Funktsional'naia_biokhimiia

181

Рисунок 7.17. – Гликозилированные участки α-цепи молекулы проколлагена

Гидроксипролин необходим для стабилизации этой тройной спирали коллагена, поскольку его гидроксильные группы участвуют в образовании водородных связей между α-цепями. По окончании гидроксилирования и гликозилирования все про-α-цепи соединяются между собой водородными связями, а в области С-концевых пропептидов формируются дисульфидные мостики.

Из эндоплазматической сети молекулы проколлагена перемещаются в аппарат Гольджи, где они включаются в секреторные пузырьки и в их составе секретируются во внеклеточное пространство.

Внеклеточный этап – модификация молекул проколлагена. В межклеточном пространстве при участии протеолитических ферментов от молекулы проколлагена отщепляются N- и С-концевые пептиды и освобождается тройная спираль коллагена (тропоколлагена). Далее происходит процесс самосборки коллагеновых фибрилл, фиксированных межмолекулярными ковалентными связями (сшивками). В формировании этих связей участвуют остатки лизина и 5-гидроксилизина и их альдегидные производные, которые образуются вследствие окислительного дезаминирования. Окислительное дезаминирование лизина и 5- гидроксилизина происходит с участием лизилоксидазы. Особенностью этого фермента является присутствие Cu2+ в активном центре. Молекулы лизилоксидазы синтезируются в клетке в виде проферментов и после связывания с ионами Cu2+ упаковываются в везикулы, которые покидают клетку. На клеточной поверхности молекула пролизилоксидазы подвергается ограниченному протеолизу и в сформировавшемся активном центре при участии ионов Cu2+ происходит окисление остатка тирозина до тирозинхинона. Образовавшаяся в активном центре хиноидная структура связывает остатки лизина в молекуле проколлагена с образованием ферментсубстратного комплекса. Дальнейшее дезаминирование лизина происходит в соответствии с реакциями, представленными на рис. 7.18.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

182

Рисунок 7.18. – Окисление лизина в структуре коллагена

1 – формирование фермент-субстратного комплекса; 2 – NH3 переносится на тирозинхинон (LTQ) и происходит окисление лизина с последующим вытеснением аллизина из активного центра; 3 – в активный центр фермента входят молекулы О2 и Н2О и происходит освобождение NH3 и Н2О2. При этом LTQ возвращается в исходное состояние (Enz – фермент)

На следующем этапе аллизин и 5-гидроксиаллизин конденсируются вместе с лизиловыми и гидроксилизиловыми остатками; формируются внутри- и межмолекулярные поперечные связи. В реакции конденсации аллизина с остатком лизина другой цепи образуется основание Шиффа. В случае альдольной конденсации двух остатков аллизина образуются альдольные межмолекулярные связи (лизиннорлейцин). Формирование альдольных межмолекулярных связей показано на рис. 7.19.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

183

Рисунок 7.19. – Окисление лизина и формирование альдольной межмолекулярной связи в реакциях альдольной конденсации двух остатков аллизина

Альдольная конденсация характерна для коллагена костной ткани и дентина, а основания Шиффа наиболее часто встречаются в коллагенах сухожилий. Около 25% молекул тропоколлагена распадается, не образуя фибрилл. Получившиеся фрагменты выполняют сигнальные функции и стимулируют коллагеногенез. Пространственная организация фибрилл завершается при участии фибронектина, протеогликанов и коллагенов, ассоциированных с фибриллами.

Любые нарушения в синтезе коллагеновых белков клинически проявляются, в первую очередь, изменением со стороны зубочелюстной системы в виде кровоточивости дёсен, подвижности и выпадения зубов, множественного кариеса. Причины, приводящие к нарушению синтеза коллагеновых белков, различны – недостаток в организме аскорбиновой кислоты, ионов Cu2+, генетические дефекты и аутоиммунные состояния.

