Эластиновые волокна обеспечивают эластичность тканей
Основные положения:
- 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.
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 (см. Коллаген обеспечивает поддержку структуры тканей ). 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 ( рис. 19.12 ), эластин организован в волокна, которые состоят из основной области эластиновых белков, окруженной оболочкой микрофибриллярных белков . Оболочка состоит, по меньшей мере, из 10 разных белков. Основным компонентом оболочки служит большой (около 350 кДа) гликопротеин, называемый фибриллином . Этот белок свернут в микрофибриллы, состоящие из глобулярных доменов, по форме напоминающие бусины. В структуре фибриллина присутствует последовательность Arg-Gly-Asp, близкая к последовательности в фибронектине, которая обеспечивает связывание с интегриновыми рецепторами на поверхности клеток. С глобулярными доменами фибриллина связаны гликопротеины микрофиламентов , или MAGP . По бокам микрофибрилл расположены фибулиновые белки , которые связывают их с эластиновым кором и белками ВКМ с внешней стороны базальной мембраны. Еще один белок микрофибрилл, EMILIN-1 , также связывает эластиновый кор с оболочкой. На границе оболочки и кора находится лизолоксидаза , которая образует ковалентные связи между боковыми цепями лизина в молекуле эластина. Эти волокна настолько прочны и стабильны, что до недавних пор считали, что они функционируют на протяжении всей жизни организмов. Недавно, однако, было показано, что в здоровых тканях эластин постоянно медленно обменивается (т.е. деградирует и замещается). 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. При альтернативном сплайсинге гена эластина образуются множественные формы белка, каждая из которых выполняет в тканях свои функции. 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 ( рис. 19.8 ). Наоборот, гидрофобные области обеспечивают эластичность за счет сворачивания молекулы в спираль в нерастянутом состоянии, и ее растяжения при приложении силы ( рис. 19.12 ). 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 рис. 19.13 , образование эластина включает семь основных этапа:
- Фибриллины и MAGP секретируются во внеклеточное пространство и образуют сеть микрофибрилл , на которой начинается сборка эластичных волокон. Прочность сети усиливается за счет образования химических связей между остатками глутаминовой кислоты и свободными аминогруппами других аминокислот (например, боковых цепей лизина ). Связи образутся при действии ферментов трансглутаминаз .
- Мономеры эластина ( тропоэластин ) образуются в гранулярном ЭПР и транспортируются на плазматическую мембрану посредством эндомембранной системы . Они связываются с шаперон/рецепторным белковым комплексом, находящимся в ЭПР. Во время секркции этот шапероновый комплекс остается связанным с тропоэластином и преотвращает агрегацию его мономеров в клетке.
- При секреции тропоэластин удерживается на поверхности клеток с помощью связывающих белков. Они включают шапероновый комплекс и, по меньшей мере, три различных шапероновых рецептора. Они сшиваются при помощи лизилоксидазы (аналогично тому, как это происходит при сшивке коллагена , рис. 19.8 ), образуя небольшие неорганизованные кластеры. Количество сшивок и размер агрегатов находятся пол контролем фибулина 4 и/или фибулина 5 , а также гепарансульфатпротеогликанов и рецепторов на поверхности клеток.
- С течением времени происходит секреция и добавление дополнительных молекул тропоэластинов, поверхностные кластеры увеличиваются в размерах и еще укрепляются за счет сшивок лизолоксидазой.
- В определенный, но точно неизвестный, момент времени агрегаты перемещаются с внешней стороны плазматической мембраны и связываются с микрофибриллами. Последние присоединяются к поверхности клеток через интегриновые рецепторы, которые через последовательность Arg-Gly-Asp (RGD) связаны с фибриллиновыми белками оболочки микрофибрилл.
- Агрегаты микрофибрилл уплотняются, образуя большие комплексы.
- Продолжается сшивка агрегатов посредством лизилоксидазы с образованием конечных структур, которые затем ковалентно связываются с оболочкой ферментами трансглутаминазами. Название зрелый эластин используется для обозначения эластиновых белков, которые были модифицированы лизилоксидазой и образовали полимер.
Во время присоединения тропоэластина к клеточной поверхности происходит активация сигнальных рецепторов, включая интегриновые. При этоим запускается целый ряд процессов, от клеточной пролиферации до хемотаксиса . После окончания сборки эластиновых волокон они начинают играть важную роль в процессах узнавания клетками трансформирующего фактора роста бета (TGF-бета) - сигнальной молекулы, контролирующей синтез и секрецию компонентов ВКМ . Поскольку в клетках происходит медленный оборот эластина, его фрагменты постоянно присутствуют в организме и могут активировать разнообразные типы клеток, даже те, которые сами не синтезируют эластин (например, лимфоциты). Эластиновые фрагменты часто могут индуцировать такой же клеточный ответ, как и продукты сборки этого белка.
Эластин хорошо интегрирован в ткани - по меньшей мере 30 различных белков либо связаны с его волокнами, либо образуют часть микрофиллилярной оболочки. 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.
Смотрите также:
