Глава 1. Характеристика основных компонентов соединительной ткани: коллаген и гаг

Клетки организма человека организованы в соответствующие ткани, где они окружены внеклеточным матриксом (ВКМ), который является соединительной тканью. ВКМ обеспечивает гомеостаз клеток, а также обеспечивает эластичность там, где это необходимо (например, в кровеносных сосудах, легких и коже). ВКМ представлен тремя основными классами белков: (1) структурными белками (например, коллаген, эластин и фибриллин), (2) белками со специализированными функциями (фибронектин и ламинин) и (3) протеогликанами – это сложные белки, небелковой частью которых являются гетерополисахариды – гликозаминогликаны (ГАГ). Установлено, что ВКМ участвует во многих нормальных и патологических процессах, например, он играет важную роль в развитии воспаления, также существуют характерные изменения ВКМ при развитии злокачественного новообразования (опухоли). Вовлечение определенных компонентов ВКМ было зарегистрировано как при ревматоидном артрите, так и при остеоартрите. Некоторые заболевания (например, несовершенный остеогенез и ряд разновидностей синдрома Элерса-Данлоса) обусловлены генетическими нарушениями синтеза коллагена и его посттрансляционной модификации. Нарушение метаболизма ГАГ приводит к развитию мукополисахаридозов. Также, изменения ВКМ характерно для стареющего организма. В «Разделе 1» мы описываем биохимические основы трех основных классов белков ВКМ и иллюстрируется их биомедицинское значение.

Кроме волокнистой соединительной ткани, которая обеспечивает формирование ВКМ к соединительнотканным образованиям относят: кровь, лимфу, жировую, ретикулярную, пигментную, слизистую, хрящевую и костную ткани.

Главным белком соединительной ткани является коллаген. Коллагеновые и эластиновые волокна являются фибриллярными структурами. В рыхлой соединительной ткани волокна располагаются рыхло и неупорядоченно, тогда как в плотной оформленной волокнистой соединительной ткани волокна имеют чёткое направление. В межклеточном веществе кроме фибриллярных структур имеется аморфное вещество.

Аморфное (основное) вещество представляет из себя гель, в состав которого входят ГАГ, липиды, протеогликаны, альбумины, глобулины крови, ферменты, минеральные вещества и вода.

Коллаген – это основной нерастворимый гликозилированный белок (гликопротеин) соединительной ткани и соответственно ВКМ. Термином «коллаген» обозначена группа белков, формирующих характерную тройную спираль из трёх полипептидных цепей. Данные белки отличаются по размеру, функциям, распределению в тканя, степени гидроксилирования и гликозилирования, а также этапам пост-трансляционной модификации. В настоящее время описано 28 различных типов коллагена. Коллагены I, II, III типов преобладают в организме человека и поэтому являются доминантными, на их долю приходится около 95% всех типов коллагена (табл.1).

Таблица 1.

Классификация типов коллагенов и из локализация в организме

Тип	Локализация
Коллагены формирующие фибриллы
I	Кожа, кости, сухожилия, связки, роговица
II	Хрящи, межпозвоночные диски, стекловидное тело
III	Кожа, стенка сосудов, легкие, печень, селезенка
V	Кости, роговица, легкие, плацента, вместе с коллагеном I типа
XI	Хрящи, стекловидное тело
Коллаген базальных мембран
IV	Базальные мембраны
Коллаген формирующий микрофибриллы
VI	Кожа, хрящи, легкие, плацента, сосудистая стенка, межпозвоночные диски
Коллаген формирующий «заякоренные фибриллы»
VII	Кожа (эпидермально-дермальное соединение), слизистая оболочка ротовой полости
Коллагены формирующие формирующие гексогональные сети
VIII	Эндотелиальные клетки, десцеметовые мембраны эндотелия роговицы
X	Гипертрофированный хрящ
Коллагены ассоциированные с фибриллами (протеогликаны)
IX	Хрящи, роговица
XII	Кожа, кости, сухожилия, связки
XIV	Кожа, сухожилия, сосудистая стенка, плацента, легкие, печень
XIX	Рабдомиосаркома, гиппокамп
XX	Эпителий роговицы, кожа эмбриона, стернальный хрящ
XXI	Сосудистая стенка
Трансмембранные коллагены
XIII	Эпидермис, хондроциты, кишечник, легкие, печень
XVII	Кожа (эпидермально-дермальное соединение)
Мультиплексированные коллагены
XV	Фибробласты, гладкомышечные клетки, почки, поджелудочная железа
XVI	Фибробласты, кератиноциты
XVIII	Легкие, печень

