3 Биологическое и функциональное значение коллагеновых аминокислот (стр. 10 из 63)

Из метионина создается таурин и цистеин. Естественным источником метионина являются такие продукты как: мясо, яйца, фасоль, бобы, чеснок, лук.

Гидроксипролин и гидроксилизин, как присутствующие в значительных количествах в коллагене, но не входящие в состав основных 20 аминокислот, требуют отдельного обсуждения. Точности ради, следует припомнить, что коллаген создают аминокислоты, как упорядоченные в спирали, так и в форме связок, а также находящиеся в так называемых белковых остатках. Кроме аминокислот коллаген содержит только полисахариды – обычно до 2% и простые сахара – обычно ниже 1%.

3.3. БИОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ КОЛЛАГЕНОВОГО БЕЛКА

а) Главная функция коллагена это, конечно, строительная и опорная роль («клеящая»).

б) Коллагеновые волокна обеспечивают также выносливость основы собственно кожи во время внешнего нажима и во время ее растягивания.

в) Коллагеновые волокна обладают в природе способностью выдерживать нагрузки. Для того, чтобы разорвать коллагеновое волокно диаметром около 1 мм, необходима нагрузка более 10 кг! А коэффициент эластичного растяжения кожи даже выше коэффициента металлической проволоки и большинства видов канатов и волокон искусственного производства.

г) Коллаген играет также важную роль в регулировании нормальной полифирации (размножения) клеток. Например: он регулирует активность клеток гладких мускулов во время клеточного деления.

д) Коллаген задерживает развитие некоторых опухолевых образований, например, клеток меланомы, в результате совместных действий с интегринами и индукции ингибитора циклина. В механизмах подавления патологических клеточных трансформаций принимает также участие гидроксипролин.

е) Коллаген обеспечивает возможность роста (адгезии) и укрепления клеток во внеклеточном матриксе в результате взаимных действий с рецепторами оболочки.

ж) Коллаген стимулирует создание оболочек клеток.

В формах окончательно сформированного коллагена (то есть волокнистой структуры) коллагеновая основа построена из небольшого количества тонких коллагеновых связок и значительного количества отдельных, свободно лежащих коллагеновых волокон, направленных в разные стороны по отношению друг к другу.

Единицами структуры коллагена являются также подволокна, иначе говоря, фибриллы (четырехрядная форма).

Три рисунка ниже помогают понять строение форм коллагена высших разрядов:

Рис.1. Схема соединений молекул коллагена:

Объединение отдельных молекул (тройных хелис) коллагена в подволокна (фибриллы) возможно лишь на пути соединения двух концов молекул в единое целое с помощью боковых связок для цепочек альфа. Эволюционируя до многорядной формы, коллаген продолжает удивлять нас. Подобно тому, насколько равномерно распределялись цепочки аминокислот в процессе возникновения однорядной структуры – полипептида, точно так же дело обстоит при возникновении четырехрядной структуры – подволокна (фибриллы):

Рис.2. Схема размещения частичек тропоколлагена в микроволокне.

И, наконец, окончательный вид эволюции большинства коллагеновых белков: волокно, создающее связку:

Рис. 3. Схема строения пятирядного коллагена – волокнистая форма.

3.4. КОЛЛАГЕНОГЕНЕЗ.

Это особый биохимический и физиологический механизм на этапе возникновения коллагена. Чтобы хорошо его понять, надо знать строение и процессы преобразования коллагена с самого начала, от соединения атомов в простую аминовую группу до самого конца – до формы связки волокон. Следует при этом помнить, что не всегда коллагеновые белки эволюционируют до высокорядных форм. Может случиться и так, что они задерживаются на более низком уровне (например, процесс производства корнеоцитов в эпидермисе).

СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛЫ КОЛЛАГЕНА.

Молекула коллагена состоит из трех полипептидных цепочек, взаимосвязанных в структуре тройной, скрученной направо суперспирали, похожей по форме на трехжильный канат.

Рис. 4. Тройная хелиса. Другие дефиниции, встречающиеся в литературе: молекула коллагена, спиральный триплет, тройной хелис, 3-хелиса, тропоколлаген, суперхелиса.

Каждая из трех полипептидных цепочек альфа обладает молекулярной массой 60.000 – 120.000 (у человека 100.000 – 140.000), содержит около 1.000 – 1.200 аминокислот и имеет форму одиночной свернутой влево спирали. Таким образом, общая молекулярная масса тройной хелисы составляет, чаще всего, 300.000 [kDa]. Две цепочки идентичны, а третья незначительно отличается от них аминокислотным строением и массой.

Мы различаем четыре типа цепочек (одиночных спиралей). В зависимости от того, какие из них подвергнутся сплетению в тройную хелису, возникнет тот или иной вид коллагена, характерный для разных тканей. Также и длина суперхелисы разная для разных типов коллагена. У человека и большинства позвоночных больше всего коллагена типа I, который выступает в костях, сосудах и в нашем самом большом органе, которым, как известно, является кожа (85-90% состава коллагеновых белков). Коллаген типа I в коже имеет трехспиральную конструкцию длиной около 300 нанометров, диаметром около 1,5 нанометров и создают его две спирали (пептидные цепочки) типа альфа и одна типа альфа 2. Остальные около 10 -15% коллагеновых белков кожи, это коллаген типа III, характеризующийся, между прочим, еще большим участием собственных аминокислот: гидроксипролина и гидроксилизина, а также сиаловых кислот, которые придают ему особую выносливость. Спирали соединены двумя видами связей. Они связывают каждую цепь альфа изнутри и одновременно связывают цепочки между собой. Таким образом, они также позволяют всей конструкции растягиваться и сжиматься в определенных границах. Когда эти связи разрываются – мы называем это деспирализацией коллагена.

БИОСИНТЕЗ КОЛЛАГЕНА.

Процесс производства коллагена до трехрядной формы происходит в «строительных верфях» и на их «стапелях». Мы говорим здесь в такой образной форме, прежде всего, о фибробластах, или о клетках – биосинтетических фабриках разнообразных соединений и элементов, таких, например, как:

- компоненты внеклеточного матрикса собственно кожи,

- ферменты (энзимы),

- молекулы сигнальные и остальные,

- компоненты волокон коллагена и эластина.

Процесс инициируется с момента создания из ядерного ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) проколлагеновой матрицы ДНК. С ее помощью в цитоплазме ядер фибробластов и хондроцитов начинается синтез полипептидов (цепочек альфа, состоящих, как правило, из 100 – 350 аминокислот). Эта модификация зависит от присутствия специфических энзимов и микроэлементов, среди иных – железа и меди, а также органических кислот и, прежде всего, аскорбиновой кислоты (вит.С). Параллельно и в безусловной зависимости от присутствия аскорбиновой кислоты, происходит окисление и гидроксиляция аминокислот пролина и лизина. Двухрядный на этом этапе коллаген в форме единичных, но уже сформированных хелис передвигается из цитоплазматической области своей строительной «верфи» на ее стапеля. Там каждая цепочка спонтанно «ищет» двух «компаньонов» для создания суперхелисы. Подобный процесс происходит и при производстве эластина. Именно поэтому эластин часто называют сестринским белком коллагена.

Рис.5. Фибробласт и его функции.

Коллаген в двухрядной форме (спирали), который вскоре станет трехрядным (тройные спирали) имеет также форму, растворимую в воде. Тропоколлаген характеризует также и то, что его конструкция, составленная из молекул (цепочек), может подвергаться диссимиляции (распаду) снова на молекулы, и даже на короткие аминокислотные конструкции. Причем, до тех пор, пока эти продукты распада не покинули еще своей клеточной среды, они могут снова принять участие в синтезе. Наблюдалось также, что даже если продукты преждевременной диссимиляции коллагена не входят снова в непосредственные реакции синтеза, то само их присутствие в фибробластовой и околофибробластовой среде явно стимулирует процесс синтеза коллагена. В то же время продукты «преждевременной» (побочной в процессе биосинтеза) диссимиляции эластина благоприятствуют в околофибробластовой среде процессам синтеза «сестринских» коллагеновых белков, но уже, что интересно, не в состоянии помочь в таком же синтезе матричных белков – волокнистого эластина, возникающего из тропоэластина.

И, наконец, белки, которые «заблудились», полипептиды, которые не превратятся сами в спирали, или позже не найдут партнеров для тройной хелисы, а также всевозможные белковые остатки не создавшие никаких связей – все они распадутся на аминокислоты, значительное большинство которых снова включатся в процесс метаболизма и смогут послужить строительным материалом для новых протеинов, причем даже не обязательно коллагена. Только одна аминокислота, свойственная исключительно коллагену – гидроксипролин – неспособна к повторному усваиванию. Однако, присутствие гидроксипролина в околофибробластовой среде значительно способствует процессам синтеза коллагена, даже когда сам он непосредственно не соединяется с протеинами. В конце концов, он впоследствии удаляется с мочой. Каждый раз участие гидроксипролина в возникновении коллагена требует его дополнительного создания.

Еще на самом раннем (молекулярном) этапе процесса биосинтеза коллагена происходит сначала выравнивание цепочек (вскоре уже спиралей), затем «сшивание» их крайними пептидами и возникновение (в цепочках типа альфа) пока еще внутренних связей. Затем пептидная цепочка «закручивается» в левую сторону, причем процесс этот непрерывный и распространяется до самого конца цепочки, в результате чего возникает (пока еще одиночная) хелиса. Далее после того, как эта хелиса «найдет» партнеров для создания триплета происходит подобный процесс, но теперь спирали взаимно переплетаются, так, будто им подарили застежку «молнию». Этому сопутствуют мгновенное возникновение двусернистых связей (мостиков) и сильное сворачивание всей возникшей конструкции, но на этот раз – направо. В конечном результате 3-хелиса окончательно покидает клеточную среду и «сойдя со стапелей» своей верфи, переходит в пространство внеклеточного матрикса (равнозначные дефиниции: межклеточный матрикс, внеклеточный матрикс, ECM– extracellular matrix).