Гидроксилирование лизина и пролина очень важный этап для последующего образования ковалентных связей между молекулами коллагена и сборкой коллагеновых фибрилл, зависящий от количества аскорбиновой кислоты. При цинге – заболевании, возникающем вследствие недостатка аскорбиновой кислоты, страдает гидроксилирование остатков пролина и лизина в структуре проколлагена. В результате образуются хрупкие и ломкие сосуды. При сахарном диабете вследствие неспособности клеток захватывать глюкозу из плазмы крови нарушается процесс внутриклеточного гликозилирования проколлагеновых α-цепей. При попадании проколлагена во внутриклеточное пространство углеводы присоединяются неферментативным путём, что также нарушает структуру коллагеновых фибрилл и неколлагеновых белков.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

184

Эластин – второй главный белок соединительной ткани. В межклеточном веществе стенок кровеносных сосудов, тканей периодонта, корня языка, в подслизистом слое губ и щёк, лёгких, кожи в больших количествах присутствует эластиновые волокна. Эти ткани обладают очень важными свойствами: они могут растягиваться в несколько раз по сравнению с исходной длиной, сохраняя при этом высокую прочность на разрыв, и возвращаться в первоначальное состояние после снятия нагрузки. Резиноподобные свойства названных тканей обеспечиваются основным белком эластином – гликопротеином с молекулярной массой 70 кДа.

Эластин содержит около 27% глицина, 19% аланина, 10% валина, 4,7% лейцина. Наличие большого количества гидрофобных радикалов препятствует созданию стабильной глобулы, в результате полипептидные цепи эластина не формируют регулярные вторичную и третичную структуры, а принимают в межклеточном матриксе разные конформации с примерно равной свободной энергией.

Нативные волокна эластина построены из относительно небольших, почти сферических молекул, соединённых в волокнистые тяжи с помощью жёстких поперечных сшивок – десмозина и изодесмозина, а также лизиннорлейцина. В образовании поперечных сшивок участвуют 4 остатка лизина, 3 из которых предварительно окисляются до соответствующих альдегидов при участии лизилоксидазы. Десмозин и изодесмозин формируются остатками, принадлежащими, по крайней мере, двум цепям, однако они могут быть образованы также остатками, находящимися в трёх и четырёх цепях. В образовании лизиннорлейцина участвуют 2 остатка лизина

(рис. 7.20).

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

185

Рисунок 7.20. – Поперечные сшивки в структуре эластина

А – десмозин, образованый четырьмя остатками лизина; Б – лизиннорлейцин, образованый двумя остатками лизина

Образование ковалентных сшивок между пептидными цепями эластина с неупорядоченной конформацией позволяет сети волокон эластина растягиваться и сжиматься во всех направлениях, что придаёт им свойство эластичности (рис. 7.21).

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

186

Рисунок 7.21. – Структурная модель эластина

А – состояние расслабления; Б – состояние растяжения

Синтез и распад эластина. Синтез эластина начинается в фибробластах с образования предшественника эластина – белка тропоэластина. Тропоэластин является растворимым мономером, гидрофильные участки которого обогащены остатками лизина. В межклеточном матриксе при участии медьзависимой лизилоксидазы остатки лизина окисляются до аллизина, которые формируют поперечные сшивки, стабилизирующие молекулу эластина. После образования поперечных сшивок эластин приобретает свою конечную внеклеточную форму, для которой характерна нерастворимость, высокая стабильность и низкая скорость метаболизма.

В расщеплении эластина участвует эластаза полиморфноядерных лейкоцитов, которая, являясь эндопептидазой, преимущественно расщепляет связи, образованные карбоксильными группами алифатических аминокислот. Она активна в слабощелочной среде (рН 7,5-8,5) и гидролизует во внеклеточном пространстве не только эластин, но и другие белки – протеогликаны, гемоглобин, коллаген, иммуноглобулины. Активность эластазы ингибирует белок α1-антитрипсин (α1-АТ). Наибольшее количество α1-АТ синтезируется печенью и находится в крови. В тканях α1-АТ синтезируется макрофагами.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

187

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

Кости (костная ткань) – очень плотная, специализированная форма соединительной ткани. Наряду с выполнением опорных функций кости служат местом депонирования кальция и неорганического фосфата, а в костном мозге образуются клетки кроветворной системы и созревают клетки иммунной системы.

Наиболее важной минеральной составляющей костной ткани является нерастворимый фосфат кальция в виде гидроксилапатита или карбонатапатита (Ca10(PO4)6(OH)2 и Ca10(PO4)6СО3 соответственно). В костях присутствуют также карбонаты других щелочноземельных элементов. Апатит – это крупный комплексный катион Ca[Ca3(PO4)2]32+, который окружают противоионы ОН–, СО32–, HPO42– или F–. В состав костей входит большая часть Mg2+, около четверти Na+ и небольшая часть К+, содержащихся в организме. Кристаллы минеральных веществ кости имеют форму пластинок или палочек толщиной около 8-15 А (ангстрем), шириной

20-40 А и длиной 200-400 А.

Коллагены и неколлагеновые белки. Биохимия генеза костной ткани. Важнейшей органической составляющей костной ткани являются коллаген (тип I) (90-95%) и протеогликаны. Эти соединения образуют межклеточный матрикс, в котором выстраиваются апатитовые структуры (биоминерализация). В этом еще не до конца понятом процессе образования костной ткани принимают участие ряд белков, а том числе коллагены и фосфатазы. Щелочная фосфатаза находится в остеобластах, кислая фосфатаза локализована в остеокластах. Оба фермента служат маркерами клеток костной ткани. Коллагеновые фибриллы костного матрикса образованы коллагеном того же типа, который входит в состав сухожилий и кожи.

Образование кристаллов кости индуцируется обыкновенным трехцепочечным коллагеном. При этом определяющим фактором является определенная ориентация молекул тропоколлагена, а именно, их смещение на 1/4 длины относительно друг друга. При определенных условиях из растворенного тропоколлагена можно получить волокна, в которых молекулы тропоколлагена ориентированы без смещения. В таких волокнах минерализация не происходит.

В процессе минерализации минеральные компоненты поступают из окружающей жидкой фазы. Кристаллы образуются сначала в зоне коллагеновых волокон, затем они становятся центрами нуклеации для отложения гидроксиапатита в пространстве между коллагеновыми волокнами. В процессе минерализации помимо коллагена и минеральных компонентов участвуют и другие факторы, поскольку коллаген соединительной ткани индуцирует отложение кальция только в кости. Формирование кости происходит только в непосредственной близости от остеобластов, причем минерализация начинается в хряще, который состоит

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

188

из коллагена, находящегося в протеогликановом матриксе. В зоне кальцификации происходит деградация комплексов белок-полисахарид в результате гидролиза белкового остова лизосомальными протеазами клеток кости. По мере роста кристаллы вытесняют не только протеогликаны, но и воду. Плотная, целиком минерализованная кость полностью обезвожена. Коллаген составляет 20% массы и 40% объема такой ткани, остальное приходится на долю минеральной части. Возможно, что минерализации коллагена в коже, сухожилиях или артериях препятствует постоянное наличие протеогликанов. Кроме того, в плазме возможно присутствие ингибиторов кристаллизации.

Кость не является статичным депо минеральных веществ; она находится в динамическом состоянии, при этом активность остеобластов и остеокластов обеспечивает постоянство состава кости. После введения радиоизотопов Р, Са, Sr они вскоре появляются даже в плотных участках диафизов крупных костей. В растущую кристаллическую решетку кости могут внедряться ионы тяжелых металлов – свинец, радий, уран, а также элементы, образующиеся при распаде урана, например, стронций.

Биохимия клеточных элементов костной ткани. Клеточные элементы кости представлены остеобластами, остеоцитами, остеокластами. Они составляют 2% костной ткани. Происхождение костных клеток окончательно не установлено: предполагают, что из мезенхимальных стволовых клеток сначала дифференцируются преостеобласты, затем остеобласты, остеоциты. Из моноцитов (представляющих гемопоэтическую стволовую линию) дифференцируются преостеокласты, остеокласты.

Остеобласты располагаются на поверхности кости и формируют ее. Они представляют собой полигональные клетки среднего размера (15-40 мкм) с развитым комплексом Гольджи, эндоплазматической сетью, значительным количеством рибосом, полисом, высоким содержанием актина. Гистохимическим маркером остеобластов является щелочная фосфатаза (ЩФ), биохимическим – остеокальцин. Различают незрелые и зрелые, активные и неактивные (покоящиеся) остеобласты. Активные остеобласты (крупные кубические или цилиндрические клетки с тонкими отростками) выделяют ЩФ, синтезируют белки, формируют остеоид. С учетом особенностей их функционирования различают три типа остеобластов. Остеобласты выделяют матриксные пузырьки (содержат кальций, фосфатазы), кальцифицирующие остеоид, замуровывающие клетку.

Остеобласты могут переходить в состояние покоя или в остеоциты. Основной биохимической функцией остеобластов является белковый синтез, формирование коллагеновой сети, продукция компонентов органического матрикса, матриксных пузырьков, цитокинов, факторов роста (ФР). Эти клетки синтезируют также коллагеназы, гликопротеины, остеонектин, остеокальцин, костный сиалопротеин, остеопонтин, активатор плазминогена и др. Новообразованная ткань, состоящая из синтезированных остеобластами

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

189

коллагеновых волокон и протеогликанов, в дальнейшем подвергается минерализации (отложение кристаллов гидроксиапатита).

