Биохимия нервной, мышечной и соединительной ткани презентация

План лекции
Нервная ткань: определение понятия, классификация по функциям и клеточному составу.
Нейрон – как основная морфо-функциональная единица нервной системы: особенности структуры, состава органелл, функции. Нейрональная теория функционирования высшей нервной системы.
Головной мозг: химический состав сухого остатка, белого и серого вещества, нейронов, синапсов, нервных волокон. Особенности обмена – энергетического, углеводного, липидного, нуклеотидного и нуклеиновых кислот, белкового и аминокислот. Биохимические причины и механизмы развития патологических состояний.
Биохимические основы нервной деятельности. Виды синапсов и рецепторов, обмен нейромедиаторов и механизмы передачи нервного импульса через синапсы. Основные ингибиторы механизмов передачи нервного импульса в различных видах синапсов.
Биохимические показатели крови, мочи, спинномозговой жидкости, отражающие функциональное состояния нервной ткани.

Функции нервной системы:
воспринимает информацию из внешней и внутренней среды;
перерабатывает полученную информацию;
хранит информацию;
генерирует сигналы, обеспечивающие ответные реакции, адекватные действующим раздражителям.
координирует взаимодействие организма с внешней средой,
координирует функции различных органов и тканей
осуществляет интеграцию частей организма в единое целое,
является центральным органом поддержания гомеостаза.
Принципы действия нервной системы

Классификация нервной системы
Анатомически
Физиологически
ЦНС
ПНС
Соматическая
Автономная
Симпатическая
Парасимпатическая
головной
и спинной мозг
периферические
нервные узлы,
нервы и
нервные окончания
функции
произвольного
движения
регулирует деятельность внутренних органов, сосудов и желез

Функциональной тканью нервной системы является нервная.
Нервная ткань – это высокоспециализированная ткань, обладающая возбудимостью и проводимостью, она состоит из:
Нейронов
Нейроглии
Макролия (астроциты, эпендимоциты, олигодендроциты)
Микроглия (тканевые макрофаги)

Нейрон

Нейроглия (от греческого glia – клей) это клетки нервной системы, которые не проводят нервные импульсы. Глиальные клетки занимают 50% объема ЦНС и более 90% от количества всех ее клеток.
Глиальные клетки обеспечивают деятельность нейронов, играя вспомогательную роль:
опорную,
трофическую,
Барьерную
Защитную
Секреторную (некоторые)

Макроглия
1. Астроцитарная глия
Астроциты
обеспечивает микроокружение нейронов,
выполняет опорную и трофическую функции в сером и белов веществе,
участвует в метаболизме нейромедиаторов,
входят в состав гематоэнцефалического барьера.

образует выстилку желудочков головного мозга
входит в состав гематоликворного барьера.
На снимке - просвет одного из желудочков мозга (1).
Он заполнен жидкостью и выстлан эпендимой (2).
Под эпендимой - белое вещество (3) мозга.
2. Эпендимная глия
эпиндимоциты

встречается в сером и белом веществе;
обеспечивает барьерную функцию,
участвует в формировании миелиновых оболочек нервных волокон,
регулирует метаболизм нейронов,
захватывает нейромедиаторы.
часть тела псевдоуниполярного нейрона
олигодендроглия (клетки-сателлиты)
3. Олигодендроглия

Микроглия – специализированные макрофаги ЦНС.
Способны к амёбоидным движениям и фагоцитозу
Активизируются при воспалительных и дегенеративных заболеваниях.
Выполняют в ЦНС роль антиген-представляющих дендритных клеток
микроглиоциты
Микроглия

Серое вещество образовано скоплением нейронов, тонких немиелинизированных нервных волокон и нейроглии (астроциты, олигодендроциты)
в ЦНС называется ядром, в ПНС – ганглием (узлом).
Белое вещество представлено совокупностью аксонов, покрытых миелиновой оболочкой и глиальных клеток (астроцитов).
в ЦНС носят название трактов, в ПНС образуют нервы.
По клеточному составу нервную ткань делят на:

Химический состав нервной ткани

Белки нервной ткани
сложные
Простые :Нейроальбумины – основные растворимые белки (80%)
Нейроглобулины - 5%.
Катионные белки - основные белки (рН 10 – 12) - гистоновые.
Нейросклеропротеины (нейроколлагены, нейроэлластины)– 10% - структурно-опорная функция
В головном мозге на белки приходиться 40% сухой массы.
В настоящее время выделено более 100 белковых фракций нервной ткани

Сложные белки
Гликопротеины –нейрорецепция
Протеолипиды – структурная ф -я
Нейроспецифические белки
Нейроспецифическая енолаза (Белок 14-3-2) - кислый белок в нейронах ЦНС
Белок Р-400 - в мозжечке - двигательный контроль
Нейротубулин, нейростенин, актиноподобные белки - подвижность цитоскелета, активный транспорт веществ.
Гликопротеины гипоталамуса,
нейрофизины - гуморальная регуляция
Нейроспецифические поверхностные антигены (NS1, NS2, L1)
Факторы адгезии клеток (N-САМ) - на мембране нейронов

Белок S100 - гетерогенный кислый Сa-связывающий белок, локализуется в нейроглии (в астроцитах) и интенсивно нарабатывается в клетках гиппокампа при обучении, тренировках, формировании условных рефлексов.
Белок В-50 - один из основных фосфорилируемых белков плазматических мембран нейронов. Локализован в синапсах и является эндогенным субстратом диацил-глицерол-зависимой и Са-зависимой протеинкиназы С.
НЕЙРОПЕПТИДЫ - эндогенные регуляторы функций ЦНС
Осуществляют контроль:
- за экспрессией вторичных клеточных мессенджеров,цитокинов и других сигнальных молекул,
- за запуском генетических программ апоптоза, антиапоптозной защиты,
- усилением нейротрофического обеспечения

Опиоидные нейропептиды

нейропептиды

Нейротрофические факторы:

Ферменты
Нейроспецифическая енолаза
ЛДГ (ЛДГ1, ЛДГ2 в нейронах, ЛДГ5 - в глии),
АСТ,
альдолаза,
креатинкиназа (ВВ),
гексокиназа,
глутамат-дегидрогеназа,
Малат-дегидрогеназа
холинэстераза,
Кислая фосфатаза,
Моноаминоксидазы.

Аминокислоты
Содержание (мкмоль/г) свободных аминокислот в мозге, плазме и СМЖ
Аминокислот в мозге в среднем 34 ммоль на 1г ткани, что значительно превышает их содержание, как в плазме крови, так и в СМЖ.
Высокая концентрация АК в нервной ткани достигается путем их многоступенчатого активного и пассивного транспорта из плазмы крови.

Липиды нервной ткани
фосфоглицериды в сером веществе составляют более 60% от всех липидов, а в белом – около 40%.
Холестерин - 25% от общего содержания липидов (повышает электроизоляционные свойства клеточных мембран, защищает их от ПОЛ, защищает от повреждения).
Сфинголипиды (ганглиозиды и цереброзиды), участвуют в процессах коммуникации нервной клетки с окружающей ее средой, в передаче сигналов с наружной поверхности клетки внутрь.
ХС, сфингомиелинов, сульфатидов и особенно цереброзидов содержится больше в белом веществе, чем в сером.
Много этерефицированных жирных кислот (пальмитиновой, стеариновой, олеиновой и арахидоновой).
Нервная ткань отличается высоким содержанием и разнообразием липидов, которые придают ей специфические особенности.

Ганглиозиды - в сером веществе - Gм1, GD1a, GD1b, GT1. Синтез ганглиозидов связан с дифференциацией нейронов.
Функции ганглиозидов: 1). являются рецепторами внешних сигналов; 2). с гликопротеинами отвечают за специфичность клеточной поверхности, распознавание клеток и их адгезию; 3). участвуют в развитии нервной системы при образовании «правильных» межклеточных связей; 4). участвуют в коммуникации между мембранами аксонов и окружающими их олигодендроглиальными клетками; 5). участвуют в функциональной адаптации зрелой нервной системы.
Фосфатидилинозитолы - 2% от об. липидов - в мембранах, миелине. Участвуют в инозитолтрифосфатной системе передаче сигнала.

Углеводы нервной ткани
много олигосахаров (составляют 2-10% массы плазматической мембраны) придают ей индивидуальность и специфичность.
мало глюкозы (0,05%) и гликогена

Нуклеотиды нервной ткани
Клетки Пуркинье мозжечка содержат избыточное количество ДНК.
Необычно короткие нуклеосомные единицы, наличие редких вариантов гистонов, большое разнообразие негистоновых белков и высокая матричная активность.
Содержание РНК в нейронах велико, что связано с активным синтезом белка. Среднее отношение РНК/ДНК может достигать 50
Содержание цАМФ и цГМФ в головном мозге значительно выше, чем во многих других тканях.

Макроэргические соединения нервной ткани
Содержание креатина и креатинфосфата более, чем в 2 раза превышает количество адениновых нуклеотидов – АТФ.

Минеральные вещества нервной ткани
Na+, K+, Cu2+, Fe2+, Ca2+, Mg2+ и Mn2+ распределены в головном мозге относительно равномерно между серым и белым веществом.
Содержание фосфора в белом веществе выше, чем в сером.
В мозговой ткани существует дефицит анионов, который покрывается за счет белков и липидов (у липидов нервной ткани важная роль в ионном балансе).

Строение нервного волокна. Миелиновая оболочка
1
2
3
1-аксон; 2-миелин; 3-ось волокна; 4-белок (наружные слои)
5-липиды; 6-белок (внутренний слой); 7-холестерин;
8-цереброзид; 9- сфингомиелин; 10-фосфатидилсерин.
Белки миелина ЦНС:
Протеолипид
Основной белок миелина А1 (МВР)
Белки Вольфграма
Белки миелина ПНС:
белками А1 (немного)
Р0 и Р2.
В миелине активны ферменты:
холестеролэстеразы;
фосфодиэстеразы, гидролизирующей цAMФ;
протеинкиназы А, фосфорилирующей основной белок;
сфингомиелиназы;
карбоангидразы.

Образован:
клетками эндотелия капилляров
плотной базальной мембраной, не имеющей пор.
Астроглией, выстилающие наружную поверхность эндотелия.
Р-ГП
1 Путем диффузии (О2, СО2)
- (Межклеточных щелей нет)
- («Окон» нет)
+ (Пиноцитоз отсутствует или незначителен)
5 Путем активного транспорта (АК, глюкоза, кетоновые тела)
Гематоэнцефалический барьер (ГЭБ) – самый трудно проницаемый, непроницаем для катехоламинов, АХ, серотонина, ГАМК.

Особенности метаболизма нервной ткани
Для мозга характерна высокая интенсивность энергетического обмена с преобладанием аэробных процессов.
Головной мозг составляет 2-2,5% веса тела, а потребляет 10-20% О2, поглощаемого организмом. Газообмен в мозге превышает газообмен в мышечной ткани в 20 раз.
у детей в возрасте 4 лет к окончанию миелинизации и завершения процессов дифференцировки нервная ткань потребляет около 50% всего О2 поступающего в организм.
Энергетический обмен нервной ткани

Основной энергетический субстрат для нервной ткани - глюкоза
За 1 минуту 100 г ткани мозга потребляют 5 мг глюкозы (до 70% свободной глюкозы, выделяемой из печени в кровь)
85% глюкозы расходуется в аэробном гликолизе,
12% - в анаэробном гликолизе (до лактата)
3% - в ПФП, образуя НАДФН2 и рибозу
В экстремальных состояниях нервная ткань переключается на кетоновые тела (до 50% всей энергии).

Обмен белков и аминокислот нервной ткани
Нервная ткань характеризуется высоким обменом аминокислот и белков. Максимальная скорость в сером веществе, минимальная в белом.
Аминокислоты используются :
для синтеза белков, пептидов, некоторых липидов, гормонов, биогенных аминов и др. В сером веществе преобладает синтез БАВ, в белом – белков миелиновой оболочки.
как нейротрансмиттеры и нейромодуляторы. АК и их производные участвуют в синаптической передаче (глу), в осуществлении межнейрональных связей.
Источник энергии. в ЦТК окисляются АК глутаминовой группы и с разветвленной боковой цепью (лейцин, изолейцин, валин).
Для выведения азота. При возбуждение нервной системы возрастает образование аммиака (в первую очередь за счет дезаминирования АМФ), который связывается с глутаминовой кислотой с образованием глутамина.

Обмен азота нервной ткани
Источником аммиака в головном мозге служит непрямое дезаминирование аминокислот с участием глутаматдегидрогеназы, а так же дезаминирование с участием АМФ–ИМФ цикла.

Липидный обмен нервной ткани
Особенность: липиды не используются в качестве энергетического материала, а в основном идут на строительные нужды.
В нейронах серого вещества из фосфоглицеридов наиболее интенсивно обновляются фосфотидилхолины и особенно фосфотидилинозитол, который является предшественником внутриклеточного посредника ИТФ.
В миелиновых оболочках обмен липидов протекает медленно, очень медленно обновляются холестерин, цереброзиды и сфингомиелины

Механизмы передачи
нервного импульса

Механизмы передачи нервного импульса
по нервному волокну
1. Потенциал покоя (-70 мВ)
Na-канал
К-канал
2. Потенциал действия
а)Локальный ответ (-50 мВ)
Na
б)Стадия деполяризации (0 мВ - +50 мВ)
в)Стадия реполяризации (-70 мВ)
К

Са
Na
K
Синтез медиатора
Загрузка в везикулу
Слияние везикул
Специфические рецепторы
Открытие Na канала
Проведение импульса
Открытие Сa канала
Деградация медиатора
Обратное поглощение
Механизмы передачи нервного импульса
через химический синапс

Аминокислотные медиаторы
ингибиторные нейтральные
(ГАМК, глицин, β-аланин и таурин).
возбуждающие кислые
(глутамат и аспартат)
Глицин открывает хлорные каналы
вызывает гиперполяризацию
тормозит возбудимость
постсинаптической мембраны
Нейромедиатор - это сигнальная молекула, синтезируется и запасается в нейроне, высвобождается при проведении нервного импульса и специфически связывается постсинаптической мембраной, где оно активирует или ингибирует постсинаптическую клетку посредством деполяризации и гиперполяризации.

открывает хлорные каналы
вызывает гиперполяризацию
тормозит возбудимость постсинаптической мембраны
ГАМК

Синтез холина
Печень
Нейроны

Синтез и распад медиатора на примере ацетилхолина
(CH3)3N-CH2-CH2-OH
холинацетилтрансфераза
(CH3)3N-CH2-CH2-O-CO-CH3
H2O
ацетилхолинэстераза
(CH3)3N-CH2-CH2OH
Нейрон
ПЕЧЕНЬ
CH3-CO-S-KoA
HS-KoA
CH3COOH

Рецепторы
Рецепторы - это белки, встроенные в клеточную мембрану или находящиеся внутри клетки, которые, взаимодействуя с сигнальными молекулами, меняют активность регуляторных белков.
По механизму передачи сигнала рецепторы делятся на 4 типа:
1). Рецепторы, связанные с ионными каналами (холинэргические, ГАМК)
2). Рецепторы, с ферментативной активностью.
Бывают 3 видов:
а). Рецепторы, с тирозинкиназной активностью (тирозиновые протеинкиназы).
б). Рецепторы, с фосфатазной активностью (тирозиновые протеинфосфотазы) (например, ФПФ).
в). Рецепторы с гуанилатциклазной активностью (ГЦ).
3). Рецепторы, сопряженные с G-белками по строению их еще называют серпантинными (к норадреналину).
4). Ядерные и цитоплазматические рецепторы.

Биохимические синдромы в психиатрии
Интоксикации (аминокислоты, кетокислоты, аммиак, мочевина)
Нарушения окислительно-восстановительных процессов (гипоксия, накопление молочной к-ты, энергодефицит)
Гипоэргизма-гиперэргизма (гипогликемия-гипергликемия)
Алиментарной недостаточности (аминокислоты, витамины)
Нарушения эндокринной и вегетативной регуляции (медиаторы -+)
Аутоиммунные (гамма-глобулины +)
Наследственные (дефекты ферментов)

Патобиохимия нервной системы
1) Миастения - уменьшение числа холинорецепторов
3) болезнь Паркинсона - дегенерация дофамин содержащих ней-
ронов нитростриарного проводящего пути
4) Депрессия - из-за истощения запасов моноаминовых нейроме-
диаторов в нейронах.
Шизофрения - из-за гиперреактивности дофаминовых рецепто-
ров в нейронах.

Нейроспецифические белки-
МАРКЕРЫ НЕЙРОДЕГЕНЕРАТИВНЫХ ПРОЦЕССОВ
белок S100
Нейрон
специфическая
енолаза (NSE)
Нейроны
Астроциты
Олигодендроциты
и миелин
MBP
(его фрагмент –
энцефалитогенный
протеин - ЭП)
Определ Аt к ЭП
НЕЙРОСПЕЦИФИЧЕСКИЕ БЕЛКИ

Нейронспецифическая енолаза (NSE)
Нейроспецифическая енолаза (антиген 14-3-2) NSE – это гликолитический фермент, катализирующий превращение 2-фосфоглицерата в 2-фосфоенолпируват.
Состоит из двух типов мономеров (α и γ), формирующих три изофермента: αα, αγ и γγ
γγ-NSE много содержится в цитоплазме и дендритах нейронов
αγ-NSE содержится астроцитах, олигодендроглиоцитах и эндотелиальных клетках

Белок S100
S-100 - кальций-связывающий протеин.
Локализация мембраны, цитоплазма.
участвует в фосфорилировании белка, обеспечивает работу цитоскелета астроцитов, их движение, рост и дифференцировку.
Семейство S-100 состоит из 20 тканеспецифичных мономеров, два из которых: α (10,4 кДа) и β (10,5 кДа) образуют гомо- и гетеродимеры, присутствующие в высокой концентрации в клетках нервной системы.
Гомодимер ββ присутствует в высоких концентрациях в глиальных и шванновских клетках, гетеродимер αβ находится в глиальных клетках.

