Биохимия соединительной ткани. БИОХИМИЯ НЕРВНОЙ ТКАНИ
.pdfТема занятия «Биохимия соединительной ткани»
План
1.Особенности структурной организации и функции соединительной ткани.
2.Особенности первичной и пространственной структуры коллагена.
3.Синтез коллагена: этапы внутриклеточного синтеза и формирования коллагеновых фибрилл вне клетки.
4.Катаболизм коллагена. Нарушения обмена коллагена и его биохимическая диагностика.
5.Эластин: особенности структуры и функции. Синтез и распад эластина.
6.Структурная организация межклеточного матрикса: Мукополисахаридозы.
Соединительная ткань - ткань, состоящая из клеток, волокон и основного вещества, составляет 50% от веса тела. Все разновидности соединительной ткани, несмотря на их морфологические различия, построены по общим, единым принципам.
|
(I –тучная клетка, |
|
IIретикулиновые |
|
волокна, |
|
III –эластическое |
|
волокно, |
|
V – коллагеновое |
|
волокно, |
Рис. 1. Строение соединительной ткани по А.И.Слуцкому |
V –фибробласт). |
|
|
Особенности соединительной ткани: |
•небольшое число клеток, расположенных друг от друга на значительном расстоянии;
•много межклеточного матрикса;
•много фибриллярных белков;
•наличие волокнистых структур;
наличие протеогликанов.
Рис. 2. Структурная организация соединительной ткани
Функции соединительной ткани в организме:
1.Опорная – каркас органов, обеспечение формы.
2.Непрерывность тканей – межклеточный матрикс.
3.Механическая прочность – кости, хрящи, связки, фасции, апоневрозы, зубы.
4.Барьерная – ограничивает очаг воспаления (коллаген).
5.Защитная – тканевые макрофаги.
6.Пластическая – закрытие дефектов тканей.
7.Поддержание водно-электролитного обменапротеогликаны и глюкозамингликаны
8.Создание высокоспециализированных структур (кости, хрящи,
сухожилия, базальные мембраны).
Фибриллы коллагена обладают огромной прочностью и практически нерастяжимы. Они могут выдерживать нагрузку, в 10 000 раз превышающую их собственный вес. По прочности коллагеновые фибриллы превосходят прочность стальной проволоки того же сечения.
Структурные
белки
Семейства коллагена и эластина
Неколлагеновые (специализированные)
- коллаген |
|
|
|
|
|
|
- эластин |
адгезивные |
|
|
|
антиадгезивные |
|
|
|
|
|
|
|
- остеонектин |
в клетке |
|
в мембране клетки |
|
|
вне клетки |
- тенасцин |
(цитоскелет) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- тромбоспондин |
|
- талин |
- интегрины |
|
- фибронектин |
|||
|
|
|||||
|
|
|
|
|
- винкулин |
- ламинин |
|
- α-актин |
||
- нидоген |
||
|
Рис. 3. Классификация структурных белков соединительной ткани
Особенности первичной и пространственной структуры коллагена.
Коллагены - семейство родственных фибриллярных белков, секретируемых клетками соединительной ткани. Коллагены – самые распространенные белки не только межклеточного матрикса, но и организма в целом, они составляют около ¼ всех белков организма человекаи обеспечивают сопротивление растяжению в отличие от протеогликанов, которые противодействуют сжатию.
Молекулы коллагена состоят из трех полипептидных цепей,
называемых α-цепями, большинство из которых насчитывает 1000 аминокислотных остатков.
Первичная структураколлагена— одиночная полипептидная α-
цепь, к которой присоединен дисахарид (глюкоза + галактоза).
Особенности аминокислотного состава коллагена |
|
||
• |
ГЛИ |
– 30%, АЛА |
– 10%, |
• |
ПРО и оксиПРО |
– 20%, другие АК |
– 40%, |
• |
отсутствует триптофан и цистеин, содержится |
очень мало |
гистидина, метионина и тирозина.
Полипептидную цепь коллагена можно представить как последовательность триплетов: ГЛИ-Х- Y, чаще всего в положении Х
– стоит пролин, а в положении Y- оксипролин. Каждая из этих аминокислот имеет большое значение для формирования коллагеновых фибрилл.
Вторичная структура коллагена - левозакрученная α-спираль,
которая отличается от α-спирали глобулярных белков тем, что стабилизирована не за счет водородных связей, а силами стерического отталкивания пирролидиновых колец в остатках пролина ( пролин и оксипролин относятся к иминокислотам и не образуют водородные связи). На один виток спирали приходится 3 аминокислоты, а не 3,6как это характерно для вторичной структуры глобулярных белков, поэтому в цепи глицин всегда находится над глицином, а пролин, благодаря своей структуре, вызывает изгибы в полипептидной цепи,обеспечивая левозакрученную спиральную конформацию.
Третичная структура коллагена - правозакрученная суперспираль из трех α спиралей, которую часто называют тропоколлагеном. Цепи удерживаются друг около друга водородными связями. Глицин, имеющий вместо радикала атом водорода,позволяет
цепям плотно прилегать друг к другу, способствует образованию линейной молекулы тропоколлагена. Дополнительную стабильность тройной спирали (тропоколлагену) придает наличие большого количества остатков пролина, вокруг которых невозможно врaщение полипептидной цепи, и остатков гидроксипролина, образующего внутримолекулярные водородные связи. Пролин и гидроксипролин ограничивают вращение полипептидного стержня и увеличивают стабильность тройной спирали.
Рис.4. Строение молекулы тропоколлагена
Этапы синтеза и
созревания коллагена
Синтез и созревание коллагена – сложный многоэтапный процесс, начинающийся в клетке, а завершающийся в межклеточном матриксе. Включает в себя целый ряд посттрансляционных изменений.
I этап. Синтез на полирибосомах, связанных с мембранами ЭР, препро-α-цепей, содержащих на N –конце гидрофобный «сигнальный» пептид и дополнительные участки N- и С –концевые пропептиды.
Рис. 5. Строение препро-α-цепей коллагена.
II этап. Посттрансляционная модификация - гидроксилирование лизина и пролина (ферменты: лизил- и пролилгидроксилазы). В этой реакции используются кислород и α-кетоглутарат; в качестве кофакторов участвуют ион Fe+2 и аскорбиновая кислота. Гидроксилирование пролина необходимо для стабилизации тройной спирали коллагена (ОН-группы гидроксипролина участвуют в образовании водородных связей), а гидроксилирование лизина очень важно для последующего образования ковалентных связей между молекулами коллагена при сборке коллагеновых фибрилл.
III этап. Гликозилирование гидроксилизина: после завершения гидроксилирования при участии специфических гликозилтрансфераз в
состав молекулы проколлагена вводятся углеводные группы. Чаще всего этими углеводами служат галактоза или дисахарид галактозилглюкоза. Они образуют ковалентную 0-гликозидную связь с 5-ОН-группой гидроксилизина.
Рис. 6. Углеводные компоненты коллагена
IV этап. Образование тройной спирали молекулы проколлагена – после отщепления частичным протеолизом «сигнального» пептида.
V этап. Образование молекулы тропоколлагена:
▪перемещение молекулы проколлагена из ЭР в аппарат Гольджи;
▪включение в секреторные пузырьки и секреция в межклеточный матрикс; ▪ отщепление N- и С –концевых пропептидов под действием Е: проколлагенпептидаз у коллагенов I, II, и III типов.
VI этап. Фибриллогенез –это процесс самосборки коллагеновых
фибрилл, фиксированных межмолекулярными ковалентными связями (сшивками), которые встречаются только в коллагене и эластине. Коллагеновые фибриллы обладают поперечной исчерченностью — чередованием темных и светлых участков.
Рис. 7. Дезаминирование остатков лизина в коллагене и образование межмолекулярных сшивок.
В формировании этих связей участвуют остатки лизина и гидроксилизина и их альдегидные производные, которые образуются в результате окислительного дезаминирования с участием Cu2+ содержащего фермента лизилоксидазы в присутствии витаминов РР и В6.
Далее остаток аллизина одной молекулы коллагена реагирует с аминогруппой остатка лизина другой молекулы коллагена с образованием ковалентной сшивки. Основа структурной организации коллагеновых фибрилл – ступенчато расположенные параллельные ряды молекул тропоколлагена, которые сдвинуты на ¼ относительно друг друга. Количество поперечных связей в фибриллах коллагена зависит от функции и возраста ткани. С возрастом количество поперечных связей в фибриллах коллагена возрастает, что приводит к замедлению скорости его обмена у пожилых и старых людей.
VII этап. Агрегация фибрилл и образование коллагенового волокна: в
результате спонтанного, специфического соединения между собой тропоколлагеновых фибрилл за счет ковалентных и водородных связей. Коллагеновые волокна состоят из пучков параллельно расположенных фибрилл толщиной в среднем 50—100 нм, связанных между собой гликозаминогликанами и протеогликанами. Толщина волокон зависит от числа фибрилл.
У коллагенов некоторых типов концевые пропептиды не отщепляются, так как они образуют не фибриллы, а сетеподобные структуры, в формировании которых важную роль играют концевые N- и С –пропептиды. В результате образуется молекула тропоколлагена.
Коллагеновые волокна - основные элементы, обеспечивающие механическую прочность соединительной ткани.
Рис. 8. Агрегация фибрилл и образование коллагенового волокна
Локализация различных стадий созревания коллагена
Внутриклеточно Внеклеточно
1. |
Удаление сигнального пептида |
1. Удаление дополнительных пептидов |
|
||
2. |
Гидроксилирование ПРО и ЛИЗ |
2. Образование коллагеновых волокон с |
|||
3.Гликозилирование ГидроксиЛИЗ |
поперечной исчерченностью |
|
|||
4.Образование внутри и |
3.Окислительное |
дезаминирование |
|||
межцепочечных связей в молекуле |
аминогрупп |
ЛИЗ, |
гидроксиЛИЗ |
с |
|
проколлагена |
образованием альдегидных групп. |
|
|||
|
|
4. Образование поперечных связей в |
|||
|
|
фибриллах коллагена |
|
|
Секреция
Рис. 9. Схема биосинтеза коллагена
Классификация коллагенов по видам структур, которые они образуют
Структура |
|
|
Характеристика |
|
|
|
Ти |
|
|
|
|
|
п |
|
|
|
|
Фибриллы |
I,II, |
95 % всего коллагена в организме |
|||
|
III |
человека составляют коллагены I, II и III |
|||
|
V, |
типов, которые образуют очень прочные |
|||
|
ХI |
фибриллы. |
Значительное |
содержание |
|
|
|
именно |
этих |
типов |
коллагена |
|
|
объясняется тем, что они являются |
|||
|
|
основными |
компонентами органов и |
||
|
|
тканей, |
которые |
испытывают |
|
|
механическую |
|
нагрузку |
(кости, |
|||||
|
|
сухожилия, хрящи, межпозвоночные |
||||||||
|
|
диски, кровеносные сосуды), а также |
||||||||
|
|
участвуют |
в |
образовании |
стромы |
|||||
|
|
паренхиматозных |
органов. |
Поэтому |
||||||
|
|
коллагены I, |
II и |
III |
типов |
часто |
||||
|
|
называют интерстициальными. К классу |
||||||||
|
|
фибриллобразующих |
относят |
также |
||||||
|
|
минорные коллагены V и |
ХI типов. |
|||||||
Ассоциированные |
IX,XII, |
|
Коллагены |
|
этого |
класса |
сами |
|||
с фибриллами |
ХIV, |
фибрилл не формируют, но связываясь |
||||||||
|
XVI, |
с |
фибриллярными |
|
коллагенами, |
|||||
|
XIX |
ограничивают длину, толщину фибрилл |
||||||||
|
|
и |
обеспечивают |
их |
|
ориентацию. |
||||
|
|
Особенностью |
|
|
|
коллагенов, |
||||
|
|
ассоциированных |
с |
|
фибриллами,, |
|||||
|
|
является наличие в их структуре |
||||||||
|
|
глобулярных и фибриллярных доменов. |
||||||||
Сети |
IV,VI |
|
Коллаген IV типа является ключевым |
|||||||
|
II,X |
структурным |
|
компонентом базальных |
||||||
|
|
мембран. Пептидные цепи коллагена IV |
||||||||
|
|
типа после секреции не подвергаются |
||||||||
|
|
протеолитической |
модификации |
и |
||||||
|
|
поэтому сохраняют структуру N-и С- |
||||||||
|
|
концевых глобулярных пептидов. В |
||||||||
|
|
базальной |
мембране |
|
формируется |
|||||
|
|
сетчатая структура |
с |
гексагональными |
||||||
|
|
ячейками. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Коллаген VIII и Х типа относят к |
|||||||
|
|
короткоцепочечным |
|
коллагенам. |
||||||
|
|
Преимущественная |
|
|
локализация |
|||||
|
|
коллагена |
VIII |
типа—кровеносные |
||||||
|
|
сосуды и мембраны эндотелия роговицы. |
||||||||
|
|
Молекулы этого коллагена - тетрамеры, |
||||||||
|
|
из |
которых |
образуются гексагональные |
||||||
|
|
решетки, обеспечивающие прозрачность |
||||||||
|
|
роговицы. |
а |
также |
|
участие |
в |
|||
|
|
преломлении световых лучей. |
|
|
||||||
Микрофибриллы |
V |
|
Коллаген VI типакоротко цепочный |
Iбелок. Образует микрофибриллы, которые располагаются между крупными фибриллами интерстициальных коллагенов. Широко представлен в хрящевом матриксе, но больше всего его в межпозвоночных дисках.
