Глава 1. Биохимия соединительно-тканных структур и межклеточного матрикса

Соединительная ткань - это наиболее распространенный вид ткани животных. Она состоит из клеток и большого количества межклеточного вещества, участвует в поддержании гомеостаза внутренней среды и отличается от других тканей меньшей потребностью в аэробных окислительных процессах.

Разновидности соединительной ткани различаются между собой составом, соотношением клеток, волокон, а также физико-химическими свойствами. К соединительно-тканным структурам относят: хрящевую и костную ткани, сухожилия и связки, эмаль, дентин, цемент зуба и другие ткани.

Основные функции соединительной ткани:

- трофическая (регулирует активный обмен веществ между тканевыми структурами и внутренней средой организма);

- защитная (защищает организм от внешних воздействий и участвует в обезвреживании чужеродных веществ; это обеспечивается костной тканью и фагоцитарной деятельностью макрофагов и клеток иммунной системы);

- опорная (обеспечивается коллагеновыми и эластическими волокнами, образующими волокнистые основы всех органов, а также межклеточным матриксом скелетных тканей);

- пластическая (участвует в адаптации организма к меняющимся условиям существования, в регенерации и замещении дефектов органов при повреждении);

- морфогенетическая (формирование структур органов и тканей в эмбриогенезе и постнатальном периоде).

Главными компонентами соединительной ткани являются клеточные элементы, волокнистые структуры коллагенового и эластического типов, межклеточный (внутриклеточный) матрикс (рис. 1).

Соединительная ткань

клеточные элементы

(фибробласты, тучные клетки,

м акрофаги, хондробласты, остеобласты)

межклеточный матрикс соединительно-тканные

белки

протеогликаны,

г ликозаминогликаны, волокнистые структуры

адгезивные и антиадгезивные белки

(коллагеновые и

эластические волокна)

Р ис. 1. Структурная организация соединительной ткани

Межклеточный (внеклеточный) матрикс или межклеточное (основное) вещество соединительной ткани представляет собой гелеобразную среду, куда погружены коллагеновые и эластические волокна. В состав матрикса входят протеогликаны, гликозаминогликаны, гликопротеины, белки плазмы крови, вода, неорганические ионы, адгезивные и антиадгезивные белки.

В межклеточный матрикс минерализованных тканей включены неколлагеновые белки – гликопротеины (остеонектин, остеокальцин, сиалопротеин кости, остеопонтин и др.), связывающие ионы Са²⁺ и участвующие в образовании кристаллов апатитов (см. главу 2).

1.1. Структура и свойства коллагеновых волокон

Коллагеновые волокна состоят из белка гликопротеина – коллагена, являющегося основным белком соединительной ткани. По массе он составляет 25-33% от общего количества белка организма человека. Необычен его гидрофобный аминокислотный состав: на 33% (1/3) этот белок состоит из аминокислоты глицина, 21% его состава представлен пролином и гидроксипролином, 11% - аланином. Условно полипептидную цепь этого белка можно представить следующим образом: (-Гли-Х-Y-)n, где Гли – глицин, обеспечивающий плотность укладки полипептидных цепей, Х – чаще всего пролин и гидроксипролин, Y – другие аминокислоты.

О сновные аминокислоты белка коллагена:

Пролин и

гидроксипролин (21%)

Синтез и созревание белка коллагена происходит в фибробластах и состоит из двух этапов, которые начинаются в клетке, а завершаются в межклеточном веществе. Они включают посттрансляционные изменения и модификации синтезируемых молекул белка, важными из которых являются:

• гидроксилирование пролина и лизина с образованием гидроксипролина, гидроксилизина и альдегидов лизина (аллизина) происходит при участии гидроксилаз;

• гликозилирование гидроксилизина катализируют гликозилтрансферазы.

Первый этап происходит в фибробластах, остеобластах соединительной ткани и называется внутриклеточным этапом (рис. 2).

В нутриклеточные стадии синтеза коллагена (этап I)

Внутриклеточные стадии синтеза коллагена

Протеолиз N- пептидов

а).

b).

c).

d).

e).

f).

Внеклеточные стадии синтеза коллагена (этап II)

Микрофибриллы

g).

и).

и).

Протеолиз N- и С-пептидов

Объединение тропоколлагена в микрофибриллы

h).

