Структура та властивості колагенових білків

РОЗДІЛ 15. СПОЛУЧНА ТКАНИНА

 

Рис.15.1. Будова сполучної тканини: 1 – фібробласт; 2 – опасиста клітина; 3 – еластичне волокно; 4 – ретикулярне волокно; 5 – макрофаг; 6 – нервове волокно; 7 – лімфоцит; 8 – колагенове волокно; 9 – нейтрофіл; 10 – плазмоцит; 11 – міжклітинна речовина; 12 – ліпоцит; 13 - капіляр

Сполучна тканина становить приблизно 50 % від маси тіла людини. Вона формує сухожилки та зв’язки, кістки та хрящі, шкіру, стінки кровоносних судин, очеревину та нейроглію тощо.

Не зважаючи на морфологічні відмінності, всі різновиди сполучної тканини побудовані за загальним принципом: вони містять велику кількість міжклітинної речовини (позаклітинного матриксу), яка складається з колагенових білків, протеогліканів і глікопротеїнів і і невелику кількість клітин, розташованих на значній відстані одна від одної (рис. 15.1). В утворенні міжклітинної речовини беруть участь фібробласти, хондроцити, остеобласти, одонтобласти, цементобласти тощо. Міжклітинна речовина мінералізованих тканин містить неорганічні іони, що утворюють солі та кристали.

Спеціалізованою формою позаклітинного матриксу є базальна мембрана, яка відмежовує один шар клітин від іншого. Вона відповідає не лише за підтримання архітектоніки тканин, а й впливає на їх диференціювання, міграцію та фенотипування. Вона слугує бар’єром для макромолекул.

Основними компонентами позаклітинного матриксу є різні види колагенів та неколагенові білки.

Структура та властивості колагенових білків

15.1.1. Структура колагену. Основу міжклітинного матриксу становлять колагенові білки, які належать до класу глікопротеїнів і містять у великій кількості залишки гліцину, проліну та оксипроліну. Всі типи колагену в залежності від структури поділяють на кілька груп: фібрилярні, асоційовані з фібрилами колагену, сіткоподібні, мікрофібрили тощо. Для позначення кожного типу використовують певну формулу, у якій α-ланцюги позначають арабськими цифрами, а тип колагену – римськими. Значна частина колагенів, присутніх у порожнині рота, належить до фібрилярних, їх локалізація представлена в таблиці 15.1.

Таблиця 15.1. Типи колагенових білків у тканинах порожнини рота

Тканини порожнини рота	Типи колагену
Дентин зуба	І, ІІІ, ІV, V, VІ
Пульпа зуба	І, ІІІ, V, VІ
Цемент зуба	І, ІІ, ІІІ, V, ХІІ, ХІV
Періодонтальні волокна	І, ІІІ, V, VІ
Слизова оболонка	ІІІ, ІV, V, VІ, ХІІ
Кісткова тканина	І, ІІІ, ІV, V, VІ,
Хрящова тканина	ІІ, VІ, ІХ, ХІІ, ХІV

 

Фібрилярні колагени. Молекули колагенів І, ІІ, ІІІ, V, ХІ типів мають форму фібрил і побудовані зі структурних одиниць – тропоколагенів, молекулярна маса яких становить 300 000 Да, довжина 280 нм, товщина 1, 4 нм. Молекула тропоколагену побудована з трьох поліпептидних a-ланцюгів, кожен з яких містить біля 1 000 амінокислотних залишків і являє собою щільну лівозакручену спіраль, на один виток якої припадає три амінокислотних залишки (рис. 15.2, а), один з яких обов’язково гліцин. Якщо первинну структуру α-ланцюга колагену представити у вигляді схеми глі-x-y, то в положенні х найчастіше зустрічається – пролін і 3-, 4-гідроксипролін, а в положенні y – інші амінокислоти. Гліцин в даній комбінації необхідний для формування фібрилярної структури, оскільки жодна інша амінокислота не поміщається між трьома поліпептидними ланцюгами в центрі потрійної спіралі. Радикали амінокислот, які займають положення х і у, знаходяться на поверхні потрійної спіралі, пролін і гідроксипролін обмежують її обертання. Три α-ланцюги утворюють структуру, злегка закручену в спіраль (рис. 15.2, б). Формуючи фібрили, молекули тропоколагену розташовуються східчасто, зміщуючись одна відносно одної на ¼ довжини, що надає фібрилам характерної посмугованості, яку можна помітити методом електронної мікроскопії (рис. 15.2, в, г). У мінералізованих тканинах щілини між молекулами тропоколагену заповнені кристалами апатитів.

Молекули тропоколагену утворюють мікрофібрили і фібрили. Мікрофібрили зазвичай складаються з п¢яти волокон (1 – 5) і формуються в результаті лінійної та бічної агрегації молекул тропоколагену. Ці мікрофібрили разом з різними глікопротеїнами (фібринопектином, a₁-глікопротеїном, протеогліканами) утворюють фібрили. Молекули глікопротеїнів розташовуються на поверхні фібрил, захищаючи їх від дії колагеназ.

Колаген І типу [α₁(І)]₂α₂ виявляють у складі кісток, дентину, пульпи зуба, цементу, періодонтальних волокон, він бере участь у процесах мінералізації. Колаген ІІ типу [α₁(ІІ)]₃ присутній у хрящах, колаген ІІІ типу [α₁(ІІІ)]₃ міститься в стінках кровоносних судин. Колаген V типу [α₁(V) α₂(V) α₃(V)] являє собою гібридну молекулу, яка складається з різних ланцюгів: α₁, α₂ і α₃.

Колагени, асоційовані з фібрилами. До цієї групи належать колагени ІХ, ХІІ, ХІV типів, вони беруть участь в організації міжклітинного матриксу слизової оболонки, хряща і цементу кореня зуба. Колагенові білки цього класу не спроможні формувати фібрили, але, зв’язуючись з фібрилярними колагенами, вони обмежують довжину, товщину та орієнтацію фібрил колагенів І та ІІ типів. В їх структурі наявні як глобулярні, так і фібрилярні домени. Так, наприклад, колаген ІХ типу [α₁(ІХ) α₂(ІХ) α₃(ІХ)] складається з трьох фібрилярних і чотирьох глобулярних доменів. Вони об’єднані поперечними ковалентними зв’язками з фібрилами колагену ІІ типу. Завдяки наявності бічного глікозильованого ланцюга і великої кількості позитивно заряджених груп, цей тип колагену може приєднувати до себе негативно заряджені молекули гіалуронової кислоти та хондроїтинсульфату.

Колагени, що формують мікрофібрили. До цієї групи належить колаген І типу. Оскільки він являє собою коротко ланцюговий білок, то може розташовуватися між фібрилами інтерстиціальних колагенів і зв’язуватися з ними. У процесі синтезу 2 молекули цього колагену з’єднуються антипаралельно з утворенням димера, з димерів утворюються тетраметри. Останні зв’язуються «кінець в кінець» з утворенням мікро фібрил. Цей тип колагену, завдяки наявності в поліпептидних ланцюгах послідовності арг-глі-асп, забезпечує клітинну адгезію шляхом приєднання до мембранних адгезивних білків – інтегринів.

Сіткоподібні (нефібрилярні) колагени. До цієї групи належать колагени ІV, VІІІ, Х типів, вони відрізняють ся за довжиною та розміром і спроможні формувати сіткоподібні структури. Пептидні ланцюги ІV типу колагену [α₁(ІV)] [α₂(ІV)]₂ не підлягають після секреції протеолітичній модифікації, їх кінцеві домени взаємодіють між собою «кінець в кінець», що призводить до формування димерів і тримерів, а завдяки бічним взаємодіям утворюються тривимірні структури, схожі на сітку.

15.1.2. Синтез і розпад колагену. Колаген синтезують і продукують у міжклітинний простір майже всі бластні клітини. Процес синтезу та дозрівання колагену є дуже складним процесом, який розпочинається в клітині і закінчується в міжклітинному матриксі. оскільки приблизно 50 % всіх колагенових білків міститься в тканинах скелета, 40 % - у дермі і 10 % - у стромі внутрішніх органів, порушення синтезу колагену супроводжується як патологією кістково-суглобової системи, так і внутрішніх органів.

Синтез колагену включає два етапи. На внутрішньоклітинному етапі відбувається трансляція та посттрансляційна модифікація поліпептидних ланцюгів, а на позаклітинному – модифікація білка, яка завершує утворення колагенових волокон.

Внутрішньоклітинний етап синтезу колагену. Пептидні α-ланцюги колагену синтезуються на полірибосомах, зв’язаних з ендоплазматичним ретикулумом, у цистернах якого підлягають посттрансляційній модифікації, яка включає від’єднання сигнального пептида проколагенового ланцюга за участі специфічної протеїнази та гідроксилування залишків проліну і лізину за участі оксигеназ – проліл-4-гідроксилази, проліл-3-гідроксилази та лізил-5-гідроксилази. У реакціях гідроксилування беруть участь молекулярний кисень і 2-оксоглутарат, а також аскорбінова кислота (в якості кофактора). Оскільки гідроксилази проліну та лізину в своєму активному центрі містять Fe²⁺, то аскорбінова кислота, яка легко окислюється з утворенням дегідроаскорбінової кислоти, необхідна для збереження атома заліза в фероформі. У подальшому гідроксильовані залишки лізину підлягають глікозилюванню за участі глікозилтрансфераз. гідроксильований пролін необхідний для стабілізації триланцюгової структури, оскільки його гідроксильні групи беруть участь в утворенні водневих зв’язків між α-ланцюгами. Після закінчення гідроксилування та глікозилування всі про- α-ланцюги зв’язуються між собою водневими зв’язками, а в ділянках С-кінцевих пропептидів формуються дисульфідні містки, які сприяють закручуванню ланцюгів у потрійну спіраль. З ендоплазматичної сітки молекули про колагену транспортуються в комплекс Гольджі, де включаються в секреторні міхурці та в їх складі секретуються в позаклітинний простір.

Позаклітинний етап – модифікація молекули проколагену. У міжклітинному просторі за участі протеолітичних ензимів від молекули проколагену від’єднуються N- і С-кінцеві пептиди з утворенням молекули тропоколагену. Далі відбувається збирання колагенових фібрил, яке супроводжується утворенням ковалентних зв’язків (зшивок). У формуванні цих зв’язків беруть участь залишки лізину та 5-гідроксилізину, а також їх альдегідні похідні (аллізин і 5-гідроксиаллізин), які утворюються внаслідок окисного дезамінування за участі лізилоксидази. Цей ензим у своєму активному центрі містить іон Сu²⁺. Конденсація аллізину та 5-гідроксиаллізину з лізиловими та гідроксилізиловими залишками забезпечує формування внутрішньо- та міжмолекулярних поперечних зв’язків.

Близько 25 % молекул тропоколагену розпадається, так і не утворивши фібрил. Їх фрагменти виконують сигнальні функції, стимулюючи колагеногенез. Просторова організація фібрил завершується за участі фібронектину, протеогліканів і глікопротеїнів, асоційованих з фібрилами.

У розпаді нативного колагену, період півжиття якого від кількох тижнів до кількох місяців, беруть участь колагенази (ММП-1, ММП-13). В активному центрі цих ензимів присутній кальцій або цинк, тому вони отримали назву матриксних Са²⁺-залежних цинкових металопротеїназ. Їх налічують понад 20 і поділяють у залежності від структурної організації і субстратної специфічності.

Колагенази розсікають всі три пептидні α-ланцюги молекули нативного колагену приблизно на ¼ відстані від С-кінця, між залишками гліцину та лейцину. Фрагменти колагену стають розчинними в воді і денатурують, після чого їх пептидні зв’язки підлягають гідролізу іншими пептидзами. Гідроліз колагенів базальних мембран відбувається за участі желатиназ (ММп-2, ММП-9). У зв’язуванні колагенів желатиназами бере участь так званий фібронектиновий домен, присутній у структурі N-кінцевої області ензима.

Для дослідження обміну колагену в плазмі крові та сечі визначають концентрацію гідроксипроліну, проліну, кількість продуктів деградації колагену І типу – С і N-тілопептидів. Про посилений катаболізм колагену свідчить зростання концентрації гідроксипроліну, С і N-тілопептидів у плазмі крові та сечі, а порушення дозрівання колагену характеризується зростанням кількості проліну в плазмі крові.

15.1.3. Порушення синтезу колагену та його прояви. Будь-які порушення в синтезі колагенових білків клінічно проявляються, першою чергою, змінами з боку зубо-щелепної системи у вигляді кровоточивості ясен, рухливості та випадіння зубів, множинного карієсу. Причини, що викликають подібні зміни, різноманітні – недостатність в організмі аскорбінової кислоти, іонів Сu²⁺, генетичні дефекти та автоімунні стани.

Під час скорбуту – захворювання, що виникає внаслідок недостатності аскорбінової кислоти, порушується гідроксилування залишків проліну та лізину в структурі проколагену, у результаті чого утворюються тендітні та ламкі судини. Порушення синтезу колагену в пульпі та дентині призводить до розвитку множинного карієсу, недостатньої міцності періодонтальних зв'язок.

Подібні зміни зустрічаються при природженій недостатності лізилгідроксилази (синдром Елерса-Данло-Русакова, тип ІV). Висока розчинність молекул колагену проявляється при природженому дефекті лізилоксидази (синдром Елерса-Данло, тип V) або під час порушення обміну міді (хвороба Менкеса), що пов’язано з порушенням утворення поперечних зшивок між мікро фібрилами колагену. Це призводить до погіршення механічних властивостей зв'язок періодонта, стану тканин пародонта, в’ялості шкірних покривів, виникнення дефектів розвитку скелету в людей, які страждають на це захворювання.

При цукровому діабеті внаслідок неспроможності клітин захоплювати глюкозу з плазми крові порушується процес внутрішньоклітинного глікозилування про колагенових α-ланцюгів, а при проникненні про колагену в позаклітинний простір вуглеводи приєднуються неензимним шляхом, що також порушує структуру колагенових фібрил. Розвивається тяжка форма пародонтиту, яка погано лікується. У дітей, які народилися від матерів, хворих на інсулінозалежний цукровий діабет, виявляють системну гіпоплазію твердих тканин зуба.

Колагенози або системні первинні ураження сполучної тканини (ревматизм, системний червоний вовчак, системна склеродермія, ревматоїдний артрит, дерматоміозит, вузловий периартериїт тощо) пов¢язані переважно з порушеннями імуногенезу. Морфологічно ці стани проявляються генералізованою альтерацією позаклітинних компонентів сполучної тканини, в основному – колагенових волокон і білка колагену, який їх утворює. Вони суттєво відрізняються за клінічною картиною, проте, спільність патогенетичних механізмів обумовлює однорідність біохімічних проявів, до яких відносять, перш за все, лабораторні ознаки запалення, які виявляють у період загострення захворювання: диспротеїнемія (поява С-реактивного білка, зростання рівня g- та a₂-глобулінів, серомукоїду, підвищення вмісту a₁-антитрипсину та a₁-глікопротеїду); гіпоальбумінемія; збільшення ШОЕ; підвищення рівня фібриногену; підвищення вмісту у сечі глікозаміногліканів; збільшення виділення із сечею гідроксипроліну; підвищення кількості N-ацетилнейрамінової кислоти у сироватці крові; підвищення концентрації білокзв¢язаних гексоз.