Біохімія сполучної та м’язової тканини

Біохімія сполучної та м’язової тканини: будова, властивості, функції, регуляція, патологія

 

БІОХІМІЯ М'ЯЗІВ

 

На м'язи припадає 40-45 % маси тіла. Вони вивчаються науковцями протягом кількох століть. З початку ХХ століття м'язи почали досліджувати як біохімічний комплекс. Але і зараз, в кінці ХХ століття, інтерес до них не зменшився. Крім біохіміків, м'язи вивчають біофізики, фізіологи, а також спеціалісти із спорту.

 

 

 

Для медицини вичення біохімії м'язів відкриває можливості для пояснення молекулярних механізмів хвороб, що уражають м'язи (м'язові дистрофії, зміни при гіподинаміях), а також допомагає розробляти ефективні методи лікування та тренування спортсменів.

 

Описание: Описание: Описание: Безымянный

 

За своїми властивостями м'язи характеризуються великою еластичністю, пластичністю та скоротливістю. Це єдина унікальна природна система, наділена здатністю перетворювати безпосередньо хімічну енергію в механічну з високим коефіцієнтом корисної дії.

Морфологічно м'язи у хребетних тварин поділяють на поперечно­смугасті, або скелетні, та гладенькі.

 

 

Перші під мікроскопом мають ви­гляд довгих волокон, в яких регулярно чергуються світлі й темні смуги. Другі складаються з коротких волокон, що не містять смуг.

 

 

 

 

 

Структурною одиницею м'язової тканини є м'язове волокно (міоцит), яке утворилося в результаті злиття багатьох ембріональних м'язових клітин. Саме тому кожне м'язове волокно містить багато ядер, що розташовані по краях по всій довжині.

 

 

 

Поперечносмугасті м'язи скорочуються лише на 1/3 від вихідної величини, тоді як гладенькі м'язи, скорочуючись, можуть зменшувати свій поздовжній розмір навіть у декілька разів, наприклад, м'яз матки під час пологів. Відповідно гладенькі м'язи скорочуються повільніше – через де­кілька секунд, поперечносмугасті – через кілька мілісекунд. Під час скорочення скелетні м'язи можуть виконувати роботу, вкорочуючись при цьому на певну відстань.

 

 

Таке скорочення називають ізотонічним. М'язи, які не можуть укорочуватись під час скорочення (не можуть виконувати фізичної роботи), розвивають тільки напруженість. Про такі м'язи говорять, що вони скорочуються за ізометричним принципом. Прикладом такого скорочення може бути зміна напруженості коротких міжхребцевих м'язів при піднятті вантажів. Для всіх видів скорочення м'язів характерним є виділення певної кількості теплової енергії, спричиненої структурними перебудовами в міоцитах. Функції і властивості м'язів зумовлені їх хімічною структурою.

Наводимо хімічний склад скелетних м'язів (табл. )

 

РЕЧОВИНА

ВМІСТ (% НА СИРУ МАСУ)

ВОДА

73-78

СУХИЙ ЗАЛИШОК

22-27

У ТОМУ ЧИСЛІ:

 

білки

17-21

глікоген

0,5-3,0

фосфоліпіди

0,02-1,0

холестерин

0,02-0,23

креатинін

0,003-0,005

атф

0,25-0,40

креатин+креатинфосфат

0,2-0,55

карнозин

0,2-0,3

молочна кислота

0,01-0,02

неорганічні речовини

1,0-1,5

 

 

 

М'язова тканина тварин і людини містить від 73 до 78 % води. Приблизно 22-27 % від маси м'яза припадає на частку сухого залишку, переважно білків. Крім білків, у м'язах знаходяться глікоген та інші вуглеводи, різні ліпіди, екстрактивні речовини та мінеральні солі.

В м'язах розрізняють 3 види білків: білки саркоплазми, білки міофібрил і білки строми.

У саркоплазмі м'язів містяться білки, що розчиняються у воді або сольових розчинах. Донедавна в цих білках розрізняли міогенну, альбумі­нову, глобулінову та міоглобінову фракції. Але ці фракції не однорідні. Так, міогенна фракція включає в себе ряд ферментів гліколізу. Неодно­рідними є й інші білки саркоплазми. Зокрема тут виявлено білки-ферменти, що знаходяться в мітохондріях і відповідають за тканинне дихання. Міоальбумін саркоплазми за хімічними властивостями нагадує альбумін плазми крові. Міоглобін м'язів – типовий хромопротеїн, що, як і гемоглобін, з'єднується з киснем і забезпечує процес дихання м'язів. ­Червоний колір м'язів зумовлений великим вмістом у них міоглобіну. Міо­глобін має в 5 разів більшу спорідненість із киснем, ніж гемоглобін. Це сприяє забезпеченню значного резерву кисню в м'язовій тканині при його нестачі.

                Білковий склад скелетного м'яза (за J.Musil та співавт., 1980, зі змінами)

 

Білок

М.м., кД

Вміст, %

Міозин

460

55-60

Актин (G)

46

20-25

Тропоміозин

70

4-6

Комплекс тропоніну

76

4-6

ТпТ

37

 

ТпІ

24

 

ТпС

18

 

α-актинін

180

1-2

Інші (міоген)

Суміш

5-10

 

 

Білки міофібрил. До складу міофібрил входять такі білки: міозин (56-60 %), актин (20‑25 %), тропоміозин (10-15 %) і тропоніновий комплекс (4-6 %).

Білки строми в поперечносмугастих м'язах представлені переважно колагеном, нейрокератином, еластином тощо. Ці білки входять до складу сполучнотканинних елементів стінок судин, нервів та сарколеми.

Ліпіди. У м'язах знаходяться нейтральні жири, стериди, ­фосфоліпіди. Нейтральні жири входять у простір між структурами м'язових волокон і відіграють роль резервного жиру. Їх вміст дуже непостійний.

Холестерин і фосфоліпіди є обов'язковими складовими компонентами всіх м'язів і входять до складу клітинних мембран. Вміст фосфоліпідів і холестерину в м'язах збільшується під час тренування.

Екстрактивні речовини м'язів. Скелетні м'язи містять ряд важливих екстрактивних речовин: нуклеотиди (АТФ, АДФ, АМФ, ТТФ, УТФ, ЦТФ, інозинмонофосфат), креатинфосфат, креатинін, карнозин, ансерин, карнітин тощо.

 Серед них креатин та креатинфосфат мають пряме відношення до скорочення м'язів. В їх синтезі беруть участь 3 амінокислоти: аргінін, гліцин, метіонін. Утворення їх починається в нирках, а завершується в печінці і м'язах. Карнозин і ансерин – це імідазольні дипептиди, які підвищуть ефективність роботи іонних насосів м'язової тканини, сприяють збільшенню амплітуди м'язового скорочення, проявляють виражену антиоксидну дію.

З амінокислот у м'язах найбільше глутамінової кислоти та глутаміну.

Безазотні екстрактивні речовини м'язів представлені переважно вуглеводами та продуктами їх обміну. Найбільше в м'язах глікогену. У людини вміст глікогену в м'язах знаходиться в межах 0,4-0,8 %, але під впливом тренування він може збільшуватися до 1,5-3 %. Втомлені м'язи містять незначну кількість глікогену.

Під час роботи глікоген м'язів розпадається на глюкозу, тріозофосфорні ефіри та інші проміжні продукти гліколізу, в тому числі молочну кислоту.

Мінеральні речовини. Загальний вміст мінеральних речовин в м'язах на сиру масу становить 1,0-1,5 %. Із катіонів у м'язах переважають К+, Nа+, Са2+, Мg2+, є також мідь, марганець, цинк; з аніонів – най­більше фосфатів та сульфатів. За рахунок іонів у м'язах підтримуються сталість рН і осмотична рівновага та здійснюється специфічний вплив на їх збудливість та скоротливість. Зниження концентрації ­солей у м'язах призводить до зменшення їх збудливості.

 

Будова філаментів і міофібрил

 

Саркоплазма поперечносмугастих м'язових волокон містить поздовжньо орієнтовані міофібрили, побудовані з білкових філаментів (ниток) 2‑х типів    товстих і тонких. Скорочення м'язових волокон здійснюється саме за рахунок ковзання товстих і тонких ниток назустріч одні одним. Їх довжина при цьому залишається незмінною. Хімічну енергію для такого ковзання ниток постачає процес гідролізу АТФ до АДФ і фосфату.

 

Скорочення і розслаблення м'язових волокон регулюються концентрацією іонів Са2+ у саркоплазмі. Таким чином, скоротлива система м'язів забезпечує перетворення хімічної енергії в механічну.

http://www.youtube.com/watch?v=83yNoEJyP6g

Товсті філаменти складаються з довгих паличкоподібних молекул білка міозину.

 

 

Кожна молекула побудована з 2-х важких (молекулярна маса – 200 000 Dа) і 4-х легких (молекулярна маса – 16000-25000 Dа) поліпептидних ланцюгів.

 

 

Важкі ланцюги на більшій частині довжини мають спіральну структуру і закручені один навколо одного, утворюючи довгий стержень ("хвіст" молекули).

http://www.youtube.com/watch?v=HcWX-b07qqM&feature=related

 

Кінець важкого ланцюга утворює разом із 2-ма легкими ­ланцюгами глобулярну голівку молекули. Таким чином, кожна молекула міозину має довгий хвіст і подвійну голівку. Довжина молекули – 150 нм, ­товщина – приблизно 2 нм. Молекула міозину може згинатись на певній ділянці так, що голівка і частина хвоста повертаються, як на шарнірі. Міозин має власти­вість ферменту АТФази.

Ак­тивний каталітичний центр локалізований у голівках молекули і містить у зв'язаному стані молекулу АТФ.

Приблизно 400 палочкоподібних мо­ле­кул міозину об'єднуються в товстий філамент.

http://www.youtube.com/watch?v=ren_IQPOhJc

 

Молекули розміщені паралельно, причому половина з них звернена голівками до одного кінця філамента, а друга половина – до іншого. По довжині філамента молекули дещо зсунуті одна відносно одної, їхні голівки розташовані по спіралі й утворюють виступи на поверхні ниток. Голівки від­сутні в серединній частині філамента.

 

 

Довжина товстих міозинових філаментів – приблизно 1,5 мкм, діаметр – 10-14 нм.

 

Безымянный

 

До складу тонких філаментів входять білки актин, тропоміозин і тропонін.

 

 

 

Відомі дві форми актину: глобулярний G-актин і фібрилярний ­F‑актин. Молекули глобулярного актину (молекулярна маса – 42000 Dа, діаметр – приблизно 5 нм) нековалентно з'єднуються, утворюючи ­F­­‑актин. Два ланцюги F-актину закручені один навколо одного в спіраль.

 

G  (зліва) та F(справа) – молекули актину.

 

Кожна молекула G-актину має центр зв'язування, який у стані спокою заблокований. У поздовжньому жолобку спіра­лі F-актину розміщена паличкоподібна молекула білка тропоміозину. З однією молекулою тропоміозину завдовжки приблизно 41 нм контактують 7 пар глобулярного актину.

 

 

Крім того, така структура включає 1 молекулу глобулярного білка тропоніну, який складається із 3‑х субодиниць (С, І, Т). Ці структури об'єднуються кінець до кінця в тонкі філаменти завдовжки 1 мкм. Тропонін і тропоміозин – регуляторні білки, за допомогою яких запускається і виключається утворення поперечних містків між актином і міозином.

Міофібрили містять приблизно 2500 філаментів. Товсті й тонкі філаменти розміщені в міофібрилах упорядкованим чином. На 1 товсту міозинову нитку припадає 2 тонких (при поздовжньому розрізі). На поперечному розрізі тонкі філаменти утворюють шестикутник, у центрі якого розташований товстий філамент. У саркомері, структурній одиниці міо­фібрили, товсті міозинові нитки розміщені в смузі А, їх обидва кінці вільні, а тонкі нитки – у І-смузі й одним кінцем прикріплені до Z‑пластинок.

Схематичне зображення будови саркомерів м’язевого волокна: а – поздовжній розріз, б - поперечний розріз в ділянці перетину тонких і товстих ниток, в - зміни довжини саркомера в результаті руху товстих та тонких ниток

Тонкі нитки заходять на деяку відстань у смугу А, перекриваючись із товстими нитками. При скороченні міофібрил ділянка перекриття ниток значно збільшується. У повністю скороченому стані весь саркомер перетворюється на зону перекриття (рис.).

http://www.youtube.com/watch?v=U2TSaz8-yNQ&feature=related

http://www.youtube.com/watch?v=83yNoEJyP6g

 

 

 

Електронно-мікроскопічне зображення актинових фібрил (зображені червоним).

 

Молекулярні механізми скорочення
м'язового волокна

 

Скорочення м'яза ініціюється потенціалом дії, який поширюється від нейром'язового синапсу в обох напрямках вздовж м'язового ­волокна. ­Через систему Т-тру­бочок нервовий сигнал передається на цистерни саркоплазматичної сітки і спричиняє зміни проникності мембран для іонів Са2+ і вихід їх у саркоплазму. У стані спокою концентрація Са2+ у сарко­плаз­мі становить менше як 10-7 моль/л. Вна­слідок виходу іонів Са2+ із цистерн концентрація їх у саркоплазмі швидко досягає 10-5 моль/л, тобто зростає в сот­ні раз. Іони Са2+ при­єднуються до кальційзв'язувальної субодиниці тропоніну тонких філаментів, що зумовлює зміну конформації білка. Це, у свою чергу, спричиняє перемі­щення молекули тро­поміозину по жолобку тонкого філамента, в результаті чого на молекулах глобулярного актину в складі F-актину відкриваються центри зв'язування з голівками міозину товстих ниток.

http://www.youtube.com/watch?v=InIha7bCTjM&feature=related

 

На рис. схематично показано цикл утворення і розщеплення поперечних містків, що зумовлює переміщення тонких філаментів назустріч товстим.

Схема механізму вкорочення саркомеру

Міозинові голівки із зв'язаними в АТФазному центрі молекулами АТФ приєднуються до найближчих молекул G-актину тонких ниток. Утворюються поперечні містки. Внаслідок взаємодії актину і міозину ­АТФазний центр міозинових голівок активується, гідролізує АТФ до АДФ і Фн, які вивільняються з каталітичного центру. Це супроводжується зміною конформації міозину, згинанням голівки молекули в ділянці шарніру. ­Оскільки міозинова голівка зв'язана з молекулою актину, її рух протягує тонкий філамент вздовж міозинового. Зв'язування в АТФазному центрі голівки міозину нової молекули АТФ викликає розрив поперечних містків і відновлення вихідної конформації молекули міозину. Зв'язування голівки з наступною молекулою актину тонких ниток починає новий цикл. Амплітуда кожного такого переміщення становить близько 11 нм, а частота – приблизно 50 разів на секунду.

 

 

Одночасна, але не синхронна робота великої кількості міозинових голівок зумовлює за рахунок енергії гідро­лізу АТФ ковзання тонких і товстих ниток назустріч одні одним і як результат цьогоскорочення м'язового волокна.

http://www.youtube.com/watch?v=gJ309LfHQ3M

 

Коли на волокно перестають надходити нервові імпульси, вихід Са2+ із цистерн припиняється (рис. ), а АТФаза мембран саркоплазматичної сітки, що функціонує як кальцієва помпа, переносить іони Са2+ за рахунок енергії АТФ (проти градієнта концентрації) із саркоплазми назад у цистерни.

Вміст цієї Са2+, Мg2+-АТФази в мембрані ретикулума становить 95 % усіх білків мембрани. При зниженні концентрації Са2+ у сарко­плазмі до 10‑7 моль/л комплекс Са2+-тропонін дисоціює, тропоміозин зсувається по жолобку тонкого філамента на вихід­не місце, блокуючи центри зв'язування на молекулах актину голівок міозину. Всі поперечні містки розриваються, і волокно розслаблюється. Таким чином, АТФ необхідний і для скорочення м'язів, і для їх розслаблення. При недостачі АТФ містки між актином і міозином не розриваються і філаменти фіксуються в з'єднаному положенні (контрактура м'яза). Цим пояснюється трупне окоченіння після смерті.

 

 

Скорочення гладеньких м'язів

 

Клітини гладеньких м'язів (міоцити) містять тонкі актинові й товсті міозинові філаменти, але вони не утворюють упорядкованих міофібрил, як у поперечносмугастій м'язовій тканині. Тонкі філаменти містять тропоміозин, але в них немає тропоніну. Для скорочення гладеньких м'язів необхідним є підвищення концентрації іонів Са2+ у цитоплазмі міоцитів. Це досягається надходженням позаклітинного Са2+ через потенціалзалежні Са2+-канали. При концентрації 10-5 моль/л іони Са2+ зв'язуються з білком кальмодуліном і їх комплекс активує фермент кіназу міозину. Остання каталізує реакцію фосфорилювання легких ланцюгів міозину, після чого відбувається взаємодія голівок міозину з актиновими нитками, в результаті скорочуються міоцити. Швидкість скорочення гладенької м'язової тканини в 100-1000 разів менша, ніж у поперечносмугастих м'язах, що зумовлено повільним включенням механізму взаємодії міозину з актином. При зниженні концентрації Са2+ в міоцитах комплекс Са2+-кальмодулінкіназа дисоціює, а від міозину відщеплюються фосфорні залишки під дією фосфатази. Активність кінази міозину зменшується при включенні аденілатциклазної системи.

 

Джерела енергії м'язової роботи

 

Джерелом енергії для скорочення і розслаблення м'язів усіх типів є АТФ. У стані спокою м'язи містять близько 5 мкмоль АТФ на 1 г тканини й у 3-8 разів більше іншої високоенергетичної сполуки – креатинфосфату. Останній утворюється з АТФ і креатину за реакцією, яку каталізує креатинкіназа:

Реакція зворотна: коли наявний у м'язах АТФ використовують для роботи, креатинфосфат під дією креатинкінази швидко передає фосфатну групу на АДФ, завдяки чому відновлюється вихідний рівень АТФ. ­Утворення АТФ із креатинфосфату і АДФ – це найшвидший шлях генерації АТФ в умовах скорочення м'язів. Крім м'язової тканини, креатинфосфат синтезується тільки в нервовій, але в значно меншій кількості.

Таким чином, м'язи, порівняно з іншими тканинами, запасають більший рівень макроергічних сполук, що має значення для дуже швидкого переходу скелетних м'язів від стану спокою до максимальної активності, коли потреба в АТФ зростає у 20-200 разів. Але запасу АТФ і креатинфосфату вистачає тільки на 6-10 с інтенсивної роботи скелетних м'язів. Ресинтез АТФ у м'язах, які працюють, забезпечується, залеж­но від умов, окисним або субстратним фосфорилюванням.

 

Так, при легкій і помірній фізичній роботі скелетні м'язи покривають енергетичні затрати шляхом окисного фосфорилювання, тобто за ­рахунок аеробного окиснення таких субстратів, як глюкоза, вільні жирні ­кислоти і кетонові тіла. При тривалій м'язовій роботі поступово зменшується використання глюкози, а збільшується – жирів, які мобілізуються з жирових депо.

При максимальних фізичних навантаженнях, наприклад, під час спринтерського бігу, доставка кисню до м'язів стає недостатньою для забезпечення енергетичної потреби. Основним шляхом ресинтезу АТФ стає анаеробний гліколіз. Глікоген м'язів і глюкоза крові розпадаються до молочної кислоти. При цьому 1 залишок глюкози забезпечує утворення 2-х молекул АТФ. Анаеробний розпад глікогену досягає макси­мального рівня через 40-50 с безперервної роботи м'яза. Посилення гліколізу ініціюється збільшенням рівня АМФ, який є активатором фосфо­фруктокінази – ­основного регуляторного ферменту гліколізу. АМФ утворюється в аденіл­аткіназній реакції, оскільки при скороченні м'язів збільшується вміст АДФ:

                                     

При напруженій фізичній роботі накопичення в м'язовій тканині молочної кислоти і відповідне зниження рН, а також підвищення температури внаслідок виділення тепла знижують ефективність обміну. Молочна кислота дифундує у кров і захоплюється печінкою та серцем.

 

 

У серцевому м'язі, в якому є ізофермент лактатдегідрогенази ЛДГ1, молочна кислота окиснюється в піровиноградну і далі аеробним шляхом. У печінці частина лактату окиснюється, а частина перетворюється шляхом глюконеогенезу в глюкозу, яка виходить у кров і потрапляє в м'язи, де використовується для відновлення запасів глікогену (цикл Корі) (рис. ).

Цикл Корі

Ці процеси перебігають у відновний період після інтенсивної м'язової роботи, коли завдяки частому і глибокому диханню в організм надходить додатковий кисень, який використовується для окиснення лактату, пірувату, інших субстратів і для відновлення нормальної концентрації у м'язах АТФ і креатинфосфату.

Креатинфосфат

М'язові волокна поділяють на червоні, білі та проміжні. М'язи людини здебільшого містять усі 3 типи волокон, але в різних співвідношеннях.

 Саркоплазма червоних волокон містить багато міоглобіну та численні мітохондрії. Саме міоглобін забарвлює м'язові волокна в червоний колір. Цей гемовмісний білок має значно вищу спорідненість із киснем, ніж гемо­глобін, а крива насичення киснем міоглобіну – гіперболічної форми. Тому міоглобін приймає кисень від оксигемоглобіну і зберігає у  зв'язаному вигляді. У процесі скорочення м'яза, коли потреба в кисні зростає і внутрішньоклітинний парціальний тиск кисню падає, О2 дисоціює з комплексу з міоглобіном і використовується для тканинного дихання в мітохондріях. Дуже багато міоглобіну в м'язах китів, дельфінів, тюленів, що дає їм можливість запасати необхідну кількість кисню для перебування тривалий час під водою.

Білі волокна містять менше міоглобіну та мітохондрій, але більше глікогену і гліколітичних ферментів. Тому для червоних волокон характерне аеробне окиснення субстратів, а для білих – анаеробний розпад глікогену і глюкози. Крім того, в білих волокнах більша АТФазна активність міозину. М'язи, в яких переважають червоні волокна, скорочуються повільніше, але довго і без ознак втоми. М'язи, що складаються здебільшого з білих волокон, швидко переходять від стану спокою до максимальної активності, скорочуються значно швидше, але раніше втомлюються, оскільки вичерпуються запаси глікогену, а глюкоза з крові надходить повільно. У різних людей співвідношення червоних, білих і проміжних волокон в одних і тих самих м'язах неоднакове, що визначає спортивні можливості, наприклад здатність бігти на короткі чи довгі дистанції.

 

Енергетичний обмін у серцевому м'язі

 

 

Скоротливі клітини серцевого м'яза (міокарда) містять усі структури, характерні для волокон поперечносмугастого скелетного м'яза: ядра, міофібрили, побудовані з актинових і міозинових філаментів, мітохондрії, саркоплазматичну сітку. Але, порівняно зі скелетними м'язовими волокнами, міофібрил менше, а мітохондрій значно більше. Останні становлять близько 40 % сухої маси серця. Для роботи серцевого м'яза характерне постійне ритмічне чергування процесів скорочення і розслаблення. Необхідний АТФ утворюється майже повністю за рахунок окисного фосфорилювання, тобто аеробним шляхом. У стані спокою серце споживає за 1 хв 8‑10 мл О2 на 100 г тканини, що приблизно в 15 разів більше від споживання кисню іншими тканинами.

http://www.youtube.com/watch?v=-pg09F5V63U&feature=related

 

Субстратами окиснення в міокарді є широке коло сполук: вищі жирні кислоти, глюкоза, кетонові тіла, молочна і піровиноградна ­кислоти, які постачаються кров'ю. Але головним субстратом є жирні кислоти, особливо в стані спокою. На окиснення жирних кислот використовується 60‑70 % спожитого міокардом кисню. При фізичному навантаженні відносний внесок жирних кислот в енергетичний обмін міокарда знижується, але абсолютне їх споживання навіть зростає. Під час навантаження збільшується утилізація глюкози і молочної кислоти, яка надходить у венозну кров із скелетних м'язів. Так, при інтенсивній фізичній роботі частка лактату в енергетичному обміні міокарда може досягати 65-90 %. Відповідний напрямок лактатдегідрогеназної реакції, тобто перехід молочної кислоти в піровиноградну, забезпечується наявним у серцевому м'язі ізоферментом ЛДГ1, який використовує як субстрат лактат. Потім піруват зазнає окиснювального декарбоксилювання в мітохондріях. Утилізуючи молочну кислоту, серце не тільки отримує енергію, а й сприяє підтриманню постій­ної величини рН крові. Серцевий і скелетні м'язи містять ферменти окиснення ацетоацетату і бета-гідроксибутирату (кетонових тіл), частка яких у продукції енергії становить до 5 %.

Креатинфосфат у серцевому м'язі відіграє подвійну роль: енергетичного резерву і переносить енергію з мітохондрій до міофібрил. Синте­зований шляхом окисного фосфорилювання в мітохондріях АТФ переноситься транслоказою через внутрішню мембрану мітохондрій і під дією креатинкінази, яка зв'язана з внутрішньою стороною зовнішньої мембрани, передає макроергічний фосфатний залишок креатину з утво­ренням креатинфосфату. Останній дифундує в цитоплазму до міофібрил, де розчинна форма креатинкінази каталізує взаємодію креатинфосфату з АДФ, утвореним при скороченні (рис. ).

 

 

Креатинкіназа складається з 2-х субодиниць  (М і В) та існує в 3-х ізоферментних формах: ММ, МВ і ВВ. У серцевому м'язі є всі 3 ізоферменти: в мітохондріях – ММ‑форма, а в цитоплазмі ­– МВ- і ВВ-форми. Ізофермент МВ є в серці й відсутній у всіх інших тканинах організму (ММ-форма ­– переважно в скелетних м'язах, а ВВ-форма здебільшого в мозку). При ураженні міокарда ізоферменти креатинкінази надходять у кров і визначення їх має діагностичне значення.

 

Біохімічні зміни при інфаркті міокарда

 

Зменшене постачання міокарда кров'ю (ішемія) зумовлює порушення в ньому обміну речовин. Оскільки запаси кисню в міокарді вкрай низькі (міо­глобін зв'язує приблизно 0,5 мл О2 на 100 г м'язової тканини), при ішемії дуже швидко розвивається гіпоксія і припиняється продукування АТФ шляхом окисного фосфорилювання. Вміст креатинфосфату і АТФ в ураженій ділянці міокарда швидко зменшується. У початковій стадії ішемії внаслідок дії адреналіну і норадреналіну стимулюється через систему “аденілатциклаза-цАМФ" утворення активної форми фосфорилази. Зниження концентрації АТФ і підвищення АМФ активують ключовий фермент гліколізу – фосфофруктокіназу. У результаті глікоген інтенсивно розщеплюється до молочної кислоти. Таким чином, при гіпоксії в міокарді замість використання лактату відбувається його утворення. Деякий час потреба міокарда в АТФ частково покривається за рахунок гліколізу, але збільшення вмісту лактату стимулює розвиток ацидозу, що гальмує активність фосфофруктокінази. У результаті розпад глікогену і гліколітичне утворення АТФ поступово припиняються.

Нестача АТФ і закислення середовища зумовлюють порушення ­перенесення іонів через мембрани: в клітини надходять іони Nа+, Сl-, виходять іони К+. У ранній фазі ішемії зменшується кількість іонів Са2+, які надходять у клітини через потенціалзалежні кальцієві канали. Вна­слідок ацидозу іони Са2+ звільняються з комплексів з тропоніном, гальмується АТФазна активність міозину, актоміозин дисоціює. Усе це зумовлює зниження скоротливості міокарда. При тривалій ішемії пошкодження мембрани саркоплазматичного ретикулума і плазматичної мембрани викликає надходження Са2+ в цитоплазму за градієнтом концентрації. Зростання вмісту в клітині Nа+ і Са2+ (іонів з високою гідрофільністю), а також лактату, пірувату, продуктів розпаду АТФ і креатинфосфату зумовлює надходження в клітини міокарда рідини, набухання клітин і клітинних органел. Зростає інтенсивність перекисного окиснення ліпідів мембран, їх проникність, ферменти виходять із клітин у кров. Тривала ішемія призводить до незворотних ушкоджень міокарда.

Атрофія м’язових волокон міокарду

 

Для діагностики інфаркту міокарда використовують визначення у плазмі крові креатинкінази, аспартатамінотрансферази, ізоферментів лактатдегідрогенази (ЛДГ1 і ЛДГ2), які виділяються в кров із міокардіоцитів. Специфічним критерієм є визначення МВ-ізоферменту креатин­кінази, рівень якого досягає максимального через 6 год після ­інфаркту.

Але підвищений рівень МВ-креатинкінази зберігається недовго (приблизно 12 год). Пізніше і в значно більшій кількості звільняється ізофермент ММ-креатинкіназа, спільний для скелетних і серцевого м'язів. Сумарна креатинкіназна активність плазми крові досягає максимального рівня через 24-48 год і утримується 3-5 днів. У 10-100 разів, порівняно з нормою, зростає при інфаркті міокарда активність АcAТ, причому максимальний рівень досягається через 1-2 дні й утримується 4-6 днів. Вміст ЛДГ1 досягає максимального через 2-3 дні після інфаркту і зберігається підвищеним 7-12 днів.

ЛДГ1 каталізує також реакцію, в якій як субстрат бере участь не тіль­­ки молочна, але і -оксимасляна кислота. Тому в деяких лабораторіях вимірюють активність оксибутиратдегідрогенази (ОБДГ) як показника ЛДГ1.

Біохімічні зміни при м'язових дистрофіях

 

При прогресуючій м'язовій дистрофії і ряді інших захворювань м'язів (міопатіях) спостерігають зменшення вмісту міофібрилярних білків і збільшення вмісту колагену та еластину. Знижується АТФазна активність міозину, активність гліколітичних та інших ферментів саркоплазми, проте зростає активність ферментів лізосом. Порушення обміну вуглеводів зумовлює зниження концентрації АТФ і креатинфосфату. Змінюється фосфоліпідний склад мембран.

 Характерною ознакою м'язових дистрофій є порушення метаболізму креатину, що проявляється утворенням меншої кількості креатинфосфату і виділенням із сечею великої кількості креатину. В організмі людини щоденно синтезується 1-2 г креатину, з яких тільки незначна кількість (до 150 мг) виводиться із сечею в незмінному вигляді, а більшість – у формі креатиніну. Останній утворюється неферментативним дефосфорилюванням креатинфосфату:

 

 

Добова кількість креатиніну в сечі здорових людей залежить від маси м'язів і становить для чоловіків 18-32 мг на 1 кг маси тіла, для жінок – 10‑25 мг. У кожного індивідуума ця величина досить постійна. Креатинін не абсорбується в ниркових канальцях, тому вміст креатиніну в сечі віддзеркалює фільтраційну здатність нирок. При порушенні цієї функції нирок (хронічний нефрит) збільшується вміст креатиніну в крові, що вказує на ниркову недостатність. При м'язових дистрофіях утворення і виведення креатиніну знижуються, а зростає кількість у сечі креатину. При зменшенні маси м'язів внаслідок голодування, діабету, гіповітамінозу Е, променевої хвороби, гіпертиреозу також зростає кількість креатину, що виводиться із сечею, і зменшується – креатиніну. Зазначимо, що креатин виділяється із сечею в дітей раннього віку та в жінок під час вагітності і після пологів.

Діагностичною ознакою м'язових дистрофій є також зростання ­активності в плазмі крові характерних для м'язів ферментів – креатинкі­на­зи й амінотрансфераз. Активність креатинкінази в ранній стадії ­хвороби може перевищувати норму в 10 разів і більше. Пізніше, коли значна час­тина м'язової тканини зазнає патологічних змін, рівень креатинкі­нази знижується, іноді до норми.

 

Загальна характеристика СПОЛУЧНОЇ ТКАНИНИ

Електронограма з колагеновими та еластичними волокнами

 

 

Сполучна тканина надзвичайно поширена в організмі. Вона є у всіх органах і служить основою для їх утворення та виправлення пошко­джень. До сполучнотканинних утворень відносять шкіру, підшкірну жирову тканину, кістки, зуби, фасції, строму паренхіматозних внутрішніх органів, нейроглію, стінки великих кровоносних судин тощо.

http://www.youtube.com/watch?v=WNd6H7l4sOI

 

Незважаючи на зовнішню різницю типів сполучної тканини, наприклад сполучної тканини шкіри та кісткової тканини скелету, вони мають ряд загальних ознак і властивостей:

Усі різновиди сполучної тканини розвиваються з одного джерела – з мезенхими.

Усі різновиди сполучної тканини складаються із клітин і міжклітинної речовини; міжклітинна речовина переважає за кількістю над клітинами.

Функціональні властивості різних типів сполучної тканини, в значній мірі, визначаються фізико-хімічними властивостями міжклітинної речовини. В тканинах з рідинною або напіврідинною консистенцією міжклітинної речовини виражена трофічна функція; в тканинах з твердою міжклітинною речовиною - механічна, опорна функція.

Клітини сполучної тканини, в основному, представлені фібробластами та їх різновидами (остеобластами, хондробластами, кератобластами та ін.), а також макрофагами, плазматичними клітинами, мастоцити (лаброцитами) та ін.

 

 

Усі різновиди сполучної тканини містять клітини, волокнисті структури і основну міжклітинну речовину (рис.).

 

Волокна побудовані із фібрилярних білків колагену і еластину, а вуглеводно-білкові комплекси, протеоглі­кани, утворюють основну міжклітинну речовину.

 

Міжклітинний матрикс – це певним чином організована речовина, що заповнює проміжки між клітинами. Міжклітинний матрикс містить три основні групи біомолекул:

·       структурні білки (колаген, еластин, фібрилін);

·       спеціалізовані білки (фібронектин, ламінін), які виконують в міжклітинному матриксі специфічні функції;

·       протеоглікани, що складаються із глікозаміногліканів (ГАГ) та корових білків.

Спеціалізованою частиною міжклітинного матрикса є базальні мембрани, на яких ростуть усі клітини організму, окрім клітин сполучної тканини та крові. Вони обмежують області сполучної тканини від інших тканин.

Загальні функції міжклітинного матрикса:

·       Бере участь у проліферації та диференціації клітин і утворенні тканин.

·       Скріплює клітини.

·       Підтримує форму клітин і форму органів.

·       Надає тканинам механічної міцності.

Міжклітинний матрикс у різних органах відрізняється за будовою та специфічними функціями. Специфічна структура матрикса в рогівці ока забезпечує прозорість, у сухожильних зв’язках – міцність, у хрящах суглобових   поверхонь – ресорні властивості.

 

Функції сполучної тканини

1. Опорна функція. Тканина сухожиль, зв'язок та фасцій, хрящова і особливо кісткова тканина — значно міцніші за інші тканини організму, завдяки чому не тільки «зв'язують», але й «підтримують» організм, утворюючи собою своєрідний каркас.

2. Бар'єрна (захисна) функція. З одного боку, вона пов'язана з роллю сполучної тканини як бар'єру між зовнішнім і внутрішнім середовищами організму (дерма) та між кров'ю і клітинними елементами паренхіматозних органів. Таким же саме бар'єром є сполучнотканинні прошарки, які оточують кровоносні судини. Жодна з речовин, принесених до тканин кров'ю, не може потрапити до місця призначення, не проходячи крізь сполучну тканину. З іншого боку, сполучна тканина є бар'єром, який захищає організм від проникнення інфекційних агентів.

3. Функція депонування. Ця функція дуже тісно пов'язана з бар'єрно-захисною, особливо з процесом фагоцитозу. Велика кількість різноманітних речовин, як чужорідного походження, так і утворених внаслідок обмінних процесів в організмі, поглинається деякими клітинами сполучної тканини. Ці речовини можуть відкладатися (депонуватися) в клітинах на тривалий час.

4. Метаболічна функція. Поряд з такими метаболічними реакціями, які притаманні всім клітинам живих організмів, клітини сполучної тканини мають специфічні обмінні функції. Це біохімічні процеси, що забезпечують біосинтез макромолекулярних речовин, з яких будується міжклітинна субстанція сполучної тканини, її волокна й основна речовина.

5. Репаративна функція. Ця функція спрямована на захист організму від інфекції, на ліквідацію наслідків локальних інфекційних осередків і механічних ушкоджень.

 

Вуглеводними компонентами протеогліканів є гетерополісахариди глікозаміноглікани (стара назва мукополісахариди). Основні низькомолекулярні компоненти сполучної тканини – вода й іони натрію. Вміст волокнистих структур, основної речовини й води неоднаковий у різних видах сполучної тканини. В середньому частка основної міжклітинної речовини в організмі складає 20 % маси тіла, а вся сполучна тканина – близько 50 % маси тіла. З віком у сполучній тканині зменшується вміст води і глікозаміно­гліканів, а зростає вміст колагену; одно­час­но змінюються фі­зико-хімічні властивості ­волокон.

Макромолекули, із яких побудовані волокнисті структури, і основна речовина сполучної тканини, синтезуєються в клітинах (фіб­робластах, хондробластах тощо). Після виходу із клітин в міжклітинний простір окремі макромолекули внаслі­док міжмолекулярної взаємодії утворюють складніші структури (комплекси про­теогліканів, волокна, агрегати протео­гліканів, глікопротеїнів і волокнистих елементів). Розпад макромолекул відбувається під дією ферментів лізосом (протеїназ, глікозидаз, сульфатаз). Швидкість оновлення для глікозаміногліканів складає декілька днів чи тижнів, а для колагену – декілька місяців.

В основі ряду спадкових захворювань (мукополісахаридозів) лежить відсутність чи недостатня активність різних ферментів, які розщеплюють окремі глікозаміноглікани; останні накопичуються в сполучній тканині. Інші спадкові хвороби, досить рідкісні, зумовлені порушеннями утворення колагенових волокон, дефектами в їх структурі (синдром Марфана, Елерса-Данлоса, незавершений остеогенез). При недостатності в організмі вітаміну С також порушується формування колагенових волокон, проявляються клінічні симптоми цинги. Та значно поширенішими є системні хвороби сполучної тканини (колагенози), які розвиваються внаслідок ­автоімунних порушень і характеризуються пошкодженнями як волокнис­тих структур, так і основної міжклітинної речовини, клітин і мікроцир­куляторного русла.

 

ОСОБЛИВОСТІ БІОСИНТЕЗУ, МОДИФІКАЦІЇ КОЛАГЕНУ, ЕЛАСТИНУ, ЇХ РОЛЬ. РОЛЬ ГОРМОНІВ, ВІТАМІНІВ У ЦИХ ПРОЦЕСАХ

 

В сполучній тканині міжклітинна речовина займає значно більше місця, ніж клітинні елементи. Міжклітинний матрикс відіграє значну роль  як в забезпеченні фізіологічних процесів, так і в розвитку патологічних станів. У процесі розвитку деякі ембріональні клітини повинні мігрувати через міжклітинний матрикс на значну відстань. Для утворення метастазів ракові клітини повинні мігрувати через міжклітинний матрикс і потім проникнути до малих кровоносних судин або до лімфатичної системи. Доведено участь молекул міжклітинного матриксу у розвитку ревматоїдного артриту та остеоартриту. Деякі захворювання (наприклад, недосконалий остеогенез та численні типи синдрому Ehlers-Danlos) є наслідком генетичних порушень синтезу колагену. Генетично обумовлений дефіцит лізосомальних гідроксилаз, що беруть участь у розщепленні ГАГ, призводить до розвитку мукополісахаридозів. Врешті решт, з віком відбувається багато змін в міжклітинному матриксі, і це суттєво позначається як на стані сполучної тканини, так і організму в цілому.

Для сполучної тканини характерна наявність своєрідних волокнистих (фібрилярних) структур – колагенових, еластинових і ретикулінових волокон, розташованих в оточенні основної міжклітинної субстанції.

Колагенові волокна складаються з фібрил, що мають велику міцність і практично нерозтяжні. Фібрили колагену можуть витримувати навантаження, які в 10 000 разів перевищують їх власну вагу. Сухожилля, за допомогою яких зусилля м’язів передається кісткам, складаються, передусім, з колагену.

Колаген – найпоширеніший білок в організмі людини, що становить приблизно 25-33% усього білка, тобто майже 6% від маси тіла. В тканинах людини було ідентифіковано близько 19 типів колагену, що утворюються 30 різними поліпептидними ланцюгами (які кодуються такою ж кількістю генів колагену). Хоча деякі з них присутні в невеликій кількості, проте вони можуть відігравати значну роль в забезпеченні фізичних властивостей тканин. Структурною одиницею фібрил колагену є тропоколаген. Молекули тропоколагену розташовані регулярним чином у повздовжньому й поперечному напрямках. Молекули тропоколагену в паралельних ланцюгах фібрили зміщені одна відносно одної приблизно на ¼ довжини (67 нм), чим обумовлюється характерна для колагенових структур поперечна посмугованість.

 

 

Молекула колагену (іноді її називають тропоколагеном) має довжину близь­ко 300 нм, товщину – 1,5 нм, молекулярну масу приблизно 300 000 дальтон, вона побудована з трьох поліпептидних лан­цюгів, що мають форму лівозакрученої спіралі з трьома амінокислотними залишками на один виток, тобто відрізняється від альфаспіралі глобулярних білків. Три лівоспіральних лан­цюги разом закручуються у праву спіраль, як кабель (рис. ).

 

Кожний ланцюг містить приблизно 1000 амінокислотних залишків, з яких 33 % становить гліцин, близько 21 % – пролін і оксипролін, 11 % – аланін і тільки приблизно 35 % – усі інші амінокислоти. Послідовність амінокислот у ланцюзі досить регулярно повторюється: майже у кожному 3-му положенні знаходиться залишок гліцину, часто зустрічаються трипептидні фрагменти – гліцин-Х-пролін, гліцин-Х-оксипролін, гліцин-пролін-окси­пролін, де Х – інші амінокислоти. Оксипролін, за винятком колагену і еластину, дуже рідко зустрічається в інших білках. Колаген містить ще одну рідкісну амінокислоту – оксилізин.

Колаген – складний білок, глікопротеїн, в якому до частини залишків оксилізину поліпептидного ланцюга 0-глікозидним зв'язком приєднуються вуглеводи – моносахарид галактоза або дисахарид галактозилглюкоза.

В організмі людини відкрито 12 типів колагенів, які відрізняються первинною структурою, набором ланцюгів у молекулі, вмістом вуглеводів, органною та тканинною локалізаціями. Перші 4 типи більше поширені (табл. ), а інші знайдені в невеликих кількостях і ще мало вивчені.

 

 

Надзвичайно високий вміст у колагені гліцину – амінокислоти, в якій відсутня R-група, й імінокислот (проліну та оксипроліну), які утворюють вигини в поліпептидних ланцюгах, що зумовлює унікальну структуру молекули колагену – триланцюгову спіраль. Між ланцюгами за рахунок СО- і NН-груп пептидних зв'язків, а також ОН-групи оксипроліну, виникають водневі зв'язки, які стабілізують спіраль. Молекули колагену (тропоколагену) розташовуються регулярним чином у поздовжньому і поперечному напрямках і утворюють фібрили, з яких послідовно формуються пучки фібрил, волокна і пучки волокон. Молекули в паралельних ланцюжках фібрили зміщені одна відносно одної приблизно на 1/4 довжини (64 нм). Цим зумовлюється характерна для колагенових фібрил поперечна посмугованість з періодом повторюваності 64 нм.

 

 

У колагенових фібрилах утворюються поперечні ковалентні зшиви. Спосіб їх виникнення такий. Спочатку мідьвмісний фермент лізил­оксидаза каталізує реакцію окиснювального дезамінування залишків лізину й оксилізину з утворенням альдегідних форм – аллізину і оксиаллізину. Останні взаємодіють між собою або з іншими залишками лізину чи оксиаллізину, утворюючи поперечні зшиви декількох типів (рис.). Поперечні зв'язки зшивають як попіпептидні ланцюги у молекулі тропоколагену, так і розміщені поряд у фібрилах молекули.

При рідкісній спадковій хворобі (синдром Елерса-Данлоса, тип V) внаслідок відсутності чи зниженої активності лізилоксидази в колагенових фібрилах зменшене число поперечних зв'язків і механічні властивості волокон погіршені.

Колагенові фібрили різними способами організовані у волокнах сполучної тканини, залежно від їх біологічної функції.

Зокрема, у сухожиллях фібрили розміщені у вигляді поперечно-зв'язаних пучків колагену типу І, які надзвичайно міцні і практично не розтягуються.

При кип'ятінні у воді нерозчинних колагенових волокон отримують розчин желатини. Деякі ковалентні зв'язки колагену гідролізуються, в результаті чого утворюється суміш розчинних поліпептидів, які можуть перетравлюватись протеолітичними ферментами шлунково-кишкового тракту. Катаболізм тканинного колагену починається з дії специфічних колагеназ, які розщеплюють певні пептидні зв'язки у всіх 3 ланцюгах тропоколагену. Утворені поліпептиди розчинні у воді і гідролізуються тканинними протеїназами до амінокислот. Про інтенсивність розпаду колагену судять на основі вмісту вільного оксипроліну в крові і сечі. Підвищений розпад колагену при деяких ураженнях сполучної тканини, суглобів і кісток супроводжується збільшенням секреції оксипроліну.

 

Біосинтез колагену

Стадії синтезу колагену:

·       синтез поліпептидних ланцюгів;

·       внутрішньоклітинна посттрансляційна модифікація пептидних ланцюгів (гідроксилювання та глікозилювання);

·       утворення потрійної спіралі;

·       секреція;

·       позаклітинна модифікація, що закінчується формуванням колагенових волокон.

 

Поліпептидні ланцюги молекул колагену синтезуються на рибосомах, зв'язаних із мембранами ендоплазматичного ретикулума, в клітинах фібробластичного ряду сполучної тканини.

 

 

Спочатку синтезуються високомолекулярні попередники (проколагени), які мають додаткові пептидні послідовності з обох кінців ланцюга. Амінокислотний склад цих ділянок (пропептидів) відрізняється від складу основного ланцюга. Зокрема, вони містять залишки цистеїну. Одночасно з ростом поліпептидного ланцюга відбувається реакція гідроксилювання деяких залишків проліну і лізину, яку каталізують, відповідно, пролін- і лізингідроксилаза. Для дії ферментів необхідні як субстрати молекулярний кисень і альфа-кетоглутарова кислота, а як кофакториіон Fe2+ і аскорбінова кислота. При недостатності в організмі вітаміну С гальмуються гідроксилювання і утворення поперечних зв'язків, а в результаті погіршуються механічні властивості колагенових волокон. Аналогічні зміни спостерігаються при спадковому дефіциті лізингідроксилази (синдром Елерса-Данлоса, тип VІ).

Після гідроксилювання до частини залишків оксилізину і оксипроліну приєднуються галактоза і глюкоза. Реакцію глікозилювання ката­лізують відповідні глікозилтрансферази в канальцях гранулярної ендо­плазматичної сітки, куди потрапляють поліпептидні ланцюги проколагену. Після гідроксилювання і глікозилювання поліпептидні ланцюги формують триланцюгову спіраль, чому сприяє утворення дисульфідних зв'язків між ланцюгами на С-кінцях. Проколаген секретується в складі міхурців із клітини в міжклітинний простір, де під дією протеолітичних ферментів (проколагенпептидаз) відщеплюються кінцеві пропептиди. Утворені молекули тропоколагену формують фібрили, які прошиваються поперечними ковалентними зв'язками. В структурну організацію колагенових волокон вносять вклад зв'язані з колагеном протеоглікани. Із кожним колагеновим мономером зв'язується за рахунок електростатичної взаємодії від 2 до 5 полісахаридних ланцюгів. Протеоглікани, вірогідно, захищають колаген від дії колагеназ і протеаз.

Схема синтезу колагену в цитоплазмі фібробласта і позаклітинного фібрілогенеза

 

Інтенсивний синтез колагену має місце під час загоювання ран. Швидкість загоювання гальмується при недостатності в організмі аскорбінової кислоти, заліза, низькому парціальному тиску кисню в рані. Усі перераховані фактори потрібні для активності пролін- і лізингідроксилаз. Надмірне утворення колагенових фібрил спостерігається при ряді захворювань сполучної тканини (прогресуючому системному склерозі, склеродермії, поліміозиті), фіброзі легень, цирозі печінки. З віком змінюється співвідношення типів колагенів в тканинах, збільшується число поперечних зшивок, лабільні зшивки замінюються стабільними, що робить колагенові фібрили жорсткішими і крихкішими. Причиною вікових структурних змін колагену, вірогідно, є зміни вмісту ферментів, необхідних для синтезу поліпептидних ланцюгів, їх модифікації, утворення поперечних зв'язків. Структурні зміни колагену призводять до зменшення еластичності шкіри, кровоносних судин, збільшення ламкості кісток, погіршення механічних властивостей сухожилків і хрящів.

 

Одночасно з трансляцією відбувається гідроксилювання пролінових та лізинових залишків в пептидних ланцюгах, що синтезуються. Аскорбінова кислота виконує роль відновлювача, що сприяє підтриманню заліза гідроксилази в двохвалентному стані.

Гідроксилювання проліну необхідно для утворення стабільної трьохспіральної структури колагену. Гідроксилювання лізину потрібно для утворення ковалентних зв’язків між молекулами колагену при утворенні колагенових структур. Залишки гідроксилізину є місцями глікозилювання. При недостатності вітаміну С синтез колагену порушується на стадії гідроксилювання. Утворюються менш міцні та менш стабільні колагенові волокна.

Пептидні ланцюги колагену мають сигнальний пептид та кінцеві пептиди. За допомогою сигнального пептиду пептидні ланцюги колагену проникають у порожнину ендоплазматичного ретикулуму (де сигнальний пептид зразу відщеплюється). В порожнині ендоплазматичного ретикулуму відбувається глікозилювання пептидних ланцюгів та їх об’єднання в трьохспіральні молекули проколагену.

В міжклітинному просторі від проколагену відщеплюються кінцеві пропептиди (під дією проколаген-пептидаз) і утворюється тропоколаген. Відщеплення N-кінцевих пептидів необхідно для формування упорядкованих колагенових структур. Далі відбувається агрегація молекул тропоколагену з формуванням колагенових фібрил та волокон. Стабілізація фібрил досягається за рахунок утворення додаткових міжланцюгових ковалентних зв’яків за участю ферменту лізилоксидази. Лізилоксидаза здійснює окислювальне дезамінування ε-аміногруп залишків лізину та гідроксилізину, а утворені альдегідні групи формують міжмолекулярні Шифові основи з ε-аміногрупами лізину сусідніх поліпептидних ланцюгів.

Розщеплення колагену відбувається за допомогою специфічного ферменту – колагенази. Колагеназа перерізає всі три поліпептидні ланцюги в одному місці, приблизно на ¼ відстані від С-кінця, між залишками гліцину та лейцину (або ізолейцину). Фрагменти, що утворюються, розчинні у воді й легко денатурують, після чого їх пептидні зв’язки стають доступними для гідролізу різними пептидгідролазами. Вміст гідроксипроліну в крові та сечі відображає баланс швидкості катаболізму колагену та швидкості катаболізму гідроксипроліну.

Ті ж самі клітини, що продукують колаген, секретують також фібронектин. Він зв’язується з колагеном, впливаючи на кінетику формування волокон в періцелюлярному матриксі.

 

 

Еластин

 

Білок еластин – основний складник еластичних волокон, яких багато у зв'язках, стінках великих артерій, легенях. Його молекули містять приблизно 800 амінокислотних залишків, мають глобулярну форму, діаметр – 2,8 нм. Вони об'єднуються у волокнисті тяжі за допомогою жорстких поперечних зшивок. У склад волокон входять глікопротеїни, які впливають на просторову організацію молекул еластину у волокнах.

Як і колаген, еластин містить багато гліцину і аланіну, трохи менше проліну, більше валіну; відсутні оксилізин, цистеїн. Поліпептидний ланцюг складається із багатих залишками глі­цину спіральних ділянок, розділених коротшими, які містять залишки лізину й аланіну. Са­ме залишки лізину беруть участь в утворенні поперечних ковалентних зв'язків. Для цього 3 залишки лізину окиснюються ферментативним шляхом до альдегідів (аллізинів), а потім конденсуються з четвертим залишком лізину: утворюються гетероциклічні сполуки, які називаються десмозином чи ізодесмозином (рис.).

 Ці нестандартні амінокислоти відкриваються у гідролізаті еластину. В утворенні десмозину і ізодесмозину беруть участь залишки лізинів з 2, 3 чи 4 різних поліпептидних ланцюгів (молекул еластину), зшиваючи їх у сіткову структуру, здатну зворотно розтягуватись у всіх напрямках у два і більше раз. Розтягнення забезпечується збільшенням довжини спіральних ділянок поліпептидних ланцюгів, яка при знятті навантаження повертається до вихідної величини. Еластинові волокна, хоч набагато слабші за колагенові, досить міцні на розрив завдяки ковалентному характеру зв'язків. З віком еластичність їх знижується.

Зміни еластичних волокон при інфаркті міокарда

 

Структура і функції протеогліканів

 

Основну міжклітинну речовину сполучної тканини утворюють протеоглікани, що складаються з невеликої білкової частини, до якої ковалентними зв'язками приєднані полісахаридні ланцюги (декілька десятків, а інколи більше 100). Молекулярна маса протеогліканів може досягати десятків мільйонів. На відміну від глікопротеїнів, у протеогліканах основна частина маси припадає на вуглеводну частину (до 93-97 %).

Глікозаміноглікани (або кислі мукополісахариди) – це полісахариди, які побудовані з великої кількості однакових дисахаридних одиниць. Ос­кільки до складу дисахаридних одиниць входять два різні мономери, глікозаміноглікани відносяться до гетерополісахаридів. Звичайно дисахаридна одиниця складається з аміноцукру (N-ацетилглюкозаміну чи N-ацетилгалактозаміну) й уронової кислоти (глюкуронової чи ідуронової). До аміноцукрів в 4-чи 6-му положенні часто приєднаний залишок сульфату.

 

 

Відомі 7 типів глікозаміногліканів (табл.), які відрізняються за мономерами, типом глікозидних зв'язків, а також за кількістю і місцем приєднання сульфатних груп.

На рис. показаний як приклад фрагмент гіалуронової кислоти.

До складу кератансульфату замість уронової кислоти входить галактоза. Із усіх типів тільки гіалуронова кислота не містить залишків сульфатів. У гепарині частина глюкозамінних залишків містить N-сульфатні групи, а не N-ацетильні. Гепарансульфат має менше, ніж гепарин, N- і О-сульфатних груп. Крім того, в гепарансульфаті переважає глюкуронова кислота, а в гепарині – ідуронова.

 

 

Кількість дисахаридних одиниць і, відповідно, молекулярна маса різних глікозаміногліканів різна. Найбільші молекули гіалуронової кислоти (молекулярна маса 105-107). Завдяки наявності негативно заряджених при фізіологічних значеннях рН карбоксильних груп і сульфогруп усі глікозаміноглікани є поліаніонами, що має важливе значення для їх функцій. Зокрема, вони зв'язують та утримують катіони натрію. Глікозаміноглікани добре розчинні у воді з утворенням в'язких розчинів. Величина в'язкості залежить від форми і розмірів молекул. Найбільша в'язкість характерна для розчинів гіалуронової кислоти, довгі ланцюги якої укладаються неупорядкованим чином і займають великий простір, заповнений, в основному, молекулами води. Високий вміст гіалуронової кислоти знайдено в склоподібному тілі ока, слизовій тканині пупкового канатика зародка, синовіальній рідині. Желеподібна структура розчину гіалуронової кислоти забезпечує функцію синові­альної рідини у суглобах як мастила, що зменшує тертя суглобових поверхонь. В'язкість синовіальної рідини у пацієнтів з ревматизмом чи артритом низька, що пов'язано з деполімеризацією гіалуронової кислоти.

Гепарин відрізняється від інших глікозаміногліканів за локалізацією в тканинах та функціями.

Синтезується він тканинними базофілами (інакше огрядними клітинами) і знаходиться в гранулах. Ці клітини часто локалізуються за ходом кровоносних судин мікроциркуляторного русла. Під час дегрануляції тканинні базофіли викидають гепарин у міжклітинний простір. Гепарин бере участь в регулюванні коагуляції крові. Він підвищує звільнення в плазму ферменту ліпопротеїнліпази, зв'язаної з стінками капілярів, і, таким чином, сприяє гідролізу тригліцеридів хіломікронів і ЛПДНГ. Антикоагуляційний ефект гепарину полягає в посиленні дії інгібітора факторів коагуляції антитромбіну ІІІ. Гепарин використовується в клінічній практиці як антикоагулянт.

 

Основну міжклітинну речовину складають протеогліканові агрегати з гіалуронової кислоти, низькомолекулярних білків і великої кількості мономерних субодиниць протеогліканів. На частку останніх припадає до 99 % маси агрегатів. Мономери протеогліканів побудовані з білка (так званого "корового") і ковалентно зв'язаних із ним полісахаридних ланцюгів сульфатованих глікозаміногліканів. Молекули хондроїтинсульфатів приєднані О-глікозидним зв'язком між ксилозою і серином полі­пептидного ланцюга. Ксилоза не входить до дисахаридних одиниць, а виконує фун­к­цію додаткового складника, який зв'язує полісахарид із білком. Інші глікозаміноглікани можуть приєднуватись глікозидними зв'язками між N-ацетилглюкозаміном чи N-ацетилгалактозаміном і серином чи аспарагіном поліпептиду. В типовому протеоглікані хрящової тканини до білка приєднано приблизно 150 молекул хондроїтинсульфатів і кератансульфатів (рис. ).

Протеоглікани різних тканин (шкіри, хрящів, сухожиль, зв'язок, кісток, стінок судин, внутрішніх органів) розрізняються молекулярною масою, розмірами, набором глікозаміногліканів, відносним вмістом білка.

Протеогліканові мономери за допомогою низькомолекулярних білків нековалентно приєднуються до гіалуронової кислоти, утворюючи протеогліканові агрегати. Їх структура нагадує гілочку ялини (або щітку для пляшок). Перпендикулярно до нитки гіалуронової кислоти і вздовж усієї нитки рівномірно розміщені протеогліканові мономери. Довжина молекули гіалуронової кислоти може бути різною (від 450 до 4200 нм) і до неї може приєднуватись понад 100 протеогліканових мономе­рів. Усі складники протео­гліканових агрегатів утримуються разом зв'язками різ­них типів: іонними, водневими, ­дисульфідними.

Полісахаридні ланцюги глікозаміногліканів у протеогліканових агрегатах внаслідок гідратації і відштовхування однойменно заряджених груп витягнуті й розміщені не впритул один до одного. При зовнішньому тиску молекули води частково видавлюються з проміжків і полісахаридні ланцюги зближуються. У міру зближення опір тиску зростає, а при знятті тиску відновлюються форма і об'єм гідратованих агрегатів. Таким чином, якщо колагенові волокна надають міцності хрящам та іншим різновидам сполучної тканини, то основна міжклітинна речовина (желеподібна структура із протеогліканів) забезпечує тургор, пружно-еластичні властивості. Крім того, протеоглікани обмежують дифузію, переміщення через сполучну тканину молекул, які мають розмі­ри альбумінів чи імуноглобулінів. Гідроліз гіалуронової кислоти під дією гіалуронідази збільшує проникність міжклітинної речовини. Багато патогенних мікроорганізмів виділяють гіалуронідазу, що допомагає їм рухатись у ­тканинах.

 

 

Із віком у хрящовій тканині знижується кількість протеогліканів, зростає вміст колагенових волокон, які можуть затримувати солі кальцію і звапнюватися. Усі ці зміни викликають зменшення ступеня гідратації протеогліканів і втрату пружності хрящової тканини.

Обмін протеогліканів

 

Синтез протеогліканів подібний до синтезу глікопротеїнів. Спочатку "коровий" білок синтезується на рибосомах, зв'язаних з ендоплазматичним ретикулом (ЕР). До поліпептидного ланцюга в ЕР послідовно під дією специфічних глікозилтрансфераз приєднуються моносахаридні залишки. Процес продовжується в апараті Гольджі. Після утворення полісахаридного ланцюга певної довжини відбувається приєднання залишків сірчаної кислоти до моносахаридів. Реакція каталізується сульфотрансферазами, а донором служить 3-фосфоаденозин-5-фосфосульфат (ФАФС). Молекули протеогліканів потрапляють у гранули і секретуються з клітин. У міжклітинному просторі відбувається об'єднання складників протеогліканових ­агрегатів, а також взаємодія їх із колагеновими волокнами.

На обмін протеогліканів і колагену в сполучній тканині впливають ряд гормонів. Так, гормон росту стимулює синтез протеогліканів і колагену. Дія його опосередковується соматомединами. Синтез глікозаміногліканів знижується при недостатності інсуліну. Глюкокортикоїди пригнічують синтез протеогліканів і колагену у сполучній тканині, кістках, шкірі, а також підвищують катаболізм білків у цих тканинах. Тому при гіперфункції кори надниркових залоз спостерігаються потовщення шкіри та кровоносних судин, остеопороз. На клітинному рівні гормон росту стимулює проліферацію фібробластів, а глюкокортикоїди гальмують.

У тканинах організму протеоглікани постійно оновлюються. Розпад відбувається в лізосомах, куди протеоглікани потрапляють шляхом ендоцитозу. Білкова частина розщеплюється катепсинами, а вуглеводна – сп­ецифічними глікозидазами. Гіалуронідаза ссавців гідролізує альфа-1,4-глікозидні зв'язки між дисахаридними одиницями в гіалуроновій кислоті, а також у хондроітинсульфатах, з утворенням тетрасахаридів, які під дією інших глікозидаз розпадаються до моносахаридів. Від сульфатованих моносахаридів спочатку усувається під дією сульфатаз сульфат. На рис. показана схема розпаду хондроїтинсульфату.

 

 

 

Ряд захворювань пов'язаний з порушенням синтезу колагену. Головна причина — мутації. Так, при спадковому дефіциті лізингідроксилази в колагенових фібрилах зменшується кількість поперечних зв'язків і погіршуються механічні властивості волокон, розвивається синдром елерса—данлоса з ураженням шкіри, судин, суглобів. Якщо ж не вистачає вітаміну с, гальмуються гідроксилювання і утворення поперечних зв'язків, а відтак погіршуються механічні властивості колагенових волокон. Надмірне утворення колагенових фібрил спостерігається при ряді захворювань сполучної тканини (прогресуючому системному склерозі, склеродермії, поліміозиті), фіброзі легень, цирозі печінки. З віком змінюється співвідношення типів колагенів у тканинах, зростає кількість поперечних зшивок, лабільні зшивки замінюються стабільними, що робить колагенові фібрили жорсткішими. Структурні зміни колагену призводять до зменшення еластичності шкіри, кровоносних судин, ламкості кісток, погіршення механічних властивостей сухожиль та хрящів

Генетично зумовлена недостатність навіть однієї лізосомальної глікозидази викликає аномальне накопичення в клітинах субстратів і виникнення багатьох клінічних ознак. Продукти неповного розщеплення глікозаміногліканів у підвищеній кількості виводяться з сечею. Ці спадкові хвороби називаються мукополісахаридозами. Відомо понад 8 типів мукополісахаридозів із різними клінічними ознаками: малорухомі суглоби, деформації скелета, мутна рогівка ока, низький ріст, затримка розумового розвитку.

 

 

Мукополісахаридози – хвороби накопичення. В результаті нестачі лізосомальних ферментів змінюється катаболізм глікозаміногліканів та настає їх накопичення в лізосомах, що викликає грубу клітинну патологію та характерну клінічну картину. Захворювання успадковувається за АР типом, за винятком синдрому Гантера (рецесивний, зчеплений з Х- хромосомою). За наявним ферментативним дефектом вирізняють 14 типів та підтипів мукополісахаридозів. Зазвичай захворювання проявляються у віці 1-6 місяців. Виникає і поступово розвивається розумова відсталість, фізична неповноцінність, які часто призводять до смерті. Основні симптоми захворювання: затримка психічного розвитку, неврологічні порушення, підвищеність сухожилкових рефлексів, судоми, атаксія, дефекти зору (помутніння рогівки, катаракта та ін.), порушення слуху, кісткові деформації, вади серця, гепатоспленомегалія.

Клінічна картина захворювань досить різноманітна і включає ураження сполучної тканини, які в одних випадках більш виражені в скелеті чи його частинах, в інших – в ураженні серця чи рогової оболонки очей. Біохімічним маркером хвороб накопичення є гіперсекреція і/чи внутрішньоклітинне накопичення глікозаміногліканів. Нині існує перспектива лікування мукополісахаридозів рекомбінантними препаратами (для лікування мукополісахарідозів 1 та 4 типів, хвороби Фабрі. Є надія, що ці препарати в найближчому майбутньому з’являться і в Україні.

 

 

Для синдрому Гурлера характерне раннє помутніння рогової оболонки, карликовість, гіпертрихоз, скіфоцефалія, макроцефалія, розумова відсталість, грубі риси обличчя, втрата слуху, гепатоспленомегалія, кили (грижі), викривлення колінних суглобів, брахідактилія, кігтеподібна кисть, розширення діафізів.

Для синдрому Хантера характерні дизостози з карликовістю, розумова відсталість, гепатоспленомегалія, кардіопатія, відсутність помутніння рогівки, атиповий пігментний ретиніт, набряк диска зорового нерва, збільшене турецьке сідло, дзьобоподібні тіла поперекових хребців.

Для синдрому Санфіліппо (А, В, С ) характерна помірна карликовість, гіпертрихоз, середньої важкості ураження скелета, ущільнення кісток склепіння черепа, помірне огрубіння рис обличчя, відсутність помутніння рогівки, зниження слуху, незначна гепатомегалія, двоопуклі тіла поперекових хребців, розумова відсталість.

Проявами синдрому Моркіо є карликовість, ущільнення кісток склепіння черепа, помутніння рогівки, втрата слуху, помірна гепатомегалія, гіпоплазія зубовидного відростка, підвивих шийних хребців, цервікальна мієлопатія, кільоподібна деформація грудини, загальна слабкість м'язів, дисплазія стегон, збережений інтелект.

Синдром Шейє клініка така ж як і при синдромі Гурлера, але наявна тугорухливість суглобів, аортальна регургітація, але інтелект нормальний. Деякі дослідники вважають його синдромом Гурлера.

Синдром Марото-Ламі – симптоматика, як при синдромі Гурлера, але інтелект нормальний.

Синдром Слая – грубі риси обличчя, різний ступінь помутніння рогівки, зниження слуху, гепатомегалія та спленомегалія, деформація грудної клітки, Х-подібна деформація ніг, збережений інтелект.

Синдром ді Ферранте — низькорослість, розумова відсталість, гірсутизм, грубе волосся, гепатомегалія, помірний множинний дизостоз, гіпоплазія зубовидного відростка.

9-й тип - низькорослість, множинні відкладення гіалуронової кислоти у навколосуглобових тканинах.

Діагностика. Використовується нефелометричний тест та локусна диференціація визначення активності 6 ферментів, які беруть участь у деградації глікозаміногліканів, метаболічне кооперування. Напівкількісне та кількісне визначення екскретованих глікозаміногліканів, а також електролітичне фракціювання дає змогу диференціювати захворювання.

 

Діагностика окремих типів грунтується на ідентифікації метаболітів у сечі та виявленні дефектів ферментів у культурі фібробластів. Мукополісахаридози можна діагностувати і під час вагітності шляхом визначення активності відповідних ферментів у клітинах амніотичної рідини. Розробляють методи замінної терапії мукополісахаридозів ферментами.

 

 

Діагностика окремих типів грунтується на ідентифікації метаболітів у сечі та виявленні дефектів ферментів у культурі фібробластів. Мукополісахаридози можна діагностувати і під час вагітності шляхом визначення активності відповідних ферментів у клітинах амніотичної рідини. Розробляють методи замінної терапії мукополісахаридозів ферментами.

Мукополісахаридоз І типу (синдром Гурлера) Хлопчику 3 роки

Мукополісахаридоз II типу (синдром Хантера) Хлопчику 7 років

Хвороба Гоше – спадкове захворювання з групи сфінголіпідозів, зумовлене нестачею лізосомального ферменту — глюкоцереброзидази