Что вызывает денатурацию белка
Пищевая химия
Пищевая химия (лекция 8)
1. Белки мяса и молока
Наиболее распространенным белком в животном мире является коллаген (кожа, сухожилия, кровеносные сосуды, кости, роговица глаз, хрящи). Он обеспечивает внеклеточную структуру в соединительной животной ткани, существуя не менее чем в пяти различных типах. Коллаген внеклеточный белок, но синтезируется он внутри клетки в виде молекул-предшественников.
Близкий по свойствам к коллагену, в эластичных фибриллах соединительной ткани обнаружен белок эластин, содержащийся в связках и стенках кровеносных сосудов. Этот белок беден пролином.
Мясо, содержащее много соединительной ткани, остается жестким и после тепловой обработки; усвояемость коллагена и эластина в нем очень низкая. Однако при необходимости усилить двигательную функцию кишечника целесообразно использовать продукты, богатые соединительной тканью.
Желатин – продукт неполного гидролиза коллагена. По аминокислотному составу желатин неполноценен, но желеобразные продукты из него перевариваются без напряжения секреции пищеварительных органов. Данное свойство позволяет применять желатин в диетах щадящего режима.
Молоко – это гетерогенная система, в которой в качестве дисперсной фазы выступают эмульгированные жировые глобулы и коллоидные мицеллы казеина, а в роли дисперсионной среды – раствор белков, лактозы, солей и витаминов. Общее содержание белков в молоке колеблется от 2,9 до 3,5 %. Среди них выделяют две основные группы: казеины и сывороточные белки.
В молоке содержится более 20 ферментов, а также гормоны и белки в составе оболочек жировых шариков.
Основными белками молока являются казеины, которые легко перевариваются и являются источниками незаменимых аминокислот, кальция, фосфора и ряда физиологически активных пептидов. Например, при действии в желудке на κ-казеин химозина высвобождаются глико- и фосфопептиды, которые регулируют секрецию желудочного сока, моделируют физико-химические свойства белков, осуществляют защиту от протеолиза и влияют на проницаемость мембран клеток. Важнейшими физиологическими функциями обладают сывороточные белки. Иммуноглобулины выполняют защитную функцию, лактоферрин и лизоцим являются носителями антибактериальных свойств, лактоферрин и β-лактоглобулин выполняют транспортную роль, перенося в кишечник микро- и макроэлементы, витамины и липиды.
Казеин в молоке содержится в виде казеинаткальциевого фосфатного комплекса.
Кальций в составе комплекса выполняет роль структурообразователя, создавая мостик между серинфосфатными группами двух молекул казеина. Казеин молока осаждается при рН 4,6-4,7, когда на его молекулах наступает равенство положительных и отрицательных зарядов. Нерастворимый казеин обладает способностью связывать воду в достаточно больших количествах, что важно для устойчивости частиц белка в сыром, пастеризованном или стерилизованном молоке. Гидрофильные свойства казеина усиливаются при взаимодействии его с β-лактоглобулином, которые наблюдаются в процессе тепловой обработки молока, и от них зависят структурно-механические свойства сгустков, образующихся при кислотном свертывании или получении сырной массы при созревании сыров.
Промышленные казеины получают из обезжиренного молока действием кислот, кисломолочной сыворотки, введением солей кальция, химозина и др. В зависимости от способа получения различают казеинат натрия, казеинат кальция, кислотный, сычужный казеин и копреципитат с разными функциональными свойствами. При производстве новых форм белковой пищи большое значение имеет гелеобразование казеина, его взаимодействие с веществами небелковой природы, образование стойких эмульсий и явление синерезиса.
Белки молока характеризуются высокой биологической ценностью, они содержат в избыточных количествах лизин и триптофан с одновременным недостатком серосодержащих аминокислот. Белки сыворотки содержат незаменимые аминокислоты в значительно больших количествах, чем казеин.
Что вызывает денатурацию белка
Под денатурацией понимают утрату трехмерной конформации, присущей данной белковой молекуле. Это изменение может носить временный или постоянный характер, но и в том, и в другом случае аминокислотная последовательность белка остается неизменной. При денатурации молекула развертывается и теряет способность выполнять свою обычную биологическую функцию. Вызывать денатурацию белков могут разнообразные факторы, перечисленные ниже.
Нагревание или излучение белка, например инфракрасное или ультрафиолетовое. Кинетическая энергия, сообщаемая белку, вызывает вибрацию его атомов, вследствие чего слабые водородные и ионные связи разрываются,и белок свертывается (коагулирует).
Сильные кислоты, щелочи, соли денатурируют белок. Под действием этих реагентов ионные связи разрываются и белок коагулирует. Длительное воздействие реагента может вызвать разрыв и пептидных связей.
Тяжелые металлы денатурируют белок. Положительно заряженные ионы тяжелых металлов (катионы) образуют прочные связи с отрицательно заряженными карбоксил-анионами R-групп белка и часто вызывают разрывы ионных связей. Они также снижают электрическую поляризацию белка, уменьшая его растворимость. Вследствие этого находящийся в растворе белок выпадает в осадок.
Органические растворители и детергенты денатурируют белок. Эти реагенты нарушают гидрофобные взаимодействия и образуют связи с гидрофобными (неполярными) группами. В результате разрываются и внутримолекулярные водородные связи. Использование спирта в качестве дезинфицирующего средства основано именно на том, что он вызывает денатурацию белка любых присутствующих бактерий.
Ренатурация белков
Иногда денатурированный белок в подходящих условиях вновь спонтанно приобретает свою нативную структуру. Этот процесс называется рена-турацией. Ренатурация убедительно показывает, что третичная структура белка полностью определяется его первичной структурой и что сборка биологических объектов может осуществляться на основе немногих общих принципов.
Денатурация белков
Денатурация белков (от лат. de- — приставка, означающая отделение, удаление и лат. nature — природа; не путать с лат. denaturatus — лишенный природных свойств) — термин биологической химии, означающий потерю белками их естественных свойств (растворимости, гидрофильности и др.) вследствие нарушения пространственной структуры их молекул.
Процесс денатурации отдельной белковой молекулы, приводящий к распаду её «жёсткой» трёхмерной структуры, иногда называют плавлением молекулы.
Содержание
Механизмы денатурации
Практически любое заметное изменение внешних условий, например, нагревание или обработка белка щелочью приводит к последовательному нарушению четвертичной, третичной и вторичной структур белка. Обычно денатурация вызывается повышением температуры, действием сильных кислот и щелочей, солей тяжелых металлов, некоторых растворителей (спирт), радиации и др.
Денатурация часто приводит к тому, что в коллоидном растворе белковых молекул происходит процесс агрегации частиц белка в более крупные. Визуально это выглядит, например, как образование «белка» при жарке яиц.
Ренатурация
Ренатурация (высаливание) — процесс, обратный денатурации, при котором белки возвращают свою природную структуру. Нужно отметить, что не все белки способны ренатурировать; у большинства белков денатурация необратима.
См. также
Ссылки
Полезное
Смотреть что такое «Денатурация белков» в других словарях:
денатурация белков — – явление разрушения нативной (вторичной, третичной и четвертичной) структуры белка под действием химических и физико химических факторов … Краткий словарь биохимических терминов
Денатурация белков — * дэнатурацыя бялкоў * denaturation of proteins разворачивание белковой молекулы, потеря ею четвертичной, третичной и вторичной структур под действием высокой температуры или ионных детергентов, таких как содиумдодецил сульфат. Переход из… … Генетика. Энциклопедический словарь
денатурация белков — (иск. лат. denaturare лишать природных свойств) изменение естественных свойств белков при изменении физ. и хим. условий среды (температуры, давления и т. п.), проявляющееся в понижении растворимости белков, повышении вязкости их растворов,… … Словарь иностранных слов русского языка
ДЕНАТУРАЦИЯ БЕЛКОВ — потеря, изменение естественных свойств белков (растворимости, гидрофильности, вязкости и т. д.) вследствие нарушения естественной вторичной и третичной структур под влиянием высокой температуры, действия сильных кислот и щелочей, тяжелых металлов … Словарь ботанических терминов
Денатурация — Денатурация лишение естественных свойств Денатурация биополимеров изменение структуры их молекул, приводящее к потере их естественных свойств: Денатурация белков Денатурация нуклеиновых кислот Денатурация продуктов изменение… … Википедия
денатурация — и, ж. dénaturation f. 1. Изменение природной структуры молекулы белка, нуклеиновой кислоты и других биополимеров при воздействии физических и химических свойств среды (температуры, давления и т. п.). БАС 2. Белки природных продуктов называют… … Исторический словарь галлицизмов русского языка
ДЕНАТУРАЦИЯ — (от лат. De приставка, означающая удаление, утрату, и nаtura природные свойства), утрата природной (нативной) конфигурации молекулами белков, нуклеиновых к т и др. биополимеров в результате нагревания, химич. обработки и т. п. Обусловлена… … Биологический энциклопедический словарь
денатурация — и, мн. нет, ж. ( … Словарь иностранных слов русского языка
Денатурация — белков (от Де. и лат. natura природные свойства, сущность), характерное для белковых веществ изменение их строения и естественных свойств при изменении физических и химических условий среды: при повышении температуры, изменении… … Большая советская энциклопедия
денатурация — см. денатурировать; и; ж. Денатура/ция белков. Денатура/ция спирта … Словарь многих выражений
Что вызывает денатурацию белка
Этот вопрос регулярно поднимается на множестве популярных ресурсов, посвященных бодибилдингу. Ряд источников приписывают неденатурированному белку противораковую, иммуномодулирующую, антиоксидантную активность, улучшение показателей уровня сахара в крови и позитивное влияние на синтез белка в мышцах спортсмена [1,2,3], и конечно же, по всем этим показателям «обычный» денатурированный протеин показан в худшем свете. Неудивительно, что подобная информация активно обсуждается на форумах [4,5], а производители выпускают специальные серии протеина с соответствующей пометкой на упаковке [6].
Насколько обоснованы такие заявления? Давайте разбираться.
Белок и его структура
Белок, он же протеин, он же полипептид – это цепочка из аминокислот, которые соединены между собой пептидными связями [7]. Это так называемая первичная структура белка.
Рис. 1 Первичная структура белка
Аполипопротеин С1, участвующий в обмене холестерина, состоит из 57 аминокислот [8], а вот титин, один из важных белков мышц человека, имеет длину около 35 000 аминокислот [9].
Следующем уровнем организации белковой молекулы является вторичная структура, которая стабилизирована другим типом связей – водородными [7]. В рамках вторичной структуры рассматриваются связи между близлежащими аминокислотами.
Рис. 2 Переход от первичной к вторичной структуре белка [10]
Когда же необходимо рассмотреть способ укладки всей белковой молекулы, в том числе и связи между относительно удаленными аминокислотами, то речь идет о третичной структуре. В поддержании такой структуры задействовано несколько видов химических связей – гидрофобные, водородные, электростатические и т.д. [11].
Рис. 3 Третичная структура белка. Овальбумин, один из белков куриного яйца [12]
Некоторые протеины представляют собой комплекс из нескольких белковых цепей (в данном случае именуемых субъединицами), которые объединены вместе и в таком виде выполняют свои функции. Для описания таких комплексов используется понятие «четвертичная структура белка». Примером такого комплекса является гемоглобин, который переносит кислород в крови и состоит из 4 субъединиц 2 типов, по 2 субъединицы каждого типа.
Рис. 4 Четвертичная структура гемоглобина. 4 субъединицы выделены разными цветами [7]
Протеины становятся функциональными только после завершения формирования трехмерной структуры, когда все необходимые химические связи будут установлены и белок приобретет свой характерный вид.
Денатурация белка
В строгом биохимическом смысле денатурацией называют потерю белком своих функциональных свойств по причине нарушения трехмерной структуры. Денатурация не обязательно означает полное развертывание до цепочки и принятие неупорядоченной структуры, существует множество промежуточных состояний. Иногда критично нарушение буквально нескольких связей.
Рис. 5 Денатурация белка [14 с изменениями]
Однако важно заметить, что при денатурации не меняется первичная структура белка, то есть пептидные связи остаются целыми и сам белок не расщепляется на фрагменты. Сохраняется длина молекулы, аминокислотный состав и т.д.
Денатурация может произойти под воздействием высоких температур, кислот, щелочей и т.д. [7]. Классическим примером денатурации является изменение внешнего вида белковой части куриного яйца после варки, и очевидно, что такая денатурация в домашних условиях необратима [13].
Однако в ряде случаев восстановление трехмерной структуры протеина все же возможно, и этот процесс называется ренатурацией. Свойство ренатурации используется в многих лабораторных методиках работы с белками.
Если же первичная структура белка все же нарушена, то произошла так называемая деструкция [15].
Таким образом, денатурация означает лишь изменение укладки белковой молекулы в пространстве.
Белки и пищеварение
Ок, спортсмен выпил протеиновый коктейль или съел кусок мяса. Теперь рассмотрим что происходит с белками из подобных продуктов в желудочно-кишечном тракте. Поступление пищи в желудок стимулирует секрецию гормона гастрина, который, в свою очередь, усиливает секрецию соляной кислоты (HCl) и пепсиногена – предшественника фермента пепсина, который и будет расщеплять белки из пищи [7]. Как видим, в желудке образовалась кислая среда (pH 1.0-2.5, такие значения соответствуют очень высокой кислотности), а именно такая среда является фактором, способствующим денатурации белковой молекулы.
Существуют ли белки, способные выстоять под таким кислотным воздействием? Да, существуют. К примеру, это некоторые белки клеток самого желудка [16]. Однако лактальбумин, казеин, овальбумин и другие распространенные белки из продуктов питания к кислотоустойчивым не относятся и их ждет денатурация. Собственно, после денатурации пептидные связи, спрятанные прежде в глубинах трехмерной структуры, становятся доступны для атаки различными ферментами, которые и будут эти связи разрушать. Среди таких ферментов уже упомянутый пепсин из желудочного сока. После такой обработки пища поступает в тонкий кишечник, где расщепление осуществляют уже другие ферменты – трипсин, химотрипсин, карбоксипептидазы, аминопептидазы. Разница между этими ферментами состоит в комбинациях аминокислот, связи между которыми данные ферменты разрушают.
Здесь же, в тонком кишечнике, идет всасывание продуктов пищеварения. Это одиночные аминокислоты или короткие пептиды (обычно длиной 2-4 аминокислоты) [17,18,7].
Как видим, всасывания целостной большой белковой молекулы, которая могла бы выполнять иммуномодулирующие и другие упомянутые в начале статьи функции, не происходит – белок расщепляется на короткие фрагменты.
Некоторые белки, к примеру, кератин (один из белков волос и ногтей) все же перевариваются не полностью [7], проходят по кишечнику далее и покидают организм. Какого-то особого их всасывания тоже нет.
Однако некоторая разница между пищеварением денатурированного и неденатурированного белка есть. Так, на лабораторных животных было показано [19], что переваривание сырого мяса, по сравнению с термически обработанным, занимало больше времени и требовало больше ресурсов организма. Объясняется это различие как раз денатурацией белка под воздействием высокой температуры, к примеру, во время варки.
Протеины из линеек спортивного питания, такие как казеин, сывороточный, яичный протеин и другие, быстрее усваиваются организмом человека после обработки путем гидролиза [20, 21, 22]. Гидролиз включает в себя и денатурацию, и деструкцию, то есть расщепление белка на более короткие фрагменты, но деструкция уже выходит за рамки данной статьи.
Таким образом, существует зависимость между степенью обработки белка и скоростью его усвоения [23]. Неденатурированный белок будет перевариваться дольше. Однако добиться постепенного всасывания аминокислот и коротких пептидов можно гораздо проще – подобрав соответствующий тип спортивного питания. Так, сывороточный протеин абсорбируется относительно быстро, а казеин – медленно [24]. При этом организму не придется тратить энергию на дополнительную обработку пищевого продукта. Эти же ресурсы можно направить на более важные цели – построение мышц спортсмена.
Какие-либо обоснованные преимущества неденатурированного протеина для бодибилдера в современной научной литературе не упоминаются.
Вместе с тем, денатурация протеинов происходит в рамках технологических процессов производства спортивного питания [25, 26] и, как видим, приносит пользу для последующего усвоения спортсменом таких белков.
Заключение сравнения денатурированного и неденатурировванного белка
Подводя итоги, денатурация протеина увеличивает скорость его расщепления и экономит энергию организма. Исходя из этого, в бодибилдинге определенно выгоднее использовать денатурированный белок, входящий в состав привычных продуктов спортивного питания. Ассортимент таких товаров очень широк, а стоимость ниже, по сравнению с специфическими продуктами с неденатурированным белком.
Для размещения информации из данного обзора на своих ресурсах обязательно указать наш сайт proteininkiev.com в качестве источника.
Все права защищены PROTEININKIEV TM 2018.
Противоречия эстетической медицины. 6. Методы скинтайтинга: миф о схлопывании коллагеновых волокон
И. Кругликов, доктор физико-математических наук, «Веллкомет ГмбХ», Германия
Статья публикуется с разрешения доктора И. Кругликова и журнала KOSMETICHE MEDIZIN (4/2013), Германия
1 ВВЕДЕНИЕ
Неинвазивные и минимально инвазивные аппаратные методы лечения находят все большее применение в эстетической медицине. Некоторые из этих методов, особенно те, которые предназначены для подтяжки кожи, декларируют долгосрочную модификацию коллагеновой сети как основную цель их применения. Этот эффект может быть достигнут, в частности, за счет конформационных изменений в коллагеновых структурах, вызываемых локальным выделением тепла в ткани-мишени. Одно из таких конформационных изменений – так называемое схлопывание коллагеновых структур – эффект, который практически всеми лазерными и радиочастотными методами подтяжки кожи заявляется в качестве основы их воздействия. Несмотря на то что молекулы коллагена действительно изменяют свою конфигурацию при нагревании и при этом даже могут существенно схлопываться (что было продемонстрировано во многих исследованиях in vitro и in vivo), действительный вклад этого феномена в наблюдаемые клинические результаты после применения различных методов подтяжки кожи остается спорным.
2 МЕХАНИЗМЫ ИЗМЕНЕНИЯ КОЛЛАГЕНОВЫХ СТРУКТУР ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ
Сшитый (зрелый) коллаген – важная составная часть соединительной ткани, а его содержание определяет механические свойства и стабильность этой ткани. Содержание коллагена в ткани сильно зависит от скорости его обновления, которое протекает на разных уровнях – от активирования матричной рибонуклеиновой кислоты и синтеза проколлагена до производства зрелой коллагеновой сетки. Причем первые стадии этого процесса очень неустойчивы и могут чувствительно реагировать на различные физические факторы [1, 2]. Свободные белки проколлагена нестабильны, их внутримолекулярные связи слабы и могут быть ферментативно, а также под воздействием физических факторов расщеплены. Эти белки сами по себе не играют роли в механических свойствах соединительной ткани, поскольку только коллагеновые волокна, образующиеся путем фибриллогенеза, формируют механически ригидные и ферментативно устойчивые структуры (которые связаны также гликозаминогликанами и потому могут эффективно управлять накоплением воды в тканях).
Общепризнанно, что содержание коллагена в соединительной ткани с возрастом непрерывно уменьшается, что может иметь драматические последствия для ее механических свойств. Снижение содержания коллагена, а также деформация коллагеновой сетки ведут к возникновению крупнозернистой и несовершенной пространственной структуры, ригидность которой соответственно уменьшается. Искусственное уплотнение и упрочение этой сетки теоретически должно было бы привести к подтяжке кожи, а значит, и к улучшению ее внешнего вида.
Существуют три основные возможности добиться таких изменений. Некоторые из них могут быть реализованы в долгосрочной перспективе, другие – в среднесрочной или краткосрочной.
Смещение равновесия между формированием и разрушением соединительной ткани
Эта стратегия в долгосрочной перспективе может привести к стабильному обновлению коллагеновой сетки. Смещение в направлении разрушения соединительной ткани развивается в течение длительного времени вследствие разных заболеваний, действия солнечного излучения, а также по мере старения. Обратного развития этого процесса можно добиться путем целевого стимулирования фибробластов при одновременном подавлении матриксных металлопротеиназ, отвечающих за разрушение коллагена. Однако следует учесть, что обновление зрелой коллагеновой сетки в коже протекает в квазифизиологических условиях крайне медленно c периодом полураспада коллагена около 15 лет [3], поэтому такое обновление кожи может произойти только спустя длительное время [1].
Локальное повреждение соединительной ткани, которое приводит к образованию рубцов и соответствующему изменению натяжения кожи Именно такие изменения типичны при проведении минимально инвазивных омолаживающих процедур – лазерных (Fraxel и др.), радиочастотных и других. Эффект подтяжки кожи должен возникнуть при этом в среднесрочной перспективе (от недель до нескольких месяцев) и по времени должен коррелировать с образованием рубцов в соединительной ткани.
Модификация внутри- или межмолекулярных связей в коллагене в целях воздействия на структуры коллагеновой сетки на уровне отдельных коллагеновых молекул, коллагеновых фибрилл и/или коллагеновых волокон
Самым известным примером такой модификации является обратимая или необратимая денатурация коллагена под воздействием тепла, которая терапевтически применяется для укрепления слабой соединительной ткани в нестабильных суставных капсулах с помощью термической капсулорафии, а также в термокератопластике и для подтяжки кожи (Skin Tightening) в эстетической медицине. При массивной денатурации коллагена подтяжка соединительной ткани должна возникнуть сразу или через непродолжительное время после проведения процедуры.
Наиболее важные методы скинтайтинга в эстетической медицине основываются на локальном повышении температуры, причем в связи с этим следует различать следующие виды нагрева: с помощью воды, лазерный, ультразвуковой и радиочастотный. Хотя в основе этих методов лежат разные физические механизмы передачи энергии (а значит, и распределение энергии в тканях происходит по-разному), в конечном итоге все они осуществляют некоторое тепловое воздействие на целевую область.
Практически все эстетические методы коррекции, основанные на выделении тепла, декларируют схлопывание коллагеновых волокон как наиболее важный механизм их действия, не только обеспечивающий надежную теоретическую базу для этих методов, но и обосновывающий получение быстрого и относительно долгосрочного эффекта. Данное объяснение было перенято у достаточно хорошо изученных неинвазивных или минимально инвазивных методов (например, у капсулорафии) без критического анализа различий в распределении энергии и длительности воздействия. При этом часто игнорируется и тот факт, что схлопывание коллагеновых волокон зависит от многих, как правило, плохо контролируемых параметров и при квазифизиологических температурах в живом организме может быть в действительности реализовано лишь очень ограниченно. Так, для большинства применяемых на практике радиочастотных методов
коррекции время местного воздействия составляет менее 10 секунд, а во многих случаях оно лежит даже в миллисекундном диапазоне. В большинстве же исследований in vitro и клинических исследованиях по применению капсулорафии при температуре 60–70° C используется время воздействия в минутном диапазоне. Кроме того, обычно не принимается во внимание и то, что денатурированные молекулы коллагена не могут долго оставаться в ткани и должны быть элиминированы аутогенными желатиназами, что должно достаточно быстро снизить достигнутый эффект, если бы он действительно возникал от схлопывания коллагеновых волокон.
Все это порождает законный вопрос: насколько реально схлопывание коллагеновых волокон при проведении неинвазивных эстетических процедур. Этот вопрос становится особенно актуальным в свете все большей популярности радиочастотных методов эстетической коррекции независимо от используемых технических решений, связанных с моно-, би-, три- или даже мультиполярным расположением электродов.
3 ТЕРМИЧЕСКАЯ СТАБИЛЬНОСТЬ КОЛЛАГЕНА
Молекулы проколлагена состоят из трех полипептидных цепей, которые с помощью слабых внутримолекулярных связей образуют тройную спиральную структуру (три закрученные в левую сторону спирали составляют суперспираль, закрученную в правую сторону). Слабые внутримолекулярные связи (водородные мостики) возникают между глицинами одной спирали и пролинами другой, так что на каждый триплет приходится обычно один водородный «мостик». Такие тройные спиральные структуры могут в дальнейшем организоваться и удерживаться в параллельно расположенных структурах более высокого порядка – микрофибриллах (состоящих из 5 молекул проколлагена) и фибриллах, а также в коллагеновых волокнах, где их связывают уже альдегидные мостики, которые являются существенно более прочными, чем водородные. Только такие зрелые фибриллярные структуры, а не проколлагены могут отвечать за механические свойства соединительной ткани.
Тройные спирали коллагена формируют матриксные структуры различных типов тканей и при нормальных температурах тела остаются термически и механически относительно стабильными. Поэтому длительное время предполагалось, что эти молекулы обладают маргинальной термостабильностью и денатурируют лишь при температурах, на несколько градусов Цельсия превосходящих температуру тела. Однако в настоящее время многое говорит в пользу того, что температура денатурации (TD) тройных спиралей проколлагена на самом деле ниже температуры тела [4]. Если это действительно так, то можно предположить, что молекулы проколлагена уже при температуре тела не существуют в устойчивой для них форме тройной спирали, а должны иметь стохастическую (случайную) структуру. Как только молекулы проколлагена выделяются из клетки, они сразу же начинают распадаться. Предполагается, что это может быть связано с отсутствием стабилизирующих белков теплового шока. Такой быстрый распад объясняет, почему абсолютное большинство вновь синтезированных молекул проколлагена снова спонтанно распадаются и никогда не образуют зрелых фибриллярных структур.
Итак, нагревание при квазифизиологических температурах приводит к тому, что неустойчивые внутримолекулярные связи разрушаются, хотя при этом межмолекулярные сшивки могут сохраняться и дальше. Таким образом происходит денатурация коллагена, часто называемая также схлопыванием коллагеновых волокон, – коллагеновые фибриллы теряют свою внутреннюю спиральную структуру, схлопываются вдоль главной оси и в дальнейшем удерживаются вместе в основном за счет внутримолекулярных связей. Подобное конформационное изменение соответствует переходу коллагена из высокоорганизованной кристаллообразной структуры в гелеобразное (денатурированное) состояние.
Разрушение молекул коллагена по механизму обратной связи приводит к активации фибриллогенеза (образованию коллагеновых фибрилл из отдельных молекул проколлагена), что позволяет вновь стабилизировать коллагеновые структуры. Так из нестабильных молекул проколлагена могут быть образованы стабильные структуры коллагена [5].
Как уже было сказано, квазифизиологическое нагревание ткани может усилить распад молекул проколлагена. Однако этот процесс в первую очередь затронет именно свободные молекулы проколлагена и не должен привести к существенному изменению зрелой коллагеновой сетки, для термической модификации которой потребуются намного более высокие температуры. Зрелый коллаген денатурирует обычно при температуре 60–65° C. Здесь имеется в виду так называемая температура перехода, при которой денатурируют 50% всех молекул коллагена. Поскольку конформационные изменения происходят в температурном диапазоне 10–12° C, первые переходы, как правило, могут наблюдаться уже при температуре на 5–6° C ниже среднего значения TD. Это определяет абсолютный предел минимально эффективной температуры денатурации коллагена в соединительной ткани на уровне 55° C.
Предельная температура, при которой наблюдаются первые признаки денатурации зрелого коллагена во время эстетической процедуры, зависит от различных контролируемых и неконтролируемых параметров – скорости нагрева- ния, гидратации ткани, стресса, предшествующих процедур и т.д. Снижение TD всего на 1° C способно уменьшить длительность распада коллагена с нескольких дней до нескольких часов, вследствие чего может существенно измениться динамический баланс между распадом коллагена и образованием коллагеновых фибрилл.
К этому добавляется еще один важный момент: изменения в структуре коллагена во время нагревания в зависимости от температуры и длительности воздействия могут быть либо обратимыми, либо необратимыми. Умеренное и относительно краткосрочное повышение температуры приводит к локальным изменениям во внутримолекулярной структуре молекул коллагена, которые, однако, регенерируют спустя некоторое время после процедуры (обратимые изменения), если, конечно, прежде эти поврежденные молекулы не были расщеплены ферментативно. При более высоких температурах в молекулах коллагена возникают необратимые структурные изменения, в результате чего они больше не могут спонтанно восстановиться. Такие денатурированные коллагеновые структуры могут быть элиминированы только посредством матриксных металлопротеиназ.
4 УСЛОВИЯ СХЛОПЫВАНИЯ КОЛЛАГЕНОВЫХ МОЛЕКУЛ: ЗАВИСИМОСТЬ ОТ РАЗЛИЧНЫХ ПАРАМЕТРОВ
Результат нагревания коллагена в большой степени зависит от различных параметров.
Наиболее важными из них являются:
– максимальная температура в ткани;
– длительность воздействия;
– механический стресс во время нагревания;
– содержание коллагена и ориентация коллагеновых волокон;
– возраст соединительной ткани;
– значение pH в ткани;
– степень гидратации ткани.
Максимальная температура и длительность нагрева
Чем выше температура, до которой нагреваются коллагеновые структуры, тем короче время, необходимое для получения одинакового модифицирующего эффекта. Так, нагрев in vitro коллагена из плечевого сустава при температуре воды 65° C в течение 10 минут приводит к 10%-ному схлопыванию его волокон, а нагревание до 80° C уже через 1,5 минуты способно вызвать 60%-ную денатурацию коллагена.
Похожий эксперимент по воздействию на такие же коллагеновые пробы радиочастотным током продемонстрировал другие значения: при нагревании пробы до 65° C произошло схлопывание менее 4% коллагеновых волокон, а при ее нагревании до 80° C – 14% [6]. А при исследовании коллагеновых проб из сухожилий крысиных хвостов [7] денатурация коллагена произошла при еще более низкой температуре: через 1,5 минуты нагрева до 58° C денатурировало менее 10% коллагена, а через 9 минут – уже почти 50%.
Исследования in vitro демонстрируют при этом еще один эффект – так называемый эффект плато: при достижении определенной степени денатурации дальнейшего разрушения коллагеновых волокон не происходит, несмотря на последующее повышение температуры.
Если принять во внимание, что повышение температуры всего лишь до 45° C уже существенно влияет на витальность клеток, то представляется совершенно невероятным, что схлопывание коллагена во время неинвазивных радиочастотных процедур (которые, как правило, не вызвают в тканях локальных ожогов) может быть главной причиной часто наблюдаемого на практике эффекта подтяжки кожи.
Механический стресс
Если ткань во время нагревания подвергается механическому стрессу, то температура денатурации коллагена при прочих равных условиях может отчетливо меняться. Если при этом степень нагрева и длительность теплового воздействия демонстрируют качественно схожее воздействие на деградацию коллагена, то влияние механического стресса может проявиться в снижении процентного количества денатурированных коллагеновых волокон при одинаковой длительности нагрева (или в увеличении необходимой длительности нагрева для достижения той же степени денатурации).
Этот эффект может быть объяснен переориентированием коллагеновых волокон под воздействием механического стресса. Действительно, механический стресс может существенно изменить физические свойства ткани и вызвать искусственную анизотропию в направлении натяжения. Этот феномен может играть важную роль при практическом применении некоторых методов подтяжки кожи (например, при комбинации радиочастотного воздействия с вакуумом).
Содержание коллагена и ориентирование коллагеновых волокон
Чем выше содержание коллагена в ткани и чем упорядоченное расположены фибриллы, тем более высокие температуры или более длительное время нагрева будут необходимы, чтобы добиться одной и той же степени модификации коллагена. Это может объяснить, почему результаты температурного воздействия (например, при применении радиочастотного тока) на различных участках тела могут отличаться. Участки с особенно правильно упорядоченными коллагеновыми волокнами в значительной степени анизотропны. Известным примером могут служить так называемые линии Лангера, которые определяют не только предпочтительное направление образования кожных складок или рубцов при повреждении кожи, но и поглощения тканью света [8]. При такой анизотропии выбранное направление прохождения электрического тока или распространения света (параллельно или перпендикулярно локальной ориентации коллагеновых волокон) может оказывать существенное влияние на результаты коррекции.
Возраст и значение pH ткани
Восстанавливаемые ковалентные альдегидные связи с возрастом заменяются на невосстанавливаемые мультивалентные связи. Последние значительно более стабильны и для своего разрушения требуют существенно более высоких температур. Это служит еще одной причиной того, что реакция старческой кожи на температурное воздействие заметно слабее, чем молодой.
Умеренное изменение значения pH ткани в щелочном направлении может привести к существенному повышению температуры денатурации коллагена. Поэтому все дополнительные методы воздействия, которые могут вызвать хотя бы временное снижение pH кожи, должны демонстрировать усиление эффекта от коррекции с применением обсуждаемых здесь методов.
Гидратация ткани
Уже давно известно, что дополнительная гидратация ткани приводит к усилению денатурации коллагена при одинаковых температурах нагрева [9]. Ведущие к этому изменения не до конца понятны, однако можно предположить, что свободные молекулы водорода образуют дополнительные связи с деформированными молекулами коллагена, за счет чего последние больше не в состоянии самопроизвольно восстанавливаться.
Снижение гидратации ткани с возрастом приводит к тому, что реакция старческой кожи на тепловое воздействие протекает значительно хуже, чем молодой. Соответственно дополнительные методы воздействия, ведущие к увеличению содержания воды в ткани перед ее нагревом, должны положительно сказываться на результатах коррекции.
Впрочем, гидратация ткани может и сама изменяться при повышении (в определенных пределах) температуры. Это связано, в частности, с тем, что при температурах выше 42° C в ткани происходит дополнительное производство эндогенной гиалуроновой кислоты [10], которое коррелирует с локальной выработкой белков теплового шока. Добавочное связывание воды новопроизведенной гиалуроновой кислотой ведет к краткосрочному увеличению тургора кожи в районе коррекции, что может повлечь за собой отчетливое, но также относительно краткосрочное улучшение состояния кожи после ее подтяжки радиочастотными токами.
Все это показывает, что денатурация коллагеновых волокон зависит от очень многих параметров и в неодинаковых условиях может протекать совершенно по-разному. Если данный процесс взять за теоретическую основу тепловой трансформации соединительной ткани при применении аппаратных методов подтяжки кожи, то становится очевидно, что результаты лечения разных пациентов должны сильно различаться и, таким образом, будут практически непредсказуемы.
5 МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ В ТЕРМИЧЕСКИ ПОВРЕЖДЕННОЙ ТКАНИ
В термически поврежденной ткани в результате денатурации коллагена обычно происходят следующие морфологические изменения:
– размножение и миграция фибробластов (фиброплазия);
– замена нативных бимодальных коллагеновых структур (состоящих из коллагеновых волокон малых и больших диаметров) преимущественно мелкими коллагеновыми волокнами.
Оба этих процесса характерны для заживления ран и образования рубцов, однако они возникают только при настоящем повреждении ткани. Эти же два процесса обеспечивают решающие различия между неинвазивным омоложением кожи и заживлением ран – процессами, которые часто сравнивают друг с другом. Поскольку при продолжительном нагревании ткани при температуре выше 60° C должна происходить не только денатурация коллагеновых волокон, но и массовая гибель клеток, после успешной процедуры радиочастотной коррекции в области обработки теоретически должны наблюдаться как некроз ткани, так и фиброплазия. Впрочем, это скорее исключение, чем правило.
Если бы эффект подтяжки кожи после коррекции радиочастотными токами можно было в основном объяснить денатурацией коллагеновых волокон, то денатурация коллагена должна была бы сочетаться с повышенной упругостью (сопротивлением деформации) кожи. Однако эксперименты показывают совершенно обратное: при подтвержденной денатурации коллагена кожа теряет свою упругость. Более того, известно, что потеря упругости соединительной ткани положительно коррелирует со степенью денатурации коллагеновых волокон (см. обсуждение в [6]). Недавно было также показано, что под влиянием нагрева кожа может по-разному вести себя при растяжении и сжатии: если при растяжении упругость кожи заметно понижается с повышением температуры, то при ее сжатии происходит совершенно обратное [11].
Все это означает, что настоящая термическая денатурация коллагена, хотя и может приводить к краткосрочному увеличению плотности ткани, одновременно должна вызывать ухудшение ее механических свойств, что в капсулорафии даже рассматривается как послеоперационный риск. Такого ухудшения механических свойств кожи после неинвазивного или минимально инвазивного лечения радиочастотным током на практике не наблюдается, что само по себе должно поставить под вопрос всю теорию денатурации коллагеновых волокон как основу тепловых методов подтяжки кожи. Но если существенное механическое ослабление кожи после применения тех или иных неинвазивных методов тепловой коррекции будет действительно установлено, они больше не смогут оцениваться как безопасные из-за возникающих в связи с этим рисков.
6 ВЫВОДЫ
Гипотеза о том, что схлопывание (денатурация) коллагеновых волокон является основной причиной подтяжки кожи при применении различных неинвазивных (прежде всего, связанных с радиочастотным воздействием) методов коррекции должна рассматриваться как крайне сомнительная.
Во-первых, необходимая для этого температура и длительность воздействия находятся далеко за пределами того, что фактически обеспечивают большинство приборов.
Во-вторых, настоящая денатурация коллагеновых волокон должна сопровождаться массовой гибелью клеток в области обработки, чего клинически почти никогда не наблюдается.
В-третьих, существенная зависимость степени денатурации коллагеновых волокон от самых разных параметров сделала бы результаты коррекции очень вариабельными и практически непредсказуемыми.
В-четвертых, массовое схлопывание коллагеновых структур привело бы к значительной потере локальной упругости кожи, которая наблюдалась бы сразу после проведения такой коррекции и привела бы к развитию некоторых побочных явлений.
Хотя феномен денатурации коллагеновых волокон после нагревания действительно существует и во многих исследованиях in vitro и in vivo был надлежащим образом подтвержден, вопрос о том, может ли он быть главной причиной получения клинических результатов, наблюдаемых после применения описанных методов коррекции, все еще остается предметом дискуссии. Даже в капсулорафии нет единого мнения о том, отвечает ли за укрепление сустава непосредственно денатурация коллагеновых волокон или это, скорее, заслуга последующей фиброплазии, заживления ран и образования рубцов [6]. В пользу второго варианта говорит то, что итоговые результаты можно увидеть лишь через несколько месяцев после лечения. Более того, в [12] было показано, что лечение ахиллова сухожилия радиочастотным током не вызывает денатурации коллагеновых волокон, тем не менее существенное укрепление пролеченного сухожилия было достигнуто через 8 недель после выполнения процедур.
В качестве главного механизма, лежащего в основе термических методов подтяжки кожи, происходящей непосредственно во время или вскоре после проведения процедуры, намного более реалистичным представляется не денатурация коллагеновых волокон, а активация местного синтеза гиалуроновой кислоты. Ее выработка ведет к накоплению воды и соответствующему увеличению тургора кожи в области коррекции – быстровозникающему эффекту, почти моментально улучшающему состояние кожи. Несмотря на то что такая быстрая выработка гиалуроновой кислоты относится к неспецифическим реакциям и в большей или меньшей степени должна была бы возникать при всех типах нагревания ткани, она в значительной мере зависит от конкретного типа распределения тепла в ткани, а также от потенциальной способности соединительной ткани к подобному синтезу, которая в стареющей коже, как правило, существенно снижается. Последнее может обусловливать известный возрастной предел эффективности при применении подобных методов коррекции.