2 курс / Биохимия / БИОХИМИЯ

Лекция 46

БИОХИМИЯ СОЕДИНИТЕЛЬНОЙ ТКАНИ

Соединительная ткань в общей сложности составляет более 50% массы человеческого организма. Различают 3 вида соединительной ткани: собственно соединительная ткань; хрящевая соединительная ткань и костная соединительная ткань. Морфологические разновидности, в которых соединительная ткань представлена в организме животных и человека, очень многочисленны и непохожи друг на друга. К ним относятся: рыхлая соединительная ткань подкожной клетчатки и

межорганных прослоек с ее разновидностями – жировой, пигментной тканями, дерма, плотные ее виды – фасции, апоневрозы, связки, сухожилия, внутриорганные соединительно-тканные прослойки, сопровож-

дающие сосуды и нервы, стенки кровеносных и лимфатических сосудов, клапанный аппарат сердца, все ткани скелета, хрящи всех видов (суставные, реберные, межпозвоночные, гортани, ушных раковин, крыльев носа, слухового аппарата), капсулы и синовиальные оболочки суставов, дентин и пульпа зуба, роговая оболочка, склера, стекловидное тело, нейроглия, брюшина. Все это соединительная ткань.

Все эти разновидности соединительной ткани отличаются определенными особенностями строения, что обусловлено их функциями. В то же время все они, несмотря на огромные морфологические различия, построены по единым общим принципам:

1)Малое количество клеточных элементов, которые окружены межклеточным веществом.

2)Высокое содержание межклеточного вещества.

3)Наличие в межклеточном веществе своеобразных фибриллярных структур.

Функции соединительной ткани

Соединительная ткань выполняет ряд важных физиологических функций:

1.Опорная – плотные и прочные разновидности соединительной ткани (костная, хрящевая, ткань сухожилий, связок, фасций) образуют каркас и «поддерживают» организм.

2.Барьерная (защитная) – обусловлена расположением между внешней и внутренней средой организма (дерма), между кровью и клеточными элементами паренхиматозных органов, т.е. через этот барьер должны пройти и вещества, приносимые к тканям кровью, и метаболиты, транспортируемые кровью из органов. С другой стороны, клетки соединительной ткани способны к фагоцитозу, синтезу иммуноглобу-

472

линов, т.е. иммунологической защите.

3.Метаболическая – соединительная ткань богата наборами ферментов, обычными для всех тканей, и кроме этого ферментами синтеза биомолекул, входящих в волокна и межклеточное вещество. Фибробласты способны к синтезу холестерина и других липидов, а также являются главным местом метаболизма кортизола, угнетающего пролиферативную и биосинтетическую активность соединительной ткани.

4.Депонирования – клетки соединительной ткани могут поглощать разнообразные вещества и депонировать их. Для некоторых клеток эта функция является основной, специализированной (так, гистиоциты могут накапливать капли жира, пигменты меланина).

5.Репаративная – соединительная ткань на различные факторы отвечает активной пролиферацией, благодаря чему ликвидируются последствия локальных инфекционных очагов, механических травм. Молодая соединительная ткань, проходя через определенные стадии развития, превращается в рубцовую ткань, заполняющую любые дефекты других тканей. Если этот процесс качественно и количественно соответствует тяжести повреждения, размерам дефекта, это положительно, но в некоторых случаях процесс избыточного образования соединительной ткани приводит к патологическим отклонениям в пораженных органах (грубые деформирующие рубцы, пневмокониоз в легких, цирроз печени).

Клеточные элементы соединительной ткани:

1)фибробласты;

2)тучные клетки;

3)клетки семейства гистиоцитов (макрофаги);

4)плазматические клетки (плазмоциты);

5)клетки, проникающие из крови – лимфоциты, нейтрофильные

и эозинофильные лейкоциты.

Основными клетками являются фибробласты и тучные клетки.

