2. Коллаген. Особенности аминокислотного состава, структуры.

Коллаген – фибриллярный белок, гликопротеин, имеющий четвертичную структуру, его молекулярная масса 300 кДа. Нерастворим в воде, солевых астворах, слабых растворах кислот и щелочей. Он составляет 30% общего количества белка в организме. В межклеточном матриксе молекулы коллагена образуют полимеры, называемые фибриллами коллагена. По прочности их можно сравнить со стальной проволокой того же сечения.

Эти свойства коллагена связаны с их первичной и пространственной структурой. Молекулы коллагена состоят из трех полипептидных цепей, называемых α-цепями.

Первичная структура α-цепей коллагена необычна. 70% аминокислот являются гидрофобными. Каждая третья аминокислота в первичной структуре коллагена – глицин (27,2%), 20% - пролин, 4 – гидроксипролин, 11% - аланин. В составе первичной структуры α-цепи коллагена содержится необычная аминокислота гидроксилизин. Отсутствуют цистеин, триптофан. В очень небольшом количестве находят метионин, тирозин, гистидин.

Всего в α-цепи коллагена 1000 аминокислотных остатков в виде триад, которые многократно повторяются.

Глицин – Х – Y

гидроксипролин

пролин гидроксилизин

Необычна и вторичная структура коллагена. Пролин благодаря своей структуре вызывает изгибы в полипептидной цепи, стабилизируя левозакрученную спираль. На один виток спирали приходится 3 аминокислотных остатка, а не 3,6 как это характерно для глобулярных белков. Спираль пептидной цепи коллагена стабилизирована не за счет водородных связей, а силами стерического отталкивания пирролидиновых колец в остатках пролина. И α-спираль оказывается более развернутой по сравнению с туго закрученной α-спиралью глобулярных белков.

Три левозакрученные α-спирали образуют далее правозакрученную суперспиральную молекулу (тропоколлаген).

''Жесткие'' аминокислоты – пролин и гидроксипролин – ограничивают вращение полипептидного стержня и увеличивают тем самым стабильность тройной спирали. В результате формируется жесткая палочковидная молекула. Затем эти молекулы коллагена ассоциируются в фибриллы.

Известны 19 типов коллагена, которые отличаются по первичной структуре полипептидных цепей, функциями и локализацией в организме.

Тип коллагена записывается римской цифрой в скобках, а для обозначения α-цепей используют арабские цифры. Например, коллагены II и III типа образованы идентичными α-цепями, их формулы соответственно (α₁(II))₃ и (α₁(III))₃ или (α₁(I))₂α₂(I) или (α₁(IV))₂α₂(IV).

Основные типы коллагенов.

I тип наиболее распространенный – кости, дентин, сухожилия, роговица.

II тип – хрящи, межпозвоночные диски, стекловидное тело.

III тип – сосуды, печень, почки, лимфоузлы.

IV тип – структурный компонент базальных мембран. Его секретируют различные типы клеток: эпителиальные, мышечные, нервные, жировые.

3. Этапы биосинтеза коллагена. Распад коллагена

Синтез и созревание коллагена – сложный процесс, включающий 8 этапов: 5 внутриклеточных и 3 внеклеточных.

1-Й ЭТАП. Протекает на полирибосомах гранулярной ЭР в виде препроколлагена (препро α-цепей). У этих предшественников есть «сигнальный» пептид на N-конце, содержащий 100 аминокислот. Функции сигнального пептида это ориентация синтеза пептидных цепей в полость ЭР.

2-Й ЭТАП. Состоит в отщеплении «сигнального» пептида и образовании проколлагена. Синтезированная молекула проколлагена содержит дополнительные N и C концевые пропептиды, имеющие 100 и 250 аминокислот. Концевые пропептиды не образуют тройную спираль, а формируют глобулярные домены.

3-Й ЭТАП. Гидроксилирование пролина и лизина. Продолжается на растущей полипептидной цепи вплоть до ее отделения от рибосом. После образования тройной спирали дальнейшие гидроксилирование пролина, лизина прекращается.

Реакция гидроксилирования проходит при участии ферментов пролил-4- гидроксилазы, лизил-5-гидроксилазы. В активном центре этих ферментов есть атом железа.

В реакции необходимы еще α-кетоглютарат, кислород и вит. С.

гидроксилаза

ПРОЛИН ОКСИПРОЛИН

О = О

α-КЕТОГЛУТАРАТ СУКЦИНАТ + СО2

Гидроксилирование пролина необходимо для стабилизации тройной спирали коллагена. ОН-группы гидроксипролина участвуют в образовании водородных связей. А гидроксилирование лизина необходимо для образования ковалентных связей между молекулами тропоколлагена при сборке коллагеновых фибрилл.

При недостатке вит.С наблюдается цинга – заболевание, вызванное синтезом дефектного коллагена с пониженной механической прочностью, что вызывает, в частности, разрыхление сосудистой стенки, расшатывание и выпадение зубов и другие неблагоприятные явления.

