Классификация белков
До настоящего времен нет единой и стройной классификации, учитывающей различные параметры белков. В основе имеющихся классификаций обычно лежит один признак. Так, белки можно классифицировать:
- по форме молекул (глобулярные или фибриллярные);
- по молекулярной массе (низкомолекулярные, высокомолекулярные и др.);
- по химическому строению (наличие или отсутствие небелковой части);
- по выполняемым функциям (транспортные, защитные, структурные белки и др.);
- по локализации в клетке (ядерные, цитоплазматические, лизосомальные и др.);
- по локализации в организме (белки крови, печени, сердца и др.);
- по возможности адаптивно регулировать количество данных белков: белки, синтезирующиеся с постоянной скоростью (конститутивные), и белки, синтез которых может усиливаться при воздействии факторов среды (индуцибельные);
- по продолжительности жизни в клетке (от очень быстро обновляющихся белков, с Т 1/2 менее 1 ч, до очень медленно обновляющихся белков, Т 1/2 которых исчисляют неделями и месяцами);
- по схожим участкам первичной структуры и родственным функциям (семейства белков).
Классификация белков по форме молекул
Это одна из самых старых классификаций, которая делит белки на 2 группы: глобулярные и фибриллярные. К глобулярным относят белки, соотношение продольной и поперечной осей которых не превышает 1:10, а чаще составляет 1:3 или 1:4, т.е. белковая молекула имеет форму эллипса. Большинство индивидуальных белков человека относят к глобулярным белкам. Они имеют компактную структуру и многие из них, за счёт удаления гидрофобных радикалов внутрь молекулы, хорошо растворимы в воде. Фибриллярные белки имеют вытянутую, нитевидную структуру, в которой соотношение продольной и поперечной осей составляет более 1:10. К фибриллярным белкам относят коллагены, эластин, кератин, выполняющие в организме человека структурную функцию, а также миозин, участвующий в мышечном сокращении, и фибрин - белок свёртывающей системы крови.
Строение и функции коллагенов
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. В межклеточном матриксе молекулы коллагена образуют полимеры, называемые фибриллами коллагена. Фибриллы коллагена обладают огромной прочностью и практически нерастяжимы. Они могут выдерживать нагрузку, в 10 000 раз превышающую их собственный вес. По прочности коллагеновые фибриллы превосходят прочность стальной проволоки того же сечения. Именно поэтому большое количество коллагеновых волокон, состоящих из коллагеновых фибрилл, входит в состав кожи, сухожилий, хрящей и костей.
Строение коллагеновой фибриллы (фрагмент).
Важную роль в формировании коллагеновых фибрилл играют модифицированные аминокислоты: гидроксипролин и гидроксилизин. Гидроксильные группы гидроксипролина соседних цепей тропоколлагена образуют водородные связи, укрепляющие структуру коллагеновых фибрилл. Радикалы лизина и гидроксилизина необходимы для образования прочных поперечных сшивок между молекулами тропоколлагена, ещё сильнее укрепляющие структуру коллагеновых фибрилл. Аминокислотная последовательность полипептидных цепей коллагена позволяет сформировать уникальную по своим механическим свойствам структуру, обладающую огромной прочностью. Изменение в первичной структуре коллагена может приводить к развитию наследственных болезней.
Фибриллярная структура
Биохимия мукополисахаридов.
Мукополисахариды, полимерные углевод-белковые комплексы с преимущественным содержанием углеводной части (70-80%). Наиболее изучены кислые Мукополисахариды различных видов соединительной ткани и некоторых жидкостей организма (синовиальная жидкость суставов, стекловидное тело глаза). Основные представители Мукополисахариды: гиалуроновая кислота, гепарин, хондроитинсерные кислоты, кератосульфат (входит в состав хрящей и роговицы глаза). Углеводная часть кислых Мукополисахариды - линейный полисахарид с периодически повторяющимся звеном, состоящим из остатка N-сульфо- или N-ацетиламиносахара (D-глюкозамина или D-галактозамина) и уроновой кислоты. Остатки серной кислоты в составе сульфатированных Мукополисахариды связаны с гидроксильными группами моносахаридных компонентов. Кислые Мукополисахариды сильно различаются по молекулярной массе, прочности связывания компонентов и по функциональным свойствам.
Благодаря способности связывать и удерживать воду кислые Мукополисахариды служат природным смазочным материалом суставов и определяют эластичность соединительной ткани; входя в состав хрящей и связок, Мукополисахариды выполняют опорно-двигательные функции. Мукополисахариды обладают бактерицидными свойствами. Состав Мукополисахариды соединительной ткани меняется при старении. Нарушения обмена Мукополисахариды вызывают изменение состава соединительной ткани и жидкостей организма и приводят к ряду заболеваний (коллагенозы, мукополисахаридозы, ревматизм и др.).
Химический состав слюны.
Слюна обладает pH от 5,6 до 7,6. На 98,5 % и более состоит из воды, содержит соли различных кислот, микроэлементы и катионы некоторых щелочных металлов, лизоцим и другие ферменты, некоторые витамины. Основными органическими веществами слюны являются белки, синтезируемые в слюнных железах (некоторые ферменты, гликопротеиды, муцины, иммуноглобулины класса А) и вне их. Часть белков слюны имеет сывороточное происхождение (некоторые ферменты, альбумины, β-липопротеиды, иммуноглобулины классов G и М и др.). Химический состав слюны подвержен суточным колебаниям, он также зависит от возраста (у пожилых людей, например, значительно повышается количество кальция, что имеет значение для образования зубного и слюнного камня). Изменения в составе слюны могут быть связаны с приемом лекарственных веществ и интоксикациями. Состав слюны меняется также при ряде патологических состояний и заболеваний. Так, при обезвоживании организма происходит резкое снижение слюноотделения; при сахарном диабете в слюне увеличивается количество глюкозы; при уремии в слюне значительно возрастает содержание остаточного азота. Уменьшение слюноотделения и изменения в составе слюны приводят к нарушениям пищеварения, заболеваниям зубов.
11-12. основные черты механизма секреции слюны. Функции слюнных желез. Определение скорости секреции слюны. Возрастные изменения скорости секреции слюны. . Регуляция слюноотделения преимущественно осуществляется нервными механизмами. Вне пищеварения в основном функционируют мелкие железы. В пищеварительный период секреция слюны значительно возрастает. Регуляция пищеварительной секреции осуществляется условно – и безусловнорефлекторными механизмами. Безусловнорефлекторное слюноотделение возникает при раздражении первоначально тактильных, а затем температурных и вкусовых рецепторов полости рта. Но основную роль играют вкусовые. Нервные импульсы от них по афферентным нервным волокнам язычного, языкоглоточного и верхнегортанного нервов поступают в слюноотделительный центр продолговатого мозга. Он находится в области ядер лицевого и языкоглоточного нервов. От центра импульсы по эфферентным нервам идут к слюнным железам. К околоушной железе эффернтные парасимпатические волокна идут от нижнего слюноотделительного ядра в составе нерва Якобсона, а затем ушно-височных нервов. Парасимпатические нервы, иннервирующие серозные клетки подчелюстных и подъязычных желез начинаются от верхнего слюноотделительного ядра, идут в составе лицевого нерва, а затем барабанной струны. Симпатические нервы иннервирующие железы идут от слюннотделительных ядер II – VI грудных сегментов, прерываются в шейном ганглии, а затем их постганглионарные волокна идут к слизистым клеткам. Поэтому раздражение парасимпатических нервов ведет к выделению большого количества жидкой слюны, а симпатических – небольшого объема слизистой. Условно-рефлекторное слюноотделение начинается раньше безусловно рефлекторного. Оно возникает на запах, вид пищи, звуки предшествующие кормлению. Условно-рефлекторные механизмы секреции обеспечиваются корой больших полушарий, которая через нисходящие пути стимулирует центр слюноотделения. Функции слюнных желез.экзокринная - секреция белковых и слизистых компонентов слюны; эндокринная - секреция гормоноподобных веществ; фильтрационная - фильтрация жидкостных компонентов плазмы крови из капилляров в состав слюны; экскреторная - выделение конечных продуктов метаболизма.
13. Структура и формирование кости. Все кости скелета человека образованы пористой тканью, покрытой твердым материалом, преимущественно кальцием и фосфором, которые и придают костям нужную форму и обеспечивают их прочность.Кости и зубы содержат более 90 % кальция, имеющегося в организме человека. Каждая кость скелета - это живая, активно функционирующая и непрерывно обновляющаяся структура.Для сохранения твердости кости нуждаются в регулярной нагрузке, а в случае её недостатка, кости подвергаются патологическим изменениям («кальций вымывается из кости»). Этот быстротекущий процесс можно наблюдать, например, на загипсованной в течение месяца ноге.Содержание кальция в костях уменьшается и с возрастом, при этом отмечается их хрупкость. У пожилых людей даже при незначительных травмах и ушибах часто случаются переломы костей. Недостаток кальция, и как следствие этого остеопороз, возникают почти у каждого человека в связи со старением организма и поэтому могут рассматриваться как естественное явление.К декальцинации организма в целом и костей скелета в частности могут привести ряд заболеваний кишечника, связанных с пониженной способностью организма получать кальций из пищи; заболевания почек, выделяющих ненормально большое количество кальция. Употребление некоторых медикаментозных препаратов, например, гормональных, также влияет на содержание кальция в костях и может способствовать его излишнему выведению.Кроме структурно-опорной функции (в составе костной ткани)кальций участвует в проведении нервного импульса, в нервно-мышечном сокращении, в работе системы свёртывания крови, тканевом дыхании, активирует ряд ферментов, обладает десенсибилизирующим (антигистаминным) действием.Необходим кальций и для восстановления клеток всего организма. Если в рационе питания отсутствует органический кальций, то от этого будут страдать не только кости, но и другие части тела.В естественных минералах нуждаются не только позвоночник и кости, но и спинной мозг. Наиболее характерным признаком недостатка кальция в крови является повышенная нервная возбудимость(нервные волокна не проводят соответствующие сигналы, тело не расслабляется). У детей такое состояние сопровождается капризным поведением, вспышками раздражения, могут появиться мышечные судороги, спазмы.Суточная потребность в кальции - 800 - 1100 мг.Больше всего кальция содержится в молоке и молочных продуктах, а также в овощах с зелёными листьями, в кочанной капусте, черносливе, крапиве, красном перце, петрушке, мяте перечной, подорожнике, в блюдах из овсянки и плодах шиповника.
14. Факторы, влияющие на метаболизм кости. К факторам, влияющим на метаболизм костной ткани, прежде всего следует отнести гормоны, ферменты и витамины. Многие аспекты данной проблемы уже рассматривались в предыдущих главах. В данном разделе будут приведены лишь краткие сведения.Известно, что минеральные компоненты костной ткани находятся практически в состоянии химического равновесия с ионами кальция и фосфата сыворотки крови. Поступление, депонирование и выделение кальция и фосфата регулируются весьма сложной системой, в которой среди других факторов важная роль принадлежит паратгормону (гормон околощитовидных желез) и кальцитонину (гормон щитовидной железы). При уменьшении концентрации ионов Са2+ в сыворотке крови возрастает секреция паратгормона (см. гл. 8). Непосредственно под влиянием этого гормона в костной ткани активируются клеточные системы, участвующие в резорбции кости (увеличение числа остеокластов и их метаболической активности), т.е. остеокласты способствуют повышенному растворению содержащихся в костях минеральных соединений. Заметим, что паратгор-мон увеличивает также реабсорбцию ионов Са2+ в почечных канальцах. Суммарный эффект проявляется в повышении уровня кальция в сыворотке крови.В свою очередь при увеличении содержания ионов Са2+ в сыворотке крови секретируется гормон кальцитонин, действие которого состоит в снижении концентрации ионов Са2+ за счет отложения его в костной ткани. Иными словами, кальцитонин повышает минерализацию кости и уменьшает число остеокластов в зоне действия, т.е. угнетает процесс костной резорбции. Все это увеличивает скорость формирования кости.В регуляции содержания ионов Са2+ важная роль принадлежит витамину D, который участвует в биосинтезе Са2+-связывающих белков. Эти белки необходимы для всасывания ионов Са2+ в кишечнике, реабсорбции их в почках и мобилизации кальция из костей. Поступление в организм оптимальных количеств витамина D является необходимым условием для нормального течения процессов кальцификации костной ткани. При недостаточности витамина D эти процессы нарушаются. Прием в течение длительного времени избыточных количеств витамина D приводит к деминерализации костей.На развитие кости влияет также витамин А. Прекращение роста костей является ранним проявлением недостаточности витамина А. Считают, что данный факт обусловлен нарушением синтеза хондроитинсуль-фата. Показано также, что при введении животным высоких доз витамина А, превышающих физиологическую потребность и вызывающих развитие гипервитаминоза А, наблюдается резорбция кости, что может приводить к переломам.Для нормального развития костной ткани необходим витамин С. Действие витамина С не метаболизм костной ткани обусловлено прежде всего влиянием на процессе биосинтеза коллагена. Аскорбиновая кислота необходима для осуществления реакции гидроксилированияпролина и лизина. При недостаточности витамина С остеобласты не синтезируют «нормальный» коллаген, что приводит к нарушениям процессов обызвествления костной ткани. Недостаток витамина С вызывает также изменения в синтезе гликозаминогликанов: содержание гиалуроновой кислоты в костной ткани увеличивается в несколько раз, тогда как биосинтез хондроитин-сульфатов замедляется.
Структура и свойства коллагена.
Коллаге́н - фибриллярный белок, составляющий основу соединительной ткани организма (сухожилие, кость, хрящ, дерма и т. п.) и обеспечивающий её прочность и эластичность. Коллаген обнаружен у многоклеточных животных; отсутствует у растений, бактерий, вирусов, простейших и грибов. Это основной компонент соединительной ткани и самый распространённый белок у млекопитающих, составляющий от 25% до 35% белков во всём теле.
Свойства. Продуктом денатурации коллагена является желатин. Температура денатурации макромолекулы коллагена близка к температуре фибриллогенеза. Это свойство молекулы коллагена делает её максимально чувствительной к мутационным заменам.
Структура. Молекула коллагена представляет собой правозакрученную спираль из трёх α-цепей. Такое образование известно под названием тропоколлаген. Один виток спирали α-цепи содержит три аминокислотных остатка. Молекулярная масса коллагена около 300 кДа, длина 300 нм, толщина 1,5 нм.
Для первичной структуры белка характерно высокое содержание глицина, низкое содержание серосодержащих аминокислот и отсутствие триптофана. Коллаген относится к тем немногим белкам животного происхождения, которые содержат остатки нестандартных аминокислот: около 21 % от общего числа остатков приходится на 3-гидроксипролин, 4-гидроксипролин и 5-гидроксилизин. Каждая из α-цепей состоит из триад аминокислот. В триадах третья аминокислота всегда глицин, вторая - пролин или лизин, первая - любая другая аминокислота, кроме трёх перечисленных.
Коллаген существует в нескольких формах. Основная структура всех типов коллагена является схожей. Коллагеновые волокна образуются путём агрегации микрофибрилл, имеют розовый цвет при окраске гематоксилином и эозином и голубой или зелёный при различных треххромных окрасках, при импрегнации серебром окрашиваются в буро-жёлтый цвет.
Фибриллярная структура
Тропоколлагены (структурные единицы коллагена) спонтанно объединяются, прикрепляясь друг к другу смещенными на определённое расстояние концами, образуя в межклеточном веществе более крупные структуры. В фибриллярных коллагенах молекулы смещены относительно друг друга примерно на 67нм (единица, которая обозначается буквой «D» и меняется в зависимости от состояния гидратации вещества). В целом каждый D-период содержит четыре целых и часть пятой молекулы коллагена. Величина 300 нм, поделенная на 67 нм (300:67) не дают целого числа и длина молекулы коллагена разделена на непостоянные по величине отрезки D. Следовательно, в разрезе каждого повтора D-периода микрофибриллы есть часть, состоящая из пяти молекул, называемая «перекрытие», и часть, состоящая из четырёх молекул - «разрыв». Тропоколлагены к тому же скомпонованы в шестиугольную или псевдошестиугольную (в поперечном разрезе) конструкцию, в каждой области «перекрытия» и «разрыва».
Внутри тропоколлагенов существует ковалентная связь между цепями, а также некоторое непостоянное количество данных связей между самими тропоколагеновыми спиралями, образующими хорошо организованные структуры (например, фибриллы). Более толстые пучки фибрилл формируются с помощью белков нескольких других классов, включая другие типы коллагенов, гликопротеины, протеогликаны, использующихся для формирования различных типов тканей из разных комбинаций одних и тех же основных белков. Нерастворимость коллагена была препятствием к изучению мономера коллагена, до того момента как было обнаружено, что возможно извлечь тропоколлаген молодого животного, поскольку он ещё не образовал сильных связей с другими субъединицами фибриллы. Тем не менее, усовершенствование микроскопов и рентгеновских аппаратов облегчили исследования, появлялось все больше подробных изображений структуры молекулы коллагена. Эти поздние открытия очень важны для лучшего понимания того, как структура коллагена влияет на связи между клетками и межклеточным веществом, как ткани меняются во время роста и регенерации, как они меняются во время эмбрионального развития и при патологии.
Коллагеновая фибрилла - это полукристаллическая структурная единица коллагена. Коллагеновые волокна - это пучки фибрилл.
2.Цинга. Процессы гидроксилированияпролина и лизина, их роль в возникновении цинги. Цинга́ - болезнь, вызываемая острым недостатком витамина C (аскорбиновая кислота), который приводит к нарушению синтеза коллагена, и соединительная ткань теряет свою прочность.
Гидроксилированиепролина 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 гидроксилированиепролиловых и лизиловых остатков прекращается.
Реакции гидроксилирования катализируют ок-сигеназы, связанные с мембранами микросом. Пролиловые и лизиловые остатки в Y-положении пептида (Гли-х-у)n подвергаются действию, соответственно, пролил-4-гидроксилазы и лизил-5-гидроксилазы. Пролил-3-гидроксилаза действует на некоторые остатки пролина в Х-положениях. Необходимыми компонентами этой реакции являются оскетоглутарат, О2 и витамин С (аскорбиновая кислота). Донором атома кислорода, который присоединяется к С-4 пролина, является молекула О2, второй атом О2 включается в сукцинат, который образуется при декарбоксилировании α-кетоглутарата, а из карбоксильной группы а-кетоглутарата образуется СО2 (см. схему А на с. 691).
Гидроксилазыпролина 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 (см. схему Б на с. 691).
Гидроксилированиепролина необходимо для стабилизации тройной спирали коллагена, ОН-группыгидроксипролина (Hyp) участвуют в образовании водородных связей. А гидроксилирование лизина очень важно для последующего образования ковалентных связей между молекулами коллагена при сборке коллагеновых фибрилл. При цинге - заболевании, вызванном недостатком витамина С, нарушается гидроксилирование остатков пролина и лизина. В результате этого образуются менее прочные и стабильные коллагеновые волокна, что приводит к большой хрупкости и ломкости кровеносных сосудов с развитием цинги. Клиническая картина цинги характеризуется возникновением множественных точечных кровоизлияний под кожу и слизистые оболочки, кровоточивостью дёсен, выпадением зубов, анемией.
Коллаген (от греч. Кolla — клей, genes — рождающий) объединяет группу родственных фибриллярных белков соединительной ткани, на которые приходится 25 — 33% всех белков организма. Коллагены — основные гликопротеины кожи, сухожилий, хрящей, связок, костей, зубов, кровеносных сосудов.
Коллаген — основа коллагеновых волокон, которые собраны в пучки различной толщины и образуют в соединительной ткани единую сетчатую структуру. Коллагеновые волокна состоят из мельчайших фибрилл, имеющих высокую механическую прочность и практически не растягиваются. Они поддерживают специфическую структуру органов и тканей в процессе развития и жизнедеятельности организма.
Нативный коллаген устойчив к действию протеолитических ферментов, кислот и щелочей. Углеводные остатки, находящиеся на поверхности фибрилл, защищают коллаген от действия протеаз, поэтому он плохо усваивается в организме. Коллаген нерастворимый в воде, солевых растворах, органических растворителях, в слабых растворах кислот и щелочей, поскольку 70% аминокислот в его составе — гидрофобные. Коллаген способен к набуханию, при этом его масса увеличивается в 1,5 — 2 раза. Высокая гидратация молекулы белка связана с наличием в его структуре значительного количества боковых полярных групп.
Механические свойства коллагена связанные с его первичной и пространственной структурами. Особенностью химического состава является то, что каждая третья аминокислота в коллагене — это глицин, 1/3 — остатки пролина и гидроксипролина, 1% — гидроксилизин, 10% — аланин, остальные — другие аминокислоты. В нем отсутствуют цистеин и триптофан; гистидин, метионин и тирозин содержатся в небольшом количестве. Коллаген — единственный протеин, содержит гидроксипролин. Пептидные цепи белка построены из «триплета», в которых одна из аминокислот – глицин.
В положении Х и У может быть любая аминокислота, чаще Х пролин, В гидроксипролин или гидроксилизин. Эти аминокислотные группы в цепи многократно повторяются. Белковая молекула содержит около 1000 аминокислотных остатков. Каждая цепь образует ливозакручену спираль. Идентифицировано более 20 типов αланцюгив, которые отличаются аминокислотной последовательностью. Шаг одного витка спирали состоит менее чем из 3 аминокислотных остатков, а не 3,6 на 1 виток, как в большинстве белков. Плотная упаковка спирали обусловлена наличием глицина. Пролин не образует водородных связей, поэтому спираль пептидной цепи коллагена стабилизируется за счет стерического отталкивания пиролидинових колец в остатках пролина. Благодаря пролина в полипептидной цепи возникают изгибы, которые стабилизируют структуру спирали. Расстояние между аминокислотами вдоль оси спирали увеличивается, она становится более развернутой, чем αспираль глобулярных белков.
Молекулы коллагена состоят из трех полипептидных αланцюгив, формирующих тройную правозакручену спираль тропоколлагена. В состав коллагенов могут входить три одинаковые или различные цепи. Все три спирали закручены друг вокруг друга, образуя плотный жгут34).
Третичная структура коллагена поддерживается водородными связями, возникающими между амино и карбоксильными группами разных пептидных цепей (С = О НN) и водородными связями внутри каждого полипептида (рис. 35).
Все три цепи в молекуле коллагена расположены параллельно — с одной стороны находится Nкинець, с другой — Скинець, все радикалы гидрофобных аминокислот расположены наружу.
Пролин и гидроксипролин ограничивают вращения полипептидной цепи и увеличивают стабильность тройной спирали. Глицин, который вместо радикала имеет атом водорода, всегда находится в месте пересечения цепей, что позволяет им плотно прилегать друг к другу.
По своей природе коллаген — это гликопротеин, содержащий моносахаридными (галактозильни) и дисахаридного (галактозглюкозильни) остатки, соединенные с оксилизина. За счет агрегации молекул тропоколлагена в продольном и поперечном направлениях образуется четвертичная структура коллагена — микрофибриллами, из которых формируются более толстые фибриллы, а из них волокна и пучки волокон. Молекулы коллагена в фибриллы связаны ковалентными связями, возникающими за счет остатков оксилизина.
В настоящее время описано 28 типов коллагенов, которые отличаются друг от друга первичной структурой, степенью модификации — гидроксилирования или гликозилирования, функциями, локализацией в организме. Коллагены делятся на несколько классов в зависимости от их роли в ткани: фибрилоутворювальни, ассоциированные с фибриллами, ситкоутворювальни, микрофибриллами, заякорена фибриллы, трансмембранные домены и другие. Около 95% коллагена в организме человека представлены иииии типами, которые образуют прочные фибриллы и являются основными структурными компонентами сухожилий, хрящей, кровеносных сосудов и другие, а также участвуют в образовании стромы паренхиматозных органов. В одной ткани может преобладать тот или иной тип коллагена. В отдельных органах встречаются коллагены нескольких типов (табл. 7.)
Состав коллагенов в отдельных органах может меняться в онтогенезе или вследствие заболевания.
Существует два типа цепей коллагена — цепи α1 и α2, а также четыре разновидности цепи α1: α1 (I), α1 (II), α1 (III) и α1 (IV). Для обозначения структуры каждого типа коллагена используют следующие обозначения: тип коллагена записывают римской цифрой в скобках, αланцюгы обозначают арабскими цифрами. Например, коллагены II и III типов образованы идентичными αланцюгамы, их формулы соответственно [α1 (II)] 3 и [α1 (III)] 3; коллагены I и IV типов — гетеротримеры, образуются двумя различными типами αланцюгив, их формулы, соответственно [α1 (I)] 2α2 (I) и [α1 (IV)] 2α2 (IV). Индекс за скобкой обозначает количество идентичных αланцюгив. Наиболее распространенный коллаген I типа.
Синтез коллагена
Синтез коллагена происходит в клетках, в основном в фибробластах соединительной ткани, откуда он секретируется во внеклеточное пространство.
Различают внутриклеточные и внеклеточные этапы биосинтеза коллагена, содержащие следующие стадии:
— трансляция;
— посттрансляционной модификации пептидных цепей:
— гидроксилирования пролина и лизина;
— частичный протеолиз — отщепление сигнального пептида
— гликозилирования гидроксилизин;
— образования SSзвьязкив в конечных пропептида;
— формирование тройной спирали;
— трансмембранный перенос;
— внеклеточные модификации — отщепление N и Скинцевих пропептида;
— образование коллагеновых фибрилл:
— окислительное дезаминирование остатков лизина и оксилизина;
— образования поперечных связей между молекулами коллагена;
— образование коллагеновых волокон.
1. Синтез препроколагену. Синтез полипептидных предшественников — проαланцюгив коллагена происходит на полирибосомы, связанных с мембранами эндоплазматического ретикулума (ЭПР). На Nкинци предшественника коллагена находится гидрофобный «сигнальный» пептид из 100 аминокислот. Он предназначен для направления пептидных цепей, синтезируемых в полость ЭПР. Проαланцюг коллагена содержит дополнительные N и Скинцеви пропептида, состоящие из 100 и 250 аминокислот соответственно.
В состав пропептидуС входят остатки цистеина, которые образуют внутренне и мижланцюгови SSзвьязкы. Конечные пропептида не участвуют в формуванння тройной спирали, а образуют глобулярные домены. Отсутствие N и Скинцевих пептидов в структуре проαланцюга нарушает правильное формирование тройной спирали.
Посттрансляционные модификации коллагена
А. Гидроксилирование пролиновых и лизинових остатков начи
ет ся одновременно с синтезом коллагена и продолжается в течение всей трансляции вплоть до отделения полипептидной цепи от рибосом
мы37). Реакцию катализируют микросомальные оксигеназы — пролил4гидроксилаза и лизил5гидроксилаза соответственно. В реакции участвуют: молекулярный кислород, αкетоглутарат и аскорбиновая кислота.
Один атом кислорода используется на гидроксилирование остатков пролина и лизина, второй «включается» в карбоксильную группу сукцината, который вследствие декарбоксилирование αкетоглутарату. Кофактором пролил4гидроксилазы и лизил5гидроксилазы является Fe + +. Аскорбиновая кислота, которая обладает восстановительными свойствами, сохраняет атомы железа в двухвалентное состоянии (фероформи) и тем самым поддерживает активность фермента). Окисленных форма витамина С — дегидроаскорбиновую кислота — снова восстанавливается за счет глутатиона:
После формирования тройной спирали гидроксилирования пролиновых и лизинових остатков прекращается. Гидроксилирования остатков пролина важно для формирования в дальнейшем стабильной тройной спирали коллагена за счет водородных связей, образующихся за счет ОНгруп гидроксипролина. Гидроксилированные и негидроксильовани остатки лизина участвуют в образовании ковалентных связей между молекулами коллагена при формировании коллагеновых фибрилл.
Б. Гликозилирование гидроксилизин. Цепь проколлагена с помощью Nкинцевого сигнального пептида проникает через мембрану в полость ЭПР. После выполнения своей функции сигнальный пептид отщепляется. В полости ЭПР остатки гидроксилизин в проαланцюгах коллагена гликозилюються при участии специфических гликозилтрансфераз.
Галактоза и дисахарид галактозилглюкоза образуют ковалентные Огликозидни связи с SОНгрупамы остатков гидроксилизин38).
Количество углеводных остатков в молекуле зависит от типа ткани, их роль не установлена. Возможно, они отвечают за механические свойства коллагена. Гликозилирования проαланцюгив коллагена завершается после образования тройной спирали.
Синтез и секреция проколлагена. После модификации каждый проαланцюг соединяется водородными связями с двумя другими проαланцюгамы, образуя тройную спираль проколлагена. В правильной ориентации цепей важную роль играют конечные пропептида. Спирализация нитей проколлагена начинается после образования межцепных дисульфидных мостиков между Скинцевимы пропептида цепей за счет SНгруп цистеина. Этот процесс начинается в просвете ЭПР, откуда молекулы проколлагена перемещаются в аппарат Гольджи, включаются в секреторных гранул и выводятся в межклеточное пространство.
Синтез тропоколлагена (растворимого коллагена). В межклеточном пространстве под действием специфических амино и карбоксипептидаз от проколлагена (коллагены типов I, II и III) отщепляются конечные пропептида, в результате чего образуется тропоколлагена — структурная единица коллагеновых фибрилл36). В коллагенов, которые не участвуют в формировании фибрилл (IV, VIII, X), конечные пропептида НЕ отщепляются. Такие коллагены образуют сетку подобные структуры, в формировании которых важную роль играют конечные N и Спептиды.
5. Образование коллагеновых фибрилл происходит спонтанно, путем самосборки. Ряды молекул тропоколлагена в фибриллы расположены параллельно и смещены на ¼ друг относительно друга. У ряда молекулы размещены «конец в конец», но концы не связаны, между ними существуют промежутки в 35-40 нм.
Такая структура фибриллы непрочная («незрелый коллаген»), прочности ей придают внутренне и мижланцюгови ковалентные сшивки, образующихся между остатками лизина или гидроксилизин с участием Сu-содержащего флавопротеинов — лизилоксидазы. Происходит окислительное дезаминирование εаминогруп в остатках лизина и гидроксилизин с образованием альдегидных групп (аллизину и гидроксиаллизину)). Эти группы принимают участие в формировании ковалентных связей между собой и другими остатками лизина и гидроксилизин соседних молекул тропоколлагена.
Многочисленные поперечные сшивки, формирующихся стабилизируют структуру фибрилл образуется нерастворимый коллаген. Количество сшивок в молекуле белка увеличивается с возрастом, что замедляет его катаболизм. Некоторые виды коллагенов не образуют фибрилл.
6. Образование коллагеновых волокон происходит путем агрегации фибрилл36). Они обладают высокой механической прочностью, образуют трехмерную сетку, которая заполняется другими веществами межклеточного матрикса.
Катаболизм коллагена происходит медленно. Протеолитические ферменты тканей и желудочно-кишечного тракта НЕ расщепляют его. Разрушение коллагена вызывают активные формы кислорода и специфические тканевые коллагеназы). Фермент синтезируется клетками соединительной ткани и имеет высокую специфичность). Коллагеназа «перерезает» тройную спираль коллагена (сразу 3 цепи) на расстоянии ¼ от Скинця, между остатками глицина и лейцина (изолейцина).
Фрагменты, образующиеся — водорастворимые, при температуре тела они спонтанно денатурируют и становятся доступными для действия клеточных протеаз (катепсинов).
Регуляция метаболизма коллагена происходит за счет нескольких механизмов:
Отрицательная обратная связь. Коллаген и Nпpoпептиды тормозят трансляцию коллагена.
Действие активаторов и ингибиторов:
аскорбиновая кислота стимулирует синтез коллагена и протеогликанов, пролиферацию фибробластов;
витамины РР, В6, ионы Cu + + способствуют «созреванию» коллагена (формированию внутренне и межцепных ковалентных сшивок;
плазмин, калликреин, катепсин В, ионы Zn — активаторы коллагеназы, т.е. способствуют гидролиза коллагена.
Гормональная регуляция:
— тормозят синтез коллагена на уровне трансляции (уменьшают количество мРНК, кодирующих структуру проколлагена);
— ингибируют посттранслицийну модификацию проколлагена (гидроксилирования остатков пролина и лизина) путем снижения активности пролиллизилгидроксилазы).
Половые гормоны:
— активируют синтез коллагена. Рецепторы к половым гормонам находятся в строме половых органов, фибробластах других органов и тканей;
— эстрогены способствуют синтезу коллагена в коже.
Синтез коллагена увеличивается при заживлении ран, циррозе печени, атеросклерозе, мышечных дистрофиях, в результате чего на месте раны образуется соединительнотканный рубец, погибшие гепатоциты, клетки сосудистой стенки, миоциты замещаются соединительной тканью, в которой фибриллы коллагена расположены хаотично.
Скорость обмена коллагена замедляется с возрастом. У молодых он более интенсивный, чем у людей старшего возраста. Количество поперечных сшивок в коллагене пожилых людей значительно выше, чем уменьшает его доступность для действия коллагеназы.
Нарушение обмена коллагена (коллагенозы) возникают вследствие:
Генных мутаций, приводящих к изменению нативной структуры тройной спирали или неправильного формирования фибрилл коллагена;
Нарушение посттрансляционным модификаций протеина из-за снижения активности ферментов:
Гидроксилирования (пролин, лизингидроксилазы);
Гликозилирования (гликозилтрансфераз);
Пептидаз (Nпроколагеновои и Спроколагеновои);
«созревания» коллагена (лизилоксидазы);
Дефицита витаминов С, В6, меди;
Инфекцийноалергичних заболеваний.
Характерными проявлениями коллагенозов есть повреждения костей, суставов, связок, хрящей, кожи, сосудов, развитие миопатии. Нарушение синтеза коллагена является причиной таких заболеваний, как синдром ЕлерсаДанлоса, болезнь Марфана, несовершенный остеогенез, ревматизм, ревматоидный артрит, системная красная волчанка, системная склеродермия и другие.
Теги: ,Коллаген является основным структурным белком межклеточного матрикса. Это фибриллярный белок, отличающийся от других белков рядом особенностей своего состава и структуры.
Типичная молекула коллагена состоит из трех полипептидных целей разных типов (α-спиралей), скрученных в виде правойтройной спирали . В свою очередь полипептидные цепи построены из часто повторяющихся фрагментов, имеющих характерную последовательность -Gly-X-Y- . Каждым третьим аминокислотным остатком является глицин . Пролин (Pro ) часто встречается в положениях X, положение Υ может быть занято как пролином, так и 4-гидроксипролином (4Нур ). Кроме того, молекула коллагена содержит остатки З-гидроксипролина (ЗНур ) и 5-гидроксилизина (5Нуl ).
Присутствие в полипептидной цепи остатков гидроксиаминокислот является характерной особенностью коллагена. Остатки пролина и лизина гидроксилируются посттрансляционно, т. е. после включения в полипептидную цепь. На одном из концов молекула коллагена сшита поперечными связями, образованными боковыми цепями остатков лизина. Количество поперечных связей возрастает по мере старения организма.
При формировании вторичной структуры полипептидная цепь коллагена укладывается в более развернутую левозакрученную a-спираль (на один виток приходится 3 аминокислотных остатка);
Третичная структура коллагена - это правозакрученная суперспираль из 3 a-цепей, при формировании которой остаток глицина оказывается в ее центре, что способствует образованию линейной молекулы тропоколлагена с последующим включением ее в волокно.
Типы коллагена. Известно 19 типов коллагена, которые отличаются друг от друга по первичной структуре пептидных цепей, функциям и локализации в организме. Коллагены входят в состав фибрилл (фибриллообразующие коллагены- I, II, III, V и XI типы), миофибрилл (коллаген VI типа), являются структурным компонентом базальных мембран (коллаген IV типа) и т.д.
Фибриллообразующие коллагены (I, II, III, V и XI типы). Основа фибрилл - ступенчато расположенные параллельные ряды молекул тропоколлагена, которые сдвинуты на 1/4 относительно друг друга.
Фибриллогенезу предшествует еще одна модификация лизина. Внеклеточный медьсодержащий фермент лизилоксидаза осуществляет окислительное дезаминирование лизина и гидроксилизина с образованием реактивных альдегидов. Для этих реакций необходимо присутствие витаминов РР и В 6 . Эти группы принимают участие в формировании поперечных ковалентных связей между молекулами тропоколлагена.
Преимущественное распределение этих типов коллагена по тканям следующее: I тип - кости, дентин, роговица, сухожилия; II тип - хрящи, межпозвоночные диски, стекловидное тело; III тип - почки, печень, сосуды, лимфатические узлы. Коллагены V и XI типов в разных количествах присутствуют в межклеточном веществе всех тканей, они определяют диаметр коллагеновых фибрилл.
Синтез и созревание коллагена (рис.3,4)
Синтез и созревание коллагена представляют собой сложный многоэтапный процесс, который начинается в клетке, а завершается во внеклеточном пространстве. Он включает в себя ряд пострансляционных изменений: гидроксилирование пролина и лизина, гликозилирование гидроксилизина, отщепление N- и С-концевых пептидов. Благодаря этим изменениям появляются дополнительные возможности для стабилизации цепей в молекуле тропоколлагена; в образовании водородных связей участвуют не только NH- и СО-группы пептидного остова но и ОН-группы гидроксипролина; гидроксипролин и пролин, являясь «жесткими» молекулами, ограничивают вращение полипептидного стержня.
Определенную роль в синтезе коллагена играют белки - шапероны, которые обеспечивают «контроль качества» коллагена: они способствуют правильному синтезу молекул коллагена и их транспорту по секреторным путям, а также «отслеживают» неправильно собранные молекулы коллагена, которые затем разрушаются.
СИНТЕЗ КОЛЛАГЕНА
Существуют 8 этапов биосинтеза коллагена: 5 внутриклеточных и 3 внеклеточных.
Протекает на рибосомах, синтезируется молекула-предшественник: препроколлаген.
С помощью сигнального пептида “пре” транспорт молекулы в канальцы эндоплазматической сети. Здесь отщепляется “пре” - образуется “проколлаген”.
Аминокислотные остатки лизина и пролина в составе молекулы коллагена подвергаются окислению под действием ферментов пролилгидроксилазы и лизилгидроксилазы. .
При недостатке витамина “С” - аскорбиновой кислоты наблюдается цинга, - заболевание, вызванное синтезом дефектного коллагена с пониженной механической прочностью, что вызывает, в частности, разрыхление сосудистой стенки и другие неблагоприятные явления.
Посттрасляционная модификация - гликозилирование проколлагена под действием фермента гликозилтрансферазы. Этот фермент переносит глюкозу или галактозу на гидроксильные группы оксилизина.
Заключительный внутриклеточный этап - идет формирование тройной спирали - тропоколлагена (растворимый коллаген). В составе про-последовательности - аминокислота цистеин, который образует дисульфидные связи между цепями. Идет процесс спирализации.
Секретируется тропоколлаген во внеклеточную среду, где амино- и карбоксипротеиназы отщепляют (про-)-последовательность.
Ковалентное “сшивание” молекулы тропоколлагена по принципу “конец-в-конец” с образованием нерастворимого коллагена. В этом процессе принимает участие фермент лизилоксидаза (флавометаллопротеин, содержит ФАД и Cu). Происходит окисление и дезаминирование радикала лизина с образованием альдегидной группы. Затем между двумя радикалами лизина возникает альдегидная связь.
Лизилоксидаза является Cu-зависимым ферментом, поэтому при недостатке меди в организме происходит уменьшение прочности соединительной ткани из-за значительного повышения количества растворимого коллагена (тропоколлагена).
Ассоциация молекул нерастворимого коллагена по принципу “бок-в-бок”. Ассоциация фибрилл происходит таким образом, что каждая последующая цепочка сдвинута на 1/4 своей длины относительно предыдущей цепи.
Только после многократного сшивания фибрилл коллаген приобретает свою уникальную прочность, становится нерастяжимым волокном.
Структура простых белков представлена только полипептидной цепью (альбумин, инсулин). Однако необходимо понимать, что многие простые белки (например, альбумин) не существуют в "чистом" виде, они всегда связаны с какими-либо небелковыми веществами. Их относят к простым белкам только по той причине, что связи с небелковой группой слабые и при выделении in vitro они оказываются свободным от других молекул - простым белком.
Альбумины
В природе альбумины входят в состав не только плазмы крови (сывороточные альбумины), но и яичного белка (овальбумин), молока (лактальбумин), являются запасными белками семян высших растений.
Глобулины
Группа разнообразных белков плазмы крови с молекулярной массой до 100 кДа, слабокислые или нейтральные . Они слабо гидратированы, по сравнению с альбуминами меньше устойчивы в растворе и легче осаждаются, что используется в клинической диагностике в "осадочных" пробах (тимоловая , Вельтмана). Несмотря на то, что их обычно относят к простым, многие глобулины содержат углеводные или иные небелковые компоненты.
При электрофорезе глобулины сыворотки крови разделяются, как минимум, на 4 фракции – α 1 -глобулины , α 2 -глобулины , β-глобулины и γ-глобулины .
Картина электрофореграммы (вверху) белков сыворотки крови
и полученной на ее основе протеинограммы (внизу)
Так как глобулины включают в себя разнообразные белки, то их функции разнообразны:
Часть α-глобулинов обладает антипротеазной активностью, что защищает белки крови и межклеточного матрикса от преждевременного разрушения, например, α 1 -антитрипсин , α 1 -антихимотрипсин , α 2 -макроглобулин .
Некоторые глобулины способны к связыванию определенных веществ: трансферрин (переносит ионы железа), церулоплазмин (содержит ионы меди), гаптоглобин (переносчик гемоглобина), гемопексин (транспорт гема).
γ-Глобулины являются антителами и обеспечивают иммунную защиту организма.
