загрузка...
 
ГЛ И КОЗАМИ НОГЛИКАНЫ
Повернутись до змісту

ГЛ И КОЗАМИ НОГЛИКАНЫ

Полисахаридные компоненты межклеточного вещества, при всем их разнообразии, построены очень однотипно. Каждая молекула представляет собой длинную цепь, образованную многократным повторением дисахаридного фрагмента, в состав которого почти всегда входит глюкуроновая кислота (ее строение показано на рис. 6-9). Другим компонентом дисаха- ридной единицы является остаток глюкозамина или галактозамина, что и отражено в названии — глгжозаминогликаны (вместо устаревшего «му- кополисахариды»). В обоих этих аминопроизводных гексоз гидроксильная группа в положении 2 заменена на аминогруппу, которая обычно анетилирована (см. формулы на рис. 1-25). Типичными для позвоночных гликозаминоглика- нами являются:

гиалуроновая кислота;

хондроитинсульфаты и дерматансуль- фаты;

гепарансульфаты и гепарин;

кератансульфаты.

Названные группы гликозаминогликанов различаются особенностями строения дисаха- ридной единицы. Десятки или сотни таких единиц (в гиалуроновой кислоте до десятков тысяч), последовательно соединяясь друг с другом, формируют линейную (неразветвленную) гликозаминогликаиовую цепь полианионного характера.

Формулы структурных звеньев разных цепей представлены в табл. 10-3. Можно видеть, что хондроитин- и дерматансульфаты относятся к числу гажжтозаминогликанов, а остальные - к разряду глю/созаминогликанов. Кроме того, за исключением гиалуроновой кислоты, все гликозаминогликаны являются сульфата- рованными полисахаридами, ибо их дисаха- ридные звенья содержат до 3-4 остатков серной кислоты. Следует отметить также, что в глико- заминогликанах иногда содержатся производные нейраминовой кислоты - так называемые сиаловые кислоты (см. рис. 1-25). Они не входят в состав дисахаридных единиц и могут располагаться только на свободном конце полисахаридной цепи.

Будучи очень гидрофильными, гликозаминогликаны могут связывать большое количество воды. Этому способствует и обилие отрицательных зарядов (обусловленных наличием сульфатных и карбоксильных групп), которые притягивают осмотически активные катионы. В итоге даже в небольших концентрациях (менее 10%) протеогликаны придают основному веществу характер сильно гидратированного геля, создающего «давление набухания» (тургор) и вполне проницаемого для молекул, растворимых в воде. В таком геле легко могут продвигаться клетки и их отростки.

Гиалуроновая кислота (гиалуронан) состоит из дисахаридных звеньев, в которых глюкуроновая кислота соединена (3(1—»3)-гликозид~ ной связью с (М-ацетил)глюкозамином (см. табл. 10-3). Это - единственный структурный углевод, который существует как свободная молекула, не соединенная ковалентно ни с белками, ни с чем иным. И биосинтез ее необычен.


Таблица 10-3

Структурные звенья различных гликозаминогликанов


Он уникален тем, что протекает в плазматической мембране (на ее внутренней поверхности), а не в ЭР или рибосомах, где создаются другие биополимеры.

Один и тот же фермент - гиалуронан- синтетаза — осуществляет поочередный перенос остатков глюкуроновой кислоты и (N-аце- тил)глюкозамина на строящуюся цепь полисахарида. Оба субстрата образуются в клетке путем преобразований углеводной части УДФ-глюкозы (показанных в разделе 6.4.2) и используются синтетазой в уже активированной форме, т.е., в виде своих УДФ-производ- ных. Для каждого из них имеется специальный адсорбционный центр и, соответственно, своя каталитическая активность (в данном случае - гликозилтрансферазная). Перенос очередного моносахаридного звена на предыдущее сопровождается отщеплением молекулы УДФ. Одновременно другой адсорбционный центр становится готовым принять молекулу следующего субстрата, который затем подвергается аналогичной процедуре переноса на растущую цепь. Специальная зона фиксации синтезируемой цепи обеспечивает перемещение ее на одно звено по мере присоединения очередного мономера. Однако механизмы инициации и прекращения синтеза полимерной цепи остаются пока невыясненными. Похоже, фермент сам каким-то образом определяет эти моменты.

Гиалуронан-синтетаза - сравнительно небольшой белок (около 50 кДа). Несколько раз пронизывая плазматическую мембрану, он образует канал, через который вырабатываемый de novo гиалуронан выводится из клетки. Часть выводимого в среду гиалуронана остается связанной с поверхностью клетки (защищая ее), другая взаимодействует с компонентами ВКМ, участвуя в формировании его структуры. Но наибольшая доля находится в свободном (мобильном) состоянии. Физико-химические свойства, особенно способность гиалуронана к гидратации и к формированию трехмерной сети путем нековалентной ассоциации с протеогли- канами, обусловливают важную роль его в гомеостазе воды, в обеспечении фильтрующих эффектов, в уменьшении доли свободной воды, доступной для растворения, например, белков.

Гиалуроновая кислота встречается повсеместно. Особенно преобладает она в рыхлой волокнистой соединительной ткани. В теле человека весом 70 кг содержится около 15 г гиалуронана; из них примерно половина находится в коже, а около четверти - в скелетных тканях, включая суставной хрящ. Содержится гиалуронан и в жидкостях тела. Водные растворы его обладают высокой вязкостью. Поэтому, входя в состав синовиальной жидкости, гиалуронан придает ей свойства хорошей смазки.

Хондроитинсулъфаты и дерматансулъ- фаты в качестве структурной единицы содержат один и тот же дисахаридный фрагмент (см. табл. 10-3). Он отличается от аналогичного звена гиалуроновой кислоты заменой глюкоза- мина на галактозамин. Но самой весомой особенностью является наличие сульфатных групп -БОзН. В хондрштинсулъфатах они присоединены эфирной связью к (Ы-ацетил)галактоз- амину (в положениях 6 или 4), а также к глюкуроновой кислоте (в положении 2, а иногда - и 3). Дерматансулъфаты обычно менее суль- фатированы. Но главная их особенность заключается в ином пространственном расположении заместителей -Н и -СООН при 5-м углеродном атоме уроновой кислоты. Возникает оно из-за ферментативной эпимеризации О-глюкуроновой кислоты в Ь-идуроновую, наступающей в уже синтезированной полимерной цепи (из-за этого (3-гликозидная связь кислоты с гексозамином превращается в формально а-гликозидную).

Величина гликозаминогликанов этой группы варьирует от 10 до 50 кДа. Ими очень богата хрящевая ткань, где содержание хоидроитин- сульфатов составляет до 40% сухого веса. Кроме того, такие гликозаминогликаны входят в состав кожи, сухожилий, костной ткани, межпозвонковых дисков, пуповины, клапанов сердца.

Гепарансульфаты и гепарин сходны с гиалуроновой кислотой по строению дисахарид- ного звена (табл. 10-3). Главное отличие - сульфатные группы, которые могут находиться в положении 2 уроновой кислоты, а в (М-аце- тил)глюкозамине — в положениях 3 и 6 и даже заменять собой ацетильный фрагмент при азоте глюкозамина.

Группы -БОзН распределяются по длине полимерной цепи отнюдь не равномерно. Как правило, немодифицированные участки (длиной обычно в 16-20 дисахаридных единиц) перемежаются с более короткими (6-10 единиц) доменами полной сульфатации (в том числе и по азоту). Кроме того, благодаря ферментативной эпи- меризации в некоторых отрезках цепи Б-глю- куроновая кислота чередуется с Ь-идуроновой, а М-ацетилированные мономеры - с И-сульфати- рованными (домены частичной модификации). Различия в числе и протяженности всех этих доменов приводят к многообразию структурных вариантов гепарансульфатов, что способствует повышению избирательности их взаимодействия с разными лигандами (включая белки).

Гепарин отличается от своих аналогов меньшими размерами (5-20 кДа) и тем, что в качестве белка, на котором формируются гепа- рансульфатные цепи, всегда выступает только серглщин. Это небольшой полипептид (—130 АО), в средней части которого 9 раз подряд повторяется дипептидный фрагмент ...-сер-гли-...; углеводные цепи строятся на двух из его сериновых радикалов, ближайших к Ы-концу молекулы. Локализован гепарин в секреторных гранулах тучных клеток. При их дегрануляции, вызываемой действием определенных стимулов, он попадает во внеклеточную среду, где и проявляет свою высокую биологическую активность (в частности, препятствует свертыванию крови).

Две структурные особенности выделяют гепарин среди всех гепарансульфатных цепей: крайне высокая степень 1Ч-сульфатирования (до 80-90%) и сильное преобладание Ь-идуроновой кислоты над Б-глюкуроновой. Антикоагуляци- онный эффект гепарина обусловлен способностью избирательно связываться с антитромбином III. В этом связывании участвует пентаса- харндный фрагмент ...-Га-Гу-Га-Иу-Га-в строго определенных местах которого находятся 6 сульфатных групп (здесь Гу и Иу обозначают соответственно глюкуроновую и идуро- новую кислоты, а Га- 1Ч~ацетил глюкозам и н).

Кератансулъфаты не содержат в своем составе уроновых кислот (в отличие от всех других гликозаминогликанов). Их цепь представлена повторением (Г4!-ацетил)лактозамина (табл. 10-3). Сульфатные группы находятся в позиции 6 остатков (М-ацетил)глюкозамина, но нередко - и в положении 6 галактозильных фрагментов.

Кератансульфатные цепи невелики (5-15 кДа). В зависимости от способа их присоединения к белку, различают кератансульфаты I и кератансульфаты II. У первых гексозамииовый конец формирует N-гликозидную связь с азотом радикала аспарагина, а у вторых — О-глико- зидную связь с радикалом треонина или серина. Содержатся кератансульфаты в хрящевых тканях, межпозвонковых дисках, роговице глаза.

СТРОЕНИЕ ПРОТЕОГЛИКАНОВ

Длинные цепи всех гликозаминогликанов (кроме гиалуроновой кислоты) существуют не сами по себе, а ковалентно соединены с белковыми молекулами, образуя протеогликаны. Исторически сложилось так, что названия гликозаминогликанов распространяли и на соответствующие им (как считалось) группы протео- гликанов. Такой подход создавал иллюзию, будто в молекуле протеогликана содержатся углеводные цепи одинакового строения. Оказалось, это не так. Теперь твердо установлено, что полипептидный стержень может нести гли- козаминогликановые цепи различного строения. Более того, нередко с одним и тем же белком ковалентно соединены не только полисахариды. но и олигосахариды — как N-связан- ные, так и О-связанные.

Со временные методические возможности позволяют детально выяснять структуру конкретных протеогликанов, в том числе - их по- липептидного компонента, который называют сердцевинным, или коровым белком (от англ. core - сердцевина, ядро, корень). По существу, сейчас совершается переход от архаичного разделения протеогликанов по характеру их углеводных фрагментов к систематизации на основе специфики коровых белков (но и с учетом состава углеводных фрагментов). К настоящему времени полностью выяснена структура более 30 протеогликанов. Их объединяют в суперсемейство и подразделяют на 4 семейства:

гиалектаны;

9 малые протеогликаны, богатые летрином;

протеогликаны базальных мембран;

протеогликаны, встроенные в мембрану клеток.

Краткое описание наиболее изученных представителей перечисленных семейств приведено в таблицах 10-4 - 10-6.


Таблица 10-4

Гиалектаны

Таблице 10-5

Малые протеогликаны, богатые лейцином [коровый белок состоит из блока 10 подряд «лейциновых повторов» (ЛП) между двумя доменами, содержащими по 2 или 4 остатка цистеина]


Гиалектаны до недавних пор обозначались как «большие хондроитинсульфатные протеогликаны». Новое название лучше отражает самые важные особенности этих белков. С одной стороны - наличие особых участков, обеспечивающих нековапентное связывание с гиалуронаном. С другой - присутствие домена, сходного с лектинами (так обозначают белки, избирательно сорбирующие определенную олигосахаридную структуру или даже отдельный моносахарид - например, О-галактозу, N-ацетил глюкозамин, Ь-фукозу).

Наибольшими размерами среди гиалекта- нов обладают агрекан и версикан (см. табл. 10-4), впервые выделенные из хряща. Значительно уступают им по величине нейрокан и бревикан, свойственные ВКМ мозга Тем не менее, общий план построения молекулы одинаков у всех гиалектанов. Их коровые белки имеют протяженную центральную часть, где сосредоточены ковалентно прикрепленные гликозаминогликановые цепи, которые расходятся в разные стороны, примерно перпендикулярно белковому стержню. На Ы-конце, образующем глобулу, имеется 2 или 4 «связующих домена», обладающих очень высоким сродством к гиалуронану. Другой конец коро- вых белков тоже имеет глобулярное строение и содержит набор центров взаимодействия с различными макромолекулами.

Агрекан — наиболее гликозилированный из всех протеогликанов. Его коровый белок содержит до 100-150 хондроитинсульфатных цепей, а также 30-60 цепочек кератансульфата, гораздо более коротких. Обилие полисахаридных цепей со свойственной им гидрофильно- стью придает этой молекуле способность к поддержанию высокого уровня гидратации. В суставном хряще агрекан сильно преобладает над другими компонентами.

Версикан отличается более крупным коро- вым белком (до 370 кДа), на порядок меньшим числом полисахаридных цепей и относительно высокой долей олигосахаридов. Распространен во многих тканях, особенно в хрящевой.

Будучи мультидоменными белками, гиа- лектаны существуют во внеклеточном матриксе не порознь, а формируют еще более крупные агрегаты, - надмолекулярные (что нашло отражение в названии агрекана). Основной принцип заключается в нековалентном объединении множества молекул гиалектана с огромной молекулой гиалуронана. Ведущую роль играют связующие домены И-концевых глобул. Образуемые ими «узлы связи» прочно удерживают до 100 гиалектановых «веточек» вдоль всей молекулы гиалуроновой кислоты (длина которой может достигать 15 мкм). В итоге возникает комплекс, по внешнему виду напоминающий ершик для мытья посуды. Масса таких агрегатов может достигать многих сотен миллионов дальтон. Высокая степень их гидратации позволяет генерировать осмотическое набухание внеклеточного матрикса

Богатые лейцином малые протеогликаны поначалу именовали неагрегирующими проте- огликанами - из-за неспособности формировать комплексы с гиалуронаном. Все члены этого семейства (см. табл. 10-5) обладают небольшим коровым белком (—40 кДа), в котором повторяются подряд 10 (иногда 6) фрагментов, содержащих последовательность

.. .ЬххЬхЬххЫх1_8хЬ... , где Ь - лейцин, изолейцин или валин; N - аспарагин; 8 - серин (или треонин); х - иные аминокислоты. Главной чертой этих «лещиновых повторов» (ЛП) является склонность к нековалентному связыванию со многими другими белками, а также с клеточными мембранами. С обеих сторон к блоку ЛП примыкают сравнительно короткие концы полипептидной цепи, содержащие радикалы цистеина. С-концевой отрезок образует довольно большую петлю, фиксируемую 8-8-мос- тиком между двумя цистеинами, разделенными более чем 30 АО. Коровый белок способен не- ковапентно связываться с участками тройной спирали коллагенов I, II, III, V и VI. Это вызывает задержку начальной сборки тропоколлагена, а в конечном итоге — уменьшение диаметра коллагеновых фибрилл. Олиго- и полисахаридные цепи в неагрегирующих протеоглика- нах единичны, но, тем не менее, важны для поддержания межфибриллярных расстояний. При этом молекулы бигликана, декорина и эпи- фикана (которым наиболее богат эпифизарный хрящ) содержат хондроитин- или дерматан- сульфатные цепи, тогда как фибромодулин, лю- микан и кератокан (остеоглицин) включают в себя кератансульфаты и, кроме того, отличаются наличием сульфотирозина в коровом белке.


Таблица 10-6

Протеогликаны базальных и клеточных мембран

Протеогликаны базальных мембран (табл. 10-6) сильно разнятся по размерам и содержат обычно около 10 К- и О-связанных олигосахаридов, но всего лишь по 3-4 полисахаридных цепи. Своеобразие перлекана и агрина обусловлено и тем, что эти цепи представлены в них гепарансульфатами, в отличие от бамакана (еще одного члена семейства) и от остальных протеогликанов, перечисленных выше.

Самый крупный белок данного семейства

перлекан - наиболее богат дисульфидными

мостиками внутри цепи и изобилует фрагментами, подобными иммуноглобулиновой (типа С2) структуре. Вообще протеогликаны базальных мембран отличаются разнообразием структурно-функциональных доменов в пределах одной молекулы. Среди них следует отметить ЭФР-домены; места связывания с клетками; участки подобия рецепторам липопротеинов низкой плотности; ламинин-связывающие или сходные с ламинином зоны; области аналогии с одним из ингибиторов сериновых про- теиназ. Все это позволяет перечисленным гликопротеинам комплексироваться между собой, с другими обязательными белками базальной мембраны (коллаген типа IV, ламинин, нидо- ген), а также устанавливать связи с клетками, предоставляя им места прикрепления к подложке, и модулировать воздействие факторов роста Будучи преобладающим протеогликаном базальных мембран, перлекан ассоциируется в звездчатые структуры, формирующие своеобразное «сито», анионные группы которого обеспечивают избирательную ультрафильтрацию заряженных частиц.

Протеогликаны, встроенные в мембрану, тоже являются носителями цепей гепарансуль- фата. Впрочем, встраивание здесь не является ковалентным, а потому допускает довольно свободное перемещение макромолекулы вдоль плазматической мембраны. Как отмечено в табл. 10-6, синдеканы удерживаются благодаря наличию трансмембранного участка полипептидной цепи (за которым следует сравнительно короткий цитоплазматический отрезок). Близкие им глипиканы фиксированы еще слабее: их коровый белок ковалентно соединен с гликози- лированным фосфатидилинозитолом, жирнокислотные «хвосты» которого, подобно якорю, погружены в бислойную мембрану.

Становится очевидным, что гепарансуль- фатные структуры тяготеют к клеткам. В зависимости от специфики корового белка они локализуются в базальной мембране (перлекан и агрин), на поверхности клеток (глипиканы и синдеканы) или в гранулах тучных клеток (гепарин).

В заключение следует подчеркнуть, что мультидоменный тип строения является наиболее яркой чертой многих макромолекул основного вещества ВКМ. Эта особенность открывает широкие возможности разнообразных взаимодействий. Свой вклад вносят и углеводные фрагменты, особенно гепарансульфатные. Благодаря этому, в частности, протеогликаны, встроенные в мембраны, не только обеспечивают более тесное взаимодействие клеток с окружающим матриксом, но и способны выполнять роль корецепторов в трансмембранной передаче внешних сигналов регуляторного характера. Некоторые из таких сигналов ведут к смене спектра изоформ синдекана, синтезируемых клеткой, и тем самым участвуют в механизмах клеточной дифференцировки.



загрузка...