Структура та властивості неколагенових білків

15.2.1. Структура еластину. У міжклітинному просторі стінок кровоносних судин, тканин періодонта, кореня язика, у підслизовому шарі губ і щік, легенях, шкірі у великій кількості присутні еластичні волокна, які володіють дуже важливими властивостями – можуть розтягуватися в кілька разів і повертатися в вихідне положення, зберігаючи при цьому високу міцність на розрив. Ці властивості обумовлені наявністю еластину – глікопротеїну з молекулярною масою 70 000 Да та діаметром близько 3 нм. Еластин містить біля 27 % гліцину, 19 % аланіну, 10 % валіну, 4,7 % лейцину. Гідрофобні радикали запобігають утворенню стабільної глобулярної структури, тому поліпептидні ланцюги еластину не утворюють регулярну вторинну та третинну структури, а набувають різної конформації. Нативні молекули еластину побудовані з відносно невеликих, майже сферичних молекул, об’єднаних у волокнисті структури за допомогою жорстких поперечних зшивок – лізиннорлейцину, десмозину, ізодесмозину (рис. 15.3). У формуванні поперечних зшивок беруть участь 4 залишки лізину, 3 з яких попередньо окиснюються до

Лізиннорлейцин

відповідних альдегідів за участі лізилоксидази. Десмозин і ізодесмозин утворюються залишками, які належать двом, інколи трьом і чотирьом ланцюгам в утворенні лізиннорлейцину беруть участь лише два залишки лізину. Ці зв¢язки є настільки міцними, що не руйнуються навіть при кислотному гідролізі.

Рис. 15.3. Структура десмозину та ізодесмозину

Еластин утворюється у фібробластах у вигляді тропоеластину, який є розчинним мономером, гідрофільні ділянки якого збагачені залишками лізину.

У міжклітинному матриксі за участі мідьзалежної лізилоксидази залишки лізину окиснюються до аллізину з утворенням поперечних зшивок. Після цього еластин набуває своєї кінцевої позаклітинної форми, для якої характерна нерозчинність, висока стабільність і мала швидкість метаболізму. На форму та просторове розміщення ниток еластину впливають структурні глікопротеїни. Мономерні субодиниці еластину, що потрапили у міжклітинний простір, взаємодіють з певними ділянками поверхні і утворюють агрегати.

У гідролізі еластину беруть участь металоеластаза та еластаза поліморфноядерних лейкоцитів.

При порушенні утворення десмозинів, ізодесмозинів і лізиннорлейцину знижуються пластичні властивості тканин. Це може бути зв’язано зі зниженням активності лізилоксидази при природжених чи набутих захворюваннях, дефіциті міді і проявляється серцево-судинними захворюваннями у вигляді аневризми та розриву аорти, дефектів клапанів серця, частими пневмоніями та емфіземою легенів.

15.2.2. протеоглікани. Це клас складних білків позаклітинного матриксу. Ці структури виконують функції рецепторів під час формування міжклітинного матриксу, полегшують прикріплення клітин і регулюють процеси їх росту.

Рис. 15.4. Структура мономерного протеоглікана

Вони також можуть утворювати комплекси з іншими білками, наприклад, факторами росту і в такий спосіб захищати їх від дії протеолітичних ензимів. Ці комплекси виконують функцію резервуарів, і лише в разі необхідності фактори росту вивільняються з них і набувають здатності чинити свою біологічну дію.

Вони складаються з білкової частини (7 % молекули), до котрої через N- і О-глікозидні зв’язки приєднані трисахариди (ксилоза-галактоза-галактоза), ковалентно сполучені з ланцюгами глікозаміногліканів (93 % молекули) (рис. 15.4).

Протеоглікани різняться за розмірами молекул, відносним вмістом білка та набором глікозаміногліканів. Вони широко представлені в дентині, пульпі, цементі, тканинах періодонта, слизовій оболонці порожнини рота (табл.15.2).

 

Таблиця 15.2. Протеоглікани та глікозаміноглікани в тканинах порожнини рота

Протеоглікани	Глікозаміноглікани	Тканина
Версікан, декорин, біглікан, фібромодулін, люмікан	Хондроїтин-4-сульфат, хондроїтин-6-сульфат, дерматансульфат	Цемент кореня
Люмікан, фібромодулін, остеоадерин	Хондроїтин-4-сульфат, хондроїтин-6-сульфат, дерматансульфат	Дентин, предентин
Сіндекан-1, декорин, версікан, біглікан	Дерматансульфат, гіалуронова кислота, гепарансульфат, хондроїтин-4-сульфат	Слизова оболонка
Фібромодулін, версікан, декорин	Хондроїтин-4-сульфат, хондроїтин-6-сульфат, дерматансульфат, гепарансульфат	Періодонтальні зв’язки
Версікан, біглікан, декорин	Хондроїтин-4-сульфат, хондроїтин-6-сульфат, дерматансульфат, кератансульфат, гіалуронова кислота	Пульпа зуба
Версікан, біглікан, декорин, сіндекан	Хондроїтин-4-сульфат, хондроїтин-6-сульфат, дерматансульфат, кератансульфат, гіалуронова кислота	Кісткова тканина
Декорин, біглікан, фібромодулін	Хондроїтин-4-сульфат, хондроїтин-6-сульфат, кератансульфат, гіалуронова кислота	Хрящова тканина

 

Частина протегліканів – сергліцин,матриксний протеоглікан хряща, декорин, версікан тощо знаходяться в розчинному стані і локалізуються у позаклітинному просторі. Інші протеоглікани, наприклад, сіндекан, представлені інтегральними трансмембранними білками. За молекулярною масою протеоглікани поділяють на великі та малі.

Великі протеоглікани. До цієї групи належать білки з великою молекулярною масою, які містять понад 100 ланцюгів глікозаміногліканів – агрекан, версікан, нейрокан, бревікан тощо. Вони мають властивість зв’язуватися з колагенами, гіалуроновою кислотою з утворенням протеогліканових агрегатів.

У цементі, пульпі зуба, слизовій оболонці порожнини рота, кістковій тканині та шкірі міститься великий хондроїтинсульфатмісний протеоглікан – версікан, молекулярна маса якого» 1 000 Да. Коровий білок версікану складається з амінокислотних послідовностей, що містять залишки глу-глі-фен. Завдяки великій кількості сульфату, глютамінової кислоти та зв’язку з гіалуроновою кислотою, цей білок у гідратованому стані займає достатньо великий простір.

Малі протеоглікани містять у своєму складі невеликий коровий білок, до якого приєднуються 1 або 2 ланцюги глікозаміногліканів. Розрізняють малі протеоглікани, збагачені лейцином, протеоглікани, асоційовані з клітинами та протеоглікани базальних мембран.

Протеоглікани, збагачені лейцином, містять 9 – 12 доменів, збагачених лейцином у С-кінцевій ділянці корового білка. Ці домени можуть зв’язувати колаген. Білки цього сімейства представлені декорином, бігліканом, фібромодуліном, люміканом, остеоадерином, остеогліцином, окулогліканом, оптіцином, аспорином.

Фібромодулін має молекулярну масу 40 000 Да. Показано, що цей протеоглікан приєднується до фібрил колагену ІІ типу і обмежує їх діаметр. Ламікан присутній у міжклітинному матриксі м’язової та хрящової тканини, легенях, тонкій кишці, рогівці ока. Остеоадерин визначається в амелобластному шарі на стадії дозрівання емалі і бере участь у процесах мінералізації. Декорин і біглікан беруть участь у міжклітинних взаємодіях, зв’язуються з еластином і адгезивними білками. Локалізація декорину співпадає з розташуванням колагену, цей білок зв’язується з колагенами І і ІІ типів, а також інгібує фібриноліз.

Протеоглікани, асоційовані з клітинами. Це сімейство білків включає сергліцини, сіндекани, бетагліцини, тромбомодулін.

Сіндекани представлені 4 типами білків: сіндекан-1 з’являється в епітеліальних клітинах у процесі розвитку, сіндекан-2 синтезується гепатоцитами, сіндекан-3 присутній у нервовій тканині та хрящах на стадії розвитку, сіндекан-4 – в ендотелії, епітелії, гладких м’язах, фібробластах шкіри. Всі вони зв’язують колагени, фібронектин, тромбоспондин і фактор росту фібробластів.

Сергліцини завдяки високому вмісту сульфатів стійкі до протеолізу. Вважають, що ці білки беруть участь у регуляції ферментативної активності секреторних гранул, диференціюванні гемопоетичних клітин і міграції лейкоцитів при запаленні.

Протеоглікани базальних мембран. Вони належать до гепарансульфатмісних. Основним представником є перлекан. Його молекула містить біля тридцяти глобулярних доменів, що забезпечують зв'язок між клітинами та компонентами міжклітинного матриксу.

15.2.3. Структура та властивості глікозаміногліканів (мукополісахаридів). Глікозаміноглікани сполучної тканини – це лінійні нерозгалужені полімери. Дослідження показали, що у тканинах ці сполуки не існують у вільному вигляді, а приєднані ковалентними зв¢язками до білків. У водному розчині вони утворюють гель і заповнюють простір між клітинами. Вони сильно гідратовані і містять багато Nа⁺. Деякі полімерні молекули вдалося виділити і охарактеризувати. До них належать гіалуронова кислота, хондроїтинсульфати, гепаринсульфат, дерматансульфат і кератансульфат (рис. 15.5).

Рис. 15.7. Структура повторюваних дисахаридних одиниць у глікозаміногліканах

 

Вони є лінійними полімерами, побудованими з різних дисахаридних одиниць, утворених уроновими кислотами (глюкуроновою, галактуроновою та ідуроновою), N-ацетилгексозамінами (N-ацетилглюкозаміном і N-ацетилгалактозаміном) та нейтральними сахаридами (галактозою, манозою і ксилозою). У деяких випадках гідроксильні групи кожного дисахариду етерифіковані сірчаною кислотою. Вільні карбоксильні і сульфогрупи, які несуть від¢ємний заряд, розміщені більш-менш рівномірно по всій макромолекулі і визначають біологічні властивості цих сполук.

Рис. 15.6. Утворення гіалуроновою кислотою комплексів із хондроїтин- та та кератансульфатами

Гіалуронова кислота зустрічається в багатьох органах і тканинах. Вона побудована з дисахарид них залишків, сполучених β-(1→4)-глікозидними зв’язками. Дисахаридні фрагменти, своєю чергою, складаються з залишків β-D-глюкуронової кислоти та N-ацетил-β-Dглюкозаміну, з’єднаних між собою β-(1→3)-глікозидними зв’язками. Її молекула має велику молекулярну масу – 10⁵ – 10⁷ Да. У склистому тілі ока, пупковому канатику, синовіальній рідині вона знаходиться у вільному стані, а в хрящі формує протеогліканові агрегати. Під час загоєння ран гіалуронова кислота синтезується у великій кількості. Зв’язуючи воду, вона забезпечує бар’єрну функцію.

Розчини гіалуронової кислоти низької концентрації (0,01 – 1%) мають властивість впливати на форму молекул протеогліканів, утворених хондроїтинсульфатами.

Найбільший ефект (що супроводжується найбільшим збільшенням в¢язкості) спостерігається при співвідношенні молекулярних мас протеогліканів та гіалуронової кислоти 150: 1, що відповідає 10 – 30 молекулам протеоглікану на одну молекулу гіалуронової кислоти. У взаємодії беруть участь карбоксильні та інші функціональні групи. Молекулярні основи цієї взаємодії полягають в утворенні гіалуроновою кислотою центральної видовженої частини комплексу, на якій перпендикулярно до поздовжної осі з інтервалом, що відповідає приблизно 10 моносахаридним ланкам, розміщені молекули протеогліканів (рис. 15.6).

Хондроїтинсульфати містять повторювані дисахаридні одиниці, сполучені β-(1→4)-глікозидними зв’язками. Дисахариди побудовані з глюкуронової кислоти та сульфітованого N-ацетилгалактозаміну, які з’єднані між собою β-(1→3)-глікозидними зв’язками. У залежності від розташування сульфатної групи розрізняють хондроїтин-6-сульфат і хондроїтин-4-сульфат, їх молекулярна маса коливається в межах 10 – 600 кДа. Вони суттєво відрізняються за фізико-хімічними властивостями та розташуванням. Хондроїтин-4-сульфат зустрічається переважно в кісковій і хрящовій тканинах, а хондроїтин-6-сульфат присутній у сухожилках, зв’язках, пупковому канатику, а також у кістках.

Дерматансульфат – гетерополісахарид, подібний за будовою до хондроїтинсульфату. На відміну від останнього дисахаридний фрагмент дерматансульфату містить замість D-глюкуронової залишок L-ідуронової кислоти. дерматансульфат наявний у шкірі, хрящах, сухожилках і між хребцевих дисках, кровоносних судинах і клапанах серця.

Кератансульфати – найбільш гетерогенні глікозаміноглікани, вони відрізняються за сумарним вмістом вуглеводів і розподілом у різних тканинах організму. Замість уронової кислоти вони містять залишок D-галактози, зв’язаний β-(1→4)-глікозидним зв’язком з N-ацетил-β-Dглюкозамін-6-сульфатом. Між собою дисахаридні одиниці зв’язуються β-(1→3)-глікозидними зв’язками. Кератансульфат-1 рогівки ока містить фукозу, манозу і сіалову кислоту, кератансульфат-2 виявлений у хрящовій тканині, кістках, міжхребцевих дисках. Однією з принципових особливостей цих сполук є їх здатність щільно заповнювати все доступне середовище, витісняючи інші макромолекули до периферії. Вони легко пропускають воду та низькомолекулярні речовини. За рахунок високої концентрації від¢ємних зарядів вони утримують велику кількість іонів Nа⁺.

Гепарансульфат являє собою гетерополісахарид, побудований з глюкуронової кислоти та N-ацетилглюкозаміну. Він входить до складу протеогліканів базальних мембран і є постійним компонентом клітинної поверхні.

15.2.4. Синтез і розпад протеогліканів. Збереження біомеханічних і фізіологічних особливостей сполучної тканини визначається підтриманням балансу між процесами біосинтезу та деградації колагенів і протеогліканів. Розпад і синтез останніх регулюють гормони (соматотропін, тироксин, інсулін), цитокіни (ІЛ-1), вітаміни (А і С), мікроелементи та фактори росту. Синтез протеогліканів розпочинається з біосинтезу корового білка на полірибосомах. Паралельно в ендоплазматичному ретикулумі відбувається зв’язування трисахаридів через амідні групи залишків аспарагіну. Полісахаридні ланцюги глікозаміногліканів синтезуються шляхом послідовного приєднання моносахаридів, донорами яких зазвичай виступають УДФ-цукри. На мембранах апарату Гольджі локалізовані глікозилтрансферази, за участі яких білкова молекула і підлягає глікозилуванню. Модифікуванням ланцюгів глікозаміногліканів є сульфування; сульфатна група, донором якої є ФАФС, переноситься на молекулу-акцептор з допомогою специфічних сульфотрансфераз.

Аміноцукри та уронові кислоти синтезуються з глюкози, попередником N-ацетилглюкозаміну та N-ацетилгалактозаміну є фруктозо-6-фосфат, джерелом NН₂-групи для цукрів виступає глутамін. Утворені аміноцукри в подальшому ацетилюються за участі ацетил-КоА.

Розпад протеогліканів – фізіологічний процес, в якому безпосередню участь беруть протеїнази та глікозидази. Спочатку коровий і зв’язуючі білки підлягають впливу вільних радикалів і у міжклітинному матриксі гідролізуються матриксними металопротеїназами (колагеназою, желатиназою, стромелізином). Під впливом глікозидаз відбувається гідроліз глікозаміногліканів і олігосахаридів. Частково фрагменти протеогліканів захоплюються клітинами і підлягають внутрішньоклітинній деградації. а частково – з лімфою та кров’ю потрапляють у печінку, де в гепатоцитах під впливом аспартильних, серинових і інших протеїназ відбувається їх подальший гідроліз. Інтактні глікозаміноглікани в клітині підлягають впливу ендогексозамінідаз і ендоглюкуронідази з утворенням олігосахарів. Останні під дією екзоглікозидаз розпадаються до неорганічного сульфату та моносахаридів. Гепарансульфат, на відміну від інших глікозаміногліканів, підлягає позаклітинному розпаду під впливом гепаранази.

Відсутність будь-якого з ферментів може призвести до виникнення спадкових дефектів метаболізму. При цьому в тканині нагромаджується нерозщеплений протеоглікан, а з сечею виділяються значна кількість метаболітів.

15.2.5. Порушення обміну глікозаміногліканів (мукополісахаридів). Мукополісахаридози – тяжкі спадкові захворювання, обумовлені дефектами гідролаз, які беруть участь у розпаді глікозаміногліканів. При цьому продукти деградації нагромаджуються у лізосомах майже усіх тканин, олігосахаридні фрагменти негідролізованих глікозаміногліканів виділяються з сечею. Виникає мукополісахаридоз, форма якого визначається тим, який фермент є дефіцитним.

Мукополісахаридози відрізняються прогресуючим перебігом з різним ступенем тяжкості. Їх загальними ознаками є порушення розумового розвитку в дітей, деформація скелету, значно виражена в щелепно-лицевій області, ураження органів серцево-судинної системи, помутніння рогівки, зниження тривалості життя (табл. 15.3).

 

Таблиця 15.3. Мукополісахаридози

Назва	Дефектний ензим	Негідролізований глікозаміноглікан	Симптоми захворювання
Хвороба Гурлера	a-L-ідуронідаза	Дерматансульфат, гепарансульфат	Деформація хребта, суглобів, відставання у рості, прогресуюче огрубіння обличчя, потовщення шкіри, помутніння рогівки, комбінована провідникова та нейросенсорна глухота, гепатоспленомегалія
Хвороба Гюнтера	L-ідуронат-2-сульфатаза	Дерматансульфат, гепарансульфат	Природжені фізичні вади, у тому числі лицевого скелета; розумова відсталість
Хвороба Сан-Філіппо А, B, C, D	Гепаран- N-сульфатаза; β-N-ацетил-D-глюкозамінідаза; ацетил-КоА- β-глюкозамінід-ацетилтрансфераза; N-ацетил-глюкозамін-6-сульфатаза	Гепарансульфат	Глибока розумова відсталість, огрубіння шкіри, зміни тканин мозку, легенів, серцевого та скелетних м’язів. Множинні ураження кісткового скелета
Хвороба Моркіо А	Галактозо-6-сульфатаза	Кератансульфат, хондроїтин-6-сульфат	Гіпоплазія тканин зуба, недорозвиток і вади скелета, помутніння рогівки, недостатність аортального клапана серця
Хвороба Моркіо В	β-галактозидаза
Хвороба Марото-Ламі	N-Галактозамін-4-сульфатаза	Дерматансульфат	Гідроцефалія, огрубіння рис обличчя, помутніння рогівки, недостатність аортального клапана серця
Хвороба Слая	β-глюкуронідаза	Гепарансульфат, дерматансульфат, хондроїтин-6-сульфат	Множинні ураження кісткового скелета, гепатоспленомегалія

 

Крім мукополісахаридозів зустрічаються також мукополіпідози – ензимодефекти, які викликають патологію, що має деякі спільні ознаки з мукополісахаридозами: затримка розумового розвитку, ураження очей, глухота, огрубіння рис обличчя, порушення скелету, гепатоспленомегалія.

Тип І обумовлений дефіцитом нейрамідінази, яка відщеплює кінцеву N-ацетилнейрамінову (сіалову) кислоту від олігосахаридних ланцюгів деяких глікопротеїнів та від гангліозидів. Надлишок цих сполук при дефіциті ферменту накопичується у лізосомах та іноді виводиться із сечею.

Тип ІІ пов¢язаний з відсутністю у лізосомних ферментах кінцевого манозофосфату, який необхідний для взаємодії ферменту з рецептором мембрани, що забезпечує його екзоцитоз та ендоцитоз. При цьому у лізосомах накопичуються незруйнованих молекул муколіпідів.