Обзор литературы об Эластине

Розничная продажа косметических белков:

КЕРАТИН КОСМЕТИЧЕСКИЙ

КОЛЛАГЕН КОСМЕТИЧЕСКИЙ

ЭЛАСТИН КОСМЕТИЧЕСКИЙ (с десмозинами)

Как известно, волокнистые компоненты межклеточного матрикса представлены не только коллагеновыми, но и эластическими волокнами, которые имеют четкую ориентацию и упорядоченность на любом уровне своей структурной организации.

Эластические волокнистые структуры распространены преимущественно в органах и тканях, функция которых связана с большими деформациями под действием малых нагрузок с полным (эластическим) восстановлением формы после прекращения деформирующего воздействия. Обратная деформируемость эластических волокон напоминает свойства резины. В тканях эластические компоненты встречаются в виде волокон (легкие, дерма, склера, вены, эластические связки, хрящ) и мембран (артерии). Например, в дерме эластические волокна содержатся в количестве 1-3% от массы всех волокнистых компонентов.

Благодаря использованию сканирующего электронного микроскопа было установлено, что эластическая ткань выйной связки быка состоит из волокон цилиндрической формы диаметром 1-3 мкм, расположенных параллельно друг другу и ориентированных преимущественно вдоль длинной оси связки. В отдельных участках эти волокна переплетаются друг с другом или соединяются при помощи более тонких волокон. В свою очередь, эластические волокна связки, состоят из тонких фибрилл толщиной около 0,12 мкм. При этом каких-либо признаков регулярности ориентации, периодичности структуры волокон, как это имеет место для коллагена, обнаружить не удается.

Эластическая ткань средней оболочки артерий состоит в основном из концентрических мембран, но не непрерывных, а образованных дугообразными пластинками, соединяющими между собой конец в конец и бок в бок (черепицеобразно),  иногда через коллагеновые волокна или отростки гладких мышц. Оказалось, что эластическая ткань имеет волокнистое строение даже в мембранах сосудистой стенки. При изучении тонкого строения мембран было установлено, что они имеют упорядоченное волокнистое строение и состоят из эластических волокон толщиной 1-3 мкм, тесно прилегающих друг к другу и ориентированных в одном направлении: у человека под углом 30-40о к длинной оси сосуда, у животных — 75-90о. Волокна, составляющие пластину, могут сливаться, образуя гомогенные пластины или трехслойные пластины, в которых волокна наружных слоев частично погружены в гомогенный средний слой. Структурная гетерогенность мембран отражает сложную биомеханику их сокращения и, в целом, обеспечивает оптимальное сочетание эластичности и прочности сосудистой стенки при передаче пульсовой волны вдоль сосуда. Коллагеновые волокна при этом ограничивают степень однонаправленного натяжения эластических элементов и скольжение их относительно друг друга.

Ультраструктурное изучение эластических волокон позволило установить, что они состоят, по крайней мере, из двух различных компонентов: фибриллярного и аморфного, отличающихся восприятием катионовых и анионовых красителей. В электронном микроскопе зрелые эластические волокна и мембраны выглядят на продольном срезе в виде лентовидных структур различной толщины (от 200 до 5000 нм), в аморфном матриксе которых видны микрофибриллы диаметром 10-12 нм. Они образуют густую сеть в краевых зонах волокна и сравнительно реже встречаются в центральных слоях. Аморфный компонент эластической ткани выявляется при специальных методах окраски орсеином, резорцин-фуксином.

Вопрос о природе компонентов эластических волокон долгое время являлся предметом постоянных дискуссий. Сейчас уже установлено, что аморфный компонент идентичен эластину, а микрофибриллярный образован гликопротеином, относящимся к классу структурных гликопротеинов. Функциональное значение двухкомпонентной структуры эластического волокна не вполне ясно. Считают, что одной из функций микрофибрилл является морфогенетическая. Многочисленными исследованиями показано, что у эмбриона в развивающейся аорте, связках, коже, легких сначала появляются пучки микрофибрилл. Пространство между ними постепенно заполняется сливающимися глыбками аморфного матрикса, который затем оттесняет микрофибриллы на периферию эластического волокна, занимая более 90% объема.

Микрофибриллярный компонент оказывает существенное влияние на биомеханические свойства эластических структур. По всей вероятности, каркас из микрофибрилл ограничивает степень растяжимости эластинового матрикса. Поэтому соотношение эластомерных и прочностных свойств волокон и мембран зависит именно от соотношения обоих компонентов. Это предположение нашло свое подтверждение в работах, посвященных изучению окситалановых и элауниновых волокон, которые представляют собой различные стадии развития эластических волокон. Так, окситалановые волокна состоят только из пучков микрофибрилл диаметром 10-12 нм. Элауниновые волокна содержат, кроме того, пакеты аморфного компонента (около 30-40%  от всей массы волокон), а зрелые эластические волокна на 90% состоят из аморфного компонента.

