Лукашева_Е.В._Материалы_к_лекциям_по_биохимии_соединительной_ткани (2)
.pdfЕ.В. Лукашева
Материалы к лекциям по биохимии соединительной ткани
Учебно-методическое пособие
Москва Российский университет дружбы народов
2009
ББК 28 |
У т в е р ж д е н о |
Л 84 |
РИС Ученого совета |
|
Российского университета |
|
дружбы народов |
Л 84 Лукашева Е.В.
Материалы к лекциям по биохимии соединительной ткан: Учебно-методическое пособие. – М.: РУДН, 2009. – 40 с.
ISBN 978-5-209-03335-6
Задача пособия помочь студентам овладеть весьма сложным материалом курса «Биохимия полости рта». Большое внимание в учебнометодическом пособии уделено химическому составу веществ, формирующих межклеточный матрикс, а также протекающим в соединительной ткани биохимическим процессам, в частности процессам синтеза белков и их постсинтетической модификации. Освоение материала пособия целесообразно после изучения студентами основ биохимии.
Пособие включает краткий теоретический курс, а также вопросы для текущего контроля усвоенных знаний, которые помогут оттенить наиболее важные моменты изучаемой темы. В конце пособия приводится список дополнительной литературы, которая необходима для более глубокого изучения заинтересовавших читателей вопросов.
При подготовке пособия в основу положена глава из учебника: Березов Т.Т., Коровкин Б.Н. Биологическая химия. – М: Медицина, 2007. Автор выражает благодарность академику РАМН Т.Т. Березову и профессору Н.Н. Чернову за ценные замечания.
Для студентов, клинических ординаторов, интернов и аспирантов медицинского факультета, обучающихся по специальности «Стоматология».
©Лукашева Е.В., 2009
©Российский университет дружбы народов, Издательство, 2009
|
Содержание |
|
|
Введение |
|
1. |
Коллагены |
4 |
|
1.1. Синтез и созревание (процессинг) коллагена |
6 |
|
1.2. Уровни структурной организации коллагена |
17 |
|
1.3. Регуляция метаболизма коллагена и ее |
18 |
|
нарушения |
|
2. |
Неколлагеновые белки |
21 |
|
2.1. Эластин |
21 |
|
2.2. Фибронектин |
22 |
|
2.3. Интегрины |
23 |
|
2.4. Ламинины |
23 |
|
2.5. Нидоген |
24 |
3. |
Протеогликаны |
24 |
|
3.1. Строение протеогликанов |
24 |
|
3.2. Синтез и распад протеогликанов и их регуляция |
29 |
4. Органический матрикс минерализованных тканей |
31 |
|
|
4.1. Коллаген I типа |
33 |
|
4.2. Протеогликаны |
33 |
|
4.3. Остеонектин |
33 |
|
4.4. gla-Белки |
34 |
|
4.5. Остеопонтин |
35 |
|
4.6. Костный сиалопротеин |
35 |
|
4.7. Фосфофорин |
36 |
|
4.8. Белки эмали |
36 |
5. |
Вопросы, требующие однозначного ответа |
37 |
3
Введение
Соединительная ткань широко распространена в организме человека. К соединительной ткани относят, в основном, ткани костей, зубов (дентин, цемент), сухожилий, рыхлую соединительную ткань, подкожную клетчатку. Соединительная ткань является основной в челюстно-лицевой области. Несмотря на существенные морфологические различия, все виды соединительной ткани имеют общие, характерные для них особенности.
1.В соединительной ткани межклеточное вещество (межклеточный матрикс) занимает больше места, чем сами клетки.
2.Межклеточное вещество соединительной ткани имеет сложный химический состав и содержит большое количество белков и протеогликанов, в образовании которых участвуют клетки соединительной ткани.
3.Для межклеточного матрикса соединительной ткани характерна высокая степень структурной организации полимерных молекул, которая приводит к образованию межклеточного матрикса, включающего волокнистые (фибриллярные) коллагеновые и эластиновые структуры.
1. Коллагены
Наиболее широко в соединительной ткани представлены белки, относящиеся к семейству коллагенов. Коллагены составляют 25-33% от общего количества белков организма взрослого человека, или 6% от общей массы тела. Они обеспечивают внеклеточный каркас у всех многоклеточных организмов и присутствуют практически в любой ткани животного происхождения. В настоящее время известны около 20 типов коллагена, различающихся как по первичной структуре и пространственной организации, так и по биологической роли.
