Szerkezeti Biokémia / kollagén
kollagén Bevezetés
a kollagén, amely az emlősökben a leggyakoribb fehérje, a bőr, a csont, az ín, a porc és a fogak fő rostos összetevője. Az emberi bőr száraz tömege több mint 1/3 kollagénből áll. Ez az extracelluláris fehérje egy rúd alakú molekula, körülbelül 3000 hosszú, átmérője pedig csak 15 hektár. Legalább huszonnyolc különböző típusú kollagén van, amelyek legalább 46 különböző polipeptidláncból állnak, amelyek a csigolyákban és más kollagéndoméneket tartalmazó fehérjékben találhatók. A kollagén meghatározó jellemzője, hogy szerkezeti fehérjékről van szó, amelyek három párhuzamos Balkezes poliprolin II típusú hélix jobbkezes kötegéből állnak. A ppii hélixek szoros csomagolása miatt a hármas spirálon belül minden harmadik maradék, amely aminosav, Gly (glicin). Ez egy xaayaagly szekvencia ismétlődő mintáját eredményezi. Bár ez a minta fordul elő minden típusú kollagén, van némi zavar ez a minta bizonyos területeken található a hármas spirális domén nonfibrilláris kollagének. Az aminosav, amely helyettesíti az Xaa-t a szekvenciában, valószínűleg (2S) – prolin (Pro, 28%). A legvalószínűbb helyettesítő aminosav A Yaa helyzetben (2s, 4R) – 4-hidroxi-prolin (Hyp, 38%). Ez azt jelenti, hogy a prohypgly szekvencia a leggyakoribb hármas a kollagénben. Számos kutatást végeztek a kollagén hármas hélixek szerkezetének feltárására és arra vonatkozóan, hogy kémiai tulajdonságaik hogyan befolyásolják a kollagén stabilitását. Megállapították, hogy a sztereó elektronikus hatások és az előszervezés fontos tényezők a kollagén stabilitásának meghatározásában. Az I. típusú kollagénnek nevezett kollagén szerkezete részletesen feltárt. A mesterséges kollagén rostok szintetizálása, amelyek kisebb szálas szálak, most már lehetségesek, és most olyan tulajdonságokat tartalmazhatnak, amelyek a természetes kollagén fibrilláknak vannak. A natív kollagén fibrillák mechanikai és szerkezeti tulajdonságainak folyamatos megértésével segít a kutatásban olyan mesterséges kollagén anyagok létrehozásának és fejlesztésének módjaiban, amelyek életünk számos területén alkalmazhatók, mint például a biomedicina és a nanotechnológia.
a kollagén szerkezete
a kollagén szerkezetét intenzíven fejlesztették ki a történelem során. Astbury és Bell először azt az elképzelést terjesztették elő, hogy a kollagén egyetlen kiterjesztett polipeptidláncból áll, az összes amidkötésükkel a cisz konformációban. 1951-ben más kutatások helyesen határozták meg az alpha helix és a béta lap szerkezetét. Pauling és Corey kifejtették szerkezetüket, miszerint három polipeptidszál hidrogénkötések révén spirális konformációban képződik együtt. 1964-ben Ramachandran és Kartha kifejlesztett egy fejlett struktúrát a kollagén számára, mivel ez három Balkezes polipeptid 2 hélix jobbkezes hármas hélixe volt, a transzkonformáció összes peptidkötésével és két hidrogénkötéssel minden triplettben. Ezt követően a szerkezetet Rich és Crick csiszolta a ma elfogadott hármas spirál szerkezetre, amely egyetlen interstrandot tartalmaz N-H(Gly)…O = c (Xaa) hidrogénkötés triplettenként és tízszeres spirális szimmetria 28,6 a axiális ismétléssel.
funkció és sokféleség
a kollagén, amely minden többsejtű szervezetben jelen van, nem egy fehérje, hanem szerkezetileg rokon fehérjék családja. A különböző kollagén fehérjék nagyon különböző funkciókkal rendelkeznek. A csont és a fogak rendkívül kemény szerkezete kollagént és kalcium-foszfát polimert tartalmaz. Az inakban a kollagén nagy szakítószilárdságú kötélszerű szálakat képez, míg a bőrben a kollagén lazán szövött szálakat képez, amelyek minden irányba kitágulhatnak. A kollagén különböző típusait különböző polipeptidkészítmények jellemzik. Minden kollagén három polipeptidláncból áll, amelyek mind azonosak lehetnek, vagy két különböző láncból állhatnak. Az I. típusú kollagén egyetlen molekulájának molekulatömege 285kda, szélessége 1,5 nm, hossza 300 nm.
| Típus | polipeptid összetétel | Eloszlás |
|---|---|---|
| I | 2, alfa 2(i) | bőr, csont,ín,szaruhártya, erek |
| II | 3 | porc, porckorong |
| III | 3 | magzati bőr, erek |
| IV | 2, alfa 2 (IV) | alapmembrán |
| V | 2, alfa 2 (V) | Placenta, bőr |
áttekintés Bioszintézis
a kollagén polipeptideket a riboszómák szintetizálják a durva endoplazmatikus retikulumon (RER). A polipeptidlánc ezután áthalad a RER és a Golgi berendezésen, mielőtt kiválasztódik. Útközben poszttranszlációs módon módosul: a Pro és Lys maradékokat hidroxilálják, és szénhidrátot adnak hozzá. A szekréció előtt három polipeptidlánc jön össze, hogy hármas spirális szerkezetet képezzen prokollagén néven. A prokollagént ezután kiválasztják a kötőszövet extracelluláris tereibe, ahol a polipeptidláncok eextenzióit mind az N, mind a C végállomáson (hosszabbító peptidek) eltávolítják peptidázok alkotnak troppcollagen. A tropokollagén molekulák aggregálódnak,és nagymértékben térhálósodnak az érett kollagén rosthoz.
a hármas spirál szerkezetének stabilitása
a kollagén fontos az állatok számára, mivel számos alapvető tulajdonságot tartalmaz, mint például a hőstabilitás, a mechanikai szilárdság, valamint a más molekulákkal való kötődés és kölcsönhatás képessége. Annak ismerete, hogy ezek a tulajdonságok hogyan hatnak, megköveteli a kollagén szerkezetének és stabilitásának megértését. Az aminosavak helyettesítése bármely XaaYaaGly pozíció helyett számos módon befolyásolhatja a kollagén szerkezetét és stabilitását.
glicin szubsztitúciók
a glicin pozíciójának helyettesítése a XaaYaaGly szekvenciában gyakran betegségeket okoz, mivel a különböző kollagének hármas spirális és nem hármas spirális doménjeinek mutációival jár. A kollagén káros mutációit a Gly helyettesítése okozza, amely a hármas hélixen belül az utolsó hidrogéntestekben vesz részt. Például a Gly-t helyettesítő aminosav és a szubsztitúció helye befolyásolhatja az osteogenesis patológiáját. A Gly helyettesítése a kollagén szekvencia prolinban gazdag területein kevesebb zavarral jár, mint a prolin szegény régiók területei. A glicin szubsztitúciók által okozott késleltetés a protocollagen láncok túlmódosulását eredményezi, amelyek megváltoztatják a hármas spirál szerkezetének normális állapotát, hozzájárulva ezzel az osteogenezis kialakulásához.
magasabb rendű kollagén szerkezet.
a kollagén hieracharcalis komponensekből áll az egyes TC monomerek kisebb egységeiből, amelyek önmagukban összeállnak a makromolekuláris szálakba. Az 1. típusú kollagénben a monomerek alkotják a mikrofibrillákat, amelyek aztán a fibrist alkotják.
Rostszerkezet.
az 1-es típusú kollagén TC monomerjeinek furcsa tulajdonsága, hogy testhőmérsékleten instabilak, vagyis inkább rendezetlenek, mint strukturáltak és rendezetlenek. A kérdés az, hogy hogyan lehet valami instabil valami olyan stabil alkotóeleme, mint például a kollagén hármas spirálszerkezete. A válasz erre a kérdésre az, hogy a kollagén fibrillogenezis stabilizálja a hármas hélixet, vagyis amikor a monomerek együtt alakulnak ki, stabilizáló hatásuk van. Ez hozzájárul a kollagén hármas spirál szerkezetének szilárdságához.
a kollagén fibrillogenezis közepes méretű rostszegmensek, úgynevezett mikrofibrillumok képződésével történik. Két alapvető kérdést kell megválaszolni a kollagén fibrillák molekuláris szerkezetének megértése érdekében. Az első kérdés az, hogy mi a mikroszálakat alkotó egyes TC monomerek elrendezése. A második kérdés az, hogy ezek a mikrofibrillák hogyan alkotják a kollagén rostot. Ezeket a kérdéseket nehéz megválaszolni, mivel az egyes természetes mikrofibrillákat nem lehet elkülöníteni, és az érett kollagén rostok nagy mérete és oldhatatlansága lehetetlenné teszi a szokásos technikák számára a szerkezet meghatározását.
