Biochimica strutturale / Collagene
Collagene Introduzione
Il collagene, che è la proteina più abbondante nei mammiferi, è anche il principale componente fibroso della pelle, dell’osso, del tendine, della cartilagine e dei denti. Il peso secco della pelle degli esseri umani è costituito da oltre 1/3 di collagene. Questa proteina extracellulare è una molecola a forma di bastoncello, lunga circa 3000 Å e con un diametro di soli 15 Å. Ci sono almeno ventotto diversi tipi di collagene che sono costituiti da almeno 46 diverse catene polipeptidiche che sono state localizzate nelle vertebre e altre proteine che contengono domini collageni. La caratteristica distintiva del collagene è che si tratta di proteine strutturali composte da un fascio destrorso di tre eliche poliproline II di tipo parallelo-mancino. A causa dell’imballaggio stretto delle eliche di PPII all’interno della tripla elica, ogni terzo residuo, che è un amminoacido, è Gly (glicina). Ciò si traduce in un modello ripetuto di una sequenza XaaYaaGly. Anche se questo modello si verifica in tutti i tipi di collagene, c’è qualche interruzione di questo modello in alcune aree situate all’interno del dominio triplo elicoidale di collageni non fibrillari. L’amminoacido che sostituisce il Xaa nella sequenza è più probabile –2S) – prolina (Pro, 28%). L’amminoacido sostitutivo più probabile nella posizione Yaa è (2s, 4R)-4-idrossiprolina (Hyp, 38%). Ciò significa che la sequenza ProHypGly è la tripletta più comune nel collagene. Molte ricerche sono state fatte per capire la struttura delle triple eliche di collagene e come le loro proprietà chimiche influenzano la stabilità del collagene. È stato trovato che gli effetti elettronici stereo e la preorganizzazione sono fattori importanti nel determinare la stabilità del collagene. Un tipo di collagene chiamato collagene di tipo I ha la struttura rivelata in dettaglio. Sintetizzare le fibrille di collagene artificiale, che sono fili più piccoli di fibre, è stato ora possibile e può ora contenere proprietà che le fibrille di collagene naturali hanno. Comprendendo continuamente le proprietà meccaniche e strutturali delle fibrille di collagene native, aiuterà la ricerca a ideare e sviluppare modi per creare materiali collagene artificiali che possono essere applicati a molti aspetti della nostra vita come la biomedicina e la nanotecnologia.
Struttura del collagene
La struttura del collagene è stata sviluppata intensamente nel corso della storia. All’inizio, Astbury e Bell hanno avanzato la loro idea che il collagene fosse costituito da una singola catena polipeptidica estesa con tutti i loro legami ammidici nella conformazione cis. Nel 1951, altre ricerche hanno determinato correttamente le strutture per l’alfa elica e il foglio beta. Pauling e Corey messo avanti la loro struttura che tre filamenti polipeptidici si formano insieme attraverso legami idrogeno in una conformazione elicoidale. Nel 1964, Ramachandran e Kartha svilupparono una struttura avanzata per il collagene in quanto era una tripla elica destrorsa di tre eliche del polipeptide 2 mancino con tutti i legami peptidici nella conformazione trans e due legami idrogeno in ogni tripletta. Successivamente, la struttura è stata affinata da Rich e Crick alla struttura a tripla elica oggi accettata, che contiene un singolo interstand NH (Gly)…O = C (Xaa)legame idrogeno per tripletta e una simmetria elicoidale decuplicata con una ripetizione assiale di 28,6 A.
Funzione e diversità
Il collagene, che è presente in tutti gli organismi multicellulari, non è una proteina ma una famiglia di proteine strutturalmente correlate. Le diverse proteine del collagene hanno funzioni molto diverse. Le strutture estremamente dure di ossa e denti contengono collagene e un polimero di fosfato di calcio. Nei tendini, il collagene forma fibre simili a corde di alta resistenza alla trazione, mentre nella pelle il collagene forma fibre vagamente tessute che possono espandersi in tutte le direzioni. I diversi tipi di collagene sono caratterizzati da diverse composizioni polipeptidiche. Ogni collagene è composto da tre catene polipeptidiche, che possono essere tutte identiche o possono essere di due catene diverse. Una singola molecola di collagene di tipo I ha una massa molecolare di 285kDa, una larghezza di 1,5 nm e una lunghezza di 300 nm.
| Tipo | Polipeptide Composizione | Distribuzione |
|---|---|---|
| I | 2, alpha 2(I) | Pelle,ossa,tendini,cornea,i vasi sanguigni |
| II | 3 | Cartilagine, disco intervertebrale |
| III | 3 | Fetale pelle,i vasi sanguigni |
| IV | 2, alpha 2(IV) | membrana Basale |
| V | 2, alpha 2(V) | Placenta,pelle |
Panoramica di Biosintesi
I polipeptidi del collagene sono sintetizzati dai ribosomi sul reticolo endoplasmatico ruvido (RER). La catena polipeptidica passa quindi attraverso l’apparato RER e Golgi prima di essere secreta. Lungo il percorso viene modificato post-traduzionalmente: i residui di Pro e Lys vengono idrossilati e vengono aggiunti carboidrati. Prima della secrezione, tre catene polipeptidiche si uniscono per formare una struttura a tripla elica nota come procollagene. Il procollagen poi è secernuto negli spazi extracellulari del tessuto connettivo in cui le eextensions delle catene del polipeptide sia al termine di C che di N (peptidi di estensione) sono rimosse dalle peptidasi per formare troppcollagen. Le molecole di tropocollagene si aggregano e sono ampiamente reticolate per produrre la fibra di collagene matura.
Stabilità della struttura a tripla elica
Il collagene è importante per gli animali in quanto contiene molte proprietà essenziali come la stabilità termica, la resistenza meccanica e la capacità di legare e interagire con altre molecole. Sapere come queste proprietà sono influenzate richiede una comprensione della struttura e della stabilità del collagene. Sostituire gli amminoacidi al posto di una qualsiasi delle posizioni XaaYaaGly può influenzare la struttura e la stabilità del collagene in numerosi modi.
Sostituzioni glicina
Sostituzione della posizione glicina nella sequenza XaaYaaGly spesso causano malattie ha è associato a mutazioni nei domini tripla elicoidale e non tripla elicoidale di una varietà di collageni. Le mutazioni dannose al collagene sono causate dalla sostituzione del Gly coinvolto negli ultimi corpi di idrogeno all’interno della tripla elica. Ad esempio l’amminoacido che sostituisce il Gly e la posizione della sostituzione possono influenzare la patologia dell’osteogenesi. Sostituendo il Gly nelle aree ricche della prolina della sequenza del collagene hanno meno interruzione poi le aree delle regioni povere della prolina. Il ritardo di tempo causato dalle sostituzioni della glicina provoca una sovramodificazione delle catene protocollagene, che alterano lo stato normale della struttura a tripla elica e quindi contribuiscono allo sviluppo dell’osteogenesi.
Struttura di collagene di ordine superiore.
Il collagene è costituito da componenti hieracharcali dalle unità più piccole dei singoli monomeri TC che si assemblano automaticamente nelle fibre macromolecolari. Nel collagene di tipo 1, i monomeri costituiscono microfibrille che poi costituiscono fibris.
Struttura Fibril.
I monomeri TC del collagene di tipo 1 hanno una strana caratteristica in quanto sono instabili a temperatura corporea, il che significa che preferiscono essere disordinati piuttosto che strutturati e ordinati. La domanda è che come può qualcosa di instabile essere un componente di qualcosa di così stabile, come la struttura a tripla elica del collagene. La risposta a questa domanda è che la fibrillogenesi del collagene stabilizza la tripla elica, il che significa che quando i monomeri si formano insieme hanno un effetto stabilizzante. Ciò contribuisce alla forza della struttura a tripla elica del collagene.
La fibrillogenesi del collagene avviene attraverso la formazione di segmenti di fibrille di dimensioni intermedie chiamati microfibrille. Ci sono due domande essenziali che devono essere risolte per comprendere la struttura molecolare delle fibrille di collagene. La prima domanda è qual è la disposizione dei singoli monomeri TC che compongono il microfibril. La seconda domanda è quindi come fanno quelle microfibrille a costituire la fibrilla di collagene. Queste domande sono difficili da rispondere perché le singole microfibrille naturali non possono essere isolate e le grandi dimensioni e l’insolubilità delle fibrille di collagene mature rendono impossibile per le tecniche standard capire la struttura.
