Strukturel biokemi / kollagen
Kollagenintroduktion
kollagen, som er det mest rigelige protein i pattedyr, er også den vigtigste fibrøse komponent i hud, knogler, sener, brusk og tænder. Menneskers tørvægt af huden består af over 1/3 kollagen. Dette ekstracellulære protein er et stangformet molekyle, omkring 3000 liter langt og kun 15 Liter i diameter. Der er mindst otteogtyve forskellige typer kollagen, der består af mindst 46 forskellige polypeptidkæder, der har været placeret i ryghvirvler og andre proteiner, der indeholder kollagenholdige domæner. Det definerende kendetegn ved kollagen er, at det er et strukturelt protein, der er sammensat af et højrehåndet bundt af tre parallelle venstrehåndede polyprolin II-type helices. På grund af den stramme pakning af PPII-spiraler i den tredobbelte spiral er hver tredje rest, som er en aminosyre, Gly (glycin). Dette resulterer i et gentagende mønster af en sekvens. Selvom dette mønster forekommer i alle typer kollagen, er der en vis forstyrrelse af dette mønster i visse områder placeret inden for det tredobbelte spiralformede domæne af ikke-fibrillære collagener. Aminosyren, der erstatter KSA i sekvensen, er mest sandsynligt (2s) – prolin (Pro, 28%). Den mest sandsynlige erstatning aminosyre i Yaa position er (2s, 4r)- 4-Hydroksyprolin (Hyp, 38%). Dette betyder, at ProHypGly-sekvensen er den mest almindelige triplet i kollagen. Mange forskning er blevet gjort på at finde ud af strukturen af kollagen triple helices og hvordan deres kemiske egenskaber påvirker kollagen stabilitet. Det har vist sig, at stereoelektroniske effekter og præorganisering er vigtige faktorer til bestemmelse af stabiliteten af kollagen. En type kollagen kaldet type I kollagen har strukturen afsløret detaljeret. Syntetisering af kunstige kollagenfibriller, som er mindre fiberstrenge, har nu været mulig og kan nu indeholde egenskaber, som naturlige kollagenfibriller har. Ved løbende at forstå de mekaniske og strukturelle egenskaber ved native kollagenfibriller, vil hjælpe forskning med at udtænke og udvikle måder at skabe kunstige kollagenholdige materialer, der kan anvendes på mange aspekter af vores liv, såsom biomedicin og nanoteknologi.
struktur af kollagen
strukturen af kollagen er blevet udviklet intensivt gennem historien. Først fremsatte Astbury og Bell deres ide om, at kollagen var sammensat af en enkelt udvidet polypeptidkæde med alle deres amidbindinger i cis-konformationen. I 1951 bestemte andre undersøgelser korrekt strukturerne for Alfa-spiralen og beta-arket. Pauling og Corey fremlagde deres struktur, at tre polypeptidstrenge dannes sammen gennem hydrogenbindinger i en spiralformet konformation. I 1964 udviklede Ramachandran og Kartha en avanceret struktur for kollagen, idet det var en højrehåndet tredobbelt spiral af tre venstrehåndede polypeptid 2 helices med alle peptidbindingerne i transkonformationen og to hydrogenbindinger i hver triplet. Derefter blev strukturen finpudset af Rich og Crick til den accepterede tredobbelte spiralstruktur i dag, som indeholder en enkelt interstrand N-h(Gly)…Triplet og en ti gange spiralformet symmetri med en 28,6 a aksial gentagelse.
funktion og mangfoldighed
kollagen, som er til stede i alle multicellulære organismer, er ikke et protein, men en familie af strukturelt beslægtede proteiner. De forskellige kollagenproteiner har meget forskellige funktioner. De ekstremt hårde strukturer af knogler og tænder indeholder kollagen og en calciumphosphatpolymer. I sener danner kollagen reblignende fibre med høj trækstyrke, mens kollagen i huden danner løst vævede fibre, der kan ekspandere i alle retninger. De forskellige typer kollagen er kendetegnet ved forskellige polypeptidkompositioner. Hvert kollagen er sammensat af tre polypeptidkæder, som alle kan være identiske eller kan være af to forskellige kæder. Et enkelt molekyle af type I kollagen har en molekylvægt på 285kda, en bredde på 1,5 nm og en længde på 300nm.
| Type | Polypeptidsammensætning | fordeling |
|---|---|---|
| I | 2, alfa 2 (I) | hud,knogler, sener, hornhinde, blodkar |
| II | 3 | brusk, intervertebral disk |
| III | 3 | Fosterhud, blodkar |
| IV | 2, alfa 2 (IV) | kældermembran |
| V | 2, alfa 2 (V) | Placenta, hud |
oversigt over Biosyntese
Kollagenpolypeptider syntetiseres af ribosomer på det grove endoplasmatiske retikulum (RER). Polypeptidkæden passerer derefter gennem rer-og Golgi-apparatet, inden det udskilles. Undervejs er det post-translationelt modificeret: Pro-og Lys-rester hydroksyleres, og der tilsættes kulhydrat. Før sekretion samles tre polypeptidkæder for at danne en tredobbelt spiralformet struktur kendt som procollagen. Procollagen udskilles derefter i de ekstracellulære rum i bindevævet, hvor eekstensioner af polypeptidkæderne ved både n-og C-termini (forlængelsespeptider) fjernes af peptidaser for at danne troppcollagen. Tropocollagenmolekylerne aggregerer og er i vid udstrækning tværbundet til procuce den modne kollagenfiber.
stabilitet af tredobbelt spiralstruktur
kollagen er vigtigt for dyr, da det indeholder mange væsentlige egenskaber såsom termisk stabilitet, mekanisk styrke og evnen til at binde og interagere med andre molekyler. At vide, hvordan disse egenskaber påvirkes, kræver en forståelse af strukturen og stabiliteten af kollagen. Udskiftning af aminosyrer i stedet for nogen af de Ksaayaagly positioner kan påvirke strukturen og stabiliteten af kollagen på mange måder.
Glycinsubstitutioner
udskiftning af Glycinpositionen i sekvensen forårsager ofte sygdomme har det er forbundet med mutationer i de tredobbelte spiralformede og ikke-tredobbelte spiralformede domæner i en række collagener. De skadelige mutationer til kollagen er forårsaget af substitutionen af Gly involveret i de sidste brintlegemer inden for den tredobbelte spiral. For eksempel kan aminosyren, der erstatter Gly og placeringen af substitutionen, påvirke patologien for osteogenese. Udskiftning af Gly i prolinrige områder af kollagensekvensen har mindre forstyrrelse end områderne af prolinfattige regioner. Tidsforsinkelsen forårsaget af Glycinsubstitutioner resulterer i en overmodifikation af protocollagen-kæderne, som ændrer den normale tilstand af den tredobbelte spiralstruktur og således bidrager til udviklingen af osteogenese.
højere ordens kollagenstruktur.
kollagen består af hierakarcale komponenter fra de mindre enheder af individuelle TC-monomerer, der selv samles i de makromolekylære fibre. I type 1 kollagen udgør monomerer mikrofibriller, som derefter udgør fibris.
Fibril Struktur.
TC monomerer af type 1 kollagen har et mærkeligt træk ved, at de er ustabile ved kropstemperatur, hvilket betyder, at de foretrækker at blive forstyrret snarere end struktureret og orden. Spørgsmålet er, at hvordan kan noget ustabilt være en komponent i noget så stabilt, som den tredobbelte spiralstruktur af kollagen. Svaret på dette spørgsmål er, at kollagenfibrillogenese stabiliserer den tredobbelte spiral, hvilket betyder, at når monomererne dannes sammen, har de en stabiliserende virkning. Dette bidrager til styrken af kollagen tredobbelt spiralstruktur.
Kollagenfibrillogenese forekommer gennem dannelsen af mellemstore fibrilsegmenter kaldet mikrofibriller. Der er to væsentlige spørgsmål, der skal besvares for at forstå den molekylære struktur af kollagenfibriller. Det første spørgsmål er, hvad der er arrangementet af de enkelte TC-monomerer, der udgør mikrofibrilen. Det andet spørgsmål er så, hvordan udgør disse mikrofibriller kollagenfibril. Disse spørgsmål er vanskelige at besvare, fordi individuelle naturlige mikrofibriller ikke kan isoleres, og den store størrelse og uopløselighed af modne kollagenfibriller gør det umuligt for standardteknikker at finde ud af strukturen.
