Биохимия старения
Шрифт:
В коллагене обнаружены три основных типа поперечных сшивок [74, 76, 77, 79]. Они образуются после ферментативной модификации лизиновых остатков в альдегидную форму, аллизин, вне клетки с помощью фермента лизилоксидазы. Аллизин играет важную роль в возникновении сшивок. Поперечные сшивки можно идентифицировать путем их восстановления боргидридом натрия (NaBH4). Если использовать меченый тритием NaB3H4, тритий включается в поперечные сшивки, которые затем и определяют. Подобные исследования показали, что сшивки представляют собой альдимин (шиффово основание). Структура некоторых из них приведена ниже.
Схема 4.1
Лизилоксидаза —
Альдегидные группы легко вводятся в Lys9 1– цепи и в Lys6 2– цепи l[83]. Lys1044 в COOH-концевом участке (девятый от COOH-конца) также превращается в аллизин [65]. В COOH-концевом участке есть и оксилизиновые остатки, которые тоже вносят вклад в образование поперечных сшивок. Некоторые из наиболее типичных поперечных сшивок изображены на схеме 4.2.
Схема 4.2
Поперечные сшивки коллагена различны в разных тканях и в -цепях разных типов [3]. Например, в связках, в которых проколлаген образуется только из 1(II) — цепей, поперечные сшивки представляют собой в основном дегидродиоксилизинонорлейцин (ДДОЛНЛ). Такие же сшивки есть в коллагене матки, состоящем из 1- и 2-цепей. Из цепей этих двух типов более предпочтительно сшиваются 2-цепи. Поэтому при фракционировании коллагена из таких тканей получают в основном димеры 2 и мономеры 1. Кроме того, оказалось, что природа поперечных сшивок зависит от степени гидроксилирования лизиновых остатков в NH2– концевом тело пептиде. В тканях типа костей и связок, в которых содержится наименее растворимый коллаген, образуется ДДОЛНЛ. В коллагене сухожилий, кожи и других тканей кроме ДДОЛНЛ имеются другие, более лабильные сшивки типа дегидроксинорлейцина (ДОНЛ), В образование межмолекулярных связей включается и фракция С, но в коллагене костей, связок и матки она практически отсутствует. Обнаружено, что в матке, коже и других мягких тканях она имеет в основном специальные функции.
Предложена модель превращения проколлагена в коллаген [14]. Цистеиновые остатки на COOH-конце про--цепи образуют S — S-связи, что способствует выстраиванию цепей в тройную спираль проколлагена в клетке. После секреции во внеклеточное пространство NH2– концевая протеаза удаляет NH2– концевые пропептиды. Затем с помощью COOH-концевой протеазы удаляются COOH-концевые пропептиды, при этом исчезают и участки, связанные S — S-связями, и образуется молекула коллагена. В коллагене нет COOH-концевых участков, связанных S — S-связями.
Отдельные цепи коллагена диссоциируют в щелочной или в кислой среде и в растворах мочевины, тиоцианата и гуанидин-гидрохлорида. При нагревании до 40 °C водородные связи между цепями рвутся. Количество коллагена, которое экстрагируется таким способом, велико у развивающихся животных, но быстро уменьшается с возрастом. Когда коллаген экстрагировали нейтральной солью из кожи крыс возрастом от. 1, 5 до 24 мес, было обнаружено, что у более старых животных экстрагируется меньше коллагена [36]. При этом количество
Таблица 4.3. Соотношение различных типов коллагена из кожи крыс как функция возраста
Изучены изменения поперечных сшивок коллагена из бычьей кожи по мере развития животных [67]. В коже зародышей много сшивок типа ДДОЛНЛ, которые делают ее плохо растворимой. К рождению доля этих сшивок уменьшается примерно на одну треть. В возрасте 6 мес их практически нет, их заменяют диоксилизинонорлейцин (ДОЛНЛ) и фракция С. До 18 мес количество этих сшивок постепенно увеличивается и составляет около 95 % всех сшивок. В коже человека максимальное количество ДОЛНЛ и фракции С наблюдается в возрасте 17–20 лет.
В период развития коллаген постоянно обновляется. По-видимому, изменение характера поперечных сшивок и их соотношения в течение этого периода обусловлено появлением -цепей различных типов. Обмен коллагена постепенно замедляется, так как развитие сопровождается уменьшением скорости синтеза и разрушением коллагена. Показано, что потребление в коже крыс аскорбиновой кислоты, которая является кофактором и пролил- и лизилгидроксилазы, велико при рождении и быстро уменьшается по мере развития животных. В возрасте 6 мес потребление аскорбиновой кислоты составляет одну сотую от ее потребления при рождении. Вместе с тем аскорбиновая кислота в течение всей жизни поглощается костями и связками, правда после 12 нед ее поглощение падает. Очевидно, синтез коллагена в коже крыс в возрасте 6–8 нед практически прекращается, тогда как в костях и связках он продолжается всю жизнь. Следовательно, аскорбиновая кислота требуется млекопитающим в течение всей жизни для поддержания нормального состояния костей и связок. Описанные результаты позволяют предположить, что появление в старческом возрасте морщин на коже может быть связано не только с прекращением обмена коллагена в ткани, но также с увеличением числа поперечных сшивок между мономерами коллагена, отложившегося в коже на ранних стадиях развития. Сообщают, что число сшивок в коллагене сухожилия хвоста крысы увеличивается в возрастном интервале 3-100 нед от 1 на 500000 до 1 на 50000, т. е. в 10 раз [93]. Это может изменить не только физические свойства коллагена, но и его способность экстрагироваться солевым раствором [32].
Другим фактором, влияющим на обмен коллагена в течение жизни животного, является фермент коллагеназа. Этот фермент расщепляет в коллагене связь Gly — Leu [31]. Паратгормон стимулирует синтез коллагеназы и вызывает деминерализацию костей. В матке в период беременности синтез фермента усиливается, тогда как прогестерон ингибирует его синтез [30]. В коже человеческого эмбриона коллагеназы больше, чем у взрослого человека. Если кожу эмбриона и взрослого человека культивировать in vitro, то из первой выделяется в среду значительное количество латентной, неактивной, коллагеназы (зимогена), однако из последней латентная коллагеназа не выделяется [72]. Молекулярная масса латентной коллагеназы из кожи человека — 55000-60000, а активной коллагеназы — 45000-50000 [75]. Если латентный фермент пропустить через колонку с сефадексом G-50, обработанным предварительно NaI, то он активируется. Трипсин удаляет из молекулы фермента пептид с мол. массой 10000 и активирует его. Таким образом, фермент, по-видимому, инактивируется путем связывания с ингибитором, имеющим мол. массу 10000. Комплекс фермент — ингибитор (латентная коллагеназа) активируется тиолблокирующими агентами, например 4-аминофенилмеркуриацетатом [70]. Природу ингибитора еще предстоит установить, однако ясно, что активность коллагеназы может быть еще одним контрольным пунктом обмена коллагена и изменения его структуры при старении.
Согласно одной из теорий старения, основанной на образовании поперечных сшивок [90], увеличение числа таких сшивок в коллагене и других внеклеточных макромолекулах вызывает изменение физических и химических свойств соединительных тканей. Свидетельством в пользу этой теории служит то, что экстрагируемость коллагена из кожи и его расщепление коллагеназой с возрастом уменьшаются, а его термостабильность и сила сокращения при этом увеличиваются. Даже если увеличение числа сшивок и вызывает эти изменения и оказывает влияние на функционирование соединительных тканей при старении животного, старение других тканей, не имеющих большого количества внеклеточного матрикса и коллагена, должно иметь другие причины. Кроме того, образование поперечных сшивок происходит после модификации, осуществляемой с помощью лизилоксидазы. Изменение содержания этого фермента в соединительных тканях с возрастом также может быть причиной увеличения числа сшивок.