Funktsional'naia_biokhimiia

171

Ферменты: 1 – гексокиназа; 2 – фосфоглюкоизомераза; 3 – аминотрансфераза; 4 – ацетилтрансфераза; 5 – N-ацетилглюкозаминфосфомутаза; 6 – УДФ-N- ацетилглюкозаминпирофосфорилаза; 7 – эпимераза; 8 – УДФглюкозаминпирофосфорилаза; 9 – УДФ-глюкопирофосфорилаза; 10 – УДФглюкозодегидрогеназа

В реакциях эпимеризации после включения глюкуроната в углеводную цепь из D-глюкуроновой кислоты образуется L-идуроновая кислота. На синтез гликозаминогликанов влияют соматотропин и ретиноевая кислота, которые активируют включение сульфата в молекулы. Напротив, синтез гиалуроновой кислоты и сульфатированных гликозаминогликанов тормозят глюкокортикоиды и половые гормоны.

Распад протеогликанов. Распад протеогликанов – физиологический процесс, заключающийся в регулярном обновлении внеклеточных и внутриклеточных макромолекул. В деградации протеогликанов участвуют протеиназы и гликозидазы. Вначале коровый и связующие белки подвергаются воздействию свободных радикалов и в межклеточном матриксе гидролизуются матриксными металлопротеиназами – коллагеназой, желатиназой, стромелизином. Протеиназы расщепляют коровый белок, а гликозидазы гидролизуют цепи гликозаминогликанов и олигосахаридов. Все протеогликаны, содержащие цепи хондроитинсульфата, дерматансульфата, гепарансульфата и кератансульфата, первоначально расщепляются на фрагменты. Затем фрагменты протеогликанов захватываются бластными клетками и подвергаются внутриклеточной деградации. Эти фрагменты могут также с лимфой и кровью переноситься в печень. В гепатоцитах происходит их дальнейший гидролиз, в котором участвуют аспартильные, сериновые и другие протеиназы.

Распад гликозаминогликанов. Гликозаминогликаны отличаются высокой скоростью обмена. В разрушении полисахаридных цепей участвуют экзо- и эндогликозидазы (гиалуронидаза, β-глюкуронидаза, β-галактозидаза, β-идуронидаза) и сульфатазы.

Из внеклеточного пространства по механизму эндоцитоза гликозаминогликаны поступают в клетку, где эндоцитозные пузырьки сливаются с лизосомами. Активные лизосомальные ферменты обеспечивают полный постепенный гидролиз гликозаминогликанов до мономеров. Расщепление интактных гликозаминогликанов в клетках начинается с их распада на фрагменты под действием эндогексозаминидаз и эндоглюкуронидазы. Образовавшиеся в реакциях гидролиза олигосахариды подвергаются последовательным действиям экзогликозидаз и сульфатаз, которые отщепляют мономеры с невосстанавливающегося конца. Так, гидролиз фрагментов хондроитинсульфата, содержащих на невосстанавливающем конце остаток N-ацетилгалактозамина, инициируется сульфатазой, а за ней в процесс включается β-N-ацетилгалактозаминидаза, а затем (3-глюкуронидаза. В итоге образуется неорганический сульфат и моносахариды (рис. 7.10).

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

172

Рисунок 7.10. – Распад хондроитинсульфата

Ферменты: 1 – эндогликозидаза; 2 – сульфатаза; 3 – β-N-ацетилгалактозаминидаза; 4 – β-глюкуронидаза

В распаде гиалуроновой кислоты до олигосахаридов участвует гиалуронидаза. Гидролиз образовавшихся олигосахаридов осуществляют β- N-ацетилглюкозаминидаза и β-D-глюкуронидаза. Внеклеточный распад гликозаминогликанов характерен только для гепарансульфата, который расщепляется гепараназой, синтезируемой тромбоцитами или Т- лимфоцитами.

Мукополисахаридозы – тяжёлые наследственные заболевания, обусловленые дефектами гидролаз, участвующих в катаболизме гликозаминогликанов. В лизосомах тканей, для которых характерен синтез наибольшего количества гликозаминогликанов, накапливаются не полностью разрушенные гликозаминогликаны и с мочой выделяются их олигосахаридные фрагменты. Существует несколько типов мукополисахаридозов, вызванных дефектами разных ферментов, участвующих в расщеплении гликозаминогликанов. Мукополисахаридозы проявляются нарушениями умственного развития у детей, поражениями сердечно-сосудистой системы, деформациями костного скелета, значительно выраженными в челюстнолицевой области, гипоплазией твёрдых тканей зубов, помутнением роговицы глаз, снижением продолжительности жизни. В настоящее время эти болезни не поддаются лечению, поэтому при

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

173

подозрении на носительство дефектных генов необходимо проводить пренатальную диагностику.

Нерастворимые нити соединительной ткани состоят из коллагена – самого распространенного белка организма человека. Он составляет до 33% общего количества белка. Коллаген является основным фибриллярным элементом кожи, костей, сухожилий, хряща, кровеносных сосудов, зубов.

Типичная молекула коллагена состоит из трех полипептидных цепей (одна цень – это одна структурная единица коллагена – тропоколлаген) разных типов (α-спиралей), скрученных в виде правой тройной спирали (рис. 7.12). В свою очередь полипептидные цепи построены из часто повторяющихся фрагментов, имеющих характерную последовательность – Gly-X-Y-. Этот белок имеет необычный аминокислотный состав: 1/З составляв глицин (Gly). примерно 10% пролин (Рrо), а также гидроксипролин (Hyp) и гидроксилизин (Hyl). Последние две аминокислоты образуются после биосинтеза коллагена путем посттрансляционной модификации. В структуре коллагена постоянно повторяется триплет Gly-X-Y (2), причем положение X часто занимает пролин, а Y – гидроксилизин. Каждым третьим аминокислотным остатком является глицин. Пролин (Pro) часто встречается в положениях X, положение Υ может быть занято как пролином, так и 4- гидроксипролином (4Нур). Кроме того, молекула коллагена содержит остатки З-гидроксипролина (ЗНур) и 5-гидроксилизина (5Нуl).

Присутствие в полипептидной цепи остатков гидроксиаминокислот является характерной особенностью коллагена. Уникальная структура тропоколлагена обусловлена высоким содержанием в нем глицина и иминокислот (пролина и оксипролина). Пирролидиновые кольца иминокислот имеют особые стереохимические свойства, которые способствуют формированию вторичной структуры в виде трёхцепочечных спиралей. Эта структура оказывается возможной также благодаря тому, что каждый третий остаток в последовательности представлен глицином, α- углеродный атом которого погружен внутрь молекулы, где R-группа другой аминокислоты разместиться не может. Три цепи стабилизируются водородными связями между СО- и NH-группами пептидных связей соседних цепей.

В тропоколлагене, в отличие от глобулярных белков, R-группы всех аминокислот находятся на внешней стороне молекулы и не участвуют в стабилизации структуры, хотя возможно, что они участвуют в межмолекулярном взаимодействии при образовании фибрилл и волокон

Остатки пролина и лизина гидроксилируются посттрансляционно, т.е. после включения в полипептидную цепь. На одном из концов молекула коллагена сшита поперечными связями, образованными боковыми цепями остатков лизина. Количество поперечных связей возрастает по мере старения организма.

Известно по крайней мере 12 вариантов коллагена, характеризующихся различным сочетанием полипептидных α-цепей (α1, α3 и др. подтипы).

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

174

Коллаген I типа [α1(I)]2α2 содержит 33% глицина, 13% пролина, 1% гидроксилизина и малое количество углеводов. Определяется в составе костей, дентина, пульпы зуба, цемента, периодонтальных волокон. Этот тип коллагеновых волокон участвует в процессах минерализации.

Коллаген II типа [α1(II)]3 присутствует в хрящах и образуется в нехрящевых тканях на ранних стадиях развития. Данный тип коллагена содержит небольшое количество 5 -гидроксилизина (менее 1%) и отличается высоким содержанием углеводов (более 10%).

Коллаген III типа [α1(III)]3 присутствует в стенках кровеносных сосудов. Отличительной особенностью этого коллагена является наличие большого количества гидроксипролина. В составе α-цепей присутствует цистеин, а сама молекула коллагена слабо гликозилирована.

Коллаген V типа [α(V)α2(V)α3(V)] представляет собой гибридную молекулу, состоящую из различных цепей, а именно: α1(V), α2(V) и α3(V).

Фибриллярные коллагены также могут иметь в своём составе 2 и более различных типов коллагенов. Так, в некоторых тканях присутствуют гибридные молекулы, содержащие цепи коллагена V и XI типов.

Коллагены, ассоциированные с фибриллами. В организации межклеточного матрикса слизистой оболочки, хряща и цемента корня зуба участвуют коллагены IX, XII, XIV типов. Коллагеновые белки этого класса не способны формировать фибриллы, но, связываясь с фибриллярными коллагенами, они ограничивают длину, толщину и ориентацию фибрилл коллагенов I и II типов. Особенностью коллагенов, ассоциированных с фибриллами, является наличие в их структуре как глобулярных, так и фибриллярных доменов. α-Цепи коллагена IX типа [α(IX)α2(IX)α3(IX)] состоят из 3 фибриллярных и 4 глобулярных доменов. Они связаны поперечными ковалентными связями с фибриллами коллагена II типа. Молекула коллагена IX типа также содержит боковую гликозаминогликановую цепь и большое количество положительно заряженных групп, поэтому к ней могут присоединяться отрицательно заряженные молекулы гиалуроновой кислоты и хондроитинсульфата. В аналогичные взаимодействия с фибриллярными коллагенами I типа вступают коллагены XII типа. Этот тип коллагена локализуется в хряще, цементе, а также в слизистой оболочке полости рта в местах соединения эпителия с субэпителиальными слоями.

Нефибриллярные (сетевидные) типы коллагена. К группе нефибриллярных коллагенов относят коллагеновые белки IV, VIII и X типов, которые отличаются по длине и размеру и способны формировать сетевидные структуры. Наиболее распространен, в том числе и в тканях полости рта, коллаген IV типа, являющийся основным структурным белком базальных мембран. Коллаген IV типа содержит 1 α1(IV) и 2 α2(IV) цепи. Пептидные цепи коллагена IV типа после секреции не подвергаются протеолитической модификации и поэтому сохраняют структуру N- и С- концевых глобулярных доменов (NC1, 7S и NC2) (рис. 7.11).

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

175

Рисунок 7.11. – Структура коллагена типа IV

В N- и С-концевых областях содержатся глобулярные домены 7S, NC1 и NC2

В отличие от фибриллярных коллагенов, α-цепи молекулы коллагена IV типа содержат «неколлагеновые» аминокислотные области не только в N- и С-концевых отделах, но и на протяжении всей молекулы. Концевые домены NC1, 7S коллагеновых мономеров в процессе самоагрегации взаимодействуют между собой и образуют связи «конец в конец», что приводит к формированию димеров и тримеров. Суперспирализацию обеспечивают боковые взаимодействия и связи «конец в конец». В результате формируются трёхмерные структуры, подобные сетке с гексагональными ячейками размерами 170 нм.

Коллагены, образующие микрофибриллы. К коллагенам, образующим микрофибриллы, относят коллаген VI типа. Являясь короткоцепочечным белком, он образует микрофибриллы, располагающиеся между фибриллами интерстициальных коллагенов. Для этого типа коллагенов характерно присутствие в α-цепях больших глобулярных доменов в N- и С-концевых областях и короткого трёхспирального домена между ними. В процессе синтеза внутри клетки 2 молекулы этого коллагена соединяются антипараллельно с образованием димера, а из димеров образуются тетрамеры, которые секретируются из клетки. Вне клетки тетрамеры связываются «конец в конец» с формированием микрофибрилл. Молекулы этого коллагена содержат многочисленные последовательности арг-гли-асп (RGD), которые обеспечивают клеточную адгезию путём присоединения к мембранным адгезивным белкам – интегринам α1β1 и α2β1. Кроме того, коллаген VI типа способен связываться с фибриллами интерстициальных коллагенов, протеогликанами и гликозаминогликанами.

Фибриллы коллагена образованы молекулами тропоколлагена, уложенными конец к концу и бок о бок. Параллельные цепи тропоколлагеновой фибриллы уложены так, что начало соседней цепи смещено на четверть длины (рис. 7.13). Такое расположение обеспечивает перекрывание, необходимое для взаимодействия N-концевого участка одной молекулы с С-концевым участком другой.

