Функции муцинов в слизистой оболочке
ЗАЩИТНЫЕ ФУНКЦИИ МУЦИНОВ
Муцины — главные гликопротеины слизи, покрывающей дыхательные, пищеварительные и мочеполовые пути. Слизистый слой защищает от инфекций, обезвоживания, физических и химических повреждений, а также играет роль смазки и способствует прохождению веществ по тракту.
Муцины слизи продуцируются высокоспециализированными бокаловидными клетками эпителия или клетками специализированных слизистых желез.
УГЛЕВОДНО-БЕЛКОВЫЙ СОСТАВ МУЦИНОВ
Углеводный состав муцинов. Около 95% массы слизи составляет вода, 1% – соли и другие диализуемые компоненты, 0,5-2% – свободные белки, нуклеиновые кислоты и липиды и около 3% – муцины. К настоящему времени отработаны методы выделения и очистки муцинов. Основными характеристиками очищенных муцинов являются специфический аминокислотный состав с присущим ему высоким содержанием серина, треонина и пролина и большое содержание углеводов с характерным набором моносахаридных остатков. Муцины с аналогичными характерными чертами присутствуют не только в слизи. Их много обнаружено в желчи, соке пожелудочной железы и дуоденальном соке.
Углеводный состав муцинов представлен пятью типами моносахаридов: фукозой (Fuc), галактозой (Gal), N-ацетилглюкозамином (GlcNAc), N-ацетил-галактозамином (GalNAc) исиаловыми кислотами. Сиаловые кислоты — обобщенное название производных нейраминовой кислоты. Имеется незначительном присутствии в муцинах и других моносахаридов. Перечисленные моносахариды образуют олигосахаридные цепочки, содержащие от 1 до 22 (в среднем 8–10) моносахаридных остатков. Цепочки связаны O-гликозидной связью, в образовании которой участвуют N-ацетилгалактозамин и гидроксильная группа боковой цепи серина или треонина.
Белковый состав муцинов. На долю белка в муцинах приходится около 30% массы молекулы. Муцины характеризуются необычным аминокислотным составом — более 50% приходится на серин, треонин и пролин. Большое содержание серина и треонина в муцинах обусловлено тем, что сотни углеводных цепочек связываются только с серином или треонином. Высокое содержание пролина необходимо, по-видимому, для формирования особой конформации белкового остова, способного разместить на себе сотни углеводных цепочек. Кроме того, известно, что пролин способствует гликозилированию соседних с ним серина или треонина. Из соотношения аминокислотных остатков и углеводных цепей следует, что каждый третий остаток должен быть связан с углеводной цепочкой. Поэтому основная часть белка в муцинах должна иметь конформацию вытянутого, довольно жесткого стержня. Такую структуру сравнивают с ершиком для мытья посуды, у которого стержнем является полипептид, а углеводные цепочки – щетинками.
Вторая особенность аминокислотного состава муцинов – большое количество цистеиновых остатков. Эти остатки участвуют в образовании олигомерной структуры муцинов, так как при обработке тиоловыми агентами муцины распадаются на отдельные, скорее всего неидентичные, но очень сходные между собой субъединицы. При этом углеводный и белковый состав отдельной субъединицы мало отличается от их состава в олигомерной структуре.
МЕМБРАННЫЕ И СЕКРЕТИРУЕМЫЕ МУЦИНЫ
Муцины, или мукопротеины — семейство высокомолекулярных гликопротеинов, содержащих кислые полисахариды. Это семейство очень гетерогенно: молекулярный вес его представителей варьирует в пределах от 0,2 до 10 миллионов дальтон [1]. В своей структуре муцины содержат тандемные повторы из таких аминокислот, как пролин, треонин и серин; именно по двум последним идет гликозилирование [2]. У человека выделяют до 21 вида мукопротеинов, обозначаемых как MUC1, MUC2 и так далее (табл. 1), которые по месту своего расположения в слизи делятся на мембранные и секретируемые формы (рис. 1а, 1б) [3].
Рисунок 1. Секретируемые и мембранные формы муцинов в защитном барьере эпителия. а — Секретируемые муцины формируют поверхностный защитный гель над эпителиальными клетками. MUC2 — самый распространенный муцин слизистой оболочки желудочно-кишечного тракта. б — Трансмембранные муцины экспонируются на поверхности клеток эпителия, где они представляют собой часть гликокаликса. Участки с тандемными повторами аминокислот на N-конце жестко закреплены над гликокаликсом, и при их отрыве у MUC1 и MUC4 открываются субъединицы муцинов, способные передать в клетку стрессовый сигнал. Рисунок из [2].
Таблица 1. Классификация муцинов и их примерная локализация в организме.
МУЦИН
МУЦИН (лат. mucus слизь) — основной компонент слизистых секретов, синовиальной жидкости и других слизистых веществ животного происхождения, сообщающий им вязкостные свойства.
Термин впервые предложен в 1835 г. де Соссюром (de Saussure) и отражает тот исторический этап в изучении мукопротеидов, когда их хим. состав был неизвестен. Присутствие в М. углеводов впервые было открыто в 1865 г. Э. Э. Эйхвальдом при кислотном гидролизе М. кисты яичника и М. улитки Helix pomatia. Широкое распространение этот термин получил во второй половине 19 — начале 20 в. как групповое название слизистых веществ, содержащихся в слюне, слизи, основном веществе хряща, пупочном канатике и др. Изучение М. было направлено на идентификацию его углеводного компонента; была установлена природа входящих в М. углеводов, определен характер хим. связи углеводов с белками, уточнено строение отдельных углеводных соединений.
Выделение гликозаминогликанов и выяснение их важной роли в структуре и функции соединительной ткани привело к тому, что термин «муцин» стали применять только для обозначения М. эпителиального происхождения.
Общим характерным признаком М. различного происхождения считали его способность осаждаться уксусной к-той на холоду. М. в отличие от белка с трудом растворяется в избытке уксусной к-ты и не свертывается при нагревании; хорошо осаждается спиртом, ацетоном, эфиром, хлороформом, легко растворяется в разбавленных щелочах. Слизистые вещества, напр, содержимое так наз. псевдомуцинозных кист яичника, не преципитирующее под действием уксусной к-ты, называют псевдомуцином или мукоидом. Физ.-хим. свойства и тинкториальные особенности М., в частности способность давать метахромазию (см.), объясняют полисахаридной структурой углеводной части М.
Эпителиальные М. играют роль биол. протекторов, защищающих слизистые оболочки от физических воздействий, проникновения микробов и вирусов. Они хорошо изучены и представляют собой комбинации мукопротеидов различного типа, содержащих в простетической группе гликозаминогликаны, аминополиса-хариды, сиаловые к-ты. Разные М. отличаются по характеру белкового и углеводного компонента. Однако, несмотря на видовые и органные различия, они имеют принципиально сходную хим. организацию. В частности, кислотный компонент подавляющего большинства исследованных М. представлен остатками уроновых и сиаловых к-т (сиаломуцины). В составе ряда М. наряду с сиаловыми к-тами обнаруживают сульфатированных гликозаминогликаны (сульфомуцины). В составе псевдомуцинов выявляют аминополисахариды и гликопротеиды. Сиаловые к-ты найдены в М. бронхиальных желез и слизистой оболочки носа.
Для выявления М. при гистол, исследовании используют окраску препарата муцикармином (см. Кармин). Для гистохим, идентификации различных углеводных соединений, входящих в состав М., разработаны многочисленные методы и схемы их применения (см. Мукополисахариды).
Библиография: Быкова В. П. и Чернышева Э. В. Использование авторадиографического метода при исследовании эпителиальных муцинов слизистой оболочки носа человека, Арх. патол., т. 36, № 7, с. 80, 1974; Гликопротеины, под ред. А. Готтшалка, пер. с англ., т. 1—2, М., 1969; Принципы и методы гистоцитохимического анализа в патологии, под ред. А. П. Авцына и др., с. 7, М.— JI., 1971, библиогр.; Струков А. И. и Серов В. В. Патологическая анатомия, М,, 1979; Handbuch der Histochemie, hrsg. v. W. Graumann u* a., Bd 1—8, Stuttgart, 1958—1976.
Слюна как основной инструмент поддержания гомеостаза полости рта, Заведующий стоматологической поликлиникой, О.В.Масальская
Слюна – это сложная биологическая жидкость, вырабатываемая специализированными железами и выделяемая в полость рта.
-Пищеварительная. Первый этап переваривания начинается уже во рту, где пища находится всего 8-10 секунд.
Расщепляя пищу, слюна делает ее доступной для вкусовых рецепторов. Благодаря чему, мы ощущаем вкус еды, появляется аппетит.
-Минерализующая. В зубную эмаль слюной поставляются микроэлементы и минеральные вещества, стабилизирующие химический состав эмали, уплотняющие и помогающие ее «созреванию», это препятствует деминерализации твердых зубных тканей.
-Защитная. Поверхность зубов слюна покрывает своеобразной защитной биопленкой («пелликулой» или липким слоем) из Ca, фосфора, пептидов.
Пелликула очень прочная, снижает многократно растворимость эмали, нейтрализует агрессивное влияние на нее щелочей и кислот (пищевых и из зубного налета), оберегает зубы от камнеобразования.
Тонкий слой белка-муцина, содержащегося в слюне, обволакивает зубы и все слизистые во рту, хорошо их смазывает, предохраняет от обезвоживания, повреждений химических, механических, прилипания бактерий.
-Антибактериальная. Слюна препятствуют излишнему размножению болезнетворных микроорганизмов, попаданию в организм микробов и вирусов извне.
-Очищающая. Обильная слюна обеспечивает процесс самоочищения ротовой полости и зубов, омывая их от частичек еды и скопления микроорганизмов.
-Выделительная. Наше тело со слюной (когда мы сплевываем) выводит все лишнее: кислоту мочевую, продукты переработки и токсины лекарств, мочевину, гормоны и другие отходы жизнедеятельности.
-Заживляющая. Наличие бактерицидных, плазмосвертывающих и регенерирующих веществ в слюне способствуют быстрому заживлению любых ран во рту без их инфицирования.
-Речевая. Увлажнение слюной и слизью в ее составе полости рта дает нам возможность разговаривать членораздельно.
Как видим, задачи, осуществляемые слюной, многообразны и очень важны для нормального функционирования нашего организма.
Химический состав слюны определяет выполнение вышеперечисленных функций. Состав слюны не постоянен и зависит от многих факторов: времени суток, потребляемых продуктов, пищевого стимулятора, экологии, состояния здоровья, возраста. Подробнее о составе слюны:
1) Вода составляет около 80-90%. Ее роль – способствовать их смешиванию и растворению;
Некоторые ферменты, содержащиеся в слюне, в процентном соотношении изменяются с возрастом. Значение любого из элементов велико. Нельзя сказать, что какой-то из ферментов имеет более важное, а какой-то – менее важное значение.
Вязкость секрету придает муцин, в результате работы речевого аппарата в слюну проникает воздух и образуются пузырьки. Чем больше пузырьков, чем больше преломляется и рассеивается свет, поэтому создается впечатление, что слюна белая.
Если ротовую жидкость собрать в прозрачную стеклянную посуду, она отстоится и снова станет однородной и прозрачной. Но это в норме. Изменение цвета, консистенции и увеличение объема пены может быть обусловлено патологическими процессами в ротовой полости и рядом расположенных органах.
В частности, слюна может стать полностью белая, как пена. Это обусловлено тем, что муцин в слюне образуется в избыточном количестве (например, при физических нагрузках) «экономит» воду и секрет становится более вязким, в результате повышения концентрации муцина.
Белые и пенистые слюни могут выделяться при гальванизме – болезни, имеющей неврологическое происхождение. При этом недуге раздражается нервный центр, возможны головные боли, плохой сон. Обычно болезнь поражает людей, у которых во рту – старые металлические коронки. Они выделяют вещества, негативно влияющие на нервный центр, в итоге меняются состав и функции слюны. Для полного излечения необходимо заменить коронки, а также регулярно полоскать рот противовоспалительными растворами, принимать седативные препараты.
Белый цвет обретает слюна при кандидозе (он развивается вследствие избыточного размножения грибка из-за снижения иммунитета). Здесь тактика лечения направлена на восстановление иммунитета и подавление размножения грибка.
Любые нарушения в ее составе или количестве должны вас насторожить. Ведь плохо переваренная пища не сможет полностью усвоиться, недополучит питательные вещества, а значит, ослабнет иммунитет. Поэтому давайте не будем считать нарушения в выработке слюны мелочью – любое недомогание должно заставить вас как можно быстрее обратиться к врачу, чтобы выяснить его причины и постараться полностью его устранить.
Заболевания, влияющие на состав слюны: патология ЖКТ, сахарный диабет, патология почек и уремия, гипертония, эпидемический паротит, панкреатит, гепатит, и др.
Многие слышали про рН слюны, что же это такое? Нормой pH считается значение от 5,6 примерно до 7,6. Чем выше эта цифра – тем более здоровая среда создается в ротовой полости. Реакция слюны в норме не должна быть кислой. Повышенная кислотность свидетельствует о том, что во рту присутствует микрофлора. Чем более щелочная среда, тем лучше ротовая жидкость выполняет защитные функции, в частности, предохраняет эмаль зубов от развития кариеса. В такой среде бактерии почти не размножаются. Смещение водородного показателя в кислую (ниже 6,0) или щелочную (к 8,0) сторону влечет нарушение важнейшей минерализующей функции слюны.
При ph ближе к 5,5 слюна становится деминерализующей жидкостью, поглощающей из зубов укрепляющие их минералы, это начальная стадия кариеса.
Если показатель подымается выше 7,4, возрастает концентрация ионов фосфата и кальция, участвующих в формировании зубных камней, что объясняет кариес-устойчивость, но подверженность к заболеваниям периодонта.
Стимулируют синтез слюны:
Ксеростомия (недостаточная выработка слюны) проявляется сухостью во рту, болезненными ощущениями при жевании и глотании пищи, при разговоре, нарушением восприятия вкуса еды, кариесом и некрозом, тягучей и вязкой слюной.
Недостаточная секреция слюны чревата нарушением процесса самоочищения ротовой полости, кариесом, заболеваниями периодонта, ухудшением общего здоровья.
Качество слюны и наличия в ней полезных свойств, напрямую зависит от общего состояния ротовой полости, а также от здоровья зубов и десен в частности. Поэтому регулярное посещение стоматолога и соблюдение правил гигиены полости рта, позволяет иметь здоровую слюну, которая очень необходима для организма человека.
Заведующий стоматологической поликлиникой О.В.Масальская
Приемная главного врача
(+375 214) 50-62-70
(+375 214) 50-62-11 (факс)
Канцелярия
(+375 214) 50-15-39 (факс)
Слизистый след раковых заболеваний
Слизистый след раковых заболеваний
Автор
Редактор
Статья на конкурс «био/мол/текст»: Муцины — главные гликопротеины слизи, покрывающей дыхательные, пищеварительные и мочеполовые пути. Слизистый слой защищает от инфекций, обезвоживания, физических и химических повреждений, а также играет роль смазки и способствует прохождению веществ по тракту. Но интересно другое: оказывается, по изменению уровня продукции муцинов в эпителиальных клетках различных органов — легких, простаты, поджелудочной железы и других — можно судить о развитии скрытых до поры до времени онкологических процессов. Особенно это актуально при затруднениях в диагностике рака и в определении источника опухолевых клеток при метастазировании.
Обратите внимание!
Эта работа опубликована в номинации «новостное сообщение» конкурса «био/мол/текст»-2015.
Спонсором номинации «Лучшая статья о механизмах старения и долголетия» является фонд «Наука за продление жизни». Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма Helicon.
Спонсоры конкурса: Лаборатория биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions и Студия научной графики, анимации и моделирования Visual Science.
Муцины (от лат. mucus — слизь), или мукопротеины — семейство высокомолекулярных гликопротеинов, содержащих кислые полисахариды. Это семейство очень гетерогенно: молекулярный вес его представителей варьирует в пределах от 0,2 до 10 миллионов дальтон [1]. В своей структуре муцины содержат тандемные повторы из таких аминокислот, как пролин, треонин и серин; именно по двум последним идет гликозилирование [2]. У человека выделяют до 21 вида мукопротеинов, обозначаемых как MUC1, MUC2 и так далее (табл. 1), которые по месту своего расположения в слизи делятся на мембранные и секретируемые формы (рис. 1) [3].
Рисунок 1. Секретируемые и мембранные формы муцинов в защитном барьере эпителия. а — Секретируемые муцины формируют поверхностный защитный гель над эпителиальными клетками. MUC2 — самый распространенный муцин слизистой оболочки желудочно-кишечного тракта. б — Трансмембранные муцины экспонируются на поверхности клеток эпителия, где они представляют собой часть гликокаликса. Участки с тандемными повторами аминокислот на N-конце жестко закреплены над гликокаликсом, и при их отрыве у MUC1 и MUC4 открываются субъединицы муцинов, способные передать в клетку стрессовый сигнал. Рисунок из [2].
| Мембранно-связанные муцины: | Секретируемые муцины: |
|---|---|
| MUC1 — желудок, грудная клетка, желчный пузырь, шейка матки, поджелудочная железа, дыхательные пути, двенадцатиперстная кишка, толстая кишка, почки, глаза, B-клетки, T-клетки, дендритные клетки, эпителий среднего уха | MUC2 — тонкая и толстая кишки, дыхательные пути, глаза, эпителий среднего уха |
| MUC3A/В — тонкая и толстая кишки, желчный пузырь, эпителий среднего уха | MUC5B — дыхательные пути, слюнные железы, шейка матки, желчный пузырь, семенная жидкость, эпителий среднего уха |
| MUC4 — дыхательные пути, желудок, толстая кишка, шейка матки, глаза, эпителий среднего уха | MUC5AC — дыхательные пути, желудок, шейка матки, глаза, эпителий среднего уха |
| MUC12 — желудок, тонкая и толстая кишки, поджелудочная железа, легкие, почки, простата, матка | MUC6 — желудок, двенадцатиперстная кишка, желчный пузырь, поджелудочная железа, семенная жидкость, шейка матки, эпителий среднего уха |
| MUC13 — желудок, тонкая и толстая кишки (включая аппендикс), трахея, почки, эпителий среднего уха | MUC7 — слюнные железы, дыхательные пути, эпителий среднего уха |
| MUC16 — перитонеальный мезотелий, репродуктивные пути, дыхательные пути, глаза, эпителий среднего уха | MUC19 — сублингвальные и субмандибулярные слюнные железы, дыхательные пути, глаза, эпителий среднего уха |
| MUC17 — тонкая и толстая кишки, желудок, эпителий среднего уха | MUC20 — почки, плацента, толстая кишка, легкие, простата, печень, эпителий среднего уха (в некоторых источниках этот муцин относят к мембранно-связанным [1]) |
В слизистой оболочке муцины выполняют важную защитную функцию. Они помогают организму очищаться от ненужных субстанций, держать дистанцию от патогенных организмов и даже регулировать поведение микробиоты. В кишечнике, например, мукопротеины участвуют в диалоге между бактериями и эпителиальными клетками слизистой. Микробиота через эпителиальные клетки влияет на продукцию муцинов (рис. 2), а те, в свою очередь, могут участвовать в передаче воспалительных сигналов [4, 5]. К гликанам муцинов прикрепляются бактериофаги, которые тоже вносят свою лепту в регуляцию численности бактерий [6]. Углеводные цепи мукопротеинов прекрасно связывают воду, образуя плотный слой и удерживая таким образом антимикробные белки от смывания в просвет кишечника [7]. Конечно, в слизистой желудочно-кишечного тракта (и не только его) мукопротеины не являются основным защитным механизмом. Помимо муцинов в защите участвуют антимикробные пептиды, секретируемые антитела, гликокаликс и другие структуры.
Рисунок 2. Влияние микробиоты на секрецию слизи. Бактерии — комменсалы толстой кишки в ходе катаболизма неперевариваемых в тонкой кишке углеводов образуют короткоцепочечные жирные кислоты (SCFA, short-chain fatty acids), такие как ацетат, пропионат и бутират, которые повышают продукцию муцинов и защитную функцию эпителия. Рисунок из [5].
При длительном стрессовом воздействии на клетку возможна ее раковая трансформация. Под действием стресса клетка может потерять полярность, в результате чего ее апикальные трансмембранные молекулы, среди которых присутствуют и муцины, начнут экспонироваться на базолатеральных поверхностях. В этих местах муцины — нежелательные гости, так как их неспецифическое связывание с другими молекулами и рецепторами может привести к нарушению межклеточных и базальных контактов. MUC4, например, содержит EGF-подобный домен, способный связываться с тирозинкиназным рецептором соседней клетки и приводить к нарушению плотных контактов [2]. Лишенная связи с окружением, деполяризованная клетка имеет все шансы превратиться в раковую, если уже не является ею.
Рисунок 3. Структура мукопротеина MUC1. СТ — цитоплазматический домен, ТМ — трансмембранный домен. Рисунок из [12].
В диагностике некоторых видов злокачественных опухолей изучают профиль производимых клетками муцинов. Дело в том, что экспрессия генов разных типов мукопротеинов во время развития организма имеет специфические пространственно- временные рамки. Однако при онкологических заболеваниях часто наблюдают нерегулируемую экспрессию некоторых из этих генов. Например, MUC1 (рис. 3) в определенном количестве является маркером рака мочевого пузыря [8]. При патологии концентрация MUC1 значительно увеличивается, изменяется и структура мукопротеина. Путем воздействия на клеточный метаболизм через тирозинкиназные и другие рецепторы MUC1 усиливает продукцию факторов клеточного роста [8].
Однако оценка сывороточного уровня MUC1 — не слишком чувствительный, хотя и высокоспецифичный метод диагностики рака мочевого пузыря, для скрининга не подходящий, но для слежения за прогрессией пригодный. Установлено также, что благоприятный исход заболевания связан с гиперпродукцией рецептора к эпидермальному фактору роста HER3 на фоне повышенного содержания MUC1. Только с помощью совокупного анализа этих маркеров можно строить какие-то прогнозы [9].
Дальнейшие исследования, связанные с этим муцином, будут посвящены изучению влияния взаимодействий MUC1 с различными факторами и рецепторами на течение болезни. Кроме того, уже идентифицирован генный локус, ответственный за синтез молекулы MUC1. Этот локус рассматривают в качестве возможной мишени для проведения генной терапии в целях уменьшения риска развития первичной опухоли и ее метастазирования*.
* — Подробно о генетической терапии рассказано в статье «Генная терапия против рака» [10].
Другое исследование выявило, что аномальная экспрессия гена, кодирующего MUC4, является маркером рака поджелудочной железы. Ген этого муцина заметно экспрессировался именно в раковых клетках, но не в тканях нормальной или даже воспаленной железы (при хроническом панкреатите). В качестве основного диагностического метода ученые использовали ПЦР с обратной транскрипцией. Этим же способом они оценили и уровень синтеза мРНК MUC4 в моноцитарной фракции периферической крови пациентов: ведь именно по крови в случае успеха было бы легче всего проводить скрининг в клиниках. Такой анализ оказался достоверным способом выявления панкреатической аденокарциномы на ранних стадиях. У здоровых людей и при опухолях других органов экспрессию гена MUC4 не фиксировали [11].
Открытие того факта, что трансмембранные муцины ассоциированы с клеточной трансформацией и могут способствовать развитию опухоли, положило начало новому направлению в изучении противораковых агентов — пока в доклинических исследованиях.
Увеличение продукции муцинов можно наблюдать при самых разных болезнях, затрагивающих слизистые. Однако в некоторых случаях профиль экспрессии генов разных муцинов, возможно, удастся связать с конкретной патологией. Да и среди многочисленных структурных трансформаций муцинов, характерных для рака, можно выделить те, которые станут наиболее специфичными маркерами для рутинного выявления той или иной опухоли.
