Биохимия старения
Шрифт:
Глава 4. Изменения коллагена
Коллаген — это структурный белок, имеющий волокнистое строение. Он является самым распространенным белком в животных организмах и составляет 20–25 % всего содержания белков. Он синтезируется в клетках всех типов, однако откладывается в тканях во внеклеточном пространстве. Некоторые ткани, например сухожилия и связки, состоят в основном из коллагена. Следовательно, изменение этого белка с возрастом играет важную роль в процессе старения. Поэтому Верцар и начал в 50-х годах систематические исследования, целью которых было выяснить, меняются ли свойства этого белка при увеличении возраста животного. Он установил, что бороздчатость сухожилия хвоста крысы и сила термического сокращения сухожилия с возрастом увеличиваются (рис. 4.1), а его растворимость уменьшается [87, 88, 92]. Это свидетельствует о том, что полипептидные цепи коллагена в старческом возрасте имеют повышенное содержание поперечных сшивок. Эти наблюдения привели Верцара к созданию коллагеновой теории старения [89, 90]. Согласно этой теории, увеличение числа ковалентных поперечных сшивок в коллагене при увеличении возраста животного делает белок менее растворимым. Вследствие этого он накапливается в тканях в ущерб клеткам, вызывая нарушения в функционировании органов и всего организма. Эта теория стимулировала исследования молекулярных изменений коллагена и других родственных ему белков как функции возраста. Кроме того, коллаген широко использовали как модельный белок для изучения процесса старения благодаря тому, что его легко извлечь и легко получить в больших количествах из сухожилий и других соединительных тканей. Был опубликован ряд обзоров, посвященных разным аспектам изучения коллагена [4, 5, 10, 11, 21, 24, 27–30, 32, 62, 76, 78, 90].
Рис. 4.1. Влияние возраста на силу сокращения волокон коллагена хвоста крысы при нагревании [92]. По оси ординат отложен вес груза, требующегося для предотвращения сокращения при нагревании волокон, по оси абсцисс — возраст. · здоровые животные; † животные, самопроизвольно умершие
Коллаген — основной компонент всех соединительных тканей. Будучи внеклеточным белком, он не обновляется при делении клеток, и его запас не возобновляется, как это имеет место для внутриклеточных белков. Его растворимость с возрастом животных постепенно уменьшается, как это показано на рис. 4.2 [20]. Кроме того, растет доля тримеров полипептидных цепей по сравнению с димерами и мономерами, что указывает на увеличивающееся число межмолекулярных сшивок (рис. 4.3 и 4.4) [16]. Действительно, увеличение количества нерастворимого коллагена в сухожилии человека с возрастом происходит настолько закономерно, что, измеряя количество коллагена, устойчивого по отношению к коллагеназе, можно определять его возраст [33]. Некоторые физические свойства белка резко меняются. Помимо увеличения напряжения, которое развивается в сухожилии при термическом сокращении при 65 °C (рис. 4.5), возрастает время, которое требуется для его разрыва при определенной нагрузке (рис. 4.6), а время сокращения уменьшается.
Рис. 4.2. Влияние возраста на растворимость коллагена сухожилия хвоста (промытого фосфорной кислотой) в воде при 65 °C в течение 10 мин для интактных крыс (I) и крыс, лишенных гипофиза (II) [20]
Рис. 4.3. Увеличение с возрастом суммарного веса коллагена в сухожилии хвоста и количества нерастворимого коллагена [16]. С помощью гель-фильтрации образцов на биогеле А-15 показано увеличение с возрастом количества нерастворимого коллагена и соответствующее уменьшение -субъединиц
Рис. 4.4. Распределение -цепей и коллагена других типов в коже крыс разного возраста [36]
Рис. 4.5. Зависимость веса груза, который может поднять сухожилие крысы при сокращении, от возраста [89]. Предел прочности при растяжении (или сила сокращения) равномерно увеличивается с возрастом
< image l:href="#"/>Рис. 4.6. Увеличение с возрастом времени, которое требуется для разрыва изолированного волокна коллагена из сухожилия хвоста крысы в 7 М мочевине при 40 °C и рН 7,0; вес груза 2 г [22]
Коллаген является главным органическим компонентом экстрацеллюлярного матрикса, в особенности соединительных тканей, таких, как кости и хрящи. Он служит как бы "лесами" для клеток при построении этих тканей и выполняет механические и защитные функции.
При старении млекопитающих обычно наблюдаются увеличение числа морщин на коже, уменьшение костной массы и увеличение хрупкости костей, а также изменение физических свойств хрусталика. Происходит ли это благодаря появлению с возрастом новых типов коллагена или благодаря прогрессирующим посттрансляционным изменениям в макромолекулах коллагена, вызывающим потерю функций ткани? Если верна первое, то это может означать, что перечисленные выше изменения свойств коллагена происходят из-за изменений первичных центров, т. е. в пожилом возрасте происходит экспрессия генов, ответственных за синтез нерастворимого коллагена. Если же верно второе предположение, то причина старения имеет вторичный характер. Изменения физических свойств коллагена по мере старения животного в этом случае могут происходить из-за изменений с возрастом уровней эффекторов, что приводит к модификации свойств коллагена уже после его синтеза. Таким образом, для того чтобы разобраться в изменении свойств коллагена как функции возраста, необходимо знать его молекулярную структуру.
Внеклеточный коллаген представляет собой фибриллы, состоящие из нескольких мономеров. Каждый мономер — это тройная спираль из трех полипептидных цепей, свернутых друг относительно друга. В коллагене разных тканей найдено два типа полипептидных цепей — 1 и 2. Цепи 1 имеют четыре варианта — 1(I), 1(II), 1(III) и 1(IV). Четыре варианта 1 и цепи типа 2 различают последовательностью аминокислот и, следовательно, кодируются разными генами.
Каждая -цепь состоит из ~1050 аминокислотных остатков и имеет мол. массу 100000. Приблизительно 15–25 остатков в каждом из NH2– и COOH-концевых участков -цепи имеют последовательность, не свойственную коллагену и не имеющую формы спирали. Эти концевые участки называются: телопептидами. В отличие от центральных спиральных областей цепи, характерных для коллагена, они не содержат Gly в каждом третьем положении. На NH2– конце находится пептид Lys9, сохранившийся в ходе эволюции. Он превращается вне клетки в аллизин, принимает участие в образовании поперечных сшивок с -цепью другого мономера коллагена и, следовательно, в формировании фибриллы. COOH-концевая область также содержит сохранившийся в ходе эволюции Lys1044, участвующий в образовании сшивки внутри мономера и в формировании фибриллы [57].
Центральная часть -цепи состоит из ~1000 остатков, соединенных в повторяющейся последовательности Gly — X-Y, т. е. Gly занимает каждое третье положение. Таким образом, всего в -цепи около 337 глициновых остатков, составляющих одну треть всех аминокислот коллагена. Положение X и Y занимают другие аминокислоты. Часто встречаются также аминокислоты пролин (Pro) и оксипролин (Hyp). Pro занимает положение X, а Hyp — положение Y. Обычно Hyp гидроксилирован по четвертому углеродному атому. Разные типы -цепей отличаются друг от друга аминокислотами в положениях X и Y. Наличие Gly и его присутствие в каждом третьем положении характерны для всех цепей, тогда как содержание Hyp и Pro в разных -цепях различно.
Чем выше суммарное содержание Hyp+Pro, тем выше температура плавления (Tm) коллагена и его стабильность (Tm — температура, при которой разрушается 50 % спиральной структуры):
В отличие от глобулярных белков -цепи не имеют водородных связей внутри цепи. Таким образом, в них отсутствуют -cпирали и они представляют собой -структуры. Если у глобулярных белков, имеющих -спиральную структуру, приходится 5,4 аминокислотных остатков на виток, а подъем на один остаток равен 0,15 нм, для -цепей коллагена эти значения составляют 3,3 остатка и 0,29 нм соответственно. Каждая цепь имеет левые витки с шагом 0,9 нм, содержащим три остатка.