Протеолиз N- и С-пептидов

Протеолиз N- и С-пептидов

Образование макрофибрилл и волокон коллагена

i).

j).

Рис. 2. Этапы формирования коллагенового волокна [1]

I. Внутриклеточный этап (рис. 2). Синтез белка идет на рибосомах, связанных с мембраной ЭПР (эндоплазматического ретикулума). При этом образуются молекулы пре-про-α-цепей коллагена. На N-конце растущей пре-про-α-цепи белка коллагена (а) присутствует гидрофобный сигнальный пептид, функция которого заключается в облегчении перемещения молекул белка в просвет ЭПР. После отщепления сигнального пептида образуется про-α-цепь коллагена (b). В полости ЭПР происходит гидроксилирование остатков пролина и лизина про-α-цепи коллагена с образованием гидроксипролина и гидроксилизина (c). Эти реакции катализируют гидроксилазы, которые содержат в активном центре атом железа (Fe²⁺). Для сохранения железа в восстановленной форме необходим восстановитель - витамин С.

Следующая посттрансляционная модификация радикалов аминокислот про-α-цепи коллагена — гликозилирование остатков гидроксилизина. К ОН — группам радикала гидроксилизина гликозилтрансферазы могут присоединять остатки галактозы, глюкозы (d). По окончании гидроксилирования и гликозилирования три про-α-цепи коллагена соединяются между собой водородными связями, в С- концевых фрагментах формируются дисульфидные мостики (е) и происходит формирование молекул проколлагена (f). Далее молекулы проколлагена из ЭПР перемещаются в аппарат Гольджи, где они включаются в секреторные гранулы и в их составе поступают во внеклеточное пространство (g).

II. Внеклеточный этап. Первой модификацией внеклеточного этапа является частичный протеолиз N- и С- концевых фрагментов белка коллагена под действием протеазы. Три полипептидные цепи спирально навиваются друг на друга, в результате образуется молекула тропоколлагена (h).

Гидроксилирование и гликозилирование лизина необходимо также для сборки из молекул тропоколлагена коллагеновых микрофибрилл (i), а затем макрофибрилл - коллагеновых волокон (j). Объединению молекул тропоколлагена в микрофибриллы (фибриллогенез) способствует также образование аллизина (альдегид лизина) и гидроксиаллизина (альдегид гидроксилизина). Катализирует эти реакции лизилоксидаза.

Микрофибриллы коллагена типа I, II, III, V, XI (i) собираются из большого числа молекул тропоколлагена спонтанно конец в конец, расстояние между которыми ~ 35 нм. Молекулы тропоколлагена располагаются параллельными рядами (i). В параллельных рядах отдельные молекулы тропоколлагена смещены на ¼ относительно друг друга (67 нм) (рис. 3).

Рис. 3. Расположение молекул тропоколлагена в коллагеновых фибриллах [1]

Отдельнаямолекулаооллаге

Отдельная молекула тропоколлагена

Таким образом, прочность соединения молекул тропоколлагена в микрофибриллах обеспечивается поперечными ковалентными сшивками, которые образуются между радикалами аминокислот — лизина, гидроксилизина, аллизина, гидроксиаллизина. Для формирования этих связей необходимо присутствие не только витамина С, но также витаминов В₅, В₆, ионов Fe²⁺, Cu²⁺. При цинге (дефиците витамина С) нарушается гидроксилирование пролина и лизина. Структуры, используемые для сборки коллагеновых фибрилл, а затем волокон, рассыпаются, что приводит к хрупкости и ломкости кровеносных сосудов (кровоточивости десен), разрушению и выпадению зубов.

Коллагены — полиморфные белки. К настоящему времени описано 28 различных типов коллагена (табл. 1). Коллагены I, II и III типа – фибриллярные белки. Они наиболее распространены, составляют 95% всего коллагена организма и участвуют в образовании очень прочных волокон коллагена. Из них особенно распространен коллаген I типа. Коллагены типа IX, XII, XIV фибрилл не образуют, но они вступают в контакт с фибриллами и волокнами других типов коллагена, формируя межклеточный матрикс и структуры, характерные для определенного вида тканей (стекловидное тело, кожа, легкие). Коллагены типа IV, VI, VIII, X служат местом прикрепления других органических молекул.

Таблица 1