Лекция 22. Биохимия соединительной ткани

химии
д.б.н., доцент Суменкова Д.В.

функции, участие практически во всех физиологических и патологических процессах обусловливают

необходимость изучения метаболизма соединительной ткани
Соединительная ткань — это вне (меж-)клеточный матрикс вместе с клетками различного типа (фибро-, хондро-, остеобласты,тучные клетки, макрофаги) и волокнистыми структурами.
Функции соединительной ткани:
опорная: формирование структуры органов (каркаса, стромы)
защитная: формирование наружных покровов органов, регуляция функций макрофагов и клеток иммунной системы
трофическая: обмен веществ между кровью и тканями
межклеточные взаимодействия, регенерация
Соединительная ткань является основным компонентом кожи и костей.
Нарушения обмена соединительной ткани являются основой патогенеза ряда заболеваний человека.

ткани
Химико-биологическую сущность метаболических процессов, происходящих в соединительной ткани организма ребенка

и подростка на молекулярном и клеточном уровнях

Знания биохимии соединительной ткани необходимы для формирования умения
объяснять молекулярные механизмы возникновения ряда заболеваний, связанных с нарушением метаболизма соединительной ткани
анализировать результаты лабораторных исследований, используемых для диагностики ряда заболеваний, для выявления патологических процессов в органах и системах

Ремоделирование костной ткани.

Структурные
коллаген
эластин
Адгезивные
фибронектин
ламинин
нидоген

дисахаридных звеньев (см. след. слайд):
гексуроновая кислота (глюкуроновая или идуроновая)

ацетилпроизводное аминосахара (глюкоз- или галактозамина)

Ацетилирование NH2 группы аминосахаров приводит к исчезновению положительного заряда
Карбоксильные группы кислот и сульфатные группы ацетилпроизводных аминосахаров придают большой отрицательный заряд – полианионные свойства, поэтому ГАГ:
связывают Na+, К+, Ca 2+, воду (молекула гиалуроновой кислоты связывает 200 – 500 молекул воды, поэтому межклеточное вещество приобретает характер желеобразного матрикса)
препятствуют прохождению отрицательно заряженных молекул, клеток (например, белков и эритроцитов через базальную мембрану клубочков почек)

дерматансульфата
Структуру других ГАГ для ознакомления см. в учебнике

кроме дисахаридных единиц –фукозу, маннозу, сиаловую кислоту

Гепарин имеет большее количество

сульфатных групп за счет сульфатированной глюкуроновой кислоты

кислота)
«Смазка» в суставах (гиалуроновая кислота)
Фильтрационный барьер в почках (гепарансульфаты)
«Молекулярное сито»:

препятствуют распространению патогенных микроорганизмов
Рессоры в суставных хрящах
Прозрачность роговицы (кератан-, дерматансульфаты)
Антикоагуляция (гепарин)
Межклеточные взаимодействия, клеточная адгезия (гепарансульфаты)
Самые распространенные ГАГ - хондроитинсульфаты (Х-4-сульфат, Х-6-сульфат): хрящи, кожа, связки, сухожилия, артерии, роговица глаза

– 90-95%
Белковая часть – 5-10%
Примеры протеогликанов: агрекан, версикан (крупные), декорин,

бигликан, перлекан, люмикан, фибромодулин (малые)

Связь гликозамингликана с белком осуществляется через связывающий трисахарид: ксилоза – галактоза – галактоза
Связывание осуществляется через ОН-группу серина, треонина или NH2-группу аспарагина в молекуле белка

гликозамингликана

гликозамингликана
Реакции 2 и 3 этапов осуществляют гликозилтрансферазы, использующие в качестве

субстрата активные формы сахаров (связанные с УДФ).
Все сахара синтезируются из глюкозы
Источник NH2 – глутамин, ацетильной группы – ацетил-КоА, сульфатной группы - фосфоаденозил-фосфосульфат (ФАФС)
Активация сахара: присоединение УДФ к С1-фосфорилированному моносахариду при участии трансфераз:
Галактоза-1-фосфат + УТФ → УДФ-галактоза + Н4Р2О7
Нарушений синтеза протеогликанов не описано

120 дней)
Осуществляют лизосомные протеазы, гликозидазы, сульфатазы
Отсутствие или снижение активности ферментов

приводит к нарушению катаболизма – лизосомные болезни – мукополисахаридозы (МПС)
Типология МПС основана на виде фермента, недостаточность которого имеет место
Например, МПС 1 типа (синдром Гурлера) обусловлен недостаточностью идуронидазы. Накапливаются дерматансульфат, гепарансульфат и в повышенных количествах выводятся с мочой
Клиническая картина: помутнение роговицы, гепатоспленомегалия, тугоподвижность суставов, дисплазия костей, грубые черты лица, ССЗ, отставание психического развития, смерть в первые 10 лет жизни

(19 типов коллагена), имеющих трехспиральную структуру, сформированную скручиванием 3-х полипептидных

α-цепей
Идентифицировано более 20 различных α-цепей, каждая из которых кодируется отдельным геном. В разных тканях экспрессируются различные комбинации генов
Наиболее распространенные типы коллагенов: I, II, III, IV
Коллагены I (кости, роговица, сухожилия), II (хрящи, стекловидное тело), III (почки, печень, сосуды), IV (базальная мембрана)
Пример обозначения вида коллагена: [α1 (IV)]2 α2 (IV) – коллаген IV типа, состоящий из 2-х альфа-цепей варианта 1 и одной альфа-цепи варианта 2

АК (в отличие от α-спирали глобулярных белков она более развернута:

на одни виток приходится 3 АК)
Гли-Про-ГидПро – Гли-Ала-ГидПро-Гли-Лей-ГидПро (в спиральной цепи глицин всегда находится над глицином)
Присутствие глицина в каждом триплете обеспечивает плотность укладки 3-х цепей
Модифицированные АК: гидроксипролин и гидроксилизин
Коллаген – неполноценный белок. Отсутствуют цистеин, триптофан, мало метионина, гистидина и тирозина
Из 3-х α-цепей коллагена образуется правозакрученная суперспираль (глицин расположен по центральной оси, что способствует образованию линейной молекулы тропоколлагена и включению ее в волокно)

пре-про-α-цепи, содержащей сигнальный пептид, облегчающий перемещение белка в ЭР
образование

про-α-цепи
гидроксилирование пролина и лизина
гликозилирование ГидЛиз
образование дисульфидных связей в области N- и C-концевых пептидов (внутри- и межцепочечных) для формирования тройной спирали
образование проколлагена из 3-х про-α-цепей
2. Внеклеточный этап
частичный протеолиз N- и C-концевых неспирализованных пептидов, образование тропоколлагена
дезаминирование лизина и гидроксилизина
образование фибрилл коллагена

. Для поддержания восстановленной формы железа необходимо присутствие витамина С.

Дефицит витамина С приводит к ломкости сосудов.
Образование ОН-групп необходимо для последующего образования водородных связей между цепями, стабилизирующими структуру тропоколлагена

использующие в качестве субстратов активные формы моносахаров. Роль углеводных групп

неясна, однако при синдроме Элерса-Данло-Русакова (дефицит лизилгидроксилазы и снижение количества углеводных компонентов) отмечается ухудшение механических свойств кожи и связок

и гидроксиаллизина для формирования ковалентных сшивок (альдольной связи) между молекулами

аллизина тропоколлагена в процессе фибрилогенеза

Количество «сшивок» между молекулами тропоколлагена зависит от функции ткани и возраста

между цепями в молекуле тропоколлагена
Ковалентными (альдольными) связями между молекулами тропоколлагена

в микрофибрилле
Сдвигом молекул тропоколлагена на ¼ относительно друг друга в микрофибрилле коллагена

Зрелое коллагеновое волокно толщиной в 1 мм выдерживает нагрузку до 10 кг

месяцы). Обмен более активен у молодых людей до 20 лет.

