Биохимия соединительной ткани

 

Дерматан-сульфат.

Особенно характерен для дермы (кожи). Он резистентен к действию гиалуронидаз (тестикулярной и бактериальной). В этом одно из отличий дерматансульфата от хондроитинсульфатов. Его мономер построен из идуроновой кислоты и галактозамин-4-сульфата. Он является одним из структурных компонентов хрящевой ткани.

 

 

 

Кератан-сульфат.

Впервые был выделен из роговой оболочки глаза быка, отсюда и название этого гликозаминогликана.Мономер кератан-сульфата состоит из галактозы и N-ацетилглюкозамин-6-сульфата.

Гепатан-сульфат и гепарин.

Они сильно сульфатированы (в мономере 2-3 остатка серной кислоты). В состав их входят глюкуронат-2-сульфат и N-ацетилглюкозамин-6-сульфат.

Гепарин известен прежде всего как антикоагулянт. Однако его следует относить к гликозаминогликанам, так как он синтезируется тучными клетками, которые являются разновидностью клеточных элементов соединительной ткани. Он может входить в состав протеогликанов; с гликоз-аминогликанами его объединяет и химическая структура.

Длинные полисахаридные цепи складываются в глобулы. Однако эти глобулы рыхлые (не имеют компактной укладки) и занимают сравнительно большой объем. Глюкозаминогликаны являются гидрофильными соединениями, содержат много гидроксильных групп, имеют значительный отрицательный заряд (много карбоксильных и сульфогрупп). Значительный отрицательный заряд способствует присоединению к ним положительно заряженных катионов калия, натрия, кальция, магния. Это еще более увеличивает способность удерживать воду, а также способствует диссоциации молекул этих веществ в соединительной ткани.

 

Глюкозаминогликаны входят в состав сложных белков, которые называются протеогликанами. Глюкозаминогликаны составляют в протеогликанах 95 % их веса. Остальные 5 % веса - это белок. Белковый и небелковый компоненты в протеогликанах связаны прочными, ковалентными связями. Как построена молекула протеогликанов? Белковый компонент- это особый COR-белок. К нему при помощи трисахаридов присоединяются глюкозаминогликаны.1 молекула COR-белка может присоединить до 100 ГАГ . В клетке протеогликаны связаны с гиалуроновой кислотой. Образуется сложный надмолекулярный комплекс. В его составе: гиалуроновая кислота, особые связующие белки, а также протеогликаны. Упругие цепи глюкозаминогликанов в составе протеогликанов образуют образуют макромолекулярные сетчатые структуры. Такое химическое строение обеспечивает выполнение функции молекулярного сита с определенными размерами пор при транспорте различных веществ и метаболитов. Размер пор определяется типом ГАГ, преобладающим в данной конкретной ткани. Например, соединительнотканая капсула почечного клубочка обеспечивает селективный транспорт веществ в процессе ультрафильтрации. За счет множества сульфо- и карбоксильных групп сетчатые структуры являются полианионами, способными депонировать воду, некоторые катионы (К+, Na+, Ca+2, Mg+2).

Кроме протеогликанов, основное вещество содержит гликопротеины.

.

 

 

 

Строение коллагена, эластина.

Волокна соединительной ткани.

В межклеточном матриксе находятся 2 типа волокнистых структур:

Коллагеновые и эластиновые волокна. Основным их компонентом является нерастворимый белок коллаген.

Коллаген- сложный белок, относится к группе гликопротеинов, имеет четвертичную структуру, его молекулярная масса составляет 300 kDa. Составляет 30 % от общего количества белка в организме человека. Его фибриллярная структура - это суперспираль, состоящая из 3-х -цепей. Нерастворим в воде, солевых растворах, в слабых растворах кислот и щелочей. Это связано с особенностями первичной структуры коллагена. В коллагене 70 % аминокислот являются гидрофобными. Аминокислоты по длине полипептидной цепи расположены группами (триадами), сходными друг с другом по строению, состоящими из трех аминокислот. Каждая третья аминокислота в первичной структуре коллагена - это глицин (триада (или группа): (гли-X-Y)n, где X - любая аминокислота или оксипролин, Y - любая аминокислота или оксипролин или оксилизин). Эти аминокислотные группы в полипептидной цепи многократно повторяются.

Необычна и вторичная структура коллагена: шаг одного витка спирали составляют только 3 аминокислоты (даже немного меньше, чем 3), а не 3.6 аминокислоты на 1 виток, как это наблюдается у других белков. Такая плотная упаковка спирали объясняется присутствием глицина. Эта особенность определяет высшие структуры коллагена. Молекула коллагена построена из 3-х цепей и представляет собой тройную спираль. Эта тройная спираль состоит из 2-х -1-цепей и одной -2-цепи. В каждой цепи 1000 аминокислотных остатков. Цепи параллельны и имеют необычную укладку в пространстве: снаружи расположены все радикалы гидрофобных аминокислот. Известно несколько типов коллагена, различающихся генетически. Молекула тропоколла-гена – это белок коллаген. Одной из отличительных черт данного белка является то, что 1/3 всех его аминокислотных остатков составляет глицин, 1/3 – пролин и 4-гидроксипролин, около 1% – гидроксилизин; некоторые молекулярные формы коллагена содержат также 3-гидроксипролин, хотя и в весьма ограниченном количестве:

Синтез коллагена.

Существуют 8 этапов биосинтеза коллагена: 5 внутриклеточных и 3 внеклеточных.

 

1-й этап

Протекает на рибосомах, синтезируется молекула-предшественник: препроколлаген.

 

2-й этап

С помощью сигнального пептида "пре" транспорт молекулы в канальцы эндоплазматической сети. Здесь отщепляется "пре" - образуется "проколлаген".

 

3-й этап

Аминокислотные остатки лизина и пролина в составе молекулы коллагена подвергаются окислению под действием ферментов пролилгидроксилазы и лизилгидроксилазы (эти окислительные ферменты относятся к подподклассу монооксигеназ).

При недостатке витамина "С"- аскорбиновой кислоты наблюдается цинга, - заболевание, вызванное синтезом дефектного коллагена с пониженной механической прочностью, что вызывает, в частности, разрыхление сосудистой стенки и другие неблагоприятные явления.

 

4-й этап

Посттрасляционная модификация- гликозилирование проколлагена под действием фермента гликозил трансферазы. Этот фермент переносит глюкозу или галактозу на гидроксильные группы оксилизина.

 

5-й этап

Заключительный внутриклеточный этап- идет формирование тройной спирали - тропоколлагена (растворимый коллаген). В составе про-последовательности - аминокислота цистеин, который образует дисульфидные связи между цепями. Идет процесс спирализации.

 

6-й этап

Секретируется тропоколлаген во внеклеточную среду, где амино- и карбоксипротеиназы отщепляют (про-)-последовательность.

 

7-й этап

Ковалентное "сшивание" молекулы тропоколлагена по принципу "конец-в-конец" с образованием нерастворимого коллагена. В этом процессе принимает участие фермент лизилоксидаза (флавометаллопротеин, содержит ФАД и Cu). Происходит окисление и дезаминирование радикала лизина с образованием альдегидной группы. Затем между двумя радикалами лизина возникает альдегидная связь.

Только после многократного сшивания фибрилл коллаген приобретает свою уникальную прочность, становится нерастяжимым волокном.

Лизилоксидаза является Cu-зависимым ферментом, поэтому при недостатке меди в организме происходит уменьшение прочности соединительной ткани из-за значительного повышения количества растворимого коллагена (тропоколлагена).

 

8-й этап

Ассоциация молекул нерастворимого коллагена по принципу "бок-в-бок". Ассоциация фибрилл происходит таким образом, что каждая последующая цепочка сдвинута на 1/4 своей длины относительно предыдущей цепи.

 

Эластические волокна

Второй вид волокон - эластические.В основе строения - белок эластин. Эластин еще более гидрофобен, чем коллаген. В нем до 90 % гидрофобных аминокислот. Много лизина, есть участки со строго определенной последовательностью расположения аминокислот. Цепи укладываются в пространстве в виде глобул. Глобула из одной полипептидной цепи называется -эластин. За счет остатков лизина происходит взаимодействие между молекулами -эластина.

В образовании этой структуры принимают участие радикалы аминокислоты лизина. Это структура десмозина. Десмозин - это структура пиридина, которая образуется при взаимодействии лизина 4-х молекул -эластина.

В гидролизатах эластина найдена еще одна необычная «аминокислота», пик которой на хроматограммах располагается между орнитином и лизином. Оказалось, что это лизиннорлейцин, который обеспечивает наряду с десмозином и изодесмозином поперечные связи в молекуле эластина:

 

Неколлагеновые белки соединительной ткани

Неколлагеновые белки межклеточного матрикса соединительной ткани 

Наряду с коллагеном, соединительная ткань содержит  регуляторные  белки, ферменты, а также адгезивные белки, обеспечивающие связывание различных компонентов межклеточного матрикса соединительной ткани как между собой,  так и с клеточными мембранами.

Эластин широко представлен в тех типах соединительной ткани, которые наряду с прочностью на разрыв могут подвергаться значительному растяжению, а затем принимают исходные размеры:  в коже, кровеносных сосудах, связках, легких.

 Эластин - это белок с молекулярной  массой одной полипептидной цепи 70 кДа, которая содержит мало полярных аминокислот; однако богата глицином (27%), аланином (19%), валином (10%), и лейцином (4,7%). В эластине практически отсутствуют цистеин и триптофан и содержится очень мало метионина. Содержание гидроксипролина в эластине приблизительно в 10 раз ниже, чем в коллагене.       

 Уникальные  свойства эластина связаны с  наличием в его структуре поперечных  сшивок, в образовании которых  участвуют остатки лизина двух, трех или четырех отдельных  полипептидных цепей. Благодаря  таким сшивкам эластин можно  растягивать сразу в двух направлениях  в отличие от других фибриллярных  белков (см. формулу сшивки, образованной  четырьмя лизиновыми остатками -  десмозина):  

Десмозин    

Эластин синтезируется как растворимый мономер, молекулы которого принимают почти сферическую форму. Эластичная структура возникает, как в коллагене, в результате постсинтетического наложения межмолекулярных сшивок, в образовании которых принимает участие лизилоксидаза. Нарушения посттрансляционной модификации эластина могут приводить к различным заболеваниям, связанным с вялостью и истонченностью эластичных тканей. Причинами этих нарушений могут быть снижение активности лизилоксидазы, вызванное наследственными причинами или дефицитом меди, а также нарушение всасывания меди в кишечнике. Основным ферментом, распада эластина, является эластаза нейтрофилов, которая наряду с эластином способна расщеплять другие белки, в частности, коллаген, протеогликаны, гемоглобин. В норме эластаза не разрушает ткани из-за присутствия в крови синтезируемого в печени ингибитора протеиназ, носящего название α1-антитрипсина. При возникновении очага воспаления в нем наблюдается возрастание эластазной активности, за счет притока нейтрофилов, а также увеличение уровня свободных радикалов, генерируемых нейтрофилами. При незначительных поражениях эластических тканей организм способен справиться с развившимся окислительным стрессом, однако при массивных поражениях, например, при обширных ожогах кожи, ткани подвергаются повышенному окислительному стрессу.

Фибронектин является одним из неколлагеновых белков, обеспечивающим связывание коллагена, фибрина и гликозаминогликанов с клетками. Он выполняет интегрирующую роль при построении межклеточного матрикса. Фибронектин синтезируется и секретируется в межклеточный матрикс многими клетками, например, фибробластами. Он состоит из двух одинаковых субъединиц, связанных между собой дисульфидными связями, расположенными вблизи С-концов. В каждой цепи фибронектина содержатся домены, способные связывать: а) коллаген; б) протеогликаны; в) гиалуроновую кислоту; г) углеводы клеточных мембран; д) гепарин; е) фермент глутамилтрансферазу. Фибронектин участвует в различных процессах: адгезии и перемещения эпителиальных и мезенхимальных клеток, стимуляции пролиферации эмбриональных и опухолевых клеток, дифференцировке и поддержании цитоскелета клеток, в воспалительных и репаративных процессах. Каждая субъединица фибронектина содержит последовательность Арг-Гли-Асп (RGD), участвующую в присоединении к клеточным рецепторам – интегринам.

 

Интегрины – белковые мембранные рецепторы, состоящие из двух субъединиц. Они встроены в плазматическую мембрану, способны связывать белки, содержащие RGD- последовательности и участвовать в передаче информации из внеклеточного пространства внутрь клетки.

 

Ламинины являются наиболее распространенными гликопротеинами базальных мембран. Они состоят из трех полипептидных цепей ( α, β, γ), которые укладываются в пространстве в крестообразную структуру, на различных ответвлениях которой имеются домены (изображены на рисунке кружками), способные взаимодействовать практическими со всеми структурными компонентами базальных мембран: коллагеном IV типа, нидогеном, гепарансодержащими протеогликанами, а также с белковыми рецепторами клеток. Ламинины выступают в роли факторов адгезии, роста, дифференцировки и хемотаксиса клеток. Они необходимы для структурной организации дентина и связывания тканей пародонта с цементом корня зуба.

 

Нидоген - сульфатированный гликопротеин, содержащий RGD-последовательность, способный связывать клетки и различные компоненты межклеточного матрикса. В частности, нидоген может выступать в роли молекулы, связывающей ламинин и коллаген IV типа.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы:

 

1. Медицинский справочник
2. www. Medkurs. Ru
3. www. 4medic. Ru
4. www. Ximik. Ru