3.2. Волокнистые структуры соединительной ткани.

3.2-а. Коллаген. Особенности аминокислотного состава, структурной

организации и метаболизма.

Волокнистые структуры соединительной ткани представлены коллагеновыми, эластическими и ретикулиновыми волокнами. Главным структурным компонентом коллагеновых и ретикулиновых волокон является белок- коллаген или тропоколлаген. Это самый распространённый белок в организме. Он составляет 6% массы тела и 30% всех белков организма. Основная масса коллагена сосредоточена в минерализованных тканях и коже, около 10% - в строме внутренних органов. Тропоколлаген является структурной единицей коллагенового волокна. Это фибриллярный белок с Мr ~300000, состоящий из трёх однонаправленных полипептидных цепей (по 1000 аминокислот в каждой), закрученных в тройную спираль. Длина молекулы коллагена составляет ~300 нм, толщина - ~1,5 нм. Каждая отдельная цепь тропоколлагена представляет собой плотную левозакрученную альфа - спираль, в которой на один виток приходится три аминокислотных остатка. Каждая третья аминокислота в альфа - спирали представлена глицином, 21% составляют в сумме пролин и гидроксипролин, 11% - аланин, имеются также лизин, гидроксилизин, глютаминовая, аспарагиновая и другие аминокислоты. Последовательность аминокислот в полипептидной цепи тропоколлагена может быть представлена как (-гли-Х-Y-)_n, чаще всего - (-гли-про-гип-)_n. Гидроксилизин обеспечивает образование поперечных связей и присоединение глюкозы, галактозы или лактозы, гидроксипролин - образование водородных связей (с водой), стабилизирующих альфа - спиральную конфигурацию полипептидных цепей коллагена. Тройная спираль тропоколлагена стабилизируется дисульфидными и водородными связями, возникающими между атомом водорода глицина и атомом кислорода карбонильной группы пептидных связей. При этом глицин оказывается внутри трёхспирального жгута, а три цепи образуют жёсткую структуру, похожую на кабель, слегка закрученную в правую суперспираль.

Молекулы коллагена затем ассоциируются в микрофибриллы. Коллагеновая фибрилла представляет собой параллельные ряды молекул тропоколлагена, расположенные так, что каждый следующий ряд сдвинут по отношению к предыдущему на 1/4 длины тропоколлагена. Молекулы тропоколлагена не связаны «конец в конец», поэтому между ними есть промежутки, которые могут служить местом первичного накопления кальция и фосфора при минерализации кости. В процессе филогенеза происходит окислительное дезаминирование остатков лизина и гидроксилизина в составе полипептидных цепей коллагена с образованием альдегидопроизводных лизина. В этой реакции участвует медьсодержащий фермент лизилоксидаза, который активен при наличии витаминов РР и В₆. При взаимодействии радикалов лизина с альдегидопроизводными лизина между молекулами тропоколлагена образуются поперечные связи ковалентного характера, которые стабилизируют коллагеновую фибриллу. Образование поперечных сшивок в коллагеновых фибриллах происходит по следующей схеме:

Рис. 2. Образование поперечных сшивок в коллагене.

