Состав и синтез протеогликанов

Исторически, для описания протеогликанов использовались такие термины как основное вещество или мукополисахариды, исходя из гистологической картины и муцинозной природы протеогликанов при их выделении. Эти физические свойства протеогликанов затрудняли их изучение. Понимание природы протеогликанов существенно углубилось после получения более обширной информации о стержневых белках протеогликанов и последующего применения молекулярных инструментов для изучения экспрессии и функции как стержневого белка, так и глюкозаминогликановых (GAG) компонентов.

Теперь протеогликаны считаются структурно уникальной и исключительно разнообразной группой макромолекул. Наиболее специфической структурной характеристикой протеогликанов является то, что они включают как стержневой белок, так и ковалентно связанные линейные углеводные цепи — глюкозаминогликаны (GAG). Протеогликаны составляют важную часть внешних клеточных мембран и ВКМ кожи. Их способность связываться с белками и изменять межбелковые взаимодействия или ферментативную активность определяет их роль как важных детерминант клеточной реактивности в процессах развития, гомеостаза и болезни.

Поскольку GAG являются в высокой степени полианионными и несут заряд высокой плотности, они составляют важный компонент кожи и вместе со стержневыми белками обладают уникальным набором функций, имеющих решающее значение для большого количества биологических процессов.

а) Структура и синтез протеогликанов. Прототип протеогликана состоит их одного стержневого белка, соединенного с одним или более гликозаминогликаном. Каждый стержневой белок обладает способностью присоединять различные цепи GAG. Следовательно, номенклатура протеогликанов осложняется тем, что индивидуальные молекулы должны именоваться с учетом стержневого белка и ассоциированных GAG.

б) Гликозаминогликановые цепи. Гликозаминогликановая или GAG-цепь определяется, исходя из состава остатков основных сахаров. Эти сахара организованы в дисахаридные пары, которые обычно состоят из кислого сахара, то есть либо идуроновой, либо глюкуроновой кислоты в чередовании с гексозамином, который может быть глюкозамином или галатозамином. После того как цепи собраны в виде дисахаридов, подбор сахаров и сцепление между ними используются для наименования GAG-цепи. Поэтому для обозначения GAG-цепей используются различные термины, в том числе гиалуроновая кислота, которая содержит глюкуроновую кислоту в чередовании с N-ацетилглюкозамин-связанными β1-3 и β1-4; гепарансулъфат, содержащий идуроновую или глюкуроновую кислоты с N-ацетилглюкозамин-связанными β1 — 4; хондроинсульфат, который включает глюкуроновую кислоту в чередовании с N-ацетилгалактозамин-связан-ными β1—3 и β1-4,и кератансульфат, содержащий галактозу в чередовании с N-ацетилглюкозамин-связанными β1—3 и β1-4.

Пятый общий термин для описания GAG, дерматансульфат, имеет особое значение для биологии кожи. Эта форма GAG (известная также как хондроитинсульфат В) похожа на другие хондроитинсульфаты, за исключением высокой пропорции идуроновых кислот на месте глюкуроновой кислоты и более вариабельного сульфатирования. Дерматансульфат имеет общие черты с хондроитинсульфатом (N-ацетилгалактозамил) и гепарансульфатом (идуронат).

Линейные цепи связанных в GAG дисахаридных единиц очень вариабельны по размерам: от 10 до нескольких тысяч дисахаридов. Поэтому масса встречающихся в природе GAG обычно варьирует от 5 х 103 до 5х107 дальтон для гиалуроновой кислоты. Вариабельность GAG-цепи еще более усиливается вследствие реакций эпимеризации и сульфатирования. Контроль над этими реакциями зависит от природы GAG, стержневого белка, к которому гликозаминогликан может быть присоединен, а также типа и окружения клетки. Например, самый простой GAG, гиалуроновая кислота, никогда не сульфатируется, в то время как другие GAG подвергаются сульфатированию в различной степени.

Сульфатированные в высокой степени сахара встречаются в специфических участках GAG-цепи и перемежаются с участками слабого сульфатирования. Считается, что такие разрозненные домены с высокой и низкой степенью сульфатирования определяют степень взаимодействий между протеогликанами и гликозаминогликанами, а также их многочисленными партнерами по связыванию. Размер, состав и сульфатирование дисахаридов имеют большое значение для понимания GAG. Эти параметры влияют на функцию и являются тем механизмом, посредством которого в молекуле распознаются инструкции. Таким образом, линейный GAG должен считаться молекулой, содержащей информацию, поскольку информация кодируется в белке.

