БИОХИМИЯ СОЕДИНИТЕЛЬНОЙ И КОСТНОЙ ТКАНИ

«БИОХИМИЯ СОЕДИНИТЕЛЬНОЙ И КОСТНОЙ ТКАНИ»

План

1.Особенности структурной организации и функции соединительной ткани.

2.Особенности первичной и пространственной структуры коллагена.

3.Синтез коллагена: этапы внутриклеточного синтеза и: формирование 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.

7.Функции и структурная организация костной ткани: клетки,

минеральные и органические компоненты костной ткани, их особенности и

биологические функции.

8.Современные представления о механизмах минерализации и остеокластной резорбции кости.

9.Ремодулирование костной ткани. Влияние гормонов и витаминов на интенсивность обновления костной ткани.

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

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 обмена- протеогликаны 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.

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

Секреция

Рис. 9. Схема биосинтеза коллагена

Классификация коллагенов по видам структур, которые они образуют

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