Коллаген содержит большое количество аминокислот с небольшим по размерам боковым радикалами: глицин (самая маленькая аминокислота), аланин, пролин (оксипролин) и лизин (оксилизин). В коллагене можно обнаружить повторяющийся аминокислотный мотив Гли-Х-У (где Х и У – любая аминокислота, около 100 в Х позиции это пролин и около 100 в У позиции гидроксипролин).

Цепь коллагена состоит из ~ 1000 ак, существуют различные варианты α-цепей коллагена. К примеру коллаген I типа состоит из двух α₁ и одной α₂ цепей. Таким образом коллаген I типа гетеротримерный, а к примеру, коллаген II типа (в котором все три цепи α₁ – гомотримерный).

Коллаген не содержит «дорогих» аминокислот: цистеин, тирозин, триптофан, гистидин и содержит малое количество метионина.

Некоторые типы коллагена не образуют фибрилл в тканях (табл.1). Они характеризуются прерываниями тройной спирали с участками белка, в которых отсутствуют повторяющиеся последовательности Гли-Х-У. Эти не-Гли-Х-У последовательности приводят к областям глобулярной структуры, перемежающимся в тройной спиральной структуре. Коллагены формирующие сети, такие как IV типа, образуют сети в базальных мембранах; ассоциированные с фибриллами коллагены с прерванными тройными спиралями, как следует из их названия, имеют прерывания в доменах тройной спирали; филаменты-бусы состоят из длинных цепочек молекул коллагена, которые имеют правильный вид бусинок; коллаген VII составляет основную часть якорных фибрилл в эпителиальных тканях; трансмембранные коллагены имеют короткие внутриклеточные N-концевые домены и внеклеточные домены с длинными прерванными тройными спиралями; мультиплексированные коллагены представляют собой коллагены с множественными доменами тройной спирали и неколлагеновыми последовательностями (рис.1). Рисунок 1. Основные типы коллагенов.

Коллаген 1. синтезируется внутриклеточно фибробластами (остеобластами, хондробластами) 2. секретируется (экзоцитозом) и имеет 3. внеклеточную стадию посттрансляционной модификации (рис. 2).

Рисунок 2. Основные этапы синтеза и посттрансляционной модификации коллагена.

Предшественник коллагена – препроколлаген синтезируется на полирибосомах. Препроколлаген представлен линейной последовательностью аминокислот и с N–конца имеет сигнальный пептид, который необходим для ориентации препроколлагена в ЭПР. Затем сигнальный пептид удаляется и образуется проколлаген.

В проколлагене аминокислоты пролин и лизин гидроксилируются, а также некоторые остатки гидроксилизина подвергаются гликозилированию. Концевые последовательности в проколлагене содержат остатки аминокислоты цистеин, что на следующем этапе определяет формирование дисульфидных связей. В N-концевой последовательности образуются только внутрицепочечные дисульфидные связи, тогда как в С-концевой последовательности есть формирование как внутрицепочечных, так и межцепочечных дисульфидных связей. Именно это и определяет начало формирование тройной коллагеновой спирали с С-конца. Самосборка является ключевым этапом в синтезе коллагена!

Секреция проколлагена обеспечена работой аппарата Гольджи. Внеклеточно проколлаген подвергается действию проколлаген аминопротеиназы и проколлаген карбоксипротеиназы, таким образом формируется мономерная единица коллагена или тропоколлаген. Соответственно дальше происходит полимеризация тропоколлагена в фибриллу. В таблице 2 представлены основные этапы синтеза коллагена. Примечательно, что у коллагенов, которые образуют сети (IV, VIII, X) концевые пептиды не отщепляются.

Модификация проколлагена в эндоплазматическом ретикулуме (ЭПР) включает гидроксилирование, гликозилирование, образование дисульфидных связей. Образование дисульфидных связей между С-концами трех цепочек проколлагена инициирует формирование тройной спирали коллагена.