Коллаген обеспечивает поддержку структуры тканей
Основные положения:
- Основная функция коллагена состоит в обеспечении структурной опоры тканей.
- Коллагены представляют собой семейство, состоящее более чем из 20 различных белков внеклеточного матрикса . Это наиболее распространенные белки в царстве животных.
- Все коллагены организованы в тройные спирализованные "коллагеновые субъединицы", обладающие суперспиральной структурой и состоящие из трех отдельных полипептидов.
- Коллагеновые субъединицы выходят из клеток и затем, во внеклеточном пространстве, собираются в более крупные фибриллы и волокна .
- Мутации в коллагеновых генах вызывают множество патологических состояний, начиная от появления морщин до развития хрупкости костей и таких тяжелых заболеваний, как образование кожных волдырей .
Мы начинаем обсуждение ВКМ с коллагенов, которые уже по крайней мере 500 млн лет являются компонентами многоклеточных организмов, и представляют собой первые белки ВКМ, которые возникли в клетках животных. Семейство коллагенов включает, по крайней мере, 27 типов наиболее распространенных белков царства животных. Почти все клетки животных синтезируют и секретируют по меньшей мере одну из форм коллагена.
Коллагены обеспечивают тканям структурную поддержку и существуют во множественных формах, организованных в различные структуры. Все белки семейства коллагенов характеризуются одним общим свойством: они собраны в тонкие (примерно 1,5 нм диаметром) тройные спиральные суперспирализованные структуры, состоящие из трех субъединиц коллагеновых белков, которые удерживаются вместе ковалентными и нековалентными связями.
Суперспирализованные структуры бывают трех типов - фибриллярные, слоистые и связанные с фибринами ( рис. 19.4 ).
- В фибриллярных коллагенах суперспирализованные спирали организованы в фибриллы или "канаты", которые обеспечивают прочность структуры вдоль единственнной оси (такая структура напоминает прочный стальной трос, образованный проволочными пучками). Когда эти фибриллы собраны в параллельно расположенные пучки, как в сухожилиях , они обеспечивают невероятную прочность структуры, которая способна противостоять усилиям, развиваемым мышцами, закрепленными на костях.
- Слоистые коллагены представляют собой сеть, состоящую из суперспирализованных спиральных структур. Они в меньшей степени устойчивы к мышечным усилиям, но гораздо лучше противостоят растяжению в нескольких направлениях. Сеть таких структур, например, характерна для кожи .
- Третий тип коллагена, известный как "фибриллярные связки" , образует суперспирализованные спиральные структуры, связывающие коллагеновые фибриллы вместе.
Независимо от способа организации, коллагены образуют основную каркасную структуру внеклеточного матрикса (ВКМ) . Такие входящие в ВКМ белки, как фибронектин и витронектин , связываются с коллагенами и вплетены в структуры, образованные коллагеновым каркасом. Один из представителей семейства коллагенов представляет собой трансмембранный белок, который участвует в формировании межклеточных контактов.
Существует по меньшей мере, 27 различных типов коллагена, большая часть которых может быть сгруппирована в четыре класса ( рис. 19.5 ). Каждая из тройных спиралеобразных структур обозначается римской цифрой (I, II, III и т. д.). Каждая коллагеновая субъединица имеет обозначение как субъединица альфа, а ее типу присвоен номер (альфа1, альфа2, альфаЗ и т. д.), после которого римской цифрой обозначен тип, в котором она находится. Например, основной фибриллярный коллаген хвоста (и других тканей) крыс относится к типу I и состоит из двух копий субъединиц альфа1(I) и одной копии субъединицы альфа2 (I).
На рис. 19.6 представлена структура коллагеновых волокон. Три полипептидные субъединицы параллельно закручены вокруг друг друга и образуют суперспирализованную спиральную структуру длиной 300 нм. Для коллагенов характерна повторяющаяся последовательность аминокислот, содержащая элемент глицин -X-Y, где X и Y могут представлять собой любую аминокислоту, но обычно это пролин и гидроксипролин соответственно. Такая последовательность способствует плотной упаковке трех субъединиц и облегчает образование суперспиральной структуры. Субъединицы длиной 300 нм скрепляются вместе посредством ковалентных связей, которые образуются между N-концевым участком одной субъединицы и С-концевым участком примыкающей к ней. Суперспирализованные спиральные структуры располагаются параллельно, образуя между собой небольшие зазоры (64-67 нм). Эти зазоры обеспечивают характерный вид (исчерченность) фибрилл, видимый в электронном микроскопе.
Полностью собранные коллагеновые структуры (фибриллярные или сетчатые) по размерам оказываются гораздо больше, чем сами клетки; некоторые фибриллы могут достигать нескольких миллиметров длины. Таким образом, субъединицы коллагена синтезируются и секретируются в виде суперспирализованных спиральных структур, и окончательные этапы их сборки происходят вне клетки. Как показано на рис. 19.7 , синтез коллагена и дальнейший его процессинг происходят на протяжении всего секреторного пути. При синтезе коллагеновые белки направляются в гранулярный эндоплазматический ретикулум (ЭПР) при участии частиц, распознающих сигнал и связанного с ними белкового аппарата (подробнее о транслокации белков в ЭПР см. Мембранное адресование белков ). Коллагеновые субъединицы синтезируются в виде крайне длинных полипептидов, которые называются проколлагены и содержат пропептиды, представляющие собой "хвосты", расположенные на амино- и карбоксильном концах.
После того как проколлагены попали в просвет ЭПР, на них начинает действовать несколько шаперонов и ферментов, в результате чего проколлагены приобретают тройную суперспирализованную структуру. Формирование такой структуры начинается с С-конца трех полипептидов проколлагена и распространяется на N-концевой участок. Для успешной сборки суперспирали необходимы шесть типов посттрансляционных модификаций. Во-первых, C-пептиды стабилизируются за счет образования межцепочечных дисульфидных связей . Во-вторых, фермент пептидилпролилцистрансизомераза переводит пептидные связи, образованные в полипептиде аминокислотой пролином , из цис- в транс-конфигурацию. При этом двойная конфигурация полипептидов, необходимая для сборки суперспирали, сохраняется ( рис. 19.7 ).
В-третьих, фермент пролил-4-гидроксилаза добавляет гидроксильные группы к гамма-углеродному атому боковых цепей пролина , что стабилизирует тройную спираль за счет образования водородных связей с близлежащими молекулами воды. В четвертых, при действии ферментов из группы лизилгидроксилаз к боковым цепям лизина добавляются гидроксильные группы. В-пятых, к гидроксильным группам некоторых из этих оксилизиновых остатков добаваляются остатки глюкозы или галактозы . Наконец, некоторые коллагены подвергаются N-гликозилированию. Перед выходом цепей проколлагена из ЭПР все модификации должны завершиться; молекулы проколлагена, которые неправильно собрались в тройные спирали, подвергаются деградации. Транспорт тройных спиралей коллагена из ЭПР в аппарат Гольджи представляет проблему для клетки. Обычно процессы транспорта между ЭПР и аппаратом Гольджи осуществляется посредством небольших (60-80 нм) окаймленных везикул , однако тройные спирали большинсва коллагенов в длину составляют примерно 300 нм и, таким образом, не помещаются в эти везикулы. Эта проблема решается за счет сборки особого внутриклеточного компартмента, связанного с мембраной, который называется везикуло-тубулярным кластером , и способен транспортировать такие длинные молекулы. В электоронном микроскопе это кластер выглядит как крупные агрегаты, состоящие из небольших окаймленных везикул, которые непосредственно примыкают к мембранам ЭПР. Однако механизм образования кластеров не совсем понятен. Возможно, что ЭПР каким-то образом напрявляет большие молекулы именно в везикуло-тубулярные кластеры с тем, чтобы не нарушать транспортные процессы, происходящие с участием небольших окаймленных везикул. При попадании в аппарат Гольджи некоторые коллагеновые цепи подвергаются O-гликозилированию, а N- и O-связанные сахара модифицируются присутствующими там ферментами.
