Биологическая химия - часть 164

Глава 21

СОЕДИНИТЕЛЬНАЯ ТКАНЬ

Соединительная ткань составляет примерно 50% от массы тела. Рыхлая

соединительная ткань подкожной клетчатки, компактная кость и зубы,

сухожилия и межмышечные фасциальные прослойки, кожа и внутриорган-

ная строма паренхиматозных органов, нейроглия и брюшина – все это

соединительная ткань.

Рис. 21.1. Строение соединительной ткани (схема по А.И. Слуцкому).
I - тучная клетка; II - ретикулиновые волокна; III - эластическое волокно; IV - коллагеновые

волокна; V - фибробласт.

Все разновидности соединительной ткани, несмотря на их морфоло-

гические различия, построены по общим, единым принципам, которые

в основном заключаются в следующем (рис. 21.1):

а) соединительная ткань, как всякая другая, содержит клетки, одна-

ко межклеточное вещество занимает больше места, чем клеточные эле-

менты;

б) для соединительной ткани характерно наличие своеобразных во-

локнистых (фибриллярных) структур: коллагеновых, эластических и ре-

тикулиновых волокон, расположенных в окружении межклеточной субстан-

ции;

в) межклеточное вещество соединительной ткани имеет очень сложный

химический состав.

661

Рис. 21.2. Различные уровни структурной организации коллагена (по Кону).

1 - третичная структура; 2 - молекула тропоколлагена; 3 - коллагеновое волокно.

МЕЖКЛЕТОЧНЫЙ ОРГАНИЧЕСКИЙ МАТРИКС

СОЕДИНИТЕЛЬНОЙ ТКАНИ

Коллаген

Характерным компонентом структуры соединительной ткани являются

коллагеновые волокна. Они построены в основном из своеобразного

белкаи – коллагена. Коллаген составляет 25–33% от общего количества

белка организма взрослого человека, или 6% от массы тела.

Видимые в оптическом микроскопе коллагеновые волокна состоят из

различимых в электронном микроскопе фибрилл – вытянутых в длину

белковых молекул, названных тропоколлагеном.  Т р о п о к о л л а г е н – ос-

новная структурная единица коллагена (рис. 21.2). Необходимо четко

разграничивать понятия «коллагеновые волокна» и «коллаген». Первое

понятие по существу является морфологическим и не может быть сведено

к биохимическим представлениям о коллагене как о белке. Коллагеновое

волокно представляет собой гетерогенное образование и содержит, кроме

белка коллагена, другие химические компоненты. Молекула тропоколла-

гена – это белок коллаген. Одной из отличительных черт данного белка

является то, что

 1

/

3

 всех его аминокислотных остатков составляет глицин,

1

/

3

 – пролин и 4-гидроксипролин, около 1% – гидроксилизин; некоторые

молекулярные формы коллагена содержат также 3-гидроксипролин, хотя

и в весьма ограниченном количестве:

662

4-Гидроксипролин

3-Гидроксипролин

5-Гидроксилизин

1

2

3

14 нм

290 нм

280 нм-

70 нм

Молекулярная масса тропоколлагена около 285000. Тропоколлаген

состоит из трех полипептидных цепей одинакового размера, которые

сливаются в спиралевидный триплет. Тройная спираль стабилизируется

многочисленными межцепочечными поперечными сшивками между лизи-

новыми и гидроксилизиновыми остатками. Каждая полипептидная цепь

тропоколлагена содержит около 1000 аминокислотных остатков. Таким

образом, основная структурная единица коллагена имеет очень большие

размеры, например в 10 раз больше, чем химотрипсин.

Изучение аминокислотного состава и последовательности чередования

аминокислот в полипептидных цепях тропоколлагена показало, что су-

ществует два типа цепей – цепи α1 и α2, а также четыре разновидности цепи

α1: α1 (I), α1 (II), α1 (III) и α1 (IV). В табл. 21.1 представлены данные

о структуре коллагенов различных тканей.

Т а б л и ц а 21.1. Типы коллагенов и некоторые их структурные свойства (по Уайту

и др., 1981)

Тип

I

II

III

IV

Ткань

Кожа, кости, сухожилия,

роговица глаза

Хрящ, стекловидное тело

Кровеносные сосуды,

кожа плода

Базальная мембрана

Полипептидные

цепи

[α1

 (I)]

2

 α2

[α1 (II)]

3

[α1 (III)]

3

[α1 (IV)]

3

Дополнительная

характеристика

< 10 остатков оксилизина

в цепи

> 10 остатков оксилизина

в цепи

Слишком высокое содержа-

ние оксипролина и глицина

Высокое содержание 3-ок-

сипролина; > 20 остатков

оксилизина в цепи; низкое

содержание аланина

Как и все белки, коллаген синтезируется клетками из свободных ами-

нокислотных остатков. Аминокислотные остатки, специфичные для моле-

кулы коллагена, гидроксипролин и гидроксилизин не образуются из соот-

ветствующих свободных аминокислот. Эти аминокислотные остатки появ-

ляются после включения пролина и лизина в полипептидную цепь с учас-

тием ферментов пролилгидроксилазы или лизилгидроксилазы и кофакто-

ра – аскорбиновой кислоты.

Учитывая наличие разных молекулярных форм в пределах одного типа

(например, коллаген типа 1 имеет состав [α1 (I)]

2

 α2 либо [α1 (I)]

3

, есть

основание считать, что существует по крайней мере не менее 10 моле-

кулярных форм коллагена (Е.С. Северин).

Напомним, что коллаген – внеклеточный белок, но он синтезируется

в виде внутриклеточной молекулы-предшественника, которая перед обра-

зованием фибрилл зрелого коллагена подвергается посттрансляционной

модификации. Предшественник коллагена (сначала препроколлаген, а затем

проколлаген) претерпевает процессинг в ходе прохождения через эндо-

плазматический ретикулум и комплекс Гольджи до появления во внекле-

точном пространстве. Внеклеточные амино- и карбоксипротеаза проколла-

663

гена удаляют соответственно аминоконцевой и карбоксиконцевой про-

пептиды. Вновь образованные молекулы коллагена спонтанно собираются

в коллагеновые фибриллы. В результате перекрестного связывания цепей

и спиральных молекул фибрилл через основания Шиффа и альдольную

конденсацию (т.е. перекрестное связывание их рядом ковалентных связей)

образовавшиеся фибриллы приобретают силу напряжения зрелых колла-

геновых фибрилл.

Эластин

Эластин – основной белковый компонент, из которого состоят эластические

волокна. Он отличается от коллагена по химическому составу и мо-

лекулярной структуре.

Общими для эластина и коллагена являются большое содержание

глицина и пролина, наличие оксипролина, хотя последнего в эластине

примерно в 10 раз меньше, чем в коллагене. Как и в коллагене, в эластине

мало метионина и отсутствуют триптофан и цистеин.

В отличие от коллагена в эластине значительно больше валина и ала-

нина и меньше глутаминовой кислоты и аргинина. В целом характерной

особенностью первичной структуры эластина является слишком малое

содержание полярных аминокислотных остатков. При ферментативном

гидролизе эластина в гидролизате обнаруживаются десмозин и изодесмо-

зин. Эти соединения содержатся только в эластине. Структура их довольно

необычна: 4 остатка лизина, соединяясь своими радикалами, образуют

замещенное пиридиновое кольцо. Считают, что при образовании десмозина

сначала 3 остатка лизина окисляются до соответствующих ε-альдегидов,

а затем происходит их соединение с четвертым остатком лизина:

Очевидно, именно благодаря своей структуре десмозин и изодесмозин

могут одновременно входить в состав четырех пептидных цепей. По-ви-

димому, этим можно объяснить, что эластин в отличие от других фибрил-

лярных белков способен растягиваться в двух направлениях.

В гидролизатах эластина найдена еще одна необычная «аминокислота»,

пик которой на хроматограммах располагается между орнитином и ли-

зином. Оказалось, что это лизиннорлейцин, который обеспечивает наряду

с десмозином и изодесмозином поперечные связи в молекуле эластина:

664

Десмозин