Особенности механизмов минерализации в тканях

Минерализация в тканях – сложный постоянно протекающий процесс. Наиболее ранняя теория минерализации тканей предложена в 1923 году. В соответствии с ней для образования кристаллов очень важно локальное высвобождение фосфата из органических молекул при участии щелочной фосфатазы. Однако эта теория не объясняла высокую активность фермента во многих неминерализующихся тканях.

К 1958 году было показано: внеклеточная жидкость пересыщена солями фосфата кальция. Стало ясно, что кальцификации должна предшествовать нуклеация. После выяснения важности гетерогенного типа нуклеации первым предполагаемым кандидатом на роль неподвижной фазы стал коллаген, а рост кристаллов гидроксиапатита стали представлять по механизму эпитаксиса.

В настоящее время считается, что минерализацию инициирует не сам коллаген, а связанные с ним молекулы. На роль таких молекул претендуют обладающие анионными свойствами gla-белки, фосфопротеины, протеогликаны. Например, хондрокальцин, локализованный в минерализирующемся фронте хряща, является кальций-связывающим белком. Остеонектин, известный как фосфогликопротеин костной ткани, связывает одновременно гидроксиапатиты и коллаген, обеспечивая нуклеацию апатита из раствора фосфата кальция. Другие Са-связывающие белки также могут иметь отношение к процессу минерализации тканей.

В зонах минерализации кости (по данным электронной микроскопии) выявляются внеклеточные мембраносвязанные тельца, содержащие кристаллы апатита. Полагают, что именно эти пузырьки являются зонами нуклеации, а волокна коллагена лишь пространственно ориентируют рост кристаллов. Пузырьки содержат активную фосфатазу и фосфолипиды. Фосфатаза увеличивает локальную концентрацию фосфата, расщепляя органические фосфосодержащие соединения. Однако такие пузырьки не обнаружены при минерализации эмали, дентина или цемента зуба.

Факторы регуляции минерализации

Для минерализации костей, твёрдых тканей зуба необходимо поддержание определённых концентраций ионов кальция и неорганического фосфата в плазме крови, слюне и надкостнице. Нормальное протекание этих процессов обеспечивается тем, что концентрация Са²⁺ в крови варьирует в очень узких пределах: 2,25-2,64 ммоль/л – у взрослых и 2,74-3,24 ммоль/л – у детей. Более широкие колебания характерны для неорганического фосфата: 0,64-1,29 ммоль/л – у взрослых, 1,29-2,26 ммоль/л – у детей. В механизмы регуляции гомеостаза этих ионов включены три гормона – паратиреоидный (паратгормон, ПТГ, паратиреокринин), кальцитонин (тирокальцитонин, КТ) и метаболиты витамина D (кальцитриолы – 1,25(ОН)₂D₃ и 24,25(ОН)₂D₃), работающие как стероидные гормоны.

Влияние пирофосфата на кости (см выше про бифосфонаты зеленый цвет)

К соединительной ткани

Образование олигосахаридной части N-связанных белковоуглеводных комплексов происходит отдельно от белковой части. Ведущую роль в синтезе таких олигосахаридов занимает долихол – полиизопреновое соединение, состоящее из 17-21 изопреновых единиц

Структура долихола

Долихолкиназа превращает долихол (Dol) в долихолфосфат (Dol-P) (рис. 3), который вступает в реакцию с УДФ-N-ацетил-глюкозамином (UDP-GlcNAc) с образованием долихол-пирофосфат-N-ацетил-глюкозамина (GlcNAc-P-P-Dol). К этому соединению присоединяется вторая молекула N-ацетил-глюкозамина, затем молекула маннозы (β-связь, донор маннозы – ГДФ-манноза) и последовательно другие маннозы (α-связь, донор маннозы – Man-P-Dol долихол-манноза). В последнюю очередь добавляются периферические остатки глюкозы (донор глюкозы – долихол-глюкоза Glc-P-Dol) (рис).

Рис. 3. Роль долихолфосфата в синтезе углеводной части белковоуглеводных комплексов

Получившийся олигосахарид переносится на АСН белка, расположенного на люминальной поверхности эдоплазматической сети. Катализируется этот процесс мембраносвязанным ферментом – олигосахарид трансферазой. АСН, с которым соединяется олигосахарид, входит в состав трипептида кόрового белка АСН-Y-СЕР(ТРЕ), где Y – любая аминокислота кроме ПРО или АСП.

Гликозилируются, в основном, секретируемые белки. Белки цитозоля обычно не гликозилируются. Продукт трансферазной реакции, долихолдифосфат (Dol-P-Р), при помощи фосфатазы превращается в долихолфосфат и может вновь использоваться в реакциях переноса (рис. 3).

Ряд соединений способен ингибировать различные этапы синтеза гликопротеинов. При этом увеличивается чувствительность получаемых белков к протеолизу, хотя механизмы их секреции значительно не нарушаются.

Синтез протеогликанов

Синтез гликозаминогликанов обеспечивают фибробласты. Поскольку гликозаминогликаны в организме человека в чистом виде не встречаются, а всегда связаны с белком, то пептидный компонент протеогликанов синтезируется на полирибосомах, связанных с эндоплазматическим ретикулумом. Пептидная цепь пронизывает мембрану и наращивается в сторону полости эндоплазматической сети, где начинается синтез углеводной части протеогликанов. Гликозаминогликаны связываются с белком через гидроксильные группы серина (рис. 1). Здесь же в полости ретикулума происходит и сульфатирование углеводного компонента. В процессе синтеза вновь образованные молекулы перемещаются к аппарату Гольджи, где они включаются в секреторные гранулы, и происходит экзоцитоз в составе этих гранул.

К полипептидной цепи последовательно прикрепляются хондроитинсульфат или кератансульфат, к которым постепенно добавляются аналогичные молекулы, наращивая углеводные цепи в стороны и образуя фигуру, по форме напоминающую бутылочный «ёршик». В межклеточном веществе такие соединения прикрепляются одним концом своей полипептидной цепи перпендикулярно к длинной молекуле гиалуроновой кислоты. В конечном виде протеогликаны представляют собой сложные надмолекулярные агрегаты. Эти комплексы выглядят как большая «щётка-ёршик», состоящая из малых «щёточек».

Например, в протеогликане из хряща (рис. 4) олигосахаридные цепи кератансульфата и хондроитинсульфата ковалентно связаны с полипептидным остовом субъединиц сердцевинного белка. В состав агрегата обычно входит около 100 таких протеогликановых мономеров. Каждый сердцевинный белок одним своим концом нековалентно соединён через два специальных связующих белка с длинной нитевидной молекулой гиалуроновой кислоты. Связующие белки стабилизируют агрегат, так как одновременно фиксируют и сердцевинный белок, и цепь гиалуроновой кислоты. Длина цепи гиалуроновой кислоты бывает самой разной (от 420 нм до 4200 нм). Молекулярная масса такого сложного комплекса может достигать 10⁸ Да и более, а занимаемый им объём равен объёму бактериальной клетки.

Разнообразие протеогликанов определило их разделение на группы:

1. гиалектаны – большие протеогликаны

2. малые протеогликаны

3. протеогликаны мембран: а) клеточных мембран

б) базальных мембран

Характеристики и функции отдельных протеогликанов указаны в таблице. У каждого конкретного соединения они определяются составом компонентов: углеводного и, отчасти, белкового.

Таблица. Представители протеогликанов

Название	Молекулярная масса кόрового белка	Тип и число цепей ГАГ	Локализация	Функция
Агрекан	210 кДа	ХДС, КС (130)	Хрящ	Опорная
Бетагликан	36 кДа	ХДС, ДС (1)	Клеточная поверхность, матрикс	Связывает трансформирующий фактор роста β
Декорин	40 кДа	ХДС, ДС (1)	Широко распространён	Связывает фибриллы коллагена I типа и трансформирующий фактор роста β
Перлекан	600 кДа	ГС (2-15)	Базальная мембрана	Структурная и фильтрующая функции в базальной мембране
Серглицин	20 кДа	ХДС, ДС (10-15)	Секреторные пузырьки лейкоцитов	Помогает упаковке и хранению секретируемых молекул
Синдекан-1	32 кДа	ХДС, ГС (1-3)	Фибробласты, поверхность эпителия	Клеточная адгезия, связывает фактор роста фибробластов

Примечание: ХДС – хондроитинсульфат, ГС – гепарансульфат, ДС – дерматансульфат, ГАГ – гликозаминогликан.

Функции протеогликанов обеспечиваются свойствами сульфатированных цепей протеогликанов. Гидратация и одноимённые заряды сульфатиро­ванных цепей обусловливают их взаимоотталкивание. Поэтому комплексы занимают максимально возможное пространство. По тем же причинам комп­лексы отталкиваются друг от друга, и их общий объём оказывается значи­тельно бόльшим, чем объём собственно молекул, если бы они были плотно уложены в пространстве. При увеличении внешнего давления комплексы сближаются, выжимая воду из межмолекулярных промежутков, а по прекра­щении давления восстанавливают исходные расстояния. Вся совокупность протеогликановых молекул обеспечивает амортизационную функцию.

Связанная гликозаминогликанами вода представляет собой гель, который ограничивает диффузию и проницаемость межклеточного вещества (в том числе для клеток). Способность гликозаминогликанов как поливалентных анионов связывать большие количества ионов натрия определяет их участие в водно-солевом обмене.

Протеогликаны образуют огромные полимерные комплексы с размерами, соизмеримыми с размерами бактерий, а, соединяясь с другими белками, формируют очень сложные структуры. Примером может служить базальная мембрана.

Не все протеогликаны секретируются из клеток во внеклеточный матрикс. Оставаясь на поверхности клеток, одни из них являются частью рецепторных комплексов, другие становятся интегральной частью плазматических мембран и имеют кόровый белок, который пронизывает мембрану или соединён с её липидами.

Протеогликаны могут быть компонентами внутриклеточных секреторных пузырьков, где способствуют упаковке и секреции молекул. Вдобавок они участвуют в регуляции активности секретируемых сигнальных молекул. Обусловлено это тем, что связывание с протеогликанами может ограничить пространство действия таких молекул (локализация действия) или стерически блокировать их активность, или создать резервуар сигнальных молекул, пролонгируя их действие, или защищать их от расщепления. Изменяя конформацию или концентрируя такие молекулы, протеогликаны способствуют их более эффективному функционированию.