СОЕДИНИТЕЛЬНАЯ ТКАНЬ, фактор ограничивающий гибкость

В этой главе мы ознакомимся с существующей в настоящее время системой знаний о механических свойствах, механической....




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.


К О Л Л А Г Е Н


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). тронно-
Элекмикроскопическое исследование показывает, что отдельные волокна
коллагена имеют поперечнополосатую структуру. Характерная структура
поперечных полосок коллагена отражает ее ультраструктурную организацию. Знание этой структуры
имеет большое значение для
понимания механизма двух
основных физических свойств
коллагена, о которых мы говорили
выше.
Коллаген сухожилия расположен пучками . 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 Леблона (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 (просвеа которой имеется шарик, называемый сферулом. Поверхностный
диск представляет собой лентообразную структуру, окутывающую
трубочку. Диск имеет плотные края —трэки с шипами, расположенными
с определенным интервалом . 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  состоят из
волокна коллагена. Поперечные полосы фибриллы — следствие
взаимного перекрытия молекул коллагена . Сама молекула
коллагена ) состоит из трех полипептидных цепочек,
напоминающих тройную спираль . Аминокислотная
последовательность этих полипептидных цепочек характеризуется
наличием глицина в каждой третьей кислоте . 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 . 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 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 .
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 которой 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 . 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 .

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 матриксе. 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
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).