Синтез коллагена увеличивается, например, при заживлении ран.
О скорости обмена коллагена судят по содержанию гидроксипролина в крови и моче (норма15-50 мг/сут у взрослых после 20 лет).
Протеолиз осуществляет коллагеназа – Са2+, Zn2+ -зависимая матриксная металлопротеиназа (ММР-1) – расщепляет молекулу на 2 фрагмента (1/4 и ¾). Дальнейший протеолиз осуществляют лизосомальные протеазы.
Коллагеназа – индуцируемый фермент (синтез в фибробластах и макрофагах под влиянием цитокинов, эстрогенов и др.), механизм активации – частичный протеолиз. Небольшое количество ММР присутствует в матриксе в неактивной форме, ингибированные специфическим ингибитором TIMP
Изменение активности ММР играет важную роль в патогенез ряда заболеваний (деструкция хряща при ревматоидном артрите, развитие сердечно-сосудистых патологий и др.). Например, снижение активности ММР при сахарном диабете наряду с гликозилированием коллагена способствует развитию микро- и макроангиопатий

фибробластов
Половые гормоны регулируют синтез коллагена
Коллаген и N-концевые пептиды после отщепления

тормозят трансляцию коллагена (отрицательная обратная связь)
Кортизол снижает экспрессию генов коллагена, ингибирует активность пролил- и лизилгидроксилазы

затрудняющих действие коллагеназы
уменьшается соотношение гликозамингликаны / коллаген
уменьшается количество связанной воды
увеличивается

сухость кожи
изменяются свойства хряща и сухожилий
снижается прозрачность роговицы глаза
«Человек стар в той степени, в какой постарела его соединительная ткань» (Слуцкий Л.И., 1969)

происходит при аутоиммунных заболеваниях
Нарушение синтеза. Основная причина – мутации в

генах коллагена (гены очень большие, что увеличивает вероятность мутаций). Примеры таких патологий (известно более 250 синдромов):
несовершенный остеогенез (повышенная ломкость костей, аномалии зубов, гиперподвижность суставов)
хондродисплазии
синдром Стиклера и Вагнера – нарушение синтеза коллагена в стекловидном теле с отслойкой сетчатки
семейная аневризма аорты
прогрессирующая миопия

(сосуды, связки, легкие)
70 кДа, структура кодируется 1 геном
800 АК: глицин,

валин, аланин, пролин (70%), ГидПро мало, отсутствуют ГидЛиз, цис, мет, три
Нет строго определенной конформации
Этапы синтеза эластина:
образование мономерной формы – тропоэластина
гидроксилирование пролина
образование аллизина (лизилоксидазная реакция)
взаимодействие аллизина разных цепей тропоэластина с образованием десмозина (пиридинолина), который связывает между собой 2, 3, 4 молекулы эластина
Наличие поперечных сшивок (структура десмозина) и гибкой случайной конформации – основа «резиноподобных» свойств эластина

образования эластина (в частности десмозина) проявляются патологиями сердца, легких, сосудов

(дефект сердечных клапанов, аневризмы аорты, варикоз, эмфизема легких)

соединены дисульфидными мостиками), гликопротеин, 2500 АК, 1 ген
Альтернативный сплайсинг является

причиной образования различных по структуре и функциональной активности молекул фибронектина в разных клетках
Имеет домены для связывания с клетками, с биомолекулами соединительной ткани, обеспечивая их ориентацию, интеграцию, адгезию клеток
Взаимодействие с биомолекулами происходит за счет ковалентной связи между остатками лизина и глутамина под действием трансглутаминазы, которая также связана с фибронектином в одном из его доменов
В опухолевой ткани снижено количество фибронектина, что является одной из причин метастазирования

доменное строение для связывания со всеми структурными компонентами базальных мембран

(коллаген IV, протеогликаны, содержащие гепарансульфат)
N-концевые домены, связывая Са 2+, образуют сетевидные структуры базальной мембраны

домена:
центр связывания ламинина
центр связывания коллагена IV типа
центр

связывания гепарансульфата

внутренних органов, минеральный гомеостаз, кроветворение
Основные клетки
остеобласты (синтезируют органический компонент)

остеоциты (участвуют в ремоделировании кости)
остеокласты (секретируют ферменты, разрушающие органический компонент костного матрикса при ремоделировании)
Твердый (минерализованный) межклеточный матрикс
неорганический компонент (65%): гидроксиапатиты кальция Са10(РО4)6(ОН)2
органические соединения: коллаген I типа, неколлагеновые белки, гликозамингликаны, протеогликаны, фосфолипиды, цитрат – матрица для формирования гидроксиапатитов

реорганизация органической матрицы и ее минерализация)

Ремоделирование костной ткани ускоряется при

изменении физической нагрузки на ткань (снижение массы тела при похудании), при локальных воспалительных процессах (ревматоидный артрит), гормональных изменениях (дефицит эстрогенов, гиперпаратиреоз)

ячеек
Гидроксиапатит кальция придает костям прочность, твердость;
хранилище кальция (99%) и

фосфора (85%).

Ионы занимают положение в соответствии с их размерами, величиной заряда и удерживаются за счет электростатических взаимодействий: прочность связи прямо пропорциональна величине заряда и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними

органической матрицей. Изменение строения компонента матрицы приводит к нарушению минерализации

или образованию кристаллов неправильной структуры, снижению прочности кости
Апатиты легко обмениваются ионами с молекулами окружающей среды (изоморфные замещения), изменяется коэффициент Са/Р (в норме 1,33 – 2,0).
Примеры изоморфных замещений:
при недостатке кальция в пище его место занимает стронций (стронциевый апатит хрупкий)
при ацидозе (сахарный диабет, голодание) Са2+ замещается Н+ (кристаллы разрушаются)

но меньше гидроксилизина
Менее гликозилирован, при гликозилировании присоединяется галактоза (а не

галактоза-глюкоза)
Содержит меньше межцепочечных ковалентных связей (альдольных сшивок)
Содержит фосфорилированные остатки серина (для связывания кальция)
Имеет специфические структуры – пиридинолин (десмозин) и дезоксипиридинолин (изодесмозин) (см. структуру эластина). Определение уровня данных структур в моче используется в диагностике остеопороза

гликофосфопротеины; присутствуют и в других тканях (например, эпителиальной)
Остеонектин - связывает

кальций, коллаген, гидроксиапатиты, формирует центры кристаллизации и инициирует процесс минерализации
Остеокальцин (содержит карбоксиглутаминовую кислоту, образованную при участии витамина К) – участвует в Са2+-зависимом взаимодействии с фосфолипидами мембран клеток, активирует остеокласты, уменьшает связывание кальция с остеонектином, замедляет образование центров кристализации; экспрессия гена регулируется кальцитриолом; концентрация в крови отражает активность остеобластов
Gla (γ-глу)- протеин – активирует остеокласты

остеокластов):
Сиалопротеин, остеопонтин – стимулируют прикрепление остеокластов к кости; экспрессию гена

остеопонтина регулирует кальцитриол
Активированные остеокласты секретируют кислую фосфатазу, которая дефосфорилирует сиалопротеин и остеопонтин, вызывая потерю сродства к рецепторам остеокластов; происходит снижение активности остеокласта
Тромбоспондин – адгезивный белок

(ГАГ: хондроитин-, дерматан-, кератансульфаты) – в гидратированном состоянии занимают большое

по объему пространство в межклеточном матриксе, которое в дальнейшем должно стать костью; связывают кальций и являются его источником в процессе минерализации
Липиды: фосфатидилсерин играет ведущую роль в связывании кальция на начальных этапах минерализации, обеспечении кальцием растущих кристаллов гидроксиапатитов, образовании их связи с белками
Цитрат (активность цитратсинтазы высокая) – участвует в обмене кальция, образуя нерастворимые и растворимые соли
Например, воздействие паратгормона на остеобласты способствует активации остеокластов, снижению рН, разрушению кости, приводит к увеличению содержания цитрата, образованию его солей с кальцием и повышению кальция в крови
Ферменты: кислая фосфатаза (замедляет скорость резорбции, см. слайд 43) и щелочная фосфатаза (ЩФ) (см. слайд 46)

(рН 9,6)
Катализирует реакцию дефосфорилирования фосфорорганических соединений матрикса кости
Повышая концентрацию РО43-

, способствует образованию центров кристаллизации и формированию гидроксиапатитов
Может переносить фосфатные остатки на органические соединения (трансферазная активность), что приводит к изменению активности фосфопротеинов, участвующих в регуляции минерализации
Отделившись от мембраны под действием фосфолипазы С, может высвобождаться в кровоток (активность ЩФ высокая у детей в период роста)

обновляется 5-10% скелета)
Интенсивность обмена определяется соотношением скоростей резорбции и костеобразования:

до 18 лет образование новой костной ткани идет быстрее, чем резорбция
18 – 40 лет – равновесие процессов
после 40 лет скорость костеобразования снижается по сравнению с резорбцией, развивается остеопороз

Ремоделирование = Резорбция (2-3 нед) + костеобразование (2-3 мес)

факторов секретируют
фактор RANKL (receptor activator of nuclear factor KB

ligand), стимулирующий образование колоний моноцитов, формирующих остеокласты
коллагеназу, которая гидролизует коллаген остеоида (для связывания остеокласта с костью)
остеокальцин, сиалопротеин, остеопонтин, Gla-протеин, которые участвуют в прикреплении остеокласта к кости

остеокласта к кости
Карбоангидразная реакция и диссоциация угольной кислоты

с образованием Н+
Перекачивание протонов из остеокласта в зону резорбции при помощи Н+ -АТФ-азы, Н+,К+ - АТФ-азы, переносчиков Сl- / Н+ и образование «щеточной» каемки (рН 3,5 – 4)
Секреция лизосомальных ферментов – гидролаз
Гидролиз коллагена и разрушение органической матрицы
Вымывание кальция из апатитов
Образование в кислой среде растворимых солей цитрата кальция и их поступление в кровь

на остеобласты приводит к синтезу белков матрикса, секреции остеопротегерина, который

связывает RANKL и снижает активность остеокластов
Секреция кислой фосфатазы остеокластами приводит к дефосфорилированию остеопонтина, сиалопротеина (белки-активаторы остеокластов), снижению активности остеокластов и к переходу к следующей стадии ремоделирования – костеобразованию
4. Костеобразование (минерализация): усиление оксигенации, синтез белков, протеогликанов, фосфорилирование белков матрикса (условие для формирования центров кристаллизации), формирование центров кристаллизации, рост кристаллов. По завершении процесса остеобласты теряют активность и превращаются в остеоциты.

регуляция
Основные регуляторы:
Паратгормон
Кальцитриол
Кальцитонин
Половые гормоны

Са2+ в цитозоль остеокласта из зоны резорбции;
это вызывает деполяризацию мембраны

и инактивацию остеокласта

Кальцитонин оказывает большее влияние на растущие кости, поэтому образование костной ткани у детей и подростков происходит быстрее

протеогликанов
Кортизол стимулирует костную резорбцию: индуцирует синтез рецепторов к паратгормону
Андрогены стимулируют

в остеобластах синтез фактора, ингибирующего дифференцировку преостеокластов (наступление половой зрелости тормозит рост скелета в длину). Анаболический эффект гормонов наиболее активно проявляется в присутствии гормона роста
Гормоны щитовидной железы. При гипертиреозе увеличивается скорость обмена кости, повышается экскреция кальция с мочой, костеобразование начинает отставать от резорбции. При гипотиреозе замедляется образование и минерализация кости

происходит очаговая деминерализация, затем увеличение объема органической основы кости и

ее минерализация
Инсулин активирует метаболизм остеобластов, стимулирует синтез костного матрикса, обеспечивает минерализацию костной ткани.

раннюю минерализацию, поэтому в период полового созревания происходит остановка роста

скелета

Эстрогены стимулируют синтез 1-α-гидроксилазы в почках (синтез кальцитриола) и рецепторов к кальцитриолу в энтероцитах

кости с усилением процесса резорбции
Маркеры резорбции костной ткани:
пиридинолин,

дезоксипиридинолин (продукты деградации остеоколлагена)
остеопротегерин (остеокласт-ингибирующий фактор) / RANKL (стимулятор образования остеокластов)
Маркеры формирования костной ткани:
остеокальцин (активатор остеокластов) – снижение содержания – усиление минерализации
щелочная фосфатаза
специфические пептиды проколлагена I типа

соединительной ткани лежат в основе патогенеза ряда заболеваний, таких как

мукополисахаридозы (лизосомные болезни, или болезни накопления вследствие снижения активности ферментов катаболизма гликозамингликанов), латиризм (деформация позвоночника вследствие дестабилизации коллагеновых фибрилл в результате снижения активности лизилоксидазы), патологии костной ткани, связанные с изоморфными замещениями, рахит, остеопетроз (дисфункция остеокластов вследствие недостаточности карбоангидразы), остеопороз.

Северин -М.: ГЭОТАР-Медиа, 2014. -768 с. (раздел 15)
2. Биологическая химия

с упражнениями и задачами: учебник / ред. С. Е. Северин. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2013. - 624 с. (С. 301 – 324)
3. Биологическая химия: учебник для студентов медицинских вузов / А.Я. Николаев. – М.: Мед. информ. агенство, 2007. – 568 с.