БІОХІМІЯ М’ЯЗІВ, М’ЯЗОВОГО СКОРОЧЕННЯ

БІОХІМІЯ М’ЯЗІВ, М’ЯЗОВОГО СКОРОЧЕННЯ.  БІОХІМІЯ СПОЛУЧНОЇ ТКАНИНИ.

 

БІОХІМІЯ М’ЯЗІВ

 

На м’язи припадає 40-45 % маси nтіла. Для медицини вичення біохімії м’язів відкриває можливості для пояснення nмолекулярних механізмів хвороб, що уражають м’язи (м’язові дистрофії, зміни при nгіподинаміях), а також допомагає розробляти ефективні методи лікування та nтренування спортсменів.

За своїми властивостями м’язи характеризуються великою еластичністю, nпластичністю та скоротливістю. Це єдина унікальна природна система, наділена nздатністю перетворювати безпосередньо хімічну енергію в механічну з високим nкоефіцієнтом корисної дії. Морфологічно м’язи у хребетних тварин поділяють на nпоперечно­смугасті, або скелетні, та гладенькі. Перші під мікроскопом мають ви­гляд nдовгих волокон, в яких регулярно чергуються світлі й темні смуги. Другі nскладаються з коротких волокон, що не містять смуг.

Структурною одиницею м’язової nтканини є м’язове волокно (міоцит), яке утворилося в результаті злиття багатьох nембріональних м’язових клітин. Саме nтому кожне м’язове волокно містить багато ядер, що розташовані по краях по всій nдовжині.

Поперечносмугасті м’язи nскорочуються лише на 1/3 від вихідної величини, тоді як гладенькі м’язи, nскорочуючись, можуть зменшувати свій поздовжній розмір навіть у декілька разів, nнаприклад, м’яз матки під час пологів. Відповідно гладенькі м’язи скорочуються nповільніше – через де­кілька секунд, поперечносмугасті – через кілька nмілісекунд. Під час скорочення nскелетні м’язи можуть виконувати роботу, вкорочуючись при цьому на певну nвідстань. Таке скорочення називають ізотонічним. М’язи, які не можуть nукорочуватись під час скорочення (не можуть виконувати фізичної роботи), розвивають nтільки напруженість. Про такі м’язи говорять, що вони скорочуються за nізометричним принципом. Прикладом такого скорочення може бути зміна nнапруженості коротких міжхребцевих м’язів при піднятті вантажів. Для всіх видів nскорочення м’язів характерним є виділення певної кількості теплової енергії, nспричиненої структурними перебудовами в міоцитах. Функції і властивості м’язів nзумовлені їх хімічною структурою.

М’язова тканина тварин і людини містить від 73 до 78 % води. Приблизно n22-27 % від маси м’яза припадає на частку сухого залишку, переважно білків. nКрім білків, у м’язах знаходяться глікоген та інші вуглеводи, різні ліпіди, nекстрактивні речовини та мінеральні солі.

В м’язах розрізняють 3 види білків: білки саркоплазми, білки міофібрил nі білки строми.

Білки міофібрил. До складу міофібрил входять такі білки: nміозин (56-60 %), актин (20‑25 %), тропоміозин (10-15 %) і тропоніновий nкомплекс (4-6 %).

Білки строми в поперечносмугастих nм’язах представлені переважно колагеном, нейрокератином, еластином тощо. Ці nбілки входять до складу сполучнотканинних елементів стінок судин, нервів та nсарколеми.

Ліпіди. У м’язах знаходяться нейтральні жири, nстериди, ­фосфоліпіди. Нейтральні жири входять у простір між структурами nм’язових волокон і відіграють роль резервного жиру. Їх вміст дуже непостійний.

Холестерин і фосфоліпіди є обов’язковими складовими компонентами всіх nм’язів і входять до складу клітинних мембран. Вміст фосфоліпідів і холестерину nв м’язах збільшується під час тренування.

Екстрактивні речовини м’язів. Скелетні м’язи містять ряд важливих екстрактивних речовин: нуклеотиди n(АТФ, АДФ, АМФ, ТТФ, УТФ, ЦТФ, інозинмонофосфат), креатинфосфат, креатинін, nкарнозин, ансерин, карнітин тощо.

 Серед них креатин та nкреатинфосфат мають пряме відношення до скорочення м’язів. В їх синтезі беруть nучасть 3 амінокислоти: аргінін, гліцин, метіонін. Утворення їх починається в nнирках, а завершується в печінці і м’язах. Карнозин і ансерин – це імідазольні nдипептиди, які підвищуть ефективність роботи іонних насосів м’язової тканини, nсприяють збільшенню амплітуди м’язового скорочення, проявляють виражену nантиоксидну дію.

З амінокислот у м’язах найбільше глутамінової кислоти та глутаміну.

Безазотні екстрактивні речовини м’язів представлені переважно nвуглеводами та продуктами їх обміну. Найбільше в м’язах глікогену. У людини nвміст глікогену в м’язах знаходиться в межах 0,4-0,8 %, але під впливом nтренування він може збільшуватися до 1,5-3 %. Втомлені м’язи містять незначну nкількість глікогену.

Під час роботи глікоген м’язів розпадається на глюкозу, тріозофосфорні nефіри та інші проміжні продукти гліколізу, в тому числі молочну кислоту.

Мінеральні речовини. Загальний вміст мінеральних речовин в м’язах на сиру масу становить n1,0-1,5 %. Із катіонів у м’язах переважають К⁺, Nа⁺, Са²⁺, nМg²⁺, є також мідь, марганець, цинк; з аніонів – най­більше фосфатів nта сульфатів. За рахунок іонів у м’язах підтримуються сталість рН і осмотична nрівновага та здійснюється специфічний вплив на їх збудливість та скоротливість. nЗниження концентрації ­солей у м’язах призводить до зменшення їх збудливості.

 

Будова філаментів і міофібрил

 

Саркоплазма поперечносмугастих м’язових волокон містить поздовжньо nорієнтовані міофібрили, побудовані з білкових філаментів (ниток) 2‑х типів  –  nтовстих і тонких. Скорочення м’язових волокон здійснюється саме за nрахунок ковзання товстих і тонких ниток назустріч одні одним. Їх довжина при nцьому залишається незмінною. Хімічну енергію для такого ковзання ниток постачає nпроцес гідролізу АТФ до АДФ і фосфату.

Скорочення і розслаблення м’язових волокон регулюються концентрацією nіонів Са²⁺ у саркоплазмі. Таким чином, скоротлива система м’язів nзабезпечує перетворення хімічної енергії в механічну.

Товсті філаменти складаються з довгих паличкоподібних молекул білка nміозину.

Кожна молекула побудована з 2-х важких (молекулярна маса – 200 000 Dа) і 4-х легких (молекулярна маса – n16000-25000 Dа) nполіпептидних ланцюгів. Важкі ланцюги на більшій частині довжини мають nспіральну структуру і закручені один навколо одного, утворюючи довгий стержень n(“хвіст” молекули).

Кінець важкого ланцюга утворює разом із 2-ма легкими ­ланцюгами nглобулярну голівку молекули. Таким чином, кожна молекула міозину має довгий nхвіст і подвійну голівку. Довжина молекули – 150 нм, ­товщина – приблизно n2 нм. Молекула міозину може згинатись на певній ділянці так, що голівка і nчастина хвоста повертаються, як на шарнірі. Міозин має власти­вість ферменту nАТФази. Ак­тивний каталітичний центр локалізований у голівках молекули і nмістить у зв’язаному стані молекулу АТФ.

Приблизно 400 палочкоподібних мо­ле­кул міозину об’єднуються в товстий nфіламент.

Молекули розміщені паралельно, причому половина з них звернена nголівками до одного кінця філамента, а друга половина – до іншого. По довжині nфіламента молекули дещо зсунуті одна відносно одної, їхні голівки розташовані nпо спіралі й утворюють виступи на поверхні ниток. Голівки від­сутні в nсерединній частині філамента. Довжина товстих міозинових філаментів – приблизно n1,5 мкм, діаметр – 10-14 нм.

До складу тонких філаментів входять білки актин, тропоміозин і nтропонін.

Відомі дві форми актину: nглобулярний G-актин і nфібрилярний ­F‑актин. Молекули глобулярного актину n(молекулярна маса – 42000 Dа, діаметр – приблизно 5 нм) нековалентно nз’єднуються, утворюючи ­F­­‑актин. Два ланцюги F-актину закручені один nнавколо одного в спіраль.

Кожна молекула G-актину має центр зв’язування, який у стані спокою nзаблокований. У поздовжньому жолобку спіра­лі F-актину розміщена паличкоподібна nмолекула білка тропоміозину. З однією молекулою тропоміозину завдовжки nприблизно 41 нм контактують 7 пар глобулярного актину. Крім того, така nструктура включає 1 молекулу глобулярного білка тропоніну, який складається із n3‑х субодиниць (С, І, Т). Ці структури об’єднуються кінець до кінця в nтонкі філаменти завдовжки 1 мкм. Тропонін і тропоміозин – регуляторні білки, за nдопомогою яких запускається і виключається утворення поперечних містків між nактином і міозином.

Міофібрили містять приблизно 2500 філаментів. Товсті й тонкі філаменти nрозміщені в міофібрилах упорядкованим чином. На 1 товсту міозинову нитку nприпадає 2 тонких (при поздовжньому розрізі). На поперечному розрізі тонкі nфіламенти утворюють шестикутник, у центрі якого розташований товстий філамент. nУ саркомері, структурній одиниці міо­фібрили, товсті міозинові нитки розміщені nв смузі А, їх обидва кінці вільні, а тонкі нитки – у І-смузі й одним кінцем nприкріплені до Z‑пластинок.

 

Молекулярні механізми nскорочення м’язового волокна

 

Скорочення м’яза ініціюється потенціалом дії, який поширюється від nнейром’язового синапсу в обох напрямках вздовж м’язового ­волокна. ­Через nсистему Т-тру­бочок нервовий сигнал передається на цистерни саркоплазматичної nсітки і спричиняє зміни проникності мембран для іонів Са²⁺ і вихід nїх у саркоплазму. У стані спокою концентрація Са²⁺ у сарко­плаз­мі nстановить менше як 10^-7 моль/л. Вна­слідок виходу іонів Са²⁺ nіз цистерн концентрація їх у саркоплазмі швидко досягає 10^-5 моль/л, nтобто зростає в сот­ні раз. Іони Са²⁺ при­єднуються до nкальційзв’язувальної субодиниці тропоніну тонких філаментів, що зумовлює зміну nконформації білка. Це, у свою чергу, спричиняє перемі­щення молекули тро­поміозину nпо жолобку тонкого філамента, в результаті чого на молекулах глобулярного nактину в складі F-актину відкриваються центри зв’язування з голівками міозину nтовстих ниток.

Міозинові голівки із зв’язаними в АТФазному центрі молекулами АТФ nприєднуються до найближчих молекул G-актину тонких ниток. Утворюються поперечні nмістки. Внаслідок взаємодії актину і міозину ­АТФазний центр міозинових голівок nактивується, гідролізує АТФ до АДФ і Фн, які вивільняються з каталітичного nцентру. Це супроводжується зміною конформації міозину, згинанням голівки nмолекули в ділянці шарніру. ­Оскільки міозинова голівка зв’язана з молекулою nактину, її рух протягує тонкий філамент вздовж міозинового. Зв’язування в nАТФазному центрі голівки міозину нової молекули АТФ викликає розрив поперечних nмістків і відновлення вихідної конформації молекули міозину. Зв’язування nголівки з наступною молекулою актину тонких ниток починає новий цикл. Амплітуда nкожного такого переміщення становить близько 11 нм, а частота – приблизно 50 nразів на секунду. Одночасна, але не синхронна робота великої кількості nміозинових голівок зумовлює за рахунок енергії гідро­лізу АТФ ковзання тонких і nтовстих ниток назустріч одні одним і як результат цього – скорочення м’язового nволокна.

Коли на волокно перестають nнадходити нервові імпульси, вихід Са²⁺ із цистерн припиняється, а nАТФаза мембран саркоплазматичної сітки, що функціонує як кальцієва помпа, nпереносить іони Са²⁺ за рахунок енергії АТФ (проти градієнта nконцентрації) із саркоплазми назад у цистерни.

Вміст цієї Са²⁺, Мg²⁺-АТФази в мембрані nретикулума становить 95 % усіх білків мембрани. При зниженні концентрації Са²⁺ nу сарко­плазмі до 10^‑7 моль/л комплекс Са²⁺-тропонін nдисоціює, тропоміозин зсувається по жолобку тонкого філамента на вихід­не nмісце, блокуючи центри зв’язування на молекулах актину голівок міозину. Всі nпоперечні містки розриваються, і волокно розслаблюється. Таким чином, АТФ nнеобхідний і для скорочення м’язів, і для їх розслаблення. При недостачі АТФ nмістки між актином і міозином не розриваються і філаменти фіксуються в nз’єднаному положенні (контрактура м’яза). Цим пояснюється трупне окоченіння nпісля смерті.

 

Скорочення гладеньких м’язів

 

Клітини гладеньких м’язів (міоцити) містять тонкі актинові й товсті nміозинові філаменти, але вони не утворюють упорядкованих міофібрил, як у nпоперечносмугастій м’язовій тканині. Тонкі філаменти містять тропоміозин, але в nних немає тропоніну. Для скорочення гладеньких м’язів необхідним є підвищення nконцентрації іонів Са²⁺ у цитоплазмі міоцитів. Це досягається nнадходженням позаклітинного Са²⁺ через потенціалзалежні Са²⁺-канали. nПри концентрації 10^-5 моль/л іони Са²⁺ зв’язуються з nбілком кальмодуліном і їх комплекс активує фермент кіназу міозину. Остання каталізує nреакцію фосфорилювання легких ланцюгів міозину, після чого відбувається nвзаємодія голівок міозину з актиновими нитками, в результаті скорочуються nміоцити. Швидкість скорочення гладенької м’язової тканини в 100-1000 разів nменша, ніж у поперечносмугастих м’язах, що зумовлено повільним включенням nмеханізму взаємодії міозину з актином. При зниженні концентрації Са²⁺ nв міоцитах комплекс Са²⁺-кальмодулінкіназа дисоціює, а від міозину nвідщеплюються фосфорні залишки під дією фосфатази. Активність кінази міозину nзменшується при включенні аденілатциклазної системи.

 

Джерела енергії м’язової роботи

 

Джерелом енергії для скорочення і розслаблення м’язів усіх типів є АТФ. nУ стані спокою м’язи містять близько 5 мкмоль АТФ на 1 г тканини й у 3-8 разів nбільше іншої високоенергетичної сполуки – креатинфосфату. Останній утворюється nз АТФ і креатину за реакцією, яку каталізує креатинкіназа:

Реакція зворотна: коли наявний у nм’язах АТФ використовують для роботи, креатинфосфат під дією креатинкінази nшвидко передає фосфатну групу на АДФ, завдяки чому відновлюється вихідний nрівень АТФ. ­Утворення АТФ із nкреатинфосфату і АДФ – це найшвидший шлях генерації АТФ в умовах скорочення nм’язів. Крім м’язової тканини, креатинфосфат синтезується тільки в нервовій, nале в значно меншій кількості.

Таким чином, м’язи, порівняно з іншими тканинами, запасають більший nрівень макроергічних сполук, що має значення для дуже швидкого переходу nскелетних м’язів від стану спокою до максимальної активності, коли потреба в nАТФ зростає у 20-200 разів. Але запасу АТФ і креатинфосфату вистачає тільки на n6-10 с інтенсивної роботи скелетних м’язів. Ресинтез АТФ у м’язах, які nпрацюють, забезпечується, залеж­но від умов, окисним або субстратним nфосфорилюванням.

М’язові волокна поділяють на червоні, білі та проміжні. М’язи людини nздебільшого містять усі 3 типи волокон, але в різних співвідношеннях.

 Саркоплазма червоних волокон nмістить багато міоглобіну та численні мітохондрії. Саме міоглобін забарвлює nм’язові волокна в червоний колір. Цей гемовмісний білок має значно вищу nспорідненість із киснем, ніж гемо­глобін, а крива насичення киснем міоглобіну – nгіперболічної форми. Тому міоглобін приймає кисень від оксигемоглобіну і nзберігає у  зв’язаному вигляді. У процесі nскорочення м’яза, коли потреба в кисні зростає і внутрішньоклітинний nпарціальний тиск кисню падає, О₂ дисоціює з комплексу з міоглобіном nі використовується для тканинного дихання в мітохондріях. Білі волокна містять nменше міоглобіну та мітохондрій, але більше глікогену і гліколітичних nферментів. Тому для червоних волокон характерне аеробне окиснення субстратів, а nдля білих – анаеробний розпад глікогену і глюкози. Крім того, в білих волокнах nбільша АТФазна активність міозину. М’язи, в яких переважають червоні волокна, nскорочуються повільніше, але довго і без ознак втоми. М’язи, що складаються nздебільшого з білих волокон, швидко переходять від стану спокою до максимальної nактивності, скорочуються значно швидше, але раніше втомлюються, оскільки nвичерпуються запаси глікогену, а глюкоза з крові надходить повільно.

Енергетичний обмін у серцевому nм’язі

Скоротливі клітини серцевого м’яза (міокарда) містять усі структури, nхарактерні для волокон поперечносмугастого скелетного м’яза: ядра, міофібрили, nпобудовані з актинових і міозинових філаментів, мітохондрії, саркоплазматичну nсітку. Але, порівняно зі скелетними м’язовими волокнами, міофібрил менше, а nмітохондрій значно більше. Останні становлять близько 40 % сухої маси серця. nДля роботи серцевого м’яза характерне постійне ритмічне чергування процесів nскорочення і розслаблення. Необхідний АТФ утворюється майже повністю за рахунок nокисного фосфорилювання, тобто аеробним шляхом. У стані спокою серце споживає nза 1 хв 8‑10 мл О₂ на 100 г тканини, що приблизно в n15 разів більше від споживання кисню іншими тканинами.

Субстратами окиснення в міокарді є nшироке коло сполук: вищі жирні кислоти, глюкоза, кетонові тіла, молочна і nпіровиноградна ­кислоти, які постачаються кров’ю. Але головним субстратом є жирні nкислоти, особливо в стані спокою. На окиснення жирних кислот використовується n60‑70 % спожитого міокардом кисню. При фізичному навантаженні nвідносний внесок жирних кислот в енергетичний обмін міокарда знижується, але nабсолютне їх споживання навіть зростає. Під час навантаження збільшується nутилізація глюкози і молочної кислоти, яка надходить у венозну кров із nскелетних м’язів. Так, при інтенсивній фізичній роботі частка лактату в nенергетичному обміні міокарда може досягати 65-90 %. Відповідний напрямок nлактатдегідрогеназної реакції, тобто перехід молочної кислоти в піровиноградну, nзабезпечується наявним у серцевому м’язі ізоферментом ЛДГ₁, який nвикористовує як субстрат лактат. Потім піруват зазнає окиснювального nдекарбоксилювання в мітохондріях. Утилізуючи молочну кислоту, серце не тільки nотримує енергію, а й сприяє підтриманню постій­ної величини рН крові. Серцевий nі скелетні м’язи містять ферменти окиснення ацетоацетату і бета-гідроксибутирату (кетонових тіл), nчастка яких у продукції енергії становить до 5 %.

Креатинфосфат у серцевому м’язі відіграє подвійну роль: енергетичного nрезерву і переносить енергію з мітохондрій до міофібрил. Синте­зований шляхом nокисного фосфорилювання в мітохондріях АТФ переноситься транслоказою через nвнутрішню мембрану мітохондрій і під дією креатинкінази, яка зв’язана з nвнутрішньою стороною зовнішньої мембрани, передає макроергічний фосфатний nзалишок креатину з утво­ренням креатинфосфату. Останній дифундує в цитоплазму nдо міофібрил, де розчинна форма креатинкінази каталізує взаємодію nкреатинфосфату з АДФ, утвореним при скороченні.

 

Біохімічні зміни при інфаркті міокарда

Зменшене постачання міокарда кров’ю (ішемія) зумовлює порушення в ньому nобміну речовин. Оскільки запаси кисню в міокарді вкрай низькі (міо­глобін nзв’язує приблизно 0,5 мл О₂ на 100 г м’язової тканини), при ішемії дуже швидко nрозвивається гіпоксія і припиняється продукування АТФ шляхом окисного nфосфорилювання. Вміст креатинфосфату і АТФ в ураженій ділянці міокарда швидко nзменшується. У початковій стадії ішемії внаслідок дії адреналіну і nнорадреналіну стимулюється через систему “аденілатциклаза-цАМФ” утворення nактивної форми фосфорилази. Зниження концентрації АТФ і підвищення АМФ nактивують ключовий фермент гліколізу – фосфофруктокіназу. У результаті глікоген nінтенсивно розщеплюється до молочної кислоти. Таким чином, при гіпоксії в nміокарді замість використання лактату відбувається його утворення. Деякий час nпотреба міокарда в АТФ частково покривається за рахунок гліколізу, але nзбільшення вмісту лактату стимулює розвиток ацидозу, що гальмує активність nфосфофруктокінази. У результаті розпад глікогену і гліколітичне утворення АТФ nпоступово припиняються.

Нестача АТФ і закислення середовища зумовлюють порушення ­перенесення nіонів через мембрани: в клітини надходять іони Nа⁺, Сl^–, nвиходять іони К⁺. У ранній фазі ішемії зменшується кількість іонів nСа²⁺, які надходять у клітини через потенціалзалежні кальцієві nканали. Вна­слідок ацидозу іони Са²⁺ звільняються з комплексів з nтропоніном, гальмується АТФазна активність міозину, актоміозин дисоціює. Усе це nзумовлює зниження скоротливості міокарда. При тривалій ішемії пошкодження nмембрани саркоплазматичного ретикулума і плазматичної мембрани викликає nнадходження Са²⁺ в цитоплазму за градієнтом концентрації. Зростання nвмісту в клітині Nа⁺ і Са²⁺ (іонів з високою nгідрофільністю), а також лактату, пірувату, продуктів розпаду АТФ і nкреатинфосфату зумовлює надходження в клітини міокарда рідини, набухання клітин nі клітинних органел. Зростає інтенсивність перекисного окиснення ліпідів nмембран, їх проникність, ферменти виходять із клітин у кров. Тривала ішемія nпризводить до незворотних ушкоджень міокарда.

Для діагностики інфаркту міокарда nвикористовують визначення у плазмі крові креатинкінази, nаспартатамінотрансферази, ізоферментів лактатдегідрогенази (ЛДГ₁ і nЛДГ₂), які виділяються в кров із міокардіоцитів. Специфічним критерієм є визначення nМВ-ізоферменту креатин­кінази, рівень якого досягає максимального через 6 год nпісля ­інфаркту.

Але підвищений рівень МВ-креатинкінази зберігається недовго (приблизно n12 год). Пізніше і в значно більшій кількості звільняється ізофермент nММ-креатинкіназа, спільний для скелетних і серцевого м’язів. Сумарна nкреатинкіназна активність плазми крові досягає максимального рівня через 24-48 nгод і утримується 3-5 днів. У 10-100 разів, порівняно з нормою, зростає при nінфаркті міокарда активність АcAТ, причому максимальний рівень досягається nчерез 1-2 дні й утримується 4-6 днів. Вміст ЛДГ₁ досягає nмаксимального через 2-3 дні після інфаркту і зберігається підвищеним 7-12 днів.

ЛДГ₁ каталізує також реакцію, в якій як субстрат бере участь nне тіль­­ки молочна, але і бета-оксимасляна кислота. Тому в деяких лабораторіях вимірюють активність nоксибутиратдегідрогенази (ОБДГ) як показника ЛДГ₁.

Біохімічні nзміни при м’язових дистрофіях

Характерною ознакою м’язових дистрофій є порушення метаболізму креатину, nщо проявляється утворенням меншої кількості креатинфосфату і виділенням із сечею nвеликої кількості креатину. В організмі людини щоденно синтезується 1-2 г креатину, з яких тільки nнезначна кількість (до 150 мг) виводиться із сечею в незмінному вигляді, а nбільшість – у формі креатиніну. Останній утворюється неферментативним nдефосфорилюванням креатинфосфату.

Добова кількість креатиніну в сечі здорових людей залежить від маси nм’язів і становить для чоловіків 18-32 мг на 1 кг маси тіла, для жінок – 10‑25 мг. nУ кожного індивідуума ця величина досить постійна. Креатинін не абсорбується в nниркових канальцях, тому вміст креатиніну в сечі віддзеркалює фільтраційну nздатність нирок. При порушенні цієї функції нирок (хронічний нефрит) nзбільшується вміст креатиніну в крові, що вказує на ниркову недостатність. При nм’язових дистрофіях утворення і виведення креатиніну знижуються, а зростає nкількість у сечі креатину. При зменшенні маси м’язів внаслідок голодування, nдіабету, гіповітамінозу Е, променевої хвороби, гіпертиреозу також зростає nкількість креатину, що виводиться із сечею, і зменшується – креатиніну. nЗазначимо, що креатин виділяється із сечею в дітей раннього віку та в жінок під nчас вагітності і після пологів.

Діагностичною ознакою м’язових дистрофій є також зростання ­активності nв плазмі крові характерних для м’язів ферментів – креатинкі­на­зи й nамінотрансфераз. Активність креатинкінази в ранній стадії ­хвороби може nперевищувати норму в 10 разів і більше. Пізніше, коли значна час­тина м’язової nтканини зазнає патологічних змін, рівень креатинкі­нази знижується, іноді до nнорми.

 

КОЛАГЕН, nЕЛАСТИН І ПРОТЕОГЛІКАНИ СПОЛУЧНОЇ ТКАНИНИ

Загальна nхарактеристика

Сполучна тканина надзвичайно поширена в організмі. Вона є у всіх nорганах і служить основою для їх утворення та виправлення пошко­джень. До nсполучнотканинних утворень відносять шкіру, підшкірну жирову тканину, кістки, nзуби, фасції, строму паренхіматозних внутрішніх органів, нейроглію, стінки nвеликих кровоносних судин тощо.

Усі різновиди сполучної тканини nмістять клітини, волокнисті структури і основну міжклітинну речовину.

Волокна побудовані із фібрилярних nбілків колагену і еластину, а вуглеводно-білкові комплекси, протеоглі­кани, nутворюють основну міжклітинну речовину. Вуглеводними компонентами nпротеогліканів є гетерополісахариди глікозаміноглікани (стара назва nмукополісахариди). Основні низькомолекулярні компоненти сполучної тканини – nвода й іони натрію. Вміст nволокнистих структур, основної речовини й води неоднаковий у різних видах nсполучної тканини. В середньому частка основної міжклітинної речовини в nорганізмі складає 20 % маси тіла, а вся сполучна тканина – близько 50 % nмаси тіла. З віком у сполучній тканині зменшується вміст води і глікозаміно­гліканів, nа зростає вміст колагену; одно­час­но змінюються фі­зико-хімічні властивості ­волокон.

Макромолекули, із яких побудовані волокнисті структури, і основна nречовина сполучної тканини, синтезуєються в клітинах (фіб­робластах, nхондробластах тощо). Після виходу із клітин в міжклітинний простір окремі nмакромолекули внаслі­док міжмолекулярної взаємодії утворюють складніші nструктури (комплекси про­теогліканів, волокна, агрегати протео­гліканів, nглікопротеїнів і волокнистих елементів). Розпад макромолекул відбувається під nдією ферментів лізосом (протеїназ, глікозидаз, сульфатаз). Швидкість оновлення nдля глікозаміногліканів складає декілька днів чи тижнів, а для колагену – nдекілька місяців.

В основі ряду спадкових захворювань (мукополісахаридозів) лежить nвідсутність чи недостатня активність різних ферментів, які розщеплюють окремі nглікозаміноглікани; останні накопичуються в сполучній тканині. Інші спадкові nхвороби, досить рідкісні, зумовлені порушеннями утворення колагенових волокон, nдефектами в їх структурі (синдром Марфана, Елерса-Данлоса, незавершений nостеогенез). При недостатності в організмі вітаміну С також порушується nформування колагенових волокон, проявляються клінічні симптоми цинги. Та значно nпоширенішими є системні хвороби сполучної тканини (колагенози), які nрозвиваються внаслідок ­автоімунних порушень і характеризуються пошкодженнями nяк волокнис­тих структур, так і основної міжклітинної речовини, клітин і nмікроцир­куляторного русла.

Структура колагену

Фібрилярний білок колаген – найпоширеніший білок в організмі людини. nМолекула колагену (іноді її називають тропоколагеном) має довжину близь­ко 300 nнм, товщину – 1,5 нм, молекулярну масу приблизно 300 000 дальтон, вона nпобудована з трьох поліпептидних лан­цюгів, що мають форму лівозакрученої nспіралі з трьома амінокислотними залишками на один виток, тобто відрізняється nвід альфа‑спіралі nглобулярних білків. Кожний ланцюг містить приблизно 1000 амінокислотних nзалишків, з яких 33 % становить nгліцин, близько 21 % – пролін і nоксипролін, 11 % – аланін і тільки nприблизно 35 % – усі інші nамінокислоти. Послідовність амінокислот у ланцюзі досить регулярно nповторюється: майже у кожному 3-му положенні знаходиться залишок гліцину, часто nзустрічаються трипептидні фрагменти – гліцин-Х-пролін, гліцин-Х-оксипролін, nгліцин-пролін-окси­пролін, де Х – інші амінокислоти. Оксипролін, за винятком колагену і nеластину, дуже рідко зустрічається в інших білках. Колаген містить ще одну nрідкісну амінокислоту – оксилізин.

Колаген – складний білок, nглікопротеїн, в якому до частини залишків оксилізину поліпептидного ланцюга n0-глікозидним зв’язком приєднуються вуглеводи – моносахарид галактоза або nдисахарид галактозилглюкоза.

Надзвичайно високий вміст у nколагені гліцину – амінокислоти, в якій відсутня R-група, й імінокислот (проліну та оксипроліну), nякі утворюють вигини в поліпептидних ланцюгах, що зумовлює унікальну структуру nмолекули колагену – триланцюгову спіраль. Між ланцюгами за рахунок СО- і NН-груп пептидних зв’язків, а також nОН-групи оксипроліну, виникають водневі зв’язки, які стабілізують спіраль. Молекули колагену (тропоколагену) nрозташовуються регулярним чином у поздовжньому і поперечному напрямках і nутворюють фібрили, з яких послідовно формуються пучки фібрил, волокна і пучки nволокон. Молекули в паралельних ланцюжках фібрили зміщені одна відносно одної nприблизно на 1/4 довжини (64 нм). Цим зумовлюється характерна для колагенових nфібрил поперечна посмугованість з періодом повторюваності 64 нм.

У колагенових фібрилах утворюються поперечні ковалентні зшиви. Спосіб nїх виникнення такий. Спочатку мідьвмісний фермент лізил­оксидаза каталізує nреакцію окиснювального дезамінування залишків лізину й оксилізину з утворенням nальдегідних форм – аллізину і оксиаллізину. Останні взаємодіють між собою або з nіншими залишками лізину чи оксиаллізину, утворюючи поперечні зшиви декількох nтипів (рис.). Поперечні зв’язки зшивають як попіпептидні ланцюги у молекулі nтропоколагену, так і розміщені поряд у фібрилах молекули.

При рідкісній спадковій хворобі n(синдром Елерса-Данлоса, тип V) внаслідок nвідсутності чи зниженої активності лізилоксидази в колагенових фібрилах nзменшене число поперечних зв’язків і механічні властивості волокон погіршені.

Колагенові фібрили різними способами організовані у волокнах сполучної nтканини, залежно від їх біологічної функції.

 

Біосинтез колагену

Поліпептидні ланцюги молекул колагену синтезуються на рибосомах, nзв’язаних із мембранами ендоплазматичного ретикулума, в клітинах nфібробластичного ряду сполучної тканини. Спочатку синтезуються nвисокомолекулярні попередники (проколагени), які мають додаткові пептидні nпослідовності з обох кінців ланцюга. Амінокислотний склад цих ділянок n(пропептидів) відрізняється від складу основного ланцюга. Зокрема, вони містять nзалишки цистеїну. Одночасно з ростом поліпептидного ланцюга відбувається nреакція гідроксилювання деяких залишків проліну і лізину, яку каталізують, nвідповідно, пролін- і лізингідроксилаза. Для дії ферментів необхідні як nсубстрати молекулярний кисень і альфа-кетоглутарова кислота, а як кофактори – іон Fe²⁺ і nаскорбінова кислота. При недостатності в організмі вітаміну С гальмуються nгідроксилювання і утворення поперечних зв’язків, а в результаті погіршуються nмеханічні властивості колагенових волокон. Аналогічні зміни спостерігаються при nспадковому дефіциті лізингідроксилази (синдром Елерса-Данлоса, тип VІ).

Після гідроксилювання до частини залишків оксилізину і оксипроліну nприєднуються галактоза і глюкоза. Реакцію глікозилювання ката­лізують nвідповідні глікозилтрансферази в канальцях гранулярної ендо­плазматичної сітки, nкуди потрапляють поліпептидні ланцюги проколагену. Після гідроксилювання і nглікозилювання поліпептидні ланцюги формують триланцюгову спіраль, чому сприяє nутворення дисульфідних зв’язків між ланцюгами на С-кінцях. Проколаген nсекретується в складі міхурців із клітини в міжклітинний простір, де під дією nпротеолітичних ферментів (проколагенпептидаз) відщеплюються кінцеві пропептиди. nУтворені молекули тропоколагену формують фібрили, які прошиваються поперечними nковалентними зв’язками. В структурну організацію колагенових волокон вносять nвклад зв’язані з колагеном протеоглікани. Із кожним колагеновим мономером nзв’язується за рахунок електростатичної взаємодії від 2 до 5 полісахаридних nланцюгів. Протеоглікани, вірогідно, захищають колаген від дії колагеназ і nпротеаз.

Еластин

Білок еластин – основний складник еластичних волокон, яких багато у nзв’язках, стінках великих артерій, легенях. Його молекули містять приблизно 800 nамінокислотних залишків, мають глобулярну форму, діаметр – 2,8 нм. Вони nоб’єднуються у волокнисті тяжі за допомогою жорстких поперечних зшивок. У склад nволокон входять глікопротеїни, які впливають на просторову організацію молекул nеластину у волокнах.

Як і колаген, еластин містить багато гліцину і аланіну, трохи менше nпроліну, більше валіну; відсутні оксилізин, цистеїн. Поліпептидний ланцюг nскладається із багатих залишками глі­цину спіральних ділянок, розділених nкоротшими, які містять залишки лізину й аланіну. Са­ме залишки лізину беруть nучасть в утворенні поперечних ковалентних зв’язків. Для цього 3 залишки лізину nокиснюються ферментативним шляхом до альдегідів (аллізинів), а потім nконденсуються з четвертим залишком лізину: утворюються гетероциклічні сполуки, nякі називаються десмозином чи ізодесмозином.

 Ці нестандартні амінокислоти nвідкриваються у гідролізаті еластину. В утворенні десмозину і ізодесмозину nберуть участь залишки лізинів з 2, 3 чи 4 різних поліпептидних ланцюгів n(молекул еластину), зшиваючи їх у сіткову структуру, здатну зворотно nрозтягуватись у всіх напрямках у два і більше раз. Розтягнення забезпечується nзбільшенням довжини спіральних ділянок поліпептидних ланцюгів, яка при знятті nнавантаження повертається до вихідної величини. Еластинові волокна, хоч nнабагато слабші за колагенові, досить міцні на розрив завдяки ковалентному nхарактеру зв’язків. З віком еластичність їх знижується.

 

Структура і функції протеогліканів

Основну міжклітинну речовину nсполучної тканини утворюють протеоглікани, що складаються з невеликої білкової nчастини, до якої ковалентними зв’язками приєднані полісахаридні ланцюги n(декілька десятків, а інколи більше 100). Молекулярна маса протеогліканів може досягати десятків мільйонів. На nвідміну від глікопротеїнів, у протеогліканах основна частина маси припадає на nвуглеводну частину (до 93-97 %).

Глікозаміноглікани (або кислі мукополісахариди) – це полісахариди, які nпобудовані з великої кількості однакових дисахаридних одиниць. Ос­кільки до nскладу дисахаридних одиниць входять два різні мономери, глікозаміноглікани nвідносяться до гетерополісахаридів. Звичайно дисахаридна одиниця складається з nаміноцукру (N-ацетилглюкозаміну чи N-ацетилгалактозаміну) й уронової кислоти n(глюкуронової чи ідуронової). До аміноцукрів в 4-чи 6-му положенні часто nприєднаний залишок сульфату.

Відомі 7 типів глікозаміногліканів, nякі відрізняються за мономерами, типом глікозидних зв’язків, а також за nкількістю і місцем приєднання сульфатних груп.

До складу кератансульфату замість уронової кислоти входить галактоза. nІз усіх типів тільки гіалуронова кислота не містить залишків сульфатів. У nгепарині частина глюкозамінних залишків містить N-сульфатні групи, а не nN-ацетильні. Гепарансульфат має менше, ніж гепарин, N- і О-сульфатних груп. nКрім того, в гепарансульфаті переважає глюкуронова кислота, а в гепарині – nідуронова.

Глікозаміноглікани добре розчинні у воді з утворенням в’язких розчинів. nВеличина в’язкості залежить від форми і розмірів молекул. Найбільша в’язкість nхарактерна для розчинів гіалуронової кислоти, довгі ланцюги якої укладаються nнеупорядкованим чином і займають великий простір, заповнений, в основному, nмолекулами води. Високий вміст гіалуронової кислоти знайдено в склоподібному nтілі ока, слизовій тканині пупкового канатика зародка, синовіальній рідині. nЖелеподібна структура розчину гіалуронової кислоти забезпечує функцію синові­альної nрідини у суглобах як мастила, що зменшує тертя суглобових поверхонь.

Гепарин відрізняється від інших глікозаміногліканів за локалізацією в тканинах nта функціями.

Синтезується він тканинними базофілами (інакше огрядними клітинами) і nзнаходиться в гранулах. Ці клітини часто локалізуються за ходом кровоносних nсудин мікроциркуляторного русла. Під час дегрануляції тканинні базофіли nвикидають гепарин у міжклітинний простір. Гепарин бере участь в регулюванні nкоагуляції крові. Він підвищує звільнення в плазму ферменту ліпопротеїнліпази, nзв’язаної з стінками капілярів, і, таким чином, сприяє гідролізу тригліцеридів nхіломікронів і ЛПДНГ. Антикоагуляційний ефект гепарину полягає в посиленні дії nінгібітора факторів коагуляції антитромбіну ІІІ. Гепарин використовується в nклінічній практиці як антикоагулянт.

Основну міжклітинну речовину nскладають протеогліканові агрегати з гіалуронової кислоти, низькомолекулярних nбілків і великої кількості мономерних субодиниць протеогліканів. На частку останніх припадає до 99 % nмаси агрегатів. Мономери протеогліканів побудовані з білка (так званого n”корового”) і ковалентно зв’язаних із ним полісахаридних ланцюгів nсульфатованих глікозаміногліканів. Молекули хондроїтинсульфатів приєднані nО-глікозидним зв’язком між ксилозою і серином полі­пептидного ланцюга. Ксилоза nне входить до дисахаридних одиниць, а виконує фун­к­цію додаткового складника, nякий зв’язує полісахарид із білком. Інші глікозаміноглікани можуть nприєднуватись глікозидними зв’язками між N-ацетилглюкозаміном чи nN-ацетилгалактозаміном і серином чи аспарагіном поліпептиду. В типовому nпротеоглікані хрящової тканини до білка приєднано приблизно 150 молекул nхондроїтинсульфатів і кератансульфатів.

Протеоглікани різних тканин (шкіри, nхрящів, сухожиль, зв’язок, кісток, стінок судин, внутрішніх органів) nрозрізняються молекулярною масою, розмірами, набором глікозаміногліканів, nвідносним вмістом білка.

Обмін nпротеогліканів

 

Синтез протеогліканів подібний до nсинтезу глікопротеїнів. Спочатку n”коровий” білок синтезується на рибосомах, зв’язаних з nендоплазматичним ретикулом (ЕР). До поліпептидного ланцюга в ЕР послідовно під nдією специфічних глікозилтрансфераз приєднуються моносахаридні залишки. Процес nпродовжується в апараті Гольджі. Після утворення полісахаридного ланцюга певної nдовжини відбувається приєднання залишків сірчаної кислоти до моносахаридів. nРеакція каталізується сульфотрансферазами, а донором служить 3-фосфоаденозин-5-фосфосульфат n(ФАФС). Молекули протеогліканів потрапляють у гранули і секретуються з клітин. nУ міжклітинному просторі відбувається об’єднання складників протеогліканових ­агрегатів, nа також взаємодія їх із колагеновими волокнами.

На обмін протеогліканів і колагену в сполучній тканині впливають ряд nгормонів. Так, гормон росту стимулює синтез протеогліканів і колагену. Дія його nопосередковується соматомединами. Синтез глікозаміногліканів знижується при nнедостатності інсуліну. Глюкокортикоїди пригнічують синтез протеогліканів і nколагену у сполучній тканині, кістках, шкірі, а також підвищують катаболізм nбілків у цих тканинах. Тому при гіперфункції кори надниркових залоз nспостерігаються потовщення шкіри та кровоносних судин, остеопороз. На nклітинному рівні гормон росту стимулює проліферацію фібробластів, а nглюкокортикоїди гальмують.

У тканинах організму nпротеоглікани постійно оновлюються. Розпад відбувається в лізосомах, куди nпротеоглікани потрапляють шляхом ендоцитозу. Білкова частина розщеплюється nкатепсинами, а вуглеводна – сп­ецифічними глікозидазами. Гіалуронідаза nссавців гідролізує альфа-1,4-глікозидні nзв’язки між дисахаридними одиницями в гіалуроновій кислоті, а також у nхондроітинсульфатах, з утворенням тетрасахаридів, які під дією інших глікозидаз nрозпадаються до моносахаридів. Від сульфатованих моносахаридів спочатку nусувається під дією сульфатаз сульфат. Генетично nзумовлена недостатність навіть однієї лізосомальної глікозидази викликає nаномальне накопичення в клітинах субстратів і виникнення багатьох клінічних nознак. Продукти неповного розщеплення глікозаміногліканів у підвищеній nкількості виводяться з сечею. Ці спадкові хвороби називаються nмукополісахаридозами. Відомо понад 8 типів мукополісахаридозів із різними nклінічними ознаками: малорухомі суглоби, деформації скелета, мутна рогівка ока, nнизький ріст, затримка розумового розвитку.

Діагностика окремих типів грунтується на nідентифікації метаболітів у сечі та виявленні дефектів ферментів у культурі nфібробластів. Мукополісахаридози можна діагностувати і під час вагітності nшляхом визначення активності відповідних ферментів у клітинах амніотичної nрідини. Розробляють методи замінної терапії мукополісахаридозів ферментами.