загрузка...
 
СТРОЕНИЕ ЭЛАСТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН
Повернутись до змісту

СТРОЕНИЕ ЭЛАСТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН

И по строению, и по своему предназначению от коллагеновых волокон существенно отличаются те, которые названы эластическими. Обычно они составляют лишь небольшую часть фибриллярных структур соединительной ткани. Например, в ахилловом сухожилии их примерно в 20 раз меньше, чем коллагеновых, а в коже объемная плотность эластических волокон, нарастая от рождения до зрелости, достигает лишь 3-4%. Вместе с тем, они преобладают в эластическом слое артерий, стенок бронхов, а также в некоторых связках. Так, в желтой затылочной связке эластических волокон приблизительно в 5 раз больше, чем коллагеновых.

Название этих волокон отражает их свойство эластичности, т.е., способность возвращаться в исходное состояние после деформации (растяжение, сжатие, скручивание). Выделенный из них белок получил название эластин. Синтезируется он в виде тропоэластша. который, в отличие от а-цепей коллагена, кодируется единственным геном (у человека находится в хромосоме 7). Это довольно «молодой» ген: он возник лишь у позвоночных. Иначе говоря, его появление совпадает с формированием замкнутой системы пульсирующей циркуляции при высоком давлении крови.

Молекула тропоэластина (около 700 АО) заметно меньше коллагеновой а-цепи и не имеет пропептидных фрагментов. По аминокислотному составу (см. табл. 10-1) эластин похож на коллаген изобилием глицина (около 30%) и пролина (примерно 12%); отсутствием триптофана, метионина и гистидина; ничтожным содержанием цистеина. Вместе с тем, есть и существенные отличия. Главные из них: в эластине содержится очень мало аминокислот с гидрофильным радикалом (включая серин, аргинин, аспартат и глутамат, - но не лизин!) и, наоборот, много аланина (около 23%) и вообще аминокислот с неполярными радикалами (в их числе - валин, доля которого достигает 13%, что в 5-10 раз больше, чем в спирализованных участках коллагена). Все это обусловливает выраженную специфику первичной и высших структур эластина. В нем нет чередования триады ...-гли-про-Х-..., которое свойственно коллагену. Вместо этого часто повторяются гидрофобные фрагменты типа ...-вал-гли-вал-ала-про-гли- ... и ...-вал-про-гли-еал{ала)-..., не пригодные для формирования коллагеновой спирали. Легче всего такие фрагменты организуются в короткие Р-повороты (см. рис. 1-12), чему способствует обилие глицина и неполярных радикалов валина и лейцина. Как уже отмечалось (раздел 1.4.1), Р-поворот подобен шпильке: он изгибает поли- пептидную цепь в обратном направлении. Частое повторение таких поворотов, присущее молекуле тропоэластина, ведет к появлению регулярной структуры, обозначаемой как [3-спираль. Ей свойственна упругая гибкость и растяжимость. К этому причастны и подвижные звенья ...-вал-гли-... между р-поворотами, допускающие обратимое смещение витков спирали относительно друг друга. В целом участей такой спи- рапизации составляют почти половину всей полипептидной цепи. Еще примерно 10% складывается в а-спирали. Остальная часть молекулы представлена различными вариациями нерегулярной цепи.

Рис. 10-4. Схема формирования «паучьей» структуры десмозина (изодесмозин отличается «смещением» одной из боковых цепочек из положения 4 в положение 2; чтобы это произошло, должны поменяться местами взаимодействующие цепи А и В, содержащие соответственно 5-гидроксиаллизин и аллизин).

Отмеченные особенности приводят к тому, что каждая молекула тропоэластина по своей третичной структуре близка к глобулярным белкам. При этом между обширными гидрофобными фрагментами находятся гораздо меньшие полиаланиновые участки, в которые включены функционально важные остатки лизина. Последние в большинстве своем окисляются до аллизина (или 5-гидроксиаллизина) под действием той же внеклеточной лизил- оксидазы, которая осуществляет этот процесс и в коллагене. За счет лизильного радикала одной полипептидной цепи и аллизина другой могут формироваться бифункциональные сшивки лизино-норлейцинового типа (см. рис. 10-2, II). А главное - в эластине создаются еше и совершенно уникальные сшивки, присущие только этому белку. Они образуются путем конденсации 5-гцдроксиаллизина, двух радикалов аллизина и одного лизильного фрагмента. Возникает тетрафункциональная сшивка. как это показано на рис. 10-4. Основу ее составляет тоже пиридиниевое кольцо (как в коллагенах), но от него отходят не три, а четыре полиметиленовых цепочки. Они ведут к разным молекулам тропоэластина (теоретически - до четырех). Такая «паучья» структура называется десмозином (если одна из цепей оказывается в положении 2, а не 4, то такая сшивка обозначается как изодесмозин).

