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Arbeitsgruppe Elastinforschung
 

 

Arbeitsgruppe Elastin

 

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Forschungsschwerpunkt

Unsere Arbeitsgruppe widmet sich der Untersuchung der Schädigung elastischer Fasern durch verschiedene biologisch relevante elastinolytische Enzyme und analysiert die während des Elastinabbaus freigesetzten Peptide im Hinblick auf deren potenzielle Bioaktivitäten.

Ein weiterer Schwerpunkt stellt die strukturelle Charakterisierung nativen Elastins aus verschiedenen Geweben wie beispielsweise Haut, Aorta, Knorpel oder elastischen Bändern dar. Hierzu wird Elastin aus dem Gewebe isoliert und anschließend morphologisch unter Nutzung der Rasterelektronenmikroskopie untersucht. Charakterisierungen auf molekularer Ebene erfolgen unter Verwendung massenspektrometrischer Methoden.


Elastin und elastische Fasern

Bedeutung und Vorkommen

Elastin ist ein bedeutendes und abundantes Protein der extrazellulären Matrix (EZM) von Wirbeltieren. Es ist Hauptbestandteil der elastischen Fasern und verleiht vielen Bindegeweben wie der Aorta, den Lungen, elastischem Knorpel und Bändern sowie der Haut Elastizität und Spannkraft. Die Fasern sind in den unterschiedlichen Geweben in klar unterscheidbaren Strukturen organisiert: konzentrische, lamellar angeordnete Fasern in Blutgefäßen, dreidimensionale bienenwabenartige Netzwerke in elastischem Knorpel sowie seilartige Strukturen in den Lungen, der Haut sowie in elastischen Bändern. Die Eigenschaften des Elastins ergänzen sich mit denen der Kollagene derart, dass die Gewebe insgesamt reißfest und reversibel verformbar werden.

SEM-Aufnahmen von Elastinfasern, die aus Haut, Aorta bzw. elastischem Knorpel isoliert wurden.

Quervernetzung

Elastin weist eine einzigartige chemische Zusammensetzung auf, die durch das Vorhandensein von überwiegend vier Aminosäuren, Glycin, Alanin, Valin und Prolin, charakterisiert ist. Elastin wird durch eine ausgeprägte, kovalente Quervernetzung aus Einheiten seines löslichen Vorläufers Tropoelastin gebildet. Die Quervernetzung wird durch Enzyme der Familie der Lysyloxidasen induziert. Diese desaminieren oxidativ die Mehrzahl der Lysinreste in den Tropoelastinmonomeren. Nach der Bildung dieser reaktiven Aldehyde, die auch als Allysine bezeichnet werden, führen Kondensationsreaktionen zur Entstehung von bi- und trifunktionalen Quervernetzungen sowie zur Bildung der tetrafunktionalen Quervernetzungen Desmosin und Isodesmosin, die ausschließlich in Elastin vorkommen.


Einzigartige Quervernetzung in Elastin: Die Vierfach-Aminosäuren Desmosin und Isodesmosin.

Eigenschaften und Funktion

Die Quervernetzung stabilisiert das Biopolymer zu einem flexiblen, unlöslichen und äußerst langlebigen Strukturprotein, das eine beeindruckende Halbwertszeit von ca. 74 Jahren aufweist. Reifes Elastin ist eine lebensnotwendige Komponente der EZM, da es den Kern der elastischen Fasern bildet, der wiederum von fibrillinreichen Mikrofibrillen umhüllt ist. Diese Fasern sind sehr langlebige Strukturen, die ihre elastische Funktion das gesamte Leben des Organismus aufrechterhalten. Die Fasern entstehen noch vor der Geburt bzw. während der ersten Lebensjahre und werden danach vom Körper nicht neu gebildet. Schädigungen an elastischen Fasern sind daher irreversibel.

Zahlreiche Untersuchungen haben zudem ergeben, dass Elastin nicht nur ein Strukturprotein ist, das den Aufbau und die biomechanischen Eigenschaften der EZM beeinflusst, sondern dass es auch eine wichtige Rolle bei verschiedenen physiologischen Prozessen spielt. Bestimmte Peptide, die während des Abbaus von Elastin und Tropoelastin entstehen, können beispielsweise die Angiogenese fördern und beeinflussen verschiedene Zellaktivitäten wie Zelladhäsion, Chemotaxis, Migration, Proliferation, Proteaseaktivierung und Apoptose. Derartig wirkende bioaktive Elastinpeptide werden auch als Matrikine (vom Abbau eines Matrixproteines stammend) bzw. Elastokine bezeichnet.

Elastinschädigungen

Obgleich Elastin eine außergewöhnlich große Halbwertszeit hat und sehr resistent gegenüber verschiedenen Umwelteinflüssen ist, kann es durch Proteasen angegriffen werden. Insbesondere die aberrante Expression elastinabbauender Enzyme aus den Familien der Matrixmetalloproteasen sowie Serinproteasen kann zur Schädigung elastischer Fasern und damit zum Verlust ihrer Funktionsfähigkeit führen.



SEM-Aufnahmen von humanen Elastinfasern eines 6jährigen sowie eines 90jährigen Probanden.
Die morphologischen Schädigungen des elastischen Fasernetzwerks sind eine Folge des Alterungsprozesses.

Die Schädigung Elastins verbunden mit den biologischen Prozessen, die durch Matrikine ausgelöst werden, können die Entstehung bzw. das Fortschreiten verschiedener Herz-Kreislauf-Erkrankungen wie beispielsweise Aortenstenose, Arteriosklerose, Aortenaneurysma und Lungenemphysem fördern und spielen eine Rolle bei Prozessen wie beispielsweise der Hautalterung und dem Krebsgeschehen. Insgesamt hat die Schädigung elastischer Fasern einen großen Einfluss auf die Sterblichkeit. Daher ist es von großer Bedeutung, elastinschädigende Prozesse genau zu untersuchen, um diese nachvollziehen zu können.

 

 
 
 
Webmaster:  Christian Schmelzer Aktualisiert 01.07.2017
 
     
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