2. Metabolismus pojivových tkání

Náplň podkapitoly:

1. Úvod do metabolismu pojivových tkání
2. Extracelulární matrix (ECM)

_

Úvod do metabolismu pojivových tkání

Pojivové tkáně formují a udržují tvar těla a tvoří vnitřní i zevní oporu jeho orgánů. Skládají se z buněk a mezibuněčné hmoty extracelulární matrix (ECM), přičemž ECM představuje hlavní složku pojivové tkáně, buňky mají v pojivech jen malé zastoupení – buňky jsou „zality” do ECM.

Extracelulární matrix chrakterizují tři složky:

1) Fibrilární (vláknitá) složka – tvoří ji hlavně kolagenní a elastická vlákna

2) Amorfní složka (základní hmota) jedná se o bezbarvou transparentní substanci rosolovité konzistence, jejími součástmi jsou zejména proteoglykany (glykosaminoglykany) a strukturální glykoproteiny (např. laminin, fibronektin, chondronektin, osteonektin či osteopontin)

3) Tkáňová tekutinavoda a v ní rozpuštěné látky

Buňky pojivových tkání můžeme rozdělit do dvou skupin – buňky fixní a buňky bloudivé (mobilní). Fixní buňky jsou v tkáni stabilně usedlé. Jejich prekurzorem je nejčastěji mezenchymová buňka. Jako příklad můžeme uvést fibroblast, fibrocyt či adipocyt. Bloudivé buňky se do tkáně dostaly až druhotně – jde většinou o vcestovalé krevní buňky. Jako příklad slouží plazmatické buňky, makrofágy či žírné buňky.

Rozlišujeme čtyři základní typy pojivové tkáněvazivo, chrupavku, kost a tukovou tkáň. Variace jednotlivých typů pojiv vyplývá z charakteru jejich buněk a extracelulární matrix.

Funkce pojiva

Dříve panující názor, že pojivové tkáně slouží jen jako opora těla a jako „tmel” mezi orgány, dnes již neplatí. Nyní víme, že pojivo sehrává hned několikerou úlohu:

1) Strukturální

Pojivo vytváří kromě jiného pouzdra orgánů, šlachy, ligamenta a řídké vazivo. Chrupavka, kost a tuková tkáň jsou specializované typy pojivové tkáně.

2) Imunitní funkce

Pojivo obsahuje mnoho imunokompetentních buněk – fagocyty, plazmatické buňky produkující protilátky atd.

3) Nutriční funkce

Pojivo vytváří prostředí pro výměnu nutrientů a odpadních produktů metabolismu mezi buňkami a cirkulací.

4) Reparace poškození

_

Extracelulární matrix (ECM)

Pojivové tkáně na rozdíl od ostatních tkání charakterizuje vysoké zastoupení extracelulární matrix v jejich struktuře. ECM ale nemá ve všech druzích pojiva stejné složení, mezi jednotlivými druhy pojiva naopak registrujeme významnou variabilitu, která podmiňuje i jejich rozdílné vlastnosti – škára kůže a šlachy jsou pevné a pružné, kost je tvrdá, chrupavka tlumí nárazy, oční rosol je měkký a průhledný. Vznik ECM sehrál zcela klíčovou roli v evoluci živočichů – podílí se na přichycení buněk (např. bazální membrána), mezibuněčné komunikaci, buněčné diferenciaci či embryogenezi. Souběžně s poznáním jejích fyziologických rolí v organismu se projasňuje i její místo v mnoha patologických procesech – například při metastazování nádorů či reumatoidní arthritidě.

ECM je tvořena buňkami pojivových tkání fibroblasty, osteoblasty (kost) a chondroblasty (chrupavka). Syntéza jejích složek probíhá převážně uvnitř buněk, výsledné produkty secernuje exocytóza do extracelulárního prostoru, kde se organizují do velkých agregátů. Jak jsme již uvedli výše v textu, extracelulární matrix se skládá ze tří složek: fibrilární (vláknité) složky, amorfní složky a tkáňové tekutiny. Nyní se detailně zaměříme na jednotlivé molekuly tvořící ECM.

Kolagen

Název kolagen zaštiťuje rozsáhlou skupinu proteinů (dosud bylo u savců objeveno 28 typů kolagenu), které dohromady představují 25-30 % všech bílkovin lidského těla. Proto nepřekvapí, že kolagen je téměř všudypřítomný – nalezneme jej například v řídkém vazivu, kostech, šlachách, kůži, cévách, bazálních membránách, ve skléře oka či v jizvách (jizva je velmi bohatá na kolagenní vlákna).

