Глава 1. Биохимия соединительной ткани

Соединительная ткань – самая распространенная ткань живого организма мезенхимального происхождения. Она состоит из межклеточного матрикса и клеток различного типа (фибробласты, макрофаги, тучные клетки). Разновидности соединительной ткани различаются между собой составом, соотношением клеток, волокон, физико-химическими свойствами. К соединительной ткани относят хрящевую, костную, жировую ткани, сухожилия, связки, эмаль, дентин, цемент зуба, кровь. Межклеточный (внеклеточный матрикс) представлен структурными белками (коллаген, эластин), протеогликанами, гликозаминогликанами (ГАГ), а также специализированными белками (адгезивными и антиадгезивными).

Основные функции межклеточного матрикса:

- участвует в формировании межклеточных контактов;

- образует каркас органов и тканей;

- обеспечивает смазку и скольжение в суставах;

- образует высокоспециализированные структуры - кости, зубы, хрящи, сухожилия, базальные мембраны;

- окружая клетки, влияет на их метаболизм, пролиферацию и развитие.

1.1. Клеточные элементы соединительной ткани

Фибробласты синтезируют компоненты межклеточного матрикса, такие как коллаген, эластин, протеогликаны, гликопротеины. Фибробласты подвижные клетки: в их цитоплазме располагаются микрофиламенты, содержащие белки актин и миозин. Движение фибробластов становится возможным только после их связывания с фибриллярными структурами с помощью фибронектина, обеспечивающего адгезию клеток и неклеточных структур. Активация фибробластов сопровождается накоплением гликогена и повышением активности гидролитических ферментов. Энергия, образуемая при метаболизме гликогена, используется для синтеза полипептидов и других компонентов, секретируемых клеткой.

Макрофаги образуются из моноцитов крови. Размер и форма макрофагов зависит от их функционального состояния. Обычно макрофаги имеют одно ядро с крупными глыбками хроматина, цитоплазма богата лизосомами, фагосомами (что является их отличительным признаком), пиноцитозными пузырьками, содержит митохондрии, гранулярную эндоплазматическую сеть, аппарат Гольджи, включения гликогена, липидов. Макрофаги – это клетки защитной системы организма, синтезирующие ферменты (протеазы, кислые гидролазы, лизоцим) для внутриклеточного и внеклеточного расщепления чужеродного вещества.

Тучные клетки имеют крупные размеры. В их цитоплазме обнаружены слабо развитые органеллы (митохондрии, аппарат Гольджи, эндоплазматическая сеть), метахроматические гранулы, содержащие гистамин, гепарин, серотонин, а также ферменты (протеазы, липазы, кислая и щелочная фосфатазы, пероксидаза, цитохромоксидаза, АТФаза). Маркерным ферментом тучных клеток является гистидиндекарбоксилаза, участвующая в синтезе гистамина из гистидина. Тучные клетки – это иммунные клетки соединительной ткани. Содержание в них гистамина и гепарина обеспечивает участие в процессах воспаления, иммуногенеза, в свертывании крови.

1.2. Коллаген

Коллаген − фибриллярный белок с уникальной структурой. Полипептидная цепь коллагена включает 1000 аминокислот и носит название α-цепь. Особенностями аминокислотного состава является то, что каждая третья аминокислота − это глицин (30%), 20% составляют остатки пролина и гидроксипролина, 10% − аланина, остальные 40% − другие аминокислоты. Пептидная цепь коллагена представляет последовательность триплетов [ГЛИ-Х-Y], где в положении X чаще всего находится пролин, Y − гидроксипролин, а так же в положении Y часто находится аланин, лизин и 5-гидроксилизин (Рис. 1).

Глицин Оксипролин Пролин

Рис. 1. Основные аминокислоты белка коллагена [15].

В молекуле коллагена три полипептидные цепи сплетены между собой в плотный жгут − тропоколлаген (длина 300 нм, диаметр 1,5 нм). Полипептидные цепи ориентированы параллельно и прочно связаны между собой ковалентными связями за счет ε-аминогрупп остатков лизина и гидроксилизина, а также водородными связями с участием радикалов гидроксипролина. Молекулы тропоколлагена при объединении образуют крупные коллагеновые фибриллы, а из них формируются волокна и пучки волокон. В составе фибрилл молекулы тропоколлагена расположены параллельными рядами и смещены относительно друг друга на ¼ их длины, между ними имеется промежуток 35-40 нм. Это обуславливает поперечную исчерченность фибрилл коллагена, что максимально повышает сопротивление при растяжении. Высокую прочность данного белка обуславливают ковалентные связи между молекулами коллагена в фибриллах за счет радикалов лизина и ализина. Количество поперечных связей в фибриллах зависит от функции и возраста ткани.

В составе коллагена есть углеводные компоненты, это моносахарид галактоза или дисахарид галактозилглюкоза. Они образуют ковалентную О-гликозидную связь с 5-ОН-группой гидроксилизина. Число углеводных единиц в молекуле коллагена зависит от вида ткани. В коллагене сухожилий это число равно − 6, в коллагене хрусталика – 110. Роль углеводов в составе коллагена до конца не выяснена. Однако при снижении их количества ухудшаются механические свойства кожи и связок.

