Хрящ выполняет формообразующую функцию в эмбрионе, а затем опорную функцию в сформировавшемся теле. В настоящее время его основные свойства — прочность и упругость — можно рассматривать на молекулярном уровне, в свете тонкого строения тканей.
Вступление
Существует ткань, которая выполняет в организме важнейшие функции, хотя лишена большинства признаков, присущих другим тканям: в ней нет ни нервов, ни кровеносных сосудов, ни лимфатической системы.
Свойства этой ткани определяются особенностями нс составляющих ее клеток, а продуктов их секреции — гигантских молекул, которые накапливаются вокруг клеток, складываясь в сложную сеть, и образуют межклеточное вещество.
Некоторые из белков, входящих в его состав, относятся к числу самых больших среди вообще синтезируемых клетками белков. Кроме того, в межклеточном веществе этой ткани много воды и ее свойства в значительной мере определяются именно структурированностью воды.
Эта ткань — хрящ, основной биологический материал, который участвует в создании формы тела, а затем служит в нем опорой. В эмбрионе хрящ образует остов, на котором формируются большие кости тела, за исключением костей черепа.
Потом в растущем организме хрящ образует так называемые зоны роста у оснований костей. В этих участках происходит рост костей в длину, что как бы продолжает эмбриональные процессы.
В течение всей жизни организма хрящ служит на костях покрытием, которое выдерживает давление и сжатие, а кроме того, обеспечивает беспрепятственное скольжение костей относительно друг друга.
Хрящ также играет роль амортизирующей опоры для костей позвоночника. Если же случается перелом кости, то в таком месте сначала образуется хрящ, который лишь через некоторое время заменяется новой костью; это может происходить в любом возрасте и является как бы кратким повторением эмбриональных процессов.
Изучение хряща не только позволит выяснить ход развития отдельных частей тела, но поможет разобраться и в процессе старения, а также в природе таких болезней, как остеоартрит. Один из аспектов исследований — анализ молекулярной структуры хряща. Этот вопрос очень важен, так как функции хряща — образование остова, заменяемого впоследствии костью, и сочленение костей — могут быть объяснены теперь, хотя бы частично, на молекулярном уровне.
Хрящ состоит из клеток — хондроцитов, в которых синтезируются гигантские молекулы, накапливающиеся в межклеточном пространстве и образующие межклеточное вещество. Химические и физические особенности молекул обусловливают такие свойства хряща, как прочность, т.е. способность распределять нагрузку и не разрываться, и упругость, т.е. способность восстанавливать исходную форму и структуру после деформации.
Прочностью хрящ обладает благодаря коллагену — жестким, вытянутым структурам из макромолекул; они имеются помимо хряща в таких органах, как кожа, легкие, глаза. Упругость хрящу придают молекулы, принадлежащие к обширной группе протеогликанов.
Развитие конечности
В эмбрионе хрящ впервые появляется на той стадии, когда начинается рост конечностей. Происходит это точно «по расписанию». В зачатках конечностей куриного эмбриона (куриный эмбрион — наиболее удобный объект для наблюдения) хрящ возникает через четыре с половиной дня после начала инкубации.
В этот момент клетки будущих конечностей в мезодерме — среднем эмбриональном слое — необратимо вступают на тот или иной из возможных для них путей развития, каждый из которых ведет к образованию ткани определенного типа — хряща, костной либо соединительной.
Судьба клеток зачатка определяется несколькими (в основном внешними по отношению к самим клеткам) факторами. Некоторые из них обусловлены развитием сосудистой системы. Первоначально зачаток конечности куриного эмбриона снабжается питательными веществами через равномерную сеть капилляров.
Вскоре, однако, один из капилляров — ближе к центру зачатка — увеличивается. Этот сосуд станет главной артерией конечности. Около него все капилляры исчезают, возможно потому, что клетки здесь выделяют вещество, тормозящее процесс образования сосудов (васкуляризацию).
Хрящ, по-видимому, содержит такое вещество в течение всей своей жизни. Исчезновение капилляров в центре зачатка завершается к концу четвертого дня развития эмбриона, за 12 ч до того, как клетки конечности вступают на путь дифференцировки. Главная артерия разветвляется к периферии, образуя сложную сеть капилляров.
Таким образом, в зачатке конечности центральные и периферические клетки по-разному снабжаются питательными веществами, кислородом и другими соединениями, циркулирующими в крови. Хрящ развивается в центральной части зачатка, лишенной сосудов.
Молекулярное строение хряща
Молекулярные компоненты хряща, т.е. вещества, которые, обеспечивают прочность и упругость этой ткани, изучают уже более 100 лет.
В 1837 г. И. Мюллер подвергал хрящ обработке под большим давлением и получил в растворенном виде вещество, которое он назвал хондрином. Спустя полвека К. Крюкенберг выделил основной компонент хондрина и идентифицировал его как хондроитинсульфат.
Затем в 1955 г. Э. Дэвидсон и К. Мейер из Колумбийского университета показали, что это вещество является разновидностью полисахарида: молекула хондроитина сульфата представляет собой цепь из повторяющихся дисахаридных звеньев, в ней чередуются глюкуроновая кислота и сульфатное производное N-ацетилгалактозамина. Хондроитин Сульфат присоединен одним из концов к длинному белку посредством специального связывающего участка — цепочки из четырех остатков сахаров.
В 1964 г. Дж. Грегори, Т. Лорент и Л. Роден из Уппсальского университета установили, что участок связывания состоит из последовательно соединенных ксилозы, которая и взаимодействует с одним из остатков серина молекулы белка, двух молекул галактозы и глюкуроновой кислоты, которая связана с остальной частью молекулы хондроитинсульфата.
В 1953 г. Э. Дэвидсоном, К. Мейером, А. Линкером и Б. Вайссманом было охарактеризовано, правда, частично, еще одно вещество из хряща.
Это соединение назвали кератансульфатом, и первоначально считалось, что оно является отдельным компонентом хряща. Позднее, однако, выяснилось, что кератансульфат связан с тем же длинным белком, что и хондроитинсульфат.
Кератансульфат — это полисахарид, состоящий из чередующихся молекул галактозы и сульфатного производного N-ацетилглюкозамина.
Важное открытие было сделано в 1969 г. студентами Рокфеллеровского университета В. Хэсколлом и С. Сайдерой. С помощью методов, которыми пользуются при изучении нуклеиновых кислот, им удалось экстрагировать из хряща неповрежденными гигантские макромолекулы, содержащие хондроитинсульфат. Такие соединения называют протеогликанами. О них стоит поговорить особо: стало понятным, каким образом протеогликаны обеспечивают упругость хряща, и это дает нам прекрасный пример взаимосвязи между структурой и функцией.
Развитие хряща
До настоящего времени немногое было известно о том, какие изменения происходят в хряще в течение жизни и как эти изменения связаны со старением организма, в частности с заболеваниями суставов.
В. Хэсколлом и его сотрудники из Национального института стоматологии провели исследования, целью которых было изучение структуры секретируемых хондроцитами протеогликанов на разных стадиях развития. Они работали на культуре клеток из зачатка конечности куриного эмбриона, так как на этом объекте можно было наблюдать появление только что дифференцировавшихся хондроцитов, их развитие, превращение во «взрослые» хондроциты и, наконец, в «старые», или «стареющие».
Через определенное время после начала культивирования клетки инкубировали в присутствии соединений, содержащих сульфатные группы, меченные радиоактивным изотопом серы 35S. Метка включалась только в синтезируемые клетками протеогликаны.
Таким путем они проследили процесс синтеза протеогликанов во времени. В только что дифференцировавшихся хондроцитах синтезируется протеогликан с очень длинными цепями хондроитинсульфата — в среднем в два раза длиннее, чем в более старых клетках.
Кроме того, среди них относительно много хондроитин-6-сульфата. По мере развития доля хондроитин-6-сульфата уменьшается, а хондроитин-4-сульфата соответственно увеличивается. Изменяется со временем и кератансульфат. В молодых клетках его молекулы очень короткие, старые же клетки синтезируют гораздо более длинные цепи кератансульфата.
Таким образом, длина и химический состав полисахаридных цепей протеогликана меняются на протяжении двух-трех недель, в течение которых, согласно своей программе развития, клетки зачатка конечности превращаются из эмбриональных хондроцитов в «стареющие». Другими словами, на разных стадиях развития происходит синтез протеогликанов, химическая структура которых уже исходно различна, а не модифицируется в межклеточном веществе.
В зачатках конечностей эмбриона процесс старения хондроцитов завершается кальцинированием хрящевого межклеточного вещества, гипертрофией и отмиранием хондроцитов, проникновением в ткань кровеносных сосудов и, наконец, заменой хрящевой ткани костными клетками и костным межклеточным веществом, образующимся на месте основы из оставшегося межклеточного вещества хондроцитов.
Можно предполагать, что «в предчувствии» замещения гипертрофированные хондроциты синтезируют протеогликан, значительно отличающийся от протеогликана зрелых хондроцитов. Существенно, что есть явная разница между программой замещения и процессом развития и старения хондроцитов в культуре.
Действительно, в гипертрофированных хондроцитах цепочки хондроитинсульфата длинные и несут сульфатные группы преимущественно в шестом положении, что характерно для молодых хондроцитов.
Влияние хряща на развитие организма
В процессе замены хряща костью в развивающемся организме происходит кальцинирование межклеточного вещества и образование сосудов. Можно думать, что хрящ и костная ткань содержат вещества, глубоко влияющие на другие ткани. Эту идею стоит взять на вооружение для борьбы с различными болезнями. С ее помощью можно также разобраться в порядке развития тканей тела.
Рассмотрим тот поразительный факт, что в нормальном, здоровом хряще отсутствуют сосуды. В курином эмбрионе те клетки, которые станут после дифференцировки хондроцитами, можно идентифицировать потому, что там, где они находятся, — в центре развивающейся конечности — нет кровеносных сосудов. В полностью сформировавшемся организме ситуация во многом сходная.
А еще ученые показали, что в хряще действительно содержится какое-то вещество, специфически тормозящее проникновение в ткань кровеносных сосудов. Сосуды только тогда внедряются в хрящ, когда программа его развития выполнена, а хондроциты становятся гипертрофированными и отмирают; васкуляризация предшествует образованию кости.
Природа этого вещества до сих пор не установлена, и исследования продолжаются. Например, получают экстракты хрящевой ткани, фракционируют их и каждую фракцию проверяют, чтобы найти ту, которая тормозит васкуляризацию. Идентификация гипотетического ингибитора — очень важная задача, в частности в связи с тем, что для роста опухоли необходимо хорошее снабжение кровью.
Итог
Пока что в результате изучения хрящевой ткани стало ясно по крайней мере одно — и эмбриональное развитие хряща, и возрастные изменения его в сформировавшемся организме зависят от однотипных запрограммированных изменений, которые проявляются в межклеточном веществе, продуцируемом хондроцитами. В частности, развитие и старение хряща отражают изменения синтеза протеогликанов, которые в конечном счете контролируются генетическим аппаратом.