1.2. Структура и свойства эластических волокон

Эластические волокна содержатся в кровеносных сосудах, в коже, в легких и связках. Основой эластических волокон является белок эластин. В нем преобладают аминокислоты с гидрофобными радикалами: глицин, валин, аланин, пролин, которые составляют 70% общего количества аминокислот этого белка. В эластине мало гидроксипролина, полностью отсутствует гидроксилизин. Синтез и созревание белка эластина состоит из двух этапов: внутриклеточный и внеклеточный.

I. Внутриклеточный этап. Мономерная форма эластина синтезируется на рибосомах, связанных с ЭПР, и называется тропоэластином. В ЭПР происходит ограниченное гидроксилирование пролина.

II. Внеклеточный этап. Молекулы эластина связываются в волокнистые тяжи с помощью поперечных сшивок - десмозина и изодесмозина (рис. 4), придающие ему особенные эластические свойства.

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.

Отдельная

молекула эластина

Рис. 4. Строение молекул десмозина [8]

Благодаря наличию аминокислот с гидрофобными радикалами, необычных ковалентных сшивок между их цепочками - волокна эластина не имеют строго определенной конформации и могут растягиваться и сжиматься в разных направлениях, придавая тканям свойства эластичности (рис. 5).

Рис. 5. Структурная модель эластина [8]

Белок эластин у здоровых лиц характеризуется в плане метаболизма высокой стабильностью и очень низкой скоростью своего обмена.

Катаболизм (распад) эластина на аминокислоты происходит при участии фермента эластазы. Известно, что эластин ткани легких не регенерирует, разрушение эластина в альвеолярных стенках под влиянием эластазы может привести к развитию эмфиземы легких. У здоровых лиц этого не происходит, так как эластазу ингибирует другой белок – α₁-антитрипсин, защищающий альвеолы тканей легких от разрушения.

1.3. Структурная организация межклеточного матрикса

Основу межклеточного матрикса составляют протеогликаны, а также свободные гликозаминогликаны (ГАГ).

Протеогликаны – это сложные белки, простетическая группа которых представлена ГАГ. В отличие от гликопротеинов, которые содержат около 5% углеводов (глюкоза, галактоза и олигосахариды), в протеогликанах доля углеводного компонента может достигать 95% от сухого остатка.

Гликозаминогликаны имеют отрицательный заряд из-за наличия сульфатных и карбоксильных групп, что позволяет им связывать воду, вызывая тем самым разбухание и загустевание матрикса. Значительный отрицательный заряд способствует также присоединению к ГАГ ионов К⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ и участие их в минеральном обмене.

Гликозаминогликаны – линейные гетерополисахариды, собранные из большого числа повторяющихся дисахаридных единиц (рис. 6). Одним из мономеров этих дисахаридных структур являются гексуроновые кислоты (d-глюкуроновая или L-идуроновая) (А), вторым мономером – производное аминосахаров (глюкозамин- или галактозамин), NH₂-группа которых может быть ацетилирована (В).

Известные ГАГ делятся на две группы: сульфатированные и несульфа-

тированные. К несульфатированным ГАГ относится гиалуроновая кислота. В сульфатированных ГАГ ОН - группы в 4 или 6 положении содержат остатки серной кислоты. В свободном виде сульфатированные ГАГ не встречаются. Будучи связанные с белками, они образуют протеогликаны. К настоящему времени изучены структуры 6 основных классов ГАГ (рис. 6):

А

В

1

2

> несколько 1000 раз

> несколько 1000 раз

А

В

4

3

> 1000 раз

Рис. 6. Структура повторяющихся дисахаридных единиц в гликозаминогликанах [1]

Гиалуроновая кислота (1-2). Ее дисахаридная структура состоит из остатков (d-глюкуроновой и N-ацетилглюкозамина)n, где n - число повторов несколько тысяч раз. В некоторых органах (стекловидное тело глаза, суставная жидкость) гиалуроновая кислота встречается в свободном виде, выполняя, например, в суставе роль смазочного вещества.

Дерматансульфат (3-4). Его дисахаридная структура представлена (L-идуроновой кислотой и N-ацетилгалактозамин-4-сульфатом)n, где n - число повторов более 1000 раз. Он широко представлен в коже, кровеносных сосудах, сердце, в хрящевой ткани, межпозвоночных дисках, менисках.

Хондроитинсульфат (1-4). Его дисахаридная единица содержит (d-глюкуроновую кислоту и N-ацетил-d-галактозамин-4 или 6-сульфат)n, где n – число повторов более 40. Это наиболее распространенный в организме человека ГАГ, является составным компонентом сложного белка хрящевой ткани (агрекана), входит в состав кожи, сухожилий, связок, артерий.

Кератансульфат. Его дисахаридная единица содержит (галактозу и N-ацетил-d-глюкозамин-6-сульфат)n. Встречается в роговице глаза, хрящевой ткани, костях, межпозвоночных дисках.

Гепарансульфат. Его дисахаридная единица содержит (d-глюкуронат-2-сульфат и N-ацетил-d-галактозамин-6-сульфат)n. Входит в состав протеогликанов базальных мембран, является компонентом клеточных мембран.

Гепарин. Его дисахаридная структура содержит (глюкуронат-2-сульфат и N-сульфатглюкозамин-6-сульфат)n. Он – компонент противосвертывающей системы крови (антикоагулянт), содержится в легких, печени, коже.

Все ГАГ делятся на две группы: связанные с коровым белком в составе протеогликанов (дерматансульфат, кератансульфат, гепарансульфат, хондроитинсульфат) и не связанные с коровым белком (гиалуроновая кислота).

Белковый компонент (коровый белок) протеогликанов синтезируется на рибосомах ЭПР, а ГАГ - в аппарате Гольджи. Синтезу полисахаридных структур на основе корового белка предшествует присоединение к гидроксильной группе серина, треонина или аспарагина трисахарида (-ксилоза-галактоза-галактоза-) - затравка для синтеза ГАГ. Остальная часть цепи ГАГ, построенная из повторяющихся дисахаридных единиц (А и Б), синтезируется путем присоединения (n раз) углеводных остатков (рис. 7).

ЭПР аппарат Гольджи

Коровый белок

Рис. 7. Связь молекул гликозаминогликанов с коровым белком [1]

Реакции синтеза ГАГ катализируют ферменты трансферазы. Глюкокортикоиды тормозят синтез ГАГ и протеогликанов. Распад ГАГ и протеогликанов происходит в лизосомах: белковые составляющие гидролизуют протеазы, а цепочки ГАГ — кислые гликозидазы и сульфатазы.

П о завершении синтеза (по мере удлинения цепи) вся молекула белка протеогликана выходит из клетки, где может образовывать гигантские агрегаты с участием гиалуроновой кислоты, например, агрекан (рис. 8).

n

Рис. 8. Строение агрекана [1]

Лизосомные болезни, связанные с накоплением ГАГ, называют мукополисахаридозами. Это, чаще всего, наследственные, крайне тяжелые заболевания. Причина – мутации генов, кодирующих ферменты катаболизма ГАГ. Они сопровождаются нарушениями в умственном развитии, поражениями сосудов, деформациями скелета, висцеральных органов. При этом значительно сокращается продолжительность жизни.