Коллагены I, II, III, V, XI типа являются фибриллярными белками, составляют 95% всего коллагена организма и участвуют в образовании прочных коллагеновых волокон. Из них наиболее распространен коллаген I типа, который встречается в коже, сухожилиях, кости, дентине. Коллагены IX, XII, XIV типа фибрилл не образуют, но они вступают во взаимодействие с фибриллами других типов коллагена, участвуя в образовании межклеточного матрикса и структур, характерных для определенного вида тканей (стекловидное тело, кожа, легкие). Коллагены IV, VI, VIII, X типа способны формировать сетевидные структуры и служат местом прикрепления других молекул. В сухожилиях коллаген образует плотные параллельные волокна, которые позволяют им выдерживать большие механические нагрузки. В роговице глаза коллаген участвует в образовании гексагональных решеток мембран, что обеспечивает прозрачность роговицы и участие ее в преломлении света. В дерме фибриллы коллагена формируют сеть, хорошо развитую в участках кожи, испытывающих сильное давление (кожа подошв, локтей, ладоней).

Синтез и созревание коллагена происходит в фибробластах и состоит из двух этапов – внутриклеточного (Рис. 2) и внеклеточного (Рис. 3), которые начинаются в клетке, а завершаются в межклеточном матриксе.

Внутриклеточный этап синтеза коллагена. На рибосомах эндоплазматической сети синтезируется пре-про-α-цепь коллагена, на N-конце которой расположен гидрофобный сигнальный пептид, который облегчает перемещение белка в просвет эндоплазматической сети. После отщепления сигнального пептида образуется про-α-цепь коллагена (Рис. 2).

Рис. 2. Внутриклеточный этап синтеза коллагена [15].

В полости эндоплазматической сети происходит гидроксилирование остатков пролина и лизина с образованием гидроксипролина и гидроксилизина под действием гидроксилаз, содержащих в качестве кофактора ионы Fe²⁺. Для сохранения железа в восстановленной форме необходим витамин С. При дефиците витамина С нарушается гидроксилирование пролина и лизина, что приводит к хрупкости и ломкости кровеносных сосудов, разрушению и выпадению зубов. Гликозилирование остатков гидроксилизина происходит под действием гликозилтрансфераз: к ОН-группам радикала гидроксилизина присоединяются остатки галактозы или глюкозы. После завершения гидроксилирования и гликозилирования три про-α-цепи коллагена соединяются между собой водородными связями, в С- концевых участках образуются дисульфидные связи и происходит формирование молекул проколлагена, которые перемещаются во внеклеточное пространство.

Внеклеточный этап синтеза коллагена. Под действием протеаз происходит частичный протеолиз N- и С- концевых фрагментов проколлагена (Рис. 3). Три полипептидные цепи спирально навиваются друг на друга с образованием молекулы тропоколлагена. Гидроксилирование и гликозилирование лизина необходимо для сборки из молекул тропоколлагена коллагеновых микрофибрилл и макрофибрилл – коллагеновых волокон.

Рис. 3. Внеклеточный этап синтеза коллагена [5].

Прочность соединения молекул тропоколлагена в микрофибриллах обеспечивается поперечными сшивками между радикалами аминокислот лизина и гидроксилизина с образованием поперечной исчерченности. Молекулы тропоколлагена располагаются параллельными рядами, которые смещены друг относительно друга на 67 нм, расстояние между отдельными волокнами тропоколлагена 35 нм.

Катаболизм коллагена происходит под действием коллагеназы, гидролизующей пептидные связи между остатками глицина и лейцина (изолейцина). Под действием пептидгидролаз пептиды расщепляются до трипептидов и дипептидов, содержащих гидроксипролин, и далее – до отдельных аминокислот. При этом в кровь и в мочу попадает гидроксипролин. Так как коллаген является основным источником гидроксипролина, то по скорости его выделения с мочой судят о процессах катаболизма белка коллагена и всех соединительно-тканных структур. У лиц в возрасте 10-20 лет экскретируется с мочой до 200 мг/сутки гидроксипролина. С возрастом его экскреция с мочой снижается (менее 15-20 мг/сутки), что свидетельствует об интенсивном обмене соединительной ткани в организме молодых и уменьшении этого процесса у людей старшего возраста. Снижение катаболизма коллагена приводит к увеличению его содержания и к фиброзу органов и тканей (печени, легких). Усиление распада коллагена происходит в результате избыточного синтеза коллагеназы при аутоиммунных заболеваниях (ревматоидном артрите, системной красной волчанке).

Синтез и распад коллагена регулируется разными способами. При этом сам коллаген и N-пропептиды после своего отщепления тормозят трансляцию коллагена по принципу отрицательной обратной связи. Стимулируют синтез коллагена витамины, в частности, витамин С, белковая диета, гормон роста, половые гормоны, глюкокортикоиды тормозят его образование.

В медицине фермент коллагеназа используется для лечения заболеваний, связанных с чрезмерным образованием фиброзной ткани, которая нарушает циркуляцию крови, приток метаболитов, кислорода, отток токсических продуктов. Коллагеназа, расщепляя избыток образовавшихся фибрилл, восстанавливает кровоснабжение в ране, очищение и заживление раны при этом ускорятся.

Нарушение структуры или синтеза коллагена вследствие мутаций в генах, кодирующих этот белок или ферментов, участвующих в его образовании, приводят к развитию заболеваний. Так, при синдроме Элерса-Данло, наблюдается дефект лизилгидроксилазы, поэтому количество гидроксилизина в структуре коллагена уменьшается. Следствием этого является образование менее прочных фибрилл коллагена, которые легко разрушаются.