Катаболизм белков межклеточного матрикса

Скорость обмена коллагенов невысока: время их полужизни составляет недели или месяцы. Время полужизни эластина в тканях человека - около
75 лет.

Основную роль в катаболизме белков межклеточного матрикса играют металлопротеиназы - Са-зависимые, цинксвязывающие эндопептидазы. Регуляторами их активности служат тканевые ингибиторы металлопротеиназ, а также цитокины.

Коллагеназаперерезает все три пептидные цепи коллагена между остатками глицина и лейцина. Образующиеся фрагменты денатурируют и гидролизуются разными пептидгидролазами. Содержание гидроксипролина в крови и моче отражает баланс скорости катаболизма коллагена и гидроксипролина. Экскреция гидроксипролина увеличивается вследствие ускоренного распада коллагена при некоторых болезнях, например при гиперпаратироидизме, болезни Педжета, ревматоидном артрите.

Протеогликаны обмениваются с высокой скоростью. Время полужизни протеогликанов межклеточного матрикса - дни или недели, клеточной поверхности - часы. Разрушаются протеогликаны в лизосомах.

Активация ферментного катаболизма коллагена происходит при участии кортизона и его аналогов, которые угнетают биосинтез коллагена фибробластами, тормозят биосинтез гликозаминогликанов. Тироксин вызывает деполимеризацию гиалуроновой кислоты.

Такие гормоны, как альдостерон, дезоксикортикостерон стимулируют биосинтез «основного вещества» соединительной ткани. Соматотропный гормон передней доли гипофиза стимулирует включение пролина в полипептидную цепь тропоколлагена.

Репарация повреждений межклеточного матрикса в норме

В матриксе могут возникать отдельные очаги повреждения (например, в результате случайного протеолиза). В зоне нарушения активируются металлопротеиназы. Происходит деградация поврежденных и неправильно ориентированных молекул. Базальная мембрана служит матрицей для сборки новой мембраны, замещающей поврежденную.

В заживлении ран участвует ряд цитокинов, но особая роль принадлежит трансформирующему фактору роста (ТФР-β). ТФР-β индуцирует синтез коллагена, фибронектина, ламинина, гликозамингликанов и подавляет их деградацию. ТФР-β стимулирует синтез интегринов, регулирующих образование компонентов межклеточного матрикса.

Биохимические изменения соединительной ткани при старении

При старении происходитуменьшение содержания воды и отношения основное вещество/волокна за счет нарастания содержания коллагена и снижения концентрации гликозаминогликанов, особенно гиалуроновой кислоты. Увеличивается число сшивок в коллагене, уменьшается его эластичность (процесс «созревания» фибриллярных структур соединительной ткани). Это нормальный итог протекающих в организме метаболических процессов.

Заболевания, связанные с поражениями соединительной ткани

Цинга - болезнь, вызываемая острым недостатком витамина C. Это приводит к нарушению синтеза коллагена, соединительная ткань теряет свою прочность. Симптомы - вялость, быстрая утомляемость, ослабление мышечного тонуса, ревматоидные боли, расшатывание и выпадение зубов; хрупкость кровеносных сосудов приводит к кровоточивости десен, кровоизлияниям на коже. Лечение и профилактика - нормальная обеспеченность организма витамином C.

Коллагенозы (болезни соединительной ткани) - ревматизм, ревматоидный артрит, системная красная волчанка, системная склеродермия, дерматомиозит. Происходит повреждение всех структурных составных частей соединительной ткани. Для всех коллагенозов характерны полиорганность поражения, васкулиты (воспаление и некроз сосудистой стенки), артриты и нарушения иммунитета. Наибольшее признание получила теория инфекционно-аллергического происхождения этих заболеваний, в частности - концепция аутоиммунного генеза. Лечебное действие оказывают кортикостероидные гормоны и различные иммунодепрессанты.

