 |
Распад коллагена в организме.
|
|
|
|
Биохимия соединительной ткани.
Соединительная ткань выполняет структурные и опорные функции. Сухожилия, связки, хрящи – элементы соединительной ткани.
Соединительная ткань окружает кровеносные сосуды, образует важную в структурном отношении подкожную клетчатку, связывает между собой клетки отдельных тканей, заполняет пространство между клетками так называемым основным веществом.
Существуют три главных молекулярных компонента соединительной ткани: два фибриллярных белка – коллаген и эластин и протеогликаны – семейство гибридных молекул, представляющих собой белки, ковалентно связанные с полисахаридами.
Фибриллы коллагена не растягиваются, а фибриллам эластина характерна высокая степень растяжимости.
Сухожилия, при помощи которых мышечное усилие передается костям, состоят, в основном, из коллагена. Связки, богатые эластином, соединяют кости скелета и удерживают их в суставах. Они должны быть гибкими и эластичными. Протеогликаны выполняют функцию основного вещества, в которое погружены или которым покрыты волокнистые элементы соединительной ткани. Протеогликаны содержат много полисахарида и относительно мало белка.
Протеогликаны играют также роль межтканевых прослоек и служат смазочным материалом в суставах.
Коллаген, эластин и протеогликаны синтезируются в фибробластах и хондроцитах – специализированных клетках соединительной ткани. Затем эти белки выталкиваются из клеток и приобретают структурную организацию, свойственную различным элементам соединительной ткани.
Синтез коллагена.
В организме человека основная масса коллагена синтезируется высокоспециализированными клетками – остеобластами в костях, одонтобластами в зубной ткани, хондробластами в хрящах, фибробластами в мягких опорных тканях (сухожилиях, связках, фасциях), паренхиматозных органах и мышечной ткани. Все эти типы клеток имеют мезодермальное происхождение. Коллаген некоторых базальных мембран (капсулы хрусталика, почечных клубочков) имеет эктодермальное происхождение. Коллагенсинтезирующие клетки производят также и другие структурные компоненты соединительной ткани: эластин, гликопротеиды, гликозаминогликаны.
|
|
|
Образование фибриллярного белка коллагена подчиняется общей схеме синтеза белка. В то же время для его осуществления необходимы специальные системы, обеспечивающие реакции гидроксилирования пролина и лизина с образованием оксипролина и оксилизина.(См. 3а).
Коллагены содержат около 35% остатков глицина и примерно 11% остатков аланина. Другим отличительным признаком коллагена является высокое содержание в нем пролина и 4-гидроксипролина, на их долю приходится около 21% всех аминокислотных остатков коллагена. Преобладание четырех аминокислот над всеми другими определяет относительно низкую питательную ценность белка (желатины). Пролин и гидроксипролин образуют изгибы в полипептидной цепи и поэтому вторичная структура белка представлена в этих участках b-складчатостью (так как присутствие этих аминокислот несовместимо с a-спиралью.
Первичная структура коллагена характеризуется высоким содержанием глицина (около 35%) и аланина (11%), а также пролина и оксипролина.
Вторичная структура представлена b-складчатостью, так как высокое содержание пролина и оксипролина несовместимо с образованием a-спирали.
Коллаген синтезируется в форме предшественника – проколлагена. Проколлаген содержит дополнительные N- и С-концевые пептиды, содержащие 120 – 130 аминокислотных остатков, среди которых нет либо очень мало пролина и глицина, много кислых остатков и цистеина. Дополнительные пептиды не способны образовывать спираль коллагенового типа, роль их окончательно еще не выяснена. После освобождения a-цепей из полисом между остатками цистеина в N-концевых пептидах образуются дисульфидные связи. Эти связи, по-видимому, необходимы для формирования тройной спирали коллагенового типа в той части молекулы предшественника, которая соответствует будущей молекуле коллагена.
|
|
|
Полагают, что дополнительные N-концевые пептиды могут препятствовать образованию внутри клеток нерастворимых молекулярных агрегатов либо участвовать в фибриллогенезе, где они служат "ориентационными" пептидами.
Дополнительные С-концевые пептиды проколлагена изучены мало. Показано, что они неспирализованы и в молекуле проколлагена соединены друг с другом дисульфидными связями.
Известно, что свободные оксипролин и оксилизин не включаются в полипептидные цепи коллагена в процессе трансляции. Их остатки образуются в результате ферментативного гидроксилирования остатков пролина и лизина, включенных в состав полипептидов. Считают, что процессы гидроксилирования пролтна и лизина идут на рибосомах после достижения синтезируемой цепью определенной длины.
Гидроксилирование пролина и лизина осуществляют два высокоспецифичных фермента – пролилигидроксилаза и лизилгидрокислаза. Подавление гидроксилирования остатков пролина и лизина в проколлагене препятствует выводу его из клетки. Часть образовавшихся остатков оксилизина, входящих в состав проколлагена, гликозилируется под воздействием высокоспецифичных глюкозил-галактозилтрансфераз. Этот процесс требует присутствия ионов двухвалентного марганца.
Сформировавшиеся молекулы проколлагена транспортируются в сферические участки мешочков комплекса Гольджи, откуда они переходят в цилиндрические части мешочков. Затем эти части мешочков формируются в секреторные гранулы, и молекулы проколлагена покидают клетку путем экзоцитоза.
В межклеточном пространстве молекулы проколлагена подвергаются отщеплению N- и С – концевых пептидов, в результате чего они превращаются в типичные молекулы коллагена. Вначале удаляются N-концевые, а потом С – концевые пептиды.
|
|
|
(Схема биосинтеза коллагена рис. 11, В.Н. Никитин, Е.Э. Пермский, Л.А. Утевская. Возрастная и эволюционная биохимия коллагеновых структур, стр. 42).
Образовавшиеся молекулы коллагена включаются либо в состав уже существующих фибриллярных структур, либо в состав вновь формирующихся структур.
Распад коллагена в организме.
Распад коллагена – многоступенчатый процесс. На начальных стадиях процесс идет под действием специфических ферментов – коллагеназ. Расщепление идет по связям "Гли – Лей" или "Гли – Илей", при этом расщепление молекулы не нарушает спиральной конформации обоих фрагментов.
Трехспиральные фрагменты молекулы коллагена, образующиеся в результате действия колагеназы, денатурируют в растворе при более низких температурах, чем нативные молекулы.
Одним из последних этапов деградации коллагена является расщепление трипептидов ГЛИ – ПРО – ОПРО, образовавшиеся дипептиды последовательно расщепляются имидодипептидазой и имимнодипептидазой.
Фибриллы коллагена состоят из повторяющихся полипептидных субъединиц, называемых тропоколлагеном. Молекулярная масса тропоколлагена составляет около 285 кДа. Тропоколлаген состоит из трех полипептидных цепей. Тропоколлаген представляет собой палочкообразную молекулу длиной 300 нм и толщиной всего лишь 1,5 нм. Субъединицы уложены вдоль фибриллы в виде параллельных пучков по типу "голова к хвосту". Головки параллельно расположенных молекул тропоколлагена сдвинуты относительно друг друга ступенчатым образом на одно и то же расстояние в продольном направлении. Этим объясняется характерная для коллагеновых волокон поперечная исчерченность. Три спирально навитые друг на друга полипептидные цепи имеют равную длину, и в каждой из них содержится около 1000 аминокислотных остатков. В одних коллагенах все три цепи имеют одинаковую аминокислотную последовательность, в других идентичны только две цепи, а третья отличается от них. Каждая полипептидная цепь тропоколлагена образует левую спираль, на один виток которой приходится только три аминокислотных остатка. Присутствие большого количества пролина и гидроксипролина придает цепи жесткую изогнутую конформацию, три спиральные полипептидные цепи плотно обвиты одна вокруг другой. Полипептидные цепи соединены между собой также поперечными водородными связями. В коллагене обнаружены необычные ковалентные связи, образующиеся между двумя остатками лизина, находящимися в соседних цепях. Расположенные рядом друг с другом тропоколлагеновые тройные спирали тоже соединены поперечными связями. Тропоколлаген практически нерастворим вследствие очень плотной скрученности его тройных спиралей, а также из-за наличия поперечных связей. По мере старения человека в тропоколлагеновых субъединицах и между ними становится все больше поперечных связей, что делает фибриллы коллагена в соединительной ткани более жесткими и хрупкими. Присутствие коллагена во многих структурах, его увеличивающаяся при старении хрупкость и жесткость изменяют механические свойства хрящей и сухожилий, делают более ломкими кости и понижают прозрачность роговицы глаза.
|
|
|
Коллагеновая спираль уникальна, так как не встречается ни в каких других белках, кроме коллагена, в отличие от a-спирали и b-конформации, которые хотя бы в виде небольших участков обнаруживаются во многих глобулярных белках. Две нестандартные аминокислоты присутствуют в коллагене. Они образуются из стандартных аминокислот – пролина и лизина – путем их гидроксилирования – это оксипролин и оксилизин:
6 5 4 3 2 1
OH CH2 – CH – CH2 – CH2 – CH - COOH
½ ½ ½ ½
H – C CH2 NH2 OH NH2
4 3
1 оксилизин
H2C5 2CH – COOH
NH
оксипролин
Исследование первичной структуры коллагена показало, что вдоль a-цепей коллагена чередуются области скоплений "полярных" и "неполярных" аминокислотных остатков. Наиболее часто среди дипепитдов, содержащих глицил, встречаются "Гли – Про" и "Опро – Гли", а среди трипептидов – "Гли – Про – Опро". Типичная последовательность "полярных" и "неполярных" блоков аминокислот в a-цепях может быть схематически представлена следующим образом:
-- (Гли – Х – Ц) -- --(Гли – Про – Z)—
"полярная" область "неполярная" область
В "полярных" областях содержатся кислые, основные или гидроксилированные боковые радикалы – лизина, аспарагиновой кислоты, глутаминовой кислоты, серина. В "неполярных" областях встречаются аминокислоты – оксипролин, аланин, аспарагин, глутамин, фенилаланин, метионин, треонин, серин.
|
|
|
Важная роль в стабилизации конформации коллагена принадлежит воде, на 1г коллагена приходится примерно 0,46г гидратной воды.
