Главная страница
Навигация по странице:

  • Вопросы для самоконтроля.

  • Аннотация по теме занятия.

  • ПРОЛИН ОКСИПРОЛИН

  • Лабораторно-практическая работа. Гидролиз протеогликанов пупочного канатика и анализ продуктов гидролиза

  • Биохмия полости рта. Биохимия соединительной ткани


    Скачать 406.5 Kb.
    НазваниеБиохмия полости рта. Биохимия соединительной ткани
    АнкорBiohimiya_soed_tk_slyuna_dlya_stomat_1.doc
    Дата08.05.2018
    Размер406.5 Kb.
    Формат файлаdoc
    Имя файлаBiohimiya_soed_tk_slyuna_dlya_stomat_1.doc
    ТипДокументы
    #5038


    Занятие № 13
    ТЕМА: Биохмия полости рта. Биохимия соединительной ткани.
    Актуальность темы.

    Врач-стоматолог должен знать химический состав соединительной ткани, ее функции, поскольку все без исключения ткани скелета (кости, хрящи, связки и сухожилия), дентин, стекловидное тело, стенки кровеносных сосудов – относятся к ней. Коллаген – основной белок соединительной ткани, составляет 30% общей массы белков организма.
    Вопросы для самоконтроля.

    1. Функции соединительной ткани.

    2. Коллаген. Особенности аминокислотного состава, структуры.

    3. Этапы биосинтеза коллагена. Распад коллагена.

    4. Строение и функции эластина.

    5. Классификация, строение и функции гликозаминогликанов.

    6. Большие (агрекан) и малые (декорин, бигликан) протеогликаны.

    7. Неколлагеновые (адгезивные) белки межклеточного матрикса: фибронектин и ламинин. Их роль в межклеточных взаимодействиях.

    Аннотация по теме занятия.

    Для всех видов соединительной ткани характерно присутствие трех компонентов:

    1. Клетки (фибро- и гистиоциты, пигментные, тучные клетки).

    2. Межклеточное основное вещество. Его желеобразная консистенция объясняется его составом. Основное вещество – это сильно гидратированный гель, который на 30% состоит из высокомолекулярных соединений (глюкозаминогликанов и белков) и на 70% - из воды.

    3. Волокнистые, фибриллярные структуры (коллагеновые, эластические и ретикулиновые волокна).



    Состав соединительной ткани определяется ее локализацией и функцией. Так, например, связки содержат много волокон и мало основного вещества, а стекловидное тело глаза практически состоит из основного вещества.
    1. ФУНКЦИИ СОЕДИНИТЕЛЬНОЙ ТКАНИ

    1. Объединяющая. Она соединяет органы между собой и в значительной степени определяет внешние формы органов и всего организма.

    2. Опорная. Ткани сухожилий, фасций, связок, хрящевая, костная ткань плотные и прочные и поэтому «поддерживают» организм (механоциты: хондробласты, остеобласты, одонтобласты).

    3. Барьерная (защитная). Служит барьером между внешней и внутренней средой (дерма), между кровью и клеточными элементами. Защищает организм от проникновения инфекционного начала (фагоцитоз, биосинтез антител: тучные, макрофаги, лейкоциты).

    4. Депонирования. Вещества, возникающие в результате обменных процессов, откладываются, депонируются в клетках на длительное время. Например, подкожная клетчатка богата жиром; в гистиоцитах накапливаются меланиновые пигменты и продукт обмена гемоглобина – гемосидерин.

    5. Репаративная. Разрушение, гибель клеток печени, головного мозга или миокарда, эпидермиса и дермы (ранение) сопровождается активацией пролиферации фибробластов, их миграцией к месту повреждения и активному синтезу коллагена, новообразованием соед. ткани, грануляционно-фиброзной реакцией. Этому способствует также индуцирование коллагеном агрегации тромбоцитов.

    6. Трофическая. Продукты расщепления компонентов используются в качестве структурно-энергетического материала.

    2. КОЛЛАГЕН. ОСОБЕННОСТИ АМИНОКИСЛОТНОГО СОСТАВА, СТРУКТУРЫ.

    Коллаген – фибриллярный белок, гликопротеин, имеющий четвертичную структуру, его молекулярная масса 300 кДа. Нерастворим в воде, солевых астворах, слабых растворах кислот и щелочей. Он составляет 30% общего количества белка в организме. В межклеточном матриксе молекулы коллагена образуют полимеры, называемые фибриллами коллагена. По прочности их можно сравнить со стальной проволокой того же сечения.

    Эти свойства коллагена связаны с их первичной и пространственной структурой. Молекулы коллагена состоят из трех полипептидных цепей, называемых α-цепями.

    Первичная структура α-цепей коллагена необычна. 70% аминокислот являются гидрофобными. Каждая третья аминокислота в первичной структуре коллагена – глицин (27,2%), 20% - пролин, 4 – гидроксипролин, 11% - аланин. В составе первичной структуры α-цепи коллагена содержится необычная аминокислота гидроксилизин. Отсутствуют цистеин, триптофан. В очень небольшом количестве находят метионин, тирозин, гистидин.

    Всего в α-цепи коллагена 1000 аминокислотных остатков в виде триад, которые многократно повторяются.
    Глицин – Х – Y

    гидроксипролин

    пролин гидроксилизин


    Необычна и вторичная структура коллагена. Пролин благодаря своей структуре вызывает изгибы в полипептидной цепи, стабилизируя левозакрученную спираль. На один виток спирали приходится 3 аминокислотных остатка, а не 3,6 как это характерно для глобулярных белков. Спираль пептидной цепи коллагена стабилизирована не за счет водородных связей, а силами стерического отталкивания пирролидиновых колец в остатках пролина. И α-спираль оказывается более развернутой по сравнению с туго закрученной α-спиралью глобулярных белков.

    Три левозакрученные α-спирали образуют далее правозакрученную суперспиральную молекулу (тропоколлаген).

    ''Жесткие'' аминокислоты – пролин и гидроксипролин – ограничивают вращение полипептидного стержня и увеличивают тем самым стабильность тройной спирали. В результате формируется жесткая палочковидная молекула. Затем эти молекулы коллагена ассоциируются в фибриллы.

    Известны 19 типов коллагена, которые отличаются по первичной структуре полипептидных цепей, функциями и локализацией в организме.

    Тип коллагена записывается римской цифрой в скобках, а для обозначения α-цепей используют арабские цифры. Например, коллагены II и III типа образованы идентичными α-цепями, их формулы соответственно (α1(II))3 и (α1(III))3 или (α1(I))2α2(I) или (α1(IV))2α2(IV).

    Основные типы коллагенов.

    I тип наиболее распространенный – кости, дентин, сухожилия, роговица.

    II тип – хрящи, межпозвоночные диски, стекловидное тело.

    III тип – сосуды, печень, почки, лимфоузлы.

    IV тип – структурный компонент базальных мембран. Его секретируют различные типы клеток: эпителиальные, мышечные, нервные, жировые.
    3. ЭТАПЫ БИОСИНТЕЗА КОЛЛАГЕНА. РАСПАД КОЛЛАГЕНА

    Синтез и созревание коллагена – сложный процесс, включающий 8 этапов: 5 внутриклеточных и 3 внеклеточных.

    1-Й ЭТАП. Протекает на полирибосомах гранулярной ЭР в виде препроколлагена (препро α-цепей). У этих предшественников есть «сигнальный» пептид на N-конце, содержащий 100 аминокислот. Функции сигнального пептида это ориентация синтеза пептидных цепей в полость ЭР.

    2-Й ЭТАП. Состоит в отщеплении «сигнального» пептида и образовании проколлагена. Синтезированная молекула проколлагена содержит дополнительные N и C концевые пропептиды, имеющие 100 и 250 аминокислот. Концевые пропептиды не образуют тройную спираль, а формируют глобулярные домены.

    3-Й ЭТАП. Гидроксилирование пролина и лизина. Продолжается на растущей полипептидной цепи вплоть до ее отделения от рибосом. После образования тройной спирали дальнейшие гидроксилирование пролина, лизина прекращается.

    Реакция гидроксилирования проходит при участии ферментов пролил-4- гидроксилазы, лизил-5-гидроксилазы. В активном центре этих ферментов есть атом железа.

    В реакции необходимы еще α-кетоглютарат, кислород и вит. С.

