Лукашева_Е.В._Материалы_к_лекциям_по_биохимии_соединительной_ткани (2)
.pdf
этих заболеваний отличается своеобразным патогенезом и течением, а также индивидуальными проявлениями. Среди многочисленных теорий развития коллагенозов наибольшее признание получила теория инфекционно-аллергического происхождения.
Избыточный синтез фибробластами коллагенов (и некоторых других белков) приводит к фиброзам, которые сопутствуют процессам рубцевания кожи, следующим за ожоговым или травматическим повреждением, а также заболеваниям печени, легких, почек и поджелудочной железы.
2. Неколлагеновые белки межклеточного матрикса соединительной ткани
Наряду с коллагеном, соединительная ткань содержит регуляторные белки, ферменты, а также адгезивные белки, обеспечивающие связывание различных компонентов межклеточного матрикса соединительной ткани как между собой, так и с клеточными мембранами.
2.1. Эластин широко представлен в тех типах соединительной ткани, которые наряду с прочностью на разрыв могут подвергаться значительному растяжению, а затем принимают исходные размеры: в коже, кровеносных сосудах, связках, легких (см. схему). Эластин - это белок с молекулярной массой одной полипептидной цепи 70 кДа, которая содержит мало полярных аминокислот; однако богата глицином (27%), аланином (19%), валином (10%), и лейцином (4,7%). В эластине практически отсутствуют цистеин и триптофан и содержится очень мало метионина. Содержание гидроксипролина в эластине приблизительно в 10 раз ниже, чем в коллагене.
Уникальные свойства эластина связаны с наличием в его структуре поперечных сшивок, в образовании которых участвуют остатки лизина двух, трех или четырех отдельных полипептидных цепей. Благодаря таким сшивкам эластин можно растягивать сразу в двух направлениях в отличие от других фибриллярных белков (см. формулу сшивки, образованной четырьмя лизиновыми остатками - десмозина):
Эластин синтезируется как растворимый мономер, молекулы которого принимают почти сферическую форму. Эластичная структура возникает, как в коллагене, в результате постсинтетического наложения межмолекулярных сшивок, в образовании которых принимает участие лизилоксидаза. Нарушения посттрансляционной модификации эластина могут приводить к различным заболеваниям, связанным с вялостью и истонченностью эластичных тканей. Причинами этих нарушений могут быть снижение активности лизилоксидазы, вызванное наследственными причинами или дефицитом меди, а также нарушение всасывания меди в кишечнике.
Основным ферментом, распада эластина, является эластаза нейтрофилов, которая наряду с эластином способна расщеплять другие белки, в частности, коллаген, протеогликаны, гемоглобин. В норме эластаза не разрушает ткани из-за присутствия в крови синтезируемого в печени ингибитора протеиназ, носящего название α1-антитрипсина. При возникновении очага воспаления в нем наблюдается возрастание эластазной активности, за счет
22
притока нейтрофилов, а также увеличение уровня свободных радикалов, генерируемых нейтрофилами. При незначительных поражениях эластических тканей организм способен справиться с развившимся окислительным стрессом, однако при массивных поражениях, например, при обширных ожогах кожи, ткани подвергаются повышенному окислительному стрессу.
2.2.Фибронектин является одним из неколлагеновых белков, обеспечивающим связывание коллагена, фибрина и гликозаминогликанов с клетками. Он выполняет интегрирующую роль при построении межклеточного матрикса. Фибронектин синтезируется и секретируется в межклеточный матрикс многими клетками, например, фибробластами. Он состоит из двух одинаковых субъединиц, связанных между собой дисульфидными связями, расположенными вблизи С-концов. В каждой цепи фибронектина содержатся домены, способные связывать: а) коллаген; б) протеогликаны; в) гиалуроновую кислоту; г) углеводы клеточных мембран; д) гепарин; е) фермент глутамилтрансферазу. Фибронектин участвует в различных процессах: адгезии и перемещения эпителиальных и мезенхимальных клеток, стимуляции пролиферации эмбриональных и опухолевых клеток, дифференцировке и поддержании цитоскелета клеток, в воспалительных и репаративных процессах. Каждая субъединица фибронектина содержит последовательность Арг-Гли-Асп (RGD), участвующую в присоединении к клеточным рецепторам – интегринам.
2.3.Интегрины – белковые мембранные рецепторы, состоящие из двух субъединиц. Они встроены в плазматическую мембрану, способны связывать белки, содержащие RGDпоследовательности и участвовать в передаче информации из внеклеточного пространства внутрь клетки.
2.4.Ламинины являются наиболее распространенными гликопротеинами базальных мембран. Они состоят из трех
полипептидных цепей (α, β, γ), которые укладываются в пространстве в крестообразную структуру, на различных ответвлениях которой имеются домены (изображены на рисунке кружками), способные взаимодействовать практическими со всеми структурными компонентами базальных мембран: коллагеном IV
23
типа, нидогеном, гепарансодержащими протеогликанами, а также с белковыми рецепторами клеток. Ламинины выступают в роли факторов адгезии, роста, дифференцировки и хемотаксиса клеток. Они необходимы для структурной организации дентина и связывания тканей пародонта с цементом корня зуба.
Схематическое изображение молекулы ламинина
2.5. Нидоген - сульфатированный гликопротеин, содержащий RGD-последовательность, способный связывать клетки и различные компоненты межклеточного матрикса. В частности, нидоген может выступать в роли молекулы, связывающей ламинин и коллаген IV типа.
3. Протеогликаны
Протеогликаны – это высокомолекулярные соединения, состоящие из белковой части, на долю которой приходится от 2 до 10%, и углеводной части, на долю которой приходится 90–98% от общей массы протеогликанов. От гликопротеинов, в которых содержание углеводных компонентов составляет не более 40 % от общей массы, протеогликаны отличаются не только большим содержанием углеводов, но и строением молекул.
24
3.1. Строение протеогликанов
Протеогликаны образуют основное вещество межклеточного матрикса соединительной ткани, где они связаны с коллагеном, эластином, фибронектином и ламинином, а также другими белками межклеточного матрикса. Белковая часть в протеогликанах представлена одной полипептидной цепью, называемой коровым (сердцевинным) белком. В различных протеогликанах коровые белки отличаются как по молярной массе, так и по аминокислотному составу. К коровому белку крепятся отрицательно заряженные полисахариды из повторяющихся дисахаридных фрагментов – гликозаминогликанов. Раньше гликозаминогликаны называли мукополисахаридами, поскольку их находили в слизистых секретах (мукоза). В настоящее время известна структура шести основных классов гликозаминогликанов, которые представлены в табл. 2.
Табл. 2. Состав гликозаминогликанов
|
Название |
Компоненты повторяющегося |
|
гликозаминогликана |
дисахаридного фрагмента |
1. |
Хондроитин-4- |
D-глюкуроновая кислота |
|
сульфат |
N-ацетил-D-галактозамин-4-сульфат |
2. |
Хондроитин-6- |
D-глюкуроновая кислота |
|
сульфат |
N-ацетил-D-галактозамин-6-сульфат |
3. |
Гиалуроновая |
D-глюкуроновая кислота |
|
кислота |
N-ацетил-D-глюкозамин |
4. |
Дерматансульфат |
D-идуроновая кислота |
|
|
N-ацетил-D-галактозамин-4-сульфат |
5. |
Кератансульфат |
D-галактоза |
|
|
N-ацетил-D-глюкозамин-6-сульфат |
6. |
Гепарансульфаты |
D-глюкуронил-2-сульфат |
|
и гепарин |
N-ацетил-D-глюкозамин-2-сульфат |
Гликозаминогликаны заряжены отрицательно, они хорошо связывают положительно заряженные ионы, большое количество воды и сильно набухают, превращаясь в гель и придавая межклеточному матриксу соединительной ткани высокую вязкость (желеобразные свойства). Это позволяет
25
гликозаминогликанам, которые составляют всего 10% от массы сухого внеклеточного матрикса, занимать до 90% его объема. Поэтому гликозаминогликаны обеспечивают устойчивость соединительной ткани к сжатию и выполнение ими рессорных функций. В качестве примера представлен фрагмент молекулы одного из гликозаминогликанов – хондроитинсульфата:
Наиболее известным протеогликаном является агрекан, коровый белок которого связан О-гликозидными связями через аминокислотные остатки серина со ста цепями хондроитинсульфата и тридцатью цепями кератансульфата:
гликозаминогликаны
Коровый
белок
Схематическое изображение агрекана
26
Протеогликаны отличаются высокоупорядоченным способом пространственного расположения, способностью связываться с сигнальными белковыми молекулами и выполнять в соединительной ткани структурную, адгезивную, рессорную, рецепторную и другие функции. Протеогликаны могут образовывать гели с различной величиной пор и разной плотностью зарядов и служить фильтрами, регулирующими движение молекул и клеток в соответствии с их размерами и зарядом. Есть данные о том, что они выполняют подобную функцию и в базальной мембране почечных клубочков.
В межклеточном матриксе представлены протеогликаны различного строения и размеров, выполняющие разные функции. Состав протеогликанов в организме изменяется в зависимости от возраста. В течение жизни уменьшается количество хондроитинсульфата в хрящах и межпозвоночных дисках и гиалуроновой кислоты в коже, а концентрация кератансульфатов увеличивается в тканях, содержщих это соединение.
Например, в хрящевой ткани молекулы агрекана собираются в комплексы с гиалуроновой кислотой (см. табл.2). Одна молекула гиалуроновой кислоты может присоединять до 100 молекул агрекана при участии специальных связывающих белков, образуя комплекс с молекулярной массой более 200000 кДа, составляющий 25% массы сухой хрящевой ткани.
Гиалуроновая кислота может присутствовать и в свободном виде (не образуя комплексов с белками) в виде вытянутых цепей, имеющих длину до 2500 нм (2,5 мкм). Она наделена регуляторными функциями, участвует в морфогенезе.
27
Агрекан
Гиалуроновая кислота
Связывающие белки
Схематическое изображение протеогликанового комплекса
В соединительной ткани были обнаружены и, так называемые, малые протеогликаны. К ним относится, например, семейство небольших протеогликанов, богатых лейцином, а также продуцируемые остеобластами бигликан и декорин. Молекулярная масса их коровых белков составляет, соответственно, 36 и 38 кДа, а аминокислотные последовательности коровых белков характеризуются высокой степенью гомологичности, несмотря на то, что они кодируются различными генами. Их коровые белки содержат своеобразную 24-аминокислотную последовательность, богатую лейцином, которая повторяется (10 раз в декорине и 12 раз в бигликане). К коровым белкам декорина и бигликана
28
крепятся, соответственно, одна или две полисахаридные цепи дерматансульфата с молекулярной массой порядка 30 кДа. Коровый белок другого протеогликана – фибромодулина с молекулярной массой 40 кДа присоединяет одну или две полисахаридных цепи дерматансульфата. Богатые лейцином повторяющиеся последовательности были идентифицированы и в двух других соединительнотканных белках - фибромодулине и остеоглицине (прежде называвшемся остеоиндуктивным фактором). Представители семейства небольших протеогликанов, богатых лейцином, связываются с фибриллами коллагена II типа и ограничивают их рост, препятствуя образованию толстых грубых фибрилл. Декорин и бигликан присоединяются к фибронектину и подавляют клеточную адгезию, а при присоединении к фактору роста опухолей снижают его митогенную активность. Малые протеогликаны играют важную регуляторную роль в процессах межклеточных взаимодействий, а также в развитии и восстановлении соединительной ткани.
Кроме семейства небольших протеогликанов, богатых лейцином, из костного матрикса в небольших количествах были изолированы несколько других типов малых протеогликанов, но их роль в формировании минерализованного матрикса и костном метаболизме пока окончательно не выяснена.
3.2. Синтез и распад протеогликанов и их регуляция
Коровый белок протеогликанов синтезируется на рибосомах и переносится в шероховатый эндоплазматический ретикулум, где с помощью изопреноидного спирта долихолдифосфата на него переносятся связывающие трисахаридные фрагменты. Большинство гликозаминогликанов связываются с коровым белком О-гликозидной связью через аминокислотные остатки серина или треонина. Кератансульфат присоединяется через аминокислотный остаток аргинина N- гликозидной связью.
Далее коровый белок с присоединенным трисахаридом по каналам ЭПР поступает в аппарат Гольджи, где происходит наращивание полисахаридных цепей путем последовательного
29
присоединения моносахаридов, причем перенос моносахаридов осуществляется с их УДФ-производных. Источником аминогруппы в присоединяемых аминосахарах является амидный азот глутамина.
Далее происходит сульфатирование углеводной части по остаткам N-ацетилгалактозамина или N-ацетилглюкозамина, причем поставщиком сульфатной группы является ФАФС (3’-
фосфоаденозин-5’-фосфосульфат) (см. учебник: Березов Т.Т.,
Коровкин Б.Н. Биологическая химия. – М: изд-во «Медицина», 2007, с.428).
Ингибирующее влияние на синтез гликозаминогликанов и глюкуроновой кислоты оказывают глюкокортикоиды. Половые гормоны также тормозят синтез сульфатированных гликозаминогликанов, тогда как витамин А усиливает сульфатирование гликозаминогликанов.
Распад протеогликанов начинается в межклеточном матриксе соединительной ткани под действием протеиназ, эндо- и экзо-гликозидаз и сульфатаз, которые отщепляют сульфогруппы от протеогликанов. Одной из важных гликозидаз является гиалуронидаза, гидролизующая 1,4-гликозидные связи между повторяющимися дисахаридными единицами в гиалуроновой кислоте и хондроитинсульфате, при этом конечными продуктами реакции являются тетрасахариды. После частичного расщепления фрагменты протеогликанов и тетрасахариды переносятся из межклеточного пространства в клетку путем эндоцитоза через эндоцитные пузырьки, которые затем сливаются с лизосомами, где происходит окончательное расщепление промежуточных фрагментов лизосомальными ферментами до мономеров.
При недостаточном или аномальном синтезе каких-либо ферментов катаболизма протеогликанов развиваются тяжелые наследственные заболевания – мукополисахаридозы (лизосомальные болезни накопления), приводящие к задержке умственного развития детей, помутнению роговицы глаза, деформации скелета, уменьшению продолжительности жизни.
При пародонтите в тканях пародонта повышается активность ферментов, участвующих в распаде белков и протеогликанов: протеиназ (коллагеназы, катепсина D), гликозидаз, в частности - гиалуронидазы, сульфатаз.
30