|
Этапы синтеза и созревания коллагена
Кафедра биохимии
Утверждаю
Зав. каф. проф., д.м.н.
Мещанинов В.Н.
_____‘’_____________2006 г
ЛЕКЦИЯ № 29
Тема: Биохимия соединительной ткани
Факультеты: лечебно-профилактический, медико-профилактический, педиатрический.
2 курс.
По морфологическим и физиологическим признакам в организме человека выделяют четыре типа тканей: эпителиальную, соединительную, мышечную и нервную.
Как и любая ткань, соединительная ткань состоит из клеток и межклеточного матрикса. Однако в отличие от других тканей, соединительная ткань, как правило, содержит мало клеток, которые при этом отличаются большим разнообразием.
КЛЕТКИ СОЕДИНИТЕЛЬНОЙ ТКАНИ
Основные клетками соединительной тканиявляютсяфибробласты. Они бывают 5 видов: юные, зрелые, фиброциты, миофибробласты, фиброкласты. В разных видах соединительной ткани имеются разновидности фибробластов: хондробласты, хондроциты, остеобласты, остеоциты, остеокласты и т.д.
Фибробласты - отростчатые клетки с небольшим количеством цитоплазмы, образуются из малодифференцированных клеток мезенхимы. Фибробласты осуществляют обмен межклеточного матрикса, образование и разрушение аморфного вещества, коллагеновых и эластических волокон, синтез БАВ. Они способны к размножению митотическим путем. Утрачивая способность к делению и снижая синтетическую активность, фибробласты превращаются в фиброциты.
Фиброциты отличаются от фибробластов слабым развитием мембранных органелл и низким уровнем обменных процессов.
Хондробласты - менее дифференцированные клетки хрящевой ткани, образуются из недифференцированных клеток мезенхимы. Имеют уплощенную форму, в цитоплазме хорошо развит гранулярный эндоплазматический ретикулум; цитоплазма окрашивается базофильно. Функция - синтез межклеточного вещества хряща; при определенных обстоятельствах способны вырабатывать ферменты, разрушающие межклеточное вещество - коллагеназу, элластазу, гиалуронидазу располагаются во внутреннем слое надхрящницы и в толще межклеточного вещества в полостях - лакунах хондробласты превращаются в хондроциты.
Хондроциты - дифференцированные клетки хряща. Клетки округлых или угловатых форм, по мере старения в них уменьшается количество гранулярного эндоплазматического ретикулума. Функция - синтез межклеточного вещества хряща; при определенных обстоятельствах способны вырабатывать ферменты, разрушающие межклеточное вещество - коллагеназу, элластазу, гиалуронидазу располагаются в толще межклеточного вещества в специальных полостях – лакунах иногда в одной лакуне имеется несколько хрящевых клеток, которые образовались в результате деления одной клетки. Часто деление идет путем амитоза.
Остеобласты - образуются из малодифференцированных клеток мезенхимы, имеются во внутреннем слое надкостницы, во время образования кости находятся на ее поверхности и вокруг внутрикостных сосудов. Остеобласты - клетки кубические, пирамидальные, угловатых форм, с хорошо развитым гранулярным эндоплазматическим ретикулумом. Функция - образование межклеточного вещества кости.
Остеоциты - образуются из остеобластов, располагаются внутри кости в своеобразных костных лакунах, имеют отростчатую форму. Функция - слабая секреция межклеточного вещества кости.
Остеокласты - макрофаги костной ткани, образуются из моноцитов крови. Остеокласты имеют много ядер и большой объем цитоплазмы; зона цитоплазмы, прилегающая к костной поверхности называется гофрированной каемкой, здесь много цитоплазматических выростов и лизосом. Функции - разрушение волокон и аморфного вещества кости.
Адипоциты образуются из недифференцированных клеток мезенхимы. Белые адипоциты запасают ТГ, в их цитоплазме имеется одна большая капля жира, а ядро и органоиды оттеснены к периферии. Бурые адипоциты производят тепло, в их цитоплазме имеется много мелких капелек жира, ядро и органоиды расположены в центре клетки, имеется много митохондрий; бурый цвет клеток обусловлен наличием большого количества цитохромов. В митохондриях бурых адипоцитов окисляются жирные кислоты, глюкоза, образующаяся свободная энергия рассеивается в виде тепла.
Адвентициальные клетки образуются из мезенхимы, являются малодифференцированными клетками мезенхимы; имеют отростчатую форму.
Перициты образуются из малодифференцированных клеток мезенхимы; клетки базального слоя капилляров.
Эндотелиальные клетки образуются из малодифференцированных клеток мезенхимы, покрывают изнутри все кровеносные и лимфатические сосуды; вырабатывают много биологически-активных веществ.
Пигментные клетки образуются из нервного гребня, в цитоплазме имеется пигмент – меланин.
Макрофаги образуются из моноцитов крови, крупные клетки с округлым или бобовидным ядром и большим количеством цитоплазмы, много лизосом, фагосом, неровный контур цитомембраны. Функции: эндоцитоз, представление антигена, выработка большого количества биологически-активных веществ.
Тучные клетки (тканевые базофилы) образуются из базофилов крови; крупные клетки, цитоплазма заполнена базофильными гранулами; гранулы содержат гистамин, гепарин, серотонин, химазу, триптазу. Функции: секреция и поглощение гистамина, гепарина, серотонина, химазы, триптазы и ряда других БАВ.
Плазматические клетки образуются из В-лимфоцитов продуцируют антитела, в цитоплазме много гранулярного эндоплазматического ретикулума, хорошо развит комплекс Гольджи.
Лейкоциты лейкоциты, вышедшие из сосудов.
В отличие от других тканей, в соединительной ткани, как правило, преобладает межклеточный матрикс.
МЕЖКЛЕТОЧНЫЙ МАТРИКС
Межклеточный матрикс — это надмолекулярный комплекс, образованный сложной сетью связанных между собой макромолекул.
В организме межклеточный матрикс формирует такие высокоспециализированные структуры, как хрящ, сухожилия, базальные мембраны, а также (при вторичном отложении фосфата кальция) кости и зубы. Эти структуры различаются между собой как по молекулярному составу, так и по способам организации основных компонентов (белков и полисахаридов) в различных формах межклеточного матрикса.
Химический состав межклеточного матрикса
В состав межклеточного матрикса входят: 1). Коллагеновыеиэластиновые волокна. Они придают ткани механическую прочность, препятствуя ее растяжению; 2). аморфное вещество в виде ГАГ и протеогликанов. Оно удерживает воду и минеральные вещества, препятствует сдавливанию ткани; 3). неколлагеновые структурные белки - фибронектин, ламинин, тенасцин, остеонектин и др. Кроме того, в межклеточном матриксе может присутствовать минеральный компонент - в костях и зубах: гидроксиапатит, фосфаты кальция, магния и т.д. Он придает механическую прочность костям, зубам, создает запас в организме кальция, магния, натрия, фосфора.
Функция межклеточного матрикса
Межклеточный матрикс выполняет в организме разнообразные функции:
· образует каркас органов и тканей;
· является универсальным «биологическим» клеем;
· участвует в регуляции водно-солевого обмена;
· образует высокоспециализированные структуры (кости, зубы, хрящи, сухожилия, базальные мембраны).
· окружая клетки, влияет на их прикрепление, развитие, пролиферацию, организацию и метаболизм.
КОЛЛАГЕН
Коллаген — фибриллярный белок, основной структурный компонент межклеточного матрикса. Коллаген обладает огромной прочностью (Коллаген прочнее стальной проволоки того же сечения, он может выдерживать нагрузку в 10000 раз большую собственного веса) и практически не растяжим. Это самый распространенный белок организма, на него приходиться от 25 до 33% общего количества белка в организме, т.е. 6% массы тела. Около 50% всех коллагеновых белков содержится в тканях скелета, около 40% — в коже и 10% — в строме внутренних органов.