Синтез гликозаминогликанов (за исключением гиалуронана) происходит в аппарате Гольджи, а информация о последовательностях определяется активностью и локализацией множества специфических ферментов на этом пути. В настоящее время определены и описаны многие из ферментов, контролирующих синтез гепарансульфата, а также ферменты, ответственные за модификации после синтеза. Все сульфатированные GAG синтезируются на стержневых белках. Тетрасахарид «ксилоза-галактоза-галактоза-глюкуроновая кислота» вначале собирается на стержневом белке, начиная с ксилозилтрансферазы, которая образует связь между ксилозой и сериновым остатком в стержневом белке.

Последующие реакции удлинения, которые происходят в аппарате Гольджи, определяют природу GAG-цепи. Предполагается, что часть информации, необходимой для управления синтезом GAG, кодируется в самой последовательности стержневого белка. Финальный продукт, стержневой белок с присоединенным GAG, определяется как протеогликан. Гиалуронан, единственный GAG, который производится без присоединения к стержневому белку, синтезируется ферментативным комплексом на плазмалемме и затем выделяется во внеклеточное пространство.

Структура протеогликанов
А. Прототип структуры протеогликана.
Стержневые белки могут содержать от 1 до 100 цепей гликозаминогликанов (GAG) в зависимости от последовательности стержневого белка.
Показаны две различных цепи GAG: дерматансульфат (вверху слева) и гепарансульфат (внизу справа).
Указаны потенциальные участки сульфатирования. Ser обозначает сериновый аминокислотный остаток в стержневом белке, к которому присоединяются GAG.
Б. Дисахаридные структурные повторы GAG изображены как тетрасахариды. Показаны структуры гепарансульфата, дерматансульфата, хондроитинсульфата А (хондроитин-4-сульфат)/С (хондроитин-6-сульфат) и гиалурона.
Сульфатирование может варьировать в гепарансульфате и дерматансульфате.

в) Вариабельность ядерных протеинов протеогликанов. В организационных целях полезно сгруппировать про-теогликаны согласно месту их экспрессии клеткой. Специфические стержневые белки протеогликанов, которые идентифицированы внутри клетки, прикрепляются к клеточной поверхности, связаны в клеточном матриксе и выделяются в растворимой форме.

1. Внутриклеточный протеогликан: серглицин. Серглицин, наиболее изученный внутриклеточный протеогликан, находится в секреторных гранулах гематопоэтических клеток, включая тучные клетки, лейкоциты и эозинофилы. Этот стержневой белок затем перерабатывается и содержит GAG, в частности, либо гепарансульфат, либо хондроитинсульфат. Гепарансульфатная форма находится в тучных клетках серозных оболочек и является основным источником, из которого получают гепарин. Пептидный стержень серглицина состоит в первую очередь из тандема серин-глициновых повторов и имеет примерную массу 16-18 кД до добавления GAG и от 60 до 750 кД после добавления многочисленных гетерогенных GAG-цепей. Таким образом, благодаря характерному стержневому белку и внутриклеточной локализации, серглицин представляет собой уникальный протеогликан.

В коже серглицин выявляется всякий раз, когда тучные клетки или эозинофилы попадают в дермальную строму. При высвобождении серглицин становится основным источником доставки сульфатированного в высокой степени гепарансульфатного гликозаминогликана.

2. Протеогликаны клеточной поверхности: синдеканы и глипиканы. Идентифицировано несколько протеогликанов клеточной поверхности, которые представляют особый интерес, благодаря способности функционировать в зоне между плазмалеммой и внеклеточной средой. Они прикрепляются к клеточной поверхности либо фосфолипидным якорем (например, семейства глипканов), либо пронизывающими мембрану стержневыми белками (например, семейства синдикатов).

Стержневые белки семейства глипикана имеют гли-кофосфатидил-инзитоловый якорный механизм и уникальный цистеиновый мотив, который, вероятно, придает протеогликанам компактную третичную структуру. Следовательно, глипикан можно визуально представить, как компактный белок с GAG-цепями в непосредственной близости к внешней поверхности плазмалеммы. Описаны шесть изоформ (от глипикана-1 до глипикана-6), причем экспрессия некоторых глипиканов может изменяться в воспаленной коже и хронических ранах.

Стержневые белки синдекана состоят из короткого С-терминального цитоплазматического участка, трансмембранного домена и внеклеточного региона, который содержит участки присоединения GAG-цепей. В отличие от глипиканов, синдеканы пронизывают плазма-лемму и выходят за переделы поверхности клетки. Таким образом, синдеканы занимают уникальную позицию, соединяя внеклеточные GAG со структурами в цитоплазме. Внутриклеточный домен позволяет синдеканам участвовать в нескольких путях сигнальной трансдукции. В процессе развития и в зрелых тканях транскрипты и белки синдекана экспрессированы не одинаково. Синдекан-1 особенно избыточен на кератиноцитах и может изменять природу прикрепленных GAG-цепей по мере дифференцировки кератиноцитов. Синдекан-1 и синдекан-4 активно индуцируются в дерме и грануляционной ткани в ходе заживления ран. У мышей делеция синдекана-4 замедляет заживление ран.

Во время злокачественной трансформации экспрессия синдекана-1 в эпидермисе уменьшается, причем эта экспрессия может изменить злокачественное поведение отдельных типов клеток. Таким образом, синдеканам придается особое значение, как протеогликанам, модифицирующим клеточную функцию. Поскольку синдеканы и другие протеогликаны могут содержать более одного вида гликозаминогликанов (GAG) либо одновременно, либо при различных изменениях в клетке, экспрессия GAG дает еще один механизм регулировки дополнительно к экспрессии белка.

г) Крупные агрегирующие протеогликаны внеклеточного матрикса: аггрекан и версикан. Аггрекан, крупный протеогликан, обнаруженный в хряще, имеет стержневой белок с регионом, содержащим более 100 серин-глициновых дипептидов, которые служат участками присоединения до 130 GAG-цепей. 100 молекул аггрекана могут связываться с одной молекулой гиалуроновой кислоты. Таким образом, весь протогликановый агрегат (отсюда происходит и название аггрекан) может иметь молекулярную массу около 200000 кДа.

Фибробласты в коже производят крупные агрегирующие протеогликаны, напоминающие аггрекан. Наиболее известный из этих крупных протеогликанов носит название версикан. Стержневой белок версикана содержит места прикрепления от 12 до 15 GAG-цепей, прежде всего, хондроитинсульфата или дерматансульфата. Версикан, как и аггрекан, также связывает гиалуроновую кислоту, что позволяет ему формировать крупные агрегации. В коже версикан идентифицирован в дерме (фибробласты) и эпидермисе (кератиноциты) и его экспрессия избирательно повышается в ответ на трансформирующий фактор роста TGF-β. Таким образом, размер, распределение и избыточность версикана в коже указывают на важность этой молекулы в регулировке биохимических процессов в кожном покрове.

Малые протеогликаны внеклеточного матрикса: декорин. Идентифицированы несколько генов, кодирующих малые протеогликаны ВКМ. Одно из семейств протеогликанов отличается наличием повторяющегося мотива, богатого лецитином. Прототипом этого семейства служит декорин, секретируемый протеогликан массой около 36 кд. Декорин избыточно представлен в коже и хряще и считается повсеместно присутствующим компонентом соединительной ткани. Сравнительно небольшой стержневой белок декорина имеет одну цепь дерматансульфата, ковалентно связанную с сериновым остатком в аминокислотной позиции 4 и, как и многие другие протеогликаны, также имеет N-сцепленные олигосахариды. Таким образом, после добавления GAG он может иметь массу до 80 кД. Декорин получил свое название благодаря тому, что его молекула тесно связана с коллагеновыми молекулами и как бы «декорирует» волокна in vivo. Такое взаимодействие объясняется способностью стержневого белка декорина непосредственно связывать коллаген типа I.

Единственная GAG-цепь декорина также связывается с тенасцином-Х, еще одним белком внеклеточного матрикса, который расположен в соединительных тканях совместно с коллагеновыми волокнами. Эти связующие взаимодействия способствуют формированию коллагеновых волокон и влияют на их функцию. Интересно отметить, что сходные фенотипы с аномалиями в морфологии коллагена наблюдаются у пациентов с дефицитом тенасцина-Х, а также у мышей, нокаутных по декорину.

Белки протеогликанов

- Рекомендуем далее ознакомиться со статьей "Функция протеогликанов внеклеточного матрикса (ВКМ)"

Оглавление темы "Внеклеточный матрикс (ВКМ) дермы.":
  1. Распад и обновление внеклеточного матрикса (ВКМ)
  2. Состав и синтез эластических волокон
  3. Белки микрофибрилл дермы
  4. Состав и синтез протеогликанов
  5. Функция протеогликанов внеклеточного матрикса (ВКМ)
  6. Клеточные рецепторы белков внеклеточного матрикса (ВКМ)
  7. Болезни внеклеточного матрикса (ВКМ) дермы

Ваши замечания и вопросы: