Этапы синтеза коллагена. Внутриклеточные реакции гидроксилирования и гликозилирования, роль ионов железа и аскорбиновой кислоты. Внеклеточное формирование коллагенового волокна.

При синтезе коллагена первостепенное значение имеет гидроксилирование лизина и пролина, включенных в состав первичной цепи, осуществляемое при участии аскорбиновой кислоты. Также коллаген обычно содержит моносахаридные (галактоза) и дисахаридные (глюкоза-галактоза) молекулы, связанные с ОН-группами некоторых остатков оксилизина.

Синтезированная молекула коллагена построена из 3 полипептидных цепей, сплетенных между собой в плотный жгут – тропоколлаген (длина 300 нм, диаметр 1,6 нм). Полипептидные цепи прочно связаны между собой через ε-аминогруппы остатков лизина. Тропоколлаген формирует крупные коллагеновые фибриллы диаметром 10-300 нм. Поперечная исчерченность фибриллы обусловлена смещением молекул тропоколлагена друг относительно друга на 1/4 их длины.

Внутриклеточный этап:

1. Трансляция и пострансляционные модификации полипептидной цепи

2. Образование коллагеновых волокон: синтез препроколлагена. После отщепления синтезированного пептида образуется проколлаген. Молекула содержит N и C –концевые пропетиды.

Внеклеточный этап:

1. Отщепление N и C концевых пептидов. Образуется тропоколлаген

2. Образование нерастворимого коллагена

3. Ассоциация молекул коллагена по принципу «бок в бок»

Катаболизм осуществляется коллагеназами при участии аскорбиновой кислоты, гормонов. Активаторами тканевой коллагеназы являются плазмин, калликреин, катепсин В. Бактериальная коллагеназа вырабатывается МО. У молодых обмен коллагена протекает более активно, с возрастом снижаетс

Внутриклеточный этап включает 4 стадии: трансляцию. посттрансляционную модификацию, образование проколлагена и секрецию проколлагена во внутриклеточное пространство. По мере роста пептидных цепей на рибосомах они с помощью гидрофобного сигнального участка на N -конце проникают через мембрану в полость эндоплазматического ретикулума, где сигнальный пептид сразу отщепляется. В полости ЭПР цепи незрелого коллагена претерпевают ряд посттрансляционных модификаций. К ним прежде всего относится гидроксилирование некоторых пролиновых и лизиновых остатков с образованием гидроксипролина и гидроксилизина под действием Fe 2+содержащих коллагеновой пролил- и лизилгидроксилаз. Помимо этого в ЭПР происходит гликозилирование части остатков гидроксилизина с помощью гликозилтрансфераз. После гидроксилирования и гликозилирования каждая про- α - цепь соединяется водородными связями с двумя другими про- α -цепями, образуя тройную спираль проколлагена. Синтезированные таким образом молекулы проколлагена из полости ЭПР поступают в аппарат Гольджи, а затем включаются в секреторные гранулы, от куда переходят во внеклеточное пространство.

Внеклеточный этап включает 4 стадии: превращение проколлагена в тропоколлаген, образование микрофибрилл, объединение их в макрофибриллы, формирование коллагеновых

волокон. На этом этапе: - отщепляются N- и С-концевые пептиды специфическими проколлагенпептидазами, в результате чего образуется молекула тропоколлагена; - молекулы тропоколлагена объединяются в микрофибриллы; - формируются поперечные сшивки с образованием коллагенового волокна.

ВИТАМИНЫ

С витамином С тесно связан витамин Р. Он стабилизирует основное вещество межклеточного матрикса, ингибируя активность гиалуронидазы и тем самым препятствует деполимеризации гиалуроновой кислоты. Помимо этого, этот витамин предохраняет витамин С от окисления, увеличивает депонирование аскорбиновой кислоты и уменьшает её элиминацию.

Витамин А регулирует функцию кожи и слизистых оболочек. Он участвует в образовании активной серной кислоты (ФАФС - фосфоаденозинфосфосульфата), являющейся донором сульфогрупп для образования сульфатированных гликозаминогликанов и тем самым стимулирует их синтез в базальном слое покровного эпителия. Это способствует нормальному состоянию кожных покровов и слизистых оболочек, предотвращает ороговение эпителиальных клеток и их слущивание. Недаром витамин А называют «витамином красоты». Поэтому при его недостатке ороговение и 26 слущивание эпителия лишает кожу её эластичности, естественного блеска. Нарушение синтеза ГАГ, удерживающих воду, понижает тургор кожи, утрачивается барьерная функция эпителия. Поражается также эпителий слизистых оболочек дыхательных путей, мочеполового и пищеварительного трактов. При этом создаются условия, благоприятные для развития инфекции. Витамин РР (никотинамид,антипеллагрический витамин) необходим для действия лизилоксидазы, образующей поперечные сшивки в молекуле коллагена. При недостатке витаминов РР, В6, меди или цинка снижается активность лизилоксидазы, меньше образуется поперечных сшивок в коллагеновых волокнах, и их упругость и прочность уменьшается. Кровеносные сосуды, кожа и сухожилия становятся хрупкими и легко разрываются.

роль ионов железа

Гидрокслирование пролина и лизина. Роль витамина С

Гидроксилирование пролина и лизина начинается в период трансляции коллагеновой мРНК на рибосомах и продолжается на растущей полипептидной цепи вплоть до её отделения от рибосом. После образования тройной спирали дальнейшее гидроксилирование пролиловых и лизиловых остатков прекращается.

Реакции гидроксилирования катализируют оксигеназы, связанные с мембранами микросом. Пролиловые и лизиловые остатки в Y-положении пептида (Гли-х-у)n подвергаются действию, соответственно, пролил-4-гидроксилазы и лизил-5-гидроксилазы. Пролил-3-гидроксилаза действует на некоторые остатки пролина в Х-положениях. Необходимыми компонентами этой реакции являются оскетоглутарат, О2 и витамин С (аскорбиновая кислота). Донором атома кислорода, который присоединяется к С-4 пролина, является молекула О2, второй атом О2 включается в сукцинат, который образуется при декарбоксилировании α-кетоглутарата, а из карбоксильной группы а-кетоглутарата образуется СО2.

Гидроксилазы пролина и лизина содержат в активном центре атом железа Fe2+. Для сохранения атома железа в ферроформе необходим восстанавливающий агент. Роль этого агента выполняет кофермент гидроксилаз - аскорбиновая кислота, которая легко окисляется в дегидроаскорбиновую кислоту. Обратное превращение происходит в ферментативном процессе за счёт восстановленного глутатиона

Гидроксилирование пролина необходимо для стабилизации тройной спирали коллагена, ОН-группы гидроксипролина (Hyp) участвуют в образовании водородных связей. А гидроксилирование лизина очень важно для последующего образования ковалентных связей между молекулами коллагена при сборке коллагеновых фибрилл. При цинге - заболевании, вызванном недостатком витамина С, нарушается гидроксилирование остатков пролина и лизина. В результате этого образуются менее прочные и стабильные коллагеновые волокна, что приводит к большой хрупкости и ломкости кровеносных сосудов с развитием цинги. Клиническая картина цинги характеризуется возникновением множественных точечных кровоизлияний под кожу и слизистые оболочки, кровоточивостью дёсен, выпадением зубов, анемией.

Гликозилирование гидроксилизина

После завершения гидроксилирования при участии специфических гликозилтрансфераз в состав молекулы проколлагена вводятся углеводные группы. Чаще всего этими углеводами служат галактоза или дисахарид галактозилглюкоза.

Они образуют ковалентную О-гликозидную связь с 5-ОН-группой гидроксилизина. Гликозилирование гидроксилизина происходит в коллагене, ещё не претерпевшем спирализации, и завершается после образования тройной спирали. Число углеводных единиц в молекуле коллагена зависит от вида ткани. Так, например, в коллагене сухожилий (тип I) это число равно 6, а в коллагене капсулы хрусталика (тип IV) - НО. Роль этих углеводных групп неясна; известно только, что при наследственном заболевании, причиной которого является дефицит лизилгидроксилазы (синдром Элерса - Данло-Русакова, тип VI), содержание гидроксилизина и углеводов в образующемся коллагене снижено; возможно, это является причиной ухудшения механических свойств кожи и связок у людей с этим заболеванием.

Образование проколлагена и его секреция в межклеточное пространство

После гидроксилирования и гликозилирования каждая про-α-цепь соединяется водородными связями с двумя другими про-α-цепями, образуя тройную спираль проколлагена. Эти процессы происходят ещё в просвете ЭР и начинаются после образования межцепочечных дисульфидных мостиков в области С-концевых пропептидов. Из ЭР молекулы проколлагена перемещаются в аппарат Гольджи, включаются в секреторные пузырьки и секретируются в межклеточное пространство.