Биохимия соединительной ткани

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.

Особенностью строения соединительной ткани является наличие хорошо развитого внеклеточного матрикса. Межклеточный матрикс занимает больше место, чем сами клетки.

Внеклеточный матрикс (ВКМ) соединительной ткани:
1. Имеет сложный химический состав, содержит разнообразные белки и полисахариды, в образовании которых участвуют бластные клетки соединительной ткани.
2. Специфическое взаимодействие этих молекул обеспечивает образование высокоупорядоченной
трехмерной структуры
межклеточного матрикса.

Белки внеклеточного матрикса
Среди белков внеклеточного матрикса выделяют белки двух функциональных типов - фибриллярные и адгезивные.
Фибриллярные белки - коллагены и эластин, выполняют преимущественно структурную функцию.
Белки, обладающие адгезивными свойствами (от лат. adhaesio-притяжение, сцепление, прилипание) обеспечивают связывание различных компонентов внеклеточного матрикса. К адгезивным белкам относятся фибронектин, ламинин, нидоген и др.

Полисахариды
внеклеточного матрикса
Полисахариды представлены гликозаминогликанами (ГАГ), которые различаются составом дисахаридов и их количеством.
Могут быть в свободном или связанном виде.
Связываясь с белками, гликозаминогликаны образуют протеогликаны – высокомолекулярные соединения, включающие белковый (5%) и углеводный (95%) компоненты.

Полисахариды – гликозамингликаны и протеогликаны, а также и адгезивные белки составляют группу неколлагеновых белков межклеточного матрикса.
Соотношение коллагеновых и неколлагеновых белков межклеточного матрикса составляет 75% и 25% соответственно.

Коллаген – основной структурный белок соединительной ткани
Коллагены составляют приблизительно 30 % общего количества белка в организме, синтезируется клетками соединительной ткани.
В настоящее время идентифицировано более 20 разновидностей коллагенов, которые кодируются отдельными генами.

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

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

Созревание коллагена (процессинг)
После синтеза цепи коллагена следует сложный многоступенчатый процесс - созревания коллагена.
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 сигнальной пептидной последовательности от N-конца препроколлагена и образование проколлагена (на мембране ЭПР)

2) Гидроксилирование пролина и лизина проколлагена, катализируют ферментативные реакции - гидроксилазы
Синтезированный гидроксипролин (ГиПро) участвует в образовании водородных связей в тройной спирали коллагена.
Гидроксилизин (ГиЛиз) является участником последующего гликозилирования проколлагена и может превращаться в гидроксиаллизин, который участвует в образовании сшивок между молекулами коллагена.

Ферментам гидроксилазам для осуществления реакции гидроксилирования необходим атом двухвалентного железа и его восстановитель - витамин С (аскорбат)

3) Гликозилирование гидроксилизина под действием гликозилтрансфераз (присоединение углеводного компонента)
Углеводные компоненты связываются с
гидроксилином О - гликозидными связями.
Чаще всего углеводными компонентами являются глюкоза или дисахарид галактозилглюкоза.

4) Формирование тройной спирали проколлагена
Каждая α – цепь проколлагена соединяется водородными связями с двумя другими α – цепями проколлагена (ГиПро)
Образуются дисульфидные связи внутри- и
между полипептидных цепей.
Внутрицепочечные дисульфидные связи возникают между аминокислотными остатками цистеина на С- и N- концах проколлагена.
Проколлаген
секретируется из клетки в
межклеточный матрикс.

Внеклеточный этап
созревания включает в себя ряд последовательных изменений
1) Образование молекулы тропоколлагена. Отщепление от проколлагена N – и С – концевых пептидов под действием специфических протеиназ.

2) Формирование фибрилл коллагена
Из сформировавшихся молекул тропоколлагена происходит сборка коллагеновых фибрилл, в которых одна нить тропоколлагена сдвинута по отношению к другой примерно на на ¼ своей длины. На стыках молекулы тропоколлагена не примыкают друг другу вплотную, между ними остается просвет длиной в 35-40 нм. В твердых тканях эти просветы выполняют роль центров минерализации.
Такое расположение
повышает прочность
фибрилл на растяжение.

3) Стабилизация и укрепление фибрилл коллагена
Модифицированные аминокислоты - гидроксипролин и гидроксилизин играют важную роль в образовании фибрилл.
ОН – группы гидроксипролина соседних цепей тропоколлагена образуют водородные связи, укрепляющую структуру фибрилл.
Радикалы лизина, гидроксилизина и аллизина обеспечивают поперечные сшивки между молекулами тропоколлагена.

Образование аллизина
Для создания укрепляющих связей фермент лизилоксидаза катализирует реакцию превращения в тропоколлагене 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
Образуются сшивки между молекулами тропоколлагена, стабилизирующие фибриллы коллагена.

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

Коллагеновые фибриллы формируют коллагеновые волокны разной толщины.
Фибриллы укладываются параллельно друг другу и далее объединяются в коллагеновое волокно.

Общая схема внеклеточного этапа 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 - Са 2+, Zn 2+ - зависимая коллагеназа (металлопротеиназа) 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.
Повышение содержания гидроксипролина в плазме крови свидетельствует нарушениях созревания коллагена и распаде коллагена.
85-90% этой аминокислоты освобождается в результате гидролиза 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 и пространственной структурам, по функциям, локализации в организме и 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.

Эластин – это основной компонент эластических волокон
Содержатся в тканях, обладающих значительной эластичностью - кровеносные сосуды, легкие,
связки в большом количестве.
Свойства эластичности
проявляются высокой
растяжимостью волокон и быстрым восстановлением
исходной формы и размера
после снятия нагрузки.

Особенности аминокислотного состава эластина
Эластин – гликопротеин с молекулярной массой 70кДа, содержит много гидрофобных аминокислот - глицина, аланина, валина, лейцина и пролина.
Наличие гидрофобных радикалов препятствует созданию вторичной и третичной структуры, в результате молекулы эластина принимают различные конформации в межклеточном матриксе.
В эластине мало гидроксилизина и практически нет цистеина, триптофана.

Структура эластина
Нативные волокна эластина построены из молекул, соединенных в тяжи с помощью жестких поперечных сшивок – десмозина и изодесмозина,
а также лизиннорлейцина.
В образовании этих сшивок участвуют остатки аллизина и лизина двух, трех и четырех пептидных цепей.
Связывание полипептидных цепей десмозинами формирует резиноподобную сеть.

Неколлагеновые белки
межклеточного матрикса
К этой группе белков относятся относятся адгезивные белки, такие как фибронектин, ламинин, нидоген, интегрины и др. белки.
Фибронектин – адгезивный белок, выполняющий интегрирующую роль в организации ВКМ и
регуляторную роль в дифференцировки и делении фибробластов.
Фибронектин называют «молекулярным клеем».
Синтезируется, в основном, фибробластами, но также и др. клетками.
Содержит последовательность Арг-Гли-Асп (RGD) c помощью которой он может присоединятся к интегринам - клеточным рецепторам и передавать информацию как внутрь, так и наружу клеток.

Фибронектин состоят из 2-х идентичных цепей, содержащих по 7-8 доменов со специфичными центрами связывания:
1) коллагена
2) протеогликанов
3) гиалуроновой кислоты
4) углеводов плазматических мембран
5) гепарина
6) трансглутаминазы
7) клеточных рецепторов-интегринов через RGD (арг-гли-асп)-последовательность

Адгезивные белки часто содержат последовательность Арг-Гли-Асп (RGD), участвующую в присоединении к клеточным белковым рецепторам – интегринам, которые состоят из двух субъединиц и участвуют в передаче информации из внеклеточного пространства внутрь клетки.
Нидогены - сульфатированные гликопротеины базальных мембран, образуют комплекс с ламинином и
коллагеном IV.

Ламинины – гликопротеины базальных мембран (3), отделяющую соединительную
ткань от эпителия
Содержит несколько центров связывания с разными молекулами межклеточного матрикса и рецепторами клеток. Связывают компоненты базальных мембран, коллаген IV, нидоген, протеогликаны, фибронектин.
N- концевые группы ламинина могут присоединять кальций и образовывать сетевидные структуры с помощью кальций-зависимого взаимодействия.
Ламинины выступают в роли факторов адгезии, роста и дифференцировки.

Ламинин – гликопротеин, состоит из трех полипептидных цепей (a и 2-х β), которые укладываются в пространстве в крестообразную форму.

К неколлагеновым белкам относятся Gla-белки. (это белки, содержащие аминокислотные остатки 7-карбокси глутаминовой кислоты)
Матриксный gla-белок содержит 5 остатков
7-карбоксиглутаминовой кислоты, способен связываться с гидроксиапатитом (минеральная основа костей).
Остеокальцин - gla-белок содержит 3 остатка 7-карбокси глу, его синтез регулирует 1,25-дигидроксихолекальциферол.
Может связывается с гидроксиапатитом и Са.
Предотвращает кости от избыточной минерализации и запускает процессы ремоделирования костной ткани.
Gla-остатки связываются с
ионами кальция (желтые шарике) на
кристалле гидроксиапатита
(серая пластина).

К неколлагеновым белкам
межклеточного матрикса относятся протеогликаны
Молекулы протеогликанов участвуют в сборке межклеточного матрикса, облегчают фиксацию клеток и регулируют их рост.
Протеогликаны могут образовывать комплексы с коллагеном, адгезивными и другими белками, защищая их углеводными компонентами от действия ферментов.
Протеогликаны участвуют в регуляции активности сигнальных молекул.

Строение протеогликанов
В структуре протеогликанов выделяют коровый (COR) белок (от анг. сore – основа, ядро), который через N- и О-гликозидные связи соединен с трисахаридами, связанными в свою очередь с гликозаминогликанами (ГАГ).

Основную часть протеогликанов составляют гликозамингликаны (ГАГ)
Гликозаминогликаны – гетерополисахариды, состоящие из повторяющихся дисахаридов, в состав которых могут входить глюкуроновая кислота и N - ацетилированный гекзозамин (N-ацетилглюкозамин или N – ацетилгалактозамин)
В составе протеогликанов входят сульфатированные и несульфатированные ГАГ.
Самые распространенные сульфатированные ГАГ в организме человека – хондроитинсульфаты, кератинсульфаты и дерматансульфаты.

Хондроитинсульфат построен из глюкуроновой кислоты и сульфатированного N–ацетилгалактозамина.

Дисахаридный фрагмент дерматансульфата.

Дисахариды кератинсульфата состоят из галактозы и сульфатированного N–ацетилглюкозамина.

Гиалуроновая кислота - полимер, состоящий из остатков D-глюкуроновой кислоты и N-ацетилглюкозамина (около 25.000 дисахаридов), является связующей при образовании агрегатов протеогликанов

Схема агрегатов протеогликанов

Функции гликозаминогликанов
- участвуют в организации межклеточного матрикса, являются основным скрепляющим веществом. - взаимодействуют с клеточными мембранами, обеспечивая межклеточные коммуникации.
ГАГ и протеогликаны образуют гелеподобную среду, в которой погружены фибриллярные и адгезивные белки.
Гликозамингликаны могут связывать большое количество воды, сильно набухают, тем самым придают межклеточному матриксу высокую вязкость (желеобразные свойства).

Метаболизм протеогликанов
Синтез протеогликанов начинается с синтеза корового белка в клетках соединительной ткани, далее к нему присоединяются ГАГ, синтезированные в аппарате Гольджи и образовавшийся протеогликан выходит из клетке в внеклеточный матрикс (рис).
Распад протеогликанов происходит в межклеточном матриксе соединительной ткани под действием ферментов.

Организация внеклеточного матрикса в суставном хряще
«Биохимия», ред. Е.С.Северина)