Тема 6.5. Биохимия межклеточного матрикса и мышечной ткани
Цель занятия.Сформировать знания о строении, функциях и биосинтезе компонентов соединительной и мышечной тканей. Уметь применять полученные знания для объяснения их структурно-функциональных изменений в онтогенезе и при некоторых патологических состояниях.
Исходный уровень. Классификация типов соединительной ткани (курс гистологии), строение гетерополисахаридов соединительной ткани (курс биоорганической химии), строение мышечного волокна.
Повторить. Классификация углеводов, аэробный и анаэробный гликолиз, строение аминокислот.
Содержание теоретического материала. 1. Состав и строение коллагена: аминокислотный состав и особенности пространственной структуры. Типы коллагенов. Особенности синтеза и «созревания» коллагена. Роль аскорбиновой кислоты в гидроксилировании пролина и лизина. 2. Особенности синтеза и строения эластина, протеогликанов и гликозаминогликанов. Роль глюкуроновой кислоты в организации межклеточного матрикса. Изменение соединительной ткани в онтогенезе, коллагенозах. Роль коллагена при заживлении ран. 3. Характеристика важнейших белков миофибрилл: актин, миозин, тропонин, тропомиозин. Биохимический механизм мышечного сокращения и расслабления. Биохимические изменения при мышечных дистрофиях и денервации мышц. Креатинурия.
Для усвоения материала темы следует обратить внимание на то, что:
1) Белок коллаген имеет самую длинную полипептидную цепь (1050 АМК), образованию которой предшествует многократный сплайсинг мРНК. В посттрансляционных превращениях участвуют много различных ферментов и кофакторов.
2) Коллагеновые волокна входят в состав стенок кровеносных сосудов и обеспечивают их прочность и другие механические свойства.
3) Аминокислота оксипролин характерна для коллагена и по количеству, выделяемому за сутки с мочой оксипролина, можно судить об активности процесса катаболизма коллагена.
4) Эластин обладает свойством обратимой деформации.
5) Протеогликаны представляют собой высокополимерные соединения, способные образовывать гелеобразные структуры.
6) 95% массы протеогликанов составляют углеводы, и содержится большое количество ацетилированных аминосахаров.
7) У больных сахарным диабетом большая восприимчивость к инфекциям и замедленное заживление ран связано с нарушением синтеза протеогликанов.
8) Фибронектин организует взаимное расположение клеток и межклеточного вещества и обеспечивает межклеточное взаимодействие, поэтому снижение количества его на поверхности клеток, является одним из факторов, обуславливающих метастазирование клеток злокачественной опухоли (приблизительно в 10 раз ослабляется адгезия между клетками злокачественной опухоли).
9) Основными субстратами, поставляющими энергию в сердечную мышцу, служат жирные кислоты: около 70% кислорода, потребляемого сердечной мышцей, расходуется на окисление жирных кислот.
Вопросы и упражнения для самоподготовки и контроля усвоения темы
В чем различия в понятиях: проколлаген, тропоколлаген, коллагеновые фибриллы, коллагеновое волокно?
Каковы основные этапы биосинтеза коллагена? В чем заключается процесс созревания коллагена?
Укажите правильный порядок этапов биосинтеза коллагена и образования коллагеновых волокон (например, 3→4→ и т.д.):
Гидроксилирование пролина и лизина.
Отщепление N-иС-концевых фрагментов.
Образование коллагенового волокна.
Синтез пептидных цепей проколлагена.
Какой из этапов биосинтеза коллагена нарушается при гиповитаминозе витамина С?
Выберите аминокислоты, преобладающие в коллагене: а) пролин; б) оксипролин; 3) глицин; 4) лизин; 5) метионин.
Каковы особенности аминокислотного состава эластина?
Покажите преимущественное распределение коллагена и эластина в следующих органах, подобрав цифрам правильный буквенный ответ.
Почему у больных сахарным диабетом снижается скорость синтеза протеогликанов в инсулинзависимых тканях?
Опишите химическую природу фибронектина и особенности его строения.
Фибронектин является фактором, связывающим коллагеновые волокна, протеогликаны, клетки. Какими свойствами это объясняется?
Располагается внутри клеток.
Располагается в межклеточном пространстве.
Является поливалентным белком.
Имеет центры связывания фибробластов, коллагена.
Изобразите схему строения протеогликановых агрегатов и укажите составные компоненты.
Каково строение мышечной клетки, миофибриллы, саркомера?
Укажите соответствия, подобрав цифрам — букву:
Миозин. А. Является основным белком толстых нитей миофибриллы.
Актин. Б. Способен катализировать гидролиз АТФ.
В. В состав входят белки тропомиозин и тропонин.
Г. Является глобулярным белком.
Д. Составляет почти половину всех белков скелетной мышцы.
Каков биохимический механизм сокращения поперечно-полосатых и гладких мышц? Какова роль ионов кальция в этом процессе и механизм высвобождения Са 2+ из внутриклеточного депо?
Литература для самоподготовки. Лекционный материал; (1) – С. 432-451, 518-550; (2) – С. 625-678; (3) – С. 163-176; (4) – 2т. С. 332-350.
Ответы на экзаменационные задачи (из задачника)
№ 14.1 При наследственной недостаточности глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы прием лекарств, являющихся сильными окислителями (аспирин, сульфаниламиды, примахин), вызывает гемолиз эритроцитов. Какое значение в метаболизме эритроцитов имеет реакция, которую катализирует глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа? Для ответа на вопрос напишите:
Читайте также: Шторные подхваты своими руками из ткани
а) Метаболический путь, в котором происходит эта реакция
б) Схему реакций, обеспечивающих обезвреживание активных форм кислорода в эритроцитах
В эритроцитах, как и в большинстве клеток, присутствует тиолсодержащий трипептид — глутатион. Восстановленная форма глутатиона содержит SH- группу, которая может служить донором электронов в реакциях восстановления. При генетическом дефекте глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы концентрация восстановленного кофермента NADPH уменьшается, в результате чего резко снижается концентрация восстановленного глутатиона, а в клетке накапливается активный кислород. В этом случае окисление SH- групп молекул гемоглобина в эритроцитах приводит к образованию перекрестных дисульфидных связей и агрегации протомеров гемоглобина с формированием телец Хайнца. Мембрана эритроцита деформируется, и он не может проходить через капилляр.
Лекарства снижают способность эритроцитов бороться с активными формами кислорода.
Значение реакции — обезвреживание активных форм кислорода.
а) Образование и обезвреживание активных форм кислорода в эритроците
1 — спонтанное окисление Fe в геме гемоглобина — источник супероксидного аниона в эритроцитах
2 — супероксиддисмутаза превращает супероксидный анион в пероксид водорода и воду
3 — пероксид водорода расщепляется каталазой или глутатионпероксидазой
4 — глутатионредуктаэа восстанавливает окисленный глутатион
5 – NADPH, необходимый для восстановления глутатиона, образуется на окислительном этапе пентозофосфатного пути превращения глюкозы
6 — NADH, необходимый для восстановления гемоглобина метгемоглобинредуктазной системой, образуется в глицеральдегтдфосфатдегидрогеназной реакции гликолиза
б) Источник NADPH – окислительный этап ПФ-пути
При приёме некоторых лекарств, являющимися сильными окислителями у пациентов, имеющих генетические дефекты глюкозы-фосфатдегидрогеназы, глутатионовой кислоты может оказаться недостаточно.
Активные формы кислорода вызывает образование гидроперекисей ненасыщенных, фосфолипидов, входящих в состав мембран, их разрушение и гемолиз эритроцитов.
№ 14.2 При генетическом дефекте ключевого фермента гликолиза пируваткиназы у больных наблюдается гемолиз эритроцитов. какое значение для эритроцитов имеет метаболический путь, в котором участвует пируваткиназа? Для ответа на вопрос:
а) Напишите схему метаболического пути, в котором участвует пируваткиназа
б) Объясните, почему ускоряется гемолиз эритроцитов
Значение – единственный источник энергии (АТФ) для эритроцитов.
Анаэробный распад глюкозы происходит в мышцах в первые часы работы в эритроцитах (в них нет митохондрий) и снабжает их кислородом. Эритроциты разносят кислород в ткани.
б) Дефект пируваткиназы вызывает уменьшение АТФ и NADH+H + , а, следовательно, уменьшение активности Na + /K-АТФазы, увеличение осмотического давления, а следовательно, осмотический шок.
Дефицит NADH+H + ведет к накоплению Мет-Hb и увеличению количества анг. форм кислорода, вызывающих окисление SH-групп, образующих дисульфидные связи, а следовательно, ускоряется гемолиз эритроцитов.
№ 14.3 Дикумарол и варфарин являются структурными аналогами витамина К и применяется в клинике как антикоагулянты для профилактики тромбозов. Почему эти лекарства не влияют на свертываемость крови in vitro? Для ответа на вопрос:
а) Укажите, коферментом какого фермента является витамин К
б) Вспомните, в посттрансляционный модификации каких белков свертывающей системы крови принимает участие витамин К, и какую роль играют эти белки в тромбообразовании.
Потому что нужна плазматическая мембрана для их действия так как они действуют на фосфолипиды.
б) Взаимодействие ферментных комплексов с клеточными мембранами происходит с участием ионов кальция. Все проферменты прокоагулянтного пути (II, VII, IX, X) содержат остатки γ-карбоксиглутаминовой кислоты, образующиеся в результате пострансляционной модификации этих белков в ЭР гепатоцитов.
Остатки γ-карбоксиглутаминовой кислоты в факторе VIIа, IXа и Xа обеспечивают взаимодействие этих ферментов посредством кальция с отрицательно заряженными фосфолипидами клеточных мембран. В отсутствие ионов кальция кровь не свёртывается.
Биологическая функция витамина К связана с его участием в процессе свёртывания крови. Он участвует в активации факторов свёртывания крови: протромбина, проконвертина, фактора Кристмаса и фактора Стюарта. Эти белковые факторы синтезируются как неактивные предшественники. Один из этапов активации – их карбоксилирование по остаткам глутаминовой кислоты. С образованием γ-карбоксиглутаминовой кислоты, необходимой для связывания ионов кальция. Витамин К участвует в реакциях карбоксилирования в качестве кофермента.
№ 14.4 В отсутствие ионов Ca 2+ кровь не свертывается. Какую роль играет Са 2+ в свертывании крови? Для ответа на вопрос:
Читайте также: Что деформация хрящевой ткани
а) Опишите состав мембранных комплексов прокоагулянтного пути свертывания крови и последовательность их взаимодействия
б) Укажите роль Са 2+ в формировании этих комплексов
Взаимодействие ферментных комплексов с клеточными мембранами происходит с участием ионов кальция. Все проферменты прокоагулянтного пути (II, VII, IX, X) содержат остатки γ-карбоксиглутаминовой кислоты, образующиеся в результате пострансляционной модификации этих белков в ЭР гепатоцитов.
Остатки γ-карбоксиглутаминовой кислоты в факторе VIIа, IXа и Xа обеспечивают взаимодействие этих ферментов посредством кальция с отрицательно заряженными фосфолипидами клеточных мембран. В отсутствие ионов кальция кровь не свёртывается.
б) Кальций нужен для взаимодействия ферментных комплексов с клеточными мембранами
№ 14.5 Инфаркт миокарда, травмы и хирургические вмешательства могут сопровождаться тромбозами. Объясните причину повышения свертываемости крови в этих условиях. Для этого:
а) Укажите причины, которые могут инициировать каскад реакций свертывания крови
б) Вспомните состав инициирующего мембранного комплекса прокоагулянтного пути свертывания крови и его роль.
Происходит активация тканевого фактора.
а) Для остановки кровотечения из капилляров и сосудов необходимо быстрое образование прочного тромба, препятствующего потере крови. Это достигается каскадом ферментативных реакций с механизмами усиления на многих этапах. Следовательно, причина – повреждение сосуда.
В активации ферментов каскада выделяют три основных механизма: частичный протеолиз, взаимодействие с белками-активаторами и взаимодействие с модифицированными клеточными мембранами.
Роль – остановка кровотечения из капилляров и сосудов путём образования прочного тромба.
№ 14.6 При наследственном дефиците протеина С возможны венозный тромбоз и легочная эмболия. Какую роль играет активированный протеин С в гемостазе? Для ответа на вопрос:
а) Напишите схему реакций антикоагулянтного пути
б) Объясните роль тромбина в гемостазе
Активированный протеин С образует с белком-активатором S мембраносвязанный комплекс Ca-S-Ca. Ca в составе комплекса гидролизует в факторах Vа и VIIIа по две петидные связи и инактивирует эти факторы.
б) Тромбин образуется в крови из неактивного предшественника протромбина. Протромбин синтезируется в печени и содержит остатки γкарбоксиглутаминовой кислоты.
Тромбин частичным протелизом превращает фибриноген в фибрин и активирует факторы VII, VIII, V. XIII.
Тромбин выполняет ряд важных физиологических функций: является ферментом прокоагулянтного и коагулянтного путей свёртывания крови, инициирует реакции антикоагулянтной фазы, вызывает агрегацию тромбоцитов и оказывает митогенное действие, участвуя в пролиферации и репарации клеток.
Тромбин активирует антикоагулянтную фазу и тормозит (ингибирует фермент) свёртывание крови
Тромбин взаимодействует со специфическим рецептором – интегральным белком, имеющим 7 транспортных доменов. Тромбин активрует рецептор частичным протеолизом, отщепляя от него N-концевой пептид, находящийся на внешней плазматической поверхности тромбоцита. Следовательно, тромбин, в отличие от других активаторов, действует каталитически, и одна молекула тромбина может активировать несколько рецепторов.
№ 15.1 Одно из клинических проявлений цинги – кровоизлияние под кожу и слизистые оболочки. Недостаток какого витамина приводит к этому заболеванию? Для ответа на этот вопрос:
а) Назовите этот витамин и его основную функцию в формировании межклеточного матрикса
б) Напишите реакцию гидроксилирования пролина и лизина
в) Укажите вещества, необходимые для протекания реакции
а) Главное свойство аскорбиновой кислоты (витамина C) – способность легко окисляться и восстанавливаться. Вместе с дегидроаскорбиновой кислотой она образует в клетках оксилительно-восстановительную пару с редокс-потенциалом +1,139 B. Благодаря этой способности аскорбиновая кислота участвует во многих реакциях гидроксилирования: остатков Про и Лиз при синтезе коллагена (основного белка соединительной ткани), при гидроксилировании дофамина, синтезе стероидных гормонов в коре надпочечников.
При цинге 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.
в) Вещества – аскорбиновая кислота, железо и ферментов прлил-4-гидроксилазы и лизил-5-гидроксилазы.
№ 15.2 Коллагеновые фибриллы укрепляются внутри- и межцепочечными ковалентными сшивками. Какая аминокислота участвует в образовании этих сшивок? Для ответа на этот вопрос:
а) Напишите реакцию окислительного дезаминирования лизина
б) Назовите фермент, который катализирует эту реакцию, и необходимые кофакторы
Читайте также: Какую ткань выбрать для урока
в) Вспомните, к каким последствиям может привести снижение активности этого фермента или дефицит кофакторов
б) Фермент – лизилоксидаза. Кофакторы – медь, витамин PP и B6
в) При снижении активности лизилоксидазы, а также при недостатке меди или витаминов PP или B6 нарушается образование поперечных сшивок и, как следствие, снижаются прочность и упругость коллагеновых волокон. Такие структуры, как кожа, сухожилия, кровеносные сосуды, становятся хрупкими, легко разрываются.
№ 15.3 При сахарном диабете меняется скорость синтеза протеогликанов и инсулинзависимых и инсулиннезависимых тканях. В каких тканях она увеличивается и почему? Для ответа на этот вопрос:
а) Вспомните, что такое протеогликаны, и назовите особенности их состава и структуры
б) Назовите углеводные компоненты протеогликанов и их функции
в) Укажите, к каким последствиям приведет повышение синтеза протеогликанов в базальных мембранах?
В инсулиннезависимых тканях.
а) 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 гликопротеинамн. 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.
б) Компоненты протеогликанов — гликозаминогликаны
Благодаря особенностям своей структуры и физико-химическим свойствам, протеогликаны и гликозаминогликаны могут выполнять в организме человека следующие функции:
1. Они являются структурными компонентами межклеточного матрикса;
2. Протеогликаны и гликозаминогликаны специфически взаимодействуют с коллагеном, эластином, фибронектином, ламинином и другими белками межклеточного матрикса;
3. Все протеогликаны и гликозаминогликаны, являясь полианионами, могут присоединять, кроме воды, большие количества катионов (Na + , K»% Са 2+ ) и таким образом участвовать в формировании тургора различных тканей;
4. Протеогликаны и гликозаминогликаны играют роль молекулярного сита в межклеточном матриксе, они препятствуют распространению патогенных микроорганизмов;
5. Гиалуроновая кислота и протеогликаны выполняют рессорную функцию в суставных хрящах;
6. Гепарансульфатсодержащие протеогликаны способствуют созданию фильтрационного барьера в почках;
7. Кератансульфаты и дерматансульфаты обеспечивают прозрачность роговицы;
9. 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.
в) К нарушению структуры и функции базальной мембраны, как следствие утолщение её и в результате возможной диабетической ангиопатии.
№ 15.4 В процессе заживления ран образуются соединительнотканные рубцы. В этот период отмечается активный синтез всех компонентов межклеточного матрикса. Какой основной компонент межклеточного матрикса вы знаете? Для ответа на этот вопрос:
а) Назовите особенности состава и структуры этого белка, а также изменения, происходящие с пептидной цепью на этом этапе?
б) Назовите основные этапы его синтеза и созревания
в) Укажите, какой посттрансляционной модификации подвергается этот белок, какой витамин в этом участвует.
а) Коллаген состоит из 1000 аминокислотных остатков. Каждая 3-яя аминокислота – глицин. 20 % — пролин и гидроксипролин. 10 % — аланин. 40 % — остальное
б) Синтез и созревание коллагена сложный многоэтапный процесс, начинающийся в клетке, а завершающийся в межклеточном матриксе. Синтез и созревание коллагена включают в себя целый ряд пострансляционных изменений:
1. Гидроксилирование пролина и лизина с образованием гидроксипролина и гидроксилизина.
2. Гликозилирование гидроксилизина
3. Частичный протеолиз – отщепление «сигнального пептида» , N- и C-концевых пропептидов.
4. Образование тройной спирали.
в) Гидроксилирование пролина и лизина. Витамин С.