В фибробластах (хондробластах в хряще, остеобластах в костной ткани) происходит синтез биомолекул межклеточного вещества и фибриллярных структур. Тучные клетки продуцируют гистамин, серотонин, гепарин. Гистамин, серотонин влияют на местное кровообращение, гистамин активирует фагоцитоз. Угнетение функции тучных клеток понижает резистентность тканей к некротизирующим воздействи-

ям. Фибробласты, тучные клетки, гистиоциты (макрофаги) называют постоянными клетками. Плазматические клетки, лимфоциты,

нейтрофилы, эозинофилы, базофилы называют транзиторными, так как они мигрируют в соединительную ткань из крови в ответ на специфический стимул, влияя на состав межклеточного вещества.

Межклеточное вещество. Основная масса межклеточного вещества представлена протеогликанами, составляющими 30% сухого ос-

473

татка соединительной ткани.

Протеогликаны – сложные белково-углеводные комплексы , в

которых белковая часть соединена с простетической группой прочными ковалентными связями. Простетическая группа представлена гликозаминогликанами – линейными неразветвленными полимерами, построенными из повторяющихся дисахаридных единиц. Все они содержат сульфатированные сахара; один в составе дисахарида – аминосахар (N-ацетилглюкозамин или галактозамин), второй – уроновая ки-

слота (глюкуроновая или идуроновая). Синтез протеогликанов происходит внутриклеточно, а затем они покидают клетку путем экзоцитоза.

Гликозаминогликаны по строению остатков моносахаридов, типу связи между ними и локализации сульфатных групп делят на шесть основных классов:

1) гиалуроновая кислота

М.м. в пределах 105-107 Да. Содержание белка составляет 1-2%.

Играет важную роль в образовании агрегатов протеогликанов, а также часто служит для создания свободного от клеток пространства, по которому мигрируют клетки во время морфогенеза и заживления ран. Мономер построен из глюкуроновой кислоты и N-ацетилглюкозамина. Внутри мономера - 1,3-бета-гликозидная связь, между мономерами - 1,4-бета-гликозидная связь. Гиалуроновая кислота может находиться и

в свободном виде, и в составе сложных агрегатов. Это единственный представитель глюкозаминогликанов, который не сульфатирован.

Дисахаридная единица Ã D-глюкуроновая кислота -1,3-N-ацетил- глюкозамин -1,4-(D-глюкуроновая кислота)

Белково-углеводные комплексы по количеству углеводов в них делятся на: протеогликаны – свыше 95% углеводов; мукопротеины – 10-15% углеводов; гликопротеины – менее 10% углеводов.

474

Дисахаридная единица Ã D-глюкуроновая кислота Ã -1,3-N-

ацетилгалактозамин -4-сульфат Ã -1,4- (D-глюкуроновая кислота)

3) хондроитин-6-сульфат

Д

исахаридная единица Ã D-глюкуроновая кислота Ã -1,3-N-ацетилгалактозамин -6-сульфат Ã -1,4-(D-глюкуроновая кислота)

Отличаются друг от друга местом расположения остатка серной кислоты. Все они содержат остаток серной кислоты. Мономер хондрои- тин-сульфата построен из глюкуроновой кислоты и N-

ацетилгалактозаминсульфата. Встречаются в связках суставов и в ткани зуба. Являются важной составной частью основного вещества хряща, обусловливают прочность, характеризуются интенсивным обменом, связывают ионы кальция, локализуются в местах кальцификации эндохондральной кости. М.м. около 20000-50000 Да.

4) дерматан-сульфаты

Дисахаридная единица Ã L-идуроновая кислота Ã -1,3-N-

ацетилгалактозамин -4-сульфат Ã -1,4-(L-идуроновая кислота)

Мономер построен из идуроновой кислоты и галактозамин-4-

сульфата. Являются одним из структурных компонентов хрящевой ткани, кожи - дермы.

475

5) кератан-сульфаты

Структурная единица Ã D-галактоза- -1,4-N-ацетилглюкозамин-6- сульфат Ã -1,3-(D-галактоза)

Мономер кератан-сульфатов состоит из галактозы и N- ацетилглюкозамин-6-сульфата. Находятся в костной, хрящевой и дру-

гих тканях. В роговице глаза располагаются между коллагеновыми волокнами и играют важную роль в обеспечении прозрачности роговицы.

Дисахаридная единица – D-глюкуронат-2-сульфат Ã -1,4-N-

сульфо(ацетил)глюкозамин-6-сульфат Ã -1,4-(D-глюкуронат-2-сульфат)

Гепарин продуцируется тучными клетками. Выделен также из клеток печени, легких, кожи. Является антикоагулянтом, связывается с факторами IX и XI, но главным в его действии является усиление ингибирующего действия антитромбина (III), с которым гепарин связы-

вается в соотношении 1:1 и изменяет его конформацию, вследствие чего активируется взаимодействие с сериновыми пептидазами (увеличивается сродство антитромбина к тромбину и другим протеиназам, участвующим в свертывании крови). Кроме этого гепарин способен связываться на эндотелии капилляров с липопротеинлипазой, способствуя ее выходу в кровоток, в результате чего усиливается катаболизм хиломикронов и ЛПОНП.

Гепарансульфат обнаруживается на поверхности многих клеток. Отличается от гепарина преобладанием мало сульфатированного глюкозамина и глюкуроновой кислоты (в то время как в гепарин кроме

476

глюкуроновой входит идуроновая кислота). В гепарине большая часть аминогрупп глюкозамина сульфатирована, меньшая часть – ацетилирована.

Полисахаридные цепи гликозаминогликанов – очень подвиж-

ные структуры, не способные образовывать компактные глобулы подобно белкам. Вследствие свободного расположения в пространстве и большой гидрофильности гликозаминогликаны занимают большие объемы, даже при довольно низких концентрациях образуют гели, обеспечивая тургор тканей.

Гликозаминогликаны, находясь в составе протеогликанов, соединены ковалентной связью с так называемыми «коровыми белками» (core – англ., основа, ядро), которые синтезируются большинством

клеток. К нему при помощи трисахаридов присоединяются гликозаминогликаны. 1 молекула COR-белка может присоединить до 100 гликозаминогликанов. Связь между ними образуется либо через OH-группу

остатка серина, либо амидную группу аспарагина.

Протеогликаны образуют агрегаты – структуры типа бутылочной щетки. Они состоят из гиалуроновой кислоты, протеогликановых субъединиц и низкомолекулярных связывающих «коровых» белков. Стержнем агрегата является длинная нитевидная молекула гиалуроновой кислоты. К ней с помощью связывающих белков присоединяются субъединицы протеогликанов – кератансульфатов и ходроитинсульфатов, остовом которых являются полипептидные цепи.

Не все протеогликаны секретируются во внеклеточный матрикс. Они могут располагаться на поверхности клеток и являться частью рецепторных комплексов. Другие протеогликаны могут входить в плазматическую мембрану клетки, а их «коровый» белок является интегральным белком.

Протеогликаны в организме выполняют очень многообразные

477

функции:

1.Являются структурными компонентами межклеточного вещества и специфически взаимодействуют с белками коллагеном, эластином, фибронектином, ламинином и другими.

2.Являются поливалентными анионами, которые могут прочно связывать катионы К+ и Nа+.

3.Связывают воду и поддерживают тургор тканей.

4.Связывают, цементируют волокна и обеспечивают прочность

тканей.

5.Поддерживают прозрачность роговицы.

6.Влияют на клеточную миграцию.

7.Выполняют структурную роль в склере.

8.Регулируют фильтрацию в клубочках почек, функционируя как молекулярные сита.

9.Участвуют в формировании рецепторов на поверхности клеточных мембран и межклеточных контактах.

10.Действуют как антикоагулянты.

11.Гиалуроновая кислота может служить смазочным материалом

всуставах.

12.Входят в состав синаптических и других везикул клетки.

Кроме протеогликанов, основное вещество содержит гликопротеины. Их углеводный компонент- это олигосахарид, состоящий 10-15

мономерных единиц. Этими мономерными единицами могут быть в основном минорные моносахариды: манноза, метилпентозы рамноза и фукоза, арабиноза, ксилоза. На конце этого олигосахарида имеется еще одно производное моносахаридов: сиаловые кислоты (ацильные производные нейраминовой кислоты). Если в крови увеличивается концентрация сиаловых кислот - значит, идет распад межклеточного матрикса.

Это бывает при воспалении.

Гликопротеины делят на 2 группы: растворимые и нерастворимые. Углеводная часть гликопротеинов очень вариабельна. Важное значение имеет последовательность моносахаридов, как и последовательность аминокислот в белковой части. Из гликопротеинов наиболее изучены растворимый фибронектин и нерастворимый ламинин.

Специфические белки соединительной ткани

Коллаген – главный белок межклеточного вещества. Он составляет 25-33% общего количества белков организма человека, т.е. явля-

ется самым распространенным белком.

Коллагены синтезируются соединительно-тканными и другими

клетками и отличаются строением полипептидных цепей, кодируемых

478

определенными генами для каждой. Из разных тканей выделены 15 типов коллагеновых молекул – изоколлагены, входящие в состав кожи, костей, хрящевой ткани, стенок сосудов, клапанов сердца, роговицы, дентина. Они отличаются составом аминокислот и их последовательностью и, соответственно, выполняемой функцией. Одни типы изоколлагенов формируют волокна, другие – обеспечивают соединение коллагеновых волокон с молекулами межклеточного вещества, третьи – образуют сетевидные структуры и, находясь в базальных мембранах, обеспечивают связь клеточных слоев эпителия с подлежащей соединительной тканью (важно для кожи).

Таким образом, коллагены отличаются большой микрогетерогенностью.

Из них важное значение имеют следующие типы:

I.– из кожи, костей, связок – содержит менее 10 остатков гидро-

ксилизина на цепь, мало углеводов.

II.– из хрящевой ткани – содержит более 10 остатков гидроксили-

зина на цепь и 10% углеводов.

III.– из стенок сосудов – много гидроксипролина и гидроксилизина,

мало углеводов.

IV.– из базальной мембраны – содержит много 3-гидроксипролина,

более 20 остатков гидроксилизина и мало аланина в цепи.

Строение коллагена. Молекулы коллагена представляют собой палочки длиной около 300 нм и в диаметре около 1,5 нм. Молекула состоит из трех полипептидных цепей, каждая из которых содержит примерно 1000 аминокислот. Аминокислотный состав отличается высоким содержанием глицина ~33% (каждая третья аминокислота), 21% составляет пролин, 11% – аланин. Белок отличается также наличием оксипролина и оксилизина, низким содержанием тирозина и серосодержащих аминокислот, отсутствием триптофана. Каждая полипептидная цепь скручена в виде левой спирали, содержащей три аминокислотных остатка в витке (высота одного аминокислотного остатка 0,29 нм). Водородные связи для ее стабилизации не используются.

Три полипептидных цепи скручены в правую суперспираль, удерживаемую водородными связями между С=О и N–Н-группами со-

седних цепей. Такая молекула называется тропоколлагеном. Молекулы тропоколлагена соединяются конец в конец, образуя микрофибриллу. Микрофибриллы располагаются параллельно, и образуется фибрилла. Цепи из молекул тропоколлагена уложены в фибриллах так, что начало молекул в соседних цепях смещено на четверть длины молекулы (~75 нм), что обусловливает прочность. Фибриллы укладываются параллельно, образуя коллагеновое волокно. Стабилизация фибрилл и коллагеновых волокон осуществляется поперечными ковалентными связями между соседними микрофибриллами, которые образуются

479

следующим образом. В части остатков лизина и гидроксилизина NН2-

группы окисляются ферментом лизилоксидазой до альдегидных, которые взаимодействуют с остатками лизина и гидроксилизина или между собой с образованием шиффовых оснований или альдолей.

Нарушение образования таких поперечных связей вследствие отсутствия лизилоксидазы наблюдается при наследственных заболеваниях, это отражается на свойствах коллагена.

Коллаген – сложный белок, гликопротеин. М.м. 310000 Да. В коллагенах позвоночных углеводов обычно меньше 1%, и они в основном представлены Д-галактозой и Д-глюкозой.

Коллагеновые волокна – понятие морфологическое. Они представляют собой цилиндры с диаметром от 5 до 200 нм в зависимости от ткани. Расположение волокон в ткани разнообразно: в коже и сухожилиях параллельно, в заживающей ране хаотично, в роговице, стекловидном теле глаза строго ориентировано, т.к. обусловливает пропускание света.

Синтез коллагена происходит в виде высокомолекулярного предшественника проколлагена, имеющего на N- и C-концах добавоч-

ные последовательности (домены), содержащие цистеин. Домены образуют глобулярные структуры. N-концевой домен способствует ук-

ладке полипептидных цепей и образованию тройной спирали в клетке, в то же время домены тормозят образование фибрилл здесь, т.к. это было бы катастрофой для клетки. Проколлагеновые молекулы секретируются в межклеточное вещество, где происходит ферментативное отщепление доменов, при этом C-домен способствует образованию

фибрилл здесь. Фибриллы объединяются в волокна. Образование волокон основано на том, что растворимость молекул коллагена почти в 1000 раз меньше, чем молекул проколлагена. Это обеспечивает их тенденцию к самоагрегации.

Уже в период трансляции на рибосомах начинается гидроксилирование пролина и лизина ферментами пролингидроксилазой и лизингидроксилазой, которое заканчивается уже после образования трехспиральной структуры. В процессе гидроксилирования важную роль играет аскорбиновая кислота. В ее отсутствие синтезируемый коллаген непрочен, т.к. нарушается его гидроксилирование. Это наблюдается при цинге. После окончания гидроксилирования вводится углеводный компонент – галактоза, глюкоза, присоединяемые О-гликозидной связью к OH-группе гидроксилизина (в дельта положении).

Особенность обмена коллагена заключается в том, что он синтезируется с относительно высокой скоростью и в то же время медленно распадается: период полураспада коллагена, выделенного из мышц – 50-60 дней, из печени и кишечника – 20-30 дней. Коллаген отличается

и малой метаболической активностью, особенно инертен коллаген су-

480

хожилий.

Медленный распад, по-видимому, обусловлен тем, что молекулы

белка входят в ригидные фибриллярные структуры, в которых они труднодоступны для действия протеолитических ферментов. Это очень важно при заживлении и регенерации.

Физико-химические свойства коллагена. Коллаген нераство-

рим в воде, почти нерастворим в нейтральных солевых растворах, слабых кислотах и щелочах. Это связано с процессом фибриллогенеза. Фибробласты синтезируют молекулы коллагена, поступающие в экстрацеллюлярное пространство, где идет процесс полимеризации этих молекул. Свободные или непрочно связанные между собой молекулы коллагена и даже отдельные полипептидные цепи экстрагируются нейтральными солевыми растворами. Этот «молодой» коллаген содержит мало поперечных ковалентных связей и хорошо растворяется в солевых растворах, при образовании поперечных связей – «старении» уменьшается растворимость в солевых растворах. Таким образом, в соединительной ткани имеется «спектр» из различно агрегированных молекул коллагена. Если нерастворимые коллагены экстрагировать кипящей водой, они частично солюбилизируются, образуя раствор желатина. При этом слабые нековалентные связи разрываются, и спирали превращаются в беспорядочные хаотические клубки, т.е. происходит денатурация коллагена. Раствор желатина (денатурированной формы коллагена) содержит тропоколлагеновые цепи и их фрагменты. При охлаждении этих растворов образуется гель.

Эластин. Второй главный белок соединительной ткани, находящийся в эластических волокнах. Эластические волокна распространены в органах, где при малых нагрузках имеет место большая деформация (аорта, артериальные стенки, легкие, связки, желтая затылочная связка) с восстановлением формы после нагрузки.

Эластин – фибриллярный белок с м.м. 72000 Да. Содержит около 750 аминокислот: больше неполярных, много глицина и пролина (как и коллаген), валин, аланин, но мало гидроксипролина и гидроксилизина. Не гликозилирован. Образует спираль особого типа, отличающуюся от-спирали и спирали коллагена. Синтезируется фибробластами в виде

481