Funktsional'naia_biokhimiia

151

миоцитами, лимфоцитами, нейтрофилами, тромбоцитами, макрофагами, моноцитами, фибробластами, нейронами, гепатоцитами, тучными клетками – и контролирует в них многие функции и биохимические процессы. Одно из наиболее удивительных открытий последнего десятилетия – установление роли NO как внутриклеточного мессенджера.

Образование монооксида азота происходит в результате окисления атомом кислорода L-аргинина в присутствии специфического фермента NO-

синтазы:

2L-аргинин + 3НАДФН + 4O2 + 3H+ → 2L-цитруллин + 2NO + 3НАДФ+ + 4H2O

В зависимости от структуры и локализации различают следующие изоформы NO-синтаз (NOS): эндотелиальные (eNOS), нейрональные (nNOS) и макрофагальные (mNOS). В активный центр NOS входит железопорфириновый комплекс, содержащий цистеин или метионин. В синтез монооксида азота посредством NO-синтаз включаются шесть кофакторов: никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФН), флавинадениндинуклеотид (ФАД), флавинмононуклеотид (ФМН), тетрагидробиоптерин, гем и кальмодулин.

Активность eNOS зависит от концентрации Са2+ и кальмодулина. Механизм действия eNOS и nNOS имеет сходный характер. Под влиянием вазодилятаторных агентов (ацетилхолина, аденозина, 5-оксиптриптамина, глутамата, брадикинина, гистамина и других) в цитозоле эндотелиальных клеток возрастает уровень Са2+, который соединяется с кальмодулином. Комплекс Ca2+/кальмодулин выступает как кофактор, активирующий NOS. Под влиянием NOS образуются малые количества NO, который осуществляет местную регуляцию. Он диффундирует к прилегающим гладким мышцам, вызывая последовательную активацию гуанилатциклазы, протеинкиназы G, протеинфосфатазы. В результате дефосфорилируется одна из субъединиц К+ мембранного канала, приводя к усилению калиевой проводимости через плазматическую мембрану миоцитов. Вследствие конформационных изменений, вызванных гиперполяризацией мембраны, снижается проницаемость кальциевых каналов и падает уровень свободного Са2+ в клетках. Это вызывает расслабление миофибрилл и является причиной снижения тонуса кровеносных сосудов. Данный механизм расслабления гладких мышц показан схематично на рисунке 6.10.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

152

Рисунок 6.10. – Синтез монооксида азота (NO) и механизм расслабления гладких мышц

СПР – саркоплазматический ретикулум, eNOS – эндотелиальная NO-синтаза,PKG – протеинкиназа G, P – рецептор, ГЦ – гуанилатциклаза, цГМФ – циклический гуанозинмонофосфат, ГМК – гладкомышечная клетка

На этом механизме основано действие нитроглицерина и других нитросодержащих сосудорасширяющих препаратов.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

153

ТЕМА № 7 ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

СОЕДИНИТЕЛЬНОЙ ТКАНИ

План:

1.Структурно-функциональные особенности соединительной ткани.

2.Биохимия клеточных элементов соединительной ткани.

3.Межклеточный органический матрикс. Коллаген, эластин, протеогликаны, гликозаминогликаны: образование и катаболизм, функциональное значение.

4.Биохимия костной ткани. Химический состав. Коллаген и неколлагеновые белки костной ткани.

5.Регуляция процессов минерализации и деминерализации в костной

ткани.

6.Особенности биохимии хрящевой ткани.

1. Структурно-функциональные особенности соединительной ткани.

Соединительные ткани – это комплекс мезенхимных производных, состоящий из клеточных дифферонов и большого количества межклеточного вещества (волокнистых структур и аморфного вещества), участвующих в поддержании гомеостаза внутренней среды и отличающихся от других тканей меньшей потребностью в аэробных окислительных процессах.

Соединительная ткань составляет более 50 % массы тела человека. Она участвует в формировании стромы органов, прослоек между другими тканями, дермы кожи, скелета.

В понятие соединительные ткани (ткани внутренней среды, опорнотрофические ткани) объединяются неодинаковые по морфологии и выполняемым функциям ткани, но обладающие некоторыми общими свойствами и развивающиеся из единого источника – мезенхимы.

Структурно-функциональные особенности соединительных тканей:

1)внутреннее расположение в организме;

2)преобладание межклеточного вещества над клетками;

3)многообразие клеточных форм;

4)общий источник происхождения – мезенхима; Функции соединительных тканей:

1)механическая;

2)опорная и формообразующая;

3)защитная (механическая, неспецифическая и специфическая иммунологическая);

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

154

4)репаративная (пластическая).

5)трофическая (метаболическая);

6)морфогенетическая (структурообразовательная).

Соединительная ткань – это внеклеточный матрикс вместе с клетками различного типа (фибробласты, хондробласты, остеобласты, тучные клетки, макрофаги) и волокнистыми структурами. Межклеточный матрикс представлен белками – коллагеном и эластином, гликопротеидами и протеогликанами, гликозаминогликанами (ГАГ), а также неколлагеновыми структурными белками – фибронектином, ламинином и др. Соединительная ткань подразделяется на:

1)собственно соединительную ткань (рыхлая волокнистая и плотная волокнистая, плотная волокнистая делится на неоформленную и оформленную);

2)скелетную (опорную) соединительную ткань – костную и хрящевую;

3)трофическую ткань – кровь и лимфа;

4)соединительную ткани со специфическими свойствами –

жировую, слизистую, пигментную, ретикулярную.

2. Биохимия клеточных элементов соединительной ткани.

Рассмотрим сначала клеточные элементы собственно соединительной ткани. Среди клеток рыхлой соединительной ткани различают много типов клеток. Однако, за определенными признаками их возможно объединить в три следующие группы.

Клетки фибробластического ряда – это фибробласты различного степеня зрелости, фиброциты, миофибробласты и фиброкласты.

Фибробласты – это клетки-продуценты межклеточного вещества. Именно они синтезируют как волокнистые структуры, так и основные компоненты аморфного вещества. В сущности, фибробласты строят соединительную ткань. Благодаря их способностям строить основные опорные структуры организма, фибробласты часто называют механоцитами. Деятельность этих клеток обеспечивает заживления ран, развивтие рубца, образования капсулы вокруг чужеродного тела. К фибробластам принадлежит многочисленная группа клеток, разных за степенью дифференциации, которые образуют так называемый фибробластический ряд (или диферон): стволовые клетки – полустволовые клетки-предшественники

– малоспециализированные фибробласты – зрелые фибробласты – фиброциты. Кроме того, к этому же ряду принадлежат миофибробласты и фиброкласты. Основные биохимические функции фибробластов суммрованы на рисунке 7.1.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

155

Рисунок 7.1. – Биохимические функции фибробластов

Малоспециализированные, или юные, фибробласты округлой или веретенообразной формы с базофильной цитоплазмой содержат большое количество свободных рибосом. Другие органелы (эндоплазматическая сетка, митохондрии, комплекс Гольджи) развиты слабо. Способны к митотическому размножению. На пленочном препарате можно увидеть распределение клеточного тела фибробласта на две зоны – внутреннюю эндоплазму, которая окрашивается интенсивнее, и внешнюю эктоплазму, окраска которой значительно слабее; она не имеет четких границ и сливается с окружающим межклеточным веществом. Цитоплазма фибробласта содержит все общие органелы. Особенно хорошо развита гранулярная эндоплазматическая сеть, которая занимает до 35% объема клетки; здесь происходит синтез проколагена и эластина. Хорошо развит также и комплекс Гольджи, который составляет около 10 % объема клетки, в виде цистерн и пузырьков, разбросанных по всей клетке; здесь синтезируются гликозаминогликаны. Последние, как и фибрилярные белки, секретируются в межклеточное вещество и входят в состав волокон и аморфного вещества. Фибробласты также синтезируют фибрилярный гликопротеин внеклеточного матрикса – фибронектин, который обеспечивает связывание клеток с их

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

156

микроокружением и регулирует продвижение клеток. Митохондрии большие, количество их умеренное, как и лизосом.

На периферии цито­плазмы расположены микрофиламенты толщиной 5-6 нм, которые содержат сократительные белки (актин, миозин) и обеспечивают способность этих клеток к движению. Считают, что среди фибробластов существуют две популяции: с коротким жизненным циклом (несколько недель) и с длинным жизненным циклом (несколько месяцев).

Фиброциты – это дефинитивные (конечные) формы развития фибробластов. Форма их веретенообразная, они могут иметь крыловидные отростки. Содержат небольшое количество органелл. Синтетические процессы у них снижены.

Миофибробласты – это вид клеток, в которые могут превращаться фибробласты. Они функционально схожи с гладкими мышечными клетками, но, в отличии от последних, имеют хорошо развитую эндоплазматическую сетку. Такие клетки можно наблюдать в матке во время беременности, а также в грануляционной ткани (при заживлении ран).

Фиброкласты – еще один вид клеток, производных фибробластов. Они имеют высокую фагоцитарную активность, содержат значительное количество лизосом. Принимают участие в лизисе межклеточного вещества.

Помимо фибробластного ряда, соединительные ткани также содержат несколько специализированные клетки.

Иммигрирующие клетки – клетки, которые мигрировали с крови и лимфы, – это моноциты, которые превратились в макрофаги, плазмоциты, базофилы (тканевые базофилы) и лейкоциты – лимфоциты и нейтрофилы.

Макрофаги (макрофагоциты). Эти клетки также называют гистиоцитами. По количественному содержанию в рыхлой соединительной ткани макрофаги занимают второе место после фибробластов. В сравнении с последними они имеют меньшие размеры клеточного тела (10-15 мкм), которое хорошо отграничено от основного вещества. Форма разная: округлая, вытянутая или неправильная. Ядро тоже имеет меньшие размеры, не такую правильную форму, как у фибробласта, содержит больше гетерохроматина, выглядит плотным, окрашивается достаточно интенсивно. Цитоплазма макрофагов базофильная, неоднородная, пятнистая, содержит много лизосом, фагосом, пиноцитозных пузырьков. Другие органелы (митохондрии, гранулярная эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи) развиты умеренно.

Плазмолема макрофагов образует глубокие складки и длинные микроворсинки, с помощью которых эти клетки захватывают чужеродные частицы. На поверхности плазмолемы макрофага находятся рецепторы для опухолевых клеток, эритроцитов, Т- и В-лимфоцитов, антигенов, имуноглобулинов. Наличие рецепторов к иммуноглобулинам обеспечивает участие в имунных реакциях.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

157

Макрофаги играют важную роль как в естественном, так и в приобретенном иммунитете организма. Участие макрофагов в естественном иммунитете проявляется в их способности к фагоцитозу и в синтезе ряда активных веществ – фагоцитина, лизоцима, интерферона, пирогена, компонентов системы комплемента и других факторов естественного иммунитета. Их роль в приобретенном иммунитете состоит в передаче антигена иммунокомпетентным клеткам (лимфоцитам) после его переработки из корпускулярной формы в молекулярную (участие в кооперативной три-клеточной системе иммунного ответа вместе с Т- и В- лимфоцитами). Кроме того, макрофаги секретируют медиаторы-монокины, которые обеспечивают специфическую реакцию на антигены, и цитолитические факторы, которые избирательно разрушают опухолевые клетки.

Развивая концепцию фагоцитоза, И.И. Мечников обосновал целесообразность объединения фагоцитирующих клеток в одну систему, которую назвал макрофагической. Поэтому макрофагическая система организма является системой всех клеток, которые способны захватывать из тканевой жидкости чужеродные частицы, бактерии, антигены, погибшие клетки, их остатки и тому подобное.

Благодаря особенностям своего строения эти клетки ликвидируют вредные для организма агенты, которые попадают. Перечислим эти клетки: макрофаги-гистиоциты, фибробласты, остеокласты, свободные и фиксированные макрофаги кроветворных органов, звездчатые клетки сосудов печени, альвеолярные макрофаги легких, глиальные макрофаги (микроглиоциты) нервной ткани. Все эти клетки способны к фагоцитозу, имеют на поверхности плазмолемы рецепторы к иммуноглобулинам, поэтому способные к иммунному фагоцитозу.

Плазматические клетки (плазмоциты) имеют размеры 7-10 мкм, хотя могут быть несколько большими. Форма их округлая или многоугольная, если они давят одна на другую. Ядро небольшое, круглое, расположенное эксцентрически, содержит главным образом конденсируемый хроматин, комочки которого образуют характерный для плазмоцита рисунок – колеса со спицами или цифры на циферблате часов. Цитоплазма интенсивно базофильная, на фоне которой возле ядра хорошо видно перинуклеарную зону с более слабой расцветкой. Ультраструктура этих клеток характеризируется наличием в цитоплазме хорошо развитой гранулярной эндоплазматической сети, расположенной концентрически и занимающей большую часть клетки. В цистернах гранулярной эндоплазматической сети плазмоцитов происходит синтез иммуноглобулинов (антител). Часть углеродного компонента иммуноглобулинов синтезируется в комплексе Гольджи. Эта органелла, которая достаточно хорошо развита в плазмоцитах, отвечает также за секрецию синтезированных иммуноглобулинов за пределы клетки; дальше они попадают через лимфу в кровь.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

158

Таким образом, плазмоциты обеспечивают гуморальный иммунитет, то есть продукцию специфических белков-антител, реагируя на проникновение в организм антигена, который им будет обезврежен. Происходят плазматические клетки из стволовых кроветворных клеток, а именно с В- лимфоцитов. Тканевые базофилы имеют много названий, которые целесообразно привести, чтобы помочь ориентироваться в литературе: мастоциты, лаброциты, тучные клетки. Последнее название дал этим клеткам П. Эрлих, который в 1877г. впервые описал клетки, которые были переполнены гранулами. Это название очень распространено в литературе. Название «тканевые базофилы» отвечает современной международной гистологической номенклатуре и свидетельствует о том, что клетки имеют зернистость, подобную к гранулам базофильных лейкоцитов крови. Тканевые базофилы часто локализуются по ходу кровеносных сосудов микроциркуляторного русла, образуя периваскулярные влагалища.

Группа необязательных, непостоянных клеток – адипоциты

(жировые клетки), пигментоциты, адвентиционные клетки и перициты. Адипоциты (жировые клетки). Раньше они назывались липоцитами.

Эти клетки способны накапливать в своей цитоплазме резервные липиды, которые принимают участие в трофике, энергообразовании и метаболизме воды. В рыхлой соединительной ткани они располагаются группами, реже по одной клетке, и, в большей части, возле кровеносных сосудов. Когда их накапливается большое количество, они образуют жировую ткань.

Форма одиночного адипоцита шаровидная, а когда их много, они преобретают многоугольную форму. Зрелая жировая клетка содержит одну большую каплю жира, которая растягивает всю клетку так, что цитоплазма лишь тонким слоем окружает жировую каплю. Ядро изменяет свою форму, становится сплющенным. Диаметр жировой клетки может достигать 120 мкм. Липиды хорошо окрашиваются суданом ІІІ в оранжевый цвет или осмиевой кислотой в черный цвет.

Органелы расположены в основном вокруг ядра, где больше цитоплазмы. В жировой клетки есть свободные рибосомы, оба типа эндоплазматической сетки, комплекс Гольджи и митохондрии. Скопление таких жировых клеток образует белую жировую ткань.

Жировые капли, которые поступают в лимфу, а затем в кровь с эпителиоцитов тонкого кишечника, размерами около 1 мкм, имеют название хиломикронов (от греческого «хилос» – сок, «микрон» – малый). В этих частицах содержатся триглицериды, а также фосфолипиды, эфиры холестерина и небольшое количество белков, которые образуют с липидами липопротеины. Под действием ферментов липопротеинлипаз, которые вырабатывает эндотелий сосудов, триглицериды хиломикронов расщепляются на жирные кислоты и глицерин, которые могут поглощаться жировой клеткой. Под действием глицерокиназы, которая образуется в этой клетке в процессе углеводного обмена, из жирных кислот и глицерина ресинтезируются триглицериды. Депонируемый в адипоцитах жир

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

159

метаболизируется под действием липолитических гормонов (адреналин, инсулин) и тканевого фермента липазы, который расщепляет триглицериды ло глицерина и жирных кислот. Последние связываются с альбумином крови и транспортируются к другим тканям, которым нужны питательные вещества.

Пигментоциты (пигментные клетки, меланоциты) содержат в своей цитоплазме пигмент меланин. Встречаются не только в соединительной ткани, но и в составе эпителия, в частности, в базальном слое эпидермиса. Меланоциты соединительной ткани, как правило, не продуцируют меланин, а лишь накапливают его (о чем свидетельствует отрицательная ДОФАреакция). Единственное исключение – люди монголоидного типа, у них в соединительной ткани дермы копчикового участка встречаются меланинсинтезирующие пигментные клетки, которые формируют здесь так называемое монгольськое пятно. Меланоциты, в отличие от других клеточных популяций соединительной ткани, происходят из клеток нервного гребня, а не с мезенхимы.

Адвентиционные клетки – это популяция малоспециализированных клеток, которые располагаются вдоль кровеносных сосудов. Они имеют плоскую или веретенообразную форму, слабо базофильную цитоплазму, овальное ядро и слабо развитые органелы. В процессе дифференциации эти клетки могут, очевидно, переходить в фибробласты и адипоциты. Многие авторы отрицают существование адвентиционных клеток.

О клеточном составе костной ткани будет сказано в п. 5, клеточный состав крови быол рассмотрен в теме 2.

3. Межклеточный органический матрикс. Коллаген, эластин, протеогликаны, гликозаминогликаны: образование и катаболизм, функциональное значение.

В интерстициальном внутритканевом пространстве между животными клетками находится сложное межклеточное вещество, экстрацеллюлярный (межклеточный) матрикс. У многих тканей, например в мышцах и печени, матрикс заполняет только тонкие промежутки между клетками, тогда как в других тканях, таких, как соединительная, хрящевая и костная ткани, на межклеточный матрикс приходится большой объем и именно он выполняет основные функции. На схеме (рис. 7.2) в упрощенном виде представлены три главных компонента межклеточного матрикса: прочные коллагены, сетчатые адгезивные белки и основное вещество, протеогликаны.

Межклеточный матрикс выполняет разнообразные функции. Он обеспечивает механические контакты между клетками, образует механически прочные структуры, такие, как кости, хрящ, сухожилия и суставы, составляет основу фильтрующих мембран (например, в почках), изолирует клетки и ткани друг от друга (например, обеспечивает скольжение в суставах и движение клеток), формирует пути миграции клеток, вдоль которых они могут перемещаться, например при эмбриональном развитии. Таким

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

160

образом, межклеточный матрикс чрезвычайно вариабелен как по химическому составу, так и по выполняемым функциям.

Рисунок 7.2. – Компоненты межклеточного матрикса

Коллагены, которых известно по крайней мере 12 вариантов, образуют нити, фибриллы, сетки и связки. Характерные свойства коллагенов – прочность на разрыв и гибкость. Эластичным белком с аналогичными свойствами является эластин. Адгезивные белки связывают различные составные компоненты межклеточного матрикса. Наиболее важными представителями являются ламинин и фибронектин. Эти полифункциональные белки характеризуются свойством связывать ряд других компонентов матрикса. Адгезивные белки обеспечивают фиксацию клеток в межклеточном матриксе за счет взаимодействия с мембранными рецепторами. Протеогликаны выполняют функцию наполнителя (основного вещества). Благодаря полярной природе и сильному отрицательному заряду, они связывают катионы и основную часть воды. Рассмотрим каждый класс веществ и его роль в функционировании соединительной ткани подробнее.

Типичными представителями адгезивных белков являются фибронектины. Молекулы фибронектинов представляют собой димеры сходных между собой полипептидных цепей (250 кДа), связанных дисульфидными связями (рис. 7.3). Субъединицы подразделяются на ряд различных доменов способных связываться с клеточными рецепторами, коллагенами, фибрином и протеогликанами. Такая особенность строения фибронектинов придает им свойство «молекулярного клея».

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