Биохимия костной и соединительной ткани

Вятская государственная  сельскохозяйственная академия

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Биохимия костной и  соединительной ткани.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Киров 2008г

 

План.

Соединительная ткань.

1. Состав и строение
2. Глюкозаминогликаны
3. Гликопротеины
4. Волокна соединительной ткани
5. Синтез коллагена
6. Биохимические изменения соединительной ткани при старении и некоторых патологических процессах
7. Факторы регулирующие метаболизм соединительной ткани

 

Костная ткань

1. Остеобласт
2. Остеоцит
3. Остеокласт
4. Химический состав костной ткани
5. Формирование кости
6. Факторы оказывающие влияние на формирование костной ткани
7. Основные группы болезней кости
8. Кости, зубы и соединительные ткани
9. Остеомаляция и рахит
10. Патология  костей.
11. Дифференциально-диагностические признаки некоторых воспалительных заболеваний цинги

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Соединительная  ткань.

 

Соединительная ткань составляет примерно 50% от 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 это соединительная ткань.

I - тучная клетка; II - ретикулиновые  волокна; III - эластическое волокно; IV - коллагеновые волокна; V - фибробласт.

 

Разновидности соединительной ткани:

Соединительная ткань составляет до 50 % массы человеческого организма. Это связующее звено между всеми тканями организма.

Различают 3 вида соединительной ткани:

• собственно соединительная ткань;
• хрящевая соединительная ткань;
• костная соединительная ткань.

Соединительная ткань может  выполнять как самостоятельные функции, так и входить в качестве прослоек в другие ткани.

Функции соединительной ткани:

• Структурная.
• Обеспечение постоянства тканевой проницаемости.
• Обеспечение водно-солевого равновесия.
• Участие в иммунной защите организма.

 

Состав и строение соединительной ткани

В соединительной ткани различают:

межклеточное (основное) вещество,

клеточные элементы,

волокнистые структуры (коллагеновые волокна). Особенность: межклеточного  вещества гораздо больше, чем клеточных  элементов.

 

Межклеточное (основное) вещество.

 

Желеобразная консистенция основного  вещества объясняется его составом. Основное вещество - это сильно гидратированный  гель, который образован высокомолекулярными  соединениями, составляющими до 30 % массы межклеточного вещества. Оставшиеся 70 % - это вода.

Высокомолекулярные компоненты представлены белками и углеводами. Углеводы по своему строению являются гетерополисахаридами - глюкозоаминогликаны (ГАГ). Эти гетерополисахариды построены из дисахаридных единиц, которые и являются их мономерами.

 

По строению мономеров  различают 7 типов глюкозаминогликанов:

1. Гиалуроновая кислота.
2. Хондроитин-4-сульфат.
3. Хондроитин-6-сульфат.
4. Дерматансульфат.
5. Кератансульфат.
6. Гепарансульфат.
7. Гепарин.

 

Гиалуроновая кислота.

Впервые была обнаружена в стекловидном теле глаза. Молекулярная масса этого полимера- до 1 000 000 Da. Мономер построен из глюкуроновой кислоты и N-ацетилглюкозамина. Внутри мономера - 1,3-бета-гликозидная связь, между мономерами - 1,4-бета-гликозидная связь. Гиалуроновая кислота может находиться и в свободном виде, и в составе сложных агрегатов. Это единственный представитель глюкозаминогликанов, который не сульфатирован. Считают, что основная функция гиалуроновой кислоты в соединительной ткани – связывание воды. В результате такого связывания межклеточное вещество приобретает характер желеобразного матрикса, способного «поддерживать» клетки. Важна также роль гиалуроновой кислоты в регуляции проницаемости тканей. Приводим структуру повторяющейся дисахаридной единицы в молекуле гиалуроновой кислоты:

Хондроитин-сульфаты.

Два вида: хондроитин-4-сульфат и хондроитин-6-сульфат. Отличаются друг от друга местом расположения остатка серной кислоты. Все они содержат остаток серной кислоты. Мономер хондроитин-сульфата построен из глюкуроновой кислоты и N-ацетилгалактозаминсульфата. Встречаются в связках суставов и в ткани зуба.

 

Дерматан-сульфат.

Особенно характерен для дермы (кожи). Он резистентен к действию гиалуронидаз (тестикулярной и бактериальной). В этом одно из отличий дерматансульфата от хондроитинсульфатов. Его мономер построен из идуроновой кислоты и галактозамин-4-сульфата. Он является одним из структурных компонентов хрящевой ткани.

 

 

 

Кератан-сульфат.

Впервые был выделен из роговой оболочки глаза быка, отсюда и название этого гликозаминогликана.Мономер кератан-сульфата состоит из галактозы и N-ацетилглюкозамин-6-сульфата.

Гепатан-сульфат и гепарин.

Они сильно сульфатированы (в мономере 2-3 остатка серной кислоты). В состав их входят глюкуронат-2-сульфат и N-ацетилглюкозамин-6-сульфат.

Гепарин известен прежде всего как антикоагулянт. Однако его следует относить к гликозаминогликанам, так как он синтезируется тучными клетками, которые являются разновидностью клеточных элементов соединительной ткани. Он может входить в состав протеогликанов; с гликоз-аминогликанами его объединяет и химическая структура.

Длинные полисахаридные цепи складываются в глобулы. Однако эти глобулы рыхлые (не имеют компактной укладки) и занимают сравнительно большой объем. Глюкозаминогликаны являются гидрофильными соединениями, содержат много гидроксильных групп, имеют значительный отрицательный заряд (много карбоксильных и сульфогрупп). Значительный отрицательный заряд способствует присоединению к ним положительно заряженных катионов калия, натрия, кальция, магния. Это еще более увеличивает способность удерживать воду, а также способствует диссоциации молекул этих веществ в соединительной ткани.

 

Глюкозаминогликаны входят в состав сложных белков, которые называются протеогликанами. Глюкозаминогликаны составляют в протеогликанах 95 % их веса. Остальные 5 % веса - это белок. Белковый и небелковый компоненты в протеогликанах связаны прочными, ковалентными связями. Как построена молекула протеогликанов? Белковый компонент- это особый COR-белок. К нему при помощи трисахаридов присоединяются глюкозаминогликаны.1 молекула COR-белка может присоединить до 100 ГАГ . В клетке протеогликаны связаны с гиалуроновой кислотой. Образуется сложный надмолекулярный комплекс. В его составе: гиалуроновая кислота, особые связующие белки, а также протеогликаны. Упругие цепи глюкозаминогликанов в составе протеогликанов образуют образуют макромолекулярные сетчатые структуры. Такое химическое строение обеспечивает выполнение функции молекулярного сита с определенными размерами пор при транспорте различных веществ и метаболитов. Размер пор определяется типом ГАГ, преобладающим в данной конкретной ткани. Например, соединительнотканая капсула почечного клубочка обеспечивает селективный транспорт веществ в процессе ультрафильтрации. За счет множества сульфо- и карбоксильных групп сетчатые структуры являются полианионами, способными депонировать воду, некоторые катионы (К+, Na+, Ca+2, Mg+2).

Кроме протеогликанов, основное вещество содержит гликопротеины.

.

 

Гликопротеины.

Их углеводный компонент- это олигосахарид, состоящий 10-15 мономерных единиц. Этими  мономерными единицами могут  быть в основном минорные моносахариды: манноза, метилпентозы, рамноза и фукоза, арабиноза, ксилоза. На конце этого олигосахарида имеется еще одно производное моносахаридов: сиаловые кислоты (ацильные производные нейраминовой кислоты). Если в крови увеличивается концентрация сиаловых кислот - значит, идет распад межклеточного матрикса. Это бывает при воспалении.

Гликопротеины делят на 2 группы:

• растворимые;
• нерастворимые.

Углеводная часть гликопротеинов очень вариабельна. Важное значение имеет последовательность моносахаридов, как и последовательность аминокислот  в белковой части.

Из гликопротеинов наиболее изучены  растворимый фибронектин и нерастворимый ламинин.

Растворимые гликопротеины представлены особым белком - фибронектином. Молекулярная масса фибронектина - 440 kDa. Он состоит  из двух полипептидных цепей, соединенных  дисульфидным мостиком. Имеет центры связывания с протеогликанами, с  волокнистыми структурами, гликолипидами клеточных мембран. Поэтому фибронектин называют "молекулярным клеем". Он обычно располагается на поверхности фибробластов и участвует в адгезии всех перечисленных клеточных структур, а, значит, и клеток. Известно, что при опухолевых заболеваниях количество фибронектина снижается, что способствует метастазированию опухоли.