«Заякоренные» |
V |
Коллаген VII типа — основной |
|||
фибриллы |
II |
структурный компонент «заякоренных» |
|||
|
|
фибрилл. Эти фибриллы обеспечивают |
|||
|
|
присоединение эпидермиса к дерме: |
|||
|
|
одним |
концом |
они |
могут |
присоединяться к lamina densa, на которой лежит кожный эпителий, а другой их конец проникает в более глубокие субэпидермальные слои кожи и связывается там со структурами, называемыми "якорные диски".
Катаболизм коллагена
Как и любой белок коллаген функционирует в организме определенное время, а затем распадается. Его относят к медленно обменивающимся белкам. Т1/2 составляет недели или месяцы. Разрушение коллагеновых волокон осуществляется активными формами кислорода (АФК) и/или ферментативно (гидролитически).
Нативный коллаген не гидролизуется обычными пептидгидролазами. Основной фермент его катаболизма – коллагеназа, которая расщепляет пептидные связи в определенных участках спирализованной цепи коллагена .Известны два типа коллагеназ.
Тканевая коллагеназа присутствует у человека в различных органах и тканях. В норме она синтезируется клетками соединительной ткани, прежде всего фибробластами и макрофагами. Тканевая коллагеназа – это металлозависимый фермент, который содержит ионы Zn2+ в активном центре; обладает высокой специфичностью -расщепляет тройную спираль коллагена примерно на ¼ расстояния от С-конца между остатками глицина и лейцина (или изолейцина).
Рис.10. Действие тканевой коллагеназы
Образующиеся фрагменты коллагена растворимы в воде, при температуре тела они спонтанно денатурируются и становятся доступными для действия других протеолитических ферментов. Активность коллагеназы зависит от соотношения в межклеточном матриксе ее активаторов и ингибиторов. Среди активаторов особую роль играют плазмин, калликреин и катепсин В.
Бактериальная коллагеназа синтезируется некоторыми микроорганизмами. Например, CIostridiumhistolyticum(возбудитель газовой гангрены) выделяет коллагеназу, расщепляющую пептидную цепь коллагена более чем в 200 местах. Таким образом, разрушаются соединительнотканные барьеры в организме человека, что обеспечивает инвазию этого микроорганизма и способствует развитию газовой гангрены. Сам возбудитель не содержит коллагена и поэтому не подвержен действию коллагеназы.
Основным маркером распада коллагена (т.е. важнейшим метаболитом, характеризующим скорость распада коллагена) является гидроксипролин – аминокислота, синтезируемая путем посттрансляционного гидроксилирования пролиновых остатков в составе коллагена.В результате распада коллагена в крови и моче появляется свободный гидроксипролин. Большая часть этой аминокислоты катаболизируется под действием фермента гидроксипролиноксидазы, а часть ее выводится с мочой. При некоторых заболеваниях, связанных с поражением соединительной ткани, экскреция гидроксипролина увеличивается, вследствие ускоренного распада коллагена. Это наблюдается при коллагенозах, гиперпаратиреозе, при тяжелых формах пародонтита, некоторых инфекционных заболеваниях и недостаточном синтезе фермента катаболизма гидроксипролина - гидроксипролиноксидазы.
Характерным показателем распада коллагена является также повышение количества продуктов деградации коллагена I типа - N- и С- пептидов.
Применение коллагеназ в медицине: коллагеназа в медицинской практике используется для лечения ожоговой болезни в хирургии и для лечения гнойных заболеваний глаз в офтальмологии.
Регуляция обмена коллагена
1)По принципу отрицательной обратной связи сам коллаген и N
–пропептиды после своего отщепления тормозят трансляцию коллагена.
2)Гормональная регуляция.