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.

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.

Коллагеновые волокна.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: