Глава 4

Соединительная ткань:

Фактор, ограничивающий

Гибкость

В этой главе мы ознакомимся с существующей в настоящее время системой знаний о механических свойствах, механической ультраструктуре и биохимических составляющих соединительных тканей и влиянии на них процесса старения и иммобилизации. Наша задача состоит в том, чтобы понять, как воздействуют эти переменные на функцию соединительных тканей, которые в значительной мере определяют степень гибкости человека.

Соединительная ткань содержит множество специализированных клеток. Различные виды клеток выполняют функции защиты, хранения, транспортировки, связывания, соединения, поддержки и ремонта. Остановимся на клетках, выполняющих привязывающие функции.

Коллаген

Коллаген является преобладающим белком в организме млекопитающих. Ученые полагают, что он — основной структурный компонент живой ткани. Коллаген определяют как белок, содержащий три цепочки аминокислот, образующих тройную спираль. Два отличительных физических свойства коллагеновых волокон — высокий предел прочности на разрыв и относительная нерастяжимость.

Коллагеновые волокна, как правило, бесцветные и располагаются пучками. Им свойственна лишь незначительная степень растяжимости. В то же время они характеризуются высоким пределом прочности на разрыв и поэтому являются основными компонентами таких структур, как сухожилия и связки, подвергающиеся силе растяжения.

В настоящее время различают 5 видов коллагена, каждый из которых, в свою очередь, имеет подвиды (Jungueira, Cameiro, Long, 1989). Наиболее распространенной формой коллагена является коллаген типа I. Он содержится в коже, костях, сухожилиях и связках.

Ультраструктура коллагена. Структурная организация коллагена аналогична структурной организации мышцы (табл. 4.1, рис. 4.1). Электронно-микроскопическое исследование показывает, что отдельные волокна коллагена имеют поперечнополосатую структуру. Характерная структура поперечных полосок коллагена отражает ее ультраструктурную органи-

49

Наука о гибкости

Таблица 4.1. Сравнение структуры коллагена и мышцы

Мышца

Коллаген

Мышца

Мышечный пучок

Мышечное волокно

Миофибрилла

Миофиламент

Саркомер

(функциональная

единица)

Актин

Миозин

Титин

Поперечные

мостики

Сухожилие

Пучок

Фибрилла

Субфибрилла

Микрофибрилла

Молекула коллагена

(функциональная

единица)

Альфа₁ цепочки (2)

Альфа₂ цепочки (1)

Поперечные связи

зацию. Знание этой структуры имеет большое значение для понимания механизма двух основных физических свойств коллагена, о которых мы говорили выше.

Примечание. Цит. по: Alter M.J. Science of Stretching. - Champaign, IL: Human Kinetics, 1988. — P. 24.

Коллаген сухожилия расположен пучками (см. рис. 4.1). Диаметр пучков колеблется от 50 до 300 мкм. Фибриллы, в свою очередь, состоят из пучков коллагена — субфибрилл, диаметр которых составляет примерно 10-20 нм. Каждая субфибрилла состоит из пучков коллагена, микрофибрилл или филаментов. Их диаметр достигает 3,5 нм. Размеры филаментов в данной ткани колеблются в зависимости от возраста и других факторов.

Согласно мнению Ину и Леб-лона (1986), наименее изученным фиброзным компонентом соединительной ткани является коллаген микрофибрилла. Своему названию он обязан Лоу (1961а, 1961 6, 1962). Ину и Леблон (1986) изучали микрофибриллы соединительной ткани мыши под мощным электронным микроскопом. Они выяснили, что микрофибриллы состоят из двух частей: собственно трубочки и поверхностного диска. Поперечное сечение трубочки характеризуется почти пятиугольной стенкой и полостью (просве-

Рентгеновские лучи SEM

35 А

Участки

окрашивания

640 А Периодичность

Ретикулярная мембрана

Волнообразк

Доказательство:

Тропоколлаген

Рентгеновские Рентге- лучи ЭМ новские лучи

Фибробласты

структура Фасцикулярная мембрана

15 А 35 А 100-200 А 500-5000 А 50-300 мкм 100-500 мкм

Рис. 4.1. Иерархия коллагена (Kastclic, Galeski, Baer, 1978)

50

Глава 4 ■ Соединительная ткань: фактор, ограничивающий гибкость

Стенка

Просвет Сферула

Микрофибриллярная трубочка

Диск Стержень (шип

Трэки

Полная микрофибрилла (трубочка + диск)

Рис. 4.2. Модель тубулярной части типичной микрофибриллы (я). Она состоит из пятиугольных сегментов, объединенных в столбик. Модель типичной микрофибриллы (б). Диск изображен в форме спирали, однако может иметь другую организацию. X 2 700 000

(Inoue, Leblond, 1986)

том), в которой имеется шарик, называемый сферулом. Поверхностный диск представляет собой лентообразную структуру, окутывающую трубочку. Диск имеет плотные края — трэки с шипами, расположенными с определенным интервалом (рис. 4.2). В настоящее время мы не знаем, имеется ли эта структура в микрофибриллах человека.

Коллагеновая микрофибрилла состоит из взаимонакладывающихся молекул коллагена, расположенных с одинаковым интервалом друг от друга. Эти единицы аналогичны саркомерам мышечных клеток. Многие крошечные коллагеновые фибриллы (рис. 4.3, а) состоят из волокна коллагена. Поперечные полосы фибриллы — следствие взаимного перекрытия молекул коллагена (рис. 4.3, б). Сама молекула коллагена (рис. 4.3, в) состоит из трех полипептидных цепочек, напоминающих тройную спираль (рис. 4.3, г). Аминокислотная последовательность этих полипептидных цепочек характеризуется наличием глицина в каждой третьей кислоте (рис. 4.3, д). Х-положение после глицина нередко представлено пролином, а Y-положение, предшествующее глицину — гидроксипролином. Молекулы коллагена, в свою очередь, состоят из кольцевидных спиралей аминокислот. Молекулы коллагена очень маленькие, их длина составляет около 300 нм, а диаметр — 1,5 нм (рис. 4,3, в). Взаимное накладывание молекул коллагена и обусловливает наличие поперечной исчерченности. Ее частота (периодичность) в коллагеновых фибриллах колеблется от 60 до 70 нм, в зависимости от источника и степени гидратации. Измерения показывают, что между

51

Наука о гибкости

концом одной коллагеновой молекулы и началом другой (в одной линии) имеется щель примерно 41 нм.

При сильном увеличении можно увидеть, что коллагеновая молекула состоит из трех полипептидных цепочек, представленных в виде ригидной спиралевидной структуры. Из трех переплетенных аминокислотных цепочек в коллагене в организме человека две (альфа₁ цепочки) являются идентичными, а одна (альфа₂ цепочка) отличается последовательностью аминокислот. Считают, что три цепочки удерживаются вместе водородными связями, образующими поперечные соединения (рис. 4.3, г).

Помимо поперечнополосатой структуры, для соединительных тканей характерны волнообразные ундуляции (колебания) коллагеновых волокон. Явление ундуляции называется «волнистостью» (Portenfield и De Rosa, 1991). «Волнистая» организация коллагена — один из основных факторов, лежащих в основе высокоэластичной реакции соединительной ткани. Коллаген состоит из фибрилл, соединенных в волокна. Механические свойства коллагеновых фибрилл таковы, что каждую фибриллу можно рассматривать как механическую пружину, а каждое волокно — как совокупность пружин. При растяжении волокна его длина увеличивается. Подобно механической пружине, энергия, обеспечиваемая для растягивания волокна, хранится в волокне, и именно выделение этой энергии обусловливает возврат волокна в нерастянутое положение, когда прикладываемую нагрузку убирают (Ozkaya и Nordin, 1991).

Поперечные соединения коллагеновой ткани. Главным фактором, который увеличивает растягивающую силу коллагеновых структур, является наличие внутримолекулярных поперечных соединений между альфа₁ и альфа₂ цепочками молекулы коллагена, а также межмолекулярных поперечных соединений между коллагеновыми субфибриллами, филаментами и другими волокнами. Эти поперечные соединения связывают молекулы в прочную единицу. Обычно чем меньше расстояние между одним поперечным соединением и другим или чем больше число поперечных соединений на данном расстоянии, тем выше эластичность (R.M.Alexander, 1975, 1988).

Ученые высказывают предположение, что количество поперечных соединений связано с интенсивностью обмена коллагена: коллаген непрерывно производится и расщепляется. Если количество производимого коллагена превышает количество расщепляемого, число поперечных соединений увеличивается и сопротивление структуры растягиванию повышается, и наоборот. По мнению некоторых специалистов, физическая нагрузка или мобилизация снижают число поперечных соединений, увеличивая интенсивность обмена коллагена (W.M.Bryant, 1977; Shephard, 1982). Результаты последних исследований также показывают, что эти два фактора могут играть определяющую роль в предотвращении образования поперечных соединений.

Биохимический состав коллагена. Молекула коллагена представляет собой сложную спиралевидную структуру, механические свойства кото-

52

?

Г л а в а 4 ■ Соединитапьная ткань: фактор, ограничивающий гибкость

Фибрилла

Зона взаимного накладывания 0,4 D

Зона разрыва 0,6 D

Микрофибриллы

Заполнение молекулами

Молекула коллагена

г

Тройная

спираль

Типичная последовательность

цепочек

Глицин _ Гидроксипролин

Рис. 4.3. Ультраструктура коллагена. Рисунок Б.Тагавы (Ргоскор, Gurman, 1977)

53

Наука о гибкости

Удлиняющее Удлиняющее

растягивание растягивание

Рис. 4.4. Действие ГАГ. Растягивание прикладывается к коллагеновым фибриллам, однако ГАГ удерживают фибриллы разделенными (Meyers, Armstrong and Mow, 1984)

рой обусловлены как ее биохимическим составом, так и физическим расположением ее индивидуальных молекул. Коллаген состоит из множества сложных молекул — аминокислот, однако из них выделяют три основные. Это аминокислоты: глицин, составляющий 1/3 общего числа, а также пролин и гидроксипролин, каждая из которых составляет примерно 1/4 общего числа (см. рис. 4.3, д). Наличие пролина и гидроксипролина обеспечивает стабильность коллагена и его резистентность к растягиванию. Следовательно, чем выше концентрация этих аминокислот, тем больше сопротивление молекул растяжению. Присутствие азота в составе пролина предотвращает легкую ротацию участков, в которых он содержится (Grant, Prockop и Darwin, 1972).

Влияние на коллаген основных веществ. Главным фактором, влияющим на механические свойства или поведение коллагена, является присутствие основных веществ. Эти вещества широко распространены в соединительной ткани. Во многих участках их называют цементирующими веществами. Они образуют нефиброзный элемент матрикса,в который заключены клетки и другие компоненты. Этот вискозный, гелеподобный элемент состоит из гликозаминогликанов, белков плазмы и множества небольших белков, а также воды.

В соединительной ткани содержится 60-70 % воды. Гликозамино-гликаны обладают большой способностью связывать воду, поэтому их считают частично ответственными за столь высокую концентрацию воды.

Гиалуроновая кислота и «захваченная» ею вода — основной смазывающий материал фиброзной соединительной ткани. В частности, считают, что вместе с водой она выполняет роль смазывающего вещества между коллагеновыми волокнами и фибриллами. Это смазывающее вещество обеспечивает сохранение критического расстояния между волокнами и фибриллами, тем самым способствуя свободному скольжению волокон и фибрилл друг за другом и, возможно, предотвращая чрезмерное образование поперечных соединений (рис. 4.4).