антитела к S100β являются специфичными маркерами повреждения астроцитарной глии.
Ген S100 находиться в длинном плече 21-й хромосомы в области 22.2-22.3, которая отвечает за фенотипические проявления синдрома Дауна.
При синдроме Дауна концентрация S100 в крови плода резко возрастает. Однако S100 не проходит плацентарный барьер, что не позволяет его использовать в качестве маркера синдрома Дауна.
В норме белок S100 не присутствует в сыворотке крови.
Увеличение концентрации S-100 (αβ) и S-100 (ββ) в спинномозговой жидкости и плазме свидетельствует о нарушении гематоэнцефалического барьера и гибели астроцитов.

Основной белок миелина (MBP)
MBP - щелочной белок, с высоким содержанием (25%) основных аминокислот (аргинина, лизина, гистидина).
Ген в 18 хромосоме.
Миелин содержит 3 изоформы MBP с массами: 21,5; 18,5 и 17,2 кДа.
MBP составляет 25-30% массы сухого вещества миелина
В ЦНС на долю MBP 35% всех белков миелина,в периферических нервах 18% всех белков.
функции: питание аксона, изоляция и ускорение проведения нервного импульса, опорная и барьерная функции, иммуногенез и энцефалитогенез
в молекуле МВР выявлено 27 антигенных детерминант, часть из них являются энцефалитогенными
эпитоп 85-96 имеет собственное название – энцефалитогенный протеин (ЭП).

NSE, S100 и MBP – маркеры повреждения мозговой ткани
Нейроспецифические белки в нормальных условиях обнаруживаются в крови в следовых концентрациях, не приводящих к образованию аутоантител.
при повреждении нервной ткани повышается сначала их концентрация в СМЖ, а затем происходит их выход в кровоток.
К НСБ отсутствует иммунологическая толерантность, поэтому появление их в крови запускает аутоиммунную агрессию на эти антигены.

NSE является высокоспецифичным маркером мелкоклеточного рака легкого и нейробластомы, а также других опухолей нейроэктодермального или нейроэндокринного происхождения.
S100 (αβ- и ββ-димеры) служит диагностическим и прогностическим маркером злокачественной меланомы, глиальных опухолей ЦНС.
MBP также может определяться у больных с различными видами опухолей ЦНС, включая злокачественные. MBP отражает тяжесть рецидива в период обострения рассеянного склероза
НСБ являются маркерами деструктивных процессов вещества мозга (эпилепсия, нейродегенеративные заболевания, гидроцефалия, экстапирамидные расстройства, психические заболевания, шизофрения, психозы)
чем выше концентрация НСБ в сыворотке крови и СМЖ, тем выше вероятность летального исхода.

концентрация белка НСБ увеличивается с возрастом, у мужчин в большей степени, чем у женщин
NSE, S100 и MBP включены в панель биохимических тестов в остром периоде инсульта

Дофамин – нейромедиатор центральной нервной системы, а также медиатор паракринной регуляции в ряде периферических органов ( слизистой желудочно-кишечного тракта, почках), предшественник норадреналина и адреналина в ходе их синтеза.
Дофамин вырабатывается:
мозговым веществом надпочечников (3)
областью среднего мозга, называемой "Substantia nigra".
Биосинтез дофамина: происходит в нейронах промежуточного и среднего мозга.
Предшественником дофамина является L-тирозин (он синтезируется из фенилаланина), который гидроксилируется (присоединяет OH-группу) ферментом тирозингидроксилазой с образованием L-DOPA, которая, в свою очередь, теряет COOH-группу с помощью фермента L-DOPA-декарбоксилазы, и превращается в дофамин. Этот процесс происходит в цитоплазме нейрона.
Рецепторы дофамина: трансмембранные метаботропные G-белки, впервые были выделены в 1979 году. По своим структурным, биохимическим и фармакологическим характеристикам подразделяемые на:
D1-подобные (D1, D5) - D1-подобные рецепторы активируют аденилатциклазу
D2-подобные (D2, D3, D4) - D2 ингибируют аденилатциклазу.
Классификация предложенная в 1983 году подразделяет рецепторы дофамина по их эффектам:
Активация группы D1-подобных рецепторов вызывает релаксацию мышц и расширение сосудов, для этих рецепторов (R)-сульпирид, является сильным антагонистом, апоморфин — слабым агонистом, а домперидон на них не действует.
Активация группы D2-подобных рецепторов ингибирует действие норадреналина, апоморфин — их сильный агонист, а сильные антагонисты — (S)-сульпирид и домперидон.

Катаболизм дофамина:
Синтезированный нейроном дофамин накапливается в дофаминовых везикулах («синаптическом пузырьке»). В везикулу с помощью протон-зависимой АТФазы закачиваются ионы H+. При выходе протонов по градиенту в везикулу поступают молекулы дофамина.
Далее дофамин выводится в синаптическую щель. Часть его участвует в передаче нервного импульса, воздействуя на клеточные D-рецепторы постсинаптической мембраны, а часть возвращается в пресинаптический нейрон с помощью обратного захвата.
Ауторегуляция выхода дофамина обеспечивается D2 и D3 рецепторами на мембране пресинаптического нейрона. Обратный захват производится транспортером дофамина. Вернувшийся в клетку медиатор расщепляется с помощью моноаминооксидазы (МАО) и, далее, альдегиддегидрогеназы и катехол-О-метил-трансферазы до гомованилиновой кислоты.

ДОФАМИНЕРГИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ГОЛОВНОГО МОЗГА
Различают семь отдельных подсистем (первые три являются основными):
1. Нигростриатная
2. Мезокортикальная
3. Мезолимбическая
4. Тубероинфундибулярная
5. Инцертогипоталамическая
6. Диенцефалоспинальная
7. Ретинальная
Нигростриатная система. Аксонами нейронов нигростриарного тракта выделяется около 80 % мозгового дофамина.
Тела дофаминовых нейронов, находятся:
в компактной части черной субстанции - через аксоны дают проекции в дорсальный стриатум (полосатое тело)
в латеральном отделе вентрального поля покрышки среднего мозга – через аксоны дают проекции в вентральный стриатум.
Мезолимбическая система. Тела нейронов этой системы, расположены в вентральном поле покрышки среднего мозга и частично в компактной части черной субстанции. Отростки идут в: поясную извилину, энториальную кору, миндалину, обонятельный бугорок, аккумбентное ядро, гиппокамп, парагиппокампальную извилину, перегородку и др.
Тубероинфундибулярный тракт. Данный тракт образован аксонами нейронов, расположенных в аркуатном ядре гипоталамуса. Отростки таких нейронов достигают наружного слоя срединного возвышения.
Инцертогипоталамический тракт. Инцертогипоталамический тракт начинается от zona incerta и оканчивается в дорсальном и переднем отделах медиального таламуса, а также в перивентрикулярной области. Он принимает участие в нейроэндокринной регуляции.
Диенцефалоспинальный тракт. Источником проекций диенцефалоспинального тракта являются нейроны заднего гипоталамуса, отростки которых достигают задних рогов спинного мозга.
Ретинальный тракт. Ретинальный тракт расположен в пределах сетчатки глаза. Особенности этого тракта делают его среди других дофаминергических трактов достаточно автономным.

Пути Дофамина:
Патология:
Патология
Патология

Заболевание развивается при недостаточности дофамина в чёрной субстанции мозга.
Снижена активность тирозингидроксилазы, ДОФА-декарбоксилазы.
Патология Дофамина. Болезнь Паркинсона.
ЛОБНАЯ КОРА
D2 СКОРЛУПА D1
ЧЕРНАЯ СУБСТАНЦИЯ
НЕПРЯМОЙ ПУТЬ
ПРЯМОЙ ПУТЬ
НАРУЖНЫЙ СЕГМЕНТ БЛЕДНОГО ШАРА
СУБТАЛАМИЧЕСКОЕ ЯДРО
ВНУТРЕННИЙ СЕГМЕНТ БЛЕДНОГО ШАРА
СТВОЛ МОЗГА И СПИННОЙ МОЗГ
ППЯ
ТАЛАМУС
Функциональная организация экстрапирамидальной системы В НОРМЕ.
АКТИВИРУЮЩЕЕ ВЛИЯНИЕ (ГЛУТАМАТЕРГИЧЕСКИЕ)
ТОРМОЗЯЩЕЕ ВЛИЯНИЕ (ДОФАМИНЕРГИЕЧЕСКИЕ И ГАМКергические)

Заболевание развивается при недостаточности дофамина в чёрной субстанции мозга.
Снижена активность тирозингидроксилазы, ДОФА-декарбоксилазы.
Патология Дофамина. Болезнь Паркинсона.
ЛОБНАЯ КОРА
D2 СКОРЛУПА D1
ЧЕРНАЯ СУБСТАНЦИЯ
НЕПРЯМОЙ ПУТЬ
ПРЯМОЙ ПУТЬ
НАРУЖНЫЙ СЕГМЕНТ БЛЕДНОГО ШАРА
СУБТАЛАМИЧЕСКОЕ ЯДРО
ВНУТРЕННИЙ СЕГМЕНТ БЛЕДНОГО ШАРА
СТВОЛ МОЗГА И СПИННОЙ МОЗГ
ППЯ
ТАЛАМУС
Функциональная организация экстрапирамидальной системы ПРИ БОЛЕЗНИ ПАРКИНСОНА.
АКТИВИРУЮЩЕЕ ВЛИЯНИЕ (ГЛУТАМАТЕРГИЧЕСКИЕ)
ТОРМОЗЯЩЕЕ ВЛИЯНИЕ (ДОФАМИНЕРГИЕЧЕСКИЕ И ГАМКергические)

План лекции
Функции мышц
Классификация мышечных волокон
Химический состав мышц
Особенности обмена веществ и энергии в мышцах
Строение миофибриллы
Механизм мышечного сокращения
Патология мышечной ткани

Мышечное волокно
Функциональной единицей мышечной ткани является мышечное волокно
Мышечное волокно поперечнополосатой мышцы- это многоядерная клетка.
По форме напоминает веретено, которое может быть вытянуто на всю длину мышцы.
Снаружи мышечное волокно окружено электровозбудимой мембраной – сарколеммой
Внутри находиться внутриклеточная жидкость - саркоплазма.
Центральная часть саркоплазмы заполнена миофибриллами
На периферии, вдоль сарколеммы - ядра и митохондрии.

Двигательная единица – это совокупность образований – нейрон и все мышечные волокна (обычно 10-1000), которые этот нейрон через свои аксоны иннервирует.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ МЫШЕЧНОЙ ТКАНИ
Вода............................................72—80
Сухой остаток …........................20—28
В том числе:
Белки...........................................16,5—20,9
Гликоген......................................0,3—3,0
Фосфатиды.................................0,4—1,0
Холестерин.................................0,06—0,2
Креатин + креатинфосфат........0,2—0,55
Креатинин....................................0,003—0,005
АТФ...............................................0,25—0,4
Карнозин......................................0,2—0,3
Карнитин......................................0,02—0,05
Анзерин........................................0,09—0,15
Свободные аминокислоты........0,1—0,7
Молочная кислота......................0,01—0,02
Зола...............................................1,0—1,5

1. Сократительные (миофибриллярные) белки
миозин 55%
актин 25%
тропомиозин (во всех мышцах)
тропонины Т, I и С (только в поперечнополосатых).
α- и β-актинин, десмин, коннектин (титин) и виментин.
2. Саркоплазматические белки
глобулины X, миогены, миоглобин, нуклеопротеиды
Ферменты:
в миокарде АСТ, АЛТ, ЛДГ1,2, КФК МВ.
в скелетной мышце ЛДГ3,4, КФК ММ.
3. Белки стромы
коллаген
эластин
МЫШЕЧНЫЕ БЕЛКИ

Углеводы мышечной ткани
Гликоген: 0,3-3,0%
ГАГ
моносахариды глюкоза, фруктоза
Липиды мышечной ткани
Фосфолипиды (в миокарде больше)
Холестерин
Небелковые азотистые вещества
креатинфосфат и креатин до 60%,
креатинин (мало);
Много адениновых нуклеотидов АТФ, АДФ и АМФ
(АТФ 4,43 мкмоль/г, АДФ 0,81 мкмоль/г, АМФ 0,93 мкмоль/г);
Мало нуклеотидов неаденинового ряда (ГТФ, УТФ, ЦТФ и др.)
имидазолсодержащие дипептиды (карнозин и ансерин).
свободные аминокислоты (много глутамина, аланина) и др.
Неорганические вещества: макро- и микроэлементы
соли К, Na, Ca, Mg.

ОСОБЕННОСТИ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ
В МЫШЕЧНОЙ ТКАНИ
Обмен белков и аминокислот
Мышцы характеризуются высоким обменом белков и АК. Белки и АК в мышцах активно синтезируются и распадаются.
Белки скелетных мышц являются важным источником АК. При голодании и энергодефиците белки мышц разрушаются, а образовавшиеся АК используются в качестве источника энергии.
У млекопитающих мышцы являются главным местом катаболизма АК с разветвленной цепью (Валин, Лейцин, Изолейцин). Аминокислоты дезаминируются, а образовавшиеся кетокислоты используются как субстраты ЦТК.

Мышцы также синтезируют и выделяют много аланина и глутамина. В реакций трансаминирования вступают ПВК (гликолиз), α-КГ (ЦТК), и аминогруппы других АК.

Аминокислоты
Белки
При интенсивной работе для нейтрализации лактата мышцы выделяют аммиак. В мышцах низкая активность глу-ДГ, поэтому непрямое дезаминирование идет с участием ИМФ-АМФ цикла.

Липидный обмен
преобладает катаболизм липидов.
Жирные кислоты, кетоновые тела в аэробных условиях окисляются в мышцах для получения энергии.
В мышцах синтезируется немного холестерина.

Углеводный обмен
преобладает катаболизм углеводов.
глюкоза окисляется в аэробных или анаэробных условиях для синтеза АТФ.
Из глюкозы в мышцах образуется аланин.
Глюкоза запасается в мышцах в форме гликогена (до 1%).
Адреналин и Ca2+ в мышцах стимулируют гликогенолиз, а также образование АТФ и мышечное сокращение.

Энергетический обмен
Энергетический обмен в состоянии покоя очень низкий, при интенсивной физической нагрузке значительно возрастает.
В белых (быстрых) волокнах преобладает анаэробный гликолиз (субстрат глюкоза).
В красных (медленных) мышцах преобладает аэробное окисление жирных кислот, кетоновых тел и глюкозы.
Миокард в норме в качестве субстратов для синтеза АТФ использует жирные кислоты (65 — 70%), глюкозу (15 — 20%) и молочную кислоту (10 — 15%).

Мышцы, которые могут длительно находиться в состоянии сокращения, способны резервировать кислород в миоглобине.
За счет миоглобина, мышцы окрашены в красный цвет в отличие от белых скелетных мышц.
S - медленно сокращающееся волокно (красное волокно)
F - быстро сокращающееся волокно (белое волокно)

Основной потребитель АТФ - процесс мышечного сокращения. Запасы АТФ быстро истощаются.
Источники АТФ:
1) классический путь в реакциях субстратного и окислительного фосфорилирования.
2) при участии миоаденилаткиназы:
АДФ + АДФ → АТФ + АМФ
3) креатинфосфатный челнок.

(Окислительное фосфорилирование)
АТФ
АДФ-АТФ-транслоказа(ААТ)
ВНУТРЕННЯЯ МЕМБРАНА МИТОХОНДРИЙ
КРЕАТИН
КРЕАТИН ФОСФАТ
АТФ
АДФ
САРКОЛЕММА
МИОФИБРИЛЛА
КРЕАТИН ФОСФАТ
АДФ
АТФ
КРЕАТИН
Креатинфосфатный челнок
креатинкиназа
креатинкиназа
матрикс
МЕЖМЕМБРАННОЕ ПРОСТРАНСТВО

Креатинфосфатный челнок предотвращает быстрое истощение запасов АТФ в мышце за счет:
запаса макроэргических связей в креатинфосфате
креатинфосфат меньше АТФ, поэтому быстрее чем АТФ доставляет энергию от митохондрий к работающей миофибрилле.
Кф-путь возникает в миокарде только после рождения, когда резко возрастает нагрузка на сердце.

Характеристика быстрых и медленных скелетных мышц

Миофибрилла

МИОФИБРИЛЛА
Миофибрилла — это цилиндрическое образование толщиной 1-2 мкм, простирающиеся на всю длину мышечного волокна.
Миофибрилла состоит из одинаковых повторяющихся элементов - саркомеров.
Саркомер - функциональная единица миофибриллы, от 1500 до 2300 нм.
Строение миофибриллы:
Тонкие филаменты
Толстые филаменты
Z-диски

1. Тонкие филаменты
Тонкие филаменты у гладких мышц образованы F-актином и тропомиозином,
У поперечнополосатых - F-актином, тропомиозином и тропонинами I, Т и С.
«тонкие» филаменты ( 6 нм) присоединяются к Z-дискам

Актин
G-актин - мономерный (глобулярный) белок с массой 43кДа.
F-актин. При физиологической величине рН и в присутствии магния G-актин нековалентно полимеризуется с образованием F-актина -нерастворимого двойного спирального филамента, толщиной в 6—7 нм.
G- и F-актин не обладают каталитической активностью.
На поверхности F-актина через каждые 35,5 нм располагаются минорные белки: тропомиозин и тропонины I, Т и С.

Тропомиозин - есть во всех мышцах: белок, состоящий из а и р цепей, располагается в щели между двумя полимерами F-актина.
Тропонины - есть только в поперечнополосатых мышцах:
Тропонин I (TпI) ингибирует взаимодействие между F-актином и миозином и также связывается с другими компонентами тропонина.
Тропонин С (ТпС) — кальций-связывающий белок с массой 17кДа, может связывать 4 Са2+, строение и свойства аналогичны кальмодулину.
Тропонин Т (ТпТ) -связывается с тропомиозином.
Тропонин
Тропомиозин

2. Толстые филаменты
образованы миозином, размер 16нм.
располагаются в центре саркомера, между «тонкими» филаментами.
На поверхности с промежутками в 14 нм располагаются головки миозина, с помощью которых «толстые» филаменты взаимодействуют с актином «тонких» филаментов.

Миозин
Асимметричный гексамер с мол. массой 460кДа, состоит из 2 тяжелых (Н) и 4 легких (L) цепей.
Части:
Фибриллярная часть -двойная α-суперспираль тяжелых цепей (Н), длина 150 нм. Ее свободный конец за счет COOH- групп заряжен «-».
Глобулярная часть - 2 глобулярные «головки» (G), каждая содержит 2 легкие цепи (L) и глобулярную часть 1 тяжелой цепи.
Глобулярные «головки», за счет -NH3+, имеют «+» заряд. У скелетных мышц они обладают АТФ-гидролизующей (АТФ-азной) активностью.
(-)
(+)

3. Z-диски
Саркомер ограничен с двух сторон Z-дисками (α-актинин).
К Z-дискам присоединены «тонкие» филаменты Z-ДИСК
(α-АКТИНИН)

Строение саркомера
Диск А (анизотропная зона)= темный участок –образован «толстыми» нитями миозина.
Зона Н - центральная область диска А, менее плотная, чем остальная его часть, т к не имеет «тонких» нитей актина. Размер зоны Н уменьшается при сокращении мышцы.
Более темная часть А диска образована и «толстыми» и «тонкими» нитями.

Полоса М - пересекает центральную область диска А, образована толстыми нитями, в которых миозин не имеет головок. Длина 150 нм. В нее заходят «тонкие» нити актина.
Диск I (изотропная зона) - светлый участок -образован «тонкими» нитями актина. Размер диска I уменьшается при сокращении мышцы.
Диск I делит пополам очень плотная и узкая линия Z, которая образована Z-дисками α-актинина.

Вследствие движения уменьшается длина каждого саркомера (укорачиваются Н-зона и I-диски) и всей мышцы в целом.
При этом длина филаментов не изменяется.

В скелетной мышечной ткани саркомеры миофибрилл располагаются параллельно.
За счет этого на срезах скелетные мышцы выглядят поперечнополосатыми

Миозиновая головка может спонтанно гидролизовать АТФ до АДФ и Фн, которые при этом остаются в составе головки. Миозиновая головка, содержащая АТФ или АДФ и Фн, свободно вращается под большими углами.
Мышечное сокращение
АТФ
АДФ

При достижении нужного положения миозиновая головка с АТФ или АДФ и Фн может связываться с F-актином, образуя актин-миозиновый комплекс, в котором головка миозина располагается к оси фибриллы под углом 90°. Актин значительно ускоряется АТФ-азную активность миозина, в результате весь АТФ гидролизует до АДФ и Фн.
АДФ
АДФ

У АДФ и Фн низкое сродство к актин-миозиновому комплексу, поэтому они от него отделяются. При этом головка миозина изменяет свой угол к оси фибриллы с 90° на примерно 45°, продвигая актин (на 10—15 нм) в направлении центра саркомера.
АДФ
АДФ

Новая молекула АТФ присоединяется к актин-миозиновому комплексу.
Комплекс актин-миозин-АТФ обладает низким сродством к актину, поэтому миозиновая головка с АТФ отделяется от F-актина. При этом наступает расслабление.
Далее цикл повторяется

Механизм мышечного сокращения

Регуляция сокращения и расслабления мышц
Любое мышечное сокращение опосредуется Са2+.
Кальциевые насосы постоянно перекачивают Са2+ из саркоплазмы в саркоплазматический ретикулюм (у скелетных мышц) или межклеточный матрикс (миокард) (при участии Са-связывающего белка - кальсеквестрина).
В результате в саркоплазме покоящейся мышцы концентрация Са2+ =10-7-10-8 моль/л.

Са-регуляция
сокращение
При действии ацетилхолина на ацетилхолиновые рецепторы происходит возникновение потенциала действия.
Он через Т-систему достигает кальциевых каналов саркоплазматического ретикулума (рианодиновые рецепторы).
Кальциевые каналы открываются, выпуская Са2+ из саркоплазматического ретикулума в саркоплазму, его концентрация в ней возрастает до 10-5 моль/л.
Ca2+
Ca2+

Актиновая регуляция
Характерна для поперечнополосатых мышц.
Мышечное сокращение ингибирует тропомиозиновая система на 2 стадии сокращения: TпI мешает присоединение миозиновой головки к F-актину (изменяет конформацию F-актина или перемещает тропомиозин в то положение, в котором он блокирует сайты связывания миозиновых головок на F-актине).

Поступающий в саркоплазму Са2+ присоединяется к тропонину ТnС.
Комплекс ТnС•Са2+ реагирует с TnI и ТnТ, влияя на их взаимодействие с тропомиозином.
Тропомиозин при этом либо отсоединяется, либо изменяет конформацию F-актина и появляется возможность присоединения к нему миозиновой головки тяжелой цепи.
Начинается сократительный цикл.

Расслабление происходит, когда:
1) При перекачке Са2+ в ЭПР его содержание в саркоплазме падает ниже 10-7 моль/л.
2) комплекс ТnС•Са2+ отдает Са2+
3) тропонин, реагируя с тропомиозином, ингибирует дальнейшее взаимодействие миозиновой головки с F-актином
4) миозиновые головки в присутствии АТФ отделяются от F-актина, вызывая расслабление

Миозиновая регуляция
Характерна для гладких мышц.
нет тропониновой системы,
легкая цепь (р-цепь) миозина подавляет его АТФ-азную активность и препятствует присоединению миозина к F-актину.
В саркоплазме присутствует киназа легких цепей миозина, зависимая от Са2+. При повышении в саркоплазме Са2+, он присоединяется к кальмодулину. Комплекс кальмодулин-4Са2+ активирует киназу легких цепей миозина.
Активная киназа легких цепей миозина фосфорилирует легкую цепь р, которая перестает ингибировать АТФ-азную активность миозина и препятствовать взаимодействию миозина с F-актином.
В результате начинается сократительный цикл

Расслабление гладких мышц происходит, когда:
1) содержание ионов Са2+ в саркоплазме падает ниже 10-7 моль/л
2) Са2+ отсоединяется от кальмодулина, который отделяется от киназы легкой цепи миозина, вызывая ее инактивацию
3) нового фосфорилирования легкой цепи р не происходит, и протеинфосфатаза отщепляет от легкой цепи ранее присоединившиеся к ней фосфаты
4) дефосфорилированная легкая цепь р миозина ингибирует связывание миозиновых головок с F-актином и подавляет активность АТФ-азы
5) миозиновые головки в присутствии ATФ отделяются от F-актина, а повторное их связывание произойти не может из-за присутствия в системе дефосфорилированной легкой цепи р.

Биохимические показатели крови и мочи, отражающие функциональное состояние мышечной ткани
Аминотрансферазы -диагностика патологии печени и миокарда. При инфаркте миокарда активность АСТ повышена.
Лактатдегидрогеназа- при инфаркте миокарда в плазме крови повышена активность ЛДГ1, ЛДГ2.
Креатинкиназа -КФК-ММ повышается в крови при патологии скелетных мышц, КФК-МВ – при инфаркте миокарда
Альдолаза - активность увеличивается при глубоких дистрофических процессах в мышечной системе. Гиперальдолаземия -у больных с инфарктом миокарда.

Тропонин Т -маркер инфаркта миокарда в острой и подострой фазе.
Миоглобин -маркер деструктивных изменений в мышечной системе.
С-реактивный белок (СРБ)- увеличивается при инфаркте миокарда, злокачественных опухолях, нефрите, отдельных формах коллагенозов.
Креатин -креатинурия при миопатии или прогрессирующей мышечной дистрофии.

Миопатии
(греч. mys, myos мышца + pathos страдание, болезнь) - нервно-мышечные заболевания, характеризующиеся развитием первичного дистрофического или вторичного (денервационного) атрофического процесса в скелетной мускулатуре.
Признаки:
мышечная слабость
двигательные нарушения
снижение сухожильных рефлексов
деформация костей и суставов

БИОХИМИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ В МЫШЦАХ
ПРИ ПАТОЛОГИИ:
снижение содержания миофибриллярных белков
возрастание концентрации белков стромы и некоторых саркоплазматических белков (миоальбумина)
снижение уровня АТФ и креатинфосфата
снижение АТФазной активности контрактильных белков (миозина)
уменьшение количества имидазолсодержащих дипептидов
снижается уровень фосфатидилхолина и фосфатидилэтаноламина
повышается концентрация сфингомиелина и лизофосфатидилхолина

нарушение метаболизма креатина и его усиленное выделение с мочой (креатинурия).
креатинурия является результатом нарушения в скелетной мускулатуре процессов фиксации (удержания) креатина и его фосфорилирования.
если нарушен процесс синтеза креатинфосфата, то не образуется и креатинин - его содержание в моче резко снижается.
в результате креатинурии и нарушения синтеза креатинина резко повышается креатиновый показатель (креатин/креатинин) мочи:

Изменение активности ферментов в мышцах:
уменьшается активность ферментов, локализованных в саркоплазме
изменяется активность ферментов, связанных с митохондриями
возрастает активность лизосомальных ферментов
снижается содержание цАМФ в мышечной ткани
повышается активность фосфодиэстеразы
нарушается способность аденилатциклазы активироваться под влиянием адреналина и фторида натрия.

Ишемическая болезнь сердца
ИБС - патологическое состояние, характеризующееся абсолютным или относительным нарушением кровоснабжения миокарда.
Причины:
обменные заболевания (атеросклероз, 97-98%).
Воспалительные заболевания (васкулиты, большие коллагенозы, инфекционные поражения, например сифилис)
нарушение нервной регуляции артерий, приводящее к их спазму.
Наследственные заболевания (дефекты сосудов)

1) первичная остановка кровообращения;
2) стенокардия;
3) инфаркт миокарда;
4) сердечная недостаточность;
5) аритмии.
Классификация ишемической болезни сердца:
инфаркт миокарда - самая тяжелая и распространенная острая форма ишемической болезни сердца.

Причины инфаркта миокарда
Атеросклероз коронарных артерий
Эмболы, тромбы коронарной артерии
Спазм коронарных артерий и резко повышение потребности миокарда в кислороде при стрессе;
Эндокринных нарушениях, нарушающих электролитный баланс.
Дистрофические изменения в миокарде
Инфаркт миокарда
Инфаркт миокарда –ограниченный некроз сердечной мышцы вследствие острого несоответствия коронарного кровотока потребностям миокарда.

Биохимические изменения
при ИБС
гипоксия
Снижение: активности ферментов аэробного дыхания, синтеза клеточных структур, транспорта субстратов, обмена веществ и катионов.
перестройка изоферментного спектра
изменение ионного равновесия
накопление лактата, неокисленных жирных кислот
ацидоз
снижение количества гликогена и глюкозы
активация СРО и накопление токсичных продуктов ПОЛ
Повреждение клеточных структур, некроз

норма
Некроз через 2 часа
Некроз через 18 часов
Неблагоприятные факторы:
↓АТФ
↑ ПОЛ
Ацидоз
Дисбаланс электролитов
Ангиозные боли
↓ сократительной активности миокарда
↓ АД
Нарушение кровоснабжения органов и тканей
Кардиогенный шок
Последствия

Диагностика ЭКГ

При гипоксии миокард поглощает ТГ из липопротеинов, которые не используются, а накапливаются, приводя к ожирению миокарда.
В условиях ИБС назначают безжировую диету, повышают уровень ЛПВП в крови.
Биохимическая диагностика
инфаркта миокарда
Аспартатаминотрансфераза (АСТ)
Аланинаминотрансфераза (АЛТ)
Креатинфосфокиназа (КФК, КФК-МВ)
Лактатдегидрогеназа (ЛДГ1,2)
Тропонины
Коэффициент Де-Ритиса (АСТ/АЛТ)

Терапия

План лекции
Биохимия межклеточного матрикса
гетерополисахариды
структурные и адгезивные белки
Минерализованная соединительная ткань. Ремоделирование костной ткани.

Межклеточный матрикс
Гетерополисахариды и протеогликаны
Гликозамингликаны
гиалуроновая кислота
хондроитинсульфат
дерматансульфат
гепарансульфат
гепарин
кератансульфат
Протеогликаны (гликозамингликаны + белки)
Белки
Структурные
коллаген
эластин
Адгезивные
фибронектин
ламинин
нидоген

Гликозамингликаны, или мукополисахариды (ГАГ)
Линейные отрицательно заряженные гетерополисахариды, состоящие из повторяющихся дисахаридных звеньев (см. след. слайд):
гексуроновая кислота (глюкуроновая или идуроновая)
ацетилпроизводное аминосахара (глюкоз- или галактозамина)
Ацетилирование NH2 группы аминосахаров приводит к исчезновению положительного заряда
Карбоксильные группы кислот и сульфатные группы ацетилпроизводных аминосахаров придают большой отрицательный заряд – полианионные свойства, поэтому ГАГ:
связывают Na+, К+, Ca 2+, воду (молекула гиалуроновой кислоты связывает 200 – 500 молекул воды, поэтому межклеточное вещество приобретает характер желеобразного матрикса)
препятствуют прохождению отрицательно заряженных молекул, клеток (например, белков и эритроцитов через базальную мембрану клубочков почек)

Дисахаридная единица гиалуроновой кислоты (всего несколько тыс. дисахаридных единиц)
Дисахаридная единица дерматансульфата
Структуру других ГАГ для ознакомления см. в учебнике

Особенности строения отдельных ГАГ
Кератансульфаты вместо гексуроновой кислоты содержат галактозу и кроме дисахаридных единиц –фукозу, маннозу, сиаловую кислоту
Гепарин имеет большее количество сульфатных групп за счет сульфатированной глюкуроновой кислоты

Функции гликозамингликанов и протеогликанов
Структурный компонент межклеточного матрикса
Формируют тургор тканей (гиалуроновая кислота)
«Смазка» в суставах (гиалуроновая кислота)
Фильтрационный барьер в почках (гепарансульфаты)
«Молекулярное сито»: препятствуют распространению патогенных микроорганизмов
Рессоры в суставных хрящах
Прозрачность роговицы (кератан-, дерматансульфаты)
Антикоагуляция (гепарин)
Межклеточные взаимодействия, клеточная адгезия (гепарансульфаты)
Самые распространенные ГАГ - хондроитинсульфаты (Х-4-сульфат, Х-6-сульфат): хрящи, кожа, связки, сухожилия, артерии, роговица глаза

Протеогликаны – основное вещество межклеточного матрикса
Состав протеогликанов:
Гликозамингликаны (кроме гиалуроновой кислоты) – 90-95%
Белковая часть – 5-10%
Примеры протеогликанов: агрекан, версикан (крупные), декорин, бигликан, перлекан, люмикан, фибромодулин (малые)
Связь гликозамингликана с белком осуществляется через связывающий трисахарид: ксилоза – галактоза – галактоза
Связывание осуществляется через ОН-группу серина, треонина или NH2-группу аспарагина в молекуле белка

Протеогликаны: связь гликозамингликана с белком
А и Б – дисахаридная единица гликозамингликана

Синтез протеогликанов
1. Синтез белковой части
2. Образование линкерного трисахарида
3. Рост цепи гликозамингликана
Реакции 2 и 3 этапов осуществляют гликозилтрансферазы, использующие в качестве субстрата активные формы сахаров (связанные с УДФ).
Все сахара синтезируются из глюкозы
Источник NH2 – глутамин, ацетильной группы – ацетил-КоА, сульфатной группы - фосфоаденозил-фосфосульфат (ФАФС)
Активация сахара: присоединение УДФ к С1-фосфорилированному моносахариду при участии трансфераз:
Галактоза-1-фосфат + УТФ → УДФ-галактоза + Н4Р2О7
Нарушений синтеза протеогликанов не описано

Синтез хондроитинсульфата

Катаболизм гликозамингликанов и протеогликанов
Полупериод жизни: 3 – 10 дней (кератансульфат 120 дней)
Осуществляют лизосомные протеазы, гликозидазы, сульфатазы
Отсутствие или снижение активности ферментов приводит к нарушению катаболизма – лизосомные болезни – мукополисахаридозы (МПС)
Типология МПС основана на виде фермента, недостаточность которого имеет место
Например, МПС 1 типа (синдром Гурлера) обусловлен недостаточностью идуронидазы. Накапливаются дерматансульфат, гепарансульфат и в повышенных количествах выводятся с мочой
Клиническая картина: помутнение роговицы, гепатоспленомегалия, тугоподвижность суставов, дисплазия костей, грубые черты лица, ССЗ, отставание психического развития, смерть в первые 10 лет жизни

Структурные белки соединительной ткани: Коллаген
Коллагены – семейство полиморфных фибриллярных белков (19 типов коллагена), имеющих трехспиральную структуру, сформированную скручиванием 3-х полипептидных α-цепей
Идентифицировано более 20 различных α-цепей, каждая из которых кодируется отдельным геном. В разных тканях экспрессируются различные комбинации генов
Наиболее распространенные типы коллагенов: I, II, III, IV
Коллагены I (кости, роговица, сухожилия), II (хрящи, стекловидное тело), III (почки, печень, сосуды), IV (базальная мембрана)
Пример обозначения вида коллагена: [α1 (IV)]2 α2 (IV) – коллаген IV типа, состоящий из 2-х альфа-цепей варианта 1 и одной альфа-цепи варианта 2

Коллаген: особенности строения
Пептидная левозакрученная α-спираль коллагена содержит 600 – 3000 АК (в отличие от α-спирали глобулярных белков она более развернута: на одни виток приходится 3 АК)
Гли-Про-ГидПро – Гли-Ала-ГидПро-Гли-Лей-ГидПро (в спиральной цепи глицин всегда находится над глицином)
Присутствие глицина в каждом триплете обеспечивает плотность укладки 3-х цепей
Модифицированные АК: гидроксипролин и гидроксилизин
Коллаген – неполноценный белок. Отсутствуют цистеин, триптофан, мало метионина, гистидина и тирозина
Из 3-х α-цепей коллагена образуется правозакрученная суперспираль (глицин расположен по центральной оси, что способствует образованию линейной молекулы тропоколлагена и включению ее в волокно)

Синтез и созревание коллагена
1. Внутриклеточный этап (фибробласты, хондробласты, остеобласты):
образование пре-про-α-цепи, содержащей сигнальный пептид, облегчающий перемещение белка в ЭР
образование про-α-цепи
гидроксилирование пролина и лизина
гликозилирование ГидЛиз
образование дисульфидных связей в области N- и C-концевых пептидов (внутри- и межцепочечных) для формирования тройной спирали
образование проколлагена из 3-х про-α-цепей
2. Внеклеточный этап
частичный протеолиз N- и C-концевых неспирализованных пептидов, образование тропоколлагена
дезаминирование лизина и гидроксилизина
образование фибрилл коллагена

Гидроксилирование пролина и лизина осуществляют монооксигеназы (гидроксилазы). Кофактор – Fe2+ . Для поддержания восстановленной формы железа необходимо присутствие витамина С. Дефицит витамина С приводит к ломкости сосудов.
Образование ОН-групп необходимо для последующего образования водородных связей между цепями, стабилизирующими структуру тропоколлагена

Гликозилирование ГидЛиз путем присоединения остатков глюкозы и галактозы осуществляют гликозилтрансферазы, использующие в качестве субстратов активные формы моносахаров. Роль углеводных групп неясна, однако при синдроме Элерса-Данло-Русакова (дефицит лизилгидроксилазы и снижение количества углеводных компонентов) отмечается ухудшение механических свойств кожи и связок

Дезаминирование лизина и гидроксилизина с образованием реакционноспособного альдегида – аллизина и гидроксиаллизина для формирования ковалентных сшивок (альдольной связи) между молекулами аллизина тропоколлагена в процессе фибрилогенеза
Количество «сшивок» между молекулами тропоколлагена зависит от функции ткани и возраста

Макрофибрилла коллагена

Зрелое коллагеновое волокно толщиной в 1 мм выдерживает нагрузку до 10 кг

Катаболизм коллагена
Коллаген – медленно обменивающийся белок (время полужизни – недели, месяцы). Обмен более активен у молодых людей до 20 лет. Синтез коллагена увеличивается, например, при заживлении ран.
О скорости обмена коллагена судят по содержанию гидроксипролина в крови и моче (норма15-50 мг/сут у взрослых после 20 лет).
Протеолиз осуществляет коллагеназа – Са2+, Zn2+ -зависимая матриксная металлопротеиназа (ММР-1) – расщепляет молекулу на 2 фрагмента (1/4 и ¾). Дальнейший протеолиз осуществляют лизосомальные протеазы.
Коллагеназа – индуцируемый фермент (синтез в фибробластах и макрофагах под влиянием цитокинов, эстрогенов и др.), механизм активации – частичный протеолиз. Небольшое количество ММР присутствует в матриксе в неактивной форме, ингибированные специфическим ингибитором TIMP
Изменение активности ММР играет важную роль в патогенез ряда заболеваний (деструкция хряща при ревматоидном артрите, развитие сердечно-сосудистых патологий и др.). Например, снижение активности ММР при сахарном диабете наряду с гликозилированием коллагена способствует развитию микро- и макроангиопатий

Регуляция обмена коллагена
Аскорбиновая кислота стимулирует синтеза коллагена, протеогликанов и пролиферацию фибробластов
Половые гормоны регулируют синтез коллагена
Коллаген и N-концевые пептиды после отщепления тормозят трансляцию коллагена (отрицательная обратная связь)
Кортизол снижает экспрессию генов коллагена, ингибирует активность пролил- и лизилгидроксилазы

При старении
увеличивается количество поперечных сшивок между молекулами тропоколлагена, затрудняющих действие коллагеназы
уменьшается соотношение гликозамингликаны / коллаген
уменьшается количество связанной воды
увеличивается сухость кожи
изменяются свойства хряща и сухожилий
снижается прозрачность роговицы глаза
«Человек стар в той степени, в какой постарела его соединительная ткань» (Слуцкий Л.И., 1969)

Метаболизм коллагена
При патологии
Нарушение катаболизма приводит к фиброзу органов
Усиление распада происходит при аутоиммунных заболеваниях
Нарушение синтеза. Основная причина – мутации в генах коллагена (гены очень большие, что увеличивает вероятность мутаций). Примеры таких патологий (известно более 250 синдромов):
несовершенный остеогенез (повышенная ломкость костей, аномалии зубов, гиперподвижность суставов)
хондродисплазии
синдром Стиклера и Вагнера – нарушение синтеза коллагена в стекловидном теле с отслойкой сетчатки
семейная аневризма аорты
прогрессирующая миопия

Структурные белки соединительной ткани:
Эластин
Основной компонент волокон тканей, обладающих значительной эластичностью (сосуды, связки, легкие)
70 кДа, структура кодируется 1 геном
800 АК: глицин, валин, аланин, пролин (70%), ГидПро мало, отсутствуют ГидЛиз, цис, мет, три
Нет строго определенной конформации
Этапы синтеза эластина:
образование мономерной формы – тропоэластина
гидроксилирование пролина
образование аллизина (лизилоксидазная реакция)
взаимодействие аллизина разных цепей тропоэластина с образованием десмозина (пиридинолина), который связывает между собой 2, 3, 4 молекулы эластина
Наличие поперечных сшивок (структура десмозина) и гибкой случайной конформации – основа «резиноподобных» свойств эластина

Эластин
Время полураспада – 75 лет
Протеолиз под действием эластазы (нейтрофилы)
Нарушения образования эластина (в частности десмозина) проявляются патологиями сердца, легких, сосудов (дефект сердечных клапанов, аневризмы аорты, варикоз, эмфизема легких)

Адгезивные белки соединительной ткани:
фибронектин
Димер (2 цепи сходны, но не идентичны, соединены дисульфидными мостиками), гликопротеин, 2500 АК, 1 ген
Альтернативный сплайсинг является причиной образования различных по структуре и функциональной активности молекул фибронектина в разных клетках
Имеет домены для связывания с клетками, с биомолекулами соединительной ткани, обеспечивая их ориентацию, интеграцию, адгезию клеток
Взаимодействие с биомолекулами происходит за счет ковалентной связи между остатками лизина и глутамина под действием трансглутаминазы, которая также связана с фибронектином в одном из его доменов
В опухолевой ткани снижено количество фибронектина, что является одной из причин метастазирования

Структура фибронектина

Адгезивные белки соединительной ткани:
ламинин
Основной гликопротеин базальных мембран
3 полипептидные цепи, имеющие доменное строение для связывания со всеми структурными компонентами базальных мембран (коллаген IV, протеогликаны, содержащие гепарансульфат)
N-концевые домены, связывая Са 2+, образуют сетевидные структуры базальной мембраны

Адгезивные белки соединительной ткани:
нидоген
Сульфатированный гликопротеин базальных мембран
Одна полипептидная цепь
Три глобулярных домена:
центр связывания ламинина
центр связывания коллагена IV типа
центр связывания гепарансульфата

Кость – минерализованная соединительная ткань
Функции: размер и форма тела, защита внутренних органов, минеральный гомеостаз, кроветворение
Основные клетки
остеобласты (синтезируют органический компонент)
остеоциты (участвуют в ремоделировании кости)
остеокласты (секретируют ферменты, разрушающие органический компонент костного матрикса при ремоделировании)
Твердый (минерализованный) межклеточный матрикс
неорганический компонент (65%): гидроксиапатиты кальция Са10(РО4)6(ОН)2
органические соединения: коллаген I типа, неколлагеновые белки, гликозамингликаны, протеогликаны, фосфолипиды, цитрат – матрица для формирования гидроксиапатитов

Костный обмен
Костный обмен (ремоделирование) включает:
резорбцию (разрушение) костной ткани
костеобразование (обновление, реорганизация органической матрицы и ее минерализация)
Ремоделирование костной ткани ускоряется при изменении физической нагрузки на ткань (снижение массы тела при похудании), при локальных воспалительных процессах (ревматоидный артрит), гормональных изменениях (дефицит эстрогенов, гиперпаратиреоз)

Минеральный состав и строение апатитов
Ячейка гидроксиапатита
Кристалл гидроксиапатита состоит из 2000 ячеек
Гидроксиапатит кальция придает костям прочность, твердость;
хранилище кальция (99%) и фосфора (85%).
Ионы занимают положение в соответствии с их размерами, величиной заряда и удерживаются за счет электростатических взаимодействий: прочность связи прямо пропорциональна величине заряда и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними

Строение апатитов
Оптимальное расстояние между ионами Са2+ и РО43- задается органической матрицей. Изменение строения компонента матрицы приводит к нарушению минерализации или образованию кристаллов неправильной структуры, снижению прочности кости
Апатиты легко обмениваются ионами с молекулами окружающей среды (изоморфные замещения), изменяется коэффициент Са/Р (в норме 1,33 – 2,0).
Примеры изоморфных замещений:
при недостатке кальция в пище его место занимает стронций (стронциевый апатит хрупкий)
при ацидозе (сахарный диабет, голодание) Са2+ замещается Н+ (кристаллы разрушаются)

Органические вещества кости: коллаген
Особенности строения коллагена I типа (остеоколлагена):
Больше гидроксипролина, но меньше гидроксилизина
Менее гликозилирован, при гликозилировании присоединяется галактоза (а не галактоза-глюкоза)
Содержит меньше межцепочечных ковалентных связей (альдольных сшивок)
Содержит фосфорилированные остатки серина (для связывания кальция)
Имеет специфические структуры – пиридинолин (десмозин) и дезоксипиридинолин (изодесмозин) (см. структуру эластина). Определение уровня данных структур в моче используется в диагностике остеопороза

Органические вещества кости: неколлагеновые белки
Большинство неколлагеновых белков – гликопротеины или гликофосфопротеины; присутствуют и в других тканях (например, эпителиальной)
Остеонектин - связывает кальций, коллаген, гидроксиапатиты, формирует центры кристаллизации и инициирует процесс минерализации
Остеокальцин (содержит карбоксиглутаминовую кислоту, образованную при участии витамина К) – участвует в Са2+-зависимом взаимодействии с фосфолипидами мембран клеток, активирует остеокласты, уменьшает связывание кальция с остеонектином, замедляет образование центров кристализации; экспрессия гена регулируется кальцитриолом; концентрация в крови отражает активность остеобластов
Gla (γ-глу)- протеин – активирует остеокласты

Органические вещества кости:
неколлагеновые белки
Неколлагеновые белки, содержащие RGD-последовательность: -Арг-Глу-Асп- (комплементарна рецепторам остеокластов):
Сиалопротеин, остеопонтин – стимулируют прикрепление остеокластов к кости; экспрессию гена остеопонтина регулирует кальцитриол
Активированные остеокласты секретируют кислую фосфатазу, которая дефосфорилирует сиалопротеин и остеопонтин, вызывая потерю сродства к рецепторам остеокластов; происходит снижение активности остеокласта
Тромбоспондин – адгезивный белок

Другие органические вещества кости
Факторы роста и дифференцировки (IGF-1, TGF-β, PDGF)
Протеогликаны (ГАГ: хондроитин-, дерматан-, кератансульфаты) – в гидратированном состоянии занимают большое по объему пространство в межклеточном матриксе, которое в дальнейшем должно стать костью; связывают кальций и являются его источником в процессе минерализации
Липиды: фосфатидилсерин играет ведущую роль в связывании кальция на начальных этапах минерализации, обеспечении кальцием растущих кристаллов гидроксиапатитов, образовании их связи с белками
Цитрат (активность цитратсинтазы высокая) – участвует в обмене кальция, образуя нерастворимые и растворимые соли
Например, воздействие паратгормона на остеобласты способствует активации остеокластов, снижению рН, разрушению кости, приводит к увеличению содержания цитрата, образованию его солей с кальцием и повышению кальция в крови
Ферменты: кислая фосфатаза и щелочная фосфатаза (ЩФ)

Прикрепление ЩФ к мембране остеобластов с помощью инозитолфосфатного якоря

Роль щелочной фосфатазы в костной ткани
Проявляет активность на стадии минерализации (рН 9,6)
Катализирует реакцию дефосфорилирования фосфорорганических соединений матрикса кости
Повышая концентрацию РО43- , способствует образованию центров кристаллизации и формированию гидроксиапатитов
Может переносить фосфатные остатки на органические соединения (трансферазная активность), что приводит к изменению активности фосфопротеинов, участвующих в регуляции минерализации
Отделившись от мембраны под действием фосфолипазы С, может высвобождаться в кровоток (активность ЩФ высокая у детей в период роста)

Ремоделирование костной ткани
Каждые 10 лет костная ткань заменяется новой (ежегодно обновляется 5-10% скелета)
Интенсивность обмена определяется соотношением скоростей резорбции и костеобразования:
до 18 лет образование новой костной ткани идет быстрее, чем резорбция
18 – 40 лет – равновесие процессов
после 40 лет скорость костеобразования снижается по сравнению с резорбцией, развивается остеопороз
Ремоделирование = Резорбция (2-3 нед) + костеобразование (2-3 мес)

Этапы цикла ремоделирования костной ткани
1. Активация: остеобласты под влиянием стимулирующих факторов секретируют
фактор RANKL (receptor activator of nuclear factor KB ligand), стимулирующий образование колоний моноцитов, формирующих остеокласты
коллагеназу, которая гидролизует коллаген остеоида (для связывания остеокласта с костью)
остеокальцин, сиалопротеин, остеопонтин, Gla-протеин, которые участвуют в прикреплении остеокласта к кости

Этапы цикла ремоделирования костной ткани
2. Резорбция: «работа» остеокластов
Прикрепление остеокласта к кости
Карбоангидразная реакция и диссоциация угольной кислоты с образованием Н+
Перекачивание протонов из остеокласта в зону резорбции при помощи Н+ -АТФ-азы, Н+,К+ - АТФ-азы, переносчиков Сl- / Н+ и образование «щеточной» каемки (рН 3,5 – 4)
Секреция лизосомальных ферментов – гидролаз
Гидролиз коллагена и разрушение органической матрицы
Вымывание кальция из апатитов
Образование в кислой среде растворимых солей цитрата кальция и их поступление в кровь

Активация остеокластов в процессе костной резорбции

Этапы цикла ремоделирования костной ткани
3. Реверсия
Действие локальных ростовых факторов на остеобласты приводит к синтезу белков матрикса, секреции остеопротегерина, который связывает RANKL и снижает активность остеокластов
Секреция кислой фосфатазы остеокластами приводит к дефосфорилированию остеопонтина, сиалопротеина (белки-активаторы остеокластов), снижению активности остеокластов и к переходу к следующей стадии ремоделирования – костеобразованию
4. Костеобразование (минерализация): усиление оксигенации, синтез белков, протеогликанов, фосфорилирование белков матрикса (условие для формирования центров кристаллизации), формирование центров кристаллизации, рост кристаллов. По завершении процесса остеобласты теряют активность и превращаются в остеоциты.

Регуляция ремоделирования
Паракринно-аутокринная (местная) регуляция: цитокины, фаторы роста, простагландины костной ткани
Системная регуляция
Основные регуляторы:
Паратгормон
Кальцитриол
Кальцитонин
Половые гормоны

Регуляция ремоделирования

Регуляция ремоделирования

Регуляция ремоделирования
ПК А фосфорилирует белок-переносчик Са2+, что приводит к поступлению Са2+ в цитозоль остеокласта из зоны резорбции;
это вызывает деполяризацию мембраны и инактивацию остеокласта
Кальцитонин оказывает большее влияние на растущие кости, поэтому образование костной ткани у детей и подростков происходит быстрее

Регуляция ремоделирования
Кортизол замедляет костеобразование: подавляет пролиферацию остеобластов, синтез остеоколлагена, остеонектина, протеогликанов
Кортизол стимулирует костную резорбцию: индуцирует синтез рецепторов к паратгормону
Андрогены стимулируют в остеобластах синтез фактора, ингибирующего дифференцировку преостеокластов (наступление половой зрелости тормозит рост скелета в длину). Анаболический эффект гормонов наиболее активно проявляется в присутствии гормона роста
Гормоны щитовидной железы. При гипертиреозе увеличивается скорость обмена кости, повышается экскреция кальция с мочой, костеобразование начинает отставать от резорбции. При гипотиреозе замедляется образование и минерализация кости

Регуляция ремоделирования
Гормон роста повышает активность остеобластов, которые стимулируют остеокласты, поэтому происходит очаговая деминерализация, затем увеличение объема органической основы кости и ее минерализация
Инсулин активирует метаболизм остеобластов, стимулирует синтез костного матрикса, обеспечивает минерализацию костной ткани.

Регуляция ремоделирования
В остеобластах эстрогены стимулируют синтез остеоколлагена, остеонектина, ЩФ. Вызывают раннюю минерализацию, поэтому в период полового созревания происходит остановка роста скелета
Эстрогены стимулируют синтез 1-α-гидроксилазы в почках (синтез кальцитриола) и рецепторов к кальцитриолу в энтероцитах