Биосинтез и катаболизм коллагена, гликозаминогликанов и протеогликанов

Cодержание
Синтез и катаболизм коллагена.
Заболевания, связанные с нарушением синтеза и созревания коллагена
Синтез и катаболизм эластина.
Синтез муцинов, особенности их аминокислотного состава и олигосахаридных цепей.
Роль муцинов в построении пелликулы.
Биосинтез гликозаминогликанов.
Разрушение гликозаминогликанов, и ферменты, принимающие участие в этом процессе.
Синтез и распад протеогликанов.

ЭТАПЫ СИНТЕЗА И СОЗРЕВАНИЯ КОЛЛАГЕНА
Коллаген синтезируют и поставляют в межклеточный матрикс почти все клетки (фибробласты, хондробласты, остеобласты, одонтобласты, цементобласты, кератобласты и др.).
Синтез коллагена включает два этапа.
I - внутриклеточный
II - внеклеточный
На внутриклеточном этапе происходит трансляция и посттрансляционная модификация полипептидных цепей, и на внеклеточном - модификации белка, завершающаяся образованием коллагеновых волокон.

ВНУТРИКЛЕТОЧНЫЕ СТАДИИ СИНТЕЗА КОЛЛАГЕНА (ЭТАП I)
Протеолиз N- пептидов
а).
b).
c).
d).
e).
f).

Внутриклеточный этап синтеза коллагена
Синтез α-цепей коллагена на полирибосомах – пре-про- коллагена.
2. Сигнальный пептид ориентирует синтез молекулы в полость ЭР. Здесь он отщепляется - образуется "проколлаген", который имеет в своем составе дополнительные участки – N- и С-концевые пептиды 100 и 250 аминокислот соответственно. В состав С-концевого пептида входят остатки ЦИС, которые нужны для образования внутри- и межцепочечные дисульфидные связи.

Рис. 1.2. Структурная формула аскорбиновой кислоты.
Гидроксилирование остатков пролина и лизина, которое начинается в период трансляции полипептидной цепи вплоть до её отделения от рибосом. Эти реакции катализируют гидроксилазы.
Гидроксилазы пролина и лизина в активном центре содержат Fе2+, а аскорбиновая кислота, которая легко окисляется в дегидроаскорбиновую кислоту, необходима для сохранения атома железа в ферроформе

Рис. 1.3. Гидроксилирование остатков пролина в проколлагеновой α-цепи с образованием 4-гидроксипролина.
Реакция гидроксилирования:
один атом кислорода присоединяется к четвёртому атому углерода в остатке пролина;
второй атом кислорода включается в янтарную кислоту, которая образуется при декарбоксилировании 2-оксоглутарата.

Следующая посттрансляционная модификация радикалов аминокислот про-α-цепи коллагена — гликозилирование остатков гидроксилизина. К ОН — группам радикала гидроксилизина гликозилтрансферазы могут присоединять остатки галактозы, глюкозы (d).

По окончании гидроксилирования и гликозилирования три про-α-цепи коллагена соединяются между собой водородными связями, в С- концевых фрагментах формируются дисульфидные мостики (е) и происходит формирование молекул проколлагена (f). Далее молекулы проколлагена из ЭПР перемещаются в аппарат Гольджи, где они включаются в секреторные гранулы и в их составе поступают во внеклеточное пространство (g).

Внеклеточные стадии синтеза коллагена (этап II)
g).
h).
i).
Микрофибриллы
Образование макрофибрилл и волокон коллагена
j).
Этапы формирования коллагенового волокна

Первой модификацией внеклеточного этапа является частичный протеолиз. Под действием аминопептидазы и карбоксипептидазы отщепляются N- и С-концевые пептиды. Три полипептидные цепи спирально навиваются друг на друга, в результате образуется тройная спираль коллагена – тропоколлаген (h).
II. Внеклеточный этап - модификация молекул проколлагена
Гидроксилирование и гликозилирование лизина необходимо также для сборки из молекул тропоколлагена коллагеновых микрофибрилл (i), а затем макрофибрилл - коллагеновых волокон (j).

Внеклеточный этап - модификация молекул проколлагена
Рис. 1.4. Окисление лизина в структуре коллагена:
1 - формирование фермент-субстратного комплекса; 2 - NH3+ переносится на тирозинхинон (LTQ) и происходит окисление лизина с последующим вытеснением аллизина из активного центра; 3 - в активный центр фермента входят молекулы О2 и Н2О и происходит освобождение NH3 и Н2О2. При этом LTQ возвращается в исходное состояние (Enz - фермент).
Объединению молекул тропоколлагена в микрофибриллы (фибриллогенез) способствует также образование аллизина (альдегид лизина) и гидроксиаллизина (альдегид гидроксилизина). Ковалентное «сшивание» молекулы тропоколлагена по принципу «конец-в-конец» с образованием нерастворимого коллагена. В процессе принимает участие фермент лизилоксидаза (содержит ФАД и Cu2+). После этого коллаген приобретает свою уникальную прочность, становится нерастяжимым волокном.

На следующем этапе аллизин и 5-гидроксиаллизин конденсируются вместе с лизиловыми и гидроксилизиловыми остатками; формируются внутри- и межмолекулярные поперечные связи. В реакцииконденсации аллизина с остатком лизина другой цепи образуется основание Шиффа. В случае альдольной конденсации двух остатков аллизина образуются альдольные межмолекулярные связи (лизиннорлейцин). Альдольная конденсация характерна для коллагена костной ткани и дентина, а основания Шиффа наиболее часто встречаются в коллагенах сухожилий.
Окисление лизина и формирование альдольной межмолекулярной связи в реакциях альдольной конденсации двух остатков аллизина.

Ассоциация молекул коллагена по принципу «бок-в-бок».
Ассоциация молекул («сшивка») нерастворимого коллагена по принципу «бок-в-бок». Сборка фибрилл происходит таким образом, что каждая последующая цепочка сдвинута на 1/4 своей длины относительно предыдущей цепи. В твердых тканях эти просветы выполняют роль центров минерализации.

Ферменты:
1 - проколлагенпролин-4-диоксигеназа;
2 - проколлагенлизин-5-диоксигеназа;
3 - протеин-лизин-6-оксидаза.
Рис. 1.1. Синтез коллагена. Схема синтеза коллагена: А - внутриклеточный этап, Б -внеклеточная модификация белка. Цифрами обозначены реакции синтеза. 1а -транскрипция, 1b - трансляция проколлагеновых цепей, 2 - отщепление сигнального пептида, 3 -гидроксилирование остатков пролина и лизина, 4 - гликозилирование 5-гидроксилизина и аспарагина, 5 - образование дисульфидных связей в N- и С- концевых пептидах, 6 - формирование тройной спирали проколлагена, 7 - экзоцитоз белковой молекулы, 8 - отщепление N- и -концевых пептидов, 9 - регулируемая сборка фибрилл, 10 - окисление лизина и 5- гидроксилизина до аллизинов, 11 - образование поперечных сшивок с формированием полимерных пептидов

Прочность соединения молекул тропоколлагена в микрофибриллах обеспечивается поперечными ковалентными сшивками, которые образуются между радикалами аминокислот — лизина, гидроксилизина, аллизина, гидроксиаллизина. Для формирования этих связей необходимо присутствие не только витамина С, но также витаминов В3, В6, ионов Fe2+, Cu2+.

Все типы коллагенов в зависимости от структуры делят на несколько групп:
фибриллообразующие,
ассоциированные с фибриллами коллагена,
сетевидные,
микрофибриллы,
заякоренные фибриллы и др.
Основная масса коллагенов, присутствующих в тканях полости рта, относится к фибриллообразующим.

Типы коллагеновых белков в тканях полости рта
Таблица 1.1
Локализация основных типов коллагеновых белков в тканях полости рта.
Для тканей полости рта характерно присутствие коллагена I, III, V и VI типов.

Регуляция обмена коллагена
Синтез коллагена регулируется разными способами.
Сам коллаген и N-npo-пептиды после своего отщепления тормозят трансляцию коллагена по принципу отрицательной обратной связи.
Аскорбиновая кислота стимулирует синтез коллагена и протеогликанов, а также деление фибробластов.
Гормональная регуляция:
Глюкокортикоиды тормозят синтез коллагена (путём снижения уровня мРНК проколлагена и ингибированием активности ферментов пролил- и лизилгидроксилазы. Недостаточное гидроксилирование остатков пролина и лизина повышает чувствительность коллагена к действию коллагеназы и неспецифических протеаз). Это проявляется уменьшением толщины дермы, а также атрофией кожи в местах продолжительного парентерального введения этих гормонов.
Половые гормоны. Обмен коллагена в матке находится под контролем половых гормонов. Синтез коллагена кожи зависит от содержания эстрогенов (усиливается). Поэтому у женщин в менопаузе снижается содержание коллагена в дерме. Т
тиреоидный и паратиреоидный гормоны повышают активность коллагеназ и усиливают внеклеточную деградацию коллагеновых фибрилл. В противоположность им ряд факторов роста, а также инсулин и соматомедин, стимулирующие рост и деление клеток, способствуют их образованию.

Нарушение синтеза коллагеновых белков у человека
Любые нарушения в синтезе коллагеновых белков клинически проявляются, в первую очередь
изменением со стороны зубочелюстной системы в виде кровоточивости дёсен,
подвижности и выпадения зубов,
множественного кариеса.
Причины:
недостаток в организме витаминов
ионов Cu2+ , Ғе 2+
генетические дефекты и аутоиммунные состояния.
При цинге - заболевании, возникающем вследствие недостатка аскорбиновой кислоты, страдает гидроксилирование остатков пролина и лизина в структуре проколлагена. Структуры, используемые для сборки коллагеновых фибрилл, а затем волокон, рассыпаются, что приводит к хрупкости и ломкости кровеносных сосудов (кровоточивости десен), разрушению и выпадению зубов.
Нарушение синтеза коллагена в пульпе и дентине приводит к развитию множественного кариеса, страдают периодонтальные связки.

Структура коллагена при сахарном диабете
При сахарном диабете вследствие неспособно­сти клеток захватывать глюкозу из плазмы крови нарушается процесс внутриклеточного гликозилирования проколлагеновых а-цепей.
При попадании проколлагена во внутриклеточное пространство присоединение углеводов происходит неферментативным путем, что также нарушает структуру коллагеновых фибрилл и неколлагеиовых белков.
Развивается тяжелая форма пародонгига, плохо поддающаяся лечению.
У детей, которые родились от матерей, страдающих сахарным диабетом 1-т типа, диагностируют системные гипоплазии твердых тканей зуба.

Несовершенный остеогенез— это генетическое нарушение, которое вызывает в организме недостаточное или неправильное образование фиброзной ткани, основным компонентом которой является коллаген.
У пациентов с таким диагнозом нередко отмечают патологические проявления в виде: атрофии мышечных тканей; зубных аномалий; гипермобильности суставов; тугоухости в прогрессирующей форме; деформации костных тканей.

МЕТАБОЛИЗМ ЭЛАСТИНА
Синтез эластина:
Синтез и созревание белка эластина состоит из двух этапов: внутриклеточный и внеклеточный.
Синтез тропоэластина.
Образование нерастворимого эластина.

I. Внутриклеточный этап. Мономерная форма эластина синтезируется на рибосомах, связанных с ЭПР, и называется тропоэластином. В ЭПР происходит ограниченное гидроксилирование пролина.
II. Внеклеточный этап. Молекулы эластина связываются в волокнистые тяжи с помощью поперечных сшивок - десмозина и изодесмозина (рис. ), придающие ему особенные эластические свойства.
Десмозин и изодесмозин образуются из 4 остатков аминокислот лизина, соединенных так, что возникает подобие пиридинового кольца. Благодаря этой структуре, десмозин и изодесмозин способны присоединять четыре полипептидные цепи белка эластина и формировать волокна эластина.

Рис. Поперечные сшивки в структуре эластина: А - десмозин, образованый четырьмя остатками лизина; Б - лизиннорлейцин, образованый двумя остатками лизина.