Гистоны
Гистоны – внутриядерные белки массой около 24 кДа. Обладают выраженными основными свойствами, поэтому при физиологических значениях рН заряжены положительно и связываются с дезоксирибо-нуклеиновой кислотой (ДНК), образуя дезоксирибо-нуклеопротеины . Существуют 5 типов гистонов – очень богатый лизином (29%) гистон Н1, другие гистоны Н2а, H2b, НЗ, Н4 богаты лизином и аргинином (в сумме до 25%).
Радикалы аминокислот в составе гистонов могут быть метилированы, ацетилированы или фосфорилированы. Это изменяет суммарный заряд и другие свойства белков.
Можно выделить две функции гистонов:
1. Регуляция активности генома, а именно – они препятствуют транскрипции.
2. Структурная – стабилизируют пространственную структуру ДНК.
Гистоны в комплексе с ДНК образуют нуклеосомы – октаэдрические структуры, составленные из гистонов Н2а, H2b, НЗ, Н4. Гистон H1 связан с молекулой ДНК, не позволяя ей "соскользнуть" с гистонового октамера. ДНК обвивает нуклеосому 2,5 раза, после чего обвивает следующую нуклеосому. Благодаря такой укладке достигается уменьшение размеров ДНК в 7 раз.
Благодаря гистонам и формированию более сложных структур размеры ДНК, в конечном итоге, уменьшаются в тысячи раз: на самом деле длина ДНК достигает 6-9 см (10 –1) , а размеры хромосом – всего несколько микрометров (10 –6).
Протамины
Это белки массой от 4 кДа до 12 кДа, имеются в ядрах сперматозоидов многих организмов, в сперме рыб (молóках) они составляют основную массу белка. Протамины являются заменителями гистонов и служат для организации хроматина в спермиях. По сравнению с гистонами протамины отличаются резко увеличенным содержанием аргинина (до 80%). Также, в отличие от гистонов, протамины обладают только структурной функцией, регулирующей функции у них нет, хроматин в сперматозоидах неактивен.
Коллаген
Коллаген – фибриллярный белок с уникальной структурой, составляет основу межклеточного вещества соединительной ткани сухожилий, кости, хряща, кожи, но имеется, конечно, и в других тканях.
Полипептидная цепь коллагена включает 1000 аминокислот и носит название α-цепь. Насчитывается около 30 вариантов α-цепи коллагена, но все они обладают одним общим признаком – в большей или меньшей степени включают повторяющийся триплет [Гли-Х-Y ], где X и Y – любые, кроме глицина, аминокислоты. В положении X чаще находится пролин или, гораздо реже, 3-оксипролин , в положении Y встречается пролин и 4-оксипролин . Также в положении Y часто находится аланин , лизин и 5-оксилизин . На другие аминокислоты приходится около трети от всего количества аминокислот.
Жесткая циклическая структура пролина и оксипролина не позволяет образовать правозакрученную α-спираль , но образует т.н. "пролиновый излом". Благодаря такому излому формируется левозакрученная спираль, где на один виток приходится 3 аминокислотных остатка.
При синтезе коллагена первостепенное значение имеет гидроксилирование лизина и пролина , включенных в состав первичной цепи, осуществляемое при участии аскорбиновой кислоты . Также коллаген обычно содержит моносахаридные (галактоза) и дисахаридные (глюкоза-галактоза) молекулы, связанные с ОН-группами некоторых остатков оксилизина.
Этапы синтеза молекулы коллагена
Синтезированная молекула коллагена построена из 3 полипептидных цепей, сплетенных между собой в плотный жгут – тропоколлаген (длина 300 нм, диаметр 1,6 нм). Полипептидные цепи прочно связаны между собой через ε-аминогруппы остатков лизина. Тропоколлаген формирует крупные коллагеновые фибриллы диаметром 10-300 нм. Поперечная исчерченность фибриллы обусловлена смещением молекул тропоколлагена друг относительно друга на 1/4 их длины.
Фибриллы коллагена очень прочны, они прочнее стальной проволоки равного сечения. В коже фибриллы образуют нерегулярно сплетенную и очень густую сеть. Например, выделанная кожа представляет собой почти чистый коллаген.
Гидроксилирование пролина осуществляет железо -содержащий фермент пролилгидроксилаза для которого необходим витамин С (аскорбиновая кислота). Аскорбиновая кислота предохраняет от инактивации пролилгидроксилазу, поддерживая восстановленное состояние атома железа в ферменте. Коллаген, синтезированный в отсутствии аскорбиновой кислоты, оказывается недостаточно гидроксилированным и не может образовывать нормальные по структуре волокна, что приводит к поражению кожи и ломкости сосудов, и проявляется как цинга .
Гидроксилирование лизина осуществляет фермент лизилгидроксилаза. Она чувствительна к влиянию гомогентизиновой кислоты (метаболит тирозина), при накоплении которой (заболевания алкаптонурия ) нарушается синтез коллагена, и развиваются артрозы.
Время полужизни коллагена исчисляется неделями и месяцами. Ключевую роль в его обмене играет коллагеназа , расщепляющая тропоколлаген на 1/4 расстояния с С-конца между глицином и лейцином.
По мере старения организма в тропоколлагене образуется все большее число поперечных связей, что делает фибриллы коллагена в соединительной ткани более жесткими и хрупкими. Это ведет к повышенной ломкости кости и снижению прозрачности роговицы глаза в старческом возрасте.
В результате распада коллагена образуется гидроксипролин . При поражении соединительной ткани (болезнь Пейджета, гиперпаратиреоидизм) экскреция гидроксипролина возрастает и имеет диагностическое значение .
Эластин
|
|
По строению в общих чертах эластин схож с коллагеном. Находится в связках, эластичном слое сосудов. Структурной единицей является тропоэластин с молекулярной массой 72 кДа и длиной 800 аминокислотных остатков. В нем гораздо больше лизина, валина, аланина и меньше гидроксипролина. Отсутствие пролина обусловливает наличие спиральных эластичных участков.
Характерной особенностью эластина является наличие своеобразной структуры – десмозина , который своими 4-мя группами объединяет белковые цепи в системы, способные растягиваться во всех направлениях.
α-Аминогруппы и α-карбоксильные группы десмозина включаются в пептидные связи одной или нескольких белковых цепей.
Loading...