Строение и функции эластина (эластиновых волокон)
Обновлено: 16.06.2024
Эластин - основной белок эластических волокон, которые в больших количествах содержатся в межклеточном веществе таких тканей, как кожа, стенки кровеносных сосудов, связки, лёгкие. Эти ткани обладают очень важными свойствами: они могут растягиваться в несколько раз по сравнению с исходной длиной, сохраняя при этом высокую прочность на разрыв, и возвращаться в первоначальное состояние после снятия нагрузки. Резиноподобные свойства названных тканей обеспечиваются особенностями состава и строения эластина - гликопротеина с молекулярной массой 70 кД.
В отличие от коллагена, образующего прочные фибриллы, способные выдержать большие нагрузки, эластин (также белок межклеточного матрикса) обладает резиноподобными свойствами. Нити эластина, содержащиеся в тканях лёгких, в стенках сосудов, в эластичных связках, могут быть растянуты в несколько раз по сравнению с их обычной длиной, но после снятия нагрузки они возвращаются к свёрнутой конформации. Характерной особенностью эластина является наличие своеобразной структуры - десмозина, который своими 4-мя группами объединяет белковые цепи в системы, способные растягиваться во всех направлениях.
Структура эластина.
Первичная структура эластина образована полипептидной цепью из 800 АК, в которой преобладают глицин, валин, аланин, содержится много пролина и лизина, немного гидроксипролина, отсутствует гидроксилизин.
Большое количество гидрофобных радикалов препятствует созданию регулярной вторичной и третичной структуры эластина, поэтому он приобретает различные конформации.
В межклеточном пространстве молекулы эластина образуют волокна и слои, в которых отдельные пептидные цепи связаны множеством жёстких поперечных сшивок в разветвлённую сеть. Сшивки между остатками лизина двух, трёх или четырёх пептидных цепей, образуют специфические структуры, которые называются десмозинами (десмозин или изодесмозин).
Функции в организме.
Эластин выполняет важные функции в органах, подверженных постоянному растяжению и сжатию, например, в артериях, легких, коже, сухожилиях, различных сфинктерах. Эластиновые и коллагеновые волокна помогают органам восстанавливать исходные размеры после растяжения, например, при защемлении кожи или после опустошения мочевого пузыря. При снижении образования десмозинов (или их отсутствии) поперечные сшивки между волокнами эластина образуются в недостаточном количестве или не образуются вообще. Вследствие этого у эластических тканей снижается предел прочности на разрыв и появляются такие нарушения, как истончённость, вялость, растяжимость, т.е. утрачиваются их резиноподобные свойства. Клинически такие нарушения могут проявляться кардиоваскулярными изменениями (аневризмы и разрывы аорты, дефекты клапанов сердца), частыми пневмониями и эмфиземой лёгких. При нарушении синтеза эластина в организме развивается наследственное заболевание артерий - суправульвулярный аортальный стеноз.
• Основная функция эластина состоит в обеспечении эластических свойств тканей
• Мономеры эластина (известные как тропоэластиновые субъединицы) организованы в волокна, настолько прочные и устойчивые, что функционируют в течение всей жизни организмов
• Прочность этих волокон обусловлена образованием ковалентных сшивок между боковыми цепями лизина, находящегося в соседних мономерах эластина
• Эластичность волокон связана с наличием гидрофобных областей, которые при приложении силы растягиваются, а при снятии нагрузки спонтанно сокращаются
• Сборка волокон тропоэластина происходит во внеклеточном пространстве и находится под контролем трехступенчатого процесса
• Мутации в гене эластина являются причиной развития разнообразных патологических состояний, начиная от образования морщин на коже и заканчивая ранней детской смертностью
Как следует из названия, эластин представляет собой белок внеклеточного матрикса, главным образом, обеспечивающий эластические свойства тканей. Благодаря эластину, ткань может растягиваться и возвращаться к исходному размеру, дополнительно не расходуя энергию. Эластина особенного много в таких тканях, как кровеносные сосуды, кожа и легкие, где эластичность является критическим фактором, обеспечивающим правильное функционирование органа.
Например, эластичность кровеносных сосудов играет важную роль в поддержании надлежащего уровня кровяного давления, а эластичность легких с каждым вдохом обеспечивает их заполнение воздухом и последующее опорожнение.
Схематическое строение релаксированных и растянутых эластиновых волокон.
Отметьте выраженные различия в структуре эластиновых субъединиц в каждом случае.
Детали строения субъединиц пока неизвестны.
Эластин синтезируется и секретируется фибробластами, представляющими собой один из наиболее распространенных типов клеток у животных, а также клетками гладкой мускулатуры. Эти клетки также секретируют коллагены, которые противостоят растяжению. В результате внеклеточный матрикс каждого органа характеризуется комбинацией свойств эластичности и прочности. Изменяя соотношение эластина и коллагена во внеклеточном матриксе, клетки могут регулировать эластические свойства органов.
Как следует из рисунка ниже, эластин организован в волокна, которые состоят из основной области эластиновых белков, окруженной оболочкой микрофибриллярных белков диаметром 10-12 нм. Основным компонентом этой оболочки является гликопротеин, связанный с микрофибриллами, который ассоциирован с мономером эластина и способствует его включению в более крупные эластиновые волокна. Эти волокна настолько прочны и стабильны, что функционируют на протяжении всей жизни организмов (т. е. не деградируя и не замещаясь). Присутствующий в этих волокнах эластин является наименее растворимым белком позвоночных.
Каким образом, эластин, обладая высокой прочностью и стабильностью, тем не менее, проявляет высокую эластичность? Ответ лежит в особенностях его структуры. Ген эластина содержит 36 экзонов, которые кодируют две совершенно разных последовательности аминокислот: некоторые из них проявляют гидрофильные свойства и содержат много остатков лизина, в то время, как другие обогащены гидрофобными аминокислотами, особенно глицином, пролином, аланином и валином.
Гидрофобные последовательности вкраплены среди гидрофильных областей, что обусловливает существование большого по размеру белка, обладающего двумя различными свойствами. Прочность эластиновых волокон, в основном определяется ковалентными связями, возникающими между боковыми цепями лизина в примыкающих друг к другу белках, подобно тому как это имеет место в коллагене. Наоборот, гидрофобные области обеспечивают эластичность за счет сворачивания молекулы в спираль в нерастянутом состоянии, и ее растяжения при приложении силы. При снятии напряжения эти области снова спонтанно сворачиваются. Даже после многолетних исследований биологи не пришли к заключению о точной конформации эластиновых белков в волокнах.
Сборка таких нерастворимых белков ставит перед клеткой особые проблемы. Если эти белки, до момента их секреции из клетки, спонтанно агрегируют, они могут повлиять на секрецию других белков, «закупоривая» секреторные пути, а также вызывать разрыв органелл или плазматической мембраны. Клетки синтезируют и секретируют эластиновые белки в виде мономеров, однако собирают волокна только во внеклеточном пространстве, после того как белки вышли из клетки, не нарушив ее внутреннюю среду.
Как иллюстрирует рисунок ниже, образование эластина включает три основных этапа:
• Вскоре после образования эластиновых мономеров (известных под названием тропоэластина) они связываются в ЭПР с белком-шапероном мол. массы 67 кДа. В течение всего процесса секреции этот шаперон остается связанным с тропоэластином и предотвращает агрегацию эластина в клетке.
• После завершения секреции комплекс с помощью шаперона удерживается на поверхности клетки до тех пор, пока он не вступит в контакт с оболочкой эластинового волокна. После этого вновь секрети-рованный тропоэластин встраивается в эластиновое волокно с участием сахарных компонентов его оболочки, которые замещают шапероны.
• Большая часть боковых цепей лизина, присутствующего в мономере тропоэластина, дезаминируется при действии фермента лизилоксидазы. При этом образуются аллизины, которые ковалентно связываются с аллизинами или немодифицированными лизинами, присутствующими в других эластиновых белках волокна. Название зрелый эластин используют для обозначения эластиновых белков, которые были модифицированы лизилоксидазой и образовали полимер.
Таким образом, трехэтапный метод обеспечивает полную сборку эластина только в тех местах клетки, где это является необходимым.
Как можно ожидать, изменения, наступающие в процессе сборки или функционировании эластина и эластиновых волокон, могут иметь серьезные последствия для клетки. Дряблость кожи, заболевание, которое выражается в утрате эластиновых волокон в коже и соединительной ткани, по тяжести проявления может варьировать от незначительного разрушения волокон и возникновения морщин до практически полной утраты волокон. У больных, в клетках которых мало эластиновых волокон или они вообще отсутствуют, не поддерживается целостность тканей, и они умирают в раннем детстве.
У больных с синдромом Вильямса образуются укороченные формы эластина, в которых отсутствуют некоторые домены связывания, и нарушен процесс организации в волокна. У этих больных развивается сильное сужение крупных артерий, по-видимому, обусловленное аномальным ростом вокруг артерий клеток гладкой мускулатуры. Это служит компенсаторной реакцией в ответ на утрату эластиновых волокон, обычно присутствующих в стенке артерий.
Во время транспорта к клеточной поверхности эластиновые мономеры (тропоэластины) связаны с шаперонами.
Связывание шаперонов с оболочкой микроволокна приводит к высвобождению мономеров эластина.
Полимеризация катализируется поперечными сшивками тропоэластинов, которые образуются при действии лизилоксидазы.
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
Система эластических волокон состоит из трех типов волокон — окситалановых, элауниновых и эластических. Элементы системы эластических волокон в ходе развития претерпевают три последовательных стадии дифференцировки, различающиеся количеством белка эластина, который имеется в каждом типе волокон.
Окситалановые (греч. oxys — тонкий) волокна обнаруживаются в волокнах ресничного пояска (цилиарной, или цинновой, связки) глаза, а также в тех участках, где дерма связывает эластическую систему с базальной пластинкой. Окситалановые волокна не являются эластическими — они не содержат белка эластина, но они высокорезистентны к силам натяжения. Они образованы пучком микрофибрилл диаметром 10 нм, состоящих из различных гликропротеинов, включая фибромодулин I и II и крупную молекулу — фибриллин.
На второй стадии развития между окситалановыми волокнами появляются неправильной формы скопления белка эластина, что приводит к формированию элауниновых (греч. elaunem — тянуть) волокон. Элауниновые волокна содержат смесь эластина и микрофибрилл без какой-либо предпочтительной ориентации. Эти структуры обнаруживаются, например, вокруг потовых желез и в дерме.
В течение третьей стадии развития эластин постепенно накапливается, заполняя центральную часть волокон, которые окружаются тонкой оболочкой из микрофибрилл. Это — эластические волокна, наиболее многочисленные компоненты системы эластических волокон. Поскольку они богаты белком эластином, они легко растягиваются в ответ на натяжение.
Система эластических волокон, посредством использования различных соотношений микрофибрилл и эластина, образует семейство волокон, чьи различные функциональные характеристики адаптированы к локальным потребностям тканей.
Соединительнотканная часть кожи (дерма). Избирательное окрашивание эластических волокон.
Темные эластические волокна чередуются с бледно-красными коллагеновыми волокнами. Эластические волокна обеспечивают эластичность кожи.
Среднее увеличение. Развивающиеся эластические волокна.
А — на ранних стадиях формирования развивающиеся волокна состоят из многочисленных мелких гликопротеиновых микрофибрилл.
Б — по мере дальнейшего развития среди микрофибрилл обнаруживаются аморфные агрегаты эластина.
В — аморфный эластин накапливается, в конечном итоге занимая центральную часть эластических волокон, окруженную микрофибриллами.
Обратите внимание на коллагеновые фибриллы, видные на поперечном срезе. Электронные микрофотографии.
Предшественником эластина является проэластин — глобулярная молекула (с молекулярной массой 70 кДальтон), которая образуется фибробластами в соединительной ткани и гладкими миоцитами в кровеносных сосудах.
Проэластин полимеризуется, образуя эластин, аморфный, похожий на резину гликопротеин, который преобладает в зрелых волокнах. Эластин резистентен к кипячению, экстракции кислотой и щелочью и перевариванию обычными протеазами. Его легко гидролизует панкреатическая эластаза.
По аминокислотному составу эластин напоминает коллаген, потому что оба белка богаты глицином и пролином. Эластин содержит две необычные аминокислоты — десмозин и изодесмозин, образующиеся в результате ковалентых реакций между четырьмя лизиновыми остатками.
Эти реакции обусловливают эффективное образование поперечных связей в эластине и, как полагают, ответственны за резиноподобные свойства этого белка, который формирует волокна, в пять и более раз превосходящие резину по растяжимости.
Эластин встречается также в нефибриллярной форме — он образует фенестрированные мембраны (эластические пластины, присутствующие в стенке некоторых кровеносных сосудов).
Фибриллин представляет собой семейство белков, выполняющих своеобразную опорную функцию, необходимую для отложения эластина. Мутации гена фибриллина вызывают синдром Марфана — заболевание, которое характеризуется потерей эластичности и прочности тканями, богатыми эластическими волокнами.
Так как в крупных артериях обильно представлены компоненты эластической системы, а кровяное давление в аорте высокое, у пациентов с этим заболеванием часто развивается разрыв аорты, который представляет угрозу для жизни.
Молекулы эластина объединены ковалентными связями, в результате чего формируется обширная сеть, охваченная поперечными сшивками.
Так как каждая молекула эластина в этой сети может растягиваться и сокращаться как независимая пружина, вся сеть способна натягиваться и возвращаться к исходной форме как резиновая лента.
Читайте также: