Клиническое значение биохимического анализа крови

Возрастная динамика белковых фракций. Эмбриоспецифические белки и их диагностическое значение.

Остаточный азот: его основные компоненты, динамика уровня остаточного азота в постнатальный период.

Биохимия межклеточного матрикса и соединительной ткани

Коллаген: особенности аминокислотного состава, первичной и пространственной структуры. Роль аскорбиновой кислоты в гидроксилировании пролина и лизина. Особенности биосинтеза и созревания коллагена

Коллагены — семейство родственных фиб­риллярных белков, секретируемых клетками соединительной ткани. Коллагены — самые рас­пространённые белки не только межклеточно­го матрикса, но и организма в целом, они составляют около 1/4 всех белков организма че­ловека.

Необычные механические свойства коллаге­нов связаны с их первичной и пространствен­ной структурами. Молекулы коллагена состоят из трёх полипептидных цепей, называемых альфа-цепями. Идентифицировано более 20 ос-цепей, большинство которых имеет в своём составе 1000 аминокислотных остатков, но цепи несколько отличаются аминокислотной последовательно­стью. В состав коллагенов могут входить три одинаковые или разные цепи.

Первичная структура альфа-цепей коллагена нео­бычна, так как каждая третья аминокислота в полипептидной цепи представлена глицином, около 1/4 аминокислотных остатков составля­ют пролин или 4-гидроксипролин, около 11% — аланин. В коллагене отсутствуют такие аминокислоты, как цистеин и триптофан, а гистидин, метионин и тирозин находятся лишь в очень небольшом количестве. В составе пер­вичной структуры альфа-цепи коллагена содержится также необычная аминокислота — гидроксилизин. Полипептидную цепь коллагена можно представить как последовательность триплетов Гли-X-Y, где X и Y могут быть любыми ами­нокислотами, но чаще в положении X стоит пролин, а в положении Y — гидроксипролин или гидроксилизин. Каждая из этих аминокис­лот имеет большое значение для формирова­ния коллагеновых фибрилл.

Пролин благодаря своей структуре вызывает изгибы в полипептидной цепи, стабилизируя левозакрученную спиральную конформацию. На один виток спирали приходится 3 аминокис­лотных остатка, а не 3,6, как это характерно для вторичной структуры глобулярных белков. Спираль пептидной цепи коллагена стабилизи­рована не за счёт водородных связей (так как пролин их не образует), а силами стерического отталкивания пирролидиновых колец в остат­ках пролина. В результате расстояние между аминокислотными остатками по оси спирали увеличивается, и она оказывается более развёр­нутой по сравнению с туго закрученной альфа-спиралью глобулярных белков.

Спирализованные полипептидные цепи, пе­ревиваясь друг около друга, образуют трёхцепочечную правозакрученную суперспиральную молекулу, часто называемую тропоколлагеном. Цепи удерживаются друг около друга за счёт водородных связей, возникающих меж­ду амино- и карбоксильными группами пептид­ного остова разных полипептидных цепей, вхо­дящих в состав трёхспиральной молекулы. «Жёсткие» аминокислоты — пролин и гидроксипролин — ограничивают вращение полипеп­тидного стержня и увеличивают тем самым ста­бильность тройной спирали. Глицин, имеющий вместо радикала атом водорода, всегда находится в месте пересечения цепей; отсутствие радика­ла позволяет цепям плотно прилегать друг к другу.

В результате такого скручивания пептидных остовов полипептидных цепей и наличия удли­нённой структуры два других радикала из триа­ды аминокислот Гли-X-Y оказываются на на­ружной поверхности молекулы тропоколлагена. Некоторые комплементарные участки молекул тропоколлагена могут объединяться друг с дру­гом, формируя коллагеновые фибриллы, причём эти участки расположены таким образом, что одна нить тропоколлагена сдвинута по отноше­нию к другой примерно на 1/4. Меж­ду радикалами аминокислот возникают ионные, водородные и гидрофобные связи.

Гидроксилирование пролина и лизина начи­нается в период трансляции коллагеновой мРНК на рибосомах и продолжается на растущей по­липептидной цепи вплоть до её отделения от рибосом. После образования тройной спирали дальнейшее гидроксилирование пролиловых и лизиловых остатков прекращается.

Реакции гидроксилирования катализируют оксигеназы, связанные с мембранами микросом. Пролиловые и лизиловые остатки в Y-положении пептида (Гли-х-у)_п подвергаются действию, соответственно, пролил-4-гидроксилазы и лизил-5-гидроксилазы. Пролил-3-гидроксилаза действу­ет на некоторые остатки пролина в Х-положе-ниях. Необходимыми компонентами этой реак­ции являются альфа-кетоглутарат, 0₂ и витамин С (аскорбиновая кислота). Донором атома кисло­рода, который присоединяется к С-4 пролина, является молекула 0₂, второй атом 0₂ включает­ся в сукцинат, который образуется при декарбоксилировании альфа-кетоглутарата, а из карбок­сильной группы альфа-кетоглутарата образуется С0₂.

Гидроксилазы пролина и лизина содержат в ак­тивном центре атом железа Fe²⁺. Для сохранения атома железа в ферроформе необходим восстанав­ливающий агент. Роль этого агента выполняет кофермент гидроксилаз — аскорбиновая кислота, которая легко окисляется в дегидроаскорбиновую кислоту. Обратное превращение происходит в фер­ментативном процессе за счёт восстановленного глутатиона.

Синтез и созревание коллагена — сложный многоэтапный процесс, начинающийся в клет­ке, а завершающийся в межклеточном матриксе. Синтез и созревание коллагена включают в себя целый ряд посттрансляционных измене­ний:

• гидроксилирование пролина и лизина с об­разованием гидроксипролина (Hyp) и гидроксилизина (Hyl);

• гликозилирование гидроксилизина;

• частичный протеолиз — отщепление «сиг­нального» пептида, а также N- и С-концевых пропептидов;

• образование тройной спирали.

Витамин С. Химическая структура и функция Проявления недостаточти витамина С. Полиморфизм коллагена: фибриллообразующие, ассоциированные с фибриллами, "заякоренные", микрофибриллярные типы коллагена. Особенности строения и функций эластина.

Витамин С является гамма-лактоном, близким по структуре к глюкозе. Его молекула имеет два асимметрических атома углерода (С₄ и С₅) и четыре оптических изо­мера. Биологически активна только L-аскорбиновая кислота. Аскорбиновая ки­слота образует окислительно-восстановительную пару с дегидроаскорбиновой кислотой, сохраняющей свойства витамина.

1. Антиоксидантная защита организма. Антиоксидантная функция аскорби­новой кислоты объясняется её способностью, окисляясь, легко отдавать два атома водорода, которые используются в реакциях обезвреживания свободных радикалов.

Как антиоксидант аскорбиновая кислота обезвреживает свободные радикалы кислорода, необходима для образования активных форм фолиевой кислоты, за­щищает железо гемоглобина и миоглобина от окисления, поддерживает железо цитохромов Р450 в восстановленном состоянии. Поддерживает SH- группы белков в восстановленном состоянии.

Выполняет антиоксидантную функцию, поддерживает железо гидроксилирую-щего фермента в восстановленном (Fe²⁺) состоянии. С участием аскорбиновой кислоты происходит инактивация свободных радикалов, что защищает другие антиоксиданты (такие, как витамин Е и бэтта-каротин) и предохраняет мембраны клеток, в частности, лимфоцитов от повреждающего действия перекисного окисления. Это лежит в основе иммуностимулирующих эффектов витамина С, проявляющихся в действии на гуморальные и клеточные механизмы иммуните­та, миграцию лимфоцитов, хемотаксис, синтез и секреция гамма-интерферона.

2. Обмен железа. Всасывание железа в кишечнике и его освобождение из связи с транспортным белком крови - трансферрином, облегчая поступление этого металла в ткани. Удаление железа из ферритина важно для предотвращения раз­вития анемии. Аскорбиновая кислота является протектором редуктазы фолиевой кислоты, участвует в накоплении и распределении железа в тканях.

3. Реакции гидроксилирования обеспечиваются аскорбиновой кислотой, в которых она является донором водорода.

3.1. Гидроксилирование "незрелого" коллагена под влиянием пролилгидроксилазы (фермент пролилгидроксилаза, оксигеназа со смешанной функцией, в качестве коферментов использует Fe³⁺ и аскорбиновую кислоту). В этой ре­акции альфа-кетоглутарат окисляется до сукцината и CO₂, один атом кислорода включается в сукцинат - другой в ОН-группу оксипролина. ОН-группы оксипролина участвуют в стабилизации структуры, формируя водородные свя­зи между спиральными цепями триплетной структуры зрелого коллагена. Витамин С необходим и для образования оксилизина в коллагене. Остатки оксилизина в коллагене служат для образования участков связывания с поли­сахаридами.

3.2. Гидроксилирование триптофана в 5-гидрокситриптофан (в реакции син­теза серотонина).

3.3. Гидроксилирование гормонов коркового и мозгового вещества надпо­чечников - синтез катехоламина и образование норадреналина.

3.4. Гидроксилирование р-гидроксифенилпирувата в гомогентизиновую ки­слоту при распаде фенилаланина.

3.5. Реакции гидроксилирования при образовании желчных кислот.

4. Детоксицирующая функция аскорбиновой кислоты - обезвреживание ток­синов, антибиотиков и других, чужеродных для организма соединений ведёт оксигеназная система цитохромов P450 В составе оксигеназной системы, локализо­ванной преимущественно в микросомах печени, аскорбиновая кислота обеспе­чивает образование свободных радикалов кислорода, которые окисляют токси­ны.

5. Антиканцерогенная функция. Аскорбиновая кислота способна предотвра­щать нитроаминовый канцерогенез. Эти сильные канцерогены образуются в ки­слой среде желудка из нитритов и аминосоединений пищи.

Ломкость, порозность сосудов, замедление регенерации. Авитаминоз (цинга) – утомляемость, сухость кожи, геморрагические высыпания на коже, гингивит с кровотечением из десен, расшатывание и выпадение зубов, кровоизлияния в мышцы, боли в конечностях, нарушения со стороны внутренних органов (геморрагический энтероколит, плеврит, гипотония, поражение сердца, печени). Снижение сопротивляемости к инфекциям.

Полиморфизм коллагена

Коллаген — ярко выраженный полиморфный белок. В настоящее время известно 19 типов кол­лагена, которые отличаются друг от друга по пер­вичной структуре пептидных цепей, функциям и локализации в организме. Вариантов альфа-цепей, образующих тройную спираль, гораздо больше 19 (около 30). Для обозначения каждого вида коллагена пользуются определённой формулой, в которой тип коллагена записывается римской цифрой в скобках, а для обозначения альфа-цепей используют арабские цифры: например колла­гены II и III типа образованы идентичными альфа-цепями, их формулы, соответственно [альфа1(II)]₃ и [альфа1 (III)]₃; коллагены I и IV типов являются гетеротримерами и образуются обычно двумя раз­ными типами альфа-цепей, их формулы, соответ­ственно [альфа1 (1)]₂альфа₂(1) и [альфа1(IV)]2альфа2(IV). Индекс

за скобкой обозначает количество идентичных альфа-цепей..

Гены коллагена называются соответственно типам коллагена и записываются арабскими цифрами, например COL1 — ген коллагена I типа, COL2 — ген коллагена II типа, COL7 — ген коллагена VII типа и т.д. К этому символу приписываются буква А (обозначает альфа-цепь) и арабская цифра (обозначает вид альфа-цепи). На­пример, СОLIА1 и COLIA2 кодируют, соответ­ственно, альфа1 и альфа2-цепи коллагена I типа.

Фибриллообразующие (I, II, III, V и XI) типы

95% всего коллагена в организме человека со­ставляют коллагены I, II и III типов, которые образуют очень прочные фибриллы. Значитель­ное содержание именно этих типов коллагена объясняется тем, что они являются основными структурными компонентами органов и тканей, которые испытывают постоянную или периодическую механическую нагрузку (кости, сухо­жилия, хрящи, межпозвоночные диски, крове­носные сосуды), а также участвуют в образова­нии стромы паренхиматозных органов. Поэтому коллагены I, II и III типов часто называют интерстициальными. К классу фибриллообразующих относят также минорные коллагены V и XI типов.

Коллагены, ассоциированные с фибриллами

Этот класс объединяет коллагены, которые выполняют очень важную функцию: они огра­ничивают размер фибрилл, образуемых интерстициальными коллагенами (прежде всего, I и II типов), и участвуют в организации межкле­точного матрикса в костях, коже, хрящах, су­хожилиях. К этим коллагенам относят колла­гены IX, XII, XIV и XVI типов. Коллагены этого класса сами фибрилл не формируют, но не посредственно связаны с фибриллами, кото­рые образуют интерстициальные коллагены. Функционирование таких типов коллагенов можно рассмотреть на примере коллагена IX типа, который в хряще связан с фибриллами коллагена II типа, он присоединяется к ним антипараллельно с периодичностью -67 нм.

Коллаген IX типа состоит из трёх коллагеновых (фибриллярных) доменов (Кол1àКол3) и четырёх неколлагеновых (глобулярных) доменов (НК1àНК4) (нумерация с С-конца).

Коллаген IX типа связан с фибриллами кол­лагена II типа поперечными «Лиз-Лиз-мости­ками» в области доменов Кол1 и Кол2, а также и НК1, НК2 и HK3.

НК4-домен не связан с фибриллами коллаге­на II типа; к его особенностям относят наличие большого количества положительно заряженных групп, поэтому к нему могут присоединяться отрицательно заряженные гликозаминогликаны, например, гиалуроновая кислота и хондроитин-сульфат. Эти особенности обеспечивают учас­тие коллагена IX типа в организации межкле­точного матрикса в хряще.

Коллагены, образующие микрофибриллы

К этому классу относят коллаген VI типа, который является короткоцепочечным белком. Он образует микрофибриллы, которые распо­лагаются между крупными фибриллами интерстициальных коллагенов. Этот коллаген широ­ко представлен в хрящевом матриксе, но больше всего его содержится в межпозвоночных дис­ках: в nucleus pulposus он составляет ~20% обще­го коллагена. Две молекулы этого коллагена со­единяются антипараллельно с образованием димера. Из димеров образуются тетрамеры, ко­торые секретируются из клетки, и вне клетки связываются «конец в конец» с образованием микрофибрилл.

Функции коллагена VI типа пока полностью не ясны, хотя известно, что его микрофибриллы могут связываться со многими компонентами межклеточного матрикса: фибриллами интерсти-циальных коллагенов, гиалуроновой кислотой, протеогликанами. Молекула этого коллагена со­держит многочисленные последовательности Арг-Гли-Асп (RGD), поэтому возможно его уча­стие в клеточной адгезии через присоединение к мембранным адгезивным молекулам, например интегринам альфа1бэта1 и альфа2бэта1.

Коллагены, образующие «заякоренные» фибриллы

К этому классу относят коллагены VII и XVII типов, которые называют также коллагенами, связанными с эпителием, так как они обычно находятся в местах соединения эпителия с суб­эпителиальными слоями.

Коллаген VII типа — основной структурный компонент «заякоренных» фибрилл. Каждая молекула этого белка содержит два неколлагеновых домена (НК1 — у С-конца, НК2 — у N-конца) и один коллагеновый домен между ними. Из мономеров образуются димеры, при этом молекулы соединяются в области НК2-до­менов антипараллельно по отношению друг к другу. Затем НК2-домены отщепляются, и ди­меры соединяются между собой «бок о бок» с образованием фибрилл.

Эти фибриллы играют важную роль в присое­динении эпидермиса к дерме, так как одним концом они могут присоединяться к lamina densa, на которой лежит кожный эпителий, а другой их конец проникает в более глубокие субэпи-

дермальные слои кожи и связывается там со структурами, называемыми «якорные диски».

Коллаген XVII типа представляет собой транс­мембранный белок и обычно находится в геми-десмосомах эпидермиса. Предполагают, что этот коллаген взаимодействует с другими молекула­ми гемидесмосом и таким образом участвует в процессе присоединения эпидермиса к дерме.

Эластин — основной белок эластических во­локон, которые в больших количествах содер­жатся в межклеточном веществе таких тканей, как кожа, стенки кровеносных сосудов, связки, лёгкие. Эти ткани обладают очень важными свойствами: они могут растягиваться в несколь­ко раз по сравнению с исходной длиной, со­храняя при этом высокую прочность на разрыв, и возвращаться в первоначальное состояние после снятия нагрузки. Резиноподобные свой­ства названных тканей обеспечиваются особен­ностями состава и строения эластина — гликопротеина с молекулярной массой 70 кД.

В отличие от коллагена, образующего проч­ные фибриллы, способные выдержать большие нагрузки, эластин (также белок межклеточного матрикса) обладает резиноподобными свойства­ми. Нити эластина, содержащиеся в тканях лёг­ких, в стенках сосудов, в эластичных связках, могут быть растянуты в несколько раз по срав­нению с их обычной длиной, но после снятия нагрузки они возвращаются к свёрнутой конформации.

Эластин содержит в составе около 800 амино­кислотных остатков, среди которых преоблада­ют аминокислоты с неполярными радикалами, такие как глицин, валин, аланин. Эластин со­держит довольно много пролина и лизина, но

лишь немного гидроксипролина; полностью от­сутствует гидроксилизин.

Наличие большого количества гидрофобных радикалов препятствует созданию стабильной глобулы, в результате полипептидные цепи эла­стина не формируют регулярные вторичную и третичную структуры, а принимают в межкле­точном матриксе разные конформации с при­мерно равной свободной энергией. Это как раз тот случай строения первичной структуры, когда отсутствие одной стабильной упорядоченной конформации приводит к воз­никновению необходимых белку свойств.