Velmi zajímavá je skladba aminokyselin kolagenu – více než polovinu tvoří pouhé tři aminokyseliny – glycin (33 %), prolin a 4-hydroxyprolin (dohromady 21 %). 4-hydroxyprolin a 5-hydroxylysin vznikající posttranslační modifikací (hydroxylací) prolinu a lysinu jsou aminokyseliny vysoce specifické pro kolagen.

Uspořádání kolagenu

Kolagenní mikrofibrila vzniká polymerací molekul tropokolagenu, jenž má strukturu pravotočivé trojšroubovice. Sám tropokolagen (délka 280-300 nm, šířka 1,5 nm) je tvořen stočením tří molekul peptidových řetězců (tzv. α-řetězce), které mají naopak strukturu levotočivé šroubovice (jedna otočka helixu obsahuje tři aminokyselinové zbytky). Jednotlivé typy kolagenu se vzájemně odlišují zastoupením α-řetězců.

Mikrofibrily vykazují pravidelné uspořádání s příčným pruhováním (střídají se tmavé a světlé proužky) s periodicitou 64 nm. Toto podmiňuje organizace molekul tropokolagenu v mikrofibrile – tropokolagen vytváří paralelní řady způsobem, kdy vedlejší řada se posouvá o čtvrtinu délky předchozí řady. Z mikrofibril (šířka přibližně 75 nm) se následně vytvářejí kolagenní fibrily (šířka přibližně 0,5 μm), z nichž vznikají kolagenní vlákna (šířka 1-20 μm) a svazky vláken (šířka až 150 μm) – tyto mohou být okem viditelné.

Typy kolagenu

U savců bylo dosud identifikováno 28 typů kolagenu. Jednotlivé typy se vzájemně liší sekvencí aminokyselin – toto se odráží na stupni polymerizace a agregace jejich molekul. Zastoupení jednotlivých typů není v různých tkáních stejné. Zde uvádíme přehled pěti hlavních typů kolagenu:

Kolagen typu I

Kolagen typu I, nejrozšířenější typ kolagenu v těle (80-90 %), se nachází například v kostech, šlachách, vazech, škáře kůže, dentinu či v pouzdrech orgánů. Tento typ vytváří jak fibrily, tak i vlákna a svazky vláken (pojmy vysvětleny dále v textu).

Kolagen typu II

Kolagen typu II obsahují hlavně hyalinní a elastická chrupavka. Tento typ vytváří tenké fibrily, ale ne vlákna.

Kolagen typu III

Kolagen typu III se podobá typu I, ale jeho uspořádání není natolik pravidelné. Tento typ vytváří fibrily, jež se skládají ve vlákna tvořící retikulární síť. Retikulární vlákna slouží jako opora měkkým, poddajným tkáním – hematopoetické tkáně, tukové buňky, hladké svalové buňky. Podílí se i na struktuře retikulárních lamin (součást bazálních membrán).

Kolagen typu IV

Kolagen typu IV je klíčový pro strukturu bazálních lamin (např. v ledvinných glomerulech). Tento typ nevytváří fibrily ani vlákna, tropokolagen zůstává často nepolymerizován.

Kolagen typu V

Kolagen typu V se vyskytuje zejména v chorionu a amnionu.

Tvorba kolagenu

Kolagen je produkován různými druhy buněk, nejvíce ale fibroblasty, chondroblasty a osteoblasty. Hned na začátku si zdůrazněme, že tvorba kolagenní fibrily je několikastupňová a obsahuje rozsáhlé posttranslační úpravy, které probíhají jak intracelulárně, tak i mimo buňku.

Jako u každého proteinu začíná i tvorba kolagenu na ribosomech. Vzniklá prekurzorová molekula nazývaná preprokolagen je zavedena prostřednictvím své signální sekvence do vezikul ER, kde se signální sekvence odštěpí – vznikají tzv. pro-α-řetězce. Ty na svých koncích obsahují tzv. terminální propeptidy. Dříve než se vytvoří trojitá šroubovice, proběhnou ve vezikulách ER úpravy molekul pro-α-řetězců – jedná se o hydroxylaci prolinových a lysinových zbytků a o glykosylaci hydroxylysinových zbytků. Po vzniku trojšroubovice k těmto třem úpravám již nedochází. Nyní se na tyto úpravy pro-α-řetězců podíváme podrobněji.

Hydroxylace prolinu a lysinu

Hydroxylace katalyzují prolylhydroxyláza a lysylhydroxyláza vyžadující vitamin C a Fe2+ jako kofaktory a molekulu O2.

Klinická korelace:

Deficit vitaminu C vyvolává dobře známé onemocnění, skorbut (kurděje), podmíněné poruchou tvorby kolagenu.

Glykosylace

Principem je vazba sacharidových jednotek na hydroxylysylové zbytky.

Po těchto reakcích může proběhnout postupné seskupování tří pro-α-řetězců za tvorby prokolagenu. Ten je přenesen do Golgiho aparátu, kde je zabalen do sekrečních váčků a secernován z buňky. Po sekreci se odstraní terminální propeptidy na obou koncích molekuly (enzym prokolagenpeptidáza), čímž vzniká primární monomer kolagenu – tropokolagen. Molekuly tropokolagenu se spontánně skládají (polymerují) až do podoby kolagenní mikrofibrily. Ty následně vytvářejí vyšší struktury.

Stabilizace kolagenních fibril tvorbou příčných vazeb

Kolagenní fibrily jsou vyztuženy kovalentními inter- a intrařetězovými vazbami. Jejich tvorbu umožňuje enzym lysyloxidáza (obsahující měď), jež katalyzuje oxidativní deaminaci ɛ-aminoskupin některých lysinových a hydroxylysinových zbytků za vzniku reaktivních aldehydových skupin (lysin se mění na allysin). Následuje aldolová kondenzace a tvorba Schiffovy baze (ɛ-aminoskupiny neoxidovaných lysinů a hydroxylysinů).

Degradace kolagenu

Molekula kolagenu je velmi rezistentní vůči degradaci běžnými proteolytickými enzymy (i těmi v trávicím traktu). Enzymy, které ho dokážou efektivně štěpit, nazýváme kolagenázy – například intersticiální kolagenáza (řadí se mezi matrixové metaloproteinázyMMP), kolagenázy produkované mikroorganismy.

Klinická korelace:

(Mezi)produkty syntézy a degradace kolagenu se v klinické praxi využívají k hodnocení kostního metabolismu – tzv. markery novotvorby kosti a markery odbourávání kosti. Blíže viz: Kapitola 4: Podkapitola 3. Metabolismus a remodelace kostní tkáně.

Elastin

Pojmem elastin označujeme skupinu proteinů extracelulární matrix, které vynikají vysokou roztažitelností a ohebností. Vyskytuje se například v kůži, stěně cév či plicích. Za pozornost stojí, že elastin vykazuje pouze minimální metabolický obrat – zralý elastin je velmi stálá bílkovina.

V molekule elastinu převládají nepolární aminokyselinyglycin, alanin, valin atd. Elastin neobsahuje žádné sacharidové jednotky.

Tvorba elastinu

Syntéza elastinu začíná na ribosomech tvorbou globulárního tropoelastinu. Nato se tyto prekurzorové molekuly exocytózou uvolňují do extracelulárního prostoru, kde se uspořádají a zesíťují tvorbou příčných vazeb. Klíčový enzym, lysyloxidáza, katalyzuje oxidativní deaminaci ɛ-aminoskupin tří lysinových zbytků za vzniku reaktivních aldehydových skupin (lysin se mění na allysin). Kondenzací tří allysinů s jedním nemodifikovaným lysinem vzniká cyklická struktura – desmosin či isodesmosin. Molekuly tropoelastinu jsou nyní vzájemně kovalentně propojeny a tvoří síť, z níž vzniká elastické vlákno.

Zajímavým poznatkem je fakt, že syntéza elastinu začíná dříve než tvorbou samotného tropoelastinu. Nejdříve je totiž nutno nasyntetizovat glykoprotein fibrilin (tzv. mikrofibrilární protein), kolem něhož se uspořádávají molekuly tropoelastinu.

Degradace elastinu

Zesíťovaný elastin je velmi odolná bílkovina. Většina proteáz je v jeho proteolýze velmi neefektivní. Větší účinek vykazují elastázy produkované leukocyty či buňkami pankreatu. Jejich nadměrné působení blokuje antiproteázový systém – např. α1-antitrypsin.

Klinická korelace:

Nedostatečná funkce antiproteázového systému zapříčiňuje nadměrnou degradaci elastických vláken, což může vyústit například v poškození plic – tzv. emfyzém.

Glykoproteiny

Glykoproteiny jsou bílkoviny, které mají na centrální bílkovinný řetězec kovalentně navázány oligosacharidové řetězce (často větvené). Zastoupení proteinové složky by mělo převažovat nad sacharidovou složkou. Vazba protein-sacharid se uskutečňuje buď O-glykosidicky (pomocí hydroxyskupiny aminokyselin serinu či threoninu) či N-glykosidicky (prostřednictvím asparaginu), přičemž výchozím substrátem jsou UDP-deriváty monosacharidů. V lidských glykoproteinech převažuje sedm monosacharidů – galaktóza, glukóza, mannóza, N-acetylneuraminová kyselina, fukóza, N-acetylgalaktosamin a  N-acetylglukosamin.