Остеобластные клетки несут на себе рецепторы и продуцируют факторы, которые регулируют костное ремоделирование. В остеобластных клетках имеются рецепторы к парат-гормону (ПТГ), ПТГ-связанным белкам, 1,25-дигидроксихолекальциферолу (кальцитриолу) – 1,25-(ОН)2D3, эстрогенам, андрогенам, прогестинам, тиреоидным гормонам, ретиноидам (витамину А), простагландинам (ПГ)Е, ПГF2б , инсулиноподобному фактору роста (ИПФР)-1 и -2, инсулину, фактору роста фибробластов (ФРФ), трансформирующему фактору роста (ТФР)-β, костному морфогенетическому белку (КМГБ), эпидермальному фактору роста (ЭФР), тромбоцитарному фактору роста (ТрФР)-А и -В, интерлейкинам (ИЛ)-1, -3, -4, -6, -8, -11, фактору некроза опухоли (ФНО)-α, фактору, ингибирующему лейкоз (ФИЛ), эндотелину.

Остеоциты происходят из остеобластов: наработанные ими ткани (коллаген, протеогликаны) минерализуются в направлении остеобласта и он замуровывается, кальцифицируется. Они располагаются в остеоцитарных лакунах, заполненных коллагеновыми фибриллами. В зависимости от функциональной активности остеоцитов выделяют 5 типов лакун.

Метаболически остеоциты не активны. С помощью длинных отростков они контактируют друг с другом, образуя сеть канальцев в костном матриксе, позволяющую осуществлять внутри- и внеклеточный транспорт минералов, питательных субстратов. Различают каналы (центральные, прободеющие, соединительные), содержащие сосуды.

Основной функцией остеокластов, контактирующих с кальцифицированными поверхностями, является рассасывание (резорбция) костной ткани. Эти большие (гигантские) многоядерные куполообразной формы клетки продолжительностью жизни от 2 до 20 дней выделяют лизосомальные ферменты (в том числе кислую фосфатазу), которые позволяют им выполнять основную функцию. Они берут начало от гемопоэтических гранулоцитарно-макрофагальных колониеобразующих единиц – предшественников моноцитов/макрофагов.

Участие в резорбции кости принимают и преостеокласты (одноядерные клетки). Из факторов, влияющих на формирование остеокластов, отмечают интерлейкины (ИЛ), витамин D3. Резорбция модулируется за счет усиления пролиферации клеток остеокластической линии и повышения активности зрелых остеокластов. В разрушении кости принимают участие лактат, Н+-ионы, которые образуются из Н2СО3 вследствие действия карбоангидразы при участии аденозинтрифосфатазы (АТФазы) (остеокластного Н+-насоса), протеолитические ферменты. Снижение активности карбоангидразы и Н+-АТФазы сопровождается ингибированием костной резорбции. К резорбируемой поверхности принадлежит так называемая резорбируемая каёмка. В этом месте образуется остеокластическая лакуна резорбции. На цитоплазматической мембране

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

190

имеются рецепторы к кальцитонину, эффекты действия которого опосредуются через циклический аденозинмонофосфат (цАМФ). Функциональную активность остеокластов регулируют остеобласты, системные (ПТГ, кальцитонин, 1,25-(ОН)2D3) и локальные факторы. Кальцитонин ингибирует пролиферацию и дифференцировку предшественников остеокластов.

Вследствие генетического нарушения функции остеокластов возникает «остеосклероз», или «мраморная болезнь костей». Остеосклероз развивается у пациентов с дефектом гена, кодирующего карбоангидразу II, что обусловливает дефицит этого фермента. У пациентов с данной патологией остеокласты не могут полностью резорбировать костную ткань, кости обызвествляются.

6. Регуляция процессов минерализации и деминерализации в костной ткани.

Метаболизм костей тесно связан с метаболизмом кальция, фосфата и регулируется рядом витаминов, а также гормонов, среди которых витамин D, витамин А, аскорбиновая кислота, паратгормон, кальцитонин, эстрогены. Общая схема регуляции минерализации и деминерализации, а также структурно-функциональная организация организация кости суммировано на рисунке 7.22.

Рисунок 7.22. – Функциональная биохимия костной ткани

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