Biochimie structurelle / Collagène
Introduction au collagène
Le collagène, qui est la protéine la plus abondante chez les mammifères, est également le principal composant fibreux de la peau, des os, des tendons, du cartilage et des dents. Le poids sec de la peau humaine est composé de plus de 1/3 de collagène. Cette protéine extracellulaire est une molécule en forme de bâtonnet, d’environ 3000 Å de long et de seulement 15 Å de diamètre. Il existe au moins vingt-huit types de collagène différents qui sont constitués d’au moins 46 chaînes polypeptidiques différentes qui ont été localisées dans les vertèbres et d’autres protéines qui contiennent des domaines collagènes. La caractéristique déterminante du collagène est qu’il s’agit d’une protéine structurelle composée d’un faisceau droitier de trois hélices de type polyproline II parallèles-gauchers. En raison de l’emballage serré des hélices PPII dans la triple hélice, un résidu sur trois, qui est un acide aminé, est Gly (glycine). Il en résulte un motif répété d’une séquence XaaYaaGly. Bien que ce modèle se produise dans tous les types de collagène, il y a une certaine perturbation de ce modèle dans certaines zones situées dans le domaine triple hélicoïdal des collagènes non fibrillaires. L’acide aminé qui remplace le Xaa dans la séquence est très probablement (2S) – proline (Pro, 28%). L’acide aminé de remplacement le plus probable en position Yaa est la (2s, 4R)-4-hydroxyproline (Hyp, 38%). Cela signifie que la séquence ProHypGly est le triplet le plus courant dans le collagène. De nombreuses recherches ont été effectuées pour déterminer la structure des triple hélices de collagène et comment leurs propriétés chimiques affectent la stabilité du collagène. Il a été constaté que les effets électroniques stéréo et la préorganisation sont des facteurs importants pour déterminer la stabilité du collagène. Un type de collagène appelé collagène de type I a la structure révélée en détail. La synthèse de fibrilles de collagène artificielles, qui sont des brins de fibres plus petits, est maintenant possible et peut maintenant contenir des propriétés que les fibrilles de collagène naturelles ont. En comprenant continuellement les propriétés mécaniques et structurelles des fibrilles de collagène indigènes, aidera la recherche à concevoir et à développer des moyens de créer des matériaux collagènes artificiels qui peuvent être appliqués à de nombreux aspects de nos vies, tels que la biomédecine et la nanotechnologie.
Structure du collagène
La structure du collagène a été développée de manière intensive au cours de l’histoire. Au début, Astbury et Bell ont avancé leur idée que le collagène était constitué d’une seule chaîne polypeptidique étendue avec toutes leurs liaisons amides dans la conformation cis. En 1951, d’autres recherches ont correctement déterminé les structures de l’hélice alpha et de la feuille bêta. Pauling et Corey ont mis en avant leur structure selon laquelle trois brins polypeptidiques sont formés ensemble par des liaisons hydrogène dans une conformation hélicoïdale. En 1964, Ramachandran et Kartha ont développé une structure avancée pour le collagène en ce sens qu’il s’agissait d’une triple hélice droitière de trois hélices de polypeptide 2 gauchers avec toutes les liaisons peptidiques dans la conformation trans et deux liaisons hydrogène dans chaque triplet. Par la suite, la structure a été affinée par Rich et Crick à la structure à triple hélice acceptée aujourd’hui, qui contient un seul interstrand N-H (Gly)…O = Liaison hydrogène C (Xaa) par triplet et symétrie hélicoïdale décuplée avec une répétition axiale de 28,6 A.
Fonction et diversité
Le collagène, présent dans tous les organismes multicellulaires, n’est pas une protéine mais une famille de protéines structurellement apparentées. Les différentes protéines de collagène ont des fonctions très diverses. Les structures extrêmement dures des os et des dents contiennent du collagène et un polymère de phosphate de calcium. Dans les tendons, le collagène forme des fibres ressemblant à des cordes à haute résistance à la traction, tandis que dans la peau, le collagène forme des fibres tissées lâchement qui peuvent se dilater dans toutes les directions. Les différents types de collagène sont caractérisés par différentes compositions polypeptidiques. Chaque collagène est composé de trois chaînes polypeptidiques, qui peuvent être toutes identiques ou de deux chaînes différentes. Une seule molécule de collagène de type I a une masse moléculaire de 285kDa, une largeur de 1,5 nm et une longueur de 300 nm.
