Ce este matricea extracelulară și de ce toată lumea o studiază? Substanță intercelulară (matrice) Matrice în celulă
Matricea extracelulară (ECM) este o substanță multicomponentă în care sunt scufundate toate celulele corpului nostru. În ultimul deceniu, interesul pentru matricea extracelulară a crescut semnificativ. Acest lucru se datorează stabilirii rolului său în îmbătrânirea, diferențierea celulară, terapia cu succes a cancerului și tratamentul anumitor boli ereditare. Am pregătit o serie de articole în care vom vorbi despre organizarea matricei extracelulare, boli asociate patologiilor acesteia, rolul ECM în îmbătrânire și abordări de corectare a modificărilor legate de vârstă.
În primul articol al seriei, vorbim despre componentele și funcțiile matricei extracelulare, înțelegem ce beneficii practice poate aduce studiul acesteia și, de asemenea, subliniem pe scurt cele mai importante descoperiri în acest domeniu făcute în ultimul an.
Figura 1. Organizarea ECM folosind pielea ca exemplu. Fibroblastele creează ECM, metaloproteinazele îl distrug. Celulele epidermice sunt conectate la ECM folosind integrine.
Componentele VCM
Există două subclase de proteine care conțin carbohidrați - proteoglicani și glicoproteine. Ambele subclase fac parte din ECM, dar există diferențe semnificative între ele.
Glicoproteinele includ proteine structurale importante, cum ar fi colagenul și elastina. Datorită celei mai abundente proteine structurale din organism - colagen- ECM capătă putere, iar datorită elastina- flexibilitate si elasticitate.
Integrinele preiau semnale chimice și fizice din matricea extracelulară și le transportă în celulă. Semnalul de la integrine este transmis la nucleu prin proteinele citoscheletice și proteinele de semnalizare - acesta este modul în care ECM controlează expresia genelor și reglează proliferarea celulară. Prin medierea proteinelor citoscheletice, ECM controlează, de asemenea, forma și mișcarea celulelor.
Acid hialuronic (HA) sintetizate de proteinele încorporate în membrană și apoi „strecurate” prin ea în spațiul intercelular. Compoziția HA este similară cu partea carbohidrată a proteoglicanului și este un polimer al acidului D-glucuronic și al resturilor de D-N-acetilglucozamină. HA ajută integrinele să conducă semnalele în celule, reglează răspunsul celular la aceste semnale și, ca și fibronectina, permite celulelor să se atașeze de diferite suprafețe. Figurat vorbind, Codul civil îndeplinește sarcinile de „furnizor de internet” și de „bilet de transport public”.
De ce este atât de important să studiem matricea extracelulară?
Matricea extracelulară este prezentă în toate țesuturile corpului, astfel încât întreruperile în funcționarea acesteia duc la dezvoltarea bolilor țesutului conjunctiv, îmbătrânirea prematură și moartea celulelor. Cel mai evident stimulent pentru studierea ECM este necesitatea de a trata bolile asociate cu tulburări ale structurii țesutului conjunctiv. Există multe astfel de boli, pot fi severe și pot înrăutăți semnificativ calitatea vieții pacienților. Aici sunt cateva exemple.
Mutații în gene, responsabile de sinteza proteinelor structurale ale ECM, conduc la patologii congenitale. Deoarece țesutul conjunctiv este baza tuturor sistemelor corpului, orice organ poate suferi de tulburări genetice. Astfel de încălcări duc la:
- la nivelul osului - până la osteogeneza imperfectă,
- la nivelul pielii - la sindromul Ehlers-Danlos, în care pielea devine prea elastică,
- la nivelul țesutului muscular – până la distrofia musculară congenitală (CMD).
Dintre toate tipurile de tulburări genetice ale ECM, miodistrofia congenitală este cea mai bine studiată. Această boală se dezvoltă din cauza mai multor mutații care afectează funcția musculară. Ca urmare a unei mutații a genei ITGA7, care codifică integrinele celulelor musculare, conexiunea celulelor cu ECM este întreruptă. Acest lucru este dezastruos pentru țesutul muscular: pierderea conexiunilor cu ECM declanșează apoptoza - moartea celulară programată.
Distrugerea prematură a ECM- altă problemă serioasă. O matrice extracelulară sănătoasă este în mod constant reînnoită și restructurată. O familie de metaloproteinaze, proteine care distrug ECM, este responsabilă pentru acest lucru.
Metaloproteinazele sunt enzime al căror centru catalitic include ioni metalici, în principal zinc. De aici și numele cu prefixul „metal-”. Pe lângă centrul catalitic, care este responsabil pentru distrugerea ECM, metaloproteinazele au un prodomeniu reglator care protejează enzima de activarea prematură și fals pozitive.
Cum exact metaloproteinazele distrug colagenul și „desprind” celulele din fibrele matricei extracelulare este descris în articolul „ Cine tăie pădurea de colagen?". Acum este important pentru noi să înțelegem că, dacă metaloproteinazele „scăpa de sub control”, atunci încep să măture literalmente totul în calea lor. Distrugerea necontrolată a ECM duce la fibroză și poate provoca cancer, de exemplu, cancerul de prostată.
O altă patologie cauzată de tulburări în procesele de distrugere și formare a ECM este boala Crohn (inflamația cronică intestinală). Pe măsură ce se dezvoltă, apar fistulizarea și fibrostenoza intestinală (Fig. 3).
Figura 3. În boala Crohn apare fistulizarea și fibrostenoza intestinului. Datorită distrugerii excesive a ECM, se formează găuri în peretele intestinal, iar din cauza sintezei excesive de colagen, lumenul intestinal se îngustează.
Fistulizarea este formarea de găuri în peretele intestinal. Acest proces este asociat cu activitatea necontrolată a metaloproteinazelor care distrug colagenul mucoasei intestinale. Deoarece integritatea mucoasei este perturbată, celulele imune din vasele de sânge pătrund în peretele intestinal - așa se dezvoltă inflamația și, după un timp, apare o gaură în peretele intestinal.
Fibrostenoza este o îngustare a intestinului. Ca răspuns la deteriorare, fibroblastele produc intens colagen. Apoi activat lizil oxidaza- o enzimă extracelulară care conține cupru care catalizează formarea de legături încrucișate complexe în colagen și elastină. Lisiol oxidaza este necesară pentru formarea fibrelor mature de colagen, dar când este în exces, încep problemele. Această enzimă creează o rețea puternică de colagen care „sigilează” pereții intestinali deteriorați, dar din cauza rigidității excesive a „sigilurilor” de colagen, fibroza nu face decât să se intensifice. Rezultatul este inflamația și (uneori) obstrucția intestinală. Fistulizarea crește fibrostenoza: distrugerea necontrolată a colagenului stimulează sinteza acestuia la fel de necontrolată.
Sinteza excesivă a ECM adesea indică faptul că o persoană are cancer și că acest cancer are un prognostic prost. În plus, ECM în sine poate promova creșterea tumorii și răspândirea metastazelor - acest lucru a fost dovedit pentru tumorile cerebrale. Ceea ce este deosebit de îngrijorător este că tratamentele existente - cum ar fi terapia cu radiații - pot determina ECM să trimită un semnal către celule care poate duce la reapariția tumorii cerebrale.
Compoziția ECM a creierului este unică: conține mult acid hialuronic și mult mai puțin colagen, fibronectină și alte componente caracteristice ECM ale tuturor celorlalte țesuturi. În ciuda importanței HA pentru funcția normală a țesuturilor, în unele cazuri ajută la transmiterea semnalelor către celulele tumorale care le fac mai agresive. Vom vorbi despre cum exact HA „tachinează” celulele canceroase în secțiunea „ Ce noi am aflat despre matricea extracelulară în ultimul an?»
Radioterapia stimulează funcționarea proteinelor membranare HAS2, care sunt responsabile de sinteza HA. Drept urmare, sintetizează mai mult acid hialuronic, iar cu cât mai mult HA, cu atât celulele tumorale devin mai agresive. Se pare că radioterapia poate stimula metastazele tumorale. Astfel, datorită naturii ECM, radioterapia ajută doar temporar: tumora revine adesea, devenind și mai periculoasă. Acesta este, parțial, motivul pentru care unele tipuri de tumori cerebrale sunt atât de dificil de tratat.
Problemele ECM sunt o cauză importantă a îmbătrânirii
Primele semne de îmbătrânire care sunt imediat vizibile sunt slăbiciunea, oasele fragile, apariția ridurilor și a petelor de vârstă. Multe dintre aceste probleme sunt asociate cu modificări ireversibile ale matricei extracelulare.
Unul dintre motive îmbătrânirea pielii- perturbarea funcționării fibroblastelor (celule care sintetizează componente ale matricei extracelulare). În același timp, bunăstarea fibroblastelor depinde de starea matricei extracelulare - se obține un cerc vicios.
Figura 4. Micrografie a filamentelor de colagen din piele. A - Colagen „întreg” în pielea tânără. b - Colagen fragmentat în pielea îmbătrânită. Săgețile indică fire vechi de colagen „rupte”.
Pentru ca fibroblastele să prospere, trebuie să se agațe de filamentele de colagen intacte. Dar, în timp, aceste fire se fragmentează, iar fibroblastele nu au de ce să se atașeze pentru a crea colagen nou, intact (Fig. 4). Dacă am învăța să rupem acest cerc vicios, atunci este foarte posibil să nu mai avem niciodată nevoie de serviciile anti-îmbătrânire ale cosmetologilor și chirurgilor plastici.
Îmbătrânirea țesutului osos cel mai adesea asociat cu disfuncția osteoblastelor. Aceste celule creează ECM osoase prin sintetizarea colagenului și a glicoproteinelor speciale care sunt implicate în prima etapă a mineralizării colagenului. În a doua etapă, colagenul este transformat într-o matrice extracelulară puternică - baza osului.
De-a lungul anilor, osteoblastele vechi mor, iar cele noi se împart din ce în ce mai rău. Devine din ce în ce mai dificil pentru celulele senescente supraviețuitoare să facă față creării matricei extracelulare. Din această cauză, oasele la persoanele în vârstă devin foarte fragile și nu se vindecă bine după fracturi.
Dacă am putea face ca osteoblastele să se dividă sau chiar să ne dăm seama cum să le ajutăm să mineralizeze țesutul conjunctiv mai eficient, persoanele în vârstă s-ar putea recupera mai repede după fracturi. O astfel de muncă este deja în curs de desfășurare!
Într-unul dintre aceste studii, cercetătorii au luat un gel de colagen, au adăugat două proteine non-colagen responsabile de mineralizarea colagenului (osteocalcină și osteopontină) și au creat o matrice extracelulară artificială pe baza acestora. Cercetătorii au „oferit” această ECM artificială osteoblastelor derivate din celulele stem din măduva osoasă. Ca urmare, diviziunea osteoblastelor a fost activată, iar aceste osteoblaste au început să producă mai multe componente ale matricei extracelulare – totuși, până acum doar în condiții de laborator. Vor fi necesare mult mai multe cercetări înainte ca un ECM artificial să poată apărea în cabinetul medicului traumatolog și să ajute la restaurarea oaselor la pacienții reali.
Ce noi am aflat despre matricea extracelulară în ultimul an?
Sute de grupuri de cercetare din întreaga lume lucrează la studiul ECM și multe publicații pe această temă apar în fiecare zi. Să ne uităm la câteva lucrări recente pentru a ne face o idee despre domeniile cheie ale cercetării actuale. Iată ce am învățat despre componentele VCM în 2018.
Metaloproteinaze
Când metaloproteinazele distrug prematur elastina și colagenul din plămâni, apare boala țesutului conjunctiv al plămânilor, emfizemul. Oamenii de știință au căutat de mult să înțeleagă care componentă genetică influențează activitatea excesivă a metaloproteinazelor în această boală.
Cercetătorii de la Societatea Germană Max Planck au legat activitatea excesivă a metaloproteinazei din plămâni cu scăderea activității genelor. Myh10. Dacă această genă a fost „dezactivată” în plămânii de șoarece, matricea lor extracelulară s-a format incorect, septurile interalveolare au fost distruse și, pe măsură ce alveolele s-au mărit, suprafața lor totală a scăzut, ceea ce înseamnă că schimbul de gaze ar trebui să aibă de suferit. Adică, evenimente s-au dezvoltat conform unui scenariu tipic emfizemului uman. În plus, autorii lucrării au relevat o scădere a expresiei genelor MYH10în plămânii persoanelor care suferă de emfizem.
Este posibil ca în viitor să învățăm să controlăm procesele care au loc în matrice folosind editarea genomului și terapia genică.
Glicoproteine și metaloproteinaze
Un exemplu izbitor al insidiozității metaloproteinazelor este formarea anevrismelor. Astfel, cu un anevrism al aortei abdominale, metaloproteinazele matriceale distrug componentele din care este construită ECM-ul acestui vas mare. Curând această zonă devine inflamată din cauza activității celulelor imune - macrofage. Mecanismele care provoacă distrugerea metaloproteinazei aortei au rămas de mult timp necunoscute.
Cercetătorii americani au reușit să afle că macrofagele sintetizează netrin-1- o proteina care activeaza celulele musculare netede vasculare. Sub influența netrinei-1, celulele musculare netede activează metaloproteinaze libere, care distrug țesutul conjunctiv al vasului.
Poate că într-o zi vom învăța să folosim celulele imune pentru a controla distrugerea matricei extracelulare.
Integrine și fibronectine
Cercetătorii din Africa de Sud au descoperit că sinteza și degradarea fibronectinei este influențată de proteina de șoc termic intracelular Hsp90. Această proteină acționează asupra fibronectinei prin receptorul LRP1. Dacă acest receptor este blocat, cantitatea de fibronectină care se acumulează în matricea extracelulară este redusă. Și acest lucru este foarte bun - deoarece datorită acumulării excesive de fibronectină, se dezvoltă multe patologii ECM.
Este posibil ca dacă descoperim receptori similari în celulele diferitelor țesuturi și învățăm să le influențăm, să putem preveni bolile asociate cu acumularea de ECM - de exemplu, fibroza pulmonară.
Acid hialuronic
Ca o componentă a matricei extracelulare, acidul hialuronic este implicat în transmiterea semnalului de la ECM la celulă și poate chiar transforma o celulă sănătoasă într-una malignă. Acidul hialuronic acționează asupra celulelor prin receptorul CD44.
S-a putut afla că intensitatea semnalului care declanșează procesul malign în celulă și determină cât de periculoasă va fi celula canceroasă rezultată depinde de concentrația de acid hialuronic și de greutatea moleculară a acestuia.
Acidul hialuronic controlează celulele canceroase prin legarea la proteina transmembranară CD44 integrina. Activarea receptorului CD44 suprimă apoptoza, determinând celula să devină „nemuritoare”, adică canceroasă. Cu cât mai mult acid hialuronic, cu atât mai mulți receptori CD44 sunt activați și, în consecință, cu atât celulele canceroase vor fi mai periculoase și mai agresive.
Dacă învăţăm să ne descurcăm hialuronidaze- enzime care sunt responsabile de modificarea și degradarea acidului hialuronic - putem preveni dezvoltarea cancerului și apariția metastazelor.
Cum se creează VKM
Când îmbunătățim tehnologiile pentru crearea ECM artificială, vom putea produce țesuturi cu drepturi depline și le vom folosi în medicina regenerativă. Lucrările în această direcție se desfășoară de mult timp, iar anul trecut a fost posibil să se facă câțiva pași importanți către tehnologia ECM artificială.
Cercetătorii au învățat deja cum să creeze modele 3D funcționale ale ECM (Fig. 5). Spre deosebire de modelele tradiționale 2D, care, în esență, erau o cultură de celule într-o cutie Petri, modelele 3D ne permit să creăm o „machetă” tridimensională funcțională a țesutului de care avem nevoie.
Figura 5a. Avantajele unui model 3D „volumeric” de țesut conjunctiv față de un model 2D „plat” standard. Model 2D. Celulele crescute pe un substrat de plastic bidimensional se comportă nenatural: cresc într-un singur strat, ceea ce perturbă interacțiunea intercelulară.
Figura 5b. Avantajele unui model 3D „volumeric” de țesut conjunctiv față de un model 2D „plat” standard. Model 3D. O „machetă vie” se comportă aproape exact ca un țesut funcțional: celulele cresc și se aranjează așa cum „le place”, astfel încât își păstrează capacitatea de a comunica pe deplin între celule.
Modelele 3D pot fi modificate și îmbunătățite. Au fost deja create primele hidrogeluri - polimeri sintetici biocompatibili capabili să rețină apa. Odată cu apariția hidrogelurilor, teoretic a devenit posibilă imprimarea organelor interne.
Înainte ca primele organe imprimate în laborator 3D să poată fi livrate la spitale, oamenii de știință vor trebui să rezolve mult mai multe probleme. De exemplu, cercetătorii încă nu au descoperit cum să „conecteze” vasele de sânge la organele artificiale. Înțelegerea biologiei ECM poate ajuta și în acest sens - la urma urmei, știm deja că matricea extracelulară controlează și creșterea vaselor de sânge.
Concluzie
Matricea extracelulară este un subiect uriaș care este foarte greu de acoperit într-un articol. Un lucru este clar: dacă putem înțelege cum funcționează ECM și cum afectează celulele, medicina va face un pas uriaș înainte.
. 8 ;5030 0
Mastocitele sunt misterioase
Aceasta este mai mult o forță specială cu scop general. Are multe denumiri: labrocit (grec. labros huge + hist. cytus cell), mastocit (german mastig fattened, obez + hist. cytus cell), heparinocit (celula secretoare de heparina). Aceste celule sunt misterioase și uimitoare. Mastocitele se găsesc oriunde există cel puțin un strat minim de țesut conjunctiv. Se disting prin aspectul lor divers (polimorfism). Nu se știe încă exact din ce celule progenitoare se formează mastocitele. Există mai multe dovezi că acestea sunt monocite din sânge.În mod surprinzător, mulți medici cu diplome avansate nu sunt complet conștienți de existența mastocitelor și de funcțiile acestora. Endocrinologii sunt deosebit de faimoși pentru aceasta, considerând că întregul control al organismului este efectuat dintr-un set limitat de organe endocrine („faptul venelor varicoase nu are nimic de-a face cu endocrinologia” - de pe forumul RMS). Mastocitul produce aproximativ o sută de hormoni și mediatori diferiți (acid hialuronic, histamina, serotonină, heparină etc.) și reprezintă 50% din toate celulele țesutului conjunctiv.
Acupunctorii acordă mastocitelor un rol important în codificarea informațiilor primite de punctul de acupunctură. Se crede că activarea activității funcționale a mastocitelor duce la eliberarea în lichidul pericelular a unor substanțe active fiziologic - mediatori ai durerii sau inflamației: substanța P, bradikinina, histamina, serotonina etc., care acționează asupra celulelor din jur și asupra receptorilor. a terminațiilor nervoase, unde informația primită este codificată și transmisă mai departe de-a lungul căii nervoase.
Labrocitele sunt cel mai adesea localizate în apropierea vaselor mici (capilare), sub epiteliu și în apropierea glandelor pielii, membranelor mucoase și seroase, în capsula și trabeculele organelor parenchimatoase (rinichi, ficat) și în organele limfoide.
Heparina, histamina, serotonina, dopamina, sulfatii de condroitină, acidul hialuronic, glicoproteinele, fosfolipidele, factorii chemotactici și factorul de activare a trombocitelor au fost găsite în granulele mastocitelor. Granulele mastocitelor includ enzime - lipaza, esterază, triptaza (kininogen activator), enzime ale ciclului Krebs, glicoliza anaerobă și ciclul pentozei.
Substanța intercelulară (matricea) este omniprezentă
Substanța intercelulară (numită uneori matrice) îndeplinește o varietate de funcții. Oferă contacte între celule (mediator), formează structuri mecanice puternice precum oase, cartilaj, tendoane și articulații (constructor), formează baza membranelor filtrante, de exemplu în rinichi (fondator), izolează celulele și țesuturile unele de altele, de exemplu, asigură alunecarea în articulații și mișcarea celulelor (ajutor), formează căi de migrare a celulelor de-a lungul cărora acestea se pot deplasa, de exemplu, în timpul dezvoltării embrionare (conductor).Astfel, substanța intercelulară este extrem de diversă atât în compoziția chimică, cât și în funcțiile pe care le îndeplinește. Deoarece spațiul de țesut conjunctiv extracelular formează o unitate funcțională cu celula, celula poate răspunde la stimulare numai atunci când informațiile ajung la ea din spațiul intercelular. Structura dinamică a acestui spațiu și principiile de reglare a acestuia (sistemul de reglare de bază) determină eficacitatea proceselor catalitice extra- și intracelulare.
Și depind de structura substanței principale (numită și matrice sau matrice extracelulară). Matricea este o rețea moleculară formată din carbohidrați și proteine înalt polimerice (proteoglicani-glicozaminoglicani), proteine structurale (colagen, elastina) și glicoproteine de legătură (fibronectină). Complecșii proteoglican/glicozaminoglican au o sarcină electrică negativă și sunt capabili să lege apa și să participe la schimbul de ioni.
Fibrele nervoase autonome care se termină în matrice asigură conexiune cu sistemul nervos central, iar patul capilar cu sistemul endocrin.
Proteoglicanii și glicoaminoglicanii sunt conducătorii
Elementele celulare și fibroase ale țesutului conjunctiv sunt scufundate în substanța fundamentală, ale cărei componente chimice principale sunt proteinele și polizaharidele. Acestea din urmă nu există în formă liberă în țesuturi. Ele sunt atașate prin legături covalente de proteine și, prin urmare, astfel de compuși sunt numiți proteoglicani (PG). Structura proteoglicanului seamănă cu o perie de sticlă.
HA - acid hialuronic; SB - proteina de legare; BS - miezul proteic al unității de proteoglican; CS - lanțuri de sulfat de condroitin; KS - lanțuri de keratan sulfat.
În centru se află o moleculă liniară lungă de acid hialuronic. Aproximativ 70-100 de unități de proteoglicani (tije proteice) sunt atașate cu ajutorul unei proteine de reținere. Conțin sulfat de condroitină și sulfat de keratan. Biosinteza proteoglicanilor se realizează în principal în fibroblaste (condroblaste, osteoblaste). Sunt proteoglicanii care asigură transportul apei, sărurilor, aminoacizilor și lipidelor în țesuturile avasculare - cartilaj, peretele vaselor, corneea, valvele cardiace.
Schema de reglementare de bază. Relațiile dintre capilare, vasele limfatice, substanța fundamentală, axonii vegetativi terminali, celulele țesutului conjunctiv (mastocitele, celulele imunocompetente, fibroblastele etc.) și celulele parenchimului organelor. Complexele de celule epiteliale și endoteliale sunt situate sub membrana bazală, comunicând cu substanța fundamentală. Pe suprafața tuturor celulelor există un strat conectat la substanța principală, o glicoproteină sau o membrană lipidică, iar aici se află complexe de histocompatibilitate. Substanța principală este conectată funcțional prin patul capilar la sistemul endocrin și prin axoni la sistemul nervos central. Fibroblastul este centrul proceselor metabolice
A.A. Alekseev, N.V. Zavorotinskaya
Matricea intercelulară - un complex de componente organice și anorganice care umple spațiul dintre celule. Diferitele țesuturi au propria lor matrice intercelulară. Celulele epiteliale comunică în primul rând prin glicoproteine, proteine care leagă calciul. Structura specială a matricei intercelulare este inerentă țesuturilor de origine mezenchimală, care îndeplinesc funcții mecanice, de protecție și trofice. Ele sunt împărțite în:
Țesutul conjunctiv în sine este lax, neformat,
dens format și neformat; țesuturi cu proprietăți speciale - grase, pigmentate,
reticulară și mucoasă; țesuturi osoase - os și cartilaj.
Toate aceste tipuri de țesut conjunctiv sunt larg reprezentate pe tot corpul, și în special în zona capului și a gâtului.
1.1. ORGANIZAREA MATRICEI INTERCELULARE
Țesutul conjunctiv se caracterizează prin prezența unei cantități mari de substanță intercelulară (matrice extracelulară), constând din proteine de colagen, proteoglicani și glicoproteine și un număr mic de celule situate la o distanță considerabilă unele de altele. Fibroblastele, condroblastele, osteoblastele, odontoblastele, cementoblastele și alte celule blastice participă la formarea substanței intercelulare. O caracteristică a țesuturilor mineralizate este prezența în substanța intercelulară a ionilor anorganici care formează săruri și cristale.
Matricea intercelulară conține molecule capabile să formeze complexe prin auto-asamblare. Datorită locației specifice a centrelor de legare pe molecule și specificității interacțiunilor lor, se formează o structură tridimensională foarte ordonată a matricei intercelulare, care determină proprietățile sale funcționale (Fig. 1.1).
Orez. 1.1.Organizarea structurală a matricei intercelulare și conexiunile acesteia cu
celule:
A -membrana de subsol; B - organizarea supramoleculară a matricei în
țesut conjunctiv [conform Campbell N. A., Reece J. B., 2002, cu modificările ulterioare].
O formă specializată de matrice extracelulară în țesutul normal este membrana bazală, care formează o structură discretă care separă un strat celular de altul. Este responsabil nu numai de delimitarea diferitelor structuri și de menținerea arhitecturii țesuturilor, ci influențează și diferențierea, migrarea și fenotiparea celulară a acestora. Membrana bazală servește ca o barieră pentru macromolecule.
Componentele principale ale matricei extracelulare sunt diferite tipuri de colagen și proteine necolagenoase.
1.2. STRUCTURA ŞI PROPRIETĂŢILE PROTEINELOR DE COLAGEN
Baza matricei intercelulare este familia proteinelor de colagen, care aparțin glicoproteinelor și conțin cantități mari de reziduuri. glicină, prolinăȘi hidroxiprolina. Colagenii sunt reprezentați de 20 de proteine, dintre care unele sunt de fapt
colageni, în timp ce altele conțin numai domenii asemănătoare colagenului. Toate tipurile de colagen, în funcție de structura lor, se împart în mai multe grupe: formatoare de fibrile, asociate cu fibrile de colagen, de tip rețea, microfibrile, fibrile ancorate etc. Pentru a desemna fiecare tip de colagen se folosește o anumită formulă, în care a-lanțuri sunt scrise cu cifre arabe, iar tipul colagen - roman.
Cea mai mare parte a colagenului prezent în țesuturile bucale formează fibrile. Localizarea principalelor tipuri de proteine de colagen în țesuturile bucale este prezentată în tabel. 1.1.
Tabelul 1.1
Tipuri de proteine de colagen în țesuturile bucale
Țesuturile bucale se caracterizează prin prezența colagenului de tip I, III, V și VI. Trebuie remarcată diversitatea colagenului din cimentul dentar, în care, pe lângă colagenul de tip I, III și V, se determină colagen de tip II, IX, XII, XIV, caracteristici țesutului cartilajului.
Colagen fibrilant
Toți colagenii care formează fibrile diferă în ceea ce privește compoziția de aminoacizi și conținutul de carbohidrați.
Moleculele de colagen de tip I, II, III, V, XI au forma de fibrile și sunt construite din unități structurale numite tropocolageni. Moleculele de tropocolagen (M r 300 kDa) au o grosime de 1,5 nm și o lungime de 300 nm. Ele sunt formate din trei lanțuri polipeptidice, denumite lanțuri a. Fiecare lanț conține aproximativ 1000 de resturi de aminoacizi și este o spirală strânsă pentru stânga, care conține trei resturi de aminoacizi pe tură. O treime din reziduurile de aminoacizi din colagen sunt glicina
(30%), o cincime din prolină în total cu 3- și 4-hidroxiprolină (21%), prin urmare, structura primară a colagenului poate fi reprezentată ca o schemă gli - x - y-, unde x este cel mai adesea prolină sau hidroxiprolină și y - alți aminoacizi (Fig. 1.2). În total, există aproximativ 330 de astfel de repetări în lanțul a.
Orez. 1.2.Fragment al structurii primare a - lanțuri de colagen. În zona în care se găsesc prolina și hidroxiprolina, apare o „întortire a prolinei”.
Glicina secvenței care se repetă gly - x - y- este necesară pentru formarea structurii fibrilare, deoarece radicalul oricărui alt aminoacid nu se potrivește între cele trei lanțuri peptidice din centrul triplei helix. Prolina și hidroxiprolina limitează rotația lanțului polipeptidic. Radicalii de aminoacizi situati la pozitiile -x- si -y- sunt situati pe suprafata triplei helix. Distribuția grupurilor de radicali pe lungimea moleculei de colagen asigură autoasamblarea structurilor de colagen multimoleculare. Cele trei lanțuri a formează o structură care este ușor răsucită într-o spirală. La formarea fibrilelor, moleculele de tropocolagen (trimeri) sunt aranjate în trepte, deplasându-se unele față de altele cu un sfert din lungime, ceea ce conferă fibrilelor o striație caracteristică. Când sunt depuse în țesuturi, fibrilele de colagen formate sunt stabilizate prin formarea de legături încrucișate covalente (Fig. 1.3).
Colagen de tip I 2 A 2 conține 33% glicină, 13% prolină, 1% hidroxilizină și o cantitate mică de carbohidrați. Se determină în compoziția oaselor, a dentinei, a pulpei dentare, a cimentului, a fibrelor parodontale. Acest tip de fibre de colagen este implicată în procesele de mineralizare.
Colagen de tip II[α 1 (II)] 3 este prezent în cartilaj și se formează în țesuturile necartilaginoase în stadiile incipiente de dezvoltare. Acest tip de colagen conține o cantitate mică de 5-hidroxilizină (mai puțin de 1%) și este bogat în carbohidrați (mai mult de 10%).
Colagen de tip III[α 1 (III)] 3 este prezent în pereții vaselor de sânge. O caracteristică distinctivă a acestui colagen este prezența unei cantități mari de hidroxiprolină. Lanțurile α conțin cisteină, iar molecula de colagen în sine este slab glicozilată.
Colagen de tip V [α(V)α 2 (V)α 3 (V)] este o moleculă hibridă formată din diferite lanțuri și anume: α 1 (V), α 2 (V) și α 3 (V).
Colagenul fibrilar poate conține, de asemenea, 2 sau mai multe tipuri diferite de colagen. Astfel, în unele țesuturi există molecule hibride care conțin lanțuri de colagen de tip V și XI.
Orez. 1.3.Structura fibrilelor de colagen: A - tropocolagen, format din trei α - lanţuri ; B - microfibrile de colagen din 5 rânduri de tropocolagen; IN - fibrile de colagen inclusiv 9-12 microfibrile de tropocolagen.
Colagenul asociat cu fibrile
Colagenii de tipurile IX, XII, XIV sunt implicați în organizarea matricei intercelulare a membranei mucoase, a cartilajului și a cimentului rădăcinii dintelui. Proteinele de colagen din această clasă nu sunt capabile să formeze fibrile, dar prin legarea de colagenul fibrilar, ele limitează lungimea, grosimea și orientarea fibrilelor de colagen de tip I și II. O caracteristică a colagenului asociat cu fibrile este prezența atât a domeniilor globulare, cât și a domeniilor fibrilare în structura lor.
Lanțuri α de colagen de tip IX [α(IX)α 2 ( IX )α 3 (IX)] constau din 3 domenii fibrilare si 4 globulare. Ele sunt reticulate prin legături covalente cu fibrile de colagen de tip II. Molecula de colagen de tip IX conține, de asemenea, o catenă laterală de glicozaminoglican și un număr mare de grupuri încărcate pozitiv, astfel încât moleculele încărcate negativ de acid hialuronic și sulfat de condroitină se pot atașa de ea. Colagenii de tip XII intră în interacțiuni similare cu colagenii fibrilari de tip I. Acest tip de colagen este localizat în cartilaj, ciment și, de asemenea, în mucoasa bucală la joncțiunea epiteliului cu straturile subepiteliale. Colagenul de tip IX este o proteină transmembranară care ajută lamina densa(o placă întunecată a membranei bazale situată la limita cu dermul papilar) se fixează de fibrilele de colagen ale dermei papilare.
Tipuri de colagen non-fibrilare (asemănătoare rețelei).
Grupul de colageni non-fibrilari include proteine de colagen de tipurile IV, VIII și X, care diferă în lungime și dimensiune și sunt capabile să formeze structuri asemănătoare rețelei. Cel mai frecvent colagen de tip IV, inclusiv în țesuturile bucale, este principala proteină structurală a membranelor bazale. Colagenul de tip IV conține 1 lanțuri α 1 (IV) și 2 α 2 (IV). Lanțurile peptidice ale colagenului de tip IV nu suferă modificări proteolitice după secreție și, prin urmare, păstrează structura domeniilor globulare N- și C-terminale (NC 1, 7S și NC 2) (Fig. 1.4).
Orez. 1.4.Structura colagenului de tip IV este o triplă helix de monomer de colagen. Regiunile N- și C-terminale conțin domenii globulare 7S, NC 1 și NC 2.
Spre deosebire de colagenul fibrilar, lanțurile α ale moleculelor de colagen de tip IV conțin regiuni de aminoacizi „non-colagene” nu numai în regiunile N- și C-terminale, ci în întreaga moleculă. Domeniile terminale ale monomerilor de colagen NC 1, 7S interacționează între ele în timpul autoagregării și formează legături de la capăt la capăt, ceea ce duce la formarea de dimeri și trimeri. Superbobinarea este asigurată de interacțiuni laterale și conexiuni cap la cap. Ca rezultat, se formează structuri tridimensionale, similare unei rețele cu celule hexagonale care măsoară 170 nm.
Colagenul de tip X este format din 3 lanțuri identice cu un mol. cu o greutate de 59 kDa.
Colageni care formează microfibrile
Colagenii care formează microfibrile includ colagenul de tip VI. Fiind o proteină cu lanț scurt, formează microfibrile situate între fibrilele colagenului interstițial. Acest tip de colagen se caracterizează prin prezența unor domenii globulare mari în lanțurile α din regiunile N- și C-terminale și un domeniu scurt cu trei elicoidale între ele. În timpul procesului de sinteză în interiorul celulei, 2 molecule din acest colagen se combină antiparalel pentru a forma un dimer, iar din dimeri se formează tetrameri, care sunt secretați de celulă. În afara celulei, tetramerii se asociază de la capăt la capăt pentru a forma microfibrile. Moleculele acestui colagen conțin numeroase secvențe arg-gli-asp(RGD), care asigură aderența celulară prin atașarea la proteine de adeziune membranare - integrine α 1 β 1 şi a2p1. În plus, colagenul de tip VI este capabil să se lege de fibrile interstițiale de colagen, proteoglicani și glicozaminoglicani.
Sinteza colagenului
Colagenul este sintetizat și furnizat matricei intercelulare de aproape toate celulele (fibroblaste, condroblaste, osteoblaste, odontoblaste, cementoblaste, keratoblaste etc.). Sinteza și maturarea colagenului este un proces complex în mai multe etape care începe în celulă și se termină în matricea extracelulară. Tulburările în sinteza colagenului cauzate de mutații ale genelor, precum și în procesul de translație și modificare post-translațională, sunt însoțite de apariția colagenilor defecte. Deoarece aproximativ 50% din toate proteinele de colagen sunt conținute în țesuturile scheletice, iar restul de 40% în derm și 10% în stroma organelor interne, tulburările sintezei de colagen sunt însoțite de patologii precum
sistemul osteoarticular și organele interne. Acest lucru afectează inevitabil starea țesuturilor zonei maxilo-faciale.
Sinteza colagenului presupune două etape. Pe stadiu intracelular are loc traducerea și modificarea post-translațională a lanțurilor polipeptidice și extracelular - modificarea proteinei, având ca rezultat formarea fibrelor de colagen (Fig. 1.5).
Orez. 1.5.Sinteza colagenului. Schema de sinteza a colagenului: A - stadiu intracelular, B - modificarea proteinelor extracelulare. Cifrele indică reacții de sinteză. 1a - transcriere, 1b - traducerea lanțurilor de procolagen, 2 - scindarea peptidei semnal, 3 - hidroxilarea resturilor de prolină și lizină, 4 - glicozilarea 5-hidroxilizinei și asparaginei, 5 - formarea de legături disulfurice în peptidele N- și C-terminale, 6 - formarea triplei helix de procolagen, 7 - exocitoza unei molecule de proteine, 8 - scindarea peptidelor N- și -terminale, 9 - ansamblu reglabil de fibrile, 10 - oxidarea lizinei și 5-hidroxilizinei la alizine, 11 - formarea de legături încrucișate cu formarea de peptide polimerice [după Kolman Y., Röhm K.-G., 2000, cu modificări]. Enzime:
1 - procolagenprolin-4-dioxigenază;
2 - procolagen lizin 5-dioxigenază;
3 - proteina lizin 6 oxidaza.
Stadiul intracelular al sintezei de colagen . Lanțurile peptidice α de colagen sunt sintetizate pe poliribozomi asociați cu membranele reticulului endoplasmatic. Lanțurile sale peptidice sintetizate în cisterne suferă modificări post-translaționale, care includ:
Îndepărtarea peptidei semnal a lanțului de procolagen cu participarea unei proteinaze specifice;
Hidroxilarea resturilor de prolină și lizină, care începe în timpul perioadei de translație a lanțului polipeptidic până la separarea acestuia de ribozomi.
Reacțiile de hidroxilare sunt catalizate de oxigenaze: procolagenprolil 4-dioxigenază (prolil 4-hidroxilază), procolagenprolil 3-dioxigenază (prolil 3-hidroxilază) și procolagen lisil 5-dioxigenază (lizil 5-hidroxilază). Reacția de hidroxilare folosește O2 și 2-oxoglutarat, iar acidul ascorbic este implicat ca cofactor. Prolină și lizinhidroxilazele conțin Fe 2+ în centrul activ, iar acidul ascorbic, care se oxidează ușor la acid dehidroascorbic, este necesar pentru păstrarea atomului de fier în feroformă (Fig. 1.6).
Orez. 1.6.Formula structurală a acidului ascorbic.
În reacțiile de hidroxilare, la al patrulea atom de carbon din restul de prolină se adaugă un atom de oxigen, iar al doilea atom de oxigen este inclus în acidul succinic, care se formează în timpul decarboxilării 2-oxoglutaratului (Fig. 1.7).
Odată cu hidroxilarea prolinei, are loc hidroxilarea resturilor de lizină pentru a forma 5-hidroxilizină (Fig. 1.8).
Ulterior, reziduurile hidroxilate de lizină suferă glicozilare.
Cu participarea glicoziltransferazelor, se formează legături covalente O-glicozidice între gruparea 5-OH a hidroxilizinei și un reziduu de galactoză sau dizaharida galactozilglucoză. Moleculele de N-acetilglucozamină sau manoză sunt atașate grupării amidice a asparaginei. Concomitent cu hidroxilarea prolinei, se formează o structură stabilă de colagen cu trei elice (Fig. 1.9).
Orez. 1.7.Hidroxilarea resturilor de prolină din lanțul α de procolagen pentru a forma 4-hidroxiprolină.
Orez. 1.8.Hidroxilarea resturilor de lizină din lanțul a procolagen pentru a forma 5-hidroxilizină.
Hidroxiprolina este esențială pentru stabilizarea acestei triple helix de colagen, deoarece grupările sale hidroxil sunt implicate în formarea legăturilor de hidrogen între lanțurile α. După terminarea hidroxilării și glicozilării, toate lanțurile pro-α sunt conectate între ele prin legături de hidrogen și se formează punți disulfură în regiunea propeptidelor C-terminale.
Orez. 1.9.Secțiuni glicozilate ale lanțului α al moleculei de procolagen.
Din reticulul endoplasmatic, moleculele de procolagen se deplasează în aparatul Golgi, unde sunt incluse în veziculele secretoare și, ca parte a acestora, sunt secretate în spațiul extracelular.
Etapa extracelulară - modificarea moleculelor de procolagen . În spațiul intercelular, cu participarea enzimelor proteolitice, peptidele N- și C-terminale sunt scindate din molecula de procolagen și tripla helix de colagen (tropocolagen) este eliberată. În continuare, are loc procesul de auto-asamblare a fibrilelor de colagen, fixate prin legături covalente intermoleculare (legături încrucișate). Formarea acestor legături implică reziduuri de lizină și 5-hidroxilizină și derivații lor aldehidici, care se formează ca urmare a dezaminării oxidative. Dezaminarea oxidativă a lizinei și 5-hidroxilizinei are loc cu participarea lizil oxidazei. O caracteristică a acestei enzime este prezența Cu 2+ în centrul activ. Moleculele de lizil oxidază sunt sintetizate în celulă sub formă de proenzime și, după legarea de ionii Cu 2+, sunt împachetate în vezicule care părăsesc celula. Pe suprafața celulei, molecula de prolizil oxidază suferă proteoliză limitată și în centrul activ format, cu participarea ionilor de Cu 2+, reziduul de tirozină este oxidat la tirozin chinonă. Structura chinoidă formată în centrul activ leagă reziduurile de lizină din molecula de procolagen pentru a forma un complex enzimă-substrat. Dezaminarea ulterioară a lizinei are loc în conformitate cu reacțiile prezentate în Fig. 1.10.
în etapa următoare, alizină şi 5-hidroxializină sunt condensate împreună cu resturile de lizil şi hidroxilizil; se formează legături încrucișate intra și intermoleculare. În reacție
Orez. 1.10.Oxidarea lizinei în structura colagenului:
1 - formarea unui complex enzima-substrat; 2 - NH 3+ este transferat în tirozin chinonă (LTQ) și lizina este oxidată, urmată de deplasarea alzinei de la locul activ; 3 - Moleculele de O 2 şi H 2 O intră în centrul activ al enzimei şi se eliberează NH 3 şi H 2 O 2. În acest caz, LTQ revine la starea inițială (Enz - enzimă).
Condensarea alzinei cu un reziduu de lizină pe un alt lanț formează o bază Schiff. În cazul condensării aldolice a două resturi de alizină, se formează legături intermoleculare aldolice (lizină norleucină). Formarea legăturilor intermoleculare aldolice este prezentată în Fig. 1.11.
Condensarea aldolică este caracteristică colagenului și dentinei țesutului osos, iar bazele Schiff se găsesc cel mai adesea în colagenul tendonului.
Aproximativ 25% din moleculele de tropocolagen se dezintegrează fără a forma fibrile. Fragmentele rezultate îndeplinesc funcții de semnalizare și stimulează colagenogeneza. Organizarea spațială a fibrilelor este completată cu participarea fibronectinei, proteoglicanilor și colagenilor asociați cu fibrile.
Legături intermoleculare aldolice
Orez. 1.11.Oxidarea lizinei și formarea legăturilor intermoleculare aldolice în reacțiile de condensare aldolică a două resturi de alizină.
Tulburări ale sintezei proteinelor de colagen la om
Orice tulburări în sinteza proteinelor de colagen se manifestă clinic, în primul rând, prin modificări ale sistemului dentar sub formă de sângerare a gingiilor, mobilitate și pierdere a dinților și carii multiple. Motivele care duc la întreruperea sintezei proteinelor de colagen sunt diferite - lipsa acidului ascorbic, ioni de Cu 2+ în organism, defecte genetice și afecțiuni autoimune.
Hidroxilarea lizinei și prolinei este o etapă foarte importantă pentru formarea ulterioară a legăturilor covalente între moleculele de colagen și asamblarea fibrilelor de colagen, în funcție de cantitatea de acid ascorbic. Cu scorbut, o boală rezultată din lipsa acidului ascorbic, are de suferit hidroxilarea reziduurilor de prolină și lizină din structura procolagenului. Ca rezultat, se formează vase fragile și casante. Încălcarea sintezei de colagen în pulpă și dentina duce la dezvoltarea de carii multiple, iar ligamentele parodontale suferă.
Fenomene similare apar în cazul deficitului congenital de lisil hidroxilază (sindromul Ehlers-Danlos-Rusakov, tip IV). Solubilitatea ridicată a moleculelor de colagen apare cu un defect congenital al lizil oxidazei (sindromul Ehlers-Danlos, tip V) sau o tulburare a metabolismului cuprului (boala Menkes), care este asociată cu formarea afectată a legăturilor încrucișate între microfibrilele de colagen. Acest lucru duce la o deteriorare a proprietăților mecanice ale ligamentelor parodontale, starea țesuturilor parodontale, laxitatea pielii și apariția unor defecte în dezvoltarea scheletului la persoanele care suferă de această boală.
În diabetul zaharat, din cauza incapacității celulelor de a prelua glucoza din plasma sanguină, procesul de glicozilare intracelulară a lanțurilor α de procolagen este întrerupt. Când procolagenul intră în spațiul intracelular, carbohidrații sunt adăugați neenzimatic, ceea ce perturbă și structura fibrilelor de colagen și a proteinelor non-colagen. Se dezvoltă o formă severă de parodontită, care este dificil de tratat. La copiii născuți din mame care suferă de diabet zaharat insulino-dependent este detectată hipoplazia sistemică a țesuturilor dentare dure.
Perturbarea structurii membranei bazale are loc odată cu apariția anticorpilor la proteinele care formează arhitectura membranelor bazale (sindromul Goodpasture) sau mutația genei care codifică lanțurile α ale colagenului de tip IV (sindromul Alport). În aceste forme de patologie, împreună cu afectarea rinichilor și a altor organe, leziuni necarioase ale țesuturilor dure ale dintelui (hipoplazia smalțului, reducerea volumului și perturbarea structurii dentinei) și modificări degenerative ale țesuturilor moi ale dintelui. se observă cavitatea bucală.
Pentru a studia metabolismul colagenului în urină și plasma sanguină, se determină concentrația de hidroxiprolină, prolină și cantitatea de produse de degradare a colagenului de tip I - N- și C-telopeptide. Un indicator caracteristic al defalcării colagenului este creșterea cantității de hidroxiprolină în plasma sanguină și urină, precum și creșterea cantității de N- și C-telopeptide în plasma sanguină și a conținutului de calciu determinat în urină în dimineata inainte de masa. Deteriorarea maturării colagenului este indicată de o creștere a cantității de prolină din plasma sanguină.
Pe lângă proteinele de colagen, matricea intercelulară conține și proteine non-colagen - elastina, proteoglicani, glicoproteine etc.
1.3. STRUCTURA ŞI PROPRIETĂŢILE PROTEINELOR NON-COLAGEN
Elastină
Fibrele de elastină sunt prezente în cantități mari în substanța intercelulară a pereților vaselor de sânge, țesuturile parodontale, rădăcina limbii, în stratul submucos al buzelor și obrajilor, plămânilor și pielii. Aceste țesături au proprietăți foarte importante: se pot întinde de mai multe ori lungimea lor inițială, menținând în același timp o rezistență ridicată la tracțiune și se pot întoarce la starea inițială după ce sarcina este îndepărtată. Proprietățile asemănătoare cauciucului ale acestor țesuturi sunt asigurate de elastina proteică principală - o glicoproteină cu un mol. cu o greutate de 70 kDa.
Elastină conține aproximativ 27% glicină, 19% alanină, 10% valină, 4,7% leucină. Prezența unui număr mare de radicali hidrofobi împiedică crearea unui globul stabil; ca urmare, lanțurile polipeptidice de elastină nu formează structuri secundare și terțiare regulate, ci iau conformații diferite în matricea intercelulară cu energie liberă aproximativ egală (Fig. 1.12).
Orez. 1.12.Fragment din lanțul polipeptidic de elastină.
Fibrele native de elastină sunt construite din molecule relativ mici, aproape sferice, conectate în fire fibroase folosind legături încrucișate rigide - desmozină și izodesmozină, precum și lizină norleucină. 4 resturi de lizină sunt implicate în formarea legăturilor încrucișate, dintre care 3 sunt pre-oxidate la aldehide corespunzătoare cu participarea lizil oxidazei. Desmozina și izodesmozina sunt formate din reziduuri aparținând a cel puțin două lanțuri, dar pot fi formate și din reziduuri situate în trei sau patru lanțuri. Două resturi de lizină sunt implicate în formarea lizinei norleucinei (Fig. 1.13).
Orez. 1.13.Legături încrucișate în structura elastinei: A- desmozină, formată din patru resturi de lizină; B- lizină norleucină, formată din două resturi de lizină.
Formarea de legături încrucișate covalente între lanțurile peptidice de elastină cu o conformație dezordonată permite rețelei de fibre de elastină să se întindă și să se contracte în toate direcțiile, ceea ce le conferă proprietatea de elasticitate (Fig. 1.14).
Sinteza și descompunerea elastinei . Sinteza elastinei începe în fibroblaste cu formarea precursorului de elastină, proteina tropoelastină. Tropoelastinul este un monomer solubil, ale cărui regiuni hidrofile sunt îmbogățite cu reziduuri de lizină. În matricea intercelulară, cu participarea lizil oxidazei dependente de cupru, reziduurile de lizină sunt oxidate la alizină, care formează legături încrucișate care stabilizează molecula de elastină. După reticulare, elastina capătă forma sa extracelulară finală, care se caracterizează prin insolubilitate, stabilitate ridicată și rată metabolică scăzută.
Descompunerea elastinei implică elastaza leucocitelor polimorfonucleare, care, fiind o endopeptidază, se descompune în principal.
Orez. 1.14.Modelul structural al elastinei:
A- stare de relaxare; B- stare de întindere.
scindează legăturile formate din grupările carboxil ale aminoacizilor alifatici. Este activă într-un mediu ușor alcalin (pH 7,5-8,5) și hidrolizează în spațiul extracelular nu numai elastina, ci și alte proteine - proteoglicani, hemoglobină, colagen, imunoglobuline. Activitatea elastazei este inhibată de proteina α 1 -antitripsină (α 1 -AT). Cea mai mare cantitate de α 1 -AT este sintetizată de ficat și se găsește în sânge. În țesuturi, α 1 -AT este sintetizat de macrofage.
Modificări ale structurii elastinei în timpul proceselor patologice
Când se întrerupe formarea desmozinelor, izodesmozinelor și lizinei-norleucinei, rezistența la tracțiune a țesuturilor elastice scade și apar tulburări precum subțierea, flaciditatea și extensibilitatea, adică se pierd proprietățile plastice ale acestora. Modificările în structura elastinei se pot datora scăderii activității lizil oxidazei în bolile ereditare și dobândite și deficitului de cupru. Tulburările în structura elastinei se pot manifesta ca modificări cardiovasculare sub formă de anevrisme și rupturi ale aortei, defecte ale valvei cardiace, pneumonie frecventă și emfizem pulmonar.
Elastaza nu este activă în țesutul gingival. Odată cu dezvoltarea inflamației, numărul de leucocite polimorfonucleare crește și devin o sursă de elastază. O creștere a cantității acestuia din urmă are loc pe fondul conținutului de α 1 -AT neschimbat sau redus în țesutul gingival. Dezechilibrul rezultat între enzimă și inhibitorul acesteia duce la distrugerea fibrelor elastice în timpul gingivitei și parodontozei.
Proteoglicani și glicozaminoglicani
Proteoglicani- o clasă de proteine complexe ale matricei extracelulare. Ele constau din diverse proteine de bază (nucleu), de care sunt atașate oligozaharide asociate lanțurilor de glicozaminoglicani prin legături N- și O-glicozidice (Fig. 1.15).
Orez. 1.15.Structura proteoglicanului.
Diferiții proteoglicani diferă prin dimensiunea moleculară, conținutul relativ de proteine și setul de glicozaminoglicani. Proteoglicanii sunt prezenți în cantități mari în dentină, pulpă, ciment, țesuturi parodontale și membranele mucoase ale cavității bucale (Tabelul 1.2).
Unii proteoglicani - serglicina, proteoglicanul matricei cartilaginoase, decorina, versicanul etc. sunt in stare solubila si sunt localizati in matricea extracelulara. Alți proteoglicani, de exemplu, sindecanul, sunt reprezentați de integrală transmembranară Tabelul 1.2
Proteoglicani și glicozaminoglicani în țesuturile bucale
ny proteine. Syndecanul are domenii extracelulare transmembranare și citoplasmatice și interacționează cu citoscheletul de actină. Extern pe suprafața celulei, sindecanul se leagă de fibronectină și de alte componente ale matricei extracelulare.
Moleculele de glicozaminoglican sunt implicate în legarea proteoglicanilor de proteine specifice. Grupurile lor încărcate negativ interacționează cu radicalii încărcați pozitiv ai aminoacizilor lizină și arginină, localizați în anumite regiuni ale moleculei proteice. În acest fel, glicozaminoglicanii foarte sulfatați se leagă de fibronectină.
Proteoglicanii funcționează ca receptori pentru asamblarea matricei intercelulare, facilitează atașarea celulară și reglează procesele de creștere celulară. De asemenea, pot forma complexe cu anumite proteine, cum ar fi factorii de creștere. În complexele rezultate, proteinele sunt protejate de enzimele proteolitice. Aceste complexe acționează ca rezervoare și numai atunci când este necesar, factorul de creștere este eliberat din ele și dobândește capacitatea de a-și manifesta activitatea biologică.
Glicozaminoglicani aparțin heteropolizaharidelor. Acestea sunt structuri liniare construite din unități repetate de dizaharide. Molecula dizaharidă constă din acid uronic și un amino zahăr, a cărui grupă amino este de obicei acetilată. Prezența grupărilor sulfat și carboxil în glicozaminoglicani le conferă o sarcină negativă mare și capacitatea de a lega apa. Datorită densității mari a sarcinii negative de pe suprafața lor, ei leagă cationii Ca 2+, Na +, K + și astfel participă la metabolismul mineral.
Toți glicozaminoglicanii sunt împărțiți în 2 grupe: sulfatați și nesulfatați. Glicozaminoglicanii nesulfatati includ acid hialuronic. Glicozaminoglicanii sulfatați nu apar sub formă liberă; Când sunt legați de o cantitate mică de proteine, formează proteoglicani. Structura unităților de dizaharide care alcătuiesc glicozaminoglicanii este prezentată în Fig. 1.16.
Acid hialuronic găsite în multe organe și țesuturi. Este construit din reziduuri de dizaharide legate prin legături β-(1-»4)-glicozidice. Fragmentele de dizaharide, la rândul lor, constau din acid β-D-glucuronic și resturi de N-acetil-(3-D-glucozamină) legate prin legături β-(1-3)-glicozidice. Acidul hialuronic are
Orez. 1.16.Structura unităților de dizaharide repetate în glicozaminoglicani.
dig înalt masa (Mr 10 5 -10 7 Da). Într-o serie de organe (corpul vitros al ochiului, cordonul ombilical, lichidul articular) se găsește sub formă liberă, iar în cartilaj formează agregate de proteoglicani. În lichidul articular, acidul hialuronic acționează ca un lubrifiant, reducând frecarea dintre suprafețele articulare. În timpul dezvoltării embrionului, umple spațiile intercelulare, facilitând mișcarea celulelor. Acidul hialuronic este sintetizat în cantități mari în timpul vindecării rănilor. Prin legarea apei, asigură o funcție de barieră.
Lanțurile de acid hialuronic sunt capabile să se coaguleze, legând cantități mari de apă și formând un domeniu. La acest domeniu (definit
moleculele mici sau ionii au acces, dar moleculele mari (albumina, imunoglobulinele) nu sunt capabile să pătrundă în el. Domeniile sunt capabile să intre în contact, să se comprima și să pătrundă unele în altele, ceea ce determină vâscozitatea ridicată a soluției.
sulfați de condroitină conțin unități de dizaharide repetate legate prin legături β-(1->4)-glicozidice. Dizaharidele sunt construite din acid glucuronic și N-acetilgalactozamină sulfatată, legate între ele prin legături (3-(1-3)-glicozidice. În funcție de poziția grupei sulfat, condroitin-4-sulfat și condroitin-6-sulfat sunt distins.Un Lanțul polizaharidic al sulfatului de condroitin conține aproximativ 40 de unități de dizaharidă care se repetă.Greutatea moleculară a sulfaților de condroitin variază de la 10 la 600 kDa. În ciuda diferențelor minime în structura chimică, sulfații de condroitin diferă semnificativ în proprietăți fizico-chimice și distribuție în diferite tipuri de conjunctiv Condroitin-4-sulfatul se găsește predominant în cartilaj și țesutul osos, corneea ochiului, iar condroitin-6-sulfatul este prezent în tendoane, ligamente, cordonul ombilical și, de asemenea, în oase.
Sulfat de dermatan - heteropolizaharidă, similară ca structură cu sulfatul de condroitin. Spre deosebire de acesta din urmă, fragmentul dizaharidic al sulfatului de dermatan conține un reziduu de acid L-iduronic în loc de acid D-glucuronic. Sulfatul de Dermatan este prezent în piele, cartilaje, tendoane și discurile intervertebrale, vasele de sânge și valvele cardiace. Ca parte a proteoglicanilor mici (biglicacan și decorin), se găsește în substanța intercelulară a oaselor, cartilajelor, discurilor intervertebrale și meniscurilor, unde participă la stabilizarea fibrelor de colagen.
sulfați de cheratan - cei mai eterogene glicozaminoglicani; diferă unele de altele prin conținutul total de carbohidrați și distribuția în diferite țesuturi. Spre deosebire de toți ceilalți glicozaminoglicani, sulfații de keratan conțin un reziduu de D-galactoză în loc de acid uronic. Resturile de D-galactoză din fragmentele de dizaharidă ale sulfatului de keratan sunt legate prin legături β-(1->4)-glicozidice de resturile N-acetil-D-glucozamină-6-sulfat. Fragmentele de dizaharide sunt legate între ele prin legături β-(1->3)-glicozidice.
Keratan sulfatul-1 corneean conține, în plus față de unitatea de dizaharidă repetată, L-fucoză, D-manoză și acid sialic. Keratan sulfatul-2 se găsește în țesutul cartilajului, oase și discurile intervertebrale. Sulfații de cheratan fac parte dintr-un proteoglican mare - agrecan și niște proteoglicani mici din matricea cartilajului.
sulfat de heparan este o heteropolizaharidă construită din acid glucuronic și N-acetilglucozamină; conține mai multe grupări N-acil și mai puține grupări sulfat. Face parte din proteoglicanii membranelor bazale și este o componentă permanentă a suprafeței celulare.
Proteoglicani mari
LA proteoglicani mari includ proteine cu un dig mare. masă care conține peste 100 de lanțuri de glicozaminoglicani. Acest grup include agrecan, versican, neurocan, brevican etc. Caracteristica lor este capacitatea de a se lega de colageni, acid hialuronic și de a forma agregate de proteoglicani.
În ciment, pulpa dentară, membrana mucoasă, țesutul osos și piele există un proteoglican mare care conține sulfat de condroitină - verscan , ei spun a cărui masă este de aproximativ 1000 kDa. Proteina de bază a versicanului constă din secvențe de aminoacizi care conțin reziduuri glu-gli-fen. Datorită conținutului ridicat de sulfat, acid glutamic și a legăturii cu acidul hialuronic, versicanul în stare hidratată ocupă un volum semnificativ de spațiu.
Matricea țesutului cartilajului este caracterizată prin prezența unui alt proteoglican mare - agrecan (vezi țesutul cartilajului).
Proteoglicani mici
Proteoglicanii mici au o proteină de bază mică de care sunt atașate 1 sau 2 lanțuri de glicozaminoglicani. Proteoglicanii mici includ proteoglicanii bogați în leucină, proteoglicanii asociați celulelor și proteoglicanii membranei bazale.
Proteoglicani bogati in leucina . O caracteristică a proteoglicanilor mici din această familie este prezența a 9-12 domenii bogate în leucină în regiunea C-terminală a proteinei de bază. Aceste domenii au proprietatea de a lega colagenul. Regiunea N-terminală este foarte variabilă în secvența sa de aminoacizi, care este asociată cu glicozaminoglicanii. Domeniile regiunii N-terminale sunt implicate în interacțiunile proteinelor între ele și cu celulele.
Proteinele acestei familii sunt reprezentate de decorină, biglican, fibromodulină, lumican, osteoaderin, osteoglicină, oculoglican, opticină și asporină.
Proteoglicani mici - fibromodulină, lumican și osteoaderina din regiunea N-terminală conțin lanțuri sulfat de cheratan care se alătură asparagină, precum și reziduuri sulfatate tirozină.
Fibromodulină - proteoglican cu mol. cântărind aproximativ 40 kDa. S-a demonstrat că fibromodulina se atașează la fibrilele de colagen de tip II și limitează diametrul acestora.
Lumican structura sa este foarte asemănătoare cu fibromodulina. Prezent în matricea intercelulară a țesutului muscular și cartilajului, plămânilor, intestinului subțire și corneei. Se presupune că participă la reglarea formării unei structuri de colagen reticulat.
Osteoaderin - proteine cu mol. cu o greutate de 49,1 kDa. O caracteristică a acestei proteine este prezența a patru resturi de tirozină sulfatate, dintre care trei sunt situate în regiunea N-terminală. Regiunea C-terminală conține un număr mare de aminoacizi încărcați negativ. Molecula de osteoaderină este sintetizată de osteoblastele maturi, precum și de odontoblaste. Se determină în stratul ameloblastic în stadiul de maturare a smalțului și participă la procesele de mineralizare.
Decorină și biglican sunt similare ca mărime și structură, dar sinteza lor este sub controlul unor gene diferite. Mol. masa decorinei este de aproximativ 130 kDa, iar cea a biglicanului este de aproximativ 270 kDa. Proteinele lor de bază conțin o secvență bogată în leucină de 24 de aminoacizi, care se repetă în tandem de 10 ori în decorină și de 12 ori în biglican. Biglycanul conține serină în pozițiile 5 și 11 și decorină în poziția 4, ceea ce permite biglicanului să atașeze 2 lanțuri de polizaharide și decorină doar unul (Fig. 1.17). Acești proteoglicani au lanțuri polizaharide sulfat de dermatan. Decorina și biglicanul sunt implicați în interacțiunile celulă-celulă care pot fi facilitate de o structură 3 din proteina de bază. S-a demonstrat că decorina și, probabil, biglicanul interacționează cu β -factor de creștere transformator (TGF-(3).
Localizarea decorinei coincide cu localizarea colagenului. Dacă scopul biglicanului este necunoscut, atunci decorina este implicată în legarea de colagenul de tip I și II și, de asemenea, inhibă fibrinoliza. In plus, biglicanul si decorina mediaza interactiunile dintre celule, elastina si proteinele adezive - fibronectina si laminina.
Proteoglicani asociați celulelor
În timpul dezvoltării celulare, apar proteoglicani mici, numiți proteoglicani asociați celulelor. Această familie de proteine include serglicine, sindecani, betaglicine, trombomodulină, proteoglicani ancorați de fosfatidilinozitol.
Orez. 1.17.Structura domeniului proteoglicanilor mici: A - decorină ; B - biglican ; IN - fibromodulină .
Sindecanii include 4 tipuri de proteine diferite. Sunt proteoglicani integrali și conțin domenii intracelulare, transmembranare și extracelulare. Domeniul extracelular al acestor proteine este similar cu domeniul proteinazelor și este capabil să deschidă membrana celulară și conține, de asemenea, lanțuri variate de glicozaminoglicani conectate la sindecan. Astfel, sindecanii 1 și 3 conțin sulfat de heparan și sulfat de condroitină. Sindecan-1 apare în celulele epiteliale în timpul dezvoltării, sindecan-2 (fibroglican) este sintetizat de celulele fibroblaste și hepatocite; sindecan-3 (N-sindecan) este prezent în țesutul nervos și în cartilajul în curs de dezvoltare, iar sindecan-4 (riudokan, amfiglican) este prezent în endoteliu, epiteliu, celulele musculare netede și fibroblastele pielii. Sindecanii leagă colagenul, fibronectina, trombospondina, tenascina și factorul de creștere a fibroblastelor prin domenii extracelulare. Domeniile intracelulare ale sindecanului comunică cu citoscheletul prin actină.
Serglicine izolate din veziculele secretoare. Compoziția lor depinde de tipul celulei și de diferențierea celulei. Lanțurile de condroitină și sulfat de heparan sunt asociate cu proteina de bază. O caracteristică a moleculelor de serglicină este conținutul lor ridicat de reziduuri de sulfat, ceea ce le face rezistente la proteoliză. Mol. masa serglicinelor variază foarte mult (60-750 kDa), iar mol. masa proteinei scoarței este practic constantă (16-18 kDa).
Se crede că serglicinele sunt implicate în reglarea activității enzimatice a granulelor secretoare și diferențierea celulelor hematopoietice.
Unele serglicine sunt sintetizate de celulele endoteliale, iar sinteza lor este crescută de factorul de necroză tumorală și interleukina 1α (IL-1α). Serglicina poate fi implicată în migrarea leucocitelor în timpul proceselor inflamatorii. S-a stabilit recent că, împreună cu alți proteoglicani, aceștia participă la aderența și activarea celulelor limfoide.
Proteoglicani din membrană bazală
Un întreg grup de proteoglicani eterogene care conțin sulfat de heparan a fost identificat în membranele bazale. Structura proteinei de bază conține domenii globulare separate de fragmente de miez. Domeniile globulare asigură legătura acestor proteoglicani cu colagenul de tip IV, laminina și alte glicoproteine, precum și cu celulele situate pe membrana bazală.
Principal conţinând sulfat de heparan proteoglicanul membranelor bazale este perlecan . Un lanț polipeptidic format din 3500 de resturi de aminoacizi este legat de trei lanțuri de heparan sulfat prin grupări hidroxil serinăîn regiunea N-terminală. Fiecare lanț de polizaharidă conține până la 200 de monomeri. Molecula de perlecan conține aproximativ trei duzini de domenii globulare, separate prin fragmente scurte în formă de tijă, care asigură comunicarea între celule și componentele matricei intercelulare.
Păstrarea caracteristicilor biomecanice și fiziologice ale țesutului conjunctiv este determinată în mare măsură de menținerea unui echilibru între procesele de biosinteză și degradarea colagenilor și proteoglicanilor. Descompunerea și sinteza proteoglicanilor este reglată de: 1) hormoni - somatotropină, tiroxină, insulină; 2) citokine - IL-1, cachectine; 3) vitaminele A și C; 4) microelemente; 5) factori de creștere.
Sinteza proteoglicanilor
Sinteza proteoglicanilor începe cu biosinteza proteinei de bază pe poliribozomi. Deja în timpul procesului de translație a proteinelor în reticulul endoplasmatic dur, trizaharidele sunt legate prin grupările amidice ale reziduurilor de asparagină. Oligozaharidele legate de dolichol cu un conținut ridicat de manoză acționează ca donatori de oligozaharide. După atașarea oligozaharidelor N-legate, proteina de bază suferă xilozilare și fosforilare. UDP-xilosat-
ransferaza, care transferă reziduurile de xiloză în grupa hidroxil a proteinei de bază, este una dintre enzimele cheie în biosinteza proteoglicanilor. Alte procese de formare a lanțurilor de glicozaminoglicani au loc în aparatul Golgi. Lanțurile polizaharide ale glicozaminoglicanilor sunt sintetizate prin adăugarea secvenţială de monozaharide, ai căror donatori sunt de obicei zaharurile UDP corespunzătoare. Glicoziltransferazele sunt localizate pe membranele aparatului Golgi, cu participarea căreia molecula proteică suferă glicozilare (Fig. 1.18).
Orez. 1.18.Atașarea glicozaminoglicanului la proteina de bază printr-un linker trizaharid. O oligozaharidă de legătură constând din două resturi de galactoză și un reziduu de xiloză este atașată la serină, treonină sau asparagină printr-o legătură O- sau N-glicozidică.
UDP-galactosiltransferaza I transferă primul reziduu de galactoză la xiloză, UDP-galactosiltransferaza II transferă al doilea reziduu de galactoză, iar formarea tripeptidei de legare este finalizată prin atașarea unui rest de acid glucuronic la acesta. Această reacție este catalizată de UDP-glucuroniltransferaza I. Sinteza ulterioară a lanțului polizaharidic este realizată prin adăugarea secvenţială de N-acetilgalactozamină (sau N-acetilglucozamină, galactoză) și acid glucuronic (sau iduronic) (Fig. 1.19).
O modificare a lanțurilor de glicozaminoglicani este sulfatarea, adică adăugarea de sulfat la C-4 și (sau) la C-6 N-acetil-
Orez. 1.19.Sinteza sulfatului de condroitină ca parte a proteoglicanului. Enzime: 1 - UDP-xiloziltransferaza; 2 - UDP-galactosiltransferaza I; 3 - UDPgalactosiltransferaza II; 4 - UDP-glucuroniltransferaza I; 5 - UDP-N-acetilgalactozamin transferaza I; 6 - UDP-glucuroniltransferaza II; 7 - UDP-N-acetilgalactozamin transferaza II; 8 - sulfotransferaza.
Orez. 1.20.Reacția de sulfatare a reziduului de N-acetilgalactozamină în timpul sintezei lanțului de sulfat de condroitin.
lactozamină. Sulfatul este transferat în molecula acceptor folosind sulfotransferaze specifice (Fig. 1.20). Donatorul grupării sulfat este 3"-fosfoadenozină-5"-fosfosulfat (FAPS).
Aminozaharurile și acizii hexuronici sunt sintetizați din glucoză. Precursorul imediat al N-acetilglucozaminei și N-acetilgalactozaminei este fructoza-6-fosfatul. Sursa grupei NH2 pentru zaharuri este glutamina. Zahărul amino rezultat este în continuare acetilat cu acetil-CoA (Fig. 1.21).
Orez. 1.21.Sinteza glicozaminoglicanilor.
Enzime: 1 - hexokinaza; 2 - fosfoglucoizomeraza; 3 - aminotransferaza; 4 - acetiltransferaza; 5 - N-acetilglucozamin fosfomutaza; 6 - UDP-N-acetilglucozamin pirofosforilază; 7 - epimeraza; 8 - UDP-glucozamin pirofosforilază; 9 - UDP-glucopirofosforilază; 10 - UDPglucoză dehidrogenază.
În reacțiile de epimerizare, după includerea glucuronatului în lanțul de carbohidrați, acidul L-iduronic se formează din acidul D-glucuronic.
