Structurele Biochemie / collageen
collageen introductie
collageen, het meest voorkomende eiwit bij zoogdieren, is ook het belangrijkste vezelbestanddeel van huid, bot, pees, kraakbeen en tanden. Het droge gewicht van de huid van de mens bestaat uit meer dan 1/3 collageen. Dit extracellulaire eiwit is een staafvormig molecuul, ongeveer 3000 Å lang en slechts 15 Å in diameter. Er zijn minstens achtentwintig verschillende types van collageen die uit minstens 46 verschillende polypeptidekettingen worden samengesteld die in wervels en andere proteã nen zijn gevestigd die collagenous domeinen bevatten. Het kenmerkende kenmerk van collageen is dat het structurele proteã NEN is die uit een rechtshandige bundel van drie parallel-linkshandige polyproline II-type helices worden samengesteld. Door de strakke verpakking van ppii helices binnen de drievoudige helix, is elk derde residu, dat een aminozuur is, Gly (Glycine). Dit resulteert in een herhalend patroon van een xaayaagly-sequentie. Hoewel dit patroon in alle soorten collageen voorkomt, is er één of andere verstoring van dit patroon in bepaalde gebieden binnen het drievoudige spiraalvormige domein van nonfibrillar collagenen wordt gevestigd die. Het aminozuur dat de xaa in de opeenvolging vervangt is hoogstwaarschijnlijk (2S) –proline (Pro, 28%). Het meest waarschijnlijke vervangende aminozuur in de Yaa-positie is (2s, 4R)-4-hydroxyproline (Hyp, 38%). Dit betekent dat de prohypgly opeenvolging het gemeenschappelijkste triplet in collageen is. Veel onderzoek is gedaan naar het uitzoeken van de structuur van de collageen drievoudige helices en hoe hun chemische eigenschappen de stabiliteit van collageen beïnvloeden. Men heeft gevonden dat stereo elektronische effecten en preorganisatie belangrijke factoren zijn bij het bepalen van de stabiliteit van collageen. Een type collageen genaamd type I collageen heeft de structuur in detail onthuld. Het synthetiseren van kunstmatige collageenfibrillen, die kleinere bundels van vezel zijn, zijn nu mogelijk geweest en kunnen nu eigenschappen bevatten die natuurlijke collageenfibrillen hebben. Door voortdurend de mechanische en structurele eigenschappen van inheemse collageenfibrillen te begrijpen, zal het onderzoek manieren helpen bedenken en ontwikkelen om kunstmatige collageneuze materialen te creëren die op vele aspecten van ons leven zoals biogeneeskunde en nanotechnologie kunnen worden toegepast.
structuur van collageen
de structuur van collageen is in de loop van de geschiedenis intensief ontwikkeld. Eerst, brachten Astbury en Bell hun idee naar voren dat het collageen één enkele uitgebreide polypeptideketen met al hun amidebanden in de bouw van het cis werd samengesteld. In 1951 bepaalden andere onderzoeken correct de structuren voor alpha helix en de beta sheet. Pauling en Corey zetten hun structuur voort dat drie polypeptidebundels samen door waterstofbanden in een spiraalvormige bouw worden gevormd. In 1964, ontwikkelden Ramachandran en Kartha een geavanceerde structuur voor collageen in die zin dat het een rechtshandige drievoudige helix van drie linkshandige polypeptide 2 helices met alle peptidebindingen in de transbouw en twee waterstofbindingen in elk triplet was. Daarna werd de structuur aangescherpt door Rich en Crick tot de geaccepteerde triple helix-structuur vandaag, die een enkel interstrand N-H(Gly) bevat…O = c (Xaa) waterstofbinding per triplet en een tienvoudige spiraalvormige symmetrie met een 28,6 a axiale herhaling.
functie en diversiteit
collageen, dat aanwezig is in alle meercellige organismen, is niet één eiwit, maar een familie van structureel verwante eiwitten. De verschillende collageeneiwitten hebben zeer uiteenlopende functies. De extreem harde structuren van bot en tanden bevatten collageen en een calciumfosfaat polymeer. In pezen, vormt collageen touw-achtige vezels van hoge treksterkte, terwijl in de huid collageen losjes geweven vezels vormt die in alle richtingen kunnen uitbreiden. De verschillende soorten collageen worden gekenmerkt door verschillende polypeptidesamenstellingen. Elk collageen is samengesteld uit drie polypeptidekettingen, die allen identiek kunnen zijn of van twee verschillende kettingen kunnen zijn. Een enkel molecuul van type I collageen heeft een molecuulmassa van 285kDa, een breedte van 1,5 nm en een lengte van 300nm.
| Type | Polypeptide Samenstelling | Distributie |
|---|---|---|
| I | 2, alpha 2(I) | Huid -, bot -, pees -, hoornvlies,de bloedvaten |
| II | 3 | Kraakbeen, tussenwervelschijven |
| III | 3 | Foetale huid,bloedvaten |
| IV | 2, alpha 2(IV) | basaalmembraan |
| V | 2, alpha 2(V) | Placenta,huid |
Overzicht Biosynthese
Collageenpolypeptiden worden gesynthetiseerd door ribosomen op het ruwe endoplasmatische reticulum (RER). De polypeptideketen gaat dan door het RER-en Golgi-apparaat alvorens te worden afgescheiden. Onderweg wordt het post-translationeel gemodificeerd: Pro-en Lys-residuen worden gehydroxyleerd en koolhydraten worden toegevoegd. Vóór afscheiding komen drie polypeptideketens samen om een drievoudige spiraalvormige structuur te vormen die procollageen wordt genoemd. Het procollageen wordt vervolgens uitgescheiden in de extracellulaire ruimten van het bindweefsel waar eextensies van de polypeptideketens op zowel de N-als de C-termini (extensiepeptiden) door peptidasen worden verwijderd om troppcollageen te vormen. De tropocollagemoleculen aggregeren en zijn uitgebreid cross-linked om de rijpe collageenvezel te verkrijgen.
stabiliteit van triple Helix structuur
collageen is belangrijk voor dieren omdat het veel essentiële eigenschappen bevat, zoals thermische stabiliteit, mechanische sterkte en het vermogen om zich te binden en interactie aan te gaan met andere moleculen. Weten hoe deze eigenschappen worden beïnvloed vereisen een begrip van de structuur en stabiliteit van collageen. Het vervangen van aminozuren in plaats van een van de XaaYaaGly-posities kan de structuur en stabiliteit van collageen op verschillende manieren beïnvloeden.
Glycine substituties
het vervangen van de Glycine positie in de xaayaagly sequentie veroorzaakt vaak ziekten heeft het is geassocieerd met mutaties in de drievoudige spiraalvormige en niet-drievoudige spiraalvormige domeinen van een verscheidenheid van collagenen. De schadelijke veranderingen aan collageen worden veroorzaakt door de substitutie van Gly betrokken bij de laatste waterstofbods binnen de drievoudige helix. Bijvoorbeeld kan het aminozuur dat Gly en de plaats van de substitutie vervangt de pathologie van osteogenesis beà nvloeden. Het vervangen van Gly in proline rijke gebieden van de collageenopeenvolging heeft minder verstoring dan de gebieden van proline arme gebieden. De tijdvertraging veroorzaakt door Glycine substituties resulteert in een overmodificatie van de protocollagenketens, die de normale toestand van de drievoudige helixstructuur veranderen en zo de ontwikkeling van osteogenese bijdragen.
hogere-orde collageenstructuur.
collageen bestaat uit hieracharcale componenten uit de kleinere eenheden van individuele TC-monomeren die zichzelf in de macromoleculaire vezels samenvoegen. In type 1-collageen vormen monomeren microvezels, die vervolgens fibris vormen.
Fibrilstructuur.
TC-monomeren van type 1-collageen hebben een vreemd kenmerk in die zin dat ze instabiel zijn bij lichaamstemperatuur, wat betekent dat ze liever ongeordend zijn dan gestructureerd en ordentelijk. De vraag is hoe iets onstabiel een onderdeel kan zijn van iets dat zo stabiel is, zoals de drievoudige helixstructuur van collageen. Het antwoord op deze vraag is dat collageenfibrilogenese de drievoudige helix stabiliseert, wat betekent dat wanneer de monomeren samen vormen zij een stabiliserend effect hebben. Dit draagt bij aan de sterkte van de collageen triple helix structuur.
Collageenfibrilogenese vindt plaats door de vorming van middelgrote fibrillensegmenten, microfibrillen genaamd. Er zijn twee essentiële vragen die moeten worden beantwoord om de moleculaire structuur van collageenfibrillen te begrijpen. De eerste vraag is wat is de rangschikking van de individuele TC monomeren die deel uitmaken van de microfibril. De tweede vraag is dan hoe die microfibrillen het collageenfibrille vormen. Deze vragen zijn moeilijk te beantwoorden omdat individuele natuurlijke microfibrillen niet kunnen worden geïsoleerd en de grote grootte en onoplosbaarheid van rijpe collageenfibrillen maken het onmogelijk voor standaardtechnieken om de structuur uit te zoeken.