Итак, в отличие от тропоколлагена, тропо- эластин не обладает четвертичной структурой. Эластические волокна формируются путем ковалентного связывания множества молекул глобулярного типа. В итоге хорошо растворимый предшественник полимеризуется в зрелый эластин, совершенно нерастворимый в водной среде.

Недавно удалось установить локализацию, по меньшей мере, некоторых сшивок, соединяющих разные молекулы тропоэластина. Как показано на рис. 10-5, в образовании сшивки десмозинового типа (Де) участвуют два поли- аланиновых домена, каждый из которых «делегирует» по два лизильных фрагмента (в основном после их окисления до аллизина). Так могут быть соединены две молекулы тропоэластина. В каждом из указанных полиаланиновых доменов остается пока свободным последний из имеющихся здесь остатков лизина. Он способен образовать лизино-норлейциновую сшивку (ЛН) с еще одной (третьей по счету) молекулой тропоэлаетина (см. рис. 10-5). Последняя участвует в образовании бифункциональных перемычек своими лизиновыми фрагментами, расположенными в участке, богатом радикалами пролина. Такой вариант соединения мономеров обеспечивают возможность разветвления волокнистых структур, которое является исключительно важной особенностью зрелого (полимеризованного) эластина. В конечном итоге возникает крупное надмолекулярное образование в виде ветвящихся и ана- стомозирующих между собой тонких (12 нм) эластиновых волокон, объединяющихся в более толстые филаменты, которые структурно организованы в трехмерную сеть.

Величина ячеек эластиновой сети значительно варьирует в разных морфологических образованиях. Благодаря протяженным ковалентным перемычкам и обратимой податливости каждого из гидрофобных доменов между ними, трехмерная сеть в целом приобретает упругую эластичность при растяжении в любом направлении. Это качество пружинистости особенно важно в эластическом слое аорты и крупных артерий, где оно необходимо для сглаживания пульсовых ударов.

Вырабатываются белковые компоненты эластических волокон не только фибробласта- ми, но и хондроцитами и гладкомышечными клетками.

Эластин является преобладающей, но не единственной составной частью эластических волокон. На ранних стадиях эмбрионального развития, еще до выработки и секреции тропо- эластина, в ВКМ формируются особые микрофибриллы, которые образуют сетеобразную структуру. Она служит тем каркасом («подмостками»), на котором откладываются молекулы тропоэлаетина, происходит их ориентация и укладка в длинные ряды. Последующее ковалентное соединение мономеров превращает набор молекул глобулярного белка-предшест- венника в фибриллярную структуру зрелого эластина.

Главным компонентом упомянутых мик- рофибрилп является довольно своеобразный белок фибриллт. Этот гликопротеин в 5 раз крупнее тропоэлаетина. В его составе есть участки из примерно 40 АО, очень похожие на эпидермальный фактор роста (ЭФР) и нередко содержащие центры связывания Са2+. Такие участки повторяются друг за другом обычно 5- 7 раз (в середине молекулы - даже 12 раз). Разделяются эти блоки тандемных повторов семью доменами, каждый из которых насчитывает около 70 АО и по первичной структуре подобен белку, связывающему один из трансформирующих факторов роста (ТФР-Р). В целом фибрил- лин выглядит как вытянутая гибкая молекула длиной до 150 нм при толщине 2,2 нм. Она содержит 15 участков Ы-гликозилирования и множество остатков цистеина (14%), в большинстве своем образующих дисульфидные связи. Часть из них замыкается в пределах своей молекулы, другие соединяют ее с соседними. Благодаря этому, мономеры фибриллина соединяются (по типу «голова к хвосту») в длинные нити, параллельные пучки которых объединены в микрофибриллы диаметром 10-12 нм. Обилие межмолекулярных Б-Б-мостиков создает достаточно возможностей для разветвления этих фибриллярных структур. Так создается тот организующий каркас, на который затем постепенно наслаиваются молекулы тропоэластина.

В фиксации тропоэластина на этом каркасе участвует особый белок небольших размеров (—30 кДа), обозначаемый как «гликопротеин, ассоциированный с микрофибриллами» (MAGP

Microfibril Associated Glycoproten). Его С-концевая половина богата положительными зарядами и содержит все 13 остатков цистеина, имеющихся в молекуле. Именно они образуют дисульфидные связи с фибриллином. С другой стороны, N-концевая половина содержит много отрицательно заряженных остатков глутамата, благодаря чему возникают ионные связи с С-концевым участком тропоэластина, несущим сильный положительный заряд (pi ~ 13).

Доставку тропоэластина к микрофибриллам обеспечивает специальный белок, близкий ему по размерам. Он способен распознавать галактозу, т.е., относится к числу галактолек- тинов. Вместе с тем, он выполняет и функцию шаперона. Образуя комплекс с тропоэластином сразу после его синтеза и удаления сигнального пептида, этот галактолектин защищает своего «пленника» от самоагрегации и от возможной деструкции в клетках. Защита продолжается и вне клеток, вплоть до той поры, когда комплекс приходит в контакт со строящимися эластическими волокнами. Здесь шаперон своим лектиновым участком связывается с галак- тозными фрагментами фибрилл инового каркаса. В результате резко падает сродство шаперона к тропоэластину. Происходит точная укладка последнего на участке каркаса, еще не занятом предыдущими молекулами мономера, а вслед за этим - и фиксация тропоэластина ионными связями на N-концевой части молекулы MAGP. Освобожденный шаперон возвращается в клетку за новыми порциями тропоэластина (впрочем, часть этого галактолек- тина задерживается в мембране для включения в состав эластиновых рецепторов клетки).

По мере «выстраивания» мономерных звеньев на поверхности микрофибрилл происходит окисление лизильных остатков тропоэластина с последуюшим образованием меж- молекулярных сшивок - лизино-норлейцино- вых и десмозиновых. Тем самым закрепляется взаимное положение молекул предшественника в формируемой полимерной структуре зрелого эластина, составляющего главный компонент трехмерной сети эластических волокон. Кроме того, дезаминирование лизильных радикалов и вовлечение их в создание сшивок ведет к резкому уменьшению числа катионных групп (р1 изменяется от ~13 у тропоэластина до ~ 6 в зрелом эластине). Соответственно исчезают ионные связи с МАвР. Полимеризованный эластин уже не столь плотно прилегает к микрофибриллам и вытесняется новыми молекулами тропоэластина, доставляемыми в составе комплекса с шапероном. Они, в свою очередь, формируют новые нити зрелого эластина. В конечном счете почти все микрофибриллы оказываются по периферии эластического волокна, центральную часть которого заполняет множество нитей зрелого эластина.

В отличие от других компонентов внеклеточного матрикса, эластические волокна формируются только в развивающихся тканях и почти совсем не синтезируются у взрослых. Поэтому метаболическое обновление их протекает крайне медленно.

Как уже отмечалось, ген тропоэластина возникает только у позвоночных, когда появляется замкнутая система кровеносных сосудов. А фибриллин и другие компоненты микрофибрилл - эволюционно гораздо более древние белки. Они имеются уже у ранних форм беспозвоночных. Очевидно, природа использовала готовую конструкцию микрофибрилл в качестве «подмостков» для сборки эластиновых волокон из глобулярного белка - тропоэластина. Столь же очевидно, что микрофибриллы должны обладать и собственными функциями. Тем более, что и у высших животных некоторая часть мик- рофибриллярных структур остается ненагру- женной эластином. Эти функции остаются пока неизвестными. Проясняется пока лишь один аспект - участие в объединении внеклеточных структур и в их взаимодействии с клетками.

В частности молекулы МАСР опосредуют связывание микрофибрилл не только с эластином. Тот же самый фрагмент в М-концевой части МАСР (и с примерно той же степенью сродства) способен соединяться и с определенным участком в спирализованном фрагменте коллагена-VI (но не с другими типами коллагена). Тем самым обеспечивается ассоциация коллаге- новых и эластических волокон. А один из нор


мальных вариантов МАвР (МАСР-2), будучи неспособным к взаимодействию с коллагеном, содержит 1Ш1)-центры связывания с клетками (комплементарные определенным участкам трансмембранных белков - интегринов).

Фибулин - еще один из гликопротеинов, выявленных в составе эластических волокон. По имеющимся данным, он ассоциирован не с МАСР или фибриллином, а непосредственно с молекулами эластина. Кроме того, фибулин способен связываться с другими структурными гликопротеинами межклеточного матрикса - фибронектином, ламинином, нвдогеном (эн- тактином), а также с фибриногеном.

Насчитывая ~ 800 АО, фибулин-1 очень похож на фибриллин многократными (9 раз) повторами фрагмента, сходного с эпидермальным фактором роста (ЭФР-подобный модуль). Большинство из этих модулей обладает сродством к ионам Са2+, а в двух средних находятся центр связывания с фибронектином и участок, вовлекаемый в Са2+-зависимую самоассоциа- цию фибулина-1. Вся эта срединная часть молекулы имеет форму стержня (домен II). С 1М-КОН- ца к нему примыкает домен I, содержащий три сегмента, родственных анафилатоксину, а с С-конца — сравнительно небольшой домен Ш, который имеет глобулярное строение и способен связываться с нидогеном и ламинином.

Вырабатывают фибулин фибробласты, гладкие миоциты, эпителиальные, но не эндотелиальные клетки. Многие исследованные линии опухолевых клеток не обладают такой способностью.

Таким образом, эластические волокна отличаются значительной гетерогенностью своего состава. Перечисленные гликопротеины (фибриллин, МАвР, фибулин) являются необходимыми факторами структурной организации эластина. Более того, обладая разнообразием центров «узнавания» различных лигандов, они обеспечивают эластическим волокнам, помимо уникальных биомеханических свойств, еще и участие в интеграции внеклеточных структур и клеток.



загрузка...