Sinteza glicozaminoglicanilor este influențată de somatotropină și acid retinoic, care activează încorporarea sulfatului în molecule. Dimpotrivă, sinteza acidului hialuronic și a glicozaminoglicanilor sulfatați este inhibată de glucocorticoizi și hormoni sexuali.
Defalcarea proteoglicanilor
Descompunerea proteoglicanilor este un proces fiziologic care implică reînnoirea regulată a macromoleculelor extracelulare și intracelulare. Proteinaza și glicozidazele sunt implicate în degradarea proteoglicanilor. Inițial, miezul și proteinele de legare sunt expuse radicalilor liberi și sunt hidrolizate în matricea intercelulară de metaloproteinazele matriceale - colagenaza, gelatinaza, stromelizina. Proteinazele descompun proteinele de bază, iar glicozidazele hidrolizează lanțurile de glicozaminoglicani și oligozaharide. Toți proteoglicanii care conțin lanțuri de sulfat de condroitină, sulfat de dermatan, sulfat de heparan și sulfat de keratan sunt inițial scindați în fragmente. Fragmentele de proteoglican sunt apoi preluate de celulele blastice și suferă degradare intracelulară. Aceste fragmente pot fi, de asemenea, transportate de limfă și sânge către ficat. În hepatocite, are loc hidroliza lor ulterioară, în care participă aspartil, serină și alte proteinaze.
Defalcarea glicozaminoglicanilor
Glicozaminoglicanii se caracterizează printr-o rată metabolică ridicată: timpul de înjumătățire (T 1/2) al multora dintre ei variază de la 3 la 10 zile și numai pentru sulfatul de keratan T 1/2 - 120 de zile. Exo- și endoglicozidazele (hialuronidază, (3-glucuronidază, (3-galactozidază, (3-iduronidază)) și sulfatazele sunt implicate în distrugerea lanțurilor polizaharidelor.
Din spațiul extracelular, glicozaminoglicanii intră în celulă prin mecanismul endocitozei, unde veziculele endocitare se contopesc cu lizozomii. Enzimele lizozomale active asigură hidroliza completă graduală a glicozaminoglicanilor la monomeri. Descompunerea glicozaminoglicanilor intacți în celule începe cu descompunerea lor în fragmente sub acțiunea endohexozaminidazei și a endoglucuronidazei. Oligozaharidele formate în reacțiile de hidroliză sunt supuse acțiunilor secvențiale ale exoglicozidazelor și sulfatazelor, care se desprind.
monomeri de la capătul nereducător. Astfel, hidroliza fragmentelor de sulfat de condroitin care conțin un reziduu de N-acetilgalactozamină la capătul nereducător este inițiată de sulfatază, urmată de β-N-acetilgalactozaminidază, iar apoi (3-glucuronidază). format (Fig. 1.22).
Orez. 1.22.Defalcarea sulfatului de condroitină.
Enzime: 1 - endoglicozidaza ; 2 - sulfatază; 3 - β - N-acetilgalactoză-
minidaza; 4 - β - glucuronidază.
Hialuronidaza este implicată în descompunerea acidului hialuronic în oligozaharide. Hidroliza oligozaharidelor rezultate este realizată de p-N-acetilglucozaminidază și p-D-glucuronidază.
Defalcarea extracelulară a glicozaminoglicanilor este caracteristică numai sulfatului de heparan, care este scindat de heparanază și sintetizat de trombocite sau limfocite T.
Mucopolizaharidoze
Mucopolizaharidoze - boli ereditare severe cauzate de defecte ale hidrolazelor implicate în catabolismul glicozaminoglicanilor. În lizozomii tisulari, care se caracterizează prin sinteza celei mai mari cantități de glicozaminoglicani, se acumulează glicozaminoglicani distruși incomplet, iar fragmentele lor de oligozaharide sunt excretate în urină. Există mai multe tipuri de mucopolizaharidoze, cauzate de defecte ale diferitelor enzime implicate în descompunerea glicozaminoglicanilor.
Mucopolizaharidozele se manifestă prin tulburări de dezvoltare psihică la copii, leziuni ale sistemului cardiovascular, deformări ale scheletului, exprimate semnificativ în zona maxilo-facială, hipoplazie a țesuturilor dentare dure, tulburări ale corneei ochilor și scăderea speranței de viață (Tabelul 1.3). .
În prezent, aceste boli nu pot fi vindecate, așa că dacă bănuiți că sunteți purtător de gene defecte, este necesar diagnosticul prenatal. În aceste cazuri, se determină activitatea hidrolazelor lizozomale.
1.4. PROTEINE NON-COLAGEN CU PROPRIETĂȚI SPECIALE
Proteine adezive și antiadezive
Proteinele matricei intercelulare îndeplinesc o varietate de funcții. Unele dintre ele au capacitatea de a lipi componentele substanței intercelulare și ale celulelor, iar aceste proteine sunt numite adeziv. Un alt grup de proteine, dimpotrivă, suprimă aderența celulelor și a componentelor extracelulare și se numesc anti-adeziv. Interacțiunea celulelor cu matricea extracelulară este un proces complex și se manifestă atât prin creșterea aderenței, cât și prin slăbirea acesteia. Proteinele fibronectina, vitronectina, laminina, nidogenul (entactina) si integrinele sunt implicate in aderenta celulelor mezenchimale si epiteliale. Dimpotrivă, proteinele anti-adezive - tenascina și trombospondina - sunt capabile să schimbe forma celulelor și să le desprindă parțial de componentele matricei extracelulare. Cu toate acestea, această împărțire a proteinelor în adeziv și anti-adeziv este destul de arbitrară.
Tabelul 1.3Boli asociate cu tulburări ale metabolismului glicozaminoglicanilor
Fibronectină - glicoproteina cu greutate moleculara mare, o proteina cheie a matricei extracelulare, sintetizata de fibroblasti. În funcție de puterea ionică și pH-ul matricei extracelulare, forma moleculei de fibronectină poate varia de la globulară la intermediară. Moleculele de fibronectină sunt dimeri formați din două lanțuri polipeptidice similare conectate prin interacțiuni hidrofobe și două legături disulfurice. Subunitățile sunt împărțite într-un număr de domenii diferite capabile să se lege de receptorii celulari prin integrine, precum și colageni, fibrină și proteoglicani. Prin reticulare între ele prin punți disulfură, moleculele de fibronectină formează structuri fibrilare (Fig. 1.23).
Orez. 1.23.Structura moleculei de fibronectină (A). Modelul moleculei de fibronectină (B). Numerele indică domeniile care se conectează: 1 - heparină , 2 - celule , 3 - colagen , 4 - alte molecule de fibronectină [după Cooper G.M., 2000, cu modificări].
Molecula de fibronectină are un loc de legare pentru enzima transglutaminază. Transglutaminaza catalizează reacția dintre resturile de glutamină ale unui lanț polipeptidic și resturile de lizină ale unei alte molecule de proteine. Acest lucru permite legarea încrucișată a moleculelor de fibronectină între ele, colagenul și alte proteine folosind legături încrucișate covalente. Fibronectina este implicată în multiple procese celulare, inclusiv repararea țesuturilor, embriogeneza, migrarea celulelor și aderența celulară.
Integrinele sunt proteine heterodimerice cu un mol. cântărind 100-160 kDa, situat pe membrana plasmatică a celulelor și format din două subunități a- și (3-subunități transmembranare legate necovalent. Pentru funcționarea integrinelor, prezența ionilor divalenți (Ca 2+ sau Mg 2+) este necesar, deoarece legarea cationului Ca 2+ permite regiuni N-terminale α- și (3-subunități se conectează între ele și se atașează de matricea extracelulară. Ele sunt capabile să recunoască peptida RGD în proteinele matricei ( arg-gli-asp).
Familia integrinei include 20 de tipuri de receptori cu specificități diferite. Această diversitate este asigurată de diferențele de structură α- și (3-lanțuri. Au fost descrise 9 varietăți de lanțuri α și 14 (3-subunități). Fiecare lanț de integrină traversează membrana o dată. Ambele lanțuri de integrine au domenii extracelulare mari. Aceste domenii asigură adeziunea celulelor la celule și la componente ale matricei extracelulare - colagen, fibronectină, vitronectină, laminină (Fig. 1.24).
Datorită orientării lor transmembranare, integrinele transferă semnale din matricea extracelulară către citoschelet.Majoritatea integrinelor sunt asociate cu regiunile C-terminale citoplasmatice cu proteinele celulelor care leagă actina. Când un ligand se leagă, subunitățile β ale integrinelor de legare interacționează cu așa-numitele proteine
Orez. 1.24.Interacțiunea integrinelor cu proteinele actină ale citoscheletului și ale matricei intercelulare [conform Campbell N. A., Reece J. B., 2002, cu modificări].
agenți de atașare - talină și α-actinină, care, la rândul lor, inițiază asamblarea altor proteine de legătură. Astfel, are loc legarea integrinelor de filamentele de actină. Filamentele de actină, prin integrine, pot modifica orientarea moleculelor de fibronectină secretate în matricea extracelulară. În același timp, matricea extracelulară poate influența organizarea citoscheletului în celulele țintă, ceea ce asigură transmisia bidirecțională a semnalului. Legarea integrinelor de liganzi și reunirea celulelor este necesară pentru restructurarea membranei bazale.
Interacțiunea integrinelor cu proteinele matricei extracelulare previne în unele cazuri apoptoza. Pierderea unor integrine (în cancerul de sân, prostată, colon) sau excesul acestora (în melanom, cancer cu celule scuamoase al cavității bucale, nazofaringe, laringe) este asociată cu un grad ridicat de malignitate a tumorii.
Astfel, informația pe care integrinele o transmit din matricea extracelulară în celulă, în unele cazuri stimulează aderența și migrarea celulelor tumorale, iar în altele duce la moartea acestora. Cu alte cuvinte, integrinele joacă rolul unui fel de „comutator” care determină soarta viitoare a celulei tumorale.
Laminine - reprezentanți ai familiei de glicoproteine adezive cu mol. cu o greutate de 850 kDa. Molecula de laminină este un complex mare flexibil format din lungi α-, Lanțuri polipeptidice β 1 -, β 2 asociate sub formă de cruce asimetrică și ținute împreună prin legături disulfurice. Fiecare lanț conține mai multe domenii funcționale capabile să se lege de colagen de tip IV, sulfat de heparan, entactină (nidogen) și receptori de suprafață celulară. Lamininele lipesc celulele epiteliale de membrana bazală (Fig. 1.25).
În stadiile incipiente ale morfogenezei, membrana bazală constă în principal dintr-o rețea de laminină și nu conține (sau conține puțin) colagen de tip IV.
Lamininele din membrana bazală se află într-un complex cu proteina nidogen, care este conectată prin domeniul C-terminal de lanțul (3 2 - al lamininei. În regiunea N-terminală a nidogenului există două domenii globulare, dintre care unul se leagă de colagenul de tip IV și de proteina de bază a proteoglicanului perlecan.Astfel, laminina, împreună cu nidogenul, asigură organizarea structurală a componentelor membranei bazale.În plus, domeniile globulare.
Orez. 1.25.Structura lamininei [după Cooper G.M., 2000, cu modificări].
Lamininele asigură migrarea celulelor epiteliale și astfel participă la odontogeneză, legarea țesuturilor parodontale de cimentul rădăcinii dintelui și construcția membranei epiteliale pe suprafața țesutului pulpar în timpul formării unui polip pulpar.
Vitronectină - o glicoproteină găsită în plasma sanguină și matricea extracelulară. Vitronectina interacționează cu glicozaminoglicanii, colagenul, plasminogenul și receptorul urokinazei. Prin stabilizarea conformației inhibitoare a inhibitorului de activare a plasminogenului 1 (proteinaza), reglează degradarea matricei. Prin legarea vitronectinei de complement, heparină și complexe trombină-antitrombină III, este implicată în răspunsul imun și reglarea coagulării sângelui. Lanțul polipeptidic al vitronectinei conține secvența de aminoacizi RGD, care asigură interacțiunea acestuia cu α V β Receptor 3-integrină și participă la atașarea, răspândirea și mișcarea celulelor.
Tenascin Și trombospondină - glicoproteine cu proprietăți atât adezive, cât și antiadezive. Tenascina și trombospondina joacă un anumit rol în embrio- și morfogeneză. Aceste proteine asigură modificări ale formei celulei în condiții in vitro, care, la rândul său, duce la schimbări în comportamentul celulelor în cultură. Ele promovează reorganizarea citoscheletului de actină prin modificarea contactelor adezive cu factori proteici care asigură motilitatea celulară. Tenascina și trombospondina formează complexe cu proteoglicanii, iar când tenascina se leagă de sulfatul de condroitin, proprietățile adezive ale proteoglicanilor se modifică.
Tenascin - glicoproteină oligomerică cu mol. cântărind mai mult de 100 kDa. Molecula acestei proteine are o structură mozaică, iar secvența de aminoacizi este similară cu factorul de creștere epidermic. Tenacina conține domenii de legare a calciului.
Trombospondină - o glicoproteină care își manifestă proprietățile anti-adezive în celulele endoteliale și fibroblastice, deoarece cu factori de creștere (factori de transformare 3 și derivați din trombocite, ei slăbesc legarea moleculelor matricei între ele).
Trombospondina prezintă, de asemenea, proprietăți adezive atunci când interacționează cu molecule de integrine, glicoproteine, sulfat de heparan și
glicolipidele. Domeniile globulare conținute în regiunile N- și C-terminale facilitează legarea calciului de heparină, după care trombospondina interacționează cu colagenul, fibronectina, fibrinogenul, laminina și plasminogenul.
Pe lângă proteinele adezive implicate în organizarea complexelor supramoleculare ale matricei intercelulare, în țesuturi sunt prezente glicoproteinele legate de factorii de creștere.
Factori de creștere
Factorii de creștere sunt de obicei polipeptide mici care stimulează sau inhibă proliferarea anumitor tipuri de celule. De regulă, ele sunt secretate de unele celule și acționează asupra altor celule, deși uneori se întâmplă să acționeze asupra acelorași celule care le secretă. Factorii de creștere se leagă de receptorii specifici acestora, localizați pe suprafața membranelor celulare ale celulelor țintă. Majoritatea factorilor de creștere activează tirozin protein kinazele în celule și numai TGF-(3) activează treonin protein kinaze.
Factorul de creștere transformator (TFR-(3) - o familie de glicoproteine, inclusiv 6 proteine diferite. Sunt dimeri formați din două subunități identice. Proteinele TGF-(3) sunt sintetizate ca precursori, secretate într-o formă inactivă și activate prin proteoliză limitată.
Pe membrana celulară a celulelor blastice au fost identificate trei tipuri de receptori TGF. Receptorii de al treilea tip sunt proteoglicanii de suprafață și oferă acces la TGF-(3) la receptorii de primul și al doilea tip, care, după legarea TGF-(3, formează un heterodimer cu activitate protein kinazei. Autofosforilarea domeniului citoplasmatic al receptorii au loc la reziduurile de serină și treonină. În continuare, are loc fosforilarea proteinelor citoplasmatice, participând la transmiterea semnalului către nucleu, unde are loc activarea genei de transcripție.Prin acest mecanism, sinteza proteinelor matricei extracelulare, cum ar fi colagenul de tip I și metaloproteinazele, este activat.
În plus, TGF-(3 acționează ca un factor de chemotaxie pentru monocite și fibroblaste. Suprimă proliferarea și funcția limfocitelor T și B și a celulelor endoteliale. Printre rețeaua complexă de citokine care influențează funcția odontoblastelor în procesul de regenerare a dentinei , TGF joacă un rol important -(3, care funcționează
Acționează ca un puternic imunosupresor și inductor al sintezei proteinelor matricei extracelulare. TFR- β mentine homeostazia in complexul dentina-pulpa in timpul inflamatiei.
Proteine morfogenetice osoase (MBK) -glicofosfoproteină acidă, bogată în serină și glicină, care conține trei legături disulfurice. Reducerea legăturilor disulfurice determină inactivarea MBC. În pulpa dentară, este secretată ca răspuns la stimuli externi de către odontoblaste pentru a forma dentina de înlocuire. MBC este foarte activ în țesutul osos și provoacă diferențierea celulelor stem în cele osteogene.
Factorul de creștere endotelial (FRE) -o glicoproteină care se leagă numai de celulele endoteliale vasculare și stimulează proliferarea acestora.
În plus, EGF poate activa o proteină specifică care include un complex de kinază. Proteinele fosforilate rezultate provoacă mișcarea celulelor, prin urmare, atunci când pulpa dentară, țesutul osos, membrana mucoasă, țesuturile parodontale și alte țesuturi ale cavității bucale sunt deteriorate, sub influența EGF, se produce mișcarea rapidă, mărirea și diferențierea celulelor cu activarea fosfataza alcalină.
EGF provoacă dilatarea vaselor de sânge, care este o condiție importantă pentru menținerea fluxului sanguin în țesuturi în timpul inflamației. De asemenea, crește sinteza IL-1, factorul de necroză tumorală (TNF), care contribuie semnificativ la vasodilatația în procesele patologice. Dereglarea proceselor factorului de creștere endotelial este însoțită de o creștere a presiunii osmotice, durere și modificări ireversibile ale țesutului.
Factorul de creștere asemănător insulinei (FMI)are efecte autocrine și paracrine. Se presupune că participă la creșterea rapidă a celulelor, diferențierea lor și mineralizarea țesuturilor dentare dure.
Factorul de creștere a fibroblastelor (FRF) -o familie de polipeptide înrudite structural reprezentate de nouă proteine. Mol. masa diferitelor forme de FGF variază de la 168 la 250 kDa. Până la 50% din secvența de aminoacizi a moleculei factorului de creștere a fibroblastelor corespunde structurii factorului de creștere endotelial. Ambele aceste peptide prezintă, de asemenea, afinitate similară pentru heparină și provoacă vasodilatație. Factorul de creștere a fibroblastelor este implicat în creșterea și diferențierea fibroblastelor în timpul formării unei capsule fibroase în jurul locului de inflamație.
Factorul de creștere a nervilor (FRN) -o familie de proteine care stimulează creșterea celulelor țesutului nervos. Aproape toate celulele umane sintetizează acest factor. Factorul de creștere a nervilor este implicat în restaurarea rapidă a zonei deteriorate datorită creșterii axonilor din trunchiul nervos deteriorat sau din fibrele nervoase nedeteriorate din apropiere. Astfel, NGF poate juca un rol important în răspunsul celulelor nervoase la deteriorare. Eliberarea de NGF în cavitatea bucală cu saliva stimulează vindecarea zonelor deteriorate ale membranei mucoase.
Factorul de creștere a hepatocitelor (Germania)stimulează proliferarea celulelor în diferite țesuturi. Poate fi implicat în agregarea celulară în timpul leziunilor tisulare, precum și în morfogeneza țesutului dentar.
Factorul de creștere epidermică (EGF) -proteine cu mol. cu o greutate de 70 kDa. Distinge α - și formele β ale EGF. Are efect asupra celulelor ectodermului: keratinocite ale pielii, celule epiteliale ale mucoasei bucale, esofag, faringe, precum și mezoderm: condrocite, endoteliu vascular. Factorul de creștere epidermică stimulează diferențierea odontoblastelor și crește sinteza ADN-ului în acestea în momentul maturării țesuturilor dentare. Odată cu vârsta, EGF inhibă diviziunea odontoblastelor, reduce sinteza colagenului de tip I și reduce activitatea fosfatazei alcaline. Producția de EGF este influențată de hormonii steroizi, tiroxină și progesteron.
Factorul de creștere a trombocitelor (FRT)afectează multe celule. Induce sinteza fosfatazei alcaline si a proteoglicanilor in celulele odontoblastice ale pulpei dentare si tesutului osos.
1.5. CATABOLISMUL PROTEINELOR DE MATRICE INTERCELULARĂ
Remodelarea tisulară este asociată cu diferențierea și migrarea celulelor. O celulă care a intrat pe calea diferențierii moare inevitabil. Noua celulă în curs de dezvoltare începe să sintetizeze noi proteine proprii, dintre care unele intră în matrice.
În catabolismul proteinelor celulare și al matricei intercelulare, rolul principal îl au metaloproteinazele matriceale (MMP, matrices). În condiții fiziologice, MMP-urile joacă un rol central în procesele de morfogeneză, remodelare și resorbție tisulară. Matrixinele își exercită acțiunea în matricea intercelulară. Centrul activ al acestor enzime conține calciu sau zinc, așa că sunt numite metaloproteinaze ale matricei de zinc dependente de Ca 2+. Mai cunoscut
20 de metaloproteinaze diferite, care diferă în specificitatea substratului și alte proprietăți. Pe baza organizării structurale și specificității substratului, au fost identificate patru subfamilii principale de MMP:
colagenaze -declanșează hidroliza regiunii elicoidale a colagenului tip I, II și III;
gelatinaza -hidrolizează colagenul de tip IV al membranelor bazale;
stromelizine -descompune proteinele de bază ale proteoglicanilor și un număr de proteine din matricea adezivă;
metaloelastaza - descompune elastina.
Descompunerea colagenului nativ, al cărui timp de înjumătățire este măsurat în săptămâni sau luni, implică colagenaze legate de MMP-1 și MMP-13. Colagenazele taie toate cele trei peptide α - lanțuri ale moleculei de colagen nativ în regiunea elicoidală, la aproximativ 1/4 din distanța de la capătul C-terminal, între resturile de glicină și leucină (sau izoleucină). Fragmentele de colagen rezultate devin solubile în apă și se denaturază, după care legăturile lor peptidice devin disponibile pentru hidroliză de către alte peptidaze.
Hidroliza colagenului membranei bazale are loc cu participarea gelatinazelor (MMP-2, MMP-9). Așa-numitul domeniu fibronectinic, prezent în structura regiunii N-terminale a enzimei, participă la legarea gelatinelor și colagenelor de către gelatinaze.
Alte două enzime, stromelizina-1 (MMP-3) și stromelizina-2 (MMP-10), scindează proteinele de bază ale proteoglicanilor și un număr de proteine adezive ale matricei intercelulare (Tabelul 1.4).
Activitatea metaloproteinazelor matriceale crește odată cu distrugerea matricei intercelulare, care se observă într-o serie de boli - parodontită, pulpita, ulcere cronice, invazia și metastaza tumorilor etc.
Reglarea activității metaloproteinazei matriceale
Activitatea metaloproteinazelor matriceale este monitorizată constant.
In primul rand,sunt sintetizate sub formă de preproenzime. Peptida semnal asigură secreția țintită a moleculei și după scindarea acesteia se formează o proenzimă. Proenzima conține o secvență de aminoacizi în care un reziduu de cisteină leagă o moleculă de Zn 2+ situată în centrul activ. Ulterior, după scindarea polipeptidei, forma activă formată a MMP conține două domenii principale. Domeniul N-terminal conține o legare de zinc
tip MMP | Enzimă | Mol. greutate, kDa | Componente fisile |
MMP-1 | Colagenaza initiala | Colagen I, II, III, VII, VIII, X tipuri, gelatină, proteoglicani |
|
MMP-2 | Gelatinaza A | Gelatina, colagen tipuri IV, V, VII, X, XI, fibronectină, elastina, proteoglicani |
|
MMP-9 | Gelatinaza B | Gelatina, colagen tip IV, V, elastina, proteoglicani |
|
MMP-3 | Stromelizin-1 | Elastină, proteoglicani, laminină, fibronectină, colagen tip IV, VII, IX, pro MMP-1 |
|
MMP-7 | Matrilizină | Proteoglicani, laminină, gelatină, fibronectină, colagen de tip IV, proMMP-1, -7, -8, -9 |
|
MMP-12 | Meta l lo elastaza | Elastină |
|
MMP-13 | Colagenaza instițială-3 | Colagen tip I, II, III, gelatină |
|
MMP-14 | Tip membrana MMP | Tipurile de colagen I, II, III, proMMP- 2, -13 (tip membrană) |
situs de apelare, în care Zn 2+ este legat de trei resturi de histidină și are activitate catalitică. Pe lângă zinc, un reziduu de acid glutamic participă la cataliză. Domeniul C-terminal este responsabil pentru legarea la substraturile și inhibitorii MMP. Între domeniile N- și C-terminale există un mic domeniu de legare care asigură specificitatea substratului (Fig. 1.26, A).
Diferite proteinaze sunt implicate în scindarea peptidei semnal. Astfel, reacția de activare a proMMP-1 și proMMP-3 implică plasmină proteinază asemănătoare tripsinei, metaloproteinaza membranei proMMP-2, gelatinaza proMMP-9 A. Astfel, activarea enzimelor are loc sub formă de cascadă și multe proenzime sunt simultan. implicate în acest proces și din nou enzimele active formate (Fig. 1.26, B).
Orez. 1.26.Structura proMMP-1: A - activarea enzimei are loc la scindarea propeptidei semnal; B - Diferite proteinaze sunt implicate în proteoliza limitată a proMMP.
În al doilea rând, activitatea enzimelor depinde de nivelul de exprimare al genelor lor. Majoritatea MMP-urilor aparțin enzimelor „inductibile”, a căror sinteza la nivel de transcripție este controlată de un număr de
factori: citokine și alți factori care acționează pe suprafața celulei (estrogen, progesteron etc.). Promotorii MMP conțin elemente comune responsabile pentru mecanismele de reglare a expresiei genelor.
Al treilea, în condiții fiziologice, țesuturile conțin o cantitate mică de MMP și activitatea lor depinde de prezența activatorilor și inhibitorilor în mediu. Activitatea MMP este controlată de proteine specifice - inhibitori tisulare ai metaloproteinazelor (TIMP). În prezent, patru tipuri de TIMP izolate din diferite țesuturi umane au fost bine studiate: TIMP-1, TIMP-2, TIMP-3, TIMP-4. TIMP-urile sunt capabile să se lege atât de formele active, cât și de cele inactive ale MMP. Aceste proteine diferă prin acțiunea lor specifică asupra metaloproteinazelor. Astfel, TIMP-1 inhibă MMP-9 semnificativ mai bine, în timp ce TIMP-2 inhibă activitatea MMP-2. TIMP-urile sunt inactivate prin hidroliză cu participarea diferitelor proteinaze - tripsină, chimotripsină, stromelizina-3 și elastaza neutrofilă.
Matrice extracelulara(~25% din greutatea corporală) este o „rețea” de zaharuri cu polimeri înalți. Funcționează ca un loc de tranzit și „sită moleculară” între sânge și celulele tisulare specializate. Funcționarea matricei asigură eliminarea produselor metabolice celulare și a altor toxine.
Să urmărim modificările asociate cu descoperirea rolului integral al matricei extracelulare.
În tabelul din 1957 nu exista conceptul de matrice extracelulară, deoarece conceptul Sistemului de Reglementare Pischinger a fost dezvoltat puțin mai târziu.
Reckeweg era familiarizat cu lucrările lui Pischinger, s-a referit la ele și a acordat o mare importanță rolului stării mezenchimului în dezvoltarea bolilor și a luat în considerare impactul asupra acestuia în scopuri terapeutice. Termenul de matrice în sine a fost introdus în Tabelul cu șase faze la începutul anilor 1990.
fi atent la PUNCT FOARTE IMPORTANT - matricea reprezintă aproximativ 25% din greutatea corpului uman(!). Acest lucru ne permite (condițional) să-l considerăm un „organ” separat. Prin urmare, cunoscând funcțiile matricei, este pur și simplu IMPOSIBIL să nu se țină cont de starea acesteia și să nu o corecteze atunci când se tratează vreo boală! Fără a face acest lucru, specialistul nu are dreptul să vorbească despre terapie patogenetică cu drepturi depline!
Uneori, conceptele de „matrice” și „spațiu intercelular” sunt confuze. Matrice- aceasta este o rețea de zaharuri cu conținut ridicat de polimeri - substanța principală. Matrice extracelulara- aceasta este zona de transmisie - transferul de informații (semnale) de la sistemele de reglare ale corpului către celule. Nervi, capilare, vase limfatice - toate se termină sau încep în matricea extracelulară. Niciuna dintre ele nu se termină sau își are originea într-o celulă. Interacțiunea diferitelor sisteme (NS, CVS, imunitar, endocrin) are loc prin schimbul de neurotransmițători, care sunt controlați de matricea extracelulară. Celula este înconjurată de o matrice extracelulară, iar calitatea funcționării acesteia depinde de puritatea matricei extracelulare și de capacitățile sale de transmisie.
Spațiul intercelular și matricea se mai numesc și zonă de tranzit sau „sită moleculară”, deoarece prin ea, nutrienții și oxigenul sunt transportați din sânge către celule, iar metaboliții, toxinele și dioxidul de carbon intră din nou în sânge din celule. De asemenea, hormonii se deplasează prin ea de la sânge la receptorii celulari, iar mediatorii se deplasează de la terminațiile nervoase.
Mai multe detalii despre funcțiile mezenchimului și matricei pot fi citite în articolele: Bolling D.: Pischinger: baze științifice pentru acupunctură și homotoxicologie // Terapie biologică. - Nr. 4. - 1997. - P.10-11. Adelverer N.: Matrice, valoare pH și potențial redox // Medicină biologică.- Nr. 2. - 2003. - pp. 9-10
Figura de mai sus arată structură matricială (rețea moleculară). Matricea extracelulară este o rețea subțire tridimensională de proteoglicani și glicozaminoglicani. Proteoglicanii constau din molecule de acid hialuronic, pe care proteina de bază este atașată folosind proteine de legare (trizaharide). Proteinele încrucișate, care sunt purtători de unități de dizaharide (glicozaminoglicanii, de exemplu, sulfatul de condroitină), sunt atașate orizontal sub forma unei structuri asemănătoare arborelui.
Zaharuri polimerice bogate(sulfat de condroitină, sulfat de keratan - reprezentat sub formă de ace) atrag moleculele de apă la sine, formând cochilii de hidratare. Homotoxinele „se blochează” („umplute”) între ace (zaharuri) și formează, de asemenea, cochilii de hidratare. În acest sens, matricea se umflă și trece de la o stare lichidă (sol) la o stare de gel (asemănătoare jeleului).
Atenţie! Este important! „Contaminarea” matricei(umflare și trecere la o stare asemănătoare gelului) complică și perturbă transportul substanțelor prin matrice, precum și transmiterea semnalelor de reglare!
Diverse stări ale matricei
Sănătatea și calitatea vieții pacientului depind direct de puritatea matricei intercelulare și de oportunitatea transmiterii semnalelor de reglare.
Într-o stare sănătoasă, matricea este în stare sol, în timp ce structura sa este omogenă și uniformă (în timpul examinării histologice).
Sub influența diverșilor factori nocivi, homotoxinele se acumulează („se blochează”) în matrice, valoarea pH-ului se modifică spre acidificare; Zaharurile cu conținut ridicat de polimeri atrag moleculele de apă la sine, formând învelișuri de hidratare. Homotoxinele „se blochează” („umplute”) între ace și formează, de asemenea, cochilii de hidratare. În acest sens, matricea se umflă și se schimbă dintr-o stare de sol în stare de gel. Structura sa în unele locuri devine mai densă și devine eterogenă (după cum se poate observa în timpul examenului histologic). Ca urmare, metabolismul încetinește - accesul la celula de nutrienți și oxigen este dificil, precum și excreția inversă a metaboliților și a dioxidului de carbon.
Procesul descris are loc în faze până la bariera biologică.
În spatele barierei biologice totul este mai complicat, pentru că... homotoxinele formează legături chimice cu zaharurile (adică se polimerizează cu structuri de matrice) și nu pot fi pur și simplu îndepărtate. Bolile cronice rezultă din incapacitatea prelungită a organismului de a trata corect toxinele din matricea extracelulară și apoi intracelulară.
Într-o astfel de situație, este necesar să se utilizeze medicamente care au efect depolimerizant, cele care pot rupe aceste legături (există astfel de medicamente printre medicamentele antihomotoxice (AGD!)). ajută la combaterea eficientă a acestei situații!
Informații suplimentare
Odată cu acumularea suplimentară în matricea extracelulară și intrarea homotoxinelor în celulă, sunt afectate organele celulare, în special mitocondriile, ceea ce duce la o schimbare a homeostaziei celulare către glicoliza anaerobă și echilibrul acido-bazic - spre partea acidă. Celula începe să funcționeze în condiții de deficiență energetică asociată cu trecerea la glicoliză; mitocondriile transmit informații către nucleu pentru sinteza ARN mitocondrial pentru a crește numărul de mitocondrii. Practic, nu există nicio modalitate prin care aceste informații să treacă fără distorsiuni, astfel încât diviziunea celulară este activată nespecific și celula trece la reproducere necontrolată și se formează o tumoare malignă. Celulele tumorale se caracterizează prin procese de glicoliză anaerobă, în urma cărora se formează lactat în exces în interiorul celulelor și apare acidoza. Folosind mecanisme active, acidul este eliminat în spațiul extracelular. În condiții de acidoză extracelulară, matricea este rearanjată structural, devine mecanic mai puțin permeabilă la celulele imunocompetente, iar într-un mediu acid metabolismul și activitatea funcțională a acestora scade.
Informații suplimentare din chimie: Sol - sistem coloidal cu o fază lichidă continuă și o fază solidă dispersată, reprezentat de particule cu diametrul de 0,1 - 0,001 centimetri. Gel- starea gelatinoasă a materiei (Dictionary of Petroleum Geology, 1952). Geluri(din latină gelo - solidify) - sisteme dispersate cu un mediu de dispersie lichid sau gazos care au unele proprietăți ale solidelor: capacitatea de a păstra forma, rezistența, elasticitatea, plasticitatea. Aceste proprietăți ale gelului se datorează existenței unei rețele structurale (cadru) formată din particule din faza dispersată, care sunt interconectate prin forțe moleculare de diferite naturi.
MATRIX este un „câmp” pe care toate semnalele de reglementare converg pe drumul către celulă
Este important să ne amintim rolul integral al matricei- locuri în care toate semnalele de reglare ale sistemului imunitar-neuro-endocrin „converg”. Bunăstarea întregului organism depinde de interacțiunea adecvată a acestora.
Rețeaua matricei moleculare depășit de toate substanțele implicate în metabolism, adică joacă rolul de „loc de tranzit”. Deoarece fibrele nervoase autonome se termină în matrice, aceasta este conectată prin căi nervoase la sistemul nervos central (SNC). De asemenea, vasele limfatice încep în matrice și vasele de sânge (capilare) trec prin matrice, astfel încât prin hormoni este conectată și la sistemul endocrin (în primul rând glanda pituitară, glanda tiroidă și glandele suprarenale). După cum se știe, sistemul nervos central și sistemele endocrine interacționează între ele în trunchiul cerebral (hipotalamus). Matricea contine si celule imunocompetente.
Toate cele trei sisteme principale de reglare ale organismului interacționează în matrice - nervos, endocrin și imunitar. Matricea pătrunde în spațiul extracelular al corpului și îndeplinește funcția de rețea moleculară care înconjoară și susține celulele și joacă un rol major ca parte integrantă a sistemului deschis energetic al corpului.
Contactele intercelulare sunt complexe proteice specializate prin care celulele vecine intră în contact reciproc și comunică unele cu altele
Matricea extracelulară este o rețea densă de proteine situate între și formată de celule
Celulele exprimă receptori pentru proteinele matricei extracelulare
Proteinele matricei extracelulare și joncțiunile celulă-celulă controlează organizarea tridimensională a celulelor în țesut, precum și creșterea, motilitatea, forma și diferențierea acestora
Unul dintre cele mai importante evenimente din evoluția ființelor vii a fost apariția organisme pluricelulare. Pe măsură ce celulele au dezvoltat o modalitate de a se grupa, au dobândit capacitatea de a forma comunități în care diferite celule s-au specializat în funcție. Dacă, de exemplu, două organisme unicelulare „își unesc forțele”, ne putem imagina că fiecare s-ar specializa în îndeplinirea anumitor funcții necesare creșterii și reproducerii cu succes, lăsând restul partenerului său.
Pentru educație organism multicelular simplu sau țesuturi ale unui organism mai complex, celulele trebuie să fie atașate în siguranță unele de altele. După cum se arată în figura de mai jos, pentru celulele animale, acest atașament poate fi realizat în trei moduri. În primul rând, celulele se atașează direct între ele prin formarea de joncțiuni intercelulare, care sunt modificări speciale ale suprafeței celulelor celulelor învecinate. Aceste contacte sunt vizibile la microscopul electronic. În al doilea rând, celulele pot interacționa între ele fără a forma contacte, folosind proteine care nu formează astfel de regiuni specializate. În al treilea rând, celulele se conectează între ele în mod indirect prin atașarea la rețeaua matricei extracelulare (ECM), care conține molecule situate în mediul intercelular.
Atașarea celulei apare ca urmare a formării de contacte ale suprafeței lor cu matricea extracelulară.
Cu toate acestea, formarea organism pluricelular nu este o sarcină la fel de simplă precum atașarea mai multor celule între ele. Funcționarea corespunzătoare a acestor comunități celulare este asigurată de interacțiunea lor eficientă și diviziunea muncii între ele. Joncțiunile celulă-celulă sunt zone foarte specializate în care celulele sunt conectate între ele prin complexe proteice legate de membrană. Există mai multe tipuri diferite de contacte intercelulare, fiecare dintre ele joacă un rol specific în comunicarea celulelor între ele.
veverițe, formând joncțiuni gol, permit celulelor să comunice direct între ele, formând canale prin care sunt schimbate moleculele citoplasmatice mici. Proteinele care formează joncțiuni strânse servesc ca o barieră selectivă care reglează trecerea moleculelor prin stratul celular și previne difuzia proteinelor în membrana plasmatică. Joncțiunile adezive și desmozomii asigură stabilitate mecanică prin legarea citoscheletului celulelor în contact, permițând stratului de celule să funcționeze ca o singură unitate. Aceste contacte pot servi drept transmițători de semnal, traducând modificările suprafeței celulei în semnale biochimice care se propagă în întreaga celulă.
Diagrame ale structurii contactelor intercelulare ale celulelor epiteliale (stânga),complexe adezive de contact ale celulelor de origine non-epitelială (dreapta) și complexe ale celulelor cu matricea extracelulară (jos).
Sunt prezentate și clasele de componente principale (MCC).
Se știe, de asemenea, că sunt implicate diferite tipuri de proteine în interacțiunea celulară fără contact. Aceste proteine includ integrine, caderine, selectine și molecule legate de imunoglobuline care mediază aderența celulară.
Toate celulele, chiar și cele mai multe organisme primitive unicelulare, au funcțiile de a recunoaște mediul extern și de a interacționa cu acesta. Chiar înainte de apariția comunităților celulare, celulele trebuiau să se atașeze și să se miște în jurul suprafețelor. Astfel, structurile adezive ale matricei celulare s-au format devreme în evoluție. După cum se arată în figura de mai jos, în organismele multicelulare, spațiul dintre celule este umplut cu o structură densă formată din proteine și zaharuri numită matrice extracelulară. Matricea extracelulară este organizată în fibre, straturi și structuri de film.
În unele țesuturi matrice extracelulara este sub forma unor straturi complexe numite lamina bazala si este in contact direct cu celulele. Proteinele care alcătuiesc matricea extracelulară sunt de două tipuri: glicoproteinele structurale, precum colagenul și elastina, și proteoglicanii. Aceste proteine conferă țesuturilor rezistență și elasticitate și, de asemenea, servesc ca un filtru selectiv care controlează fluxul de componente insolubile între celule. Proteoglicanii prezintă proprietăți hidrofile și mențin un mediu apos între celule. Când celulele migrează, matricea extracelulară funcționează ca o structură de susținere pentru a le permite mișcarea.
Celulele secretă componente ale matricei extracelulare. Ei înșiși formează acest sistem de suport extern și, dacă este necesar, își pot schimba forma datorită degradării și înlocuirii zonelor înconjurătoare ale matricei. În prezent, problemele de control asupra asamblarii și degradării matricei extracelulare prezintă un interes semnificativ, deoarece joacă un rol important în dezvoltarea organismelor multicelulare, în vindecarea rănilor și în formarea tumorilor maligne.
Contactele celulare cu matricea extracelulară se formează datorită proteinelor receptorilor de suprafață celulară, care, colectate împreună, formează structuri de tip insulă (plastic) pe suprafața celulelor și care leagă matricea extracelulară situată în exteriorul membranei plasmatice cu citoscheletul din partea citosolului. Ca și în cazul unor contacte celulă-celulă, unele dintre aceste proteine formează complexe ordonate care conectează suprafața celulei de citoscheletul. Aceste proteine au funcții mult mai largi decât doar „sugeți de celule”; de asemenea, sunt implicați în multe procese de transducție a semnalului și oferă celulelor capacitatea de a comunica între ele.
Variat celuleîmpreună cu matricea lor extracelulară formează țesuturi care se caracterizează printr-un grad ridicat de specializare. Cartilajul, oasele și alte tipuri de țesut conjunctiv pot rezista la stres mecanic puternic, în timp ce altele, cum ar fi țesutul care formează plămânii, nu sunt puternice, dar sunt foarte elastice. Echilibrul dintre rezistență, elasticitate și structura tridimensională este ajustat cu atenție, iar componentele fiecărei țesături își îndeplinesc funcțiile în cooperare între ele. Astfel, organizarea și compoziția țesutului corespunde funcției îndeplinite de organ; de exemplu, mușchii sunt complet diferiți de piele și slavă Domnului!
Contacte intercelulareși atașarea celulelor la matrice nu sunt limitate la suprafața celulei. În multe cazuri, proteinele trebuie să fie ancorate în membrană suficient de puternic pentru a rezista forțelor mecanice. Acest lucru necesită asocierea lor cu citoscheletul, care oferă în esență suport structural celulei. Prezența citoscheletului previne, de asemenea, deplasarea laterală a receptorilor în planul membranei, „ținându-i” pe loc. Împreună cu aceasta, procesele de transducție a semnalului reglează ansamblul contactelor intercelulare și le mențin. Citoscheletul și mecanismele de semnalizare joacă un rol esențial în adeziunea celulară.