Изучение всех типов волокон в различных тканях показало, что микрофибриллярный компонент преобладает там, где требования к механической прочности выше, чем к эластичности.

Основным белковым компонентом, из которого состоят эластические волокна, является эластин, на его долю приходится более 90% массы эластических волокон. Помимо эластина волокна содержат, как уже упоминалось выше, микрофибриллярный гликопротеин, а также небольшое количество гликозаминогликанов и липидов.

Эластин – своеобразный белок, отличающийся от коллагена не только по электронномикроскопическим и гистохимическим характеристикам, но и по химическому составу и молекулярной структуре.

С одной стороны, первичная структура эластина имеет некоторые общие черты с первичной структурой коллагена. Почти таким же, как в коллагене, является содержание глицина (около 1/3 общего числа аминокислотных остатков) и пролина. Общим для эластина и коллагена является наличие оксипролина, хотя количество оксипролильных остатков в эластине примерно в 10 раз меньше, чем в коллагене. Как и в коллагене, в эластине содержится крайне мало цистина, метионина, гистидина и отсутствует триптофан.

Вместе с тем, по своему аминокислотному составу эластин обладает весьма существенными отличиями от коллагена. Он содержит значительно меньше аспарагиновой и глутаминовой кислот и аргинина, а также гораздо больше валина и аланина. Отсутствие триптофана, малые количества цистина и метионина, высокое содержание валина и низкое, по сравнению с коллагеном, содержание оксипролина являются четкими критериями для идентификации этого белка в различных образцах соединительной ткани.

Главной особенностью эластина, отличающей его от всех других белков, является исключительная насыщенность первичной структуры неполярными аминокислотами: около 90% аминокислотных остатков обладают неполярными боковыми группами, лишь 2-3% приходится на долю положительно заряженных остатков аминокислот, таких, как лизин и аргинин, и 6-7 % — на долю аминокислот с отрицательно заряженными остатками боковых цепей (глутаминовой и аспарагиновой). В этом и заключается специфичность аминокислотного состава эластина, которая обусловливает его инертность по отношению к воде и различным химическим реагентам. Эластин во много раз меньше набухает в воде по сравнению с коллагеном, довольно устойчив к гидротермическим воздействиям и не обнаруживает эффекта денатурации в процессе нагревания.

Первичная структура эластина расшифрована пока еще далеко не полностью. Установить последовательность остатков удалось лишь в небольших пептидных фрагментах молекулы растворимого предшественника зрелого эластина – тропоэластина. При этом были обнаружены несвойственные другим белкам последовательности, например, тетрапептид ГЛИ-ГЛИ-ВАЛ-ПРО-, пентапептид ПРО-ГЛИ-ВАЛ-ГЛИ-ВАЛ-, гексапептид ПРО-ГЛИ-ВАЛ-ГЛИ-ВАЛ-АЛА-. Найдены были также остатки аланина, связанные с остатками лизина: АЛА-АЛА-ЛИЗ- и АЛА-АЛА-АЛА-ЛИЗ.

Таблица. Аминокислотный состав эластина и микрофибриллярного гликопротеина (в пересчете на 1000 остатков)

Аминокислоты

Эластин хряща

Эластин

выйной

связки

Эластин

аорты

Микрофибриллярный гликопротеин

Гидроксипролин

11,7

8,1

10,5

0

Аспарагиновая кислота

21,4

5,8

6,5

114

Треонин

12,9

9,3

9,6

56

Серин

14,8

8,7

9,2

62

Глутаминовая кислота

35,7

15,4

15,9

114

Пролин

113,7

115,5

112,1

64

Глицин

307,3

328,1

330,8

110

Аланин

204,3

227,0

222,8

65

Валин

105,0

131,6

130,7

56

Полуцистеин

0

0

0

48

Метионин

0

0

0

16

Изолейцин

19,9

23,9

23,4

48

Лейцин

62,2

59,4

57,9

69

Тирозин

16,0

5,9

7,5

36

Фенилаланин

29,3

29,3

29,6

38

Лизин

7,3

7,3

4,6

45

Гистидин

0,7

0,5

0,5

15

Аргинин

14,3

5,8

5,9

45

Десмозины*

16,0

16,0

15,9

0

* В пересчете на лизин.

Во фрагментах молекул зрелого эластина, содержащих лизин, и полученных путем последовательной обработки эластинсодержащих тканей эластазой, папаином, карбоксипептидазой, были обнаружены необычные для других белков соединения – десмозины. Было установлено, что эти компоненты формируются в результате конденсации четырех остатков лизина.

Анализ десмозинов (их известно 4 — десмозин, изодесмозин, меродесмозин и дегидродесмозин) показал, что все они представляют собой тетракарбоксильные тетрааминокислоты. Благодаря такому строению каждая из этих кислот может одновременно входить в состав нескольких (до четырех включительно) полипептидных цепей, соединяя их между собой, т.е. играя роль ковалентной поперечной связи. Такие поперечные связи встречаются только в эластине, и именно их образование обуславливает превращение растворимого тропоэластина в нерастворимый эластин.

Эластин содержит и другие ковалентные поперечные связи. В гидролизатах богатой десмозинами пептидной фракции была найдена еще одна новая аминокислота, названная лизиннорлейцин, которая является дикарбоксильной диаминокислотой и может быть, следовательно, связующим звеном, поперечной связью между двумя полипептидными цепями эластина, входя в состав обеих. Такую же роль в формировании поперечных связей выполняет дипептид, идентифицированный как дитирозин. В эластине трудно провести грань между аминокислотными остатками полипептидных цепей и функциональными группами, образующими поперечные связи между цепями. Десмозины, дитирозин и лизиннорлейцин можно рассматривать как точки разветвления цепей.

Вероятно, перечисленные выше пептидные фрагменты не исчерпывают список компонентов, образующих поперечные связи в молекулах эластина. Например, существует мнение о том, что углеводы, в том числе гексозы, сиаловая и гексуроновая кислоты, могут служить мостиками между полипептидными единицами. Другие исследователи считают, что взаимодействие эластина с полисахаридами не может осуществиться вследствие незначительного содержания в молекуле боковых цепей с карбоксильными, амино- и оксигруппами, по которым обычно присоединяются полисахариды. Предполагают, что мукополисахариды не оказывают существенного влияния на стабилизацию эластина, хотя и играют важную роль в придании ему тягучести.

Молекулярные цепи эластина имеют очень большую длину. Подтверждением этому служит тот факт, что в 105 г эластина содержится только 0,29 моль N-концевых аминокислотных остатков. Предполагают, что длинные молекулярные цепи в эластине связаны между собой редкими межмолекулярными связями. По мнению ряда авторов, это обусловлено чрезвычайной бедностью первичной структуры эластина полярными (основными и кислотными остатками). Несомненно, эта особенность имеет отношение к основному механическому свойству эластина, поскольку обратная деформируемость фибриллярного белка возможна только при том условии, что отдельные фибриллы могут обладать достаточной кинетической свободой по отношению друг к другу.

Дальнейший прогресс в изучении молекулярной структуры эластина связан с выделением растворимых форм этого белка. Следует отметить, что α- и β-эластины — растворимые продукты, образующиеся при обработке тканей щавелевой кислотой, не являются, как оказалось, мономерными субъединицами белка. Удалось выделить из аорты свиней растворимый в солевых растворах белок, соответствующий по аминокислотному составу эластину, но не содержащий десмозинов. Этот белок, по аналогии с тропоколлагеном, получил название тропоэластина, так считали, что он является предшественником зрелого эластина. Впоследствии это полностью подтвердилось при изучении биосинтеза эластина в культурах клеток.

Для того, чтобы объяснить основное свойство белка — обратимую деформацию, были предложены различные модели его молекулярной организации.

В основе «энтропической» модели, предложенной еще в 40-х годах, лежат представления, согласно которым обратимая деформация эластина основана на наличии гомогенной сети беспорядочно ориентированных полимерных молекул, которые в расслабленном состоянии обладают значительной степенью «кинетической свободы». При натяжении упорядоченность такой структуры возрастает, что приводит к уменьшению степени «свободы» и стремлению к возрастанию энтропии, и это является причиной сокращения эластина при ослаблении физической нагрузки.

Эта модель в известной степени согласуется с данными рентгеноструктурного анализа и ядерно-магнитного резонанса, а также с результатами термодинамических и физико-химических исследований эластина.

Согласно корпускулярной модели, эластин состоит из отдельных глобулярных частиц размером около 5 нм, соответствующих по молекулярной массе индивидуальной молекуле тропоэластина (74000-75000 дальтон). Гидрофобные остатки повернуты внутрь глобулы, а гидрофильные остатки снаружи.

Комментирование закрыто.

Комментирии закрыты