Уникальные свойства коллагенов обусловлены особенностями их молекулярного строения, а также способностью их участия в формировании сложных надмолекулярных пространственных структур.
4
Различают два основных типа цепей коллагена: α1 и α2, а также четыре разновидности цепи α1: α1 (I), α1 (II), α1 (III), α1 (IV). Молекулы большинства типов коллагенов представляют три полипептидные цепи, закрученные в тройную спираль. В табл. 1 представлены данные о составе коллагенов различных тканей.
Табл. 1. Наиболее распространенные типы коллагенов
Тип |
Формула |
Распределение |
Характерные особенности |
|
|
|
в тканях |
|
|
|
|
|
|
|
I |
[α1 (I)]2 α2 |
Кожа, |
|
1% - гидроксилизина |
|
|
сухожилия, |
33% - глицина |
|
|
|
кости, |
дентин, |
13% - пролина |
|
|
фасции |
|
мало гликозилирован |
|
|
|
|
широкие фибриллы |
|
|
|
|
|
II |
[α1 (II)]3 |
Хрящи |
|
1% гидроксилизина |
|
|
|
|
сильно гликозилирован |
|
|
|
|
фибриллы тоньше, |
|
|
|
|
чем у коллагена I типа |
|
|
|
|
|
III |
[α1 (III)]3 |
Кожа, |
матка, |
много гидроксипролина |
|
|
кровеносные |
мало гидрокси-лизина |
|
|
|
сосуды, десна |
мало гликозилирован |
|
|
|
|
|
содержит S-S-связи на С- |
|
|
|
|
конце |
|
|
|
|
|
IV |
[α1 (IV)]2α2(IV) |
Базальные |
очень много гидроксилизина, |
|
|
|
мембраны |
много гидроксипролина |
|
|
|
|
|
мало аланина |
|
|
|
|
почти полностью |
|
|
|
|
гликозилирован |
|
|
|
|
|
Наиболее распространенный коллаген первого типа состоит их двух цепей типа α1 (I) и одной α2 цепи.
5
1.1. Синтез и созревание (процессинг) коллагена
Коллаген синтезируется внутри различных клеток соединительной ткани (фибробластов, хондробластов, остеобластов, одонтобластов и др.) на прикрепленных к мембранам эндоплазматического ретикулума (ЭПР) рибосомах в виде препроколлагена, содержащего на N-конце сигнальную последовательность, состоящую приблизительно из 100 аминокислотных остатков.
|
Синтезируемый |
N-концевая сигнальная |
Рибосома |
белок |
|
|
|
последовательность |
Мембрана ЭПР
Везикулярное пространство ЭПР
После синтеза полипептидной цепи следует многоэтапный процесс созревания коллагена, так называемый процессинг, происходящий как внутри, так и вне клеток.
Внутриклеточные этапы созревания коллагена
А. Проникновение в эндоплазматический ретикулум сигнальной последовательности и ее отщепление
После проникновения сигнальной последовательности аминокислот в везикулярное пространство эндоплазматического ретикулума, происходит ее отщепление под действием специфической протеиназы, а укороченная молекула синтезируемого белка, которая получает название проколлагена,
6
продолжает продвижение в везикулярное пространство эндоплазматического ретикулума.
Рибосома |
Синтезируемый |
|
белок |
Мембрана ЭПР |
N-концевая сигнальная |
|
последовательность |
Везикулярное пространство ЭПР |
|
Б. Гидроксилирование аминокислотных остатков лизина и пролина начинается уже в период синтеза белковой молекулы на рибосоме и катализируется монооксигеназами (гидроксилазами), связанными с мембранами эндоплазматической сети.
Рибосома |
Синтезируемый |
белок |
Мембрана ЭПР 
ОН ОН ОН
Везикулярное пространство ЭПР
7
Аминокислотные остатки пролина подвергаются действию пролил-3-гидроксилазы и пролил-4-гидроксилазы, которые гидроксилируют метиленовые группы, соответственно, в третьем и четвертом положении в кольце. В аминокислотные остатки лизина гидрокси-группа вводится в пятое положение в результате действия лизил-5-гидроксилазы.