| Type | Composition polypeptidique | Distribution |
|---|---|---|
| I | 2, alpha 2 (I) | Peau, os, tendon, cornée, vaisseaux sanguins |
| II | 3 | Cartilage, disque intervertébral |
| III | 3 | Peau fœtale, vaisseaux sanguins |
| IV | 2, alpha 2 (IV) | Membrane basale |
| V | 2, alpha 2 (V) | Placenta, peau |
Aperçu de Biosynthèse
Les polypeptides de collagène sont synthétisés par des ribosomes sur le réticulum endoplasmique rugueux (RER). La chaîne polypeptidique traverse ensuite l’appareil RER et Golgi avant d’être sécrétée. En cours de route, il est modifié post-traductionnellement: les résidus Pro et Lys sont hydroxylés et des glucides sont ajoutés. Avant la sécrétion, trois chaînes polypeptidiques se réunissent pour former une structure triple hélicoïdale connue sous le nom de procollagène. Le procollagène est ensuite sécrété dans les espaces extracellulaires du tissu conjonctif où les eextensions des chaînes polypeptidiques aux terminaisons N et C (peptides d’extension) sont éliminées par les peptidases pour former du troppcollagène. Les molécules de tropocollagène s’agrégent et sont largement réticulées pour produire la fibre de collagène mature.
Stabilité de la structure en Triple hélice
Le collagène est important pour les animaux car il contient de nombreuses propriétés essentielles telles que la stabilité thermique, la résistance mécanique et la capacité de se lier et d’interagir avec d’autres molécules. Savoir comment ces propriétés sont affectées nécessite une compréhension de la structure et de la stabilité du collagène. Le remplacement des acides aminés à la place de l’une des positions XaaYaaGly peut affecter la structure et la stabilité du collagène de nombreuses manières.
Les substitutions de glycine
Le remplacement de la position de la glycine dans la séquence XaaYaaGly provoque souvent des maladies car il est associé à des mutations dans les domaines triple et non triple hélicoïdaux d’une variété de collagènes. Les mutations dommageables au collagène sont causées par la substitution de Gly impliquée dans les derniers corps d’hydrogène au sein de la triple hélice. Par exemple, l’acide aminé remplaçant le Gly et l’emplacement de la substitution peuvent affecter la pathologie de l’ostéogenèse. La substitution de la Gly dans les zones riches en proline de la séquence de collagène a moins de perturbations que les zones des régions pauvres en proline. Le retard causé par les substitutions de glycine entraîne une surmodification des chaînes protocollagènes, qui modifient l’état normal de la structure en triple hélice et contribuent ainsi au développement de l’ostéogenèse.
Structure de collagène d’Ordre supérieur.
Le collagène est constitué de composants hiéracharcaux à partir des plus petites unités de monomères TC individuels qui s’auto-assemblent dans les fibres macromoléculaires. Dans le collagène de type 1, les monomères constituent des microfibrilles qui constituent ensuite des fibris.
Structure des fibrilles.
Les monomères TC du collagène de type 1 ont une caractéristique étrange en ce sens qu’ils sont instables à la température corporelle, ce qui signifie qu’ils préfèrent être désordonnés plutôt que structurés et ordonnés. La question est de savoir comment quelque chose d’instable peut-il être un composant de quelque chose d’aussi stable, comme la structure en triple hélice du collagène. La réponse à cette question est que la fibrillogenèse du collagène stabilise la triple hélice, ce qui signifie que lorsque les monomères se forment ensemble, ils ont un effet stabilisant. Cela contribue à la force de la structure en triple hélice de collagène.
La fibrillogenèse du collagène se produit par la formation de segments de fibrilles de taille intermédiaire appelés microfibrilles. Il y a deux questions essentielles auxquelles il faut répondre pour comprendre la structure moléculaire des fibrilles de collagène. La première question est de savoir quelle est la disposition des monomères TC individuels qui composent la microfibrille. La deuxième question est alors de savoir comment ces microfibrilles composent la fibrille de collagène. Il est difficile de répondre à ces questions car les microfibrilles naturelles individuelles ne peuvent pas être isolées et la grande taille et l’insolubilité des fibrilles de collagène matures empêchent les techniques standard de comprendre la structure.
