Семейство эластина

Способность соединительнотканных структур восстанавливать форму после механического воздействия (сжатие, растяжение, скручивание) связана с сетью эластических волокон, основой которых являются белки семейства эластина – второй тип главных белков соединительной ткани. Волокна эластина построены из относительно небольших почти сферических молекул, соединенных в волокнистые тяжи с помощью жёстких поперечных сшивок. Это гидрофильный, нерастворимый, похожий на резину белок с молекулярной массой около 72 кДа, в общих чертах схож с коллагеном. Основные различия между коллагеном и эластином приведены в табл.

Таблица. Отличительные признаки коллагена и эластина

Коллаген	Эластин
Несколько генетических типов	Один генетический тип
Тройная спираль	Не образует тройной спирали
(Гли-X-Y)n повторы в структуре	Нет повторов (Гли-X-Y)
Имеется гидроксипролин	Нет гидроксипролина
Гликозилирован по гидроксилизину	Нет гидроксилизина и соответствующего гликозилирования
Внутримолекулярные альдольные поперечные связи	Поперечные связи в форме десмозина
Во время синтеза образуются дополнительные пептиды	Дополнительных пептидов не образуется
Переваривается коллагеназой	Переваривается эластазой

Состав и строение эластина

В составе полипептидной цепи молекул эластина 750-800 аминокислот. Подобно коллагену эластин содержит необычно много пролина и глицина (до 30 % ГЛИ, до 12 % ПРО), очень мало ЦИС, а остатков МЕТ, ТРИ, ГИС не имеет совсем. В цепи эластина гораздо больше ЛИЗ, но мало других гидрофильных заряженных (АРГ, АСП, ГЛУ) и незаряженных (СЕР) аминокислот. Эластин отличается отколлагена высокой долей гидрофобных неполярных (АЛА – до 23 %, ВАЛ – до 13 %, лей и др.) аминокислот, причём последовательности нейтральных алифатических аминокислот встречаются с определённой периодичностью. Особенно часты повторы про-гли-вал-гли-вал. В молекулы эластина не входят гидроксипролин и гидроксилизин, белок практически не гликозилирован.

Имея такой аминокислотный состав, тропоэластин не поддерживает «фирменную» триаду коллагена ГЛИ-ПРО-Х, вторичная структура молекулы состоит из двух типов функциональных фрагментов, чередующихся в цепи:

• гидрофобные сегменты (50 % цепи) организованы в складчатую β-конфор­мацию, отвечают за эластические свойства молекулы, для формирования β-поворотов и дополнительных изгибов важны остатки ВАЛ, ГЛИ, ЛЕЙ;

• сегменты, богатые АЛА и ЛИЗ (10 % цепи) образуют α-спираль и участву­ют в формировании поперечных связей между молекулами; отсутствие ПРО в этих сегментах содействует образованию эластичных спиральных зон (эластин обратимо растягивается в длину в несколько раз);

• остальные 40 % цепи – фрагменты с нерегулярной структурой.

В итоге общая третичная конфигурация молекулы тропоэластина больше напоминает глобулярные белки. Четвертичной структуры молекула тропоэластина не имеет.

Различия с коллагеном отмечаются также в количественном отношении, свойствах и локализации. Эластических волокон обычно гораздо меньше, чем коллагеновых (в сухожилиях около 5 %, в коже – не более 3-4 %), но есть отдельные образования, функциональные особенности которых обуслов­ливают преобладание волокон эластинового происхождения. Так, эластин преобладает в эластичных структурах (некоторые связки, эластические слои бронхиального дерева, стенки больших кровеносных сосудов и др.), а в образовании рубцов, наоборот, участвует коллаген. Коллаген является главным белком белой соединительной ткани, а эластин – жёлтой (жёлтая затылочная связка и др.). В связи с особенностями своих свойств, эластин практически отсутствует среди волокнистых структур пульпы, но хорошо представлен в тканях пародонта. Эластин в отличие от коллагена не образует при кипячении желатину.

Синтез и распад эластина

Синтез эластина вместе с коллагеном, протеогликанами и гликопро­теинами осуществляют фибробласты. Им способны помогать хондроциты, гладкомышечные клетки. В отличие от коллагена синтезируется только один генетический тип эластина. Экспрессия гена эластина регулируется витамином С. Такой ген присутствует только у позвоночных, которые имеют высокое пульсовое давление крови в артериях, поэтому возникла необходимость в строительном материале, способном выдерживать подоб­ные нагрузки и быстро возвращаться к начальному состоянию.

Непосредственный продукт синтеза – белок тропоэластин является мономерным предшественником зрелого эластина. Тропоэластин короче молекулы проколлагена, растворим, не содержит концевых пропептидных фрагментов и поперечных связей. Его процессинг начинается после секреции из клетки.

На тропоэластин действует лизилоксидаза, аналогичная ферменту, окисляющему остатки ЛИЗ по ε-аминогруппе в молекулах коллагена. Следствием образования активных альдегидных групп аллизина становится их быстрое включение в межмолекулярные перемычки. В результате тропоэластин превращается в нерастворимый зрелый эластин, содержащий большое количество поперечных связей. Процент перемычек в эластине исключительно высок. Образуется два сновных вида поперечных сшивок. В построении обоих участвуют ЛИЗ и его окисленный аналог аллизин в различных соотношениях.

Первый вид поперечных сшивок, образуемых в эластине с участием ЛИЗ, представляет собой обычный бифункциональный лизин-норлейцин, для построения которого нужна 1 молекула аллизина и 1 молекула ЛИЗ (рис).

Второй вид поперечных мостиков между цепями эластина представляет собой многокомпонентные сшивки в виде тетрафункциональных узлов, имеющих в центре пиридиновое кольцо. Эти образования называют десмозин (рис) или изодесмозин, они – специфичные для эластина продукты межмолекулярной конденсации. При образовании десмозина сначала три остатка ЛИЗ окисляются до соответствующих ε-альдегидов аллизина, а затем соединяются с четвёртым интактным остатком лизина. Получается довольно необычная структура: все четыре остатка лизина (окисленные и интактный) образуют замещённое кольцо пиридина, соединяясь своими боковыми полиметиленовыми группами.

Рис. Внутримолекулярная окислительная конденсация в эластине, приводящая к образованию «паучьей» структуры десмозина

Изодесмозин образуется, если цепь с гидроксиаллизином оказывается во время реакции с противоположной стороны и крепится в положении «3», что определяет включение соседней цепи (верхней на рис) в положение «2», а не «4».

Участвующие в конденсации протонированные или окисленные остатки ЛИЗ могут находиться на одной цепи, но чаще принадлежат двум разным цепям, как вариант – трём или четырём соседним цепям. Этим можно объяснить тот факт, что объединённые белковые цепи эластина в отличие от других фибриллярных белков способны растягиваться во всех направлениях. Поперечные сшивки получаются очень прочными, даже кислота не может их гидролизовать.

В образовании эластических волокон принимает участие множество белков, объединённых в семейство эластина. Кроме того, эластиновый остов волокна покрыт слоем микрофибрилл, имеющих диаметр 10 нм. Такие микрофибриллы встречаются в матриксе и без эластина. Они состоят из разных гликопротеинов и выполняют важную роль в интеграции эластиновых волокон.

Катаболизм эластина осуществляют ферменты эластазы. В тканях эластин подвергается деградации эластазой нейтрофилов и макрофагов. Лейкоцитарная эластаза не отличается особой специфичностью и расщепляет также протеогликаны и гликопротеины.