Биохимия соединительной ткани

 

РЕФЕРАТ ПО ТЕМЕ:

«БИОХИМИЯ СОЕДИНИТЕЛЬНОЙ ТКАНИ»

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент 210 Л группы Хазипов Айдар 
Содержание

1. Общая характеристика соединительной ткани
2. Коллаген
1. Общая характеристика
2. Структурная организация коллагена
3. Этапы синтеза и созревания коллагена
4. Особенности обмена коллагена
3. Эластин
1. Общая характериситка
2. Структурная организация эластина
3. Нарушения структуры эластина и их последствия
4. Катаболизм эластина
4. Гликозаминогликаны и протеогликаны
1. Общая характеристика
2. Строение и классы гликозаминогликанов
3. Синтез и разрушение гликозаминогликанов
4. Строение и виды протеогликанов
5. Специализированные белки межклеточного матрикса
1. Адгезивные белки
2. Антиадгезивные белки
6. Структурная организация межклеточного матрикса
1. Межклеточный матрикс костной и зубной ткани
2. Межклеточный матрикс суставного хряща
3. Межклеточный матрикс кожной ткани
4. Базальные мембраны

 

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СОЕДИНИТЕЛЬНОЙ ТКАНИ

Соединительная ткань составляет примерно 50% массы тела. Рыхлая соединительная ткань подкожной клетчатки, компактная кость и зубы, сухожилия и межмышечные фасциальные прослойки, кожа и внутриорганная строма паренхиматозных органов, нейроглия и брюшина – все эти структуры образованы соединительной тканью.

Все разновидности соединительной ткани, несмотря на их морфологические различия, построены по общим, единым принципам:

а)  Межклеточное вещество соединительной ткани преобладает над клеточными элементами;

б)  В состав соединительной ткани входят своеобразные волокнистые (или фибриллярные) структуры: коллагеновые, эластические, ретикулярные волокна, расположенные среди межклеточного вещества;

в)  Межклеточное вещество соединительной ткани имеет очень сложный химический состав.

Межклеточное вещество (или межклеточный матрикс) представляет собой сложный комплекс связанных между собой макромолекул (белки и гетерополисахариды). Эти макромолекулы представляют собой продукт секреций клеток, входящих в состав соединительной ткани. В межклеточном матриксе они затем образуют упорядоченную сеть. Межклеточное вещество соединительной ткани, окружающее ее клетки, влияет на их прикрепление, развитие, пролиферацию, организацию и метаболизм. Среди клеток соединительной ткани основными являются: фибробласты, хондробласты, остеобласты, тучные клетки, макрофаги и другие.

Межклеточный матрикс выполняет в организме самые разнообразные функции:

• образует каркас органов и тканей;
• является универсальным «биологическим» клеем;
• участвует в регуляции водно-солевого обмена;
• образует высокоспециализированные структуры (кости, зубы, хрящи, сухожилия, базальные мембраны).

Основные компоненты межклеточного матрикса:

1. структурные белки коллаген и эластин
2. гликозаминогликаны и протеогликаны
3. специализированные белки межклеточного матрикса (фибронектин, ламинин, тенасцин, остеонектин и др.).

 

КОЛЛАГЕН

Общая характеристика

 

Коллаген — основной структурный белок межклеточного матрикса. Он составляет от 25 до 33% общего количества белка в организме, т.е. ~6% массы тела. Название «коллаген» объединяет семейство близкородственных фибриллярных белков, которые являются основным белковым элементом кожи, костей, сухожилий, хряща, кровеносных сосудов, зубов. В разных тканях преобладают разные типы коллагена, а это, в свою очередь, определяется той ролью, которую коллаген играет в конкретном органе или ткани. Например, в пластинчатой костной ткани, из которой построено большинство плоских и трубчатых костей скелета, коллагеновые волокна имеют строго ориентированное направление: продольное — в центральной части пластинок, поперечное и под углом — в периферической. Это способствует тому, что даже при расслоении пластинок фибриллы одной пластинки могут продолжаться в соседние, создавая таким образом единую волокнистую структуру кости. Поперечно ориентированные коллагеновые волокна могут вплетаться в промежуточные слои между костными пластинками, благодаря чему достигается прочность костной ткани. В сухожилиях коллаген образует плотные параллельные волокна, которые дают возможность этим структурам выдерживать большие механические нагрузки. В хрящевом матриксе коллаген образует фибриллярную сеть, которая придаёт хрящу прочность, а в роговице глаза коллаген участвует в образовании гексагональных решёток десцеметовых мембран, что обеспечивает прозрачность роговицы, а также участие этих структур в преломлении световых лучей. В дерме фибриллы коллагена ориентированы таким образом, что формируют сеть, особенно хорошо развитую в участках кожи, которые испытывают сильное давление (кожа подошв, локтей, ладоней), а в заживающей ране они агрегированы весьма хаотично. Здесь будут разобраны синтез и созревание коллагена, структуры, которые он образует, и их функции, а также заболевания, связанные с нарушением этих процессов.

Структурная организация коллагена

Необычные механические свойства коллагенов связаны с их первичной и пространственной структурами. Молекулы коллагена состоят и 3 полипептидных цепей, называемых альфа-цепями. Первичная структура этих цепей своеобразна: каждая третья аминокислота (примерно 30 %) представлена глицином, четверть аминокислотных остатков составляет пролин или 4-гидроксипролин, около 11% - аланин. Отсутствуют цистеин, триптофан; гистидин, метионин, тирозин присутствуют в небольшом количестве. Имеется аминокислота – гидроксилизин. Пролин благодаря своей структуре вызывает изгибы в полипептидной цепи, стабилизируя левозакрученную спиральную конформацию. На 1 виток спирали приходится 3 аминокислотных остатка. Спираль стабилизирована силами стерического отталкивания пирролидиновых колец в остатках пролина. Спирализованные полипептидные, перевиваясь друг около друга, образуют трехцепочечную правозакрученную суперспиральную молекулу, называемую тропоколлагеном. Цепи удерживаются друг около друга за счет водородных связей, возникающих между амино- и карбоксильным группами пептидного остова разных полипептидных цепей, входящих в состав трехспиральной молекулы. «Жесткие» аминокислоты – пролин и гидроксипролин – ограничивают вращение полипептидного стержня и увеличивают тем самым стабильность тройной спирали. Глицин, имеющий вместо радикала атом водорода, всегда находится в месте пересечения цепей; отсутствие радикала позволяет цепям плотно прилегать друг к другу. Важную роль в формировании коллагеновых фибрилл играют модифицированные аминокислоты гидроксиролин и гидроксилизин. Гидроксильные группы гидроксипролина соседних цепей тропоколлагена образую водородные связи, укрепляющие структуру коллагеновых фибрилл. Радикалы лизина и гидроксилизина необходимы для образования прочных поперечных сшивок между молекулами тропоколлагена, еще сильнее укрепляющие структуру коллагеновых фибрилл.  

Этапы синтеза и созревания коллагена

Синтез и созревание коллагена — сложный многоэтапный процесс, начинающийся в клетке, а завершающийся в межклеточном матриксе. Синтез и созревание коллагена включают в себя целый ряд посттрансляционных изменений:

•  гидроксилирование пролина и лизина с образованием гидроксипролина (Нур) и гид-роксилизина (Нуl);

• гликозилирование гидроксилизина;

•  частичный протеолиз — отщепление «сигнального» пептида, а также N- и С-концевых пропептидов;

•  образование тройной спирали.

1.  Синтез полипептидных цепей коллагена

Полипептидные цепи коллагена синтезируются на полирибосомах, связанных с мембранами ЭР, в виде более длинных, чем зрелые цепи, предшественников — препро-α-цепей. У этих предшественников имеется гидрофобный «сигнальный» пептид на М-конце, содержащий около 100 аминокислот. Основная функция сигнального пептида — ориентация синтеза пептидных цепей в полость ЭР. После выполнения этой функции сигнальный пептид сразу же отщепляется. Синтезированная молекула проколлагена содержит дополнительные участки — N- и С-концевые пропептиды, имеющие около 100 и 250 аминокислот, соответственно. В состав пропептидов входят остатки цистеина, которые образуют внутри- и межцепочечные (только в С-пептидах) S-S-связи. Концевые пропептиды не образуют тройную спираль, а формируют глобулярные домены. Отсутствие N- и С-концевых пептидов в структуре проколлагена нарушает правильное формирование тройной спирали.

2. Посттрансляционные модификации коллагена

Гидроксилирование пролина и лизина. Роль витамина С

Гидроксилирование пролина и лизина начинается в период трансляции коллагеновой мРНК на рибосомах и продолжается на растущей полипептидной цепи вплоть до её отделения от рибосом. После образования тройной спирали дальнейшее гидроксилирование пролиловых и лизиловых остатков прекращается. Реакции гидроксилирования катализируют оксигеназы, связанные с мембранами микросом. Пролиловые и лизиловые остатки в У-положении пептида (Гли-х-у)n подвергаются действию, соответственно, пролил-4-гидроксилазы и лизил-5-гидроксилазы. Пролил-3-гидроксилаза действует на некоторые остатки пролина в Х-положениях. Необходимыми компонентами этой реакции являются ос-кетоглутарат, O2 и витамин С (аскорбиновая кислота). Донором атома кислорода, который присоединяется к С-4 пролина, является молекула 02, второй атом 02 включается в сукцинат, который образуется при декабоксилировании α-кетоглутарата, а из карбоксильной группы а-кетоглутарата образуется С02. Гидроксилазы пролина и лизина содержат в активном центре атом железа Fе2+. Для сохранения атома железа в ферроформе необходим восстанавливающий агент. Роль этого агента выполняет кофермент гидроксилаз — аскорбиновая кислота, которая легко окисляется в дегидроаскорбиновую кислоту. Обратное превращение происходит в ферментативном процессе за счёт восстановленного глутатиона. Гидроксилирование пролина необходимо для стабилизации тройной спирали коллагена, ОН-группы гидроксипролина (Нур) участвуют в образовании водородных связей. А гидроксилирование лизина очень важно для последующего образования ковалентных связей между молекулами коллагена при сборке коллагеновых фибрилл. При цинге — заболевании, вызванном недостатком витамина С, нарушается гидроксилирование остатков пролина и лизина. В результате этого образуются менее прочные и стабильные коллагеновые волокна, что приводит к большой хрупкости и ломкости кровеносных сосудов с развитием цинги. Клиническая картина цинги характеризуется возникновением множественных точечных кровоизлияний под кожу и слизистые оболочки, кровоточивостью дёсен, выпадением зубов, анемией.

Гликозилирование гидроксилизина

После завершения гидроксилирования при участии специфических гликозилтрансфераз в состав молекулы проколлагена вводятся углеводные группы. Чаще всего этими углеводами служат галактоза или дисахарид галактозилглю-коза. Они образуют ковалентную О-гликозидную связь с 5-ОН-группой гидроксилизина. Гликозилирование гидроксилизина происходит в коллагене, ещё не претерпевшем спирализации, и завершается после образования тройной спирали. Число углеводных единиц в молекуле коллагена зависит от вида ткани. Так, например, в коллагене сухожилий (тип I) это число равно 6, а в коллагене капсулы хрусталика (тип IV) — 110. Роль этих углеводных групп неясна; известно только, что при наследственном заболевании, причиной которого является дефицит лизилгид-роксилазы (синдром Элерса—Данло—Русакова, тип VI), содержание гидроксилизина и углеводов в образующемся коллагене снижено; возможно, это является причиной ухудшения механических свойств кожи и связок у людей с этим заболеванием.

 

После гидроксилирования и гликозилирова-ния каждая про-а-цепь соединяется водородными связями с двумя другими про-а-цепями, образуя тройную спираль проколлагена. Эти процессы происходят ещё в просвете ЭР и начинаются после образования межцепочечных дисульфидных мостиков в области С-концевых пропептидов. Из ЭР молекулы проколлагена перемещаются в аппарат Гольджи, включаются в секреторные пузырьки и секретируются в межклеточное пространство.

3. Образование тропоколлагена. Болезни, связанные с нарушениями этого процесса

В межклеточном матриксе концевые про-пептиды коллагенов I, II и III типов отщепляются специфическими проколлагенпептидазами, в результате чего образуются молекулы тропоколлагена, которые и являются структурной единицей коллагеновых фибрилл. При снижении активности этих ферментов (синдром Элерса—Данло—Русакова, тип VII) концевые пропептиды проколлагена не отщепляются, вследствие чего нарушается образование тропоколлагена и далее нарушается образование нормальных коллагеновых фибрилл. Нити коллагена видны под микроскопом в виде дезорганизованных пучков. Клинически это проявляется малым ростом, искривлением позвоночника, привычными вывихами суставов, высокой растяжимостью кожи. У коллагенов некоторых типов (IV, VIII, X) концевые пропептиды не отщепляются. Это связано с тем, что такие коллагены образуют не фибриллы, а сетеподобные структуры, в формировании которых важную роль играют концевые N- и С-пептиды.

 

4. Структура фибрилл коллагена и их формирование

Основа структурной организации коллагеновых фибрилл — ступенчато расположенные параллельные ряды молекул тропоколлагена, которые сдвинуты на 1/4 относительно друг друга.

На схеме хорошо видно, что молекулы коллагена не связаны между собой «конец в конец», а между ними имеется промежуток в 35—40 нм. Предполагается, что в костной ткани эти промежутки выполняют роль центров минерализации, где откладываются кристаллы фосфата кальция. При электронной микроскопии фиксированные и контрастированные фибриллы коллагена выглядят поперечно исчерченными с периодом 67 нм, который включает одну тёмную и одну светлую полоски. Считают, что такое строение максимально повышает сопротивление всего агрегата растягивающим нагрузкам.

Фибриллы коллагена образуются спонтанно, путём самосборки. Но эти фибриллы ещё не являются зрелыми, так как не обладают достаточной прочностью (известно, что зрелое коллагеновое волокно толщиной в 1 мм выдерживает нагрузку до 10 кг). Образовавшиеся коллагеновые фибриллы укрепляются внутри- и межцепочечными ковалентными сшивками (они встречаются только в коллагене и эластине). Эти сшивки образуются следующим образом: