1.3. Эластин
Эластин – гликопротеин, он является основой эластических волокон соединительной ткани, которые обладают эластичными свойствами (кровеносные сосуды, кожа, легкие, связки). Эти ткани 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. Указанные свойства обеспечиваются особенностями состава и строения эластина: он содержит гидрофобные аминокислоты (глицин, валин, аланин), много аминокислот пролина и лизина, мало гидроксипролина, полностью отсутствует гидроксилизин.
Синтез и созревание эластина состоит из двух этапов: внутриклеточный и внеклеточный. В ходе внутриклеточного этапа мономерная форма эластина – тропоэластин синтезируется на рибосомах, связанных с эндоплазматической сетью, где происходит гидроксилирование пролина с образованием гидроксипролина. В ходе внеклеточного этапа. Молекулы эластина связываются в волокнистые тяжи с помощью поперечных сшивок – молекул десмозина и изодесмозина, придающие ему эластические свойства (Рис. 4). Десмозин и изодесмозин образуются из 4 остатков аминокислот лизина, соединенных так, что возникает подобие пиридинового кольца. Благодаря этой структуре, десмозин и изодесмозин способны присоединять четыре полипептидные цепи белка эластина и формировать волокна эластина.
Рис. 4. Строение молекулы десмозина [15].
Благодаря наличию гидрофобных аминокислот, необычных ковалентных сшивок между их цепочками – волокна эластина не обладают характерной третичной структурой, а сохраняют случайную конформацию. Они могут растягиваться и сжиматься в разных направлениях, придавая тканям свойства эластичности (Рис. 5).
Рис. 5. Растяжение и сокращение белка эластина [16].
Катаболизм эластина происходит при участии фермента эластазы. Эластин ткани легких не регенерирует. Его разрушение в альвеолярных стенках под влиянием эластазы может привести к потере эластичных свойств, разрушению альвеол и развитию эмфиземы легких (растяжение их воздухом или образовавшимся в тканях газом). В норме этого не происходит, так как эластазу ингибирует другой фермент – α1-антитрипсин, который синтезируется альвеолярными макрофагами и защищает альвеолы тканей легких от действия эластазы. При дефиците α1-антитрипсина, вследствие различных мутаций в гене этого белка, повышается риск развития эмфиземы легких.
1.4. Протеогликаны
Протеогликаны – сложные белки, в качестве простетической группы содержат углеводы (95%), представленные гликозаминогликанами (ГАГ). ГАГ - линейные гетерополисахариды, состоящие из повторяющихся дисахаридных единиц. Одним мономером являются гексуроновые кислоты (D-глюкуроновая или L-идуроновая), вторым мономером – производное аминосахаров (глюкозамин- или галактозамин), NH2-группа которых может быть ацетилирована (Рис.6).
Рис. 6. Строение гликозаминогликанов [15].
В составе ГАГ содержатся отрицательно заряженные сульфатные и карбоксильные группы, связывающие воду, что вызывает разбухание и загустевание межклеточного матрикса. Кроме того, к отрицательно заряженным группам ГАГ могут присоединяться ионы К+, Na+, Ca2+, Mg2+, участвующие в минеральном обмене.
Гликозаминогликаны, содержащие в 4 или 6 положении остатки серной кислоты, называются сульфатированные (дерматансульфат, хондроитинсульфат, кератансульфат, гепарансульфат, гепарин). К несульфатированным ГАГ относится гиалуроновая кислота. Сульфатированные ГАГ в свободном виде не встречаются. Они связанны с белками и образуют протеогликаны.
В межклеточном матриксе присутствуют разные виды протеогликанов. Их подразделяют на большие и малые протеогликаны. Большие протеогликаны (аггрекан, версикан) являются основой хрящевого матрикса. Молекулы аггрекана собираются в агрегаты с помощью гиалуроновой кислоты и напоминают «ершик для мытья бутылок». С молекулой гиалуроновой кислоты («стержень ершика») связываются большое количество молекул корового белка, к которым присоединяются около 100 молекул разных видов ГАГ. Синтез и сборка такой молекулы начинается в хондроцитах, а завершается в межклеточном матриксе. Малые протеогликаны состоят из одной молекулы корового белка, к которому присоединены одна или две цепи ГАГ. Наиболее изученными из них являются декорин, бигликан, фибромодулин, люмикан, перлекан. Они содержатся в хрящевой ткани, сухожилиях, связках, менисках, коже. В них малые протеогликаны выполняют разные функции – связываются с другими молекулами соединительной ткани, играют важную регуляторную роль в процессах развития и восстановления этой ткани.
Функции протеогликанов и гликозаминогликанов:
- структурные компоненты межклеточного матрикса
- участвуют в формировании тургора тканей
- препятствуют проникновению патогенных микроорганизмов
- способствуют созданию фильтрационного барьера в почках
- гиалуроновая кислота обеспечивает смазывание и скольжение трущихся поверхностей суставов
- кератан- и дерматансульфаты обеспечивают прозрачность роговицы глаза
- гепарин – антикоагулянт
- гепарансульфат – компонент плазматических мембран, обеспечивающий адгезивные и межклеточные взаимодействия.
Синтез протеогликанов. Белковый компонент (коровый белок) синтезируется на рибосомах эндоплазматической сети, а ГАГ – в аппарате Гольджи. К ОН-группе серина, треонина или аспарагина присоединяется трисахарид (-ксилоза-галактоза-галактоза-) – затравка для синтеза ГАГ. Цепи ГАГ, состоящие из повторяющихся дисахаридных единиц, синтезируются путем присоединения (n раз) углеводных остатков. Реакции синтеза ГАГ катализируют ферменты трансферазы (Рис. 7).
Рис. 7. Синтез протеогликанов [15].
После синтеза протеогликаны выходят из клетки, соединяются с гиалуроновой кислотой и участвуют в образовании агрекана (Рис. 8).
Распад протеогликанов и ГАГ происходит в лизосомах: белки гидролизуют протеазы, цепочки ГАГ – кислые гликозидазы и сульфатазы.
Рис. 8. Строение агрекана [5].
Лизосомные болезни, связанные с накоплением ГАГ, называют мукополисахаридозами. Причина – мутации генов, кодирующих ферменты распада ГАГ. Они сопровождаются нарушениями в умственном развитии, поражениями сосудов, деформациями скелета, висцеральных органов. При этом значительно сокращается продолжительность жизни.