Благодаря последним достижениям методов микроскопии удалось показать, что сборка фибрилл коллагена начинается внутри клетки, а не с внешней стороны плазматическойя мембраны, как это предполагалось раньше. Подобно везикуло-тубулярным кластерам, которые транспортируют коллаген в аппарат Гольджи, из транс-Гольджи сети формируются мембрано связанные компартменты, которые называются фибрипозиторами . Они группируются в кластеры на плазматической мембране или поблизости от нее. В этих местах начинается формирование фибрилл коллагена. Одним из начальных шагов этого процесса является удаление N- и C-концевых пропептидов, в результате чего остаются только центральные тройные спирализованные стержнеобразные структуры. Пропептиды предотвращают взаимодействие суперспирализованных структур друг с другом, тем самым препятствуя полимеризации коллагеновых волокон внутри ЭПР и аппарата Гольджи. N- и C-концевые пропептиды расщепляются ADAMTS ( дезинтегрин и металлопротеиназа , содержащая мотив тромбоспондина-1 ), и толлоид-протеиназой соответственно. В свою очередь, обе эти протеазы активируются третьей протеиназой, фурином , которая в активной форме находится в транс-Гольджи сети. Образующийся белок, известный под названием тропоколлагена , почти весь организован в тройную спираль и представляет собой основную структурную единицу коллагеновой фибриллы. Освободившись от пропептидов, тропоколлагены начинают спонтанно образовывать агрегаты в фибрипозиторах. В какой-то точно неизвестный момент времени фибрипозиторы сливаются с плазматической мембраной, и растущие тропоколлагеновые агрегаты выходят во внеклеточное пространство.
Фибриллы собираются просто: боковые цепи лизина в тропоколлагене модифицируются при действии фермента лизилоксидазы , образуя аллизины . Эти модифицированные лизины образуют ковалентные сшивки, которые обеспечивают полимеризацию тропоколлагенов ( рис. 19.8 ). Лизилоксидаза представляет собой внеклеточный фермент, и эта стадия сборки фибрилл происходит только после выхода проколлагена из клетки. После сборки фибриллы могут объединяться, образуя большие пучки или волокна, характерные для фибриллярного коллагена ( рис. 19.7 ). Интересно, что для сборки коллагеновых фибрил в зрелые волокна in vitro необходим еще один белок, фибронектин . Для роста коллагеновых волокон in vivo необходимо также присутствие некоторых протеогликанов . Пока неизвестно, каким образом фибронектин и протеогликаны способствуют росту волокон, и существует ли такая же зависимость от фибронектина при сборке волокон коллагена in vivo.
Принимая во внимание всю важность коллагена в обеспечении структурной поддержки тканей, можно представить, какие тяжелые последствия для организма будет иметь нарушение процесса сборки фибрилл. Даже дефицит витамина C , существенного кофактора пролингидроксилазы , препятствует сбоке коллагена и приводит к заболеванию цингой . Мутации в генах, кодирующих синтез коллагенов или ферментов, модифицирующих проколлаген, вызывают развитие множества генетических заболеваний, затрагивающих практически все ткани. Например, коллаген типа I представляет собой основной структурный белок костной ткани. Мутации в коллагеновых генах этого типа служат причиной незавершения остеогенеза , развития " болезни хрупких костей ". Мутации в коллагеновом гене типа IV приводят к нарушению сборки базальной ламины в большинстве эпителиальных тканей и к развитию такого кожного заболевания, как буллезный эпидермоз .
Клетки связываются с коллагеном посредством специфических рецепторов, называемых интегринами . Эти рецепторы обеспечивают возможность обратимого связывания клеток с коллагенами по мере их движения по внеклеточному матриксу. Интегриновые рецепторы также активируют пути передачи сигналов, так что связывание с коллагенами (и с другими белками внеклеточного матрикса) изменяет активность в клетке биохимических процессов и, таким образом, способствует контролю над ростом и дифференцировкой клеток.
Смотрите также:
