Строение и функции протеогликанов

Обновлено: 28.04.2024

• Гепарансульфат-протеогликаны являются подгруппой протеогликанов, содержащих цепи гликозаминогликана - гепарансульфата

• Большинство гепаран сульфатов относится к двум семействам протеогликанов, связанных с мембранами, к синдеканам и глипиканам

• Гепарансульфаты состоят из сочетаний более чем 30 субъединиц различных сахаров, обеспечивающих большое разнообразие структур и функций этих протеогликанов

• Гепарансульфат-протеогликаны клеточной поверхности экспрессируются во многих типах клеток и связываются более чем с 70 различными белками

• Гепарансульфат-протеогликаны функционируют как корецепторы таких растворимых белков, как факторы роста, и таких нерастворимых белков, как белки внеклеточного матрикса. Кроме того, они способствуют интернализации некоторых белков

• Генетические исследования на дрозофиле показали, что гепарансульфат-протеогликаны участвуют в процессах развития и в передаче сигналов от факторов роста

Гепарансульфат-протеогликаны (ГСПГ) представляют собой сердцевинные белки таких протеогликанов которые связаны с гепарансульфатом (ГС), представляющим собой гликозаминогликан (ГАГ). ГС, главным образом, присутствует в двух семействах мембраносвязанных протеогликанов в синдеканах (представляющих собой трансмембранные белки, богатые пролином) и в глипиканах (глобулярные богатые цистеином белки, слабо связанные с плазматической мембраной через гликозилфосфати-дилинозитол).

Поскольку после сборки протеогликаны остаются связанными с поверхностых клеток, они играют критическую роль в регуляции адгезии клеток к другим компонентам внеклеточного пространства, включая структурные белки, сигнальные молекулы и другие клетки. В данном разделе мы вначале рассмотрим возможные структуры ГСПГ, а затем приведем биохимические и генетические доказательства их связи с различными функциями клетки.

Как показано на рисунке ниже, синтез гепарансульфат-протеогликана (ГСПГ) начинается с присоединения сахара ксилозы к гидроксильной группе боковой цепи аминокислоты серина, находящейся в структуре сердцевинного белка. Однако таким образом модифицируются не все остатки серина, а только те, которые находятся в определенной последовательности аминокислот, узнаваемой ферментом ксилоза-трансферазой. Большинство ГСПГ содержат 3-7 сахарных остатка. После присоединения первого остатка ксилозы быстро присоединяются три других остатка, и образуется «линкерный тетрасахарид», обладающий структурой серин-ксилоза-галактоза-галактоза-глюкуроновая кислота. После этого к глюкуроновой кислоте присоединяется еще один остаток ксилозы.

ГСПГ связываются со многими внеклеточными белками
и контролируют разнообразные биологические функции.

Для завершения синтеза гепарансульфат-протеогликана (ГСПГ) необходимо еще четыре этапа, и участие, по крайней мере, 14 различных ферментов, некоторые из которых показаны на рисунке ниже. Во-первых, 50-150 копий дисахарида, N-ацетилглюкозамин-глюкуроновой кислоты (GlcNAc-GlcA), с помощью полимеразы гепарансульфата присоединяются к остатку ксилозы, находящемуся на конце линкерного тетрасахарида, в то время как сердцевинный белок проходит по аппарату Гольджи. Во-вторых, другие ферменты модифицируют некоторые из GlcNAc сахаров (находящихся в области специфических последовательностей аминокислот), замещая их N-ацетильные группы на сульфатные. В-третьих, некоторые сахара GlcA в цепи подвергаются эпимеризации с образованием идуроновой кислоты.

Наконец, перед тем как протеогликан покидает аппарат Гольджи, к идуроновой кислоте и к оставшимися немодифицированными сахарам GlcNAc присоединяются дополнительные сульфатные остатки. (Наиболее полно сульфатированная форма ГС называется гепарин, который представляет собой естественный антикоагулянт и используется в клинике.)

В результате всех модификаций сахаров образуется множество структурных вариантов ГСПГ. Благодаря пяти структурным модификациям возможно образование 32 различных дисахаридных «строительных блоков». Эти блоки создают большую структурную сложность цепей ГС, чем это характерно для белков, многообразие которых обеспечивается 20 различными аминокислотами. Поскольку у одной молекулы ГСПГ может образоваться много разных форм ГС, клетки одномоментно могут экспрессировать различные формы ГСПГ. Эти молекулы сворачиваются, образуя несколько различающиеся нативные структуры, и, таким образом, они проявляют различную способность к связыванию внеклеточных белков.

Неудивительно поэтому, что гепарансульфат-протеогликан (ГСПГ) специфически связываются с более чем 70 внеклеточными белками, некоторые из которых перечислены на рисунке ниже. Во многих случаях связывание лиганда зависит от специфической последовательности сахаров в цепях ГС. Функции связывания ГСПГ подразделяются на три типа:

• ГСПГ могут являться корецепторами таких растворимых белков, как факторы роста. Эта функция обеспечивается стабилизацией связывания ростового фактора со своим рецептором, что приводит к увеличению локальной концентрации ростового фактора на поверхности клетки и тем самым усиливает клеточный ответ на определенную концентрацию лиганда. Например, такое взаимодействие происходит между синдеканами, фактором роста фибробластов (FGF) и его рецептором.

• ГСПГ могут усиливать интернализацию некоторых растворимых белков, например липопротеинов низкой плотности.

• ГСПГ могут функционировать как корецепторы таких нерастворимых белков, как структурные белки внеклеточного матрикса или рецепторы, участвующие в адгезии клеток. Это помогает установить связь между внеклеточным доменом рецептора и актино-вым цитоскелетом, тем самым сохраняя структурную целостность межклеточной среды (из-за слабой связи с плазматической мембраной, глипиканы не выполняют этой третьей функции).

Доказательства в пользу существования взаимодействий между гепарансульфат-протеогликаном (ГСПГ) и их лигандами в основном были получены в экспериментах по связыванию in vitro и с использованием коиммунопреципитации. Однако проведение таких экспериментов осложняется тем фактом, что бывает трудно выделить в больших количествах какой-либо один тип ГСПГ, и их интенсивные посттрансляционные модификации затрудняют попытки вызвать в клетках их гиперэкспрессию. Гораздо более мощным инструментом для исследования роли ГСПГ в развитии и в возникновении заболеваний является генетический аналиа

Одним из лучших объектов для генетических экспериментов является плодовая мушка, Drosophila melanogaster. Для исследования роли ГСПГ в развитии Drosophila выводят мух, содержащих мутации или в сердцевинных белках ГСПГ, или в ферментах превращения сахаров, необходимых для синтеза ГС. Эти мухи имеют такой же фенотип, как и мухи с мутациями в генах факторов роста или в их рецепторах, включая утрату активности ключевых ферментов, связанных с рецепторами. Экспрессия дополнительных копий рецепторов факторов роста дикого типа спасает мышей с мутациями в ГСПГ.

Это позволяет уверенно предполагать, что два фенотипических признака связаны друг с другом. Аналогичные исследования проводятся на мышах.

ГСПГ действуют как рецепторы факторов роста, ферментов и белков внеклеточного матрикса.

Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021

49.50. Гликозаминогликаны и протеогликаны. Строение и функции. Роль гиалуроновой кислоты в организации межклеточного матрикса.

Гликозаминогликаны - линейные отрицательно заряженные гетерополисахариды. РаНbше их называли мукополисахаридами, так как они обнаруживались в слизистых секретах (мукоза) и придавали этим секретам вязкие, смазочные свойства. Эти свойства обусловлены тем, что гликозаминогликаны могут связывать большие количества воды, в результате чего межклеточное вещество приобретает желеобразный характер.

Протеогликаны - высокомолекулярные соединения, состоящие из белка (5-10%) и гликозаминогликанов (90-95%). Они образуют основное вещество межклеточного матрикса соединительной ткани и могут составлять до 30% сухой массы ткани.

Белки в протеогликанах представлены одной полипептидной цепью разной молекулярной массы. Полисахаридные компоненты у разных протеогликанов разные. Протеогликаны отличаются от большой группы белков, которые называют гликопротеинами. Эти белки тоже содержат олигосахаридные цепи разной длины, ковалентно присоединённые к полипептидной основе. Углеводный компонент гликопротеинов гораздо меньше по массе, чем у протеогликанов, и составляет не более 40% от общей массы. Гликопротеины выполняют в организме человека разные функции и присутствуют во всех классах белков - ферментах, гормонах, транспортных, структурных белках и др. Представители гликопротеинов - коллаген и эластин, иммуноглобулины, ангиотензиноген, трансферрин, церулоплазмин, внутренний фактор Касла, тиреотропный гормон. Гликозаминогликаны и протеогликаны, являясь обязательными компонентами межклеточного матрикса, играют важную роль в межклеточных взаимодействиях, формировании и поддержании формы клеток и органов, образовании каркаса при формировании тканей. Благодаря особенностям своей структуры и физико-химическим свойствам, протеогликаны и гликозаминогликаны могут выполнять в организме человека следующие функции:

они являются структурными компонентами межклеточного матрикса;

протеогликаны и гликозаминогликаны специфически взаимодействуют с коллагеном, эластином, фибронектином, ламинином и другими белками межклеточного матрикса;

все протеогликаны и гликозаминогликаны, являясь полианионами, могут присоединять, кроме воды, большие количества катионов (Na₊, K+, Са 2+ ) и таким образом участвовать в формировании тургора различных тканей;

протеогликаны и гликозаминогликаны играют роль молекулярного сита в межклеточном матриксе, они препятствуют распространению патогенных микроорганизмов;

гиалуроновая кислота и протеогликаны выполняют рессорную функцию в суставных хрящах;

гепарансульфатсодержащие протеогликаны способствуют созданию фильтрационного барьера в почках;

кератансульфаты и дерматансульфаты обеспечивают прозрачность роговицы;

гепарансульфаты - компоненты плазматических мембран клеток, где они могут функционировать как рецепторы и участвовать в клеточной адгезии и межклеточных взаимодействиях. Они также выступают компонентами синаптических и других пузырьков.

Строение и классы гликозаминогликатов. Гликозаминогликаны представляют собой длинные неразветвлённые цепи гетерополиса-харидов. Они построены из повторяющихся дисахаридных единиц. Одним мономером этого дисахарида является гексуроновая кислота (D-глюкуроновая кислота или L-идуроновая), вторым мономером - производное аминосахара (глюкоз- или галактозамина). NH₂-rpynna аминосахаров обычно ацетилирована, что приводит к исчезновению присущего им положительного заряда. Кроме гиалуроновой кислоты, все гликозаминогликаны содержат сульфатные группы в виде О-эфиров или N-сульфата.

Гиалуроновая кислота находится во многих органах и тканях. В хряще она связана с белком и участвует в образовании протеогликановых агрегатов, в некоторых органах (стекловидное тело глаза, пупочный канатик, суставная жидкость) встречается и в свободном виде. Предполагается, что в суставной жидкости гиалуроновая кислота выполняет роль смазочного вещества, уменьшая трение между суставными поверхностями. Повторяющаяся дисахаридная единица в гиалуроновой кислоте имеет следующую структуру:

Гиалуроновая кислота содержит несколько тысяч дисахаридных единиц, молекулярная масса её достигает 10 5 - 10 7 Д.

Хондроитинсульфаты - самые распространённые гликозаминогликаны в организме человека; они содержатся в хряще, коже, сухожилиях, связках, артериях, роговице глаза. Хондроитинсульфаты являются важным составным компонентом агрекана - основного протеогликана хрящевого матрикса. В организме человека встречаются 2 вида хондроитинсульфатов: хондроитин-4-сульфат и хондроитин-6-сульфат. Они построены одинаковым образом, отличие касается только положения сульфатной группы в молекуле N-ацетилгалактозамина.

Одна полисахаридная цепь хондроитинсульфата содержит около 40 повторяющихся дисахаридных единиц и имеет молекулярную массу 10 4 - 10 6 Д.

Кератансульфаты - наиболее гетерогенные гликозаминогликаны; отличаются друг от друга по суммарному содержанию углеводов и распределению в разных тканях. Кератансульфат I находится в роговице глаза и содержит кроме повторяющейся дисахаридной единицы L-фукозу, D-маннозу и сиаловую кислоту. Кератансульфат II был обнаружен в хрящевой ткани, костях, межпозвоночных дисках. В его состав помимо Сахаров дисахаридной единицы входят N-ацетилгалактозамин, L-фукоза, D-манноза и сиаловая кислота. Кератансульфат II входит в состав агрекана и некоторых малых протеогликанов хрящевого матрикса. В отличие от других гликозаминогликанов, кератансульфаты вместо гексуроновой кислоты содержат остаток галактозы.

Молекулярная масса одной цепи кератансуль-фата колеблется от 4 × 10 3 до 20 × 10 3 Д.

Дерматансульфат широко распространён в тканях животных, особенно он характерен для кожи, кровеносных сосудов, сердечных клапанов. В составе малых протеогликанов (бигликана и декорина) дерматансульфат содержится в межклеточном веществе хрящей, межпозвоночных дисков, менисков. Повторяющаяся дисахаридная единица дерматансульфата имеет следующую структуру .

Молекулярная масса одной цепи дерматансульфата колеблется от 15 × 10 3 до 40 × 10 3 Д.

Гепарин - важный компонент противосвёртывающей системы крови (его применяют как антикоагулянт при лечении тромбозов). Он синтезируется тучными клетками и находится в гранулах внутри этих клеток. Наибольшие количества гепарина обнаруживаются в лёгких, печени и коже. Дисахаридная единица гепарина похожа на дисахаридную единицу гепарансульфата. Отличие этих гликозаминогликанов заключается в том, что в гепарине больше N-сульфатных групп, а в гепарансульфате больше N-ацетильных групп. Молекулярная масса гепарина колеблется от 6 × 10 3 до 25 × 10 3 Д

Гепарансульфат находится во многих органах и тканях. Он входит в состав протеогликанов базальных мембран. Гепарансульфат является постоянным компонентом клеточной поверхности. Структура дисахаридной единицы гепарансульфата такая же, как у гепарина. Молекулярная масса цепи гепарансульфата колеблется от 5 × 10 3 до 12 × 10 3 Д.

Cтроение и виды протеогликанов. В межклеточном матриксе присутствуют разные протеогликаны. Среди них есть очень крупные - например агрекан и версикан. Кроме них, в межклеточном матриксе имеется целый набор так называемых малых протеогликанов, которые широко распространены в разных видах соединительной ткани и выполняют там самые разнообразные функции. Основной протеогликан хрящевого матрикса называется агрекан, он составляет 10% по весу исходной ткани и 25% сухого веса хрящевого матрикса. Это очень большая молекула, в которой к одной полипептидной цепи присоединены до 100 цепей хондроитинсульфатов и около 30 цепей кератансульфатов. По форме молекула агрекана напоминает бутылочный "ёршик". В хрящевой ткани молекулы агрекана собираются в агрегаты с гаалуроновой кислотой и небольшим связывающим белком. Оба компонента присоединяются к агрекану нековалент-ными связями в области домена G₁. Домен G₁ взаимодействует примерно с пятью дисахаридными единицами гиалуроновой кислоты, далее этот комплекс стабилизируется связывающим белком; домен G₁ и связывающий белок вместе занимают 25 дисахаридных единиц гиалуроновой кислоты. Конечный агрегат с молекулярной массой более 200 × 10 6 Д состоит из одной молекулы гиалуроновой кислоты и 100 молекул агрекана (и такого же количества связывающего белка). Координация сборки этих агрегатов является центральной функцией хондроцитов. Агрекан и связывающий белок продуцируются этими клетками в необходимых количествах. Эти компоненты могут взаимодействовать друг с другом внутри клетки, но процесс агрегации полностью завершается в межклеточном матриксе. Показано, что гиалуроновая кислота образуется на поверхности хондроцитов специфической синтетазой и "выталкивается" в межклеточное пространство, чтобы связаться с агреканом и связывающим белком. Созревание функционально активного тройного комплекса составляет около 24 ч.

Малые протеогликаны. Малые протеогликаны - протеогликаны с низкой молекулярной массой. Они содержатся в хрящах, сухожилиях, связках, менисках, коже и других видах соединительной ткани. Эти протеогликаны имеют небольшой коровый белок, к которому присоединены одна или две цепи гликозаминогликанов. Наиболее изучены декорин, бигликан, фибромодулин, люмикан, перлекан. Коровые белки бигликана и декорина похожи по размерам и структуре (молекулярная масса 36 000 и 38 000 Д, соответственно). Они имеют несколько тандемных повторов, богатых лейцином, которые образуют α-спирали или β-структуры. На N- и С-концах этих белков имеются домены, содержащие S-S-связи. Ко'ровые белки значительно различаются по первичной структуре в N-концевых областях, что определяет различия в присоединении гликозаминогликанов. Бигликан содержит серии в положениях 5 и 11, что обеспечивает присоединение двух полисахаридных цепей. Декорин содержит один серии в положении 4, поэтому к нему присоединяется одна полисахаридная цепь. У этих протеогликанов полисахаридные цепи представлены дерматансульфатом с молекулярной массой ~ 30 000 Д.Ко́ровый белок фибромодулина (молекулярная масса ~ 40 000 Д) тоже имеет области тандемных повторов, богатые лейцином, но его N-концевая область отличается тем, что не содержит серина, а имеет несколько сульфатированных остатков тирозина, поэтому одна или две цепи кератансульфата присоединяются к ко'ровому белку фибромодулина не в N-концевой, а в области, богатой лейцином, через NH₂-группу аспарагина. Малые протеогликаны являются мультифункциональными макромолекулами. Они могут связываться с другими компонентами соединительной ткани и оказывать влияние на их строение и функции. Например, декорин и фибромодулин присоединяются к фибриллам коллагена II типа и ограничивают их диаметр (т.е. препятствуют образованию толстых фибрилл). Декорин и бигликан, присоединяясь к фибронектину, подавляют клеточную адгезию, а присоединяясь к фактору роста опухолей (3, снижают его митогенную активность. Кроме этого, имеется большое количество данных о том, что малые протеогликаны играют важную регуляторную роль в процессах развития и восстановления соединительной ткани.

Функции протеогликанов:

участвуют в регуляции пролиферации и межклеточного взаимодействия.

Основные представители гликозамингликанов.

Гиалуроновая кислота построена из дисахарида, включающего глюкуроновую кислоту и N-ацетилглюкозамин; имеет самую большую молекулярную массу – 10 5 - 10 7 ; способна связывать воду, при этом приобретая вид гелеобразной сетки, которая, во-1-ых, хорошо фиксирует клетки соединительной ткани и, во-2-ых, ограничивает диффузию и проницаемость межклеточного вещества для молекул и частиц, задерживая чужеродные крупные молекулы или клетки.. Некоторые микроорганизмы (возбудители газовой гангрены, гнойных инфекций) выделяют гиалуронидазу – фермент, разрушающий гиалуроновую кислоту, - что приводит к распространению патологического процесса на соседние ткани.

В свободном виде гиалуроновая кислота может встречаться, н-р, в стекловидном теле, пупочном канатике, а в суставной жидкости она выполняет роль смазки.

Хондроитинсульфаты (обязательные компоненты хряща) состоят из повторяющегося дисахарида «глюкуроновая кислота и сульфатированный N-ацетилгалактозамин». Остаток серной кислоты может присоединяться или по 4-му положению (в хондроитин-4-сульфате), или по 6-му (в хондроитин-6-сульфате). Хондроитинсульфаты хорошо связывают ионы благодаря диссоциации сульфатных групп. Молекулярная масса – от 10 4 до 10 6 .

Гепарин существует в виде одиночных полисахаридных цепей или в виде протеогликанов. Протеогликан имеет белковое ядро, состоящее только из остатков серина и глицина. К нему присоединены полисахаридные цепи, построенные из уроновых кислот (идуроновой больше, чем глюкуроновой) и глюкозамина, содержащего сульфатную или (реже) ацетильную группы. Синтезируется гепарин тучными клетками и может в них накапливаться. Функции гепарина: 1) антикоагулянт, 2) активирует липопротеинлипазу, расщепляющую ТАГ в составе ХМ и ЛПОНП.

Гепарансульфат находится на поверхности клеток. От гепарина отличается строением белковой части, степенью сульфатирования и обратным соотношением уроновых кислот (глюкуроновой больше, чем идуроновой).

Дерматансульфат находится в разных тканях, в том числе в коже. Содержит повторяющиеся дисахариды «уроновая кислота - N-ацетилгалактозамин».

Кератансульфаты I и II (кератансульфат I находится в роговице, кератансульфат II – в скелете) построены из дисахаридов «галактоза - N-ацетилглюкозамин-6-сульфат», т.е., в отличие от других гликозаминогликанов, не содержат уроновых кислот.

Белковая часть протеогликанов, как и любые секретируемые белки, синтезируется на полирибосомах, связанных с ЭПС. Здесь же к ОН-группам серина поочередно присоединяются моносахара под действием гликозилтрансфераз. На одной пептидной цепи образуется много углеводных цепей, поэтому молекула протеогликана напоминает ершик. Разные протеогликаны различаются размером, содержанием белка и набором гликозамингликанов. В аппарате Гольджи протеогликан включается в гранулы и секретируется. В межклеточном веществе образуется «ершик из ершиков», в котором роль остова выполняет гиалуроновая кислота, к которой крепятся, как щетина, «ершики» протеогликанов (до 150 штук - рис.).

В растворе протеогликаны занимают много места (как бы распушены), т.к. 1) отрицательно заряженные цепи сульфатированных гликозамингликанов отталкиваются друг от друга, 2) они сильно гидратированы. При усилении давления на ткань протеогликановый гель выполняет функцию рессор и, подобно частично сжатой пружине, создает тургор и гасит резкие перемены нагрузки.

Являясь анионами, гликозамингликаны способны связывать большое количество ионов Na, Са (в очагах оссификации) и таким образом участвовать в водно-минеральном обмене.

Катаболизм гликозамингликанов (мукополисахаридов) происходит в лизосомах под действием специфических гликозидаз. Н-р, β-гиалуронидаза расщепляет гиалуроновую кислоту, β-глюкуронидаза - хондроитинсульфаты. Наследственный дефект этих ферментов ведет к накоплению в тканях одного или нескольких гликозамингликанов (дерматан-, гепаран-, кератан- и хондроитинсульфатов). Развиваются мукополисахаридозы – тяжелые заболевания, проявляющиеся в резком нарушении умственного и физического развития ребенка, уменьшении продолжительности жизни.

Обобщенный фенотип включает в себя грубые черты лица, помутнение роговицы, гепатоспленомегалию, тугоподвижность суставов, грыжи, множественный дизостоз, экскрецию мукополисахаридов с мочой и метахромное окрашивание периферических лейкоцитов и костного мозга. Диагностика отдельных типов мукополисахаридозов основана на выявлении гликозаминогликанов, выделяемых с мочой, и на определении активности специфических ферментов в разных тканях, например в культуре фибробластов кожи.

Фибриллярные белки соединительной ткани.

Основным фибриллярным белком соединительной ткани является коллаген. Его молекула, как вы помните, состоит из 3-х α-цепей, образующих жесткую спиральную структуру. В организме человека более 5 типов коллагена, различающихся по первичной структуре, функциям и локализации. Наиболее распространен коллаген 1 типа, находящийся в сухожилиях, связках, костях. Особенностью первичной структуры коллагена является высокое содержание глицина, пролина, а также наличие редких аминокислот – гидроксипролина и гидроксилизина.

Строение и функции протеогликанов

• Протеогликаны состоят из центрального белкового «кора» (сердцевины), к которому присоединены длинные линейные цепи дисахаридов, называемые гликозаминогликанами (ГАГ)

• Цепи ГАГ несут отрицательный заряд. Это обеспечивает стержнеобразную жесткую форму протеогликанов, которая поддерживается за счет отталкивания зарядов

• Выступы, состоящие из цепей ГАГ, выполняют роль фильтров, ограничивающих проникновение в ткани вирусов и бактерий

• Протеогликаны поглощают воду, образуя гелеобразную структуру, которая поддерживает клетки в гидратированном состоянии и защищает ткани от избыточного гидростатического давления

• Протеогликаны способны связываться с различными компонентами внеклеточного матрикса, включая факторы роста, структурные белки и рецепторы, расположенные на клеточной поверхности

• Экспрессия протеогликанов зависит от типа клеток и регулируется в зависимости от стадии развития

Протеогликаны служат дополнением к структурным гликопротеинам внеклеточного матрикса (коллагену и эластину). В то время как структурные гликопротеины обеспечивают растягивающие усилия, протеогликаны гарантируют, что внеклеточный матрикс находится в состоянии гидратированного геля. Это необходимо для того, чтобы ткани могли противостоять силам сжатия.

Подобно другим гликопротеинам, которые в больших количествах экспрессируются на поверхности клеток, протеогликаны состоят из полипептидного кора или сердцевины (отсюда приставка протео-), к которому присоединяются сахара (гликаны). Известно более 40 различных коровых белков протеогликанов, и каждый содержит модульные структурные домены, которые могут связываться с такими компонентами внеклеточного матрикса, как углеводы, липиды, структурные белки, интегриновые рецепторы и другие протеогликаны.

На рисунке ниже представлены различные типы протеогликанов. Большинство таких протеогликанов, как декорин и агрекан, выходят из клеток, однако два типа остаются связанными с мембраной. Так, представители синдека-нового семейства гликопротеинов содержат трансмембранный домен, и глипиканы присоединяются к мембране через гликозилфосфатидилинозитол (ГФИ).

Протеогликаны отличаются от гликопротеинов типом и расположением присоединенных к ним сахарных остатков. Сахара, присоединенные к протеогликанам, обозначаются термином гликозоаминогликаны (ГАГ). Они собраны в длинные линейные цепи повторяющихся остатков дисахаридов.

Эти цепи могут состоять из сотен сахарных остатков и достигать мол массы до 1000 кДа. Как показано на рисунке ниже, ГАГ подразделяются на пять классов, в зависимости от дисахаридов, которые они содержат. Все гликозоаминогликаны, кроме одного (гиалуроновой кислоты), могут связываться с белками, образуя протеогликаны. Все ГАГ содержат кислые и/или сульфатированные сахара, которые обусловливают их значительный отрицательный заряд.

На рисунке ниже представлены этапы синтеза протеогликанов. Сердцевинный белок образуется в гранулярном ЭПР. Все эти белки содержат сигнальные последовательности, которые направляют их в гранулярный ЭПР и большая часть которых представляет собой растворимые секретируемые белки, поступающие в просвет ЭПР. Синдеканы остаются встроенными в мембрану, поскольку содержат последовательность сигнала прекращения переноса. Глипикановые сердцевинные белки подвергаются модификации при добавлении гликозилфосфатидилинозитола, сахарного остатка связанного с липидами.

По мере того как сердцевинные белки продвигаются по секреторному пути, ферменты гликозилтрансферазы добавляют ксилозу, галактозу и глюкуроновую кислоту к остаткам серина и аспарагина. Тип сахарного остатка и его локализация определяется специальными последовательностями аминокислот в коровом белке. Присоединившиеся сахара служат сайтами дополнительного связывания таких углеводов, как N-ацетилглюкозамин, который формирует цепи ГАГ. Цепи ГАГ могут модифицироваться при действии ферментов, вызывающих перегруппировку структуры сахаров (эпимераз) или добавляющих к ним сульфатные группы (сульфотрансфераз).

Некоторые протеогликаны также содержат N- и О-связанные олигосахариды, типичные для гликопротеинов. В транс-Голъджи сети новосинтезированные протеогликаны подвергаются процессу сортировки, направляясь на регулируемый секреторный путь, и хранятся в секреторных гранулах до момента высвобождения при экзоцитозе. Различные сигналы, например увеличение давления, стимулируют секрецию протеогликанов.

К протеогликану могут быть присоединены от одного до более чем 100 больших ГАГ. Поскольку большая часть сахаров заряжена отрицательно, ГАГ взаимно отталкиваются. Если протеогликан содержит много ГАГ, то это приводит к тому, что сердцевинный белок принимает линейную стержнеобразную форму, а остатки ГАГ выдаются наружу. В результате строение зрелого протеогликана напоминает щетку для волос.

Такое строение придает протеогликанам особые свойства, которые помогают разобраться в свойствах внеклеточного матрикса. Во-первых, относительно жесткая структура способствует их функционированию в качестве структурного каркаса, поддерживающего форму тканей, в которых они находятся. Во-вторых, протеогликаны способствуют деятельности иммунной системы: щетинки ГАГ задерживают бактерии и вирусы во внеклеточной среде и снижают возможность инфицирования тканей. В-третьих, отрицательный заряд на цепях ГАГ притягивает катионы, которые, в свою очередь, притягивают молекулы воды, так что протеогликаны содержат достаточное количество влаги для образования геля.

Эти гели поддерживают гидратацию клеток и обеспечивают водное окружение, способствующее переносу между клетками небольших молекул. Гелевые структуры помогают тканям смягчать большие перепады давления и предотвращать их существенную деформацию. Такие перепады давления, например, могут происходить при травматических повреждениях или при интенсивных физических нагрузках.

В-четвертых, протеогликаны связываются с рядом других белков. Одной из наиболее важных групп таких белков являются факторы роста. Клетки секретируют эти факторы в кровоток, или они попадают в жидкие среды тканей и начинают циркулировать в организме. Как представлено на рисунке ниже, протеогликаны захватывают факторы роста и связывают их. Тем самым их концентрация во внеклеточном матриксе возрастает. Связывание также приводит к локализации факторов роста в специфических участках тканей и защищает их от деградации внеклеточными протеазами. В некоторых случаях такое концентрирование факторов роста необходимо для того, чтобы клетки могли их связать.

Таким образом, протеогликаны могут выполнять роль ко-рецепторов факторов роста и тем самым непрямым образом контролировать рост клеток в тканях. Факторы роста даже могут сохраняться в таком состоянии и высвобождаться позже, при деградации протеогликанов.

Протеогликаны также связываются с другими белками внеклеточного матрикса и участвуют в их сборке. Например, протеогликаны агрекан и декорин связываются с коллагеном. Как показано на рисунке ниже, агрекан образует крупные агрегаты с волокнами коллагена типа II, которые находятся в хряще. При образовании агрегатов молекулы агрекана посредством линкерных белков связываются с гиалуронаном. Декорин действует как спейсер между коллагеновыми волокнами и контролирует диаметр волокон и скорость их сборки. У мышей с нокаутом декоринового гена коллагеновые волокна имеют неправильную форму, и такие животные отличаются особенно непрочной кожей.

Экспрессия протеогликанов меняется в зависимости от стадии развития и от типа клеток. Например, в развивающемся курином эмбрионе агрекан экспрессируется, главным образом, в хрящевой ткани, и максимум экспрессии приходится на пятый день, когда происходит дифференцировка хондроцитов, клеток, образующих хрящевую ткань. Однако он также менее интенсивно экспрессируется в тканях развивающегося головного и спинного мозга, причем пик экспрессии приходится на 13-й день развития. Экспрессия таких протеогликанов, как агрекан, регулируется теми же факторами роста, которые связываются с протеогликанами. Это позволяет предполагать, что протеогликаны могут играть роль в регуляции своей экспрессии.

ГАГ подразделяются на группы в зависимости от типа повторяющегося остатка дисахарида, который они содержат.
Сульфатные группы присоединяются к отмеченным остаткам дисахаридов. Протеогликаны способствуют концентрации факторов роста на поверхности клеток и контролируют их связывание с расположенными там рецепторами.
Эта модель иллюстрирует, каким образом гепарансульфат способствует связыванию фактора роста фибробластов (FGF) с клеточными рецепторами. Такие протеогликаны, как агрекан, образуют комплекс с волокнами коллагена II, находящимися в хряще.
Агрекановые комплексы связываются с молекулами гиалуронана и притягивают воду, которая противодействует силам сжатия и действует как смазывающий агент.

• При нормальном развитии и заживлении ран клетки регулярно должны осуществлять процессы деградации и замещения внеклеточного матрикса

• Белки внеклеточного матрикса разрушаются под действием специфических протеаз, которые секретируются клетками в неактивной форме

• Эти протеазы активируются только в тех тканях, где это необходимо. Обычно активация происходит за счет протеолитического распада пропептида, входящего в состав протеазы

• Семейство металлопротеиназ матрикса (ММП) относится к наиболее представительному классу протеаз. Они способны разрушать все основные классы белков внеклеточного матрикса

• ММР активируют друг друга, отщепляя пропептиды. Это приводит к каскадной активации протеаз и к быстрой деградации белков внеклеточного матрикса

• ADAM представляют собой еще один класс протеаз, деградирующих внеклеточный матрикс. Эти протеазы также связываются с интегриновыми рецепторами внеклеточного матрикса, тем самым способствуя регуляции его сборки и его разрушению

• Чтобы защитить себя от нежелательной деградации, клетки секретируют ингибиторы протеаз

• Мутации в гене матриксной металлопротеиназы-2 у человека служат причиной многочисленных аномалий скелета. Это свидетельствует о значимости процессов перестройки внеклеточного матрикса в процессе развития

До сих пор мы обсуждали роль компонентов внеклеточного матрикса в регуляции функционирования клеток в многоклеточных организмах. Однако в организме также продуцируются протеазы, разрушающие внеклеточный матрикс. Зачем организму удалять компоненты, которые обеспечивают его целостность? Простейший ответ на этот вопрос состоит в том, что, подобно самим клеткам, внеклеточный матрикс должен обладать пластичностью, т. е. проявлять способность реагировать на изменения окружающей среды. Например, внеклеточный матрикс, окружающий развивающийся нейрон, не может быть того же типа, который необходим для поддержания жизнедеятельности нейрона после завершения дифференцировки, и должен замещаться при созревании этой клетки. Или внеклеточный матрикс, который образуется в раннем эмбриогенезе в местах перепонок между пальцами на руках и ногах, на поздних стадиях не требуется. Поэтому перепонки, включая матрикс, удаляются.

Вместе с тем, в результате различных травм и инфекций ткани повреждаются, и в процессе заживления раны поврежденные участки ткани деградируют и вместо них образуются новые. Кроме этого, небольшие пептиды, образующиеся при действии протеаз на белки внеклеточного матрикса, способствуют миграции клеток и, таким образом, стимулируют заживление ран. Эти пептиды также стимулируют миграцию опухолевых клеток. Наконец, при деградации внеклеточного матрикса иногда высвобождаются другие полезные компоненты, например факторы роста и гормоны, которые «попадаются» в сетку, образованную белками внеклеточного матрикса. На рисунке ниже представлены возможные субстраты действия протеаз, находящиеся во внеклеточном пространстве.

Как можно ожидать, клетки продуцируют примерно столько же протеаз, сколько внеклеточных белков подлежит деградации. Множество различных типов клеток секретируют во внеклеточное пространство десятки протеаз, и большая их часть циркулирует в крови. Конечно, существует потенциальная опасность того, что они способны связаться со здоровыми нормальными тканями и разрушить их. Поэтому многие из протеаз выходят из клеток в неактивной форме и активируются только в тех тканях, где это необходимо. Таким образом, их случайное связывание со здоровыми тканями не создает проблем для организма. Протеазу можно сравнить с карманным ножом, лезвие которого обычно убрано, и лишь в случае необходимости нож раскрывается, обнажая лезвие, и используется до тех пор, пока оно не затупится или же пока не попадется объект, который не поддается ножу (в случае протеазы это может быть молекула ингибитора фермента).

Для внеклеточных протеаз в ВКМ существует несколько потенциальных мишеней.
Иногда при деградации белков ВКМ образуются фрагменты, обладающие функциональной активностью.

Известно два семейства протеаз внеклеточного матрикса: металлопротеиназы матрикса (ММП) и ADAM (дезинтегрин и металлопротеиназа). Хотя представители обоих семейств разрушают белки внеклеточного матрикса, протеазы ADAM также участвуют в адгезии клеток, зависимой от интегрина.

У человека идентифицировано по меньшей мере 20 металлопротеиназ матрикса (ММП), и в зависимости от структуры и субстратной специфичности они подразделяются на шесть групп.

Все металлопротеиназы матрикса (ММП) имеют несколько общих свойств:
• Наличие сигнального пептида, который направляет протеазы из клеток, в которых они образовались.
• Присутствие в каталитическом домене высококонсервативного сайта связывания ионов цинка.
• Существование N-концевого пропептида, который действует подобно «рукоятке» в нашей аналогии карманного ножа: эта часть молекулы складывается, образуя ковалентную связь с ионом цинка, находящимся в каталитическом сайте. При этом ингибируется активность протеазы. При активации протеазы этот пропептид отщепляется с помощью фурина или близкого по свойствам фермента.
• Наличие домена гемопексина, который определяет субстратную специфичность протеазы.
• Присутствие «шарнирного» домена, с высоким содержанием пролина, связывающего каталитический домен с гемопексиновым.

Мембранные металлопротеиназы матрикса (ММП) на карбоксильном конце также содержат трансмембранный домен, который закрепляет белок в плазматической мембране.

Представители ММП семейства могут разрушить любой из гликопротеинов внеклеточного матрикса, о которых шла речь в отдельных статьях на сайте (рекомендуем пользоваться формой поиска на главной странице сайта), а также некоторые протеогликаны. Во многих случаях ММП функционируют группами. Особенно характерной является их способность отщеплять пропептиды от другие ММП, тем самым активируя их. Например, ММП-3 может активировать ММП-7, которая, в свою очередь, активирует ММП-2. Это обеспечивает быструю деградацию многих субстратов. Например, при совместном действии ММР-2, -3 и -7 распадается более десяти различных белков внеклеточного матрикса.

Обычно каскад протеолиза начинается с захвата активированной протеазы в сайте деградации. Например, в кровяном сгустке активируется протеаза плазмин, и для того, чтобы начать процесс реформирования ткани при заживлении раны, эта протеаза активирует несколько ММП, расположенных рядом.

Семейство ADAM содержит около 30 протеаз, которые присутствуют во многих организмах, и в 15 из них обнаружен консервативный каталитический сайт, связывающий цинк. К числу протеаз, содержащих этот сайт, относятся ММП и многие другие протеазы. Протеазы ADAM также содержат пропептид (или продомен), который функционирует, как и у ММП, т. е. является ингибитором каталитического сайта. Эти протеазы могут разрушать множество внеклеточных белков, включая белки внеклеточного матрикса. Они также содержат домен, который находится в белках, называемых дизинтегринами, которые связываются с основным интегриновым рецептором тромбоцитов и ингибирует их агрегацию в момент образования кровяного сгустка. Дизинтегриновый домен в ADAM, вероятно, функционирует как субстрат интегрина, тем самым обеспечивая взаимную адгезию клеток. Таким образом, хотя функции ADAM разнообразны, они служат регуляторами целостности структуры внеклеточного матрикса.

Активность ММП и ADAM блокируется растворимыми белками, которые называются тканевыми ингибиторами металлопротеаз (ТИМП). Клетки выделяют ТИМП для того, чтобы защитить себя (и окружающий матрикс) от деградации активированными протеазами. Иногда клетки секретируют белки внеклеточного матрикса, протеазы, которые их деградируют, а также их ингибиторы. При этом между процессами сборки матрикса и его деградации устанавливается состояние равновесия, очень чувствительное к изменению активности этих факторов. Когда система становится разбалансированной, как в случае опухолевого роста, происходит быстрая деградация тканей, способствующая выходу в кровоток опухолевых клеток. Поэтому ТИМП интенсивно исследуются в качестве потенциальных противоопухолевых средств.

Поскольку для связывания с большинством белков внеклеточного матрикса клетки используют интегриновые рецепторы, деградация этих белков может существенно отразиться на таких функциях, связанных с интегрином, как адгезия, миграция и передача сигналов. В некоторых случаях разрушение молекул внеклеточного матрикса приводит к высвобождению функционально активных фрагментов протеолиза, которые маскированы в интактных молекулах. Например, согласно одной из современных моделей, адгезия к фибриллярному коллагену, которая осуществляется посредством интегрина а2b1 индуцирует экспрессию ММП-1 в ряде клеток. Эта протеаза атакует коллаген, демаскируя такие новые сайты связывания, как последовательность Arg-Gly-Asp (RGD), которая связывается с другим интегриновым рецептором, avb3. В свою очередь, связывание с avb3 стимулирует сигнальный путь, включающий МАР киназы, что приводит к усилению экспрессии ММП-2. Образующаяся ММП-2 активируется при действии ММП-1 и завершает деградацию коллагеновых волокон.

При этом происходит не только удаление коллагена как субстрата клеточной адгезии, но и высвобождаются его фрагменты, способные стимулировать миграцию клеток из области деградации.

Показательным примером, иллюстрирующим важность ММП, служит существование группы наследственных заболеваний, объединяемых в группу «болезней потери костной массы». Эти болезни известны под названием синдрома Винчестера, синдрома Торга, синдрома нодулярного-артропатического-остеолиза и синдрома Аль-Акиль Севаири. У больных проявляются многочисленные нарушения строения скелета, связанные с утратой костей, включая резорбцию костей запястья и лодыжки, появление выраженных признаков артрита, сильного остеопороза и заметных нарушений структуры костей лица. Причина развития этих заболеваний связана с наследованием мутантных форм гена ММП-2 по аутосомно-рецессивному типу, что приводит к образованию неактивных форм этой протеиназы.

Шесть классов металлопротеиназ матрикса человека. Для структур всех шести классов металлопротеиназ матрикса характерно наличие общих функциональных сайтов.
Представлена «усредненная» форма ММР, иллюстрирующая относительное расположение этих сайтов.
У некоторых ММР отсутствует один или несколько сайтов, однако у всех есть пропептид и каталитический домен. Клетки секретируют протеазы для расщепления белков внеклеточного матрикса.
Они также секретируют ингибиторы протеаз.
Это позволяет контролировать в тканях процессы деградации и перестройки внеклеточного матрикса. Модель деградации коллагена, которая предполагает, что вначале клетка посредством а2b1 интегриновых рецепторов связывается с коллагеном.
При действии ММП-1 структура коллагена меняется, и открываются сайты связывания для avb3 интегрина.
Адгезия посредством avb3 индуцирует экспрессию ММП-2 и дальнейшую деградацию коллагена.

Читайте также: