Глава 4. Изменения коллагена

Введение

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°С (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°С 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 α-субъединиц

Рис. 4.4. Распределение α-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

Рис. 4.6. Увеличение с возрастом времени, которое требуется для разрыва изолированного волокна коллагена из сухожилия хвоста крысы в 7 М мочевине при 40°С 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.