Лекции биохимия / ТКАНИ / ЛЕКЦИЯ-СОЕДТКАНЬ

БИОХИМИЯ СОЕДИНИТЕЛЬНОЙ ТКАНИ

(лекция)

Cоединительная ткань составляет 50% от массы тела человека. Это - сухожилия, фасции, компактная кость, зубы, кожа, строма внутренних органов, нейроглия, брюшина. Все разновидности соединительной ткани построены по общим принципам:

1. Клеточных элементов в соединительной ткани мало по сравнению с другими тканями, а межклеточное вещество занимает больше места,

2. Наличие в соединительной ткани своеобразных волокнистых (фибриллярных) структур – коллагеновых, эластических, и ретикулиновых волокон, расположенных в окружении межуточного вещества,

3. Соединительная ткань богата межклеточным веществом, имеющим сложный химический состав.

Межклеточный органический матрикс соединительной ткани (СТ) представлен белковыми элементами: коллагеном, эластином, фибронектином, ламинином.

Коллаген – основной фибриллярный белок, входящий в состав коллагеновых волокон и составляет 6% от массы тела. Коллаген как главная макромолекула соединительной ткани является важным элементом кожи, костей, сухожилий, сосудов, зубов. Основную массу коллагеновых белков (95%) составляют:

А) Интерстициальные коллагены (3 типа):

1 тип – кожа, кость, сухожилия, роговица глаза,

2 тип – хрящ, межпозвоночные диски, стекловидное тело,

3 тип - сердечно-сосудистая система, кожа эмбриона,

Б) Коллаген базальных мембран (4-й тип коллагена).

В) Минорные (перицеллюлярные) коллагены (5-й тип коллагена).

Синтез и созревание коллагена. Коллаген – внеклеточный белок, но он синтезируется в виде внутриклеточной молекулы предшественника, которая и подвергается пострансляционной модификации. Наиболее ранним предшественником коллагена является препроколлаген, которые содержит на N-конце лидерную последовательность из 100 аминокислот. Препроколлаген образуется на рибосомах, прикрепленных к эндоплазматическому ретикулуму. После отщепления лидерной последовательности превращается в проколлаген. Проколлаген - предшественник коллагена, но имеет большую молекулярную массу (ок. 140 тыс.). По аминокислотному составу проколлаген может варьировать и в зависимости от этого выделяют несколько типов коллагена. Молекула проколлагена содержит на N- и C- концах пептиды, которые отсутствуют в зрелом коллагене. Эти пептиды содержат остатки цистеина и образуют внутри- и межцепочечные дисульфидные связи. В эндоплазматическом ретикулуме проколлаген подвергается модификации:

1. Гидроксилирование пролина и лизина с образованием 3-гидроксипролина, 4-гидроксипролина и 5-гидроксилизина. Отдельные остатки пролина в коллагене превращаются в гидроксипролин под действием пролилгидроксилазы – фермента, содержащего в активном центре Fe⁺⁺. Обязательным условием гидроксилирования является присутствие α-оксоглутарат и кислород. Один атом кислорода присоединяется к С-4 пролина, а другой – к α-оксоглутарату, Продуктами данной реакции являются 4-гидроксипролин и сукцинат. Гидроксилированию подвергается и небольшая часть лизина при участии лизилгидроксилазы. Кофактором этих ферментов является аскорбиновая кислота (витамин С). Являясь сильным восстановителем аскорбиновая кислота поддерживает Fe⁺⁺ в восстановленном состоянии. При С гиповитаминозе коллаген оказывается недогидроксилированным и не может образовывать нормальные по структуре волокна, что приводит к ломкости сосудов, поражению слизистых, кожи (цинга).

2. Гликозилирование гидроксилизиновых остатков. В проколлаген включаются углеводные остатки, чаще всего это глюкоза и галактоза, которые ковалентно связываются с остатками гидроксилизина при участии ферментов глюкозилтрансферазы и галактозилтрансферазы.

3. Скручивание цепей проколлагена. В проколлагене на N- и C- концевые пептиды, содержащие остатки цистеина образуют внутри- и межцепочечные дисульфидные связи. Образование этих дисульфидных связей способствует скручиванию проколлагена в тройную спираль. После формирования тройной спирали гидроксилирование пролиловых и лизиловых остатков становится невозможным. Таким образом модификация заканчивается образованием характерной коллагеновой молекулы – трехспиральной структуры. Каждая субъединица, или α-цепь, представляет собой левозакрученную спираль, у которой на виток приходится по три аминокислотных остатка. По завершении этого внутриклеточного процесса модификации молекулы проколлагена продвигаются к наружной поверхности клетки через комплекс Гольджи и выделяется в межклеточное пространство.

В межклеточном пространстве проколлаген подвергается действию протеолитических ферментов – проколлагенпептидаз (аминопротеаза и карбоксипротеаза). Проколлагенпептидазы отщепляют по 2 дополнительных пептида от каждой из 3-х цепей проколлагена и образуется тропоколлаген (ТГ). ТК состоит из 3-х α-полипептидных цепей одинакового размера и их состав зависит от типа коллагена. α-Цепи ТК состоят приблизительно из 1000 аминокислотных остатков, 1/3 которых представлены аминокислотой глицином, ¼ - пролин, и около 1% - гидроксилизина. Некоторые молекулярные формы коллагена имеют в своем составе и гидроксипролин. В этом отношении коллаген отличается от других белков.

Тропоколлаген один из самых длинных белков. Каждая из 3-х α-полипептидных цепей ТК имеет форму спирали, стабилизируют которую силы стерического отталкивания пирролидоновых колец в остатках пролина. Эти три спирализованные цепи закручиваются одна вокруг другой, стабилизируются водородными связями, образуя суперспираль. В результате формируется жесткая палочковидная молекула с диаметром 1,4 нм и длиной около 300 нм. Характерной особенностью молекулы тропоколлагена является то, что каждых третий остаток тройной спирали α-цепи представляет собой глицин. Молекулы тропоколлагена способны мигрировать в основном веществе соединительной ткани и являются мономером из которого строится коллагеновые фибрилы, которые представляют вытянутые в длину и соединенных между собой конец в конец белковых молекул тропоколлагена. Однако эти фибриллы должны пройти этап созревания и в результате превратиться в зрелый коллаген.

Созревание коллагена - образование коллагенового волокна – происходит в межклеточном пространстве в результате образования прочных ковалентных связей двух типов: внутримолекулярных (в пределах одной тропоколлагеновой единицы) и межмолекулярных (между отдельными тропоколлагеновыми единицами). Аминогруппы лизина и гидроксилизина боковых цепей окисляются при участии медь-содержащего фермента лизилоксидазы до альдегидных групп с последующей альдольной конденсацией. При этом образуется двойная углерод-углеродная связь к которой присоединяется по амидной группе гистидин из третьей цепи. Боковая цепь лизина взаимодействует с альдегидной группой новой молекулы тропоколлагена с образованием Шиффова основания. Количество и тип связей зависит от функции и возраста ткани. Увеличение поперечных связей в коллагене является признаком старения коллагеновых структур и, соответственно, возрастных изменений соединительной ткани.

В соединительной ткани молекулы тропоколлагена расположены рядами, последовательно смещенными на ¼ длины по отношению друг к другу (поперечная исчерченность коллагеновых волокон). Промежутки в рядах между молекулами тропоколлагена служат центрами кальцификации при формировании кости и расположение кристаллов фосфата Са совпадает с периодом исчерченности коллагенового волокна.

Таким образом, прочными ковалентными связями объединяются не только полипептидные цепочки в пределах одного тропоколлагенового мономера, но и соседние молекулы тропоколлагена, образуя межмолекулярный комплекс. Этот комплекс – оксимеродесмозин – имеет одинаковый состав и включает в себя 2 молекулы гидроксилизина и гистидин в одной тропоколлагеновой единице и альдегидную группу окисленного лизина соседней молекулы тропоколлагена.

В образовании зрелого коллагена решающая роль принадлежит ферменту лизилоксидазе, которая в присутствии ионов меди и аскорбата участвует в образовании альдегидных групп лизина в тропоколагене. Снижение активности этого фермента при дефиците аскорбиновой кислоты или меди значительно уменьшает скорость созревания коллагена и со временем приводит к преобладанию в составе соединительной ткани рыхлого, непрочного на разрыв коллагена. Проявляется это склонностью к спонтанным переломам и разрывам связок при дефиците меди, высокая проницаемость сосудов при цинге.

Катаболизм коллагеновых волокон осуществляется при участии коллагеназ.

