Chemické složení extracelulární matrix

Petr Tůma

Živočišné tkáně• buňky + extracelulární prostor → vyplněn

makromolekulami – extracelulární matrix• pojiva – extracelulární matrix tvoří většinu hmoty

tkáně• extracelulární matrix a vlastnost tkáně

– šlachy – pevnost + pružnost– kost – tvrdost + hutnost– chrupavka – pružnost + tlumení nárazů– rosol v oku – měkkost + průhlednost– bazální lamina – kontrola buněk

Extracelulární matrix• mechanická opora tkání• aktivní funkce: regulace dělení, migrace i tvaru

buněkTvorba makromolekul ECM• syntéza přímo v tkáni fibroblasty

– chondroblasty v chrupavce– osteoblasty v kosti

Makromolekuly ECM• polysacharidové řetězce glukosaminoglukanů +

proteiny = proteoglykany• fibrilární proteiny: kolagen, elastin, fibronektin,

laminin

Komplexní uspořádání extracelulární matrix

1. buňka 2. buňka

Integriny

Kolageny

Fibronektiny

Glukosaminoglykanya proteoglykany

Glukosaminoglykany - GAG• pravidelně se opakující disacharidové jednotky

• aminocukry– N-acetylglukosamin– N-acetylgalaktosamin

• uronové kyseliny– D-glukuronová– L-iduronová

• sulfatace– negativní náboj – vyplňují prostor– přítomnost Na+ - váže vodu – odolnost tlaku

Třídy GAG• kyselina hyaluronová

– tvoří páteř proteoglykanu– neobsahuje sulfát– nekovalentně se váže s komplexem proteoglykanů– váže velké množství vody

Postranní řetězce glukosaminoglykanů

dermatansulfát• kůže, cévy, srdeční chlopně

heparinsulfát• žírné buňky kolem plicních

artérií, játra a kůže

keratansulfát• rohovka, kost, chrupavka

chondroitinsulfát• chrupavka, kost, srdeční

chlopně

Proteoglykany

kyselinahyaluronová

proteinovéřetězce

postranní řetězce glukosaminoglykanů(20-40 disacharidových jednotek)

• obrovské komplexní molekuly (Mr > 2.106)• 5 % protein + 95 % polysacharid

Vlastnosti GAG• vytváří gely a vyplňují extracelulární prostor

– váží vodu– odolnost proti tlaku– návrat původního tvaru tkáně

• selektivní molekulární síta– propouští molekuly o určité velikosti– heparan sulfát – bazální lamina ledvinových glomerulů

• vazba signálních molekul– proteinové růstové faktory – fibroblastový růstový faktor

• vazba na kolagenní fibrily– tvorba sítí– v kostech se na ně váží vápenaté soli (hydroxyapatit a uhličitan

vápenatý)

• adheze buněk a jejich migrace

Fibrilární proteiny - kolagen

• výskyt u všech mnohobuněčných živočichů• hlavní složka kůže a kostí – u savců 25% hmoty

všech proteinů• pevnost v tahu pojiv

Aminokyselinové složení• charakteristická sekvence: -Gly-X-Y-

– glycin - ⅓ ze všech aminokyselin– prolin - v pozici X nebo Y– 4-hydroxyprolin – v pozici Y– dále – 3-hydroxyprolin a 5-hydroxylysin– všechny další aminokyseliny

Posttranslační modifikace aminokyselin v endoplasmatickém retikulu

α-helix x kolagenový helixα-helix• pravotočivý• jeden závit

– 3,6 aminokyselin– 0,54 nm

• stabilizace– lineární H-vazby uvnitř řetězce

kolagenový helix• levotočivý• jeden závit

– 3,3 aminokyselin– 0,96 nm

• stabilizace– H-vazby mezi různými řetězci

Kolagen tvoří superhelix

Syntéza kolagenu v buňce

Endoplasmatické retikulum

• pre-prokolagen

Golgiho aparát• odštěpení prepeptidu• hydroxylace prolinu a lysinu• glykosylace 5OH-Lys• oxidace cysteinu• vytvoření superhelixu

prokolagen

Extracelulární modifikace kolagenuprokolagen• odštěpení propeptidu –

kolagenáza• oxidace Lys a 5OHLys

uspořádání tropokolagenůve fibrile

fibrila

tropokolagen

Stupně organizace kolagenu

α-helix

superhelix

fibrila

vlákno

Uspořádání kolagenu v pojivu

překližkové uspořádání(řez kůží pulce)

fibroblast

Typy kolagenůU savců identifikováno 12 základních typů kolagenů

(celkově známo něco přes 20 typů).– tvořící vlákna– tvořící sítě– transmembránové

Odlišují se typem polypeptidových řetězců v superhelixu.

• Typ I [α1(I)2α2(I)] – nejrozšířenější (90 % kolagenu v organismu)– v pokožce, šlachách, kostech a zubech

• Typ II [α1(II)]3 – v chrupavkách a sklivci

• Typ III [α1(III)]3 – kolagen embryonálního vývoje– později je nahrazen typem I

• Typ IV - bazální lamina epitelů• Typ V - stěna krevních cév

Poruchy syntézy kolagenu

• poruchy zesíťování a sestavování kolagenu

• defekt v enzymu kolagenázy

• defekt v enzymu lysyloxidázy

hyperelastická kůže

Elastin• kůže, stěny artérií, plíce – 50% hmoty stěny aorty• prostorová síť elastických vláken – 5krát roztažitelnější než

guma

Syntéza• vysoký obsah prolinu a hydroxyprolinu• sekretován jako tropoelastin – v blízkosti membrány

zesíťován – vazba mezi lysiny – desmosin• 2 typy segmentů

– hydrofóbní vlákno– propojovací segment

desmosin

Struktura elastinu

pružné hydrofóbnívlákno

spojovací segment

Fibronektiny• nekolagenní proteiny s vazebnými místy pro

makromolekuly ECM a membránové receptory• velké glykoproteiny vyskytující se u všech obratlovců

Struktura• dimery• vazebné domény pro: kolageny, integriny, fibrin

Isoformy• kódovány 1 genem s cca 50 exony – alternativní sestřich• plasmatický – rozpustný ve vodě

– cirkuluje v krvi– srážení krve + fagocytóza

• ostatní formy – nerozpustné ve vodě– propojení vláken ECM na cytoskelet přes integriny – adheze buněk, migrace buněk při gastrulaci

Fibronektiny – proteinová lepidla

Bazální lamina• 40-120 nm silná vrstva specializované ECM

– podkládá epitelové buňky – oddělení od pojiv – obklopuje svalové a tukové– v glomerulech ledvin tvoří filtr

• určuje polaritu buněk, ovlivňuje metabolismus, organizuje proteiny v plasmatické membráně

Složení bazální laminyLaminin• tvořen 3 polypeptidovými řetězci – α, β, γ• tvar kříže – disulfidové můstky• vazebné domény pro: kolagen IV, heparinsulfát,

integriny

Kolagen IV• není vláknitý• vytváří mnohovrstevnou síť

Chemické složení kostí• tvrdost + pevnost• kostní dřeň: tvorba krevních buněk• zásobárna: Ca2+ (cca 1 kg), fosfátů

anorganická složka:

• apatit – krystalická forma Ca3(PO4)2

– apatit karbonát Ca10(PO4)6CO3

– hydroxyapatit Ca10(PO4)6(OH)2

– fluoroapatit Ca10(PO4)6F2

organická složka:• kolagen (Typ I)• proteoglykany• alkalická a kyselá fosfatáza