Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия

Подождите немного. Документ загружается.

Глава 21

СОЕДИНИТЕЛЬНАЯ ТКАНЬ

Соединительная ткань составляет примерно 50% от массы тела. Рыхлая

соединительная ткань подкожной клетчатки, компактная кость и зубы,

сухожилия и межмышечные фасциальные прослойки, кожа и внутриорган-

ная строма паренхиматозных органов, нейроглия и брюшина – все это

соединительная ткань.

Рис. 21.1. Строение соединительной ткани (схема по А.И. Слуцкому).

I - тучная клетка; II - ретикулиновые волокна; III - эластическое волокно; IV - коллагеновые

волокна; V - фибробласт.

Все разновидности соединительной ткани, несмотря на их морфоло-

гические различия, построены по общим, единым принципам, которые

в основном заключаются в следующем (рис. 21.1):

а) соединительная ткань, как всякая другая, содержит клетки, одна-

ко межклеточное вещество занимает больше места, чем клеточные эле-

менты;

б) для соединительной ткани характерно наличие своеобразных во-

локнистых (фибриллярных) структур: коллагеновых, эластических и ре-

тикулиновых волокон, расположенных в окружении межклеточной субстан-

ции;

в) межклеточное вещество соединительной ткани имеет очень сложный

химический состав.

661

Рис. 21.2. Различные уровни структурной организации коллагена (по Кону).

1 - третичная структура; 2 - молекула тропоколлагена; 3 - коллагеновое волокно.

МЕЖКЛЕТОЧНЫЙ ОРГАНИЧЕСКИЙ МАТРИКС

СОЕДИНИТЕЛЬНОЙ ТКАНИ

Коллаген

Характерным компонентом структуры соединительной ткани являются

коллагеновые волокна. Они построены в основном из своеобразного

белкаи – коллагена. Коллаген составляет 25–33% от общего количества

белка организма взрослого человека, или 6% от массы тела.

Видимые в оптическом микроскопе коллагеновые волокна состоят из

различимых в электронном микроскопе фибрилл – вытянутых в длину

белковых молекул, названных тропоколлагеном. Тропоколлаген – ос-

новная структурная единица коллагена (рис. 21.2). Необходимо четко

разграничивать понятия «коллагеновые волокна» и «коллаген». Первое

понятие по существу является морфологическим и не может быть сведено

к биохимическим представлениям о коллагене как о белке. Коллагеновое

волокно представляет собой гетерогенное образование и содержит, кроме

белка коллагена, другие химические компоненты. Молекула тропоколла-

гена – это белок коллаген. Одной из отличительных черт данного белка

является то, что

всех его аминокислотных остатков составляет глицин,

– пролин и 4-гидроксипролин, около 1% – гидроксилизин; некоторые

молекулярные формы коллагена содержат также 3-гидроксипролин, хотя

и в весьма ограниченном количестве:

662

4-Гидроксипролин

3-Гидроксипролин

5-Гидроксилизин

14 нм

290 нм

280 нм-

70 нм

Молекулярная масса тропоколлагена около 285000. Тропоколлаген

состоит из трех полипептидных цепей одинакового размера, которые

сливаются в спиралевидный триплет. Тройная спираль стабилизируется

многочисленными межцепочечными поперечными сшивками между лизи-

новыми и гидроксилизиновыми остатками. Каждая полипептидная цепь

тропоколлагена содержит около 1000 аминокислотных остатков. Таким

образом, основная структурная единица коллагена имеет очень большие

размеры, например в 10 раз больше, чем химотрипсин.

Изучение аминокислотного состава и последовательности чередования

аминокислот в полипептидных цепях тропоколлагена показало, что су-

ществует два типа цепей – цепи α1 и α2, а также четыре разновидности цепи

α1: α1 (I), α1 (II), α1 (III) и α1 (IV). В табл. 21.1 представлены данные

о структуре коллагенов различных тканей.

Таблица 21.1. Типы коллагенов и некоторые их структурные свойства (по Уайту

др., 1981)

Тип

III

Ткань

Кожа, кости, сухожилия,

роговица глаза

Хрящ, стекловидное тело

Кровеносные сосуды,

кожа плода

Базальная мембрана

Полипептидные

цепи

[α1

(I)]

α2

[α1

(II)]

[α1

(III)]

[α1 (IV)]

Дополнительная

характеристика

< 10 остатков оксилизина

в цепи

> 10 остатков оксилизина

в цепи

Слишком высокое содержа-

ние оксипролина и глицина

Высокое содержание 3-ок-

сипролина; > 20 остатков

оксилизина в цепи; низкое

содержание аланина

Как и все белки, коллаген синтезируется клетками из свободных ами-

нокислотных остатков. Аминокислотные остатки, специфичные для моле-

кулы коллагена, гидроксипролин и гидроксилизин не образуются из соот-

ветствующих свободных аминокислот. Эти аминокислотные остатки появ-

ляются после включения пролина и лизина в полипептидную цепь с учас-

тием ферментов пролилгидроксилазы или лизилгидроксилазы и кофакто-

ра – аскорбиновой кислоты.

Учитывая наличие разных молекулярных форм в пределах одного типа

(например, коллаген типа 1 имеет состав [α1 (I)]

α2 либо [α1 (I)]

, есть

основание считать, что существует по крайней мере не менее 10 моле-

кулярных форм коллагена (Е.С. Северин).

Напомним, что коллаген – внеклеточный белок, но он синтезируется

в виде внутриклеточной молекулы-предшественника, которая перед обра-

зованием фибрилл зрелого коллагена подвергается посттрансляционной

модификации. Предшественник коллагена (сначала препроколлаген, а затем

проколлаген) претерпевает процессинг в ходе прохождения через эндо-

плазматический ретикулум и комплекс Гольджи до появления во внекле-

точном пространстве. Внеклеточные амино- и карбоксипротеаза проколла-

663

гена удаляют соответственно аминоконцевой и карбоксиконцевой про-

пептиды. Вновь образованные молекулы коллагена спонтанно собираются

в коллагеновые фибриллы. В результате перекрестного связывания цепей

и спиральных молекул фибрилл через основания Шиффа и альдольную

конденсацию (т.е. перекрестное связывание их рядом ковалентных связей)

образовавшиеся фибриллы приобретают силу напряжения зрелых колла-

геновых фибрилл.

Эластин

Эластин – основной белковый компонент, из которого состоят эластические

волокна. Он отличается от коллагена по химическому составу и мо-

лекулярной структуре.

Общими для эластина и коллагена являются большое содержание

глицина и пролина, наличие оксипролина, хотя последнего в эластине

примерно в 10 раз меньше, чем в коллагене. Как и в коллагене, в эластине

мало метионина и отсутствуют триптофан и цистеин.

В отличие от коллагена в эластине значительно больше валина и ала-

нина и меньше глутаминовой кислоты и аргинина. В целом характерной

особенностью первичной структуры эластина является слишком малое

содержание полярных аминокислотных остатков. При ферментативном

гидролизе эластина в гидролизате обнаруживаются десмозин и изодесмо-

зин. Эти соединения содержатся только в эластине. Структура их довольно

необычна: 4 остатка лизина, соединяясь своими радикалами, образуют

замещенное пиридиновое кольцо. Считают, что при образовании десмозина

сначала 3 остатка лизина окисляются до соответствующих ε-альдегидов,

а затем происходит их соединение с четвертым остатком лизина:

Очевидно, именно благодаря своей структуре десмозин и изодесмозин

могут одновременно входить в состав четырех пептидных цепей. По-ви-

димому, этим можно объяснить, что эластин в отличие от других фибрил-

лярных белков способен растягиваться в двух направлениях.

В гидролизатах эластина найдена еще одна необычная «аминокислота»,

пик которой на хроматограммах располагается между орнитином и ли-

зином. Оказалось, что это лизиннорлейцин, который обеспечивает наряду

с десмозином и изодесмозином поперечные связи в молекуле эластина:

664

Десмозин

Эластин вместе с коллагеном, протеогликанами и рядом глико- и муко-

протеинов является продуктом биосинтетической деятельности фиброблас-

тов. Непосредственным продуктом клеточного биосинтеза считается не

эластин, а его предшественник – тропоэластин (в коллагене – проколлаген).

Тропоэластин не содержит поперечных связей, обладает растворимостью.

В последующем тропоэластин превращается в зрелый эластин, нераство-

римый, содержащий большое количество поперечных связей *.

Протеогликаны

Протеогликаны – высокомолекулярные углеводно-белковые соединения.

Они образуют основную субстанцию межклеточного матрикса соедини-

тельной ткани. На долю протеогликанов приходится до 30% от сухой

массы соединительной ткани.

Полисахаридная группа протеогликанов сначала получила название

мукополисахаридов. Эти вещества обнаруживали преимущественно в сли-

зистых субстратах, поэтому к названию «полисахариды» был добавлен

префикс «муко». В дальнейшем эти соединения стали называть гликоз-

аминогликанами. Это название и принято в настоящее время.

Гликозаминогликаны (мукополисахариды)

Гликозаминогликаны соединительной ткани – это линейные неразветвлен-

ные полимеры, построенные из повторяющихся дисахаридных единиц.

В организме гликозаминогликаны не встречаются в свободном состоянии,

т.е. в виде «чистых» углеводов. Они всегда связаны с большим или

меньшим количеством белка. В их состав обязательно входят остатки

мономера либо глюкозамина, либо галактозамина. Второй главный мо-

номер дисахаридных единиц также представлен двумя разновидностями:

D-глюкуроновой и L-идуроновой кислотами. В настоящее время четко

расшифрована структура шести основных классов гликозаминогликанов

(табл. 21.2).

Гиалуроновая кислота впервые была обнаружена в стекловидном теле

глаза. Из всех гликозаминогликанов гиалуроновая кислота имеет большую

мол. массу (100000–10000000). Доля связанного с гиалуроновой кислотой

белка в молекуле (частице) протеогликана составляет не более 1–2% от его

общей массы. Считают, что основная функция гиалуроновой кислоты

в соединительной ткани – связывание воды.

В результате такого связывания межклеточное вещество приобретает

характер желеобразного матрикса, способного «поддерживать» клетки.

Важна также роль гиалуроновой кислоты в регуляции проницаемости

тканей. Приводим структуру повторяющейся дисахаридной единицы в мо-

лекуле гиалуроновой кислоты:

* Десмозин, изодесмозин и лизиннорлейцин, по-видимому, не исчерпывают список

соединений, образующих поперечные связи в молекуле эластина.

665

Остаток лизиннорлейцина

Хондроитин-4-сульфат и хондроитин-6-сульфат построены по одному

плану. Отличие между ними заключается в локализации сульфатной груп-

пы. Несмотря на минимальные различия в химической структуре, физико-

химические свойства хондроитин-4-сульфата и хондроитин-6-сульфата су-

Таблица 21.2. Структура различных классов гликозаминогликанов

Класс гликозамино-

гликанов

Гиалуроновая

кислота

Хондроитин-4-

сульфат (хонд-

роитин-сульфат А)

Хондроитин-6-

сульфат (хонд-

роитин-сульфат С)

Дерматансульфат

Кератансульфат

Гепаринсульфат

и гепарин

Компоненты, входящие

в состав дисахаридных

единиц

1. D-глюкуроновая

кислота

2. N-ацетил-D-глюко-

замин

1. D-глюкуроновая

кислота

2. N-ацетил-D-галак-

тозамин-4-сульфат

1. D-глюкуроновая

кислота

2. N-ацетил-D-галак-

тозамин-6-сульфат

1. L-идуроновая кис-

лота

2. N-ацетил-D-галак-

тозамин-4-сульфат

1. D-галактоза

2. N-ацетил-D-глюко-

замин-6-сульфат

1. D-глюкуронат-2-

сульфат

2. N-ацетил-D-глюко-

замин-6-сульфат

Структура гликозаминогликанов