Коллаген как структурный белок соединительной ткани
Коллаген — основной структурный белок межклеточного матрикса соединительной ткани. Синтезируется клетками соединительной ткани (преимущественно фибробластами). Полипептидная цепь коллагена содержит около 1000 аминокислотных остатков, причём каждый третий остаток — глицин. Около 20% составляют пролин и гидроксипролин, остальные 40% приходятся на прочие аминокислоты.
Особенность аминокислотного состава: в коллагене практически отсутствуют цистеин и триптофан, мало гистидина. Первичную структуру условно записывают как повторяющийся триплет (Гли — X — Y), где в положении X часто стоит пролин, а в Y — гидроксипролин. Такая последовательность позволяет цепи укладываться в характерную левозакрученную α-спираль, более развёрнутую, чем α-спираль глобулярных белков: на один виток приходится только три аминокислотных остатка. Три такие цепи затем сплетаются в правозакрученную суперспираль (тропоколлаген).
Биосинтез проколлагена и роль ЭПР
Полипептидные цепи коллагена синтезируются на рибосомах шероховатого эндоплазматического ретикулума в виде предшественника — препроколлагена. На N-конце молекулы располагается сигнальный пептид, обеспечивающий ориентацию растущей цепи в полость ЭПР. После транслокации сигнальный пептид отщепляется, и образуется проколлаген, который подвергается многочисленным посттрансляционным модификациям.
Основные посттрансляционные изменения:
- гидроксилирование остатков пролина и лизина;
- гликозилирование остатков гидроксилизина;
- образование тройной спирали из трёх про-α-цепей;
- секреция молекулы в межклеточное пространство;
- отщепление N- и C-концевых пептидов (содержащих остатки цистеина — поэтому в зрелом коллагене цистеина практически нет).
Гидроксилирование пролина и роль витамина С
Ключевая реакция созревания коллагена — гидроксилирование пролина, катализируемое ферментом пролилгидроксилазой. В активном центре фермента находится атом железа Fe²⁺. Для поддержания железа в восстановленной форме (+2) необходима аскорбиновая кислота (витамин С): она выступает кофактором, восстанавливая окислённое железо.
В реакции участвуют молекулярный кислород и α-кетоглутарат. Один атом кислорода присоединяется к пролину с образованием гидроксипролина, второй идёт на окислительное декарбоксилирование α-кетоглутарата с образованием сукцината и CO₂. Аналогичным путём гидроксилируется лизин с образованием гидроксилизина.
Биологический смысл гидроксилирования: введённая OH-группа формирует дополнительные водородные связи, стабилизирующие тройную спираль коллагена. При дефиците витамина С гидроксилирование нарушается, тройная спираль становится непрочной, что клинически проявляется цингой: кровоточивостью дёсен, расшатыванием зубов, нарушением заживления ран и ломкостью сосудов.
Сборка фибрилл и волокон коллагена
После образования тройной спирали проколлаген секретируется из клетки. Во внеклеточном пространстве специфические протеазы отщепляют N- и C-концевые регистрационные пептиды, превращая проколлаген в тропоколлаген. Молекулы тропоколлагена самопроизвольно ассоциируются в упорядоченные структуры со ступенчатым смещением (~1/4 длины), формируя:
- микрофибриллы — пучки молекул тропоколлагена;
- коллагеновые фибриллы — агрегаты микрофибрилл;
- коллагеновые волокна — пучки фибрилл, видимые в световой микроскоп.
Дополнительная стабилизация структуры обеспечивается ковалентными поперечными сшивками, формирующимися с участием гидроксилизиновых остатков.
Гиалуроновая кислота в межклеточном матриксе
Гиалуроновая кислота — несульфатированный гликозаминогликан, важнейший компонент межклеточного вещества. Состоит из повторяющихся дисахаридных звеньев глюкуроновой кислоты и N-ацетилглюкозамина. Главное биологическое свойство — способность связывать большое количество воды, благодаря чему межклеточное вещество приобретает характер гелеобразного матрикса.
Функции гиалуроновой кислоты:
- удержание воды и формирование тургора тканей;
- связывание ионов натрия и кальция, участие в регуляции водно-солевого обмена;
- обеспечение скольжения суставных поверхностей и амортизации;
- участие в миграции клеток и репаративных процессах.
Ряд патогенных бактерий (например, возбудители газовой гангрены — клостридии) синтезируют фермент гиалуронидазу, расщепляющий гиалуроновую кислоту. Деградация матрикса нарушает гелеобразное состояние межклеточного вещества и облегчает распространение инфекции в тканях.
Ключевые моменты
- Каждая третья аминокислота коллагена — глицин; характерен триплет (Гли—X—Y) с пролином и гидроксипролином.
- Тройная спираль коллагена состоит из трёх левозакрученных α-цепей, образующих правозакрученную суперспираль.
- Биосинтез идёт в ЭПР через препроколлаген с отщеплением сигнального пептида.
- Пролилгидроксилаза требует Fe²⁺, α-кетоглутарата, O₂ и аскорбиновой кислоты как кофактора.
- Дефицит витамина С нарушает гидроксилирование и приводит к цинге.
- Зрелые коллагеновые волокна формируются ступенчато: тропоколлаген → микрофибриллы → фибриллы → волокна.
- Гиалуроновая кислота — гликозаминогликан, удерживающий воду и формирующий гелеобразный матрикс.
- Бактериальная гиалуронидаза разрушает матрикс и способствует развитию инфекций, в том числе газовой гангрены.