза снижает при недостатке Cu²⁺, биосинтез эластина.

Эластические волокна, состоящие из эластина, обладают способностью растягиваться несколько раз в длину, а при снятии нагрузки быстро восстанавливают исходную форму и размер.

Отдельная молекула эластина

растяжение

сокращение

сшивка

Эластин находится в больших количествах в стенках кровеносных сосудах и в связках. Катаболизм эластина происходит при участии эластазы нейтрофилов. Особое значение это имеет в легких. Поскольку легочная ткань не регенерирует, разрушение эластина в альвеолярных стенках ведет к потере эластичных свойств и развитию энфиземы легких. В норме это не происходит, так как такие протеазы, как эластаза ингибируется белком α-антитрипсином (α-АТ). При дефиците α-АТ, который может быть следствием различных мутаций в гене этого белка, повышается риск развития энфиземы легких. Следует отметить, что в настоящее время этот белок получен методом генной инженерии и используется в профилактике и лечению внутривенным введением.

Протеогликаны образуют межуточное (основное) вещество соединительной ткани, в которое погружены или которым покрыты волокнистые элементы соединительной ткани. Протеогликаны играют роль и межтканевых прослоек и служат смазочным материалом в суставах. Протеогликаны выполняют функцию связывания экстрацеллюлярной воды, а также катионов. Например, они могут фиксировать ионы кальция в очагах оссификации.

Протеогликаны состоят из полисахаридов (примерно 95% молекулы) и белков (примерно 5% молекулы). Гликопротеины состоят из углеводного компонента и белка, но в гликопротеинах преобладает белковый компонент над углеводным.

Полисахаридные цепи протеогликанов называются гликозамингликанами или муко-полисахаридами. Поскольку эти вещества преимущественно обнаруживались в слизистых субстанциях, к названию полисахаридов был добавлен префикс “муко”. Позднее термин “муко-полисахариды” был заменен термином “гликозамингликаны”. Полисахариды, как известно, это полимеры, состоящие из моносахаридов, соединенных гликозидными связями.

Гликозамингликаны представляют собой линейные неразветвленные полимеры, построенные из повторяющихся дисахаридных единиц. Обязательным компонентом дисахаридной единицы является гексозамин, представленный либо глюкозамином, либо галактозамином. Второй главный мономер представлен гексуроновой кислотой или галактозой. Один из сахаров в дисахариде может иметь отрицательно заряженную карбоксильную или фосфатную группу. Тогда гликозамингликаны называются еще кислотными муко-полисахаридами.

Важнейшие гликозамингликаны – это гиалуроновая кислота, хондроитин-4-сульфат, хондроитин-6-сульфат, дерматансульфат, кератансульфат, гепарин, гепаринсульфат.

Гиалуроновая кислота состоит из повторяющихся дисахаридных единиц, состоящих из Д-глюкуроновой кислоты и N-ацетил-Д-глюкозамином. Считают, что основная функция гиалуроновой кислоты в соединительной ткани – связывание воды. Важна также роль гиалуроновой кислоты в регуляции проницаемости тканей.

β-1,4-гликозидную связь между дисахаридными единицами гиалуроновой кислоты гидролизует β-гиалуронидаза (лизосомальный фермент). Гликозидные связи в дисахариде между гиалуроновой кислотой и N-ацетилглюкозамином гидролизует лизосомальный фермент β-глюкозидаза. При расщеплении гиалуроновой кислоты повышается проницаемость тканей.

Хондроитин-4-сульфат и хондроитин-6-сульфат состоят из повторяющихся дисахаридных единиц, представленных глюкуроновой кислотой и N-ацетилгалактозамин-4-сульфата или N-ацетилгалактозамин-6-сульфата (остаток H₂SO₄ cвязан с 4-ым или с 6-ым углеродным атомом производного галактозамина). Хондроитинсульфаты – основной полисахарид хряща.

Дерматансульфат содержится в значительных количествах в коже.

Кератансульфат впервые был выделен из роговой оболочки глаза, но входит в состав и хрящевой ткани.

Гепарин и гепаринсульфат известны, прежде всего, как антикоагулянты.

Кроме перечисленных протеогликанов, в межклеточном матриксе присутствуют и малые протеогликаны с низкой молекулярной массой. Наиболее изучены декарин, бигликан, фибромодулин, люмикан, перлекан. Это мультифункциональные макромолекулы, которые связываются с другими компонентами соединительной ткани и оказывают влияние на их строение и функции. Декарин и бигликан, присоединялись к фибронектину, подавляют клеточную атгезию, а присоединяясь к фактору роста опухолей β, снижает его фитогенную активность. Углеводные цепочки дерматансульфатов, присоединяющиеся к –ОН- группам серина в N-концевой области богаты остатками сиаловых кислот, как правило N- ацетилнейраминой кислотой (NeuAс). Она представляет собой девятиуглеродный сахар, образованный из маннозамина и пирувата. Такие вещества находятся в плазматических мембранах многих клеток-эритроцитов, гепатоцитов, клеток селезенки и осуществляют межклеточные контакты. Некоторые из них служат своеобразными рецепторами для ряда бактериальных токсинов.

Фибронектин - сложный белок - гликопротеин, имеющий доменную структуру и содержащий несколько активных центров связывания (поливалентный белок). Фибронектин, располагаясь в межклеточном пространстве, участвует в структурной организации взаимодействия в соединительной ткани. При недостаточном биосинтезе фибронектина у онкологических больных происходит метастазирование (распространение) опухоли.

С возрастом в соединительной ткани уменьшается содержание воды и соотношение основное вещество/волокно. Уменьшение этого коэффициента происходит как за счет нарастания содержания коллагена, так и в результате снижения концентрации гликозамингликанов, особенно гиалуроновой кислоты. Происходят также структурные изменения коллагена. В тропоколлагеновых субъединицах и между ними образуется все большее число поперечных связей, что делает фибриллы коллагена в соединительной ткани более жесткими и хрупкими. Увеличивающиеся хрупкость и жесткость коллагена изменяют механические свойства хрящей и сухожилий, делают более ломкими кости, понижают прозрачность роговицы глаза.

СООН СН₂ОН

Н

О Н О

О Н Н О

ОН Н О Н

Н НО

Н ОН Н NH – CO - CH₃ n

Остаток D-глюкороновой Остаток N-ацетилглюкозамина

кислоты

Гиалуроновая кислота

ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАНЯТИЕ

Дата добавления: 2015-07-20