Лекция 1. НЕМИНЕРАЛИЗОВАННАЯ СОЕДИНИТЕЛЬНАЯ ТКАНЬ

Ткани организма человека состоят из клеток и внеклеточного пространства, которое называется внеклеточный (межклеточный) матрикс. Ткань, в которой внеклеточный матрикс занимает значительно больший объем, чем клетки называется соединительнойтканью. Рис.11.1.

Доля соединительной ткани в разных органах различна, в коже, костях – она является основным компонентом. Соединительная ткань:

● образует твердые, как камень, кости и зубы;

● формирует прозрачное вещество роговицы глаза;

● принимая форму каната, придает сухожилиям прочность на разрыв.

ХИМИЧЕСКИЕ МАКРОМОЛЕКУЛЫ СОЕДИНИТЕЛЬНОЙ ТКАНИ

Макромолекулы синтезируются и секретируются клетками соединительной ткани: фибробластами, хондробластами (хрящ), остеобластами (кость), цементоцитами (цемент).

Матрикс неминерализованной ткани образуют макромолекулы двух основных классов:

• полисахариды - гликозамингликаны (ГАГ)

- в свободном состоянии;

- или ковалентно связанные с белком.

• фибриллярные белки двух типов:

- структурные коллаген и эластин;

- адгезивные, например, фибронектин, ламинин, нидоген.

■ ГАГ и протеогликаны образуют гидратированную гелеподобную среду, в которую погружены фибриллярные белки;

■ Коллагеновые волокна организуют порядок и укрепляют матрикс, эластические структуры придают ему упругость;

■ Адгезивные белки взимодействуя с клетками, коллагеном и ГАГ обеспечивают интеграцию компонентов матрикса.

ГЛИКОЗАМИНГЛИКАНЫ.

Гликозамингликаны (ГАГ) – это длинные неразветвленные полисахаридные цепи, состоящие из повторяющихся дисахаридных звеньев -[А-В]_n-. Все сахара синтезируются из глюкозы.

В дисахариде:

♦ один остаток – аминосахар N-ацетилглюкозамин или N-ацетилгалактозамин, который у многих ГАГ сульфатирован;

♦ другой - глюкуроновая кислота.

-SO₃^-- и –COO^--группы придают ГАГ большой отрицательный заряд.

В матриксе различают 4 главные группы ГАГ:

· гиалуроновая кислота;

· хондроитинсульфат и дерматансульфат;

· гепарансульфат и гепарин;

· кератансульфат.

СИНТЕЗ ГЛИКОЗАМИНГЛИКАНОВ.

Все ГАГ за исключение гиалуроновой кислоты (ГК) связаны с белком и образуют

протеогликаны (ПГ).

 

ГАГ – 95% Белковая часть - 5%

 

Сердцевинный белок (белковая часть) ПГ образуется на рибосомах ЭР, а синтез цепей ГАГ идет, в аппарате Гольджи. Синтез ГАГ начинается с присоединение к остатку серина в белке ксилозы, галактозы, галактозы с образованием трисахарида. Рис.11.2.

Специфические гликозилтрансферазы присоединяют повторяющихся дисахаридные единицы (А и В). Синтез гиалуроновой кислоты (ГК) катализируют гиалуронатсинтетазы - ферменты клеточной мембраной фибробластов. По мере роста цепи ГК выводится из клетки и могут с помощью гиалуронат-связывающих белков участвовать в образовании агрекана.

Синтез протеогликана – хондроитинсульфата рис.11.3

В сульфатировании участвует ФАФS (3′-фосфоаденозин-5′-фосфосульфат).

Синтезированные протеогликаны выходят из клетки, они различаются по:

• содержанию белка;

• длине полисахаридных цепей;

• числу и типу гликозамингликановых цепей в молекуле.

Структура – «мономера» протеогликана

В межклеточном пространстве ПГ могут образовывать гигантские агрегаты с участием ГК. Они могут удерживать более сотни протеогликановых «мономеров» с помощью связующих белков.

Строение агрекана хрящевого матрикса Рис.11.5.

Агрекан хрящевого матрикса содержит ~ 100 цепей хондроитинсульфата и ~ 60 цепей кератансультата. Отрицательно заряженные группы полисахаридных цепей связывают много ионов: Na⁺, Са²⁺, К⁺, которые удерживают воду во внеклеточном матриксе.

Комплексы из ПГ и коллагенов в позвоночных и суставных дисках:

■ повышают их устойчивость к ударам;

■ смягчают трение возникающее между костями.

Диски сдавливаются в течение дня, восстанавливают эластичность ночью, но постепенно деформируются с возрастом.

Рессорная функция гликозамингликанов. Рис.11.6.

 

Катаболизм гликозамингликанов.

Распад ГАГ и ПГ происходит в лизосомах под действием гидролаз (протеаз, кислых гликозидаз и сульфатаз). Нарушение процесса распада приводит к накоплению в лизосомах фрагментов ГАГ и развитию лизосомальных болезней.

КОЛЛАГЕНЫ составляют около 30% от общего белка организма человека. Молекулы коллагенов имеют трехспиральную структуру, образованную скручиванием трех пептидных α-цепей, которые содержат от 600 до 3000 аминокислот.

Аминокислотный состав α-цепей коллагена.

Цепь состоит из повторяющихся триплетов –[Гли-Х-Y]_n- , где Х и Y могут быть любыми аминокислотами, но чаще всего Х – это пролин, а Y – гидроксипролин. Глицин, не имеющий радикала, допускает плотную укладки трех полипептидных цепей.

Коллаген содержит, в основном, заменимые аминокислоты, поэтому является неполноценным белком.

Этапы синтеза и формирования фибрилл коллагена.

Весь процесс протекает в два этапа. Первый – внутриклеточный идет на полирибосомах, поэтому одновременно образуется много молекул пре-про-α-цепей коллагена.

• отщепление «сигнального» пептида;

С помощью N-концевого «сигнального» пептида пре-про-α-цепи молекулы белка переносятся в просвет ЭР. После этого «сигнальный» пептид отщепляется и образуется про-α-цепь.

• гидроксилирование аминокислотных остатков пролина и лизина

происходит в полости ЭР под действием железосодержащих (Fe²⁺) ферментов пролилгидроксилазы и лизилгидроксилазы. В ходе реакций Fe²⁺ окисляется (Fe³⁺), в его восстановлении участвует вит. С. Рис.11.9.

Введение ОН- группы в гидрофобный радикал Про позволяет гидПро образовывать водородные связи, стабилизирующие трехспиральную структуру коллагена. Лизин и гидроксилизин в ходе внеклеточного этапа образуют ковалентные связи при сборке коллагеновых фибрилл.

• гликозилирование гидроксилизина катализируют специфические гликозилтрансферазы. Они могут присоединять остатки галактазы, галактозы и глюкозы. По завершении спирализации гликозилирование прекращается.

Гликозилирование аминокислотных остатков гидроксилизина. Рис.11.10.

Остатки Цис в N (100 ам-т)- и С-концевых (250 ам-т) фрагментах:

■ обеспечивают правильную ориентацию 3-х про-α-цепей относительно друг друга;

■ образуя меж- и внутрицепочечные дисульфидные мостики мешают спирализации N- и С-концов.

■ предотвращают образование крупных коллагеновых фибрилл в клетках.

Образованные структуры из трех про-α-цепей включаются в секреторные гранулы и экзоцитозом поступают во внеклеточное пространство.

Внеклеточный этап начинается с частичного протеолиза специфическими пептидазами N- и С-концевых фрагментов. Образованный тропоколлаген состоит из 3-х равных по длине (~1000 ам-т) полипептидных цепей.

Внеклеточная модификация радикалов лизина идет под действием лизилоксидазы. Рис.11.11.

Е

-NH-СН-СО- -NH-СН-СО-α-цепь в молекуле

(СН₂)₄ (СН₂)₃тропоколлагена

NН₂ О₂ NH₃ Н₂О НС=О

Лизин Аллизин

Е - Лизилоксидаза (Си²⁺, РР, В₆)

Фибриллогенез – объединение тропоколлагена в микрофибриллы.

Молекулы тропоколлагена самопроизвольно располагаются параллельными рядами. В каждом ряду может находиться несколько молекул тропоколлагена, расстояние между ними ~ 35нм. В параллельных рядах отдельные молекулы тропоколлагена смещены на ¼ относительно друг друга (67 нм). Структура фибрилл стабилизируется межмолекулярными ковалентными сшивками между радикалами лизина, аллизина, гидроксилизина или гидроксиаллизина Рис.11.12.

Рис.11.13.А.

Количество и тип сшивок зависит от прочности ткани на растяжение. Наибольшее количество сшивок в коллагене ахиллового сухожилия.

Прочность коллагеновых волокон обусловлена :

· водородными связями между пептидными цепями коллагена;

· образованием тройной спирали из полипептидных цепей;

· множеством ковалентных связей между молекулами тропоколлагена

· сдвигом молекул тропоколлагена на 1/4 относительно друг друга в микрофибрилле коллагена.

Коллагеновые микрофибриллы в различных тканях отличаются по:

• толщине;

• структурной организации.

Рис.11.14.

Типы коллагена.

Коллагены – полиморфные белки, которые кодируется 20 генами. В разных тканях экспрессируются различные комбинации этих генов. Коллагены I, II, III – фибриллярные белки, особенно широко распространен коллаген I типа.

Катаболизм коллагена.

Коллаген – медленно обменивающийся белок. Время его полужизни не­дели или даже месяцы. Коллагеназа гидролизует сразу три нити в между остатка­ми глицина и лейцина (изолейцина). Рис.11.15.

По количеству гидроксипролина, выделяемого за сутки с мочой, можно судить об активности процесса катаболизма коллагена. У здорового человека за сутки экскретируется 15-50 мг гидроксипролина.

При старении:

· снижается скорость обмена коллагена;

· увеличивается количество поперечных связей между молекулами тропоколлагена, что делает их более жесткими и хрупкими;

· уменьшается соотношение ГАГ/коллаген;

· уменьшается количество связанной воды;

· увеличивается сухость кожи, изменяются механические свойства хрящей и сухожилий, понижается прозрачность роговицы глаза.

ЭЛАСТИН

Эластичность, необходимая для функционирования кровеносных сосудов, легких, связок и кожи обеспечиваетсяэластином матрикса.Структура молекулы кодируется только одним геном.

Особенности строения эластина:

· белок построен из 750 аминокислотных остатков;

· молекулы содержат много аминокислот с гидрофобными радикалами. Глицин, валин, аланин и пролин составляют 70% от общего количества аминокислот полипептида;

· в состав цепи входит небольшое количество гидроксипролина, совсем нет гидроксилизина и углеводных фрагментов;

· полимерные молекулы не имеют строго определенной конформации; при натяжении упорядоченность структуры возрастает.

Синтез эластина и формирование полимерных структур.

Мономерная форма эластина синтезируется на рибосомах и называется тропоэластин.

Во внеклеточном пространствелизилоксидаза катализирует образование радикалов аллизина на участках цепи имеющих определенную последовательность: -Лиз-Ала-Ала-Лиз- и

–Лиз-Ала-Ала-Ала-Лиз-.

Между остатками 4 остатками аллизина и лизина образуются десмозин (пиридинолин) или в похожий по структуре изодесмозин (изопиридинолин).

Структура десмозина Рис.11.16.

В образовании десмозина могут принимать участие две, три или четыре молекулы тропоэластина.

Рис.11.17.

Эластические волокона могут растягиваться и снова сжиматься в двух направлениях, подобно резине.

Кроме десмозинов в эластине встречаются поперечные сшивки лизиннорлейцина, образованные двумя радикалами лизина.

Катаболизм.эластина. Время полураспада эластина составляет около 75 лет. Протеолиз белка происходит под действием эластазы, которая также может гидролизовать коллаген, иммуноглобулины и другие белки.

АДГЕЗИВНЫЕ.БЕЛКИ Внеклеточный матрикс содержит адгезивные гликопротеины: фибронектин, ламинин, нидоген,

Фибронектин – образующий фибриллы гликопротеин, он состоит из двух субъединиц, которые свернуты в серию.глобулярных.доменов. Отдельные домены могут взаимодействовать с: другими молекулами фибронектина, коллагеном, гликозамингликанами, интегриновыми рецепторами клеток и ферментом трансглутаминазой. Фермент образует ковалентную связь между остатками глутамина и лизина двух молекул фибронектина, фибронектина и коллагена или фибронектина и.других.белков. Структура фибронектина. Рис.11.18.

Эндотелиальные клетки, секретируют адгезивный гликопротеин ламинин – основной белок базальных мембран. Он состоит из трех пептидных цепей: α-, β- и γ имеющих доменное строение. Строение ламинина Рис.11.19.

Домены ламинина связываются с: другими молекулами ламинина, интегринами,.протеогликанами.базальной.мембраны,.гликопротеинами клеточной поверхности и белком нидогеном. N-концевые группы ламинина могут связывать Са²⁺ и образовывать сетевидные структуры с помощью.Са-зависимого.взаимодействия.

Нидоген – доменный белок, в базальной мембране нидоген играет связующую роль между сетевидными слоями ламинина и сетью из коллагеновых.фибрил.