Биохимия 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

Функции соединительной ткани
Структурно-механическая
Обеспечивает прочность и эластичность разных органов
Обеспечивает интеграцию клеток в ткани (рыхлая соединительная ткань стромы паренхиматозных органов, плотная соединительная ткань - в коже, связках, сухожилиях, костная ткань скелета)

Защитная
защищает клетки разных органов от микроорганизмов, чужеродных частиц

СОСТАВ И СТРОЕНИЕ СОЕДИНИТЕЛЬНОЙ ТКАНИ
В соединительной ткани различают: 1)МЕЖКЛЕТОЧНОЕ (ОСНОВНОЕ) ВЕЩЕСТВО
2) КЛЕТОЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
3) ВОЛОКНИСТЫЕ СТРУКТУРЫ (коллагеновые волокна)
Особенность- межклеточного вещества гораздо больше, чем клеточных элементов.

1) МЕЖКЛЕТОЧНОЕ (ОСНОВНОЕ) ВЕЩЕСТВО
Желеобразная консистенция основного вещества объясняется его составом: сильно гидратированный гель –
30% массы высокомолекулярные соединениями
70% - вода

Высокомолекулярные компоненты представлены белками и углеводами
Углеводы по своему строению являются гетерополисахаридами - ГЛЮКОЗОАМИНОГЛИКАНЫ (ГАГ)
мономерами этих гетерополисахаридов являются дисахаридные единицы

По строению мономеров различают 7 типов ГАГ:
1. Гиалуроновая кислота
2. Хондроитин-4-сульфат
3. Хондроитин-6-сульфат
4. Дерматансульфат
5. Кератансульфат
6. Гепарансульфат
7. Гепарин

Мономеры различных ГАГ построены по одному принципу
Первым компонентом мономера (дисахарида) являются гексуроновые кислоты: глюкуроновая кислота, идуроновая кислота,в некоторых встречается галактоза:

Вторым компонентом мономера ГАГ является амин
Гексозамины представлены глюкозамином и галактозамином, а чаще их ацетильными производными: ацетилглюкозамином, ацетилгалактозамином:

Мономеры соединяются гликозидной связью

ГИАЛУРОНОВАЯ КИСЛОТА
глюкуроновая кислота
N-ацетилглюкозамин

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 ГАГ, который не сульфатирован

ХОНДРОИТИН-СУЛЬФАТЫ
глюкуроновая кислота
N-ацетилгалактозамин
сульфат

Содержат остаток серной кислоты
Мономер (дисахарид) построен из глюкуроновой кислоты и N-ацетилгалактозаминсульфата
Встречаются в связках суставов и в ткани зуба

ДЕРМАТАН-СУЛЬФАТ
идуроновая кислота
галактозамин-4-сульфат

Мономер построен из идуроновой кислоты и галактозамин-4-сульфата
Является одним из структурных компонентов хрящевой ткани

КЕРАТАН-СУЛЬФАТ
галактоза
N-ацетилглюкозамин-6-
сульфата

ГЕПАРАН-СУЛЬФАТ
глюкуронат-2-сульфата
N-ацетилглюкозамин-6-
сульфата

Длинные полисахаридные цепи ГАГ складываются в глобулы
Глобулы рыхлые (не имеют компактной укладки) и занимают сравнительно большой объем
ГАГ 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

Отрицательно заряженные группы связывают большое количество молекул воды, что препятствует диффузии в ткань микрорганизмов (распространению инфекции)
Витамин А стимулирует полимеризацию дисахаридов в ГАГ

ГАГ входят в состав сложных белков, которые называются ПРОТЕОГЛИКАНАМИ
ГАГ составляют 95% белок - 5%
Белковый и небелковый компоненты в протеогликанах связаны прочными, ковалентными связями

протеогликаны связаны с гиалуроновой кислотой
Образуется сложный надмолекулярный комплекс:
гиалуроновая кислота
особые связующие белки
протеогликаны

Упругие цепи ГАГ 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

Строение основного вещества

КАТАБОЛИЗМ КОМПОНЕНТОВ ОСНОВНОГО ВЕЩЕСТВА
Катаболизм осуществляется под действием гидролаз
ГИАЛУРОНИДАЗА – разрушает гиалуроновую кислоту
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

2) КЛЕТОЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Структурно-механическая функция механоциты (фибробласты, фиброциты, остеобласты и остеоциты), создающие внеклеточный матрикс
Защитная функция макрофаги, тучные клетки, а также лейкоциты, мигрирующие в соединительную ткань при инфекции, механическом повреждении

3) ВОЛОКНИСТЫЕ СТРУКТУРЫ (коллагеновые волокна)
Волокна:
коллагеновые
эластиновые

Коллагеновые волокна
Обеспечивают устойчивость тканей к разрыву
Являются матрицей для минерализации в костной ткани
Образованы фибриллярным белком коллагеном

КОЛЛАГЕН - сложный белок, относится к группе гликопротеинов, имеет четвертичную структуру, молекулярная масса составляет 300 kDa
Составляет 30% от общего количества белка в организме человека
Структура белка – фибриллярная, суперспираль, состоящая из 3-х альфа-цепей
Плохо растворим в воде
В коллагене 70% аминокислот являются гидрофобными
Аминокислоты по длине полипептидной цепи расположены группами (триадами), состоящими из трех аминокислот

Каждая третья аминокислота в первичной структуре коллагена - это глицин:
(гли-X-Y)n, где X - любая аминокислота или оксипролин, Y - любая аминокислота или оксипролин или оксилизин)
Необычна и вторичная структура коллагена: шаг одного витка спирали составляют только 3 аминокислоты
Образуется очень плотно упакованная спираль за счет присутствием глицина

СИНТЕЗ КОЛЛАГЕНА
Существуют 8 этапов биосинтеза коллагена: 5 внутриклеточных и 3 внеклеточных

1 ЭТАП
Протекает на рибосомах, синтезируется молекула-предшественник: препроколлаген

события в фибробласте (остеобласте)
Синтез на рибосамах альфа-цепей коллагена - полипептидов из 100 аминокислот с частыми повторами пролина и лизина

2 ЭТАП
препроколлаген транспортируется в канальцы эндоплазматической сети и превращается в проколлаген

3 ЭТАП
Аминокислотные остатки лизина и пролина в составе молекулы коллагена подвергаются окислению под действием ферментов пролилгидроксилазы и лизилгидроксилазы
Эти ферменты – монооксигеназы, окисляющие субстрат с помощью витамина С
При недостатке витамина “С” - наблюдается цинга - заболевание, вызванное синтезом дефектного коллагена с пониженной механической прочностью, что вызывает, в частности, разрыхление сосудистой стенки

Ферменты, витамин С
Гидроксилирование пролина и лизина в ЭР, комплексе Гольджи

4 ЭТАП
Посттрасляционная модификация - гликозилирование проколлагена под действием фермента гликозилтрансферазы
Он переносит глюкозу или галактозу на гидроксильные группы оксилизина

5 ЭТАП
Заключительный внутриклеточный этап - идет формирование тройной спирали - тропоколлагена (растворимый коллаген)

Образование тройной спирали молекулы проколлагена в основном за счет водородных связей между остатками гидроксипролина разных альфа-цепей
Ферменты

6 ЭТАП
Секреция тропоколлагена во внеклеточную среду, где амино- и карбоксипротеиназы отщепляются терминальные пептиды

события в межклеточном пространстве
Образование молекулы коллагена в результате ощепления концевых пептидов от тропоколлагена (карбокси- и аминотерминальных пептидов проколлагена)

7 ЭТАП
Ковалентное “сшивание” молекулы тропоколлагена по принципу “конец-в-конец” с образованием нерастворимого коллагена
В этом процессе принимает участие фермент лизилоксидаза (флавометаллопротеин, содержит ФАД и Cu)
Происходит окисление и дезаминирование радикала лизина с образованием альдегидной группы
Затем между двумя радикалами лизина возникает альдегидная связь

Сборка за счет образования
ковалентных связей между остатками
гидроксилизина разных молекул коллагена («пиридиновых сшивок»)
микрофибриллы

8 ЭТАП
Ассоциация молекул нерастворимого коллагена по принципу “бок-в-бок”
Ассоциация фибрилл происходит таким образом, что каждая последующая цепочка сдвинута на 1/4 своей длины относительно предыдущей цепи

фибрилла
волокона коллагена

Эластические волокна
Обеспечивают эластичность соединительной ткани – способность быстро восстанавливать исходную форму после растягивания
Образованы водонерастворимым гликопротеидом – эластином.

ЭЛАСТИН –белок, еще более гидрофобен, чем коллаген
В нем до 90% гидрофобных аминокислот
Много лизина, есть участки со строго определенной последовательностью расположения аминокислот
Цепи укладываются в пространстве в виде глобул
Глобула из одной полипептидной цепи называется альфа-эластин
За счет остатков лизина происходит взаимодействие между молекулами альфа-эластина

Образование поперечных сшивок, с помощью десмозина
С.700

Гликопротеиды (фибронектин, остеонектин, ламинин, тромбоспондин и др.)
Белки, соединенные с разветвленными полисахаридами
Связывают клетки и волокна в единое целое

Особенности метаболизма костной ткани - твердой разновидности соединительной ткани

Костная ткань - это особый вид соединительной ткани
В костной ткани преобладает межклеточное вещество, содержащее большое количество минеральных компонентов, главным образом - солей кальция
Основные особенности кости - твердость, упругость, механическая прочность

Функции костной ткани
Формирует структурную основу самых прочных анатомических образований – костей скелета
Мобильное депо ионов кальция, регулирующих сокращение мышц, нервную возбудимость и др.

