Тема 7.1. Коллаген

1. Коллаген - основной структурный белок межклеточного матрикса. Он синтезируется клетками соединительной ткани (остеобластами, хондробластами, фибробластами и др.). Это фибриллярный белок, отличающийся от других белков рядом особенностей состава и структуры:

•  пептидная цепь коллагена содержит около 1000 аминокислотных остатков, из которых каждая третья аминокислота - глицин, 20% составляют пролин и гидроксипролин, 10% - аланин, оставшиеся 40% - другие аминокислоты; в коллагене отсутствуют цистеин и триптофан и содержится очень мало гистидина, метионина и тирозина;

•  первичную структуру коллагена можно записать в виде [Гли-Х-У ]₃₃₃, где Х - часто пролин, а У - гидроксипролин; особенности первичной структуры обеспечивают уникальную конформацию коллагена;

•  полипептидная цепь коллагена укладывается в левозакрученную α-спираль, которая отличается от α-спирали глобулярных белков; она более развернута, и на один виток приходится три аминокислотных остатка, поэтому в цепи глицин всегда находится над глицином - это обстоятельство имеет важнейшее значение для последующей укладки коллагена и выполнения его функций; стабилизация этой цепи происходит преимущественно силами стерического отталкивания пирролидоновых колец пролина, так как водородных связей пролин и гидроксипролин не образуют;

•  следующий уровень структурной организации коллагена - образование правозакрученной суперспирали из трех α-цепей, при формировании которой остатки глицина оказываются по ее центральной оси, что способствует образованию линейной молекулы тропоколлагена и включению ее в волокно.

2. Синтез и созревание коллагена - сложный многоэтапный процесс, который начинается в клетке, а завершается во внеклеточном пространстве (рис. 7.1). Он включает в себя целый ряд посттрансляционных изменений: гидроксилирование пролина и лизина, гликозилирование гидроксилизина, образование тройной спирали, отщепление N- и С-концевых пептидов.

Рис. 7.1. Синтез и созревание коллагена

Полипептидные цепи коллагена синтезируются на полирибосомах, связанных с мембраной ЭР, в виде предшественников, имеющих на N-конце «сигнальный» пептид. Основная функция этого пептида - ориентация синтеза пептидных цепей в полость ЭР, после выполнения которой этот пептид сразу же отщепляется. Гидроксилирование пролина и лизина начинается в период трансляции полипептидной цепи вплоть до ее отделения от рибосом. Эти реакции катализируют соответствующие гидроксилазы, которые содержат в активном центре железо в виде Fe²+. В реакции участвуют О₂ и α-кетоглутарат, для поддержания железа в восстановленной форме необходимо присутствие витамина С. Введение ОН-группы в радикалы пролина и лизина способствует стабилизации цепей в молекуле тропоколлагена за счет образования водородных связей между ними (рис. 7.2). При недостатке витамина С этот процесс замедляется, снижается прочность и стабильность коллагеновых волокон, что приводит к возникновению цинги, симптомами которой являются кровоизлияния под кожу и слизистые, кровоточивость десен, анемия и др. Причина этого - повышенная ломкость и хрупкость кровеносных сосудов, которая приводит к повреждениям сосудистой стенки.

Рис. 7.2. Гидроксилирование пролина в коллагене

Гликозилирование лизина под действием гликозилтрансфераз прекращается по мере формирования трехспиральной структуры.

N- и С-концевые пептиды проколлагена содержат остатки Цис, которые формируют внутри- и межцепочечные (только С-концевые пептиды) дисульфидные связи; эти пептиды необходимы для образования тройной спирали коллагена - при их отсутствии спирализация трехцепочечной структуры коллагена нарушается.

Определенную роль в синтезе очень больших цепей пре-проколлагена играют белки-шапероны, которые обеспечивают «контроль их качества»: они способствуют правильному синтезу молекул коллагена и их транспорту по секреторным путям, а также «отслеживают» неправильно собранные молекулы коллагена, которые затем разрушаются.

Внеклеточная стадия синтеза коллагена начинается с протеолиза N- и С-концевых неспирализованных участков, которые содержат соответственно 100 и 250 аминокислотных остатков, и образования тропоколлагена.

3. Коллаген - это полиморфный белок. Известно 19 типов коллагена, которые отличаются друг от друга первичной структурой пептидных цепей, функциями и локализацией в организме. Разные типы коллагена в разных тканях могут образовывать такие структуры, как фибриллы, микрофибриллы, «заякоренные» фибриллы, сети и др.

Фибриллообразующие коллагены (типы I, II, III, V и XI). Основа фибрилл - ступенчато расположенные параллельные ряды молекул тропоколлагена, которые сдвинуты на 1/4 друг относительно друга (рис. 7.3).

Рис. 7.3. Схема ступенчатого расположения молекул коллагена в коллагеновой фибрилле

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 этих трех типов называют также интерстициальными, они образуют очень прочные фибриллы, которые выдерживают большие механические нагрузки. Стабилизация фибрилл обеспечивается поперечными связями между остатками лизина и аллизина - продукта окисления лизина в молекулах тропоколлагена. Эти типы связей встречаются не только в коллагене, но и в эластине. Модификацию радикалов лизина катализирует медьсодержащий ферментлизилоксидаза, который находится в межклеточном матриксе. Для этих реакций окислительного дезаминирования лизина и гидроксилизина необходимы также витамины РР и В₆. Образовавшиеся реактивные альдегиды спонтанно формируют ковалент-

ные связи между собой, а также с другими остатками лизина или гидроксилизина соседних молекул, и в результате возникают поперечные Лиз-Лиз- сшивки (рис. 7.4).

Кроме этих сшивок, между молекулами коллагена могут возникать перекрестные пиридиновые связи, в результате которых образуются пиридинолины (кости и хрящи) и дезоксипиридинолины (кости и дентин), что также способствует повышению прочности этих тканей. Эти структуры имеют важное значение в диагностике: при метастазах рака легких, простаты и молочной железы в кости они определяются в моче.

Коллаген IV типа - структурный компонент базальных мембран - относится к сетеобразующим коллагенам. Особенностью этого коллагена является то, что повторяющиеся спирализованные участки с последовательностями [Гли-Х-У] часто прерываются короткими неспиральными сегментами,

Рис. 7.4. Образование поперечных связей в коллагене:

А - образование альдольной поперечной сшивки из двух боковых цепей лизина; Б - образование шиффовых оснований из боковых цепей лизина и аллизина

что, по-видимому, увеличивает гибкость коллагена IV типа и способствует формированию на его основе сетчатых структур. У коллагена IV типа N- и С-концевые пептиды не отщепляются. Именно эти фрагменты участвуют в образовании олигомерных форм коллагена, стабилизированных дисульфидными мостиками и поперечными лизиновыми связями. В базальной мембране из этих компонентов формируется сетчатая структура (рис. 7.5).

Рис. 7.5. Организация коллагена IV типа:

А - тройная спираль мономера; 7S - N-конец; НК1 - С-конец; Б - полимеризация коллагена IV типа: 1 - мономер; 2 - димеры, образованные соединением мономеров в области НК1-доменов; 3 - тетрамеры, образованнные соединением мономеров в области 7S-сегментов в параллельном и антипараллельном направленииях; 4 - образование сетчатой структуры из олигомерных форм коллагена IV типа

Коллаген VII типа - основной структурный компонент «заякоренных» фибрилл, которые находятся преимущественно в субэпителиальных слоях. Фибриллы образуются димерами этого коллагена, которые соединяются между собой «бок-в-бок» (рис. 7.6). Пучки таких фибрилл участвуют в присоединении эпидермиса к дерме.

4. Катаболизм коллагена. Нативный коллаген гидролизуется ферментом коллагеназой, матриксной металлопротеиназой (ММР-1), которая расщепляет молекулу на два фрагмента (1/4 и 3/4 от общей длины молекулы) (рис. 7.7).

После этого трехцепочечные фрагменты подвергаются протеолизу лизосомальными протеазами. Коллагеназа относится к группе Zп²+-зависимых протеолитических ферментов межклеточного матрикса, которые секретируются разными типами клеток и участвуют в деградации не только коллагена, но и ламинина, фибронектина и других структурных белков матрикса. Ион

Рис. 7.6. Организация коллагена VII типа:

1 - мономер коллагена VII типа (НК1 и НК2 - неколлагеновые домены у N- и С-конца); 2 - димер коллагена VII типа, молекулы собраны антипараллельно с перекрытиями на N-конце; 3 - димеры коллагена VII типа после удаления НК2-доменов; 4 - фибрилла, образованная димерами коллагена VII типа, соединенными бок в бок

Рис. 7.7. Расщепление тройной спирали коллагена тканевой коллагеназой

цинка находится в активном центре этих ферментов. В обычных условиях металлопротеиназы (ММР) содержатся в тканях в незначительных количествах. Они относятся к индуцируемым ферментам, синтез которых контролируется на уровне транскрипции рядом регуляторных молекул: цитокинами, эстрогеном, прогестероном и др.

Небольшое количество ММР присутствует в матриксе в неактивной форме, так как ингибировано специфическим тканевым ингибитором матриксных металлопротеиназ (ТIМР). Это белки небольшого размера, способные формировать комплексы со многими членами семейства матриксных протеиназ. ТIМР может взаимодействовать с активной и неактивной формами ММР.

Частичный протеолиз и активацию большинства ММР осуществляют протеазы: плазмин, урокиназа и др. Некоторые ММР могут активировать друг друга. Ингибиторы ММР могут быть инактивированы (разрушены протеолизом) с помощью ряда протеиназ: трипсина, химотрипсина, стро- мелизина-3 и эластазы нейтрофилов. В норме металлопротеиназы отвечают за важнейшие процессы - от эмбрионального развития до формирования иммунного ответа.

Металлопротеиназы играют ключевую роль в развитии многих патологий. Например, избыточная активность этих ферментов ведет к разрушению гематоэнцефалического барьера, деструкции суставного хряща при ревматоидном артрите и остеоартрите, развитию сердечно-сосудистых

патологий, связанных с уменьшением эластичности сосудов. При недостаточной активности металлопротеиназ развивается фиброз тканей и неадекватный иммунный ответ.

Некоторые виды патогенных бактерий способны вырабатывать коллагеназу, обладающую высокой активностью, что способствует их инвазии в ткани и распространению патологического процесса.

5. Особенности обмена коллагена. Коллаген - медленно обменивающийся белок, о скорости его обмена судят по содержанию гидроксипролина (Hyp) в крови и моче. Обмен коллагена более активен у молодых (до 20 лет), у пожилых и старых людей он заметно снижается, так как с возрастом повышается количество поперечных сшивок в коллагене, которые затрудняют действие коллагеназы.

6. В некоторых ситуациях синтез коллагена заметно увеличивается: например, в заживающую рану мигрируют фибробласты и начинают активно синтезировать основные компоненты межклеточного матрикса: коллаген (I и III типа), гиалуроновую кислоту, хондроитин- и дерматансульфаты. При этом повышается активность пролилгидроксилазы и гликозилтрансфераз. Достаточное поступление О₂ и витамина С, необходимых для гидроксилирования пролина, способствует более быстрому заживлению ран.

7. Основная причина ряда заболеваний, связанных с нарушением синтеза коллагена, - мутации в генах коллагена. Гены коллагена находятся в разных хромосомах, они очень большие, имеют много коротких экзонов, между которыми располагаются протяженные интроны. Молекула коллагена имеет самую длинную полипептидную цепь (1000 аминокислот), образованию которой предшествует многоэтапный сплайсинг мРНК; следовательно, ген, кодирующий препро-а-цепь, занимает большой участок ДНК, что увеличивает вероятность мутаций.

Примеры некоторых наследственных болезней, связанных с дефектами разных типов коллагена:

•  I тип - несовершенный остеогенез, сопровождающийся повышенной ломкостью костей, аномалиями зубов, гиперподвижностью суставов;

•  II тип - а) хондродисплазии (около 40); б) синдром Стиклера и Вагнера - нарушение синтеза коллагена в стекловидном теле, осложняющееся отслойкой сетчатки;

•  III тип - а) синдром Элерса-Данлоса с поражением кожи, сосудов, толстого кишечника; б) семейная аневризма аорты; в) прогрессирующая миопия;

•  IV тип - синдром Альпорта с нарушением фильтрационной функции почек;

•  VII тип - буллезный эпидермолиз, сопровождающийся образованием на коже пузырей, которые легко травмируются и эрозируются;

•  IX тип - множественная эпифизальная дисплазия.