Nyní si detailně popíšeme významné glykoproteiny extracelulární matrix.

Fibronektin

Rozměrný glykoprotein fibronektin se skládá ze dvou podjednotek uspořádaných do tvaru písmena V. Jejich vzájemné propojení (pomocí disulfidických můstků) není rigidní, poskytuje naopak molekule fibronektinu pohyblivost. Obě podjednotky jsou složeny z více domén, které mohou vázat různé partnery – např. kolagen, integriny (receptory pro fibronektin, jejichž prostřednictvím se fibronektin váže k buněčné membráně), fibrin, proteoglykany atd.

Úkolem fibronektinu je propojovat jednotlivé složky tkání (řadí se mezi adhezivní proteiny) a modulovat buněčné procesy – např. jejich adhezi, migraci, diferenciaci atd. Buňky mnoha nádorů vykazují sníženou expresi fibronektinu a jeho receptorů – integrinů, což hraje roli v jejich invazivitě.

Fibrilin

Fibrilin se řadí mezi tzv. adhezivní proteiny. Jedná se o glykoprotein vytvářející jakési lešení, do něhož se mohou uspořádávat molekuly tropoelastinu (viz výše). Defekt fibrilinu se tedy projeví poklesem pružnosti a pevnosti elastického vaziva.

Klinická korelace:

Mutace genu pro fibrilin podmiňují onemocnění nazývané Marfanův syndrom, pro které je typické postižení očí (ectopia lentis – dislokace čočky), skeletálního systému (vysocí pacienti s dlouhými „pavoučími” prsty – arachnodaktylie, postižení kloubů) a kardiovaskulárního systému (oslabení stěny aorty vedoucí k její dilataci – riziko ruptury).

Laminin

Laminin je glykoprotein skládající se ze tří peptidových řetězců spojených do struktury kříže (dva řetězce se ovíjejí kolem třetího řetězce asi do 2/3 jeho délky, dále se odpoutají). Má schopnost vázat se k ostatním součástem ECM, řadíme ho mezi adhezivní proteiny. Po kolagenu typu IV je laminin nejčastější protein v bazálních membránách, kde jednak zajišťuje vazbu epitelových buněk (lamininové receptory – integriny a dystroglykany) a jednak vzájemné propojení jednotlivých složek (kolagen typ IV, entaktin/nidogen či perlekan).

Proteoglykany

Proteoglykany, obrovské komplexní molekuly, se skládají z 90 % ze sacharidové složky a z 10 % z proteinů. Do velké míry ovlivňují rysy pojivových tkání. Jedná se o značně hydrofilní molekuly – poutají velké množství vody, a tudíž napomáhají hydrataci tkání (kůže). Účinkují i jako molekulární síta – propouštějí molekuly o určité velikosti. Ovlivňují tedy to, která látka vstoupí do buňky, a která ji naopak opustí.

Sacharidovou složku proteoglykanů tvoří glykosaminoglykany (GAG) – kyselina hyaluronová, chondroitinsulfát, keratansulfát, heparansulfát a dermatansulfát. Strukturně se v případě glykosaminoglykanů jedná o nerozvětvené polysacharidy skládající se z opakujících se disacharidů. Jednou složkou je aminocukr (N-acetylglukosamin či N-acetylgalaktosamin) a druhou složkou uronová kyselina (D-glukuronová nebo L-iduronová). S výjimkou kyseliny hyaluronové obsahují GAG sulfátové skupiny, a nesou tedy záporný náboj (spolupodílí se skupina COO).

Podle velikosti a komplexnosti můžeme rozlišit dvě základní skupiny proteoglykanů. Menší a méně komplexní tzv. agrekan neboli proteoglykanový monomer se skládá z osového proteinu, na který jsou kovalentně navázány GAG. Pro tuto vazbu je klíčovou aminokyselinou serin, jenž pomocí své hydroxyskupiny vytváří O-glykosidickou vazbu s vazebným tetrasacharidem (xylulóza-galaktóza-galaktóza-kyselina glukuronová). Dále již pokračuje dlouhý řetězec GAG. Struktura agrekanu se připodobňuje k stromu (kmen symbolizuje osový protein, větve napojené glykosaminoglykany). Větší a komplexnější proteoglykany jsou tzv. proteoglykanové agregáty, v nichž se jednotlivé agrekany poutají na dlouhý řetězec kyseliny hyaluronové. I zde si můžeme vypomoci analogií se stromem – kmen zde symbolizuje kyselinu hyaluronovou, větve představují osové proteiny a zbylé glykosaminoglykany jsou listy.

Autoři podkapitoly: Josef Fontana a Petra Lavríková

cc-by-sa