Внеклеточный матрикс костной ткани построен из кристаллов плохо растворимой в воде соли –гидроксиапатита
Кристалл Са10(РО4)6(ОН)2
Раствор ионов Са2+ + НРО42-
Скорость растворения и образования кристалла в костной ткани зависит от работы клеток костной ткани

Особенности гидроксиапатита
Малые размеры кристаллов создают большую площадь поверхности (1г ≅ 300 м2), контактирующей с внеклеточной жидкостью
Это позволяет быстро выравнивать сдвиги в концентрации ионов Са2+ во внеклеточной жидкости, включая плазму крови
Кристаллы сохраняют свою структуру (не растворяются в воде) во внеклеточной жидкости, содержащей значительное количество чужеродных катионов и анионов, которые частично заменяют ионы Са2+, РО43-, ОН- в кристаллической решетке гидроксиапатита

Включение небольшого количества чужеродных катионов и анионов в кристаллическую решетку лишь изменяет растворимость гидроксиапатита в воде (внеклеточной жидкости)
Са9 Н2 (РО4)6(ОН)2 растворимость ↑
Са10(РО4)6(ОН) F растворимость ↓

Органический матрикс кости
Основной белок костной ткани - коллаген, который содержится в количестве 15% - в компактном веществе, 24% - в губчатом веществе
Количество неколлагеновых белков составляет от 5 до 8%. В основном это белки- гликопротеины и белково-углеводные комплексы - протеогликаны
Костный коллаген - коллаген типа 1 - в нем больше, чем в других видах коллагена, содержится оксипролина, лизина и оксилизина, с остатками серина связано много фосфата, поэтому костный коллаген - это фосфопротеин

Благодаря своим особенностям костный коллаген принимает активное участие в ремоделировании костной ткани
В зрелом организме процессы минерализации и резорбция кости находятся в состоянии динамического равновесия

Минерализация - это формирование кристаллических структур минеральных солей костной ткани
Активное участие в минерализации принимают остеобласты
Резорбция (деминерализация)кости – разрушение костной ткани
Активное участие в деминерализации принимают остеокласты

Ремоделирование костной ткани -
процесс обновления костной ткани, при котором происходит ее разрушение (резорбция) остеокластами с последующим построением в образовавшихся лакунах (пустотах) новой костной ткани остеобластами
Участок кости, в котором идет ремоделирование называется костная ремоделирующая единица (менее 0,01 мм3). Одновременно активны миллионы костных ремоделирующих единиц
Ремоделирование обеспечивает рост костей у детей и их обновление у взрослых (2-10% костной ткани в год)

Фазы цикла ремоделирования костной ткани
5-7 дней
3-4 месяца
до 10 лет

Участие остеокластов в резорбции кости
Образование протонов
СО2 + Н2О ↔ Н2СО3 ↔ НСО3- + Н+
Фермент карбоангидраза
Са9 Н2 (РО4)6(ОН)2 растворимость ↑
Активация коллагеназы

Участие остеобластов в минерализации кости
Остеобласты синтезируют костный коллаген, который содержит фосфаты и формирует хондроитинсульфаты
Костный коллаген является матрицей для процесса минерализации
Особенностью процесса минерализации является перенасыщение среды ионами кальция и фосфора
Кальций и фосфор связываются с костным коллагеном

В зоне минерализации усиливаются окислительные процессы, распадается гликоген, синтезируется необходимое количество АТФ
Из лизосом остеобластов выделяются кислые гидролазы, которые взаимодействуют с белками органического компонента и приводят к образованию ионов аммония (NH4+) и гидроксид-ионов (ОН -), которые соединены с фосфатом и кальцием
Формируются ядра кристаллизации

Лабораторные маркеры формирования костной ткани
N-терминальный пропептид проколлагена типа I в крови
Отражают синтез коллагена I типа
C-терминальный пропептид проколлагена типа I в крови
Молекула проколлагена
Молекула коллагена

Лабораторные маркеры резорбции костной ткани
Гидроксипролин в моче
Пиридинолин и дезоксипиридинолин в моче
С-терминальный телопептид коллагена I типа (β-CrossLaps) в крови
Отражают разрушение коллагена

Костный баланс – разница между массой костной ткани, разрушенной в ходе резорбции, и массой костной ткани, образованной при построении
Положительный
при росте костей у детей
Нейтральный
у взрослых до 40-50 лет
Отрицательный
после 50 лет

Факторы, влияющие на костный баланс
Способствуют положительному костному балансу
Физические нагрузки
Эстрогены, андрогены
СТГ
Кальцитриол
Паратгормон
Кальцитонин
Стимулируют пролиферацию и дифференцировку предшественников остеобластов
Создают необходимую для минерализации концентрацию ионов кальция во внеклеточной жидкости

Факторы, влияющие на костный баланс
Способствуют отрицательному костному балансу
Гиподинамия
Лечение глюкокортикоидами уменьшение числа остеокластов, но в большей степени - остебластов из-за приближения их апоптоза

Обмен кальция и фосфора в организме
КАЛЬЦИЙ
99 % кальция в организме приходится на скелет
костная ткань не является инертной, между костью и внеклеточной жидкостью постоянно происходит обмен Са2+

Внеклеточная
жидкость
22,5ммоль/24 ч
Плазма
9ммоль/24 ч
Кости
25000 ммоль
Быстрый
обмен
500 ммол/24 ч
Медленный
обмен
(ремоделирование)
7,5 ммоль/24 ч
Кожа
0,3 ммоль/24 ч
Кишка
Кал
19 ммоль/24 ч
Почки
Фильтрация
240ммоль/24 ч
Пища
25 ммоль/24 ч
Моча
6 ммоль/24 ч
Реабсорбция
234 ммоль/24 ч
12 ммоль/24 ч
6 ммоль/24 ч

Физиологической активностью обладает не весь Са2+ плазмы, а только его ионизированная фракция
Концентрация Са2+ поддерживается в узких пределах
Даже небольшие изменения ионизированного Са2+ в плазме сопровождаются гормональной реакцией, направленной на сохранение его стабильной концентрации

Кальций в плазме (2,25-2,6 ммоль/л)
В плазме кальций присутствует в 3 формах:
связанный с белком, главным образом альбумином(47%)
в комплексе с бикарбонатом, лактатом, фосфатом, цитратом (7%)
в свободном виде ионизированного кальция – физиологически активный(46%)

Фосфор
80 % фосфора в виде солей с кальцием – неорганическая основа костей – депо фосфора
между костью и внеклеточной жидкостью постоянно происходит обмен фосфора

Внеклеточная
жидкость
14 ммоль
Плазма
1,2ммоль
Кости
17000 ммоль
8 ммоль
Кишка
Кал
14 ммоль
Почки
Пища
40ммоль
Моча
26 ммоль
32 ммоль
6 ммоль
8 ммоль
Клетки организма
3000 ммоль

Гормональная регуляция кальций-фосфорного обмена
Кальцийтриол
увеличивает всасывание кальция в кишечнике
увеличивает реабсорбцию кальция в почках
улучшает процесс минерализации

Паратгормон
Полипептидный линейный гормон, состоящий из 84 аминокислот
Синтезируется в виде предшественника (зимогена) пре-про-ПТГ (115 аминокислот)
Перед секрецией происходит частичный протеолиз, теряется пептид из 25 аминокислот, таким образом образуется про-ПТГ
Затем отщепляется еще 6 аминокислот и формируется непосредственно ПТГ

Биологической активностью обладает N-терминальный конец гормона, состоящий из 34 аминокислотных остатков
ПТГ секретируется паращитовидными железами в течение нескольких минут в ответ на снижение в плазме концентрации ионизированного Са2+
гиперкальциемия и кальцитриол подавляют синтез и секрецию гормона

увеличивает реабсорбцию ионов кальция
ингибирует реабсорбцию ионов фосфора
происходит стимуляция остеокластов и одновременно усиливается пролиферация остеобластов
способствует обновлению костной ткани

Кальцитонин
Полипептидный гормон из 32 аминокислотных остатков, вырабатываемый С-клетками щитовидной железы
подавляет активность остеокластов и тем самым уменьшает процессы резорбции в костях

ингибирует процессы резорбции кости
ингибирует реабсорбцию ионов кальция
ингибирует реабсорбцию ионов фосфора

Превышение скорости резорбции над скоростью построения костной ткани ведет к отрицательному костному балансу, который может проявиться клинически остеопорозом
Остеопороз – это системное заболевание костей, включающее снижение минеральной плотности костной ткани, разрежение ее структуры

ОСТЕОМАЛЯЦИЯ – это системная патология костной ткани, характеризующаяся недостаточной минерализацией остеоида, проявляющейся деформациями костей
НАИБОЛЕЕ ЧАСТАЯ ПРИЧИНА – недостаточное обеспечение организма кальцием, обычно из-за недостаточности кальцитриола

Остеомаляция в детском возрасте (рахит)
Причины недостаточности кальцитриола
Недостаточное обеспечение организма витамином Д
Нарушение всасывания витамина Д в кишечнике (например, при хронических заболеваниях кишечника)
Нарушение превращения витамина Д в кальцитриол в печени, почках (при врожденной недостаточности соответствующих ферментов, при хронических заболеваниях печени, почек)
Сниженное количество рецепторов к кальцитриолу