Источником атома кислорода в реакции гидроксилирования является молекула кислорода, причем один атом кислорода включается в состав гидрокси-группы аминокислотного остатка, а второй атом - в сукцинат, образующийся при окислительном декарбоксилировании α- кетоглутарата. Гидроксилазы содержат в активном центре атом железа в степени окисления +2. Чтобы избежать окисления железа необходимо наличие восстановителя, в роли которого выступает аскорбиновая кислота. Окисляясь, она трансформируется в дегидроаскорбиновую кислоту. Для регенерации аскорбиновой кислоты в исходное состояние в тканях организма имеется специфическая ферментативная реакция, в которой участвует восстановленный глутатион (на схеме не показан):
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Пролилгидроксилаза |
|
|
|
|
|
|
Остаток |
|||||||||
Остатокпро |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Fe , аскорбат |
|
|
|
|
|
|
гидрокси-про |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
2 |
|
|
1 |
2+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
1 |
|
||
|
|
|
N |
CH |
|
|
CO |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N |
CH |
|
CO |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
H |
C5 |
CH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
|
5 |
CH |
|
|
||||||||||
2 |
|
3 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H2C |
3 2 |
|
|
|||||||
|
|
|
|
H C 4 |
|
|
|
|
2 |
CO2 |
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H |
OH |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(CH2)2 |
COOH |
(CH2)2 |
COOH |
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
COOH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C |
|
|
|
|
COOH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
α-кетоглутарат сукцинат
Гидроксилирование пролина имеет важное значение для поддержания структуры тройной спирали коллагена, поскольку гидрокси-группы участвуют в образовании водородных связей. В свою очередь, гидроксилирование лизина также играет
8
существенную биологическую роль, поскольку синтезированный гидроксилизин является участником последующего гликозилирования проколлагена. Кроме того, аминокислотные остатки гидроксилизина, как и аминокислотные остатки лизина, участвуют в реакции окислительного дезаминирования по ε- аминогруппам и превращаются в гидроксиаллизин (см. ниже), который непосредственно участвует в образовании ковалентных связей между молекулами белка после сборки волокон незрелого коллагена.
Недостаток витамина С приводит к нарушению гидроксилирования остатков пролина и лизина. Поскольку, как и все другие белки организма, коллаген постоянно обновляется, следствием недостатка витамина С является дефектный процессинг коллагена, приводящий к синтезу менее прочных и менее стабильных коллагеновых волокон. Так как коллаген играет важную роль в формировании всех типов соединительной ткани, при С-авитаминозе в организме проявляются различные морфологические и структурные нарушения: хрупкость и ломкость кровеносных сосудов, нарушения белкового состава межклеточного матрикса минерализованных тканей, непрочность тканей пародонта. Клинической картиной сильно развитого гиповитаминоза С является цинга, которая сопровождается множественными точечными кровоизлияниями под кожу и слизистые оболочки, кровоточивостью десен и стенок кишечника, множественным кариесом, выпадением зубов, анемией. У детей с недостатком витамина С связано замедление роста костной ткани, а также зубов.
В. Ферментативное гликозилирование аминокислотных остатков гидроксилизина протекает под действием гликозилтрансфераз вплоть до формирования тройной спирали из трех цепей проколлагена. Углеводные остатки связываются с 5- ОН-группами гидроксилизина О-гликозидными связями. Чаще всего углеводными компонентами являются глюкоза или дисахарид галактозилглюкоза. Число связанных с молекулами коллагена углеводных звеньев зависит от вида ткани и может колебаться в широких пределах от нескольких остатков до 110 в коллагене IV типа капсулы хрусталика глаза.
9
Г. Формирование тройной спирали проколлагена включает одновременное протекание нескольких процессов:
а) Каждая пептидная цепь проколлагена соединяется водородными связями с двумя другими цепями проколлагена.
б) Образуются внутрицепочечные дисульфидные связи между аминокислотными остатками цистеина на С- и N-концах молекул проколлагена.
в) Между С-концевыми последовательностями полипептидных цепей формируются межцепочечные дисульфидные связи.
После окончательной сборки тройной спирали дальнейшее гидроксилирование пролина и лизина, а также гликозилирование молекулы становятся невозможными.
На рисунке аминокислотные остатки глицина окрашены в черный цвет, а других аминокислот – в белый:
Д. Транспорт во внеклеточное пространство
После завершения внутриклеточного процессинга молекулы гликозилированного проколлагена перемещаются к наружной поверхности клетки через комплекс Гольджи, включаются в секреторные пузырьки и секретируются в межклеточное пространство экзоцитозом.
10