Коллаген базальных мембран (коллаген 4 типа) существенно отличается от интерстециальных коллагенов:

1. α-Полипептидные цепи его длиннее почти в 2 раза интерстициальных коллагенов,

2. Отличаются резистентностью к тканевым коллагеназам,

3. В α-полипептидных цепях отсутствует регулярная последовательность аминокислотных остатков и эти участки теряют способность к спирализации

4. Избирательно фиксируют эпидермальные клетки,

5. Влияет на дифференцировку клеток с которыми контактируют.

Минорные (перицеллюлярные) коллагены (5-й тип коллагена) локализованы вокруг синтезирующих их клеток, образуя для этих клеток цитоскелет. Этот тип коллагена покрывает равномерным и непрерывным слоем поверхность эндотелия сосудов. Препятствуя тромбообразованию внутри сосуда. Коллагены 5 типа обладают высокой чувствительностью к действию нейтральных протеаз, особенно тромбина.

Эластин – основной компонент эластических волокон. Он обладает способностью растягиваться в длину при нагрузке и быстро восстанавливать исходную форму. Эластина много в сосудах, связках. Аминокислотный состав эластина отличается своеобразием: как и коллаген на 1/3 он представлен глицином, много пролина. Гидроксипролина в эластине в 10 раз меньше, чем в коллагене. Как и в коллагене, в эластине нет цистеина, триптофана, мало метионина. Характерной особенностью первичной структуры эластина является слишком малое содержание полярных аминокислот. В отличие от коллагена в эластине значительно больше валина, аланина, лейцина и меньше глутаминовой кислоты и аргинина. В зрелом эластине много поперечных альдольных связей, благодаря которым эластин практически не растворим. При ферментативном гидролизе эластина в гидролизате обнаруживаются десмозин и изодесмозин (характерные только для эластина). Десмозин – это соединение четырех остатков лизина R-группами, образующее замещенное пиридиновое кольцо, Благодаря десмозину эластиновое волокно способно растягиваться в двух направлениях. В гидролизате эластина обнаружен и лизиннорлейцин, которые также обеспечивает поперечные связи в молекуле эластина. Эластин продуцируется фибробластами в виде предшественника – тропоэластина. Тропоэластин растворим, не содержит поперечных связей, которые образуются в большом количестве при его созревании.

Фибронектин – один из важнейших белков соединительной ткани. Фибронектин синтезируется фибробластами, макрофагами, его много образуется в эмбриональной ткани. В соединительной ткани взрослого организма он расположен вокруг гладкомышечных клеток, в строме лимфатических узлов, сарколемме скелетных мышц, рыхлой соединительной ткани. Фибронектин димер, состоиз их 2-х полипептидных цепей, соединенных дисульфидными связями. Фибронектин содержит 4-5% углеводов в виде олигосахаридов (гликопротеид).

Различают фибронектин тканей (нерастворимый) и фибронектин плазмы (растворимый). По аминокислотному составу они идентичны, но различаются по степени гликозилировнгия. Биологическая роль плазменного фибронектина сводится к следующему:

1. Принимает участие в свертывании крови и включается в состав кровянного сгустка,

2. Участвует в заживлении ран, играя роль первичного каркаса, необходимого для упорядоченного расположения фибробластов и коллагеновых структур гранулярно-фиброзной ткани.

3. Играет роль опсонина и его роль и его дефицит сопровождается угнетением фагоцитоза.

4. При деградации фибронектина образуются биологически активные фрагменты, выступающие медиаторами воспаления.

5. Концентрация фибронектина в плазме резко снижается при обширных ожогах, септическом шоке и рассматривается как неблагоприятный прогностический признак.

Ламинин - белок соединительной ткани. Является обязательным структурным компонентом всех базальных мембран и соответствует распределению коллагена 4 типа. Синтезируется эпителиальными клетками. По аминокислотному составу отличается от коллагена, фибронектина. В ламинине содержится много цистеина, но отсутствует оксипролин, оксилизин. Углеводную часть ламинина образуют: глюкозамин (3%), сиаловая кислота (5%), небольшое количество галактозамина. Основная функция ламинина – обеспечивает адгезию эпителиальных клеток к базальной мембране.

МЕЖУТОЧНОЕ ВЕЩЕСТВО СОЕДИНИТЕЛЬНОЙ ТКАНИ

Основную субстанцию межклеточного матрикса соединительной ткани образуют высокомолекулярные углеводно-белковые соединения – протеогликаны. На их долю приходится до 30% сухой массы соединительной ткани. Полисахаридные группы протеогликанов называется гликозаминогликаны (ГАГ) или мукополисахариды.

ГАГ представляют собой линейные гетерополисахариды, построенные из повторяющихся дисахаридных единиц, включающих уроновые кислоты и аминосахара. Наиболее часто встречаются следующие дисахаридные блоки:

• глюкоза-N-ацетилнейраминовая кислота,

• галактоза-N-ацетилнейраминовая кислота,

• галактоза(ксилулоза)-галактуроновая кислота.

В настоящее время расшифрована структура следующих ГАГ:

1. Гиалуроновая кислота,

2. Хондроитинсульфат А (Хондроитин-4-сульфат),

3. Хондроитинсульфат С (Хондроитин-6-сульфат),

4. Хондроитинсульфат В (Дерматан-сульфат),

5. Кератан-сульфаты,

6. Гепаран-сульфат и гепарин.

Образование и катаболизм протеогликанов. Белковые компоненты протеогликанов (ПГ) различны, однако принцип построения ПГ общий: в центре расположен белковый стержень к которому присоединяются полипептидные цепи. Связь между белковым и углеводным компонентом может быть как О-, так и N-гликозидная. Углеводный компонент – глюкозаминогликаны - чаще всего присоединяется к аминокислотам (аспарагину, серину, треонину), входящим в состав белкового компонента при участии глюкозилтрансферазы. На наружных концах углеводных компонентов имеется сульфатная группа, придающая наружной поверхности ПГ свойства полианиона. ПГ связывают большое количество воды, при этом создается гидратная оболочка, которая регулирует транспорт ионов, белков, лимфоцитов в соединительную ткань.

Метаболизм ПГ характеризуется высокой степенью интенсивности, например, период полужизни гиалуроновой кислоты 2-4 дня. Катаболизм осуществляется в макрофагах под действием экзо- и эндогликозидаз, сульфогидролаз, протеаз. Наиболее изучена лизосомальная β-гиалуронидаза, гидролизующая β-1,4-гликозидные связи между дисахаридными единицами гиалуроновой кислоты. Образуется дисахарид глюкуроновая кислота-N-ацетилглюкозамин, который дальше расщепляется лизосомальной β-гликозидазой. Хондроитинсульфаты также расщепляются под влиянием β-гиалуронидазы.

К факторам, оказывающим регулирующее влияние на метаболизм соединительной ткани относятся ферменты, гормоны, витамины Так, глюкокортикоиды тормозят синтез коллагена и ГАГ, угнетая активность фибробластов.

Патология соединительной ткани (коллагенозы):

1. Наследственные заболевания соединительной ткани:

А) Связанные с дефектом синтеза коллагена:

1. Несовершенный остеогенез – снижение вдвое количества коллагена 1 типа,

2. Синдром Марфана – нарушение образования поперечных сшивок,

3. Синдром Элерса-Данлоса – резкое уменьшение коллагена 3 типа,

4. Синдром Менке – дефицит лизилоксидазы и нарушение образования поперечных связей в результате нарушения метаболизма меди.

В) Связанные с нарушением обмена ГАГ:

Накоплением и чрезмерным выделением одного или нескольких типов ГАГ. Наи-

более часто встречается дефицит фермента гепарансульфатазы, глюкоронидазы.

Ткани больного инфильтрированы ГАГ и развиваются синдромы поражения пече-

ни, сердца и т.д.

2. Приобретенные заболевания соединительной ткани.

ГАГ придают антигенные свойства основному веществу соединительной ткани, поэтому организм может вырабатывать антитела к этим антигенным компанентам собственной соединительной ткани и способствовать развитию аутоиммунного процесса (ревматизм, системная красная волчанка, ревматоидный артрит).

Биохимические тесты поражения соединительной ткани:

Определение уровня сиаловых кислот в крови, гексуровых кислот и оксипролина в моче.

Наиболее часто используется определение количества сиаловых кислот, входящих в состав полисахаридной части протеогликанов. При поражении соединительной ткани в крови накапливаются ГАГ и входящие в их состав сиаловые кислоты, которые и отражают уровень воспалительно-деструктивного процесса в соединительной ткани.