Биохимия старения

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.

Молекулярная структура

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 — α1 и α2. Цепи α1 имеют четыре варианта — α1(I), α1(II), α1(III) и α1(IV). Четыре варианта α1 и цепи типа α2 различают последовательностью аминокислот и, следовательно, кодируются разными генами.

Каждая α-цепь состоит из ~1050 аминокислотных остатков и имеет мол. массу 100000. Приблизительно 15–25 остатков в каждом из NH₂- и COOH-концевых участков α-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 α-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 α-цепи состоит из ~1000 остатков, соединенных в повторяющейся последовательности Gly — X-Y, т. е. Gly занимает каждое третье положение. Таким образом, всего в α-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 α-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 α-цепях различно.

Чем выше суммарное содержание Hyp+Pro, тем выше температура плавления (T_m) коллагена и его стабильность (T_m — температура, при которой разрушается 50 % спиральной структуры):

В отличие от глобулярных белков α-цепи не имеют водородных связей внутри цепи. Таким образом, в них отсутствуют α-cпирали и они представляют собой β-структуры. Если у глобулярных белков, имеющих α-спиральную структуру, приходится 5,4 аминокислотных остатков на виток, а подъем на один остаток равен 0,15 нм, для α-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.