Гликозаминогликаны, виды, особенности строения, свойства, функции. Гликопротеины и протеогликаны.

Гликозаминогликаны и протеогликаны. Строение и функции. Роль гиалуроновой кислоты в организации межклеточного матрикса.

Гликозаминогликаны - линейные отрицательно заряженные гетерополисахариды. РаНbше их называли мукополисахаридами, так как они обнаруживались в слизистых секретах (мукоза) и придавали этим секретам вязкие, смазочные свойства. Эти свойства обусловлены тем, что гликозаминогликаны могут связывать большие количества воды, в результате чего межклеточное вещество приобретает желеобразный характер.

Протеогликаны - высокомолекулярные соединения, состоящие из белка (5-10%) и гликозаминогликанов (90-95%). Они образуют основное вещество межклеточного матрикса соединительной ткани и могут составлять до 30% сухой массы ткани.

Белки в протеогликанах представлены одной полипептидной цепью разной молекулярной массы. Полисахаридные компоненты у разных протеогликанов разные. Протеогликаны отличаются от большой группы белков, которые называют гликопротеинами. Эти белки тоже содержат олигосахаридные цепи разной длины, ковалентно присоединённые к полипептидной основе. Углеводный компонент гликопротеинов гораздо меньше по массе, чем у протеогликанов, и составляет не более 40% от общей массы. Гликопротеины выполняют в организме человека разные функции и присутствуют во всех классах белков - ферментах, гормонах, транспортных, структурных белках и др. Представители гликопротеинов - коллаген и эластин, иммуноглобулины, ангиотензиноген, трансферрин, церулоплазмин, внутренний фактор Касла, тиреотропный гормон. Гликозаминогликаны и протеогликаны, являясь обязательными компонентами межклеточного матрикса, играют важную роль в межклеточных взаимодействиях, формировании и поддержании формы клеток и органов, образовании каркаса при формировании тканей. Благодаря особенностям своей структуры и физико-химическим свойствам, протеогликаны и гликозаминогликаны могут выполнять в организме человека следующие функции:

· они являются структурными компонентами межклеточного матрикса;

· протеогликаны и гликозаминогликаны специфически взаимодействуют с коллагеном, эластином, фибронектином, ламинином и другими белками межклеточного матрикса;

· все протеогликаны и гликозаминогликаны, являясь полианионами, могут присоединять, кроме воды, большие количества катионов (Na+, K+, Са2+) и таким образом участвовать в формировании тургора различных тканей;

· протеогликаны и гликозаминогликаны играют роль молекулярного сита в межклеточном матриксе, они препятствуют распространению патогенных микроорганизмов;

· гиалуроновая кислота и протеогликаны выполняют рессорную функцию в суставных хрящах;

· гепарансульфатсодержащие протеогликаны способствуют созданию фильтрационного барьера в почках;

· кератансульфаты и дерматансульфаты обеспечивают прозрачность роговицы;

· гепарин - антикоагулянт;

· гепарансульфаты - компоненты плазматических мембран клеток, где они могут функционировать как рецепторы и участвовать в клеточной адгезии и межклеточных взаимодействиях. Они также выступают компонентами синаптических и других пузырьков.

Строение и классы гликозаминогликатов. Гликозаминогликаны представляют собой длинные неразветвлённые цепи гетерополиса-харидов. Они построены из повторяющихся дисахаридных единиц. Одним мономером этого дисахарида является гексуроновая кислота (D-глюкуроновая кислота или L-идуроновая), вторым мономером - производное аминосахара (глюкоз- или галактозамина). NH2-rpynna аминосахаров обычно ацетилирована, что приводит к исчезновению присущего им положительного заряда. Кроме гиалуроновой кислоты, все гликозаминогликаны содержат сульфатные группы в виде О-эфиров или N-сульфата.

Гиалуроновая кислота находится во многих органах и тканях. В хряще она связана с белком и участвует в образовании протеогликановых агрегатов, в

некоторых органах (стекловидное тело глаза, пупочный канатик, суставная жидкость) встречается и в свободном виде. Предполагается, что в суставной жидкости гиалуроновая кислота выполняет роль смазочного вещества, уменьшая трение между суставными поверхностями. Повторяющаяся дисахаридная единица в гиалуроновой кислоте имеет следующую структуру:

Гиалуроновая кислота содержит несколько тысяч дисахаридных единиц, молекулярная масса её достигает 105 - 107 Д.

Хондроитинсульфаты - самые распространённые гликозаминогликаны в организме человека; они содержатся в хряще, коже, сухожилиях, связках, артериях, роговице глаза. Хондроитинсульфаты являются важным составным компонентом агрекана - основного протеогликана хрящевого матрикса. В организме человека встречаются 2 вида хондроитинсульфатов: хондроитин-4-сульфат и хондроитин-6-сульфат. Они построены одинаковым образом, отличие касается только положения сульфатной группы в молекуле N-ацетилгалактозамина.

Одна полисахаридная цепь хондроитинсульфата содержит около 40 повторяющихся дисахаридных единиц и имеет молекулярную массу 104 - 106 Д.

Кератансульфаты - наиболее гетерогенные гликозаминогликаны; отличаются друг от друга по суммарному содержанию углеводов и распределению в разных тканях. Кератансульфат I находится в роговице глаза и содержит кроме повторяющейся дисахаридной единицы L-фукозу, D-маннозу и сиаловую кислоту. Кератансульфат II был обнаружен в хрящевой ткани, костях, межпозвоночных дисках. В его состав помимо Сахаров дисахаридной единицы входят N-ацетилгалактозамин, L-фукоза, D-манноза и сиаловая кислота. Кератансульфат II

входит в состав агрекана и некоторых малых протеогликанов хрящевого матрикса. В отличие от других гликозаминогликанов, кератансульфаты вместо гексуроновой кислоты содержат остаток галактозы.

Молекулярная масса одной цепи кератансуль-фата колеблется от 4 × 103 до 20 × 103 Д.

Дерматансульфат широко распространён в тканях животных, особенно он характерен для кожи, кровеносных сосудов, сердечных клапанов. В составе малых протеогликанов (бигликана и декорина) дерматансульфат содержится в межклеточном веществе хрящей, межпозвоночных дисков, менисков. Повторяющаяся дисахаридная единица дерматансульфата имеет следующую структуру.

Молекулярная масса одной цепи дерматансульфата колеблется от 15 × 103 до 40 × 103 Д.

Гепарин - важный компонент противосвёртывающей системы крови (его применяют как антикоагулянт при лечении тромбозов). Он синтезируется тучными клетками и находится в гранулах внутри этих клеток. Наибольшие количества гепарина обнаруживаются в лёгких, печени и коже. Дисахаридная единица гепарина похожа на дисахаридную единицу гепарансульфата. Отличие этих гликозаминогликанов заключается в том, что в гепарине больше N-сульфатных групп, а в гепарансульфате больше N-ацетильных групп. Молекулярная масса гепарина колеблется от 6 × 103 до 25 × 103 Д

Гепарансульфат находится во многих органах и тканях. Он входит в состав протеогликанов базальных мембран. Гепарансульфат является постоянным компонентом клеточной поверхности. Структура дисахаридной единицы гепарансульфата такая же, как у гепарина. Молекулярная масса цепи гепарансульфата колеблется от 5 × 103 до 12 × 103 Д.

Cтроение и виды протеогликанов. В межклеточном матриксе присутствуют разные протеогликаны. Среди них есть очень крупные - например агрекан и версикан. Кроме них, в межклеточном матриксе имеется целый набор так называемых малых протеогликанов, которые широко распространены в разных видах соединительной ткани и выполняют там самые разнообразные функции. Основной протеогликан хрящевого матрикса называется агрекан, он составляет 10% по весу исходной ткани и 25% сухого веса хрящевого матрикса. Это очень большая молекула, в которой к одной полипептидной цепи присоединены до 100 цепей хондроитинсульфатов и около 30 цепей кератансульфатов. По форме молекула агрекана напоминает бутылочный "ёршик". В хрящевой ткани молекулы агрекана собираются в агрегаты с гаалуроновой кислотой и небольшим связывающим белком. Оба компонента присоединяются к агрекану нековалент-ными связями в области домена G1. Домен G1 взаимодействует примерно с пятью дисахаридными единицами гиалуроновой кислоты, далее этот комплекс стабилизируется связывающим белком; домен G1 и связывающий белок вместе занимают 25 дисахаридных единиц гиалуроновой кислоты. Конечный агрегат с молекулярной массой более 200 × 106 Д состоит из одной молекулы гиалуроновой кислоты и 100 молекул агрекана (и такого же количества связывающего белка). Координация сборки этих агрегатов является центральной функцией хондроцитов. Агрекан и связывающий белок продуцируются этими клетками в необходимых количествах. Эти компоненты могут взаимодействовать друг с другом внутри клетки, но процесс агрегации полностью завершается в межклеточном матриксе. Показано, что гиалуроновая кислота образуется на поверхности хондроцитов специфической синтетазой и "выталкивается" в межклеточное пространство, чтобы связаться с агреканом и связывающим белком. Созревание функционально активного тройного комплекса составляет около 24 ч.

Малые протеогликаны. Малые протеогликаны - протеогликаны с низкой молекулярной массой. Они содержатся в хрящах, сухожилиях, связках, менисках, коже и других видах соединительной ткани. Эти протеогликаны имеют небольшой коровый белок, к которому присоединены одна или две цепи гликозаминогликанов. Наиболее изучены декорин, бигликан, фибромодулин, люмикан, перлекан. Коровые белки бигликана и декорина похожи по размерам и структуре (молекулярная масса 36 000 и 38 000 Д, соответственно). Они имеют несколько тандемных повторов, богатых лейцином, которые образуют α-спирали или β-структуры. На N- и С-концах этих белков имеются домены, содержащие S-S-

связи. Ко'ровые белки значительно различаются по первичной структуре в N-концевых областях, что определяет различия в присоединении гликозаминогликанов. Бигликан содержит серии в положениях 5 и 11, что обеспечивает присоединение двух полисахаридных цепей. Декорин содержит один серии в положении 4, поэтому к нему присоединяется одна полисахаридная цепь. У этих протеогликанов полисахаридные цепи представлены дерматансульфатом с молекулярной массой ~ 30 000 Д.Ко́ровый белок фибромодулина (молекулярная масса ~ 40 000 Д) тоже имеет области тандемных повторов, богатые лейцином, но его N-концевая область отличается тем, что не содержит серина, а имеет несколько сульфатированных остатков тирозина, поэтому одна или две цепи кератансульфата присоединяются к ко'ровому белку фибромодулина не в N-концевой, а в области, богатой лейцином, через NH2-группу аспарагина. Малые протеогликаны являются мультифункциональными макромолекулами. Они могут связываться с другими компонентами соединительной ткани и оказывать влияние на их строение и функции. Например, декорин и фибромодулин присоединяются к фибриллам коллагена II типа и ограничивают их диаметр (т.е. препятствуют образованию толстых фибрилл). Декорин и бигликан, присоединяясь к фибронектину, подавляют клеточную адгезию, а присоединяясь к фактору роста опухолей (3, снижают его митогенную активность. Кроме этого, имеется большое количество данных о том, что малые протеогликаны играют важную регуляторную роль в процессах развития и восстановления соединительной ткани.

Класс под названием гликопротеины или, более корректно, гликоконъюгаты – это белки, содержащие углеводный компонент, ковалентно присоединенный к полипептидной основе. Содержание углеводов в них варьирует от 1 до 85% по массе.

Выделяют два подкласса белков, содержащих углеводы: протеогликаны и гликопротеины. Между этими подклассами имеются существенные отличия:

Гликопротеины Протеогликаны

· доля углеводов 15-20%,

· не содержат уроновых кислот,

· углеводные цепи содержат не более 15

звеньев,

· углевод имеет нерегулярное строение. · доля углеводов 80-85%, · имеются уроновые кислоты, · углеводные цепи крайне велики, · углевод имеет регулярное строение.

Гликопротеины

Для собственно гликопротеинов характерно низкое содержание углеводов. Углеводный остаток является олигосахаридом, имеет нерегулярное строение и содержит маннозу, галактозу, глюкозу, и их аминопроизводные, также N-ацетилнейраминовую кислоту. Олигосахарид присоединен к аминокислотам белковой цепи либо N-гликозидной связью - к амидному азоту аспарагина, либо О-гликозидной связью - к гидроксигруппе остатков серина, треонина, гидроксилизина.

Способы присоединения углевода к белку

Функцией гликопротеинов являются:

1. Структурная – клеточная стенка бактерий, костный матрикс, например, коллаген, эластин.

2. Защитная – например, антитела, интерферон, факторы свертывания крови (протромбин, фибриноген).

3. Рецепторная – присоединение эффектора приводит к изменению конформации белка-рецептора, что вызывает внутриклеточный ответ.

4. Гормональная – гонадотропный, адренокортикотропный и тиреотропный гормоны.

5. Ферментативная – холинэстераза, нуклеаза.

6. Транспортная – перенос веществ в крови и через мембраны, например, трансферрин, транскортин, альбумин, Na+,К+-АТФаза.

Протеогликаны

Другая группа гликоконъюгатов – протеогликаны – характеризуется наличием крупных полисахаридов, состоящих из повторяющихся дисахаридных остатков.

Дисахариды включают в себя какую-либо уроновую кислоту и аминосахар. Многократно дублируясь, дисахариды образуют олиго- и полисахаридные цепи – гликаны. Для углеводной части встречаются другие названия – кислые гетерополисахариды (т.к. имеют много кислотных групп), гликозаминогликаны (содержат аминогруппы). Избыток анионных групп (сульфатных, карбоксильных) придает молекулам гликозаминогликанов высокий отрицательный заряд.

Основными представителями структурных гликозаминогликанов являются гиалуроновая кислота, хондроитинсульфаты, кератансульфаты и дерматансульфаты. Эти молекулы входят в состав протеогликанов, функцией которых является заполнение межклеточного пространства и удержание здесь воды, также они выступают как смазочный и структурный компонент суставов и других тканевых структур.

Строение гиалуроновой кислоты и хондроитинсульфата

Углеводная часть, аналогично с гликопротеинами, связывается с белком через остатки серина и аспарагина.

Схема строения протеогликанов межклеточного вещества

По функции структурные протеогликаны значимы для межклеточного пространства, особенно соединительной ткани, в которое погружены коллагеновые волокна. При помощи электронной микроскопии выяснено, что они имеют древовидную структуру – в центре находится гиалуроновая кислота, которая через связующие белки присоединяет многочисленные "веточки" из хондроитинсульфатов, кератансульфатов, дерматансульфатов. Молекулы гликанов весьма гидрофильны, создают сетчатый желеподобный матрикс и заполняют пространство между клетками, являясь преградой для крупных молекул и микроорганизмов. Еще одним компонентом протеогликанов является гепарин, имеющий несколько сульфатированных цепей гетерополисахарида, связанных с белковым ядром через остатки серина. В крови гепарин связывается с антитромбином III, образуя комплекс, блокирующий факторы свертывания крови IIа, IХа, Ха, XIa и ХIIа, что применяется для профилактики тромбозов у больных различного профиля.

В настоящее время используются препараты низкомолекулярных гепаринов и нефракционированных гепаринов, обладающие лучшими характеристиками.

Также функцией гепарина является активирующее влияние на активность фермента липопротеинлипазы, участвующего в метаболизме транспортных форм липидов в крови (хиломикроны и липопротеины очень низкой плотности). Как следствие, количество липидов в крови снижается.

 9. Виды металлопротеиназ (коллагеназы, желатиназы, стромелизины). Роль металлопротеиназ в распаде белков межклеточного матрикса. Регуляция их активности.

Основную роль в катаболизме белков межклеточного матрикса играют металлопротеиназы - Са-зависимые, цинксвязывающие эндопептидазы. Регуляторами их активности служат тканевые ингибиторы металлопротеиназ, а также цитокины.

Коллагеназаперерезает все три пептидные цепи коллагена между остатками глицина и лейцина. Образующиеся фрагменты денатурируют и гидролизуются разными пептидгидролазами. Содержание гидроксипролина в крови и моче отражает баланс скорости катаболизма коллагена и гидроксипролина. Экскреция гидроксипролина увеличивается вследствие ускоренного распада коллагена при некоторых болезнях, например при гиперпаратироидизме, болезни Педжета, ревматоидном артрите.

Протеогликаны обмениваются с высокой скоростью. Время полужизни протеогликанов межклеточного матрикса - дни или недели, клеточной поверхности - часы. Разрушаются протеогликаны в лизосомах.

Активация ферментного катаболизма коллагена происходит при участии кортизона и его аналогов, которые угнетают биосинтез коллагена фибробластами, тормозят биосинтез гликозаминогликанов. Тироксин вызывает деполимеризацию гиалуроновой кислоты.

Такие гормоны, как альдостерон, дезоксикортикостерон стимулируют биосинтез «основного вещества» соединительной ткани. Соматотропный гормон передней доли гипофиза стимулирует включение пролина в полипептидную цепь тропоколлагена.

Катаболизм ГАГ протекает в лизосомах при участии специфических гликозидаз, каждая из которых гидролизует определенные гликозидные связи. Различают экзогликозидазы, эндогликозидазы и сульфатазы. Метаболизм ГАГ характеризуется высокой скоростью: период их полураспада составляет от 3 до 10 дней (за исключением кератансульфатов, у которых Т 1/2 равен 120 дням). Регуляция метаболизма ГАГ осуществляется в основном гормональным путем. Синтез и сульфатирование ГАГ активируется андрогенами, соматотропным гормоном, распад – тиреоидными гормонами. Глюкокортикоиды снижают их синтез de novo, но способствуют реполимеризации отдельных участков уже готовых полисахаридных цепей; в то же время они уменьшают и их распад. Инсулин, наоборот, является промотором самообновления ГАГ, т.к. увеличивает как скорость их синтеза, так и распада.

Регуляция активности матриксных металлопротеиназ

Активность матриксных металлопротеиназ находится под постоянным контролем.

Во-первых, они синтезируются в виде препроферментов. Сигнальный пептид обеспечивает направленную секрецию молекулы и после его отщепления образуется профермент. Профермент содержит последовательность аминокислот, в которой остаток цистеина связывает молекулу Zn2+, находящуюся в активном центре. В последующем после отщепления полипептида сформировавшаяся активная форма ММП содержит два основных домена. N-концевой домен содержит цинк-свя-

Таблица 1.4

Семейство матриксных металлопротеиназ

Тип ММП Фермент Мол. масса, кДа Расщепляемые компоненты

ММП-1 Инстициальная коллагеназа 52 Коллаген I, II, III, VII, VIII, X типов, желатин, протеогликаны

ММП-2 Желатиназа А 72 Желатин, коллаген IV, V, VII, X, XI типов, фибронектин, эластин, протеогликаны

ММП-9 Желатиназа В 92 Желатин, коллаген IV, V типов, эластин, протеогликаны

ММП-3 Стромелизин-1 57 Эластин, протеогликаны, ламинин, фибронектин, коллаген IV, VII, IX типов,

про ММП-1

ММП-7 Матрилизин 28 Протеогликаны, ламинин, желатин, фибронектин, коллаген IV типа, проММП-1, -7, -8, -9

ММП-12 Мета л ло эластаза 55 Эластин

ММП-13 Инстициальная коллагеназа-3 52 Коллаген I, II, III типов, желатин

ММП-14 Мембранный тип ММП 66 Коллаген I, II, III типов, проММП- 2, -13 (мембранного типа)

зывающий участок, в котором Zn2+ связывается тремя остатками гистидина и обладает каталитической активностью. В катализе, помимо цинка, принимает участие остаток глутаминовой кислоты. С-концевой домен отвечает за связывание с субстратами и ингибиторами ММП. Между N- и С-концевыми доменами располагается небольшой связывающий домен, который обеспечивает субстратную специфичность (рис. 1.26, А).

В отщеплении сигнального пептида участвуют различные протеиназы. Так, в реакции активации проММП-1 и проММП-3 участву- ет трипсиноподобная протеиназа плазмин, проММП-2 мембранная металлопротеиназа, проММП-9 желатиназа А. Таким образом, активация ферментов происходит в виде каскада и в этот процесс вовлечены одновременно множество проферментов и вновь образующихся активных энзимов (рис. 1.26, Б)

Рис. 1.26. Строение проММП-1: А - активация фермента происходит при отщеплении сигнального пропептида; Б - в ограниченном протеолизе проММП участвуют различные протеиназы.

Во-вторых, активность ферментов зависит от уровня экспрессии их генов. Большинство ММП относится к «индуцируемым» ферментам, синтез которых на уровне транскрипции контролируется рядом

факторов: цитокинами и другими факторами, действующими на поверхность клетки (эстроген, прогестерон и др.). Промоторы ММП содержат общие элементы, отвечающие за механихм регуляции экспрессии генов.

В-третьих, в физиологических условиях в тканях содержится незначительное количество ММП и их активность зависит от присутствия активаторов и ингибиторов в окружающей среде. Активность ММП находится под контролем специфических белков - тканевых ингибиторов металлопротеиназ (ТИМП). В настоящее время хорошо изучены четыре вида ТИМП, выделенных из различных тканей человека: ТИМП-1, ТИМП-2, ТИМП-3, ТИМП-4. ТИМП способны связываться как с активными, так и неактивными формами ММП. Эти белки различаются по их специфическому действию на металлопротеиназы. Так, ТИМП-1 значительно лучше ингибирует ММП-9, в то время как ТИМП-2 подавляет активность ММП-2. ТИМП инактивируются путём гидролиза с участием различных протеиназ - трипсина, химотрипсина, стромелизина-3 и эластазы нейтрофилов.