Rakenteellinen biokemia / kollageeni
kollageenin esittely
kollageeni, joka on nisäkkäiden runsain proteiini, on myös tärkein ihon, luun, jänteen, ruston ja hampaiden kuitukomponentti. Ihmisen ihon kuivapaino koostuu yli 1/3 kollageenista. Tämä solunulkoinen proteiini on sauvan muotoinen molekyyli, noin 3000 Å pitkä ja vain 15 Å halkaisijaltaan. On olemassa ainakin kaksikymmentäkahdeksan erilaista kollageenityyppiä, jotka koostuvat vähintään 46 erilaisesta polypeptidiketjusta, jotka ovat sijainneet nikamissa ja muissa kollageenisia domeeneja sisältävissä proteiineissa. Kollageenin määrittelevä ominaisuus on se, että se on rakenneproteiini, joka koostuu kolmen rinnakkaisen vasenkätisen polyproliini II-tyypin kierteen oikeakätisestä nipusta. Koska kolmoiskierteen sisällä on tiiviit PPII-kierteet, joka kolmas aminohappo on Gly (glysiini). Tämä johtaa toistuvaan XaaYaaGly-järjestykseen. Vaikka tämä kuvio esiintyy kaikentyyppisissä kollageeni, on joitakin häiriöitä tämän kuvion tietyillä alueilla sijaitsee sisällä kolminkertainen kierteinen verkkotunnuksen ei-fibrillar kollageenit. Sekvenssissä XAA: n korvaava aminohappo on todennäköisimmin (2s) –proliini (Pro, 28%). Todennäköisin korvaava aminohappo Yaa-asemassa on (2s, 4R)- 4-hydroksiproliini (Hyp, 38%). Tämä tarkoittaa sitä, että ProHypGly-sekvenssi on kollageenin yleisin tripletti. Monet tutkimukset on tehty selvittää rakenteen kollageenin kolminkertainen kierteet ja miten niiden kemialliset ominaisuudet vaikuttavat kollageenin stabiilisuuteen. On todettu, että stereoelektroniset efektit ja esiorganisointi ovat tärkeitä tekijöitä kollageenin stabiilisuuden määrittämisessä. Tyyppi kollageenin kutsutaan tyyppi I kollageeni on rakenne paljasti yksityiskohtaisesti. Synteettiset kollageenifibrillit, jotka ovat pienempiä kuidun säikeitä, ovat nyt olleet mahdollisia ja voivat nyt sisältää ominaisuuksia, joita luonnon kollageenifibrilleillä on. Ymmärtämällä jatkuvasti natiivien kollageenifibrillien mekaanisia ja rakenteellisia ominaisuuksia, auttaa tutkimusta kehittämään ja kehittämään tapoja luoda keinotekoisia kollageenimateriaaleja, joita voidaan soveltaa moniin elämämme osa-alueisiin, kuten biolääketieteeseen ja nanoteknologiaan.
kollageenin rakenne
kollageenin rakennetta on kehitetty intensiivisesti läpi historian. Aluksi Astbury ja Bell esittivät ajatuksensa, jonka mukaan kollageeni koostui yhdestä pidennetystä polypeptidiketjusta kaikkine amidisidoksineen cis-konformaatiossa. Vuonna 1951 muut tutkimukset määrittivät Alpha helix-ja beta-arkin rakenteet oikein. Pauling ja Corey esittävät rakenteensa, jonka mukaan kolme polypeptidisäikeitä muodostuu yhteen vetysidosten kautta kierteisessä konformaatiossa. Vuonna 1964 Ramachandran ja Kartha kehittivät kollageenille kehittyneen rakenteen siten, että se oli oikeakätinen kolmen vasenkätisen polypeptidi 2-heliksin kolmoiskierre, jossa oli kaikki peptidisidokset transformaatiossa ja kaksi vetysidosta kussakin tripletissä. Myöhemmin Rich ja Crick hioivat rakenteen nykyään hyväksytyksi triple helix-rakenteeksi, joka sisältää yhden interstrand N-H: n(Gly)…O=c (Xaa) vetysidos triplettiä kohti ja kymmenkertainen kierteinen symmetria, jonka aksiaalinen toisinto on 28,6 a.
toiminta ja monimuotoisuus
kollageeni, jota esiintyy kaikissa monisoluisissa organismeissa, ei ole yksi proteiini vaan rakenteellisesti samankaltaisten proteiinien ryhmä. Eri kollageeniproteiineilla on hyvin erilaisia toimintoja. Luun ja hampaiden erittäin kovissa rakenteissa on kollageenia ja kalsiumfosfaattipolymeeriä. Jänteissä kollageeni muodostaa köysimäisiä kuituja, joilla on suuri vetolujuus, kun taas ihossa kollageeni muodostaa löyhästi kudottuja kuituja, jotka voivat laajentua kaikkiin suuntiin. Erityyppisille kollageeneille on ominaista erilaiset polypeptidikoostumukset. Jokainen kollageeni koostuu kolmesta polypeptidiketjusta, jotka voivat olla kaikki samanlaisia tai voivat olla kahdesta eri ketjusta. Yhden tyypin I kollageenimolekyylin molekyylimassa on 285 kDa, leveys 1,5 nm ja pituus 300 Nm.
| Tyyppi | Polypeptidikoostumus | jakautuminen |
|---|---|---|
| I | 2, alfa 2 (I) | iho, luu,jänne, sarveiskalvo, verisuonet |
| II | 3 | rusto, Nikamavälilevy |
| III | 3 | sikiön iho, verisuonet |
| IV | 2, alpha 2 (IV) | Kellarikalvo |
| V | 2, alfa 2 (V) | istukka, iho |
yleiskatsaus Biosynteesi
Kollageenipolypeptidejä syntetisoidaan ribosomien avulla karkeassa endoplasmaisessa retikulumissa (RER). Polypeptidiketju kulkee tämän jälkeen RER-ja Golgi-laitteen läpi ennen sen erittymistä. Matkan varrella sitä muokataan translationaalisesti: Pro-ja Lys-jäämät hydroksyloidaan ja niihin lisätään hiilihydraattia. Ennen eritystä kolme polypeptidiketjua yhtyvät muodostaen kolmikierteisen rakenteen, joka tunnetaan nimellä prokollageeni. Prokollageeni erittyy sidekudoksen solunulkoisiin tiloihin, joissa polypeptidiketjujen eextensiot sekä n-että C-termiinissä (jatkopeptidit) poistetaan peptidaasien avulla muodostaen troppkollageenia. Tropokollageenimolekyylit kerääntyvät yhteen ja ovat laajasti ristisidoksissa kypsän kollageenikuidun procucen kanssa.
Kolmoiskierteisen rakenteen Stabiilisuus
kollageeni on tärkeä eläimille, sillä se sisältää monia olennaisia ominaisuuksia, kuten lämpöstabiilisuuden, mekaanisen lujuuden sekä kyvyn sitoutua ja olla vuorovaikutuksessa muiden molekyylien kanssa. Kun tiedetään, miten nämä ominaisuudet vaikuttavat, on ymmärrettävä kollageenin rakenne ja stabiilisuus. Aminohappojen korvaaminen minkä tahansa XaaYaaGly-asennon sijasta voi vaikuttaa kollageenin rakenteeseen ja stabiiliuteen monin tavoin.
Glysiinisubstituutiot
Glysiiniasennon korvaaminen XaaYaaGly-sekvenssissä aiheuttaa usein sairauksia, sillä se liittyy mutaatioihin useiden eri kollageenien kolmoiskierteisissä ja ei-kolmoiskierteisissä domeeneissa. Kollageenille vahingolliset mutaatiot johtuvat kolmoiskierteen viimeisissä vetykehissä mukana olevan Gly: n korvautumisesta. Esimerkiksi Gly: n korvaava aminohappo ja substituution sijainti voivat vaikuttaa osteogeneesin patologiaan. Korvaamalla Gly proliinirikkailla alueilla kollageenisekvenssissä on vähemmän häiriöitä kuin proliinin köyhien alueiden alueilla. Glysiinisubstituutioiden aiheuttama aikaviive johtaa protokollageeniketjujen ylimodifikaatioon, joka muuttaa kolmoiskierteen rakenteen normaalia tilaa ja edistää siten osteogeneesin kehittymistä.
korkeamman kertaluvun kollageenirakenne.
kollageeni koostuu hierakarkaalisista komponenteista yksittäisten TC-monomeerien pienemmistä yksiköistä, jotka itse kasautuvat makromolekyylikuiduiksi. Tyypin 1 kollageenissa monomeerit muodostavat mikrokuituja, joista sitten muodostuu fibris.
Fibriilin Rakenne.
tyypin 1 kollageenin TC-monomeereissa on siinä mielessä outo piirre, että ne ovat epästabiileja ruumiinlämmössä, mikä tarkoittaa, että ne ovat mieluummin epästabiileja kuin jäsenneltyjä ja järjestyksellisiä. Kysymys on siitä, että miten jokin epävakaa voi olla osa jotain niin stabiilia, kuten kollageenin kolmoiskierteinen rakenne. Vastaus tähän kysymykseen on, että kollageenin fibrillogeneesi stabiloi kolmoiskierteen, eli kun monomeerit muodostavat yhdessä niillä on stabiloiva vaikutus. Tämä edistää kollageenin triple helix-rakenteen lujuutta.
kollageenin fibrillogeneesi tapahtuu muodostamalla välikokoisia fibrillisegmenttejä, joita kutsutaan mikrokuiduiksi. On kaksi olennaista kysymystä, joihin on vastattava, jotta voidaan ymmärtää kollageenin fibrillien molekyylirakenne. Ensimmäinen kysymys on, mikä on mikrofibriilin muodostavien yksittäisten TC-monomeerien järjestely. Toinen kysymys on sitten se, miten nuo mikrokuidut muodostavat kollageenifibriilin. Näihin kysymyksiin on vaikea vastata, koska yksittäisiä luonnollisia mikrokuituja ei voida eristää ja kypsien kollageenifibrillien suuri koko ja liukenemattomuus estävät vakiotekniikoiden rakenteen selvittämisen.