54

Г л а в а 4 ■ Соединительная ткань: фактор, ограничивающий гибкость

Электромеханические и физиологические свойства

Прочные кристаллические материалы при деформации демонстрируют электромеханическое явление, которое называется пьезоэлектрическим эффектом (Athenstaedt, 1970). Подобный эффект наблюдается в биологических тканях. Одним из примеров может быть молекулярная структура естественной коллагеновой фибриллы. Тропоколлагеновые молекулы, образующие фибриллу, представляют собой электрически биполярные стержни, имеющие постоянный электрический потенциал в направлении продольной тропоколлагеновой оси (Athenstaedt, 1970). При сжатии соединительной ткани, такой, как хрящ, происходит механичес-ко-электрическая транедукция, приводящая к возникновению существенных электрических потенциалов (Grodzinsky, 1983). В последние годы к пьезоэлектрическому механизму было приковано большое внимание специалистов, особенно с точки зрения его возможной функции в росте и ремоделировании соединительных тканей, а также в лечении переломов костей.

Пьезоэлектрический эффект в биологических тканях называют электрокинетикой или потенциалами движения. Кроме потенциалов течения и токов, деформация биологических тканей может вызвать градиенты гидростатического давления, поток жидкости и деформацию клеток в матрик-

55

Наука о гибкости

се. В настоящее время механизм (или механизмы), обусловливающий эти реакции, не установлен. В то же время известно, что основным источником реакции трансдукции является электрокинетический механизм, или механизм течения потенциалов (Grodzinsky, 1987).

Механические свойства

Можно допустить, что потенциалы течения представляют собой механизм, посредством которого механические силы растягивания трансдукци-руются в различные виды генной экспрессии и, следовательно, в белковый синтез (например, создание особых изоформ титина и других тканей). В этой связи исследование Сатклиффа и Девидсона (1990) показало, что трансдукция механической силы в генную экспрессию эластина клетками гладкой мышцы во время растягивания может способствовать их специальной адаптации.

До настоящего времени в большинстве исследований рассматривали суставной хрящ под действием сил сжатия. Возможность получения весьма важной информации на этой основе объясняется следующим. Во-первых, суставной хрящ относится к категории соединительной ткани. Во-вторых, удлинение происходит одновременно вследствие сжатия. Известно, что электростатические силы можно рассматривать как межмолекулярные взаимодействия, которые существенно влияют на реологическое поведение биологических тканей (Grodzinsky, Lipshitz, Glimcher, 1978). В частности, внеклеточный матрикс выполняет важную функцию сопротивления силам растяжения, сжатия и сдвига. Как уже

Протеогликан

а б

Рис. 4.5. Схематическое изображение соединительной ткани с коллагеновыми фибриллами, протеогаикановыми кластерами и клетками (а). Динамическое сжатие ткани приводит к деформации, градиентам давления, потоку жидкости и потенциалам течения (и потокам) во внеклеточном матриксе в клеточной среде(б)

56

Г л а в а 4 ■ Соединительная ткань: фактор, ограничивающий гибкость

отмечалось, электростатические силы отталкивания между ГАГ заряженными группами, как правило, делают матрикс более жестким, что повышает его способность противостоять деформации и выдерживать нагрузку (Grodzinsky, 1983, 1987; Muir, 1983; рис. 4.5). Внеклеточный матрикс содержит отрицательный фиксированный заряд, а интерстици-альная жидкость, таким образом, содержит достаточное количество дополнительных (+) контроионов для обеспечения электронейтральности; обусловленные сжатием изменения плотности фиксированного заряда вызывают изменение концентрации всех подвижных видов ионов во внеклеточном матриксе, согласно Доннану и законам электронейтральности. Таким образом, протеогликаны действуют как «молекулярные пружины» (Muir, 1983).

Сравнение влияния статических и динамических

нагрузок

Исследования суставного хряща in vivo показывают, что статическая иммобилизация, пониженная нагрузка или статическое сжатие сустава приводят к появлению участков повышенной фиксированной плотности заряда, повышению концентрации положительных контрионов и осмотического давления. Это ингибирует синтез и обработку протеогликанов (Gray и др., 1988; J.RG.Urban, Bayliss, 1989), а также нарушает питание хряща. С другой стороны, динамическое сжатие приводит к увеличению гидростатического давления, потока жидкости, потенциалов течения и изменению формы клетки, что может стимулировать биосинтез (A.Hall, Urban, Gehl, 1991; Y.-J.Kim и др., 1994). Таким образом, цикличная нагрузка и разгрузка способствуют сохранению здоровья хряща. Вместе с тем, при чрезмерной нагрузке повышается поток жидкости, напряжение и его интенсивность. Высокие уровни напряжения или его интенсивность могут привести к повреждению матрикса, отечности тканей и усилению диффузии в хряще (Sah и др., 1991), что ведет к хроническому повреждению хряща.

Влияние процесса старения на коллаген. Коллаген по мере своего старения претерпевает определенные физические и биохимические изменения. В конечном итоге они отражают снижение минимальной степени растяжимости, которая имела место, и увеличение ригидности. Так, например, процесс старения приводит к увеличению диаметра коллагеновых волокон в различных тканях. Кроме того, с течением времени усиливается процесс кристаллизации фибрилл. Увеличение степени кристаллизации или ориентации еще больше укрепляет межмолекулярные связи и повышает резистентность к дальнейшей деформации. Более того, предполагают, что процесс старения связан с увеличением числа внутри- и межмолекулярных поперечных соединений. Эти дополнительные поперечные соединения явно ограничивают способность скольжения коллагеновых молекул относительно друг друга. Важная роль в процессе старения принадлежит дегидратации. Так, с возрастом снижается количество воды, связанной с соединительными тканями, такими, как сухожилие. По некоторым

57

Рис. 4.6. Возрастные изменения в соединительной ткани, вызывающие нарушение мышечной функции (Mohan,Radha, 1981)

Глава 4 ■ Соединительная ткань: фактор, ограничивающий гибкость

оценкам, если в сухожилиях маленьких детей содержание воды составляет приблизительно 80-85 %, то у взрослых этот показатель снижается до 70 % (Elliot, 1965; рис. 4.6).

Ультраструктурная основа и физиологический предел удлинения коллагена. В отличие от саркомера, волокно коллагена является сравнительно нерастяжимым. Волокно коллагена настолько неэластично, что оно даже не растягивается при воздействии на него массы, в 10 000 раз превышающей его собственную (Vevzar, 1963). Исследования показывают, что микроскопические волокна можно растянуть примерно на 10 % их исходной длины, прежде чем они порвутся. На молекулярном уровне степень растяжения коллагеновых фибрилл составляет около 3 % (Ramachandran, 1967). Электронно-микроскопическое исследование показывает, что при удлинении коллагена в нем происходит постепенное изменение внутрифибриллярной периодичности и латеральных измерений. В одном из ранних исследований (Cowan, McGavin, North, 1955) было установлено, что растяжение приводит к повторяющемуся увеличению осевого интервала с 0,286 до 0,310 нм и больше.

Считают, что подобное растяжение первоначально осуществляется в результате распрямления волокон и последующего постепенного скольжения их относительно друг друга. В результате увеличивается степень кристаллизации или ориентации, что, в свою очередь, усиливает межмолекулярную связь и повышает резистентность к дальнейшему удлинению. Кроме того, возрастает взаимопереплетение соседних молекул. Это приводит к увеличению силы интерцепочек, что обеспечивает повышенное сопротивление силам деформации. Дальнейшее растягивание приводит к превышению межмолекулярных связей и разрыву ткани (Laban, 1962; L.Weiss, Greep, 1983).