Межклеточное вещество (или внеклеточный матрикс / МКВ) образуется из продуктов секреции клеток соединительной ткани и компонентов плазмы крови и представлено:
1) волокнами (коллагеновыми, эластическими и ретикулярными). Коллагеновые и ретикулярные состоят из белков семейства коллагенов, а эластические – эластина. Эти волокна распределены среди различных типов соединительной ткани, с преобладающим типом волокон, который определяет специфические свойства ткани.
2) основного (аморфного) вещества.
- обеспечение архитектоники, физико-химических и механических свойств ткани;
- участие в создании оптимального микроокружения для деятельности клеток;
- интеграция в единую систему всех клеток в соединительной ткани и обеспечение передачи информации в ней;
- воздействие на многочисленные функции различных клеток (пролиферация, дифференцировка и др.).
В рыхлой волокнистой соединительной ткани коллагеновые волокна располагаются в различных направлениях в виде волнообразно изогнутых, спиралевидно скрученных, округлых или уплощенных в сечении тяжей толщиной 1—3 мкм и более. Длина их различна.
Функции коллагеновых волокон:
- обеспечивают высокие механические свойства соединительной ткани, так как являются прочными и практически нерастяжимыми
- определение архитектоники (ландшафта)
- обеспечение взаимодействий между клетками и МКВ
- влияние на пролиферацию, дифференцировку, миграцию, активность разных клеток.
Внутренняя структура коллагенового волокна определяется фибриллярным белком — коллагеном.
Коллаген - белок, синтезируется в гр ЭПС фибробластов. Клетки, которые также могут синтезировать коллагены - хондробласты, остеобласты, одонтобласты, цементобласты, ретикулярные клетки, гладкие миоциты и др.
Молекулы коллагена состоят из трех скрученных спирально полипептидных цепей – альфа-цепей, в которых преобладают аминокислоты: глицин, пролин, лизин, гидроксипролин, гидроксилизин.
Различают около 28 типов коллагена, отличающихся молекулярной организацией, органной и тканевой принадлежностью. Определено более 30 вариантов альфа-цепей, которые различаются по химическому составу. Каждая комбинация кодируется специфическими генам.
1) коллаген I типа встречается преимущественно в соединительной ткани кожи, сухожилиях, костях, роговице глаза, склере, стенке артерий и др.;
2) коллаген II типа входит в состав гиалиновых и фиброзных хрящей, стекловидного тела и роговицы глаза, хорде эмбриона, nucleus pulposus межпозвоночного диска;
3) коллаген III типа находится в дерме кожи плода, в стенках крупных кровеносных сосудов, а также в ретикулярных волокнах (например, органов кроветворения), кишечнике, печени, легком, клапанном аппарате сердца и др;
4) коллаген IV типа — встречается в базальных мембранах, капсуле хрусталика (в отличие от других типов коллагена он содержит гораздо больше боковых углеводных цепей, а также гидроксилизина и гидроксипролина);
5) коллаген V типа – базальные мембраны, стенка кровеносных сосудов, кожа, связки, роговица, поперечнополосатые мышечные ткани, в хорионе, амнионе, эндомизии, перимизии, коже, а также вокруг клеток (фибробластов, эндотелиальных, гладкомышечных), принимающих участие в синтезе коллагена.
Также структурно различают:
- фибриллярные коллагены – 1, 2, 3, 5 типа, которые формируют большие фибриллы;
- аморфные, сеть-формирующие коллагены – 4 типа, продуцируется эпителиальными клетками для базальной мембраны, образуют плоские сети.
Якорные или связывающие коллагены – короткие белки, которые могут фиксировать клетки к базальной мембране (коллаген 7 типа).
Этапы синтеза коллагенового волокна включают внутриклеточный и внеклеточный:
Внутриклеточный этап:
- образование иРНК, кодирующих синтез альфа-цепей коллагена в результате транскрипции генов (в ядре);
- поглощение и транспорт аминокислот, необходимых для синтеза с помощью эндоцитоза;
- Молекулы коллагена имеют длину около 280 нм и ширину 1,4 нм. Они построены из триплетов - трех полипептидных α-цепи предшественника - проколлагена, свивающихся еще в клетке в единую тройную спираль. Проколлаген секретируется в межклеточное вещество. Проколлаген формирует первый, молекулярный, уровень организации коллагенового волокна.
Процесс происходит в рибосомах грЭПС следующим образом: три альфа-цепи стабилизируются дисульфидными связями и формируют триплет-спираль, которая является базовой единицей для сборки.
Молекулы образуются с длинными «регистрационными пептидами» (краевыми), которые необходимы для: 1) последующей правильной сборки альфа-цепей, 2) растворимости в воде, и 3) предотвращения самопроизвольной сборки фибрилл внутри клетки.
- Далее происходит транспорт в цистерны грЭПС. Центральный главный домен цепи богат пролином и лизином, а также глицином. Гидроксилазные ферменты в цистернах грЭПС добавляют гидроксильные группы аминокислотами в реакциях, что также требует железа, кислорода и витамина С, как кофакторов.
- В просвете цистерн грЭПС происходит скручивание трех альфа-цепей, С-терминальные области трех альфа цепей стабилизированы цистеиновыми дисульфидными связями.
- далее проколлагеновая молекула транспортируется в аппарат Гольджи, где происходит терминальное гликозилирование упаковка и секреция.
- от аппарата Гольджи происходит транспорт проколлагена к плазмолемме с помощью микротрубочек и микрофиламентов.
- происходит экзоцитоз молекул проколлагена в инвагинации цитоплазмы фибробласта.
Внеклеточный этап (сборка фибрилл)
- Второй, надмолекулярный, уровень — внеклеточная организация коллагенового волокна - снаружи клетки проколлаген-пептидаза отщепляет регистрационные пептиды и превращает проколлаген в молекулу нерастворимого тропоколлагена. Самосборка в полимерный коллаген происходит на специальных нишах клеточной поверхности. Сначала образуются протофибриллы, а 5—6 протофибрилл, скрепленных между собой боковыми связями, составляют микрофибриллы толщиной около 5 нм. Лизилоксидаза предотвращает разборку и стабилизирует фибриллярные структуры.
3) При участии гликозаминогликанов и гликопротеинов, секретируемых фибробластами, формируется третий, фибриллярный, уровень организации коллагенового волокна. Коллагеновые фибриллы представляют собой поперечно исчерченные структуры толщиной в среднем 20—100 нм. Период повторяемости темных и светлых участков 64—67 нм. Каждая молекула коллагена в параллельных рядах, смещена относительно соседней цепи на четверть длины, что служит причиной чередования темных и светлых полос. В темных полосах под электронным микроскопом видны вторичные тонкие поперечные линии, обусловленные расположением полярных аминокислот в молекулах коллагена.
4) Четвертый, волоконный, уровень организации - коллагеновое волокно, образующееся путем агрегации фибрилл, имеет толщину 1 — 10 мкм (в зависимости от топографии). В него входит различное количество фибрилл — от единичных до нескольких десятков. Волокна могут складываться в пучки (волокон) толщиной до 150 мкм.
Клиническое значение:
Синдром Элерса-Данло связан с патологической подвижностью суставов, повышенной эластичностью кожи, аневризмами и разрывами стенок аорты или кишечной трубки. Причиной является генетические нарушения в синтезе и сборке коллагена.
Цинга – является дефицитным состоянием витамина С, который участвует в синтезе коллагена. Проявляется также кровоточивостью, мышечной слабостью, отечностью.
Несовершенный остеогенез (хрустальная болезнь) связан с синтезом дефектного коллагена 1 типа, (а также других коллагенов) в костной и других тканях. Характеризуется повышенной ломкостью костей.
- Внутриклеточный механизм происходит до и сразу после секреции синтезированного материала, таким образом, коллаген проходит «контроль качества», который выявляет биологические ошибки.
- Внеклеточный этап деградации происходит с помощью секреции фибробластами лизосомальных ферментов в МКВ, которые дробят коллаген на более мелкие фрагменты.
Обновление коллагена в нормальной соединительной ткани происходит очень медленно. В некоторых тканях (сухожилия и связки) коллаген очень стабилен, в то время как в периодонтальной связке, окружающей зубы, он быстро обновляется.
Деградацию обеспечивают ферменты – коллагеназы, которые принадлежат к семейству матриксных металлопротеиназ (ММП), которые разрезают фибриллы для дальнейшего разрушения неспецифическими протеазами. ММП секретируются макрофагами и играют важную роль в ремоделировании МКВ при регенерации тканей. Подробнее о ММП будет сказано далее.
|
Клиническое значение: Нарушение равновесия между синтезом и деградацией коллагена может привести к избыточному отложению коллагеновых волокон, что характерно для фиброза (в печени, почках, легких). В участках повреждения кожи данные нарушения могут спровоцировать образование утолщенных келоидных рубцов. |
Разновидностью коллагеновых волокон являются ретикулярные и преколлагеновые волокна. Последние представляют собой начальную форму образования коллагеновых волокон в эмбриогенезе и при регенерации. В их состав входят коллаген III типа и повышенное количество углеводов, которые синтезируются ретикулярными клетками органов кроветворения. Они образуют тонкую и растяжимую, трехмерную сеть — ретикулум, что и обусловило их название. Синтезируют данные волокна ретикулярными клетками, фибробластами, адипоцитами, гладкими миоцитами и др.
Ключевым свойством ретикулярных волокон является аргирофильность – способность окрашиваться солями серебра в черный цвет.
Главная функция – опорная. Она реализуется в составе стромы органов гемопоэза – красный костный мозг, селезенке, лимфоузлах, а также в составе печени, поджелудочной железы.
Эластические волокна. Наличие эластических волокон в соединительной ткани определяет ее эластичность и растяжимость. По прочности эластические волокна уступают коллагеновым. Форма поперечного разреза волокон округлая и уплощенная.
- определение архитектоники ткани;
- способность ткани к обратимой деформации (возвращение в исходную форму после воздействия извне).
Синтез обеспечивают кроме фибробластов, гладкие миоциты, хондробласты, хондроциты.
В рыхлой волокнистой соединительной ткани эластические волокна широко анастомозируют друг с другом. Толщина эластических волокон обычно меньше коллагеновых (0,2—1 мкм), но может достигать нескольких микрометров. В составе эластических волокон различают микрофибриллярный (периферический) и аморфный (центральный. светлый) компоненты.
Основой эластических волокон является глобулярный гликопротеин — эластин, синтезируемый фибробластами и гладкими мышечными клетками. Для эластина характерно наличие двух производных аминокислот — десмозина и изодесмозина, которые участвуют в стабилизации молекулярной структуры эластина и придании ему способности к растяжению, эластичности.
Как и коллаген он синтезируется в грЭПС и комплексе Гольджи. Цепочка созревания выглядит следующим образом: проэластин – тропоэластин – эластин, который составляет первый, молекулярный уровень организации эластического волокна.
Вне клетки молекулы эластина соединяются в цепочки — эластиновые протофибриллы, которые создают второй, надмолекулярный, уровень организации эластического волокна.
Эластиновые протофибриллы в сочетании с гликопротеинами (фибриллином 1 и 2 и фибулином 1) образуют в МКВ микрофибриллы.
|
Клиническое значение:
синдром Марфана обусловлен мутациями генов, кодирующих синтез соответствующих белков – фибриллина 1 и 2. Проявляется аномальной растяжимостью кожи, подвижностью суставов, аневризмами крупных сосудов. |
Четвертый уровень организации эластического волокна — волоконный. Зрелые эластические волокна содержат около 90 % аморфного компонента эластических белков (эластина) в центре, а по периферии — микрофибриллы.
Кроме зрелых эластических волокон, различают элауниновые и окситалановые волокна (незрелые). В элауниновых волокнах соотношение микрофибрилл и аморфного компонента примерно равное, а окситалановые волокна состоят только из микрофибрилл.
Основное вещество (или аморфный компонент/ОАВ) – гелеобразное вещество, которое представляет собой метаболическую, интегративно-буферную многокомпонентную среду, окружающую клетки и волокна ткани, нервы и сосуды. В состав компонентов основного вещества входят:
1) белки плазмы крови,
2) вода,
3) неорганические ионы,
4) растворимые коллагеновые и эластические белки, гликозамингликаны, протеогликаны и гликопротеины,
5) молекулы биологически активных веществ,
6) продукты метаболизма клеток.
Гликозаминогликаны (ГАГ) — (мукополисахариды) полисахаридные соединения, - линейные полимеры, построенные из повторяющихся дисахаридных единиц. Каждая из этих единиц содержит обычно гексуроновую кислоту и гексозамин (аминосахарид). Молекулы ГАГ содержат много гидроксильных, карбоксильных и сульфатных групп, имеющих отрицательный заряд, легко присоединяют молекулы воды и ионы, в частности Na+, и поэтому определяют гидрофильные свойства ткани. ГАГ проницаемы для кислорода и СО2, но предохраняют органы от проникновения чужеродных тел и белков.
Среди ГАГ разделяют на несульфатированные и сульфатированные. К несульфатированным относится наиболее распространенная в соединительной ткани гиалуроновая кислота, которая состоит из глюкозамина или галактозамина и уроновой кислоты. Уникально, что гиалуроновая кислота синтезируется прямо в МКВ с помощью фермента гиалуронансинтазы, которая локализована на мембране клеток.
Функциями является:
- увлажнение поверхностей (например, в суставных);
- молекулярная диффузия метаболитов.