Строение коллагена
Под коллагеном понимают два вещества: тропоколлаген и проколлаген.
Молекула тропоколлагена состоит из 3 α-цепей. Известно около 30 видов α-цепей, отличающихся между собой аминокислотным составом. Большинство α-цепей содержит около 1000АК. В тропоколлагене содержится 33% глицина, 25% пролина и 4-оксипролина, 11% аланина, есть гидроксилизин, мало гистидина, метионина и тирозина, нет цистеина и триптофана.
· Первичная структура α-цепей состоит из повторяющейся аминокислотной последовательности: Глицин-X-Y. В X положении чаще всего находиться пролин, а в Y – 4-оксипролин или 5-оксилизин.
· Пространственная структура α-цепи представлена левозакрученной спиралью в витке которой находиться 3 АК.
· 3 α-цепи скручиваются друг с другом в правозакрученную суперспираль тропоколлагена. Она стабилизируется водородными связями, радикалы АК направлены наружу.
Молекула проколлагена устроена также как и тропоколлагена, но на ее концах находятся С- и N-пропептиды, образующие глобулы. N-концевой пропептид состоит из 100АК, С-концевой пропептид – из 250АК. С- и N-Протеопептиды содержат цистеин, который через дисульфидные мостики образует глобулярную структуру.
Виды коллагена
Коллаген — полиморфный белок, в настоящее время известно 19 типов коллагена, которые отличаются друг от друга по первичной структуре пептидных цепей, функциям и локализации в организме. 95% всего коллагена в организме человека составляют коллагены I, II и III типов.
Типы
| Гены
| Ткани и органы
| I
| COLIA1, COL1A2
| Кожа, сухожилия, кости, роговица, плацента, артерии, печень, дентин
| II
| COL2A1
| Хрящи, межпозвоночные диски, стекловидное тело, роговица
| III
| C0L3A1
| Артерии, матка, кожа плода, строма паренхиматозных органов
| IV
| COL4A1-COL4A6
| Базальные мембраны
| V
| COL5A1-COL5A3
| Минорный компонент тканей, содержащих коллаген I и II типов (кожа, роговица, кости, хрящи, межпозвоночные диски, плацента)
| VI
| COL6A1-COL6A3
| Хрящи, кровеносные сосуды, связки, кожа, матка, лёгкие, почки
| VII
| COL7A1
| Амнион, кожа, пищевод, роговица, хорион
| VIII
| COL8A1-COL8A2
| Роговица, кровеносные сосуды, культуральная среда эндотелия
| IX
| COL9A1-COL9A3
| Ткани, содержащие коллаген II типа (хрящи, межпозвоночные диски, стекловидное тело)
| X
| COL10A1
| Хрящи (гипертрофированные)
| XI
| COLUA1-COL11A2
| Ткани, содержащие коллаген II типа (хрящи, межпозвоночные диски, стекловидное тело)
| XII
| COL12A1
| Ткани, содержащие коллаген I типа (кожа, кости, сухожилия и др.)
| XIII
| C0L13A1
| Многие ткани
| XIV
| COL14A1
| Ткани, содержащие коллаген I типа (кожа, кости, сухожилия и др.)
| XV
| C0L15A1
| Многие ткани
| XVI
| COL16A1
| Многие ткани
| XVII
| COL17A1
| Гемидесмосомы кожи
| XVIII
| COL18A1
| Многие ткани, например печень, почки
| XIX
| COL19A1
| Клетки рабдомиосаркомы
| Гены коллагена называются по типам коллагена и записываются арабскими цифрами, например СОL1 — ген коллагена 1 типа, COL2 — ген коллагена II типа и т.д. К этому символу приписываются буква А (обозначает α-цепь) и арабская цифра (обозначает вид α-цепи). Например, COL1A1 и COL1A2 кодируют, соответственно, α1, и α2-цепи коллагена I типа.
Этапы синтеза и созревания коллагена
Синтез и созревание коллагена — сложный многоэтапный процесс, начинающийся в клетке, а завершающийся в межклеточном матриксе:
1. На полисомах ЭПР синтезируются полипептидные препро-α-цепи коллагена. Они содержит начиная с N-конца: 1). гидрофобный «сигнальный» пептид, содержащий около 100 АК; 2). N-концевой пропептид, содержащий около 100 АК, в том числе цистеин; 3). α-цепь коллагена 4). С-концевой пропептид, содержащий около 250 АК, в том числе цистеин. Концевые С- и N-пропептиды формируют глобулярные домены и необходимы для правильного формирования тройной спирали. «Сигнальный» пептид, обеспечивает поступление синтезируемой на рибосоме препро-α-цепи в полость ЭПР.
2. В полости ЭПР при отщеплении сигнального пептида препро-α-цепи коллагена превращаются в про-α-цепи.
3. Поступающие в полости ЭПР про-α-цепи коллагена подвергаются модификации.
а). Цистеины N-пропептидов образуют внутрицепочечные дисульфидные мостики, формируя на N-конце глобулярную структуру;
б). Пролины и лизины в Y-положении (гли-х-у) про-α-цепей гидроксилируются пролил-4-гидроксилазой и лизил-5-гидроксилазой в 4-гидроксипролины (Hyp) и 5-гидроксилизины (Hyl). Некоторые пролины в Х-положениях гидроксилируются в 3-гидроксипролины пролил-3-гидроксилазой. Оксигеназы (гидроксилазы), содержат Fe2+, находятся на мембране ЭПР. Для реакции необходимы а-КГ, О2 и витамин С:
Гидроксилирование пролина необходимо для стабилизации тройной спирали коллагена, ОН-группы гидроксипролина участвуют в образовании водородных связей.
Гидроксилирование лизина необходимо для последующего образования ковалентных связей между молекулами коллагена при сборке коллагеновых фибрилл.
в). Гидроксилизин про-α-цепей при участии гликозилтрансфераз гликозилируется галактозой или галактозилглюкозой. В молекуле коллагена сухожилий (тип I) количество углеводов равно 6, а в моллекуле коллагена капсулы хрусталика (тип TV) — 110. Роль этих углеводных групп неясна.
4). В просвете ЭПР после отделения от рибосом про-α-цепей, 3 из них с помощью С-концевых пропептидов соединяются между собой дисульфидными мостиками (цистеины С-пропептидов образуют внутри- и межцепочечные дисульфидные мостики) и скручиваются с образованием тройной спирали проколлагена. Тройная спираль проколлагена стабилизируется водородными связями. После этого гидроксилирование и гликозилирование про-α-цепей прекращается.
5). Из ЭПР молекулы проколлагена перемещаются в аппарат Гольджи, включаются в секреторные пузырьки и секретируются в межклеточное пространство.
6). В межклеточном матриксе от некоторых проколлагенов (I, II, III, V, XI типов) проколлагенпептидазы отщепляют концевые С- и N-пропептиды, в результате чего образуется тропоколлагены. У проколлагенов IV, VIII, X типов концевые пропептиды не отщепляются.
Синтезированные молекулы проколлагенов и тропоколлагенов способны образовывать различные структуры. Например, тропоколлагены образуют фибриллы, а проколлагены образуют сети.
Структура
| Тип коллагена
| Фибриллы
| I, II, III – основные. V, XI - минорные
| Ассоциированные с фибриллами
| IX, XII, XIV, XVI, XIX
| Сети
| IV, VIII, X
| Микрофибриллы
| VI
| «Заякоренные» фибриллы
| VII
| Трансмембранные домены
| XIII, XVII
| Другие
| XV, XVIII
|
Коллагеновые волокна.
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:
©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|