загрузка...
 
БИОГЕНЕЗ КОЛЛАГЕНОВЫХ ВОЛОКОН
Повернутись до змісту

БИОГЕНЕЗ КОЛЛАГЕНОВЫХ ВОЛОКОН

Биосинтез коллагена, предваряющий формирование коллагеновых волокон, уникален тем, что некоторые его стадии реализуются не в клетках, а в межклеточном пространстве.

Начинается синтез a-цепей, как обычно, в рибосомах. Осуществляют его в основном фибробласты и родственные им клетки (хонд- робласты, остеобласты и т.д.), в меньшей степени — эпителиальные, гладкомышечные клетки и некоторые другие.

Синтезируемые исходно предшественники не содержат ни гидроксипролина, ни гидрокси- лизина (как не предусмотренных в генетическом коде). Образуются они лишь путем окисления аминокислот, уже включенных в поли- пептидную цепь. Происходит эта модификация под действием монооксигеназ. сопряженных с окислением оикетокислот (раздел 5.4.3). Одна из них - лизил-гидроксилаза — окисляет определенные лизильные радикалы в положении 5 (см. рис. 5-50). Другой фермент (пролил-4-гид- роксилаза) воздействует на остатки пролина, но только из числа тех, что соединены с соседним глицином своей карбоксильной группой (т.е.. находятся в положении X коллагено- вой триады). Наконец, существует еще и про- лил-3-гидроксилаза, внедряющая кислород в положение 3 пролина, если он своей аминогруппой связан с глицином, а карбоксильной - с образовавшимся ранее 4-гидроксипролином (формулы обоих гидроксипролинов показаны на рис. 2-21).

Все три монооксигеназы содержат Бе2*, а для поддержания его в восстановленном состоянии нуждаются в аскорбиновой кислоте. Нарушение гидроксилирования из-за дефицита витамина С лежит в основе ведущих симптомов цинги. Недавно установлено, что аскорбат, помимо этого, еще и стимулирует биосинтез пролил-гидроксилаз в клетках, усиливая экспрессию соответствующего гена.

Благодаря монооксигеназным реакциям, в спирализованной части наиболее окисленной цепи — а1(У) — в гидроксипролин превращается четверть из 180 остатков пролина, а доля 5-гид- роксилизина достигает здесь почти 1,5% от общего аминокислотного состава (в других а-цепях - обычно не более 0,6%).

Другая реакция постсинтетической модификации коллагена — К-гликозилирование единичных радикалов аспарагина под действием соответствующих гликозилтрансфераз. Обычно а-цепь содержит 1-2 олигосахаридных фрагмента, и лишь в а1(ХУ) и аЗ(У1) их число достигает

8. В коллагенах типа I и III возможно также

О-гликозилирование гидроксилизина (но не гидроксипролина!). При этом в костной ткани к нему присоединяется обычно галактоза, а в коллагене дермы - а-глюкозидо(1,2)-галактоза.

После завершения синтеза полипептидной цепи процессы гидроксилирования и гликози- лирования прекращаются. Одновременно (или раныце - еще в растущей цепи) происходит отщепление сигнального пептида (от 15 до 38 АО в разных цепях). В результате появляется про-а-цепь, готовая к спонтанному складыванию в тройную суперспираль. На ее концах нередко бывает пропептид - фрагмент, подвергаемый в дальнейшем отщеплению. На К-конце он сравнительно невелик (не более 160 АО) и имеется лишь в коллагенах 1-Г/ и XI (^точнее, в их про-а-цепях). С-концевые пропептиды (длиной около 250 АО) есть в предшественниках только фибриллярных коллагенов (I, II, III, V и XI) и всегда содержат по

8 радикалов цистеина.

Дисульфидные мостики, возникающие между С-концевыми пропептидами всех трех про-а-цепей, облегчают «правильное» формирование трехнепочечной суперспирали, так как способствуют установке субъединиц в соосное положение, благоприятное для сплетения ИХ в единый «жгут».

Суперспирализация охватывает только центральную часть молекулы проколлагена, который попадает в секреторные пузырьки, а затем выделяется в среду, где и подвергается дальнейшим превращениям.

Внеклеточный этап биогенеза коллагена протекает в 4 последовательные стадии, из которых лишь первая и третья являются ферментативными.

я    стадия — отщепление пропептидов специальными протеиназами, которые выделяются в ВКМ фибробластами. В результате проколлаген превращается в почти готовый тропоколлаген, молекулы которого способны к самоорганизации в надмолекулярные волокнистые структуры. На концах его, как правило, сохраняются неспирализованные участки (обычно их называют телопептидами). Они невелики у главнейших из фибриллярных коллагенов (от 9 до 35 АО), а у минорных бывают на порядок крупнее (коллагены типа V и XI).

я    стадия - самосборка коллагеновых волокон, не требующая участия ферментов. Протекает она по-разному. Но начинается всегда с формирования коллагеновой микрофибриллы. Строение ее лучше всего прослеживается в фибриллярных коллагенах. Десятки молекул тропоколлагена уложены в одну линию по типу «голова к хвосту»: начало каждой из них (1Ч-концы всех ее трех субъединиц) направлено к С-концу предшествующей. В местах сближения эти суперслирапи никак не связаны между собой. Более того, они разделены промежутком в 35 нм. Поддерживается такое расположение молекул тропоколлагена слабыми взаимодействиями «бок о бок» со смежными, столь же линейными укладками, но смещенными почти на четверть длины каждой молекулы (рис. 10- 1). Регулярность смещения обусловлена тем, что места сосредоточения заряженных радикалов аминокислот вдоль тройной суперспирали чередуются с участками скопления незаряженных участков. Периодичность чередования составляет примерно 67 нм. Поэтому максимум водородных и ионных связей между смежными молекулами достигается при относительных сдвигах, кратных 67 им (отсюда - упомянутое расстояние в 35 нм между концами молекул: 67x5 = 335 нм, а реальная длина тропоколлагена фибриллярного типа составляет 300 нм). Свободные промежутки в 35 нм часто называют просветами («зазорами»). В костной ткани и дентине здесь формируются центры кристаллизации фосфорно-кальциевых солей.

Объединяются, как правило, от 20 до 100 параллельных рядов, каждый протяженностью в десятки молекул тропоколлагена. Поэтому в целом микрофибрилла имеет форму стержня (прутка) толщиной 30-150 нм при длине, достигающей многих микрометров. Сами микрофибриллы, в свою очередь, организуются в более крупные образования - фибриллы.

В сухожилиях они обычно уложены в продольные пучки толшиной в несколько микрометров, именуемые коллагеновыми волокнами.

В коже укладка фибрилл напоминает прутья в плетеных изделиях, благодаря чему обеспечивается устойчивость к нагрузкам в разных направлениях.

В костях и роговице глаза наблюдается слоистое расположение волокон. При этом параллельные ряды их в одном слое направлены примерно перпендикулярно волокнам соседнего слоя (это напоминает взаимно перпендикулярное направление волокон древесины в смежных слоях фанеры).

Вся эта постадийная самосборка волокнистых структур протекает спонтанно, за счет слабых типов связи. Но дальнейшие стадии не дожидаются полного завершения всего процесса в целом, а подключаются по мере завершенности каждой очередной стадии.


Рис. 10-1. Схема строения коллагеновой микрофибриллы

я    стадия начинается по ходу формирования микрофибрилл и заключается в окислительном дезаминировании части лизильных фрагментов. Похоже, оно затрагивает лишь те радикалы аминокислот, что находятся в пределах телопептидов. Катализирует реакцию медьсодержащая протеин-Ь-лизил-6-оксидаза (раздел 5.4.1), преобразуя лизин и 5-гидрокси лизин в их альдегидные аналоги - аллизии и 5-гыд- роксиаллизин (см. рис. 5-36).

я    стадия, заключительная, сводится к формированию ковалентных связей между молекулами тропоколлагена. Благодаря высокой реакционной способности, свойственной альдегидам, становятся возможными спонтанные (без участия ферментов!) химические реакции аллизинов с подходящими группировками, расположенными на доступном расстоянии. Обычной «мишенью» является е-амино- группа того радикала лизина (или 5-гидрокси- лизина), который находится поблизости в соседней молекуле тропоколлагена. Точнее - в ее спирализованном участке. Происходит, в сущности, реакция параметаболизма. В данном случае - реакция конденсации с образованием шиффова основания К-СН2-СН=]Ч~СН2-К '. Ее называют альдиминной конденсацией (если участвует аллизин) или кетоиминной (если вовлекается 5-гидроксиаллизин).

На рис. 10-2 представлены схемы обоих вариантов конденсации (А и Б), а также строение возникающих шиффовых оснований (I и

. Эти соединения не очень устойчивы. Стабилизация их в продуктах альдиминной конденсации осуществляется путем восстановления двойной связи, а при кетоиминной — посредством внутримолекулярной перегруппировки с «вытеснением» двойной связи из цепи в состав кетогруппы. В обоих вариантах две молекулы тропоколлагена оказываются связанными цепочкой лизинонорлейцина (II) либо, соответственно, лизино-5-кетонорлейцина (VI). Это - если реакция шла с участием радикала лизина. Если же вместо лизильного фрагмента изначально был вовлечен 5-гидрокси- лизильный, то межмолекулярная связь (после стабилизации) имеет строение соответственно гидроксилизино-норлейцина (III) или гидро- ксилизино-5-кетонорлейцина (V).

Рис. 10-2. Ковалентное связывание молекул тропоколлагена неферментативной реакцией альдиминной (А) или кетоиминной (Б) конденсации.

Стабилизация любой из упомянутых связей приводит к тому, что две молекулы тропоколлагена оказываются соединенными прочной 8-углеродной цепочкой с атомом азота посередине. Такого рода межмолекулярные перемычки принято называть поперечными сшивками. В данном случае сшивку называют бифункцио- нальной, т.к. она соединяет два тропоколлагена (точнее, две субъединицы, принадлежащих обычно разным молекулам этого белка). Ковалентное соединение атомов цепочки придает ей высокую прочность, а значительная протяженность — еще и определенную гибкость. Такие перемычки характерны для ведущих коллагенов из группы фибриллярных — коллагенов типа I, II и III. Однако соотношение разных сшивок имеет заметную тканевую специфику. Так, коллагены кожи содержат мало гидроксиалли- зина. Поэтому преобладают здесь альдимин- ные сшивки, главным образом гидроксилизи- но-норлейциновые (III). А кетоимины типичны для коллагенов сухожилии, кости и хряща. Преобладает здесь гидроксилизино-5-кетонор- лейцин (V), а доля лизино-5-кетонорлейцина (VI) резко уменьшается с возрастом, но в твердых тканях возрастает в период их кальцификации.

Ковалентно закрепляя регулярную структуру микрофибрилл, возникшую в процессе их самосборки, бифункциональные сшивки и сами имеют тоже очень упорядоченное расположение. Как правило, каждый концевой телопеп- тид соединен одной сшивкои с расположенным на том же уровне участком суперспирали смежной молекулы тропоколлагена.

Рис. 10-3. Схема образования трифуккциональных сшивок в коллагеновых волокнах. Сокращения: Ал - Аллизин; ГАл -5-Гидроксиаллизин; ГЛК — Гидроксилизино-5-кетонорлейцин.

По мере созревания ткани возникают перемычки и между микрофибриллами. Происходит это путем спонтанного взаимодействия кетоиминной бифункциональной сшивки, уже имеющейся в одной микрофибрилле, с альдегидным радикалом, расположенным в другой микрофибрилле (точнее, в ее телопептидной части). В итоге образуется пиридшиевое кольцо, которое через углеродные цепочки связывает три а-цепи разных молекул тропоколлаге- на. Иными словами, создается трифункцио- напъная сшивка. В качестве «донора» альдегидной группы чаще всего выступает 5-гид- роксиаллизин (ГАл). При его взаимодействии с гидроксилизино-5-кетонорлейцином (ГЛК) возникает гетероцикл, обозначаемый как гидро- ксилизил-пиридинолш (рис. 10-3,1). Этот вариант трифункциональной перемычки преобладает в коллагенах большинства тканей, включая сухожилия и хрящ. С другой стороны, в минерализуемых тканях (кость, дентин) число пи- ридиниевых сшивок вообще невелико (в 5-10 раз меньше, чем в хряще), и представлены они в значительной мере пизип-пиридинолином (этот дезокси-аналог I является продуктом реакции ГАл с лизино-5-кетонорлейцином и потому не содержит гидроксильной группы в самой длинной из боковых цепей). Если вместо ГАл с кетоиминной сшивкой реагирует аллизин. то образуются перемычки пиррольного типа (рис. 10-3, II). Они специфичны для минерализуемых тканей, хотя и их здесь немного.

Таким образом, «дозревание» кетоиминной бифункциональной сшивки не только делает ее трифункциональной, но и переводит в разряд межфибриллярных перемычек. Благодаря им обеспечивается прочное ковалентное соединение микрофибрилл в составе коллагенового волокна. В детском возрасте общее число таких сшивок в костной ткани и в хряще постепенно увеличивается, достигая к 10-15 годам уровня, который сохраняется затем всю жизнь. Биологическая стабильность циклических сшивок столь значительна, что даже при деградации коллагеновых молекул пиридиниевые и пир- рольные фрагменты не подвергаются расщеплению, попадают в кровь и выводятся с мочой (где их содержание дает представление об интенсивности распада коллагена в организме).

От довольно единообразных коллагенов фибриллярной группы значительно отличаются тропоколлагены базальных мембран, формирующие не параллельные ряды волокон, а сетевидную структуру. Главная особенность - протяженность участка суперспирапизации: он либо почти в 1,5 раза длиннее обычного (коллагены типов IV и VII), либо в 2-3 раза короче (коллагены типов VI, VIII и X). Кроме того, почти у всех коллагенов этой группы неспирапизован- ные концы молекул имеют очень большие размеры, насчитывая до 800-1200 АО, а у аЗ(У1) - даже свыше 2000 таких звеньев. Нередко в этих крупных участках а-цепи содержатся фрагменты, подобные определенным доменам ряда по- лифункциональных белков, таких как фактор ФВ (раздел 8.6.1) и фибронектин (подробно описан в разделе 10.3.1), С ^-субкомпонент комплемента, ингибиторы еериновых протеи- наз. Наконец, многие а-цепи коллагенов базальной мембраны содержат от 3 до 8 центров связывания с клетками (КСЮ-модуль). Межмоле- кулярные сшивки представлены в основном гидроксилизино-5-кетонорлейцином (рис. 10-2,

; пиридинолиновых сшивок не обнаружено.

Перечисленные особенности не позволяют коллагенам данной группы создавать пучки параллельных волокон, типичные для фибриллярных коллагенов. Вместо этого они формируют специфическую ячеистую структуру, которая напоминает рыболовную сеть: множество молекул тропоколлагена типа IV, расположенных в одной плоскости, соединены между собой ковалентными перемычками, формируя ячейки сети. Более того, появляются еще и сшивки с соседней сетью, расположенной в параллельной плоскости. Возникает обширный пласт многослойной сети. Именно так, полагают, коллагены типов IV и VIII создают волокнистую основу базальной мембраны. Контакты между элементами этой основы подкрепляются другим из главнейших ее белков - ламинином. Этот муль- тифункциональный гликопротеин, состоящий из разных субъединиц, способен связываться не только с молекулами коллагена типа IV, но и с клеточными рецепторами, участвуя тем самым в обеспечении тесного взаимодействия клеток и базальной мембраны.

Тропоколлаген типа VII выполняет иные функции. Он формирует так называемые якорные фибриллы. Своими неспирал изованны ми концами они закрепляются в плотной пластинке базальной мембраны эпителия, взаимодействуя с волокнами коллагена-Р/. Средняя часть якорной фибриллы, образованная протяженными участками суперспирализации, выступает в подлежащий слой в виде петли, сквозь которую продеты фибриллы ретикулярной пластинки, образуемые коллагенами I и III.

Коллаген типа X специфичен для минерализуемых участков хрящевой ткани. С коллагенами базальной мембраны его роднит не только структура, но и способность формировать сети. Подобно коллагену-VIII в десцементовой мембране роговицы глаза, он образует весьма регулярную структуру (гексагональная сеть).

Коллагены, ассоциированные с фибриллами (см. табл. 10-2), резко отличаются от остальных прерывистостью тройной суперспирали, разделяемой на 2-9 фрагментов короткими неспирализованными участками. Не будучи пригодными для самоагрегации в коллагено- вые фибириллы, они появляются на поверхности завершающих свое созревание волокон, образуемых коллагенами фибриллярной группы. Этим лимитируется боковой рост коллагеновых волокон (их утолщение). Так, коллаген типа IX обнаруживается на поверхности тонких фибрилл хрящевой ткани, где он ковалентно связан с цепями коллагенов II и XI. Аналогичным образом коллаген-ХИ ассоциирован с фибриллами коллагена-1, преобладающего в костной ткани.


Помимо участия в регулировании роста волокнистых структур, ассоциированные коллагены способствуют их взаимодействию с другими компонентами соединительной ткани. Важную роль в этом играют неспирализован- ные фрагменты, содержащие домены подобия фибронектину типа III, фрагментам фактора ФВ, субкомпоненту С 1ч комплемента, а также КСЮ-центры взаимодействия с клетками.



загрузка...