Многократное скручивание обеспечивает высокую прочность коллагенового волокна. Коллаген - белок, как правило, гликозилирован. Глюкоза, галактоза или лактоза присоединяются к остаткам гидроксилизина О-гликозидной связью. Известно 19 типов коллагена, отличающихся друг от друга набором полипептидных цепей (они могут быть идентичными или различными), степенью их гликозилирования и гидроксилирования, а также распределением в организме. Не все типы коллагена образуют фибриллы. К фибриллообразующим относятся коллагены 1,2,3,5 и 11 типов. Наиболее распространён коллаген 1-го типа. Он входит в состав костей, дентина, сухожилий, роговицы. Коллаген 2-го типа распространён в хрящевой ткани, межпозвоночных дисках, в стекловидном теле глаза. Коллагены 5-го и 6-го типов присутствуют в разных соотношениях в межклеточном веществе различных тканей. Коллаген 4-го типа является структурным компонентом базальных мембран. Базальные мембраны - это особый вид межклеточного матрикса, в виде тонкого слоя отделяющий клетки от окружающей соединительной ткани, а также различные слои клеток друг от друга. Базальные мембраны играют роль полупроницаемого фильтра в почечных клубочках, а также участвуют в процессах эмбрионального развития и регенерации. Коллаген 7-го типа входит в состав фибрилл, которые находятся в субэпителиальном слое и участвуют в присоединении эпидермиса к дерме. 9,12,14 и 17 типы коллагенов фибрилл не образуют, но связаны с коллагеновыми фибриллами других типов. Микрофибриллы состоят чаще всего из 5 рядов полипептидных цепей. Вместе с различными гликопротеинами они образуют фибриллы. Молекулы гликопротеинов находятся, как правило, на поверхности фибрилл и защищают их от действия коллагеназы. Схематическое строение коллагеновой фибриллы представлено на рисунке 3.

Рис.3. Схематичное изображение фибриллы коллагена.

Интенсивность обмена коллагена варьирует в зависимости от вида животного, типа ткани, возраста, характера питания, наличия патологии. У взрослого человека в норме коллаген обновляется медленно, а процессы его синтеза и распада сбалансированы. Период полураспада коллагена измеряется неделями, месяцами. Наиболее активно коллаген обновляется в возрасте до 20 лет. Его обмен становится более интенсивным также при некоторых инфекционных заболеваниях, при коллагенозах и гиперпаратиреозе. В детском возрасте скорость синтеза коллагена преобладает над скоростью его распада. При этом увеличивается общая масса коллагена (главным образом, за счёт костной ткани). Известно, что коллагеновые фибриллы в физиологических условиях (нейтральное значение рН среды, температура 37 градусов по Цельсию) устойчивы к действию трипсина, пепсина, лизосомальных и нелизосомальных пептидаз, способных расщеплять только денатурированный коллаген. Катаболизм коллагена - это сложный многоступенчатый процесс, происходящий внутри - и внеклеточно с участием различных пептидаз, глюкозидаз. Ключевую роль в этом процессе играет фермент коллагеназа, расщепляющая все три полипептидные цепи тропоколлагена на расстоянии 1/4 их длины от С-конца между глицином и лейцином (изолейцином). Образовавшиеся фрагменты растворяются в воде и расщепляются далее различными протеазами.

Различают два вида коллагеназ: микробные и тканевые. Микробные - вырабатываются микробами и способствуют их проникновению через соединительно-тканные барьеры хозяина. Тканевые коллагеназы имеют оптимум рН 8,5, активны в присутствии ионов цинка (металлозависимые). Они проявляют наибольшую активность в тканях, претерпевающих реорганизацию, например, в матке после родов, а также при некоторых заболеваниях, сопровождающихся деструкцией межклеточного вещества соединительной ткани. Тканевая коллагеназа вырабатывается в виде проколлагеназы, которая переходит в активную форму путём отщепления N-концевого октапептида под действием катепсина D, других протеиназ или аутокаталитически. Активность тканевых коллагеназ контролируется гормонами и ингибиторами. Наиболее изучен т.н. «тканевой ингибитор металлопротеиназ (ТИМП)» - гликопротеид с Мr 28000, постоянно присутствующий в тканях. Активаторами тканевых коллагеназ являются плазмин, калликреин, катепсин В. Микробные коллагеназы расщепляют коллаген более, чем в 200-х участках одновременно, что обусловливает быстрое разрушение соединительно-тканных барьеров и проникновение бактерий вглубь тканей.

Продукты расщепления коллагена (пептиды, аминокислоты) выводятся с мочой. Гидроксипролин и пролин являются маркёрами соединительной ткани. За сутки с мочой взрослого человека выводится в норме 15 -20 мг гидроксипролина, а с мочой ребёнка и подростка ~200 мг/сутки. При некоторых заболеваниях, связанных с поражением соединительной ткани, содержание гидроксипролина в сыворотке крови и его экскреция с мочой увеличиваются вследствие повышенного распада коллагена. Это отмечается, в частности, при гиперфункции паращитовидных желёз, переломах трубчатых костей, некоторых опухолях кости, пародонтите, наследственной гипергидроксипролинемии. Последнее заболевание связано с врождённой недостаточностью фермента гидроксипролиноксидазы, который в норме окисляет часть гидроксипролина крови.

Синтез коллагена происходит на рибосомах фибробластов. Сначала синтезируются предшественники полипептидных цепей тропоколлагена, не содержащие гидроксипролина и гидроксилизина - препроколлаген, который состоит из короткого сигнального пептида, двух С - и N концевых пропептидов и центрального сегмента - альфа-цепи. Сигнальный пептид ориентирует синтез полипептидных цепей в полость эндоплазматического ретикулума. Затем происходит посттрансляционная модификация цепей препроколлагена, состоящая из следующих этапов:

1. Отщепление сигнального пептида под действием специфической протеиназы.

2. Превращение остатков пролина и лизина в гидроксипролин и гидроксилизин, соответственно, в составе полипептидных цепей с участием специфических гидроксилаз, альфа-кетоглютарата, молекулярного кислорода, ионов двухвалентного железа и аскорбиновой кислоты в качестве кофакторов (рис. 4).

+

Пролилгидроксилаза

-сукцинат

+

СО₂

-кетоглутарат

...—гидроксипролил—...

(в составе полипеп-тидной цепи)

O₂; аскорбат; Fe ²⁺

...—пролил—...

(в составе поли-пептидной цепи)

+

Лизилгидроксилаза

- сукцинат

+

...—лизил—...

(в составе поли-пептидной цепи)

-кетоглутарат

...—гидроксилизил—...

(в составе полипептидной

цепи)

O₂; аскорбат; Fe ²⁺

СО₂

Рис. 4. Гидроксилирование остатков пролина и лизина в составе полипептидных цепей проколлагена.

3. Гликозилирование полипептидных цепей проколлагена - присоединение глюкозы, галактозы или лактозы к ОН - группам гидроксилизина под действием различных гликозилтрансфераз.

4. Образование тройной спирали проколлагена и секреция его в межклеточное пространство, где происходит превращение проколлагена в «зрелый» коллаген (тропоколлаген) путём отщепления N - и С - концевых пептидов во всех полипептидных цепях под действием проколлагенпептидазы. В стабилизации тройной спирали тропоколлагена важную роль играют водородные связи, в образовании которых участвуют ОН-группы гидроксипролина.

Далее происходит полимеризация молекул тропоколлагена в коллагеновые микрофибриллы, в которых между молекулами тропоколлагена образуются поперечные ковалентные связи. В их формировании участвуют радикалы лизина и гидроксилизина, находящиеся в различных полипептидных цепях. Как описано выше, радикалы гидроксилизина окисляются далее медьсодержащей лизилоксидазой, которая в присутствии витаминов В₆ и РР превращает их в альдегидные производные лизина. Вновь образованные высокореактивные альдегидные группы образуют с другими остатками лизина ковалентные связи по типу шиффовых оснований:

R-CH₂-CH₂-СН₂-CH = N-СН₂-CH₂-CH₂-CH₂-R*

Пространственная структурная организация коллагеновых фибрилл завершается с участием гликопротеинов типа фибронектина и протеогликанов.

Синтез коллагена в клетке регулируется по принципу отрицательной обратной связи. Обмен коллагена контролируется также гормонами. Глюкокортикоиды угнетают синтез коллагена, паратгормон активирует распад коллагена; эстрогены, соматотропин, тироксин активируют синтез коллагена. В процессе синтеза коллагена могут возникать мутации, что обусловливает возможность возникновения наследственных заболеваний, связанных с патологией соединительной ткани. К ним относятся несовершенный остеогенез, хондродисплазии и другие.

3.2-б. Витамин С, антискорбутный, аскорбиновая кислота, участие в синтезе коллагена и другие метаболические функции.

Аскорбиновая кислота является незаменимым компонентом пищи для человека, обезьян, морских свинок, но может синтезироваться у многих других видов животных из глюкозы или глюкуроновой кислоты. В организме аскорбиновая кислота легко окисляется в дегидроаскорбиновую кислоту, которая в присутствии восстановителей также легко превращается в аскорбиновую кислоту.

Рис.5. Химическая структура аскорбиновой кислоты в восстановленной и окисленной форме.

В связи с этим аскорбиновая кислота участвует в ряде окислительно-восстановительных реакций, входя в состав монооксигеназных систем, в частности, в состав пролилгидроксилазы и лизилгидроксилазы, которые обеспечивают окисление боковых радикалов лизина и пролина в составе полипептидных цепей проколлагена и способствуют тем самым ‘‘созреванию’’ коллагена. Биологическая роль витамина С не ограничивается его участием в синтезе коллагена. Он участвует также в реакциях превращения фенилаланина в тирозин, тирозина - в диоксифенилаланин (ДОФА), триптофана - в 5-окситриптамин (cеротонин), в синтезе карнитина, гормонов коры надпочечников и катехоламинов, в обезвреживании токсических веществ эндогенного и экзогенного происхождения в печени, а также в других химических процессах, происходящих с участием монооксигеназных систем. Аскорбиновая кислота способствует выделению железа из ферритина, что очень важно для синтеза гема и предотвращения развития анемии.

Недостаточность аскорбиновой кислоты в организме проявляется развитием цинги. Цинга у взрослых характеризуется кровоточивостью и разрыхлением дёсен, расшатыванием зубов, нарушением заживления ран, появлением подкожных кровоизлияний, отёков и болей в суставах, анорексией и анемией. У детей к приведенным выше симптомам добавляются нарушение формирования зубного ряда, замедленное развитие скелета. В основе развития большинства патологических симптомов при цинге лежит нарушение синтеза коллагена. Образующийся при цинге коллаген содержит мало гидроксипролина и гидроксилизина, поэтому в нём образуется недостаточное количество стабилизирующих его структуру связей. В результате коллаген лишается своего основного свойства - прочности.

Суточная норма потребления витамина С составляет 50 - 100 мг. Основными пищевыми источниками витамина С являются свежие овощи и фрукты, особенно - цитрусовые. Аскорбиновая кислота разрушается при кипячении и хорошо сохраняется в замороженных фруктах и овощах.

3.2-в. Эластин, особенности аминокислотного состава, структурной организациии и метаболизма.

Эластин (тропоэластин)- второй главный белок соединительной ткани, основной структурный компонент эластических волокон. Эластические волокна преобладают в тех структурах, функция которых связана с растяжением и сокращением, изменением объёма: в крупных сосудах, связках, коже, лёгких. Эластин обусловливает эластичность (способность многократно растягиваться в длину и возвращаться в исходное состояние) тех образований, в состав которых он входит. Полипептидные цепи тропоэластина содержат глицин (~30%), много неполярных аминокислот, лизин, мало гидроксипролина, не содержат гидроксилизина. Тропоэластин является гликопротеином с молекулярной массой около 70 КДа. Молекулы тропоэластина соединяются между собой в волокнистые тяжи с помощью связей типа лизиннорлейцина, десмозина и изодесмозина, которые образуются между 2 - 4 полипептидными цепями. В образовании связей типа десмозина участвуют 4 остатка лизина, 3 из которых предварительно окисляются до соответствующих альдегидов с участием медьсодержащего фермента лизилоксидазы, в присутствии витаминов РР и В₆, а затем объединяются с четвёртым остатком лизина (рис.6). При недостаточности в организме меди, витаминов РР и В6 образование десмозина нарушается.

Рис. 6. Десмозин.

Связи типа десмозина и изодесмозина есть только в эластине. Молекулы тропоэластина не имеют характерной третичной структуры, а обладают случайной гибкой конформацией, множественные пространственные конфигурации которой переходят друг в друга. Наличие случайной гибкой конформации молекул тропоэластина и большого количества поперечных сшивок между ними позволяет эластическим волокнам проявлять свои резиноподобные свойства, т. е. эластичность. При натяжении эластических волокон молекулы тропоэластина в их составе приобретают относительно постоянную конформацию, в результате чего упорядоченность структуры эластических волокон возрастает (см. рис. 7).

Рис.7.Связь молекул эластина между собой в процессе сокращения и растяжения эластических волокон.

В литературе имеются данные о том, что эластические волокна являются двухкомпонентной системой, содержащей помимо эластина гликопротеины иного аминокислотного состава, которые защищают эластические волокна от действия протеаз. Эластин-белок синтезируется в фибробластах и гладкомышечных клетках в виде растворимого предшественника - тропоэластина, а затем полимеризуется, превращаясь в нерастворимую внеклеточную форму в результате образования поперечных связей типа десмозина и изодесмозина. Эластическое волокно характеризуется высокой стабильностью, нерастворимостью в воде, высокой скоростью обмена. Нативные эластические волокна не перевариваются трипсином и химотрипсином, медленно гидролизуются пепсином. Поджелудочная железа выделяет фермент проэластазу, которая активируется трипсином, превращаясь в эластазу. Под действием эластазы нити эластина расщепляются до пептидов, имеющих жёлтый цвет. В тканях эту функцию выполняет тропоэластаза, расщепляющая тропоэластин и не действующая на эластические волокна. В печени синтезируется ингибитор трипсина альфа-антитрипсин, защищающий эластин от избыточного протеолиза. Эластаза синтезируется также макрофагами и полиморфноядерными лейкоцитами (ПЯЛ), она проявляет наибольшую активность в щелочной среде, обладает низкой специфичностью и расщепляет также коллаген, протеогликаны, гемоглобин, иммуноглобулины и другие белки. В норме эластазу ПЯЛ и другие протеазы ингибирует альфа₁ антитрипсин, который синтезируется в гепатоцитах и поступает в кровь. Альфа₁-антитрипсин синтезируется также макрофагами в лёгких, что обеспечивает защиту альвеол от воздействия эластазы. Деградация эластических волокон при эмфиземе лёгких и других заболеваниях обусловлена повышением активности эластазы лейкоцитарного происхождения. Активность эластазы ПЯЛ в десневой жидкости и тканях пародонта возрастает при пародонтите. Разрушенные эластические волокна не восстанавливаются. Процесс старения сопровождается потерей эластичности тех образований, в состав которых входят эластические волокна, потому что количество поперечных связей в них уменьшается с возрастом, и они становятся более чувствительными к биомеханическим воздействиям.

Структура эластических и коллагеновых волокон может нарушаться в патологии. Латиризм (cutis laxa или вялая кожа) - заболевание, связанное со снижением активности лизилоксидазы. Это заболевание может развиться при употреблении в пищу душистого горошка (Lathyrus orodatus), в котором содержится ингибитор лизилоксидазы - b-аминопропионитрил. Под влиянием этого ингибитора нарушается формирование поперечных связей в коллагене и эластине, в результате чего образуется непрочный, растворимый коллаген, снижается эластичность соединительно-тканных образований, в том числе кожи, нарушается развитие скелета. При данной патологии с мочой выделяются пептиды, содержащие гидроксипролин. Недостаточность лизилоксидазы может быть связана с дефицитом ионов меди в организме, так как фермент лизилоксидаза, как отмечалось выше, активен только в присутствии ионов меди. Помимо этого, описаны также формы латиризма, связанные с наследственной, генетически обусловленной недостаточностью фермента лизилоксидазы.