1.2.2 Структура амилоида и фибрилл

Изначально предполагалось, что амилоид относится к полисахаридам, о чем свидетельствует его название «сходный с крахмалом» («amylum» – крахмал) из-за способности окрашиваться йодом. Детальный химический анализ амилоида разного происхождения показал, что это вещество состоит в большей степени из белка [21]. Амилоид является сложным гликопротеидом, в котором фибриллярные и глобулярные белки тесно связаны с полисахаридами. С помощью электронной микроскопии (рисунок 2) и рентгеноструктурных методов четко показаны упорядоченность строения амилоида, наличие в нем волокнистых структур.

а б

а – результат электронной микроскопии; б – поляризационная микроскопия при окраске Конго красным

Рисунок 2 – Микроскопия амилоидных фибрилл [28]

Размеры фибрилл составляют 4,7 – 13 нм в поперечнике и до 1,6 мкм в длину [28, 29]. Рентгеноструктурные анализы показали, что фибриллы имеют β-складчатую структуру с отдельными β-слоями, ориентированными параллельно главной оси фибриллы, а водородные связи, которые соединяют полипептидные цепи, ориентированы вдоль оси фибриллы [30].

Кроме фибриллярного белка, в состав амилоида входит другой белок – так называемый Р-компонент, который одинаков при всех формах амилоидоза. Роль Р-компонента в амилоидогенезе неясна. В норме амилоидный Р-компонент является составной частью соединительной ткани и при иммунофлюоресцентном исследовании обнаруживается в интактных и измененных мембранах, в том числе в мембранах почек. Р-компонент составляет 15-20% общего белка амилоидных фибрилл [31]. Также в состав входят аполипопротеин Е, различные ингибиторы протеаз, внеклеточные компоненты матрикса.

Как уже упоминалось, известно около 30 белков, образующих амилоидные фибриллы. Они отличаются между собой по аминокислотным последовательностям, вторичным и третичным структурам. Несмотря на это, образованные ими амилоидные отложения имеют сходную фибриллярную структуру [32].

Все амилоидные фибриллы состоят из нескольких переплетенных протофибрилл, представляющих собой цилиндрический β-слой – полую нанотрубку (рисунок 3) диаметром 3 нм, в которой полипептидная цепь «накручена» вокруг оси фибриллы и формирует спираль. Виток такой спирали включает 20 аминокислот, витки взаимодействуют между собой водородными связями между амидами основной и боковых цепей (каждая карбоксильная группа предыдущего витка взаимодействует с аминогруппой последующего витка) [33]. 

а – изображение β-складчатой структуры фибрилл;

б – изображение цилиндрического β-слоя

Рисунок 3 – Структура амилоидных фибрилл [28]

Фибриллы амилоида нерастворимы, обычно резистентны к протеолитическим ферментам и, откладываясь в органах, вытесняют и разрушают нормальную ткань. Важнейшим исследованием последних 25 лет (с 80-х гг. XX столетия) стало уточнение биохимической структуры основного белка амилоидных фибрилл, которая оказалась различной при разных формах амилоидоза.

1.2.3 Механизм образования амилоидных фибрилл

Фибриллогенез амилоида подчиняется основным принципам термодинамики, так же как и любая химическая реакция. Чем ниже свободная энергия системы, тем более устойчивым является состояние, в котором она пребывает. Так, «развернутое» состояние молекулы белка характеризуется довольно высоким уровнем свободной энергии. При переходе в «нативное» состояние с минимумом свободной энергии может происходить неправильная сборка белка, при котором он уже не способен формировать нативную структуру.

Рассмотрим рисунок 4 для изучения процесса образования фибрилл.

Рисунок 4 – Схематическое изображение механизма фибриллогенеза

Считают, что процесс фибриллогенеза можно рассматривать как двухступенчатую реакцию: на первой стадии, которая является обратимой, при определенных условиях происходит образование амилоидогенного промежуточного вещества, на второй стадии это промежуточное вещество не удаляется клеточным метаболизмом, что приводит к самосборке амилоидных фибрилл и образованию амилоида [34, 35].

После первой стадии в случае превышения порогового уровня концентрации амилоидных интермедиатов (происходит преодоление концентрационного барьера) образуются префибриллярные структуры – протофибриллы [36]. После этого процесс можно считать необратимым. Протофибриллы взаимодействуют друг с другом, формируя «зрелые» амилоидные фибриллы.

Причин неправильной сборки белков может быть несколько: 1) высокое содержание β-структур [21] ; 2) точечная замена аминокислоты в молекуле белка (при наследственных амилоидозов) [37]; 3) протеолиз белков-предшественников фибрилообразующего белка [36].

Для выяснения молекулярных механизмов амилоидозов необходимо изучить амилоидогенные свойства различных белков. Одним из таких белков, как уже говорилось, является транстиретин. Фибриллогенез TTR активно изучается, но так и не разработаны способы ингибирования образования фибрилл транстиретина [38].