Кальций и биосинтез коллагена

Введение
Достаточный уровень биосинтеза коллагена является одним из важнейших показателей нормофизиологического метаболизма соединительной ткани. Фундаментальные и клинические исследования показали, что уровни кальция во внеклеточной среде стимулируют синтез/секрецию коллагена клетками внеклеточного матрикса соединительной ткани.
В эксперименте недостаточное потребление кальция негативно сказывается на состоянии биосинтеза коллагена в костной ткани [1]. Известно, в частности, что так называемые блокаторы кальциевых каналов ингибируют синтез коллагена-I и его секрецию фибробластами, а аскорбат-анион противодействует эффектам блокаторов кальция [2] (рис. 1). Исследования с использованием изотопных меток показали, что блокаторы кальциевых каналов снижают преимущественно биосинтез коллагена, а не биосинтез неколлагеновых белков соединительной ткани [3].

Показано также, что использование препаратов кальция стимулирует синтез коллагена, ускоряя заживление ран и переломов. Например, альгинат кальция улучшает заживление ран в эксперименте, повышая синтез коллагена I типа и соотношение количеств фибриллярного коллагена-I и ретикулярного коллагена-III. Скорость закрытия раны при использовании альгината увеличивалась по сравнению с таковой в контрольной группе [4].
В проведенном нами экспериментальном исследовании были изучены эффекты синергидной комбинации кальция с цинком, медью, марганцем, бором, магнием и витамином D (препарат Кальцемин Адванс) на модели резаной раны. Введение препарата в виде водной суспензии в течение 21 сут приводило к снижению среднего времени до полного заживления раны на 6 сут по сравнению с контролем (вода, p<0,05). При этом средняя площадь раны достоверно отличалась между группами уже с 9-го дня эксперимента (значения р в интервале 0,00013–0,047) [5].
Повышенная скорость заживления раны при приеме синергидной комбинации кальция сопровождалась повышением содержания волокон коллагена I в области раны (рис. 2А). В контрольной группе процент окрашивания коллагена составил 62±11%, а при приеме препарата Кальцемин Адванс – 82±8% (т. е. на 20% выше по сравнению с контролем, р=0,00056) [5]. Гистоморфологический анализ подтвердил ускорение процесса созревания рубцовой ткани и указал на снижение воспалительной реакции в созревающей соединительной ткани и улучшение эпителизации раны. В контрольной группе кожный дефект замещен рыхло-волокнистой соединительной тканью. В опытной группе (Кальцемин Адванс) практически во всех наблюдениях в зоне кожной раны сформировалась зрелая соединительная (рубцовая) ткань из мономорфных ориентированных коллагеновых волокон, и лишь в одном наблюдении кожный дефект был замещен рыхло-волокнистой соединительной тканью (рис. 2Б, В) [5].

Описываемый эффект воздействия кальция на уровни коллагена был также подтвержден в клинических исследованиях. Например, дотации кальция (1200 мг/сут, 2 мес.) женщинам в постменопаузе с низким потреблением кальция снижали коллагеновые маркеры деградации: гидроксипролин, пиридинолин, дезоксипиридинолин [6].
Таким образом, экспериментальные и клинические исследования показывают, что препараты кальция стимулируют синтез/секрецию коллагенов. В настоящей работе представлены результаты системно-биологического анализа белков протеома человека, проведенного с целью установления наиболее вероятных молекулярных механизмов осуществления данного эффекта воздействия кальция на метаболизм коллагена.

Материал и методы
В настоящей работе использован метод анализа функциональных взаимосвязей [7] – одна из информационных технологий современной биоинформатики. Соединяя данные различных уровней (данные о моногенных заболеваниях, кофакторах белков, клеточных ролях белков, симптоматику и критерии диагностики заболеваний и т. д.), данный метод позволяет систематически рассмотреть все возможные области применения препаратов кальция. В целом при использовании метода анализа функциональных взаимосвязей для каждого белка протеома человека составляется последовательная цепь описаний:
– аминокислотная последовательность белка;
– список биохимически необходимых эссенциальных кофакторов белка (в т. ч. с указанием потребности ионов кальция для активности рассматриваемого белка);
– список моногенных заболеваний, связанных с полной или частичной потерей активности этого белка;
– список клеточных функций белка (по БД Gene Ontology, GO и др.);
– список отдельных симптомов заболеваний, список диагнозов по МКБ-10 и другая информация из баз данных.
Далее в полученном списке описаний белков выделяются Са-зависимые белки, проводится последующий анализ их функций на основании статистических критериев. Для статистической обработки результатов исследования использовались методы математической статистики, включающие расчет числовых характеристик случайных величин, проверки статистических гипотез с использованием параметрических и непараметрических критериев, корреляционного и дисперсионного анализа. Сравнение прогнозируемых и наблюдаемых частот встречаемости исследуемых признаков проводилось с помощью критерия -квадрат, T-критерия Вилкоксона – Манна – Уитни и теста Стьюдента. Для статистической обработки материала использовались прикладная программа Statistica 6.0 и электронные таблицы Microsoft Excel.

Результаты
В ходе исследования была проанализирована информация о 23 500 белках протеома человека, для которых установлены биологические роли. Функции 2145 из 23 500 белков в той или иной мере зависят от уровней кальция (например, изменяются уровни экспрессии белка), а 625 из 2145 белков непосредственно связывают ион кальция как кофактор [8]. В целом ионы кальция необходимы для функционирования многочисленных мембранных белков (как правило, белков-рецепторов) и внутриядерных белков (белки транскрипции и метаболизма ДНК). Также ионы кальция принимают значительное участие в процессах межклеточной адгезии и формирования структуры соединительной ткани, регуляции клеточного апоптоза и воспаления, синаптической трансмиссии и роста аксонов (рис. 3).

Результаты проведенного системно-биологического анализа кальций-зависимых белков [8] указали на диагнозы по МКБ-10, специфически ассоциированные с генетическими дефектами в кальций-зависимых белках. Наиболее кальций-специфичными группами патологий являются нарушения гемостаза и состава крови, пороки развития различных органов, нарушения функции щитовидной и паращитовидной желез и патологии соединительной ткани. Для целей настоящего исследования интересно отметить, что многие из этих диагнозов были ассоциированы с нарушениями структуры соединительной ткани, в т. ч. ее коллагеновых сетей (табл. 1).

В целом перечисленные в таблице 1 диагнозы, ассоциированные с нарушениями структуры соединительной ткани и коллагена, зависят от нарушений активности более 58 Са-зависимых белков. Для уточнения молекулярных механизмов воздействия кальция на метаболизм коллагена рассмотрим молекулярные механизмы биосинтеза коллагена и затем оценим соответствие между результатами системно-биологического анализа Са-зависимых белков и этими механизмами.
Молекулярные механизмы биосинтеза коллагена
Коллагеновые фибриллы являются механической основой соединительной ткани всех органов и, в частности, кости. Коллаген I типа образует наиважнейший компонент коллагеновой сети – протяженные фибриллы. В костях фибриллы коллагена минерализуются гидроксиапатитом кальция и связывают ион кальция аминокислотными остатками № 1277….1285 [9]. В костной ткани фибриллы коллагена взаимодействуют с ионами кальция на поверхности кристаллов гидроксиапатита [10] (рис. 4).

Однако взаимодействия между кальцием и коллагеном вовсе не ограничены непосредственными взаимодействиями между гидроксиапатитом и коллагеновыми фибриллами в костной ткани. Например, взаимодействия между клетками, синтезирующими коллаген, и самими коллагеновыми молекулами зависят от активности магний- и инозитол-зависимого фермента фосфатидилинозитол-3-киназы (PI3K), который участвует в регуляции уровней внутриклеточного Ca2+ [11]. Рассмотрим и другие потенциальнык возможности участия препаратов кальция в процессе биосинтеза коллагена, основные стадии которого представлены на рисунке 5.

Осуществляемый фибробластами или другими типами клеток соединительной ткани биосинтез коллагена включает в себя следующие стадии [12]:
• Синтез мРНК (транскрипция генов, кодирующих коллагены, 34 гена) – участвуют десятки магний- и кальций-зависимых белков.
• Синтез аминокислотной цепи пре-проколлагена на рибосоме из мРНК (трансляция) поддерживается магний- и кальций-зависимыми белками, магний-зависимыми тРНК и рибосомной РНК.
• Транспорт цепи пре-проколлагена в эндоплазматический ретикулум посредством «адреса» (сигнального пептида) на N-концевом участке аминокислотной цепи.
• Удаление сигнального пептида в последовательности пре-проколлагена посредством фермента пептидазы сигнальных пептидов SPP (нет кофакторов).
• Гидроксилирование аминокислотных остатков пролина и лизина в пре-проколлагене с участием ферментов пролил-3-гидроксилазы, пролил-4-гидроксилазы и лизил-гидроксилаз 1, 2, 3. Все перечисленные ферменты требуют Fe2+ и аскорбат-анион в качестве кофакторов, O2 в качестве субстрата. Гиповитаминоз С и, особенно, авитаминоз С (цинга) ассоциированы с резким падением активности именно этих ферментов.
• Гликозилирование моносахаридами аминокислотных остатков лизина в пре-проколлагене посредством проколлаген-галактозилтрансфераз, гидроксилизил-галактозилтрансферазы (УДФ-галактозы-5-гидроксилизин-коллаген-галактозилтрансферазы) и галактозил-гидроксилизил-глюкозилтрансферазы (УДФ-глюкоза-5-гидроксилизин-коллаген глюкозилтрансферазы). Данные ферменты содержат ионы марганца (и, возможно, ионы Са2+) в качестве кофакторов.
• Сборка тройной спирали проколлагена из 3 аминокислотных цепей пре-проколлагена.
• Внесение необходимых конформационных изменений в проколлаген посредством изомеризации остатков цистеина и пролина ферментами протеиндисульфид изомеразы и пролил-цис-транс-изомеразы. Данные ферменты не содержат кофакторов.
• Упаковка проколлагена в транспортный везикул, перенос во внеклеточный матрикс.
• Вне клетки проколлаген-протеиназы модифицируют молекулу проколлагена с образованием тропоколлагена. Дефекты генов проколлаген-протеиназы ассоциированы с известным синдромом Элерса – Данло. Проколлаген-N-протеиназа и проколлаген-С-протеиназа нуждаются в ионах Zn2+ в качестве кофактора.
• Формирование коллагеновых фибрилл из тропоколлагена посредством лизилоксидазы, образующей ковалентные связки между отдельными сегментами тропоколлагена. Кофакторами лизилоксидазы являются ионы Cu+ и тирозил-хинон.
Таким образом, процесс биосинтеза коллагена нуждается в определенных кофакторах: ионах Са2+, Mg2+, Fe2+, Mn2+, Zn2+, Cu+, тирозил-хиноне и аскорбат-анионе. Следует отметить, что воздействие иона кальция собственно на биохимический процесс синтеза коллагена достаточно низкоспецифично – ведь ионы Са2+ влияют в основном на фундаментальные клеточные процессы транскрипции генов и трансляции всех видов белков.

Заключение
Миллионам женщин старше 40 лет грозит перелом из-за хрупкости костей вследствие вымывания кальция. Каждые 5 мин в России происходит перелом проксимального отдела бедренной кости [37]. В особой группе риска находятся 34 млн женщин России старше 40 лет, и 24 млн не знают об этом. Основные причины хрупкости костей – вымывание кальция и утрата коллагена. Улучшение биосинтеза коллагена – необходимое условие для восстановления структуры кости при срастании переломов, регенерации кости при постменопаузальном, лекарственном остеопорозе, а также при других нарушениях целостности кости. Нормализация биосинтеза коллагена способствует лучшему удержанию кальция в костной ткани и, следовательно, повышению минеральной плотности кости. В отличие от других препаратов Кальцемин Адванс содержит кальций и минералы, формирующие коллагеновую сетку, что удерживает кальций в костях. Она препятствует вымыванию кальция и сохраняет прочность костной ткани.
Таким образом, Кальцемин Адванс и сохраняет прочность костной ткани: останавливает вымывание кальция, способствует синтезу коллагенового матрикса и насыщению костной ткани необходимыми микро- и макроэлементами.
Системно-биологический анализ кальций-зависимых белков протеома человека показал, что ионы кальция стимулируют биосинтез коллагена посредством действия ионов кальция на Са-чувствительный рецептор CASR и костный морфогенетический белок BMP4.
Костный метаболизм вообще и биосинтез коллагена в частности нуждается в поддержке определенными «остеотропными» микронутриентами. В частности, процесс биосинтеза коллагена нуждается в ионах Са2+, Mg2+, Fe2+, Mn2+, Zn2+, Cu+ как кофакторах соответствующих ферментов. Поэтому препараты кальция, способствующие повышению обеспеченности организма магнием, цинком, медью, марганцем (например, препарат Кальцемин Адванс), повышают потенциал коллагенообразования в соединительной ткани.

Заказать звонок
+
Жду звонка!
Мои покупки позиция убрана Отменить
  • В корзине пусто)