К растворимым гликопротеинам также относятся COR-белок - компонент протеогликанов, связующие белки, а также целый ряд белков плазмы крови.

Нерастворимые гликопротеины образуют "каркас", "строму" межклеточного матрикса.

К нерастворимым гликопротеинам относится  ламинин. Молекулярная масса этого  белка - 10 000 kDa. Содержит такие же углеводные компоненты, как и ганглиозиды  клеточных мембран.

Углеводные компоненты гликопротеинов также, как и углеводные компоненты гликопротеинов обладают свойствами тканевых антигенов.

Катаболизм компонентов основного  вещества. Идет под действием некоторых  гидролаз.

Например, нейраминидаза отщепляет  от гликопротеинов N-ацетилнейраминовую (сиаловую) кислоту, и уже дестабилизированный гликопротеин поглощается макрофагами. Поэтому концентрация сиаловых кислот в крови - характеристика состояния соединительной ткани. При воспалительных процессах эта концентрация намного возрастает.

При недостаточности ферментов катаболизма основного вещества развиваются заболевания - мукополисахаридозы, при которых в тканях происходит накопление тех или иных ГАГ.

 

Волокна соединительной ткани.

В межклеточном матриксе находятся 2 типа волокнистых структур:

Коллагеновые и эластиновые волокна. Основным их компонентом является нерастворимый белок коллаген.

Коллаген- сложный белок, относится к группе гликопротеинов, имеет четвертичную структуру, его молекулярная масса составляет 300 kDa. Составляет 30 % от общего количества белка в организме человека. Его фибриллярная структура - это суперспираль, состоящая из 3-х -цепей. Нерастворим в воде, солевых растворах, в слабых растворах кислот и щелочей. Это связано с особенностями первичной структуры коллагена. В коллагене 70 % аминокислот являются гидрофобными. Аминокислоты по длине полипептидной цепи расположены группами (триадами), сходными друг с другом по строению, состоящими из трех аминокислот. Каждая третья аминокислота в первичной структуре коллагена - это глицин (триада (или группа): (гли-X-Y)n, где X - любая аминокислота или оксипролин, Y - любая аминокислота или оксипролин или оксилизин). Эти аминокислотные группы в полипептидной цепи многократно повторяются.

Необычна и вторичная структура  коллагена: шаг одного витка спирали составляют только 3 аминокислоты (даже немного меньше, чем 3), а не 3.6 аминокислоты на 1 виток, как это наблюдается у других белков. Такая плотная упаковка спирали объясняется присутствием глицина. Эта особенность определяет высшие структуры коллагена. Молекула коллагена построена из 3-х цепей и представляет собой тройную спираль. Эта тройная спираль состоит из 2-х -1-цепей и одной -2-цепи. В каждой цепи 1000 аминокислотных остатков. Цепи параллельны и имеют необычную укладку в пространстве: снаружи расположены все радикалы гидрофобных аминокислот. Известно несколько типов коллагена, различающихся генетически. Молекула тропоколла-гена – это белок коллаген. Одной из отличительных черт данного белка является то, что 1/3 всех его аминокислотных остатков составляет глицин, 1/3 – пролин и 4-гидроксипролин, около 1% – гидроксилизин; некоторые молекулярные формы коллагена содержат также 3-гидроксипролин, хотя и в весьма ограниченном количестве:

Синтез коллагена.

Существуют 8 этапов биосинтеза коллагена: 5 внутриклеточных и 3 внеклеточных.

 

1-й этап

Протекает на рибосомах, синтезируется  молекула-предшественник: препроколлаген.

 

2-й этап

С помощью сигнального пептида "пре" транспорт молекулы в  канальцы эндоплазматической сети. Здесь  отщепляется "пре" - образуется "проколлаген".

 

3-й этап

Аминокислотные остатки лизина и пролина в составе молекулы коллагена подвергаются окислению  под действием ферментов пролилгидроксилазы и лизилгидроксилазы (эти окислительные  ферменты относятся к подподклассу монооксигеназ).