При денатурации коллагена происходит переход "спираль – клубок". При тепловой денатурации коллаген может распадаться на три a-цепи или на a-цепи и b-частицы, представляющие собой клубки из двух a-цепей, связанных по меньшей мере одной поперечной ковалентной связью, не рвущейся при денатурации, либо превращаться в g-частицы – клубки из трех ковалентно связанных перекрестными связями a-цепей. Превращение стержнеобразных молекул коллагена в статистические клубки сопровождается резким падением вязкости и оптической активности растворов коллагена.
Углеводы являются структурным компонентом коллагена. Количественный и качественный состав углеводов зависит от типа ткани и систематической принадлежности организма. В большинстве коллагенов позвоночных содержание углеводов составляет около 1%, основная часть представлена гексозами: глюкозой, галактозой, которые соединены между собой гликозидной связью. В свою очередь углеродный атом С1 галактозы соединен с ОН – группой оксилизина:
СООН
½
СHNH2
½
СН2ОН (CH2)2
О ½
О – СН
СН2ОН ОН ½
О CH2NH2
О
ОН
ОН
ОН
Углеводы могут быть также представлены маннозой, фукозой, а также коллаген может содержать сиаловые кислоты, гексозамины.
Строение и свойства надмолекулярных коллагеновых структур.
Первичной надмолекулярной коллагеновой структурой являются так называемые фибриллы нативного типа.
Фибриллы коллагена состоят из повторяющихся полипептидных субъединиц, называемых тропоколлагеном. Эти субъединицы уложены вдоль фибриллы в виде параллельных пучков по типу "голова к хвосту".
Следующий за фибриллами уровень организации коллагена представлен волокнами.
В формировании волокон, кроме коллагена, принимают участие компоненты основного вещества соединительной ткани – гликозаминогликаны, их проетогликаны, гликопротеиды.
Наиболее полно изучены гликозаминогликаны – линейные полимеры, состоящие из последовательно соединенных дисахаридных единиц, каждая из которых содержит гексозамин и уроновую кислоту или галактозу.
(Химический состав гликозаминогликанов, найденных в разных типах соединительной ткани представлен в таблице 1).
В нативных тканях гликозаминогликаны входят в состав белково-полисахаридных комплексов – протеогликанов, белковый компонент которых имеет аминокислотный состав, резко отличающийся от состава коллагена. В большинстве случаев при взаимодействии с белком гликозаминогликаны присоединяются с помощью О-гликозидной связи к ОН – группе оксиаминокислот, чаще всего серина или треонина.
Эластин.
Другим фибриллярным белком является эластин. К основным типам соединительной ткани, богатой эластином, относятся желтая эластическая ткань связок и эластический слой соединительной ткани в стенках крупных артерий.
Основная субъединица фибрилл эластина – тропоэластин – имеет молекулярную массу, равную приблизительно 72.000. Да, и содержит около 800 аминокислотных остатков. Эластин, подобно коллагену, богат глицином и аланином. Тропоэластин отличается от тропоколлагена тем, что содержит много остатков лизина, но мало остатков пролина. Тропоэластин образует спираль особого типа, отличающуюся как от a-спирали, так и от коллагеновой спирали. Молекула тропоэластина состоит из богатых остатками глицина спиральных участков, разделенных более короткими участками, содержащими остатки пролина и лизина. Спиральные участки растягиваются при натяжении, но возвращаются к исходной длине при снятии нагрузки. Области, содержащие остатки лизина, принимают участие в формировании ковалентных поперечных связей. Четыре радикала лизина сближаются друг с другом и ферментативным путем превращаются в десмозин, или в сходный по структуре изодесмозин. Так происходит объединение полипептидных цепей тропоэластина в системы, способные обратимо растягиваться во всех направлениях.
(А. Ленинджер, том I, стр. 180, рис. 7.16).
Вторичная структура и свойства фибриллярных белков.
| Структуры | Характеристики | Примеры |
| a-спираль с поперечными связями, образованными остатками цистеина. | Прочные нерастворимые защитные структуры различной твердости и гибкости. | Волосы, перья, ногти. |
| b-конформация. | Мягкие гибкие нити. | Шелк. |
| Тройная коллагеновая спираль. | Выдерживает высокую нагрузку без растяжения. | Сухожилия, костный матрикс. |
| Цепи эластина с поперечными связями, образованными остатками десмозина. | Эластичное растяжение в двух измерениях. | Связки. |
|
|
|