4-Й ЭТАП. Посттрансляционная модификация – гликозилирование проколлагена под действием фермента гликозилтрансферазы.

5-Й ЭТАП. Заключительный внутриклеточный этап – формирование тройной спирали – тропоколлагена (растворимый коллаген). Каждая про-цепь соединяется водородными связями с двумя другими про- цепями, образуя тройную спираль тропоколлагена в просвете ЭР. Начинается после образования дисульфидных мостиков в области С-концевых пропептидов. Из ЭР молекулы проколлагена перемещаются в аппарат Гольджи, включаются в секреторные пузырьки и секретируются в межклеточное пространство.

6-Й ЭТАП. В межклеточном матриксе кольцевые пептиды коллагенов I, II, III типов отщепляются специфическими пептидазами, в результате чего образуются молекулы тропоколлагена, которые являются структурной единицей коллагеновых фибрилл.

7-Й ЭТАП. Ковалентное «сшивание» молекулы тропоколлагена с образованием нерастворимого коллагена. 95 % всего коллагена в организме составляют коллагены I, II, III типов, которые образуют очень прочные фибриллы.

Коллагеновые фибриллы – это ступенчато расположенные параллельные ряды молекул тропоколлагена, которые сдвинуты на ¼ относительно друг друга. Молекулы коллагена в ряду связаны между собой ''конец в конец'', но между ними имеется промежуток в 35-40 нм. В костной ткани эти промежутки выполняют роль центров минерализации, где откладываются кристаллы фосфата кальция. Фибриллы образуются спонтанно, путем самосборки и укрепляются внутри и межцепочечными ковалентными «сшивками» с участием фермента лизилоксидазы (флавометаллопротеин, содержит ФАД и Сu²⁺). При этом нужны витамин РР, В₆. Происходит окисление и дезаминирование радикала лизина с образованием альдегидной группы. Затем между двумя радикалами лизина возникает альдегидная связь. Только после многократного сшивания фибрилл коллаген приобретает свою уникальную прочность, становятся нерастяжимыми волокнами.

При снижении активности лизилоксидазы, при недостатке меди, витаминов РР, В₆ в организме происходит уменьшение прочности соединительной ткани из-за значительного повышения количества растворимого коллагена (тропоколлагена).

Количество поперечных связей в фибриллах зависит от функций и возраста тканей. ''Сшивок'' много между коллагенами ахиллова сухожилия, где важна прочность. С возрастом количеств «сшивок» увеличивается.

8-Й ЭТАП. Ассоциация молекул нерастворимого коллагена по принципу «бок-в-бок». Ассоциация фибрилл происходит таким образом, что каждая последующая цепоча сдвинута на ¼ своей длины относительно предыдущей цепи.

РАСПАД КОЛЛАГЕНА

Коллаген – это медленно обновляющийся белок. Разрушение коллагеновых волокон осуществляется активными формами кислорода или ферментативно с помощью коллагеназ. Известны два типа коллагеназ.

Тканевая коллагеназа присутствует у человека в различных органах и тканях. В активном центре этого фермента содержится цинк. Тканевая коллагеназа перерезает тройную спираль в одном месте на 2 фрагмента, примерно на ¼ расстояния от С-конца, между остатками глицина и лейцина (или изолейцина). Эти фрагменты деспирализуются, образуя 3 отдельные полипептидные цепи, и подвергаются действию неспецифических экзо- и эндопротеаз.

Нарушение распада коллагена ведет к фиброзу органов и тканей (печени, легких). А усиленный распад коллагена происходит при аутоиммунных заболеваниях (ревматоидном артрите и красной волчанки) в результате избыточного синтеза при иммунном ответе.

Бактериальная коллагеназа синтезируется некоторыми микроорганизмами. Например, возбудитель газовой гангрены выделяет коллагеназу, расщепляющую пептидную цепь более чем 200 местах. Таким образом, разрушаются соединительнотканные барьеры в организме человека, микроорганизмы проникают вглубь – развивается газовая гангрена.

Коллагеназа используется в медицинской практике для лечения ожоговой болезни в хирургии, для лечения гнойных заболеваний глаз в офтальмологии.

В результате распада коллагена в крови и моче появляется свободный гидроксипролин. У молодых людей обмен коллагена протекает интенсивно. Поэтому в возрасте 10-20 лет содержание гидроксипролина в моче может достигать 200мг в сутки. С возрастом выделение гидроксипролина снижается до 15-20 мг/сутки. При некоторых заболеваниях выделение гидроксипролина увеличивается.

Регуляция обмена коллагена

Синтез коллагена регулируется разными способами.

1. Сам коллаген после отщепления тормозит трансляцию коллагена по принципу отрицательной обратной связи.

2. Глюкокортикоиды тормозят синтез.

3. Аскорбиновая кислота стимулирует синтез коллагена и протеогликанов.

4. Половые гормоны активируют синтез коллагена кожи и других тканей. У женщин в менопаузе снижается содержание коллагена в дерме и это видно по дряблой коже.