Том 3 (1129748), страница 30
Текст из файла (страница 30)
Внеклеточный матрикс соединительных тканей животных 181919.6.8. Коллагеновые цепочки претерпевают рядпосттрансляционных модификацийОтдельные полипептидные цепочки коллагена синтезируются на рибосомах,связанных с мембраной, и оказываются в полости эндоплазматического ретикулума (ЭПР) в виде более длинных предшественников, называемых про-α-цепями.Эти предшественники не только имеют короткий N-концевой сигнальный пептид,необходимый для того, чтобы синтезируемый пептид проник в ЭПР, но такжесодержат на обоих концах дополнительные аминокислотные остатки, называемыепропептидами, которые отщепляются на последующих стадиях сборки коллагена.Кроме того, в полости ЭПР некоторые остатки пролина и лизина гидроксилируются, превращаясь соответственно в гидроксипролин и гидроксилизин, а некоторыеиз гидроксилизинов гликозилируются.
Затем каждая про-α-цепь соединяется с двумядругими и формирует трехцепочечную молекулу проколлагена, сшитую воединоводородными связями.Гидроксилизины и гидроксипролины (рис. 19.64) в других животных белкахвстречаются редко, хотя некоторые белки клеточной стенки растений содержатдостаточно много остатков гидроксипролина. Считается, что в коллагене гидроксильные группы этих аминокислотных остатков формируют межцепочечные водородные связи, помогающие стабилизировать тройную спираль. Условия, когдагидроксилирование пролина невозможно, например, при недостатке аскорбиновойкислоты (витамина С), чреваты серьезными нарушениями.
В XIX веке многиемореплаватели заболевали цингой — болезнью, зачастую смертельной, котораявызывается недостатком витамина С в пище. При этой болезни синтезируютсядефектные про-α-цепи, не способные сформировать устойчивую тройную спираль,которые немедленно деградируют еще внутри клетки, поэтому у таких больныхсинтез новых молекул коллагена подавлен. В здоровых тканях постоянно происходит распад старого и синтез нового коллагена (время оборота составляет месяцыили годы в зависимости от ткани). У больных цингой замена старого коллагена невозможна, а существовавший ранее нормальный коллаген постепенно распадается,и через несколько месяцев стенки кровеносных сосудов становятся хрупкими, зубырасшатываются, а раны перестают заживать.19.6.9. Пропептиды отщепляются от проколлагена послеего секреции, позволяя формироваться фибрилламПосле секреции пропептиды фибриллярных молекул проколлагена удаляются с помощью специальных внеклеточных протеолитических ферментов.
При этом молекулыпроколлагена превращаются в молекулы коллагена, объединяющиеся во внеклеточном про-Рис. 19.64. Гидроксилизин и гидроксипролин. Эти модифицированные аминокислоты часто встречаются в коллагене.Модификация осуществляется специальными ферментамиуже после включения лизина и пролина в молекулу проколлагена.1820Часть 5. Клетки в контексте их совокупностистранстве в коллагеновые фибриллы. Пропептиды выполняют по меньшей мередве функции.
Во-первых, они управляют формированием трехцепочечных молекулколлагена внутри клетки. Во-вторых, сохраняясь вплоть до завершения секреции,они предотвращают образование внутри клетки больших коллагеновых фибрилл,которое имело бы катастрофические последствия.Процесс образования фибрилл обусловлен способностью к спонтанному объединению молекул коллагена, которые растворяются более чем в тысячу раз хуже,чем молекулы проколлагена. Фибриллы начинают формироваться вблизи от поверхности клетки, часто в глубоких складках плазматической мембраны, получившихся при слиянии с нею секреторных пузырьков.
Цитоскелет периферическогослоя клетки может оказывать влияние на место и скорость формирования, а такжена ориентацию фибрилл.В электронном микроскопе фибриллы коллагена выглядят поперечно исчерченными с периодом 67 нм. Такая картина отражает особенности упаковки отдельныхмолекул в фибриллу. После того как формирование фибрилл во внеклеточном пространстве завершится, их прочность значительно увеличивается за счет ковалентныхпоперечных сшивок между остатками лизина составляющих фибриллу молекул(рис. 19.65). Ковалентные связи такого типа обнаружены только в коллагенеи эластине.
При ингибировании образования поперечных сшивок предел прочностина разрыв фибриллы резко уменьшается: ткани, содержащие коллаген, становятсяхрупкими, а такие структуры, как кожа, сухожилия и кровеносные сосуды, легкоповреждаются. Количество и тип поперечных сшивок от ткани к ткани изменяются.Например, особенно много поперечных сшивок в коллагене ахиллова сухожилия,так как здесь предел прочности на разрыв имеет принципиальное значение.На рис. 19.66 представлена последовательность событий при синтезе коллагенаи сборке фибрилл.
Учитывая, что в этом участвуют многочисленные ферментативные реакции, неудивительно, что многие генетические болезни человека связаныс нарушениями формирования фибрилл. Мутации, затрагивающие коллаген I типа,вызывают несовершенный остеогенез (osteogenesis imperfecta), характеризующийсяломкостью костей. Мутации, связанные с нарушением выработки коллагена II типа,вызывают хондродисплазии, при которых образуется аномальный хрящ, что приводитк дефектам костей и суставов. Наконец, мутации, затрагивающие коллаген III типа,являются причиной синдрома Элерса – Данлоса, для которого характерна непрочность кожи и стенок кровеносных сосудов, а также гипермобильность суставов.Рис.
19.65. Перекрестные сшивки внутри коллагеновой фибриллы, образующиеся между боковымицепями модифицированного лизина. Ковалентные внутри- и межмолекулярные перекрестные сшивкиформируются в несколько этапов. Сначала внеклеточный фермент лизил-оксидаза дезаминирует некоторые лизиновые и гидроксилизиновые остатки, в результате чего образуются высоко реакционноспособные альдегидные группы.
Затем альдегиды спонтанно образуют ковалентные связи друг с другоми с другими лизинами или гидроксилизинами. Большая часть перекрестных сшивок образуется междукороткими неспиральными сегментами на каждом конце коллагеновых молекул.19.6. Внеклеточный матрикс соединительных тканей животных 1821Рис. 19.66. Внутри- и внеклеточные этапы формирования коллагеновой фибриллы. а) Обратитевнимание, что сборка коллагеновых фибрилл из проколлагена происходит вне клетки, часто в складкахплазматической мембраны (не показано). Далее фибриллы могут образовывать во внеклеточном пространстве упорядоченные комплексы, например большие коллагеновые волокна, различимые в световоймикроскоп. Ковалентные перекрестные сшивки, стабилизирующие подобные комплексы, на картинкене представлены.
б) На этой электронной микрофотографии негативно окрашенных коллагеновыхфибрилл хорошо видна типичная для них исчерченность. (Микрофотография любезно предоставленаRobert Horne.)19.6.10. Внеклеточные коллагены, ассоциированные с фибриллами,способствуют их сборкеВ отличие от гликозаминогликанов, которые противостоят силам сжатия,фибриллы коллагена формируют структуры, оказывающие механическое сопротивление растягивающим силам. В разных тканях фибриллы образуются по-разномуи имеют неодинаковый диаметр. Например, в коже млекопитающих они расположены наподобие прутьев в плетеных изделиях и поэтому сопротивляются нагрузкам по всем направлениям; из этого материала, предварительно обработанного,изготовлены кожаные изделия.
В сухожилии они собраны в параллельные пучки,уложенные вдоль главной оси напряжения, а в зрелой костной ткани и роговицеих расположение напоминает чередующиеся слои в фанере — фибриллы каждогослоя уложены параллельно друг другу почти под прямым углом к фибриллам соседних слоев. Так же организованы они и в коже головастика (рис. 19.67).1822Часть 5.
Клетки в контексте их совокупностиРис. 19.67. Коллагеновые фибриллы в коже головастика. На этойэлектронной микрофотографии видно, что фибриллы закладываются подобно слоям фанеры: фибриллы соседних слоев ориентированы перпендикулярно. Так же организованы фибриллы в зрелойкостной ткани и роговице глаза. (Предоставлено Jerome Gross.)Сами клетки соединительной ткани определяют размер и расположение коллагеновых фибрилл.В клетках могут экспрессироваться один или несколько генов для разных типов молекул фибриллярного проколлагена.
Однако одни и те же молекулыколлагена могут по-разному располагаться в фибриллах различных тканей. Как такое оказываетсявозможным? Ответ отчасти заключается в том, чтоклетки могут регулировать взаимное расположениемолекул при сборке фибрилл во внеклеточном пространстве вблизи плазматической мембраны (рис.19.66). Кроме того, клетки могут влиять на этотпроцесс, вырабатывая, наряду с фибриллярнымиколлагенами, другие макромолекулы матрикса.В частности, секреция фибриллярного белка фибронектина (см. далее) предшествует образованию коллагеновых фибрилл и принимает участие в их сборке.Считается, что коллагены, ассоциированные с фибриллами, например коллагены IX и XII типов, в этом отношении особенно важны.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