Коллаген характеризуется высокой устойчивостью по отношению к протеолитическим ферментам. Однако существуют ферменты – коллагеназы, специфически расщепляющие коллаген. Один тип коллагеназ синтезируется бактериями Clostridium histolyticum (бактерии, вызывающие газовую гангрену). Этот фермент расщепляет полипептидную цепь коллагена более чем в 200 участках, разрушая соединительнотканные барьеры организмахозяина и способствуя тем самым проникновению высокопатогенного

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

176

клостридия в организм. Сама бактерия не содержит коллагена и поэтому не подвержена действию коллагеназы. Второй тип – это тканевые коллагеназы, которые обнаруживаются у земноводных и млекопитающих в растущих или подвергающихся метаморфозу тканях, например, в хвостовом плавнике головастиков в период метаморфоза.

Молекулы коллагенов обладают свойством спонтанно агрегировать с образованием более сложных структур, микрофибрилл и фибрилл. Большинство коллагенов образуют фибриллы цилиндрической формы (диаметром 20-500 нм) с характерными поперечными полосами, повторяющимися через каждые 64-67 нм.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

177

Рисунок 7.12. – Структура коллагена

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

178

Биосинтез коллагенов. Коллаген синтезируется фибробластами в виде высокомолекулярного предшественника, называемого проколлагеном, который имеет добавочные последовательности у N- и С-концов всех трех цепей тропоколлагена (рис. 7.13).

Рисунок 7.13. – Биосинтез коллагена

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

179

Коллаген синтезируют и поставляют в межклеточный матрикс почти все клетки (фибробласты, хондробласты, остеобласты, одонтобласты, цементобласты, кератобласты и др.). Синтез и созревание коллагена является сложным многоэтапным процессом, который начинается в клетке и заканчивается в межклеточном матриксе. Нарушения синтеза коллагена, обусловленные мутацией в генах, а также в процессе трансляции и посттрансляционной модификации сопровождаются появлением дефектных коллагенов. Поскольку около 50% всех коллагеновых белков содержатся в тканях скелета, а остальные 40% в дерме и 10% в строме внутренних органов, то нарушения синтеза коллагена сопровождаются патологией как костно-суставной системы, так и внутренних органов.

Синтез коллагена включает два этапа. На внутриклеточном этапе происходит трансляция и посттрансляционная модификация полипептидных цепей, и на внеклеточном – модификации белка, завершающаяся образованием коллагеновых волокон (рис. 7.13).

Внутриклеточный этап синтеза коллагена. Пептидные α-цепи коллагена синтезируются на полирибосомах, связанных с мембранами эндоплазматической сети. Её синтезированные пептидные цепи в цистернах подвергаются посттрансляционной модификации, которая включает:

–удаление сигнального пептида проколлагеновой цепи при участии специфической протеиназы;

–гидроксилирование остатков пролина и лизина, которое начинается в период трансляции полипептидной цепи вплоть до её отделения от рибосом.

Реакции гидроксилирования катализируют оксигеназы: прокол-

лагенпролил-4-диоксигеназа (пролил-4-гидроксилаза), проколлаген-пролил-3- диоксигеназа (пролил-3-гидроксилаза) и проколлагенлизил-5-диоксигеназа

(лизил-5-гидроксилаза). В реакции гидроксилирования используются О2 и 2- оксоглутарат, а в качестве кофактора участвует аскорбиновая кислота. Гидроксилазы пролина и лизина в активном центре содержат Fе2+, а аскорбиновая кислота, которая легко окисляется в дегидроаскорбиновую кислоту, необходима для сохранения атома железа в ферроформе (рис. 7.14).

Рисунок 7.14. – Окисление аскорбиновой кислоты в реакции гидроксилирования пролина

В реакциях гидроксилирования один атом кислорода присоединяется к четвёртому атому углерода в остатке пролина, а второй атом кислорода включается в янтарную кислоту, которая образуется при декарбоксилировании 2-оксоглутарата (рис. 7.15).

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

180

Рисунок 7.15. – Гидроксилирование пролина

Наряду с гидроксилированием пролина происходит гидроксилирование остатков лизина с образованием 5-гидроксилизина (рис. 7.16).

Рисунок 7.16. – Гидроксилирование лизина

В дальнейшем гидроксилированные остатки лизина подвергаются гликозилированию.

При участии гликозилтрансфераз образуются ковалентные О- гликозидные связи между 5-ОН группой гидроксилизина и остатком галактозы или дисахаридом галактозилглюкозой. К амидной группе аспарагина присоединяются молекулы N-ацетилглюкозамина или маннозы. Одновременно с гидроксилированием пролина формируется стабильная трёхспиральная структура коллагена (рис. 7.17).

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