    гидроксилаза

    ПРОЛИН ОКСИПРОЛИН

    О = О

    α-КЕТОГЛУТАРАТ СУКЦИНАТ + СО2

    Гидроксилирование пролина необходимо для стабилизации тройной спирали коллагена. ОН-группы гидроксипролина участвуют в образовании водородных связей. А гидроксилирование лизина необходимо для образования ковалентных связей между молекулами тропоколлагена при сборке коллагеновых фибрилл.

    При недостатке вит.С наблюдается цинга – заболевание, вызванное синтезом дефектного коллагена с пониженной механической прочностью, что вызывает, в частности, разрыхление сосудистой стенки, расшатывание и выпадение зубов и другие неблагоприятные явления.

    4-Й ЭТАП. Посттрансляционная модификация – гликозилирование проколлагена под действием фермента гликозилтрансферазы.

    5-Й ЭТАП. Заключительный внутриклеточный этап – формирование тройной спирали – тропоколлагена (растворимый коллаген). Каждая про-цепь соединяется водородными связями с двумя другими про- цепями, образуя тройную спираль тропоколлагена в просвете ЭР. Начинается после образования дисульфидных мостиков в области С-концевых пропептидов. Из ЭР молекулы проколлагена перемещаются в аппарат Гольджи, включаются в секреторные пузырьки и секретируются в межклеточное пространство.

    6-Й ЭТАП. В межклеточном матриксе кольцевые пептиды коллагенов I, II, III типов отщепляются специфическими пептидазами, в результате чего образуются молекулы тропоколлагена, которые являются структурной единицей коллагеновых фибрилл.

    7-Й ЭТАП. Ковалентное «сшивание» молекулы тропоколлагена с образованием нерастворимого коллагена. 95 % всего коллагена в организме составляют коллагены I, II, III типов, которые образуют очень прочные фибриллы.

    Коллагеновые фибриллы – это ступенчато расположенные параллельные ряды молекул тропоколлагена, которые сдвинуты на ¼ относительно друг друга. Молекулы коллагена в ряду связаны между собой ''конец в конец'', но между ними имеется промежуток в 35-40 нм. В костной ткани эти промежутки выполняют роль центров минерализации, где откладываются кристаллы фосфата кальция. Фибриллы образуются спонтанно, путем самосборки и укрепляются внутри и межцепочечными ковалентными «сшивками» с участием фермента лизилоксидазы (флавометаллопротеин, содержит ФАД и Сu2+). При этом нужны витамин РР, В6. Происходит окисление и дезаминирование радикала лизина с образованием альдегидной группы. Затем между двумя радикалами лизина возникает альдегидная связь. Только после многократного сшивания фибрилл коллаген приобретает свою уникальную прочность, становятся нерастяжимыми волокнами.

    При снижении активности лизилоксидазы, при недостатке меди, витаминов РР, В6 в организме происходит уменьшение прочности соединительной ткани из-за значительного повышения количества растворимого коллагена (тропоколлагена).

    Количество поперечных связей в фибриллах зависит от функций и возраста тканей. ''Сшивок'' много между коллагенами ахиллова сухожилия, где важна прочность. С возрастом количеств «сшивок» увеличивается.

    8-Й ЭТАП. Ассоциация молекул нерастворимого коллагена по принципу «бок-в-бок». Ассоциация фибрилл происходит таким образом, что каждая последующая цепоча сдвинута на ¼ своей длины относительно предыдущей цепи.

    РАСПАД КОЛЛАГЕНА

    Коллаген – это медленно обновляющийся белок. Разрушение коллагеновых волокон осуществляется активными формами кислорода или ферментативно с помощью коллагеназ. Известны два типа коллагеназ.

    Тканевая коллагеназа присутствует у человека в различных органах и тканях. В активном центре этого фермента содержится цинк. Тканевая коллагеназа перерезает тройную спираль в одном месте на 2 фрагмента, примерно на ¼ расстояния от С-конца, между остатками глицина и лейцина (или изолейцина). Эти фрагменты деспирализуются, образуя 3 отдельные полипептидные цепи, и подвергаются действию неспецифических экзо- и эндопротеаз.

    Нарушение распада коллагена ведет к фиброзу органов и тканей (печени, легких). А усиленный распад коллагена происходит при аутоиммунных заболеваниях (ревматоидном артрите и красной волчанки) в результате избыточного синтеза при иммунном ответе.

    Бактериальная коллагеназа синтезируется некоторыми микроорганизмами. Например, возбудитель газовой гангрены выделяет коллагеназу, расщепляющую пептидную цепь более чем 200 местах. Таким образом, разрушаются соединительнотканные барьеры в организме человека, микроорганизмы проникают вглубь – развивается газовая гангрена.

    Коллагеназа используется в медицинской практике для лечения ожоговой болезни в хирургии, для лечения гнойных заболеваний глаз в офтальмологии.

    В результате распада коллагена в крови и моче появляется свободный гидроксипролин. У молодых людей обмен коллагена протекает интенсивно. Поэтому в возрасте 10-20 лет содержание гидроксипролина в моче может достигать 200мг в сутки. С возрастом выделение гидроксипролина снижается до 15-20 мг/сутки. При некоторых заболеваниях выделение гидроксипролина увеличивается.

    Регуляция обмена коллагена

    Синтез коллагена регулируется разными способами.

    1. Сам коллаген после отщепления тормозит трансляцию коллагена по принципу отрицательной обратной связи.

    2. Глюкокортикоиды тормозят синтез.

    3. Аскорбиновая кислота стимулирует синтез коллагена и протеогликанов.

    4. Половые гормоны активируют синтез коллагена кожи и других тканей. У женщин в менопаузе снижается содержание коллагена в дерме и это видно по дряблой коже.


    4. СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ ЭЛАСТИНА.

    Эластин является основным белковым компонентом, из которого состоят эластические волокна. Эластические волокна распространены в большом количестве в эластичных связках, артериальных стенках, в легких, коже. Нити эластина резиноподобные. Они могут быть растянуты в несколько раз по сравнению с их обычной длиной, но после снятия нагрузки возвращаются к свернутой конформации, что объясняется их составом. Эластин еще более гидрофобен, чем коллаген: содержит до 90% гидрофобных аминокислот, что препятствует созданию стабильной глобулы. Является гликопротеином, Мм 70 кДа.

    В составе эластина много глицина, лизина, пролина. Оксипролина в 10 раз меньше, чем в коллагене. Оксилизин полностью отсутствует. При ферментативном гидролизе эластина в гидролизате обнаруживается много десмозина (4 остатка лизина, соединяясь своими радикалами, образуют замещенное пиридиновое кольцо). Это делает возможным сшивки между двумя, тремя и четырьмя полипептидными цепями эластина.

    Цепи укладываются в пространстве в виде глобул. Глобула из одной полипептидной цепи называется альфа-эластином.

    Эластические элементы позволяют структурам принимать исходную форму, после ее изменения в результате воздействия деформирующей силы.
    ДЕСМОЗИН
    5. КЛАССИФИКАЦИЯ, СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ ГЛИКОЗАМИНОГЛИКАНОВ (ГАГ).

    Углеводно-белковые компоненты межклеточного матрикса представлены протеогликанами. Их углеводная часть представлена ГАГ (на долю которых приходится 90-95%). Белки в протеогликанах представлены одной полипептидной цепью разной молекулярной массы.

    Известно 7 типов гликозаминогликанов, соединяющихся с белками в составе протеогликанов.
    Гликозаминогликаны



    Гиалуроновая Хондроитин-4- Хондроитин-6- Гепаран-

    кислота сульфат сульфат сульфат
    Дерматан- Гепарин Кератан-

    сульфат сульфат
    Они выполняют следующие функции:

    1. Служат в качестве структурных элементов опорной, покровной и соединительной ткани.

    2. Определяют содержание воды и проницаемость соединительной ткани.

    3. Являясь слизистыми веществами, защищают верхние поверхности полых органов.

    4. Входят в состав веществ, участвующих в иммунных реакциях организма.

    5. Гепарин – естественный антикоагулянт.

    6. Кератансульфаты и дерматансульфаты обеспечивают прозрачность роговицы.

    7. Гепарансульфатсодержащие протеогликаны способствуют созданию фильтрационного барьера в почках.

    8. Гиалуроновая кислота и протеогликаны выполняют амортизирующую функцию в хрящах.


    ГИАЛУРОНОВАЯ КИСЛОТА

    Была впервые получена из стекловидного тела глаза крупного рогатого скота. В настоящее время она найдена во всех видах соединительной ткани. Много в синовиальной жидкости, в пуповине. В хряще она связана с белками.

    По химической природе это полисахарид: состоит из дисахаридных остатков, гликозамина и глюкуроной кислоты. Растворы гиалуроновой кислоты обладают свойствами смазочных веществ, что обусловливает наличие в синовиальной жидкости суставов. Обновление гиалуроновой кислоты происходит очень быстро, через 2 дня.


    Остаток D-глюкуроновой кислоты Остаток N -ацетилглюкозамина
    Основной функцией гиалуроновой кислоты следует считать связывание воды. В результате этого связывания межклеточное вещество приобретает характер желеобразного матрикса, поддерживающего клетки. Связывание воды и обусловливаемое им набухание определяет биологическую роль гиалуроновой кислоты в регуляции проницаемости тканей. В стекловидном теле обеспечимвает тургор.
    ХОНДРОИТИН-СУЛЬФАТ

    Важнейший компонент хряща. Содержатся также в коже, сухожилиях, связках, артериях, роговице глаза. Хондроитин-сульфаты являются важным составным компонентом агрекана – основного протеогликана хрящевого матрикса. Содержит гексозамин, гексуроновую кислоту и в 4 или 6 положении серную кислоту. Каждая полисахаридная цепь содержит около 40 повторяющихся дисахаридных компонентов и имеет Мм до 20 кДа. В результате связывания множества таких цепей с одной белковой молекулой образуются высокомолекулярные протеогликаны.



    Хондроитин-4-сульфат

    Остаток D-глюкуроновой кислоты Остаток N -ацетилглюкозамин-4-сульфата


    Хондроитин-6-сульфат

    Остаток D-глюкуроновой кислоты Остаток N -ацетилглюкозамин-6-сульфата



    1. Влияют на водно-солевой обмен, регулируют диффузию солей, воды.

    2. Участвует в межклеточном взаимодействии.

    За 8 дней в коже и за 16 дней в хрящах происходит обновление половины хондроитин-сульфата.
    КЕРАТАН-СУЛЬФАТЫ

    Это наиболее гетерогенные полисахариды, в состав которых входит N-ацетилглюкозамин-6-сульфат, галактоза.

    Содержится в роговице, в скелете, хряще, Мм – 3-20 кДа



    Кератан-сульфат


    Остаток D-галактозы Остаток N -ацетилглюкозамин-6-сульфата


    1. Пропускает воду и низкомолекулярные вещества как через сито.

    2. Хорошо связывает ионы натрия.


    ГЕПАРИН

    Природный антикоагулянт. Содержит глюкозамин и уроновую к-ту (90% - L-идуроновая к-та и 10% - D-глюкуроновая к-та). Число сульфатных групп на дисахаридную единицу составляет 1,6-3,0. М м – 5-15 кДа. Гепарин обнаружен в гранулах тучных клеток, выделен из тканей легких, печени, кожи, эндотелия сосудов.



    Гепарин
    Остаток D-глюкуронат-сульфата Остаток N –глюкозамин-6-сульфата
    В межклеточном веществе гликозамингликаны содержатся не в свободном виде, а главным образом в составе комплексов, содержащих гиалуроновую кислоту и протеогликаны.


    6. БОЛЬШИЕ (АГРЕКАН) И МАЛЫЕ (ДЕКОРИН, БИГЛИКАН) ПРОТЕОГЛИКАНЫ

    В межклеточном матриксе присутствуют разные протеогликаны. Среди них есть очень крупные – агрекан, есть и так называемые малые протеогликаны.

    Агрекан – основной протеогликан хрящевого матрикса. Это очень большая молекула, в которой к одной полипептидной цепи присоединены до 100 цепей хондроитин-сульфатов и около 30 цепей кератансульфатов. По форме молекула агрекана напоминает бутылочный «ершик». В хряще молекулы агрекана собираются в агрегаты с гиалуроновой кислотой.

    Малые протеогликаны – это протеогликаны с низкой молекулярной массой (36 000 – 38 000 Д). Они содержатся в хрящах, сухожилиях, связках, коже и др. видах соединительной ткани. Они имеют небольшой сердцевинный (коровый) белок, к которому присоединены одна или две цепи гликозаминогликанов.

    Наиболее изученные: декорин, бигликан и др.. Эти малые протеогликаны могут связываться с другими компонентами соединительной ткани и оказывать влияние на их функции и строение. Декорин и бигликан, присоединяясь к фибронектину, подавляют клеточную адгезию, а, присоединяясь к фактору роста опухолей, снижают их митогенную активность. Малые протеогликаны играют регуляторную роль в процессах развития и восстановления соединительной ткани.

    В некоторых органах гиалуроновая кислота может встречаться в свободном виде (стекловидное тело).

    В разных органах соединительная ткань характеризуется специфической структурой матрикса, которая в роговице глаза обеспечивает ее прозрачность, в сухожилиях связках – прочность.
    7. НЕКОЛЛАГЕНОВЫЕ (АДГЕЗИВНЫЕ) БЕЛКИ МЕЖКЛЕТОЧНОГО МАТРИКСА: ФИБРОНЕКТИН И ЛАМИНИН. ИХ РОЛЬ В МЕЖКЛЕТОЧНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯХ.
    Фибронектин – гликопротеин на клеточной поверхности. Построен из 2-х полипептидных цепей, соединенных дисульфидными мостиками. Каждая цепь содержит 7-8 доменов, где расположены специфические центры для связывания многих веществ. М.м. 450000 кДа.

    Фибронектин может связывать коллаген, гиалуроновую к-ту, фермент трансглутаминазу.

    Функции фибронектина.

    1. Выполняет интегрирующую роль.

    2. Способствует адгезии клеток.

    3. Препятствует онкогенной трансформации.

    4. Обеспечивает фагоцитоз

    5. Способствует балансу свертывающей и антисвертывающей систем.

    Существует в 2-х формах: растворимой – в плазме крови и в базальных мембранах, нерастворимой – в составе матрикса клеток. Концентрация в плазме крови 0,3-0,6 г/л и увеличивается по мере старения человека. В сыворотке крови фибронектина на 25-37% меньше.
    Ламинин – наиболее распространенный неколлагеновый белок базальных мембран. Состоит из 3-х полипептидных цепей: А, В1, В2. Имеет крестообразную форму:





    Три ветви – одноцепочечные, 4-я – трехцепочечная, имеет специфические центры связывания для различных веществ. Функции определяются его способностью связывать клетки и модулировать клеточное поведение. Он может влиять на рост, морфологию, дифференциацию и подвижность клеток.

    Лабораторно-практическая работа.
    Гидролиз протеогликанов пупочного канатика и анализ продуктов гидролиза

    Кусочек пупочного канатика (источник протеогликанов) кипятят 30 мин в широкой пробирке с обратным холодильником в 15 мл 10% раствора NаОН. В гидролизате обнаруживают составные компоненты протеогликанов: белок, углеводный компонент, Н24.

    а) белок обнаруживают биуретовой реакцией;

    б) углеводы (аминосахара) обнаруживают реакцией Молиша: к 5 каплям гидролизата добавляют 2 капли раствора тимола и осторожно по стенке наслаивают 10-15 капель концентрированной серной кислоты. Серная кислота опускается на дно пробирки, образуется нижний слой жидкости, исследуемый раствор остается в верхнем слое. На границе слоев возникает фиолетовое кольцо. В основе реакции лежит способность углеводов образовывать с концентрированной серной кислотой фурфурол (оксиметилфурфурол), дающий с тимолом фиолетовое окрашивание.

    в) Н24 обнаруживают по выделению осадка сернокислого кальция после добавления к 1 мл гидролизата 2 капель раствора хлористого кальция. В протоколе записать схему гидролиза протеогликанов животных тканей.
    СХЕМА ГИДРОЛИЗА:

    протеогликаны

    белок углеводы Н2SO4

    моносахариды


    Литература:

    1. Материал лекций.

    2. Берёзов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия. М., Медицина,

    2004, с.661-671.

    3. Биохимия под ред. Е.С.Северина, А.Я.Николаева М.: ГЭОТАР-МЕД,

    2011, с.687-715.
    написать администратору сайта