Сульфатированные ГАГ:
хондроитин-сульфаты (в хряще, коже, роговице),
дерматансульфат (в коже, сухожилиях, в стенке кровеносных сосудов),
кератансульфат (в роговице глаза),
гепаринсульфат (в составе многих базальных мембран).
Они имеют отрицательный заряд и выполняют функции:
-заполнение пространства (филлер);
- смягчение трения;
- смазывание поверхностей.
Соединения белков с ГАГ носят название протеогликаны (ПГ). В основе протеогликанового комплекса лежит длинная (около 1700 нм) линейная молекула гиалуроновой кислоты, к которой присоединяются 70-100 молекул протеогликанов.
- взаимодействие с молекулами коллагена и влияние на образование коллагеновых волокон (способствуют их правильной укладке);
- обеспечение связи между поверхностью клеток и компонентами МКВ (это обеспечивают фибронектин, ламинин и коллаген, а синдекан пронизывает плазмолемму, прикрепляясь к цитоскелету, а снаружи – к МКВ).
- транспорт воды и электролитов
- связывание, накопление и выделение факторов роста (гепарин и гепарансульфат).
Наиболее важными представительями ПГ в РВСТ являются декорин, перлекан, синдекан и СД 44.
Представителями ПГ являются:
1. Перлекан – является ключевым во всех базальных мембранах
2. Агрекан – крупный ПГ, который тесно связан с хондроитин- и кератансульфатом, а также в гиалуроновой кислотой – эти комплексы заполняют пространства между коллагеновыми волокнами и клетками и обеспечивают механические свойства тканей.
Эмбриональная мехенхима имеет большое количество гиалуроновой кислоты и воды. Что обеспечивает значительное пространство и возможности для клеточной миграции и роста.
ПГ состоят из сердцевинного белка к которому присоединяется большое количество комбинаций сульфатированных ГАГ.
Пространственная организация ПГ-комплексов образует своеобразное молекулярное сито, регулирующее диффузию воды и низкомолекулярных продуктов питания и обмена. ПГ синтезируются в грЭПС и аппарате Гольджи фибробластов.
Обновление ПГ происходит более интенсивнее, чем коллагена, они разрушаются лизосомальными ферментами клеток.
|
Клиническое значение: Деградация аморфного вещества. При недостаточной активности лизосомальных ферментов частично переваренные ПГ могут накапливаться и развивать ряд заболеваний, а именно мукополисахаридозы. Гиалуроновая кислота и ПГ обеспечивают барьер за счет высокой вязкости против внедрения бактерий в ткани, которые могут секретировать гиалуронидазу – фермент нарушающий сборку ПГ и гидролизирующий гиалуроновую кислоту, это снижает вязкость в СТ и способствует росту инвазии инфекции. Данный фермент также использует сперматозоид при оплодотворении. Из акросомы выделяется гиалуронидаза, которая разрушает блестящую оболочку овоцита. |
___________________________________
Мультиадгезивные гликопротеины (ГП, "нефибриллярные белки") — класс соединений белков с олигосахаридами (гексозаминами, гексозами, фукозами, сиаловыми кислотами). Гликопротеины входят в состав как волокон, так и аморфного вещества.
К ним относятся:
• растворимые ГП, связанные с протеогликанами;
• ГП кальцинированных тканей (например, при патологически измененных суставах и мочекаменной болезни);
• ГП, связанные с коллагеном (структурные ГП и ГП базальных мембран).
Гликопротеины играют большую роль в формировании структуры межклеточного вещества соединительной ткани и также определяют его функциональные особенности (примерами ГП являются: фибронектин, хондронектин, фибриллин, ламинин и др.)
Функции ГП:
- образование базальной мембраны
- формирование фибрилл в МКВ
- участие во взаимодействии между клетками
· Фибронектин — главный поверхностный гликопротеин фибробласта. В межклеточном пространстве он связан с внеклеточным коллагеном. Полагают, что фибронектин обусловливает липкость, подвижность, рост и специализацию клеток, способствует адгезии тромбоцитов, фибробластов и других клеток.
· Фибриллин - формирует микрофибриллы, усиливает связь между внеклеточными компонентами (например, при эластогенезе – синтезе и сборке эластических волокон).
· Ламинин — компонент базальной мембраны, состоящий из трех полипептидных цепочек, связанных: между собой дисульфидными соединениями, а также с коллагеном 4 типа и поверхностными рецепторами клеток.
· Энтактин/нидоген – связывается с коллагеном 4 типа и ламинином и входит в состав БМ.
· Интегрины – через особые белки талин и винкулин связывают актиновые филаменты цитоскелета с коллагеновыми волокнами. Участвуют в процессах адгезии (тромбоцитов, лейкоцитов, бластоцисты во время беременности).