Коллаген, эластин и протеогликаны соединительной ткани

Соединительная ткань чрезвычайно распространена в организме. Она есть у всех органах и служит основой для их образования и исправления повреждений. В соединительнотканных образований относят кожу, подкожную жировую ткань, кости, зубы, фасции, строму паренхиматозных внутренних органов, нейроглии, стенки крупных кровеносных сосудов и тому подобное.

Все разновидности соединительной ткани содержат клетки, волокнистые структуры и основную межклеточное вещество.
Волокна построены из фибриллярных белков коллагена и эластина, а углеводно-белковые комплексы, протеогликаны, образуют основную межклеточное вещество. Углеродными компонентами протеогликанов является гетерополисахариды гликозаминогликаны (старое название мукополисахариды). Основные низкомолекулярные компоненты соединительной ткани — вода и ионы натрия. Содержание волокнистых структур, основного вещества и воды неодинаков в разных видах соединительной ткани. В среднем доля основного межклеточного вещества в организме составляет 20% массы тела, а вся соединительная ткань — около 50% массы тела. С возрастом в соединительной ткани уменьшается содержание воды и гликозаминогликанов, а растет содержание коллагена; одновременно изменяются физико-химические свойства волокон.
Макромолекулы, из которых построены волокнистые структуры, и основное вещество соединительной ткани, синтезуеються в клетках (фибробластах, хондробласты т. п.). После выхода из клеток в межклеточное пространство отдельные макромолекулы вследствие межмолекулярного взаимодействия образуют сложные структуры (комплексы протеогликанов, волокна, агрегаты протеогликанов, гликопротеинов и волокнистых элементов). Распад макромолекул происходит под действием ферментов лизосом (протеиназ, гликозидаз, сульфатаз). Скорость обновления гликозаминогликанов составляет несколько дней или недель, а для коллагена — несколько месяцев.
В основе ряда наследственных заболеваний (мукополисахаридозов) лежит отсутствие или недостаточная активность различных ферментов, которые расщепляют отдельные гликозаминогликаны; последние накапливаются в соединительной ткани. Другие наследственные болезни, довольно редки, обусловленные нарушениями образования коллагеновых волокон, дефектами в их структуре (синдром Марфана, Элерса-Данлоса, незавершенный остеогенез). При недостаточности в организме витамина С также нарушается формирование коллагеновых волокон, проявляются клинические симптомы цинги. И значительно более распространенными являются системные болезни соединительной ткани (коллагенозы), которые развиваются вследствие аутоиммунных нарушений и характеризуются повреждениями как волокнистых структур, так и основного межклеточного вещества, клеток и микроциркуляторного русла.

Фибриллярный белок коллаген — самый распространенный белок в организме человека. На его долю приходится 25-33% всего белка, то есть примерно 6% массы тела. Молекула коллагена (иногда ее называют тропоколлаген) имеет длину около 300 нм, толщину — 1,5 нм, молекулярную массу примерно 300000 Дальтон, она построена из трех полипептидных цепей, имеющих форму ливозакрученои спирали с тремя аминокислотными остатками на один виток, то есть отличается от альфа-спирали глобулярных белков. Три ливоспиральних цепи вместе закручиваются в правую спираль, как кабель.

Каждая цепь содержит около 1000 аминокислотных остатков, из которых 33% составляет глицин, около 21% — пролин и оксипролина, 11% — аланин и только около 35% — все остальные аминокислоты. Последовательность аминокислот в цепи достаточно регулярно повторяется: почти в каждом 3-м положении находится остаток глицина, часто встречаются трипептидни фрагменты — глицин-Х-пролин, глицин-Х-оксипролина, глицин-пролин-оксипролина, где Х — другие аминокислоты. Оксипролина, за исключением коллагена и эластина, очень редко встречается в других белках. Коллаген содержит еще одну редкую аминокислоту — оксилизина.
Коллаген — сложный белок, гликопротеин, в котором части остатков оксилизина полипептидной цепи 0-гликозидной связью присоединяются углеводы — моносахарид галактоза или дисахарид галактозилглюкоза.

В организме человека открыто 12 типов коллагенов, которые отличаются первичной структурой, набором цепей в молекуле, содержанием углеводов, органной и тканевой локализациями. Первые 4 типа более распространены, а остальные найдены в небольших количествах и еще мало изучены.
Чрезвычайно высокое содержание в коллагене глицина — аминокислоты, в которой отсутствует R-группа, и иминокислот (пролина и оксипролина), которые образуют изгибы в полипептидных цепях, что приводит уникальную структуру молекулы коллагена — триланцюгову спираль. Между цепями за счет СО и NН-групп пептидных связей, а также ОН-группы оксипролина, возникают водородные связи, которые стабилизируют спираль. Молекулы коллагена (тропоколлаген) располагаются регулярным образом в продольном и поперечном направлениях и образуют фибриллы, из которых последовательно формируются пучки фибрилл, волокна и пучки волокон. Молекулы в параллельных цепочках фибриллы смещены друг относительно друга примерно на 1/4 длины (64 нм). Этим обусловлено характерна для коллагеновых фибрилл поперечная исчерченность с периодом повторяемости 64 нм.

В коллагеновых фибрилл образуются поперечные ковалентные сшил. Способ их возникновения такой. Сначала медьсодержащих фермент лизилоксидаза катализирует реакцию окислительного дезаминирования остатков лизина и оксилизина с образованием альдегидных форм — аллизину и оксиаллизину. Последние взаимодействуют между собой или с другими остатками лизина или оксиаллизину, образуя поперечные сшил нескольких типов (рис.). Поперечные связи сшивают как попипептидни цепи в молекуле тропоколлаген, так и расположены рядом в фибриллы молекулы.

При редкой наследственной болезни (синдром Элерса-Данлоса, тип V) из-за отсутствия или пониженной активности лизилоксидазы в коллагеновых фибрилл уменьшенное число поперечных связей и механические свойства волокон ухудшены.
Коллагеновые фибриллы различными способами организованы в волокнах соединительной ткани, в зависимости от их биологической функции.
В частности, в сухожилиях фибриллы расположены в виде поперечно-связанных пучков коллагена типа I, которые чрезвычайно прочные и практически не растягиваются.

При кипячении в воде нерастворимых коллагеновых волокон получают раствор желатина. Некоторые ковалентные связи коллагена гидролизуются, в результате чего образуется смесь растворимых полипептидов, которые могут перевариваться протеолитическими ферментами желудочно-кишечного тракта. Катаболизм тканевого коллагена начинается с действия специфических коллагеназы, которые расщепляют определенные пептидные связи во всех 3 цепях тропоколлаген. Образующиеся полипептиды растворимые в воде и гидролизуются тканевыми протеиназами до аминокислот. Об интенсивности распада коллагена судят на основе содержания свободного оксипролина в крови и моче. Повышенный распад коллагена при некоторых поражениях соединительной ткани, суставов и костей сопровождается увеличением секреции оксипролина.