ОБЩИЕ ПУТИ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ Энергетический обмен

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.
Соединительная ткань имеет
характерные особенности
В соединительной ткани межклеточное вещество
(межклеточный матрикс) занимает большее
место, чем сами клетки.
Клетки, относящиеся к соединительной ткани:
• фибробласты — производят коллаген и другие вещества
внеклеточного матрикса, способны делиться.
• фиброкласты — клетки, способные поглощать и переваривать
межклеточный матрикс; являются зрелыми фибробластами, к
делению не способны.
• меланоциты — сильно разветвленные клетки,
содержащие меланин, присутствуют в радужной оболочке глаз
и коже (по происхождению — эктодермальные клетки,
производные нервного гребня)
• макрофаги — клетки, поглощающие болезнетворные
организмы и отмершие клетки ткани (по
происхождению моноциты крови)
• эндотелиоциты — окружают кровеносные сосуды, производят
внеклеточный матрикс и продуцируют гепарин. Эндотелий по
большинству признаков относят к эпителию.
• тучные клетки — продуцируют метахроматические гранулы,
которые содержат гепарин и гистамин.
• мезенхимные клетки — клетки эмбриональной
соединительной ткани
Клетки соединительной ткани
Фибробласты
В эмбриогенезе фибробласты происходят из стволовых
клеток мезенхимного происхождения.
1. Ведущие клетки рыхлой соединительной ткани. Хорошо
развит ЭПР с большим количеством рибосом,
прикрепленных цепочками по 10-30 (полисомы), много
свободных рибосом. Развит аппарат Гольджи.
2. Интенсивно протекает гликолиз, менее интенсивно идет
окисление в митохондриях. активны гидроксилазы,
фосфорилазы, гидролитические ферменты лизосом.
3. Основная функция – биосинтез
предшественников коллагена и эластина, а также
протеогликанов и гликопротеинов, идущих на
построение межклеточного матрикса.
Межклеточный матрикс
соединительной ткани
1. Имеет сложный химический состав и содержит
разнообразные белки и полисахариды, в образовании которых участвуют бластные клетки
соединительной ткани.
2. Характерна высокая степень организации
полимерных молекул, которые самопроизвольно организуются в упорядоченную
структуру.
Внеклеточный матрикс, в основном, состоит
из макромолекул двух основных классов –
белков и полисахаридов
В состав внеклеточного матрикса входят структурные и
адгезивные белки, и полисахариды.
• Структурные белки представлены, в основном,
двумя видами белков - коллагеном и эластином.
• К адгезивные белкам относятся фибронектин,
ламинин, нидоген и др.
• Полисахариды – гликозамингликаны (ГАГ), могут
быть в свободном виде и в связанном с белками
(протеогликаны).
Коллаген – основной структурный белок
соединительной ткани
Коллагены составляют приблизительно
30 % общего количества белка в организме,
синтезируются клетками соединительной
ткани.
Строение молекул коллагенов
Коллагены построены из α – цепей
молекул проколлагенов, образующих
трехспиральную структуру. 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 проколлагена может быть
представлена следующим образом:
Гли- Х- ГиПро – Гли- X – ГиЛиз – Гли- X- ГиПро
• Коллаген содержит в основном
заменимые аминокислоты и очень
мало метионина, тирозина и
гистидина.
• Коллаген почти не содержит
цистеина и триптофана.
• Изгибы полипептидной цепи
вызывает аминокислотный остаток
пролина.
• Глицин обеспечивает плотность
укладки трех полипептидных цепей
т.к. глицин не имеет боковой
группы и находится внутри тройной
спирали.
Биосинтез коллагена
Коллаген синтезируется внутри различных клеток
соединительной ткани в виде препроколлагена,
содержащего на N-конце сигнальную последовательность
из 100 аминокислотных остатков. После выхода из
рибосомы сигнального пептида трансляция
приостанавливается.
Сигнальный пептид находит рецептор на мембране
ЭПР, присоединяется к нему и проходит в полость ЭПР.
После этого трансляция продолжается.
Созревание коллагена (процессинг)
После синтеза коллагена следует сложный
многоступенчатый процесс его созревания,
который включает 2 этапа:
- внутриклеточный,
- внеклеточный.
На первом этапе происходит пострансляционная
модификация полипептидных цепей препроколлагена.
На втором этапе – образуются зрелые
коллагеновые волокна.
Внутриклеточный этап созревания коллагена
включает в себя ряд последовательных изменений
цепи препроколлагена:
1) Отщепление протеиназой сигнальной пептидной
последовательности от N-конца препроколлагена.
2) Гидроксилирование пролина и лизина проколлагена
гидроксилазами, завершение синтеза проколлагена, перенос его в
аппарат Гольджи
•Гидроксипролин участвует в образовании водородных связей в
тройной спирали коллагена.
•Гидроксилизин является участником последующего
гликозилирования проколлагена.
•Гидроксилизин может превращаться в гидроксиаллизин,
который участвует в образовании сшивок между молекулами
коллагена.
Гидроксилазам необходим атом двухвалентного
железа и его восстановитель - витамин С (аскорбат)
Гидроксилирование остатков лизина в проколлагеновой
α-цепи с образованием 5-гидроксилизина.
Гидроксилирование остатков пролина в проколлагеновой
α-цепи с образованием 4-гидроксипролина.
3) Гликозилирование аминокислотных остатков
гидроксилизина в молекуле проколлагена под действием
гликозилтрансфераз происходит в аппарате Гольджи.
Углеводные
компоненты
связываются с ОН группами гидроксилина
О - гликозидными
связями.
Чаще всего
углеводными
компонентами являются
глюкоза или дисахарид
галактозилглюкоза.
Гликозилированные участки α-цепи молекулы
проколлагена.
4) Формирование тройной спирали гликозилированного
проколлагена.
Каждая пептидная α – цепь проколлагена соединяется
водородными связями с двумя другими α – цепями
проколлагена.
Внутри- и между полипептидными цепями
образуются дисульфидные связи. В таком виде
проколлаген секретируется из клетки (экзоцитоз).
Схема синтеза коллагена:
А - внутриклеточный этап.
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.
1 - проколлагенпролин-4диоксигеназа;
2 - проколлагенлизин-5диоксигеназа;
Внеклеточный этап созревания
включает в себя ряд последовательных
изменений
1) Отщепление N – и С – концевых пептидов от
проколлагена специфическими протеиназами.
В результате образуется палочкообразнаая
молекула тропоколлагена.
Между цепями в тримерной молекуле
тропоколлагена заканчивается образование
дисульфидных связей между аминокислотными
остатками цистеина.
2) Формирование фибрилл незрелого коллагена
Структурна фибрилл незрелого коллагена состоит из
параллельно расположеннных тройных спиралей
тропоколлагена.
Молекулы тропоколлагена на стыках не плотно
примыкают друг к другу, между ними остаются промежутки
длиной в 35-40 нм. Молекулы сдвинуты относительно друг
друга на ¼ своей длины, что составляет приблизительно 67
нм.
Такое расположение
повышает прочность
фибрилл на растяжение.
3) Превращение незрелых фибрилл в зрелые путем
формирования сшивок между полипептидными
цепями тропоколлагенов
Лизилоксидаза катализирует реакцию превращения в
коллагене аминогрупп отдельных лизильных и
гидроксилизильных остатков в альдегидные группы,
образуется аллизин.
Остаток лизина
Остаток аллизина
NH
H
O
C
C
NH
лизилоксидаза, Cu2+
(CH2)4
H
NH2
O2
O
NH3+ H2O
C
C
O
(CH2)3
C
H
Альдегидные группы аллизина участвуют в
образовании ковалентных связей, которые
стабилизируют фибриллы незрелого коллагена, он
становится зрелым.
Альдольная сшивка –
аллизин + аллизин
Альдиминная сшивка –
лизин + аллизин
Это приводит к формированию оснований Шиффа.
Окисление лизина и формирование альдольной
межмолекулярной связи в реакциях альдольной
конденсации двух остатков аллизина.
Зрелые фибриллы укладываются параллельно друг другу
(на схеме слева), и далее объединяются в коллагеновое
волокно
(на схеме справа).
Схема синтеза коллагена
(продолжение слайда 23):
Б - внеклеточный этап.
Цифрами обозначены реакции
синтеза.
8 - отщепление N- и С-концевых
пептидов,
9 - регулируемая сборка
фибрилл,
10 - окисление лизина и 5гидроксилизина до аллизинов,
11 - образование поперечных
сшивок с формированием
полимерных пептидов
*по Кольман Я., Рём К.-Г., 2000+
3 - протеинлизин-6-оксидаза.
Структура коллагеновых фибрилл: А-тропоколлаген,
состоящий из трёх α-цепей; Б-коллагеновые микрофибриллы из
5 рядов тропоколлагена; В-коллагеновые фибриллы
включающие 9-12 микрофибрилл тропоколлагена.
Уникальные свойства коллагенов
Коллагеновые волокна обладают огромной
прочностью и практически нерастяжимы. Они могут
выдерживать нагрузку, в 10 000 раз превышающую их
собственную массу.
Именно поэтому большое количество коллагеновых
волокон, состоящих из коллагеновых фибрилл, входит в
состав кожи, сухожилий, хрящей и костей.
Катаболизм коллагена
Распад коллагена происходит под действием
коллагеназ, секретируемых из клетки. Процесс
медленный.
Основной фермент - металлопротеиназа (Zn ²⁺)
расщепляет пептидные связи в определенных
участках коллагена. Образующиеся фрагменты
спонтанно денатурируют, расщепляются другими
коллагеназами, могут путем эндоцитоза
захватываться клеткой и в ней заканчивают
деградацию.
Основной маркер распада коллагена
Важнейшим метаболитом, характеризующим
скорость распада коллагена, является
гидроксипролин.
85-90% этой аминокислоты освобождается в
результате гидролиза коллагена.
Повышение количества гидроксипролина в
плазме крови свидетельствует о нарушениях
созревания коллагена и его деградации.
Нарушение 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
структуре, пространственной организации и по
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)] 2α₂
Фибриллообразующие коллагены
Коллаген I типа [a1(I)]2 а2 содержит 33% глицина, 13% пролина, 1%
гидроксилизина и малое количество углеводов. Определяется в составе
костей, дентина, пульпы зуба, цемента, периодонтальных волокон. Этот тип
коллагеновых волокон участвует в процессах минерализации.
Коллаген II типа *α1(II)]3 присутствует в хрящах и образуется в нехрящевых
тканях на ранних стадиях развития. Данный тип коллагена содержит
небольшое количество 5 -гидроксилизина (менее 1%) и отличается высоким
содержанием углеводов (более 10%).
Коллаген III типа *α1(III)]3 присутствует в стенках кровеносных сосудов.
Отличительной особенностью этого коллагена является наличие большого
количества гидроксипролина. В составе α-цепей присутствует цистеин, а сама
молекула коллагена слабо гликозилирована.
Коллаген V типа [α(V)α2(V)α3(V)] представляет собой гибридную молекулу, состоящую из различных цепей, а именно: α1(V), α2(V) и α3(V).
Фибриллярные коллагены также могут иметь в своём составе 2 и более
различных типов коллагенов. Так, в некоторых тканях присутствуют
гибридные молекулы, содержащие цепи коллагена V и XI типов.
Фибриллообразующие коллагены
Коллаген I типа [a1(I)]2 а2 содержит 33% глицина, 13% пролина, 1%
гидроксилизина и малое количество углеводов. Определяется в составе
костей, дентина, пульпы зуба, цемента, периодонтальных волокон. Этот тип
коллагеновых волокон участвует в процессах минерализации.
Коллаген II типа *α1(II)]3 присутствует в хрящах и образуется в нехрящевых
тканях на ранних стадиях развития. Данный тип коллагена содержит
небольшое количество 5 -гидроксилизина (менее 1%) и отличается высоким
содержанием углеводов (более 10%).
Коллаген III типа *α1(III)]3 присутствует в стенках кровеносных сосудов.
Отличительной особенностью этого коллагена является наличие большого
количества гидроксипролина. В составе α-цепей присутствует цистеин, а сама
молекула коллагена слабо гликозилирована.
Коллаген V типа [α(V)α2(V)α3(V)] представляет собой гибридную молекулу, состоящую из различных цепей, а именно: α1(V), α2(V) и α3(V).
Фибриллярные коллагены также могут иметь в своём составе 2 и более
различных типов коллагенов. Так, в некоторых тканях присутствуют
гибридные молекулы, содержащие цепи коллагена V и XI типов.
Наиболее распространенные типы коллагенов
Распределение в
тканях
Характерные особенности
I
Кожа, сухожилия, кости,
дентин
1%-гидроксипролина
33%-глицина
13%-пролина
Мало гликозилирован
II
Хрящи
>1% гидроксилизина Сильно
гликозилирован
III
Кожа, матка,
десна, кровен. сосуды
Много гидроксипролина, мало
гидроксилизина; мало
гликозилирован
IV
Базальные мембраны
Очень много гидроксилизина, мало
аланина и почти полностью
гликозилирован
Тип