Биохимия соединительной ткани

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Биохимия соединительной ткани.  

 

Автор – доцент кафедры биохимии Е.А. Рыскина

 
 
 
 
 
 
 
 
К соединительной ткани относят ткани костей, зубов, хрящей, сухожилий, подкожную клетчатку. 

 

Соединительная ткань может образовывать твердые структуры кости и зуба;

Может принимать форму каната, придавая сухожилиям большую прочность на разрыв;

Может формировать прозрачное вещество роговицы глаза.

Соединительная ткань имеет характерные особенности.

 

    В соединительной ткани межклеточное вещество (межклеточный матрикс) занимает больше место, чем сами клетки.

 

Межклеточный матрикс соединительной ткани:

 

1. Имеет сложный химический состав и содержит разнообразные белки и полисахариды, в образовании которых участвуют бластные клетки соединительной ткани.

2. Характерна высокая степень организации полимерных молекул, которые самопроизвольно организуются в упорядоченную структуру.

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Внеклеточный матрикс образуют макромолекулы двух основных классов – белки и полисахариды. 

 

• В состав внеклеточного матрикса  входят структурные и адгезивные белки.
• Структурные белки  представлены двумя видами белков - коллагеном и эластином.
• К адгезивные белкам относятся фибронектин, ламинин, нидоген и др.
• Полисахариды – гликозамингликаны (ГАГ), могут быть в свободном виде и в связанном с белками (протеогликаны)

Коллаген – основной структурный белок соединительной ткани

 

Коллагены составляют приблизительно 30 % общего количества белка в организме, синтезируется клетками соединительной ткани.

 

 
Строение молекул коллагенов

 

 

   Молекулы коллагенов имеют трехспиральную структуру, полученную при скручивании трех полипептидных α – цепей, где отдельные цепи связаны между собой водородными связями. Количество аминокислот в каждой из α – цепей около 1000.

Особенности аминокислотного состава коллагена

 

Полипептидная цепь коллагена состоит из повторяющихся триплетов:

     [Гли-Х-Y],

 где  Гли – глицин, Х и Y могут быть любыми аминокислотами, но чаще всего:

     Х –пролин или аланин

     Y - гидроксипролин или гидроксилизин.

  Коллаген содержит  33% глицина.

 

На рисунке аминокислотные остатки

      глицина окрашены в черный цвет,

а других аминокислот – в белый.

 

 

     

 
 
Схематически цепь коллагена может быть представлена следующим образом: 
Гли- Х- ГиПро – Гли- X – ГиЛиз – Гли- X- ГиПро  
 

 

• Коллаген содержит в основном заменимые аминокислоты и очень мало метионина, тирозина и гистидина.
• Коллаген почти не содержит  цистеина и триптофана.
• Изгибы полипептидной цепи вызывает  аминокислотный остаток пролина,
• Глицин обеспечивает плотность укладки трех полипептидных цепей т.к. глицин не имеет радикала и находится внутри тройной спирали.

Синтез коллагена

 

Коллаген синтезируется внутри различных клеток соединительной ткани в виде препроколлагена, содержащего на N – конце сигнальную последовательность из 100 аминокислотных остатков.

 

 

• Рибосома 

 

• Мембрана ЭПР

 

• Синтезируемый
• белок

 

• Везикулярное пространство ЭПР

 

• N-концевая сигнальная 
• последовательность

Созревание коллагена (процессинг)

 

После синтеза цепи коллагена следует  сложный многоступенчатый процесс - созревания коллагена, который включает 2 этапа:

 - внутриклеточный

 - внеклеточный

 На первом этапе происходит пострансляционная модификация полипептидных цепей препроколлагена.

Во втором этапе – образуются зрелые коллагеновые волокна.

 

Внутриклеточный   
этап созревание коллагена включает в себя ряд последовательных изменений цепи препроколлагена: 

 

1) Отщепление на мембране ЭПР сигнальной пептидной последовательности от N-конца препроколлагена и образование проколлагена;

 

 

Рибосома

 

Мембрана ЭПР

 

Синтезируемый белок

 

Везикулярное пространство ЭПР

 

N-концевая сигнальная

последовательность

2) Гидроксилирование пролина и лизина проколлагена гидроксилазами

 

Синтезированный гидроксипролин участвует в образовании водородных связей в тройной спирали коллагена.

Гидроксилизин является участником последующего гликозилирования проколлагена.

Гидроксилизин может превращаться в гидроксиаллизин, который участвует в образовании сшивок между молекулами коллагена.

 

 

• Рибосома

 

Мембрана ЭПР

 

• Синтезируемый
• белок

 

Везикулярное пространство ЭПР

 

ОН

 

ОН

 

ОН

Гидроксилазам необходим атом двухвалентного железа и его восстановитель - витамин С (аскорбат)

3) Гликозилирование аминокислотных остатков гидроксилизина под действием гликозилтрансфераз

 

   Углеводные компоненты связываются с

    ОН - группами гидроксилина

    О - гликозидными связями.

   Чаще всего углеводными компонентами являются глюкоза или дисахарид галактозилглюкоза.

 

4) Формирование тройной спирали проколлагена, который секретируется из клетки. 

 

Каждая пептидная α – цепь проколлагена соединяется водородными связями с двумя другими α – цепями проколлагена.

Образуются дисульфидные связи внутри-  и 

    между полипептидных цепей.

Внутрицепочечные дисульфидные связи возникают между аминокислотными остатками цистеина на С- и N- концах молекулы проколлагена.

Внеклеточный этап 
созревания включает в себя ряд последовательных изменений

 

1)  Отщепление N – и С – концевых пептидов от проколлагена специфическими протеиназами.

      В результате образуется  палочкообразнаая

      молекула тропоколлагена.

      Между цепями в тримерной молекуле тропоколлагена возникают дисульфидные связи между аминокислотными остатками цистеина.

2) Формирование фибрилл незрелого коллагена

 

Особенностью структурной организации фибрилл является параллельное расположение тройных спиралей тропоколлагена.

 На стыках молекулы тропоколлагена не примыкают друг другу вплотную, между ними остаются промежутки длиной в 35-40 нм. Молекулы сдвинуты относительно друг друга на ¼ своей длины, что составляет приблизительно 67 нм.

 

Такое расположение 

повышает прочность 

фибрилл на растяжение.

3) Превращения незрелых фибрилл в зрелые путем формирования сшивок между полипептидными цепями

 

• Для создания укрепляющих связей фермент лизилоксидаза катализирует реакцию превращения в коллагене аминогрупп отдельных лизильных и гидроксилизильных остатков в альдегидные группы и образование аллизина.
• Остаток лизина Остаток аллизина

• Возникшие альдегидные группы участвуют в образовании ковалентных связей, которые стабилизируют фибриллы коллагена.

    Альдольная сшивка –

         аллизин + аллизин

   Альдиминная сшивка –

          лизин + аллизин

Приводит к формированию оснований Шиффа.

На рисунке схематически представлены трехспиральные молекулы тропоколлагена после наложения внутри и межмолекулярных сшивок, которые изображены в виде стрелок.

 

Трехспиральные молекулы тропоколлагена

 

• Гидроксигруппы

 

• Углеводные компоненты

 

• Внутри и межмолекулярные сшивки

 
Зрелые фибриллы (трехспиральные молекулы тропоколлагена) укладываются параллельно друг другу (на схеме слева), и далее объединяются в коллагеновое волокно  
(на схеме справа).

Внеклеточный этап созревания

Уникальные свойства коллагенов

 

• Коллагеновые волокна обладают огромной прочностью и практически нерастяжимы. Они могут выдерживать нагрузку, в 10 000 раз превышающую их собственный вес.
• Именно поэтому большое количество коллагеновых волокон, состоящих из коллагеновых фибрилл, входит в состав кожи, сухожилий, хрящей и костей.

Катаболизм коллагена

 

• Распад коллагена происходит медленно. под действием  коллагеназ.
• Основной фермент  - металлопротеиназа (Zn 2+) расщепляет пептидные связи в определенных участках коллагена. Образующиеся фрагменты спонтанно денатурируют и становятся доступными для действия других протеолитических ферментов.

Основной маркер распада коллагена

 

• Важнейший метаболитом характеризующим скорость распада коллагена является гидроксипролин.
• 85-90% этой аминокислоты освобождается в результате гидролиза коллагена.
• Повышение количества гидроксипролина в плазме крови свидетельствует нарушениях созревания коллагена.
• Нарушения синтеза и распада коллагена может приводить к развитию патологий (коллагенозы и фиброзы).

Типы коллагена

 

• В настоящее время известно около 20 различных типов коллагена, различающихся по первичной структуре, пространственной организации и по биологической роли.
• Различают два основных типа цепей коллагена: α1  и α2, а также четыре разновидности цепи α1:

  α1(I), α1(II), α1(III), α1(IV).

 

Для обозначения каждого вида коллагена пользуются формулой,

Например: коллаген I  типа - [α1(I)]2 α2

Наиболее распространенные типы коллагенов.

 

 Тип

 

Формула

 

Распределение в тканях

 

Характерные особенности

 

I

 

[α1(I)]2 α2

 

 

Кожа, сухожилия, кости, дентин

 

1%-гидроксипролина

33%-глицина

13%-пролина

Мало гликозилирован

 

II

 

[α1(II)]3

 

Хрящи

 

>1% гидроксилизина Сильно гликозилирован

 

III

 

[α1(III)]3

 

 

Кожа, матка,

десна, кровен. сосуды

 

Много гидроксипролина, мало гидроксилизина; Мало гликозилирован

 

IV

 

[α1(IV)]2 α2(IV)

 

Базальные мембраны

 

Очень много гидроксилизина, мало аланина и почти полностью гликозилирован

 

Эластин – это основной компонент эластических волокон