3. Белки соединительной ткани
Коллагенпредставляет собой главную макромолекулу соединительной ткани и является наиболее распространенным белком в животном мире. Коллаген составляет до 30% общего количества белка организма взрослого человека или 6% массы его тела.
Коллагеновые волокна хорошо видны в оптическом микроскопе. Они состоят из фибрилл, которые можно наблюдать лишь при электронном микроскопировании. Фибриллы, в свою очередь, состоят из вытянутых, соединенных между собой конец в конец белковых молекул, называемых тропоколлагеном. Тропоколлаген содержит три полипептидные цепи, которые расположены в виде тройной спирали. Каждая цепь характеризуется определенной последовательностью аминокислот. Одной из отличительных черт данного белка является то, что 1/3 всех его аминокислотных остатков составляет глицин, а 1/4 - пролин. 4-гидрооксипролин и около 1-3% - 5-гидроксилизин.
Полипептидная цепь тропоколлагена содержит более 1 тыс. аминокислотных остатков и имеет относительную молекулярную массу 120 000 Да. В одних коллагенах все три цепи имеют одинаковую аминокислотную последовательность, тогда как в других идентичными являются только две цепи (α-1 и α-2), а третья отличается от них. В свою очередь цепь α-1 имеет четыре разновидности: α-1(I), α-1(II), α-1(III) и α-1(IV). В последние годы описано семь новых генетических типов коллагена:I,IIиIII– составляют основу интерстициального коллагена,IV– коллаген базальных мембран,V– является минорным компонентом многих тканей, он локализован в перицеллюлярном пространстве.VI– комплекс коллагеновых цепей, богатых цистином.VII– особый коллаген, находящийся в хрящах. Специфические функции с V поVIIтип коллагенов в настоящее время полностью не выяснены.
Коллаген синтезируется фибробластами и их разновидностями в специализированных тканях. Коллаген является внеклеточным белком, но его предшественник синтезируется в виде внутриклеточной молекулы. Подобно всем секретируемым белкам предшественник коллагена претерпевает процессинг к ходе прохождения через эндоплазматический ретикулум и комплекс Гольджи.
Наиболее ранним предшественником коллагена является препроколлаген, который образуется из аминокислотных остатков па рибосомах, прикрепленных к эпдоплазматическому ретикулуму. Далее, после удаления с N-конца сигнальной последовательности, состоящей примерно из 100 аминокислот, он превращается в проколлаген и продолжает продвигаться в эндоплазматическом ретикулуме. На этом этапе молекула проколлагена подвергается воздействию пролил-4- и лизил-5-гидроксилаз при участии аскорбиновой кислоты, выступающей в роли кофактора. В результате аминокислотные остатки пролина и лизина гидроксилируются с образованием 4-гидроксипролина и 5-гидроксилизина. Одновременно образуются внутри- и межцепочечные дисульфидные мостики за счет остатков цистеина на N- и С-концах пептидов, после чего гликозилтрансфераза переносит глюкозу или галактозу на остатки гидроксипролина и гидроксилизина. По завершении этого внутриклеточного процесса молекулы проколлагепа собираются в тройную спираль, продвигаются к наружной поверхности клетки и проходят через комплекс Гольджи. Внеклеточные ферменты отщепляют от проколлагена аминоконцевой и карбоксиконцевой пептиды. Образовавшиеся молекулы тропоколлагена спонтанно собираются в коллагеновые фибриллы, молекулы которых содержат около 1000 аминокислот. Дальнейший внеклеточный процессинг незрелого коллагена связан с окислением лизиловых, гидроксилизиловых и гликозилированных остатков в альдегиды с участием медь-содержащего фермента - лизилоксидазы. Альдегиды могут формировать имины или так называемые шиффовы основания, которые подвергаются химической перегруппировке, обеспечивая образование стабильных ковалентных сшивок. Таким образом, происходит перекрестное связывание цепей и спиральных мостиков фибрилл коллагена.
Наряду с секрецией коллагена, фибробласты выделяют во внеклеточное пространство высокомолекулярный гликопротеин фибронектин. Он связывается с проколлагеновыми фибриллами, в результате чего меняется кинетика образования фибрилл. Фибронектин и проколлаген в перицеллюлярном матриксе ассоциируются с протеогликанами - гепарансудьфатом и хондроитинсульфатом. Таков путь формирования фибрилл коллагена.
При термической обработке из коллагена образуется желатин. Это свойство нашло применение в промышленности и биотехнологии. В качестве источника желатина используют кости, сухожилия, кожу крупных рыб. Желатин в водных растворах при низкой температуре образует «желатиновый гель». В целом желатин – это денатурированные, разрушенные молекулы коллагена, представляющие собой «клубки» α-цепей. В α-цепях содержатся реакционноспособные группы, которые освобождаются при разрыве внутримолекулярных связей в процессе Тепловой денатурации. Растворы желатина («желатиновые гели») используются в качестве сред для выращивания микроорганизмов, а в фармации для создания желатиновых капсул, которые наполняют лекарственными препарататами.
Процесс естественной физиологической деградации коллагена связан с воздействием коллагеназы, вызывающей протеолиз. Фермент «разрезает» сразу три цепи тропоколлагена.
В результате протеолиза образуются сегменты: один - длиной около 3/4 молекулы тропоколлагена, несущий С-конец глицина. и другой - длиной около 1/4 'молекулы, несущий гена, несущий С-конец глицина. и другой - длиной около 1/4 молекулы, несущий N-конец исходной молекулы с аминокислотой лейцин. Далее происходит дегидротация этих сегментов до мелких пептидов под воздействием других протеаз. Коллагеназная активность обнаружена в фибробластах, а также в клетках эпидермиса, важная роль которого неоспорима при заживлении ран.
Эластинявляется основным белковым компонентом, входящим в состав эластических волокон. От коллагена он отличается как химическим составом, так и молекулярной структурой волокон. Общими свойствами этих двух белков являются высокое содержание глицина и пролина, низкое количество метионина, отсутствие триптофана и цистеина, а также наличие 4-гидроксипролина, хотя последнего в эластине примерно в 10 раз меньше, чем в коллагене. В отличие от коллагена в эластине значительно больше валина и аланина и меньще глутаминовой кислоты и аргинина. Характерной особенностью первичной структуры эластина является низкое содержание полярных аминокислотных остатков. Существенное отличие эластина от коллагена заключается в наличии в его первичной структуре «необычных» аминокислотных остатков таких, как десмозин, изодесмозин и лизил-норлейцин.
В структуре десмозина и изодесмозина четыре остатка лизина, соединяясь своими радикалами, образуют замещенное пиридиновое кольцо. Очевидно, именно благодаря такой структуре, десмозин и изодесмозин могут одновременно входить в состав всех пептидных цепей эластина. По-видимому, этим объясняется и то обстоятельство, что эластин в отличие от других фибриллярных белков способен растягиваться в двух направлениях. Аминокислотный остаток лизил-норлейцина, наряду с десмозином и изодесмозином, обеспечивает образование поперечных связей в молекуле эластина.
Эластин, так же как и коллаген, является продуктом биосинтетической деятельности фибробластов. Непосредственным предшественником этого белка является тропоэластин (соответствующий тропоколлагену или проколлагену). Тропоэластин не содержит поперечных связей и обладает растворимостью. В последующем тропоэластин превращается в зрелый эластин, нерастворимый и содержащий большое количество поперечных связей.
Эластические волокна содержат органы и ткани, функция которых связана с большими деформациями при физических нагрузках, обеспечивая эластическое восстановление формы после прекращения воздействующего фактора. Обратимая деформируемость эластических волокон напоминает свойства резины. Именно аорта, легкие и связки, обладающие высокой эластичностью, богаты эластическими волокнами.
Эластические волокна под действием панкреатической эластазы расщепляются на мелкие фрагменты - полипептиды, которые затем подвергаются дальнейшей деградации при участии других пептидаз. В клетках тканей функцию эластазы выполняет ряд лизосомальных ферментов - катепсинов.
Благодаря присутствию коллагена и эластина обеспечивается исключительная прочность и выраженная эластичность тканевых структур. Эти белки в целом плохо растворимы в водной фазе, устойчивы к денатурации и плохо перевариваются протеолитическими ферментами желудочно-кишечного тракта. Специфический аминокислотный состав коллагена и эластина определяет их низкую антигенность и пищевую неполноценность.