Фиброз - патологическое разрастание волокнистой составляющей соединительной ткани, избыточное накопление межклеточного матрикса с появлением рубцовых изменений различных органов. Ему предшествует достаточно длительная воспалительная фаза развития болезни, обычно связанная с хроническим действием повреждающего фактора (этанол при циррозе печени, вдыхание пыли при фиброзе легких, гипергликемия при диабетической нефропатии и др.).

Мукополисахаридозы- группа наследственных болезней соединительной ткани, обусловленных нарушением обмена гликозаминогликанов в результате генетически обусловленной неполноценности ферментов, участвующих в их расщеплении. Гликозаминогликаны накапливаются в большом количестве в органах и тканях. Основными проявлениями мукополисахаридоза являются системное поражение скелета, нервной системы, глаз, внутренних органов; задержка физического развития. Наблюдается резкое нарушение развития ребенка и уменьшение продолжительности жизни.

Для лечения назначают гормональные препараты: АКТГ для подавления синтеза мукополисахаридов, тиреоидин, преднизолон. Используют большие дозы витамина А, сердечные препараты; делаются попытки лечения цитостатическими средствами.

Известно свыше 400 мутаций коллагенов, связанных с хондродисплазиями, некоторыми формами остеопороза и остеоартритов.

Контрольные вопросы

1. Перечислите функции межклеточного матрикса.

2. Охарактеризуйте строение и биологическую роль основных белков межклеточного матрикса.

3. Какие ферменты играют основную роль в катаболизме белков межклеточного матрикса?

4. Объясните причины повышенной кровоточивости при недостатке витамина С.

5. Какие соединения называются гликозаминогликанами? Приведите примеры.

6. Какую роль выполняют протеогликаны в составе хряща суставных поверхностей?

7. Опишите биохимические изменения соединительной ткани при старении.

8. Какие заболевания связаны с поражением соединительной ткани?

БИОХИМИЯ КРОВИ

СОСТАВ И ФУНКЦИИ КРОВИ

Кровь - это жидкая соединительная ткань, перемещающаяся по кровеносным сосудам. Кровь выполняет функцию средства интеграции обмена веществ разных органов.

Оосновные функции крови:

- транспортная – перенос веществ в организме. Данная функция включает:

- дыхательную функцию (перенос О₂ из легких в ткани и СО₂ из тканей в легкие);

- трофическую функцию (перенос продуктов пищеварения от кишечника к разным органам: глюкозы и кетоновых тел из печени в мышцы и т.д.);

- выделительную функцию (перенос мочевины из печени в почки, билирубина из разных тканей в печень и т.д.);

- коммуникативную (регуляторную) функцию (перенос гормонов и других регуляторных веществ к органам-мишеням);

- гомеостатическая функция – кровь поддерживает водный баланс между кровеносной системой, клетками (внутриклеточным пространством) и внеклеточной средой, участвует в регуляции водно-солевого и кислотно-щелочного баланса, регуляции температуры тела путем теплообмена между тканями и движущейся кровью.

- защитная функция - кровь обладает неспецифическими и специфическими механизмами защиты против чужеродных молекул и клеток, проникающих в организм (клетки иммунной системы, антитела); для предотвращения кровопотери при повреждении кровеносных сосудов в крови существует эффективная система коагуляции.

Общее количество крови в организме взрослого человека составляет около 5 л (примерно 7-8% от массы тела). Кровь состоит из жидкой части и форменных элементов: эритроцитов, лейкоцитов и тромбоцитов. Доля клеточных элементов в общем объеме называется гематокритом и составляет примерно 45%.

После осаждения клеток крови путем центрифугирования, над осадком остаётся жидкость – плазма крови. Белок плазмы фибриноген при стоянии превращается в нерастворимый фибрин, образующий сгусток. Оставшаяся жидкость представляет собой сыворотку крови.

Состав плазмы отражает метаболические процессы, происходящие в организме, поскольку изменения концентрации метаболитов в клетках, даже если они происходят в отдельных органах, влияют на концентрации этих метаболитов в крови.

Плазма крови представляет собой примерно 10% водный раствор электролитов, питательных веществ, метаболитов, белков, витаминов и сигнальных веществ. Концентрация белков составляет около 7%, минеральных солей около 1%, остальная часть приходится на различные небелковые органические соединения: глюкозу, молочную кислоту, пировиноградную кислоту, мочевину, билирубин, креатин, креатинин, мочевую кислоту и др.

Белки плазмы методом электрофореза можно разделить на 5 фракций: альбумины, α₁-глобулины, α₂-глобулины, β-глобулины и g-глобулины. Каждая из этих фракций представляет собой смесь разных белков. Большинство белков, содержащихся в плазме, синтезируются в печени.

На долю альбуминов приходится более половины (55-60% или
40-50 г/л) белков плазмы крови. Альбумины выполняют функцию транспорта гормонов, жирных кислот, способны связываться с холестерином, желчными пигментами, кальцием. Альбумины играют важную роль в поддержании онкотического давления крови. Понижение концентрации альбуминов в сыворотке ниже 30 г/л вызывает снижение онкотического давления крови, что приводит к возникновению отеков. Концентрация альбумина в крови может снижаться вследствие нарушения его синтеза в печени (цирроз и другие заболевания), а также его выделения с мочой при заболеваниях почек (альбуминурия). Для этих состояний также характерны отёки.

Глобулины представлены 2 фракциями – эуглобулинами и псевдоглобулинами. Фракция эуглобулинов в основном состоит из g-глобулинов, а фракция псевдоглобулинов из α-, β- и g-глобулинов. Иммуноглобулины, или антитела входят во фракцию g-глобулинов. Они синтезируются
β-лимфоцитами или образующимися из них плазматическими клетками. Увеличение уровня g-глобулинов: например, в результате инфекционного процесса, может привести к гиперпротеинемии.

При многих заболеваниях изменяется процентное соотношение отдельных белковых фракций плазмы крови, хотя общее содержание белка в сыворотке крови остается в пределах нормы. Такое состояние носит название диспротеинемия.

БУФЕРНЫЕ СИСТЕМЫ КРОВИ

Кровь играет определяющую роль в поддержании кислотно-щелочного равновесия. Нормальный рН крови составляет 7,4±0,04. Увеличение рН крови называется алкалозом, а снижение – ацидозом. Изменение рН крови может привести к развитию патологических состояний или гибели организма. Поэтому в организме существуют специальные системы, которые препятствуют изменению рН крови и других биологических жидкостей при образовании кислых и щелочных продуктов или при большом поступлении воды. Такую функцию выполняют отдельные физиологические системы (дыхательная, выделительная), а также буферные системы. Последние очень быстро (в течение нескольких секунд) реагируют на изменение концентрации Н⁺ и ОН^- в водных средах и являются срочными регуляторами кислотно-основного состояния в тканях организма.

Буферные системы – это смесь слабой кислоты и ее растворимой соли, двух солей или белков, которые способны препятствовать изменению рН водных сред. Действие буферных систем направлено на связывание избытка Н⁺ или ОН^- в среде и поддержание постоянства рН среды. При действии буферной системы образуются слабодиссоциируемые вещества или вода. К основным буферным системам крови относятся бикарбонатная, белковая, гемоглобиновая и фосфатная. Имеются также ацетатная и аммонийная буферные системы.

Бикарбонатная буферная система - мощная и наиболее мобильная система крови и внеклеточной жидкости. На ее долю приходится около 10% всей буферной емкости крови. Бикарбонатная система представляет собой сопряжённую кислотно-основную пару, состоящую из молекулы угольной кислоты Н₂СО₃, выполняющую роль донора протона, и бикарбонат-иона НСО₃^-, выполняющего роль акцептора протона:

СО₂ + Н₂О ↔ Н₂СО₃ ↔ Н⁺ + НСО₃^-

Бикарбонатная буферная система функционирует как эффективный регулятор в области рН = 7,4. Концентрация недиссоциированных молекул Н₂СО₃ в крови незначительна и зависит от концентрации растворенного СО₂. При нормальном значении рН крови (7,4) отношение концентрации ионов бикарбоната НСО₃^- в плазме крови к концентрации СО₂ около 20. При выделении в кровь относительно больших количеств кислых продуктов (например, молочной кислоты) протоны Н⁺ взаимодействуют с ионами бикарбоната НСО₃^-, что приводит к образованию слабодиссоциирущей Н₂СО₃. Удаление Н₂СО₃ достигается в результате ускоренного выделения СО₂ через легкие в результате их гипервентиляции. Если в крови увеличивается количество оснований, то они, взаимодействуя с Н₂СО₃, образуют ионы бикарбоната и воду. В результате протекающих процессов не происходит заметных изменений рН.

Связывание НСО₃^- приводит к дефициту СО₂. Для сохранения нормального соотношения между компонентами буферной системы происходит задержка в плазме крови некоторого количества СО₂ в результате гиповентиляции легких.

Бикарбонатная система тесно связана с гемоглобиновой системой.

Гемоглобиновая буферная система самая мощная.На ее долю приходится более половины буферной емкости крови. Она состоит из неионизированного гемоглобина ННb (слабая органическая кислота, донор протонов) и калиевой соли гемоглобина КНb (сопряженное основание, акцептор протонов). Точно так же может быть рассмотрена оксигемоглобиновая буферная система. Оксигемоглобин – более сильная кислота, чем дезоксигемоглобин.

Когда кровь находится в тканевых капиллярах, откуда поступают кислые продукты, гемоглобин выполняет функции основания:

КНb + Н₂СО₃ ® КНСО₃ + ННb.

Это обеспечивает поддержание рН крови в пределах физиологически допустимых величин. В легких гемоглобин, напротив, ведет себя как кислота и предотвращает защелачивание крови после выделения углекислоты. Гемоглобин (ННb), попадая в капилляры легких, превращается в оксигемоглобин (ННbО₂), что приводит к некоторому подкислению крови, вытеснению части Н₂СО₃ из бикарбонатов и понижению щелочного резерва крови.

Фосфатная буферная система составляет не более 5% буферной емкости крови. В других тканях эта система является одной из основных. Она представляет собой сопряженную кислотно-основную пару, состоящую из иона Н₂РО₄^- (донор протонов) и иона НРО₄^2- (акцептор протонов). В крови максимальная емкость фосфатного буфера проявляется вблизи значения 7,2. Органические фосфаты также обладают буферными свойствами, но мощность их слабее, чем неорганического фосфатного буфера.

Белковая буферная система имеет меньшее значение для поддержания кислотно-основного равновесия в плазме крови, чем другие буферные системы (около 7% буферной емкости крови). Белки образуют буферную систему благодаря наличию в молекулах белков групп кислотного и основного характера и их способности к ионизации. Белковая буферная система плазмы крови эффективна в области значений рН 7,2-7,4.

ДЫХАТЕЛЬНАЯ ФУНКЦИЯ КРОВИ

Важной функцией крови является ее способность переносить кислород к тканям и СО₂ от тканей к легким. Веществом, осуществляющим эту функцию, является гемоглобин. Гемоглобин способен связывать О₂ при сравнительно высоком содержании его в атмосферном воздухе и легко отдавать при понижении парциального давления О₂:

Нb + О₂ ↔ НbО₂.

Поэтому в легочных капиллярах происходит насыщение крови О₂, в то время как в тканевых капиллярах, где парциальное давление его резко снижается, наблюдается обратный процесс – отдача кровью кислорода тканям.

Образующийся в тканях при окислительных процессах СО₂ подлежит выведению из организма. Обеспечение такого газообмена осуществляется несколькими системами организма.

Наибольшее значение имеют внешнее, или легочное, дыхание, обеспечивающее направленную диффузию газов через альвеолокапиллярные перегородки в легких и обмен газов между наружным воздухом и кровью; дыхательная функция крови, зависимая от способности плазмы растворять и способности гемоглобина обратимо связывать кислород и углекислый газ; транспортная функция сердечно-сосудистой системы (кровотока), обеспечивающая перенос газов крови от легких к тканям и обратно; функция ферментных систем, обеспечивающая обмен газов между кровью и клетками тканей, т.е. тканевое дыхание.

Диффузия газов крови осуществляется через мембрану клеток по концентрационному градиенту. За счет этого процесса в альвеолах легких в конце вдоха происходит выравнивание парциальных давлений различных газов в альвеолярном воздухе и крови. Обмен с атмосферным воздухом в процессе последующих выдоха и вдоха вновь приводит к различиям концентрации газов в альвеолярном воздухе и в крови, в связи с чем происходит диффузия кислорода в кровь, а углекислого газа из крови.

Большая часть О₂ и СО₂ переносится в связанной с гемоглобином форме в виде молекул HbO₂ и HbCO₂. Максимальное количество кислорода, связываемое кровью при полном насыщении гемоглобина кислородом, называется кислородной емкостью крови. В норме ее величина колеблется в пределах 16,0–24,0 об.% и зависит от содержания в крови гемоглобина, 1 г которого может связать 1,34 мл кислорода (число Хюфнера).

СО₂, образующийся в тканях, переходит в кровь кровеносных капилляров, затем диффундирует внутрь эритроцита, где под влиянием карбоангидразы превращается в угольную кислоту, которая диссоциирует на Н⁺ и НСО₃^-. НСО₃^- частично диффундируют в плазму крови, образуя бикарбонат натрия. Он при поступлении крови в легкие (как и ионы НСО₃^-, содержащиеся в эритроцитах) образует СО₂, который диффундирует в альвеолы. Около 80% всего количества СО₂ переносится от тканей к легким в виде бикарбонатов, 10% – в виде свободно растворенной углекислоты и 10% – в виде карбгемоглобина. Карбгемоглобин диссоциирует в легочных капиллярах на гемоглобин и свободный СО₂, который удаляется с выдыхаемым воздухом. Освобождению СО₂ из комплекса с гемоглобином способствует превращение последнего в оксигемоглобин, который, обладая выраженными кислотными свойствами, способен переводить бикарбонаты в угольную кислоту, диссоциирующую с образованием молекул воды и СО₂.

При недостаточном насыщении крови кислородом развивается гипоксемия, которая сопровождается развитием гипоксии, т.е. недостаточным снабжением тканей кислородом. Тяжелые формы гипоксемии могут вызвать полное прекращение доставки кислорода тканям, тогда развивается аноксия, в этих случаях наступает потеря сознания, которая может закончиться смертью.

Патология газообмена, связанная с нарушением транспорта газов между легкими и клетками организма, наблюдается при уменьшении газовой емкости крови вследствие недостатка или качественных изменений гемоглобина, и проявляется в виде анемических гипоксий. При анемиях кислородная емкость крови уменьшается пропорционально снижению концентрации гемоглобина. Снижение концентрации гемоглобина при анемиях ограничивает и транспорт углекислоты от тканей к легким в форме карбоксигемоглобина.

Нарушение транспорта кислорода кровью возникает также при патологии гемоглобина, например при серповидно-клеточной анемии, при инактивации части молекул гемоглобина за счет превращения его в метгемоглобин, например, при отравлении нитратами (метгемоглобинемия), или в карбоксигемоглобин (отравление СО).

Нарушения газообмена вследствие уменьшения объемной скорости кровотоки в капиллярах возникают при сердечной недостаточности, сосудистой недостаточности (в т.ч. при коллапсе, шоке), локальные нарушения – при ангиоспазме и др. В условиях застоя крови концентрация восстановленного гемоглобина возрастает. При сердечной недостаточности этот феномен особенно выражен в капиллярах отдаленных от сердца участков тела, где кровоток наиболее замедлен, что клинически проявляется акроцианозом. Первичное нарушение газообмена на уровне клеток наблюдается главным образом при воздействии ядов, блокирующих дыхательные ферменты. В результате клетки утрачивают способность утилизировать кислород, и развивается резкая тканевая гипоксия, приводящая к структурной дезорганизации субклеточных и клеточных элементов, вплоть до некроза. Нарушению клеточного дыхания может способствовать витаминная недостаточность, например дефицит витаминов В₂, РР, являющихся коферментами дыхательных ферментов.

11.4. СИСТЕМА СВЕРТЫВАНИЯ КРОВИ.
ИЗМЕНЕНИЯ ПРИ ПАТОЛОГИИ

При случайных повреждениях мелких кровеносных сосудов возникающее кровотечение через некоторое время прекращается. Это связано с образованием в месте повреждения сосуда тромба или сгустка. Данный процесс называется свёртыванием крови.

В настоящее время существует классическая ферментативная теория свертывания крови – теория Шмидта – Моравица.Согласно этой теории, повреждение кровеносного сосуда вызывает каскад молекулярных процессов, в результате образуется сгусток крови - тромб, прекращающий вытекание крови.

Весь процесс свёртывания крови представлен следующими фазами гемостаза:

1. Сокращение поврежденного сосуда.

2. Образование в месте повреждения белого тромба. В месте повреждения к открывшемуся межклеточному матриксу прикрепляются тромбоциты; возникает тромбоцитарная пробка. Коллаген сосуда служит связующим центром для тромбоцитов. Одновременно включается система реакций, ведущих к превращению растворимого белка плазмы фибриногена в нерастворимый фибрин, который откладывается в тромбоцитарной пробке и на её поверхности, образуется тромб. Белый тромб содержит мало эритроцитов (образуется в условиях высокой скорости кровотока). При агрегации тромбоцитов освобождаются вазоактивные амины, которые стимулируют сужение сосудов.

3. Формирование красного тромба (кровяной сгусток). Красный тромб состоит из эритроцитов и фибрина (образуется в областях замедленного кровотока).

4. Частичное или полное растворение сгустка.

В процессе свертывания крови участвуют специфические факторы свертывания. Факторы свертывания, находящиеся в плазме крови, обозначают римскими цифрами, а связанные с тромбоцитами - арабскими.

Фактор I(фибриноген) - гликопротеин. Синтезируется в печени.

Фактор II(протромбин) - гликопротеин. Синтезируется в печени при участии витамин К. Способен связывать ионы кальция. При гидролитическом расщеплении протромбина образуется активный фермент свертывания крови.

Фактор III(тканевый фактор, или тканевый тромбопластин) образуется при повреждении тканей. Липопротеин.

Фактор IV(ионы Са²⁺). Необходимы для образования активного фактора X и активного тромбопластина тканей, активации проконвертина, образования тромбина, лабилизации мембран тромбоцитов.

Фактор V(проакцелерин) - глобулин. Предшественник акцелерина, синтезируется в печени.

Фактор VII(антифибринолизин, проконвертин) - предшественник конвертина. Синтезируется в печени при участии витамина К.

Фактор VIII(антигемофильный глобулин А) необходим для формирования активного фактора X. Врожденный недостаток фактора VIII - причина гемофилии А.

Фактор IX(антигемофильный глобулин В, Кристмас-фактор) принимает участие в образовании активного фактора X. При недостаточности фактора IX развивается гемофилия В.

Фактор X(фактор Стюарта-Прауэра) - глобулин. Фактор X участвует в образовании тромбина из протромбина. Синтезируется клетками печени при участии витамина К.

Фактор XI(фактор Розенталя) - антигемофильный фактор белковой природы. Недостаточность наблюдается при гемофилии С.

Фактор XII(фактор Хагемана) участвует в пусковом механизме свертывания крови, стимулирует фибринолитическую активность, другие защитные реакции организма.

Фактор XIII(фибринстабилизирующий фактор) - участвует в образовании межмолекулярных связей в фибрин-полимере.

Факторы тромбоцитов. В настоящее время известно около 10 отдельных факторов тромбоцитов. Например: Фактор 1- адсорбированный на поверхности тромбоцитов проакцелерин. Фактор 4 - антигепариновый фактор.