КОЛЛАГЕН

ФАКТОР, ОГРАНИЧИВАЮЩИЙ

ГИБКОСТЬ

В этой главе мы ознакомимся с существующей в настоящее время си­стемой знаний о механических свойствах, механической ультраструктуре и биохимических составляющих соединительных тканей и влиянии на них процесса старения и иммобилизации. Наша задача состоит в том, чтобы понять, как воздействуют эти переменные на функцию соединительных тканей, которые в значительной мере определяют степень гибкости человека.

Соединительная ткань содержит множество специализированных кле­ток. Различные виды клеток выполняют функции защиты, хранения, тран­спортировки, связывания, соединения, поддержки и ремонта. Остановим­ся на клетках, выполняющих привязывающие функции.

КОЛЛАГЕН

Коллаген является преобладающим белком в организме млекопитаю­щих. Ученые полагают, что он — основной структурный компонент живой ткани. Коллаген определяют как белок, содержащий три цепочки амино­кислот, образующих тройную спираль. Два отличительных физических свойства коллагеновых волокон — высокий предел прочности на разрыв и относительная нерастяжимост.

Коллагеновые волокна, как правило, бесцветные и располагаются пуч­ками. Им свойственна лишь незначительная степень растяжимости. В то же время они характеризуются высоким пределом прочности на разрыв и поэтому являются основными компонентами таких структур, как сухожи­лия и связки, подвергающиеся силе растяжения.

В настоящее время различают 5 видов коллагена, каждый из которых, в свою очередь, имеет подвиды (Jungueira, Carneiro, Long, 1989). Наиболее распространенной формой коллагена является коллаген типа 1. Он содер­жится в коже, костях, сухожилиях и связках.

Ультраструктура коллагена.Структурная организация коллагена аналогична структурной организации мышцы (табл. 4.1, рис. 4.1). Элек­тронно-микроскопическое исследование показывает, что отдельные волок­на коллагена имеют поперечнополосатую структуру. Характерная структу­ра поперечных полосок коллагена отражает ее ультраструктурную органи-

Наука о гибкости

зацию. Знание этой структуры имеет большое значение для пони­мания механизма двух основных физических свойств коллагена, о которых мы говорили выше.

Коллаген сухожилия располо­жен пучками (см. рис. 4.1). Диа­метр пучков колеблется от 50 до 300 мкм. Фибриллы, в свою очередь, состоят из пучков кол­лагена — субфибрилл, диаметр которых составляет примерно 10-20 км. Каждая субфибрилла состоит из пучков коллагена, мик­рофибрилл или филаментов. Их диаметр достигает 3,5 нм. Размеры филаментов в данной ткани колеб­лются в зависимости от возраста и других факторов.

Согласно мнению Пну и Леб-

лона (1986), наименее изученным фиброзным компонентом соедини­тельной ткани является коллаген микрофибрилла. Своему названию он обязан Лоу (1961а, 19616, 1962). Ину и Леблон (1986) изучали микро­фибриллы соединительной ткани мыши под мощным электронным мик­роскопом. Они выяснили, что микрофибриллы состоят из двух частей: собственно трубочки и поверхностного диска. Поперечное сечение тру­бочки характеризуется почти пятиугольной стенкой и полостью (просве-

Рнс 4.2. Модель тубулярной части типичной микрофибриллы (а). Она состоит из пяти­угольных сегментов, объединенных в столбик. Модель типичной микрофибриллы (б). Диск изображен в форме спирали, однако может иметь другую организацию. X 2 700 000

(Inoue, Leblond, 1986)

v-

том), а которой имеется шарик, называемый сферулом. Поверхностный диск представляет собой лентообразную структуру, окутывающую тру­бочку. Диск имеет плотные края —трэки с шипами, расположенными с определенным интервалом (рис. 4.2). В настоящее время мы не знаем, имеется ли эта структура в микрофибриллах человека.

Коллагеновая микрофибрилла состоит из взаимонакладываю щихся молекул коллагена, расположенных с одинаковым интервалом друг от друга. Эти единицы аналогичны саркомерам мышечных клеток. Мно­гие крошечные коллагеновые фибриллы (рис. 4.3, а) состоят из волок­на коллагена. Поперечные полосы фибриллы — следствие взаимного перекрытия молекул коллагена (рис. 4.3, б). Сама молекула коллагена (рис. 4.3, в) состоит из трех полипептидных цепочек, напоминающих тройную спираль (рис, 4.3, г). Аминокислотная последовательность этих полипептидных цепочек характеризуется наличием глицина в каж­дой третьей кислоте (рис. 4.3, д). Х-положение после глицина нередко представлено пролином, а Y-положение, предшествующее глицину — гидроксипролином. Молекулы коллагена, в свою очередь, состоят из кольцевидных спиралей аминокислот. Молекулы коллагена очень ма­ленькие, их длина составляет около 300 нм, а диаметр — 1,5 нм (рис. 4,3, в). Взаимное накладывание молекул коллагена и обусловли­вает наличие поперечной исчерченности. Ее частота (периодичность) в коллагеновых фибриллах колеблется от 60 до 70 нм, в зависимости от источника и степени гидратации. Измерения показывают, что между

Наука о гибкости

концом одной коллагеновой молекулы и началом другой (в одной ли­нии) имеется щель примерно 41 нм.

При сильном увеличении можно увидеть, что коллагеновая молеку­ла состоит из трех полипептидных цепочек, представленных в виде ри­гидной спиралевидной структуры. Из трех переплетенных аминокис­лотных цепочек в коллагене в организме человека две (альфа₁ цепочки) являются идентичными, а одна (альфа₂ цепочка) отличается последова­тельностью аминокислот. Считают, что три цепочки удерживаются вместе водородными связями, образующими поперечные соединения (рис. 4.3, г).

Помимо поперечнополосатой структуры, для соединительных тка­ней характерны волнообразные ундуляции (колебания) коллагеновых волокон. Явление ундуляции называется «волнистостью» (Portenfield и De Rosa, 1991). «Волнистая» организация коллагена — один из основ­ных факторов, лежащих в основе высокоэластичной реакции соедини­тельной ткани. Коллаген состоит из фибрилл, соединенных в волокна. Механические свойства коллагеновых фибрилл таковы, что каждую фибриллу можно рассматривать как механическую пружину, а каждое волокно — как совокупность пружин. При растяжении волокна его дли­на увеличивается. Подобно механической пружине, энергия, обеспечи­ваемая для растягивания волокна, хранится в волокне, и именно выделе­ние этой энергии обусловливает возврат волокна в нерастянутое поло­жение, когда прикладываемую нагрузку убирают (Ozkaya и Nordin, 1991).

Поперечные соединения коллагеновой ткани.Главным фактором, который увеличивает растягивающую силу коллагеновых структур, явля­ется наличие внутримолекулярных поперечных соединений между альфа и альфа₂ цепочками молекулы коллагена, а также межмолекулярных попе­речных соединений между коллагеновыми субфибриллами, филаментами и другими волокнами. Эти поперечные соединения связывают молекулы в прочную единицу. Обычно чем меньше расстояние между одним попе­речным соединением и другим или чем больше число поперечных соеди­нении на данном расстоянии, тем выше эластичность (R.M.Alexander, 1975, 1988).

Ученые высказывают предположение, что количество поперечных со­единений связано с интенсивностью обмена коллагена: коллаген непре­рывно производится и расщепляется. Если количество производимого кол­лагена превышает количество расщепляемого, число поперечных соедине­ний увеличивается и сопротивление структуры растягиванию повышается, и наоборот. По мнению некоторых специалистов, физическая нагрузка или мобилизация снижают число поперечных соединений, увеличивая интен- сивность обмена коллагена (W.M.Bryant, 1977; Shephard, 1982). Результаты последних исследований также показывают, что эти два фактора могут играть определяющую роль в предотвращении образования поперечных соединений.

Биохимический состав коллагена.Молекула коллагена представля­ет собой сложную спиралевидную структуру, механические свойства кото-

Глава 4 ■ Соединительная тканы фактор, ограничивающий гибкость

Рис. 43. Ультраструктура коллагена. Рисунок Б.Тагавы (Prockop, Gurman, 1977)

Наука о гибкости

Удлиняющее растягивание

Удлиняющее растягивание

Рис.4.4. Действие ГАГ. Растягивание прикладывается к коллагеновым фибриллам, однако ГАГ удерживают фибриллы разделенными (Meyere, Armstrong and Mow, 1984)

рой обусловлены как ее биохимическим составом, так и физическим рас­положением ее индивидуальных молекул. Коллаген состоит из множества сложных молекул — аминокислот, однако из них выделяют три основные. Это аминокислоты: глицин, составляющий 1/3 общего числа, а также пролин и гидроксипролин, каждая из которых составляет примерно 1/4 об­щего числа (см. рис. 4.3, г)). Наличие пролина и гидроксипролина обеспе­чивает стабильность коллагена и его резистентность к растягиванию. Сле­довательно, чем выше концентрация этих аминокислот, тем больше соп­ротивление молекул растяжению. Присутствие азота в составе пролина предотвращает легкую ротацию участков, в которых он содержится (Grant, Prockop и Darwin, 1972).

Влияние на коллаген основных веществ. Главным фактором, влия­ющим на механические свойства или поведение коллагена, является при­сутствие основных веществ. Эти вещества широко распространены в сое­динительной ткани. Во многих участках их называют цементирующими веществами. Они образуют нефиброзный элемент матрикса, в который заключены клетки и другие компоненты. Этот вискозный, гелеподобный элемент состоит из гликозаминогликанов, белков плазмы и множества не­больших белков, а также воды.

В соединительной ткани содержится 60-70 % воды. Гликозамино-гликаны обладают большой способностью связывать воду, поэтому их считают частично ответственными за столь высокую концентрацию воды.

Гиалуроновая кислота и «захваченная» ею вода — основной смазыва­ющий материал фиброзной соединительной ткани. В частности, считают, что вместе с водой она выполняет роль смазывающего вещества между коллагеновыми волокнами и фибриллами. Это смазывающее вещество обеспечивает сохранение критического расстояния между волокнами и фибриллами, тем самым способствуя свободному скольжению волокон и фибрилл друг за другом и, возможно, предотвращая чрезмерное образова­ние поперечных соединений (рис. 4.4).

Глава 4 - Соединительная ткань фактор, ограничивающий гибкость

ГЛИКОЗАМИНОГЛИКАН

Гликозаминогликан (ГАГ) представляет собой полисахарид, ко­
торый состоит из повторяющихся единиц дисахарида.-Четырьмя ос­
новными гликозаминогликанами в соединительной ткани являются
гиалурововая кислота, хондроитин-4-сульфат, хондроитин-6-сульфат
и дерматан сульфат."Как правило, гликозаминогликаны привязывают­
ся к белку. Их собирательное название лротеоглйканы. В соедини­
тельной ткани протеопшканы соединяются с водок и образуют про-
- теогликановое соединение. По определению, протеогликан состоит
из белка или пояипептида, к которому ковалентно прикреплена одна
или несколько цепочек ГАГ. Каждая группа дисахарида в цепочке
ГАГ нередко имеет две отрицательно заряженные группы. Их высо­
кий отрицательный заряд притягивает протеопшканы, а осмотичес­
кий дисбаланс, обусловленный высокой локальной концентрацией
ионов, «вытягивает» воду из окружающих участков. Лротеоглйканы,
. таким образом, поддерживают гидратацию матрикса и физически
функционируют как-создатели наполненного водой компартмента.
Они поддаются,деформаций и не являются.ригидными, поскольку
цепочки ГАГ мобильные и могут сближаться. Это выбывает повыше­
ние плотности внутреннего заряда, который противостоит силам
сжатия.

Электромеханические и физиологические свойства

Прочные кристаллические материалы при деформации демонстри­руют электромеханическое явление, которое называется пьезоэлектри­ческим эффектом (Athenstaedt, 1970). Подобный эффект наблюдается в биологических тканях. Одним из примеров может быть молекулярная структура естественной коллагеновой фибриллы. Тропоколлагеновые молекулы, образующие фибриллу, представляют собой электрически би­полярные стержни, имеющие постоянный электрический потенциал в направлении продольной тропоколлагеновой оси (Athenstaedt, 1970). При сжатии соединительной ткани, такой, как хрящ, происходит механичес-ко-электрическая трансдукция, приводящая к возникновению сущес­твенных электрических потенциалов (Grodzinsky, 1983). В последние го­ды к пьезоэлектрическому механизму было приковано большое внима­ние специалистов, особенно с точки зрения его возможной функции в росте и ремоделировании соединительных тканей, а также в лечении пе­реломов костей.

Пьезоэлектрический эффект в биологических тканях называют элект­рокинетикой или потенциалами движения. Кроме потенциалов течения и токов, деформация биологических тканей может вызвать градиенты гид­ростатического давления, поток жидкости и деформацию клеток в матрик-

Наука о гибкости

се. В настоящее время механизм (или механизмы), обусловливающий эти реакции, не установлен. В то же время известно, что основным источни­ком реакции трансдукции является электрокинетический механизм, или механизм течения потенциалов (Grodzinsky, 1987).

Механические свойства

Можно допустить, что потенциалы течения представляют собой меха­низм, посредством которого механические силы растягивания трансдукци-руются в различные видь/ генной экспрессии и, следовательно, в белковый синтез (например, создание особых изоформ титина и других тканей). В этой связи исследование Сатклиффа и Девидсона (1990) показало, что трансдукция механической силы а генную экспрессию эластина клетками гладкой мышцы во время растягивания может способствовать их специ­альной адаптации.

До настоящего времени в большинстве исследований рассматрива­ли суставной хрящ под действием сил сжатия. Возможность получения весьма важной информации на этой основе объясняется следующим. Во-первых, суставной хрящ относится к категории соединительной тка­ни. Во-вторых, удлинение происходит одновременно вследствие сжатия. Известно, что электростатические силы можно рассматривать как меж­молекулярные взаимодействия, которые существенно влияют на реоло­гическое поведение биологических тканей (Grodzinsky, Lipshitz, Glimcher, 1978). В частности, внеклеточный матрикс выполняет важную функцию сопротивления силам растяжения, сжатия и сдвига. Как уже

Рнс 4.5. Схематическое изображение соединительной ткани с коллагеновыми фибрилла­ми, протеогликановыми кластерами и клетками (а). Динамическое сжатие ткаии приводит к деформации, градиентам давленая, потоку жидкости и потенциалам течения (и потокам) во внеклеточном матриксе в клеточной среде (б)

Глава 4 ■ Соединительная тканы фактор, ограничивающий гибкость

отмечалось, электростатические силы отталкивания между ГАГ заря­
женными группами, как правило, делают матрикс более жестким, что
повышает его способность противостоять деформации и выдерживать
нагрузку (Grodzinsky, 1983, 1987; Muir, 1983; рис. 4.5). Внеклеточный
матрикс содержит отрицательный фиксированный заряд, а интерстици-
альная жидкость, таким образом, содержит достаточное количество до­
полнительных (+) контроионов для обеспечения электронейтральности;
обусловленные сжатием изменения плотности фиксированного заряда
вызывают изменение концентрации всех подвижных видов ионов во
внеклеточном матриксе, согласно Доннану и законам эле ктро нейтраль­
ности. Таким образом, протеогликаны действуют как «молекулярные
пружины» (Muir, 1983).

Сравнение влияния статических и динамических

нагрузок

Исследования суставного хряща in vivo показывают, что статическая иммобилизация, пониженная нагрузка или статическое сжатие сустава приводят к появлению участков повышенной фиксированной плотности заряда, повышению концентрации положительных контрионов и осмоти­ческого давления. Это интибирует синтез и обработку протеогликанов (Gray и др., 1988; J.P.G.Urban, Bayliss, 1989), а также нарушает питание хряща. С другой стороны, динамическое сжатие приводит к увеличению гидростатического давления, потока жидкости, потенциалов течения и из­менению формы клетки, что может стимулировать биосинтез (A.Hall, Urban, Gehl, 1991; Y.-J.Kim и др., 1994). Таким образом, цикличная нагруз­ка и разгрузка способствуют сохранению здоровья хряща. Вместе с тем, при чрезмерной нагрузке повышается поток жидкости, напряжение и его интенсивность. Высокие уровни напряжения или его интенсивность могут привести к повреждению матрикса, отечности тканей н усилению диффу­зии в хряще (San и др., 1991), что ведет к хроническому повреждению хряща.

Влияние процесса старения на коллаген. Коллаген по мере своего старения претерпевает определенные физические и биохимические изме­нения. В конечном итоге они отражают снижение минимальной степени растяжимости, которая имела место, и увеличение ригидности. Так, напри­мер, процесс старения приводит к увеличению диаметра коллагеновых во­локон в различных тканях. Кроме того, с течением времени усиливается процесс кристаллизации фибрилл. Увеличение степени кристаллизации или ориентации еще больше укрепляет межмолекулярные связи и повыша­ет резистентность к дальнейшей деформации. Более того, предполагают, что процесс старения связан с увеличением числа внутри- и межмолеку­лярных поперечных соединений. Эти дополнительные поперечные соеди­нения явно ограничивают способность скольжения коллагеновых молекул относительно друг друга. Важная роль в процессе старения принадлежит дегидратации. Так, с возрастом снижается количество воды, связанной с соединительными тканями, такими, как сухожилие. По некоторым

Глав а 4 ■ Соединительная ткань: фактор, ограничивающий гибкость

оценкам, если в сухожилиях маленьких детей содержание воды составля­ет приблизительно 80-85 %, то у взрослых этот показатель снижается до 70% (Elliot, 1965; рис. 4.6).

Ультраструктурная основа и физиологический предел удлинения

коллагена. В отличие от саркомера, волокно коллагена является сравнитель­но нерастяжимым. Волокно коллагена настолько неэластично, что оно даже не растягивается при воздействии нанего массы, в 10 000 раз превышающей его собственную (Vevzar, ] 963). Исследования показывают, что микроскопи­ческие волокна можно растянуть примерно на 10 % их исходной длины, прежде чем они порвутся. На молекулярном уровне степень растяжения кол-лагеновых фибрилл составляет около 3 % (Ramachandran, 1967). Электронно-микроскопическое исследование показывает, что при удлинении коллагена в нем происходит постепенное изменение внутрифибриллярной периодичнос­ти и латеральных измерений. В одном из ранних исследований (Cowan, McGavin, North, 1955) было установлено, что растяжение приводит к повто­ряющемуся увеличению осевого интервала с 0,286 до 0,310 нм и больше.

Считают, что подобное растяжение первоначально осуществляется в результате распрямления волокон и последующего постепенного скольже­ния их относительно друг друга. В результате увеличивается степень крис­таллизации или ориентации, что, в свою очередь, усиливает межмолеку­лярную связь и повышает резистентность к дальнейшему удлинению. Кро­ме того, возрастает взаимопереплетение соседних молекул. Это приводит к увеличению силы интерцепочек, что обеспечивает повышенное сопро­тивление силам деформации. Дальнейшее растягивание приводит к превы­шению межмолекулярных связей и разрыву ткани (Laban, 1962; L.Weiss, Greep, 1983).