Біохімія сполучної та м’язової тканини

Біохімія сполучної та м’язової тканини: будова, властивості, nфункції, регуляція, патологія

 

БІОХІМІЯ М’ЯЗІВ

 

На м’язи припадає 40-45 % маси тіла. Вони вивчаються науковцями nпротягом кількох століть. З початку ХХ століття м’язи почали досліджувати як nбіохімічний комплекс. Але і зараз, в кінці ХХ століття, інтерес до них не nзменшився. Крім біохіміків, м’язи вивчають біофізики, фізіологи, а також nспеціалісти із спорту.

 

  n

 

Для медицини вичення біохімії м’язів nвідкриває 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 nвластивостями м’язи характеризуються великою еластичністю, пластичністю та nскоротливістю. Це єдина унікальна природна система, наділена здатністю nперетворювати безпосередньо хімічну енергію в механічну з високим коефіцієнтом nкорисної дії.

Морфологічно м’язи nу хребетних тварин поділяють на поперечно­смугасті, або скелетні, та гладенькі. n

 

 

Перші під nмікроскопом мають ви­гляд довгих волокон, в яких регулярно чергуються світлі й nтемні смуги. Другі складаються з коротких волокон, що не містять смуг.

 

 

 

 

 

Структурною одиницею м’язової тканини є nм’язове волокно (міоцит), яке утворилося в результаті злиття багатьох nембріональних м’язових клітин. Саме тому кожне м’язове волокно містить багато nядер, що розташовані по краях по всій довжині.

 

 

 

Поперечносмугасті м’язи скорочуються лише на 1/3 від вихідної величини, nтоді як гладенькі м’язи, скорочуючись, можуть зменшувати свій поздовжній розмір nнавіть у декілька разів, наприклад, м’яз матки під час пологів. Відповідно nгладенькі м’язи скорочуються повільніше – через де­кілька секунд, nпоперечносмугасті – через кілька мілісекунд. Під час скорочення nскелетні м’язи можуть виконувати роботу, вкорочуючись при цьому на певну nвідстань.

 

 

Таке скорочення називають nізотонічним. М’язи, які не можуть укорочуватись під час скорочення (не можуть nвиконувати фізичної роботи), розвивають тільки напруженість. Про такі м’язи nговорять, що вони скорочуються за ізометричним принципом. Прикладом такого nскорочення може бути зміна напруженості коротких міжхребцевих м’язів при nпіднятті вантажів. Для всіх видів скорочення м’язів характерним є виділення nпевної кількості теплової енергії, спричиненої структурними перебудовами в nміоцитах. Функції і властивості м’язів зумовлені їх хімічною структурою.

Наводимо хімічний склад скелетних nм’язів (табл. )

 

 

 

 

М’язова тканина тварин і людини nмістить від 73 до 78 % води. Приблизно 22-27 % від маси м’яза припадає на nчастку сухого залишку, переважно білків. Крім білків, у м’язах знаходяться nглікоген та інші вуглеводи, різні ліпіди, екстрактивні речовини та мінеральні nсолі.

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

У саркоплазмі м’язів містяться nбілки, що розчиняються у воді або сольових розчинах. Донедавна в цих білках nрозрізняли міогенну, альбумі­нову, глобулінову та міоглобінову фракції. Але ці nфракції не однорідні. Так, міогенна фракція включає в себе ряд ферментів nгліколізу. Неодно­рідними є й інші білки саркоплазми. Зокрема тут виявлено nбілки-ферменти, що знаходяться в мітохондріях і відповідають за тканинне nдихання. Міоальбумін саркоплазми за хімічними властивостями нагадує альбумін nплазми крові. Міоглобін м’язів – типовий хромопротеїн, що, як і гемоглобін, nз’єднується з киснем і забезпечує процес дихання м’язів. ­Червоний колір м’язів nзумовлений великим вмістом у них міоглобіну. Міо­глобін має в 5 разів більшу nспорідненість із киснем, ніж гемоглобін. Це сприяє забезпеченню значного nрезерву кисню в м’язовій тканині при його нестачі.

                Білковий склад скелетного м’яза n(за J.Musil та співавт., 1980, зі nзмінами)

 

 

 

Білки міофібрил. До складу nміофібрил входять такі білки: міозин (56-60 %), актин (20‑25 %), nтропоміозин (10-15 %) і тропоніновий комплекс (4-6 %).

Білки строми в nпоперечносмугастих м’язах представлені переважно колагеном, нейрокератином, nеластином тощо. Ці білки входять до складу сполучнотканинних елементів стінок nсудин, нервів та сарколеми.

Ліпіди. У м’язах nзнаходяться нейтральні жири, стериди, ­фосфоліпіди. Нейтральні жири входять у nпростір між структурами м’язових волокон і відіграють роль резервного жиру. Їх nвміст дуже непостійний.

Холестерин і nфосфоліпіди є обов’язковими складовими компонентами всіх м’язів і входять до nскладу клітинних мембран. Вміст фосфоліпідів і холестерину в м’язах nзбільшується під час тренування.

Екстрактивні nречовини м’язів. Скелетні м’язи містять ряд важливих екстрактивних nречовин: нуклеотиди (АТФ, АДФ, АМФ, ТТФ, УТФ, ЦТФ, інозинмонофосфат), nкреатинфосфат, креатинін, карнозин, ансерин, карнітин тощо.

 Серед них креатин та креатинфосфат мають пряме nвідношення до скорочення м’язів. В їх синтезі беруть участь 3 амінокислоти: nаргінін, гліцин, метіонін. Утворення їх починається в нирках, а завершується в nпечінці і м’язах. Карнозин і ансерин – це імідазольні дипептиди, які підвищуть nефективність роботи іонних насосів м’язової тканини, сприяють збільшенню nамплітуди м’язового скорочення, проявляють виражену антиоксидну дію.

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

Безазотні екстрактивні речовини nм’язів представлені переважно вуглеводами та продуктами їх обміну. Найбільше в nм’язах глікогену. У людини вміст глікогену в м’язах знаходиться в межах 0,4-0,8 n%, але під впливом тренування він може збільшуватися до 1,5-3 %. Втомлені м’язи nмістять незначну кількість глікогену.

Під час роботи глікоген м’язів nрозпадається на глюкозу, тріозофосфорні ефіри та інші проміжні продукти nгліколізу, в тому числі молочну кислоту.

Мінеральні nречовини. Загальний вміст мінеральних речовин в м’язах на сиру масу nстановить 1,0-1,5 %. Із катіонів у м’язах переважають К⁺, Nа⁺, nСа²⁺, Мg²⁺, є також мідь, марганець, цинк; з аніонів – nнай­більше фосфатів та сульфатів. За рахунок іонів у м’язах підтримуються nсталість рН і осмотична рівновага та здійснюється специфічний вплив на їх nзбудливість та скоротливість. Зниження концентрації ­солей у м’язах призводить nдо зменшення їх збудливості.

 

Будова nфіламентів і міофібрил<!–[if supportFields]>tc "1. Будова філаментів і міофібрил"<![endif]–><!–[if supportFields]><![endif]–>

 

Саркоплазма поперечносмугастих nм’язових волокон містить поздовжньо орієнтовані міофібрили, побудовані з nбілкових філаментів (ниток) 2‑х типів  n–  товстих і тонких. Скорочення nм’язових волокон здійснюється саме за рахунок ковзання товстих і тонких ниток nназустріч одні одним. Їх довжина при цьому залишається незмінною. Хімічну nенергію для такого ковзання ниток постачає процес гідролізу АТФ до АДФ і nфосфату.

 

Скорочення і розслаблення м’язових nволокон регулюються концентрацією іонів Са²⁺ у саркоплазмі. Таким nчином, скоротлива система м’язів забезпечує перетворення хімічної енергії в nмеханічну.

http://www.youtube.com/watch?v=83yNoEJyP6g

Товсті філаменти складаються з nдовгих паличкоподібних молекул білка міозину.

 

 

Кожна молекула побудована з 2-х nважких (молекулярна маса – 200 000 Dа) і 4-х легких n(молекулярна маса – 16000-25000 Dа) поліпептидних ланцюгів.

 

 

Важкі ланцюги на більшій частині nдовжини мають спіральну структуру і закручені один навколо одного, утворюючи nдовгий стержень (“хвіст” молекули).

http://www.youtube.com/watch?v=HcWX-b07qqM&feature=related

 

Кінець важкого ланцюга утворює nразом із 2-ма легкими ­ланцюгами глобулярну голівку молекули. Таким чином, nкожна молекула міозину має довгий хвіст і подвійну голівку. Довжина молекули – n150 нм, ­товщина – приблизно 2 нм. Молекула міозину може згинатись на nпевній ділянці так, що голівка і частина хвоста повертаються, як на шарнірі. nМіозин має власти­вість ферменту АТФази.

Ак­тивний каталітичний центр nлокалізований у голівках молекули і містить у зв’язаному стані молекулу АТФ.

Приблизно 400 палочкоподібних мо­ле­кул nміозину об’єднуються в товстий філамент.

http://www.youtube.com/watch?v=ren_IQPOhJc

 

Молекули розміщені паралельно, nпричому половина з них звернена голівками до одного кінця філамента, а друга nполовина – до іншого. По довжині філамента молекули дещо зсунуті одна відносно nодної, їхні голівки розташовані по спіралі й утворюють виступи на поверхні nниток. Голівки від­сутні в серединній частині філамента.

 

 

Довжина товстих міозинових nфіламентів – приблизно 1,5 мкм, діаметр – 10-14 нм.

 

 

До складу тонких філаментів входять nбілки актин, тропоміозин і тропонін.

 

 

 

Відомі дві форми актину: глобулярний G-актин і фібрилярний ­F‑актин. Молекули nглобулярного актину (молекулярна маса – 42000 Dа, діаметр – приблизно 5 нм) nнековалентно з’єднуються, утворюючи ­F­­‑актин. Два ланцюги F-актину nзакручені один навколо одного в спіраль.

 

G  n(зліва) та F(справа) n– молекули актину.

 

Кожна молекула G-актину має центр nзв’язування, який у стані спокою заблокований. У поздовжньому жолобку спіра­лі nF-актину розміщена паличкоподібна молекула білка тропоміозину. З однією nмолекулою тропоміозину завдовжки приблизно 41 нм контактують 7 пар глобулярного nактину.

 

 

Крім того, така структура включає 1 nмолекулу глобулярного білка тропоніну, який складається із 3‑х субодиниць n(С, І, Т). Ці структури об’єднуються кінець до кінця в тонкі філаменти nзавдовжки 1 мкм. Тропонін і тропоміозин – регуляторні білки, за допомогою яких nзапускається і виключається утворення поперечних містків між актином і nміозином.

Міофібрили містять приблизно 2500 nфіламентів. Товсті й тонкі філаменти розміщені в міофібрилах упорядкованим nчином. На 1 товсту міозинову нитку припадає 2 тонких (при поздовжньому nрозрізі). На поперечному розрізі тонкі філаменти утворюють шестикутник, у nцентрі якого розташований товстий філамент. У саркомері, структурній одиниці nміо­фібрили, товсті міозинові нитки розміщені в смузі А, їх обидва кінці nвільні, а тонкі нитки – у І-смузі й одним кінцем прикріплені до Z‑пластинок.

Схематичне зображення будови саркомерів м’язевого волокна: а – поздовжній розріз, б – поперечний nрозріз в ділянці перетину тонких і товстих ниток, в – зміни довжини саркомера в nрезультаті руху товстих та тонких ниток

Тонкі нитки заходять на деяку nвідстань у смугу А, перекриваючись із товстими нитками. При скороченні nміофібрил ділянка перекриття ниток значно збільшується. У повністю скороченому nстані весь саркомер перетворюється на зону перекриття (рис.).

http://www.youtube.com/watch?v=U2TSaz8-yNQ&feature=related

http://www.youtube.com/watch?v=83yNoEJyP6g

 

 

 

Електронно-мікроскопічне nзображення актинових фібрил (зображені червоним).

 

Молекулярні nмеханізми скорочення
nм’язового волокна<!–[if supportFields]>tc "2. Молекулярні механізми скорочення
nм’язового волокна"<![endif]–><!–[if supportFields]><![endif]–>

 

Скорочення м’яза nініціюється потенціалом дії, який поширюється від нейром’язового синапсу в обох nнапрямках вздовж м’язового ­волокна. ­Через систему Т-тру­бочок нервовий сигнал nпередається на цистерни саркоплазматичної сітки і спричиняє зміни проникності мембран nдля іонів Са²⁺ і вихід їх у саркоплазму. У стані спокою nконцентрація Са²⁺ у сарко­плаз­мі становить менше як 10^-7 nмоль/л. Вна­слідок виходу іонів Са²⁺ із цистерн концентрація їх у nсаркоплазмі швидко досягає 10^-5 моль/л, тобто зростає в сот­ні раз. nІони Са²⁺ при­єднуються до кальційзв’язувальної субодиниці тропоніну nтонких філаментів, що зумовлює зміну конформації білка. Це, у свою чергу, nспричиняє перемі­щення молекули тро­поміозину по жолобку тонкого філамента, в nрезультаті чого на молекулах глобулярного актину в складі F-актину nвідкриваються центри зв’язування з голівками міозину товстих ниток.

http://www.youtube.com/watch?v=InIha7bCTjM&feature=related

 

На рис. схематично показано цикл утворення і розщеплення поперечних nмістків, що зумовлює переміщення тонких філаментів назустріч товстим.

Схема механізму вкорочення nсаркомеру

Міозинові голівки із зв’язаними в nАТФазному центрі молекулами АТФ приєднуються до найближчих молекул G-актину nтонких ниток. Утворюються поперечні містки. Внаслідок взаємодії актину і nміозину ­АТФазний центр міозинових голівок активується, гідролізує АТФ до АДФ і nФн, які вивільняються з каталітичного центру. Це супроводжується зміною nконформації міозину, згинанням голівки молекули в ділянці шарніру. ­Оскільки nміозинова голівка зв’язана з молекулою актину, її рух протягує тонкий філамент nвздовж міозинового. Зв’язування в АТФазному центрі голівки міозину нової nмолекули АТФ викликає розрив поперечних містків і відновлення вихідної nконформації молекули міозину. Зв’язування голівки з наступною молекулою актину nтонких ниток починає новий цикл. Амплітуда кожного такого переміщення становить nблизько 11 нм, а частота – приблизно 50 разів на секунду.

 

 

Одночасна, але не синхронна робота великої кількості міозинових голівок зумовлює за рахунок енергії гідро­лізу АТФ ковзання тонких і товстих ниток назустріч одні одним і як результат цього – скорочення м‘язового волокна.

http://www.youtube.com/watch?v=gJ309LfHQ3M

 

Коли на волокно перестають надходити нервові імпульси, вихід Са²⁺ nіз цистерн припиняється (рис. ), а АТФаза мембран саркоплазматичної сітки, що функціонує nяк кальцієва помпа, переносить іони Са²⁺ за рахунок енергії АТФ n(проти градієнта концентрації) із саркоплазми назад у цистерни.

Вміст цієї Са²⁺, Мg²⁺-АТФази nв мембрані ретикулума становить 95 % усіх білків мембрани. При зниженні nконцентрації Са²⁺ у сарко­плазмі до 10^‑7 моль/л nкомплекс Са²⁺-тропонін дисоціює, тропоміозин зсувається по жолобку nтонкого філамента на вихід­не місце, блокуючи центри зв’язування на молекулах nактину голівок міозину. Всі поперечні містки розриваються, і волокно nрозслаблюється. Таким чином, АТФ необхідний і для скорочення м’язів, і для їх nрозслаблення. При недостачі АТФ містки між актином і міозином не розриваються і nфіламенти фіксуються в з’єднаному положенні (контрактура м’яза). Цим nпояснюється трупне окоченіння після смерті.

 

 

Скорочення гладеньких м‘язів<!–[if supportFields]>tc " 3. Скорочення nгладеньких м‘язів"<![endif]–><!–[if supportFields]><![endif]–>

 

Клітини гладеньких м‘язів (міоцити) містять тонкі актинові й товсті міозинові філаменти, але вони не утворюють упорядкованих міофібрил, як у поперечносмугастій м‘язовій тканині. Тонкі філаменти містять тропоміозин, але в них немає тропоніну. Для скорочення гладеньких м‘язів необхідним є підвищення концентрації іонів Са²⁺ у цитоплазмі міоцитів. Це досягається надходженням позаклітинного Са²⁺ через потенціалзалежні Са²⁺–канали. При концентрації 10^-5 nмоль/л іони Са²⁺ зв‘язуються з білком кальмодуліном і їх комплекс активує фермент кіназу міозину. Остання каталізує реакцію фосфорилювання легких ланцюгів міозину, після чого відбувається взаємодія голівок міозину з актиновими нитками, в результаті скорочуються міоцити. Швидкість скорочення гладенької м‘язової тканини в 100-1000 разів менша, ніж у поперечносмугастих м‘язах, що зумовлено повільним включенням механізму взаємодії міозину з актином. При зниженні концентрації Са²⁺ в міоцитах комплекс Са²⁺–кальмодулінкіназа дисоціює, а від міозину відщеплюються фосфорні залишки під дією фосфатази. Активність кінази міозину зменшується при включенні аденілатциклазної системи.

 

Джерела енергії м‘язової роботи<!–[if supportFields]>tc "4. Джерела енергії м‘язової роботи"<![endif]–><!–[if supportFields]><![endif]–>

 

Джерелом енергії для скорочення і розслаблення м‘язів усіх типів є АТФ. У стані спокою nм’язи містять близько 5 мкмоль АТФ на 1 г тканини й у 3-8 разів більше іншої nвисокоенергетичної сполуки – креатинфосфату. Останній утворюється з АТФ і nкреатину за реакцією, яку каталізує креатинкіназа:

Реакція зворотна: коли наявний у м’язах АТФ використовують для роботи, nкреатинфосфат під дією креатинкінази швидко передає фосфатну групу на АДФ, nзавдяки чому відновлюється вихідний рівень 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, nм’язи, порівняно з іншими тканинами, запасають більший рівень макроергічних nсполук, що має значення для дуже швидкого переходу скелетних м’язів від стану nспокою до максимальної активності, коли потреба в АТФ зростає у 20-200 разів. nАле запасу АТФ і креатинфосфату вистачає тільки на 6-10 с інтенсивної роботи nскелетних м’язів. Ресинтез АТФ у м’язах, які працюють, забезпечується, залеж­но nвід умов, окисним або субстратним фосфорилюванням.

 

Так, при легкій і помірній фізичній nроботі скелетні м’язи покривають енергетичні затрати шляхом окисного nфосфорилювання, тобто за ­рахунок аеробного окиснення таких субстратів, як nглюкоза, вільні жирні ­кислоти і кетонові тіла. При тривалій м’язовій роботі nпоступово зменшується використання глюкози, а збільшується – жирів, які nмобілізуються з жирових депо.

При максимальних nфізичних навантаженнях, наприклад, під час спринтерського бігу, доставка кисню nдо м’язів стає недостатньою для забезпечення енергетичної потреби. Основним nшляхом ресинтезу АТФ стає анаеробний гліколіз. Глікоген м’язів і глюкоза крові nрозпадаються до молочної кислоти. При цьому 1 залишок глюкози забезпечує nутворення 2-х молекул АТФ. Анаеробний розпад глікогену досягає макси­мального nрівня через 40-50 с безперервної роботи м’яза. Посилення гліколізу ініціюється nзбільшенням рівня АМФ, який є активатором фосфо­фруктокінази – ­основного nрегуляторного ферменту гліколізу. АМФ утворюється в аденіл­аткіназній реакції, nоскільки при скороченні м’язів збільшується вміст АДФ:

                                     

При напруженій фізичній роботі nнакопичення в м’язовій тканині молочної кислоти і відповідне зниження рН, а nтакож підвищення температури внаслідок виділення тепла знижують ефективність nобміну. Молочна кислота дифундує у кров і захоплюється печінкою та серцем.

 

 

У серцевому м‘язі, в якому є ізофермент лактатдегідрогенази ЛДГ₁, молочна кислота окиснюється в піровиноградну і далі аеробним шляхом. У печінці частина nлактату окиснюється, а частина перетворюється шляхом глюконеогенезу в глюкозу, nяка виходить у кров і потрапляє в м’язи, де використовується для відновлення nзапасів глікогену (цикл Корі) (рис. ).

Цикл Корі

Ці процеси перебігають у відновний період після інтенсивної м’язової nроботи, коли завдяки частому і глибокому диханню в організм надходить nдодатковий кисень, який використовується для окиснення лактату, пірувату, інших nсубстратів і для відновлення нормальної концентрації у м’язах АТФ і nкреатинфосфату.

Креатинфосфат

М’язові волокна поділяють на nчервоні, білі та проміжні. М’язи людини здебільшого містять усі 3 типи волокон, nале в різних співвідношеннях.

 Саркоплазма червоних волокон містить багато nміоглобіну та численні мітохондрії. Саме міоглобін забарвлює м’язові волокна в nчервоний колір. Цей гемовмісний білок має значно вищу спорідненість із киснем, nніж гемо­глобін, а крива насичення киснем міоглобіну – гіперболічної форми. nТому міоглобін приймає кисень від оксигемоглобіну і зберігає у  зв’язаному вигляді. У процесі скорочення nм’яза, коли потреба в кисні зростає і внутрішньоклітинний парціальний тиск nкисню падає, О₂ дисоціює з комплексу з міоглобіном і nвикористовується для тканинного дихання в мітохондріях. Дуже багато міоглобіну nв м’язах китів, дельфінів, тюленів, що дає їм можливість запасати необхідну nкількість кисню для перебування тривалий час під водою.

Білі волокна nмістять менше 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. У різних nлюдей співвідношення червоних, білих і проміжних волокон в одних і тих самих nм’язах неоднакове, що визначає спортивні можливості, наприклад здатність бігти nна короткі чи довгі дистанції.

 

Енергетичний nобмін у серцевому м’язі

 

 

Скоротливі клітини серцевого м’яза n(міокарда) містять усі структури, характерні для волокон поперечносмугастого nскелетного м’яза: ядра, міофібрили, побудовані з актинових і міозинових nфіламентів, мітохондрії, саркоплазматичну сітку. Але, порівняно зі скелетними nм’язовими волокнами, міофібрил менше, а мітохондрій значно більше. Останні nстановлять близько 40 % сухої маси серця. Для роботи серцевого м’яза характерне nпостійне ритмічне чергування процесів скорочення і розслаблення. Необхідний АТФ nутворюється майже повністю за рахунок окисного фосфорилювання, тобто аеробним nшляхом. У стані спокою серце споживає за 1 хв 8‑10 мл О₂ nна 100 г nтканини, що приблизно в 15 разів більше від споживання кисню іншими тканинами.

http://www.youtube.com/watch?v=-pg09F5V63U&feature=related

 

Субстратами окиснення в міокарді є широке коло сполук: вищі жирні nкислоти, глюкоза, кетонові тіла, молочна і піровиноградна ­кислоти, які nпостачаються кров’ю. Але головним субстратом є жирні кислоти, особливо в стані nспокою. На окиснення жирних кислот використовується 60‑70 % nспожитого міокардом кисню. При фізичному навантаженні відносний внесок жирних nкислот в енергетичний обмін міокарда знижується, але абсолютне їх споживання nнавіть зростає. Під час навантаження збільшується утилізація глюкози і молочної nкислоти, яка надходить у венозну кров із скелетних м’язів. Так, при інтенсивній nфізичній роботі частка лактату в енергетичному обміні міокарда може досягати n65-90 %. Відповідний напрямок лактатдегідрогеназної реакції, тобто перехід nмолочної кислоти в піровиноградну, забезпечується наявним у серцевому м’язі nізоферментом ЛДГ₁, який використовує як субстрат лактат. Потім nпіруват зазнає окиснювального декарбоксилювання в мітохондріях. Утилізуючи nмолочну кислоту, серце не тільки отримує енергію, а й сприяє підтриманню постій­ної nвеличини рН крові. Серцевий і скелетні м’язи містять ферменти окиснення nацетоацетату і бета-гідроксибутирату n(кетонових тіл), частка яких у продукції енергії становить до 5 %.

Креатинфосфат у серцевому м’язі nвідіграє подвійну роль: енергетичного резерву і переносить енергію з nмітохондрій до міофібрил. Синте­зований шляхом окисного фосфорилювання в nмітохондріях АТФ переноситься транслоказою через внутрішню мембрану мітохондрій nі під дією креатинкінази, яка зв’язана з внутрішньою стороною зовнішньої nмембрани, передає макроергічний фосфатний залишок креатину з утво­ренням nкреатинфосфату. Останній дифундує в цитоплазму до міофібрил, де розчинна форма nкреатинкінази каталізує взаємодію креатинфосфату з АДФ, утвореним при nскороченні (рис. ).

 

 

Креатинкіназа складається з 2-х nсубодиниць  (М і В) та існує в 3-х nізоферментних формах: ММ, МВ і ВВ. У серцевому м’язі є всі 3 ізоферменти: в nмітохондріях – ММ‑форма, а в цитоплазмі ­– МВ- і ВВ-форми. Ізофермент МВ nє в серці й відсутній у всіх інших тканинах організму (ММ-форма ­– переважно в nскелетних м’язах, а ВВ-форма здебільшого в мозку). При ураженні міокарда nізоферменти креатинкінази надходять у кров і визначення їх має діагностичне nзначення.

 

Біохімічні nзміни при інфаркті міокарда

<!–[if supportFields]>tc " 6. Біохімічні зміни при інфаркті міокарда"<![endif]–><!–[if supportFields]><![endif]–>

 

Зменшене nпостачання міокарда кров’ю (ішемія) зумовлює порушення в ньому обміну речовин. nОскільки запаси кисню в міокарді вкрай низькі (міо­глобін зв’язує приблизно 0,5 nмл О₂ на 100 г nм’язової тканини), при ішемії дуже швидко розвивається гіпоксія і припиняється nпродукування АТФ шляхом окисного фосфорилювання. Вміст креатинфосфату і АТФ в nураженій ділянці міокарда швидко зменшується. У початковій стадії ішемії nвнаслідок дії адреналіну і норадреналіну стимулюється через систему n“аденілатциклаза-цАМФ” утворення активної форми фосфорилази. Зниження nконцентрації АТФ і підвищення АМФ активують ключовий фермент гліколізу – nфосфофруктокіназу. У результаті глікоген інтенсивно розщеплюється до молочної nкислоти. Таким чином, при гіпоксії в міокарді замість використання лактату nвідбувається його утворення. Деякий час потреба міокарда в АТФ частково nпокривається за рахунок гліколізу, але збільшення вмісту лактату стимулює nрозвиток ацидозу, що гальмує активність фосфофруктокінази. У результаті розпад nглікогену і гліколітичне утворення АТФ поступово припиняються.

Нестача АТФ і закислення середовища nзумовлюють порушення ­перенесення іонів через мембрани: в клітини надходять nіони Nа⁺, Сl^–, виходять іони К⁺. У ранній фазі nішемії зменшується кількість іонів Са²⁺, які надходять у клітини nчерез потенціалзалежні кальцієві канали. Вна­слідок ацидозу іони Са²⁺ nзвільняються з комплексів з тропоніном, гальмується АТФазна активність міозину, nактоміозин дисоціює. Усе це зумовлює зниження скоротливості міокарда. При nтривалій ішемії пошкодження мембрани саркоплазматичного ретикулума і nплазматичної мембрани викликає надходження Са²⁺ в цитоплазму за nградієнтом концентрації. Зростання вмісту в клітині Nа⁺ і Са²⁺ n(іонів з високою гідрофільністю), а також лактату, пірувату, продуктів розпаду nАТФ і креатинфосфату зумовлює надходження в клітини міокарда рідини, набухання nклітин і клітинних органел. Зростає інтенсивність перекисного окиснення ліпідів nмембран, їх проникність, ферменти виходять із клітин у кров. Тривала ішемія nпризводить до незворотних ушкоджень міокарда.

Атрофія nм’язових волокон nміокарду

 

Для діагностики інфаркту міокарда використовують визначення у плазмі nкрові креатинкінази, аспартатамінотрансферази, ізоферментів лактатдегідрогенази n(ЛДГ₁ і ЛДГ₂), які виділяються в кров із міокардіоцитів. Специфічним nкритерієм є визначення МВ-ізоферменту креатин­кінази, рівень якого досягає nмаксимального через 6 год після ­інфаркту.

Але підвищений рівень nМВ-креатинкінази зберігається недовго (приблизно 12 год). Пізніше і в значно nбільшій кількості звільняється ізофермент ММ-креатинкіназа, спільний для nскелетних і серцевого м’язів. Сумарна креатинкіназна активність плазми крові nдосягає максимального рівня через 24-48 год і утримується 3-5 днів. У 10-100 nразів, порівняно з нормою, зростає при інфаркті міокарда активність АcAТ, nпричому максимальний рівень досягається через 1-2 дні й утримується 4-6 днів. nВміст ЛДГ₁ досягає максимального через 2-3 дні після інфаркту і nзберігається підвищеним 7-12 днів.

ЛДГ₁ каталізує також nреакцію, в якій як субстрат бере участь не тіль­­ки молочна, але і -оксимасляна nкислота. Тому в деяких лабораторіях вимірюють активність nоксибутиратдегідрогенази (ОБДГ) як показника ЛДГ₁.

<!–[if supportFields]>tc n""<![endif]–><!–[if supportFields]><![endif]–>

Біохімічні nзміни при м’язових дистрофіях<!–[if supportFields]>tc " 7. Біохімічні зміни при м’язових дистрофіях"<![endif]–><!–[if supportFields]><![endif]–>

 

При прогресуючій nм’язовій дистрофії і ряді інших захворювань м’язів (міопатіях) спостерігають nзменшення вмісту міофібрилярних білків і збільшення вмісту колагену та nеластину. Знижується АТФазна активність міозину, активність гліколітичних та nінших ферментів саркоплазми, проте зростає активність ферментів лізосом. nПорушення обміну вуглеводів зумовлює зниження концентрації АТФ і nкреатинфосфату. Змінюється фосфоліпідний склад мембран.

 Характерною ознакою м’язових дистрофій є nпорушення метаболізму креатину, що проявляється утворенням меншої кількості nкреатинфосфату і виділенням із сечею великої кількості креатину. В організмі nлюдини щоденно синтезується 1-2г креатину, з яких тільки незначна кількість (до 150 мг) nвиводиться із сечею в незмінному вигляді, а більшість – у формі nкреатиніну. Останній утворюється неферментативним дефосфорилюванням nкреатинфосфату:

 

 

Добова кількість креатиніну в сечі nздорових людей залежить від маси м’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 nознакою м’язових дистрофій є також зростання ­активності в плазмі крові nхарактерних для м’язів ферментів – креатинкі­на­зи й амінотрансфераз. nАктивність креатинкінази в ранній стадії ­хвороби може перевищувати норму в 10 nразів і більше. Пізніше, коли значна час­тина м’язової тканини зазнає nпатологічних змін, рівень креатинкі­нази знижується, іноді до норми.

 

Загальна характеристика СПОЛУЧНОЇ nТКАНИНИ

Електронограма з nколагеновими та еластичними волокнами

 

 

Сполучна тканина nнадзвичайно поширена в організмі. Вона є у всіх органах і служить основою для nїх утворення та виправлення пошко­джень. До сполучнотканинних утворень nвідносять шкіру, підшкірну жирову тканину, кістки, зуби, фасції, строму nпаренхіматозних внутрішніх органів, нейроглію, стінки великих кровоносних судин nтощо.

http://www.youtube.com/watch?v=WNd6H7l4sOI

 

Незважаючи на зовнішню різницю типів сполучної тканини, наприклад сполучної nтканини шкіри та кісткової тканини скелету, вони мають ряд загальних ознак і nвластивостей:

Усі різновиди сполучної тканини розвиваються з одного джерела – з nмезенхими.

Усі різновиди сполучної тканини складаються із клітин і міжклітинної nречовини; міжклітинна речовина переважає за кількістю над клітинами.

Функціональні властивості різних типів сполучної тканини, в значній мірі, nвизначаються фізико-хімічними властивостями міжклітинної речовини. В тканинах з nрідинною або напіврідинною консистенцією міжклітинної речовини виражена nтрофічна функція; в тканинах з твердою міжклітинною речовиною – механічна, nопорна функція.

Клітини сполучної тканини, в основному, представлені фібробластами та їх nрізновидами (остеобластами, хондробластами, кератобластами та ін.), а також nмакрофагами, плазматичними клітинами, мастоцити (лаброцитами) та ін.

 

 

Усі різновиди сполучної тканини містять клітини, волокнисті структури і nосновну міжклітинну речовину (рис.).

 

Волокна побудовані із фібрилярних білків колагену і еластину, а nвуглеводно-білкові комплекси, протеоглі­кани, утворюють основну міжклітинну nречовину.

 

Міжклітинний матрикс – це певним чином організована речовина, що заповнює nпроміжки між клітинами. Міжклітинний матрикс містить три основні групи nбіомолекул:

·       nструктурні білки (колаген, еластин, nфібрилін);

·       nспеціалізовані білки (фібронектин, nламінін), які виконують в міжклітинному матриксі специфічні функції;

·       nпротеоглікани, що складаються із nглікозаміногліканів (ГАГ) та корових білків.

Спеціалізованою частиною міжклітинного матрикса є базальні мембрани, на nяких ростуть усі клітини організму, окрім клітин сполучної тканини та крові. nВони обмежують області сполучної тканини від інших тканин.

Загальні функції міжклітинного матрикса:

·       nБере участь у проліферації та nдиференціації клітин і утворенні тканин.

·       nСкріплює клітини.

·       nПідтримує форму клітин і форму органів.

·       nНадає тканинам механічної міцності.

Міжклітинний матрикс у різних органах відрізняється за будовою та nспецифічними функціями. Специфічна структура матрикса в рогівці ока забезпечує nпрозорість, у сухожильних зв’язках – міцність, у хрящах суглобових   поверхонь – ресорні властивості.

 

Функції сполучної тканини

1. Опорна функція. Тканина сухожиль, зв’язок та фасцій, хрящова і особливо nкісткова тканина — значно міцніші за інші тканини організму, завдяки чому не nтільки «зв’язують», але й «підтримують» організм, утворюючи собою своєрідний nкаркас.

2. Бар’єрна (захисна) функція. З одного боку, вона пов’язана з роллю nсполучної тканини як бар’єру між зовнішнім і внутрішнім середовищами організму n(дерма) та між кров’ю і клітинними елементами паренхіматозних органів. Таким же nсаме бар’єром є сполучнотканинні прошарки, які оточують кровоносні судини. nЖодна з речовин, принесених до тканин кров’ю, не може потрапити до місця nпризначення, не проходячи крізь сполучну тканину. З іншого боку, сполучна nтканина є бар’єром, який захищає організм від проникнення інфекційних агентів.

3. Функція депонування. Ця функція дуже тісно пов’язана з nбар’єрно-захисною, особливо з процесом фагоцитозу. Велика кількість nрізноманітних речовин, як чужорідного походження, так і утворених внаслідок nобмінних процесів в організмі, поглинається деякими клітинами сполучної nтканини. Ці речовини можуть відкладатися (депонуватися) в клітинах на тривалий nчас.

4. Метаболічна функція. Поряд з такими метаболічними реакціями, які nпритаманні всім клітинам живих організмів, клітини сполучної тканини мають nспецифічні обмінні функції. Це біохімічні процеси, що забезпечують біосинтез nмакромолекулярних речовин, з яких будується міжклітинна субстанція сполучної nтканини, її волокна й основна речовина.

5. Репаративна функція. Ця функція спрямована на захист організму від nінфекції, на ліквідацію наслідків локальних інфекційних осередків і механічних nушкоджень.

 

Вуглеводними компонентами протеогліканів є гетерополісахариди nглікозаміноглікани (стара назва мукополісахариди). Основні низькомолекулярні nкомпоненти сполучної тканини – вода й іони натрію. Вміст волокнистих nструктур, основної речовини й води неоднаковий у різних видах сполучної nтканини. В середньому частка основної міжклітинної речовини в організмі складає n20 % маси тіла, а вся сполучна тканина – близько 50 % маси тіла. З віком у nсполучній тканині зменшується вміст води і глікозаміно­гліканів, а зростає nвміст колагену; одно­час­но змінюються фі­зико-хімічні властивості ­волокон.

Макромолекули, із яких побудовані nволокнисті структури, і основна речовина сполучної тканини, синтезуєються в nклітинах (фіб­робластах, хондробластах тощо). Після виходу із клітин в nміжклітинний простір окремі макромолекули внаслі­док міжмолекулярної взаємодії nутворюють складніші структури (комплекси про­теогліканів, волокна, агрегати nпротео­гліканів, глікопротеїнів і волокнистих елементів). Розпад макромолекул nвідбувається під дією ферментів лізосом (протеїназ, глікозидаз, сульфатаз). nШвидкість оновлення для глікозаміногліканів складає декілька днів чи тижнів, а nдля колагену – декілька місяців.

В основі ряду спадкових захворювань n(мукополісахаридозів) лежить відсутність чи недостатня активність різних nферментів, які розщеплюють окремі глікозаміноглікани; останні накопичуються в nсполучній тканині. Інші спадкові хвороби, досить рідкісні, зумовлені nпорушеннями утворення колагенових волокон, дефектами в їх структурі (синдром nМарфана, Елерса-Данлоса, незавершений остеогенез). При недостатності в nорганізмі вітаміну С також порушується формування колагенових волокон, nпроявляються клінічні симптоми цинги. Та значно поширенішими є системні хвороби nсполучної тканини (колагенози), які розвиваються внаслідок ­автоімунних nпорушень і характеризуються пошкодженнями як волокнис­тих структур, так і nосновної міжклітинної речовини, клітин і мікроцир­куляторного русла.

 

ОСОБЛИВОСТІ nБІОСИНТЕЗУ, МОДИФІКАЦІЇ КОЛАГЕНУ, ЕЛАСТИНУ, ЇХ РОЛЬ. РОЛЬ ГОРМОНІВ, ВІТАМІНІВ У nЦИХ ПРОЦЕСАХ

 

В сполучній тканині міжклітинна речовина займає значно більше місця, ніж nклітинні елементи. Міжклітинний матрикс відіграє значну роль  як в забезпеченні фізіологічних процесів, так nі в розвитку патологічних станів. У процесі розвитку деякі ембріональні клітини nповинні мігрувати через міжклітинний матрикс на значну відстань. Для утворення nметастазів ракові клітини повинні мігрувати через міжклітинний матрикс і потім nпроникнути до малих кровоносних судин або до лімфатичної системи. Доведено nучасть молекул міжклітинного матриксу у розвитку ревматоїдного артриту та nостеоартриту. Деякі захворювання (наприклад, недосконалий остеогенез та nчисленні типи синдрому Ehlers-Danlos) є наслідком генетичних порушень синтезу nколагену. Генетично обумовлений дефіцит лізосомальних гідроксилаз, що беруть nучасть у розщепленні ГАГ, призводить до розвитку мукополісахаридозів. Врешті nрешт, з віком відбувається багато змін в міжклітинному матриксі, і це суттєво nпозначається як на стані сполучної тканини, так і організму в цілому.

Для сполучної тканини характерна наявність своєрідних волокнистих n(фібрилярних) структур – колагенових, еластинових і ретикулінових волокон, nрозташованих в оточенні основної міжклітинної субстанції.

Колагенові волокна складаються з фібрил, що мають велику міцність і nпрактично нерозтяжні. Фібрили колагену можуть витримувати навантаження, які в n10 000 разів перевищують їх власну вагу. Сухожилля, за допомогою яких зусилля nм’язів передається кісткам, складаються, передусім, з колагену.

Колаген – найпоширеніший білок в організмі людини, що становить приблизно n25-33% усього білка, тобто майже 6% від маси тіла. В тканинах людини було nідентифіковано близько 19 типів колагену, що утворюються 30 різними nполіпептидними ланцюгами (які кодуються такою ж кількістю генів колагену). Хоча nдеякі з них присутні в невеликій кількості, проте вони можуть відігравати nзначну роль в забезпеченні фізичних властивостей тканин. Структурною одиницею nфібрил колагену є тропоколаген. Молекули тропоколагену розташовані регулярним nчином у повздовжньому й поперечному напрямках. Молекули тропоколагену в nпаралельних ланцюгах фібрили зміщені одна відносно одної приблизно на ¼ nдовжини (67 нм), чим обумовлюється характерна для колагенових структур nпоперечна посмугованість.

 

 

Молекула колагену (іноді її називають тропоколагеном) має довжину близь­ко 300 нм, товщину – 1,5 нм, молекулярну масу приблизно 300 000 дальтон, вона побудована з трьох поліпептидних лан­цюгів, що мають форму лівозакрученої спіралі з трьома амінокислотними залишками на один виток, тобто відрізняється від альфа‑спіралі глобулярних білків. Три лівоспіральних nлан­цюги разом закручуються у праву спіраль, як кабель (рис. ).

 

Кожний ланцюг містить приблизно 1000 амінокислотних залишків, з яких 33 % становить гліцин, близько 21 % – пролін і оксипролін, 11 % – аланін і тільки приблизно 35 % – усі інші амінокислоти. nПослідовність амінокислот у ланцюзі досить регулярно повторюється: майже у nкожному 3-му положенні знаходиться залишок гліцину, часто зустрічаються nтрипептидні фрагменти – гліцин-Х-пролін, гліцин-Х-оксипролін, nгліцин-пролін-окси­пролін, де Х – інші амінокислоти. Оксипролін, за nвинятком колагену і еластину, дуже рідко зустрічається в інших білках. Колаген nмістить ще одну рідкісну амінокислоту – оксилізин.

Колаген – складний білок, глікопротеїн, в якому до частини залишків nоксилізину поліпептидного ланцюга 0-глікозидним зв’язком приєднуються вуглеводи n– моносахарид галактоза або дисахарид галактозилглюкоза.

В організмі людини відкрито 12 типів колагенів, які відрізняються nпервинною структурою, набором ланцюгів у молекулі, вмістом вуглеводів, органною nта тканинною локалізаціями. Перші 4 типи більше поширені (табл. ), а інші nзнайдені в невеликих кількостях і ще мало вивчені.

 

 

Надзвичайно високий вміст у колагені гліцину – амінокислоти, в якій nвідсутня R-група, nй імінокислот (проліну та оксипроліну), які утворюють вигини в поліпептидних nланцюгах, що зумовлює унікальну структуру молекули колагену – триланцюгову nспіраль. Між ланцюгами за рахунок СО- і NН-груп пептидних зв’язків, а також ОН-групи оксипроліну, nвиникають водневі зв’язки, які стабілізують спіраль. Молекули колагену n(тропоколагену) розташовуються регулярним чином у поздовжньому і поперечному nнапрямках і утворюють фібрили, з яких послідовно формуються пучки фібрил, nволокна і пучки волокон. Молекули в паралельних ланцюжках фібрили зміщені одна nвідносно одної приблизно на 1/4 довжини (64 нм). Цим зумовлюється характерна nдля колагенових фібрил поперечна посмугованість з періодом повторюваності 64 nнм.

 

 

У колагенових фібрилах утворюються nпоперечні ковалентні зшиви. Спосіб їх виникнення такий. Спочатку мідьвмісний nфермент лізил­оксидаза каталізує реакцію окиснювального дезамінування залишків nлізину й оксилізину з утворенням альдегідних форм – аллізину і оксиаллізину. nОстанні взаємодіють між собою або з іншими залишками лізину чи оксиаллізину, nутворюючи поперечні зшиви декількох типів (рис.). Поперечні зв’язки зшивають як nпопіпептидні ланцюги у молекулі тропоколагену, так і розміщені поряд у фібрилах nмолекули.

При рідкісній спадковій хворобі (синдром Елерса-Данлоса, тип V) внаслідок відсутності чи зниженої nактивності лізилоксидази в колагенових фібрилах зменшене число поперечних nзв’язків і механічні властивості волокон погіршені.

Колагенові фібрили різними nспособами організовані у волокнах сполучної тканини, залежно від їх біологічної nфункції.

Зокрема, у сухожиллях фібрили nрозміщені у вигляді поперечно-зв’язаних пучків колагену типу І, які надзвичайно nміцні і практично не розтягуються.

При кип’ятінні у воді нерозчинних nколагенових волокон отримують розчин желатини. Деякі ковалентні зв’язки nколагену гідролізуються, в результаті чого утворюється суміш розчинних nполіпептидів, які можуть перетравлюватись протеолітичними ферментами nшлунково-кишкового тракту. Катаболізм тканинного колагену починається з дії nспецифічних колагеназ, які розщеплюють певні пептидні зв’язки у всіх 3 ланцюгах nтропоколагену. Утворені поліпептиди розчинні у воді і гідролізуються тканинними nпротеїназами до амінокислот. Про інтенсивність розпаду колагену судять на nоснові вмісту вільного оксипроліну в крові і сечі. Підвищений розпад колагену nпри деяких ураженнях сполучної тканини, суглобів і кісток супроводжується nзбільшенням секреції оксипроліну.

 

Біосинтез nколагену<!–[if supportFields]>tc "3. Біосинтез колагену"<![endif]–><!–[if supportFields]><![endif]–>

Стадії синтезу колагену:

·       nсинтез поліпептидних ланцюгів;

·       nвнутрішньоклітинна посттрансляційна nмодифікація пептидних ланцюгів (гідроксилювання та глікозилювання);

·       nутворення потрійної спіралі;

·       nсекреція;

·       nпозаклітинна модифікація, що nзакінчується формуванням колагенових волокон.

 

Поліпептидні nланцюги молекул колагену синтезуються на рибосомах, зв’язаних із мембранами nендоплазматичного ретикулума, в клітинах фібробластичного ряду сполучної nтканини.

 

 

Спочатку синтезуються високомолекулярні попередники (проколагени), які мають додаткові пептидні послідовності з обох кінців ланцюга. Амінокислотний склад цих ділянок (пропептидів) відрізняється від складу основного ланцюга. Зокрема, вони містять залишки цистеїну. Одночасно з ростом поліпептидного ланцюга відбувається реакція гідроксилювання деяких залишків проліну і лізину, яку каталізують, відповідно, пролін– і лізингідроксилаза. Для дії ферментів необхідні як субстрати молекулярний кисень і альфа–кетоглутарова кислота, а як кофактори – іон Fe²⁺ nі аскорбінова кислота. При недостатності nв організмі вітаміну С гальмуються гідроксилювання і утворення поперечних nзв’язків, а в результаті погіршуються механічні властивості колагенових nволокон. Аналогічні зміни спостерігаються при спадковому дефіциті nлізингідроксилази (синдром Елерса-Данлоса, тип VІ).

Після гідроксилювання до частини nзалишків оксилізину і оксипроліну приєднуються галактоза і глюкоза. Реакцію nглікозилювання ката­лізують відповідні глікозилтрансферази в канальцях nгранулярної ендо­плазматичної сітки, куди потрапляють поліпептидні ланцюги nпроколагену. Після гідроксилювання і глікозилювання поліпептидні ланцюги nформують триланцюгову спіраль, чому сприяє утворення дисульфідних зв’язків між nланцюгами на С-кінцях. Проколаген секретується в складі міхурців із клітини в міжклітинний nпростір, де під дією протеолітичних ферментів (проколагенпептидаз) nвідщеплюються кінцеві пропептиди. Утворені молекули тропоколагену формують nфібрили, які прошиваються поперечними ковалентними зв’язками. В структурну nорганізацію колагенових волокон вносять вклад зв’язані з колагеном nпротеоглікани. Із кожним колагеновим мономером зв’язується за рахунок nелектростатичної взаємодії від 2 до 5 полісахаридних ланцюгів. Протеоглікани, nвірогідно, захищають колаген від дії колагеназ і протеаз.

Схема синтезу колагену в цитоплазмі nфібробласта і позаклітинного фібрілогенеза

 

Інтенсивний синтез nколагену має місце під час загоювання ран. Швидкість загоювання гальмується при nнедостатності в організмі аскорбінової кислоти, заліза, низькому парціальному nтиску кисню в рані. Усі перераховані фактори потрібні для активності пролін- і nлізингідроксилаз. Надмірне утворення колагенових фібрил спостерігається при nряді захворювань сполучної тканини (прогресуючому системному склерозі, nсклеродермії, поліміозиті), фіброзі легень, цирозі печінки. З віком змінюється nспіввідношення типів колагенів в тканинах, збільшується число поперечних nзшивок, лабільні зшивки замінюються стабільними, що робить колагенові фібрили nжорсткішими і крихкішими. Причиною вікових структурних змін колагену, nвірогідно, є зміни вмісту ферментів, необхідних для синтезу поліпептидних nланцюгів, їх модифікації, утворення поперечних зв’язків. Структурні зміни nколагену призводять до зменшення еластичності шкіри, кровоносних судин, nзбільшення ламкості кісток, погіршення механічних властивостей сухожилків і nхрящів.

 

Одночасно з трансляцією відбувається гідроксилювання пролінових та лізинових залишків в пептидних ланцюгах, що синтезуються. Аскорбінова кислота виконує роль відновлювача, що сприяє підтриманню заліза гідроксилази в двохвалентному стані.

Гідроксилювання проліну необхідно для утворення стабільної трьохспіральної nструктури колагену. Гідроксилювання лізину потрібно для утворення ковалентних nзв’язків між молекулами колагену при утворенні колагенових структур. Залишки nгідроксилізину є місцями глікозилювання. При недостатності вітаміну С синтез nколагену порушується на стадії гідроксилювання. Утворюються менш міцні та менш nстабільні колагенові волокна.

Пептидні ланцюги колагену мають сигнальний пептид та кінцеві пептиди. За nдопомогою сигнального пептиду пептидні ланцюги колагену проникають у порожнину nендоплазматичного ретикулуму (де сигнальний пептид зразу відщеплюється). В nпорожнині ендоплазматичного ретикулуму відбувається глікозилювання пептидних nланцюгів та їх об’єднання в трьохспіральні молекули проколагену.

В міжклітинному просторі від проколагену відщеплюються кінцеві пропептиди n(під дією проколаген-пептидаз) і утворюється тропоколаген. Відщеплення nN-кінцевих пептидів необхідно для формування упорядкованих колагенових nструктур. Далі відбувається агрегація молекул тропоколагену з формуванням nколагенових фібрил та волокон. Стабілізація фібрил досягається за рахунок nутворення додаткових міжланцюгових ковалентних зв’яків за участю ферменту nлізилоксидази. Лізилоксидаза здійснює окислювальне дезамінування nε-аміногруп залишків лізину та гідроксилізину, а утворені альдегідні групи nформують міжмолекулярні Шифові основи з ε-аміногрупами лізину сусідніх nполіпептидних ланцюгів.

Розщеплення колагену відбувається за допомогою специфічного ферменту – nколагенази. Колагеназа перерізає всі три поліпептидні ланцюги в одному місці, nприблизно на ¼ відстані від С-кінця, між залишками гліцину та лейцину n(або ізолейцину). Фрагменти, що утворюються, розчинні у воді й легко nденатурують, після чого їх пептидні зв’язки стають доступними для гідролізу nрізними пептидгідролазами. Вміст гідроксипроліну в крові та сечі відображає nбаланс швидкості катаболізму колагену та швидкості катаболізму гідроксипроліну.

Ті ж самі клітини, що продукують колаген, секретують також фібронектин. Він nзв’язується з колагеном, впливаючи на кінетику формування волокон в nперіцелюлярному матриксі.

 

 

Еластин<!–[if supportFields]>tc "4. Еластин"<![endif]–><!–[if supportFields]><![endif]–>

 

Білок еластин – основний складник nеластичних волокон, яких багато у зв’язках, стінках великих артерій, легенях. nЙого молекули містять приблизно 800 амінокислотних залишків, мають глобулярну nформу, діаметр – 2,8 нм. Вони об’єднуються у волокнисті тяжі за допомогою nжорстких поперечних зшивок. У склад волокон входять глікопротеїни, які nвпливають на просторову організацію молекул еластину у волокнах.

Як і колаген, еластин містить nбагато гліцину і аланіну, трохи менше проліну, більше валіну; відсутні nоксилізин, цистеїн. Поліпептидний ланцюг складається із багатих залишками глі­цину nспіральних ділянок, розділених коротшими, які містять залишки лізину й аланіну. nСа­ме залишки лізину беруть участь в утворенні поперечних ковалентних зв’язків. nДля цього 3 залишки лізину окиснюються ферментативним шляхом до альдегідів n(аллізинів), а потім конденсуються з четвертим залишком лізину: утворюються nгетероциклічні сполуки, які називаються десмозином чи ізодесмозином (рис.).

 Ці нестандартні амінокислоти відкриваються у nгідролізаті еластину. В утворенні десмозину і ізодесмозину беруть участь nзалишки лізинів з 2, 3 чи 4 різних поліпептидних ланцюгів (молекул еластину), nзшиваючи їх у сіткову структуру, здатну зворотно розтягуватись у всіх напрямках nу два і більше раз. Розтягнення забезпечується збільшенням довжини спіральних nділянок поліпептидних ланцюгів, яка при знятті навантаження повертається до nвихідної величини. Еластинові волокна, хоч набагато слабші за колагенові, nдосить міцні на розрив завдяки ковалентному характеру зв’язків. З віком nеластичність їх знижується.

Зміни еластичних nволокон при інфаркті міокарда

 

Структура і функції nпротеогліканів<!–[if supportFields]>tc "5. Структура і функції протеогліканів"<![endif]–><!–[if supportFields]><![endif]–>

 

Основну міжклітинну речовину сполучної тканини утворюють протеоглікани, nщо складаються з невеликої білкової частини, до якої ковалентними зв’язками nприєднані полісахаридні ланцюги (декілька десятків, а інколи більше 100). Молекулярна маса nпротеогліканів може досягати десятків мільйонів. На відміну від глікопротеїнів, nу протеогліканах основна частина маси припадає на вуглеводну частину (до 93-97 n%).

Глікозаміноглікани (або кислі nмукополісахариди) – це полісахариди, які побудовані з великої кількості nоднакових дисахаридних одиниць. Ос­кільки до складу дисахаридних одиниць nвходять два різні мономери, глікозаміноглікани відносяться до гетерополісахаридів. nЗвичайно дисахаридна одиниця складається з аміноцукру (N-ацетилглюкозаміну чи nN-ацетилгалактозаміну) й уронової кислоти (глюкуронової чи ідуронової). До nаміноцукрів в 4-чи 6-му положенні часто приєднаний залишок сульфату.

 

 

Відомі 7 типів глікозаміногліканів (табл.), які відрізняються за nмономерами, типом глікозидних зв’язків, а також за кількістю і місцем nприєднання сульфатних груп.

На рис. показаний як приклад nфрагмент гіалуронової кислоти.

До складу кератансульфату замість nуронової кислоти входить галактоза. Із усіх типів тільки гіалуронова кислота не nмістить залишків сульфатів. У гепарині частина глюкозамінних залишків містить nN-сульфатні групи, а не N-ацетильні. Гепарансульфат має менше, ніж гепарин, N- nі О-сульфатних груп. Крім того, в гепарансульфаті переважає глюкуронова nкислота, а в гепарині – ідуронова.

 

 

Кількість дисахаридних одиниць і, відповідно, молекулярна маса різних глікозаміногліканів різна. Найбільші молекули гіалуронової кислоти (молекулярна маса 10⁵-10⁷). nЗавдяки наявності негативно заряджених при фізіологічних значеннях рН карбоксильних груп і сульфогруп усі глікозаміноглікани є поліаніонами, що має важливе значення для їх функцій. Зокрема, вони зв‘язують та утримують катіони натрію. Глікозаміноглікани добре розчинні у воді з утворенням в‘язких розчинів. Величина в‘язкості залежить від форми і розмірів молекул. Найбільша в‘язкість характерна для розчинів гіалуронової кислоти, довгі ланцюги якої укладаються неупорядкованим чином і займають великий простір, заповнений, в основному, молекулами води. Високий вміст гіалуронової кислоти знайдено в склоподібному тілі ока, слизовій тканині пупкового канатика зародка, синовіальній рідині. Желеподібна структура розчину гіалуронової кислоти забезпечує функцію синові­альної рідини у суглобах як мастила, що зменшує тертя суглобових поверхонь. В‘язкість синовіальної рідини у пацієнтів з ревматизмом чи артритом низька, що пов‘язано з деполімеризацією гіалуронової кислоти.

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

Синтезується він nтканинними базофілами (інакше огрядними клітинами) і знаходиться в гранулах. Ці nклітини часто локалізуються за ходом кровоносних судин мікроциркуляторного nрусла. Під час дегрануляції тканинні базофіли викидають гепарин у міжклітинний nпростір. Гепарин бере участь в регулюванні коагуляції крові. Він підвищує nзвільнення в плазму ферменту ліпопротеїнліпази, зв’язаної з стінками капілярів, nі, таким чином, сприяє гідролізу тригліцеридів хіломікронів і ЛПДНГ. nАнтикоагуляційний ефект гепарину полягає в посиленні дії інгібітора факторів nкоагуляції антитромбіну ІІІ. Гепарин використовується в клінічній практиці як nантикоагулянт.

 

Основну міжклітинну речовину складають nпротеогліканові агрегати з гіалуронової кислоти, низькомолекулярних білків і nвеликої кількості мономерних субодиниць протеогліканів. На частку останніх припадає до 99 % маси агрегатів. Мономери протеогліканів nпобудовані з білка (так званого “корового”) і ковалентно зв’язаних із nним полісахаридних ланцюгів сульфатованих глікозаміногліканів. Молекули nхондроїтинсульфатів приєднані О-глікозидним зв’язком між ксилозою і серином nполі­пептидного ланцюга. Ксилоза не входить до дисахаридних одиниць, а nвиконує фун­к­цію додаткового складника, який зв’язує полісахарид із білком. nІнші глікозаміноглікани можуть приєднуватись глікозидними зв’язками між nN-ацетилглюкозаміном чи N-ацетилгалактозаміном і серином чи аспарагіном nполіпептиду. В типовому протеоглікані хрящової тканини до білка приєднано nприблизно 150 молекул хондроїтинсульфатів і кератансульфатів (рис. ).

Протеоглікани різних тканин (шкіри, хрящів, сухожиль, зв’язок, кісток, nстінок судин, внутрішніх органів) розрізняються молекулярною масою, розмірами, nнабором глікозаміногліканів, відносним вмістом білка.

Протеогліканові nмономери за допомогою низькомолекулярних білків нековалентно приєднуються до nгіалуронової кислоти, утворюючи протеогліканові агрегати. Їх структура нагадує nгілочку ялини (або щітку для пляшок). Перпендикулярно до нитки гіалуронової nкислоти і вздовж усієї нитки рівномірно розміщені протеогліканові мономери. nДовжина молекули гіалуронової кислоти може бути різною (від 450 до 4200 нм) і nдо неї може приєднуватись понад 100 протеогліканових мономе­рів. Усі складники nпротео­гліканових агрегатів утримуються разом зв’язками різ­них типів: іонними, nводневими, ­дисульфідними.

Полісахаридні ланцюги nглікозаміногліканів у протеогліканових агрегатах внаслідок гідратації і відштовхування nоднойменно заряджених груп витягнуті й розміщені не впритул один до одного. При nзовнішньому тиску молекули води частково видавлюються з проміжків і nполісахаридні ланцюги зближуються. У міру зближення опір тиску зростає, а при nзнятті тиску відновлюються форма і об’єм гідратованих агрегатів. Таким чином, nякщо колагенові волокна надають міцності хрящам та іншим різновидам сполучної nтканини, то основна міжклітинна речовина (желеподібна структура із nпротеогліканів) забезпечує тургор, пружно-еластичні властивості. Крім того, nпротеоглікани обмежують дифузію, переміщення через сполучну тканину молекул, nякі мають розмі­ри альбумінів чи імуноглобулінів. Гідроліз гіалуронової кислоти nпід дією гіалуронідази збільшує проникність міжклітинної речовини. Багато патогенних nмікроорганізмів виділяють гіалуронідазу, що допомагає їм рухатись у ­тканинах.

 

 

Із віком у хрящовій тканині знижується кількість протеогліканів, nзростає вміст колагенових волокон, які можуть затримувати солі кальцію і nзвапнюватися. Усі ці зміни викликають зменшення ступеня гідратації nпротеогліканів і втрату пружності хрящової тканини.

<!–[if supportFields]>tc n""<![endif]–><!–[if supportFields]><![endif]–>

Обмін протеогліканів<!–[if supportFields]>tc "6. Обмін протеогліканів"<![endif]–><!–[if supportFields]><![endif]–>

 

Синтез протеогліканів подібний до nсинтезу глікопротеїнів. Спочатку “коровий” білок синтезується на nрибосомах, зв’язаних з ендоплазматичним ретикулом (ЕР). До поліпептидного nланцюга в ЕР послідовно під дією специфічних глікозилтрансфераз приєднуються nмоносахаридні залишки. Процес продовжується в апараті Гольджі. Після утворення nполісахаридного ланцюга певної довжини відбувається приєднання залишків nсірчаної кислоти до моносахаридів. Реакція каталізується сульфотрансферазами, а nдонором служить 3-фосфоаденозин-5-фосфосульфат (ФАФС). Молекули протеогліканів nпотрапляють у гранули і секретуються з клітин. У міжклітинному просторі nвідбувається об’єднання складників протеогліканових ­агрегатів, а також nвзаємодія їх із колагеновими волокнами.

На обмін протеогліканів і колагену nв сполучній тканині впливають ряд гормонів. Так, гормон росту стимулює синтез nпротеогліканів і колагену. Дія його опосередковується соматомединами. Синтез nглікозаміногліканів знижується при недостатності інсуліну. Глюкокортикоїди nпригнічують синтез протеогліканів і колагену у сполучній тканині, кістках, nшкірі, а також підвищують катаболізм білків у цих тканинах. Тому при nгіперфункції кори надниркових залоз спостерігаються потовщення шкіри та nкровоносних судин, остеопороз. На клітинному рівні гормон росту стимулює nпроліферацію фібробластів, а глюкокортикоїди гальмують.

У тканинах організму протеоглікани nпостійно оновлюються. Розпад відбувається в лізосомах, куди протеоглікани nпотрапляють шляхом ендоцитозу. Білкова частина розщеплюється катепсинами, а nвуглеводна – сп­ецифічними глікозидазами. Гіалуронідаза ссавців гідролізує nальфа-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. На рис. показана схема розпаду nхондроїтинсульфату.

 

 

 

Ряд захворювань пов’язаний з порушенням синтезу колагену. Головна причина — nмутації. Так, при спадковому дефіциті лізингідроксилази в колагенових фібрилах nзменшується кількість поперечних зв’язків і погіршуються механічні властивості nволокон, розвивається синдром елерса—данлоса з ураженням шкіри, судин, nсуглобів. Якщо ж не вистачає вітаміну с, гальмуються гідроксилювання і утворення nпоперечних зв’язків, а відтак погіршуються механічні властивості колагенових nволокон. Надмірне утворення колагенових фібрил спостерігається при ряді nзахворювань сполучної тканини (прогресуючому системному склерозі, склеродермії, nполіміозиті), фіброзі легень, цирозі печінки. З віком змінюється співвідношення nтипів колагенів у тканинах, зростає кількість поперечних зшивок, лабільні nзшивки замінюються стабільними, що робить колагенові фібрили жорсткішими. nСтруктурні зміни колагену призводять до зменшення еластичності шкіри, nкровоносних судин, ламкості кісток, погіршення механічних властивостей сухожиль nта хрящів

Генетично зумовлена недостатність навіть однієї лізосомальної глікозидази nвикликає аномальне накопичення в клітинах субстратів і виникнення багатьох nклінічних ознак. Продукти неповного розщеплення глікозаміногліканів у nпідвищеній кількості 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.

 

 

Мукополісахаридози – хвороби накопичення. В результаті нестачі nлізосомальних ферментів змінюється катаболізм глікозаміногліканів та настає їх nнакопичення в лізосомах, що викликає грубу клітинну патологію та характерну nклінічну картину. Захворювання успадковувається за АР типом, за винятком nсиндрому Гантера (рецесивний, зчеплений з Х- хромосомою). За наявним nферментативним дефектом вирізняють 14 типів та підтипів мукополісахаридозів. nЗазвичай захворювання проявляються у віці 1-6 місяців. Виникає і поступово nрозвивається розумова відсталість, фізична неповноцінність, які часто nпризводять до смерті. Основні симптоми захворювання: затримка психічного nрозвитку, неврологічні порушення, підвищеність сухожилкових рефлексів, судоми, nатаксія, дефекти зору (помутніння рогівки, катаракта та ін.), порушення слуху, nкісткові деформації, вади серця, гепатоспленомегалія.

Клінічна картина захворювань досить різноманітна і включає ураження nсполучної тканини, які в одних випадках більш виражені в скелеті чи його nчастинах, в інших – в ураженні серця чи рогової оболонки очей. Біохімічним nмаркером хвороб накопичення є гіперсекреція і/чи внутрішньоклітинне накопичення nглікозаміногліканів. Нині існує перспектива лікування мукополісахаридозів nрекомбінантними препаратами (для лікування мукополісахарідозів 1 та 4 типів, nхвороби Фабрі. Є надія, що ці препарати в найближчому майбутньому з’являться і nв Україні.

 

 

Для синдрому Гурлера характерне раннє помутніння рогової оболонки, карликовість, гіпертрихоз, скіфоцефалія, макроцефалія, розумова відсталість, грубі риси обличчя, втрата слуху, гепатоспленомегалія, кили (грижі), nвикривлення колінних суглобів, брахідактилія, кігтеподібна кисть, розширення діафізів.

Для синдрому Хантера характерні дизостози з карликовістю, розумова відсталість, гепатоспленомегалія, кардіопатія, відсутність помутніння рогівки, атиповий пігментний ретиніт, набряк диска зорового нерва, збільшене турецьке сідло, дзьобоподібні тіла поперекових хребців.

Для синдрому Санфіліппо (А, В, С ) nхарактерна помірна карликовість, гіпертрихоз, середньої важкості ураження скелета, ущільнення кісток склепіння черепа, помірне огрубіння рис обличчя, відсутність помутніння рогівки, зниження слуху, незначна гепатомегалія, двоопуклі тіла поперекових хребців, розумова відсталість.

Проявами синдрому Моркіо є карликовість, ущільнення кісток склепіння черепа, помутніння рогівки, втрата слуху, помірна гепатомегалія, гіпоплазія зубовидного відростка, підвивих шийних хребців, цервікальна мієлопатія, кільоподібна деформація грудини, загальна слабкість м‘язів, дисплазія стегон, збережений інтелект.

Синдром Шейє клініка така ж як і при синдромі Гурлера, але наявна тугорухливість суглобів, аортальна регургітація, але інтелект нормальний. Деякі nдослідники вважають його синдромом Гурлера.

Синдром Марото-Ламі – симптоматика, як при синдромі Гурлера, але інтелект nнормальний.

Синдром Слая – грубі риси обличчя, різний ступінь помутніння рогівки, nзниження слуху, гепатомегалія та спленомегалія, деформація грудної клітки, nХ-подібна деформація ніг, збережений інтелект.

Синдром ді Ферранте — низькорослість, розумова відсталість, гірсутизм, nгрубе волосся, гепатомегалія, помірний множинний дизостоз, гіпоплазія зубовидного nвідростка.

9-й тип – низькорослість, множинні відкладення гіалуронової кислоти у nнавколосуглобових тканинах.

Діагностика. Використовується нефелометричний тест та локусна диференціація nвизначення активності 6 ферментів, які беруть участь у деградації nглікозаміногліканів, метаболічне кооперування. Напівкількісне та кількісне nвизначення екскретованих глікозаміногліканів, а також електролітичне nфракціювання дає змогу диференціювати захворювання.

 

Діагностика окремих типів грунтується на ідентифікації метаболітів у сечі nта виявленні дефектів ферментів у культурі фібробластів. Мукополісахаридози nможна діагностувати і під час вагітності шляхом визначення активності nвідповідних ферментів у клітинах амніотичної рідини. Розробляють методи nзамінної терапії мукополісахаридозів ферментами.

 

 

Діагностика nокремих типів грунтується на ідентифікації метаболітів у сечі та виявленні nдефектів ферментів у культурі фібробластів. Мукополісахаридози можна nдіагностувати і під час вагітності шляхом визначення активності відповідних nферментів у клітинах амніотичної рідини. Розробляють методи замінної терапії nмукополісахаридозів ферментами.

Мукополісахаридоз І типу (синдром Гурлера) Хлопчику 3 роки

Мукополісахаридоз II типу (синдром Хантера) Хлопчику 7 років

Хвороба Гоше – спадкове захворювання з групи сфінголіпідозів, зумовлене nнестачею лізосомального ферменту — глюкоцереброзидази