Глава 2. КОЛЛАГЕН — ОСНОВА МЕЖКЛЕТОЧНОГО МАТРИКСА
Межклеточный матрикс выполняет разнообразные функции:
♦ обеспечивает механические контакты между клетками;
♦ образует механически прочные структуры, такие, как кости, хрящ, сухожилия и суставы;
♦ составляет основу фильтрующих мембран (например, в почках);
изолирует клетки и ткани друг от друга (например, обеспечивает скольжение в суставах и движение клеток);
формирует пути миграции клеток, вдоль которых они могут перемещаться, например, при эмбриональном развитии.
Таким образом, межклеточный матрикс чрезвычайно вариабелен как по химическому составу, так и по выполняемым функциям.
На рис. 1 в упрощенном виде представлены три главных компонента межклеточного матрикса:
 
* коллагены;
сетчатые адгезивные белки (эластин и др.);
протеогликаны и гиалуроновая кислота.
КОЛЛАГЕН (греч. kolla клей + gennao производить) — один из основных фибриллярных белков соединительной ткани, относящийся к группе склеропротеидов. Коллаген чрезвычайно широко распространен в различных органах и тканях позвоночных и беспозвоночных животных; не содержат его только простейшие и бактерии.
Коллаген составляет от 25 до 33% общего количества белка в организме, т.е. 6% массы тела.
Название "коллаген" объединяет семейство близкородственных фибриллярных белков, которые являются основным белковым элементом кожи, костей, сухожилий, хряща, кровеносных сосудов, зубов.
Общие функции коллагена:
1. Биоабсорбция (всасывание).
2. Обеспечение клеточной адгезии (фиксация клеток в межклеточном матриксе за счет взаимодействия с мембранными рецепторами).
Ускорение процесса формирования новых клеток.
Стимуляция образования эпителиальных клеток.
Биосовместимость.
Исходя из его функций и свойств, образуемых им тканей можно выделить следующие типы коллагена: волокнистый коллаген, коллаген, образующий сетеподобные структуры, иммобилизованный волокнистый коллаген в базальной мембране и некоторые другие.
В разных тканях преобладают разные типы коллагена, а это, в свою очередь, определяется той ролью, которую коллаген играет в конкретном органе или ткани. Например, в пластинчатой костной ткани, из которой построено большинство плоских и трубчатых костей скелета, коллагеновые волокна имеют строго ориентированное направление: продольное — в центральной части пластинок, поперечное и под углом — в периферической.
Это способствует тому, что даже при расслоении пластинок фибриллы одной пластинки могут продолжаться в соседние, создавая таким образом единую волокнистую структуру кости.
Поперечно ориентированные коллагеновые волокна могут вплетаться в промежуточные слои между костными пластинками, благодаря чему достигается прочность костной ткани.
В сухожилиях коллаген образует плотные параллельные волокна, которые дают возможность этим структурам выдерживать большие механические нагрузки.
В хрящевом матриксе коллаген образует фибриллярную сеть, которая придает хрящу прочность, а в роговице глаза коллаген участвует в образовании гексагональных решеток десцеметовых мембран, что обеспечивает прозрачность роговицы, а также участие этих структур в преломлении световых лучей.
В дерме фибриллы коллагена ориентированы таким образом, что формируют сеть, особенно хорошо развитую в участках кожи, которые испытывают сильное давление (кожа подошв, локтей, ладоней), а в заживающей ране они агрегированы весьма хаотично.
Опорная функция коллагенового волокна обеспечивается за счет его необычных биологических и физико-химических свойств (метаболическая инертность, устойчивость к действию различных веществ и т. д.), которые оно приобретает в результате упорядоченной агрегации молекул коллагена.
Строение и специальные функции разных типов коллагенов
В межклеточном матриксе молекулы коллагена образуют полимеры, называемые фибриллами коллагена. Фибриллы коллагена обладают огромной прочностью и практически нерастяжимы. Они могут выдерживать нагрузку, в 10 000 раз превышающую их собственный вес. По прочности коллагеновые фибриллы превосходят прочность стальной проволоки того же сечения. Именно поэтому большое количество коллагеновых волокон, состоящих из коллагеновых фибрилл, входит в состав кожи, сухожилий, хрящей и костей.
Коллаген является гликопротеидом, содержание углеводов в котором может варьировать в зависимости от источника получения белка. Молекула коллагена беспозвоночных животных, как правило, содержит больше углеводов, чем молекула коллагена позвоночных. Большая часть углеводов в коллагене позвоночных идентифицирована как D-галактоза и D-глюкоза.
Стержневидная молекула коллагена — тропоколлаген (элементарная структурная единица коллагенового волокна), имеет молекулярный вес (массу) около 300 000, длину около 300 нм и толщину около 1,5 нм. Она состоит из трех полипептидных цепей, представляющих скрученные спирали, "навинченные" как бы на один общий цилиндр (рис. 2).
Необычные механические свойства коллагеновых волокон связаны с их первичной и пространственной структурами. Молекулы коллагена состоят из трёх полипептидных цепей, называемых α -цепями. Идентифицировано более 25 α -цепей, из которых формируется до 19 разных типов коллагеновых молекул. В состав коллагеновых волокон могут входить три одинаковые или разные цепи.
По аминокислотному составу коллаген резко отличается от большинства белков. Основными особенностями аминокислотного состава коллагена, полученного из любого источника, являются высокое содержание глицина, наличие достаточно высокого содержания оксипролина и оксилизина, низкое содержание серосодержащих аминокислот, отсутствие цистеина и триптофана, а гистидин, метионин и тирозин находятся лишь в очень небольшом количестве,
Первичная структура α -цепей коллагена необычна, так как каждая третья аминокислота в полипептидной цепи представлена глицином, около 1/4 аминокислотных остатков составляют пролин или 4-гидроксипролин, около 11 % — аланин. В составе первичной структуры α -цепи коллагена содержится также необычная аминокислота — гидроксилизин.
Полипептидную цепь коллагена можно представить как последовательность триплетов Гли-X-Y, где X и Y могут быть любыми аминокислотами, но чаще в положении X стоит пролин, а в положении Y — гидроксипролин или гидроксилизин. Каждая из этих аминокислот имеет большое значение для формирования коллагеновых фибрилл.
Аминокислотная последовательность полипептидных цепей коллагена позволяет сформировать уникальную по своим механическим свойствам структуру, обладающую огромной прочностью. Изменение в первичной структуре коллагена может приводить к развитию наследственных болезней.
19 типов коллагена подразделяют на несколько классов, в зависимости от того, какие структуры они могут образовывать: I тип содержит в своей молекуле две α1,(I)-цепи и одну α 2-цепь; II тип — три α1,(II)-цепи; III тип — три α1 (III)-цепи; IV тип — три α1, (IV)— цепи и т.д.
Каждый тип соединительной ткани характеризуется, в свою очередь, и наличием коллагена определенного типа: в коже и костной ткани обнаруживается в основном коллаген типа I, в хрящевой ткани — типа II, в базальных мембранах — типа IV и т.д.
95% всего коллагена в организме человека составляют коллагены I, IIи III типов, которые образуют очень прочные фибриллы. Значительное содержание именно этих типов объясняется тем, что они являются основными структурными компонентами органов, которые испытывают постоянную или периодическую механическую нагрузку (кости, сухожилия, хрящи, межпозвоночные диски, кровеносные сосуды), а также участвуют в образовании стромы паренхиматозных органов. Поэтому, коллагены I, II и III типов часто называют интерстициальными.
При денатурации коллагена, ведущей к образованию желатины, в мягких условиях (умеренное прогревание, действие мочевины и т.д.) разрываются связи, и молекула коллагена распадается на отдельные α -цепи, их димеры (β-компоненты) или тримеры (γ-компоненты).
Синтез коллагена в виде предшественника — проколлагена, является функцией клеток мезенхимального происхождения, которые в зависимости от типа соединительной ткани получили названия фибробластов, хондробластов, остеобластов и т.д.
Синтез и созревание коллагена — сложный многоэтапный процесс, начинающийся в клетке, а завершающийся в межклеточном матриксе.
В распаде коллагеновых белков в организме главную роль играет специальный фермент — коллагеназа, расщепляющая молекулу коллагена на два фрагмента, составляющих 3/4 и 1/4 от ее длины. В результате понижается стабильность структуры коллагена и облегчается его расщепление другими протеолитическими ферментами, которые не действуют на обычный функционирующий коллаген.
Поперечная исчерченность является одним из характерных признаков коллагенового волокна; эта исчерченность обнаруживается на электронно-микроскопических снимках в виде чередующихся темных и светлых полос.
Комбинация темной и светлой полосы составляет в волокне один основной период, размер которого равный в среднем 64—67 нм. Поперечная исчерченность коллагенового волокна объясняется различной "упаковкой" отдельных участков молекул коллагена, что обусловлено, в свою очередь, неравномерным распределением аминокислотных остатков.
Строго упорядоченная упаковка, присущая светлым полосам, обусловлена концентрированием в этих участках аполярных аминокислотных остатков (пролин, оксиаминокислоты и т. д.). Специфическое распределение аминокислотных остатков при формировании коллагенового волокна осуществляется за счет их смещения в отношении друг друга (рис. 3).
Скорость образования коллагенового волокна в большой степени зависит от величины рН, температуры и присутствия в окружающей среде тех или иных веществ, ускоряющих или замедляющих этот процесс (АТФ, гликозаминогликаны, мочевина, аскорбиновая кислота, катехоламины и т. д.).
Образовавшиеся коллагеновые фибриллы укрепляются внутри межцепочечными ковалентными сшивками (они встречаются только в коллагене и эластине).
Количество поперечных связей в фибриллах коллагена зависит от функции и возраста ткани. Например, между молекулами коллагена ахиллова сухожилия сшивок особенно много, так как для этой структуры важна большая прочность. С возрастом количество поперечных связей в фибриллах коллагена возрастает, что приводит к замедлению скорости его обмена у пожилых и старых людей.
При недостатке меди или витаминов РР или В6 нарушается образование поперечных сшивок и, как следствие, снижаются прочность и упругость коллагеновых волокон.
Процессы биосинтеза, распада коллагена и фибриллогенеза могут изменяться при ряде физиологических и патологических состояний организма (возраст, регенерация, воспаление, коллагеновые болезни, авитаминозы, гормональные нарушения и т. д.).
Как правило, биосинтез коллагена и образование коллагеновых волокон значительно усиливаются при различных процессах, сопровождающихся разрастанием соединительной ткани (склеротические изменения сосудов и органов, хронические воспалительные изменения, заживление ран и переломов костей и др.). Иногда эти процессы могут быть обратимыми и сопровождаться резким усилением распада коллагена. Примером этого может служить быстрое снижение содержания коллагена в матке после окончания беременности, резорбция костной ткани при переломах и т. п.
При патологических процессах в соединительной ткани изменяются основные ее элементы — коллагеновые волокна. Чаще всего эти изменения являются результатом воспалительных реакций, при которых происходят разнообразные превращения как бесструктурного основного вещества, так и коллагена.
При любом воспалительном процессе коллагеновые волокна набухают, затем происходит их фрагментарный распад и растворение под действием протеолитических ферментов полиморфно-ядерных лейкоцитов и фагоцитов. В процессе распада коллагеновые волокна утрачивают присущие им свойства.
При коллагеновых болезнях сначала наступает отек и набухание коллагеновых волокон, а затем их фибриноидное пропитывание и некроз. Эти изменения коллагена и последующие гранулематозные реакции составляют основу всех патологических процессов, протекающих с преимущественным поражением соединительной ткани: дерматомиозита, ревматоидного артрита и др.
Как и любой белок, коллаген функционирует в организме определённое время. Его относят к медленно обменивающимся белкам. Т1/2 составляет недели или месяцы. Разрушение коллагеновых волокон осуществляется активными формами кислорода и/или ферментативно (гидролитически).
Нативный коллаген не гидролизуется обычными пептидгидролазами. Основной фермент его катаболизма — коллагеназа, которая расщепляет пептидные связи в определённых участках спирализованных областей коллагена.
Тканевая коллагеназа присутствует у человека в различных органах и тканях. В норме она синтезируется клетками соединительной ткани, прежде всего, фибробластами и макрофагами. Тканевая коллагеназа — металлозависимый фермент, который содержит Zn2+ в активном центре. Тканевая коллагеназа обладает высокой специфичностью, она перерезает тройную спираль коллагена в определённом месте, примерно на 1/4 расстояния от С-конца, между остатками глицина и лейцина(или изолейцина).
Образующиеся фрагменты коллагена растворимы в воде, при температуре тела они спонтанно денатурируются и становятся доступными для действия других протеолитических ферментов. Нарушение катаболизма коллагена ведёт к фиброзу органов и тканей (в основном печени и лёгких). А усиление распада коллагена происходит при аутоиммунных заболеваниях (ревматоидном артрите и системной красной волчанке) в результате избыточного синтеза коллагенозы при иммунном ответе.
У молодых людей обмен коллагена протекает интенсивно, с возрастом (и особенно в старости) заметно снижается, так как у пожилых и старых людей увеличивается количество поперечных сшивок, что затрудняет доступность коллагена для действия коллагеназы.
В некоторых ситуациях синтез коллагена заметно увеличивается. Например, фибробласты мигрируют в заживающую рану и начинают активно синтезировать в этой области основные компоненты межклеточного матрикса. Результат этих процессов — образование на месте раны соединительнотканного рубца, содержащего большое количество хаотично расположенных фибрилл коллагена. Сходным образом происходит замещение погибающих клеток соединительной тканью в печени при циррозе, в стенках артерий при атеросклерозе, в мышцах при их дистрофии.
Особую роль в регуляции синтеза коллагена играют гормоны половых желез и коры надпочечников, так глюкокортикоиды тормозят синтез коллагена. Синтез коллагена кожи зависит от содержания эстрогенов, что подтверждает тот факт, что у женщин в менопаузе снижается содержание коллагена в дерме.
При слабой прочности соединительной ткани возникают болезни "слабости": расширение вен, грыжи, геморрой, гипотония, ожирение, опущения органов. При "жесткой" (с повышенной прочностью) соединительной ткани — келоиды, контрактуры, фиброзиты, артриты, склерозы и т.д.
|