Аминокислотный состав эластина:
- 27% глицина;
- 19% аланина;
- 10% валина;
- 4,7% лейцина.
Благодаря наличию аминокислот с гидрофобными радикалами, необычных ковалентных сшивок между их цепочками - волокна эластина не имеют строго определенной конформации и могут растягиваться и сжиматься в разных направлениях, придавая тканям свойства эластичности

СТРУКТУРА ЭЛАСТИНА
Рис. 1.14. Структурная модель эластина: А - состояние расслабления; Б - состояние растяжения.
Катаболизм эластина:
В расщеплении эластина участвует эластаза полиморфноядерных лейкоцитов, которая являясь эндопептидазой, преимущественно расщепляет связи, образованные карбоксильными группами алифатических аминокислот.
Активность эластазы ингибирует белок α1-антитрипсин (α1-АТ).

НАРУШЕНИЯ СТРУКТУРЫ ЭЛАСТИНА
При снижении образования десмозинов (или их отсутствии) поперечные сшивки образуются в недостаточном количестве или не образуются вообще. Вследствие этого у эластических тканей снижается предел прочности на разрыв и появляются такие нарушения:
истончённость,
вялость,
растяжимость, т.е. утрачиваются их резино-подобные свойства.
Причины нарушений структуры эластина:
снижение активности лизилоксидазы, вызванное дефицитом меди или пиридоксина;
дефицит лизилоксидазы при наследственных заболеваниях;
синдром Менкеса - нарушение всасывания меди.
В тканях десны эластаза не активна.
При развитии воспалительного процесса увеличивается количество полиморфно-ядерных лейкоцитов, которые становятся источником эластазы.
Увеличение количества фермента отмечается на фоне снижения уровня α-антитрипсина.
Это приводит к деструкции эластичных волокон при гингивите и пародонтите.

Состав и строение муцинов (от анг. mucus – слизь)
Гликопротеины, в которых много остатков пролина (до 50%), серина, треонина и углеводных цепей полисахаридов (50-70%).
Аминокислотные остатки пролина вызывают изгибы полипептидной цепи, к серину и треонину О-гликозидными связами крепятся короткие полисахаридные цепи. Вторая особенность аминокислотного состава муцинов – большое количество цистеиновых остатков.
Углеводный состав муцинов представлен пятью типами моносахаридов: фукозой (Fuc), галактозой (Gal), N-ацетилглюкозамином (GlcNAc), N-ацетил-галактозамином (GalNAc) и сиаловыми кислотами. Сиаловые кислоты — обобщенное название производных нейраминовой кислоты. Имеется незначительном присутствии в муцинах и других моносахаридов. Перечисленные моносахариды образуют олигосахаридные цепочки, содержащие от 1 до 22 (в среднем 8–10) моносахаридных остатков. Цепочки связаны O-гликозидной связью, в образовании которой участвуют N-ацетилгалактозамин и гидроксильная группа боковой цепи серина или треонина.

Синтез муцинов
Высокоспециализированные клетки поднижнечелюстных и подъязычных слюнных желез синтезируют белок муцин.
В этих клетках хорошо развиты шероховатый эндоплазматический ретикулум и аппарат Гольджи, обеспечивающие гликозилирование белка.
Синтез полипептидной цепи муцинов, как и других гликопротеинов, происходит на полирибосомах, связанных с шероховатым эндоплазматическим ретикулумом. Растущий пептид котрансляционно транслоцируется через мембрану ретикулума в его полость, где происходит N-гликозилирование муцинов. После этого они переносятся в транспортных пузырьках в аппарат Гольджи, где происходит О-гликозилирование.

Присоединения GalNAc к остаткам серина и треонина обеспечивается GalNAс-трансферазой , происходит в цис-цистернах аппарата Гольджи. После присоединения GalNAc дальнейшее гликозилирование идет путем добавления различных моносахаридов специфическими гликозилтрансферазами. Завершается O-гликозилирование в транс-цистернах аппарата Гольджи.
После завершения гликозилирования муцины упаковываются в секреторные гранулы. Секреция муцинов из гранул осуществляется по механизму экзоцитоза. большую роль в нем играют ионы кальция, так как при экзоцитозе из гранул освобождается много кальция. Ионы кальция экранируют отрицательный заряд муцинов, в результате чего они могут плотно упаковываться в грануле. Секреция муцинов из гранул контролируется как на нейральном, так и гормональном уровне.

В слюне присутствует муцин-1 (Mr 250 кДа) и муцин-2 (Mr 100 кДа).
Внутренние поверхности ротовой полости, желудка и кишечника покрыты муциом, который защищает эпителий пищеварительного тракта от разрушения ферментами и действия соляной кислоты.
В ротовой полости муцин слюны предохраняет эпителий от
механических,
термических
химических воздействий
MG1-плотно адсорбируется на поверхности зуба, способствуя образованию эмалевой пленки, тем самым защищая поверхность зуба от химических и физических воздействий, включая кислотные воздействия.
MG2-также связывается с поверхностью зуба, но легко смещается, однако способствует очищению полости рта от бактерий путем агрегации

Муцины выполняют специфические функции:
Основные белки, обеспечивающие вязкость слюны. Муцины участвуют в образовании мицелл слюны, (помогают структурировать слюну), благодаря способности связывать воду.
Молекулы муцинов вместе с белками, богатые пролином (ББП) образуют слизистую пленку (пелликулу), которая защищает клетки ротовой полости от бактериальных, вирусных, химических и др. воздействий.
Выполняют роль смазки не только в полости рта, но и в кишечнике, бронхах.
Молекула муцинов похожа на гребенку и может связывать большое количество молекул воды. • На рисунке к полипептидной цепи (сплошная линия) прикреплены полисахаридные цепочки.

Протеогликаны и гликозаминогликаны
Протеогликаны - состоят из различных стержневых (коровых) белков, к которым через N- и О-гликозидные связи присоединены олигосахариды, связанные с цепями гликозамингликанов (рис). 1 молекула COR-белка может присоединить до 100 ГАГ.
Гликозаминогликаны – линейные гетерополисахариды, собранные из большого числа повторяющихся дисахаридных единиц, в состав которых входят уроновая кислота (d-глюкуроновая или L-идуроновая) и ацетилированный гексозамин(N-ацетилглюкозамин- или -ацетилгалактозамин).
Рис. Строение протеогликана.

Особенности строения важнейших гликозаминогликанов

Все ГАГ делятся на две группы: связанные с коровым белком в составе протеогликанов (дерматансульфат, кератансульфат, гепарансульфат, хондроитинсульфат) и не связанные с коровым белком (гиалуроновая кислота).
Белковый компонент (коровый белок) протеогликанов синтезируется на рибосомах ЭПР, а ГАГ - в аппарате Гольджи. Синтезу полисахаридных структур на основе корового белка предшествует присоединение к гидроксильной группе серина, треонина или аспарагина трисахарида (-ксилоза-галактоза-галактоза-) - затравка для синтеза ГАГ.
Остальная часть цепи ГАГ, построенная из повторяющихся дисахаридных единиц (А и Б), синтезируется путем присоединения (n раз) углеводных остатков (рис).
ЭПР аппарат Гольджи
Коровый белок

Структура надмолекулярного протеогликанового комплекса

Аминосахара и гексуроновые кислоты синтезируются из глюкозы. Непосредственным же предшественником N-ацетилглюкозамина и N-ацетилгалактозамина является фруктозо-6-фосфат. Источником NН2-группы для сахаров выступает глутамин. Образовавшийся аминосахар далее ацетилируется с помощью ацетил-КоА (рис).
На синтез гликозаминогликанов влияют соматотропин и ретиноевая кислота, которые активируют включение сульфата в молекулы.

Рис. 1.21. Синтез гликозаминогликанов.
Ферменты: 1 - гексокиназа; 2 - фосфоглюкоизомераза; 3 - аминотрансфераза; 4 - ацетилтрансфераза; 5 - N-ацетилглюкозаминфосфомутаза; 6 - УДФ-N-ацетилглюкозаминпирофосфорилаза; 7 - эпимераза; 8 - УДФ- глюкозаминпирофосфорилаза; 9 - УДФ-глюкопирофосфорилаза; 10 - УДФглюкозо-дегидрогеназа.

Разные протеогликаны отличаются размерами молекул, относительным содержанием белка и набором гликозаминогликанов.
Протеогликаны в больших количествах представлены:
дентине,
пульпе,
цементе,
тканях периодонта,
слизистых оболочках полости рта

Распад протеогликанов
Распад протеогликанов - физиологический процесс, заключающийся в регулярном обновлении внеклеточных и внутриклеточных макромолекул.
В деградации протеогликанов участвует протеиназы и гликозидазы.
Вначале коровый и связующие белки подвергаются воздействию свободных радикалов и в межклеточном матриксе гидролизуются матриксными металлопротеиназами - коллагеназой, желатиназой, стромелизином.
Протеиназы расщепляют коровый белок, а гликозидазы гидролизуют цепи гликозаминогликанов и олигосахаридов.
Все протеогликаны, содержащие цепи хондроитинсульфата, дерматансульфата, гепарансульфата и кератансульфата, первоначально расщепляются на фрагменты.
Фрагменты протеогликанов захватываются бластными клетками и подвергаются внутриклеточной деградации.

2. Распад гликозаминогликанов
Гликозаминогликаны отличаются высокой скоростью обмена: полупериод жизни (Т 1/2 ) многих из них составляет от 3 до 10 дней (только для кератансульфата Т 1/2 =120 дней).
Разрушение полисахаридных цепей осуществляется экзо- и эндогликозидазами и сульфатазами, к которым относят гиалуронидазу, глюкуронидазу, галактозидазу, идуронидазу и др.
Из внеклеточного пространства гликозаминогликаны поступают в клетку по механизму эндоцитоза и заключаются в эндоцитозные пузырьки, которые затем сливаются с лизосомами.
Лизосомальные гидролазы обеспечивают постепенное полное расщепление гликозаминогликанов до мономеров (моносахариды).

Протеогликаны и гликозаминогликаны в тканях полости рта

ФУНКЦИИ ПРОТЕОГЛИКАНОВ И ГЛИКОЗАМИНОГЛИКАНОВ
они являются структурными компонентами межклеточного матрикса;
протеогликаны и гликозаминогликаны специфически взаимодействуют с коллагеном, эластином, фибронектином, ламинином и другими белками межклеточного матрикса;
все протеогликаны и гликозаминогликаны, являясь полианионами, могут присоединять, кроме воды, большие количества катионов (Na + , K + , Са 2+ ) и таким образом участвовать в формировании тургора различных тканей;
протеогликаны и гликозаминогликаны играют роль молекулярного сита в межклеточном матриксе, они препятствуют распространению патогенных микроорганизмов;
гиалуроновая кислота и протеогликаны выполняют рессорную функцию в суставных хрящах
гепарансульфатсодержащие протеогликаны способствуют созданию фильтраци-онного барьера в почках
кератансульфаты и дерматансульфаты обеспечивают прозрачность роговицы;
гепарин - антикоагулянт;
гепарансульфаты - компоненты плазматических мембран клеток, где они могут функционировать как рецепторы и участвовать в клеточной адгезии и межклеточных взаимодействиях. Они также выступают компонентами синаптических пузырьков.

Мукополисахаридозы - тяжёлые наследственные заболевания, обусловленые дефектами гидролаз, участвующих в катаболизме гликозаминогликанов. В лизосомах тканей, для которых характерен синтез наибольшего количества гликозаминогликанов, накапливаются не полностью разрушенные гликозаминогликаны и с мочой выделяются их олигосахаридные фрагменты. Мукополисахаридозы проявляются нарушениями умственного развития у детей, поражениями сердечно-сосудистой системы, деформациями костного скелета, значительно выраженными в челюстнолицевой области, гипоплазией твёрдых тканей зубов, помутнением роговицы глаз, снижением продолжительности жизни. Существует несколько типов мукополисахаридозов, вызванных дефектами разных ферментов, участвующих в расщеплении гликозаминогликанов.

Болезни, связанные с нарушением метаболизма гликозаминогликанов